中國南方海相頁巖氣差異富集的控制因素

姜振學(xué)，宋巖，唐相路，李卓，王幸蒙，王國臻，薛子鑫，李鑫，張昆，常佳琦，仇恒遠(yuǎn)

（1.中國石油大學(xué)（北京）油氣資源與探測國家重點實驗室，北京102249；2.中國石油大學(xué)（北京）非常規(guī)油氣科學(xué)技術(shù)研究院，北京102249；3.西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，成都610500）

1 研究背景

頁巖氣作為一種清潔能源，具有儲量大、分布廣的特點，受到世界各國高度重視[1-2]。2018年美國頁巖氣產(chǎn)量達(dá)6 669×108m3，占天然氣總產(chǎn)量的63.4%[3]，改變了全球天然氣供應(yīng)格局。隨著中國經(jīng)濟(jì)對能源需求的攀升、能源壓力的增加以及環(huán)保意識的加強(qiáng)，加快頁巖氣資源勘探開發(fā)已十分緊迫。近年來，中國已在南方海相頁巖氣勘探取得了重要的認(rèn)識和重大突破[4-7]。在四川盆地及周緣開展了針對下寒武統(tǒng)牛蹄塘組和下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖氣的勘探開發(fā)，發(fā)現(xiàn)了長寧、威遠(yuǎn)、昭通、涪陵和威（遠(yuǎn)）榮（縣）等探明地質(zhì)儲量超過千億立方米的頁巖氣田。2019年，國內(nèi)最深的頁巖氣探井足206井（井深6 038 m）完鉆，此外，瀘203井（日產(chǎn)量137.9×104m3）成為國內(nèi)首口單井測試日產(chǎn)量超百萬立方米的頁巖氣井。安頁 1井取得“四層樓”的油氣重大突破，黔紫頁1、東塘1、柳城1、桂柳地1、鄂陽頁1、鄂宜頁1等井揭示出中國南方較好的頁巖氣成藏條件和資源前景[8-9]（見圖 1）。

圖1 中國南方主要盆地及頁巖氣井分布位置

中國南方海相頁巖氣在取得突破的同時也面臨著眾多問題與挑戰(zhàn)，如不同地區(qū)、不同層段頁巖含氣性差異較大，頁巖有機(jī)質(zhì)含量、礦物組分等非均質(zhì)性差異大、演化條件差異大，導(dǎo)致頁巖生氣條件、儲集條件及保存條件存在巨大差異；頁巖自身、頂?shù)装搴烷g接蓋層等的發(fā)育程度和分布特征存在差異，不同構(gòu)造樣式對頁巖氣聚散的控制作用存在差異[10-12]。目前中國南方海相頁巖氣富集的地質(zhì)要素仍不明確，頁巖的供氣、儲氣、保氣、構(gòu)造樣式及成藏時空匹配之間的關(guān)系尚不清楚，亟需開展頁巖氣成藏機(jī)理方面的研究。

本文以四川盆地及周緣多套古生界頁巖地層為研究對象，開展頁巖氣富集關(guān)鍵地質(zhì)要素定性和定量表征及評價，以期確定頁巖氣差異富集的關(guān)鍵控制因素，闡明供氣、儲氣、保存和構(gòu)造等方面關(guān)鍵成藏要素的時空匹配關(guān)系與成藏效應(yīng)，建立不同構(gòu)造部位的頁巖氣成藏模式，為中國南方海相頁巖氣勘探開發(fā)提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支持。

2 生烴條件對頁巖氣差異富集的控制

2.1 有機(jī)質(zhì)豐度

頁巖有機(jī)質(zhì)豐度是頁巖含氣性的重要影響因素之一[13-15]。中國南方古生界海相頁巖總含氣量與有機(jī)質(zhì)豐度存在良好的正相關(guān)性，表明有機(jī)質(zhì)對頁巖含氣量的控制作用顯著（見圖2）。以下志留統(tǒng)龍馬溪組為例，當(dāng)有機(jī)質(zhì)豐度增加1.0%時，總含氣量約增加1.2 m3/t；當(dāng)頁巖TOC值高于2.0%時，含氣量一般高于2.0 m3/t；當(dāng)頁巖TOC值高于3.0%時，含氣量一般高于4.0 m3/t。下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁巖演化程度高（氣藏形成早）且保存條件差，導(dǎo)致含氣量普遍不高[16]，但總體上總含氣量與有機(jī)碳含量呈正相關(guān)性。龍馬溪組頁巖有機(jī)質(zhì)豐度對含氣量的控制作用強(qiáng)于牛蹄塘組（見圖2），因此，高有機(jī)質(zhì)豐度是頁巖氣富集成藏的基本前提。

