四川盆地東南緣頁巖氣富集模式
——以丁山地區(qū)上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖為例

倪 楷，王明筏，李 響

(中國石化 勘探分公司，成都 610041)

近年來，四川盆地及周緣海相頁巖氣勘探取得長足發(fā)展，長寧—昭通、涪陵、威遠、永川等地實現(xiàn)了商業(yè)開發(fā)并建產(chǎn)。其中，涪陵頁巖氣田截至2019年底已在上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組累計探明地質(zhì)儲量6 008.14×108m3，新建產(chǎn)能超百億立方米。繼涪陵頁巖氣田發(fā)現(xiàn)后，中國石化在南方海相“二元富集”理論的指導下實施勘探，在綦江—綦江南區(qū)塊丁山斷鼻構造的5口井均獲得了工業(yè)氣流，但5口井在頁巖氣產(chǎn)能、含氣性、地層壓力等方面存在明顯差異，反映了該區(qū)頁巖氣富集存在復雜性。本文針對丁山地區(qū)實際地質(zhì)條件，從天然氣在頁巖氣系統(tǒng)內(nèi)的賦存形式、運移方式及逸散路徑分析出發(fā)，探討分析了丁山地區(qū)頁巖氣富集模式。

1 丁山地區(qū)頁巖氣層基本特征

丁山地區(qū)地跨重慶、貴州兩地，構造上位于川東南斷褶帶，東南鄰黔北斷褶帶，為齊岳山斷裂控制下的一大型鼻狀斷背斜，地表三疊系、侏羅系均有出露(圖1)。頁巖氣產(chǎn)層五峰組—龍馬溪組一段巖性主要為黑色碳質(zhì)泥巖、黑色碳質(zhì)頁巖和黑色含粉砂泥巖，厚度一般80～85 m，為深水陸棚和淺水陸棚沉積。五峰組—龍馬溪組一段縱向具非均質(zhì)性，根據(jù)巖礦組成、有機質(zhì)豐度(TOC)、物性、含氣性等方面的差異性，將其由下向上劃分為①～⑨等9個小層(圖2)。①～⑤小層巖性以黑色碳質(zhì)頁巖為主，TOC、孔隙度、含氣量、脆性礦物含量均高于⑥～⑨小層，為含氣性、可壓裂性俱佳的優(yōu)質(zhì)頁巖氣層。優(yōu)質(zhì)頁巖氣層厚度介于28.9～35.5 m，平均TOC含量介于3.18%～3.85%，平均孔隙度介于3.03%～5.94%，平均脆性礦物含量介于60.1%～71.5%，平均含氣量介于2.12～6.79 m3/t。

圖1 四川盆地東南緣丁山地區(qū)構造位置及井位分布

圖2 四川盆地東南緣丁山地區(qū)A井上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組一段綜合柱狀圖

目前，丁山地區(qū)已實施5口頁巖氣探井。A井和C井位于東南部淺埋藏帶，導眼井頁巖氣層底界埋深分別為2 054 m和2 272 m，水平井測試分段壓裂分別獲得了日產(chǎn)3.4×104m3和3.5×104m3工業(yè)氣流；B井、D井和E井位于西北部中深埋藏帶，導眼井頁巖氣層底界埋深分別為4 368，3 731，3 818 m，水平井測試分段壓裂分別獲得了日產(chǎn)10.5×104，20.56×104，16.33×104m3頁巖氣流。其中，D井、E井產(chǎn)能達高產(chǎn)工業(yè)氣流標準，證實了丁山地區(qū)中深層為頁巖氣高產(chǎn)富集帶，形成了新的商業(yè)開發(fā)陣地。

2 丁山地區(qū)頁巖氣富集模式

頁巖氣的形成一般經(jīng)歷了超深埋藏和后期抬升，超深埋藏才能使頁巖中有機質(zhì)生烴并裂解成甲烷等輕烴為主的頁巖氣，后期抬升才使頁巖氣層具備適宜壓裂改造和工業(yè)開采的埋藏深度[1]，這2個過程中頁巖氣生成、賦存環(huán)境不斷變化，必然導致頁巖氣的聚集或逸散，因此，頁巖氣在這2個過程中的行為是頁巖氣富集與否的關鍵。

