湖相頁(yè)巖油氣富集主控因素與勘探潛力
——以四川盆地涪陵地區(qū)侏羅系為例

胡東風(fēng) 魏志紅 劉若冰 魏祥峰 陳斐然 劉珠江

中國(guó)石化勘探分公司

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)在不同層系、不同領(lǐng)域的頁(yè)巖油氣勘探開發(fā)取得積極進(jìn)展[1-3]，其中，四川盆地及周緣上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組海相頁(yè)巖氣已實(shí)現(xiàn)了商業(yè)性開發(fā)[4-5]；湖相頁(yè)巖油氣勘探開發(fā)工作從2010年開始起步，主要集中在四川盆地侏羅系和鄂爾多斯盆地三疊系，多口鉆井獲得了工業(yè)氣流，但尚未實(shí)現(xiàn)規(guī)模性商業(yè)開發(fā)[6-8]。

2010—2013年，中國(guó)石油化工股份有限公司（以下簡(jiǎn)稱中國(guó)石化）針對(duì)四川盆地元壩地區(qū)和涪陵地區(qū)北部下侏羅統(tǒng)自流井組大安寨段、建南地區(qū)下侏羅統(tǒng)自流井組東岳廟段等目標(biāo)開展了油氣勘探評(píng)價(jià)，并取得積極進(jìn)展[9-14]。目前，在前期的勘探生產(chǎn)實(shí)踐過(guò)程中，四川盆地多口井在侏羅系湖相頁(yè)巖層段鉆遇良好的油氣顯示，且多口兼探井在侏羅系湖相頁(yè)巖層段測(cè)試獲中—高產(chǎn)工業(yè)氣流，展現(xiàn)了良好的勘探前景。2021年1月，中國(guó)石化在四川盆地涪陵北部拔山寺向斜針對(duì)中侏羅統(tǒng)涼高山組實(shí)施的第一口頁(yè)巖油氣探井——泰頁(yè)1井，通過(guò)水平井鉆井及分段壓裂測(cè)試，獲得日產(chǎn)天然氣7.5×104m3、日產(chǎn)原油9.8 m3，實(shí)現(xiàn)了涼高山組湖相頁(yè)巖油氣勘探重大突破，極大地增強(qiáng)了湖相頁(yè)巖油氣商業(yè)開發(fā)的信心[15]。

湖相頁(yè)巖氣發(fā)育層系多，分布區(qū)塊較廣，勘探潛力大，但是目前仍然面臨著賦存機(jī)理和富集主控因素不清等問(wèn)題。筆者通過(guò)對(duì)富集主控因素的研究，明確涪陵地區(qū)湖相頁(yè)巖油氣勘探開發(fā)潛力，優(yōu)選有利勘探目標(biāo)，以期推進(jìn)四川盆地湖相頁(yè)巖油氣的勘探開發(fā)進(jìn)程、實(shí)現(xiàn)湖相頁(yè)巖油氣高效規(guī)模開發(fā)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

涪陵地區(qū)隸屬川東高陡構(gòu)造帶，受龍門山、齊岳山斷裂的影響，構(gòu)造呈現(xiàn)北東向展布的格局，發(fā)育一系列北東—南西向延伸的隔檔式分布的大型復(fù)背斜和復(fù)向斜（圖1）。涪陵地區(qū)發(fā)育晚震旦世至侏羅紀(jì)地層，除晚志留世到早石炭世地層外，各時(shí)代地層發(fā)育齊全。受四川盆地侏羅系3次大規(guī)模湖侵影響，涪陵地區(qū)沉積發(fā)育下侏羅統(tǒng)自流井組東岳廟段、大安寨段及中侏羅統(tǒng)涼高山組3套富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖[16]。

