涪陵焦石壩五峰組—龍馬溪組頁巖氣富集主控因素分析

馮建輝 牟澤輝

（中國石油化工股份有限公司油田勘探開發(fā)事業(yè)部）

涪陵焦石壩五峰組—龍馬溪組頁巖氣富集主控因素分析

馮建輝 牟澤輝

（中國石油化工股份有限公司油田勘探開發(fā)事業(yè)部）

在總結(jié)涪陵焦石壩頁巖氣田基本地質(zhì)特征的基礎(chǔ)上，對頁巖氣富集主控因素進行了分析。研究表明，五峰組—龍馬溪組深水陸棚相優(yōu)質(zhì)頁巖不僅有利于頁巖氣的生成，而且頁巖的有機質(zhì)豐度與含氣量具有很好的正相關(guān)關(guān)系，為頁巖氣的富集提供了物質(zhì)基礎(chǔ)；頁巖較高的有機質(zhì)豐度和適中的熱演化程度有利于有機質(zhì)孔的發(fā)育，為頁巖氣的聚集提供了有利的儲集空間；良好的頂?shù)装鍡l件和超壓獨立封存箱的形成，為頁巖氣富集提供了良好的保存條件，是頁巖氣富集高產(chǎn)的關(guān)鍵。

頁巖氣；富集條件；主控因素；五峰組—龍馬溪組；涪陵頁巖氣田

1 概況

涪陵焦石壩頁巖氣田位于重慶市境內(nèi)，構(gòu)造隸屬于四川盆地川東南構(gòu)造區(qū)川東高陡褶皺帶萬縣復(fù)向斜包鸞—焦石壩背斜帶中的焦石壩構(gòu)造。焦石壩構(gòu)造為一被大耳山西、石門、吊水巖、天臺場等斷層所復(fù)雜化的斷背斜構(gòu)造，總體表現(xiàn)為南寬北窄、中部寬緩的特點。焦頁 1 井水平井于 2012 年 11 月 28 日進行分段壓裂測試，在奧陶系五峰組—志留系龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖段獲日產(chǎn) 20.3×104m3高產(chǎn)工業(yè)氣流。2013 年開展 18 口井的開發(fā)井組試驗，2014 年正式投入商業(yè)開發(fā)，2015 年建成 50×108m3年生產(chǎn)能力。涪陵焦石壩頁巖氣田是中國第一個投入商業(yè)開發(fā)的大型頁巖氣田[1-3]。

2 頁巖氣田特征

焦石壩頁巖氣田產(chǎn)層為上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組底部黑色富有機質(zhì)頁巖，主要巖性為含放射蟲碳質(zhì)筆石頁巖、含骨針放射蟲碳質(zhì)筆石頁巖、含碳質(zhì)筆石頁巖，頁巖中筆石、放射蟲、海綿骨針等化石十分發(fā)育。產(chǎn)氣層段頁巖巖性在氣田主體區(qū)內(nèi)4口探井具有較好的可對比性，氣層厚度在 40m 左右，分布穩(wěn)定。氣層底部埋深以 2250～3500m 為主，具有西北淺、東南深的趨勢。

產(chǎn)氣層段頁巖 TOC 為 1.04%～5.89%，優(yōu)質(zhì)烴源巖段 TOC 平均為 3.5%，有機質(zhì)類型為Ⅰ型，有機質(zhì)成熟度Ro為 2.42%～2.8%，處于熱裂解干氣生成階段。頁巖礦物組成為石英、黏土礦物、長石、碳酸鹽、黃鐵礦等，脆性礦物含量達到 50.95%～80.3%，平均為 62.4%，其中石英含量最高可達 70.6%，具有高脆性特征。

焦頁1井五峰組—龍馬溪組產(chǎn)氣層段頁巖儲層孔隙度為 1.17%～7.98%，平均為 4.61%。水平滲透率介于 0.0015～5.71mD，平均為 0.25mD；垂直滲透率介于 0.0002～0.024mD，平均為 0.00323mD。頁巖儲層具有較高孔隙度、特低滲透率的特征。

