渝東南盆緣轉(zhuǎn)換帶常壓頁巖氣地質(zhì)特征及富集高產(chǎn)規(guī)律

何希鵬 何貴松 高玉巧 張培先 盧雙舫 萬靜雅

1.中國石化華東油氣分公司勘探開發(fā)研究院 2.中國石油大學(xué)（華東）非常規(guī)油氣與新能源研究院

0 引言

近年來，國內(nèi)學(xué)者針對四川盆地及其周緣地區(qū)海相頁巖氣在沉積建造、儲層物性、保存條件、富集規(guī)律等方面開展了大量而深入的研究工作，逐漸形成了具中國特色的頁巖氣勘探開發(fā)理論體系，推動(dòng)了頁巖氣工業(yè)的快速發(fā)展，先后發(fā)現(xiàn)了焦石壩、威遠(yuǎn)、長寧—昭通等千億立方米級儲量規(guī)模的大型超壓頁巖氣田，逐步邁入了頁巖氣工業(yè)化、商業(yè)化開發(fā)階段[1-8]。

近期，在四川盆地東南部及其盆緣轉(zhuǎn)換帶（以下簡稱渝東南盆緣轉(zhuǎn)換帶）的南川、武隆等地區(qū)鉆探了多口預(yù)探井，小型微注壓裂測試地層壓力系數(shù)介于1.06～1.18，壓裂后測試日產(chǎn)氣量介于4.60×104～19.65×104m3，取得了常壓頁巖氣勘探重大突破。目前正在開展井組試驗(yàn)，有望通過有利目標(biāo)與甜點(diǎn)層段精細(xì)評價(jià)優(yōu)選，低成本工程工藝技術(shù)攻關(guān)與集成應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)常壓頁巖氣效益開發(fā)。為此，筆者以渝東南盆緣轉(zhuǎn)換帶大量的地震、鉆井、測井、分析測試等資料為基礎(chǔ)，通過頁巖氣地質(zhì)特征分析，與焦石壩區(qū)塊超壓頁巖氣對比，研究渝東南盆緣轉(zhuǎn)換帶常壓頁巖氣地質(zhì)特點(diǎn)，總結(jié)頁巖氣富集高產(chǎn)的主控因素，建立常壓頁巖氣藏模式，明確不同模式頁巖氣的富集高產(chǎn)特征，以期進(jìn)一步深化常壓頁巖氣富集高產(chǎn)地質(zhì)理論，提高復(fù)雜構(gòu)造區(qū)常壓頁巖氣勘探開發(fā)效果。

1 地質(zhì)背景

渝東南盆緣轉(zhuǎn)換帶位于重慶市與貴州省交界的南川、彭水、武隆、道真等縣市，構(gòu)造上處于四川盆地川東高陡構(gòu)造帶和武陵褶皺帶西北緣（圖1），毗鄰焦石壩構(gòu)造。該地區(qū)歷經(jīng)加里東期、海西期、印支期、燕山—喜馬拉雅期等多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)疊加改造[9-10]，以燕山—喜馬拉雅期作用影響最為強(qiáng)烈，奠定了以NE—SW向?yàn)橹鞯南蛐迸c背斜相間分布的槽—擋構(gòu)造格局，形成了現(xiàn)今的構(gòu)造形態(tài)。該地區(qū)頁巖氣勘探開發(fā)的目的層為上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組，主要分布于殘留向斜，部分位于斜坡和背斜，鉆井揭示該地區(qū)頁巖氣處于超壓與常壓過渡帶，以常壓頁巖氣為主。

圖1 渝東南盆緣轉(zhuǎn)換帶構(gòu)造位置圖

2 渝東南盆緣轉(zhuǎn)換帶頁巖氣地質(zhì)特征

渝東南盆緣轉(zhuǎn)換帶常壓頁巖氣和焦石壩區(qū)塊超壓頁巖氣為中國南方頁巖氣勘探的兩種典型類型，兩者具有相似的沉積背景、不同的構(gòu)造改造條件，在沉積建造、裂縫發(fā)育特征、頁巖氣賦存狀態(tài)、地應(yīng)力、氣藏參數(shù)、生產(chǎn)特征等方面存在6大地質(zhì)特點(diǎn)或差異（表1）。

表1 常壓頁巖氣與超壓頁巖氣地質(zhì)特點(diǎn)對比表

2.1 優(yōu)質(zhì)頁巖厚度受水體深度和沉積微相控制，由北往南逐漸減薄

前期研究表明，深水陸棚相是頁巖氣富集的關(guān)鍵環(huán)境和物質(zhì)基礎(chǔ)。五峰組和龍馬溪組沉積早期，受華南板塊擠壓，揚(yáng)子板塊基底迅速下降，海平面迅速升高，揚(yáng)子地區(qū)形成了一次較大的海侵，受川中古隆起、雪峰隆起、黔中隆起夾持，向北開口與秦嶺洋相通，中部為欠補(bǔ)償滯留海深水陸棚，呈“三隆夾一坳”沉積格局[11-15]。焦石壩地區(qū)處于深水陸棚沉積中心（圖2），優(yōu)質(zhì)頁巖厚度介于35～45 m，總有機(jī)碳含量（TOC）介于3%～4%，石英含量介于40%～50%，黏土礦物含量介于30%～40%；武隆地區(qū)優(yōu)質(zhì)頁巖厚度介于32～35 m，TOC介于4%～5%，石英含量大于55%，黏土礦物含量小于25%；彭水地區(qū)相對更靠近雪峰隆起，距離物源區(qū)較近，水體變淺，優(yōu)質(zhì)頁巖厚度介于24～32 m，TOC介于2%～3%，石英含量介于45%～55%，黏土礦物含量小于30%。由西北往東南，同處于深水陸棚相，但受水體深度和沉積微相影響，優(yōu)質(zhì)頁巖厚度變薄，黏土礦物含量減少，武隆地區(qū)有機(jī)質(zhì)豐度高，石英含量高，黏土礦物含量低，為生烴中心。

