鐘 城,秦啟榮,胡東風,周吉羚,黃 為
(1.西南石油大學地球科學與技術(shù)學院,四川成都610500;2.中國石化勘探分公司,四川成都610041;3.中國石油西南油氣田分公司川中油氣礦,四川遂寧629000)
上揚子地區(qū)經(jīng)歷了多期構(gòu)造旋回和沉積環(huán)境的變遷后,普遍發(fā)育海相、海陸過渡相和陸相3類富有機質(zhì)頁巖[1-2]。目前研究認為海相頁巖的成藏條件最好,具有總有機碳含量(TOC)高、厚度大、成熟度高、脆性好、含氣性較好等特征,主要分布于四川盆地及周緣、滇黔桂以及塔中—西部地區(qū)[3]。其中,川東南地區(qū)廣泛發(fā)育一套上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組海相富有機質(zhì)頁巖,在涪陵焦石壩、南川等地區(qū)已獲頁巖氣商業(yè)產(chǎn)能[4-8]。2013—2014年,中國石化勘探分公司在川東南丁山地區(qū)先后鉆探的丁頁1和丁頁2井均獲頁巖氣流,揭示該地區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖同樣具有頁巖氣勘探開發(fā)潛力[9-10]。
頁巖氣藏具有典型的自生自儲、近源成藏的特點,沉積環(huán)境、巖石學特征、微觀孔隙特征、有機質(zhì)含量與類型、有機質(zhì)成熟度、物性等對頁巖氣的聚集及勘探開發(fā)具有至關(guān)重要的作用[11]。為此,筆者針對川東南丁山地區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖進行分析,利用放射性元素測井、有機地球化學分析、巖心描述、全巖X射線衍射、掃描電鏡分析、物性測試、現(xiàn)場含氣性測試等方法,分析頁巖氣藏的有機地化特性、含氣性、巖性與礦物組分、脆性(可壓裂性)、物性、非均質(zhì)性(各向異性)等“六性”特征以及保存條件,探討頁巖有機質(zhì)聚集與頁巖氣成藏機理,為研究區(qū)后期頁巖氣富集規(guī)律及勘探開發(fā)研究提供參考與指導。
圖1 川東南丁山地區(qū)區(qū)域地理位置與構(gòu)造綱要Fig.1 Regional geographical location and tectonic outline of Dingshan area,southeastern Sichuan Basin
丁山地區(qū)隸屬重慶綦江縣,構(gòu)造主體位于以齊岳山斷裂和南川—遵義斷裂為界的湘鄂西—黔東北斷褶帶、黔北斷褶帶、川東南斷褶帶交匯處(圖1)[10,12]。受齊岳山斷裂控制下的逆沖推覆構(gòu)造影響,在盆地邊緣形成由褶皺導致的斜坡構(gòu)造格局,整體為齊岳山斷裂下盤的一個正向構(gòu)造。研究區(qū)先后經(jīng)歷了加里東期、海西期、印支期和喜馬拉雅期等多期次構(gòu)造運動的不斷改造,NE,NW,SN向斷裂和褶皺體系相當發(fā)育,平面總體形態(tài)為NE—SW向鼻狀背斜[9-10,13-15]。區(qū)域地層普遍缺失泥盆系、石炭系,背斜核部地層遭受嚴重剝蝕,致使較老的震旦系出露于地表,至今仍遭受不同程度的風化剝蝕。晚奧陶世—早志留世早期,研究區(qū)沉積一套厚度大于30 m、以五峰組—龍馬溪組黑色頁巖為代表的富含有機質(zhì)的筆石相優(yōu)質(zhì)烴源巖。研究區(qū)奧陶系上統(tǒng)自下而上發(fā)育澗草溝組(O3j)和五峰組(O3w),志留系下統(tǒng)自下而上發(fā)育龍馬溪組(S1l)和石牛欄組(S1sh);根據(jù)測井資料及巖性、巖相特征,可以進一步將五峰組—龍馬溪組自上而下劃分為上段和下段,其中,下段為優(yōu)質(zhì)頁巖層段,自上而下可以細分為1—4號小層(圖2)。
