中國南方盆外復(fù)雜構(gòu)造區(qū)頁巖氣井評(píng)價(jià)與認(rèn)識(shí)
--以湖北來鳳咸豐區(qū)塊來頁1井為例

李　博　魏國慶　洪克巖　彭傳圣　胡曉蘭　朱亮亮

中國南方盆外復(fù)雜構(gòu)造區(qū)頁巖氣井評(píng)價(jià)與認(rèn)識(shí)
--以湖北來鳳咸豐區(qū)塊來頁1井為例

李博1,2魏國慶1洪克巖1彭傳圣1胡曉蘭1朱亮亮1

1. 中國華電集團(tuán)清潔能源有限公司 2. 中國地質(zhì)大學(xué)(北京)

李博等.中國南方盆外復(fù)雜構(gòu)造區(qū)頁巖氣井評(píng)價(jià)與認(rèn)識(shí)--以湖北來鳳咸豐區(qū)塊來頁1井為例.天然氣工業(yè),2016, 36(8): 29-35.

為了在中國南方四川盆地以外復(fù)雜構(gòu)造區(qū)確定頁巖儲(chǔ)層的核心評(píng)價(jià)參數(shù),準(zhǔn)確把握頁巖氣"甜點(diǎn)"目標(biāo),以湖北來鳳咸豐區(qū)塊來頁1井為例,利用鉆井、二維地震及實(shí)驗(yàn)室分析測試數(shù)據(jù)等資料,對(duì)該區(qū)塊上奧陶統(tǒng)五峰組-下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖氣的形成條件進(jìn)行了評(píng)價(jià).結(jié)果表明:該區(qū)五峰組-龍馬溪組頁巖具有厚度較大、有機(jī)質(zhì)豐度高、熱演化程度較高、儲(chǔ)集物性及含氣性較好、可壓性良好和保存條件良好等優(yōu)點(diǎn),為該區(qū)頁巖氣的生成和富集提供了良好的地質(zhì)條件.進(jìn)而建立了適合南方復(fù)雜構(gòu)造區(qū)五峰組-龍馬溪組頁巖的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,歸納了獲得商業(yè)發(fā)現(xiàn)的5項(xiàng)核心評(píng)價(jià)指標(biāo):①優(yōu)質(zhì)頁巖厚度大于20 m;②有機(jī)碳含量超過2.0% ;③脆性礦物含量介于40%～70%;④頁巖含氣量大于2 m3/t且甲烷含量超過90%;⑤距離通天斷裂及目的層剝蝕線超過3 km.結(jié)論認(rèn)為:該區(qū)塊志留系五峰組-龍馬溪組頁巖滿足上述評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),具有進(jìn)一步開展工作的潛力;同時(shí),五峰組-龍馬溪組埋藏較淺,不屬于超壓體系,也對(duì)后期的規(guī)模開發(fā)和穩(wěn)產(chǎn)提出了挑戰(zhàn).

中國南方 復(fù)雜構(gòu)造區(qū) 湖北來頁1井 晚奧陶世-早志留世 頁巖氣 評(píng)價(jià)指標(biāo) 保存條件 含氣性 TOC

頁巖氣作為一種新的非常規(guī)能源越來越受到人們的重視[1-4].為加快中國的頁巖氣勘探開發(fā)步伐, 2012年9月,國土資源部發(fā)布公告,面向社會(huì)公開招標(biāo)出讓20個(gè)頁巖氣探礦權(quán),總面積為20 002 km2.其中,大多分布在貴州、湖北、湖南等四川盆地以外的南方海相地層變形復(fù)雜區(qū).該區(qū)域的主要目的層上奧陶統(tǒng)五峰組-下志留統(tǒng)龍馬溪組具有以下特點(diǎn):①埋藏相對(duì)較淺,大部分地區(qū)埋深在2 500 m以內(nèi);②都處于志留系深海陸棚相的相對(duì)邊緣地區(qū);③地層壓力系數(shù)介于0.95～1.20;④受后期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響較大,基本都位于七曜山斷裂以東,現(xiàn)今多為"隔擋式"構(gòu)造格局[5-10].在上述區(qū)域,如何尋找構(gòu)造相對(duì)穩(wěn)定區(qū),如何確定核心評(píng)價(jià)參數(shù),對(duì)于準(zhǔn)確把握頁巖氣"甜點(diǎn)"顯得十分重要.

