威遠五峰組—龍馬溪組頁巖巖相展布及對水平井產量的影響

梁峰，張琴，盧斌，姜巍，熊小林，陳鵬，姜仁，梁萍萍，馬超

1.中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083

2.中國石油集團川慶鉆探工程有限公司，成都 610051

3.中國石油集團長城鉆探工程有限公司，遼寧盤錦 124010

0 引言

四川盆地上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組海相富有機質頁巖（TOC＞2%）是中國頁巖氣勘探開發(fā)的主要領域[1-7]，2019 年實現(xiàn)頁巖氣產量154×108m3。威遠頁巖氣田作為川南地區(qū)頁巖氣產量的主要貢獻者之一，2019年產量超過30×108m3，占川南地區(qū)頁巖氣產量近40%。

威遠頁巖氣田位于四川盆地西南部（圖1），構造隸屬川西南古中斜坡低褶帶，五峰組—龍馬溪組頁巖埋深1 500～4 000 m。前人研究表明，威遠地區(qū)五峰組—龍馬溪組富有機質頁巖厚度28.9～47.3 m，沉積環(huán)境與川南地區(qū)一致，為深水陸棚相環(huán)境，沉積環(huán)境差異較小[8-15]。然而，通過筆者研究發(fā)現(xiàn)，威遠地區(qū)發(fā)育一東西向的（水下）古隆起，影響該區(qū)域優(yōu)質頁巖的厚度展布及沉積環(huán)境，進而影響到頁巖儲層品質和水平井產量。本文以威遠地區(qū)14口鉆井資料為基礎（圖1a），結合中國石化在威遠地區(qū)的4口井，以筆石生物地層為時間標尺，結合地球化學、礦物學、厚度展布特征，詳細論證了威遠地區(qū)古隆起的存在，同時刻畫了威遠地區(qū)五峰組—龍馬溪組早期不同階段頁巖的沉積演化特征，指出沉積環(huán)境對頁巖儲層發(fā)育及產量的控制作用，對該地區(qū)頁巖氣開發(fā)部署具有重要的指導意義。

1 古隆起的發(fā)現(xiàn)及證據

1.1 地層及沉積階段劃分

威遠地區(qū)五峰組頁巖以深色頁巖為主，TOC 普遍含量較低（TOC＜2%），觀音橋段以含有腕足化石的灰質頁巖、泥灰?guī)r為主，龍馬溪組以黑色頁巖為主，具體綜合柱狀圖詳見圖1。本文的生物地層劃分采用陳旭等[4,16]的劃分方法，不同的生物地層用代碼表示（圖1）。本文中生物鑒定均為鉆井巖心，由于巖心面積較小，所觀察到的帶化石可能比實際層位偏高。以鉆井不同時期在筆石生物地層劃分的基礎，結合巖性地層、層序地層、古海洋環(huán)境等特征，將威遠地區(qū)富有機質頁巖劃分了5個沉積時期，分別為①五峰組頁巖沉積時期（WF2～WF4），偏氧化沉積環(huán)境（U/Th＜0.75）；②觀音橋段（赫南特冰期），氧化沉積環(huán)境；③魯丹階早期（LM1～LM3），對應第一個沉積旋回，強還原沉積環(huán)境（U/Th＞2）；④魯丹階晚期（LM4～LM5），對應第二個沉積旋回，還原性降低（0.75＜U/Th＜1.5），黏土礦物含量增多；⑤埃隆階（LM6～LM8），對應第三、四個沉積旋回，貧氧沉積環(huán)境（圖1），由于本階段頂界化石并未在所有鉆井中找到，厚度不能確定，本文未做詳述。

圖1 工區(qū)井位分布及W2 井五峰組—龍馬溪組地層劃分柱狀圖Fig.1 Well location distribution of the work area and histogram of Wufeng Formation-Longmaxi Formation strata division in well W2

