川東南涪陵地區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖氣藏中的超壓作用

王 強，魏祥峰，魏富彬，燕繼紅，萬 梨

(中國石油化工股份有限公司 勘探分公司，成都 610041)

超壓異常是沉積盆地中普遍存在的一種現(xiàn)象，并與油氣的富集和后期保存關系密切。隨著頁巖油氣勘探的不斷深入，頁巖地層中的超壓現(xiàn)象及其地質(zhì)效應也日益受到人們的重視。北美頁巖氣的研究結(jié)果顯示壓力系數(shù)與頁巖氣的富集程度相對應，不同的超壓異常條件將導致頁巖氣藏產(chǎn)量的差異。

四川盆地涪陵頁巖氣田是我國首個實現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)開發(fā)的頁巖氣田，其形成、富集與高產(chǎn)機制受到國內(nèi)外學者的廣泛關注[1-7]。目前，圍繞上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖已開展了大量的研究，在頁巖氣微觀結(jié)構(gòu)特征、孔隙發(fā)育特征、孔徑分布及含氣性特征等方面取得了較豐富的成果與認識。但針對該套儲層內(nèi)部超壓異常特征及其對頁巖氣富集、高產(chǎn)的作用研究還不夠。本文對該氣田五峰組—龍馬溪組超壓異常形成機制及其對頁巖氣藏的影響進行探討，揭示涪陵頁巖氣田富集、高產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)的規(guī)律，以期為四川盆地海相頁巖氣的勘探與開發(fā)部署提供理論指導。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

涪陵頁巖氣田位于盆地邊界斷裂——齊岳山斷裂以西，是四川盆地隔檔式構(gòu)造帶南段石柱復向斜、方斗山復背斜和萬縣復向斜等多個構(gòu)造單元的結(jié)合部。涪陵頁巖氣田主產(chǎn)氣區(qū)構(gòu)造是焦石壩似箱狀斷背斜，為萬縣復向斜內(nèi)一個“洼中隆”的正向構(gòu)造，以斷隆、斷凹與齊岳山斷裂相隔，整體構(gòu)造變形較弱[7-8]，背斜內(nèi)部斷裂不發(fā)育，地層平緩。涪陵頁巖氣田所在的川東南地區(qū)，五峰組—龍馬溪組沉積早期為深水陸棚泥質(zhì)沉積環(huán)境，發(fā)育一套厚約30～40m的優(yōu)質(zhì)頁巖儲層[w(TOC)>2.0%](圖1)。

2 超壓形成機制

2.1 超壓發(fā)育概況

涪陵焦石壩所在的川東南盆內(nèi)區(qū)域，五峰組—龍馬溪組頁巖儲層保存條件總體較好，普遍發(fā)育超壓，壓力系數(shù)最高可達2.25；而向南部、東部盆緣方向，由于構(gòu)造復雜，大斷裂發(fā)育，地層剝蝕量大，保存條件總體變差，壓力系數(shù)降低，到盆外地層壓力系數(shù)一般小于1.2[9]。

涪陵頁巖氣田主體區(qū)焦石壩背斜五峰組—龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖儲層總體發(fā)育超壓，壓力系數(shù)在1.3～1.6之間，只在西南、東南靠近較大斷裂發(fā)育帶出現(xiàn)壓力系數(shù)降低現(xiàn)象，甚至出現(xiàn)常壓區(qū)、低壓區(qū)，如東南部JY3-3HF井五峰組—龍馬溪組頁巖儲層實測壓力系數(shù)只有0.97(圖2)，西南部的JY5井也為常壓。

2.2 超壓成因

依據(jù)前人研究成果，將超壓形成機制歸為4類：欠壓實、流體膨脹、超壓傳遞和側(cè)向構(gòu)造應力[10]，其中產(chǎn)生流體膨脹機制主要有干酪根生氣或生油作用、石油裂解成氣、水熱增壓和黏土礦物脫水等[11]，而水熱增壓和黏土礦物脫水引起的增壓作用較小，可忽略不計[12-15]。