圖1　來鳳咸豐區(qū)塊位置及構(gòu)造綱要圖

1　地質(zhì)簡況

湖北來鳳咸豐頁巖氣勘查區(qū)塊(以下簡稱來鳳咸豐區(qū)塊)為國土部第二輪頁巖氣招標(biāo)區(qū)塊,位于揚(yáng)子板塊中部的湘鄂西褶沖帶,西與四川盆地毗鄰,北靠秦嶺-大別造山帶,東接江南-雪峰滑脫推覆隆起帶,區(qū)塊主體位于湘鄂西褶沖帶的宜都-鶴峰復(fù)背斜帶的西南翼,部分位于花果坪復(fù)向斜帶上(圖1).湘鄂西褶沖帶在中新生代受加里東、印支褶皺運(yùn)動(dòng)影響較強(qiáng),主要表現(xiàn)為頻繁的差異升降運(yùn)動(dòng).侏羅紀(jì)末的燕山褶皺運(yùn)動(dòng)造成全區(qū)蓋層的強(qiáng)烈變形,形成以北東向?yàn)橹鞯鸟薨櫤蛿嗔褬?gòu)造.區(qū)域資料顯示,來鳳咸豐區(qū)塊地層自震旦系到三疊系發(fā)育齊全,缺失侏羅系以上的地層.區(qū)塊出露最老地層為下寒武統(tǒng)天河板組,最新地層為下三疊統(tǒng)大冶組,累積厚度約為4 600 m.

圖2　來鳳咸豐區(qū)塊過來頁1井地震剖面圖

2015年中國華電集團(tuán)在來鳳咸豐區(qū)塊兩河口向斜軸部部署實(shí)施了1口頁巖氣探井--來頁1井(圖2),目的層為五峰組-龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)泥頁巖,獲得了較好的頁巖氣顯示,展示了該區(qū)下古生界頁巖氣具有良好的勘探前景.

來頁1井采用二開井身結(jié)構(gòu),完鉆井深1 070 m.揭示主要目的層五峰組-龍馬溪組厚度為51 m (深度介于902～953 m).全井氣測顯示共計(jì)46.50 m/4層,其中925.00～953.00 m為目的層五峰組-龍馬溪組黑色筆石頁巖,全烴含量0.31%↑9.40%,甲烷含量0.29%↑8.78%.下部的935.00～953.00 m井段的自然伽馬、相對(duì)高聲波時(shí)差、相對(duì)高電阻率的"三高"特征明顯,自然伽馬在186.3 API上下,地層電阻率平均為262.9 Ω.m,聲波時(shí)差平均為228.0 μs/m,補(bǔ)償中子平均為14.1%,體積密度平均為2.60 g/cm3,有效孔隙度平均為3.7%,滲透率平均為0.047 6 mD,綜合解釋該層為頁巖氣層(圖3).

圖3　來頁1井五峰組-龍馬溪組頁巖氣綜合評(píng)價(jià)圖

2　主要評(píng)價(jià)參數(shù)

2.1暗色泥頁巖發(fā)育及分布

來鳳咸豐區(qū)塊五峰組-龍馬溪組沉積于碎屑巖深水陸棚相滯流缺氧環(huán)境,含有豐富的筆石及有機(jī)質(zhì)的黑色泥頁巖.來鳳咸豐區(qū)塊在龍馬溪組沉積時(shí)期,沉積水體總體為缺氧環(huán)境,主要發(fā)育黑-黑灰色碳質(zhì)頁巖、含粉砂碳質(zhì)泥頁巖、深灰色泥質(zhì)粉砂巖,厚41～55 m.五峰組沉積時(shí)水體更深,富含筆石和黃鐵礦,巖性以含碳硅質(zhì)泥頁巖為主,厚5～7 m.五峰組-龍馬溪組泥頁巖整體橫向分布廣泛,有利分布規(guī)模面積約100 km2.