圖2 中國南方古生界海相頁巖總含氣量與有機(jī)碳含量關(guān)系圖

2.2 熱演化程度控制下的干酪根和液態(tài)烴聯(lián)合供氣

由于中國南方海相頁巖普遍達(dá)到高過成熟階段，缺乏低成熟的海相頁巖樣品，為研究中國南方海相頁巖生烴演化過程，選取華北中元古界下馬嶺組低熟海相頁巖開展實際地層溫壓條件生排烴熱模擬實驗，恢復(fù)海相頁巖生烴演化過程，研究熱演化程度對頁巖氣差異富集的影響。所選樣品與四川盆地及周緣五峰組—龍馬溪組頁巖在有機(jī)質(zhì)類型、礦物組成等方面具有可比性（見表 1），其演化過程可作為五峰組—龍馬溪組頁巖生烴演化的參考。

表1 下馬嶺組與五峰組—龍馬溪組頁巖主要特征對比

實驗結(jié)果顯示，單位有機(jī)碳含量生成的液態(tài)烴、氣態(tài)烴的變化具有如下特征（見圖3）：①成熟階段（Ro值小于1.6%），干酪根主要生成液態(tài)烴，生烴高峰期為1.0%～1.3%，排出油產(chǎn)率最高可達(dá)90 kg/t，這一階段干酪根供氣量不大，氣態(tài)烴產(chǎn)量大多低于60 kg/t；②高—過成熟階段（Ro值大于 1.6%），總油產(chǎn)率、殘留油產(chǎn)率下降，氣態(tài)烴開始快速增加，液態(tài)烴開始裂解生氣，Ro值大于2.5%時，干酪根生氣量減少至趨于停止，干酪根熱解氣對總生氣量的累計貢獻(xiàn)逐漸降低。滯留烴繼續(xù)大量生氣，并持續(xù)到Ro值等于4.0%，液態(tài)烴裂解生氣量累計貢獻(xiàn)率不斷升高。Ro值大于2.9%時，氣態(tài)烴質(zhì)量產(chǎn)率減小但體積產(chǎn)率不變，說明重?zé)N氣裂解為甲烷等輕烴氣。

圖3 下花園地區(qū)下馬嶺組低成熟海相頁巖熱模擬實驗烴產(chǎn)率變化特征

頁巖生烴產(chǎn)物主要經(jīng)歷以下幾個演化階段：生物氣—未成熟油及過渡帶氣—成熟原油及伴生氣—干酪根降解氣—原油裂解氣—?dú)鈶B(tài)重?zé)N裂解氣—甲烷裂解氣。根據(jù)不同演化階段的生烴產(chǎn)物建立海相頁巖生氣模式（見圖 4）。隨生氣母質(zhì)變化存在幾個關(guān)鍵的時間點，Ro值小于1.6%時，主要為干酪根供氣，干酪根裂解氣是主要的氣源；Ro值大于1.6%后干酪根生氣逐漸衰竭，滯留在頁巖內(nèi)的液態(tài)烴和瀝青的裂解成為氣源的主要供給，并一直持續(xù)到Ro值等于4.0%，拓寬了頁巖生氣的成熟度下限。干酪根熱解和液態(tài)烴、瀝青裂解兩個生氣環(huán)節(jié)接力生氣，保證了高—過成熟海相頁巖生氣的高效性。

3 儲集層性能對頁巖氣差異富集的控制

3.1 孔隙結(jié)構(gòu)

