川西地區(qū)上三疊統(tǒng)非常規(guī)天然氣勘探潛力分析

張 軍，張秀軍，何 偉，劉文輝

(四川省煤田地質(zhì)工程勘察設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610072)

非常規(guī)油氣是指所有不符合常規(guī)油氣成藏原理，或在成因、產(chǎn)狀、性質(zhì)、儲(chǔ)集介質(zhì)、封聚機(jī)理等方面具有特殊性的天然氣聚集[1]。目前，中國(guó)致密砂巖氣、煤層氣已進(jìn)入規(guī)模開(kāi)發(fā)階段，頁(yè)巖氣的開(kāi)發(fā)利用正在起步，非常規(guī)天然氣資源已成為中國(guó)能源供應(yīng)安全保障的重要基礎(chǔ)[2]。傳統(tǒng)意義上，烴源巖是富含有機(jī)質(zhì)的暗色細(xì)粒碎屑巖，儲(chǔ)集巖是具有連通孔隙和滲透性的巖石。而烴源巖與儲(chǔ)集巖在空間上往往存在某種過(guò)渡性，甚至可共生于一個(gè)區(qū)域內(nèi)的一套層系中[3]。

在油氣成藏地質(zhì)條件中，泥頁(yè)巖既是烴源巖，也是儲(chǔ)集巖和封蓋層，在成藏過(guò)程中，天然氣既可吸附于干酪根和黏土礦物表面，也可游離于微細(xì)孔隙及裂縫中。因此，泥頁(yè)巖的成藏范圍和成藏機(jī)理較常規(guī)氣藏要寬泛得多，其資源量也大得多。

目前，我國(guó)南方已設(shè)立了多個(gè)頁(yè)巖氣示范區(qū)，勘探對(duì)象以海相頁(yè)巖氣為主。2012年，國(guó)家發(fā)改委批準(zhǔn)成立延長(zhǎng)石油延安國(guó)家級(jí)陸相頁(yè)巖示范區(qū)，標(biāo)志著國(guó)家層面對(duì)陸相湖盆頁(yè)巖氣勘探拉開(kāi)序幕。中石化近期已完成四川盆地侏羅系陸相湖盆頁(yè)巖氣專項(xiàng)研究，顯示了對(duì)陸相湖盆頁(yè)巖氣勘探極積的準(zhǔn)備工作。

筆者認(rèn)為，川西地區(qū)上三疊統(tǒng)須家河組泥頁(yè)巖不但為致密砂巖氣提供充足氣源，其自身也具備成藏條件。在對(duì)川西地區(qū)須家河組致密砂巖氣勘探的同時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)共生的泥頁(yè)巖氣資源進(jìn)行綜合勘探，實(shí)施砂—泥巖一體化勘探的勘探策略。

1 巖性特征

受龍門(mén)山前陸盆地影響，川西前陸坳陷形成了海相—海陸過(guò)渡相—陸相退覆沉積，以三角洲、河流及湖泊相沉積為主，沉積中心位于彭州—都江堰一帶，厚度大于4 km?？v向上可6分，須三、須五段為湖泊沉積的砂泥巖互層，以泥頁(yè)巖為主；須二段為較穩(wěn)定分布的砂巖段夾薄層泥頁(yè)巖(腰帶子)；須四段在川西地區(qū)北段以扇三角洲體系砂礫巖為主，向南逐漸過(guò)渡為湖泊體系，粒度漸細(xì)，為泥頁(yè)巖夾砂巖組合。

(1)須六段(T3x6)。殘厚0～200 m，為一套砂巖、粉砂巖夾暗色泥頁(yè)巖不等厚頻繁互層，砂地比一般為0.5～0.6。

(2)須五段(T3x5)。殘厚0～500 m，為一套暗色泥頁(yè)巖為主，與砂巖、粉砂巖不等厚互層，砂地比為0.3～0.5。

(3)須四段(T3x4)。殘厚0～1 000 m，巖性變化較大，發(fā)育礫巖、砂巖、泥頁(yè)巖，礫巖、砂巖主要分布在川西地區(qū)中北部，向南逐漸變?yōu)楸由皫r、泥頁(yè)巖互層，砂地比一般為0.5～0.8。

(4)須三段(T3x3)。厚度200～1 000 m，為含煤湖沼相黑色泥頁(yè)巖夾薄層砂巖，砂地比為0.4～0.6。

(5)須二段(T3x2)。厚度300～600 m，按巖性可3分：上、下部為砂巖夾薄層泥頁(yè)巖，中部為砂巖與泥頁(yè)巖不等厚互層，但在川西南部地區(qū)，中部腰帶子不明顯，砂地比為0.8～0.95。