1.2 古隆起存在證據

對研究區(qū)14 口評價井中的巖心進行了筆石帶的詳細劃分工作，發(fā)現(xiàn)在威遠東部發(fā)育（水上）古隆起。證據如下：1）威遠東部地區(qū)存在生物地層缺失的情況，WX 井LM5 地層直接與寶塔組灰?guī)r呈不整合接觸（圖2a），缺失LM1～LM4、五峰組地層；WY1井缺失LM1～LM3 地層，LM4地層直接與五峰組頁巖呈不整合接觸，W5井LM3地層直接與五峰組呈不整合接觸，接觸面附近巖性以粉砂巖為主[8,17]（圖2b，c）。威遠東部WX 井、W5 井、WY1 井存在不同程度的生物地層缺失情況，生物地層的缺失是古隆起發(fā)育的直接證據。2）自然伽馬（GR）曲線特征與生物地層缺失特征吻合，如圖3 連井剖面所示，在威遠地區(qū)W2 井、W7 和W10 井發(fā)育①～⑤層段，而向東的W4井缺失①號層，W5 缺失①②號層段，WX 井缺失①②③號層段，曲線的可對比性較好，與生物地層缺失情況一致。3）礦物組成特征顯示，在拗陷區(qū)域的W2井和W10 井魯丹階早期（LM1～LM3）發(fā)育一套高硅質的頁巖層段，而在東部隆起區(qū)或隆起區(qū)附近（W4井和W5 井附近），該高硅質頁巖段存在不同程度的缺失（圖4a），進一步證明了該隆起的發(fā)育。4）從地層厚度上亦能發(fā)現(xiàn)該古隆起的存在，隆起區(qū)頁巖沉積厚度小或缺失，如在五峰組頁巖沉積時期W1井厚度最大，向東迅速變薄，區(qū)塊東部存在地層缺失情況，而在魯丹階早期（LM1～LM3），W2 井地層厚度最大，向東呈減薄趨勢（圖4）。總之，從生物地層、自然伽馬、礦物組成和地層展布上均證實在W4、W5和WY1 井區(qū)域存在古隆起，且該區(qū)域的古隆起已隆出水面。

威遠地區(qū)南部亦發(fā)現(xiàn)水下古隆起，筆者推測應與東部的水上古隆起連成一片。證據如下：1）礦物組成特征顯示威遠南部區(qū)域碳酸鹽礦物含量較高，位于威遠南部的Z3—Z1—A29—A23—A35井[18]區(qū)域不同沉積階段均較其南部Z2井和北部的W2井區(qū)域的碳酸鹽礦物含量高（圖4b），反映該區(qū)域水體較淺。2）威遠南部腕足類生物個體大，反映水體淺。一般而言，腕足類化石個體越大，在水下需要的氧氣越多，對應的水體越淺[19-21]。W2 井和Z1 井觀音橋段（赫南特冰期）生物個體較大（圖2d，e），對應水體較淺，而W3 井和Z3 井觀音橋段（赫南特冰期）生物個體較?。▓D2f，g），對應水體較深。Z1井和W2井在赫南特冰期水體較淺，W2 井靠近西部川中隆起區(qū)，而Z1井則位于威遠南部水下古隆起上。3）威遠南部地層變薄，顯示隆起特征。五峰組頁巖沉積時期W1井厚度最大，向南呈現(xiàn)先變薄后增厚的趨勢（圖4b），Z3 井區(qū)域厚度最薄，變薄區(qū)域與碳酸鹽含量較高區(qū)域重合；魯丹階（LM1～LM3、LM4～LM5）W2 井厚度最大，呈現(xiàn)向四周逐漸變薄趨勢，亦反映南部水體變淺的特征。筆者推測，威遠南部的水下古隆起與威遠東部的水上古隆起屬同一隆起，筆者稱其為“內江—自貢”古隆起，由于刻畫該古隆起井間距在5～10 km，不排除在不同井之間有水體較深的水道連接威遠和川南地區(qū)的可能性。

圖2 威遠地區(qū)典型巖心及腕足化石照片F(xiàn)ig.2 Photographs of typical shale cores and brachiopod fossils in Weiyuan

圖3 威遠地區(qū)典型井自然伽馬曲線與生物地層關系對比連井剖面Fig.3 Correlation of gamma ray curves and biostratigraphy of typical wells in Weiyuan area