丁頁1井位于丁山構(gòu)造東南部埋深較淺的區(qū)域,優(yōu)質(zhì)頁巖層底界的埋深為2 054.0 m,厚度為30.0 m,測試日產(chǎn)氣量為3.4×104m3/d。丁頁2井位于丁山構(gòu)造北西部埋深較大的平緩區(qū)域,優(yōu)質(zhì)頁巖層底界的埋深為4 367.5 m,厚度為35.5 m,測試日產(chǎn)氣量為 10.5×104m3/d[9-10]。這 2 口井均鉆遇厚度約為30 m的優(yōu)質(zhì)富有機質(zhì)頁巖,丁頁1井的頁巖氣產(chǎn)量遠低于丁頁2井。鉆井、測井、錄井及試氣等資料顯示,2口井的有機質(zhì)含量與含氣性、礦物組分與脆性、微觀孔隙與滲透率等方面均存在不同程度的差異,也反映出四川盆地邊緣海相頁巖成藏條件與地質(zhì)構(gòu)造特征的復雜性。
圖2 川東南丁山地區(qū)丁頁1和丁頁2井五峰組—龍馬溪組綜合柱狀圖Fig.2 Lithological column of the Wufeng-Longmaxi Formation of Well Dingye1 and Well Dingye2 in Dingshan area,southeastern Sichuan Basin
中外頁巖氣勘探開發(fā)實踐表明,頁巖氣藏為典型的自生自儲型氣藏,具備形成時間早、持續(xù)聚集、無明顯圈閉界限、低孔低滲透的特性[16-17]。因此,傳統(tǒng)儲層的“巖性、物性、含油氣性、電性”的四性關(guān)系已不能滿足川東南復雜構(gòu)造背景下頁巖氣藏特征描述以及頁巖氣富集規(guī)律研究的要求,應拓展為有機地化特性、含氣性、巖性與礦物組分、脆性(可壓裂性)、物性、各向異性(非均質(zhì)性)等“六性”特征評價[18-19]。
2.1.1 有機地化特性及含氣性
烴源巖主要控制油氣藏的形成與分布,衡量和評價烴源巖的生烴能力主要依據(jù)有機質(zhì)豐度、類型以及熱成熟度[20]。當富有機質(zhì)頁巖熱成熟度達到生氣階段后,TOC值較高,對應較高的含氣量[21-22]。地化測試結(jié)果(表1)顯示,丁頁1和丁頁2井五峰組—龍馬溪組自上而下TOC值均呈現(xiàn)遞增趨勢;其中,丁頁1井五峰組—龍馬溪組4號小層的TOC值為1.72%~4.64%,平均為3.12%,低于丁頁2井相應的4號小層,其TOC值為3.11%~5.96%,平均為4.07%。含氣量隨TOC值的遞增而呈現(xiàn)增加趨勢,相應的丁頁2井的含氣量也大于丁頁1井,尤其丁頁2井4號小層測試含氣量為4.12~8.76 m3/t,平均為5.77 m3/t,具有較好的含氣性。此外,成熟度檢測結(jié)果表明,2口井五峰組—龍馬溪組頁巖鏡質(zhì)組反射率(Ro)的平均值大于2%,且自上而下具有明顯升高的趨勢,有機質(zhì)類型主要以Ⅰ型干酪根為主,少量Ⅱ1型干酪根,有機質(zhì)熱演化程度較高,總體為高—過成熟階段,處于產(chǎn)氣階段。
2.1.2 巖性及脆性
研究區(qū)丁頁1和丁頁2井巖心觀察發(fā)現(xiàn),其五峰組—龍馬溪組上段巖性以深灰色-灰黑色灰質(zhì)泥巖、粉砂質(zhì)泥巖(圖3a)和云質(zhì)泥巖為主,下段巖性以黑色泥巖、碳質(zhì)泥巖為主(圖3b),富含黃鐵礦(圖3c,3d),以五峰組頂部一段富含筆石(圖3e,3f)、粉砂質(zhì)泥巖類和斑脫巖為主要特征作為龍馬溪組與五峰組的分界。巖心亦可觀察到富有韻律的水平層理(圖3g)以及后期受構(gòu)造作用形成的多被方解石充填的水平滑脫縫,縫面呈現(xiàn)出擦痕與方解石充填的鏡面特征(圖3h),總體表現(xiàn)為連續(xù)穩(wěn)定的淺水-深水陸棚相沉積,反映水體自下而上逐漸變淺,后期構(gòu)造作用強烈。