2.1 頁巖氣的早期形成與滯留

丁山地區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖鏡質(zhì)體反射率(Ro)平均值介于2.03%～2.28%[2]，處于過成熟、高溫裂解生氣階段。A井、C井和D井氣體組成以烴類氣體為主，甲烷含量介于97.78%～99.02%，乙烷含量介于0.44%～0.68%，為典型的干氣；另外，甲烷碳同位素組成介于-32.1‰～-29.1‰，乙烷碳同位素組成介于-38.4‰～-34.1‰，總體反映其具有較重的碳同位素，為熱成因特征(表1)。由此可見五峰組—龍馬溪組富有機質(zhì)頁巖在超深埋藏過程中經(jīng)歷不同階段的熱演化，最終形成了頁巖氣。

表1 四川盆地東南緣丁山地區(qū)上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組天然氣烴類組成及碳同位素特征

富有機質(zhì)頁巖埋藏生烴的同時排烴也在進行。據(jù)TISSOT等人的研究，排烴過程只會發(fā)生在靠近比頁巖物性更好的儲層，約14 m的范圍內(nèi)[3]，頁巖中的烴類在濃度差的驅動下才能夠向儲層有效排出。丁山地區(qū)五峰組—龍馬溪組一段頁巖氣層厚度一般介于83～90 m，上覆龍二段—龍三段含灰泥巖、泥質(zhì)灰?guī)r頂板及石牛欄組泥質(zhì)灰?guī)r均為致密巖，下伏臨湘組泥質(zhì)灰?guī)r底板也極為致密。這種情況下，泥頁巖的排烴效率更低，烴源巖內(nèi)油氣排運不暢而形成封閉體系。

天然氣碳同位素的證據(jù)更加證實富有機質(zhì)頁巖深埋生烴過程中一直處于封閉體系中[4-7]。丁山地區(qū)龍馬溪組頁巖氣具有碳同位素倒轉(δ13C1>δ13C2)的特征(表1)，這與涪陵頁巖氣田、彭水、長寧—昭通等[4，8]頁巖氣藏特征相同。對于頁巖氣碳同位素組倒轉的成因，一般認為是同一套烴源巖層內(nèi)不同熱演化階段或干酪根熱解、液態(tài)烴裂解等不同機制生成烴類氣體混合的結果[9-11]。作為源儲一體的頁巖氣層，只有早期低演化時期生成的液態(tài)烴滯留在頁巖孔隙中，后期超深埋藏高演化階段泥頁巖中液態(tài)烴裂解成濕氣、濕氣裂解成干氣以及干酪根裂解生氣過程中一直保持封閉狀態(tài)，這種情況才會發(fā)生。

2.2 頁巖氣的晚期保存

晚期構造抬升使得頁巖氣滯留環(huán)境發(fā)生改變，破裂作用、剝蝕作用對頁巖氣藏晚期逸散或富集影響深遠，在各種因素作用下，經(jīng)歷漫長的地質(zhì)時期，一些地方滯留富集，一些地方頁巖氣豐度降低或遭到破壞[12-16]。特定的頁巖氣層和構造環(huán)境下，頁巖氣系統(tǒng)調(diào)整、重構，天然氣在此過程中的運移行為決定了頁巖氣的保存和散失。

2.2.1 構造破裂改變頁巖氣垂向封閉性

丁山地區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖氣層自身及頂?shù)装寰鶠轫搸r、灰?guī)r等致密巖，基質(zhì)封堵性好，又有致密、穩(wěn)定分布的直接蓋層分布，若無破裂，就能有效阻止油氣垂向逸散，但因后期構造致裂作用使其復雜化。

斷裂及伴生高角度縫發(fā)育是頁巖氣層垂向封閉的不利因素。美國 Barnett 頁巖氣藏[17]、涪陵氣田東南部與西南部、南天湖地區(qū)[1]鉆探均揭示，斷裂帶附近高角度裂縫發(fā)育區(qū)含氣量和產(chǎn)量均有不同程度的降低。丁山地區(qū)5口頁巖氣井鉆探顯示：A井、C井頂板和直接蓋層中高角度裂縫均極為發(fā)育，D井、E井頂板中高角度裂縫欠發(fā)育，直接蓋層中高角度縫發(fā)育，B井頂板和直接蓋層中高角度裂縫均欠發(fā)育。值得注意的是，無論高角度縫較發(fā)育的井還是高角度縫相對不發(fā)育的井，高角度縫在縱向上的分布都并非連續(xù)的，明顯存在隔層(圖3)，反映高角度縫對頁巖氣層垂向封閉性的影響范圍有限。

