黔江區(qū)塊龍馬溪組頁巖氣保存條件研究

董清源，田建華，王錦喜，吳 斌，劉 軍

(1.中國石化石油物探技術研究院，江蘇 南京 211103；2.重慶礦產(chǎn)資源開發(fā)有限公司，重慶 400060；3.中國石油青海油田分公司，甘肅 敦煌 736202)

0 引 言

近幾年頁巖氣勘探實踐表明，雖然海相頁巖具有良好的物質基礎[1-4]，鉆探具有普遍的含氣特征，但不同區(qū)域的試氣情況及產(chǎn)能效果卻具有明顯的差異性，究其原因，頁巖氣保存條件[5-6]的有效與否是關鍵。依據(jù)黔江地區(qū)龍馬溪組頁巖氣勘探實踐，以地質-地球物理綜合研究為手段，通過評價各種指標的控制作用，以期指導研究區(qū)及地質條件相似區(qū)域的頁巖氣勘探評價和部署。

1 地質特征

黔江區(qū)塊位于四川盆地的東南邊緣，齊岳山斷裂以東，區(qū)域構造屬于上揚子臺內(nèi)坳陷的渝東南凹陷褶皺帶。區(qū)內(nèi)構造整體表現(xiàn)為“兩凸夾一凹”構造格局，主體為濯河壩向斜，兩側分別為桐麻園背斜和咸豐背斜。研究區(qū)龍馬溪組僅出露于濯河壩向斜兩翼及桐麻園背斜兩翼，埋深主體為1 500～4 000 m，發(fā)育穩(wěn)定，平均厚度為100 m；下部巖性以黑色頁巖、黑色炭質頁巖為主，向上逐漸過渡為黃綠、灰綠色頁巖夾泥質粉砂巖和粉砂巖，側面反映了縱向上水體逐漸變淺的特征，相應的有機碳、石英含量呈減小趨勢。實驗結果表明，研究區(qū)龍馬溪組下部頁巖段有機碳含量為2.00%～4.84%，平均為3.40%，有機質成熟度為2.2%～3.0%；硅質脆性礦物含量大于60%，含氣量平均為1.8 m3/t，優(yōu)質頁巖段平均厚度約為30 m，具有較好的頁巖氣資源潛力。

2 構造作用

2.1 構造事件與生烴演化

研究區(qū)龍馬溪組沉積以來，主要經(jīng)歷了加里東、海西、印支、燕山和喜山5次大規(guī)模的構造運動，對目的層頁巖氣的保存條件影響較大。研究區(qū)龍馬溪組烴源巖[7](以Q1井為例，圖1)在加里東晚期(中志留世)進入生油門限，開始排烴，溫度達到80 ℃，0.5%≤Ro<0.7%；海西晚期—印支早期(晚二疊世—早三疊世)達到生油高峰期，溫度超過120 ℃，0.7%≤Ro<1.0%，由于三疊系巨厚地層快速沉積，使龍馬溪組烴源巖的熱演化和烴類生成、轉化過程明顯加速；燕山早中期(中三疊世—早白堊世)龍馬溪組烴源巖達到高成熟—過成熟階段，溫度超過180 ℃，Ro>1.3%，以生氣為主，并伴隨尚未排除的殘留原油(或瀝青)裂解，形成頁巖氣藏。在燕山晚期和喜馬拉雅期(中白堊世至今)，由于地層長期大規(guī)模抬升變形，破壞和改造原來形成的頁巖氣藏，影響頁巖氣的聚集和保存。另外，從時間匹配關系來看，主要生烴期(晚二疊世—早三疊世)與燕山、喜山大規(guī)模抬升運動錯開發(fā)生，為研究區(qū)頁巖氣生成和聚集提供了有利條件，也對早期形成的頁巖氣藏產(chǎn)生了破壞和改造作用?？梢?，燕山、喜山構造事件[8]控制了區(qū)內(nèi)頁巖氣的保存與分布，2次構造運動期間持續(xù)埋藏的地區(qū)構造相對穩(wěn)定，利于頁巖氣聚集成藏；而期間抬升剝蝕的地區(qū)，構造變形強度大，不利于頁巖氣保存。

