海相頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)炭化的熱成熟度下限及勘探風(fēng)險(xiǎn)

王玉滿，李新景，陳波，吳偉，董大忠，張鑒，韓京，馬杰，代兵，王浩，蔣珊

（1. 中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院，北京 100083；2. 長(zhǎng)江大學(xué)，武漢 430100；3. 中國(guó)石油西南油氣田公司勘探開(kāi)發(fā)研究院，成都 510051）

1 問(wèn)題提出

有機(jī)質(zhì)炭化是指進(jìn)入高過(guò)成熟階段的泥頁(yè)巖經(jīng)過(guò)有機(jī)質(zhì)降解、裂解等過(guò)程，其固體有機(jī)質(zhì)部分或全部轉(zhuǎn)化為石墨或類石墨物質(zhì)的地質(zhì)現(xiàn)象[1-4]。近幾年中國(guó)南方海相頁(yè)巖氣勘探和研究證實(shí)，揚(yáng)子地區(qū)下寒武統(tǒng)筇竹寺組和下志留統(tǒng)龍馬溪組（含上奧陶統(tǒng)五峰組，下同）兩套優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖（Ⅰ—Ⅱ1型干酪根）為頁(yè)巖氣勘探主力層系，但勘探形勢(shì)卻呈現(xiàn)兩極分化[1]：筇竹寺組總體處于無(wú)煙煤—超無(wú)煙煤階段[2,5]，已出現(xiàn)大面積有機(jī)質(zhì)炭化特征（富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖段呈現(xiàn)低于2 ?·m的超低電阻率響應(yīng)）[1,4,6-7]，僅在川中隆起、黔北等局部地區(qū)含氣，勘探前景不理想；而熱演化程度相對(duì)較低的龍馬溪組獲得重大突破，相繼發(fā)現(xiàn)威遠(yuǎn)、長(zhǎng)寧—昭通、涪陵和富順—永川等頁(yè)巖氣高產(chǎn)區(qū)，探明儲(chǔ)量達(dá)5 441×108m3，并基本形成了整體含氣、大面積富氣的局面[1,4,8-12]，顯示出良好的勘探前景。但是，近期龍馬溪組頁(yè)巖氣勘探在巫溪、鄂西、仁懷、石柱等探區(qū)出現(xiàn)復(fù)雜情況，在龍馬溪組下部“甜點(diǎn)層”（指TOC值大于3%、石英+白云石+黃鐵礦三礦物法脆性指數(shù)大于50%的富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖段[12-13]，下同）相繼鉆遇低—超低電阻率頁(yè)巖段（見(jiàn)圖 1、圖2），其電性和含氣性特征與處于有機(jī)質(zhì)炭化階段的筇竹寺組具有一定相似性。這再次引起勘探界和學(xué)術(shù)界對(duì)高過(guò)成熟海相頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)炭化現(xiàn)象的重視[5-6]。

圖1 四川盆地及周邊龍馬溪組“甜點(diǎn)層”與重點(diǎn)探井分布圖（根據(jù)文獻(xiàn)[12-13]，有修改）

圖2 巫溪地區(qū)五峰組—龍馬溪組綜合柱狀圖（GR—自然伽馬；Rt—電阻率；Ro—有機(jī)質(zhì)成熟度；TOC—總有機(jī)碳含量；φCNL—中子孔隙度）

有機(jī)質(zhì)炭化是中國(guó)南方頁(yè)巖氣勘探面臨的主要地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)之一，也是高過(guò)成熟海相頁(yè)巖烴源巖和儲(chǔ)集層評(píng)價(jià)的重點(diǎn)和難點(diǎn)[1,4,6-8]。對(duì)于古老海相地層頁(yè)巖氣勘探而言，開(kāi)展有機(jī)質(zhì)炭化研究急需解決 4個(gè)方面問(wèn)題：①在利用筆石體、瀝青體和鏡質(zhì)體等常規(guī)介質(zhì)確定反射率可靠性較差的條件下，如何準(zhǔn)確獲得高過(guò)成熟海相頁(yè)巖的有機(jī)質(zhì)成熟度（Ro值）；②Ⅰ—Ⅱ1型有機(jī)質(zhì)炭化的Ro值下限是多少；③海相頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)炭化的基本特征有哪些；④如何應(yīng)用海相頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)炭化的Ro值下限和基本特征指導(dǎo)頁(yè)巖氣勘探。針對(duì)上述問(wèn)題，本文以四川盆地及周緣龍馬溪組為重點(diǎn)，通過(guò)開(kāi)展不同熱演化階段黑色頁(yè)巖的有機(jī)質(zhì)激光拉曼譜、電阻率測(cè)井響應(yīng)和物性特征分析，確定高過(guò)成熟海相頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)炭化的Ro值下限、基本特征及其對(duì)頁(yè)巖氣勘探意義，并針對(duì)海相頁(yè)巖氣勘探提出相應(yīng)建議。

2 海相頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)炭化研究現(xiàn)狀

2.1 基本認(rèn)識(shí)

