四川盆地涪陵頁巖氣田3種典型頁巖氣保存類型

舒 逸 陸永潮 包漢勇 王 超 劉占紅

1. 中國地質大學（武漢）資源學院 2. 中國石化江漢油田分公司勘探開發研究院

我國南方地區海相富有機質頁巖普遍發育，但頁巖氣勘探效果差異巨大。該地區海相富有機質頁巖生烴后經歷了多期構造改造[1-5]，前人的研究成果[6-14]認為保存條件是南方海相頁巖氣富集的主控因素之一。郭旭生[15]認為良好的保存條件是頁巖氣“成藏控產”的關鍵。王濡岳等[16]在評價黔北地區海相頁巖氣保存條件時指出以抬升剝蝕為主的后期構造改造是頁巖氣散失的根本原因；潘仁芳等[17]認為桂中坳陷燕山期發育的不同屬性斷裂系統對頁巖氣保存起著決定性作用：胡東風、湯濟廣等[18-19]指出構造改造強度是頁巖氣保存條件的主控因素，壓力系數是保存條件的綜合判別指標。Wang等[1,20]認為除大規模構造改造外，中—小尺度的構造變形對泥頁巖裂縫的發育也具有重要影響；Zeng等[21]指出剪切斷裂的規模是影響四川盆地頁巖氣保存的關鍵；Li等[2]認為控制四川盆地頁巖氣保存的關鍵因素既包括斷層及高角度裂縫發育程度，還應包括頁巖氣的側向封堵性。聶海寬等[22]從物質基礎、構造作用與演化歷史、地層水條件等方面對四川盆地及周緣頁巖氣的保存條件開展研究，認為四川盆地下古生界頁巖氣具有良好的保存條件；湯濟廣等[19]從斷裂作用、頂底板有效性、上覆層厚度、構造形態及裂縫間距指數等方面開展了川東南地區下志留統龍馬溪組頁巖氣保存條件研究。但學者們主要從宏觀角度，定性評價頁巖氣保存條件，而結合微觀地質特征以及頁巖氣開發效果系統開展頁巖氣保存定量評價研究相對較少。

涪陵頁巖氣田位于我國南方地區構造相對穩定的四川盆地，目前已累計建成頁巖氣產能70×108m3/a，頁巖氣累計產量突破100×108m3，成為全球除北美之外最大的頁巖氣田。涪陵頁巖氣田頁巖原生品質平面差異性小，但開發井產量存在較大差異，分析認為頁巖氣保存條件平面差異變化所致。為此，筆者利用涪陵頁巖氣田豐富的地質、地震、測井、測試等資料，通過開展三維地震資料精細解釋、巖心觀察、成像測井解釋和頁巖核磁孔隙度測試，并結合涪陵頁巖氣田勘探開發實際效果，從宏觀—微觀兩方面入手，綜合研究保存條件對頁巖氣富集的影響，建立了頁巖氣保存條件定性—定量評價指標，劃分出涪陵頁巖氣田3種不同保存類型，對指導頁巖氣的勘探開發部署具有參考價值。

1 地質背景

涪陵頁巖氣田作為四川盆地東南部的一部分，經歷了早古生代克拉通坳陷、晚古生代克拉通裂陷、中新生代前陸坳陷等多個演化階段，受加里東運動、海西運動、印支運動、燕山運動和喜馬拉雅運動多期疊加改造，形成了現今的構造格局。加里東運動至印支運動整體以隆升剝蝕為主，燕山運動和喜馬拉雅運動不僅造成地層抬升剝蝕，同時擠壓變形形成了復雜的褶皺和斷裂組合，其中燕山晚期構造運動使得志留系泥巖發生順層滑脫，形成低角度裂縫和水平縫，后期喜馬拉雅構造隆升形成了高角度裂縫。

受多期構造活動疊加影響，研究區構造形成機制復雜，加之縱向存在多套滑脫層，造成平面構造改造變形強度復雜，且具有南東強北西弱的特征。研究區主要發育了北東向斷裂系統（大耳山、石門—金坪、吊水巖、天臺場等斷層）及北西向斷裂系統（烏江斷層）；以石門—金坪斷裂為界，構造上劃分為南北兩帶，北帶又可細分為焦石壩斷背斜、江東斜坡及烏江斷背斜等，南帶可細分石門—金坪斷背斜及白馬向斜等多個次級構造單元。焦石壩斷背斜主體表現為一平緩寬闊的箱狀背斜，地層平緩，斷裂不發育；烏江斷背斜斷裂較發育；南部石門—金坪斷背斜構造變形強烈，斷層發育，地層產狀橫向變化較大（圖1）。