頁巖孔隙類型多樣，有機(jī)質(zhì)、脆性礦物和黏土礦物等基質(zhì)均有孔隙發(fā)育，其中有機(jī)質(zhì)孔主要發(fā)育在富有機(jī)質(zhì)硅質(zhì)頁巖和富有機(jī)質(zhì)混合質(zhì)頁巖巖相[17-18]。由于南方海相富有機(jī)質(zhì)頁巖成熟度較高，進(jìn)入生干氣階段，故腐泥組分多受熱分解殆盡。有機(jī)質(zhì)組分多為運(yùn)移瀝青及殘余干酪根，二者賦存形態(tài)及孔隙發(fā)育特征具有較大差異。運(yùn)移瀝青無特定形態(tài)，充填于礦物顆粒及裂縫中，多與次生膠結(jié)物接觸，如草莓狀黃鐵礦晶簇內(nèi)，次生礦物顆粒間隙以及黏土礦物板片內(nèi)部。運(yùn)移瀝青孔隙較為發(fā)育，呈橢圓狀、圓形、片麻狀或不規(guī)則多邊形等形態(tài)，孔徑多為5～200 nm，并且表現(xiàn)出很強(qiáng)的非均質(zhì)性（見圖 5a—圖 5c）。殘余干酪根形態(tài)較為固定，或受壓實作用影響，橫切面多為橢球狀或半橢球狀，亦有干酪根保留其原始孔隙形態(tài)，該類型有機(jī)質(zhì)尺度較大，但孔隙發(fā)育較少（見圖5d）。龍馬溪組頁巖有機(jī)質(zhì)（干酪根和瀝青）孔呈蜂窩狀連續(xù)密集分布。有機(jī)質(zhì)孔形成過程中具有原位吸附甲烷和存儲游離甲烷的優(yōu)勢，對頁巖游離氣和吸附氣賦存均具有積極作用。

圖4 中國海相頁巖供氣演化模式圖

圖5 中國南方海相頁巖基質(zhì)孔隙結(jié)構(gòu)特征

原生粒間孔隙經(jīng)過機(jī)械壓實及化學(xué)成巖作用后的殘余孔隙，主要賦存基質(zhì)組分為石英、方解石、黃鐵礦等脆性礦物（見圖 5e—圖 5h），故主要存儲游離態(tài)頁巖氣。龍馬溪組壓實殘余孔隙多呈狹縫形、楔形或圓筒狀，孔徑從納米級到微米級不等。黏土礦物孔隙為黏土板片的不定向堆疊（紙牌屋結(jié)構(gòu)）或與剛性礦物格架配合形成的再生孔隙，賦存載體為伊蒙混層，伊利石及綠泥石等黏土礦物。黏土礦物孔多為礦物晶層間孔隙，多呈狹縫形或楔形，數(shù)量多、孔徑跨度大（30～600 nm），板片不定向堆疊或與顆粒復(fù)合，呈狹縫形或三角形，黏土礦物孔多存在吸附水或游離水，不利于甲烷的儲集，脆性礦物孔主要存儲游離氣。

頁巖氣通常以游離態(tài)賦存于中孔、宏孔與裂縫中[19-21]，故游離氣量主要與孔體積大小有關(guān)。龍馬溪組頁巖底部主力產(chǎn)層富有機(jī)質(zhì)硅質(zhì)頁巖孔體積主要由中孔提供，微孔、中孔、宏孔的孔體積占比分別為9.97%，55.91%，34.12%（見圖6a）。吸附氣吸附于有機(jī)質(zhì)與黏土礦物微孔、中孔表面上，故吸附氣量主要與比表面積有關(guān)[22-23]。龍馬溪組底部主力產(chǎn)層富有機(jī)質(zhì)硅質(zhì)頁巖孔比表面積主要由微孔和中孔提供，微孔、中孔、宏孔的比表面積占比分別為48.86%，50.19%，0.91%（見圖6b）。富有機(jī)質(zhì)頁巖相較于貧有機(jī)質(zhì)頁巖具有更高的孔體積和比表面積，表現(xiàn)出更優(yōu)越的游離氣及吸附氣儲集能力。

