川東南DS地區(qū)龍馬溪組頁巖氣形成及富集控制因素

何 順，秦啟榮，3，周吉羚，鐘 城，范存輝，3

(1.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610500；2. 西南石油大學(xué)，四川 成都 610500；3.四川省頁巖氣資源與環(huán)境協(xié)同創(chuàng)新中心，四川 成都 610500；4.中國石油西南油氣田分公司，四川 成都 629000)

0 引 言

頁巖氣勘探是現(xiàn)今國內(nèi)外非常規(guī)油氣勘探的重點(diǎn)領(lǐng)域，成熟頁巖層普遍含氣[1-3]。中國頁巖氣藏地質(zhì)條件較為復(fù)雜，學(xué)者對頁巖氣運(yùn)聚富集的主要控制因素尚無統(tǒng)一觀點(diǎn)。川東南地區(qū)是中國頁巖氣勘探的主要地區(qū)，厘清頁巖氣運(yùn)聚富集、形成規(guī)模性氣藏的控制因素，對今后同類地區(qū)頁巖氣勘探具有重要意義。頁巖由于其致密性，常被視為自生自儲自蓋型圈閉，而對于復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下發(fā)育的頁巖，常不能滿足自蓋要求。針對這一特點(diǎn)，在對頁巖氣生成和儲集空間發(fā)育分析的基礎(chǔ)上，分析頁巖頂、底板地層構(gòu)造要素及斷裂對地層的破壞等，對川東南DS地區(qū)頁巖氣富集形成規(guī)模及頁巖氣藏的主要控制因素進(jìn)行研究。解析生氣、儲集及封蓋條件對頁巖氣富集成藏的影響，認(rèn)為有利的生氣條件是頁巖氣富集的物質(zhì)基礎(chǔ)，儲層空間發(fā)育提供頁巖氣聚集的空間場所，而保存條件是頁巖氣形成后能否留存的關(guān)鍵。結(jié)合烴源、儲藏、保存三者條件及時空配置因素，綜合分析各條件對頁巖氣富集控制的權(quán)重。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

DS區(qū)塊位于川東高陡褶皺帶和川南低緩褶皺帶的交匯部位，空間上為NE向?qū)捑徬蛐焙途o閉背斜組合的隔槽式褶皺[4-6]。研究區(qū)為北東向展布的斷鼻狀背斜[7](圖1)。研究區(qū)經(jīng)歷海西至喜山運(yùn)動等5次大型構(gòu)造運(yùn)動，構(gòu)造演化時間長，地層出露相對完整，除泥盆系和石炭系外，震旦系至侏羅系均有出露。DS地區(qū)發(fā)育多套泥頁巖地層，具備良好的頁巖氣開發(fā)前景。

圖1 研究區(qū)區(qū)域構(gòu)造特征

早志留世時期，川東南DS地區(qū)海平面上升，水體快速加深，低等生物大量繁衍，水體閉塞，含氧量降低，形成相對還原的水體[8]。生物死亡后，在缺氧的還原環(huán)境中沉積并保存下來，形成一套厚度大、高豐度、高成熟度的富有機(jī)質(zhì)頁巖。主要產(chǎn)氣層龍馬溪組底部為黑色炭質(zhì)頁巖夾薄層砂質(zhì)頁巖，大量筆石、化石及黃鐵礦發(fā)育，向上巖性轉(zhuǎn)變?yōu)殁}質(zhì)頁巖與泥灰?guī)r夾層。