焦石壩地區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖氣藏屬于中深層高壓常溫連續(xù)性氣藏，氣藏地層壓力系數(shù)為 1.55，地溫梯度為 2.73℃ /100m。

頁巖氣層自然產(chǎn)量低，需要經(jīng)過大規(guī)模水平井分段壓裂改造才能獲得工業(yè)氣流。以焦頁11號平臺為例，焦頁 11-4 井采用 APR 測射聯(lián)作工 藝，對上奧陶統(tǒng)五峰組頁巖氣氣層 2359.5～2361.5m(2m/1 層 )未壓裂，射孔進行測試，測試產(chǎn)量為 40～93m3/d。同一平臺相鄰的焦頁 11-2 井，采用水平井分段壓裂儲層改造方式在 1385m水平段分 14段進行壓裂，采用 3 個 不 同 制 度 測 試， 獲 得 日 產(chǎn) 氣（34.6～41.5） ×104m3的高產(chǎn)氣流。

焦石壩地區(qū)所產(chǎn)頁巖氣組分以甲烷為主，含量 為 97.22%～98.90%（ 平 均 98.27%）， 乙 烷為 0.55%～0.84%， 丙 烷 及 以 上 重 烴 組 分 含 量 為0.02%～0.266%，CO2含 量 為 0～0.22%， 不 含 硫化氫等有毒氣體。焦頁 1HF井天然氣相對密度為0.5656（臨界溫度 191.4K，臨界壓力 4.598MPa）。天然氣類型屬過成熟天然氣，為干氣，屬于優(yōu)質(zhì)天然氣。

3 頁巖氣富集主控因素

3.1 深水陸棚相優(yōu)質(zhì)頁巖是物質(zhì)基礎(chǔ)

3.1.1 優(yōu)質(zhì)頁巖段整體為深水陸棚相富有機質(zhì)頁巖

五峰組—龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖段主要巖性為含放射蟲碳質(zhì)筆石頁巖、含骨針放射蟲碳質(zhì)筆石頁巖、含碳質(zhì)筆石頁巖。水平層理發(fā)育，常見大量黃鐵礦薄層、條帶或小透鏡體及大量分散分布的黃鐵礦晶粒。頁巖中生物化石十分發(fā)育，可見筆石、放射蟲、海綿骨針等化石，筆石發(fā)育且種類豐富，包括直筆石、對筆石、柵筆石、四筆石和樹筆石，含量約為 30%～60%，呈雜亂狀排列。該段頁巖沉積環(huán)境為穩(wěn)定、缺氧、水體擾動作用影響較小的深水陸棚環(huán)境。

圖1 焦頁 1 井—焦頁 2 井—焦頁 3 井—焦頁 4 井下志留統(tǒng)層序?qū)Ρ?/p>

根據(jù)巖性巖相、水深、顏色、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、古生物、測井相、地震相等標志，自下而上可識別出2個三級層序（SSQ1 與 SSQ2）及4個體系域（圖1）。SSQ1 層序厚度相對較薄、富泥、進積明顯；SSQ2層序厚度大，相對富砂，退積明顯。龍馬溪組產(chǎn)氣層段屬于海侵體系域（TST）的深水陸棚沉積，沉積了一套富有機質(zhì)頁巖層系，TOC 大于 2.0%，厚度為38～44m,為頁巖氣的生成和賦存提供了良好的物質(zhì)基礎(chǔ)。在單井沉積相分析的基礎(chǔ)上，通過制圖與綜合 分 析， 下 部 層 序（SSQ1） 內(nèi) 的 TST、HST 時 期沉積格局呈現(xiàn)出“北面向次深海敞開、東西南三面受古陸圍限、陸架廣布”的沉積格局[4-5]。焦石壩地區(qū)位于有利的深水陸棚中心，有利于富有機質(zhì)頁巖的形成。

