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四川盆地及其周缘下古生界页岩气保存条件研究

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四川 盆地 及其 周缘 下古生界 页岩 保存 条件 研究
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第19卷 第3期2012年5月地学前缘(中国地质大学(北京);北京大学)Earth Science Frontiers(China University of Geosciences(Beijing);Peking University)Vol.19No.3May 2012http://www.earthsciencefrontiers.net.cn 地学前缘,2012,19(3)收稿日期:2012-03-21;修回日期:2012-05-03基金项目:国土资源部全国油气资源战略选区调查与评价专项(2009GYXQ15-02)作者简介:聂海宽(1982—),男,博士,主要从事油气成藏机理和非常规天然气地质的研究工作。E-mail:niehk.syky@sinopec.com四川盆地及其周缘下古生界页岩气保存条件研究聂海宽1,包书景1,高波1,边瑞康1,张培先2,武晓玲1,叶欣1,陈新军11.中国石油化工股份有限公司 石油勘探开发研究院,北京1000832.中国石油化工股份有限公司 华东分公司研究院,江苏 南京210011Nie Haikuan1,Bao Shujing1,Gao Bo1,Bian Ruikang1,Zhang Peixian2,Wu Xiaoling1,Ye Xin1,Chen Xinjun11.Petroleum Exploration and Development Research Institute,SINOPEC,Beijing100083,China2.Research Institute of Petroleum Exploration &Development,East Company China,SINOPEC,Nanjing210011,ChinaNie Haikuan,Bao Shujing,Gao Bo,et al.A studyof shale gas preservation conditions for the Lower Paleozoic in Sichuan Basinand its periphery.Earth Science Frontiers,2012,19(3):280-294Abstract:The exploration of shale gas indicated an indisputable fact that there is gas in shale,but the size ofthe shale gas reservoir and its industrial value need further study.Compared to the high production of U.S.shale gas,shale gas has its peculiar geological characteristics in China.The shale gas preservation conditionsmay be the focus of the shale gas exploration in China,which is less studied in U.S.shale gas exploration.This paper studied the shale gas preservation conditions by material