2 巖相展布特征

2.1 巖相劃分

以礦物數據為基礎，根據不同的礦物組成將頁巖劃分為黏土質頁巖、硅質頁巖、灰質頁巖和混合頁巖相區(qū)（黏土質硅質混合頁巖、黏土質鈣質混合頁巖和鈣質硅質混合頁巖）四大巖相區(qū)，不同巖相的具體劃分方法詳見圖5a[22]。

凱迪階晚期（五峰組頁巖沉積期）不同區(qū)域頁巖巖相差別較大，以鈣質硅質混合相頁巖為主。從測井解釋和礦物組成三角圖均能看出，在厚度較大區(qū)域（W1、W2、W7井）下部以硅質、高硅質頁巖相為主，上部以鈣質頁巖、鈣質硅質頁巖相為主，在Z3 井和Z1 井厚度變薄區(qū)域（水下隆起發(fā)育區(qū)），碳酸鹽含量明顯增高（圖4、圖5b）。

赫南特冰期由于極地冰蓋的擴張，導致全球海平面下降[23-24]，致使生物大量滅絕，這個時期繁盛的生物主要為底棲的赫南特貝，威遠地區(qū)淺水區(qū)主要為富含生物化石的介殼灰?guī)r相，在較深水則主要為介殼灰質頁巖相。

魯丹階早期（LM1～LM3）W2 井硅質礦物含量最高，以高硅質頁巖為主，向四周黏土礦物和碳酸鹽礦物含量逐漸增高，以硅質頁巖為主（W7、W10、Z3 和Z1）（圖5c）。總體上在靠近東部古隆起區(qū)域黏土礦物含量較高，而靠近南部水下古隆起區(qū)域頁巖的碳酸鹽含量有所增加（圖4）。該段巖心呈黑色、筆石豐度高，輕敲易碎，鏡下該段頁巖層理和紋層極其發(fā)育，高硅質頁巖相局部層段在顯微鏡下可以觀察到大量放射蟲，放射蟲多為硅質。

魯丹階晚期（LM4～LM5）頁巖巖相以硅質頁巖相和混合相頁巖為主（圖4、圖5d），研究區(qū)東部和西部的Z4 井區(qū)域，由于靠近物源，以黏土質硅質頁巖為主，在Z3井一帶，以鈣質頁巖為主，反映水體較淺，其他地區(qū)均以硅質頁巖相為主。該段巖心呈灰黑色和深灰色，巖心上紋層發(fā)育，局部層段見黃鐵礦顆粒發(fā)育。在鏡下該段巖心紋層非常發(fā)育，紋層類型與魯丹階早期具有相似性，均有硅質紋層和鈣質紋層，其中硅質紋層有所減少，鈣質紋層相對增多，頁巖中黏土礦物含量開始增加。

圖4 威遠地區(qū)生物、電性、礦物組成對比剖面(據文獻[10,15]修改)Fig.4 Biological, electrical and mineral composition of the well profile in Weiyuan(modified from references [10,15])

2.2 頁巖厚度及巖相展布

凱迪階晚期（五峰組頁巖沉積期）威遠地區(qū)沉積中心位于W1 井附近，以硅質頁巖相為主，水下隆起區(qū)發(fā)育鈣質硅質頁巖相。此時期W1 井一帶頁巖最大厚度超過15 m，向東西呈現(xiàn)變薄趨勢，向南呈現(xiàn)先變薄再增厚的趨勢。

圖5 頁巖巖相劃分標準及不同時期典型井頁巖巖相三角圖Fig.5 Shale lithofacies division. Standard and trigonometric diagram of shale lithofacies in different periods