綜合巖心、測井資料，涪陵頁巖氣田下志留統龍馬溪組自下而上分為龍一段、龍二段和龍三段。目前主要開發層系為上奧陶統五峰組—龍一段，該段自下而上可進一步細分為9個小層（圖2），其中①～⑤小層為深水陸棚沉積，主要為富碳高硅質黑色頁巖，厚37.5 m，總有機碳含量（TOC）平均值為3.13%，硅質含量介于40%～76%，具有較好的含氣性及可壓性，屬優質頁巖段；⑥～⑨小層為淺水陸棚沉積，以中碳中硅質混合頁巖和低碳中硅質黏土頁巖為主，厚51.8 m，TOC平均值為1.28%，硅質含量相對減少，黏土質含量顯著增加，其含氣性和可壓性品質相對較差。從平面上看，下部優質頁巖段（①～⑤小層）和上部含氣頁巖段（⑥～⑨小層）平面展布均基本穩定（圖3）。例如，下部優質頁巖段平均厚度約40 m；僅在南部白馬向斜略有增厚，TOC、硅質含量、黏土礦物和碳酸鹽巖含量分布也較穩定。

2 涪陵頁巖氣田不同構造類型特征

綜合分析涪陵頁巖氣田構造受力強弱、構造形態與斷裂發育程度等構造特征，將涪陵頁巖氣田構造劃分為穩定型、弱變形型和復雜型等3種類型。

圖1 涪陵頁巖氣田構造位置圖

圖2 涪陵頁巖氣田焦頁D井綜合柱狀圖

圖3 涪陵頁巖氣田典型井連井剖面對比圖

2.1 穩定型構造

2.1.1 構造特征與保存條件

穩定型構造的構造特征表現為：地層變形弱，為涪陵頁巖氣田構造最穩定區域。構造主體為平緩寬闊的斷背斜和較寬緩向斜，構造軸部地層平緩，構造翼部相對較陡，志留系地層未見增厚現象（圖4）；斷裂不發育，斷層密度一般小于0.35條/km2，且一般斷層規模小，斷距小于100 m。

圖4 過焦頁A井地震解釋剖面圖

該構造類型分布區五峰組—龍一段頁巖及其頂底板裂縫發育程度較低。焦頁A井區位于穩定型構造區內，通過該井巖心觀察發現，除在五峰組發育少量低角度裂縫，且多為方解石充填，裂縫開啟程度較低外，五峰組—龍一段頁巖及其頂底板構造縫均欠發育。成像測井資料也反映類似結論，只在下部五峰組發育3條高阻縫，底板裂縫不發育（圖5），加之該區含氣頁巖段頂板（龍二段底部）巖性以灰黑色泥質粉砂巖為主，夾灰黑色炭質泥巖，底板為澗草溝組灰色瘤狀灰巖，頂底板巖性均較致密，裂縫欠發育，厚度大（大于40 m），對頁巖氣隔擋性較好。

總體來看，該類型構造區內的海相富有機質頁巖在多期隆升剝蝕中未受到明顯構造影響，未形成大規模的斷—縫網絡逸散通道。在隆升剝蝕背景下，由于構造縫不發育，頁巖自封閉性良好，保存在頁巖中氣體由于彈性膨脹，導致頁巖保持相對超壓狀態，也抵消了部分上覆壓力對孔隙的壓實破壞，從而頁巖中也保留了較多的孔隙。

2.1.2 氣藏地質特征

穩定型構造對氣藏的保存影響較大。首先是使五峰組—龍一段頁巖保持相對較好的物性，如焦頁A井五峰組—龍一段頁巖核磁測定的有效孔隙度平均值為4.58%，中值孔隙直徑介于1.44～8.09 nm（平均值為2.61 nm），其中下部優質頁巖層段有效孔隙度平均值為4.79%，中值孔隙直徑2.03～8.09 nm（平均值為3.26 nm）；二是地層壓力系數高，微注靜壓測試資料顯示，焦頁A井氣層中部深度3 880.88 m，氣層中部壓力64.77 MPa，折算壓力系數為1.67，為超高壓頁巖氣藏（表1）。三是實鉆過程中見良好顯示，表1中可見穩定型構造區內鉆井氣測全烴介于15%～30%，巖心測試含氣飽和度大于65%，測井解釋含氣量為5.93 m3/t，含氣性最好，水平井壓裂后單井測試產量一般大于25×104m3/d。