2 頁巖氣生成物質(zhì)基礎(chǔ)及控制因素

2.1 有機(jī)質(zhì)類型和豐度

受海底火山作用的影響，頁巖沉積期水體溫暖，營養(yǎng)物質(zhì)豐富，微生物富集[9]，形成以Ⅰ型干酪根發(fā)育為主，Ⅱ1型干酪根少量發(fā)育的優(yōu)質(zhì)烴源母巖，頁巖層中筆石豐富，氫碳含量比較高，為大量產(chǎn)氣提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。通過對DY1HF、DY2井鉆井取樣分析可知，底部黑色炭質(zhì)頁巖TOC最高，向上灰質(zhì)和砂質(zhì)成分加大，TOC遞減，并得到不同深度頁巖有機(jī)質(zhì)含量變化規(guī)律(圖2)。由圖2可知：DY1HF井1 970.5～2 020.6 m深度的頁巖TOC為0.62%～2.00%，整體小于2.00%，隨深度增加TOC平緩波動；2 020.6～2 052.9 m深度的頁巖TOC為2.00%～6.65%，隨深度增加TOC呈線性增加，最高達(dá)6.69%；DY1HF井全段頁巖層TOC為0.41%～6.69%，TOC平均值為2.37%；DY2井測試段TOC為0.84%～6.48%，高于中國劃定的頁巖層有利勘探開發(fā)TOC最低值(2.00%)，屬于優(yōu)質(zhì)頁巖，DY1HF井和DY2井優(yōu)質(zhì)頁巖有效厚度分別為26.18 m和32.36 m。

圖2 TOC隨深度變化曲線

2.2 高演化有機(jī)質(zhì)基礎(chǔ)

龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖形成于早志留世時期，形成時間早，地溫梯度大，熱演化時間長。頁巖埋藏深度為1 500～4 500 m，DY1HF井與DY2井Ro為2.20%～3.36%，處于過成熟階段(圖3)。通過對樣品進(jìn)行熱解檢測，得到吸附烴及游離烴含量分別為0.00～0.86 mg/g和0.00～0.67 mg/g，整體生烴潛力為0.00～1.53 mg/g。研究區(qū)厚度較大的頁巖層形成于深水陸棚環(huán)境，有機(jī)質(zhì)類型相同，隨深度的變化，頁巖有機(jī)質(zhì)豐度和熱演化程度發(fā)生變化，頁巖產(chǎn)氣量也出現(xiàn)差異，此為控制頁巖氣生成的主要因素。

圖3 DY1HF、DY2井Ro隨深度變化關(guān)系

3 頁巖氣儲集空間特征

3.1 無機(jī)質(zhì)孔隙

龍馬溪組頁巖礦物組成包括黏土礦物、石英、長石及少量黃鐵礦，黏土礦物含量大，礦物顆粒細(xì)小，接觸緊密。原生礦物晶間孔隙欠發(fā)育，僅存在少數(shù)礦物間孔隙以及黏土礦物顆粒之間的微米級孔隙。

通過對DS地區(qū)頁巖樣品進(jìn)行背散射Maps掃描觀察(圖4)發(fā)現(xiàn)，頁巖層中發(fā)育大量不同類型的微孔隙，孔隙空間不規(guī)則發(fā)育，形狀和分布不一，主要包括生物化石孔、晶間孔和晶內(nèi)孔；孔隙空間形狀多樣，包括圓形、蠕蟲形、發(fā)散狀等；在上覆地層壓力作用條件下，各類孔隙空間產(chǎn)生不同程度的形變，對原孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造。

圖4 龍馬溪組頁巖微觀孔隙空間

3.2 有機(jī)質(zhì)孔隙

有機(jī)質(zhì)孔隙是指發(fā)育在頁巖有機(jī)質(zhì)內(nèi)部的微小孔隙，包括頁巖有機(jī)質(zhì)本身所具有的原生孔隙以及埋藏生烴過程中由于生烴收縮作用形成的孔隙，其形成與干酪根類型密切相關(guān)。研究區(qū)Ⅰ型干酪根形態(tài)以團(tuán)絮狀為主，自身孔隙較發(fā)育。埋藏過程中隨有機(jī)質(zhì)成熟度增加，烴類氣體生成，干酪根出現(xiàn)質(zhì)量虧損。由于生烴增壓作用的影響，烴類氣體體積急劇膨脹，干酪根體積縮小[13]，形成生烴收縮孔。烴類氣體生成后，優(yōu)先吸附于干酪根等有機(jī)質(zhì)顆粒表面，其次以游離態(tài)賦存于有機(jī)質(zhì)孔隙和其他孔隙空間中[11]。頁巖有機(jī)質(zhì)孔隙空間(圖4c、e)的發(fā)育和地層的埋藏過程相關(guān)，隨著埋藏深度的增加，有機(jī)質(zhì)成熟度升高，在不同深度范圍段有機(jī)質(zhì)孔隙具有分段遞變規(guī)律，當(dāng)有機(jī)質(zhì)成熟度小于2.0%時，有機(jī)質(zhì)孔隙度隨成熟度的增加而增大，當(dāng)成熟度不小于2.0%時，孔隙度反而會由于成熟度過大而出現(xiàn)一定的縮小。川東南DS地區(qū)龍馬溪組下段有機(jī)質(zhì)總體處于過成熟狀態(tài)，有機(jī)質(zhì)孔隙發(fā)育，是一類重要的儲集空間類型，對頁巖氣的儲藏具有重要貢獻(xiàn)。