圖3 四川盆地東南緣丁山地區(qū)上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖氣層及頂?shù)装甯呓嵌攘芽p發(fā)育程度對比

2.2.2 抬升剝蝕改變頁巖氣層側向封堵性

頁巖中礦物的成層堆積，有機質(zhì)、黏土等礦物順層排列，同時有機質(zhì)孔、黏土礦物孔等孔隙也趨于順層分布，造成橫向滲透率遠高于垂向滲透率。D井五峰組—龍馬溪組樣品實驗分析結果(圖4)表明，頁巖水平滲透率比垂直滲透率高29～1 804倍[12]。另外，頁巖層間為薄弱面，構造抬升過程中容易滑動形成順層分布的裂縫，這種層間滑脫形成的層間滑動縫在五峰組—龍馬溪組頁巖中普遍分布，且主要集中分布在①—⑤小層優(yōu)質(zhì)頁巖氣層段。因此，頁巖側向封堵性是影響頁巖氣后期保存的重要因素。

圖4 四川盆地東南緣丁山地區(qū)D井龍馬溪組頁巖縱橫向滲透率對比

抬升剝蝕使得頁巖埋深整體變淺，側向封堵性發(fā)生差異變化。涪陵頁巖氣田的焦頁2井龍一段4個頁巖樣品無覆壓的平均滲透率介于(0.001 6～65.646 3)×10-3μm2，覆壓實驗表明，頁巖滲透率隨上覆有效壓力的增大而降低(圖5)。泥頁巖人造裂縫滲透率與圍壓關系也顯示，隨著作用于裂縫面的有效應力的增加，裂縫的開啟度逐漸降低，當有效應力高于35 MPa左右時，裂縫趨于閉合，據(jù)此估算丁山地區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖水平裂縫閉合深度約為2 500m。

圖5 頁巖滲透率與有效上覆壓力關系

2.2.3 垂向和橫向聯(lián)合擴散、滲流主導了頁巖氣運移全過程

頁巖儲層垂直方向上極低的滲透率，加之裂縫分布的非均質(zhì)性，使頁巖氣在儲層內(nèi)單方向上的運移容易受阻，而頁巖中垂直方向和順層方向的孔縫組合產(chǎn)生曲徑通幽的效果，主導了頁巖氣的運移過程。丁山地區(qū)頁巖氣儲層中高角度縫與水平裂縫主要有2種：一種是高角度裂縫發(fā)育在兩順層滑動縫之間，延伸受限于滑脫面，主要為先期形成的高角度縫在后期構造擠壓作用下順層滑脫而錯開所致；另一種是高角度縫貫穿多條順層滑動縫，而后終止于頁巖內(nèi)部(圖6)。這種特點決定了頁巖儲層中的天然氣不大可能直接通過單條高角度縫垂直向上運移。天然氣在頁巖儲層中運移最可能的方式是：先在濃度差的驅動下以擴散的方式順層運移到高角度裂縫，再以滲流的方式由高角度裂縫垂向運移至層間滑動縫或頁理縫，再向高部位階梯式運移至其他高角度裂縫或斷裂，以一種接力的方式在層內(nèi)運移或向外逸散。

圖6 四川盆地東南緣丁山地區(qū)頁巖氣層段巖心裂縫系統(tǒng)

天然氣碳同位素的證據(jù)揭示了丁山地區(qū)頁巖氣的這種運移方式的存在。A井五峰組—龍馬溪組一段①—⑤小層測試地層壓力系數(shù)為1.06，評價認為井區(qū)頁巖氣保存條件欠佳，說明該井區(qū)頁巖氣確實經(jīng)歷過大規(guī)模逸散。五峰組—龍馬溪組一段頁巖氣藏縱向存在分隔現(xiàn)象[18-23]。將天然氣乙烷碳同位素與干酪根碳同位素(圖7)對比發(fā)現(xiàn)：①小層、②—⑤小層和⑥—⑦小層中干酪根碳同位素值差異明顯，相應層段天然氣乙烷碳同位素值卻趨于相同；⑧—⑨小層與頂板龍二—龍三段中干酪根碳同位素差異明顯，相應層段天然氣乙烷碳同位素值也趨于相同。以上特征總體反映A井頁巖儲層中頁巖氣發(fā)生了①小層與②—⑦小層之間的垂向運移，同時發(fā)生了⑧—⑨小層與頂板之間頁巖氣運移。因此，高角度縫的存在只是使得A井①—⑦小層相互溝通，但其垂向封閉性并未破壞，⑧—⑨小層與頂板連通，可能存在垂向逸散?？傊佟咝又刑烊粴庠诖瓜蚍忾]性良好的情況下，其逸散方式只能向構造高部位側向運移，再通過斷裂及伴生裂縫發(fā)育帶散失；⑧—⑨小層可能單一垂向與垂向—橫向聯(lián)合兩種逸散方式都有發(fā)生。