涪陵地區(qū)涼高山組主要為湖泊—三角洲沉積，根據(jù)巖性變化及組合特征自下而上劃分為3段8小層（圖1）。涪陵地區(qū)涼高山組經(jīng)歷了一次完整的湖侵—湖退旋回。從涼一段開始，持續(xù)湖侵，在涼二段早期達(dá)到了最大湖泛期，對(duì)應(yīng)④小層，發(fā)育以半深湖相為主的黑色頁(yè)巖，頁(yè)巖品質(zhì)較好，此后開始湖退。涪陵地區(qū)涼高山組富有機(jī)質(zhì)泥巖和頁(yè)巖主要集中在②～④小層，巖性主要以灰黑色泥巖和頁(yè)巖為主，夾少量粉砂巖、細(xì)砂巖。

圖1 涪陵地區(qū)構(gòu)造劃分與泰頁(yè)1井地質(zhì)綜合柱狀圖

2 頁(yè)巖油氣成藏地質(zhì)條件

泰頁(yè)1井巖心觀察揭示，涼高山組暗色泥巖和頁(yè)巖主要發(fā)育在涼一段上—涼二段下，即②～④小層，3個(gè)小層之間被厚度介于3～5 m的致密泥質(zhì)粉砂巖或粉砂巖分隔，其中④小層頁(yè)巖連續(xù)厚度最大（25.20 m）。

有機(jī)地球化學(xué)分析結(jié)果顯示，④小層富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖總體表現(xiàn)出厚度大、有機(jī)質(zhì)豐度較高、有機(jī)質(zhì)熱演化程度適中的特征。其中，總有機(jī)碳含量（TOC）介于0.47%～3.06%，平均值為1.56%，明顯比②小層、③小層高；有機(jī)質(zhì)顯微組分主要為殼質(zhì)組和鏡質(zhì)組，有機(jī)質(zhì)類型為混合型；鏡質(zhì)組反射率（Ro）介于1.29%～1.43%，平均值為1.34%，處于成熟—高成熟演化階段。

④小層富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖黏土礦物含量平均值為48.9%；長(zhǎng)英質(zhì)含量平均值為40.3%；碳酸鹽巖礦物含量平均值為3.43%；其中黏土礦物中伊蒙混層含量較高，平均值為47.24%，混層比介于20%～30%；總體具有低石英、高黏土礦物含量的特征。

④小層富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖相對(duì)于其他小層，具有孔隙度高、含氣性好的特征，測(cè)井解釋平均孔隙度為3.52%，平均含氣量為1.81 m3/t；②、③小層孔隙度及含氣量較低，孔隙度分別為2.90%、3.05%，平均含氣量分別為0.48 m3/t、1.28 m3/t（圖1）。頁(yè)巖儲(chǔ)集空間類型以無(wú)機(jī)孔（黏土礦物孔）為主，有機(jī)質(zhì)孔局部發(fā)育，微裂縫是重要儲(chǔ)集空間，多表現(xiàn)為水平頁(yè)理縫、粒緣縫及黏土礦物收縮縫，具有典型湖相頁(yè)巖微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征（圖2）。

圖2 涪陵地區(qū)涼高山組泥頁(yè)巖儲(chǔ)層孔隙特征照片

綜上所述，④小層富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖厚度較大，相對(duì)②、③小層表現(xiàn)出TOC、孔隙度、黏土礦物含量及含氣量均較高的特征，為典型的半深湖相優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖，為陸相頁(yè)巖油氣富集提供了物質(zhì)基礎(chǔ)（表1）。

表1 涪陵地區(qū)泰頁(yè)1井涼高山組泥頁(yè)巖主要參數(shù)表

3 湖相頁(yè)巖油氣富集主控因素

3.1 半深湖相優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖具有高TOC、高孔隙度、高含氣量的特征，是頁(yè)巖油氣富集的基礎(chǔ)