目前，對(duì)海相頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)炭化研究總體處于探索階段，主要認(rèn)知來(lái)源于川南筇竹寺組少量探井[1,4,7]。前人研究證實(shí)，以川南筇竹寺組為代表的海相頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)炭化表現(xiàn)為3個(gè)典型特征[1,4,6-8]：有機(jī)質(zhì)激光拉曼譜出現(xiàn)高幅度石墨峰（即 G′峰），且 D峰（無(wú)序帶峰）高于G峰（有序帶峰）；富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖段普遍出現(xiàn)測(cè)井電阻率小于2 ?·m、干巖樣電阻率小于100 ?·m的超低電阻率響應(yīng)特征，即有機(jī)質(zhì)出現(xiàn)強(qiáng)導(dǎo)電性；孔隙度僅為正常水平的1/3～1/2，試采為無(wú)氣或微氣顯示。

上述特征是在Ro值大于 4.0%的長(zhǎng)寧—昭通筇竹寺組總結(jié)形成的，已成為判斷極高成熟海相頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)炭化的重要依據(jù)，但此特征僅是個(gè)案還是具有普遍性，對(duì)Ro值和有機(jī)質(zhì)炭化程度相對(duì)較低的龍馬溪組是否適用，地質(zhì)人員并不清楚。受此判斷依據(jù)的影響，勘探和研究人員在四川盆地下志留統(tǒng)頁(yè)巖氣勘探評(píng)價(jià)中普遍未認(rèn)識(shí)到有機(jī)質(zhì)炭化風(fēng)險(xiǎn)，在部分炭化區(qū)投入了過(guò)多或不必要的勘探工作量。以巫溪探區(qū)為例，區(qū)內(nèi)龍馬溪組因“甜點(diǎn)層”厚度大而倍受勘探界重視[8,14]，近5年相繼鉆探各類評(píng)價(jià)井超過(guò)8口，結(jié)果顯示：五峰組—龍馬溪組為連續(xù)深水沉積，“甜點(diǎn)層”主要分布于凱迪階—埃隆階，以硅質(zhì)頁(yè)巖為主（見(jiàn)圖2），厚度超過(guò)40 m[8,14]，TOC值一般3.0%～6.5%，硅質(zhì)含量平均值在 60%以上，黏土含量一般低于 30%，電阻率一般為3～7 ?·m（比長(zhǎng)寧筇竹寺組高1個(gè)數(shù)量級(jí)[4,6]）（見(jiàn)圖2），Ro值為3.48%～3.51%，在激光拉曼譜的G′峰位置出現(xiàn)低幅度石墨峰；總孔隙度為2.40%～8.78%（平均為 3.85%），明顯高于長(zhǎng)寧筇竹寺組[7]，但低于長(zhǎng)寧、威遠(yuǎn)和涪陵氣田[8,11-15]；含氣量1.38～3.00 m3/t，壓裂測(cè)試為微氣。目前將鉆探失利原因歸結(jié)為該探區(qū)位于大巴山前陸沖斷帶，構(gòu)造和保存條件存在較大風(fēng)險(xiǎn)[10,14]。筆者則認(rèn)為，該區(qū)龍馬溪組產(chǎn)層已出現(xiàn)低電阻率響應(yīng)和激光拉曼譜低幅度石墨峰，是Ro值相對(duì)較低的有機(jī)質(zhì)炭化區(qū)典型代表（與長(zhǎng)寧筇竹寺組有機(jī)質(zhì)炭化特征并不完全相似），勘探失利應(yīng)主要?dú)w因于有機(jī)質(zhì)炭化。目前，受勘探程度低和認(rèn)知水平有限等因素制約，對(duì)龍馬溪組和筇竹寺組兩套頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)炭化的基本特征和Ro值下限等關(guān)鍵要素的認(rèn)識(shí)尚不完全清楚[1,4,7]。

2.2 評(píng)價(jià)方法

泥頁(yè)巖固體有機(jī)質(zhì)炭化表征方法主要包括光學(xué)識(shí)別法、電學(xué)識(shí)別法、物性分析法等 3種，每種方法表征內(nèi)容、適用條件及優(yōu)缺點(diǎn)見(jiàn)表1，其中激光拉曼識(shí)別法和電阻率測(cè)井響應(yīng)識(shí)別法是目前廣泛使用的主要方法，且多方法聯(lián)合使用和相互印證已成為泥頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)炭化表征的發(fā)展趨勢(shì)。

有機(jī)質(zhì)炭化是造成高過(guò)成熟區(qū)海相頁(yè)巖儲(chǔ)集層物性和含氣性急劇變差的主要地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)[1,4]。可見(jiàn)，通過(guò)多方法、多途徑厘定Ⅰ—Ⅱ1型有機(jī)質(zhì)炭化的基本特征和Ro值下限，是確定古老海相地層頁(yè)巖氣有效勘探下限的重要手段和關(guān)鍵依據(jù)之一，對(duì)四川盆地深層、盆地外高過(guò)成熟區(qū)等復(fù)雜領(lǐng)域頁(yè)巖氣勘探評(píng)價(jià)和選區(qū)具有重要指導(dǎo)意義。

表1 泥頁(yè)巖固體有機(jī)質(zhì)炭化表征的主要方法

3 海相頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)炭化的基本特征和Ro值下限

依據(jù)上述分析，本文采用有機(jī)質(zhì)激光拉曼識(shí)別、電阻率測(cè)井響應(yīng)和物性分析等技術(shù)手段，多方法、多途徑確定海相頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)炭化的Ro值下限并相互印證，探索揭示龍馬溪組激光拉曼、電性和物性 3個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)在有機(jī)質(zhì)炭化Ro值下限附近的演化特征，厘清海相頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)炭化的基本特征。