2.2 構(gòu)造改造作用較強(qiáng)、微裂縫更發(fā)育

渝東南盆緣轉(zhuǎn)換帶頁巖氣鉆井巖心觀察和FMI成像測井解釋結(jié)果表明，自東部的桑柘坪向斜向西部的東勝背斜，優(yōu)質(zhì)頁巖段裂縫發(fā)育程度和規(guī)模逐漸減?。▓D3）。彭水地區(qū)桑柘坪向斜的五峰組見明顯的滑脫揉皺，白色方解石脈與黑色頁巖混雜在一起，發(fā)育大量不規(guī)則摩擦鏡面和擦痕，難以分辨頁理和紋層，龍馬溪組底部見3期裂縫交接切割，構(gòu)造縫規(guī)模較大，方解石充填—半充填，裂縫密度約3.2 條/m。根據(jù)FMI成像測井統(tǒng)計(jì)，層理縫密度為54 層/m；武隆向斜裂縫也較發(fā)育，五峰組滑脫揉皺厚度減小，龍馬溪組底部構(gòu)造縫密度為3.0 條/m，層理縫密度為54 層/m。南川地區(qū)金佛斷坡五峰組滑脫揉皺層僅厚0.1 m，龍馬溪組底部構(gòu)造縫密度較彭水地區(qū)明顯減少，約1.9 條/m，層理縫密度為52 層/m；平橋背斜和東勝背斜的構(gòu)造縫密度和層理縫密度進(jìn)一步減小，構(gòu)造縫密度分別為1.4 條/m和1.0 條/m，層理縫密度分別為42 層/m和40 層/m。裂縫發(fā)育程度與規(guī)模的差異，表明由東向西，構(gòu)造改造作用逐漸減弱，具有遞進(jìn)變形特征。彭水地區(qū)構(gòu)造抬升早，持續(xù)時(shí)間長，抬升幅度大，應(yīng)力釋放，流體壓力降低，導(dǎo)致構(gòu)造縫更發(fā)育，層理縫開啟程度更高。

圖2 渝東南盆緣轉(zhuǎn)換帶五峰期—龍馬溪期沉積模式圖

圖3 渝東南盆緣轉(zhuǎn)換帶構(gòu)造縫與層理縫發(fā)育情況對比圖

2.3 頁巖氣總含氣量相對較低、吸附氣占比高

渝東南盆緣轉(zhuǎn)換帶頁巖含氣量、游離氣占比與壓力系數(shù)有較強(qiáng)的相關(guān)性，壓力系數(shù)越大，含氣量越高，游離氣占比越大（圖4）。當(dāng)壓力系數(shù)大于1.2時(shí)，含氣量介于4.6～5.5 m3/t，游離氣占比超過60%；壓力系數(shù)小于1.2的常壓頁巖氣，含氣量介于3.8～4.2 m3/t，游離氣占比為44%～58%，即總含氣量相對較低，吸附氣占比較高。

圖4 渝東南盆緣轉(zhuǎn)換帶地層壓力系數(shù)與含氣量、游離氣占比關(guān)系圖（圖中球體大小代表游離氣占比高低）

利用武隆向斜LY1井現(xiàn)場含氣量解吸氣體樣品，開展了不同時(shí)間段解吸氣甲烷碳同位素測定，結(jié)果表明碳同位素分餾效應(yīng)明顯，隨著時(shí)間的推移，δ13C1由輕變重（圖5），表明在吸附氣不斷解吸過程中比重較輕的δ13C1優(yōu)先解吸產(chǎn)出。該井水平井測試地層壓力系數(shù)1.08，利用試采期間采集的天然氣樣品，開展了不同時(shí)間段的甲烷碳同位素測定，同位素變化趨勢與現(xiàn)場解吸吻合較好（圖5），佐證常壓頁巖氣中以吸附氣狀態(tài)產(chǎn)出的比例在逐漸增加，產(chǎn)量遞減較慢。該井初期日產(chǎn)氣量為4.6×104m3，已生產(chǎn)2.5年，目前日產(chǎn)氣2.2×104～2.8×104m3，第1年遞減率29.8%，第2年遞減率18.3%，遞減率遠(yuǎn)低于高壓頁巖氣藏。

圖5 武隆向斜LY1井現(xiàn)場解吸與水平井壓裂排采氣體甲烷碳同位素變化圖

2.4 目的層地應(yīng)力相對較小，但兩向應(yīng)力差異大

渝東南盆緣轉(zhuǎn)換帶受多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，經(jīng)歷了大規(guī)模的擠壓、抬升、剝蝕，導(dǎo)致應(yīng)力釋放，形成現(xiàn)今地應(yīng)力小，兩向應(yīng)力差異大。彭水—武隆地區(qū)水平地應(yīng)力介于40～60 MPa，應(yīng)力差異系數(shù)介于0.27～0.34；而盆內(nèi)的焦石壩、東勝等構(gòu)造水平地應(yīng)力介于50～80 MPa，應(yīng)力差異系數(shù)介于0.11～0.13（表 2）。