圖1 Q1井埋藏史

2.2 構造特征

研究區(qū)在平面上呈北北東向，剖面上以隔擋式為主要特點，軸部緊閉的背斜和開闊寬緩的向斜在地貌上呈溝谷相間的特點。整體上，研究區(qū)向斜地層相對完整、平緩，構造簡單；西部、北部為應力集中區(qū)，斷層及裂縫較為發(fā)育，而東部和南部斷層及裂縫發(fā)育較少。以區(qū)內(nèi)典型探井為例(圖2)，Z1井目的層旁只發(fā)育1條小規(guī)模逆斷層，而Z3井周緣發(fā)育規(guī)模較大的2條正斷層和1條逆斷層。

另外，在實際鉆井過程中，發(fā)現(xiàn)向斜斜坡鉆探的3口探井存在一定傾角差異(圖2)，由南向北地層傾角呈增大趨勢，體現(xiàn)了差異性抬升。東南部地層傾角相對較小(8～22 °)，構造形態(tài)寬緩，保存條件相對較好；往北部構造逐漸抬升，傾角逐漸變大，最高在30 °以上，抬升扭曲明顯加強，導致保存能力減弱，影響頁巖氣富集。

圖2 Q1—Z1—Z3連井剖面示意圖

2.3 斷層和裂縫

斷層和裂縫對頁巖氣的影響：一是其發(fā)育的尺度及規(guī)模影響頁巖氣賦存和聚集，決定頁巖的連通性和滲流能力，控制儲集層的產(chǎn)能大?。欢菙鄬优c裂縫發(fā)育的規(guī)模過大，會導致頁巖氣易散失、難聚集，破壞蓋層的封閉性[9]。研究區(qū)主要位于盆外構造復雜區(qū)，存在多期次、長時間的構造疊加作用，不同的構造部位其斷層和裂縫發(fā)育程度亦不同，主要表現(xiàn)在平面上延伸長度和縱向上錯斷距離。

針對斷層和裂縫發(fā)育程度，通過分析不同尺度斷層-裂縫的地震響應特征，研究敏感屬性進行分級評價。研究區(qū)實際地層的巖石物理參數(shù)設計模型結果顯示，目的層頁巖段呈現(xiàn)低速度(4 200 m/s)、低密度(2.56 g/cm3)的特征，與上覆的砂質泥巖、下伏的灰?guī)r具有一定阻抗差異。由于海相頁巖地層分布穩(wěn)定，龍馬溪組頁巖底的波形特征明顯，為一套強振幅波峰反射。對地震資料主頻為20 Hz時，斷距分別為5、15、25、50 m進行正演評價(圖3)。

結果表明，隨著層位斷距的增加，斷層在地震剖面逐漸由撓曲轉為錯斷。斷距不小于25 m時，產(chǎn)生明顯的同相軸扭曲、錯斷，為斷層；斷距不大于15 m時，主要表現(xiàn)為彎曲、撓曲形態(tài)，為裂縫；撓曲情況越嚴重，其裂縫的尺度越大(研究區(qū)大尺度裂縫曲率下限為0.002)。

結合正演模擬和露頭觀察，將斷距不大于15 m的裂縫定義為小尺度裂縫；將斷距為15～25 m的裂縫定義為大尺度裂縫，大尺度裂縫常伴隨斷層發(fā)育，破壞性較強，能溝通上下較遠的地層，對頁巖氣的保存不利。針對模擬結果，分別采用了AFE斷層增強和傾角控制的曲率技術進行斷層和大尺度裂縫的預測。預測結果顯示，斷層與裂縫發(fā)育具有較好的相關性，研究區(qū)斷層鄰近0.5 km范圍內(nèi)裂縫發(fā)育程度明顯較高，并呈現(xiàn)“東西分異、南北分塊”的分布模式(圖4)。西部背斜折斷層發(fā)育規(guī)模大，NE與NNW向斷裂共軛交織，為正斷層，累計32條，大尺度裂縫密度為2.6 條/m，構造活動強；北部為斜坡皺褶扭曲帶，斷層及大尺度裂縫亦相對發(fā)育(正斷層累計12條，大尺度裂縫密度為1.8 條/m)，構造活動較強；東南部為殘留向斜斜坡區(qū)，持續(xù)埋深，斷裂發(fā)育規(guī)模較小，NE向為主，為逆斷層，累計9條，大尺度裂縫密度為0.8 條/m，變形強度相對較弱。

