永川深層頁巖氣田儲層特征及富集規(guī)律研究

葛忠偉，歐陽嘉穗，王 同，周 靜，郭衛(wèi)星，靳利超

（中國石化西南油氣分公司勘探開發(fā)研究院，四川成都610041）

永川深層頁巖氣田主體位于重慶市（圖1），該區(qū)于2006年實(shí)施二維地震勘探7條，滿覆蓋長度103.22 km，一次覆蓋長度170.54 km。2009年，開展針對川南海相頁巖層系的選區(qū)評價工作，明確了永川有利目標(biāo)區(qū)。2015年部署實(shí)施了A1井并獲得勘探突破，后續(xù)跟進(jìn)實(shí)施一批鉆井，進(jìn)一步查明了地質(zhì)條件，夯實(shí)了資源基礎(chǔ)。2019年提交了南部向斜區(qū)230余億立方米探明儲量，并啟動了5×108m3/a的產(chǎn)能建設(shè)，實(shí)現(xiàn)了該區(qū)儲量和產(chǎn)量的快速增長。但研究區(qū)的中部背斜區(qū)和北部向斜區(qū)勘探開發(fā)始終未能取得實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展，受斷裂復(fù)雜構(gòu)造帶及埋深4 000 m壓裂工藝技術(shù)的影響，測試產(chǎn)量（6.08～7.34）×104m3/d，整體偏低，制約了該區(qū)整體開發(fā)建產(chǎn)。而相鄰的中國石油探區(qū)在相同地質(zhì)背景條件下，卻不斷取得油氣重大突破和進(jìn)展，因此，加強(qiáng)地質(zhì)特征研究，明確高產(chǎn)富集主控因素，是指導(dǎo)該區(qū)下步油氣勘探開發(fā)突破的關(guān)鍵。為明確該區(qū)下步勘探開發(fā)突破方向，開展了儲層特征及富集主控因素的分析。

圖1 研究區(qū)位置Fig.1 Location of study area

1 基本地質(zhì)特征

1.1 頁巖氣保存條件分析

研究區(qū)位于川東南低緩褶皺帶，構(gòu)造表現(xiàn)為“兩凹夾一隆”的特征（圖2），“兩凹”為中部新店子背斜兩側(cè)的石盤鋪向斜和來蘇向斜，“一隆”為中部新店子背斜。構(gòu)造形態(tài)為一北東向長軸背斜，其東部與東山背斜相連，東南部與黃瓜山背斜相望，西部與古佛山背斜相接，北部與西山背斜鞍部相連?？v向上表現(xiàn)為“三變形層+坡坪式斷層”的構(gòu)造樣式（圖3），由于滑脫層的發(fā)育，斷裂對目的層未起到明顯的破壞，頁巖氣保存條件良好[1]。

圖2 研究區(qū)五峰組底面構(gòu)造Fig.2 Bottom structural of Wufeng Formation in study area

圖3 研究區(qū)典型構(gòu)造樣式Fig.3 Typical structural style of study area

1.2 深水陸棚相優(yōu)質(zhì)頁巖儲層

五峰組—龍馬溪組整體為深水陸棚相沉積。依據(jù)巖相組合特征、古生物特征、地球化學(xué)特征、測井特征等分析，可分為2 類沉積亞相，即深水陸棚亞相及淺水陸棚亞相。淺水陸棚發(fā)育在龍馬溪組二段及三段，為貧有機(jī)質(zhì)的灰色泥頁巖。深水陸棚亞相發(fā)育在五峰組—龍馬溪組一段，為富含有機(jī)質(zhì)的暗色頁巖。自下而上可將深水陸棚亞相進(jìn)一步劃分為6類沉積微相：生物硅質(zhì)頁巖深水陸棚微相、黏土質(zhì)硅質(zhì)頁巖深水陸棚微相、硅質(zhì)黏土質(zhì)頁巖深水陸棚微相、鈣質(zhì)黏土頁巖深水陸棚微相、含鈣黏土頁巖深水陸棚微相、黏土頁巖深水陸棚微相。

