四川盆地湖相頁巖氣源-儲配置類型及評價

朱 彤,胡宗全,劉忠寶,馮動軍

(1.頁巖油氣富集機理與有效開發(fā)國家重點實驗室，北京，100083； 2. 中國石化 石油勘探開發(fā)研究院，北京，100083)

在多旋回構造演化過程中，四川盆地發(fā)育了海相、陸相和海陸過渡相多套富有機質泥頁巖[1-2]。目前除了在川東南涪陵焦石壩、川南威遠、長寧五峰組-龍馬溪組實現(xiàn)商業(yè)開發(fā)外，在元壩、涪陵北和建南等地區(qū)中-下侏羅統(tǒng)湖相泥頁巖層系也獲得工業(yè)氣流和穩(wěn)定產量。其中川東北元壩地區(qū)大安寨段5口直井試獲(14～50)×104m3/d工業(yè)氣流，鄂西渝東建南地區(qū)東岳廟段垂深600～620 m泥頁巖段水平井壓裂最高日產氣1.23×104m3，穩(wěn)定日產氣2 000～3 000 m3，展示了四川盆地湖相頁巖氣良好的勘探前景[3-5]。

與四川盆地海相五峰組-龍馬溪組發(fā)育穩(wěn)定的深水陸棚沉積，富有機質頁巖單層厚度較大，橫向分布穩(wěn)定[6]，具有典型的源儲一體、源儲共生[7]的頁巖氣形成特征相比，陸相湖盆分布范圍較海相規(guī)模小，受周緣構造活動影響大，導致湖相泥頁巖沉積相變快，巖性變化頻繁，單層厚度薄，巖相類型多樣(互層、夾層)，有機質豐度較低，儲集非均質性強[8]，源-儲配置復雜。

四川盆地下侏羅統(tǒng)自下而上分為珍珠沖段、東岳廟段、馬鞍山段和大安寨段，暗色泥頁巖主要分布在大安寨和東岳廟兩個湖泛期，為一套泥頁巖與介殼灰?guī)r、粉砂巖的不等厚互層沉積；中侏羅統(tǒng)千佛崖組(涼高山組)繼承了下侏羅統(tǒng)的沉積格局，自下而上分為千一段(涼一段)、千二段(涼二段)和千三段(涼三段)，暗色泥頁巖主要分布在千二段(涼二段)湖泛期，主要為一套泥頁巖與粉砂巖的不等厚互層沉積。本文在對東岳廟段、大安寨段和千二段(涼二段)3個湖泛期暗色泥頁巖層系不同巖相劃分的基礎上，探討不同巖相的源-儲配置特征，對有利的源-儲配置類型進行評價。

1 沉積及巖相特征

1.1 沉積模式及沉積相

四川盆地中-下侏羅統(tǒng)不同時期由于構造活動的差異，受周緣山系物源影響，湖侵范圍的不同，導致不同時期的湖相沉積模式和沉積相存在著較大的差異。主要體現(xiàn)在淺湖-半深湖亞相的劃分上。淺湖亞相位于枯水期水面至浪基面之間的淺水地帶，沉積物受波浪和湖流作用的影響明顯。通過對不同層段泥頁巖層系中灰?guī)r和砂巖夾層的厚度和占比統(tǒng)計，按照沉積物的不同，將中-下侏羅統(tǒng)劃分為最大湖進期碳酸鹽湖泊和局限湖進期陸源碎屑湖泊兩種沉積模式[9]。

碳酸鹽湖泊主要發(fā)育于四川盆地周緣構造相對穩(wěn)定的最大湖進期，以大安寨段為代表。沉積受陸源碎屑物源的影響較小，湖盆范圍最大，水體清澈，浮游生物豐富，沉積亞相以濱湖-碳酸鹽巖淺湖-湖坡-半深湖沉積為特征，湖盆分布于川中-川東北地區(qū)(圖1)。沉積微相主要包括砂壩、介屑灘、灘間泥、風暴灘、湖坡泥和半深湖泥等(圖2)，其中湖坡風暴灘微相為淺湖介屑灘受風暴流的作用，打碎后間歇進入湖盆中，就近堆積在湖盆斜坡位置，呈現(xiàn)為風暴灘與湖坡泥交替沉積[10-11]，巖性以黑色、灰黑色頁巖與薄層介屑灰?guī)r不等厚互層，水平層理發(fā)育，與半深湖泥微相一樣富含黃鐵礦、菱鐵礦等還原性自生礦物沉淀的較深水環(huán)境，有利有機質保存。