圖5 不同構造類型區內典型井成像測井對比圖

表1 不同構造類型區氣藏特征對比表

2.2 弱變形型構造

2.2.1 構造特征及保存條件

同穩定型構造不同，弱變形型構造的典型構造特征要復雜一些，構造由多個狹窄的斷鼻構成的斷背斜帶組成。在該類型構造中，可發育一組至多組不同走向的斷層，但是主控斷層不多，主要是一些與之伴生的次級斷層。相較于穩定型構造，該類型構造中斷層規模大，多數斷層已斷至地表，對構造的完整性有較大的破壞（圖6）。

圖6 過焦頁B井地震解釋剖面圖

在弱變形型構造分布區內，五峰組—龍一段頁巖及其頂底板裂縫較為發育。處于該區內的焦頁B井巖心觀察表明，五峰組—龍一段頁巖下部可見18條高角度構造縫，縫寬介于0.2～3.0 mm，縫高介于5～10 cm，方解石半充填—全充填（圖7-a）；五峰組—龍一段頁巖中上部發育兩期高角度縫，其中早期裂縫為7條高角度縫組成，縫寬介于0.2～0.5 mm，方解石全充填；晚期裂縫切割早期裂縫，方解石半充填—全充填，縫長11 cm（圖7-b）。該井成像測井資料可識別出13條小斷層、6條高阻縫、1條高導縫（圖5）。該類型構造頂底板裂縫較為發育，尤其是頂板龍二段裂縫發育，可見多條高角度縫（圖7-c），縫寬介于1～2 cm，方解石充填，反映該類構造頂板保存條件相對較差。由于該類型構造的目的層段和頂底板裂縫發育程度高，故鉆井中多有漏失，焦頁B井鉆井液漏失量達142.4 m3（表2）。

表2 涪陵頁巖氣田不同構造類型區內鉆井漏失情況統計表

圖7 弱變形型構造典型巖心照片（焦頁B井）

總體來看，該類型構造改造程度相對較強，斷裂及裂縫均較發育，局部高角度裂縫可形成斷—縫逸散通道導致頁巖氣散失，氣藏壓力系統遭受一定程度破壞，致使頁巖孔徑變小，孔隙度降低，頁巖富集程度降低，頁巖氣保存條件中等。

2.2.2 氣藏地質特征

同穩定型構造相比，弱變形型構造區內保存條件相對變差，頁巖孔隙度和地層壓力系數有所降低。處于該類型區內的焦頁B井核磁孔隙度測試結果表明，五峰組—龍一段有效孔隙度平均值為3.77%，中值孔隙直徑介于1.02～4.55 nm（平均值為1.92 nm），顯著低于穩定型構造的有效孔隙度平均值（4.58%）和中值孔隙直徑（平均值為2.61 nm）；其中下部優質頁巖層段有效孔隙度平均值為3.89%，中值孔隙直徑介于1.44～4.55 nm（平均值為2.78 nm）（表1）。微注靜壓測試資料顯示，該井氣層中深3 473.4 m，氣層中部地層壓力48.15 MPa，折算壓力系數1.39，較穩定型構造區內的折算壓力系數（1.67）顯著降低。實鉆資料（表1）揭示，構造弱變形區內鉆井過程中氣測全烴介于8%～15%，巖心測試含氣飽和度介于50%～65%，測井解釋含氣量為5.18 m3/t，含氣性較好，水平井壓裂后單井測試產量介于（10～25）×104m3/d。

2.3 復雜型構造

2.3.1 構造特征及保存條件

相較于前兩種類型構造變形較弱的特征，構造形態復雜、構造變形強烈、地層產狀變化較大（傾角介于10°～35°）是復雜型構造最為典型的構造特征。該類型構造區內發育數條大斷層，走向以北東向為主，一般斷距大（石門斷層斷距達1 050 m），斷層伴生多條次級斷層，導致地層破碎，連續性差（圖8）。

