四川盆地及其周緣頁巖氣富集條件研究進(jìn)展

周 丹，范存輝

（西南石油大學(xué)地球科學(xué)技術(shù)學(xué)院，四川成都 610500）

頁巖氣作為重要的非常規(guī)能源之一，是能源勘探開發(fā)的重要領(lǐng)域。自2000年“長水平段水平井鉆井技術(shù)”，“水力壓裂技術(shù)”應(yīng)用以來，美國頁巖氣產(chǎn)量快速增長，產(chǎn)量持續(xù)攀升。借鑒北美的勘探經(jīng)驗(yàn)，2012年我國建設(shè)投產(chǎn)設(shè)立了川南長寧—威遠(yuǎn)和昭通兩個(gè)國家級頁巖氣示范區(qū)，2013年9月在焦石壩地區(qū)獲產(chǎn)，2020年長寧—威遠(yuǎn)頁巖氣示范區(qū)年產(chǎn)量達(dá)106億 m3，建成我國第一個(gè)百億方頁巖氣田。郭旭升等提出了頁巖氣富集的“二元論”[1]。本文綜合前人的研究基礎(chǔ)，從物質(zhì)基礎(chǔ)條件和保存作用兩個(gè)方面對四川盆地及其周緣頁巖氣富集條件進(jìn)行綜述，為中國南方頁巖氣勘探開發(fā)提供理論支持，同時(shí)明確下一步的攻關(guān)方向。

1 頁巖氣富集的物質(zhì)條件

1.1 潛質(zhì)層系

四川盆地及周緣頁巖分布廣泛，在川東南、川東北等區(qū)均有分布。埋藏深度從四川盆地中部向東南方向逐漸變深，直至被巖漿巖替代。有海相五峰龍馬溪組海陸過渡相二疊系龍?zhí)督M及其相當(dāng)層組，陸相的須家河組是勘探的接力層。筇竹寺組頁巖主要沉積于早寒武世全球海侵時(shí)期長期的海洋缺氧環(huán)境下為陸棚沉積，具有較高的初級生產(chǎn)力。其烴源巖分布受德陽-安岳裂陷槽控制明顯，由裂陷槽內(nèi)部向兩側(cè)逐漸減薄，臨近盆地周緣海槽區(qū)厚度明顯增大，裂陷槽北部（綿陽-樂至）的厚度、TOC明顯高于南部，古環(huán)境較南部（隆昌-長寧）更為還原[2]，更有利于有機(jī)質(zhì)的富集和優(yōu)質(zhì)烴源巖的形成與保存。熊亮[3]等建立了四川盆地及其周緣筇竹寺組細(xì)粒巖沉積模式。

1.2 礦物成分

研究區(qū)礦物成分包括石英、長石、黏土、碳酸鹽等，但其在不同層位上具有不同的分布特征，筇竹寺組石英含量（36.01%）低于龍馬溪組的石英含量（54.64%）；黏土礦物含量24.65%，碳酸鹽含量3.23%，長石含量5.45%，黃鐵礦含量1.45%。脆性礦物含量高，有利于構(gòu)造縫與層理縫的發(fā)育。

四川盆地龍馬溪組發(fā)育硅質(zhì)頁巖、含黏土硅質(zhì)頁巖、含鈣硅混合頁巖、混合頁巖、硅質(zhì)巖、鈣質(zhì)頁巖6 種巖相類型，其中硅質(zhì)頁巖數(shù)量最多占51.2%,不同類型的頁巖孔隙發(fā)育存在差異，其中硅質(zhì)頁巖有機(jī)質(zhì)成孔效率高、有機(jī)質(zhì)孔隙圓度好、含氣量及脆性指數(shù)高，是頁巖氣賦存富集的最有利巖相類型[4]。