basis,tectonism,evolutionary history,hydrogeology,seal and its microscopic properties,gas composition,pressure coefficient and other parametersof shale in the Lower Cambrian and the Upper Ordovician-Lower Silurian of the Lower Paleozoic in Sichuan Ba-sin and its periphery.The evaluation system of shale gas preservation of south China was put forward by com-prehensive analysis of various parameters.Keywords:Sichuan Basin and its periphery;shale gas;preservation conditions;tectonism;hydrogeology摘要:页岩气的勘探表明,页岩含气已成为一个不争的事实,但是含气的规模以及是否具有工业价值需要进一步研究。与美国相比,中国页岩气具有独特的地质条件,页岩气保存条件可能是中国南方下古生界页岩气勘探研究的重点。文中以四川盆地及其周缘下古生界下寒武统和上奥陶统—下志留统页岩层系为研究对象,从物质基础、构造作用和演化历史、地层水条件、盖层及其微观性质、天然气组分和压力系数等几个方面对页岩气的保存条件进行研究,并综合分析各种指标,提出页岩气保存条件综合评价指标体系,以期对四川盆地及其周缘下古生界页岩气勘探提供更进一步的参考资料。关键词:四川盆地及其周缘;页岩气;保存条件;构造作用;水文地质中图分类号:P618.13文献标志码:A文章编号:1005-2321(2012)03-0280-150 引言油气的聚集具有明显的时间性和有效性[1],油气在聚集以后会随着时间慢慢散失,这就要求对盖层的封闭能力和油气的保存条件进行系统的研究,以确定现今油气的丰度和工业价值。由于页岩气吸附机理的存在,页岩气藏被认为具有一定的抗破坏能力,可能是我国广大南方海相地区油气勘探的突破所在[2-4]。不同学者根据和美国页岩气地质条件类比研究,采用静态指标(即厚度、面积、有机碳含量、成熟度、物性和矿物组成等参数)对页岩气发育聂海宽,包书景,高波,等/地学前缘 (EarthScience Frontiers)2012,19(3)281 http://www.earthsciencefrontiers.net.cn 地学前缘,2012,19(3)有利区进行了预测[3,5-8],并且勘探也证实了这些页岩是含气的,甚至产气[9-10]。随着勘探的进展,需要对页岩含气量以及是否具有工业价值进一步研究。采用静态指标类比研究并预测页岩气发育有利区,更多地强调了中国页岩气地质条件与美国的共性,忽视了其特殊性的研究。与美国相比,中国页岩气具有其地质特殊性,并决定了勘探的特殊性和复杂性[11],保存条件可能不是美国页岩气勘探研究的重点[11-12],但对于我国复杂的地质条件来说,页岩气的保存条件研究不容忽视,尤其是四川盆地及其周缘经历了加里东、海西、印支和喜马拉雅等复杂构造运动的地区,需要对页岩气的保存条件进行研究。本文以四川盆地及其周缘下古生界下寒武统页岩和上奥陶统—下志留统页岩为研究对象,从物质基础、构造作用和演化历史、地层水条件、盖层及其微观性质、天然气组分和压力系数等几个方面对页岩气的保存条件进行研究,通过综合分析各种指标,提出页岩气保存条件综合评价指标体系,以期对四川盆地及其周缘页岩气勘探提供更进一步的参考资料。1 物质基础页岩气是一种自生自储的非常规天然气藏,集烃源岩、储层和盖层等所有关键的成藏体系各要素于同一套页岩层。