川東南地區(qū)茅口組一段地質(zhì)特征及天然氣富集規(guī)律
——以南川區(qū)塊為例

李佳欣,房大志,程澤虎

(1.油氣地球化學(xué)與環(huán)境湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(長(zhǎng)江大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院),湖北 武漢 430100; 2.中石化重慶頁巖氣有限公司,重慶 408400)

引 言

四川盆地二疊系茅口組是該區(qū)天然氣勘探開發(fā)的重要層位,經(jīng)過幾十年的探索和發(fā)展,已相繼在臥龍河、自流井、鹿角場(chǎng)等多個(gè)盆地區(qū)域建成了開發(fā)基地,累計(jì)天然氣資源總量達(dá)15 059.39×108m3,探明儲(chǔ)量?jī)H為852.03×108m3。探明程度較低更凸顯其良好的天然氣勘探前景[1-5]。盆內(nèi)二疊系天然氣勘探工作雖起步較早,但前期多圍繞川西北開展,且主要集中在茅口組二段(茅二段)—茅口組三段(茅三段)白云巖儲(chǔ)層,針對(duì)川東南地區(qū)茅口組一段(茅一段)的研究甚少。近年來,中石化華東油氣分公司在川東南南川區(qū)塊志留系頁巖氣勘探開發(fā)工作穩(wěn)步推進(jìn),部署于背斜核部的多口氣井在鉆探過程中,茅口組氣測(cè)顯示活躍,多發(fā)生溢流且放噴火焰達(dá)5～20 m,進(jìn)一步證實(shí)了茅口組資源基礎(chǔ)和勘探開發(fā)潛力[6]。例如,2018—2019年,相繼在平橋南區(qū)主體區(qū)部署了2口茅口組探井DS1井及DS2井,采用分段酸化壓裂試氣,獲產(chǎn)量22.55×104m3/d和8.37×104m3/d,其中DS1井成功穩(wěn)產(chǎn)5×104m3/d以上超600 d。但隨后在南川區(qū)塊部署的數(shù)口茅口組氣井整體產(chǎn)氣效果不佳,亟需進(jìn)一步研究其產(chǎn)能差異大的根本原因。

針對(duì)本區(qū)面臨的地質(zhì)特征差異大、富集規(guī)律不明確的問題,中石化華東油氣分公司自2019年以來在南川區(qū)塊進(jìn)行了大量基礎(chǔ)地質(zhì)研究,并于2022年相繼部署水平井2口,最高日產(chǎn)氣量均超5×104m3,實(shí)現(xiàn)了區(qū)塊內(nèi)茅口組儲(chǔ)量的經(jīng)濟(jì)有效動(dòng)用。筆者基于南川區(qū)塊勘探開發(fā)實(shí)踐,系統(tǒng)分析了該地區(qū)沉積、地層展布、構(gòu)造特征,進(jìn)一步明確氣藏富集主控因素,從而為區(qū)塊內(nèi)立體開發(fā)部署提供理論依據(jù)。

1 沉積特征

四川盆地按照構(gòu)造單元可劃分為5個(gè)區(qū)塊,即北部低緩構(gòu)造帶、西部、南部低陡構(gòu)造帶、東部高陡構(gòu)造帶以及中部平緩構(gòu)造帶[7]。南川區(qū)塊構(gòu)造上屬于川東高陡褶皺帶,在構(gòu)造演化特征上與川東南地區(qū)總體一致。川東南地區(qū)二疊紀(jì)棲霞期—長(zhǎng)興期經(jīng)歷了多種類型的沉積環(huán)境,形成的沉積相主要包括碳酸鹽巖臺(tái)地相、碳酸鹽巖緩坡相、沼澤相等[8]。其中,茅口組沉積期構(gòu)造相對(duì)穩(wěn)定,基本繼承了棲霞期的沉積特征,但因海平面頻繁變化,導(dǎo)致該時(shí)期的沉積相帶類型主要為碳酸鹽巖緩坡相[9-11]。碳酸鹽巖緩坡相是從碳酸鹽臺(tái)地至深水盆地間無明顯的坡折帶,亞相類型主要有碳酸鹽巖外緩坡、中緩坡、內(nèi)緩坡(圖1)[12-14]。

