四川盆地深層頁巖氣儲層特征及高產(chǎn)主控因素
——以渝西區(qū)塊五峰組—龍馬溪組為例

韓貴生 雷治安 徐劍良 何 嘉 牟泳澄 王 瀅 趙 磊

1.中國石油集團川慶鉆探工程有限公司地質(zhì)勘探開發(fā)研究院 2.重慶頁巖氣勘探開發(fā)有限責(zé)任公司

0 引言

頁巖氣作為一種清潔能源，在世界各地備受重視。四川盆地頁巖氣勘探開發(fā)從借鑒北美地區(qū)頁巖氣勘探開發(fā)技術(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)樽灾鲃?chuàng)新，頁巖氣儲量和勘探正處于快速發(fā)展階段，已經(jīng)在四川盆地上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組海相頁巖取得了重大突破，探明了焦石壩、長寧—威遠(yuǎn)等千億立方米的大氣田，基本實現(xiàn)了埋深小于3 500 m海相頁巖氣勘探關(guān)鍵技術(shù)、配套工藝及裝備國產(chǎn)化[1-2]。進(jìn)入到“十三五”，頁巖氣勘探不斷向深層發(fā)展。

渝西區(qū)塊五峰組—龍馬溪組埋深4 500 m以淺的資源量1.9 1012m3，幾乎全為深層頁巖氣資源。該區(qū)頁巖氣的勘探始于2014年，鉆探的Z1井直井段完鉆后，五峰組測試獲氣1.1 104m3/d，拉開了渝西區(qū)塊深層頁巖氣勘探開發(fā)的序幕。隨后部署了一批評價井，深層頁巖氣的勘探開發(fā)取得了一定突破，尤其是部署的水平井Z2H1井，測試產(chǎn)量更是達(dá)到45 104m3/d，揭示了渝西區(qū)塊五峰組—龍馬溪組深層頁巖氣具有較好的資源潛力。但隨著勘探工作的深入，單井測試產(chǎn)量相差巨大，對于深層頁巖氣儲層特征、富集規(guī)律和頁巖氣井高產(chǎn)主控因素尚不明確，制約了深層頁巖氣高效益開發(fā)。以渝西區(qū)塊5口頁巖氣評價井為研究對象，基于巖心、測井、地震及試油資料，系統(tǒng)研究五峰組—龍馬溪組頁巖的構(gòu)造特征、沉積特征和儲層特征，對深層頁巖氣高產(chǎn)主控因素進(jìn)行了探討研究，為區(qū)塊下步勘探、開發(fā)提供參考。

1 區(qū)域概況

1.1 構(gòu)造特征

渝西區(qū)塊位于川中古隆平緩構(gòu)造區(qū)東南部和川東南坳褶帶西南段，構(gòu)造在平面上呈帶狀分布，整體表現(xiàn)為北東—南西向“三拱三凹—塹壘相間”的構(gòu)造特征（圖1）。

圖1 渝西區(qū)塊五峰組底界埋深圖

受區(qū)域構(gòu)造控制，渝西區(qū)塊代表性的氣藏類型有2種（圖2），一種是以Z1和Z3井為代表的寬緩向斜型，該類型埋深較大，一般在4 000 m以深，但構(gòu)造寬緩，遠(yuǎn)離大斷裂，保存條件較好。另一種是以Z2和Z5井為代表的窄陡背斜型，該類型埋深較小，一般在4 000 m以淺，但受斷層夾持，褶皺強烈，構(gòu)造較為狹窄，保存條件存在一定風(fēng)險。

圖2 渝西區(qū)塊頁巖氣藏示意圖

1.2 地層特征

區(qū)內(nèi)地表在構(gòu)造兩翼主要出露侏羅系沙溪廟組、遂寧組砂、泥巖，在構(gòu)造頂部主要出露三疊系須家河組石英砂巖、雷口坡組與嘉陵江組石灰?guī)r（圖3）。整體地層層序正常，在加里東運動末期，四川盆地內(nèi)志留系生了不同程度的剝蝕。威遠(yuǎn)地區(qū)韓家店組、石牛欄組完全剝蝕，龍馬溪組部分剝蝕，從而使龍馬溪組與二疊系梁山組呈不整合接觸；長寧地區(qū)志留系保存完整；渝西區(qū)塊的大足地區(qū)韓家店組完全剝蝕，石牛欄組部分剝蝕（在區(qū)塊北部缺失）。