圖7 四川盆地東南緣A井五峰組—龍馬溪組干酪根與解吸氣乙烷碳同位素分布

2.3 丁山地區(qū)頁巖氣富集模式

2.3.1 構造類型與演化

丁山構造為齊岳山大斷裂帶控制下的逆沖推覆構造，整體形態(tài)表現(xiàn)為北東—南西向鼻狀背斜，鼻狀凸起與齊岳山斷裂呈“斷凹”相隔，整體呈近齊岳山的盆緣推覆和盆內(nèi)褶皺構造格局。丁山構造主體為NE走向，同時還存在NW走向，NW向構造構成鼻狀凸起。發(fā)育兩組三級斷層：一級斷層主要為齊岳山斷裂帶派生斷層，走向為北東向，切穿二疊系，斷距較大；二級斷層以北北西向為主，延伸較長，斷距較小；三級斷層延伸短、斷距小，多為層間小斷層。構造主體大斷層不發(fā)育。燕山晚期—喜馬拉雅期(J-N)江南隆起NW方向的強烈推覆擠壓，使該區(qū)地層快速隆升剝蝕，同一時期內(nèi)隨后疊加黔中隆起NE方向擠壓以及川中古隆起SE方向的反沖作用，形成丁山現(xiàn)今鼻狀構造形態(tài)。

丁山構造齊岳山斷層西側表現(xiàn)為正向構造單元，即為丁山鼻狀構造，在齊岳山斷層逆沖的同時，其前緣存在一系列的隱伏逆沖斷層，從而使得五峰組—龍馬溪組高程的變形通過分級逆沖，從盆緣向盆內(nèi)逐漸變低，構造變形由齊岳山斷層與前緣隱伏斷層共同控制(圖8)。

圖8 四川盆地東南緣丁山地區(qū)構造剖面

2.3.2 頁巖氣運移方式和運移強度

晚期構造抬升使得丁山鼻狀構造不同部位斷裂、高角度裂縫發(fā)育和順層縫封閉性及與控盆斷裂關系存在差異，從而決定了丁山鼻狀構造不同部位頁巖氣運移方式、運移強度的不同。

東南部淺埋區(qū)緊靠齊岳山斷裂帶，受來源于齊岳山逆沖推覆近東西向的古應力影響和川中隆起、黔中隆起以及綦江斷裂聯(lián)合作用引發(fā)的SW—NE向應力的影響，高角度縫發(fā)育，頁巖埋深大多小于2 500 m，順層縫封閉性差(圖9)。頁巖氣運移過程為：先由基質(zhì)孔隙擴散進入高角度縫，然后以滲流的方式向上運移，由于縱向隔層的阻擋，不能直接縱向進入上覆地層，便就近運移到與之相通的順層縫，再以滲流的方式順層運移，進入下一條高角度縫，再進入下一條順層縫。頁巖儲層中的天然氣以這種垂向—橫向聯(lián)合的方式向外運移，直到逸散區(qū)。由于東南部淺埋區(qū)頁巖儲層裂縫發(fā)育，加之頁巖氣在高角度縫—順層縫中以滲流的方式運移，又緊鄰控盆斷裂帶，所以運移強度較高。

西北部中深埋藏區(qū)遠離齊岳山斷裂帶，主要發(fā)育1個期次的斷層伴生縫，頁巖埋深介于2 500～5 000 m(圖9)，順層縫封閉性好。頁巖氣從基質(zhì)孔隙擴散進入高角度縫后，垂向、橫向滲流通道都堵死，因而幾乎不能以滲流的方式在高角度縫—順層縫中運移，只能以擴散的方式，在濃度差的驅動下順層向外運移，加上遠離控盆斷裂，運移強度低。