內(nèi)緩坡沉積區(qū)水體淺、能量高,主要受波浪改造,發(fā)育高能灘和低能灘間沉積,茅口組茅三—茅四段主要為內(nèi)緩坡沉積類型。巖性以致密塊狀淺灰色灰?guī)r為主,泥質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均低于3%。中緩坡沉積區(qū)水體相對(duì)安靜,主要受到風(fēng)暴浪的改造,部分受波浪改造,主要發(fā)育于茅口組二段,沉積巖性以致密中厚層狀灰色-淺灰色泥晶灰?guī)r為主。外緩坡沉積區(qū)域緊鄰盆地,主要發(fā)育在低位域沉積期,屬靜水還原沉積環(huán)境,不受風(fēng)暴浪的影響,巖性以層狀生屑泥質(zhì)灰?guī)r、灰質(zhì)泥巖為主,局部沉積了薄層泥頁巖,外緩坡沉積期有機(jī)保存條件好,具有一定的生烴潛力,并發(fā)育明顯的“眼球構(gòu)造”(圖2、圖3),茅口早期的海侵環(huán)境決定了茅一段是該區(qū)主要的烴源巖發(fā)育層位。

2 地層展布特征

2.1 地層縱向發(fā)育特征

南川區(qū)塊二疊系地層自下而上包括下二疊統(tǒng)梁山組、棲霞組、茅口組以及上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M、長(zhǎng)興組。其中,茅口組各層段巖電特征差異較大,據(jù)此可將茅口組劃分為四段(圖4)。茅一段為茅口組主要儲(chǔ)集層,厚度相對(duì)較大,在150～180 m,發(fā)育巖性為灰色-深灰色灰質(zhì)泥巖及泥質(zhì)灰?guī)r,具有較好的生烴條件,測(cè)井顯示高伽馬、中低電阻率特征。根據(jù)巖電特征,茅一段可進(jìn)一步劃分為上下兩個(gè)亞段,其中茅一下亞段為深灰色灰質(zhì)泥巖夾泥質(zhì)灰?guī)r,偶見層理發(fā)育的黑灰色含灰泥巖,見明顯眼球狀構(gòu)造,厚90～110 m,電性特征表現(xiàn)為相對(duì)高伽馬(35～97 API)、相對(duì)低電阻率(14～8 000 Ω·m);茅一上亞段巖性為灰色、深灰色含泥灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r、灰質(zhì)泥巖,具層狀構(gòu)造,厚50～65 m,電性特征表現(xiàn)為相對(duì)高伽馬(36～122 API)、中高電阻率(910～20 000 Ω·m)(表1)。

2.2 地層橫向展布特征

通過對(duì)前期鉆探井地層展布情況進(jìn)行匯總,南川區(qū)塊茅口組地層厚度普遍在240～300 m(圖5),茅一段—茅三段厚度相對(duì)穩(wěn)定,茅四段頂部受抬升剝蝕程度不同而厚度差異較大,茅口組各段巖性和電性具有較好的可對(duì)比性。川東南地區(qū)茅四段由東向西剝蝕程度增加,殘留厚度減小,由南向北茅四段剝蝕程度基本相當(dāng),彭水地區(qū)茅四段普遍殘留32～40 m,南川區(qū)塊殘留7～15 m(圖5)。茅一段厚150～180 m,整體分布較為穩(wěn)定,自東南向西北略有減薄,其中茅一下段普遍厚90～110 m(圖6、表1)。茅一段9個(gè)小層在平面上也具有較好的可比性,底部1小層厚度較大,一般為43～57 m。

圖5 川東南地區(qū)茅口組地層厚度平面分布Fig.5 Stratum thickness plan of Maokou Formation in southeastern Sichuan

圖6 南川區(qū)塊及周邊茅一段地層厚度平面分布Fig.6 Stratum thickness plan of Mao-1 member in Nanchuan block and surrounding