3.1.2 有機質(zhì)豐度與總含氣量呈正比關(guān)系

焦石壩地區(qū)焦頁1井、焦頁2井、焦頁3井、焦頁4井現(xiàn)場總含氣量的測定表明，五峰組—龍馬溪組底部頁巖總含氣量總體較高。4口井的總含氣量主要分 布在 0.63～9.63m3/t 范圍之 間， 平均為 4.61m3/t，其中大于 4m3/t 的比例達到 54.9%。對上述樣品進行頁巖含氣性敏感參數(shù)分析，從圖2可以看出，總含氣量與總有機碳含量（TOC）有很好的正相關(guān)關(guān)系，隨著TOC增加，總含氣量明顯增大，相關(guān)系數(shù)達到了 0.9。

圖2 焦石壩地區(qū)五峰組—龍馬溪組一段總含氣量與 TOC 交會圖

3.2 有機質(zhì)孔是主要儲集空間

3.2.1 頁巖儲層主要儲集空間、類型

關(guān)于頁巖儲層孔隙分類方案，目前尚存在一定的分歧。較為成熟的分類方案是 Loucks的三分法，將頁巖中與基質(zhì)有關(guān)的孔隙分為有機質(zhì)孔隙、粒間孔隙和粒內(nèi)孔隙[6]。本文依據(jù)孔隙發(fā)育的主要載體的不同，將五峰組—龍馬溪組頁巖儲層儲集空間類型分為有機質(zhì)孔、碎屑礦物孔、黏土礦物孔和微裂縫等（圖3）。

有機質(zhì)孔主要分布于干酪根、分散狀固體瀝青中，孔隙形狀不規(guī)則，多呈泡沫狀或橢圓狀，孔徑大小從幾納米到 300～500nm 不等。

碎屑礦物孔主要分布于石英、碳酸鹽等剛性顆粒之間（圖3a、e、f），部分孔隙被分散狀瀝青充填。在掃描電鏡下黃鐵礦晶間孔較為常見，孔徑一般為20～50nm,只有少量超過 100nm。黃鐵礦球狀集合體經(jīng)常與有機質(zhì)相伴生（圖3d），與周圍的石英等硬質(zhì)顆粒共同形成支撐結(jié)構(gòu)保存粒間孔隙，并在其中賦存有機質(zhì)。

黏土礦物在頁巖中的含量較高，由于黏土礦物的片狀結(jié)構(gòu)與塑性特征，難以形成堅固的支撐結(jié)構(gòu)，相當部分與黏土礦物相關(guān)的孔隙在成巖過程中喪失，局部見到黏土絮凝粒間孔隙、晶片間孔隙（圖3a、e）。在黏土礦物晶片間?？梢姷近S鐵礦晶粒和碳酸鹽膠結(jié)物，說明在早期這些晶片是張開的，但在晚期晶片間孔隙閉合，僅在內(nèi)部充填的膠結(jié)物尖端殘存少量細小孔隙（圖3c）。

此外，通過巖心觀察發(fā)現(xiàn)，焦石壩地區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖巖心水平層理縫比較發(fā)育，且見垂直縫和高角度斜裂縫，部分裂縫被方解石所充填。對滲透率的測試分析表明，產(chǎn)氣層段頁巖水平滲透率為垂直滲透率的 100 倍以上，表明水平層理縫、微裂縫不僅是該區(qū)頁巖儲層重要的儲集空間類型，而且也為后期頁巖氣的運移提供了滲流通道。

圖3 焦頁 1 井龍馬溪組—五峰組頁巖儲集空間特征（a)微裂縫、黃鐵礦晶間孔、碎屑礦物孔、有機質(zhì)孔，S1ln，2397.13m；(b)有機質(zhì)孔，S1ln，2385.42m；(c)黏土礦物孔及有機質(zhì)孔，S1ln，2381.91m；(d)黃鐵礦晶間孔及有機質(zhì)孔，S1ln，2381.91m；(e)碎屑礦物孔及有機質(zhì)孔，S1ln，2406.16m；(f)碎屑礦物孔，O3w，2411.05m

3.2.2 有機質(zhì)豐度與有機質(zhì)孔發(fā)育呈正比關(guān)系

對焦頁 1 井不同 TOC 的泥頁巖樣品進行 CT 掃描，發(fā)現(xiàn)富有機質(zhì)頁巖與低有機質(zhì)含量頁巖的超微觀孔隙的組成以及結(jié)構(gòu)特征存在一定差異（圖4、圖5）。