3.1 有機(jī)質(zhì)激光拉曼光譜分析法

有機(jī)質(zhì)激光拉曼光譜分析法不僅是檢測(cè)泥頁(yè)巖Ro值、判斷烴源巖熱演化程度的有效方法，其光譜中的G′峰（即石墨峰）也是識(shí)別固體有機(jī)質(zhì)是否炭化的直接證據(jù)[1-3,16-17]。本文中海相頁(yè)巖的Ro值主要采用激光拉曼光譜分析法測(cè)得；此檢測(cè)方法基于固體有機(jī)質(zhì)激光拉曼峰（主要包括D峰、G峰和G′峰）的形態(tài)和位移能夠充分反映芳香碳環(huán)結(jié)構(gòu)中原子和分子的震動(dòng)信號(hào)與樣品熱演化程度的關(guān)系[1-3]，即D峰和G峰的峰間距與峰高比一般隨著熱演化程度升高而增加，G′峰（即石墨峰）在無(wú)煙煤階段出現(xiàn)并隨著石墨化程度加劇而增高[1-3]。劉德漢等提出了利用固體有機(jī)質(zhì)激光拉曼光譜參數(shù)（即D峰和G峰的峰間距或峰高比）計(jì)算泥頁(yè)巖樣品熱成熟度的相關(guān)計(jì)算公式[2]，并在地質(zhì)學(xué)研究領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1-2]。此方法核心在于：在G′峰出現(xiàn)以前，主要依據(jù)峰間距計(jì)算Ro值；在G′峰出現(xiàn)以后，則主要依據(jù)峰高比計(jì)算Ro值。

筆者利用有機(jī)質(zhì)激光拉曼譜資料不僅獲得了四川盆地及周緣重點(diǎn)探區(qū)志留系和寒武系頁(yè)巖的Ro值測(cè)試結(jié)果，而且發(fā)現(xiàn)龍馬溪組在部分探區(qū)已出現(xiàn)不同程度的有機(jī)質(zhì)炭化現(xiàn)象（見(jiàn)圖2、圖3），現(xiàn)說(shuō)明如下。

在威遠(yuǎn)W202井區(qū)，Ro值為2.6%～2.9%，激光拉曼譜顯示D峰與G峰峰間距和峰高比分別為258.83 cm-1和0.62，在G′峰位置呈下傾斜坡?tīng)睿瓷形闯煞澹ㄒ?jiàn)圖3a），說(shuō)明該區(qū)龍馬溪組熱成熟度相對(duì)較低，未進(jìn)入有機(jī)質(zhì)炭化階段。在長(zhǎng)寧—昭通 N203井區(qū)，Ro值為3.42%～3.47%，D峰與 G峰峰間距和峰高比分別為273.29 cm-1和0.69，在G′峰位置已形成平臺(tái)但尚未成峰（見(jiàn)圖3b），說(shuō)明該探區(qū)龍馬溪組熱成熟度明顯高于威遠(yuǎn)地區(qū)，尚未出現(xiàn)石墨化，但已十分接近有機(jī)質(zhì)炭化界限。在巫溪 WX2井區(qū)，Ro值為 3.48%～3.51%，D峰與G峰峰間距和峰高比分別為272.70 cm-1和0.63，在 G′峰位置已形成低幅度石墨峰（見(jiàn)圖 3c），顯示巫溪龍馬溪組出現(xiàn)了石墨化特征，熱成熟度略高于長(zhǎng)寧—昭通地區(qū)，并已進(jìn)入有機(jī)質(zhì)炭化的無(wú)煙煤階段。在利川毛壩地區(qū)，Ro值為3.56%～3.73%，D峰與G峰峰高比達(dá)0.85，明顯高于威遠(yuǎn)、長(zhǎng)寧—昭通和巫溪地區(qū)，并且在 G′峰位置形成中等幅度石墨峰（見(jiàn)圖 3d），說(shuō)明利川龍馬溪組出現(xiàn)了明顯的有機(jī)質(zhì)石墨化特征，熱演化程度高于前 3個(gè)探區(qū)，已進(jìn)入有機(jī)質(zhì)炭化的超無(wú)煙煤階段。

圖3 四川盆地及周緣龍馬溪組有機(jī)質(zhì)激光拉曼圖譜

從上述4口井激光拉曼光譜特征和Ro值檢測(cè)結(jié)果可見(jiàn)，4個(gè)探區(qū)熱演化程度以利川地區(qū)最高，巫溪和長(zhǎng)寧—昭通地區(qū)其次，威遠(yuǎn)地區(qū)最低，有機(jī)質(zhì)炭化的Ro值下限應(yīng)在3.5%左右。