圖3 斷層地質模型及正演模擬結果

圖4 五峰組—龍馬溪組優(yōu)質頁巖段斷層-裂縫平面預測

同時，Z1、Z3井的鉆探情況(圖2、4)證實了斷層及大尺度裂縫在一定程度上對研究區(qū)頁巖氣保存有重要影響。Z1井位于斜坡帶中部，左側發(fā)育斷裂，在鉆井過程中共計4次漏失，含氣量平均為1.8 m3/t，壓裂后試氣點火成功，但由于鄰近斷裂溝通地層，產(chǎn)氣量有限；Z3井位于斜坡帶北緣，為斷皺扭曲區(qū)域，斷層和高角度裂縫均較發(fā)育，漏失情況嚴重，現(xiàn)場解析氣含量僅為0.78 m3/t，壓裂后無產(chǎn)量；斷層及裂縫的發(fā)育使得一定量大氣和水滲流，從而使頁巖上覆地層產(chǎn)生溶蝕孔洞，造成鉆井液的大量漏失，導致斜坡帶北緣頁巖層頂?shù)装宸忾]性能較差。因此，后期形成的斷層、大尺度裂縫多以活動狀態(tài)存在，為排烴通道，不利于頁巖氣保存。

3 蓋層條件

頁巖氣藏是天然氣在烴源巖中大規(guī)模滯留的結果，具有自生自儲的特點，其烴源巖本身亦為蓋層，具有一定的自封閉性[5-6]。但對于構造運動較為復雜的黔江地區(qū)，頁巖氣蓋層條件研究變得更為重要，主要表現(xiàn)在區(qū)域蓋層和直接蓋層的性質上。

四川盆地及周緣頁巖氣勘探證實，中下三疊統(tǒng)膏鹽巖蓋層是下伏油氣聚集的重要區(qū)域蓋層，而膏鹽巖發(fā)育的地區(qū)能形成一定范圍的壓力封閉，有利于頁巖氣的富集與保存[10]。與四川盆地內(nèi)焦石壩地區(qū)相比，盆外彭水和黔江地區(qū)均不發(fā)育該套膏鹽巖層，其區(qū)域蓋層為下三疊統(tǒng)大冶組灰?guī)r層(PY1、Z1井)和中二疊統(tǒng)茅口組灰?guī)r層(Z3井)。結合實際試氣情況認為，中下三疊統(tǒng)膏鹽巖蓋層在一定程度上有效地控制了高豐度頁巖氣藏富集(JY1井，日產(chǎn)氣為20.3×104m3/d)，盡管灰?guī)r層封蓋能力對于膏鹽巖層較差，但根據(jù)試氣產(chǎn)量證實，該套灰?guī)r層還是具有一定的封蓋性能(PY1井，日產(chǎn)氣為2.5×104m3/d)。另外，通過PY1、Z1、Z3井的區(qū)域蓋層年代對比，認為在缺乏膏鹽巖蓋層的盆外地區(qū)，出露地層年代越新，則上覆地層剝蝕厚度越少，封蓋能力相對越好。

盡管區(qū)域蓋層控制著油氣宏觀分布規(guī)律，但具體到某一區(qū)帶，對油氣藏形成、保存起關鍵作用的往往是直接蓋層[10]。對比研究區(qū)Z1、Z3井和鄰區(qū)PY1井，可以發(fā)現(xiàn)3口井直接蓋層巖性由泥頁巖向粉砂質泥巖轉變，砂質含量增多，孔隙度與滲透率逐漸增大，表明蓋層封蓋性能有變差趨勢。其中，PY1井位于彭水向斜斜坡區(qū)，斷層及裂縫不發(fā)育；Z1井位于濯河壩向斜斜坡帶中部，直接蓋層小尺度裂縫較發(fā)育，試氣有一定產(chǎn)量，但未達工業(yè)氣流；而Z3井位于斜坡帶北緣，為斷皺扭曲區(qū)域，直接蓋層斷層和大尺度裂縫均較發(fā)育，試氣無產(chǎn)量。因此，對整個工區(qū)來說，東南斜坡區(qū)的直接蓋層斷層和裂縫均不發(fā)育，與相鄰彭水地區(qū)可比性較好，具有一定的頁巖氣勘探潛力。

4 地層水特征

地層水文地質條件是影響頁巖氣藏形成的一項重要因素，主要受抬升幅度、蓋層條件、埋深及斷裂規(guī)模等多方面的因素影響；此次研究主要采用流體(泉眼)分布性質及循環(huán)深度[11]判斷研究區(qū)頁巖氣保存條件。研究區(qū)周緣發(fā)育6個泉眼，其常溫帶深度為20 m，地溫梯度為21.79 ℃/km，年平均溫度約20 ℃左右，流體循環(huán)深度為754.28～1 708.46 m，平均為1242.96 m，總體反映地表流體循環(huán)深度中等，但區(qū)域上存在差異，其中，南部地區(qū)循環(huán)深度在1 000.00 m左右，對龍馬溪組頁巖氣的保存幾乎無影響；而北部循環(huán)深度明顯增加，最高可達1 800.00 m，與Z3井龍馬溪組埋深僅相差200.00 m，一定程度上影響了頁巖氣的保存。