3 構(gòu)造特征

川東南地區(qū)整體構(gòu)造背景主要受到燕山期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響,形成了現(xiàn)今的構(gòu)造格局,喜山期運(yùn)動(dòng)在川東南地區(qū)主要表現(xiàn)為抬升剝蝕[15-16]。按照構(gòu)造作用背景,該區(qū)燕山運(yùn)動(dòng)可分為兩期,早期主要為SE-NW方向的應(yīng)力擠壓作用,形成褶皺和斷裂,燕山運(yùn)動(dòng)中晚期為SE-NW方向擠壓走滑,形成南北向斷裂。兩期構(gòu)造作用疊加,形成現(xiàn)今隆凹相間、東西分帶的構(gòu)造格局。

在縱向上,受兩期構(gòu)造作用的影響,川東南地區(qū)發(fā)育有4套相互疊置的滑脫層,分別是中下三疊統(tǒng)嘉陵江組至雷口坡組的膏巖層、志留系的泥頁巖和砂質(zhì)泥巖層、中下寒武統(tǒng)的泥質(zhì)巖和膏巖層、基底變質(zhì)巖,邊界斷層控制局部構(gòu)造格局,其余斷層多數(shù)以滑脫層為界隱伏其中,形成上中下3個(gè)構(gòu)造層模式。上構(gòu)造層表現(xiàn)為對(duì)沖、背沖構(gòu)造樣式,中構(gòu)造層表現(xiàn)為斷展褶皺,下構(gòu)造層表現(xiàn)為疊瓦狀構(gòu)造樣式,工區(qū)的茅口組處于中構(gòu)造層。

在平面上,根據(jù)斷裂級(jí)次、構(gòu)造形態(tài),南川區(qū)塊茅口組自東向西分為石橋白馬向斜帶、平橋構(gòu)造帶、東勝構(gòu)造帶、神童壩向斜、陽春溝構(gòu)造帶(圖7)。平橋背斜構(gòu)造帶呈北東走向,茅口組在平橋南區(qū)整體呈現(xiàn)隆凹相間的構(gòu)造格局,且平橋背斜受斷層割裂,分為東區(qū)和西區(qū);東勝背斜構(gòu)造帶與平橋構(gòu)造帶走向基本一致,受多條斷層夾持,構(gòu)造軸跡呈反“S”型,表現(xiàn)為多期構(gòu)造影響,背斜中部狹窄,往南、往北變得寬緩,由背斜主體和南斜坡組成。

圖7 南川區(qū)塊構(gòu)造分區(qū)Fig.7 Tectonic zoning map of Nanchuan block

南川區(qū)塊晚期,地層抬升時(shí)間較晚,使得該區(qū)塊在整體上表現(xiàn)為斷層相對(duì)發(fā)育,主要埋深為500～1 500 m,與茅一段埋深近似,無明顯出露至地面,后期改造形成大量構(gòu)造縫和斷層,有利于天然氣運(yùn)移聚集,但內(nèi)部斷裂不發(fā)育,構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單,使得其保存條件較好,且具有一定的氣源補(bǔ)充,進(jìn)一步保障了茅一段天然氣富集成藏。

4 富集規(guī)律

從南川區(qū)塊茅口組氣井目前的鉆探資料分析,在不同層位、不同區(qū)域,氣藏的分布具有明顯差異:同一區(qū)域內(nèi)不同井各層氣測(cè)顯示及生產(chǎn)測(cè)試效果差異大;平橋構(gòu)造區(qū)茅口組氣井勘探效果好于東勝構(gòu)造區(qū)茅口組氣井(表2)。表明不同構(gòu)造單元、成藏性質(zhì)差異較大。

表2 南川區(qū)塊茅口組氣井生產(chǎn)情況Tab.2 Production data of gas wells in Maokou Formation of Nanchuan block

