四川盆地威遠(yuǎn)地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖儲層有利區(qū)評價

康保平 姜 帆

中國石化西南油氣分公司勘探開發(fā)研究院

0 引言

四川盆地威遠(yuǎn)地區(qū)位于川中隆起低緩區(qū)，南側(cè)為川西南拗陷、北鄰?fù)h(yuǎn)構(gòu)造、西北部為梧桐場背斜、東南部為自流井背斜，總體受威遠(yuǎn)大型穹窿背斜的控制和制約，整體表現(xiàn)為向斜。2014年在該區(qū)部署的以下志留統(tǒng)龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖為目的層的預(yù)探井A1井，在龍馬溪組獲得了頁巖氣工業(yè)氣流，從而發(fā)現(xiàn)了威遠(yuǎn)地區(qū)龍馬溪組頁巖氣藏。之后，該區(qū)開鉆了多口開發(fā)評價井，實鉆顯示該區(qū)龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖穩(wěn)定分布、儲集層品質(zhì)好、壓力系數(shù)高、資源潛力大[1]。

但由于中國石化西南油氣分公司在頁巖氣研究方面起步比較晚，2014年開始先后設(shè)立了《丁山地區(qū)地震資料處理解釋及評價部署》《井研—犍為、丁山地區(qū)頁巖氣藏特征評價研究》等項目，在下寒武統(tǒng)筇竹寺組、龍馬溪組段構(gòu)造演化、沉積旋回及儲層基本特征等方面取得了一些成果，但在威遠(yuǎn)地區(qū)龍馬溪組儲層評價等方面開展工作較少。應(yīng)用大量的實驗分析數(shù)據(jù)，與中國石油區(qū)塊及涪陵頁巖氣等區(qū)塊進行對比，結(jié)合威遠(yuǎn)地區(qū)龍馬溪組頁巖情況，建立該區(qū)龍馬溪組頁巖氣評價標(biāo)準(zhǔn)，評價該區(qū)頁巖儲層有利區(qū)，推進該區(qū)龍馬溪組頁巖氣規(guī)模建產(chǎn)，促進中石化西南油氣分公司頁巖氣增產(chǎn)創(chuàng)效。

1 頁巖儲層特征

1.1 巖石學(xué)特征

威遠(yuǎn)地區(qū)龍馬溪組處于靜水、缺氧、還原環(huán)境的陸棚沉積相帶內(nèi)，主要沉積細(xì)粒泥、頁巖。上中部巖性為灰色、灰黑色頁巖和鈣質(zhì)頁巖、砂質(zhì)頁巖；底部為黑色碳質(zhì)頁巖、含生屑碳質(zhì)頁巖和泥質(zhì)硅質(zhì)頁巖的優(yōu)質(zhì)頁巖。富含有機質(zhì)的優(yōu)質(zhì)頁巖決定了頁巖氣成藏的物質(zhì)基礎(chǔ)[2]。

威遠(yuǎn)地區(qū)龍馬溪組頁巖礦物成分比較復(fù)雜，包括碎屑礦物、黏土礦物和碳酸鹽巖礦物。碎屑礦物有石英、長石、云母等；黏土礦物有伊利石、綠泥石、高嶺石等；碳酸鹽巖礦物有方解石、白云石等[3]（圖1）。通常情況下，將石英、長石及碳酸鹽巖礦物等統(tǒng)稱為脆性礦物。

圖1 威遠(yuǎn)地區(qū)龍馬溪組礦物成分圖

頁巖礦物組成影響頁巖物性、比表面等，而物性、比表面、保存條件等影響頁巖的含氣量[4]，因此，頁巖礦物組成對頁巖的含氣影響深遠(yuǎn)。威遠(yuǎn)地區(qū)龍馬溪組脆性礦物含量為54.33%，其含量由淺至深逐漸增加，研究表明，脆性礦物的含量高有利于頁巖氣的形成和富集[5]。

將威遠(yuǎn)地區(qū)龍馬溪組頁巖的礦物組成、孔隙度、含氣量等參數(shù)與目前規(guī)模建產(chǎn)的頁巖氣區(qū)塊進行對比，結(jié)果表明，優(yōu)質(zhì)頁巖厚度、黏土含量、脆性礦物含量、孔隙度、含氣量等參數(shù)，威頁地區(qū)均與威遠(yuǎn)（中石油）、焦石壩等區(qū)塊相吻合，表明威遠(yuǎn)地區(qū)龍馬溪組頁巖具備進行規(guī)模建產(chǎn)的儲集條件和產(chǎn)出條件（表1）。