3.2 電阻率測(cè)井響應(yīng)分析法

電阻率測(cè)井響應(yīng)是高過(guò)成熟頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)炭化評(píng)價(jià)的重要依據(jù)[1,4,6,8,18]。筆者依據(jù)威遠(yuǎn)、長(zhǎng)寧—昭通、涪陵、巫溪和利川等探區(qū)重點(diǎn)井的鉆井資料和激光拉曼Ro值數(shù)據(jù)，建立四川盆地及周緣下志留統(tǒng)和下寒武統(tǒng)電阻率測(cè)井響應(yīng)的自然演化序列（見(jiàn)圖 4—圖 6），以此確定高過(guò)成熟海相頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)炭化的Ro值下限。

在龍馬溪組電阻率曲線演化序列中，電阻率測(cè)井曲線的形態(tài)和幅度值隨Ro值增加呈現(xiàn)顯著變化（見(jiàn)圖4）：在威遠(yuǎn)和涪陵探區(qū)，Ro值分別為 2.6%～2.9%和3.3%，有機(jī)質(zhì)未炭化且不具導(dǎo)電能力，其電阻率曲線顯示在貧有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖段（龍馬溪組上段）幅度較低，在富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖段（龍馬溪組下段）為幅度中高的“鐘型”特征。以 W202井為例，龍馬溪組電阻率測(cè)井曲線一般呈上小下大的“鐘型”[8]，即：在特列奇階中上部的灰綠色黏土質(zhì)頁(yè)巖段（TOC值小于1%），電阻率值保持在10 ?·m左右；向下進(jìn)入到魯?shù)るA—埃隆階（TOC值為2%～8%)，電阻率值上升至20～50 ?·m（見(jiàn)圖4a），顯示出電阻率值隨著TOC值增大呈緩慢增加趨勢(shì)（見(jiàn)圖 4b）。涪陵 JY1井也具有相似特點(diǎn)，電阻率測(cè)井曲線呈“弱鐘型”（見(jiàn)圖4）。

圖4 四川盆地及周緣龍馬溪組電阻率響應(yīng)演化趨勢(shì)圖

在長(zhǎng)寧—昭通N211井區(qū)，Ro值為3.42%～3.47%，電阻率曲線開(kāi)始出現(xiàn)上部貧有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖段幅度保持穩(wěn)定、下部富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖段幅度總體降低的“扁平型”特征（見(jiàn)圖 4），即在埃隆階（TOC值一般為 0.5%～1.5%）總體保持在8～30 ?·m（平均值為17 ?·m），在五峰組—魯?shù)るA（TOC值一般為1.3%～7.6%）則略有下降，一般為5～30 ?·m（平均值為11 ?·m）。

在巫溪X202井區(qū)，Ro值增大至3.5%左右，電阻率響應(yīng)凸顯出中低伽馬段幅度顯著增高（200～800?·m）、高伽馬段幅度顯著降低（3～7 ?·m）的“細(xì)脖子型”特征，兩者幅度相差2個(gè)數(shù)量級(jí)（見(jiàn)圖2、圖4a），且電阻率測(cè)井值與TOC具有良好負(fù)相關(guān)關(guān)系（見(jiàn)圖4b），顯示高自然伽馬段有機(jī)質(zhì)已炭化并出現(xiàn)導(dǎo)電性。

在利川LY1井區(qū)，Ro值進(jìn)一步上升至3.6%左右，電阻率曲線“細(xì)脖子型”特征更趨突出（見(jiàn)圖4a），電阻率測(cè)井值與TOC負(fù)相關(guān)關(guān)系更加顯著（見(jiàn)圖4b）。在埃隆階上部（TOC值小于 0.5%），電阻率測(cè)井值為65～100 ?·m；在五峰組—埃隆階下段（TOC為1.0%～6.0%），電阻率測(cè)井值一般為0.1～20.0 ?·m，在大部分層段為0.1～0.9 ?·m（見(jiàn)圖4b）。上、下段電阻率測(cè)井值幅度差為2～3個(gè)數(shù)量級(jí)，顯示出高自然伽馬段有機(jī)質(zhì)具有良好導(dǎo)電性，即有機(jī)質(zhì)出現(xiàn)嚴(yán)重炭化特征。

從上述5口井電阻率曲線演化趨勢(shì)看，隨著Ro值由2.6%增加至3.6%以上，龍馬溪組電阻率測(cè)井響應(yīng)值在富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖段總體呈降低趨勢(shì)，在貧有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖段呈增大趨勢(shì)，電阻率測(cè)井值與TOC值負(fù)相關(guān)關(guān)系趨于明顯（見(jiàn)圖4b），曲線形態(tài)呈現(xiàn)“鐘型”或“弱鐘型”→“扁平型”→“細(xì)脖子型”演化過(guò)程，在Ro值大于3.5%階段主體為“細(xì)脖子型”（見(jiàn)圖4a）。

