川東南地區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖“低電阻、低含氣”成因及地質(zhì)意義

魏富彬,劉珠江,陳斐然,嚴(yán) 偉,王 強(qiáng)

中國(guó)石化 勘探分公司,成都 610041

1 研究背景

川南高陡帶是深層頁(yè)巖氣實(shí)現(xiàn)持續(xù)突破的重要領(lǐng)域,前期評(píng)價(jià)有利目標(biāo)8個(gè),資源量近9 000億立方米[1-2]。近期包括中石化、中石油在內(nèi)的多家單位,在川南高陡構(gòu)造帶及鄰區(qū)部署實(shí)施的石頁(yè)1井、太頁(yè)1井及江頁(yè)探1井等一批深層頁(yè)巖氣鉆井,在五峰組—龍馬溪組優(yōu)質(zhì)層段內(nèi)均表現(xiàn)出“低電阻、低含氣”的特征。其中,石頁(yè)1井優(yōu)質(zhì)段總含氣量為1.88 m3/t,電阻率為4.1 Ω·m;太頁(yè)1井優(yōu)質(zhì)段總含氣量為1.05 m3/t,電阻率為5.0 Ω·m,造成這種“低電阻、低含氣”的關(guān)鍵因素不清楚,嚴(yán)重制約了盆內(nèi)高陡構(gòu)造帶深層頁(yè)巖氣下一步的勘探方向。

目前關(guān)于低電阻成因的認(rèn)識(shí)研究,國(guó)外涉及比較少,主要是集中在國(guó)內(nèi),且認(rèn)識(shí)分歧比較大。針對(duì)四川盆地龍馬溪組低電阻,不同學(xué)者專家大體提出3種成因觀點(diǎn):(1)認(rèn)為低電阻頁(yè)巖主要受已達(dá)到高演化有機(jī)質(zhì)中的高導(dǎo)礦物——石墨引起[3],表明有機(jī)質(zhì)已經(jīng)嚴(yán)重碳化[4-11];(2)認(rèn)為頁(yè)巖結(jié)構(gòu)中存在“荷電縫”現(xiàn)象,顆粒之間的接觸方式影響電阻率[12];(3)局部構(gòu)造保存條件變差或受基底斷裂破壞,影響頁(yè)巖電阻率[13-17]。由于認(rèn)識(shí)不一致,對(duì)于四川盆地高陡構(gòu)造帶頁(yè)巖氣有利區(qū)的優(yōu)選以及下一步的勘探部署規(guī)劃等不能形成有效的指導(dǎo),因此有必要從實(shí)鉆井出發(fā),系統(tǒng)研究頁(yè)巖低電阻的成因。

2 電阻率與含氣量關(guān)系

目前通過(guò)對(duì)四川盆地大量龍馬溪組頁(yè)巖氣實(shí)鉆井電阻率值與含氣量、孔隙度及測(cè)試產(chǎn)能數(shù)據(jù)的分析,基本可以認(rèn)為低電阻井普遍具有“低含氣、低產(chǎn)能”的特征[18],即電阻率值介于10～100 Ω·m的井普遍具高含氣量、高孔隙度的特征,其實(shí)測(cè)含氣量介于4.0～10.0 m3/t,實(shí)測(cè)孔隙度介于4.0%～8.0%之間;而電阻率值在0.1～10 Ω·m的頁(yè)巖氣井普遍具有低—極低的含氣量和孔隙度,其實(shí)測(cè)含氣量介于0.1～4.0 m3/t、實(shí)測(cè)孔隙度介于0.3%～4%之間(表1)。另外,從大量的低電阻率井的產(chǎn)能來(lái)看,這類井測(cè)試產(chǎn)量普遍為低產(chǎn)—特低產(chǎn),或干層,部分井產(chǎn)地層水。由此可見,電阻率大小與頁(yè)巖含氣量及儲(chǔ)層孔隙度呈良好的相關(guān)性,因此,厘清低電阻率鉆井的分布規(guī)律及主控因素,對(duì)于頁(yè)巖氣的勘探部署及有利區(qū)帶優(yōu)選意義重大。

表1 四川盆地五峰組—龍馬溪組部分典型低電阻率頁(yè)巖氣井測(cè)試產(chǎn)能統(tǒng)計(jì)

3 低電阻頁(yè)巖分布規(guī)律及成因探討

針對(duì)上述問(wèn)題,首先開展了四川盆地及周緣低電阻率井分布范圍及規(guī)律研究,其次對(duì)重點(diǎn)井開展了激光拉曼、巖電實(shí)驗(yàn)及投射電子等分析測(cè)試分析。經(jīng)過(guò)系列基礎(chǔ)工作的開展,發(fā)現(xiàn)鉆遇的低電阻率井在分布區(qū)域上存在一定規(guī)律性,并且不同低電阻率值的鉆井在成因上也有明顯的差異。