5 天然氣組分

根據(jù)天然氣組分可判斷天然氣的成因和來源，對頁巖氣保存條件具有一定的指示作用。對南方海相地層而言，保存條件較好的地區(qū)，天然氣烴類含量較高，N2含量一般較低；而保存條件的較差地區(qū)，天然氣烴類含量較低，N2含量相對較高，天然氣中N2含量超過20%則稱為富氮氣體，其絕大部分N2通過大氣和地下水循環(huán)富集[12]。研究區(qū)內(nèi)Z1井解析氣體CH4含量平均為91.61%，N2含量平均為5.38%，δ15N為-10‰～-7‰，甲烷δ13C為-45‰～-39‰，表明N2主要為有機質熱解及地殼深部原生氣體上逸產(chǎn)生，并非大氣來源。而Z3井CH4含量均值為60.57%，N2含量均值達到了30.37%，并且Z3井龍馬溪組埋深與地層水循環(huán)深度僅相差200 m，表明N2已通過大氣和地下水向下滲入了目的層，致使烴類含量明顯下降。因此，天然氣組分及其來源一定程度上可作為頁巖氣保存條件好壞的判識指標。

6 有利區(qū)優(yōu)選

綜上所述，對研究區(qū)保存條件各項指標進行細化剖析，認為黔江地區(qū)頁巖氣富集與后期構造運動息息相關，這也是頁巖氣散失的根本原因，并通過構造形態(tài)、斷裂、剝蝕等形式改變頁巖氣保存條件。參考頁巖氣保存條件評價標準[3-7]，運用地質-地球物理技術等研究手段，篩選出埋藏深度、構造部位、地層產(chǎn)狀、蓋層條件、斷裂發(fā)育情況等關鍵參數(shù)，建立研究區(qū)頁巖氣保存條件評價指標(表1)。根據(jù)評價指標對黔江區(qū)塊龍馬溪組頁巖氣保存有利區(qū)進行劃分(圖5)，Ⅰ、Ⅱ類有利區(qū)主要分布于研究區(qū)東南部，為殘留向斜斜坡帶，構造相對穩(wěn)定，斷層及裂縫發(fā)育較少，地層傾角較小，直接蓋層致密，區(qū)域蓋層以二疊系以上的中生界地層為主，埋深為1 500～3 000 m，局部存在有利正向微幅構造，為研究區(qū)首選頁巖氣勘探區(qū)帶。

表1 黔江地區(qū)頁巖氣保存條件評價指標

圖5 黔江區(qū)塊龍馬溪組頁巖氣保存有利區(qū)

7 結 論

(1) 黔江區(qū)塊處于四川盆地東南外緣，經(jīng)歷了多期復雜的構造運動，導致頁巖氣保存條件遭受不同程度的破壞。斷裂定量評價表明，斷層和大尺度裂縫共生，與地層連通性較好，對頁巖氣的保存不利；區(qū)內(nèi)構造主要以NE—NNW向斷裂為主，呈“東西分異、南北分塊”模式分布。綜合來看，東南部構造相對寬緩，大尺度裂縫較少，埋深適中，保存條件相對較好。

(2) 研究區(qū)不發(fā)育膏鹽巖層蓋層，區(qū)域蓋層為三疊系和二疊系灰?guī)r層，并且區(qū)域蓋層年代越新，直接蓋層越致密，大尺度裂縫越少，封蓋能力相對越好；整體上東南斜坡區(qū)蓋層條件好于西部和北部地區(qū)。天然氣組分及地層水特征也從側面印證了東南斜坡帶具有相對較好的蓋層及構造條件，一定程度上減緩了頁巖氣的散失和地層水侵，利于頁巖氣富集與保存。

(3) 綜合運用地質、地球化學、地球物理等多學科的研究技術手段，定性、定量評價黔江地區(qū)頁巖保存有效性，提出頁巖氣保存條件評價指標，指出頁巖氣勘探有利區(qū)，對盆外向斜區(qū)域的頁巖氣鉆探具有一定借鑒意義。

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