借鑒經(jīng)典的頁(yè)巖氣“二元富集”理論，優(yōu)質(zhì)的烴源巖是頁(yè)巖氣富集高產(chǎn)的物質(zhì)基礎(chǔ)[17]。前期研究認(rèn)識(shí)到湖相富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖發(fā)育受沉積相帶控制明顯，平面分布非均質(zhì)性較強(qiáng)[18]。

從沉積過(guò)程來(lái)看，湖盆沉積水動(dòng)力條件所產(chǎn)生的機(jī)械和化學(xué)分異作用，制約著陸源碎屑及有機(jī)質(zhì)的遷移和聚集。一方面體現(xiàn)在巖性組合上，濱湖—淺湖—半深湖，砂質(zhì)含量逐漸降低，黏土礦物含量逐漸增加（圖3-a）；另一方面陸源母質(zhì)的富集常具有明顯的分帶性，其中濱湖三角洲相主要富集惰質(zhì)組和鏡質(zhì)組，淺湖及半深湖相多受重力流沉積體系控制富集殼質(zhì)組，深湖相則主要富集超顯微組分[19]。

受陸源碎屑及生烴母質(zhì)的差異控制，不同相帶頁(yè)巖品質(zhì)存在較大差異，其中半深湖相—深湖相頁(yè)巖TOC、孔隙度、含氣量均高于濱湖相、淺湖相頁(yè)巖（圖3-b），具備形成大量頁(yè)巖油氣富集的物質(zhì)基礎(chǔ)及儲(chǔ)集空間。另外，綜合現(xiàn)場(chǎng)含氣量測(cè)試、巖性掃描及電成像測(cè)井等特殊測(cè)井解釋結(jié)果，泰頁(yè)1井涼高山組不同巖性段孔隙度和含氣性差異較大，總體表現(xiàn)為TOC高的暗色泥巖和頁(yè)巖孔隙度、含氣量最高，TOC低的粉砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、細(xì)砂巖的物性和含氣性則相對(duì)較差（圖3-c）。

圖3 涪陵地區(qū)湖相沉積特征圖

3.2 發(fā)育大型寬緩向斜、保存條件好，是富集高產(chǎn)的關(guān)鍵

涪陵地區(qū)位于典型川東高陡構(gòu)造帶隔檔式構(gòu)造區(qū)帶，呈“三隆兩凹”構(gòu)造格局（圖1），其中黃泥塘背斜、茍家場(chǎng)背斜為高陡背斜，翼部地層傾角較大，介于10°～30°；拔山寺向斜（寬度介于8～20 km）、梁平向斜（寬度為13 km）寬緩，斷層欠發(fā)育，地層傾角小，多介于1°～2°。

研究區(qū)縱向上以滑脫層為界，可分為上構(gòu)造層（侏羅系—下三疊統(tǒng)嘉陵江組）、中構(gòu)造層（二疊系—寒武系）和下構(gòu)造層（震旦系—基底）。其中，侏羅系湖相頁(yè)巖埋藏較淺，屬于上構(gòu)造層。上構(gòu)造層的變形較為簡(jiǎn)單，受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)改造的影響主要表現(xiàn)為：①晚燕山期時(shí)（距今約70 Ma），受雪峰山推覆以及川中古陸回彈的影響，涪陵地區(qū)開始發(fā)育北東走向的三級(jí)斷層，該級(jí)斷層主要控制了高陡背斜區(qū)的隆起，導(dǎo)致目標(biāo)層接受長(zhǎng)期剝蝕，早期形成的保存單元遭到破壞；②喜馬拉雅期時(shí)（距今約30 Ma），涪陵地區(qū)在三級(jí)斷裂的控制下繼續(xù)隆升，受大巴山擠壓的影響，局部地區(qū)形成北西走向的層間小斷層；③越遠(yuǎn)離剝蝕區(qū)，三級(jí)斷層對(duì)地層變形的控制就越小，一般剝蝕區(qū)的距離大于4 km時(shí)，主控?cái)鄬拥挠绊懣梢院雎圆挥?jì)。因此，涪陵地區(qū)寬緩向斜地帶頁(yè)巖油氣保存條件幾乎不受斷層的影響。