按照中國石油西南油氣田公司的地層劃分方案[3-5]，將五峰組—龍一1亞段由下至上依次劃分為五峰組（含觀音橋段）、龍一11、龍一12、龍一13和龍一14等5個小層，其中五峰組巖性為含硅質(zhì)黑色頁巖，觀音橋段為黑灰色、灰色泥灰?guī)r、介殼灰?guī)r，龍一11–4小層為黑色、深灰色碳質(zhì)、硅質(zhì)、砂質(zhì)頁巖。

圖3 渝西區(qū)塊典型井巖性剖面示意圖

2 儲集層特征研究

頁巖儲集層品質(zhì)對氣井產(chǎn)量有重要影響。頁巖氣勘探開發(fā)實踐和前人研究已經(jīng)總結(jié)出，選取總有機碳含量、孔隙度、含氣量及脆性礦物含量等4大參數(shù)可以描述頁巖儲集層的靜態(tài)特征[6-10]。

2.1 總有機碳含量

對渝西區(qū)塊5口評價井巖心分析資料統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，五峰組頁巖總有機碳含量在1.10%～6.23%之間，均值為3.30%，龍一11小層頁巖總有機碳含量在2.39%～5.31%之間，均值為3.91%，龍一12小層均值為2.54%，龍一13小層均值為2.40%，龍一14小層均值為1.20%?？傆袡C碳含量高值主要集中在五峰組和龍一11小層，這也是目前四川盆地頁巖氣勘探開發(fā)的主力層段，且隨著層位自上而下，總有機碳含量有逐漸變大的趨勢（圖4a）。

圖4 渝西區(qū)塊五峰組—龍一1亞段頁巖儲集層參數(shù)統(tǒng)計分布圖

2.2 孔隙度

巖心分析五峰組頁巖孔隙度在1.14%～6.42%之間，均值為3.52%，龍一11小層孔隙度在2.45%～6.01%之間，均值為4.09%，龍一12小層均值為3.53%，龍一3小層均值為4.52%，龍一411小層均值為3.86%?？紫抖鹊拇笮∨c深度、層位沒有明顯的相關(guān)關(guān)系，各小層間相差不大，龍一13小層和龍一11小層孔隙度相對略大，總體表現(xiàn)出低孔隙度特征（圖4b）。

2.3 含氣量

巖心分析五峰組頁巖含氣量在1.23～9.96 m3/t之間，均值為4.94 m3/t，龍一11小層含氣量在4.29～9.90 m3/t之間，均值為7.05 m3/t，龍一12小層均值為4.65 m3/t，龍一13小層均值為4.43 m3/t，龍一14小層均值為2.36 m3/t。含氣量高值主要集中在龍一11小層，其次為五峰組，隨著層位自上而下，有逐漸變大的趨勢（圖4c）。

2.4 脆性礦物含量

頁巖脆性礦物成分主要為石英、長石、方解石、白云石、黏土和黃鐵礦等，黏土礦物包括伊利石、伊/蒙混層和綠泥石等。渝西區(qū)塊五峰組脆性礦物含量在57.3%～90.1%之間，均值為77.7%，龍一11小層脆性礦物含量在67.6%～89.0%之間，均值為78.7%，龍一12小層均值為73.9%，龍一13小層均值為66.0%，龍一14小層均值為55.9%。各小層脆性礦物含量均較高，脆性礦物含量隨著深度增加而逐漸變大（圖4d）。

2.5 儲集層參數(shù)對比分析

縱向上，隨著層位自上而下，五峰組—龍一11小層頁巖儲層參數(shù)均有逐漸變好趨勢，龍一11小層儲層品質(zhì)最佳。橫向上，在渝西區(qū)塊內(nèi)部，儲層參數(shù)的變化與所處構(gòu)造類型無太大關(guān)聯(lián)，僅與所處構(gòu)造的相對位置有關(guān)。由北往南，龍一11小層厚度、總有機碳含量、孔隙度和含氣量均逐漸增大，儲集層品質(zhì)整體變好（圖5）。