陸源碎屑湖泊主要發(fā)育于四川盆地周緣構造相對活躍的局限湖進期，以元壩千二段和東岳廟段為代表。沉積受四川盆地西南陸源碎屑物源的影響較大，以扇三角洲-濱湖-碎屑巖淺湖-半深湖沉積為特征，湖盆分布范圍局限于川東地區(qū)。沉積微相主要包括扇三角洲前緣砂體、砂質灘、砂泥坪和半深湖泥等，巖性為深灰、灰色細砂巖-粉砂巖、灰黑色的塊狀泥巖、泥巖夾薄層粉砂巖等。泥巖頁理不發(fā)育，粉砂巖條帶和薄夾層具波狀層理及沙紋層理，顯示淺湖泥雖主要形成于浪基面之下的低能帶，但持續(xù)受底流和湖浪改造作用，由河流間歇注入淺湖的漫流席狀砂沉積較發(fā)育。因入湖河水帶入的物源碎屑多，水體渾濁，生物不發(fā)育，不利于有機質保存。

1.2 巖相類型劃分

按照湖相泥頁巖層系巖性及組合特征，對涪陵、元壩和建南地區(qū)XL101等4口井東岳廟段、大安寨段和千二段的巖相進行劃分，總體可歸為6大類，每一類所對應了不同湖泊沉積的沉積微相類型(表1)。最大湖進期碳酸鹽巖湖泊的巖相類型主要包括半深湖泥沉積的頁巖夾薄層介殼灰?guī)r相、湖坡風暴灘沉積的頁巖與介屑灰?guī)r互層相以及碳酸鹽淺湖介屑灘沉積的介屑灰?guī)r夾頁巖相3類；局限湖進期陸源碎屑湖泊的巖相類型主要包括半深湖沉積的厚層泥頁巖夾薄層粉砂巖相，濱、淺湖砂泥坪沉積的紋層狀泥頁巖與粉砂巖不等厚互層相以及濱湖砂壩沉積的粉砂巖夾泥頁巖相3類。

圖1 四川盆地下侏羅統(tǒng)大安寨段沉積相Fig.1 Sedimentary facies of the Lower Jurassic Da’anzhai Formation,Sichuan Basin

2 湖相頁巖氣源-儲配置類型及特征

在湖相泥頁巖巖相類型劃分的基礎上，選取泥地比大于50%的巖相，依據(jù)泥頁巖與灰?guī)r、砂巖縱向上組合方式，將四川盆地東岳廟段、大安寨段和千二段(涼二段)劃分為源夾儲型、源儲互層型2大類4亞類源-儲配置類型。采用有機地化、微觀儲滲實驗及納米CT等方法技術，對每一種源-儲配置類型的生烴、儲集和可壓性特征進行研究。

2.1 源夾儲型

主要包括頁巖夾介殼灰?guī)r型和泥頁巖夾粉砂巖型，泥地比在70%～90%。

2.1.1 頁巖夾介殼灰?guī)r型

該類型為碳酸鹽湖泊的半深湖泥微相沉積，巖性主要為含介殼頁巖，巖相為厚層頁巖夾薄層介殼灰?guī)r，具有機質和孔隙度較高，孔隙連通體積、滲透率和脆性指數(shù)較低的特點。有機碳含量平均為1.02%，粘土礦物含量較高，平均為51.18%，孔隙類型以粘土礦物晶間孔為主(圖3a)，與海相有機質孔廣泛發(fā)育不同[12-14]，湖相頁巖演化程度較低，Ro多在在1.1%～1.8%，有機質孔隨演化程度增加而逐漸發(fā)育(圖3b,c)。孔隙度較高，平均為3.23%；有機碳與粘土、孔隙度具有一定的正相關關系。納米CT微觀結構中見粘土質礦物定向分布(圖3d)，測定的局部有機質含量可高達4.2%，但孔隙度僅為2.27%，孔喉以中-大孔為主，主要分布在30～90 nm范圍內，以40 nm為峰值?？紫哆B通性較差，孔隙連通體積僅為3.84×1011nm3。滲透率中等，平均為6×10-3μm2，微裂縫僅在夾層處可見。脆性礦物中硅質含量平均為34.79%，鈣質含量較低，平均為14.03%，脆性指數(shù)(硅質+鈣質)為0.52，可壓性較差。