前人的研究結(jié)果表明，頁(yè)巖測(cè)試產(chǎn)氣量與壓力系數(shù)具有一定的正相關(guān)性，超壓為頁(yè)巖氣的高產(chǎn)提供了充足的能量[20-21]。地層壓力實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)，涪陵地區(qū)多口井涼高山組和自流井組的壓力系數(shù)大于1.20，如泰頁(yè)1井涼二段地層壓力系數(shù)為1.20，涪頁(yè)10井東岳廟段壓力系數(shù)達(dá)1.75，福石1井大安寨段壓力系數(shù)為1.38。這些井區(qū)有一個(gè)共同的特點(diǎn)：地層傾角小于10°，距離剝蝕區(qū)的距離大于4 km。由此可見，地層抬升幅度小，距離剝蝕區(qū)越遠(yuǎn)，含氣量越高。拔山寺向斜和梁平向斜為大型寬緩向斜，地層抬升剝蝕小，構(gòu)造平緩穩(wěn)定，具備良好的保存條件。

3.3 涼高山組湖相頁(yè)巖微裂縫普遍發(fā)育，有利于頁(yè)巖油氣富集及后期壓裂改造

前期關(guān)于微裂縫對(duì)于頁(yè)巖油氣富集成藏及壓裂改造的影響研究較少，且主要集中在海相頁(yè)巖氣領(lǐng)域[22-23]。對(duì)湖相頁(yè)巖微裂縫發(fā)育特征、形成機(jī)制及其對(duì)壓裂改造作用的影響仍缺乏研究。

筆者從宏觀與微觀兩方面詳細(xì)刻畫湖相頁(yè)巖微裂縫發(fā)育特征。通過(guò)對(duì)泰頁(yè)1井涼高山組系統(tǒng)取心與詳細(xì)的巖心描述，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)涼高山組高角度縫普遍發(fā)育，且在頁(yè)巖段見豐富水平頁(yè)理縫；結(jié)合高分辨率掃描電鏡及高壓壓汞—氮?dú)馕铰?lián)合實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步明確微觀裂縫主要以水平頁(yè)理縫、粒緣縫及黏土礦物收縮縫為主，微裂縫寬度介于100～10 000 nm，分布范圍較廣。同時(shí)，與五峰組—龍馬溪組海相頁(yè)巖相比，涼高山組湖相頁(yè)巖大孔（大于50 nm）占比明顯較高，可達(dá)到31%，究其原因是：一方面湖相頁(yè)巖大于50 nm的粒間孔較多，另一方面主要受微裂縫相對(duì)較發(fā)育影響，導(dǎo)致大孔占比較高（圖4）。利用微米CT、全視域薄片及圖像法統(tǒng)計(jì)面孔率等多種方法，通過(guò)在多個(gè)視域人工識(shí)別微裂縫，分別統(tǒng)計(jì)陸相頁(yè)巖總孔隙度與裂縫孔隙度，得到微裂縫約占總孔體積20%。微裂縫發(fā)育不僅增加了儲(chǔ)集空間，而且縱橫向溝通了無(wú)機(jī)孔隙和有機(jī)孔隙，有利于陸相頁(yè)巖油氣富集[12-15]。