2.2有機(jī)地球化學(xué)特征

來頁1井44個(gè)巖心樣品測試結(jié)果表明,來鳳咸豐區(qū)塊五峰組-龍馬溪組黑色泥頁巖有機(jī)質(zhì)類型以偏腐泥混合型為主.TOC介于0.42%～4.18%,平均為1.58%,大多超過1.0%;Ro介于2.03%～4.85%,平均為2.94%,頁巖品質(zhì)好且達(dá)到過成熟生氣階段.整體上看,中間的泥質(zhì)粉砂巖上下的2套黑色泥頁巖有機(jī)碳含量較高,且都有由下往上TOC呈逐漸降低的趨勢.905～912 m、925～933 m和938～953 m井段,共計(jì)30 m厚的黑色碳質(zhì)頁巖、硅質(zhì)頁巖TOC值明顯較高,介于1.00%～4.18%,平均值為1.63%,化石含量豐富,是形成頁巖氣藏的最有利層段(圖3).

2.3儲(chǔ)滲條件

來鳳咸豐區(qū)塊五峰組-龍馬溪組泥頁巖密度平均為2.65 g/cm3,與黃金壩地區(qū)已商業(yè)開發(fā)的五峰組-龍馬溪組頁巖層密度大體一致[6-8],結(jié)構(gòu)相對(duì)致密.

2.3.1儲(chǔ)集空間類型及特征

通過巖心觀察、氬離子拋光-掃描電鏡以及STAR電成像測井等分析發(fā)現(xiàn),來鳳咸豐區(qū)塊暗色泥頁巖中的儲(chǔ)集空間主要發(fā)育2種類型:①一種為泥巖自身的微觀孔隙,根據(jù)成因類型主要分為微裂縫、粒間孔、粒內(nèi)孔和有機(jī)質(zhì)孔隙4大類(圖4),這種微孔隙的儲(chǔ)集空間很小,一般為納米級(jí),孔徑介于2～1 000 nm,大部分集中在2～50 nm;②另一種類型為泥頁巖中發(fā)育的裂縫系統(tǒng),其對(duì)頁巖氣的開發(fā)有重要作用,不僅利于游離氣的富集,還是頁巖氣滲流運(yùn)移的重要通道.這種類型的裂縫一般尺寸較大,為宏觀裂縫,可以通過巖心觀察觀測到或通過STAR電成像測井解釋發(fā)現(xiàn).來頁1井的宏觀裂縫系統(tǒng),主要以低角度的構(gòu)造縫和近水平的層間縫為主(圖4),部分裂縫為開啟縫,部分裂縫充填有方解石.

2.3.2儲(chǔ)集物性

通過脈沖法測試巖心物性數(shù)據(jù)表明,來鳳咸豐區(qū)塊五峰組-龍馬溪組泥頁巖孔隙度介于0.16%～5.86%,大部分超過1.0%,占比達(dá)到76%,平均孔隙度為2.08%;滲透率由于個(gè)別樣品裂縫發(fā)育,變化范圍較大,介于0.001～0.600 mD,平均為0.05 mD.與北美及國內(nèi)已獲得頁巖氣勘探突破地區(qū)的頁巖儲(chǔ)層的孔隙度和滲透率[11-15]相比,來鳳咸豐區(qū)塊五峰組-龍馬溪組泥頁巖儲(chǔ)層物性相對(duì)較好(表1).而且,該區(qū)塊五峰組-龍馬溪組泥頁巖儲(chǔ)層較低的孔隙度對(duì)應(yīng)著相對(duì)較高的滲透率,說明微裂縫為泥頁巖儲(chǔ)層提供了一定的滲濾通道,有利于頁巖氣產(chǎn)出.

2.4巖石礦物學(xué)特征

X射線衍射分析實(shí)驗(yàn)表明,來鳳咸豐區(qū)塊五峰組-龍馬溪組礦物成分以黏土礦物和石英為主,其次為長石、碳酸鹽巖及少量黃鐵礦(圖5).