3.3 裂縫儲集體

頁巖層原生孔隙空間分散，孔隙連通性較差。裂縫在加大頁巖儲集空間，形成裂縫儲集體的同時，也作為頁巖油氣的滲流通道[14]。通過巖心裂縫觀察和FMI成像測井研究發(fā)現(xiàn)：頁巖裂縫類型包括構(gòu)造剪切縫、水平滑脫縫和層理縫3類，不同裂縫在巖心和成像測井圖解上的表現(xiàn)形式不一，構(gòu)造裂縫巖心表現(xiàn)為沿一平面錯斷，測井解釋圖上表現(xiàn)為高角度“V”型的曲線和近水平直線。DY1HF井巖心裂縫面平直完整，呈高角度切斷巖心形式產(chǎn)出，DY4井裂縫包括水平層理縫和高角度的剪切縫。隨頁巖埋深和脆性的不同，裂縫發(fā)育和充填程度也不相同，結(jié)合前人[3-8，13-18]及此次研究，龍馬溪組底部頁巖共發(fā)育3期裂縫，第2期和第3期裂縫主要呈半充填和未充填狀態(tài)，為頁巖層提供大量儲集空間，第1期裂縫充填程度較高，充填礦物主要為方解石(圖4c)，不利于儲集空間的形成，但增大了頁巖脆性。研究區(qū)頁巖全巖X衍射分析和礦物脆性分析顯示，DS地區(qū)頁巖脆性礦物總含量為61%，其中，硅質(zhì)含量為43%，含少量粒狀及裂縫充填黃鐵礦。

4 良好的保存條件控制頁巖氣成藏

頁巖氣藏的形成是一個動態(tài)運(yùn)聚的過程，保存條件制約頁巖氣能否富集[17]。頂、底板條件，地層壓力系數(shù)，地層埋深，構(gòu)造運(yùn)動期次與強(qiáng)度是影響保存條件的因素。

4.1 構(gòu)造要素對保存條件的影響

構(gòu)造要素對保存條件的影響主要體現(xiàn)在地層壓力變化及其產(chǎn)生的斷裂和裂縫的發(fā)育，使其成為頁巖氣逸散的通道。構(gòu)造抬升使地層埋藏變淺，易造成頁巖氣的逸散。從盆外到盆內(nèi)的構(gòu)造演化歷史存在明顯遞進(jìn)變性特征，盆外構(gòu)造變形時間早，強(qiáng)度大，對頁巖氣保存不利，盆內(nèi)構(gòu)造抬升時間晚，變形弱，相對有利于頁巖氣聚集和保存。如位于盆地內(nèi)的焦頁1井和DS地區(qū)位于齊岳山斷裂以西，構(gòu)造抬升時間距今約82 Ma，而位于盆外的彭頁1井地層抬升時間較盆內(nèi)早，距今約120 Ma[1]，構(gòu)造演化時間長、強(qiáng)度大，地層變形和剝蝕強(qiáng)烈，保存條件差，壓裂測試階段日產(chǎn)氣僅為2×104m3/d，而焦石壩地區(qū)和DS地區(qū)構(gòu)造抬升時間晚，構(gòu)造變形弱，地層剝蝕厚度小，保存條件好，DY2井和焦頁1井壓裂測試階段的日產(chǎn)氣量均大于10×104m3/d。