圖6 中國南方龍馬溪組底部硅質(zhì)頁巖孔體積（a）和比表面積（b）分布直方圖

3.2 孔隙演化

對上文熱模擬實驗獲得相似有機(jī)質(zhì)含量、不同成熟度的富有機(jī)質(zhì)頁巖樣品，通過N2吸附法和CO2吸附法對頁巖微孔（孔徑小于2 nm）、中孔（孔徑為2～50 nm）和宏孔（孔徑為50～100 nm）演化進(jìn)行研究。隨熱演化程度升高，中孔的孔體積變化較大，微孔的比表面積變化較大，而宏孔的孔體積和比表面積變化均不大（見圖7）。Ro值大于1.0%時微孔、中孔的比表面積均有增加，Ro值為2.23%～3.33%時微孔比表面積的增大率明顯更高，更加有利于頁巖氣的吸附（見圖7a）。Ro值小于1.6%時中孔孔體積不斷增大，Ro值為1.6%～2.2%時出現(xiàn)下降的趨勢，可能是此階段大量生烴，生成的烴類占據(jù)了孔隙空間導(dǎo)致孔體積減小，Ro值大于2.2%時中孔和微孔孔體積不斷增大，主要是由于液態(tài)烴二次裂解成為氣態(tài)烴，釋放部分孔隙空間（見圖7b）。

圖7 下花園地區(qū)下馬嶺組低成熟海相頁巖熱模擬孔體積、比表面積隨熱演化程度的變化

對于過成熟頁巖，當(dāng)Ro值大于3.33%時，孔隙發(fā)育程度和孔隙連通性均較差，比表面積在過成熟階段出現(xiàn)下降的趨勢，頁巖氣吸附量不斷減少，不利于頁巖氣的富集。對于高成熟頁巖，隨著熱演化程度的增加，有機(jī)質(zhì)孔不斷發(fā)育，微孔、中孔的孔體積、比表面積均明顯增大，提供了良好的儲集空間，有利于頁巖氣的富集。

3.3 潤濕性

中國南方海相富有機(jī)質(zhì)頁巖基質(zhì)組分（有機(jī)質(zhì)和礦物）潤濕性差異顯著，導(dǎo)致頁巖潤濕性復(fù)雜，總體表現(xiàn)為混合潤濕特征。礦物的水接觸角均小于90°，具有親水性。石英的水接觸角最大，親水性最弱。高嶺石與水接觸角最小，親水性最強(qiáng)。前人研究表明，有機(jī)質(zhì)的油潤濕角小于90°，為親油組分[24-26]。在龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)頁巖中，隨有機(jī)質(zhì)含量的升高，頁巖的潤濕性由弱親油性逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橛H油性，油潤濕角不斷減小。有機(jī)質(zhì)孔和有機(jī)質(zhì)-黏土粒間孔的發(fā)育會增強(qiáng)頁巖整體的親油性，石英、黏土等礦物無機(jī)孔隙發(fā)育，導(dǎo)致頁巖親水性增強(qiáng)。

油潤濕的有機(jī)質(zhì)孔更易于頁巖氣的吸附，完全油潤濕的有機(jī)質(zhì)孔隙可以獲得最大的頁巖氣吸附量，頁巖中大孔徑的有機(jī)質(zhì)孔更有利于游離氣的賦存。在水潤濕的無機(jī)孔中，孔隙對水的吸附明顯高于對頁巖氣的吸附，孔隙中僅有游離氣，同時孔隙水占據(jù)孔隙空間，占據(jù)游離氣存儲空間。頁巖含水飽和度越高，親水孔隙吸附能力越弱，游離氣的賦存空間也越小，總含氣性一般均較差。

4 保存條件對頁巖氣差異富集的控制

4.1 頂、底板及蓋層

頂、底板性質(zhì)對頁巖氣保存非常關(guān)鍵，好的頂、底板可有效減緩頁巖氣散失[27-28]，使頁巖氣得到有效保存，如川東南焦石壩頁巖氣田頂、底板具有良好的封隔性能[28]。頂板、底板條件差的頁巖段，天然氣容易向外散失，對頁巖氣富集成藏極為不利，如川東南下古生界下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁巖底板為震旦系燈影組古風(fēng)化殼，古巖溶、裂縫比較發(fā)育，造成頁巖氣沿不整合面逸散，含氣性較差[29]。頂、底板特性對頁巖含氣量及頁巖氣富集成藏有直接的影響[30-31]。中國南方龍馬溪組頁巖頂、底板厚度統(tǒng)計結(jié)果顯示，頂、底板厚度越大，頁巖含氣性越好（見圖8）。