1.3 有機(jī)質(zhì)特征

有機(jī)質(zhì)的富集既有利于烴類轉(zhuǎn)化以大量產(chǎn)生頁巖氣，又可以發(fā)育形成納米級微孔—介孔孔隙、為頁巖氣提供儲集空間。五峰組—龍馬溪組一段一亞段的沉積物中，有機(jī)質(zhì)的聚集與其沉積環(huán)境緊密相關(guān)。這些沉積在深水陸棚環(huán)境中，含有高比例的有機(jī)質(zhì)頁巖，如圖1所示。其總有機(jī)碳的平均含量為3.6%，而且這些頁巖的孔隙度通常超過4%，硅質(zhì)礦物的平均含量為49.0%[5]。大于龍二段。具體而言五峰組上部—龍一14小層下部儲層品質(zhì)好為I類儲層；在龍一 14小層上部—龍一 16小層主要發(fā)育Ⅱ類儲層；五峰組下部、龍一 17小層發(fā)育Ⅱ類—Ⅲ類儲層。五峰-龍馬溪組有機(jī)質(zhì)成熟度Ro大于2.05%，為過成熟早期階段。儲層厚度自川南地區(qū)自邊緣古隆起向沉積中心方向上逐漸增厚。而筇竹寺組頁巖在不同區(qū)域的富集情況有所不同：深水陸棚區(qū)的沉積環(huán)境主要位于裂陷槽中部，從而主要受高古生產(chǎn)力水平和缺氧-貧氧的古氧相共同作用；在川東北淺水陸棚區(qū)主要受古氧化還原環(huán)境影響；川西南淺水陸棚區(qū)主要受古生產(chǎn)力影響；川東南淺水陸棚主要取決于古氧化還原環(huán)境的變化。楊梅華[7]通過盆地模擬技術(shù)恢復(fù)筇竹寺組成熟度史及生烴史揭示烴源巖灶遷移演化規(guī)律，筇竹寺組烴源巖主要具有3期生油階段，揭示了不同時(shí)期的生烴中心。

圖1 五峰組—龍馬溪組淺水陸棚（a）和深水陸棚(b)TOC值與硅質(zhì)含量相關(guān)關(guān)系圖[6]

1.4 儲集物性特征

龍馬溪組頁巖的孔隙度為，1.85%～8.32%，平均為 5.22%。不同巖相的有機(jī)孔徑存在差異，含黏土硅質(zhì)頁巖、硅質(zhì)頁巖有機(jī)質(zhì)孔隙的孔徑尺度相對較大，平均分別為 75.73 nm 和 62.92 nm[4]。其硅質(zhì)來源主要有3種：硅酸鹽礦物蝕變產(chǎn)生的；海底火山活動(dòng)帶來的；富硅低等生物產(chǎn)生的，尤其是筆石的發(fā)育。郭旭升[5]等認(rèn)為筆石、放射蟲、海綿骨針動(dòng)物提供了硅質(zhì)格架，從而使有機(jī)質(zhì)發(fā)育不規(guī)則狀、狹縫狀有機(jī)孔，為頁巖氣的賦存提供了空間。

微小裂縫不僅是儲存頁巖氣的空間，同時(shí)也是其流動(dòng)的路徑。自然存在的裂縫，特別是水平裂縫，對于頁巖氣沿側(cè)向擴(kuò)散起到了高效的傳導(dǎo)作用。另一方面，宏觀天然裂縫是儲層改造的最佳脆弱面，有助于復(fù)雜人工誘導(dǎo)裂縫網(wǎng)絡(luò)的形成，從而增大改造縫網(wǎng)總體積。研究區(qū)裂縫較發(fā)育，包括剪切縫、張性縫、溶蝕縫、異常高壓縫等類型。縱向分布而言五峰組—龍一 14 小層的天然裂縫發(fā)育程度強(qiáng)于龍一 15 —龍一17 小層。平面方向上北西到南東方向構(gòu)造樣式由單斜坡向低陡背斜夾寬緩向斜變化，隨著構(gòu)造變形強(qiáng)度逐漸增大，天然裂縫發(fā)育程度逐漸增強(qiáng)。其中，向斜內(nèi)和斜坡區(qū)以網(wǎng)狀縫為主，而在窄背斜上以單一方向縫為主[8]。位于下層的富含有機(jī)質(zhì)的巖層中，層理縫和低角度的滑脫縫的填充程度較低，使得這些裂縫的有效性較高。五峰-龍馬溪組的力學(xué)特征分析表明：最小水平主應(yīng)力大，儲層兩向水平應(yīng)力差異較大較難形成復(fù)雜裂縫。針對“三高一變”的儲層特性和壓裂難點(diǎn)田寶剛[9]提出了“密切割+暫堵轉(zhuǎn)向+連續(xù)高強(qiáng)度加砂、大排量、大液量”工藝，成功應(yīng)用于陽101井區(qū)并取得商業(yè)開發(fā)。

2 頁巖氣保存條件

2.1 埋深

前人研究進(jìn)展表明，埋深對氣體賦存狀態(tài)、儲層物性有重要影響。魏祥峰[10-11]等認(rèn)為上覆巖層的封堵能力、頁巖自身封蓋作用等對頁巖氣的富集具有重要影響，上蓋下堵型最有利于頁巖氣保存。從區(qū)域上劃分，深層領(lǐng)域（如瀘州、渝西等區(qū)域）目的層頁巖孔隙度普遍介于 3%～5%之間，而在中深層領(lǐng)域（如長寧、威遠(yuǎn)等區(qū)域）孔隙度普遍介于 4%～7%。即深層頁巖相較于中深層頁巖，其孔隙度略有降低，這與成巖壓實(shí)作用隨埋深增大而強(qiáng)度增加有關(guān)[8]。四川盆地及其周緣的潛質(zhì)層系的埋藏深度都在3500 m以下，溫度高、地層壓力大，有利于有機(jī)質(zhì)的生烴轉(zhuǎn)化，資源條件好、勘探潛力大。