2.1.2 泥頁巖夾粉砂巖型

該類型為陸源碎屑湖泊的濱、淺湖泥坪微相沉積，巖性主要為含粉砂質泥巖，巖性組合為厚層泥巖夾薄層粉砂巖，具有機質、孔隙度、滲透率和脆性指數(shù)均較低的特點。有機碳含量較低，平均為0.8%。孔隙類型以粘土礦物孔為主，有機質孔不發(fā)育，孔隙度平均為2.56%。滲透率較低，平均為0.9×10-3μm2。頁理不發(fā)育，粘土礦物含量較高，平均為54.4%；碎屑硅質含量平均為40.56%；鈣質少量平均為5.04%，脆性指數(shù)(硅質+鈣質)僅為0.46，可壓性差。

圖2 四川盆地FY3井大安寨二段頁巖氣形成條件綜合柱狀圖Fig.2 Composite column of shale gas forming conditions in the 2nd member of Da’anzai Formation in Well FY3,Sichuan Basin

巖相類型厚層頁巖夾薄層介殼灰?guī)r相頁巖與介屑灰?guī)r不等厚互層相厚層介屑灰?guī)r夾薄層泥頁巖相厚層泥頁巖夾薄層粉砂巖相紋層狀泥頁巖與粉砂巖不等厚互層相厚層粉砂巖夾薄層泥巖相典型巖心剖面泥地比/%70～9050～70小于5070～9050～70小于50微相類型半深湖泥湖坡風暴灘介屑灘半深湖泥淺湖砂泥坪濱湖灘壩沉積模式最大湖進期碳酸鹽湖泊最大湖進期碳酸鹽湖泊最大湖進期碳酸鹽湖泊局限湖進期陸源碎屑湖泊局限湖進期陸源碎屑湖泊局限湖進期陸源碎屑湖泊分布層段涪陵、元壩大安寨二段涪陵、元壩大安寨二段涪陵大安寨一段元壩東岳廟段、千二段元壩東岳廟段、千二段元壩東岳廟段、千二段

圖3 四川盆地頁巖夾介殼灰?guī)r型孔隙特征Fig.3 Pore characteristics for source-reservoir configuration type of shell limestone interbedded within shale,Sichuan Basina.粘土礦物晶層間孔隙發(fā)育，XL101井，大安寨段，埋深2 146.57 m；b.有機質孔隙不發(fā)育，F(xiàn)Y1井，大安寨段，埋深2 605.9 m，Ro=1.1%；c.有機質孔隙沿微縫發(fā)育，F(xiàn)Y1井，東岳廟段，埋深2 735.6 m，Ro=1.43%；d.粘土質礦物定向分布， FY1井，東岳廟段，埋深2 735.5 m

2.2 源儲互層型

主要包括頁巖與灰?guī)r互層型和頁巖與粉砂巖互層型，泥地比在50%～70%。

2.2.1 頁巖與介屑灰?guī)r互層型

該類型為碳酸鹽湖泊湖坡風暴灘微相沉積，巖性主要為介殼灰質頁巖，巖性組合為頁巖與介屑灰?guī)r薄互層，具有機質、孔隙度、孔隙連通體積、滲透率和脆性指數(shù)均較高的特點。有機碳含量最高可達3.7%，平均為1.42%?？紫额愋鸵皂槍游⒘芽p和有機質邊緣縫為主(圖4a)，有機質孔不發(fā)育?？紫抖仍?.25%～6.2%，平均為3.34%。納米CT微觀結構中可見粘土礦物定向排列中夾有自生菱形方解石、白云石和具有一定磨圓程度的碎屑石英顆粒(圖4b)，測定局部有機質含量可高達為4.1%，孔隙度為1.99%，孔喉以中-大孔為主，主要分布在30～110 nm，以40 nm和80 nm為峰值。由于巖性組合為頁巖與介屑灰?guī)r互層，頁理、水平裂縫和高角度裂縫均發(fā)育，孔隙連通性和滲透率為4種源-儲類型中最好，孔隙連通體積為6.65×1011nm3，是頁巖夾介殼灰?guī)r型的近2倍。滲透率較高，平均為9.01×10-3μm2。粘土礦物含量較低，平均為38.94%，硅質含量平均為25.54%，鈣質含量較高，平均為35.52%，脆性指數(shù)(硅質+鈣質)可達0.61，可壓性好。