圖8 中國南方海相頁巖含氣量與頂、底板厚度關(guān)系圖

頂板之上的泥頁巖、膏鹽巖等致密巖層作為間接蓋層或區(qū)域蓋層，能夠維持下伏地層構(gòu)造形態(tài)穩(wěn)定性以及壓力體系，對頁巖氣的保存具有重要影響[30,32-34]。嘉陵江組膏鹽巖是龍馬溪組頁巖的重要區(qū)域蓋層。膏鹽層保存較完整的富順—永川地區(qū)壓力系數(shù)為2.2，均有高產(chǎn)氣流。部分保存膏鹽層的長寧地區(qū)壓力系數(shù)為2.0，也有高產(chǎn)氣流。缺失膏鹽層的丁山地區(qū)為常壓，基本不含氣。因此，區(qū)域蓋層發(fā)育情況也是影響頁巖氣差異富集的一個重要因素。

4.2 末次構(gòu)造抬升時間和幅度

構(gòu)造運(yùn)動對頁巖氣的成藏與破壞具有重要的控制作用，尤其是末次構(gòu)造抬升時間、幅度與規(guī)模對頁巖氣差異富集影響較大。中國南方海相頁巖普遍處于高—過成熟階段，液態(tài)烴及瀝青裂解氣是主要的氣源[16]，末次構(gòu)造抬升早的地區(qū)對頁巖氣富集成藏不利影響主要體現(xiàn)在兩個方面：①過早停止生烴，尤其后期裂解生氣終止時間早，使頁巖生氣有效性降低，氣源補(bǔ)充不足；②地層抬升導(dǎo)致保存條件受到一定程度的破壞，造成頁巖氣散失，抬升越早，散失時間越長，含氣量越低（見圖9）。

構(gòu)造抬升幅度也在很大程度上影響頁巖氣富集。抬升幅度越大，地層剝蝕厚度越大，保存條件破壞越嚴(yán)重，頁巖氣含量越低（見圖 9）。上覆蓋層剝蝕嚴(yán)重的地區(qū)，目的層出露地表，含氣性極差，如黔江地區(qū)地層抬升幅度超過5 km，含氣量僅有0.9 m3/t。

圖9 中國南方海相頁巖含氣量與地層抬升時間、抬升幅度關(guān)系圖

5 構(gòu)造樣式對頁巖氣差異富集的控制

5.1 水平地層和單斜地層的差異

頁巖通常發(fā)育水平的頁狀或薄片狀層理，導(dǎo)致頁巖平行于層理方向的滲透率是垂直于層理方向滲透率的2～8倍[28]，自發(fā)滲吸實驗中平行于層理方向自吸斜率大于垂直層理方向，說明平行于層理方向孔隙連通性遠(yuǎn)大于垂直層理方向（見圖10），表明天然氣在頁巖中主要沿著層理面滲流運(yùn)移。天然氣在頁巖中運(yùn)移也遵循能量守恒原則，從流體勢能高部位向流體勢能低部位運(yùn)移，并在流體勢能低部位聚集[35-37]。通常情況下，構(gòu)造低部位的流體勢較高，構(gòu)造高部位的流體勢能較低，因此天然氣從構(gòu)造低部位向構(gòu)造高部位運(yùn)移。當(dāng)?shù)貙铀綍r，不存在高勢區(qū)與低勢區(qū)，頁巖氣在水平地層中沒有明顯的滲流。當(dāng)?shù)貙觾A斜時，頁巖氣就會沿著層理面從構(gòu)造低部位向構(gòu)造高部位運(yùn)移。