龍馬溪組底部產(chǎn)氣層段的黑色碳質(zhì)頁巖TOC 為5.89%。頁巖儲集空間以納米級的有機質(zhì)孔為主；孔隙形態(tài)為席狀、片狀、管狀，喉道形態(tài)為針管狀，局部片狀、斑塊狀，孔徑以 30nm 為主，屬中型納米孔，孔隙之間具有較好的連通性；孔隙度為 5.06%[7]。

龍 馬 溪 組 中 下 部 的 粉 砂 質(zhì) 頁 巖 TOC 較 低， 為1.27%。頁巖儲集空間主要以微米、納米級的無機孔隙為主，可見有機質(zhì)孔隙[8-9]；孔隙形態(tài)為席狀、片狀，喉道形態(tài)為針管狀，局部球狀，孔隙之間的連通性差；孔隙度為 2.44%[7]。

圖4 富有機質(zhì)頁巖 CT 掃描圖（a）紅色為有機質(zhì)孔，藍色為有機質(zhì)；（b）孔隙連通圖

圖5 較低有機質(zhì)含量頁巖 CT 掃描圖（a）紅色為有機質(zhì)孔，藍色為有機質(zhì)；（b）孔隙連通圖

焦頁1井、焦頁2井、焦頁4井龍馬溪組下部TOC、孔隙度、孔隙類型統(tǒng)計表明（表1），龍一段一亞段 TOC 高，以有機質(zhì)孔為主，平均所占比例一般在 50% 以上；龍一段二亞段 TOC 相對較低，有機質(zhì)孔較少，為 27%～43%，黏土礦物孔增多，占50%～60%；龍一段三亞段TOC進一步降低，有機質(zhì)孔一般占 14%～37%，主要以黏土礦物孔為主，一般占 70% 左右。

隨著泥頁巖中 TOC 的增高，泥頁巖儲層中的有機質(zhì)孔在儲集空間所占比例不斷增大（圖6），孔隙連通性不斷變好，孔隙度增加，有利于改善泥頁巖儲集性能。

表1 焦石壩地區(qū)龍馬溪組一段頁巖孔隙構(gòu)成統(tǒng)計表

3.2.3 熱演化成熟度控制有機質(zhì)孔發(fā)育

國內(nèi)外研究表明有機質(zhì)內(nèi)部孔隙的形成不僅與頁巖有機顯微組分的構(gòu)成有關(guān)，而且與有機質(zhì)的熱演化程度密切相關(guān)。Jarvie 等[10]提出，有機質(zhì)孔隙隨有機質(zhì)成熟生烴作用增強而增加，從干酪根到石油和從石油裂解成氣的熱轉(zhuǎn)化過程中，會形成高含碳的殘留碳及有機質(zhì)孔，對頁巖的儲集能力造成一定的 影 響。Fishman 等[11]對 Eagle Ford 頁 巖 研 究 表明，Ro值在 0.7% 左右時很少形成有機質(zhì)孔，Ro值1.2% 左右時，廣泛發(fā)育有機質(zhì)孔。王飛宇等[12]研究表明，海相頁巖有機質(zhì)孔隙度在生氣階段（Ro值在1.3%～2.0%）總體上隨有機質(zhì)成熟度升高而增加，但當Ro值大于 2.0% 以后，有機質(zhì)孔隙度總體上隨深度增加而降低（圖7）。在生氣窗內(nèi)，干酪根內(nèi)部的液態(tài)烴以及運移到干酪根外部的液態(tài)烴經(jīng)歷二次裂解轉(zhuǎn)化成富含孔隙的固體瀝青或焦瀝青，Marcellus頁巖和 New Albany 頁巖固體瀝青中氣泡狀的有機質(zhì)孔被證實形成于瀝青的二次裂解。吳松濤等[13]對鄂爾多斯盆地三疊系延長組長7段低成熟泥頁巖模擬實驗表明，泥頁巖Ro值大于 1.2%時有機質(zhì)孔開始大量發(fā)育，隨著成熟度增高，富有機質(zhì)泥頁巖中納米孔隙不斷增加，孔隙度不斷增大；不同成分對泥頁巖孔隙演化貢獻具有差異性，有機質(zhì)熱演化貢獻最大，黏土礦物轉(zhuǎn)化貢獻次之，脆性礦物轉(zhuǎn)化貢獻最小。