龍馬溪組電阻率曲線演化趨勢(shì)特征同樣出現(xiàn)在下寒武統(tǒng)演化序列中（見(jiàn)圖5）。在威遠(yuǎn)W201井區(qū)，筇竹寺組TOC值為0.3%～3.6%，Ro值為3.0%，電阻率曲線受頁(yè)巖致密化（孔隙度低于2%）影響，總體呈“扁平型”，測(cè)井電阻率值一般為200～1 000 ?·m，顯示有機(jī)質(zhì)未炭化且不具導(dǎo)電能力。在高石梯GS17井區(qū)，筇竹寺組中上段350 m（TOC為0.2%～4.3%，缺激光拉曼Ro數(shù)據(jù)）呈正常電性特征（見(jiàn)圖 5a），電阻率曲線與W202、JY1井區(qū)龍馬溪組基本相似，呈中低幅度“扁平型”，電阻率測(cè)井值一般為10～30 ?·m，顯示未出現(xiàn)有機(jī)質(zhì)炭化特征；筇竹寺組下段—下寒武統(tǒng)麥地坪組上段共厚150 m（TOC為1.4%～5.0%），激光拉曼Ro值達(dá)到3.52%，電阻率曲線則出現(xiàn)高幅度差的“細(xì)脖子型”特征（見(jiàn)圖5），測(cè)井電阻率值普遍為1～90 ?·m（局部為1～2 ?·m），且與TOC負(fù)相關(guān)（見(jiàn)圖5b），顯示該頁(yè)巖段有機(jī)質(zhì)已出現(xiàn)炭化并具導(dǎo)電性。從電性特征判斷，GS17井由筇竹寺組頂向下350 m附近可能是該探區(qū)下寒武統(tǒng)烴源巖有機(jī)質(zhì)炭化的深度界限。長(zhǎng)寧—昭通地區(qū)筇竹寺組已證實(shí)為有機(jī)質(zhì)嚴(yán)重炭化區(qū)的典型代表[1,4]，Ro值達(dá) 4.09%，電阻率曲線出現(xiàn)嚴(yán)重的“細(xì)脖子型”特征（見(jiàn)圖5）。

圖5 四川盆地及周緣下寒武統(tǒng)頁(yè)巖電阻率響應(yīng)演化趨勢(shì)圖

從上述兩套頁(yè)巖電性曲線演化特征看，高過(guò)成熟海相頁(yè)巖電阻率曲線由“鐘型”、“弱鐘型”或“扁平型”快速演化成“細(xì)脖子型”是有機(jī)質(zhì)炭化的開(kāi)始，此轉(zhuǎn)折點(diǎn)對(duì)應(yīng)的熱成熟度與巫溪龍馬溪組和高石梯GS17井區(qū)筇竹寺組的Ro值基本一致，應(yīng)為Ⅰ—Ⅱ1型有機(jī)質(zhì)炭化的Ro值下限。為準(zhǔn)確獲取有機(jī)質(zhì)炭化的Ro值下限，筆者根據(jù)上述兩套層系14口重點(diǎn)井（龍馬溪組10口，筇竹寺組4口）資料建立了富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖段電阻率平均值與Ro關(guān)系圖版（見(jiàn)圖6），從圖中趨勢(shì)線可見(jiàn)，兩套層系電阻率平均值均呈 3段式特征，即：①在Ro值小于3.4%階段呈穩(wěn)定的中高電阻率響應(yīng)，說(shuō)明一般不會(huì)出現(xiàn)有機(jī)質(zhì)炭化現(xiàn)象；②在Ro值為3.4%～3.5%階段，電阻率值出現(xiàn)大幅度波動(dòng)和快速下降趨勢(shì)，波動(dòng)范圍為6～50 ?·m，顯示有機(jī)質(zhì)弱炭化與未炭化兩種情況并存；③在Ro值大于3.5%階段，普遍出現(xiàn)低于2 ?·m的超低電阻率響應(yīng)，即有機(jī)質(zhì)嚴(yán)重炭化特征?？梢?jiàn)，當(dāng)Ro值超過(guò)3.5%時(shí)，海相頁(yè)巖出現(xiàn)有機(jī)質(zhì)炭化的可能性很大，由此確定Ⅰ—Ⅱ1型固體有機(jī)質(zhì)炭化的Ro值下限為3.5%，這與激光拉曼評(píng)價(jià)結(jié)果一致。

圖6 四川盆地及周緣下古生界富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖段電阻率平均值與Ro關(guān)系圖版

3.3 物性分析法

在有機(jī)質(zhì)炭化階段，泥頁(yè)巖基質(zhì)孔隙度下降至正常水平的1/3～1/2，測(cè)試一般不含氣或微氣顯示[1,4,7]。因此，對(duì)于Ⅰ—Ⅱ1型固體有機(jī)質(zhì)炭化的Ro值下限3.5%是否合理，可以利用海相頁(yè)巖物性參數(shù)進(jìn)行檢驗(yàn)。