縱向上，自下而上沉積微相演化序列為：生物硅質(zhì)頁巖深水陸棚微相—硅質(zhì)黏土質(zhì)頁巖深水陸棚微相—硅質(zhì)黏土質(zhì)頁巖深水陸棚微相—鈣質(zhì)黏土頁巖深水陸棚微相—含鈣黏土頁巖深水陸棚微相—黏土頁巖深水陸棚微相（圖4）。在相序演化序列中黏土含量逐漸增加，硅質(zhì)含量逐漸減少，有機(jī)質(zhì)含量和孔隙度呈逐漸降低的趨勢，密度逐漸增加。

橫向上，5類微相展布穩(wěn)定。生物硅質(zhì)頁巖深水陸棚微相、黏土質(zhì)硅質(zhì)頁巖深水陸棚微相、硅質(zhì)黏土質(zhì)頁巖深水陸棚微相、鈣質(zhì)黏土頁巖深水陸棚微相、含鈣黏土頁巖深水陸棚微相由南東至北西厚度略有減薄，由A1井69.5 m減薄至A2井52 m。

1.3 地層沉積的縱向分層性特征

研究區(qū)五峰組—龍馬溪組整體劃分為SQ1—SQ3三級層序，包含4個三級層序界面，以及3個體系域界面。SQ1為五峰組，厚6.5～7.5 m；SQ2為龍馬溪組下部的龍一段，厚77～119 m；SQ3為龍馬溪組下部的龍二段和龍三段，厚281.5～373.5 m。

圖4 研究區(qū)五峰—龍馬溪組龍一段沉積微相柱狀圖Fig.4 Sedimentary microfacies histogram of Long-1 member in Wufeng-Longmaxi Formation of study area

根據(jù)巖性、電性（GR-DEN、GR-CNL 等相互疊合關(guān)系）、筆石帶分布規(guī)律、TOC（總有機(jī)碳）含量變化、以及含氣性等，將五峰組—龍馬溪組龍一段劃分為9個層，厚83.5～126.5 m，五峰組—龍馬溪組龍一段各小層對比性較好，展布穩(wěn)定。據(jù)測井曲線的特性將9個小層可進(jìn)一步劃分為13個小層，其中2-31小層測井參數(shù)最優(yōu)，具“三高三低”特征（圖5），即高自然伽馬、高鈾、高電阻率、低釷/鈾比、低密度、低中子特征，為龍馬溪組底部最優(yōu)質(zhì)儲層發(fā)育段[2-4]。

1.4 研究區(qū)地質(zhì)特征分析

1.4.1 優(yōu)質(zhì)儲層段小層精細(xì)刻畫

圖5 研究區(qū)典型井綜合柱狀圖Fig.5 Comprehensive histogram of typical wells in study area

前期研究成果表明[5-6]，永川區(qū)塊五峰組—龍馬溪組龍一段儲層品質(zhì)相對較優(yōu)的井段主要分布在①—③號層，其中，③號層根據(jù)電測曲線特征劃分了3個小層，自下而上依次為31、32、33，且優(yōu)質(zhì)儲層段主要在31小層。根據(jù)GR 曲線特征可以看出，31小層可進(jìn)一步細(xì)分為4個小層（圖6），其中，31-1、31-3對應(yīng)GR低值區(qū)，31-2、31-4對應(yīng)GR 高值區(qū)。此外，在電阻率和三孔隙度曲線上也有明顯的變化特征，表明該套優(yōu)質(zhì)儲層段仍然存在一定的縱向差異性，儲層品質(zhì)整體呈優(yōu)質(zhì)且表現(xiàn)出一定的非均質(zhì)性。

圖6 A1井五峰組—龍馬溪組龍一段①—③號層紋層分布柱狀圖Fig.6 Distribution histogram of laminae in layer ①—③of Long-1 member in Wufeng-Longmaxi Formation of study area

1.4.2 優(yōu)質(zhì)儲層分布規(guī)律

橫向上，31小層細(xì)分的4 套小層在永川南、北向斜區(qū)及中部新店子背斜區(qū)對比性好，厚度介于5.4～10 m，背斜區(qū)受褶皺影響，厚度略大于向斜區(qū)；儲層參數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：2-31優(yōu)質(zhì)儲層整體品質(zhì)較好，但縱向上依然存在一定的非均質(zhì)性，以2小層、31-1、31-2三套小層的儲層品質(zhì)相對最優(yōu)（圖7）。