表2 渝東南盆緣轉(zhuǎn)換帶巖石力學(xué)參數(shù)及地應(yīng)力統(tǒng)計(jì)表

2.5 地溫梯度低，地層壓力系數(shù)偏低

根據(jù)鉆井、測井、微壓測試等資料統(tǒng)計(jì)，彭水地區(qū)頁巖埋深介于2 000～3 500 m，地層壓力介于20～39 MPa，壓力系數(shù)介于0.9～1.2，地層溫度介于70～110 ℃，地溫梯度介于2.1～2.5℃/100 m；盆內(nèi)焦石壩地區(qū)頁巖埋深與之相當(dāng)，介于2 300～3 500 m，但地層壓力介于35～55 MPa，壓力系數(shù)為1.55，地層溫度介于85～120 ℃，地溫梯度介于2.6～3.0 ℃/100 m。彭水地區(qū)地溫梯度低，地層壓力系數(shù)低，表明地層能量和驅(qū)動(dòng)力相對較弱，可能是頁巖氣井難以高產(chǎn)的重要原因。

2.6 頁巖氣初期產(chǎn)液量大，返排率高

武隆、彭水等地區(qū)常壓頁巖氣井壓裂后放噴測試，初期主要以排液為主，日產(chǎn)液量一般大于100 m3，隨著返排率不斷增加，產(chǎn)氣量不斷增加，達(dá)到產(chǎn)氣峰值周期相對較長，一般介于15～60天，峰值返排率超過15%[16]。焦石壩、平橋等超壓頁巖氣初期日產(chǎn)液較低，小于10 m3/d，達(dá)到峰值周期短，一般在5天以內(nèi)，峰值返排率小于5%。

3 頁巖氣富集高產(chǎn)主控因素

近年來，眾多學(xué)者對我國南方海相頁巖氣，尤其是四川盆地及周緣五峰組—龍馬溪組頁巖氣富集規(guī)律及主控因素開展了大量研究，提出了“二元富集”規(guī)律、“三元富集”理論等成藏理論[17-19]。2016年，筆者在總結(jié)渝東南盆緣轉(zhuǎn)換帶常壓頁巖氣富集規(guī)律時(shí)，提出常壓頁巖氣富集主要受控于3個(gè)主要因素[2]：①深水陸棚相優(yōu)質(zhì)頁巖是頁巖氣富集的物質(zhì)基礎(chǔ)；②良好的保存條件是富集的關(guān)鍵因素；③有機(jī)孔隙發(fā)育是頁巖氣高產(chǎn)的重要因素。隨著近兩年不斷地深化研究和勘探實(shí)踐，對富集高產(chǎn)主控因素有了進(jìn)一步的認(rèn)識，提出了“三因素控氣”認(rèn)識：受深水陸棚相控制的富碳富硅富筆石優(yōu)質(zhì)頁巖是頁巖氣富集的基礎(chǔ)，有機(jī)孔隙是頁巖氣富集主要控制因素，構(gòu)造應(yīng)力場是頁巖氣高產(chǎn)的關(guān)鍵因素。

3.1 受深水陸棚相控制的富碳富硅富筆石優(yōu)質(zhì)頁巖是頁巖氣富集的基礎(chǔ)

渝東南盆緣轉(zhuǎn)換帶五峰組—龍馬溪組沉積時(shí)期，總體上水體由深變淺，由下而上可劃分為深水陸棚、半深水陸棚、淺水陸棚等3個(gè)沉積亞相，不同沉積亞相對頁巖氣各項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)具有明顯的控制作用。常量元素和微量元素分析表明，深水陸棚相具有高磷含量特征（表3），代表有機(jī)質(zhì)來源豐富，生物繁榮程度和海洋古生產(chǎn)力高[20-21]；同時(shí)具有高鈾/釷、釩/鉻特征，說明為強(qiáng)還原沉積環(huán)境，有利于有機(jī)質(zhì)的保存。地球化學(xué)、巖礦、物性、含氣性等分析測試亦表明深水陸棚控制下形成的優(yōu)質(zhì)頁巖，具有高有機(jī)質(zhì)豐度、高脆性、高物性、高含氣性“四高”特征（表3），各項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)明顯優(yōu)于半深水陸棚相灰黑色頁巖和淺水陸棚相深灰色粉砂質(zhì)泥巖。

表3 武隆向斜五峰組—龍馬溪組沉積相劃分及指標(biāo)對比表

根據(jù)巖礦、地球化學(xué)、電性、古生物等特征，將五峰組—龍馬溪組底部（龍一段）深水—半深水陸棚相頁巖進(jìn)一步劃分為9個(gè)巖石相（沉積微相）（表4），其中TOC＞2%的有5個(gè)優(yōu)質(zhì)巖相，均處于深水陸棚亞相。