圖4 涪陵地區(qū)泰頁(yè)1井涼二段頁(yè)巖孔徑分布圖

通過(guò)系統(tǒng)分析湖相頁(yè)巖微裂縫發(fā)育控制因素，認(rèn)為主要受構(gòu)造與巖性兩方面因素影響。首先，構(gòu)造因素又可分為區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動(dòng)與局部構(gòu)造位置兩方面，從區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動(dòng)背景來(lái)看，泰頁(yè)1井位于川東高陡構(gòu)造帶拔山寺向斜南部，受大巴山、雪峰山隆起推覆及四川盆地反沖作用3個(gè)方向構(gòu)造應(yīng)力的影響，整體構(gòu)造變形作用較強(qiáng)；另一方面該井位于向斜東翼，受構(gòu)造作用影響較大，抬升幅度高，因此易產(chǎn)生微裂縫。而涪陸1井位于拔山寺向斜核部，受構(gòu)造作用影響較小，抬升幅度相對(duì)較低，微裂縫相對(duì)欠發(fā)育。其次，在相同的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)背景下，對(duì)比泰來(lái)601井不同層段微裂縫發(fā)育特征，涼高山組相對(duì)東岳廟段微裂縫明顯更發(fā)育，東岳廟段泥巖和頁(yè)巖黏土礦物含量較高（達(dá)56.5%），更偏塑性，局部可見少量層間滑脫面，高角度構(gòu)造成因微裂縫相對(duì)欠發(fā)育。

另外，為了深入探討微裂縫對(duì)壓裂改造作用的影響，筆者將泰頁(yè)1井與涪頁(yè)10井的壓裂施工情況及改造效果方面進(jìn)行了詳細(xì)對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)涪頁(yè)10井位于拔山寺向斜北部中心位置，構(gòu)造變形作用相對(duì)較弱，受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)及巖性的影響，東岳廟段一亞段目的層頁(yè)巖巖心及掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)微裂縫欠發(fā)育。在目的層埋深及壓裂改造工藝基本相同的條件下，泰頁(yè)1井加砂量、加砂強(qiáng)度及綜合砂液比相對(duì)涪頁(yè)10井高，受微裂縫發(fā)育程度及巖性特征影響，泰頁(yè)1井目的層改造體積達(dá)2 737×104m3，加砂改造效果較好，為該井頁(yè)巖油氣效益開發(fā)奠定了基礎(chǔ)（表2）。

表2 泰頁(yè)1井與涪頁(yè)10井壓裂施工參數(shù)對(duì)比表

4 涼高山組湖相頁(yè)巖油氣勘探潛力

4.1 優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖大面積展布，埋深適中，勘探潛力大

泰頁(yè)1井等鉆井揭示涼高山組優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖單層厚度多大于20 m，TOC平均值大于1.5%，展布面積大于2 000 km2（圖5）；有機(jī)質(zhì)類型以混合型為主，生烴潛力好；Ro多大于1.3%，已進(jìn)入高成熟階段。頁(yè)巖中無(wú)機(jī)孔與有機(jī)質(zhì)孔均較發(fā)育，微裂縫為重要儲(chǔ)集空間，測(cè)井解釋孔隙度基本大于3.5%。

圖5 涪陵地區(qū)涼二段④小層優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖厚度與沉積相、TOC疊合厚度圖

研究區(qū)整體位于向斜核部，地層平緩，壓力系數(shù)高，保存條件好；現(xiàn)場(chǎng)浸水實(shí)驗(yàn)測(cè)試顯示氣泡密集、含氣性好。綜合分析認(rèn)為，研究區(qū)涼高山組頁(yè)巖單層厚度大，頁(yè)巖品質(zhì)好且地層埋深適中，多介于2 000～2 800 m，勘探有利區(qū)面積為1 200 km2，初步評(píng)價(jià)頁(yè)巖氣資源量為1 922×108m3、頁(yè)巖油資源量為2 800×104t，勘探潛力較大。

4.2 適中的熱演化程度及微裂縫發(fā)育有利于頁(yè)巖油氣產(chǎn)出

前期勘探實(shí)踐表明，研究區(qū)湖相頁(yè)巖成熟度相對(duì)海相頁(yè)巖較低，油氣相態(tài)及流體性質(zhì)相對(duì)海相頁(yè)巖復(fù)雜，有效開發(fā)及高效動(dòng)用是湖相頁(yè)巖油氣能否獲得高產(chǎn)并實(shí)現(xiàn)商業(yè)開發(fā)的關(guān)鍵，而頁(yè)巖油氣自身的可流動(dòng)性及頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的滲透性特征對(duì)開發(fā)起到至關(guān)重要的作用[24-30]。