(6)須一段(T3x1)。厚度100～1 000 m，為海相沉積，巖性多樣，主要為黑色泥頁(yè)巖、炭質(zhì)頁(yè)巖、巖屑砂巖、石英砂巖及碳酸鹽巖，砂地比變化較大，為0.2～0.8。

總體來(lái)看，除須二段泥頁(yè)巖欠發(fā)育外，其余各段砂巖與泥頁(yè)巖各占一半(圖1)。加之川西地區(qū)須家河組厚度較大，砂巖與泥頁(yè)巖的累計(jì)厚度較大，為致密氣與泥頁(yè)巖氣勘探奠定了堅(jiān)實(shí)的物質(zhì)基礎(chǔ)。

圖1 四川盆地上三疊統(tǒng)須家河組砂地比等值線Fig.1 Sand plot contour map of Upper Triassic Xujiahe Formation，Sichuan Basin

2 泥頁(yè)巖地化特征

2.1 有機(jī)質(zhì)豐度

通過(guò)對(duì)川西地區(qū)上三疊統(tǒng)須家河組599個(gè)樣品有機(jī)碳含量的分析，樣品包含煤、炭質(zhì)頁(yè)巖、黑色泥頁(yè)巖、泥頁(yè)巖及粉砂質(zhì)泥巖。有機(jī)碳含量最大可達(dá)38.65%，平均2.07%。從分類(lèi)來(lái)看，煤樣的有機(jī)碳含量最高，平均達(dá)20.02%；炭質(zhì)頁(yè)巖次之，平均為4.46%；粉砂質(zhì)泥巖有機(jī)碳含量最小，平均為1.18%(圖2)。

圖2 川西地區(qū)須家河組不同巖類(lèi)有機(jī)碳含量Fig.2 Organic carbon content of different rocks in Xujiahe Formation in Western Sichuan

按層段分布看，以須五段泥頁(yè)巖有機(jī)碳含量最高，達(dá)4.35%，須一段、須三段、須四段泥頁(yè)巖有機(jī)碳含量處在同一水平，相差不大，分別為1.74%、1.91%、1.79%，須六段相對(duì)較低(1.08%)(圖3)。

圖3 川西地區(qū)須家河組不同層段有機(jī)碳含量Fig.3 Organic carbon content in different strata of Xujiahe Formation in Western Sichuan

2.2 有機(jī)質(zhì)類(lèi)型

川西地區(qū)上三疊統(tǒng)須一段為海相沉積，從12個(gè)樣品分析看(表1)，泥頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)干酪根類(lèi)型為Ⅱ1型和Ⅲ型，其中Ⅲ型干酪根類(lèi)型主要分布在川西地區(qū)北段，而Ⅱ1型干酪根類(lèi)型主要分布在川西中南部地區(qū)，與須一段沉積物源主要來(lái)自北部有關(guān)。

表1 川西地區(qū)須家河組須一段有機(jī)質(zhì)干酪根類(lèi)型分析Tab.1 Type analysis of organic matter kerogen in the Xujiahe Formation in Western Sichuan %

須家河組須三—須五段有機(jī)質(zhì)干酪根類(lèi)型以Ⅲ型為主，少量Ⅱ型干酪根，與該期為湖泊沉積體系、周緣陸源有機(jī)質(zhì)帶入較多有關(guān)。

2.3 有機(jī)質(zhì)演化程度

川西地區(qū)須家河組泥頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)熱演化程度總體較高，縱向上隨埋深增大而增高(圖4)，須六段Ro值為1.1%～1.3%，須五段Ro值為1.2%～1.5%，須四段Ro值為1.3%～1.6%，須三段Ro值為1.4%～1.8%，須二段Ro值為1.5%～2.2%，須一段Ro值為1.7%～2.3%。須家河組泥頁(yè)巖整體進(jìn)入成熟—過(guò)成熟階段。

圖4 四川盆地須家河組烴源巖有機(jī)質(zhì)熱演化程度分布Fig.4 Distribution map of thermal evolution degree of organic matter in source rocks of Xujiahe Formation，Sichuan Basin