表4 武隆向斜五峰組—龍馬溪組沉積微相識別標(biāo)志及微相劃分表

武隆向斜TOC＞4%的富碳富硅富筆石頁巖相分布在五峰組和龍馬溪組底部，形成于凱迪階和魯?shù)るA早期的海侵體系域。其中凱迪階富碳富硅富筆石頁巖厚4.83 m，筆石豐度高，發(fā)育Dicellograptus complexus、Appendispinograptus venustus等代表深水環(huán)境的WF2—WF3帶筆石[22-23]，薄片下可見大量的放射蟲，具有高自然伽馬、中高電阻率、高聲波時(shí)差、低密度等電性特征，TOC介于4.1%～5.8%，鏡質(zhì)體反射率（Ro）介于2.3%～2.7%，硅質(zhì)含量介于62.8%～80.0%，黏土礦物含量介于10.2%～24.8%，見8層灰褐色斑脫巖。凱迪階上部發(fā)育0.37 m厚的赫南特階觀音橋段深灰色含介殼灰質(zhì)泥巖，表明水體逐漸變淺，由深水頁巖相轉(zhuǎn)換為淺水碳酸鹽巖沉積，筆石動(dòng)物群的分異度和豐度急劇減少，反應(yīng)赫南特冰期全球海平面下降，引發(fā)武隆向斜筆石生物的大滅絕，具有低自然伽馬、高電阻、高密度、低聲波時(shí)差等電性特征。此后全球海平面上升，再次發(fā)生海侵，魯?shù)るA筆石生物群開始復(fù)蘇，并加速演變，武隆向斜魯?shù)るA灰黑色碳質(zhì)硅質(zhì)頁巖厚31.8 m，從LM1筆石帶特征分子Normalograptus mirnyensis到LM5帶筆石Coronograptus cyphus均有發(fā)育，巖心觀察發(fā)現(xiàn)魯?shù)るA底部筆石生物可覆蓋巖心橫截面超過90%，可見筆石生物呈爆發(fā)式復(fù)蘇，預(yù)示著它們賴以生存的單細(xì)胞生物、藻類、菌類等食物鏈底層的生物多樣性和豐富度更大[24]；魯?shù)るA灰黑色碳質(zhì)硅質(zhì)頁巖巖性較純，內(nèi)部少見夾層，黃鐵礦主要呈團(tuán)塊狀、星點(diǎn)狀分布，局部富集呈透鏡狀或?qū)訝?，頁理發(fā)育，薄片下硅質(zhì)礦物含量高，以蛋白石、燧石等有機(jī)成因硅為主，硅質(zhì)與泥質(zhì)、有機(jī)質(zhì)多呈均勻分布，局部呈紋層狀分布，魯?shù)るA具有極高自然伽馬、高電阻率、高聲波時(shí)差、低密度特征，TOC介于2.0%～6.2%，有機(jī)質(zhì)類型以腐泥型、偏腐泥混合型為主，為成烴的有利類型，具有較好的生烴潛力，硅質(zhì)含量平均值為52.0%，黏土礦物含量平均值為25.4%；孔隙類型以納米級有機(jī)孔為主，占50%～70%，同時(shí)發(fā)育少量微裂隙、黏土礦物晶間孔、溶蝕孔、粒內(nèi)微孔等無機(jī)孔隙。魯?shù)るA后期開始緩慢海退，與埃隆階的分界以出現(xiàn)三角半耙筆石為標(biāo)志，后者代表半深水—淺水陸棚沉積環(huán)境，礦物顆粒變粗、有機(jī)成因硅減少、陸源碎屑成因硅增多、黃鐵礦含量減少，具有由下而上自然伽馬、電阻率和TOC逐漸降低、密度逐漸增大的特征，TOC平均值為1.5%，硅質(zhì)含量平均值為33.9%，黏土礦物含量平均值為46.0%?？傮w上，深水陸棚相控制下的富碳富硅富筆石頁巖電性上具有高自然伽馬、高電阻、高聲波時(shí)差、低密度的“三高一低”的電性特征，靜態(tài)指標(biāo)上具有高生烴潛力、高孔隙度、高含氣性、高脆性、低黏土礦物含量的“四高一低”的特征，為頁巖氣的甜點(diǎn)層段，是頁巖氣富集的基礎(chǔ)。

3.2 有機(jī)孔隙是頁巖氣富集主要控制因素

3.2.1 有機(jī)孔隙是頁巖氣賦存的主要儲集空間

利用氬離子拋光—掃描電鏡、原子力顯微鏡、雙束聚焦離子與掃描電鏡、低溫CO2吸附＋N2吸附＋壓汞全孔徑聯(lián)合測試等技術(shù)，結(jié)合巖心觀察和薄片鑒定，渝東南盆緣轉(zhuǎn)換帶頁巖儲集空間以納米級基質(zhì)孔隙為主，裂縫發(fā)育區(qū)裂縫孔隙也是重要組成部分。其中基質(zhì)孔隙按照孔隙賦存位置與顆粒間關(guān)系，又可分為有機(jī)孔隙和無機(jī)孔隙。有機(jī)孔隙為有機(jī)質(zhì)生烴和瀝青、原油裂解成氣過程中產(chǎn)生的孔隙，屬于次生成因；無機(jī)孔隙以原生成因?yàn)橹?，主要發(fā)育粒間孔、晶間孔、粒內(nèi)孔、溶蝕孔等類型。

為了研究有機(jī)孔隙和無機(jī)孔隙對頁巖儲集空間的貢獻(xiàn)，利用渝東南盆緣轉(zhuǎn)換帶高TOC（3.8%）、低黏土礦物含量（29%）頁巖和低TOC（1.5%）、高黏土礦物含量（45%）頁巖分別開展了飽和油和飽和水核磁共振實(shí)驗(yàn)，結(jié)合干樣品重量，以及樣品體積和密度等，計(jì)算出飽和水與飽和油時(shí)頁巖孔隙度。實(shí)驗(yàn)采用110 ℃真空加熱，10 MPa飽和油、10 MPa飽和水。從飽和水、飽和油核磁共振T2譜分布可知，兩者存在重疊區(qū)域（紫色）（圖6），說明部分有機(jī)孔既表現(xiàn)親油性也具有親水性，而重疊區(qū)域之外的飽和水T2譜（綠色）主要反映親水性孔隙（無機(jī)孔）。根據(jù)頁巖自吸油和水頻譜特征，確定優(yōu)質(zhì)頁巖段有機(jī)孔隙比例變化范圍介于58%～78%，表明有機(jī)孔隙是頁巖氣賦存的主要儲集空間。同時(shí)，高TOC樣品的有機(jī)孔隙比例明顯高于低TOC的樣品，說明有機(jī)孔比例隨TOC含量增多（黏土礦物含量降低）而增大。