表1 川東南丁山地區(qū)丁頁1和丁頁2井五峰組—龍馬溪組頁巖地化測試結(jié)果Table1 Geochemistry test results of shales from Wufeng-Longmaxi Formation of Well Dingye1 and Well Dingye2 in Dingshan area,southeastern Sichuan Basin
圖3 川東南丁山地區(qū)丁頁1和丁頁2井五峰組—龍馬溪組頁巖巖心特征Fig.3 Characteristics of shale cores from Wufeng-Longmaxi Formation of Well Dingye1 and Well Dingye2 in Dingshan area,southeastern Sichuan Basin
針對礦物組分的分析主要依據(jù)丁頁1和丁頁2井五峰組—龍馬溪組巖性變化選擇測試實驗樣品,其中全巖X射線衍射實驗儀器為荷蘭帕納科公司的X Pert Pro,測試樣品共153個。結(jié)果顯示,研究區(qū)五峰組—龍馬溪組縱向上礦物含量存在明顯的遞變規(guī)律,脆性礦物含量自下而上呈遞減趨勢,與黏土礦物呈現(xiàn)此消彼長的關(guān)系。丁頁2井4號小層的脆性礦物含量平均為53.6%,稍高于丁頁1井4號小層;而丁頁2井4號小層的黏土礦物含量平均為30.3%,低于丁頁1井4號小層。丁頁1和丁頁2井五峰組—龍馬溪組上段碳酸鹽礦物的平均含量分別為18.4%和16.3%,而五峰組—龍馬溪組下段碳酸鹽礦物含量較低且縱向上分布較均勻,普遍小于10%。
常規(guī)的脆性評價以石英含量作為主要依據(jù),但四川盆地龍馬溪組頁巖的巖相多達7種,石英含量為15.6%~55.0%,長石含量為3.3%~10.2%,而碳酸鹽礦物含量則較少[23]。為避免由單一礦物評價頁巖脆性帶來的缺陷,且長石相比碳酸鹽礦物更具脆性,以及由于在缺氧環(huán)境下形成的黃鐵礦占一定比例,因此利用礦物組分含量來進行脆性評價,以石英、長石和黃鐵礦作為研究區(qū)的主要脆性礦物,建立巖石脆性指數(shù)的計算公式為:
式中:BI為巖石脆性指數(shù),%;v石英為石英含量,%;v長石為長石含量,%;v黃鐵礦為黃鐵礦含量,%;v石英+長石+黃鐵礦為脆性礦物含量,%;v碳酸鹽礦物為碳酸鹽礦物含量,%;v黏土為黏土礦物含量,%。
研究區(qū)五峰組—龍馬溪組的巖石脆性指數(shù)自下而上表現(xiàn)為逐漸減小的變化趨勢。其中,丁頁1井4號小層的巖石脆性指數(shù)平均為51.9%,低于丁頁2井4號小層(57.6%)(表2)。
2.1.3 物性及各向異性
頁巖內(nèi)部發(fā)育的大量微米-納米級孔隙被認為是頁巖氣富集與儲存的相對有利空間,其發(fā)育程度影響頁巖的儲集性能,進而控制頁巖氣產(chǎn)量[16,24-25]。利用掃描電鏡對頁巖微觀孔隙特征進行觀測與統(tǒng)計,結(jié)果(圖4)顯示,丁頁1和丁頁2井五峰組—龍馬溪組微觀孔隙組成包括無機質(zhì)孔和有機質(zhì)孔,以及少量微裂縫。樣品多數(shù)可見沉積階段發(fā)育的黏土片間孔和草莓狀黃鐵礦晶間孔,其中黏土片間孔形態(tài)隨黏土(伊利石)多呈絮狀、彎曲的新月狀,數(shù)量較多、連通性較好(圖4a);草莓狀黃鐵礦晶間孔在某些樣品中發(fā)育較為普遍,但由于黃鐵礦晶體大小不一,因此其內(nèi)部孔徑差異較大,單個草莓狀黃鐵礦晶體間連通性較好,常充填有機質(zhì)(圖4b),但多個草莓狀黃鐵礦晶團之間的連通性則較差,常孤立賦存(圖4c,4d)。此外,可見成巖階段發(fā)育原生的圓形或橢圓形、蜂窩狀有機質(zhì)孔,大多呈點狀分布(圖4e,4f),還有少量次生有機質(zhì)收縮縫(圖4g),存在少量黏土礦物內(nèi)部脫水后形成的納米級微裂縫,且該類裂縫的開度僅為十幾至幾十納米,沿延伸方向變窄直至尖滅(圖4h)。