2.2.2 頁巖與粉砂巖互層型

該類型為陸源碎屑湖泊的濱、淺湖砂泥坪微相沉積，巖性主要為粉砂質泥巖，巖性組合為紋層狀砂泥不等厚互層相，具粘土礦物含高、有機質較低，孔隙度、滲透率和脆性指數(shù)中等的特點。有機碳含量在0.5%～1.94%，平均為0.9%；孔隙類型以顆粒邊緣殘余原生微孔(圖5a)、順層微裂縫為主，有機質孔不發(fā)育?？紫抖仍?.8%～3.5%，平均為2.56%。納米CT微觀結構中粘土礦物定向較差(圖5b)，可見具有一定磨圓程度的碎屑石英顆粒，測定局部有機質含量僅1.19%，孔隙度為1.28%，孔喉以中-大孔為主，主要分布在40～300 nm，以40～100 nm為主；沉積紋層和高角度縫發(fā)育，孔隙連通性較好，孔隙連通體積為5.28×1011nm3，僅次于頁巖與介屑灰?guī)r互層型。滲透率中等，平均為5.02×10-3μm2。粘土礦物含量較高，平均為56.45%，碎屑硅質在17.3%～59.6%，平均為35.68%；鈣質少量，平均為7.87%，脆性指數(shù)(硅質+鈣質)為0.44，可壓性差。

圖5 四川盆地頁巖與粉砂巖互層型孔隙特征Fig.5 Pore characteristics for source-reservoir configuration type of alternating shales and siltstones,Sichuan Basina.顆粒邊緣微縫隙，F(xiàn)Y4井，大安寨段，埋深2 541.9 m；b.粘土礦物定向較差，可見碎屑石英顆粒，JYHF-1井，東岳廟段，埋深620.53 m

3 基于源儲體系數(shù)的源-儲配置類型評價

3.1 源儲體系數(shù)構建

頁巖氣具有生烴、儲集和后期改造兼?zhèn)涞摹暗刭|”和“工程”雙甜點疊置的特點[15]。頁巖作為烴源層，有機碳含量(TOC)高低決定于生氣潛力的優(yōu)劣，也決定著生氣量多少。頁巖有機碳含量越高，越有利于頁巖氣聚集，同時頁巖作為儲層，其儲集性能的好壞對頁巖氣的富集至關重要[16-17]。湖相泥頁巖沉積相變快，單層厚度薄，巖相類型復雜，多以泥頁巖與灰?guī)r、粉砂巖互層、夾層組合方式呈現(xiàn)。生烴主要以泥頁巖為主，儲集性除了泥頁巖自身影響外，與泥頁巖中的灰?guī)r、粉砂巖夾層及其之間的組合方式(互層和夾層)也密切相關，因此湖相泥頁巖層系具有多類型復雜的源-儲配置的特點。不同源-儲配置類型中泥頁巖的生烴能力與灰?guī)r、砂巖夾層的儲集性能之間的協(xié)同關系，以及頁巖氣水平井開發(fā)中的可壓裂性，共同決定了湖相頁巖氣的富集的物質基礎。

目前，四川盆地下侏羅統(tǒng)已在元壩、涪陵和建南直井勘探中獲得了高產工業(yè)氣流，但至今未實現(xiàn)經濟有效開發(fā)的關鍵之一是復雜巖性(泥頁巖與灰?guī)r、粉砂巖互層、夾層)頁巖氣水平井及適應性壓裂工程工藝關鍵技術還未形成，難以實現(xiàn)經濟有效開發(fā)。因此，針對陸相多類型源-儲配置的特點，不僅要考慮有機質豐度和孔隙類型、孔隙度大小等“地質”甜點對頁巖氣富集的影響，更要重視不同源-儲配置類型對可壓裂性的影響。

前人依據(jù)五峰組-龍馬溪組海相頁巖氣源儲一體、源儲共生的特點，建立的頁巖氣藏的源-儲一體的評價思路及源-儲耦合系數(shù)(10 000TOCΦ，其中，TOC為有機質含量，Φ為孔隙度)進行評價[18](胡宗全，2016)，對于陸相有機質豐度較低(TOC多小于2%)，孔隙度差異小(多分布于2%～4%)，源-儲配置類型多樣(頁巖夾介殼灰?guī)r型、泥頁巖夾粉砂巖型和頁巖與灰?guī)r互層型、頁巖與粉砂巖互層型)，且不同源-儲配置類型對后期改造影響較大的特點，僅通過源-儲耦合系數(shù)評價，不能有效地反映湖相不同巖性組合方式的差異對可壓裂性的影響，需要增加可壓裂性評價參數(shù)。硅質和鈣質總和作為泥頁巖礦物組成中脆性礦物的主體[19]，其含量多少與壓裂工程密切相關，為開發(fā)水平井的壓裂提供依據(jù)。