焦石壩地區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖熱演化程度較 高， 等 效 鏡 質(zhì) 組 反 射 率 Ro介 于 2.2%～3.06%，均值在 2.5%左右，處于過成熟生氣階段，有利于富有機質(zhì)頁巖中滯留液態(tài)烴的二次裂解及有機質(zhì)孔的形成。

圖6 焦頁 2 井五峰組—龍馬溪組孔隙組成分布圖

圖7 Ro值與頁巖孔隙度關(guān)系圖[12]

3.3 保存條件是頁巖氣富集高產(chǎn)的關(guān)鍵

3.3.1 頂、底板條件控制頁巖氣的保存

頂、底板為直接與含氣頁巖層段接觸的上覆及下伏地層，其與頁巖氣層的接觸關(guān)系及其性質(zhì)的好壞對含氣頁巖的保存非常關(guān)鍵。以四川盆地金頁1井寒武系為例，下部硅質(zhì)頁巖與上震旦統(tǒng)燈影組泥粉晶白云巖不整合接觸。底板燈影組為灰色白云巖，屬于風(fēng)化殼縫洞型儲層，鉆井期間漏失鉆井液 1400m3，并通過酸化壓裂后獲得日產(chǎn)天然氣 4.74×104m3。由于底板封蓋性差，導(dǎo)致筇竹寺組底部頁巖氣散失。筇竹寺組底部碳質(zhì)頁巖的氣測顯示、含氣量均明顯低于中上部頁巖（圖8）。

反之，五峰組—龍馬溪組頁巖氣層頂、底板與頁巖氣層位連續(xù)沉積，頂、底板巖性致密、厚度大、展布穩(wěn)定、突破壓力高，封隔性好。其中頂板為龍馬溪組二段發(fā)育的灰色—深灰色中—厚層粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖夾薄層粉砂質(zhì)泥巖，孔隙度平均為 2.4%， 滲 透 率 平 均 為 0.0016mD， 地 層 突 破 壓力為 69.8～71.2MPa。底板為澗草溝組和寶塔組連續(xù)沉積的灰色瘤狀灰?guī)r、泥灰?guī)r等，孔隙度平均為1.58%，滲透率平均為 0.0017mD，地層突破壓力為64.5～70.4MPa。以上特征顯示，頂、底板均屬低孔、低滲致密地層，在頁巖氣形成和后期構(gòu)造運動過程中對頁巖氣層都具有很好的封隔作用。龍馬溪組底部頁巖有較好的氣測顯示（圖8）。

3.3.2 超壓獨立封存箱是頁巖氣富集高產(chǎn)的關(guān)鍵

異常壓力封存箱是一個在三維空間上被滲透性極低的封隔層所封閉的水動力系統(tǒng)和物理化學(xué)系統(tǒng)，是油氣生成、運移、聚集的基本地質(zhì)單元[14-15]。對渤海灣盆地濟陽坳陷、鶯歌海盆地、鄂爾多斯盆地大牛地氣田等的研究表明[16-19]，壓力封存箱的存在不僅有利于油氣的生成，而且對儲層物性的改善起到積極的作用。一方面，在超壓封存箱內(nèi)部，異常高壓在一定程度上減緩或抑制了成巖作用，從而減少了對原生孔隙的損失；另一方面，異常高壓支撐了部分上覆地層壓力，減緩了對超壓封存箱的壓實作用，有利于孔隙的保存。

焦石壩地區(qū)五峰組—龍馬溪組富有機質(zhì)頁巖段具有較好的頂、底板條件，封閉條件好，加之頁巖氣層段生烴增壓作用，有利于超壓流體封存箱的形成。有機質(zhì)裂解形成氣和孔，氣體連續(xù)生成并在原地有機質(zhì)孔中不斷聚集，體積膨脹，流體壓力不斷積累增加，產(chǎn)生異常高壓。利用產(chǎn)能測試和變流量試井理論，計算 焦 頁 1HF 井 地 層 壓 力 為 34.0～35.00MPa， 地 層壓力系數(shù)為 1.41～1.45。焦頁 1-3HF 井關(guān)井最高井口壓力為 33.10MPa，利用產(chǎn)能測試和變流量試井理論，計算該井地層壓力為 37.69MPa，地層壓力系數(shù)為 1.55。