物质基础是对页岩的品质进行研究,包括页岩岩性、厚度和展布、地化参数、物性参数和矿物组成等,页岩品质的好坏直接控制着页岩的含气量,其中最主要的几个方面包括:(1)岩性,页岩的岩性主要有硅质页岩、黑色页岩、碳质页岩、碳硅质页岩、结核状磷块岩、粉砂质页岩和石煤层等,不同岩性的页岩具有不同的岩矿、地化、物性和含气量特征。(2)岩矿,包括页岩的各种矿物组成,这些矿物组成影响着页岩的品质,决定着页岩的含气量。如石英含量和页岩含气量呈正比例关系,粘土矿物含量和页岩含气量呈反比例关系等[13],类似这些参数在页岩含气量评价时至关重要,需要根据不同地区的具体情况进行详细的研究。(3)页岩厚度和面积,根据页岩厚度和面积可以判断页岩气藏的边界,并且页岩厚度和面积控制着页岩气藏的经济效益。(4)地化特征,主要包括有机质类型及含量、成熟度、岩石热解参数、干酪根类型和微观组分等,其中有机质丰度和成熟度是比较常用的两个参数:①有机质丰度,含气页岩的有机质丰度不但决定页岩气的生成量,而且影响页岩气的赋存和聚集,进而影响页岩气的资源丰度;②有机质成熟度,对于热成因的页岩气藏来说,成熟度高低虽然不是含气量的控制因素,但在一定的成熟度范围内页岩的含气能力达到最大[11,13]。(5)物性特征,主要包括页岩的孔隙度和渗透率,前者决定了页岩中游离气的含量,后者决定了页岩的渗流能力。物质基础作为页岩气评价的静态指标,虽然不是页岩含气量和页岩气是否聚集成藏的决定性因素,但是在页岩气选区,尤其在页岩气勘探早期阶段是重要的评价参数。不同的学者都根据美国页岩气勘探开发经验并结合我国的实际地质条件对页岩发育的厚度、有机碳、成熟度、矿物组成等物质基础的静态指标下限进行了研究。笔者认为含气页岩的厚度和有机碳等参数的下限和页岩气藏工业开采的区别较大,页岩气藏工业开采的厚度和有机碳等参数有可能远远大于含气页岩的厚度和有机碳等参数的下限,在页岩气勘探早期建议尽量选取平面上厚度和有机碳等参数较大的区域进行勘探。在剖面上,笔者通过对四川盆地及其周缘下古生界下寒武统和上奥陶统—下志留统4个岩性-岩矿-地化-物性-含气性综合剖面的研究认为:从下往上总体特征表现为随着缺氧环境遭到破坏,岩性变化较大,从下向上硅质页岩、碳质页岩厚度减小,灰黑色/灰色页岩、粉砂质页岩厚度增加,直至完全过渡为灰色粉砂质页岩、砂质页岩或泥质粉砂岩。相应的有机碳含量、热解S1和S2呈减小趋势,由于缺氧环境遭到破坏,海水变浅,导致石英含量减少和粘土矿物含量增加,由此决定的页岩的吸附能力也由下向上呈减小的趋势,成熟度、孔隙度和渗透率等指标在剖面上变化不大(图1)。这种剖面上的变化特征,说明研究区下古生界下寒武统和上奥陶统—下志留统页岩层段的下部具有较好的页岩气发育条件。2 构造作用和演化历史页岩气由于其吸附特征,具有一定的抗破坏能力,但是在中国南方多期构造运动导致的破坏强烈的地区,页岩气藏还是要遭受巨大的影响,甚至在构造活动较为强烈的地区被完全破坏掉。对页岩气的保存影响比较大的因素主要有多期构造活动导致的演化历史、抬升剥蚀以及断裂和裂缝的发育程度等。282     聂海宽,包书景,高波,等/地学前缘 (EarthScience Frontiers)2012,19(3)http://www.earthsciencefrontiers.net.cn 地学前缘,2012,19(3)图1 贵州省习水县良村镇吼滩村上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组页岩岩性-岩矿-地化-物性-含气性综合剖面Fig.1 The composite section of lithology-rock mineral-geochemical-physical properties-gas bearing properties of theUpper Ordovician-Lower Silurian outcrop in Houtan,Liangcun Vilage,Xishui County,Guizhou Province2.1 演化历史研究区海相页岩热演化程度偏高,已达过成熟阶段,但无论成熟度高低,在页岩层中均有天然气赋存,甚至形成页岩气藏[11,13],如黔中隆起方深1井下寒武统牛蹄塘组,成熟度(Ro)高达5.5%,有机碳质量分数高达8.02%。