3.2.2 有機(jī)孔隙越發(fā)育，頁巖生烴潛力越強(qiáng)、物性和保存條件越好

3.2.2.1 有機(jī)碳和硅質(zhì)含量越高，有機(jī)孔隙越發(fā)育，儲層孔隙度越高

渝東南盆緣轉(zhuǎn)換帶優(yōu)質(zhì)頁巖段樣品孔隙度、TOC、石英含量、比表面積相關(guān)性研究表明，頁巖TOC含量越高，儲層孔隙度越大，比表面積越大（圖7-a、b），同時(shí)孔隙度與石英含量也呈較好的正相關(guān)（圖7-c）。說明頁巖有機(jī)質(zhì)含量越豐富，形成的有機(jī)孔隙越發(fā)育，儲層物性越好，游離氣含量越高，同時(shí)有機(jī)孔隙為頁巖提供了主要的比表面積，是吸附氣賦存的主要場所，有機(jī)孔隙越發(fā)育，頁巖的吸附能力越強(qiáng)。原子力顯微鏡觀察揭示有機(jī)質(zhì)內(nèi)孔隙呈“蟻巢狀”孔隙結(jié)構(gòu)特征，具有非常好的連通性能，面孔率是氬離子拋光—掃描電鏡統(tǒng)計(jì)結(jié)果的4～5倍，揭示了高有機(jī)碳頁巖物性好的根本原因。孔隙度與石英含量的正相關(guān)關(guān)系，說明石英主要為有機(jī)成因，來自筆石、藻類、放射蟲、疑源類等生物骨架，有機(jī)成因石英含量越高，表明古生物越繁盛，原始沉積有機(jī)質(zhì)含量越高，越利于有機(jī)孔隙形成。

圖6 不同頁巖樣品飽和油、飽和水核磁頻譜對比圖

圖7 孔隙度、比表面積與TOC及孔隙度與石英含量關(guān)系圖

3.2.2.2 熱演化程度適中、地層壓力越高，有機(jī)孔隙保存越好

為揭示有機(jī)質(zhì)熱演化和壓實(shí)作用對有機(jī)孔隙形成與演化的影響，選取下?lián)P子地區(qū)古近系阜寧組頁巖巖心開展熱模擬實(shí)驗(yàn)，樣品的有機(jī)質(zhì)豐度和礦物組成與五峰組—龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖較為接近，其TOC為2.15%，Ro為0.94%，石英含量為38.0%，黏土礦物含量49.0%，碳酸鹽礦物含量為4.8%，長石含量為6.0%。樣品分為8組，分別對應(yīng)熱演化的8個(gè)階段，對應(yīng)的模擬實(shí)驗(yàn)溫度由200 ℃升至550 ℃，間隔50 ℃，模擬靜巖壓力由36 MPa升至78 MPa，間隔5 MPa，流體壓力由14 MPa升至22 MPa，間隔2 MPa。熱模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：第1階段，有機(jī)孔隙較少，孔徑相對較?。?.9 μm×0.9 μm），圓度高（圖8-a）；第2階段，有機(jī)孔隙大量發(fā)育，孔徑變大（2.8 μm×2.6 μm），圓度高（圖8-b）；第3階段，有機(jī)孔隙發(fā)育，孔徑進(jìn)一步變大（4.5 μm×1.0 μm），由于壓實(shí)作用增強(qiáng)，孔隙變形，呈橢圓形（圖8-c）；第4階段，有機(jī)孔隙發(fā)育，孔徑進(jìn)一步變大（28.0 μm×4.0 μm），孔隙變形呈長條形（圖 8-d）；第 5 階段，有機(jī)孔隙不再增加，孔徑大幅度減?。?.0 μm×1.0 μm），呈橢圓形（圖8-e）；第6～8階段，有機(jī)孔隙持續(xù)減少，孔徑不斷減小，形狀由橢圓形變?yōu)椴灰?guī)則形，少量變?yōu)閳A形（圖8-f～h）。實(shí)驗(yàn)分析表明隨著熱成熟度增加，有機(jī)孔隙不斷增加，孔徑變大，但有機(jī)質(zhì)抗壓性不斷降低；當(dāng)處于過成熟晚期后，有機(jī)孔隙不再增加，隨著壓實(shí)作用的增大（模擬圍壓增大），有機(jī)孔開始大幅度減?。淮撕笕舯４鏃l件好，儲層超壓，孔隙內(nèi)部受氣體支撐，有機(jī)孔隙可以較好保存，儲層物性好，若保存條件差，氣體逸散，孔隙缺少氣體支撐，在壓實(shí)作用下孔隙不斷減小以致消失，儲層物性變差。

圖8 不同溫壓條件有機(jī)孔隙熱模擬實(shí)驗(yàn)過程照片

利用氬離子拋光—掃描電鏡圖像定量化表征技術(shù)，開展了渝東南盆緣轉(zhuǎn)換帶不同目標(biāo)樣品面孔率定量統(tǒng)計(jì)，結(jié)果顯示壓力系數(shù)高的樣品，有機(jī)孔隙發(fā)育，孔徑較大，面孔率較高，隨著壓力系數(shù)較低，面孔率逐漸減?。ū?），與熱模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致，表明地層壓力是影響高熱演化頁巖有機(jī)孔隙發(fā)育的關(guān)鍵因素，兩者呈正相關(guān)關(guān)系。