(1)良好的烴源巖及良好頂?shù)装鍡l件是頁巖氣生烴超壓形成的基礎。超壓是由泥巖生烴引起的，測井響應特征往往表現(xiàn)為泥巖的聲波時差變大、密度變小，泥巖的電阻率也將增大[16]。焦石壩地區(qū)鉆井揭示五峰組—龍馬溪組頁巖氣層生烴增壓測井特征明顯。川東南五峰組—龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖TOC含量高，且為Ⅰ型干酪根，生油生氣能力強；頁巖熱演化程度Ro在2.6%左右，處于干氣階段，干酪根大量生油，原油大量裂解為氣，特別是滯留原油向烴類氣轉(zhuǎn)變，原油裂解體積膨脹，地層流體壓力增加[17]。更為重要的是，龍馬溪組富有機質(zhì)頁巖段頂?shù)装辶己?，利于原油、烴類氣體滯留在頁巖儲層中富集，有利于超壓形成。

(2)較弱的晚期構(gòu)造活動是頁巖氣超壓維持的關鍵。焦石壩等地區(qū)的龍馬溪組早期穩(wěn)定沉降、后期抬升，構(gòu)造抬升作用弱，早期超壓得到維持。雖然在抬升剝蝕過程中，會造成頁巖氣層降溫、降壓，但保存條件良好，在封閉條件下孔隙氣體彈性膨脹，從而使頁巖氣層保持高壓或超高壓；而構(gòu)造擠壓活動強烈地區(qū)，地層破裂，形成裂縫或斷層，使地層泄壓[18-19]，如彭水等盆緣及盆外地區(qū)構(gòu)造活動強，保存條件差，頁巖儲層超壓不能得到維持。

圖1 川東南地區(qū)五峰組—龍馬溪組沉積早期沉積相平面分布

圖2 川東南涪陵地區(qū)焦石壩五峰組—龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖段壓力系數(shù)分布

3 超壓對頁巖儲層發(fā)育影響

3.1 超壓有利頁巖有機質(zhì)孔隙保持

涪陵頁巖氣田鉆井測試揭示，氣田主體焦石壩背斜五峰組—龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖儲層流體總體為超壓，其平均孔隙度高，一般在5.0%左右；而靠近東南翼、西南翼斷裂區(qū)保持條件相對變差，頁巖儲層流體壓力降低，孔隙度則出現(xiàn)明顯降低，其中東南大耳山斷裂帶JY3井實測孔隙度只有2.96%，西南烏江斷裂帶JY5井實測孔隙度只有2.85%，相對于主體流體壓力系數(shù)高地區(qū)孔隙度明顯偏低(表1,圖3)。

研究認為，頁巖儲層在單井流體壓力相同狀態(tài)下，五峰組—龍馬溪組底部優(yōu)質(zhì)頁巖儲層段孔隙度與有機碳含量呈良好的正相關[20]；而在不同井，不同流體壓力狀態(tài)下頁巖孔隙度則會出現(xiàn)明顯的變化：即在相同TOC、不同保存條件、頁巖儲層流體壓力不同的情況下，頁巖孔隙度差異明顯(圖4)，保存條件越好，流體壓力越高，頁巖儲層孔隙度越高。

表1 川東南涪陵焦石壩地區(qū)鉆井優(yōu)質(zhì)頁巖段孔隙度、壓力系數(shù)統(tǒng)計

圖3 川東南涪陵焦石壩地區(qū)五峰組—龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖段孔隙度平面分布

圖4 川東南涪陵焦石壩及鄰區(qū)不同井五峰組—龍馬溪組優(yōu)質(zhì)泥頁巖TOC與孔隙度關系

龍馬溪組頁巖中發(fā)育無機孔隙、石英晶間孔和莓狀黃鐵礦晶間孔，一般發(fā)育較好；其次為長石、碳酸鹽礦物及磷酸鹽礦物中的粒內(nèi)溶蝕孔隙，黏土礦物晶間孔隙相對較少，此外粒緣微裂隙較發(fā)育[21]。有機孔，特別是瀝青孔發(fā)育在剛性石英粒間孔內(nèi)，剛性的格架，抗壓實能力較強，為有機質(zhì)孔發(fā)育提供空間[22]。