3 成藏特征

3.1 致密砂巖氣

對(duì)川西地區(qū)上三疊統(tǒng)須家河組致密氣成藏研究，前人作了大量的工作[4-12]，形成了3種觀點(diǎn)：①“早成藏，后改造”，強(qiáng)調(diào)古今構(gòu)造同時(shí)兼顧；②“早期成藏，后期保存”，強(qiáng)調(diào)成藏的早期性，勘探部署尋找古圈閉；③“先致密，后成藏”，強(qiáng)調(diào)尋找儲(chǔ)層“甜點(diǎn)”。從烴源巖有機(jī)質(zhì)熱演化和儲(chǔ)層演化史來(lái)看，侏羅紀(jì)，須家河組烴源巖開(kāi)始生烴，這時(shí)的砂巖儲(chǔ)層尚未致密化，具有較高的孔滲，該期形成的古隆起具有控藏作用，形成古油氣藏，這一時(shí)期的油氣藏屬常規(guī)油氣藏。白堊紀(jì)，隨著埋深的增大，烴源巖有機(jī)質(zhì)熱演化程度增高，生烴強(qiáng)度進(jìn)一步增大，生烴能力增強(qiáng)，但儲(chǔ)層普遍致密化，單靠孔隙型儲(chǔ)層難以成藏。因此，燕山晚幕形成的構(gòu)造帶及相關(guān)裂縫系統(tǒng)可以溝通孔隙，形成孔隙—裂縫儲(chǔ)滲體，從而形成的非常規(guī)氣藏。川西地區(qū)須家河組致密砂巖氣藏主要包含兩方面，一方面是早期形成的古油氣藏的演化，另一方面是燕山晚期因構(gòu)造作用形成的孔隙—裂縫系統(tǒng)成藏。從分布上看，前者主要分布在川西地區(qū)南部，后者主要分布在川西地區(qū)北部。

3.2 頁(yè)巖氣

按有機(jī)生烴說(shuō)，烴源巖主體是暗色細(xì)粒碎屑巖(包括泥頁(yè)巖)，在成巖演化過(guò)程中，烴源巖所生成的一部分油氣被排出、運(yùn)移到較高孔隙性、滲透性的巖層中，并富集成藏，形成致密砂巖氣和常規(guī)氣藏。未被運(yùn)移走的油氣以2種方式保存在烴源巖中：干酪根及黏土礦物吸附、烴源巖中微細(xì)孔隙及裂縫，即頁(yè)巖氣。大量的勘探實(shí)踐和研究表明，烴源巖生成的油氣中只有極少量部分運(yùn)移到圈閉中，大部分賦存(滯留)在泥頁(yè)巖中。

從國(guó)內(nèi)外214個(gè)含氣盆地天然氣聚集系數(shù)統(tǒng)計(jì)看，中值為0.6%。其中14個(gè)含氣盆地天然氣的聚集系數(shù)為0.1%～9.5%，平均為2.3%，一般分布在0.1%～1.5%。從我國(guó)一次資評(píng)情況來(lái)看，陸相盆地的天然氣聚集系數(shù)明顯高于海相碳酸鹽巖區(qū)域。陸相盆地天然氣聚集系數(shù)一般為0.3%～2.5%，即便如此，仍有90%多的油氣保留在泥頁(yè)巖中，顯示泥頁(yè)巖賦氣潛力巨大。

經(jīng)計(jì)算，四川盆地上三疊統(tǒng)須家河組源巖總生氣量為284.20×1012m3，其中泥質(zhì)源巖生氣量為259.69×1012m3，占總生氣量的91.38%；煤巖生氣量為24.51×1012m3，占總生氣量的8.62%。其中川西地區(qū)生氣量最為豐富，總生氣量為136.62×1012m3，占全盆地須家河組源巖生氣量的48.07%。

4 砂—泥巖一體化勘探的可行性及意義

4.1 砂—泥巖均屬超低孔滲

川西地區(qū)須家河組除須二段外，其他巖性段的砂巖、泥頁(yè)巖厚度占比各半。分析測(cè)試表明，砂巖物性較好的為中粒、粗粒砂巖，而細(xì)砂巖、粉砂巖、泥頁(yè)巖的孔、滲大體相近(圖5)。川西地區(qū)須家河組各段的中粒、粗粒砂巖厚度小，這些中—粗粒砂巖大多以薄層狀分布，縱向上形成中—粗砂巖向泥頁(yè)巖過(guò)渡的多個(gè)沉積旋回。單旋回的厚度從數(shù)米到數(shù)十米不等，整體表現(xiàn)為薄砂薄儲(chǔ)，與川中地區(qū)須家河組形成鮮明對(duì)比。因此，單純尋找物性較好的中—粗粒砂巖作為勘探對(duì)象，在儲(chǔ)層預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)技術(shù)存在難度，其預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性和有效性不高，制約了勘探進(jìn)程。

圖5 川西地區(qū)須家河組不同巖類(lèi)物性特征Fig.5 Physical characteristics of different rocks of Xujiahe Formation in Western Sichuan region

因此，針對(duì)砂泥巖互層、砂巖—泥巖均可賦(含)氣、物性總體屬超低孔滲、尋找致密砂巖儲(chǔ)層“甜點(diǎn)”難度大的特點(diǎn)，需對(duì)川西地區(qū)須家河組非常規(guī)氣(致密砂巖氣、頁(yè)巖氣)實(shí)施一體化勘探。

