川東南涪陵地區五峰組—龍馬溪組頁巖氣藏中的超壓作用

王 強，魏祥峰，魏富彬，燕繼紅，萬 梨

(中國石油化工股份有限公司 勘探分公司，成都 610041)

超壓異常是沉積盆地中普遍存在的一種現象，并與油氣的富集和后期保存關系密切。隨著頁巖油氣勘探的不斷深入，頁巖地層中的超壓現象及其地質效應也日益受到人們的重視。北美頁巖氣的研究結果顯示壓力系數與頁巖氣的富集程度相對應，不同的超壓異常條件將導致頁巖氣藏產量的差異。

四川盆地涪陵頁巖氣田是我國首個實現大規模商業開發的頁巖氣田，其形成、富集與高產機制受到國內外學者的廣泛關注[1-7]。目前，圍繞上奧陶統五峰組—下志留統龍馬溪組頁巖已開展了大量的研究，在頁巖氣微觀結構特征、孔隙發育特征、孔徑分布及含氣性特征等方面取得了較豐富的成果與認識。但針對該套儲層內部超壓異常特征及其對頁巖氣富集、高產的作用研究還不夠。本文對該氣田五峰組—龍馬溪組超壓異常形成機制及其對頁巖氣藏的影響進行探討，揭示涪陵頁巖氣田富集、高產和穩產的規律，以期為四川盆地海相頁巖氣的勘探與開發部署提供理論指導。

1 區域地質概況

涪陵頁巖氣田位于盆地邊界斷裂——齊岳山斷裂以西，是四川盆地隔檔式構造帶南段石柱復向斜、方斗山復背斜和萬縣復向斜等多個構造單元的結合部。涪陵頁巖氣田主產氣區構造是焦石壩似箱狀斷背斜，為萬縣復向斜內一個“洼中隆”的正向構造，以斷隆、斷凹與齊岳山斷裂相隔，整體構造變形較弱[7-8]，背斜內部斷裂不發育，地層平緩。涪陵頁巖氣田所在的川東南地區，五峰組—龍馬溪組沉積早期為深水陸棚泥質沉積環境，發育一套厚約30～40m的優質頁巖儲層[w(TOC)>2.0%](圖1)。

2 超壓形成機制

2.1 超壓發育概況

涪陵焦石壩所在的川東南盆內區域，五峰組—龍馬溪組頁巖儲層保存條件總體較好，普遍發育超壓，壓力系數最高可達2.25；而向南部、東部盆緣方向，由于構造復雜，大斷裂發育，地層剝蝕量大，保存條件總體變差，壓力系數降低，到盆外地層壓力系數一般小于1.2[9]。

涪陵頁巖氣田主體區焦石壩背斜五峰組—龍馬溪組優質頁巖儲層總體發育超壓，壓力系數在1.3～1.6之間，只在西南、東南靠近較大斷裂發育帶出現壓力系數降低現象，甚至出現常壓區、低壓區，如東南部JY3-3HF井五峰組—龍馬溪組頁巖儲層實測壓力系數只有0.97(圖2)，西南部的JY5井也為常壓。

2.2 超壓成因

依據前人研究成果，將超壓形成機制歸為4類：欠壓實、流體膨脹、超壓傳遞和側向構造應力[10]，其中產生流體膨脹機制主要有干酪根生氣或生油作用、石油裂解成氣、水熱增壓和黏土礦物脫水等[11]，而水熱增壓和黏土礦物脫水引起的增壓作用較小，可忽略不計[12-15]。

(1)良好的烴源巖及良好頂底板條件是頁巖氣生烴超壓形成的基礎。超壓是由泥巖生烴引起的，測井響應特征往往表現為泥巖的聲波時差變大、密度變小，泥巖的電阻率也將增大[16]。焦石壩地區鉆井揭示五峰組—龍馬溪組頁巖氣層生烴增壓測井特征明顯。川東南五峰組—龍馬溪組優質頁巖TOC含量高，且為Ⅰ型干酪根，生油生氣能力強；頁巖熱演化程度Ro在2.6%左右，處于干氣階段，干酪根大量生油，原油大量裂解為氣，特別是滯留原油向烴類氣轉變，原油裂解體積膨脹，地層流體壓力增加[17]。更為重要的是，龍馬溪組富有機質頁巖段頂底板良好，利于原油、烴類氣體滯留在頁巖儲層中富集，有利于超壓形成。

(2)較弱的晚期構造活動是頁巖氣超壓維持的關鍵。焦石壩等地區的龍馬溪組早期穩定沉降、后期抬升，構造抬升作用弱，早期超壓得到維持。雖然在抬升剝蝕過程中，會造成頁巖氣層降溫、降壓，但保存條件良好，在封閉條件下孔隙氣體彈性膨脹，從而使頁巖氣層保持高壓或超高壓；而構造擠壓活動強烈地區，地層破裂，形成裂縫或斷層，使地層泄壓[18-19]，如彭水等盆緣及盆外地區構造活動強，保存條件差，頁巖儲層超壓不能得到維持。