在1 723.4~1 726.7m井段,仍有气测异常,泥浆见雨状气泡,含气38%,点燃呈蓝色火焰[14]。对牛蹄塘组黑色页岩的压裂测试表明,仍有天然气产出。判断一套页岩层系是否含气以及含气的规模需和页岩演化历史结合起来才能客观评价该页岩的勘探潜力,要研究页岩的生排烃历史、最大生气时间和保存能力之间的关系(类似于常规油气藏的生命周期)。如果保存能力好,那么页岩气藏的寿命就长,目前有可能是我们勘探的目标。反之,页岩气藏可能已遭受破坏。研究区海相页岩经历了长期的构造和热演化,具有演化历史复杂、热成熟度较高、生烃时间早等特征,其不同构造单元热演化史不同,研究表明主要有以下几种类型:(1)四川盆地内部基本为早期长时间浅埋-早、中期长时间隆升-中期二次深埋-晚期快速抬升的特点,即下寒武统页岩沉积后在志留纪末期达到最大埋深,但其深度基本上小于2 000m,成熟度较低,生排烃均较有限,而后到早三叠世的很长一个时期内经历抬升,生烃作用停止。在中三叠世以后经历聂海宽,包书景,高波,等/地学前缘 (EarthScience Frontiers)2012,19(3)283 http://www.earthsciencefrontiers.net.cn 地学前缘,2012,19(3)图2 川南地区威2井埋藏史图[15]Fig.2 The burial history of Wei 2Wel in south of Sichuan Basin[15]了二次埋藏,最大埋深超过6 000m,达到生气阶段。白垩纪中期以后开始快速抬升,生烃作用停止。早、中期的长期浅埋和长期隆升有利于有机质的保存,中期快速深埋利于天然气的生成,后期快速抬升不利于天然气的排出,利于页岩气聚集。如川南地区威2井寒武系底界在志留纪末埋深达到2 000m,Ro值达到0.8%,生成少量原油,随后抬升遭受剥蚀,生烃过程停止,印支期以来再次快速埋藏,三叠纪达到二次生烃阶段,至白垩纪中期寒武系底界埋深超过6 000m,Ro超过2%,高达3%,进入过成熟早期演化阶段。白垩纪中期以后开始快速抬升,生烃作用停止[15](图2)。这一类型的埋藏史和热演化史与美国福特沃斯盆地Barnett页岩气藏的较为相似,尤其是下志留统龙马溪组黑色页岩和下石炭统的Barnett页岩都具有早期生烃少(甚至未生烃)-生烃晚-长期深埋-快速隆升的特点。前者是中三叠世开始生烃,达到最大成熟度以后生气,一直持续到中白垩世,而后抬升,生烃作用停止,但是抬升幅度有限。后者从晚宾西法尼亚世(晚石炭世)开始生烃,在二叠纪、三叠纪和侏罗纪达到生烃高峰,并一直延续至白垩纪末,而后抬升,生烃作用停止,抬升幅度亦有限。由于在Barnett页岩气藏勘探获得了巨大成功,那么具有这一类型埋藏史和热演化史的页岩在研究区需要重点关注。与盆地内相比,位于盆地边缘丁山1井的埋藏史和热演化史具有早期生烃量大和后期抬升幅度大等特点,因此,从演化历史角度评价,位于盆地边缘的丁山1井等地区,页岩气的保存条件比盆地内威远气田等地区要差。(2)黔中隆起及其周缘的下古生界埋藏史和热演化史属于早期生烃-中期多次生排烃-晚期快速抬升(比四川盆地内抬升早)等特点,如下寒武统黑色页岩在早奥陶世开始进入生烃期(Ro>0.5),在志留纪末达到最大埋深(Ro>1%),达到生油高峰,随后抬升剥蚀,生烃作用停止。二叠纪早期再次沉降,晚三叠世达到生气阶段,三叠纪末遭受抬升剥蚀,并在晚侏罗—早白垩世进一步沉降,达到生干气阶段。中白垩世以后抬升,生烃作用停止(图3)。