按照地質、開發(fā)和工程3者一體化的思路，將不同的源-儲類型作為一個獨立的“源儲體”單元(類似于致密砂巖儲層“儲滲體”[20-21]的概念)進行源-儲-可壓裂性綜合評價。在前人源-儲耦合系數(shù)的基礎上，增加反映不同源-儲類型可壓裂性的脆性指數(shù)表征參數(shù)，創(chuàng)建了與陸相多類型源-儲配置相適應的源儲體系數(shù)進行評價，即源儲體系數(shù)=10 000TOCΦBi，(Bi為脆性指數(shù)，小數(shù)),并據(jù)此對4口井東岳廟段、大安寨段和千二段3個泥頁巖層段不同的源-儲配置類型進行了源儲體系數(shù)的計算。

圖6 四川盆地不同源-儲配置類型源儲體系數(shù)與全烴背景值關系Fig.6 Correlation between source-reservoir coefficient and total hydrocarbon background value for different source-reservoir configuration types,Sichuan Basin

3.2 源-儲配置類型評價

通過上述源-儲配置類型的生烴、儲集和可壓裂性特征參數(shù)的源儲體系數(shù)與含氣性相關系性分析表明，源儲體系數(shù)與全烴背景值(去掉因裂縫發(fā)育導致的氣測峰值)具有良好的正相關關系(圖6)。

以碳酸鹽湖泊沉積占主導的頁巖夾介殼灰?guī)r型和頁巖與介屑灰?guī)r互層型，有利有機質保存，有機質含量較高，有機孔相對發(fā)育，生烴和儲集性較好。但因這兩種類型源-儲配置的的方式不同(前者為夾層，后者為互層)，其孔隙連通性和滲透性卻存在較大的差異。頁巖與介屑灰?guī)r互層型更有利于水平裂縫的發(fā)育，連通性更好，而且脆性礦物除含硅質外，鈣質含量較高，可壓裂性最好，源儲體系數(shù)大于2.5，全烴背景值在同一井中最高，為好的源-儲配置類型；頁巖夾介殼灰?guī)r型雖然有機質含量和孔隙度較高，但孔隙連通性較差，加之粘土礦物含量高，鈣質含量較低，可壓裂性較差，源儲體系數(shù)在1.5～2.5，同一井中全烴背景值較頁巖與介屑灰?guī)r互層型低，為較好的源-儲配置類型。

以陸源碎屑湖泊沉積占主導泥頁巖夾粉砂巖型和頁巖與頁巖與粉砂巖互層型，受陸源碎屑物源的影響，有機質含量低，有機孔不發(fā)育，基質儲滲性較差。其中泥頁巖夾粉砂巖型的最差，脆性礦物以碎屑硅為主，鈣質含量低，粘土礦物含量較高，可壓裂性差，源儲體系數(shù)多小于1.5，全烴背景值在同一井中最低，不利于頁巖氣的形成和改造，為較差的源-儲配置類型。

4 結論

以湖相不同巖相為基礎的源-儲配置類型研究和評價表明，碳酸鹽湖泊沉積頁巖與介屑灰?guī)r互層相具有良好頁巖氣生烴、儲集、滲透和可壓裂性形成條件，有利于頁巖氣的形成和改造，是湖相最有利的源-儲配置類型；偏泥質相的頁巖夾介殼灰?guī)r相具有良好頁巖氣生烴和儲集條件，但孔隙連通性、滲透性和可壓性較差，為較有利源-儲配置類型；陸源碎屑湖泊沉積的泥頁巖夾粉砂巖相和頁巖與頁巖與粉砂巖互層型相，有機質含量較低，儲滲性和可壓性較差，不利于頁巖氣的形成和改造，為不利的源-儲配置類型。因此以碳酸鹽湖泊沉積的頁巖與介屑灰?guī)r互層和夾層相為主的頁巖區(qū)和層段可作為湖相頁巖氣勘探的有利目標區(qū)和開發(fā)的優(yōu)選層段。