1.4.3 儲層地質(zhì)及工程地質(zhì)特征

永川地區(qū)五峰組—龍馬溪組龍一段具有“高TOC、高孔隙度、高脆性、高含氣量”的地質(zhì)特征，平均TOC為2.63%，平均脆性礦物含量為57.74%，平均黏土礦物含量為37.76%，平均孔隙度為4.95%，平均含氣量為6.19 m3/t。巖心氬離子拋光掃描電鏡結(jié)果表明：龍馬溪組頁巖儲集空間類型豐富，基質(zhì)孔隙發(fā)育，見有機(jī)質(zhì)孔、黏土礦物晶間孔、黃鐵礦晶間孔、粒間孔等，亦見較多微裂縫。龍馬溪組頁巖主要孔隙類型為有機(jī)質(zhì)孔，其發(fā)育最廣泛，鏡下呈蜂窩狀、線狀或串珠狀，主要發(fā)育于分散填充在粒間孔，斑塊狀填充在黃鐵礦之間，與片層狀黏土礦物伴生的有機(jī)質(zhì)內(nèi)，孔徑主要介于10～300 nm，最大可達(dá)1 μm以上，微孔隙間連通性好。無機(jī)孔隙中的黏土礦物間微孔主要表現(xiàn)為絲縷狀、卷曲片狀層間孔及發(fā)育在順層定向排列的黏土礦物中的線狀孔，部分連通性較好，鏡下多見黏土礦物間大孔被有機(jī)質(zhì)充填，多伴生大量有機(jī)質(zhì)孔；不穩(wěn)定礦物溶蝕孔為鈣質(zhì)、長石等因溶解或溶蝕作用而形成的次生溶孔，見于礦物顆粒間或粒內(nèi)及粒緣縫，孔徑變化大（30～720 nm）；莓球狀黃鐵礦晶間孔，孔徑介于100～460 nm，多數(shù)晶間孔充填有機(jī)質(zhì)，伴生有機(jī)質(zhì)孔（表1）。根據(jù)王玉滿等（2014）建立的龍馬溪組頁巖3 層巖石物理模型[7]，對A1井基質(zhì)孔隙進(jìn)行測算，結(jié)果反映出孔隙構(gòu)成以有機(jī)質(zhì)孔隙、黏土礦物孔隙為主，并發(fā)育一定的脆性礦物孔隙。在縱向上，自上而下，有機(jī)質(zhì)孔逐漸增加，黏土礦物孔逐漸降低，其中，A1井優(yōu)質(zhì)頁巖段有機(jī)質(zhì)孔隙占比為38.4%，最高可達(dá)78%。

圖7 研究區(qū)五峰組—龍馬溪組龍一段①—③號儲層對比Fig.7 Comparison of layer ①—③of Long-1 member in Wufeng-Longmaxi Formation of study area

表1 研究區(qū)五峰—龍馬溪組龍一段儲層地質(zhì)參數(shù)Table1 Reservoir geological parameters of Long-1 member in Wufeng-Longmaxi Formation of study area

研究區(qū)工程地質(zhì)特征表現(xiàn)為“低泊松比、高楊氏模量、高脆性指數(shù)、低應(yīng)力差值”，抗張強(qiáng)度為3.70～8.29 MPa，抗壓強(qiáng)度為43～77.1 MPa，彈性模量為10.01～21.89 GPa，泊松比為0.16～0.29，地應(yīng)力差異系數(shù)約0.2（表2）。

表2 研究區(qū)五峰—龍馬溪組龍一段工程地質(zhì)參數(shù)Table2 Engineering geological parameters of Long-1 member in Wufeng-Longmaxi Formation of study area

1.4.4 優(yōu)質(zhì)頁巖甜點(diǎn)預(yù)測

頁巖儲層具有相對低的縱波阻抗特征，因而利用縱波阻抗反演結(jié)果對頁巖儲層厚度進(jìn)行了預(yù)測。從反演預(yù)測結(jié)果來看，儲層分布與振幅屬性反映規(guī)律基本一致，頁巖儲層全區(qū)穩(wěn)定分布，厚度約51～93 m，其中部背斜厚度相對大，南、北向斜厚度有減薄趨勢。