总体来讲,这一类型的页岩埋藏史和热演化史比四川盆地内的要差,主要表现为早期生烃时间早且生烃量较大、中期经历了多次生排烃和晚期抬升时间早且幅度大等不利因素。(3)湘鄂西地区的下寒武统黑色页岩埋藏史属于长期持续埋藏-快速隆升型,在寒武纪末期达到生油高峰,中侏罗世成熟度已达到过成熟,进入生干气阶段,燕山期以来快速抬升,生烃作用停止(图4)。这一类型的埋藏史和热演化史与前两类相比具有长期持续生烃、抬升时间较早(侏罗纪时期)和抬升幅度大等特征。由于抬升剥蚀改造持续时间长,且以褶皱抬升为特征,隆升幅度大,下古生界出露,在恩施—彭水中央复背斜带和宜都—鹤峰复背斜带,核284     聂海宽,包书景,高波,等/地学前缘 (EarthScience Frontiers)2012,19(3)http://www.earthsciencefrontiers.net.cn 地学前缘,2012,19(3)图3 黔中隆起区地层埋藏史[16]Fig.3 The burial history of Qianzhong Uplift[16]图4 湘鄂西地区咸2井埋藏史[17]Fig.4 The burial history of Xian 2Wel in Western Hunan and Hubei area[17]部出露最老地层已是震旦系,下寒武统黑色页岩遭受不同程度的剥蚀,暴露严重,保存条件较差,不利于页岩气聚集,页岩气发育条件较差。在花果坪复向斜带北部和桑植—石门复向斜带下寒武统黑色页岩分布连续性较好,是该区页岩气成藏条件较好的地区。对比这3类埋藏史曲线不难发现,四川盆地内部以威远气田为代表的地区具有以下特征:(1)在加里东期以前基本没有生烃,而另外两个地区则生成了大量的油气。(2)具有生气高峰晚的特征,对于常规油气藏来讲,大气田气源岩生气高峰的时代以古近纪为主,白垩纪、新近纪次之,并且气源岩生气高聂海宽,包书景,高波,等/地学前缘 (EarthScience Frontiers)2012,19(3)285 http://www.earthsciencefrontiers.net.cn 地学前缘,2012,19(3)峰的时代越老,形成大气田所占比重越小[18-19]。笔者认为,页岩气也不例外,根据美国页岩气勘探开发经验判断,生气高峰越晚越好,如美国页岩气勘探开发最成功的福特沃斯盆地Barnett页岩气藏。威远气田的下寒武统页岩生气高峰为白垩纪中期,而黔中隆起附近和湘鄂西地区分别为白垩纪早期(在三叠纪还有一次生气高峰)和中侏罗世。(3)具有抬升时间晚的特征,在白垩纪中期以后抬升,另外两个地区为白垩纪早期和中侏罗世。从页岩埋藏史和热演化史角度说明四川盆地内部下寒武统和上奥陶统—下志留统具有优越的页岩气成藏条件。2.2 抬升剥蚀抬升剥蚀一方面使含气页岩层段之上的上覆岩层和区域盖层减薄或剥蚀,导致上覆压力变小,提高残余盖层的孔隙度、渗透率,也易使盖层的脆性破裂或已形成的断裂(含微裂缝)变成开启状态,降低盖层的封闭能力。如果抬升剥蚀的幅度较大,整个含气页岩段之上的盖层可能完全剥蚀,导致页岩含气段没有盖层的保护。另一方面抬升导致页岩含气段本身压力降低,游离气散失,进一步导致吸附气解吸,从而造成总含气量降低。研究区的抬升剥蚀作用可以分为两类,一类是整体性抬升,主要包括四川盆地和黔西北等地区;另一类是差异性抬升,以鄂西渝东为代表。不同的抬升类型,对页岩气藏产生的破坏作用不一样,整体性抬升具有抬升范围大、抬升幅度小和地区间的抬升差异性小等特点,比较有利于页岩气的保存。差异性抬升具有抬升范围小、抬升幅度大和地区间的抬升差异性大等特点,导致页岩的埋深从出露地表到埋深超过万米均有分布。如湘鄂西—渝东—四川盆地一带,下寒武统和下志留统埋藏依次加深。埋藏太浅,页岩气的保存条件可能遭受破坏,而埋藏太深又给勘探和经济开发带来难度。