圖5 渝西區(qū)塊龍一11小層儲層參數(shù)對比圖

與長寧、威遠(yuǎn)和瀘州區(qū)塊對比[11]，渝西區(qū)塊頁巖儲集層總有機碳和孔隙度低于四川盆地內(nèi)的其他區(qū)塊，脆性礦物含量相差無幾，含氣量略高（表1）。產(chǎn)生這些差異的原因可能與埋藏深度有一定的關(guān)系：埋深越大，上覆地層壓力越大，壓實作用強烈，頁巖孔隙隨著上覆地層壓力增大逐漸發(fā)生壓縮，孔隙體積逐漸變小，孔隙度減小，壓力系數(shù)增大，導(dǎo)致甲烷氣體在地層中的擴散系數(shù)減小，頁巖含氣量隨之增大[12-14]。

3 富集高產(chǎn)主控地質(zhì)因素

3.1 沉積相帶

研究Z2井巖心資料，認(rèn)為渝西區(qū)塊五峰組—龍一1亞段屬于深水陸棚相沉積（圖6），頁巖顏色深，水平紋層發(fā)育，筆石多，且個體保存完整，堆積雜亂，局部富集黃鐵礦，這些都是水體較深、安靜，處于較強還原環(huán)境的體現(xiàn)。五峰組—龍一11小層巖性為黑色碳質(zhì)、硅質(zhì)頁巖，筆石發(fā)育，總有機碳和硅質(zhì)含量最高，發(fā)育層間縫、高角度縫，為碳質(zhì)硅質(zhì)深水陸棚微相，龍一12–3小層巖性為深灰色、灰黑色頁巖，局部含砂質(zhì)條帶，為泥質(zhì)深水陸棚微相，龍一14小層巖性為深灰色砂質(zhì)頁巖，為砂泥質(zhì)深水陸棚微相。

表1 渝西區(qū)塊龍一11小層儲層關(guān)鍵參數(shù)與鄰區(qū)對比表

晚奧陶世，黔中隆起出露水面，使得早—中奧陶世具廣海特征的海域轉(zhuǎn)變?yōu)楸唬ㄋ拢┞∑鹚鶉薜木窒藓Ｓ?，形成大面積低能、缺氧的沉積環(huán)境。在奧陶紀(jì)末期，發(fā)生海侵，五峰組時期沉積一套黑色富筆石硅質(zhì)放射蟲頁巖。到早志留世龍馬溪期，黔中隆起進(jìn)一步擴大，雪峰水下古隆起雛形初現(xiàn)，加之川中水下古隆起進(jìn)一步隆升，最終形成了“三隆夾一坳”（川中古隆起、黔中古隆起和雪峰古隆起夾持陸內(nèi)坳陷）的沉積格局，因此形成了一套全盆地分布廣、沉積穩(wěn)定、沉積厚度大的低能、缺氧、高沉積速率、古生物（耙筆石、尖筆石、硅質(zhì)放射蟲、海綿骨針為主）保存較完整的海相頁巖地層[15-18]?，F(xiàn)今開發(fā)效果最好的五峰組—龍一1亞段正是沉積于此時的凱迪期—魯?shù)て?，以富有機質(zhì)硅質(zhì)頁巖相為主，在渝西區(qū)塊厚度介于35～60 m，且從北往南有逐漸增厚趨勢。

3.2 保存條件

由于沉積環(huán)境穩(wěn)定，渝西區(qū)塊乃至整個川南地區(qū)富有機質(zhì)頁巖的地質(zhì)參數(shù)較為相似，頁巖氣富集高產(chǎn)的關(guān)鍵是保存條件。

頁巖氣的保存條件主要與頂?shù)装鍡l件和構(gòu)造運動有關(guān)。五峰組—龍馬溪組頁巖氣層的頂板為龍馬溪組上部發(fā)育的大套灰色—深灰色泥巖夾砂質(zhì)泥巖，底板為上奧陶統(tǒng)臨湘組—寶塔組石灰?guī)r[14]，厚度較大，展布穩(wěn)定，巖性致密且封隔性好，有利于頁巖氣得到有效保存。同時，五峰組—龍馬溪組頁巖具有低孔低滲的特性，在深埋藏情況下，其滲透率更低，且頁巖本身就具有一定的封閉性。