優(yōu)質(zhì)頁巖段具有較高TOC值（＞2%），通過TOC與各種彈性參數(shù)進(jìn)行交匯分析。結(jié)果表明：TOC值與密度具有較好相關(guān)性，關(guān)系性大于0.75，可以利用密度反演結(jié)果進(jìn)一步預(yù)測儲層TOC。孔隙度、含氣量與縱波阻抗/TOC 預(yù)測也基本一致，研究區(qū)TOC為2%～2.55%，西南略高于北東；孔隙度介于4.25%～5.25%，中部背斜略低于兩側(cè)向斜；含氣量為4.2～5.5 m3/t，西部略高于東部（圖8）。

2 油氣富集主控因素分析

2.1 優(yōu)質(zhì)頁巖厚度

研究區(qū)優(yōu)質(zhì)頁巖儲層（Ⅰ+Ⅱ類儲層）厚度為41.5～71.5 m，中部背斜區(qū)和南部向斜區(qū)厚度大于50 m，北部向斜區(qū)介于40～50 m。優(yōu)質(zhì)儲層（I類儲層）發(fā)育在龍馬溪組底部2-31小層，厚度為5.7～7.4 m。總體上看，永川區(qū)塊儲層發(fā)育，為油氣富集提供了必要的地質(zhì)基礎(chǔ)。

從本區(qū)及鄰區(qū)鉆井統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明[8-12]，影響氣井產(chǎn)能的因素包括壓裂規(guī)模、I 類儲層鉆遇長度（鉆遇率），其中，在Ⅰ類儲層鉆遇長度相同的情況下，Ⅰ類儲層厚度越大，氣井的測試產(chǎn)量越高（圖9），技術(shù)可采儲量也越大。

2.2 油氣富集的保障

研究區(qū)位于川東南高陡構(gòu)造帶，構(gòu)造格局為“兩凹夾一隆”，整體上斷裂較為發(fā)育，特別是中部的新店子背斜區(qū)發(fā)育多條斷距大于100 m的斷層，斷穿主要目的層五峰組—龍馬溪組龍一段，但是，該區(qū)縱向上發(fā)育3 套以膏巖為主的塑形滑脫層，斷層難以斷穿，為油氣的封蓋提供了良好的條件，說明“三變形層+坡坪式斷層”構(gòu)造樣式（圖3）對油氣保存影響不大。另外，通過分析鉆井實(shí)測地壓系數(shù)可知：背斜區(qū)地壓系數(shù)為1.50～1.80，多口井測試獲工業(yè)氣流，進(jìn)一步證明該區(qū)特殊的構(gòu)造樣式為頁巖氣保存提供了良好的地質(zhì)條件。

從鉆井裂縫發(fā)育情況來看（圖10），背斜帶及兩側(cè)的向斜區(qū)天然裂縫相對較為發(fā)育，縱向上主要分布在五峰—龍馬溪組龍一段底部的①—③號層，裂縫類型多樣，包括高角度縫、斜縫和層理縫，裂縫密度3.18～8條/m，裂縫寬度從1 mm到5 cm不等，裂縫長度在井筒尺度下為1～35 cm不等。成像測井顯示裂縫具有高導(dǎo)和高阻兩種特征。

在曲率和相干屬性刻畫的基礎(chǔ)上，通過裂縫螞蟻體屬性刻畫和最大釋然法預(yù)測能夠反映斷層自身及斷層與斷層之間裂縫的展布形態(tài)。預(yù)測結(jié)果表明：永川區(qū)塊天然裂縫相對較為發(fā)育，裂縫的分布與斷層的發(fā)育密切相關(guān)，中部背斜區(qū)及鄰近的向斜翼部裂縫相對發(fā)育，為油氣富集高產(chǎn)提供了關(guān)鍵的地質(zhì)條件[13]（圖11），另外，鄰區(qū)L203井富集高產(chǎn)主控因素分析也證實(shí)天然裂縫的發(fā)育是獲得高產(chǎn)的重要保障。

圖8 研究區(qū)儲層預(yù)測平面Fig.8 Plane prediction of reservoir in study area

圖9 I類儲層鉆遇長度與無阻流量關(guān)系Fig.9 Relation between drilling length and open flow in type I reservoir