3.1 低阻頁(yè)巖區(qū)域分布規(guī)律

為了弄清楚低電阻率井的成因,首先開展了四川盆地及周緣范圍內(nèi)低電阻率井分布規(guī)律研究,發(fā)現(xiàn)目前鉆遇的低電阻率井在分布區(qū)域上存在一定規(guī)律性,并且在成因上不同電阻率值的頁(yè)巖也有明顯的差異。其中在盆內(nèi)分布的低電阻井電阻率值一般在1～10 Ω·m,區(qū)域上主要分布在川南綦江高陡、太和場(chǎng)、仁懷等地區(qū),川北地區(qū)主要分布在南江—通南巴一帶,川東北地區(qū)主要分布在巫溪一帶;而電阻率值小于1 Ω·m的頁(yè)巖氣井分布比較集中,主要在川東利川、石柱復(fù)向斜和川西南長(zhǎng)寧—寧西、美姑—永善一帶。此外最新鉆進(jìn)的隆頁(yè)4井在盆外殘留向斜內(nèi)也鉆遇低電阻頁(yè)巖,電阻率在1～10 Ω·m(圖1)。為了能夠深入剖析低電阻頁(yè)巖成因,本次研究將其分為小于1 Ω·m的極低電阻率和1～10 Ω·m的低電阻率2種類型。

圖1 四川盆地及周緣地區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖低電阻率井分布

3.2 過(guò)高演化造成的頁(yè)巖石墨化是極低電阻率(小于1 Ω·m)的主要成因

(1)電測(cè)曲線特征。從圖2縱向電阻率分布特征來(lái)看,頁(yè)巖極低電阻主要分布在頁(yè)巖段內(nèi),并且呈突變的特征,有點(diǎn)類似“細(xì)脖子”特征,不論是在頁(yè)巖上部,還是下部整體電阻率值均小于1.0 Ω·m,并且這種特征與目前研究認(rèn)為已經(jīng)明顯碳化的寒武系頁(yè)巖、以及北美的馬塞勒斯頁(yè)巖特征十分相似(圖2)。不僅如此,從頁(yè)巖電阻率和有機(jī)碳(TOC)含量的相關(guān)性來(lái)看,兩者整體呈現(xiàn)高度的負(fù)相關(guān),即TOC含量越高,則電阻率值越低(圖3)。

圖2 小于1 Ω·m極低電阻率頁(yè)巖“細(xì)脖子型”特征

圖3 不同電阻率頁(yè)巖TOC含量與電阻率值相關(guān)關(guān)系

(2)激光拉曼光譜特征。激光拉曼光譜實(shí)驗(yàn)是目前特別適用于精確評(píng)價(jià)下古生界海相頁(yè)巖熱演化程度相對(duì)最為有效的方法[19-20]。通過(guò)有機(jī)質(zhì)激光拉曼圖譜(圖4)可以明顯看出,這種類型的頁(yè)巖已經(jīng)出現(xiàn)了高幅度石墨峰(即G’峰) ,且顯示D峰大于G峰。按照劉德漢、肖賢明等[19]的研究結(jié)果,這類頁(yè)巖已經(jīng)進(jìn)入碳化階段;同時(shí)按照現(xiàn)階段比較公認(rèn)的拉曼分析參數(shù)計(jì)算的反射率計(jì)算公式,算出的激光拉曼反射率普遍在3.70%以上,局部井段達(dá)4.0%(表2)。由此可見,極低電阻率井頁(yè)巖存在演化程度過(guò)高的特征。

由于石墨化,頁(yè)巖骨架具有明顯導(dǎo)電性。這類井的頁(yè)巖在烘干水及飽和水2種狀態(tài)下,其電阻率值變化范圍較小,且均呈現(xiàn)極低—低電阻率特征,而非呈現(xiàn)出頁(yè)巖骨架本身的中—高電阻率值特征,從而說(shuō)明含水量對(duì)頁(yè)巖電阻率影響較小(圖5和圖6)。頁(yè)巖骨架石墨化程度高可能是引起極低電阻的主要原因。

圖5 四川盆地小于1 Ω·m極低電阻率頁(yè)巖不同狀態(tài)下電阻率統(tǒng)計(jì)直方圖

圖6 四川盆地MY1井頁(yè)巖電阻率隨含水飽和度變化趨勢(shì)

3.3 保存條件差是造成頁(yè)巖低電阻率(1～10 Ω·m)的主要原因

1～10 Ω·m范圍頁(yè)巖電阻率鉆井分布區(qū)域較廣,在四川盆地的盆內(nèi)、盆外均有,主要在川南構(gòu)造帶呈連片分布(圖1),其電性、激光拉曼及巖電實(shí)驗(yàn)等表現(xiàn)出來(lái)的特征與電阻率小于1 Ω·m的頁(yè)巖差異明顯。該類頁(yè)巖電阻率曲線具“漸變”特征(圖7),無(wú)“細(xì)脖子”特征;TOC含量與電阻率存在弱負(fù)相關(guān)性(圖3);激光拉曼實(shí)測(cè)反射率值在3.50% 左右,略高于DYS1井;激光拉曼圖譜也沒(méi)有表現(xiàn)出明顯的石墨峰的特征(圖8)。