筆者主要利用圖6中重點(diǎn)井的相關(guān)資料和Woodford氣田地質(zhì)參數(shù)[26-27]，建立孔隙度平均值與Ro關(guān)系圖版（見(jiàn)圖7），其中大部分資料點(diǎn)的孔隙度為巖心測(cè)試數(shù)據(jù)，僅Ro值為2.9%的資料點(diǎn)孔隙度值（3.8%）為測(cè)井解釋結(jié)果，與趨勢(shì)線略有偏差，但仍處于3.8%～6.0%的正常范圍內(nèi)[12,15,21]。從圖7可見(jiàn)，孔隙度同樣呈現(xiàn)3段式特征：①在Ro值小于3.4%階段，物性穩(wěn)定且正常，孔隙度為3.8%～6.0%，未受有機(jī)質(zhì)炭化影響；②在Ro值為3.4%～3.5%階段，孔隙度出現(xiàn)大幅度波動(dòng)和急劇下降，波動(dòng)范圍為2.5%～5.0%，顯示此階段為快速過(guò)渡階段，部分資料點(diǎn)已出現(xiàn)有機(jī)質(zhì)弱炭化；③在Ro值大于3.5%階段，孔隙度普遍低于2.5%，僅為正常水平的1/4～1/2，說(shuō)明黑色頁(yè)巖出現(xiàn)孔隙大量減少和嚴(yán)重致密化特征，即儲(chǔ)集條件劣質(zhì)化與有機(jī)質(zhì)炭化密切相關(guān)。由此說(shuō)明，在有機(jī)質(zhì)炭化區(qū)，2套頁(yè)巖所出現(xiàn)的電阻率曲線“細(xì)脖子型”特征（見(jiàn)圖 2、圖4a、圖5a）主要源于貧有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖段因受巖石致密化影響普遍出現(xiàn)中高電阻率響應(yīng)，富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖段因有機(jī)質(zhì)炭化則普遍出現(xiàn)低—超低電阻率響應(yīng)，兩者響應(yīng)值一般相差 2個(gè)數(shù)量級(jí)以上。由此可見(jiàn)，高過(guò)成熟海相頁(yè)巖電阻率曲線中的“細(xì)脖子型”特征是反映其有機(jī)質(zhì)出現(xiàn)炭化、物性變差的直接有效證據(jù)。

圖7 海相富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖孔隙度平均值與Ro關(guān)系圖版

關(guān)于有機(jī)質(zhì)炭化對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)集層的損害機(jī)理目前尚未完全認(rèn)識(shí)清楚，本文應(yīng)用雙孔隙介質(zhì)孔隙度解釋模型[12,15]，重點(diǎn)對(duì)巫溪 X202井和利川 LY1井龍馬溪組的 3種物質(zhì)（即脆性礦物、黏土和有機(jī)質(zhì)）單位質(zhì)量孔隙體積和孔隙度構(gòu)成進(jìn)行測(cè)算，并結(jié)合其他探區(qū)或?qū)酉祪?chǔ)集空間評(píng)價(jià)結(jié)果（見(jiàn)表2），探索揭示有機(jī)質(zhì)炭化對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)集層的損害程度。

雙孔隙介質(zhì)孔隙度解釋模型是近幾年發(fā)展起來(lái)的、定量計(jì)算頁(yè)巖基質(zhì)孔隙度構(gòu)成及裂縫孔隙度的重要方法[12,15]，其核心在于：首先，利用評(píng)價(jià)區(qū)可靠資料點(diǎn)對(duì)模型中的脆性礦物、黏土和有機(jī)質(zhì) 3種物質(zhì)單位質(zhì)量孔隙體積（分別表示為VBri、VClay和VTOC）進(jìn)行刻度計(jì)算；然后，依據(jù)VBri、VClay和VTOC刻度值以及評(píng)價(jià)區(qū)目的層段的巖礦和TOC資料計(jì)算基質(zhì)孔隙度構(gòu)成（包括脆性礦物內(nèi)孔隙度、有機(jī)質(zhì)孔隙度和黏土礦物晶間孔隙度），并結(jié)合巖心測(cè)試總孔隙度數(shù)據(jù)（為巖心氦氣法或壓汞法檢測(cè)結(jié)果）計(jì)算裂縫孔隙度。此模型的計(jì)算方法和主要參數(shù)取值見(jiàn)文獻(xiàn)[12,15,21]。

測(cè)算結(jié)果顯示（見(jiàn)表2），在巫溪和利川龍馬溪組有機(jī)質(zhì)炭化區(qū)，有機(jī)質(zhì)和黏土礦物兩種物質(zhì)（儲(chǔ)集空間的主要貢獻(xiàn)者）產(chǎn)生孔隙的能力總體較低，富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖基質(zhì)孔隙度小，關(guān)鍵指標(biāo)大大低于Woodford、長(zhǎng)寧和涪陵等氣田，與長(zhǎng)寧—昭通地區(qū)筇竹寺組相當(dāng)（見(jiàn)表2）。以巫溪探區(qū)為例，龍馬溪組VTOC值為0.088 m3/t，僅為長(zhǎng)寧氣田的63%、涪陵氣田的50%，略高于長(zhǎng)寧—昭通地區(qū)筇竹寺組；VClay值為0.020 m3/t，僅為長(zhǎng)寧氣田的51%；VBri值為0.005 0 m3/t，與涪陵氣田相當(dāng)，總體處于0.000 4～0.007 9 m3/t的正常范圍值內(nèi)；基質(zhì)孔隙度為2.30%～3.20%（平均為2.90%，遠(yuǎn)低于3.8%～6.0%的正常水平），其中有機(jī)質(zhì)孔隙度為0.12%～1.43%（平均為0.98%，低于1.28%～1.68%的正常水平），黏土礦物晶間孔隙度為0.41%～1.96%（平均為0.96%，遠(yuǎn)低于2.36%～2.81%的正常水平），脆性礦物內(nèi)孔隙度為0.66%～1.23%（平均為0.96 %，處于0.07%～1.30%正常范圍值內(nèi)）。這說(shuō)明，有機(jī)質(zhì)炭化階段造成的儲(chǔ)集空間損害主要表現(xiàn)為有機(jī)質(zhì)孔隙和黏土礦物晶間孔的大量減少甚至消失，進(jìn)而導(dǎo)致基質(zhì)孔隙度下降至正常水平的一半以下。