3.3 構(gòu)造應(yīng)力場是頁巖氣高產(chǎn)的關(guān)鍵因素

渝東南盆緣轉(zhuǎn)換帶主要受印支期以來，尤其是燕山期—喜馬拉雅期運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈擠壓作用影響，經(jīng)歷了構(gòu)造變形、抬升剝蝕、流體活動(dòng)等多種方式的改造，表現(xiàn)出構(gòu)造應(yīng)力場在不同時(shí)期、不同地區(qū)、不同構(gòu)造部位、不同深度差異較大。在不斷變化的古應(yīng)力場作用下不僅形成了現(xiàn)今的褶皺組合樣式、構(gòu)造格局、斷裂體系，還形成了與之伴生的天然縫網(wǎng)。天然裂縫不僅是頁巖氣運(yùn)移的滲流通道，還是重要的儲集空間，其發(fā)育程度對頁巖氣儲集和保存具有重要影響，一方面裂縫發(fā)育可以改善儲層物性，提高孔隙度和滲透率，另一方面，如果儲層封閉條件差，裂縫發(fā)育可能進(jìn)一步破壞頁巖氣保存條件，加快氣體逸散。渝東南盆緣轉(zhuǎn)換帶構(gòu)造體系具有從東南部到西北部由強(qiáng)變?nèi)醯倪f進(jìn)變形特征[25]，反應(yīng)古構(gòu)造應(yīng)力自東南向西北遞進(jìn)減弱，在此背景下形成的天然裂縫發(fā)育程度也呈現(xiàn)遞進(jìn)降低趨勢（前已述及）。渝東南盆緣轉(zhuǎn)換帶東部的桑柘坪向斜目的層四周已出露地表，巖心觀察和成像測井揭示天然裂縫十分發(fā)育，在烴濃度差驅(qū)使下，促進(jìn)了頁巖氣大量向剝蝕區(qū)逸散，導(dǎo)致現(xiàn)今壓力系數(shù)較低（0.92～0.96），單井產(chǎn)量低。向斜核部隨著埋深增大、遠(yuǎn)離剝蝕邊界、裂縫閉合，保存條件變好，壓力系數(shù)增高（1.0～1.08）。西部的平橋背斜為擠壓抬升作用下形成的北東向長軸斷背斜，東西翼受封閉性逆斷層夾持，南北端通過鞍部與相鄰構(gòu)造相連，目的層未出露地表，整體保存條件較好，巖心資料和地震資料預(yù)測表明，靠近斷層的部位裂縫較為發(fā)育，單井日產(chǎn)氣量高（36.5×104～89.5×104m3），遠(yuǎn)離斷層的部位裂縫相對發(fā)育少，單井日產(chǎn)氣量較高（18.4×104～ 34.3×104m3）。

表5 不同地層壓力系數(shù)下有機(jī)質(zhì)內(nèi)部面孔率統(tǒng)計(jì)表

頁巖氣藏由于低孔、特低滲的地質(zhì)特點(diǎn)，需要人工體積壓裂改造形成網(wǎng)狀裂縫系統(tǒng)才能獲得工業(yè)氣流，體積改造程度決定了單井產(chǎn)量高低，而現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力場是影響體積改造效果的關(guān)鍵因素。一方面，現(xiàn)今地應(yīng)力大小及其差異影響地層的脆—塑性，決定裂縫起裂方式和壓裂施工難易程度，影響人造裂縫自支撐效果和改造體積。三軸應(yīng)力的大小影響壓裂縫的類型，當(dāng)垂向應(yīng)力（σv）最大（σv＞σH＞σh，σH、σh分別表示最大、最小水平主應(yīng)力）時(shí)，壓裂縫沿最大水平主應(yīng)力方向擴(kuò)展，產(chǎn)生垂向縫，壓裂效果相對較好；當(dāng)垂向應(yīng)力居中（σH＞σv＞σh）時(shí)，壓裂縫沿垂向主應(yīng)力方向擴(kuò)展一定程度，開啟水平層理縫，壓裂液容易大量濾失，阻礙了凈壓力的提高，裂縫寬度受限，加砂敏感，裂縫在縱向和向遠(yuǎn)端延伸難度大。頁巖高溫高壓三軸應(yīng)力模擬實(shí)驗(yàn)表明，隨著圍壓增加，頁巖抗壓強(qiáng)度增加，塑性增大，形成復(fù)雜縫網(wǎng)難度增大。東勝背斜頁巖埋深約3 500 m，比平橋背斜深700 m，三軸應(yīng)力比平橋背斜高20 MPa，壓裂施工難度大，破裂壓力介于90～110 MPa、施工壓力介于81～114 MPa、延伸壓力介于85～97 MPa、停泵壓力介于58～67 MPa，具有高破裂壓力和高停泵壓力梯度特點(diǎn)，G函數(shù)表明形成復(fù)雜縫網(wǎng)比例較低，測試日產(chǎn)氣量為14.36×104m3，約為平橋背斜平均測試產(chǎn)量的一半。兩向水平主應(yīng)力差值或者差異系數(shù)對頁巖可壓性影響也十分明顯，差異系數(shù)越小，越利于形成復(fù)雜縫網(wǎng)；當(dāng)差異系數(shù)大時(shí)，為克服兩向水平主應(yīng)力差所需的縫內(nèi)凈壓力也隨之增大，增加了壓裂施工難度，同時(shí)壓裂縫以主縫為主，較難形成網(wǎng)狀縫。另一方面，現(xiàn)今地應(yīng)力方位可影響邊界斷層封閉性和壓裂縫延展。渝東南盆緣轉(zhuǎn)換帶及鄰區(qū)鉆井統(tǒng)計(jì)表明，當(dāng)現(xiàn)今最大水平主應(yīng)力與斷裂走向夾角介于45°～90°時(shí)，斷層及其伴生裂縫的現(xiàn)今封閉性較好，高產(chǎn)井的最大水平主應(yīng)力大多與斷裂近乎垂直；當(dāng)現(xiàn)今最大水平主應(yīng)力與斷裂走向夾角為0°～45°時(shí)，斷層及其伴生裂縫的現(xiàn)今封閉性較差，低產(chǎn)井的現(xiàn)今最大水平主應(yīng)力與斷裂斜交或近乎平行。另外，統(tǒng)計(jì)亦表明，水平井方位與最小水平主應(yīng)力方位的夾角小于40°時(shí)，壓裂縫向四周延展易于形成復(fù)雜縫，儲層改造體積大，裂縫導(dǎo)流能力強(qiáng)，壓裂改造效果好，單井測試產(chǎn)量高。