圖8 過焦頁C井地震解釋剖面圖

同弱變形型構造相比，該類型構造區內目的層及頂底板裂縫非常發育。該區內的焦頁C井巖心觀察表明，五峰組發育多期裂縫，水平縫寬介于3～5 mm，垂直縫寬介于1～5 mm，方解石全充填，龍馬溪組底部可見10余條縫寬介于1～2 mm的高角度縫及數十條縫寬約1 mm的派生縫，方解石全充填；目的層頂部見1條縫寬1 mm的高角度縫及數條縫寬0.1 mm的派生縫，方解石全充填。該井成像測井資料顯示，目的層段可識別出28條高阻縫、13條高導縫（圖5）。該類型構造的頂底板較穩定型構造和弱變形型構造裂縫發育程度較高，頂部龍二段可識別出12條高阻縫、3條高導縫。裂縫發育致使該類構造頂底板保存條件較差。成像測井資料揭示，復雜型構造中主力含氣段及頂底板裂縫發育強度均顯著高于穩定型構造和弱變形型構造，且高導縫占比較高，斷層封閉性較差，不利于頁巖氣保存。該區鉆井漏失情況也反映出復雜型構造的斷層發育且斷層溝通性較強，其鉆井液漏失量顯著高于前兩者，達692.1 m3，漏失速率達3.85 m3/h（表2）。

復雜型構造區內斷層及其伴生的構造縫十分發育，構造形態復雜，地層破碎，產狀窄陡，在后期構造抬升剝蝕過程中，斷層及與之伴生的裂縫成為頁巖氣逸散主要通道，對頁巖氣保存產生較大破壞作用，致使該區孔隙度、孔隙直徑和地層壓力系數等參數顯著降低，反映出該類型頁巖氣保存條件較差。

2.3.2 氣藏地質特征

該類型構造區內頁巖孔隙度及地層壓力系數均低于前兩類。焦頁C井核磁孔隙度測試結果（表1）表明，下部優質頁巖層段有效孔隙度平均值為2.22%，鄰井優質頁巖層段中值孔隙直徑介于1.74～2.91 nm（平均值為2.23 nm）；微注靜壓測試顯示，該井氣層中部深度為3 520.13 m，氣層中部地層壓力34.01 MPa，折算地層壓力系數僅0.97，較前兩類顯著減低。實鉆資料揭示，復雜型構造區內鉆井氣測全烴小于10%，巖心測試含氣飽和度介于50%～65%，測井解釋含氣量為4.25 m3/t，含氣性最差，水平井壓裂后單井測試產量一般小于10×104m3/d（表1）。該類型含氣量及單井測試產量顯著低于前兩類。

3 頁巖氣保存條件分析評價

3.1 頁巖氣保存條件評價指標

盡管頁巖原生品質平面上變化不大，但由于研究區經歷復雜構造運動影響，不同構造部位所受構造改造程度和構造變形強度不同，從而導致斷裂和裂縫發育特征、頂底板條件、氣藏相關地質參數和頁巖含氣性在平面上發生較大變化。結合涪陵頁巖氣田的實際開發效果，采用構造形態、斷裂/裂縫特征、頂底板條件和地層壓力4個宏觀指標，以及孔隙度和孔徑大小等兩個微觀指標進行頁巖氣保存條件評價（表3）。

表3 涪陵頁巖氣田保存條件評價指標判別表

構造特征：不同的構造形態整體反映出多期構造運動所造成的區域構造變形、變位特征[18]，同時也是影響保存條件的主要因素[23]。頁巖氣開發經驗揭示，構造寬緩、形態完整、具正向構造背景的構造樣式常見較高的氣測顯示，反映出較好的頁巖氣保存條件。研究區構造形態及變形強度存在區域差異性特征，以構造特征為主線，強調構造作用是致使頁巖氣保存條件差異化的重要原因，是開展頁巖氣保存條件評價的首要評價指標。

斷裂/裂縫特征：斷層及裂縫的屬性、發育規模/程度等決定了頁巖滲透性和擴散速率，并進一步控制了頁巖氣保存條件。規模斷層，尤其是切穿上部區域蓋層的斷層及與之伴生的裂縫，易成為頁巖氣逸散通道，使頁巖氣大規模散失，不利于頁巖氣保存。研究區內的不同構造部位和不同層段其斷裂/裂縫屬性及發育規模/程度均具有顯著差異，導致其頁巖氣保存條件不同[24]。

頂底板條件：良好的頂底板既可以減緩頁巖氣的逸散，同時在壓裂改造時可有效避免人工裂縫與斷裂或含水地層溝通，降低頁巖儲層改造風險。研究區目的層頂底板巖性較為一致，區域分布穩定。但由于不同地區裂縫發育程度不同，導致頂底板封堵條件差異較大。