4.2 多種氣藏類(lèi)型共存

勘探表明，川西地區(qū)上三疊統(tǒng)須家河組表現(xiàn)為多種氣藏類(lèi)型共存的特點(diǎn)：①常規(guī)氣藏與非常規(guī)氣藏共存，在川西前陸沖斷帶存在構(gòu)造圈閉氣藏，如中壩、平落壩、邛西須二氣藏[13-15]，它們均表現(xiàn)為典型的常規(guī)氣藏；而在川西前陸坳陷帶，則主要分布非常規(guī)致密砂巖氣藏，如新場(chǎng)須二氣藏[16]、劍門(mén)須三氣藏[17]等。②在非常規(guī)氣藏中，也不僅僅只存在致密砂巖氣藏一種類(lèi)型。事實(shí)上，在川西不同地區(qū)鉆井中，泥頁(yè)巖、煤層的顯示頻繁，甚至出現(xiàn)井噴等高級(jí)別顯示[18]，由于在以往的勘探中，只關(guān)注砂巖地層，對(duì)泥頁(yè)巖勘探不夠重視?？梢?jiàn)，對(duì)砂巖、泥頁(yè)巖實(shí)行一體化勘探，有助于發(fā)現(xiàn)更多的頁(yè)巖氣藏，甚至煤層氣藏。

4.3 天然氣賦存狀態(tài)及勘探工藝的共性

不同的氣藏類(lèi)型具有不同的勘探方法，頁(yè)巖氣和煤層氣多以吸附狀態(tài)賦存在巖石顆粒的表面，按美國(guó)已開(kāi)發(fā)頁(yè)巖氣田的測(cè)試值，吸附氣所占比例可以為20%～80%[19]，另一部分游離在微孔隙及裂縫中。頁(yè)巖氣和煤層氣的開(kāi)發(fā)手段以水平鉆井和壓裂為主，這些氣井具有較長(zhǎng)的生產(chǎn)期，不同的是，煤層氣開(kāi)發(fā)以排水降壓解吸為主，而頁(yè)巖氣的分段壓裂具有更強(qiáng)的造縫能力。

對(duì)致密砂巖氣的經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)主要依靠水平井和壓裂工藝對(duì)儲(chǔ)層進(jìn)行改造，與頁(yè)巖氣開(kāi)采具有相似之處，這就為川西地區(qū)須家河組砂—泥巖一體化勘探創(chuàng)造了條件，這2種氣藏類(lèi)型的開(kāi)發(fā)工藝大同小異，針對(duì)不同井段的巖性，需對(duì)壓裂液的配方、構(gòu)成進(jìn)行調(diào)整。

致密砂巖氣、頁(yè)巖氣在空間上具有密切的共生關(guān)系，加上開(kāi)發(fā)技術(shù)工藝、地面及井下設(shè)備類(lèi)似，為川西須家河組非常規(guī)共生資源的綜合勘探提供了技術(shù)保障[20]。

4.4 意義

川西地區(qū)上三疊統(tǒng)須家河組具有巨大的資源量，早期針對(duì)砂巖的勘探盡管取得了一些進(jìn)展，但發(fā)現(xiàn)的資源量與潛在的資源量相差甚遠(yuǎn)，大量的天然氣尚未被發(fā)現(xiàn)，其中大部分賦存在泥頁(yè)巖中，而川西須家河組砂泥巖互層為致密砂巖氣、頁(yè)巖氣一體化勘探提供了條件。

如果以“單打一”的勘探方式，只尋找砂巖儲(chǔ)層，對(duì)川西須家河組薄砂薄儲(chǔ)特征來(lái)講，難度很大，風(fēng)險(xiǎn)也很大；但如果實(shí)行“組合拳”對(duì)砂泥巖一體化勘探，發(fā)現(xiàn)氣藏的概率會(huì)相對(duì)增高，不但可以采取大斜度井、水平井勘探，也可實(shí)行叢式井勘探。

5 結(jié)論

(1)川西地區(qū)上三疊統(tǒng)須家河組厚度大，縱向上表現(xiàn)為砂泥巖互層，橫向上巖性變化頻繁。須家河組泥頁(yè)巖有機(jī)碳含量較高，以須五段最高，有機(jī)質(zhì)熱演化程度較高，泥頁(yè)巖單層厚度和累計(jì)厚度較大，賦存了大量的天然氣。

(2)川西地區(qū)上三疊統(tǒng)常規(guī)氣藏與非常規(guī)氣藏共存，非常規(guī)氣藏致密砂巖氣與頁(yè)巖氣共生。

(3)致密砂巖氣和頁(yè)巖氣的開(kāi)發(fā)具有相似之處，為非常規(guī)共生資源一體化勘探的可行性提供了條件，也為川西地區(qū)非常規(guī)油氣勘探提出了新的勘探思路和方向。