在Z4—Z3—A29—A23—A35 井區(qū)域頁巖厚度較南部的Z1、Z2井和北部的W7井均變薄，如A35井的厚度不到1 m，Z4井的厚度僅0.2 m，且該區(qū)域碳酸鹽礦物含量較高，以鈣質硅質頁巖相為主，反映水體較淺水下古隆起特征（圖6a）。此時期由于威遠西北部的W1井的頁巖厚度較大，且向南向東均呈現(xiàn)變薄趨勢，推測該區(qū)域物源應來自西部或北部，即可能來自古陸或康滇古陸。而內江—自貢古隆起南部以硅質頁巖為主，厚度向南逐漸增厚，推測其物源主要來自盆地南部的黔中古陸。此時期內江—自貢古隆起及川中古隆起把威遠區(qū)塊圍成一個相對封閉的沉積環(huán)境，控制著威遠地區(qū)頁巖的沉積展布（圖6a）。值得一提的是，由于缺失地層厚度較薄，地震很難準確預測，文中自貢—內江古隆起邊界均為推測，不排除該古隆起以島嶼和水下高地的形式存在的可能性。

赫南特冰期（觀音橋段）威遠地區(qū)以介殼灰?guī)r、介殼泥質灰?guī)r和介殼灰質頁巖相為主。在威遠西北部的樂山—龍女寺隆起邊緣的巖相以介殼灰?guī)r相為主，夾少量生物碎屑灰?guī)r，厚度普遍超過1 m（W1 井厚度達2.2 m），向東南方向水體逐漸變深，巖相過渡為介殼泥質灰?guī)r相和介殼灰質頁巖相，且觀音橋的厚度減薄為0.2 m（圖3、圖5b）。值得注意的是，在Z1—A23 井一帶觀音橋的厚度相對其南部和北部均較大，且生物個體較大，反映較淺的沉積環(huán)境。筆者認為，該時期沉積特征繼承了五峰組頁巖沉積期的特點，威遠西北部的川中古隆起和南部的內江—自貢古隆起控制了巖相和地層的沉積展布（圖6b）。

魯丹階早期（LM1～LM3）威遠地區(qū)處于被隆起包圍的凹陷格局，水體表現(xiàn)為滯留和缺氧環(huán)境，當時陸源輸入少，對有機質稀釋作用弱，為魯丹階早期高TOC 頁巖的形成提供了有利條件。此時期W2—W10區(qū)域頁巖厚度最大，主要為高硅質頁巖相，向四周厚度變薄，總體呈現(xiàn)越靠近古隆起，頁巖中黏土礦物含量越高（W3、W4和W5井）。古隆起南部的盆地內部由于距離物源較遠，黏土礦物含量較低，以高硅質頁巖為主（Z2、W6井）。此時期威遠地區(qū)主體處于一個相對封閉的沉積環(huán)境，僅南部水下古隆起區(qū)域與川南地區(qū)相連，總體上，頁巖的沉積展布特征受古隆起控制作用明顯（圖6c）。

圖6 威遠地區(qū)不同沉積時期地層厚度及巖相分布圖Fig.6 Stratigraphic thickness and lithofacies distribution map of Weiyuan in different sedimentary periods

魯丹階晚期（LM4～LM5）威遠地區(qū)繼承了魯丹階早期的古地理格局，頁巖沉積速率相對于魯丹階早期（LM1～LM3）更高，厚度中心主要分布于W2—W10井一帶，向隆起方向呈減薄趨勢，大部分地區(qū)以硅質頁巖相為主，頁巖中黏土礦物含量較魯丹階早期（LM1～LM3）有所增加。內江—自貢古隆起尤其是水下古隆起部分對頁巖厚度及巖相展布的控制作用已減弱（圖6d）。此時期在靠近川中古陸的Z4、W1 和W3井厚度不到2 m，并向南呈增厚趨勢，而盆地南部（長寧、瀘州等地區(qū)）的地層厚度普遍大于10 m，故推測威遠地區(qū)物源并非來自川中古陸，而來自盆地南部的黔中古陸。