圖10 焦石壩JY143-5HF井龍馬溪組頁巖自發(fā)滲吸實驗

5.2 不同構(gòu)造樣式的地層埋深

為了定量刻畫地層埋深對于氣體富集的控制作用，以威遠(yuǎn)地區(qū)龍馬溪組頁巖為研究對象進(jìn)行氣體運(yùn)移數(shù)值模擬研究。在地質(zhì)環(huán)境中，當(dāng)氣體垂向損失量相對較小時，含氣量分布可采用菲克第二定律進(jìn)行描述：

天然氣滲流運(yùn)移量可由經(jīng)典達(dá)西定律計算：

針對不同構(gòu)造樣式，頁巖氣的差異富集可以分為兩種情況（見圖11）。

第 1種情況，在同一深度不相鄰的正向構(gòu)造部位（見圖11a中C點）和負(fù)向構(gòu)造部位（見圖11a中A點），不同構(gòu)造部位天然氣的垂向損失大致相同，但負(fù)向構(gòu)造部位對正向構(gòu)造部位有額外的天然氣順層補(bǔ)充，正向構(gòu)造部位的含氣量始終高于負(fù)向構(gòu)造部位（見圖11b）。如長寧地區(qū)寧203井和威遠(yuǎn)地區(qū)威202井，兩口井平均埋深均在2 500 m左右，上覆蓋層性質(zhì)類似，威 202井始終有低部位氣體補(bǔ)給，平均含氣量為3.1 m3/t；寧203井在順層方向上通天，側(cè)向損失量大大增加，平均含氣量僅為1.9 m3/t[6]。

第2種情況，在不同深度相鄰的正向構(gòu)造部位（見圖11a中C點）和負(fù)向構(gòu)造部位（見圖11a中B點），存在4種連續(xù)的演化模式（見圖11c）：①地層抬升幅度較小時，正向構(gòu)造和負(fù)向構(gòu)造含氣性差異不大；②地層抬升幅度較大且距地表埋深大于2 000 m時，正向構(gòu)造含氣性遠(yuǎn)好于負(fù)向構(gòu)造，如焦石壩地區(qū)龍馬溪組頁巖氣；③地層抬升幅度繼續(xù)增大且大于4 700 m左右時，正向構(gòu)造達(dá)到了頁巖發(fā)生破裂的臨界深度，頁巖氣相對富集在構(gòu)造低部位，如威遠(yuǎn)地區(qū)龍馬溪組頁巖氣，較深部位的威202井平均含氣量為3.1 m3/t，而較淺部位的威201井平均含氣量為2.8 m3/t；④若繼續(xù)抬升，正向構(gòu)造和負(fù)向構(gòu)造均含氣性較差，如渝東南部分地區(qū)龍馬溪組頁巖氣，頁巖出露地表，氣藏遭受徹底破壞，渝頁1井、黔頁1井等近地表的井含氣性較差。

圖11 基于威遠(yuǎn)地區(qū)構(gòu)造背景的頁巖含氣量隨抬升幅度變化數(shù)值模擬結(jié)果

5.3 不同構(gòu)造樣式的地層傾角

地層傾角直接控制層理面受到的正應(yīng)力，地層傾角越大，地層垂直層理面方向所受的壓力越小，正向構(gòu)造接受順層滲流補(bǔ)給量越多。地層傾角為 30°時的最大滲流速率約為地層傾角為5°時的6倍（見圖12a）。因此，在正向構(gòu)造垂向損失不變的前提下，傾角越大，正向構(gòu)造高部位越富氣。

地層傾角與埋深耦合進(jìn)一步控制頁巖氣在正向構(gòu)造相對富集，均具有正向與負(fù)向構(gòu)造含氣量變化率差值先增加后減少、先正后負(fù)的特征。因此地層傾角越大，造成的正向與負(fù)向構(gòu)造含氣量差值變化范圍也越大，幅度差極大值時地層抬升的幅度也越?。ㄒ妶D12b）。

6 成藏條件匹配對頁巖氣差異富集的控制

圖12 基于威遠(yuǎn)地區(qū)構(gòu)造背景的頁巖垂向滲透率和富集程度隨抬升幅度變化的數(shù)值模擬結(jié)果

頁巖生烴、儲集空間發(fā)育、頂?shù)装寮吧w層形成的最佳匹配期是頁巖氣富集的關(guān)鍵。中國南方海相頁巖在地史中基本都經(jīng)歷了深埋生烴以及后期構(gòu)造抬升過程，因此最佳匹配期的結(jié)束時期距今時間越短越有利于頁巖氣富集。以焦石壩地區(qū)焦頁 1井和渝東南地區(qū)渝參6井為例進(jìn)行成藏條件匹配差異性研究。