川東南地區(qū)經(jīng)歷長時間、多期次構(gòu)造運(yùn)動的疊加改造，不同期次和級次的斷裂對頁巖氣的保存作用不同。齊岳山斷裂控制下的大型斷裂常錯斷頁巖層，切穿頂、底板，大型斷裂附近小型裂縫過于發(fā)育，頁巖氣逸散作用強(qiáng)，對頁巖氣的保存不利，而DS地區(qū)小型斷裂對頁巖層的破壞程度低，龍馬溪組上部地層中發(fā)育的裂縫對頁巖氣垂向上的擴(kuò)散不利，結(jié)合DS地區(qū)實(shí)際勘探開發(fā)結(jié)果，距離齊岳山斷裂較近的DY1井和DS1井在試氣階段日產(chǎn)氣分別為3.0×104m3/d和3.4×104m3/d，屬低產(chǎn)頁巖氣井，而距離齊岳山斷裂相對較遠(yuǎn)的DY4井單井日產(chǎn)量達(dá)到20.0×104m3/d。巖心觀察發(fā)現(xiàn)，DY1井和DS1井巖心裂縫發(fā)育程度遠(yuǎn)高于DY2井和DY4井。研究結(jié)果表明：頁巖層中裂縫具有控制頁巖氣運(yùn)移和保存的雙重作用，一方面，未充填裂縫加大了頁巖儲集空間，增大頁巖氣滲流能力，加速了頁巖吸附氣的解吸，加大游離氣含量；另一方面，當(dāng)裂縫被高度充填時，可以阻礙頁巖氣的逸散，對頁巖氣富集高產(chǎn)有利。同時，研究區(qū)在區(qū)域構(gòu)造作用下產(chǎn)生的小型褶曲在一定程度上阻礙了頁巖氣的運(yùn)移，為頁巖氣的保存提供了條件。

4.2 頂、底板條件

龍馬溪組底部為五峰組頁巖及臨湘組和寶塔組的灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r，巖性致密、孔隙度低，孔隙度為1.5%，滲透率為0.013×10-3μm3，突破壓力為48.8 MPa，同時寶塔組和臨湘組灰?guī)r地層厚度大，分布連續(xù)。根據(jù)碳酸鹽巖儲層孔隙度評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，底板碳酸鹽巖孔隙度小于2.0%，屬于隔層，為頁巖有利的底板條件，龍馬溪組上段頁巖厚度大、塑性強(qiáng)、裂縫欠發(fā)育，是龍下段優(yōu)質(zhì)頁巖的直接蓋層，而龍馬溪組頂部的石牛欄組主要以泥質(zhì)灰?guī)r、灰質(zhì)泥巖為主，泥質(zhì)含量高，平均孔隙度僅為1.3%，滲透率為0.015×10-3μm3，突破壓力高達(dá)75.9 MPa，屬有利頂板條件。此外，志留系地層上部發(fā)育的三疊系膏鹽層雖非廣布盆地，但在川東南DS地區(qū)，三疊系沉積環(huán)境轉(zhuǎn)變?yōu)榫窒蕖獜?qiáng)蒸發(fā)臺地相[19]，膏鹽層分布范圍廣、厚度大，阻礙頁巖氣垂向上的運(yùn)移，是研究區(qū)良好的區(qū)域性蓋層。

4.3 地層埋深與壓力系數(shù)

根據(jù)國外頁巖氣勘探經(jīng)驗(yàn)，將地層埋深大于1 000 m、地層壓力系數(shù)大于1.2的地區(qū)劃為頁巖氣勘探相對有利區(qū)[20-21]。DS地區(qū)頁巖整體埋深為1 000～4 500 m，DS鼻狀構(gòu)造優(yōu)質(zhì)頁巖埋深為1 500～4 500 m (圖5)，處于有利埋藏深度。DS1、DY1井埋藏深度約為2 000 m，埋藏深度淺，壓力系數(shù)小于1.2；DY3井頁巖的壓力系數(shù)雖大于1.2，但埋藏深度淺，日產(chǎn)氣量較低；DY2、DY4井頁巖埋深大于3 000 m，壓力系數(shù)大于1.2。頁巖氣實(shí)際勘探開發(fā)的動態(tài)數(shù)據(jù)證實(shí)，埋藏深度大、地層壓力系數(shù)大于1.2的DY2、DY4井等單井獲得較高的日產(chǎn)氣量。