2.3 古隆起對頁巖厚度及巖相的控制作用

威遠地區(qū)五峰組—龍馬溪組底部不同時期頁巖的沉積展布特征主要受川中古隆起和內江—自貢古隆起控制。內江—自貢古隆起軸線位置詳見圖6，該古隆起可能以島嶼和水下高地的形式存在或者以川中古陸延伸至海洋中的半島及水下高地形式存在?？傮w而言，凹陷區(qū)硅質礦物含量較高，水上古隆起發(fā)育區(qū)域周邊頁巖中的黏土礦物含量增高，而水下古隆起發(fā)育區(qū)頁巖中的碳酸鹽礦物含量增高。從沉積厚度上來看，頁巖的沉積中心總體呈現(xiàn)由西向東的遷移過程（圖7），反映了川中古陸的隆升對該區(qū)域頁巖沉積展布的控制作用。

圖7 威遠地區(qū)不同時期頁巖沉積中心遷移示意圖Fig.7 Schematic diagram of shale deposition center migration at different periods in Weiyuan

另外，威遠地區(qū)不同時期頁巖中SiO2主要為生物成因，生物成因SiO2的發(fā)育，亦受到古隆起影響。通常認為Zr 元素存在鋯石中，多見于粉砂級的陸源沉積物中，鋯石是非常穩(wěn)定的一種礦物，而有機硅是化學或生物化學成因，不含有Zr 元素[25]。以拗陷中心區(qū)域的W2井為例，通過對比不同時期Zr含量可以看出，五峰組頁巖沉積階段Zr含量較高，反映此時期陸源注入相對較多，而魯丹階晚期比魯丹階早期物源豐富（圖8a）。Zr和SiO2的關系可以定性判斷石英成因，正相關關系反映SiO2以陸源沉積為主，而負相關則反映SiO2以生物成因為主[25]。通過對比發(fā)現(xiàn)，五峰組頁巖沉積階段早期（高硅質層段）、魯丹階早期（LM1～LM3）和魯丹階晚期（LM4～LM5）Zr與SiO2呈負相關關系，相關系數分別為0.21（剔除低SiO2含量點相關系數為0.44，圖8b）、0.76 和0.53，反映SiO2以生物成因為主，相關系數越高表明生物成因SiO2含量越高；五峰組頁巖沉積階段晚期（高碳酸鹽層段）Zr與SiO2呈正相關關系，相關系數0.31（剔除高硅質點相關系數可達0.85，圖8b），反映此時期SiO2以陸源沉積為主。五峰組早期和魯丹階早期部分層段發(fā)現(xiàn)硅質放射蟲亦說明上述觀點。綜上，高硅質頁巖相的頁巖主要發(fā)育生物成因SiO2，發(fā)育于拗陷區(qū)核心部位，隆起區(qū)距物源近，抑制了生物成因SiO2的發(fā)育。

圖8 威遠地區(qū)不同時期Zr 與SiO2 關系圖Fig.8 Relationship between Zr and SiO2 in Weiyuan area at different periods

3 巖相展布對儲層品質及產量影響

3.1 儲層品質與巖相關系

古隆起的發(fā)育直接影響頁巖儲層品質及展布，位于拗陷區(qū)域頁巖儲層厚度大，硅質礦物含量高，儲層品質優(yōu)越，而隆起區(qū)在儲層厚度和品質上均變差。沿用前人儲層分類方法，將頁巖儲層分為I 類、II 類和III 類[11]，I 類儲層分為Ia類和Ib類儲層[26]（Ia類儲層為TOC 大于4%，孔隙度大于6%，含氣量大于6 m3/t，脆性礦物含量大于75%）?？v向上，魯丹階早期（LM1～LM3）強還原條件下沉積的高硅質頁巖是儲層的最優(yōu)層段，各項參數基本達到了Ia類儲層標準，建議水平井以該層段為靶體。橫向上，魯丹階早期（LM1～LM3）Ia類儲層分布范圍最廣，儲層品質最優(yōu)區(qū)域主要集中在WD2—W10 井區(qū)域，向東西兩側靠近隆起區(qū)的儲層品質略微變差，儲層品質變化趨勢與厚度變化趨勢一致（圖9）。

圖9 威遠地區(qū)典型評價井儲層綜合評價圖（據文獻[15]修改）Fig.9 Comprehensive map of typical evaluation well reservoirs in Weiyuan area (modified from reference [15])