圖1 川東南地區五峰組—龍馬溪組沉積早期沉積相平面分布

圖2 川東南涪陵地區焦石壩五峰組—龍馬溪組優質頁巖段壓力系數分布

3 超壓對頁巖儲層發育影響

3.1 超壓有利頁巖有機質孔隙保持

涪陵頁巖氣田鉆井測試揭示，氣田主體焦石壩背斜五峰組—龍馬溪組優質頁巖儲層流體總體為超壓，其平均孔隙度高，一般在5.0%左右；而靠近東南翼、西南翼斷裂區保持條件相對變差，頁巖儲層流體壓力降低，孔隙度則出現明顯降低，其中東南大耳山斷裂帶JY3井實測孔隙度只有2.96%，西南烏江斷裂帶JY5井實測孔隙度只有2.85%，相對于主體流體壓力系數高地區孔隙度明顯偏低(表1,圖3)。

研究認為，頁巖儲層在單井流體壓力相同狀態下，五峰組—龍馬溪組底部優質頁巖儲層段孔隙度與有機碳含量呈良好的正相關[20]；而在不同井，不同流體壓力狀態下頁巖孔隙度則會出現明顯的變化：即在相同TOC、不同保存條件、頁巖儲層流體壓力不同的情況下，頁巖孔隙度差異明顯(圖4)，保存條件越好，流體壓力越高，頁巖儲層孔隙度越高。

表1 川東南涪陵焦石壩地區鉆井優質頁巖段孔隙度、壓力系數統計

圖3 川東南涪陵焦石壩地區五峰組—龍馬溪組優質頁巖段孔隙度平面分布

圖4 川東南涪陵焦石壩及鄰區不同井五峰組—龍馬溪組優質泥頁巖TOC與孔隙度關系

龍馬溪組頁巖中發育無機孔隙、石英晶間孔和莓狀黃鐵礦晶間孔，一般發育較好；其次為長石、碳酸鹽礦物及磷酸鹽礦物中的粒內溶蝕孔隙，黏土礦物晶間孔隙相對較少，此外粒緣微裂隙較發育[21]。有機孔，特別是瀝青孔發育在剛性石英粒間孔內，剛性的格架，抗壓實能力較強，為有機質孔發育提供空間[22]。

將川東南五峰組—龍馬溪組已有鉆井優質頁巖平均孔隙度(平均TOC均在3.0%，RO在2.5%，為Ⅰ型干酪根)與對應深度成圖(圖5)發現，頁巖儲層孔隙度與現今埋深相關性差，但與保存條件密切相關，保存差的頁巖氣井其孔隙度隨埋深增大逐漸降低，而超壓頁巖儲層孔隙度得到維持，孔隙度沒有隨埋深變大出現降低現象。

涪陵頁巖氣田及鄰區五峰組—龍馬溪組優質頁巖儲層孔隙以有機質孔為主，為塑形孔，易被上覆地層應力壓實破壞；隨著保存條件的變差，頁巖儲層孔隙流體壓力降低，作用在頁巖儲層上的有效應力增強，有機質孔明顯被壓實作用破壞。利用氬離子拋光掃描電鏡對頁巖儲層有機質納米孔隙觀察發現：頁巖儲層保存條件好，流體為超壓的頁巖有機質孔隙一般為近圓形大孔(圖6a)，說明壓實作用弱；而保存條件一般的頁巖儲層，流體壓力逐漸降低，頁巖有機質孔逐漸轉變為具定向性分布的扁平狀中孔(圖6b)；保存條件差的頁巖儲層有機質孔發育微孔甚至消失(圖6c)。這與實驗分析的儲層孔隙流體壓力降低、孔隙度逐漸降低一致，進一步說明了超壓對于頁巖孔隙保存的重要作用。

圖5 川東南不同井優質頁巖段平均孔隙度與埋深關系

3.2 超壓有利頁巖裂縫發育及壓裂改造

(1)超壓縫發育有利于頁巖壓裂改造。超壓是巖石破裂的內因，當頁巖儲層流體超壓大于頁巖本身軟弱面破裂壓力時，泥頁巖就會破裂，超壓縫形成[23]。氬離子拋光掃描電鏡能夠對泥頁巖中的超壓微裂縫進行高辨率的識別。涪陵地區超壓縫發育在礦物邊緣或有機質內部，多數未見充填(圖7)。因此，頁巖厚度較大形成超壓帶能夠發育大規模的超壓頁巖裂縫，增大頁巖儲集空間，增強頁巖的滲濾通道。

頁巖儲層本身為低孔—超低滲儲層，自然狀態下頁巖氣不能有效溝通排出，而需要進行壓裂，形成人造裂縫，溝通儲層，增大地層滲流能力，使頁巖氣有效排出。而頁巖儲層超壓縫，是壓裂形成網狀縫的天然弱理面，為后期壓裂施工、人工縫的擴展奠定了基礎。