將川東南五峰組—龍馬溪組已有鉆井優(yōu)質(zhì)頁巖平均孔隙度(平均TOC均在3.0%，RO在2.5%，為Ⅰ型干酪根)與對應深度成圖(圖5)發(fā)現(xiàn)，頁巖儲層孔隙度與現(xiàn)今埋深相關性差，但與保存條件密切相關，保存差的頁巖氣井其孔隙度隨埋深增大逐漸降低，而超壓頁巖儲層孔隙度得到維持，孔隙度沒有隨埋深變大出現(xiàn)降低現(xiàn)象。

涪陵頁巖氣田及鄰區(qū)五峰組—龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖儲層孔隙以有機質(zhì)孔為主，為塑形孔，易被上覆地層應力壓實破壞；隨著保存條件的變差，頁巖儲層孔隙流體壓力降低，作用在頁巖儲層上的有效應力增強，有機質(zhì)孔明顯被壓實作用破壞。利用氬離子拋光掃描電鏡對頁巖儲層有機質(zhì)納米孔隙觀察發(fā)現(xiàn)：頁巖儲層保存條件好，流體為超壓的頁巖有機質(zhì)孔隙一般為近圓形大孔(圖6a)，說明壓實作用弱；而保存條件一般的頁巖儲層，流體壓力逐漸降低，頁巖有機質(zhì)孔逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榫叨ㄏ蛐苑植嫉谋馄綘钪锌?圖6b)；保存條件差的頁巖儲層有機質(zhì)孔發(fā)育微孔甚至消失(圖6c)。這與實驗分析的儲層孔隙流體壓力降低、孔隙度逐漸降低一致，進一步說明了超壓對于頁巖孔隙保存的重要作用。

圖5 川東南不同井優(yōu)質(zhì)頁巖段平均孔隙度與埋深關系

3.2 超壓有利頁巖裂縫發(fā)育及壓裂改造

(1)超壓縫發(fā)育有利于頁巖壓裂改造。超壓是巖石破裂的內(nèi)因，當頁巖儲層流體超壓大于頁巖本身軟弱面破裂壓力時，泥頁巖就會破裂，超壓縫形成[23]。氬離子拋光掃描電鏡能夠?qū)δ囗搸r中的超壓微裂縫進行高辨率的識別。涪陵地區(qū)超壓縫發(fā)育在礦物邊緣或有機質(zhì)內(nèi)部，多數(shù)未見充填(圖7)。因此，頁巖厚度較大形成超壓帶能夠發(fā)育大規(guī)模的超壓頁巖裂縫，增大頁巖儲集空間，增強頁巖的滲濾通道。

頁巖儲層本身為低孔—超低滲儲層，自然狀態(tài)下頁巖氣不能有效溝通排出，而需要進行壓裂，形成人造裂縫，溝通儲層，增大地層滲流能力，使頁巖氣有效排出。而頁巖儲層超壓縫，是壓裂形成網(wǎng)狀縫的天然弱理面，為后期壓裂施工、人工縫的擴展奠定了基礎。

(2)超壓降低了作用在頁巖儲層上的有效應力，增強頁巖脆性，利于頁巖壓裂。根據(jù)GLUYAS和CADE[24]及BLOCH[25]有關超壓和有效應力的定義，其公式為：

pe=pr-(pw+pa)

圖6 川東南龍馬溪組頁巖不同井有機孔發(fā)育對比

圖7 川東南涪陵焦石壩地區(qū)五峰組—龍馬溪組超壓微裂縫特征

式中：pw為靜水壓力；pa為超壓；pr為靜巖壓力；pe為有效應力[15]。從式中可以看出孔隙流體超壓可以有效抵消上覆巖層有效應力。

頁巖本身脆性與頁巖儲層有效應力密切相關，有效應力降低，頁巖本身脆性明顯增強。隨著孔隙流體壓力增高，減少了作用在頁巖儲層上的有效應力，使頁巖脆性增強，巖石破裂壓力降低，增強巖石本身可壓裂性。且超壓使作用在頁巖儲層上的有效應力降低，使天然裂縫處于自然開啟狀態(tài)，降低了壓裂施工難度，利于人工縫網(wǎng)溝通天然裂縫，更有利于頁巖壓裂改造[26-27]，溝通頁巖有效儲層。