綜上所述，古構(gòu)造應(yīng)力場決定了天然縫網(wǎng)的發(fā)育程度，天然縫可形成良好的裂縫孔隙、溝通基質(zhì)孔隙，增強(qiáng)儲層滲流能力，改善頁巖儲集物性，影響頁巖氣儲集和保存；今構(gòu)造應(yīng)力場是影響體積改造效果的關(guān)鍵因素，三軸應(yīng)力適中、地應(yīng)力方位與水平井方位合適時(shí)，壓裂施工難度相對較低，易于溝通天然縫形成復(fù)雜縫網(wǎng)，儲層改造效果好，利于頁巖氣高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。因此，構(gòu)造應(yīng)力場是頁巖氣高產(chǎn)的關(guān)鍵因素。

4 盆緣轉(zhuǎn)換帶頁巖氣藏富集高產(chǎn)模式

渝東南盆緣轉(zhuǎn)換帶先后經(jīng)歷多期構(gòu)造體制改造，構(gòu)造演化與變形程度、地層抬升剝蝕時(shí)間與強(qiáng)度、頁巖氣聚集與逸散等有顯著差異。因此，形成的頁巖氣藏類型豐富多樣，不同類型頁巖氣藏富集規(guī)律亦有明顯不同。筆者通過對轉(zhuǎn)換帶分區(qū)研究、典型井解剖，結(jié)合壓裂實(shí)踐進(jìn)行分類評價(jià)，依據(jù)頁巖氣聚集、逸散特點(diǎn)和構(gòu)造樣式等，建立了背斜型、斜坡型、向斜型、逆斷層斷下盤型等4種頁巖氣藏模式。

4.1 背斜型頁巖氣藏

背斜型頁巖氣藏主要分布在四川盆地內(nèi)，埋深一般介于2 500～5 000 m，盆外背斜目的層多已剝蝕。背斜型改造作用較弱，內(nèi)部大規(guī)模斷裂相對不發(fā)育，保存條件較好，壓力系數(shù)高，在局部張應(yīng)力環(huán)境下，天然微裂縫發(fā)育，微裂縫改善了頁巖儲集空間，提供了良好的滲流通道，頁巖氣從頁巖儲層納米孔中逸出，在天然裂隙空間內(nèi)具有短距離運(yùn)移聚集的特征，游離氣含量占比高。背斜軸部受縱彎作用影響，應(yīng)力較強(qiáng)，表現(xiàn)為張性應(yīng)力場特征，發(fā)育向上開口“V”形劈理縫，物性較好，壓裂時(shí)人造縫縱向延伸大，橫向延伸范圍小，體積改造難度大；背斜翼部發(fā)育伴生斷裂，地應(yīng)力得到釋放，天然縫發(fā)育，壓裂時(shí)人工縫與天然縫交割溝通，易形成復(fù)雜縫網(wǎng)，改造體積大，更易高產(chǎn)。

平橋背斜屬背斜型頁巖氣藏（圖9），具有較好的頁巖氣富集高產(chǎn)地質(zhì)條件，地層壓力系數(shù)為1.3。鉆井表明背斜軸部的JY195-5井發(fā)育“V”形劈理縫，總含氣量和游離氣占比較高，壓裂產(chǎn)生的橫向縫延伸受限，水平井壓裂施工中具有射孔壓降小（小于10.0 MPa）、破裂壓力高（平均值為80.9 MPa）、施工壓力高（平均值為75.0 MPa）、停泵壓力高（介于50.0～65.0 MPa）特征，單井測試日產(chǎn)氣量為22.0×104m3；背斜東翼的JY200-1井發(fā)育“E”形層間縫，壓裂表現(xiàn)為射孔壓降大（一般介于10～20 MPa）、破裂壓力低（平均值為57.1 MPa）、施工壓力低（平均值為59.5 MPa）、停泵壓力低（介于26.0～35.0 MPa）的特征，表明水力壓裂縫延伸遠(yuǎn)，體積改造充分，形成了復(fù)雜縫網(wǎng)，單井測試日產(chǎn)氣量為 89.5×104m3。

4.2 斜坡型頁巖氣藏

斜坡型頁巖氣藏主要分布于盆緣轉(zhuǎn)換帶向四川盆地延伸部位，目的層一側(cè)出露地表，一側(cè)延伸至盆內(nèi)。在地層抬升過程中，頁巖氣發(fā)生側(cè)向逸散，受頁巖非均質(zhì)性、上翹方向斷層遮擋、離剝蝕邊界距離等控制，部分殘留于原地，保存條件相對較好，壓力系數(shù)中低，屬逸散滯留型成藏。地應(yīng)力釋放，水平層理發(fā)育，裂縫以順層“E”形層間縫為主，壓裂縫易橫向延伸，縫高相對受限，產(chǎn)量中高。

圖9 平橋背斜型頁巖氣藏模式圖

圖10 金佛斷坡型頁巖氣藏模式圖

金佛斷坡屬典型的斜坡型頁巖氣藏。金佛斷坡北部通過鞍部與平橋背斜相連（圖10），南部向上翹起，目的層出露地表，在靠近出露區(qū)發(fā)育龍鳳場逆斷層，封閉性能較好，為勘探有利區(qū)。深部位的JY10井?dāng)鄬硬话l(fā)育，順層裂隙發(fā)育，儲集和保存條件較好，總含氣量和游離氣占比比背斜區(qū)的JY194-3井、JY8井略低，壓裂施工難度較小，破裂壓力和施工壓力中等，微壓測試地層壓力系數(shù)1.18，測試日產(chǎn)氣量為19.6×104m3；斜坡淺部位距離剝蝕區(qū)近，抬升幅度大，上覆壓力卸載產(chǎn)生的微裂縫和構(gòu)造變形產(chǎn)生的構(gòu)造縫增多，頁巖氣逸散加劇，預(yù)測壓力系數(shù)偏低，產(chǎn)氣量相對較低。長寧構(gòu)造的南北翼靠近剝蝕區(qū)部位也屬典型的斜坡型頁巖氣藏，斜坡深部位的YS111井區(qū)地層壓力系數(shù)1.62，斜坡淺部位的YS106井區(qū)地層壓力系數(shù)1.0[26]。