(1)決定油氣富集程度的因素

川東南地區(qū)茅一段整體為較深水沉積的外緩坡相,以含泥灰?guī)r、灰質(zhì)泥巖等高含泥的巖性為主,且沉積厚度大,所測(cè)TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均0.9%,具有良好的生烴基礎(chǔ)。工區(qū)取芯井資料顯示,茅一段不同部分巖性有所差異,其上部地層主要為泥質(zhì)灰?guī)r,期間夾有薄層灰質(zhì)泥巖; 中部地層為泥質(zhì)灰?guī)r與灰質(zhì)泥巖互層交錯(cuò),顏色較上部地層深;下部地層主要為灰黑色泥質(zhì)灰?guī)r,且越往底部逐漸變?yōu)闇\灰色含泥質(zhì)灰?guī)r。整體的灰泥互層滿足其作為烴源巖和儲(chǔ)層的要素,為茅一段自生自儲(chǔ)提供了條件。上覆茅二段及下伏棲霞組的致密灰?guī)r封閉性好,組成了良好的上下封堵,在區(qū)域擠壓走滑構(gòu)造背景下,使茅一段儲(chǔ)層發(fā)育有大量的微裂縫,通過大量的連通孔-縫,組成了茅一段良好的構(gòu)造-巖性圈閉,并使得烴源巖生成的氣體匯集。

(2)裂縫的發(fā)育程度對(duì)油氣成藏的控制

川東南地區(qū)燕山期應(yīng)力改造作用控制了大規(guī)模的裂縫型儲(chǔ)集體,該類氣藏主要發(fā)育于高陡褶皺帶核部及斷裂帶附近,裂縫越發(fā)育,越利于氣體富集和壓裂形成儲(chǔ)層的體積改造,裂縫的發(fā)育程度是控制產(chǎn)量的關(guān)鍵。在鉆井和試氣資料中,通過對(duì)比發(fā)現(xiàn),大尺度裂縫與氣測(cè)顯示及試氣產(chǎn)量無直接對(duì)應(yīng)關(guān)系;試氣產(chǎn)量與斷層的相對(duì)距離呈正相關(guān),距離斷層越遠(yuǎn),試氣產(chǎn)量越高,這是由于斷層附近存在逸散帶,大尺度裂縫溝通后會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)層破壞,在遠(yuǎn)離斷層的區(qū)域,大尺度裂縫對(duì)人工改造有促進(jìn)作用。裂縫的發(fā)育程度也是控制氣藏富集的主要因素。

通過曲率屬性預(yù)測(cè),DS1HF井水平段大尺度裂縫最發(fā)育,DS1-1HF井次之,DS2HF井大尺度裂縫部分發(fā)育,JY205-11HF井水平段裂縫發(fā)育程度較高,整體處于曲率高值區(qū),而JY205-12HF、JY205-14HF水平井末段靠近斷層,裂縫發(fā)育,導(dǎo)致氣藏逸散;JY194-12HF井水平段裂縫發(fā)育程度較高,整體處于曲率高值區(qū)。D1-4-14HF裂縫不發(fā)育,DS4HF局部發(fā)育(圖8)。由此可見,裂縫的發(fā)育情況與氣井的生產(chǎn)情況基本一致。

圖8 南川區(qū)塊茅口組含氣層最大曲率屬性平面圖Fig.8 Maximum curvature attribute plan of gas-bearing layer in Maokou Formation of Nanchuan block

5 結(jié) 論

(1)茅口組發(fā)育碳酸鹽巖緩坡相,茅口早期的海侵環(huán)境使得茅一段為相對(duì)深水的外緩坡沉積亞相,巖性以深灰-灰黑色層狀生屑泥質(zhì)灰?guī)r、灰質(zhì)泥巖為主,生烴及保存條件良好。

(2)渝東南地區(qū)茅口組主要受到兩期燕山構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響,形成大規(guī)模的褶皺和斷裂,整體呈現(xiàn)北東走向的隆凹相間的構(gòu)造格局。

(3)茅一段良好的生烴條件及儲(chǔ)層縱橫向的穩(wěn)定分布奠定了成藏的基礎(chǔ),初步形成生儲(chǔ)一體的富集模式,后期構(gòu)造作用形成大規(guī)模的裂縫型儲(chǔ)集體也是控制氣藏富集的主要因素。