地層壓力：頁巖由于良好的自封閉性，頁巖氣生排烴過程中造成孔隙壓力增大，容易形成異常高壓。在異常壓力和烴濃度差的作用下，若頁巖氣保存條件較差，頁巖氣排出速度過快可造成地層壓力大幅降低，甚至形成常壓[22]。因此地層壓力參數是頁巖氣保存條件的重要評價指標。目前鉆井測試數據也表明頁巖氣壓力系數與產量具有較好的正相關性[2]。

孔隙度和孔徑大小：孔隙度大小也是衡量保存條件的重要指標。保存條件較差，頁巖氣逸散后，存在孔隙度降低趨勢。孔徑大小同樣是反映頁巖氣保存條件優劣的重要參數。良好保存條件下，氣體充注度較高，孔隙被氣體充填，且孔徑較大，以中—宏孔為主；若保存條件較差，氣體逸散，加之上覆地層壓力影響，孔隙承壓能力降低，其孔隙多以橢圓形或扁平狀為主，且孔徑較小，多以微孔—中孔為主。

綜合分析涪陵頁巖氣田構造特征、斷裂/裂縫特征、頂底板條件、地層壓力和孔隙度和孔徑大小等因素，把涪陵頁巖氣田保存類型劃分構造穩定型、構造弱變形型和構造復雜型為3種保存類型。

3.2 涪陵頁巖氣田各區塊保存條件評價

按照上述評價指標綜合評價，認為焦石壩斷背斜和江東斜坡應屬于構造穩定型保存類型（圖9）。以焦石壩斷背斜為例，構造形態寬緩，頂部較平坦，五峰組—龍一段穩定分布，變形強度很小，斷層及構造裂縫不發育，僅在構造翼部發育大耳山西斷層、吊水巖斷層、天臺場2號斷層等幾條斷層，故保存條件良好。通過對涪陵頁巖氣田不同保存類型區典型鉆井生產數據統計可知（圖10），構造穩定型區內單井產量最高，單井平均測試產量可達37.9×104m3/d，平均測試井口壓力為27.7 MPa，平均無阻流量為63.4×104m3/d，反映出具有最好的頁巖氣保存條件。

圖9 涪陵頁巖氣田不同保存類型平面分布圖

構造弱變形型保存類型主要分布于中部烏江斷背斜，斷裂較發育，主控斷層的斷距100～500 m，其他伴生斷層規模較小。在斷層控制下，主要形成斷背斜、斷鼻構造，構造主體五峰組—龍一段產狀較陡，地層增厚比例一般小于1.5。頂底板巖層裂縫較發育?？傮w看保存條件中等，但比焦石壩斷背斜差。構造弱變形型區內單井產能指標相對較低，單井平均測試產量可達12.6×104m3/d，平均測試井口壓力為10.8 MPa，平均無阻流量為15.3×104m3/d，反映出較差的頁巖氣保存條件。

構造復雜型保存類型主要分布于東南部的石門—金坪背斜和白馬向斜。在石門—金坪背斜中，斷裂發育，構造較破碎，主要形成狹窄斷背斜、復雜斷裂帶；地層產狀陡，地層增厚比例2.0左右；頂底板巖層裂縫發育，封閉條件差。如圖10所示，構造復雜型分布區的頁巖氣井平均測試產量8.6×104m3/d，平均測試井口壓力7.9 MPa，平均無阻流量為9.4×104m3/d，說明其頁巖氣保存條件最差。

圖10 不同保存類型區內單井產量綜合對比圖

4 結論

1）涪陵氣田頁巖氣保存類型可劃分為構造穩定型、構造弱變形型和構造復雜型3類，其中構造穩定型區內斷裂不發育，構造變形較弱，目的層段裂縫發育程度低，頂底板封閉性好，最有利于頁巖氣保存；構造弱變形型區內，發育兩期不同走向斷層，產狀較陡，近斷裂帶處保存條件較差，遠離斷層的區域仍具備中等保存條件；構造復雜型區內，發育北東向斷層，斷層及其伴生的構造縫十分發育，構造形態復雜，地層破碎，產狀窄陡，頂底板封閉性差，為最不利的頁巖氣保存類型。

2）構造形態平緩、遠離邊界主控斷裂是頁巖氣得以保存的基礎，頂底板有效的隔擋封閉條件則可顯著降低構造改造對氣藏的破壞作用，超壓環境、孔隙度和孔徑大小是保存條件的綜合表象。

3）優選構造形態、斷裂/裂縫特征、頂底板條件和地層壓力4項宏觀指標以及孔隙度和孔徑大小2項微觀指標作為頁巖氣保存條件評價指標。

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