微觀孔隙的孔徑統(tǒng)計結(jié)果顯示,研究區(qū)丁頁1和丁頁2井五峰組—龍馬溪組頁巖樣品以發(fā)育納米級孔隙為主。其中,丁頁1井頁巖樣品有機質(zhì)孔的孔徑為10~100 nm,平均為38 nm;無機質(zhì)孔的孔徑則具有較大差異,其孔徑為50~220 nm,平均為108 nm。丁頁2井頁巖樣品有機質(zhì)孔的孔徑與無機質(zhì)孔的孔徑差異較小,有機質(zhì)孔的孔徑普遍小于50 nm,孔徑中值為25~50 nm,平均為35 nm;無機質(zhì)孔的孔徑多大于100 nm,為100~200 nm,平均為133 nm。根據(jù)霍多特分類方法[26],這2口井的有機質(zhì)孔均以小孔為主,丁頁1井的無機質(zhì)孔以小孔-中孔為主,丁頁2井的無機質(zhì)孔則以中孔為主。
表2 川東南丁山地區(qū)丁頁1和丁頁2井五峰組—龍馬溪組頁巖全巖X射線衍射礦物組分及巖石脆性指數(shù)Table2 X-ray diffraction mineral composition and brittleness index of the whole shale rock from Wufeng-Longmaxi Formation of Well Dingye1 and Well Dingye2 in Dingshan area,southeastern Sichuan Basin
圖4 川東南丁山地區(qū)丁頁1和丁頁2井五峰組—龍馬溪組頁巖掃描電鏡微觀特征Fig.4 Scanning electron microscopic characteristics of shalesfrom Wufeng-Longmaxi Formation of Well Dingye1 and Well Dingye2 in Dingshan area,southeastern Sichuan Basin
圖5 川東南丁山地區(qū)丁頁1和丁頁2井五峰組—龍馬溪組頁巖樣品無機質(zhì)孔與有機質(zhì)孔的孔隙度對比Fig.5 Comparison of inorganic porosity and organic porosity between shales from Wufeng-Longmaxi Formation of Well Dingye1 and Well Dingye2 in Dingshan area,southeastern Sichuan Basin
丁頁1和丁頁2井無機質(zhì)孔和有機質(zhì)孔的孔隙度對比結(jié)果(圖5)顯示,其無機質(zhì)孔的孔隙度均小于1%。其中,丁頁1井頁巖樣品中1—4號小層的無機質(zhì)孔的孔隙度呈遞增趨勢,丁頁2井頁巖樣品中4號小層的無機質(zhì)孔的孔隙度大于丁頁1井4號小層(圖5a)。丁頁1井頁巖樣品中3—4號小層有機質(zhì)孔的孔隙度呈明顯遞減趨勢,由1.7%降至0.1%;丁頁2井4號小層頁巖樣品有機質(zhì)孔的孔隙度約為1.5%,稍大于丁頁1井4號小層頁巖樣品有機質(zhì)孔的孔隙度(圖5b)。
由于沉積后期的壓實作用,導致頁巖內(nèi)部的黏土礦物經(jīng)過多次塑性變形,呈現(xiàn)定向排列,并形成滲透性極好的頁理[15]。為還原巖石原始地層條件,對丁頁1和丁頁2井五峰組—龍馬溪組頁巖樣品進行橫向和垂向滲透率覆壓測試,丁頁1和丁頁2井頁巖樣品的測試覆壓分別為20和48 MPa。測試結(jié)果顯示:2口井頁巖樣品的橫向滲透率均大于垂向滲透率,頁巖氣側(cè)向的滲流、擴散速率遠大于垂向的滲流、擴散速率;其中,丁頁1井頁巖樣品的橫向滲透率為0.008~1.967 mD,平均為0.695 mD,垂向滲透率為0.005~0.495 mD,平均為0.205 mD,二者相差2.4~7.4倍;丁頁2井頁巖樣品的橫向滲透率為0.007~0.180 mD,平均為0.064 mD,垂向滲透率為0.002~0.068 mD,平均為0.019 mD,二者之間相差2.9~6.7倍。