表1 不同區(qū)塊頁巖氣礦物統(tǒng)計表

1.2 儲集空間

威遠(yuǎn)地區(qū)龍馬溪組儲層微觀顯示微孔隙和微裂隙比較發(fā)育，尤其是微孔隙，種類多樣，包含有機質(zhì)孔、黏土礦物晶間孔、黃鐵礦晶間孔、粒間孔、不穩(wěn)定礦物溶蝕孔等[6]?？傮w上，威遠(yuǎn)地區(qū)龍馬溪組頁巖儲集類型有孔隙、裂縫兩大類。

①孔隙：種類多樣，包含有機質(zhì)孔、黏土礦物晶間孔、黃鐵礦晶間孔、粒間孔、不穩(wěn)定礦物溶蝕孔等。按成因分為2大類，即，有機孔隙和無機孔隙。無機孔又分為黏土礦物間微孔、脆性礦物溶蝕孔、黃鐵礦晶間孔。有機孔和黏土礦物層間孔是龍馬溪組頁巖的主要儲集空間（圖2）

圖2 威遠(yuǎn)地區(qū)龍馬溪組儲集空間類型圖

有機質(zhì)孔：在高成熟階段，由于有機質(zhì)因熱解和熱裂解產(chǎn)生大量排烴而形成的微孔隙。鏡下呈蜂窩狀、線狀、片狀、串珠狀等，總體連通性好，主要發(fā)育于粒間孔、片層狀黏土礦物伴生的有機質(zhì)內(nèi)。在龍馬溪組頁巖儲層中，有機質(zhì)孔發(fā)育最為廣泛[3]。

無機質(zhì)孔：包括黏土礦物晶間孔、脆性礦物溶蝕孔和黃鐵礦晶間孔。顯微鏡下，黏土礦物晶間孔多呈絲縷狀、卷曲片狀層間孔及線狀孔，大多與有機孔相伴生；但黏土礦物晶間大孔多數(shù)被有機質(zhì)充填，微孔隙部分連通性較好。脆性礦物溶蝕孔是由不穩(wěn)定礦物溶蝕而成。通常由鈣質(zhì)、長石等礦物因溶解或溶蝕形成，多發(fā)育于礦物顆粒間、粒內(nèi)及粒緣縫，孔徑變化大；黃鐵礦晶間孔多數(shù)充填著有機質(zhì)，常伴生有機質(zhì)孔。

②裂縫：威遠(yuǎn)地區(qū)龍馬溪組頁巖裂縫以層理縫為主，并發(fā)育斜交縫、水平縫等。就其成因分，頁理縫為組構(gòu)選擇性裂縫，構(gòu)造縫為非組構(gòu)選擇性裂縫[7]。

頁理縫是在地層抬升中，上覆壓力逐漸變小使得地層內(nèi)部壓力釋放出來，沿著巖石顆粒與晶體界面處形成的微裂縫，具有組構(gòu)選擇的特征，通常沿水平頁理方向延伸；構(gòu)造縫是受構(gòu)造應(yīng)力作用而形成的裂縫，包括宏觀裂縫和微裂縫。構(gòu)造作用控制著非組構(gòu)選擇性裂縫的形成，即，構(gòu)造變形強則裂縫發(fā)育，反之欠發(fā)育[8]。

2 儲層發(fā)育的影響因素

頁巖氣是一種典型的連續(xù)性油氣藏，其形成和富集均發(fā)生在頁巖中，具有典型的“自生自儲”的特征[4]。參考前人對四川盆地頁巖氣富集規(guī)律的研究及涪陵、焦石壩頁巖氣田成藏規(guī)律等，有機質(zhì)豐度、適中的成熟度和超壓良好的保存條件是頁巖氣富集的關(guān)鍵因素[9-10]。