2.3 油氣富集的重要條件

研究區(qū)受構(gòu)造影響，目的層埋深跨度范圍大，介于2 900～4 300 m，從鉆井頂?shù)装灏l(fā)育條件、實(shí)鉆地層壓力及鉆井測試產(chǎn)量來看，整體上儲層油氣賦存度高，含氣性好。隨著埋深的增加，地層溫度升高，甲烷吸附能力降低[14-16]，游離氣含量上升，使得深層頁巖氣井可以獲得較高的初期產(chǎn)能。以與研究區(qū)I類儲層鉆遇率相當(dāng)?shù)你@井為例，從壓力系數(shù)與無阻流量關(guān)系（圖12）可以看出，隨著地層壓力系數(shù)的升高，氣井往往可以獲得更高的初期產(chǎn)能，進(jìn)一步說明由于受埋藏深度及良好保存條件的共同控制，地層能量對油氣的富集起到了關(guān)鍵作用。高地層壓力導(dǎo)致儲層高含氣量和初期高產(chǎn)的另一個原因是異常高壓對高硅質(zhì)頁巖儲層孔隙具有良好的保護(hù)作用，避免了后期成巖作用的影響[17]。觀察有機(jī)孔掃描電鏡下特征發(fā)現(xiàn)（圖13），有機(jī)質(zhì)孔多呈現(xiàn)圓—次圓的形狀，表明高地層壓力下的生烴增壓抑制了壓實(shí)作用對孔隙的破壞。

圖10 研究區(qū)五峰—龍馬溪組巖心裂縫Fig.10 Core fracture of Wufeng-Longmaxi Formation in study area

圖11 永川地區(qū)裂縫預(yù)測Fig.11 Fracture prediction of Yongchuan area

圖12 壓力系數(shù)與無阻流量交會圖Fig.12 Cross plot of pressure coefficient and open flow

圖13 有機(jī)孔在微觀鏡下特征Fig.13 Characteristics of organic pores under SEM

針對研究區(qū)深層頁巖氣儲層特征，高產(chǎn)富集區(qū)帶優(yōu)選從優(yōu)質(zhì)頁巖儲層發(fā)育情況、構(gòu)造樣式、裂縫發(fā)育程度以及頂?shù)装鍡l件等方面開展綜合分析評價。在落實(shí)富集高產(chǎn)主控因素的基礎(chǔ)上，針對深層頁巖氣，開展以壓裂為主導(dǎo)的工程地質(zhì)特征研究，特別是在地應(yīng)力高、塑形增強(qiáng)的情況下，解決壓得開、撐得住、產(chǎn)得出的難題是實(shí)現(xiàn)效益開發(fā)的關(guān)鍵。

3 結(jié)論

1）永川地區(qū)五峰組—龍馬溪組龍一段發(fā)育深水陸棚相富有機(jī)質(zhì)頁巖沉積，縱向上劃分為13個小層，橫向展布穩(wěn)定，Ⅰ+Ⅱ類儲層厚度為41.5～71.5 m，中部背斜區(qū)受構(gòu)造擠壓的影響，儲層厚度略大于南北向斜區(qū)。

2）優(yōu)質(zhì)儲層發(fā)育在底部的2-31小層，具有“高TOC、高孔隙度、高脆性、高含氣量”的地質(zhì)特征和“低泊松比、高楊氏模量、高脆性指數(shù)、低應(yīng)力差值”的工程地質(zhì)特征，厚度為5.7～7.4 m，巖心及薄片表明該段以微紋層和細(xì)紋層為主，微觀孔隙發(fā)育，有機(jī)質(zhì)孔隙占比約為38.4%，最高可達(dá)78%。

3）鉆井實(shí)踐表明：I 類儲層的厚度及鉆遇長度與氣井測試產(chǎn)能相關(guān)性強(qiáng)，獨(dú)特的構(gòu)造樣式及相對發(fā)育的斷裂為油氣的保存和富集提供了保障，良好頂?shù)装鍡l件下的高地層壓力為有機(jī)孔的保存及高含氣量的賦存提供了關(guān)鍵地質(zhì)條件。