4.3 向斜型頁巖氣藏

向斜型頁巖氣藏在盆內(nèi)、盆外均有分布，但埋深、物性、保存等地質(zhì)條件差異大，可分為盆內(nèi)原地向斜型和盆外殘留向斜型兩種模式。

盆內(nèi)原地向斜型頁巖氣藏目的層埋藏深度大，頁巖氣大部分滯留原地富集，壓力系數(shù)一般大于1.2；頁巖埋深一般超過3 500 m，地應(yīng)力集中，儲層偏塑性，天然微裂縫發(fā)育少；壓裂施工壓力和停泵壓力較高，在目前工藝技術(shù)條件下較難形成復(fù)雜網(wǎng)縫。盆內(nèi)廣泛分布的深層頁巖由于埋深大，面臨高溫、高地應(yīng)力、高閉合壓力等地質(zhì)難點(diǎn)，呈現(xiàn)高破裂壓力、高施工壓力、高停泵壓力的“三高特點(diǎn)”，提高深層頁巖氣壓裂工藝技術(shù)實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，是有效動(dòng)用深層原地型頁巖氣資源的關(guān)鍵。

殘留向斜型頁巖氣藏是渝東南盆緣轉(zhuǎn)換帶頁巖氣勘探主要類型，分布在盆地外，大多數(shù)目的層四周出露地表，頁巖氣發(fā)生較長時(shí)期的順層擴(kuò)散和滲流，具有向斜中心富集特點(diǎn)，吸附氣比游離氣含量高。向斜整體發(fā)生過大規(guī)模抬升，埋深較盆內(nèi)淺，由于受擠壓應(yīng)力作用，核部發(fā)育向下開口的倒“V”形微裂縫，物性較好，壓裂時(shí)人造縫橫向延伸受限，增大了壓裂形成復(fù)雜縫網(wǎng)難度；在地層抬升過程中，向斜翼部應(yīng)力釋放，水平縫發(fā)育，層理縫開啟，頁巖氣容易逸散；壓力系數(shù)較低，資源豐度中等—低，單井產(chǎn)量較低。渝東南轉(zhuǎn)換帶桑柘坪向斜為典型代表，該向斜由翼部向核部鉆探的3口井表明，距離出露區(qū)越遠(yuǎn)、埋深越大，單井壓力系數(shù)越大，測試產(chǎn)量越高，同時(shí)壓裂施工難度增大，破裂壓力和施工壓力增高（圖11）。

4.4 逆斷層斷下盤型頁巖氣藏

逆斷層斷下盤型頁巖氣藏在盆緣和盆外殘留向斜中均有發(fā)育，下盤目的層與上盤致密隔層對接，受逆斷層側(cè)向封堵，頁巖氣滯留于斷下盤；渝東南盆緣轉(zhuǎn)換帶的逆斷層斷下盤經(jīng)歷燕山早期NW—SE向擠壓和燕山晚期SN向走滑作用，形成多期天然縫網(wǎng)交切切割，發(fā)育“X”形剪節(jié)理，物性較好，利于壓裂形成復(fù)雜網(wǎng)縫，但頁巖氣保存條件存在一定風(fēng)險(xiǎn)。道真向斜斷下盤為典型代表（圖12），頁巖埋深介于2 000～3 400 m，受斷層遮擋，頁巖氣橫向運(yùn)移減弱，滯留成藏，頁巖氣富集程度有待鉆井進(jìn)一步證實(shí)。

5 結(jié)論

圖11 桑柘坪殘留向斜型頁巖氣藏模式圖

圖12 道真向斜斷下盤型頁巖氣藏模式圖

1）渝東南盆緣轉(zhuǎn)換帶處于超壓與常壓過渡帶，以常壓為主，與焦石壩區(qū)塊超壓頁巖氣相比，該地區(qū)具有優(yōu)質(zhì)頁巖厚度減薄、有機(jī)孔隙偏低、微裂縫更發(fā)育、吸附氣占比高、兩向應(yīng)力差異大、地溫梯度低、地層壓力系數(shù)低、初期產(chǎn)液量大、返排率高等地質(zhì)特點(diǎn)。

2）頁巖氣富集高產(chǎn)主要受“三因素”控制：深水陸棚相控制的富碳硅質(zhì)富筆石頁巖是頁巖氣富集的基礎(chǔ)；有機(jī)孔隙是頁巖氣富集主要控制因素；構(gòu)造應(yīng)力場是頁巖氣高產(chǎn)的關(guān)鍵因素。

3）根據(jù)構(gòu)造樣式、試采特征等，建立了背斜型、斜坡型、向斜型、逆斷層斷下盤型等4種頁巖氣藏模式。其中背斜型具有短距離運(yùn)移富集成藏特征，單井日產(chǎn)氣量高；斜坡型為逸散滯留成藏，單井日產(chǎn)氣量較高；向斜型在盆內(nèi)、盆外均有分布，單井日產(chǎn)氣量介于中等—較低；逆斷層斷下盤型為斷層遮擋富集成藏，有利于壓裂形成復(fù)雜網(wǎng)縫。