6.1 焦頁1井成藏條件匹配及含氣性

焦頁 1井龍馬溪組頁巖在二疊紀(jì)末之前處于沉積壓實階段，由于埋深始終較淺，有機(jī)質(zhì)處于未成熟階段，隨埋深增加，以無機(jī)孔為主要儲集空間的頁巖孔隙度大幅度減小至9.1%，Ro值達(dá)到0.5%～0.7%，進(jìn)入初始生烴階段。早三疊世初期，龍馬溪組總體處于構(gòu)造沉降階段，成巖作用繼續(xù)加強(qiáng)，無機(jī)孔提供的孔隙度繼續(xù)降低，此時有機(jī)質(zhì)開始大量生烴，有機(jī)質(zhì)孔開始形成，其提供的孔隙度逐漸增大為1.9%。至中三疊世末期，Ro值達(dá)到0.7%～1.3%，龍馬溪組進(jìn)入生成液態(tài)烴的高峰期。侏羅紀(jì)后期，龍馬溪組處于快速埋藏的狀態(tài)，Ro值達(dá)到1.3%～2.0%，有機(jī)質(zhì)演化至高成熟階段，生成大量濕氣及油裂解氣。早白堊世初期，Ro值超過2.0%，進(jìn)入過成熟階段，液態(tài)烴裂解為干氣，由于烴類氣體集中大量生成，有機(jī)質(zhì)孔開始大量生成，并且在成烴增壓的作用下，地層壓力也明顯增大，導(dǎo)致頁巖中次生孔隙受擠壓膨脹，此時有機(jī)質(zhì)孔隙度約為4.0%。晚白堊世以后，焦石壩地區(qū)處于構(gòu)造抬升階段，焦頁1井龍馬溪組頁巖由埋深6 500 m左右抬升至目前的2 420 m，氣藏發(fā)生調(diào)整改造。在晚期的構(gòu)造抬升過程中，有機(jī)質(zhì)生烴和有機(jī)質(zhì)孔隙的生成基本停止，構(gòu)造活動引起斷裂、裂縫及其相關(guān)的流體活動。

焦頁 1井有機(jī)質(zhì)含量高，經(jīng)歷早期干酪根生氣、晚期原油裂解大量生氣補(bǔ)充氣源?，F(xiàn)今儲集層總孔隙度約為 7.0%，其中有機(jī)質(zhì)孔較發(fā)育，孔隙度約為3.5%。底部臨湘組瘤狀灰?guī)r、頂部粉砂質(zhì)泥巖巖性致密，頂、底板條件良好。白堊紀(jì)末期地層開始抬升，至今約抬升4 000 m，具有抬升時間晚、幅度適中的特點。區(qū)域上保存三疊系蓋層，且破壞時間短、程度低。因此，焦頁 1井龍馬溪組頁巖氣生-儲-保匹配有效性高，頁巖氣富集成藏持續(xù)時間長，富集程度高（見圖13）。