圖8 金頁 1 井與焦頁 1 井氣測顯示對比圖

高 鍵 等[20]在 涪 陵 焦 石 壩 頁 巖 氣 田 五 峰 組 —龍門溪組頁巖石英和方解石脈體樣品中發(fā)現(xiàn)了高密度甲烷包裹體，計算包裹體捕捉時的壓力為 102.6～137.3MPa， 對 應(yīng) 的 壓 力 系 數(shù) 達 到1.68～2.18，均一溫度范圍在 215～255℃，指示了該區(qū)在燕山期抬升前或抬升初期含氣頁巖處于超壓狀態(tài)。超壓流體封存箱的存在，不僅有利于次生孔隙的形成和保存，而且泥頁巖層系在超壓條件下容易形成微裂縫，在為頁巖氣富集提供儲集空間的同時，也提高了頁巖儲層的滲透性?？碧綄嵺`表明，四川盆地龍馬溪組頁巖氣壓裂試氣時的最高產(chǎn)量與壓力系數(shù)具有較好的相關(guān)性（圖9），揭示了超壓獨立封存箱是頁巖氣富集高產(chǎn)的關(guān)鍵因素。

圖9 四川盆地龍馬溪組頁巖氣測試產(chǎn)量與壓力系數(shù)關(guān)系圖

4 結(jié)論

(1）焦石壩地區(qū)五峰組—龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖形成于深水陸棚相，有機質(zhì)豐度高，有利于頁巖氣的生成，頁巖的有機質(zhì)豐度與含氣量呈現(xiàn)很好的正相關(guān)關(guān)系，優(yōu)質(zhì)頁巖為頁巖氣的富集提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。

(2）五峰組—龍馬溪組具有較高的有機質(zhì)豐度和適中的熱演化程度，有利于有機質(zhì)孔的發(fā)育，為頁巖氣的聚集提供了有利的儲集空間。

(3）五峰組—龍馬溪組頁巖氣目的層段具有良好的頂?shù)装鍡l件，頁巖氣層段生烴增壓作用有利于超壓封存箱的形成，為頁巖氣富集高產(chǎn)提供了良好的保存條件。

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Main factors controlling the enrichment of shale gas in Wufeng Formation–Longmaxi Formation in Jiaoshiba area, Fuling shale gas fi eld

Feng Jianhui, Mou Zehui
(Sinopec Oilfi eld Exploration and Development Department)

This paper presented the analysis on main factors controlling the shale gas enrichment based on the basic geological characteristics of the Jiaoshiba area in the Fuling shale gas fi eld. It is indicated that high-quality shale of deep-water continental shelf facies in the Wufeng Formation–Longmaxi Formation is beneficial to the generation of shale gas. Besides, the organic matter abundance of shale is positively correlated with its gas content. Thus, it provides the material basis for the enrichment of shale gas. Higher organic matter abundance and moderate thermal evolution degree are favorable for the development of organic pores, providing the favorable reservoir space for the accumulation of shale gas. Good roof and fl oor conditions and the formation of over-pressure separate compartment provide good preservation conditions for shale gas enrichment, which serves as the key factor controlling the enrichment and high productivity of shale gas.

t: shale gas, enrichment condition, main factor, Wufeng Formation–Longmaxi Formation, Fuling shale gas fi eld

TE2

A

10.3969/j.issn.1672-7703.2017.03.004

馮建輝（1961-），男，陜西興平人，博士，教授級高級工程師，主要從事油氣田勘探研究和管理工作。地址：北京市朝陽區(qū)朝陽門北大街 22 號油田勘探開發(fā)事業(yè)部，郵政編碼：100728。E-mail:fengjh@sinopec.com

2016-03-18；修改日期：2017-04-11