另外，巫溪和利川地區(qū)龍馬溪組裂縫發(fā)育程度明顯好于長(zhǎng)寧地區(qū)，略差于涪陵和Woodford氣田（見(jiàn)表2）。由于裂縫形成主要受構(gòu)造控制，且揚(yáng)子地區(qū)大部分探區(qū)頁(yè)巖儲(chǔ)集空間以基質(zhì)孔隙為主，裂縫欠發(fā)育，實(shí)際分析時(shí)常常忽略裂縫孔隙影響。

表2 高過(guò)成熟海相富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖儲(chǔ)集參數(shù)對(duì)比表（據(jù)文獻(xiàn)[12,15,21]，有修改）

綜合上述 2套層系激光拉曼、電阻率和物性分析等3項(xiàng)結(jié)果認(rèn)為，高過(guò)成熟海相頁(yè)巖（Ⅰ—Ⅱ1型）有機(jī)質(zhì)炭化的Ro下限值為3.5%，進(jìn)入炭化階段的富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖普遍具有 3個(gè)基本特征：①低—超低電阻率響應(yīng)。測(cè)井電阻率曲線呈顯著的“細(xì)脖子型”特征，即電阻率測(cè)井值一般小于8 ?·m，且至少低于貧有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖段2個(gè)數(shù)量級(jí)，并與TOC負(fù)相關(guān)，在有機(jī)質(zhì)嚴(yán)重炭化區(qū)，電阻率測(cè)井值普遍低于2 ?·m。②激光拉曼譜異常。在G′峰位置出現(xiàn)石墨峰，D峰與G峰峰高比普遍大于0.63。在有機(jī)質(zhì)嚴(yán)重炭化區(qū)，可能出現(xiàn)D峰高于G峰。③物性和含氣性差。基質(zhì)孔隙度僅為正常水平一半甚至以下，不含氣或微氣顯示。

4 有機(jī)質(zhì)炭化區(qū)的勘探風(fēng)險(xiǎn)與勘探建議

近幾年勘探證實(shí)，在巫溪、鄂西、仁懷等地區(qū)龍馬溪組有機(jī)質(zhì)炭化區(qū)（即低—超低電阻率“甜點(diǎn)層”分布區(qū)，見(jiàn)圖 1、表3），無(wú)論構(gòu)造和保存條件是否有利，鉆探均為無(wú)氣或微氣顯示。根據(jù)目前的勘探實(shí)踐和研究成果[1-8]認(rèn)為，有機(jī)質(zhì)炭化階段對(duì)海相頁(yè)巖氣成藏要素的損害主要表現(xiàn)為如下幾個(gè)方面。

①生烴能力衰竭。烴源巖中干酪根降解成氣和分散液態(tài)烴二次裂解成氣是高過(guò)成熟海相頁(yè)巖氣的主要來(lái)源，其主生氣階段Ro值為1.35%～3.20%，生氣衰竭Ro上限值為3.5%[1,5]，與Ⅰ—Ⅱ1型固體有機(jī)質(zhì)炭化Ro值下限同步。這說(shuō)明，處于炭化階段的固體有機(jī)質(zhì)基本停止生氣，分散液態(tài)烴已裂解消失，進(jìn)而導(dǎo)致富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖中滯留烴難以得到有效補(bǔ)充和保持。

②有機(jī)質(zhì)孔隙和黏土礦物晶間孔大幅度減少。在炭化階段，有機(jī)質(zhì)孔隙通常出現(xiàn)萎縮、塌陷和充填等現(xiàn)象，宏孔大量減少甚至消失[1,4,7]，另外頁(yè)巖中黏土礦物結(jié)晶度顯著增高，晶間孔體積大量減少[4,7]。以上述巫溪龍馬溪組為例，其有機(jī)質(zhì)孔隙度和黏土礦物晶間孔隙度平均值分別減少至 0.98%和 0.96%（見(jiàn)表2），基質(zhì)孔隙度平均值不足3%，遠(yuǎn)低于長(zhǎng)寧和涪陵氣田。

③對(duì)天然氣的吸附能力降低。因有機(jī)質(zhì)孔隙和黏土礦物晶間孔大幅度減少，進(jìn)而導(dǎo)致黑色頁(yè)巖有效比表面積隨之大量減少，對(duì)天然氣的吸附能力降低，如長(zhǎng)寧筇竹寺組比表面積一般為1.6～8.3 cm2/g，遠(yuǎn)低于長(zhǎng)寧龍馬溪組的 9.5～35.1 cm2/g，其對(duì)氮?dú)夂图淄榈奈侥芰Ψ謩e為后者的1/3～1/2和80%[4]。

表3 四川盆地及周邊龍馬溪組典型失利井富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖地質(zhì)參數(shù)表

可見(jiàn)，有機(jī)質(zhì)炭化對(duì)富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖的源儲(chǔ)品質(zhì)損害極大，Ⅰ—Ⅱ1型固體有機(jī)質(zhì)炭化的Ro值下限3.5%應(yīng)成為古老海相地層頁(yè)巖氣勘探不可逾越的理論紅線。為此，本文針對(duì)南方海相頁(yè)巖氣勘探提出以下 2點(diǎn)建議。