黏土礦物含量介于17.8%～60.2%,平均為36%.黏土礦物以伊利石、伊/蒙混層為主(圖6),含少量的綠泥石,不含蒙皂石和高嶺石.伊利石含量介于39%～81%,平均為58%;伊蒙混層含量平均為29%;綠泥石平均為12.5%.伊利石含量較高,說明泥頁巖成巖作用較高,與較高的成熟度相對(duì)應(yīng).

石英、長石、碳酸鹽巖及黃鐵礦等脆性礦物含量介于39.8%～82.2%,平均為64%,具有較好的可壓裂性.脆性礦物中石英含量介于15.9%～66.0%,平均為39%.

圖4　來頁1井五峰組-龍馬溪組泥頁巖主要儲(chǔ)集空間類型圖

2.5保存條件及頁巖含氣量

南方海相頁巖氣勘探實(shí)踐表明,保存條件的好壞直接控制頁巖氣的含氣量及氣體組分.來頁1井所在的兩河口向斜,兩翼地層較平緩,向斜主體部位無大型通天斷層發(fā)育,來頁1井距離五峰組-龍馬溪組最近的露頭3.5 km.來頁1井五峰組-龍馬溪組頂界埋深902 m,頂板為下志留統(tǒng)新灘組,巖性主要為深灰-灰色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、粉砂巖和部分細(xì)砂巖,總厚度約為180 m,對(duì)下部頁巖氣層具有較好的封蓋效果.底板為寶塔組連續(xù)沉積的灰色瘤狀灰?guī)r、泥灰?guī)r,厚度約為30 m,區(qū)域上分布穩(wěn)定,空間展布范圍廣,巖性致密,物性較差,作為底板,對(duì)上覆頁巖氣層具有很好的封隔作用.

良好的保存條件使得來頁1井具有較高的含氣量和甲烷純度,測試結(jié)果顯示:五峰組-龍馬溪組泥頁巖含氣量介于0.23～3.73 m3/t,平均值為1.72 m3/t.其中大于1.0 m3/t含氣量的頁巖段共35 m,大于2.0 m3/t含氣量的頁巖段厚度達(dá)到21 m(圖3),甲烷純度均超過95%,最高達(dá)100%,平均值高于99%(表2).這為來鳳咸豐區(qū)塊頁巖氣的工業(yè)突破奠定了良好的基礎(chǔ).

表1　來頁1井與南方已獲得突破地區(qū)五峰組-龍馬溪組頁巖主要參數(shù)表

圖5　來頁1井全巖礦物分析圖

圖6　來頁1井黏土礦物分析圖

3　核心評(píng)價(jià)指標(biāo)

筆者根據(jù)來頁1井的勘探實(shí)踐,分析認(rèn)為針對(duì)盆外構(gòu)造復(fù)雜區(qū),頁巖氣核心評(píng)價(jià)指標(biāo)主要包含了TOC、含氣性、脆性礦物含量、甲烷純度和與深大斷裂、剝蝕線的距離等五個(gè)方面[16-18].結(jié)合來頁1井的氣測和測井曲線特征,當(dāng)黑色頁巖連續(xù)的TOC大于2%,含氣量大于2 m3/t,脆性礦物含量介于40%～70%,甲烷純度大于90%,而且鉆井距離深大斷裂和目的層剝蝕線大于3 km時(shí),即可以確定五峰組-龍馬溪組的有效厚度,并將此層段作為優(yōu)質(zhì)頁巖段,即頁巖氣勘探開發(fā)的重點(diǎn)層段.比如來頁1井的935～953 m井段,TOC連續(xù)大于2%,平均為2.62%;含氣量連續(xù)大于2 m3/t,平均達(dá)到2.85 m3/t;脆性礦物含量平均為63%;甲烷含量均超過95%,平均高于99%;且來頁1井附近無深大斷裂,距離五峰組-龍馬溪組最近的剝蝕線3.5 km,所以來頁1井935～953 m井段(共18 m)為優(yōu)質(zhì)頁巖段,是進(jìn)行重點(diǎn)壓裂的突破層段.