圖6 Z2井五峰組—龍馬溪組的劃分及沉積相圖

盡管泥頁巖因其較強的塑性，具有一定的抗破壞能力，但強烈構(gòu)造運動引起地層的褶皺變形和斷裂切割，對頁巖氣的保存提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，尤其是在窄陡背斜構(gòu)造，因而，斷層的封閉性就顯得尤為重要。

渝西區(qū)塊斷層走向主要為NNE–SSW和近N–S向，均為明顯的逆斷層，而現(xiàn)今該區(qū)的最大水平主應(yīng)力方向整體以NW–SE向為主，與斷層走向基本保持垂直（圖7）。據(jù)郭旭升[19]、陳永嶠等[20]認(rèn)為，現(xiàn)今最大水平主應(yīng)力方向與斷層走向夾角越大，斷層封閉性越好。按此理論，渝西區(qū)塊的斷層封閉性較好。

圖7 渝西區(qū)塊五峰組斷裂分布及現(xiàn)今最大水平主應(yīng)力方向圖

表2 渝西區(qū)塊頁巖氣井壓力系數(shù)統(tǒng)計表

壓力系數(shù)是評價保存條件的綜合判斷標(biāo)準(zhǔn)，超壓或高壓意味著保存條件良好。渝西區(qū)塊已鉆頁巖氣井壓力系數(shù)介于1.8～2.0之間，整體較高（表2）。Z2井處于窄陡型斷塊背斜，其構(gòu)造形態(tài)與中石化的涪陵平橋背斜較為相似，盡管受兩側(cè)斷層夾持，構(gòu)造形態(tài)較?。〝鄬娱g距僅1.6 km），但五峰組—龍馬溪組頁巖仍然保持較高的壓力系數(shù)（1.86），且該井直井測試獲氣近5 104m3/d，也證實該區(qū)窄陡型斷塊的保存條件較好。

不同期次構(gòu)造運動對頁巖氣保存的影響是不同的[21]。在生烴期發(fā)生的構(gòu)造運動，受沉積成巖作用的影響，主要被黃鐵礦和方解石等礦物充填（圖8），降低了裂縫的連通性，有利于頁巖氣的保存。而生烴期之后的構(gòu)造運動，裂縫主要為未充填狀態(tài)，連通性強，若規(guī)模較大，就易造成頁巖氣的逸散和破壞，不利于頁巖氣的保存。通過Z2井巖心資料分析，裂縫主要發(fā)育在五峰組—龍一1亞段，都被方解石全充填，未見明顯張開縫，因此，該井好的保存條件得以保障。

盡管本區(qū)斷層封閉性整體較好，但在本區(qū)高陡構(gòu)造，頁巖氣井的產(chǎn)量仍然與距離斷裂的遠(yuǎn)近和規(guī)模有關(guān)。在Z2井附近鉆探了2口水平井Z2H1井和Z2H2井，相距僅1 km，位于同樣的構(gòu)造位置（被兩側(cè)斷裂（斷距大于100 m）所夾持），儲層參數(shù)也基本相當(dāng)。但Z2H1井距斷裂平均約680 m，測試產(chǎn)量為45 104m3/d，Z2H2井距斷裂平均約300 m，測試產(chǎn)量僅5 104m3/d。斷裂對頁巖氣井產(chǎn)量的影響主要表現(xiàn)有：①距斷裂過近，在壓裂過程中易造成壓裂液的濾失，導(dǎo)致施工壓力和停泵壓力過大，加砂改造效果明顯減弱。②微地震事件的延伸方向明顯受斷裂走向的影響，壓裂縫網(wǎng)的單一主縫特征明顯，復(fù)雜程度較低；微地震事件到達(dá)斷裂邊緣很難向外延伸，壓裂改造規(guī)模受到限制。③受斷裂封隔等影響，遠(yuǎn)端地層的頁巖氣補給能力受到限制。