為此，就有機質(zhì)豐度、熱演化程度和超壓系統(tǒng)對威遠(yuǎn)地區(qū)龍馬溪組頁巖氣的影響進行分析。

2.1 有機質(zhì)豐度

威遠(yuǎn)地區(qū)龍馬溪組頁巖中，發(fā)育大量的以微中孔為主的有機質(zhì)孔[3]。以WY1井為例，有機質(zhì)孔隙的形成與有機質(zhì)生烴演化中有機質(zhì)的消耗引起的孔隙體積增加有關(guān)。通常情況下，有機質(zhì)含量的多少與有機質(zhì)孔隙發(fā)育數(shù)量呈正相關(guān)性，即：有機碳含量決定著有機質(zhì)孔隙發(fā)育的數(shù)量。因此，隨著有機碳含量的增大，頁巖中的微中孔體積逐漸增大，反之亦然。那么頁巖有機質(zhì)豐度是怎樣決定頁巖孔隙發(fā)育的呢？圖3可知：頁巖有機碳通過控制頁巖儲層中的微孔隙的孔體積和比表面積，進而控制頁巖儲層總孔隙度和比表面積，從而實現(xiàn)了對頁巖孔隙發(fā)育的控制。頁巖儲層比表面與孔體積的大小是決定頁巖氣賦存量的重要因素[11]，同樣，有機質(zhì)的構(gòu)成及其賦存形式對富有機質(zhì)頁巖成烴潛力、孔隙結(jié)構(gòu)及分布具有重要影響[12]。由此可見，頁巖的有機質(zhì)豐度是影響頁巖氣富集的重要因素。

圖3 WY1井龍馬溪組TOC與不同孔的孔體積和比表面積相關(guān)圖

為此，統(tǒng)計了不同區(qū)塊有機質(zhì)豐度、熱演化及保存條件并進行對比。對比表明，威遠(yuǎn)地區(qū)在有機質(zhì)豐度、熱演化及保存條件等方面與規(guī)模建產(chǎn)區(qū)塊威遠(yuǎn)（中石油）、焦石壩等區(qū)塊相吻合（表2），結(jié)果表明，威遠(yuǎn)地區(qū)龍馬溪組頁巖具備了富集條件。

表2 不同區(qū)塊有機豐度、熱演化、保存條件參數(shù)對比

2.2 熱演化程度

頁巖熱演化過程中，當(dāng)熱演化程度（頁巖內(nèi)鏡質(zhì)體反射率（Ro）小于“臨界點”（Ro=2.7%）時，頁巖的孔隙度隨頁巖的鏡質(zhì)體反射率增大而增加，熱演化對頁巖微觀孔隙的發(fā)育起著助推作用。這是因為，有機碳含量、黏土礦物類型和含量、熱演化程度等控制頁巖儲層微觀孔隙結(jié)構(gòu)的因素中，熱演化程度的影響最為明顯[6]。隨著頁巖鏡質(zhì)體反射率Ro的進一步增大，頁巖的生烴轉(zhuǎn)化率隨之升高，生成大量的天然氣并形成超壓、納米級的有機孔；此階段，熱演化與比表面積、孔體積具有正相關(guān)性，表現(xiàn)為微觀孔隙數(shù)量增加，比表面積和孔體積增大[6]。同時，在生烴形成有機酸的溶蝕下，頁巖的有機質(zhì)孔逐漸發(fā)育，數(shù)量逐漸增多（圖4）；此外，易溶礦物在酸性水溶蝕作用下產(chǎn)生次生孔隙，形成溶蝕微孔，進而影響頁巖儲層微孔隙結(jié)構(gòu)（圖5）。

圖4 鏡質(zhì)體反射率Ro與孔隙度、單位有機碳孔隙度關(guān)系圖

當(dāng)熱演化程度Ro大于2.7%時，頁巖的孔隙度隨Ro增加而緩慢減小。這是因為過高的頁巖熱演化使頁巖發(fā)生了2方面的變化，一方面，過高的頁巖熱演化導(dǎo)致頁巖有機質(zhì)石墨化或纖維化，局部有機孔隙垮塌，減小了頁巖中部分中—微孔比表面，降低了頁巖的有機孔隙，使得頁巖的有機孔隙減少；另一方面，過高的頁巖熱演化使得蒙脫石向伊利石轉(zhuǎn)化。這是因為不同的黏土礦物具有不同的外表面和內(nèi)表面，從而形成黏土礦物層間孔隙。例如，黏土礦物中的蒙脫石總比表面積最大，高達800 m2/g；伊利石總比表面積明顯較小，僅為30 m2/g；高嶺石和綠泥石總比表面積最小，均為15 m2/g；伊蒙混層礦物總比表面積介于蒙脫石和伊利石之間。當(dāng)蒙脫石轉(zhuǎn)化為伊利石時，因黏土礦物轉(zhuǎn)化使得體積減小而產(chǎn)生微孔隙，影響了頁巖的孔隙和比表面積，最終影響了頁巖的微孔隙（圖5）。因此，蒙脫石伊利石化進程對頁巖的賦存具有重要影響[11]。頁巖儲層孔隙的比表面積和孔體積隨蒙間層礦物含量增大而增大[13]，黏土礦物含量與頁巖孔隙度發(fā)育有密切正相關(guān)性[14]。