將研究區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖樣品的TOC和Ro分別與含氣量進行交會,結(jié)果(圖6)顯示,三者均存在良好的正相關(guān)關(guān)系;TOC和Ro值越高,含氣量越大,且相關(guān)系數(shù)均大于0.8。研究區(qū)具有經(jīng)濟開采價值的層段主要位于五峰組—龍馬溪組下段,為TOC和Ro值均大于2%的過成熟優(yōu)質(zhì)烴源巖;其中,丁頁1井優(yōu)質(zhì)烴源巖主要為3號小層下部—4號小層,厚度約為30.0 m;丁頁2井優(yōu)質(zhì)烴源巖為3—4號小層,厚度約為35.5 m。整體上,2口井4號小層的TOC值最大,頁巖成熟度最高,含氣量較高;1—3號小層黑色頁巖的成熟度次之;而五峰組—龍馬溪組上段非黑色頁巖段的TOC值最小,成熟度最低,相應的含氣量也較低。
此外,通過對2口井五峰組—龍馬溪組頁巖樣品總孔隙度、含氣量、脆性礦物含量及TOC進行交會分析,發(fā)現(xiàn)其均具有良好的正相關(guān)關(guān)系。頁巖總孔隙度高,對應較高的含氣量,TOC與脆性礦物含量也較高。
圖6 川東南丁山地區(qū)丁頁1和丁頁2井五峰組—龍馬溪組頁巖TOC,R o與含氣量交會圖Fig.6 Cross plots of TOC,R o and gas content of shales from Wufeng-Longmaxi Formation of Well Dingye1 and Well Dingye2 in Dingshan area,southeastern Sichuan Basin
研究區(qū)位于四川盆地周緣,受晚奧陶世—早志留世加里東運動中期都勻運動影響,形成被雪峰隆起、川中隆起和黔中隆起三者加持的坳陷,加之冰川時代之后,冰川大規(guī)模融化,坳陷發(fā)生快速海侵,形成了較大規(guī)模的深水陸棚環(huán)境(圖 7)[7,9,16-25,27-31]。頁巖中放射性元素的Th/U,V/Ni和V/(V+Ni)值可以有效地應用于判斷古沉積環(huán)境中水體的氧化還原條件。其中,Th/U>7時,為風化、氧化和淋濾作用的陸相沉積環(huán)境;2<Th/U<7時,為海相貧氧還原環(huán)境;Th/U<2時,為海相缺氧強還原環(huán)境[29]。分析研究區(qū)五峰組—龍馬溪組自然伽馬能譜測井數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),丁頁1井五峰組—龍馬溪組上段和下段1號小層的Th/U值為4.0~24.0,為氧化的陸相沉積與貧氧還原的海相沉積的過渡帶;2—4號小層的Th/U值為0.53~7.50,表明沉積環(huán)境以低能和亞高能還原、強還原的海相沉積為主。丁頁2井龍馬溪組的Th/U值為0.68~7.00,表明沉積環(huán)境以低能和亞高能還原、強還原的海相沉積為主。研究區(qū)五峰組—龍馬溪組露頭巖心樣品的V/Ni值為1.27~6.7,V/(V+Ni)值為0.56~0.87,綜合判定五峰組—龍馬溪組頁巖的沉積環(huán)境為海相貧氧還原環(huán)境。
此外,研究區(qū)冰川時代導致大規(guī)模生物滅絕,冰期后氣候回暖,低等生物大量繁殖,已死或?qū)⑺赖母∮蝿?、植物沉積于水體深部,大量硅質(zhì)生物如放射蟲、有孔蟲、海綿骨針、筆石等于水體底部富集[3],因此在水體底部有機質(zhì)富集的同時,其硅質(zhì)含量也相應升高;且缺氧閉塞的深水陸棚環(huán)境對生物死亡后的埋藏與保存具有積極作用,也促進有機質(zhì)的富集。