2.2 構(gòu)造運(yùn)動(dòng)

在四川盆地及其周緣潛質(zhì)層系的沉積相對穩(wěn)定，但印支及其以后的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)復(fù)雜，使形成頁巖時(shí)的沉積環(huán)境與現(xiàn)今埋藏深度無對應(yīng)規(guī)律，加大了開采難度[12]。自古生代以來四川盆地經(jīng)歷了多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，致使盆地內(nèi)部發(fā)育了多期次的深大斷裂，一般在大型斷裂帶附近頁巖氣較難富集，含氣量低。在上三疊紀(jì)盆地四周向盆地內(nèi)部逆沖擠壓推覆褶皺成山，盆地接受陸相沉積發(fā)育[13]。龔月[14]等研究區(qū)域內(nèi)20多口井頁巖氣賦存形式發(fā)現(xiàn)盆地內(nèi)部游離氣的含量普遍在60%以上，頁巖氣賦存方式以游離氣為主，在盆地外部游離氣含量為22.38%，賦存方式主要為吸附態(tài)，且游離氣含量從盆內(nèi)向盆外有降低趨勢的分布特征。深層頁巖氣埋深大，熱演化程度高，經(jīng)歷的構(gòu)造破壞和剝蝕作用較少，次生孔隙大量發(fā)育，具有良好的成藏條件，含氣性好。

3 頁巖氣勘探潛力分析

經(jīng)過10余年的勘探發(fā)展，四川盆地五峰組和龍馬溪組的海相頁巖在川南淺層和中深層頁巖氣已獲得規(guī)模開發(fā)，預(yù)計(jì)持續(xù)規(guī)模穩(wěn)產(chǎn)10 a以上。長寧、威遠(yuǎn)和昭通三個(gè)區(qū)塊累計(jì)開采的頁巖氣總量達(dá)到了252億 m3，其中昭通示范區(qū)的開采量為46億 m3，同時(shí)還確認(rèn)了地質(zhì)儲量為1886.66億 m3。永川、涪陵、威榮區(qū)塊已獲得大力開發(fā)，累計(jì)提交頁巖氣探明地質(zhì)儲量9408×108m3。其涪陵頁巖氣田累計(jì)產(chǎn)氣300×1012m3。進(jìn)而將目標(biāo)轉(zhuǎn)向埋深3500 m以上的深層頁巖氣，瀘州、渝西、威遠(yuǎn)南部以及川東南地區(qū)總面積為 6600 km2，預(yù)計(jì)建井一萬多口，可采儲量超過 2×1012m3，具有穩(wěn)定持續(xù)規(guī)模產(chǎn)出20 a以上的潛力。丁山地區(qū)測試日產(chǎn)頁巖氣 10.42×104m3，勘探潛力大。四川盆地周緣也有一定勘探潛力，2019年鄂宜頁 2 井測得含氣量1.63 m3/t，頁巖厚度33 m，川西南—滇東北地區(qū)開采苗頭較好。中華人民共和國自然資源部資源評價(jià)顯示，四川盆地天然氣總資源量66萬億 m3，已探明儲量6.17萬億m3，探明率僅9.3%，勘探潛力巨大。深度3500 m以下資源量為11.2×1012m3，占比達(dá)69%。

4 結(jié)語

1）四川盆地及其周緣頁巖TOC含量普遍高，成熟度高，儲層非均質(zhì)性強(qiáng)，是勘探開發(fā)的優(yōu)質(zhì)儲層。四川盆地五峰組和龍馬溪組以埋藏較淺的頁巖氣已獲得商業(yè)開發(fā)，逐步在向深層轉(zhuǎn)移。下寒武統(tǒng)的筇竹寺組海相頁巖層系是勘探接力層。

2）同時(shí)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和保存條件影響著頁巖氣的賦存狀態(tài)。深層頁巖氣的富集和保存受到古生產(chǎn)力、古環(huán)境、地質(zhì)構(gòu)造、埋深、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)等因素的影響。未來的勘探工作應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注構(gòu)造復(fù)雜地區(qū)的頁巖氣勘探，加強(qiáng)對保存條件的研究，提高勘探的準(zhǔn)確性和效率。