圖13 焦頁1井龍馬溪組頁巖氣成藏要素時空匹配關(guān)系圖

6.2 渝參6井成藏條件匹配及含氣性

渝參 6井龍馬溪組頁巖在二疊紀(jì)末期之前處于沉積壓實階段，埋深始終較淺。但渝東南地區(qū)在沉積時期熱液活動較為頻繁，頁巖熱演化程度大大加速，在志留紀(jì)末期有機(jī)質(zhì)即達(dá)到生烴門限，有機(jī)質(zhì)孔開始形成。石炭紀(jì)，渝東南地區(qū)構(gòu)造活動較為穩(wěn)定，地層處于長期淺埋藏階段，成巖作用穩(wěn)定，壓實作用導(dǎo)致的無機(jī)孔孔隙度減小尚不明顯，有機(jī)質(zhì)Ro值已迅速增大到1.0%，龍馬溪組進(jìn)入生成液態(tài)烴的高峰期，有機(jī)質(zhì)提供的孔隙度也逐漸增大。三疊紀(jì)初期，有機(jī)質(zhì)孔隙度約為2.3%，總孔隙度約為11.5%。三疊紀(jì)早期，龍馬溪組迅速埋藏，Ro值達(dá)到2.0%，進(jìn)入過成熟階段，液態(tài)烴裂解為干氣。晚侏羅世—早白堊世，渝東南地區(qū)進(jìn)入構(gòu)造抬升階段，頁巖由埋深8 500 m大幅度抬升至現(xiàn)今埋深610 m，氣藏保存條件遭到強(qiáng)烈破壞。在晚期的構(gòu)造抬升過程中，有機(jī)質(zhì)生烴和有機(jī)質(zhì)孔的生成也基本停止，并且構(gòu)造活動也引起了斷裂、裂縫及其相關(guān)的流體活動。

渝參6井有機(jī)質(zhì)含量相對較低，TOC值為0.16%～4.79%，TOC值大于 2.0%的樣品數(shù)僅占總樣品數(shù)的13.16%。生烴時間早、原油裂解生氣時間短，有效孔隙度較低（最高1.32%，最低不到0.1%）。中侏羅世—早白堊世形成源巖內(nèi)部物性封閉，地層抬升時間早、抬升幅度大，蓋層遭破壞，生-儲-保匹配有效性低，頁巖氣富集期結(jié)束早，含氣量僅為0.07 m3/t（見圖14）。

圖14 渝參6井龍馬溪組控藏要素時空匹配關(guān)系圖

7 結(jié)論

高有機(jī)質(zhì)豐度和適宜的熱演化程度有利于頁巖氣大量生成。龍馬溪組頁巖有機(jī)質(zhì)對含氣性的控制明顯強(qiáng)于牛蹄塘組。干酪根生氣、液態(tài)烴裂解兩個生氣過程的匹配為海相頁巖生氣能力提供了保障，并拓寬了生氣下限。

頁巖基質(zhì)組分和熱演化程度同時對頁巖孔隙的發(fā)育起到控制作用。有機(jī)質(zhì)孔形成過程中具有原位吸附甲烷的優(yōu)勢，并且大的有機(jī)質(zhì)孔可以存儲大量游離氣，Ro值為2.23%～3.33%時頁巖儲集能力最強(qiáng)，頁巖氣更易于富集在油潤濕的基質(zhì)孔隙中。

良好的頂、底板條件以及致密區(qū)域蓋層發(fā)育利于頁巖氣富集，頂、底板厚度越大，頁巖含氣量越高。區(qū)域蓋層能夠維持下伏地層構(gòu)造形態(tài)穩(wěn)定性以及壓力體系，對頁巖氣的保存具有重要影響。末次構(gòu)造抬升時間晚、幅度小有利于頁巖氣富集。

地層埋深對于不同構(gòu)造樣式下頁巖氣富集的控制作用相對復(fù)雜，同一深度不相鄰的正向構(gòu)造含氣潛力始終大于負(fù)向構(gòu)造；氣體優(yōu)先富集在不同深度相鄰的正向構(gòu)造高部位，當(dāng)?shù)貙犹另搸r發(fā)生剪切破裂深度之上時，負(fù)向構(gòu)造低部位氣體相對富集。

頁巖有機(jī)質(zhì)豐度與熱演化程度決定有效生氣量，主生氣期有機(jī)質(zhì)孔發(fā)育、生物硅支撐、微裂縫發(fā)育決定較好的儲集能力，主生氣期距今時間越近越有利于頁巖氣富集，頁巖氣生-儲-保各要素時空匹配的有效性控制著頁巖氣成藏過程及富集程度。

符號注釋：

KH——H深度處的頁巖順層滲透率，μm2；L——運(yùn)移距離，m；p——孔隙壓力，Pa；q——運(yùn)移量，m3/s；Q——?dú)怏w含量，m3/t；S——運(yùn)移截面積，m2；t——運(yùn)移時間，s；μ——?dú)怏w黏度，Pa·s。