圖7 四川盆地及周緣龍馬溪組沉積時期沉積環(huán)境及沉積模式示意(據(jù)文獻[7,9,16-25,27-31]修改)Fig.7 Diagram of sedimentary environment and sedimentary model of Longmaxi Formation in Sichuan Basin and its periphery(modified fromreferences[7,9,16-25,27-31])
頁巖氣藏的形成一般經(jīng)歷超深埋藏的生烴期和構(gòu)造運動的抬升期[8]。在構(gòu)造運動過程中,頁巖氣賦存的地層和環(huán)境條件發(fā)生改變,頂?shù)装鍡l件、埋深、構(gòu)造抬升的時間與強度、區(qū)域斷裂與裂縫發(fā)育規(guī)律等均可能導致頁巖氣的逸散和頁巖氣藏的破壞[28,32]。
丁山地區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖底板為五峰組頁巖、臨湘組瘤狀灰?guī)r和寶塔組灰?guī)r,其分布連續(xù),總厚度為52.7 m;龍馬溪組的頂板為石牛欄組,以泥質(zhì)灰?guī)r、泥巖、灰質(zhì)泥巖為主,總厚度達214.0 m,可作為頁巖層的直接蓋層。
受侏羅紀末期至晚白堊世早期江南-雪峰隆起的遞進擴展,以及晚白堊世黔中隆起自南向北的擠壓,丁山地區(qū)總體由SE向NW方向抬升,靠近齊岳山斷裂的丁頁1井五峰組—龍馬溪組的抬升時間相對早于丁頁2井,且變形強度大于丁頁2井;另一方面,丁頁1井五峰組—龍馬溪組的埋藏較淺,且由于靠近齊岳山斷裂,主要發(fā)育以高角度縫-直立縫為主的構(gòu)造裂縫,貫通連接優(yōu)質(zhì)產(chǎn)氣層段和切穿蓋層斷裂,因此氣體主要沿斷裂產(chǎn)生垂向的強烈逸散,地層壓力系數(shù)較低,保存條件相對較差;而丁頁2井五峰組—龍馬溪組埋深較大,且遠離齊岳山斷裂,主要發(fā)育以低角度縫和水平縫為主的構(gòu)造裂縫,大型斷裂的發(fā)育程度較低,頁巖氣主要在優(yōu)質(zhì)頁巖層內(nèi)橫向擴散,地層壓力系數(shù)較高,保存條件相對較好。
川東南丁山地區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖主要以缺氧閉塞的還原環(huán)境為主,巖性自下而上由深黑色富含碳質(zhì)與筆石的泥頁巖遞變?yōu)樯罨疑?灰黑色灰質(zhì)泥巖、粉砂質(zhì)泥巖,沉積水體自下而上總體變淺。研究區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖的含氣量、TOC及Ro值自下而上呈現(xiàn)降低趨勢,五峰組—龍馬溪組底部具有較好的生烴能力,TOC平均值大于2%,有機質(zhì)類型以Ⅰ型干酪根為主,Ro平均值大于2%,總體處于高成熟晚期-過成熟產(chǎn)氣階段。巖石脆性礦物含量與脆性指數(shù)自上而下也呈現(xiàn)升高趨勢,五峰組—龍馬溪組下段的巖石脆性指數(shù)均大于50%;頁巖微觀孔隙主要以無機質(zhì)孔和有機質(zhì)孔為主,少量微裂縫,有機質(zhì)孔的孔隙度普遍大于無機質(zhì)孔,且垂向滲透率遠小于橫向滲透率。研究區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖樣品的TOC,Ro與含氣量三者均存在良好的正相關(guān)關(guān)系,TOC值越高,Ro值越大,其含氣量也越大;總孔隙度、含氣量、脆性礦物含量及TOC也呈不同程度的正相關(guān)關(guān)系。缺氧閉塞的古環(huán)境對生物死亡后的埋藏與保存具有積極作用,促進有機質(zhì)的富集;良好的保存條件有助于頁巖的富集成藏,較差的保存條件會導致頁巖氣逸散,不利于頁巖氣成藏。