①在地質(zhì)評(píng)價(jià)和選區(qū)中，以下寒武統(tǒng)和下志留統(tǒng)頁(yè)巖為重點(diǎn)，加強(qiáng)探區(qū)烴源巖有效性評(píng)價(jià)，圈定有機(jī)質(zhì)炭化區(qū)/層段。在富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖或“甜點(diǎn)層”分布研究基礎(chǔ)上，重點(diǎn)開(kāi)展具有低電阻率響應(yīng)特征的探井和區(qū)塊評(píng)價(jià)，加強(qiáng)目的層段激光拉曼、物性和干樣電阻率等項(xiàng)目測(cè)試，結(jié)合埋藏史和熱史分析，明確研究區(qū)目的層段是否出現(xiàn)有機(jī)質(zhì)炭化、炭化程度如何、有機(jī)質(zhì)炭化原因等，圈定炭化區(qū)范圍，為頁(yè)巖氣潛力評(píng)價(jià)和勘探目標(biāo)優(yōu)選排除高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。

②如在勘探開(kāi)發(fā)過(guò)程中鉆遇低電阻率目的層，應(yīng)加強(qiáng)有機(jī)質(zhì)炭化評(píng)價(jià)，及時(shí)調(diào)整部署方案。目前確定的下寒武統(tǒng)和下志留統(tǒng)有效勘探區(qū)，雖然其總體處于生氣窗內(nèi)（Ro值一般為 2.5%～3.5%）[1,5,8,10]，但其中相當(dāng)部分探區(qū)已處于有機(jī)質(zhì)炭化的Ro下限附近（如長(zhǎng)寧、涪陵、巫溪等探區(qū)龍馬溪組Ro值為3.30%～3.52%）（見(jiàn)圖1），在這些探區(qū)及周邊鉆遇低電阻率目的層是難以避免的，因此要及時(shí)開(kāi)展有機(jī)質(zhì)炭化評(píng)價(jià)。若評(píng)價(jià)結(jié)果證實(shí)所鉆遇的電阻率響應(yīng)異常段符合有機(jī)質(zhì)炭化的3個(gè)基本特征，無(wú)論Ro值是否達(dá)到3.5%以及鉆探是否見(jiàn)氣顯示，均應(yīng)以該井區(qū)出現(xiàn)有機(jī)質(zhì)炭化風(fēng)險(xiǎn)而停止勘探，及時(shí)調(diào)整部署方案，以減少不必要的勘探工作量和投資。若評(píng)價(jià)結(jié)果發(fā)現(xiàn)所鉆遇的低電阻率層段僅是個(gè)例且不符合有機(jī)質(zhì)炭化的 3個(gè)基本特征，通常表現(xiàn)為電阻率測(cè)井曲線呈“扁平型”，幅度值為5～20 ?·m，孔隙度平均值在4%以上，可以繼續(xù)實(shí)施勘探，但要加強(qiáng)單井地質(zhì)評(píng)價(jià)和經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)，了解該井及其周邊目的層低電阻率的原因和勘探潛力。

5 結(jié)論

高過(guò)成熟海相頁(yè)巖（即Ⅰ—Ⅱ1型）有機(jī)質(zhì)炭化的Ro值下限為 3.5%，在Ro值小于 3.4%階段，一般不會(huì)出現(xiàn)有機(jī)質(zhì)炭化現(xiàn)象；在Ro值為3.4%～3.5%階段，可能出現(xiàn)有機(jī)質(zhì)弱炭化與未炭化兩種情況并存；在Ro值大于3.5%階段，出現(xiàn)有機(jī)質(zhì)炭化的可能性很大。進(jìn)入炭化階段的富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖普遍具有 3個(gè)基本特征：①測(cè)井電阻率曲線呈顯著的“細(xì)脖子型”，電阻率測(cè)井值一般小于8 ?·m，且至少低于貧有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖段2個(gè)數(shù)量級(jí)，并與TOC負(fù)相關(guān)；②激光拉曼譜在G′峰位置出現(xiàn)石墨峰；③基質(zhì)孔隙度僅為正常水平一半以下，不含氣或微氣顯示。有機(jī)質(zhì)炭化階段導(dǎo)致的頁(yè)巖烴源巖和儲(chǔ)集層品質(zhì)損害巨大，主要表現(xiàn)為：頁(yè)巖的生烴能力衰竭；有機(jī)質(zhì)孔隙和黏土礦物晶間孔大量減少甚至消失；對(duì)天然氣的吸附能力降低。Ⅰ—Ⅱ1型固體有機(jī)質(zhì)炭化的Ro值下限應(yīng)成為古老海相地層頁(yè)巖氣勘探不可逾越的紅線。為此建議，在選區(qū)評(píng)價(jià)工作中，加強(qiáng)目標(biāo)區(qū)低電阻率烴源巖有效性評(píng)價(jià)，排除由有機(jī)質(zhì)炭化造成的高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)；在勘探開(kāi)發(fā)過(guò)程中，對(duì)鉆遇的低電阻率目的層應(yīng)高度重視有機(jī)質(zhì)炭化評(píng)價(jià)，根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果及時(shí)調(diào)整部署方案。