對涪陵地區(qū)JY2井龍馬溪組樣品覆壓實驗表明：龍馬溪組一段頁巖在圍壓降低至15 MPa左右，微裂縫開始大規(guī)模開啟，孔隙度和滲透率開始較大幅度地提高(圖8)。通過計算表明，涪陵地區(qū)(埋深2 500 m，壓力系數(shù)1.5左右)有效應力14 MPa左右，儲層孔隙、裂縫處于天然開啟狀態(tài)，極其有利于頁巖后期的壓裂改造，有效溝通儲層，烴類氣體充分流出，氣液置換效率高，儲層壓裂后返排率低。

4 超壓對頁巖含氣量影響

流體超壓的頁巖儲層保存條件良好，地層能量高，含氣量高。統(tǒng)計表明，頁巖含氣量與頁巖氣藏壓力系數(shù)呈明顯正相關，頁巖儲層流體壓力系數(shù)越高，頁巖含氣量越高(圖9)。

圖8 川東南JY2井2 566.96 m頁巖孔隙度、滲透率與有效壓力的關系

圖9 川東南涪陵及鄰區(qū)優(yōu)質(zhì)頁巖段平均含氣量與壓力系數(shù)的關系

4.1 超壓儲層游離氣含量高

頁巖儲層埋深越大，壓力系數(shù)越高，氣體壓縮因子越大，相同儲集空間能夠儲集游離氣就越高；超壓頁巖儲層保存條件好、孔隙度更高、儲集空間大，為游離氣提供了更多的儲集空間。因此，頁巖壓力系數(shù)越高、孔隙度越高、氣體壓縮因子越大，其游離氣含量也越高。

4.2 超壓儲層吸附氣含量高

頁巖氣中吸附狀態(tài)天然氣含量在20%～85%，一般為50%左右[20]，吸附氣量與地層壓力呈明顯的正相關關系。通過JY1井不同TOC的4個樣品等溫吸附測試結(jié)果表明，隨著壓力增加，吸附氣量增加[8]；相同埋深條件下，超壓地層頁巖孔隙流體壓力更高，頁巖本身吸附能力更強，頁巖儲層的吸附氣量更高。

4.3 頁巖儲層超壓、高孔隙度、高含氣量表現(xiàn)出良好的耦合性

超壓對于涪陵地區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖含氣量具有決定性作用，超壓頁巖儲層表現(xiàn)為孔隙度高、含氣量高，常壓、低壓儲層孔隙度低、含氣量低，頁巖儲層表現(xiàn)為“超壓、高孔隙度、高含氣量”良好耦合關系(圖10)。

勘探實踐表明，后期保存條件較好、地層壓力高，能為頁巖氣的高產(chǎn)提供足夠含氣量，有利于氣藏的高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)。北美和四川盆地及周緣頁巖氣鉆井揭示，保存條件好的區(qū)域氣層壓力系數(shù)較高，氣產(chǎn)量與壓力系數(shù)呈正相關。涪陵主體表現(xiàn)為“超壓、高孔隙度、高含氣量”良好耦合，這為頁巖氣高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)創(chuàng)造了條件。

圖10 川東南涪陵焦石壩地區(qū)五峰組—龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖段含氣量平面分布

5 結(jié)論

(1)超壓對于頁巖氣藏儲層有機質(zhì)孔隙保持、裂縫的發(fā)育與保存具有重要作用。一方面超壓可以有效保護頁巖儲層塑性的有機質(zhì)孔不被上覆巖層有效應力壓實，保護了儲層的儲集空間；另一方面，超壓有利于微裂縫的發(fā)育與保持，增大頁巖儲層天然的滲流及儲集能力。

(2)涪陵主體地區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖超壓表明其保存條件好、含氣性好，同時表明該區(qū)具有更高頁巖儲層孔隙，更高氣含量；超壓可以有效減緩上覆巖層的有效應力，增強頁巖儲層脆性，使天然裂縫開啟性強，減小壓裂施工難度，利于頁巖儲層壓裂改造。這對于涪陵五峰組—龍馬溪組頁巖氣藏富集、高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)具有重要意義。