该带的东南部在背斜核部下寒武统和上奥陶统—下志留统黑色页岩依次出露,甚至出露震旦系地层,导致这两套页岩层系的页岩气成藏条件遭受破坏。常规油气勘探表明,湘鄂地区油气勘探未获突破的重要原因是很多探井钻遇地层生储盖组合不全[20]。笔者进一步分析认为,可能是多期次的抬升剥蚀导致的地层生储盖组合不全,而具有一定抗破坏能力的页岩气也显示较差,从测井气测异常上来看也能定性地看出抬升幅度导致在构造高部位和低部位页岩气保存条件存在差异。河2井位于鄂西渝东地区花果坪复向斜的河涝子构造轴部,完钻层位为奥陶系南津关组;鱼1井位于利川复向斜鱼皮泽构造核部,完钻层位为寒武系石龙洞组;建深1井位于石柱复向斜,在钻探中志留系天然气显示活跃,志留系全层系均含气,特别是小河坝组和龙马溪组显示更好。3口井的上奥陶统和志留系在晚奥陶世—志留纪为浅海陆棚相碎屑岩沉积,烃源岩以黑色碳质泥页岩、灰—深灰色泥页岩为主,纵向上烃源岩主要发育在五峰组—龙马溪组下部,局部地区小河坝组和韩家店组泥岩段亦具备生烃能力(如建深1井)。均在龙马溪组页岩层见到良好的气测显示。由图上我们可以看出,从东向西,页岩气显示层段有规律地变化。在研究区东部的河2井和鱼1井基本上是全井段显示,建深1井的页岩气显示主要集中在龙马溪组底部,但是其上部层段也有天然气显示。从显示级别和量上来看,河2井和鱼1井的气测异常仅相当于建深1井龙马溪组上部层段,甚至略低于后者(图5),主要原因可能是河2井和鱼1井的黑色页岩厚度较薄,且后期抬升幅度过大,导致现今埋藏较浅,页岩气保存条件遭到一定程度的破坏,天然气散失较多,现今残留的天然气较少。而建深1井的抬升幅度比较小,保存了大量的页岩气。不难看出强烈的构造抬升对页岩气的保存具有破坏作用,但是轻微的抬升对页岩气藏维持超压、先存排烃微裂缝的重新开启和吸附气解吸等具有建设性作用。在埋深比较大的情况下,晚期抬升不宜过小,而埋深小的情况下,抬升幅度不宜过大,以不破坏页岩气藏内的压力系统,不造成天然气散失为宜。就整个研究区来说,燕山期—喜山期以来的隆升是否导致页岩气的保存条件变差、游离气散失、吸附气解吸和总含气量降低等不利因素,需要根据具体的地质条件进行分析,会因地区不同而异。2.3 断裂和裂缝断裂和裂缝对页岩气聚集具有双重作用,是一把双刃剑,其发育程度和规模是影响页岩含气量和页岩气聚集的主要因素,决定页岩渗透率的大小,控制页岩的连通程度,进一步控制气体的流动速度、气藏的产能。裂缝还决定页岩气藏的保存条件,裂缝比较发育的地区,页岩气藏的保存条件可能差些,天然气易散失、难聚集、难形成页岩气藏,甚至不能形成页岩气藏。反之,则有利于页岩气藏的形成。通常区域性大断裂由于多期次、长时间的活动,微裂缝286     聂海宽,包书景,高波,等/地学前缘 (EarthScience Frontiers)2012,19(3)http://www.earthsciencefrontiers.net.cn 地学前缘,2012,19(3)图5 鄂西渝东地区建深1井、鱼1井和河2井龙马溪组页岩气显示[21]Fig.5 The shale gas shows of Lower Silurian in Jianshen 1Wel,Yu 1Wel,He 2Wel in western hubei and eastern chongqing[21]图6 黔中隆起方深1井过井地震剖面[21]Fig.6 The seismic profiles of Fangshen 1Wel in Qianzhong Uplift[21]聂海宽,包书景,高波,等/地学前缘 (EarthScience Frontiers)2012,19(3)287 http://www.earthsciencefrontiers.net.cn 地学前缘,2012,19(3)比较发育,且存在大气水下渗的影响,导致其附近区域的页岩气保存条件较差。如在福特沃斯盆地Bar-nett页岩气藏中裂缝非常发育的区域,天然气的生产速度最低,高产井基本上都分布在裂缝不发育的地方[22]。