圖5 龍馬溪組伊蒙混層、碳酸鹽巖與微中宏孔關(guān)系圖

頁巖在熱演化過程中，有機質(zhì)性質(zhì)的變化及黏土礦物間的轉(zhuǎn)化影響了頁巖儲層的總孔隙和比表面積。總體上，頁巖熱演化程度與其孔隙發(fā)育程度關(guān)系較為復(fù)雜，但熱演化程度對頁巖孔隙發(fā)育起關(guān)鍵作用的Ro范圍為2.2%～2.5%。也就是說，頁巖的熱演化適中時才對頁巖孔隙度有利，反之則降低頁巖的孔隙度。因此，適中的頁巖熱演化對頁巖形成孔隙起積極的推進作用，有利于頁巖孔隙的形成。由此可見，頁巖適中的熱演化是影響頁巖形成和富集的重要因素。

威遠(yuǎn)地區(qū)龍馬溪組熱演化與威遠(yuǎn)（中石油）、焦石壩等規(guī)模建產(chǎn)區(qū)塊熱演化相當(dāng)（表2）。同時，孔隙度、含氣量等也與規(guī)模建產(chǎn)區(qū)相當(dāng)（表1），顯示了具備規(guī)模建產(chǎn)的儲集條件和產(chǎn)出條件。

2.3 保存條件

頁巖氣為典型的“自生自儲”非常規(guī)氣藏，自身封蓋作用是頁巖氣早期滯留于頁巖內(nèi)的關(guān)鍵因素[15]。川南地區(qū)以龍馬溪組為目的層的頁巖氣鉆井地層流體壓力系數(shù)表明：WY1井至RY1井，龍馬溪組的地層流體壓力系數(shù)逐漸降低，從超壓地層流體壓力降為常壓地層流體壓力（圖6-a）。有機碳含量與孔隙度關(guān)系表明，WY1井至RY1井龍馬溪組有機碳含量與孔隙度呈正相關(guān)性，頁巖的有機碳含量越高頁巖的有機孔越發(fā)育（圖6-b）。PY1井、RY1井龍馬溪組的有機碳含量、熱演化程度與NY1井、YY1井等相近，根據(jù)有機碳含量與孔隙度相關(guān)性，這幾口井的孔隙度數(shù)值應(yīng)該基本相當(dāng)。但實測表明，PY1井和RY1井龍馬溪組的有機碳含量與頁巖儲層孔隙度相關(guān)性較差，這兩口井的壓力系數(shù)較低，地層壓力為常壓。由此可見，不同強度構(gòu)造變形區(qū)，頁巖含氣性出現(xiàn)明顯差異[16]。經(jīng)過分析結(jié)果表明，PY1井和RY1井自身封蓋作用較差，影響了這2口井龍馬溪組頁巖的孔隙度。影響孔隙度主要表現(xiàn)在2方面：首先，在生烴期間，PY1井和RY1井的自身封蓋作用較差，烴類溢出，不利于頁巖中有機質(zhì)孔隙的形成；如果封蓋作用好，烴類保留在頁巖中并形成有機質(zhì)孔隙。其次，在壓實過程中，由于PY1井和RY1井封蓋性差，其頁巖含氣性較差，在頁巖中不能形成高壓的封閉環(huán)境，壓實作用使得其孔隙損失；如果封蓋性好，頁巖含氣性就好，就能形成高壓的封閉環(huán)境，壓實作用對其孔隙度影響不大，使孔隙能保存下來。PY1井和RY1井地層流體壓力為常壓證實了其封蓋性差，從而使得孔隙度與高壓系統(tǒng)的頁巖氣鉆井差異很大。因此，頁巖壓力系統(tǒng)對頁巖氣的形成和富集起著至關(guān)重要的作用[4]。

圖6 以龍馬溪組為目的層井的壓力系數(shù)和TOC與孔隙度的關(guān)系圖

威遠(yuǎn)地區(qū)頁巖地層流體壓力系數(shù)與威遠(yuǎn)（中石油）地層流體壓力系統(tǒng)大體相當(dāng)，好于焦石壩，表明該區(qū)頁巖保存條件好，有利于頁巖氣的形成和富集。

分析威遠(yuǎn)地區(qū)龍馬溪組頁巖氣形成和富集影響因素：有機質(zhì)豐度、適中熱成熟度、好的保存條件，均與威遠(yuǎn)（中石油）、焦石壩等規(guī)模建產(chǎn)區(qū)塊大體相當(dāng)，具備規(guī)模建產(chǎn)的條件。根據(jù)形成和富集因素，威遠(yuǎn)地區(qū)有機質(zhì)豐度高、熱成熟度適中和保存條件好的區(qū)域是該區(qū)龍馬溪組頁巖氣的有利區(qū)[17]。