圖7 1～10 Ω·m低電阻率頁(yè)巖“漸變型”特征低電阻率頁(yè)巖段主要集中在龍一亞段—五峰組。

圖8 1～10 Ω·m低電阻率頁(yè)巖與大于10 Ω·m電阻率頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)激光拉曼譜圖對(duì)比

TEM成像未存在明顯碳化現(xiàn)象,揭示巖石骨架中石墨結(jié)構(gòu)形成量有限,未影響巖石骨架的導(dǎo)電性(圖9)。巖電實(shí)驗(yàn)揭示測(cè)井、原樣與烘干3種狀態(tài)的頁(yè)巖電阻率相比變化大,烘干后頁(yè)巖隨水分減少,其電阻率升高7～20倍左右,呈現(xiàn)中—高電阻率特征,揭示含水量對(duì)頁(yè)巖電阻率有影響,而非骨架導(dǎo)電引起低電阻率(圖10)。

圖9 四川盆地SHY1井龍馬溪組頁(yè)巖透射電子成像圖

圖10 1～10 Ω·m低電阻率頁(yè)巖與大于10 Ω·m電阻率頁(yè)巖在不同狀態(tài)下電阻率變化對(duì)比

以SHY1井為例,該井位于石龍峽構(gòu)造南部,自晚燕山期以來(lái)遭受了綦江隱伏斷裂、大婁山運(yùn)動(dòng)及轉(zhuǎn)換斷裂的共同影響,導(dǎo)致石龍峽構(gòu)造保存條件變差。其主要表現(xiàn)為以下4個(gè)方面的地質(zhì)特征:一是巖心整體破碎程度高,裂縫極其發(fā)育,在整個(gè)龍馬溪組一段中共發(fā)育172條高阻縫,10條微斷層,同時(shí)地層傾角達(dá)到60°,裂縫密度及地層傾角遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于目前所有的頁(yè)巖氣鉆井;二是從裂縫間的相互切割關(guān)系、礦物充填順序以及包裹體等綜合判斷,石龍峽構(gòu)造在地質(zhì)歷史時(shí)期至少遭受了2～3期構(gòu)造活動(dòng)的強(qiáng)烈改造,并且從包裹體測(cè)溫看出,在深埋高溫階段,鹽度就已經(jīng)發(fā)生變化,呈低鹽度開放體系,表明可能在最大埋深期間氣藏發(fā)生破壞,并且在最后一期充填石英,可能存在熱液影響;三是頁(yè)巖具有高含水特征,通過(guò)蠟封樣實(shí)測(cè)的含水飽和度高達(dá)60%～70%,此外在巖石表面見有明顯“鹽霜”現(xiàn)象,揭示后期可能由于構(gòu)造變形強(qiáng)烈,頁(yè)巖氣層與上覆地層發(fā)生了水串層現(xiàn)象。

綜上所述,該類型的電阻率(1～10 Ω·m)主要是由頁(yè)巖氣保存條件變差、含水率增高所造成的。

4 結(jié)論及建議

(1)基于上述對(duì)不同電阻率成因分析取得的認(rèn)識(shí),并結(jié)合實(shí)際鉆探情況,認(rèn)為目前在盆內(nèi)高陡構(gòu)造帶龍馬溪組鉆遇的“低電阻、低含氣”現(xiàn)象,主要是由于受多期次構(gòu)造疊加影響、斷裂開啟、造成局部保存條件差所形成的。

(2)在SHY1井保存條件變差原因剖析的基礎(chǔ)上,加強(qiáng)對(duì)其他高陡帶目標(biāo)構(gòu)造解剖,明確中梁山與石龍峽具有相似的構(gòu)造背景及變形特征,受走滑作用較強(qiáng),存在低電阻、低含氣的風(fēng)險(xiǎn)較大,需加強(qiáng)評(píng)價(jià)落實(shí)有利保存區(qū);石油溝、桃子蕩、明月峽構(gòu)造走滑作用影響弱,分層滑脫明顯,且斷層平緩,保存條件好,是下一步需重點(diǎn)關(guān)注的高陡帶目標(biāo)。

利益沖突聲明/Conflict of Interests

所有作者聲明不存在利益沖突。

All authors disclose no relevant conflict of interests.

作者貢獻(xiàn)/Authors’Contributions

魏富彬、王強(qiáng)、陳斐然、嚴(yán)偉參與論文的構(gòu)思;魏富彬、劉珠江參與論文寫作和修改。 所有作者均閱讀并同意最終稿件的提交。

The study was designed by WEI Fubin,WANG Qiang,CHEN Feiran and YAN Wei. The manuscript was drafted and revised by WEI Fubin and LIU Zhujiang. All the authours have read the last version of paper and consented for submission.