涪陵地區(qū)涼高山組頁(yè)巖實(shí)測(cè)Ro主要介于1.20%～1.50%，泰頁(yè)1井凉二段④小層優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖層段實(shí)測(cè)Ro平均值為1.34%，處于高成熟階段；地層流體壓力—溫度模擬計(jì)算分析地層壓力（pf）為31.45 MPa，露點(diǎn)壓力（pd）為 27.54 MPa，20 ℃條件下測(cè)定原油密度為0.776 8 g/mL，氣油比達(dá)6 917 m3/m3，主要為近臨界態(tài)凝析氣兼揮發(fā)性輕質(zhì)油藏，流動(dòng)性較好，有利于后期流動(dòng)和產(chǎn)出（圖6）。

圖6 涪陵地區(qū)泰頁(yè)1井涼二段地層流體壓力—溫度相圖

同時(shí)，受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)及巖性的影響，涪陵地區(qū)涼高山組頁(yè)巖發(fā)育層段微裂縫普遍發(fā)育，結(jié)合前文分析結(jié)果認(rèn)為，微裂縫發(fā)育對(duì)頁(yè)巖油氣富集成藏及高效開發(fā)主要存在3個(gè)方面的有利作用：①微裂縫明顯增加了頁(yè)巖大孔徑儲(chǔ)集空間占比，且有利于微納米級(jí)無(wú)機(jī)孔與有機(jī)孔溝通，有利于頁(yè)巖油氣富集成藏；②微裂縫發(fā)育在一定程度上對(duì)增強(qiáng)頁(yè)巖壓裂改造效果起到了積極作用；③在頁(yè)巖油氣排采階段，相對(duì)大孔徑微裂縫發(fā)育的頁(yè)巖滲透性明顯提升，有利于頁(yè)巖油氣流動(dòng)和產(chǎn)出。

目前，我國(guó)已在湖相頁(yè)巖氣儲(chǔ)層壓裂縫網(wǎng)形成機(jī)理、分段多簇壓裂技術(shù)等方面的技術(shù)方法上有一些探索，壓裂工藝技術(shù)不斷改進(jìn)完善[31-32]。因此，在研究區(qū)埋深適中（2 000～2 800 m）的涼高山組湖相頁(yè)巖油氣領(lǐng)域，有望實(shí)現(xiàn)頁(yè)巖氣高產(chǎn)并實(shí)現(xiàn)商業(yè)開發(fā)。

5 結(jié)論

1）四川盆地涪陵地區(qū)涼高山組二段④小層半深湖相富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖具備良好頁(yè)巖油氣成藏條件，單層厚度大，TOC、孔隙度及含氣量較高，泰頁(yè)1井在該層段獲得高產(chǎn)工業(yè)油氣流取得了四川盆地侏羅系湖相頁(yè)巖油氣重大突破。

2）侏羅系頁(yè)巖油氣富集高產(chǎn)主控因素為：半深湖相優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖具有高TOC、高孔隙度、高含氣量的特征，是頁(yè)巖油氣富集的基礎(chǔ)；發(fā)育大型寬緩向斜、保存條件好，是富集高產(chǎn)的關(guān)鍵；湖相頁(yè)巖微裂縫發(fā)育，有利于頁(yè)巖油氣富集與后期壓裂改造。

3）涪陵地區(qū)涼高山組湖相頁(yè)巖氣資源量為1 922×108m3、頁(yè)巖油資源量為2 800×104t，頁(yè)巖油氣勘探潛力較大，是下一步油氣增儲(chǔ)上產(chǎn)的重要領(lǐng)域。