圖5 研究區(qū)地層壓力系數(shù)分布與含氣性關(guān)系

通過分析頁巖氣藏形成的烴源、儲藏、保存等單一條件及三者時空配置關(guān)系，結(jié)合DS地區(qū)實(shí)際頁巖氣地質(zhì)條件，根據(jù)研究區(qū)斷裂發(fā)育特征、地層埋深及與齊岳山大斷裂的距離等關(guān)系，綜合討論DS地區(qū)頁巖氣地質(zhì)勘探潛力和優(yōu)選頁巖氣開發(fā)有效區(qū)，參考中國南方下古生界頁巖氣勘探有利區(qū)地質(zhì)條件劃分標(biāo)準(zhǔn)[22]，制訂一套適合于DS地區(qū)頁巖氣勘探優(yōu)選的評價(jià)體系，將地層埋深為1 500～4 500 m，厚度大于30 m，TOC大于2%，Ro為1.5%～3.5%的頁巖區(qū)域作為頁巖氣勘探的有利條件。根據(jù)DS地區(qū)龍馬溪組頁巖儲集空間發(fā)育以及區(qū)域保存條件，優(yōu)選頁巖氣勘探有利區(qū)(圖6)，將埋深適中的平緩區(qū)和低緩斜坡、地層壓力系數(shù)大于1.2、遠(yuǎn)離齊岳山大斷裂的區(qū)域作為有利的勘探區(qū)，并將DS地區(qū)劃分為3類有利勘探區(qū)，分別為Ⅰ類有利區(qū)、Ⅱ類有利區(qū)和Ⅲ類有利區(qū)。Ⅱ類、Ⅲ類有利區(qū)為高產(chǎn)頁巖氣的有利區(qū)域，Ⅰ類有利區(qū)由于斷裂過于發(fā)育，保存條件與Ⅱ類和Ⅲ類有利區(qū)相比保存條件差，雖可獲得工業(yè)頁巖氣流，但單井產(chǎn)量較低。 DY2井所在丁山構(gòu)造北西翼的寨壩鎮(zhèn)地區(qū)和DY4井所在大邑地區(qū)為典型的Ⅰ類有利區(qū)，大邑地區(qū)北緣、大邑地區(qū)打通鎮(zhèn)和寨壩鎮(zhèn)結(jié)合部位為Ⅱ類有利區(qū)，位于打通鎮(zhèn)雙壩村的DY1井及吹角村的DY3井為Ⅲ類有利區(qū)。

圖6 DS地區(qū)龍馬溪組頁巖氣勘探優(yōu)選有利區(qū)

5 結(jié) 論

(1) DS地區(qū)龍 馬溪組頁巖具有以Ⅰ型干酪根為主、厚度大、高豐度和高演化程度的特點(diǎn)，優(yōu)質(zhì)頁巖層段TOC和Ro分別為2.00%～6.67%和 2.20%～3.36%，烴類含量隨TOC線性增加。頁巖高脆性使頁巖層微裂縫發(fā)育，在提供大量儲集空間的同時改善頁巖氣滲流情況，生儲情況良好。

(2) 龍馬溪組縱向與橫向上封蓋條件相對優(yōu)越，層理縫及微裂縫的發(fā)育加大頁巖氣橫向滲流能力，加速頁巖氣的運(yùn)移富集。縱向上，龍馬溪組上部相對塑性頁巖層作為頁巖氣的直接蓋層，同時三疊系膏鹽層也具備良好的垂向封蓋條件；橫向上，頁巖層不完全褶曲和齊岳山斷裂決定頁巖氣橫向上的保存，DS地區(qū)頁巖氣整體保存條件良好。

(3) DS地區(qū)根據(jù)保存條件可分為3類有利勘探區(qū)，地層埋藏適中，地層壓力系數(shù)大，遠(yuǎn)離大斷裂的Ⅱ類和Ⅲ類有利區(qū)保存條件良好，是高產(chǎn)頁巖氣流的有利區(qū)域，Ⅰ類勘探有利區(qū)斷裂過于發(fā)育，保存條件相對較差。因此，保存條件是控制DS地區(qū)頁巖氣富集的最主要因素。