表2　來頁1井五峰組-龍馬溪組氣體組分分析表

4　結(jié)論

1)以來頁1井為例,建立了南方盆外復(fù)雜區(qū)五峰組-龍馬溪組頁巖評(píng)價(jià)指標(biāo)體系.在復(fù)雜區(qū)內(nèi)尋找相對(duì)穩(wěn)定的構(gòu)造單元,當(dāng)五峰組-龍馬溪組分布面積大于50 km2,埋深大于800 m,即具有一定的勘探潛力.

2)來鳳咸豐區(qū)塊五峰組-龍馬溪組泥頁巖具有厚度較大、有機(jī)質(zhì)豐度高、熱演化程度較高、儲(chǔ)集物性及含氣性較好、具有良好可壓性和保存條件良好等特點(diǎn).同時(shí),埋藏淺,不屬于超壓體系,為后期的規(guī)模開發(fā)和產(chǎn)量的穩(wěn)定提出了新的挑戰(zhàn).

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(修改回稿日期 2016-05-19 編 輯 羅冬梅)

Evaluation and understanding on the shale gas wells in complex tectonic provinces outside Sichuan Basin, South China: A case study from Well Laiye 1 in Laifeng-Xianfeng Block, Hubei

Li Bo1,2, Wei Guoqing1, Hong Keyan1, Peng Chuansheng1, Hu Xiaolan1, Zhu Liangliang1
(1. Clean Energy Co., Ltd., China Huadian Group, Beijing 100160, China; 2. China Uniνersity of Geosciences 〈Beijing〉, Beijing 100083, China)

NATUR. GAS IND. VOLUME 36, ISSUE 8, pp.29-35, 8/25/2016. (ISSN 1000-0976; In Chinese)

For determining the key evaluation parameters of shale reservoirs in the complex tectonic provinces outside the Sichuan Basin in South China and to target the sweet spots of shale reservoirs accurately, the forming conditions of Upper Ordovician Wufeng-Lower Silurian Longmaxi shale gas reservoirs in Laifeng-Xianfeng Block, Hubei Province, were evaluated with Well Laiye 1 as an example based on its drilling, 2D seismic and laboratory test data. It is shown that Wufeng-Longmaxi shale reservoirs in Laifeng-Xianfeng Block are characterized by great thickness, high organic abundance, higher thermal evolution degree, good reservoir physical property, good gas-bearing property, good compressibility and preservation conditions, which are geologically favorable for the formation and accumulation of shale gas in this block. Then, the main evaluation index system suitable for Wufeng-Longmaxi shale reservoirs in the complex tectonic provinces of South China was established. Finally, five key evaluation indices for commercial discovery of shale gas reservoirs were proposed. First, high quality shale is thicker than 20 m. Second, TOC is more than 2.0%. Third, the content of fragile minerals ranges from 40% to 70%. Fourth, shale gas content is higher than 2 m3/t and methane content is more than 90%. And fifth, reservoirs are usually over 3 km away from the opening faults and the denudation lines of target strata. It is concluded that Wufeng-Longmaxi shale reservoirs in Laifeng-Xianfeng Block reach these evaluation standards, presenting the potential for further exploration. On the other hand, however, Wufeng-Longmaxi reservoirs are not overpressure systems with shallower burial depth,which means a challenge to scale development and stable production at the late stage.

South China, Complex tectonic province; Well Laiye 1; Late Ordovician-Early Silurian; Shale gas; Evaluation index; Preservation conditions; Gas-bearing property; TOC

10.3787/j.issn.1000-0976.2016.08.004

國家科技重大專項(xiàng)(編號(hào):2016ZX05025004-004)、國土資源部頁巖氣探礦權(quán)項(xiàng)目(編號(hào):GT2012YQTKQCR0001)、中國華電集團(tuán)公司重點(diǎn)項(xiàng)目"華電頁巖氣區(qū)塊產(chǎn)能建設(shè)目標(biāo)優(yōu)選及開發(fā)前期評(píng)價(jià)"(編號(hào):HDKJ16-01-36).

李博,1968年生,高級(jí)工程師;主要從事油氣成藏與非常規(guī)油氣勘探開發(fā)研究工作.地址:(100160)北京市豐臺(tái)區(qū)汽車博物館東路6號(hào)華電產(chǎn)業(yè)園B座4層.ORCID: 0000-0002-2407-5192.E-mail: lib@cg.com.cn