圖8 Z2井五峰組巖心裂縫示意圖

根據(jù)斷裂性質(zhì)及規(guī)模，將本區(qū)斷裂劃分為四級（圖7），Ⅰ級斷裂控制構(gòu)造格局，一般斷至地面，Ⅱ級斷裂控制二級構(gòu)造，斷距通常為100～300 m，Ⅲ級斷裂為志留系內(nèi)部斷裂，斷距40～100 m，Ⅳ級斷層為龍馬溪組內(nèi)部斷裂，斷距小于40 m。依據(jù)本區(qū)及鄰區(qū)斷裂對頁巖氣勘探影響的研究表明，距Ⅰ級斷裂2 km以上、距Ⅱ級斷裂600 m以上、距Ⅲ級斷裂200 m以上，頁巖氣的保存條件較好，Ⅳ級斷層對頁巖氣的保存不構(gòu)成較大影響。

3.3 天然裂縫的發(fā)育

對于低孔隙度、低滲透率的頁巖儲層來說，天然裂縫的發(fā)育可以改善頁巖的滲流能力。對于深層頁巖氣，由于埋深大，水平應(yīng)力差較之中淺層頁巖氣明顯增大（表1），導(dǎo)致壓裂過程中壓裂縫難以轉(zhuǎn)向[22-23]，裂縫復(fù)雜程度和儲層改造體積難以提高。天然裂縫的存在將有助于頁巖在后期水力壓裂中形成復(fù)雜縫網(wǎng)，改善體積壓裂效果，從而提高頁巖氣井獲得高產(chǎn)的可能性[24]。

巖心宏觀裂縫特征能直觀反映天然裂縫的發(fā)育程度和展布規(guī)律[25]。Z2井巖心裂縫集中發(fā)育在龍一11小層及五峰組（圖8d），該段巖心累長9.3 m，裂縫條數(shù)共計24條，巖心縫密度達(dá)到2.2條/m。從裂縫產(chǎn)狀來看，裂縫以高角度裂縫為主（圖8a），局部可見多組斜交裂縫（圖8b），在層理面呈羽狀分布的斜交裂縫（圖8c），但所有裂縫均被方解石全充填。成像測井資料顯示五峰組—龍一11小層頁理非常發(fā)育（圖8e），由一系列薄層頁巖組成。頁理面為力學(xué)性質(zhì)薄弱的界面，極易發(fā)生剝離、滑脫而形成層理縫和水平縫，提高頁巖的水平滲透率，在壓裂時易形成網(wǎng)狀裂縫。

將Z2井的巖心裂縫特征與Z1井進(jìn)行對比可以發(fā)現(xiàn)，巖心裂縫的發(fā)育特征存在很大差別。Z2井五峰組—龍一1亞段巖心裂縫密度為Z1井的4.4倍（Z1井為0.5條/m），Z2井巖心裂縫以高角度裂縫為主，而Z1井以低角度縫或水平縫為主。裂縫的發(fā)育程度也直接反映在測試產(chǎn)量的差異上，Z2井測試獲氣4.9 104m3/d，而Z1井僅1.1 104m3/d。

針對Z2井宏觀裂縫發(fā)育段，鏡下觀察可見較多的水平構(gòu)造成巖縫、收縮縫和構(gòu)造斜縫，微裂縫均被方解石全充填。盡管這些碳酸鹽礦物充填的微裂縫對頁巖氣藏的孔滲和儲集性能基本沒有貢獻(xiàn)，但在人工水力壓裂過程中，由于裂縫中的碳酸鹽礦物無法與巖壁巖石中的顆粒形成連續(xù)性的結(jié)晶體，之間的接觸面抗張強度較弱，在壓裂過程中，被充填的裂縫將在壓裂液的壓力下發(fā)生破裂，恢復(fù)裂縫活力，并與井筒相連，有利于天然氣沿著人工裂縫網(wǎng)絡(luò)滲流擴散至井筒[26]。