圖9 四川盆地東南緣丁山地區(qū)五峰組底界構造等值線及燕山晚期—喜馬拉雅期應力分布特征

2.3.3 頁巖氣富集模式

丁山地區(qū)五峰組—龍馬溪組一段頁巖儲層基質(zhì)封閉性好，頁巖氣難以直接在基質(zhì)孔隙中運移，高角度縫—順層縫—控盆斷裂為頁巖氣運移的優(yōu)勢通道；高角度縫縱向延伸距離有限，順層縫橫向延伸距離遠。高角度縫發(fā)育程度、順層縫封閉性好壞及頁巖氣到控盆斷裂的運移路徑長短，決定了頁巖氣的富集或逸散。齊岳山斷裂帶、頁巖儲層埋深和距齊岳山斷裂帶的距離直接影響了高角度縫發(fā)育程度、順層縫封閉性及頁巖氣到控盆斷裂的運移路徑，因此是丁山地區(qū)五峰組—龍馬溪組一段頁巖氣富集成藏關鍵因素(圖10)。

圖10 四川盆地東南緣丁山地區(qū)志留系頁巖氣富集模式

齊岳山斷裂帶為控盆斷裂帶，斷裂及伴生裂縫發(fā)育，為頁巖氣逸散區(qū)。西北部中深埋區(qū)頁巖儲層埋深2 500～5 000 m，頁巖氣系統(tǒng)順層縫閉合，高角度縫相對不發(fā)育，垂向—橫向聯(lián)合滲流受阻，只能以擴散方式順層運移，加之遠離齊岳山斷裂帶，運移強度極低，至今保持了較高的含氣量(5～7 m3/t)，為頁巖氣滯留富集區(qū)。隨著地層由西北向南東方向呈階梯式抬升，到東南部淺埋區(qū)，頁巖儲層埋深減小到1 500～2 500 m，頁巖氣系統(tǒng)順層縫開啟，高角度縫發(fā)育，頁巖氣以滲流方式垂向—橫向聯(lián)合向外運移，因與齊岳山斷裂帶相鄰，運移強度較高，但由于頁巖氣由基質(zhì)孔隙向高角度縫擴散運移速率低，另外并不是所有高角度縫都與順層縫相通，因而只表現(xiàn)為頁巖儲層含氣量(2～3 m3/t)降低，并未完全逸散，為半滯留區(qū)(圖10)。

西北部中深埋區(qū)頁巖氣在頁巖儲層滯留富集，至今保持了較高的地層壓力，地層壓力系數(shù)介于1.50～1.85，加之地層溫度高，游離氣占總含氣量的比例高于60%。東南部淺埋區(qū)頁巖儲層中大部分游離氣逸散，地層壓力降低，壓力系數(shù)一般小于1.2，加之構造抬升使地層溫度降低，游離氣占總含氣量的比例下降到48%～60%。

3 結論

(1)丁山地區(qū)五峰組—龍馬溪組一段厚層的富有機質(zhì)頁巖為頁巖氣的生成提供了物質(zhì)基礎，超深埋藏階段形成了封閉體系，頁巖氣生成后實現(xiàn)了原地滯留聚集，后期抬升過程中封閉體系的調(diào)整、重構直接決定了頁巖氣的富集。

(2)丁山構造由西北向南東方向呈階梯式抬升，構造高部位的齊岳山斷裂帶為控盆斷裂帶，斷裂及伴生裂縫發(fā)育，為頁巖氣逸散區(qū)。西北部中深埋區(qū)遠離齊岳山斷裂帶，頁巖氣系統(tǒng)中水平裂縫閉合，高角度裂縫連通較差，大部分頁巖氣滯留在頁巖儲層中，為頁巖氣滯留富集區(qū)。東南部淺埋區(qū)與齊岳山斷裂帶相鄰，高角度縫發(fā)育，順層縫開啟，少部分頁巖氣滯留在頁巖儲層中，是頁巖氣半滯留區(qū)。

(3)保存條件控制了頁巖儲層中頁巖氣賦存形式。西北部中深埋區(qū)頁巖氣保存條件好，頁巖儲層為超壓壓力系統(tǒng)，游離氣占比超過60%；東南部淺埋區(qū)頁巖氣保存條件較差，部分游離氣散失，頁巖儲層變?yōu)槌簤毫ο到y(tǒng)，游離氣占比降低到60%以下。