(2)超壓降低了作用在頁巖儲層上的有效應力，增強頁巖脆性，利于頁巖壓裂。根據GLUYAS和CADE[24]及BLOCH[25]有關超壓和有效應力的定義，其公式為：

pe=pr-(pw+pa)

圖6 川東南龍馬溪組頁巖不同井有機孔發育對比

圖7 川東南涪陵焦石壩地區五峰組—龍馬溪組超壓微裂縫特征

式中：pw為靜水壓力；pa為超壓；pr為靜巖壓力；pe為有效應力[15]。從式中可以看出孔隙流體超壓可以有效抵消上覆巖層有效應力。

頁巖本身脆性與頁巖儲層有效應力密切相關，有效應力降低，頁巖本身脆性明顯增強。隨著孔隙流體壓力增高，減少了作用在頁巖儲層上的有效應力，使頁巖脆性增強，巖石破裂壓力降低，增強巖石本身可壓裂性。且超壓使作用在頁巖儲層上的有效應力降低，使天然裂縫處于自然開啟狀態，降低了壓裂施工難度，利于人工縫網溝通天然裂縫，更有利于頁巖壓裂改造[26-27]，溝通頁巖有效儲層。

對涪陵地區JY2井龍馬溪組樣品覆壓實驗表明：龍馬溪組一段頁巖在圍壓降低至15 MPa左右，微裂縫開始大規模開啟，孔隙度和滲透率開始較大幅度地提高(圖8)。通過計算表明，涪陵地區(埋深2 500 m，壓力系數1.5左右)有效應力14 MPa左右，儲層孔隙、裂縫處于天然開啟狀態，極其有利于頁巖后期的壓裂改造，有效溝通儲層，烴類氣體充分流出，氣液置換效率高，儲層壓裂后返排率低。

4 超壓對頁巖含氣量影響

流體超壓的頁巖儲層保存條件良好，地層能量高，含氣量高。統計表明，頁巖含氣量與頁巖氣藏壓力系數呈明顯正相關，頁巖儲層流體壓力系數越高，頁巖含氣量越高(圖9)。

圖8 川東南JY2井2 566.96 m頁巖孔隙度、滲透率與有效壓力的關系

圖9 川東南涪陵及鄰區優質頁巖段平均含氣量與壓力系數的關系

4.1 超壓儲層游離氣含量高

頁巖儲層埋深越大，壓力系數越高，氣體壓縮因子越大，相同儲集空間能夠儲集游離氣就越高；超壓頁巖儲層保存條件好、孔隙度更高、儲集空間大，為游離氣提供了更多的儲集空間。因此，頁巖壓力系數越高、孔隙度越高、氣體壓縮因子越大，其游離氣含量也越高。

4.2 超壓儲層吸附氣含量高

頁巖氣中吸附狀態天然氣含量在20%～85%，一般為50%左右[20]，吸附氣量與地層壓力呈明顯的正相關關系。通過JY1井不同TOC的4個樣品等溫吸附測試結果表明，隨著壓力增加，吸附氣量增加[8]；相同埋深條件下，超壓地層頁巖孔隙流體壓力更高，頁巖本身吸附能力更強，頁巖儲層的吸附氣量更高。

4.3 頁巖儲層超壓、高孔隙度、高含氣量表現出良好的耦合性

超壓對于涪陵地區五峰組—龍馬溪組頁巖含氣量具有決定性作用，超壓頁巖儲層表現為孔隙度高、含氣量高，常壓、低壓儲層孔隙度低、含氣量低，頁巖儲層表現為“超壓、高孔隙度、高含氣量”良好耦合關系(圖10)。

勘探實踐表明，后期保存條件較好、地層壓力高，能為頁巖氣的高產提供足夠含氣量，有利于氣藏的高產、穩產。北美和四川盆地及周緣頁巖氣鉆井揭示，保存條件好的區域氣層壓力系數較高，氣產量與壓力系數呈正相關。涪陵主體表現為“超壓、高孔隙度、高含氣量”良好耦合，這為頁巖氣高產、穩產創造了條件。

圖10 川東南涪陵焦石壩地區五峰組—龍馬溪組優質頁巖段含氣量平面分布

5 結論

(1)超壓對于頁巖氣藏儲層有機質孔隙保持、裂縫的發育與保存具有重要作用。一方面超壓可以有效保護頁巖儲層塑性的有機質孔不被上覆巖層有效應力壓實，保護了儲層的儲集空間；另一方面，超壓有利于微裂縫的發育與保持，增大頁巖儲層天然的滲流及儲集能力。

(2)涪陵主體地區五峰組—龍馬溪組頁巖超壓表明其保存條件好、含氣性好，同時表明該區具有更高頁巖儲層孔隙，更高氣含量；超壓可以有效減緩上覆巖層的有效應力，增強頁巖儲層脆性，使天然裂縫開啟性強，減小壓裂施工難度，利于頁巖儲層壓裂改造。這對于涪陵五峰組—龍馬溪組頁巖氣藏富集、高產、穩產具有重要意義。