通過螞蟻體預(yù)測的天然裂縫分布特征（圖9），Z2H1井（與 Z2井同平臺的水平井）天然裂縫發(fā)育，對促進(jìn)單井SRV（儲層壓裂改造體積）體現(xiàn)在2個方面：①天然裂縫呈網(wǎng)狀交錯分布，且與水平井軌跡保持較大夾角，在水力壓裂過程中易于形成網(wǎng)狀裂縫，增大壓裂改造體積；②由于天然裂縫的溝通作用，可將改造的壓裂縫與井周附近天然存在的裂縫系統(tǒng)進(jìn)行溝通，進(jìn)一步提升單井SRV。

Z2H1井水平段長1 500 m，總SRV為8 650 104m3，其中受天然裂縫影響的SRV達(dá)5 450 104m3，占本井總改造體積的63%。通過微地震事件所描述的裂縫網(wǎng)絡(luò)特征，進(jìn)一步對天然裂縫影響的SRV進(jìn)行分析，得出井周附近原始存在的天然裂縫（非壓裂形成）的SRV約1 700 104m3，占受天然裂縫影響的SRV的31%?？梢姡烊涣芽p對于提升水平井的SRV作用明顯，該井最終測試產(chǎn)量達(dá)45 104m3/d。

對渝西區(qū)塊已測試的6口水平井測試產(chǎn)量與水平段部分參數(shù)開展統(tǒng)計分析（表3），除與SRV呈正相關(guān)關(guān)系外，單井測試產(chǎn)量與水平段其他參數(shù)相關(guān)性均較差（圖10）?？梢姡谒蕉蝺訁?shù)基本相似的條件下，SRV大小是決定渝西區(qū)塊單井測試產(chǎn)量高低的關(guān)鍵因素。在保存條件較好的前提下，優(yōu)先尋找天然裂縫發(fā)育區(qū)是渝西區(qū)塊下步勘探開發(fā)的主攻方向。

圖9 渝西區(qū)塊足H2平臺天然裂縫發(fā)育特征圖

表3 渝西區(qū)塊水平段部分參數(shù)與測試產(chǎn)量對比表

4 結(jié)論

1）渝西區(qū)塊五峰組—龍一1亞段儲層參數(shù)自上而下有逐漸變好趨勢，龍一11小層儲層品質(zhì)最佳；儲層參數(shù)橫向變化與所處構(gòu)造類型無太大關(guān)聯(lián)，僅與所處構(gòu)造的相對位置有關(guān)，儲層由北往南整體變好；渝西區(qū)塊頁巖儲層有機碳含量和孔隙度低于四川盆地內(nèi)的其他區(qū)塊，脆性礦物含量相差無幾，含氣量略高。

2）五峰組—龍一1亞段屬于深水陸棚相沉積，發(fā)育黑色碳質(zhì)、硅質(zhì)頁巖，有機碳含量和脆性礦物含量高，厚度分布穩(wěn)定，為頁巖氣的形成與富集提供了良好的物質(zhì)基礎(chǔ)。

3）良好的保存條件是頁巖氣富集成藏的關(guān)鍵。良好的頁巖頂?shù)装鍡l件能有效阻止頁巖氣的垂向運移，有利于聚集成藏；斷層封閉性好，頁巖氣井壓力系數(shù)高，保存條件好；頁巖氣井的產(chǎn)量與距離斷裂的遠(yuǎn)近和規(guī)模有關(guān)。

4）深層頁巖氣埋深大，地應(yīng)力及水平應(yīng)力差較之中淺層頁巖氣明顯增大，壓裂改造難度大。高角度天然裂縫有利于頁巖氣的游離與聚集，在水力壓裂時促進(jìn)頁巖儲層形成網(wǎng)狀裂縫，增強壓裂縫網(wǎng)的復(fù)雜程度；天然裂縫可將壓裂縫網(wǎng)與井周附近天然存在的裂縫系統(tǒng)聯(lián)通，進(jìn)一步提升單井SRV。

圖10 渝西區(qū)塊水平段部分參數(shù)與測試產(chǎn)量關(guān)系圖

5）SRV大小是決定渝西區(qū)塊單井測試產(chǎn)量高低的關(guān)鍵因素。在保存條件較好的前提下，優(yōu)先尋找天然裂縫發(fā)育區(qū)是渝西區(qū)塊下步勘探開發(fā)的主攻方向。