3.2 水平井產量影響因素

通過挑選同一平臺（確保儲層厚度相同）不同水平井進行對比分析發(fā)現(xiàn)，魯丹階早期儲層（Ia類儲層）的鉆遇長度越長，對應的水平井的產量越高，相關性非常好（圖10a），該層段的鉆遇長度是影響水平井高產的重要因素。此外，還對威遠地區(qū)不同平臺的產能情況分析后發(fā)現(xiàn)，魯丹階早期儲層（Ia類儲層）厚度與平臺平均單井第一年累計產量呈正相關關系，相關系數分別為0.49（圖10b），相關系數不高可能與未考慮魯丹階早期（LM1～LM3）儲層鉆遇率、水平段長等有關?？梢?，魯丹階早期儲層（Ia類儲層）厚度對頁巖氣井產量亦有較大影響，在勘探開發(fā)部署上要充分考慮該條件。由于不同時期的頁巖展布主要受古隆起發(fā)育控制，如果想在相同工程條件下獲得更高頁巖氣產量，應盡量避開隆起發(fā)育區(qū)部署水平井。

圖10 威遠地區(qū)LM1～LM3 厚度、鉆遇率與產量的關系曲線Fig.10 Relationship between LM1-LM3 thickness, drilling rate and production in Weiyuan area

3.3 區(qū)域對比

從威遠、長寧和焦石壩地區(qū)典型井的參數對比剖面圖中可以看出（圖11），魯丹階早期（LM1～LM3）頁巖在威遠、長寧和焦石壩地區(qū)厚度上存在明顯差異。長寧地區(qū)（N3）厚度最大，焦石壩地區(qū)次之，威遠地區(qū)最薄。但從儲層參數上可以看出，威遠地區(qū)魯丹階早期（LM1～LM3）儲層參數品質最優(yōu)，其次是長寧和焦石壩。值得一提的是，在長寧和威遠地區(qū)，LM1～LM3 層段儲層品質較LM4 層段更好，尤其體現(xiàn)在脆性礦物含量上，而長寧地區(qū)LM4 層段上部儲層各項參數明顯變差。位于川東焦石壩地區(qū)的JY1 井LM4 層段除含氣量較LM1～LM3 明顯下降外[27]，其他參數基本相當，與威遠和長寧地區(qū)有一定的差異（圖11）。

圖11 四川盆地威遠長寧—焦石壩區(qū)塊典型頁巖氣井參數評價圖（據文獻[15,27]修改）Fig.11 Parameter evaluation of shale gas wells in Weiyuan, Changning and Jiaoshiba blocks of Sichuan Basin(modified from references [15,27])

4 結論及建議

（1）從生物地層、電性、巖性和地層展布特征證實威遠地區(qū)存在一東西向分布的（水下）古隆起，并命名為“內江—自貢”古隆起，該古隆起可能以半島、水下高地或島嶼、水下高地的形式存在。

（2）內江—自貢古隆起對威遠地區(qū)頁巖厚度及巖相展布的控制作用明顯。隆起區(qū)（除赫南特冰期）頁巖厚度普遍變薄，凹陷區(qū)地層厚度大。隆起區(qū)頁巖黏土礦物或碳酸鹽礦物含量高，拗陷區(qū)硅質礦物含量高。

（3）威遠地區(qū)五峰組頁巖沉積期物源多來自其西部或北部，魯丹階早期（LM1～LM3）以生物成因SiO2為主，物源較少，魯丹階晚期物源來自川南的黔中古陸，不同的物源方向意味著沉積體系的變化。

（4）古隆起的發(fā)育直接影響頁巖儲層品質及展布，并控制水平井產量?？v向上，魯丹階早期（LM1～LM3）頁巖儲層品質最優(yōu)（Ia類儲層），建議以此為靶體實施；橫向上，魯丹階早期（LM1～LM3）頁巖在拗陷區(qū)域厚度最大，在目前的經濟和工程條件下，品質最優(yōu)，建議優(yōu)先在其厚度較大區(qū)域部署水平井，盡量避開隆起發(fā)育區(qū)。