3 有利區(qū)評價

在威遠(yuǎn)地區(qū)龍馬溪組儲層特征的基礎(chǔ)上，綜合影響頁巖氣形成和富集因素，應(yīng)用成藏等理論，建立了該區(qū)龍馬溪組頁巖儲層評價標(biāo)準(zhǔn)：“機質(zhì)豐度高、適中演化、良好保存”（表3）。

表3 威遠(yuǎn)地區(qū)（中石化）龍馬溪組儲層評價標(biāo)準(zhǔn)表

有機質(zhì)豐度高與優(yōu)質(zhì)相帶相對應(yīng)，是優(yōu)質(zhì)頁巖發(fā)育的物質(zhì)基礎(chǔ)；適中熱演化影響頁巖總孔隙和比表面積，是儲集性和含氣性發(fā)育的重要保障；超壓系統(tǒng)是良好保存條件，決定頁巖氣的高產(chǎn)和富集。

頁巖氣勘探開發(fā)實踐表明，頁巖氣要經(jīng)過大規(guī)模壓裂改造才能獲得高產(chǎn)。因此，在威遠(yuǎn)地區(qū)龍馬溪組儲層評價標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，結(jié)合中石化頁巖氣評價標(biāo)準(zhǔn)，將有機碳含量（表征有機質(zhì)豐度）、含氣量（表征有機質(zhì)豐度、熱演化）、孔隙度（表征有機質(zhì)豐度、熱演化）、脆性礦物含量（表征壓裂）、黏土含量（表征壓裂）及層理發(fā)育情況（表征壓裂）作為評價參數(shù)，建立了威遠(yuǎn)地區(qū)頁巖氣層分類評價表，并對該區(qū)有利區(qū)進行了評價和優(yōu)選[18]（表4）。

表4 威遠(yuǎn)地區(qū)頁巖氣層分類評價表

綜合評價結(jié)果表明，威遠(yuǎn)地區(qū)龍馬溪組頁巖儲層儲集性與可壓裂性匹配性好[19]，儲層均為Ⅰ類儲層，為優(yōu)質(zhì)頁巖氣儲層段。縱向上，分布穩(wěn)定，西區(qū)較東區(qū)厚，適合大規(guī)模開發(fā)[20]；平面上，威遠(yuǎn)地區(qū)龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖氣儲層段西區(qū)優(yōu)于東區(qū)?？傮w上，有利區(qū)面積143.77 km2，新增頁巖氣控制儲量1 246.78×108m3（圖7），滿足規(guī)模建產(chǎn)的地質(zhì)條件。

圖7 威遠(yuǎn)地區(qū)龍馬溪組儲層綜合評價分布圖

4 結(jié)論

1）威遠(yuǎn)地區(qū)龍馬溪組巖性為深水還原環(huán)境沉積的富含有機質(zhì)頁巖，決定了頁巖氣成藏的物質(zhì)基礎(chǔ)；頁巖中含有石英、長石、云母等碎屑礦物，伊利石、綠泥石、高嶺石等黏土礦物和方解石、白云石等碳酸鹽巖礦物，礦物組成影響著頁巖物性、比表面等特性。

2）威遠(yuǎn)地區(qū)龍馬溪組儲層發(fā)育微孔隙和微裂隙，種類多樣；微孔隙包含有機質(zhì)孔、黏土礦物晶間孔、黃鐵礦晶間孔、粒間孔、不穩(wěn)定礦物溶蝕孔等，儲集性好；有機孔和黏土礦物層間孔是龍馬溪組頁巖的主要儲集空間。

3）有機質(zhì)豐度是優(yōu)質(zhì)頁巖的物質(zhì)基礎(chǔ)，適中熱演化是儲集性和含氣性發(fā)育的重要保障，超壓系統(tǒng)決定頁巖氣的高產(chǎn)和富集。因此，有機質(zhì)豐度高、適中熱演化和好的保存條件是影響威遠(yuǎn)地區(qū)龍馬溪組頁巖氣形成和富集重要因素，也是影響該區(qū)儲層有利區(qū)發(fā)育的重要因素。

4）在有機質(zhì)豐度、熱演化和保存條件的基礎(chǔ)上，建立了威遠(yuǎn)地區(qū)龍馬溪組有利儲層評價標(biāo)準(zhǔn)并進行了整體評價。結(jié)果表明，威遠(yuǎn)地區(qū)龍馬溪組頁巖儲層為優(yōu)質(zhì)頁巖氣儲層段，儲集性與可壓裂性匹配性好，適合大規(guī)模開發(fā)，滿足規(guī)模建產(chǎn)的地質(zhì)條件。