黔中隆起的方深1井,位于黔中隆起北缘区域性断裂附近,该井虽有页岩气显示,对牛蹄塘组黑色页岩的压裂测试也有天然气产出,但由于位于断裂附近,导致含气量低,压裂后产气量有限(图6)。达到页岩气藏规模级别的断裂和裂缝,对页岩气的保存和破坏程度与其发育的位置、规模和性质等有关。笔者认为,综合考虑裂缝的性质和对页岩气聚集的控制作用,按裂缝发育规模将其分为巨型裂缝、大型裂缝、中型裂缝、小型裂缝和微型裂缝5类[23]。(1)总体认为巨型裂缝和大型裂缝较发育的地区页岩气的保存条件较差,在页岩气勘探中应重点分析,研究裂缝的活动时期,是否封闭等。这类裂缝一般是页岩(烃源岩)排烃的通道,发育该类裂缝的区域,有利于页岩的排烃,页岩中残留烃较少,不利于页岩气聚集。在此类裂缝欠发育或不发育的区域,页岩的排烃受阻,排烃较少,页岩中残留烃较多,有利于页岩气聚集,是页岩气发育的有利位置。在选区上应远离巨型和大型断裂(裂缝),尤其是远离通天断裂。(2)中型裂缝、小型裂缝和微型裂缝发育的地区页岩气具有较好的保存条件,这类裂缝一是不与外界沟通,不会导致页岩的排烃,二是提高了页岩自身的储集空间和渗流能力,有利于页岩气的聚集和保存。从构造抬升的角度考虑,页岩气达到最大生气量以后的大规模抬升剥蚀可能对页岩气的保存产生不利影响,之所以强调大规模是因为适度抬升造成的压降,有助于页岩气藏中已有的小级别裂缝重新开启,而大规模的抬升不仅小级别的裂缝重新开启,还可能导致更大级别的裂缝开启,对页岩气藏产生破坏作用。可以根据页岩中裂缝充填物定量研究裂缝的形成时间。李双建等[24]研究认为,页岩在抬升过程中在达到一定深度时会集中产生裂缝,主要与受到的侧向挤压力有关。楼章华等[25]通过对比方解石脉和灰岩背景值δ13 C、δ18 O同位素值认为,在扬子北缘的川东、渝东—湘鄂西区块下古生界δ13CPDB负值区呈局部分布,主要分布在宜昌、恩施、万源、张家界、彭水和华蓥山等地区。大气水沿断裂带下渗,影响方解石的形成,进一步说明地层在抬升过程中产生大量裂缝导致大气水下渗。在钻井过程中,也能见到这种裂缝。现今裂缝的发育程度还影响了钻井过程中的气测异常的程度。林1井下志留统龙马溪组的裂缝较发育,游离气易散失,可能是导致气测异常的主要原因。在龙马溪组751.0m段深灰色含粉砂质泥岩出现泥浆漏失,说明裂缝发育有一定的规模,钻井取心显示在756.36~764.89m的深灰、黑灰色泥岩中,约见30条立缝,缝密度158条/m,为次生方解石全充填。在钻井过程中该井段有强烈的页岩气显示(图7),在取心未见裂缝的区域,气测异常显示较差。图7 川东南地区林1井五峰组—龙马溪组页岩气显示[21]Fig.7 The shale gas shows of Upper Ordovician-LowerSilurian in Lin 1Wel in Southeast Sichuan Basin[21]因此,笔者认为,如果抬升幅度导致埋深小于页岩大规模破裂产生裂缝的深度时,由于大量裂缝的产生,对于热成因的页岩气藏来说的保存条件将变差,但由于大气淡水的下渗,可能有助于生物成因或生物再作用成因的页岩气聚集,这需要视具体的地质情况而定。3 地层水条件地层水文地质条件是油气保存条件的综合反映,主要受抬升幅度、盖层条件、目的层埋深、断裂活动和大气水下渗深度等影响,主要包括地层水矿化288     聂海宽,包书景,高波,等/地学前缘 (EarthScience Frontiers)2012,19(3)http://www.earthsciencefrontiers.net.cn 地学前缘,2012,19(3)度、各种评价指标(变质系数等)、氢氧同位素和区域水动力条件等。3.1 地层水矿化度和水型根据刘方槐等[26]、马永生等[19]和楼章华等[27]对地层水活动带的划分,在纵向上可以分为自由交替带、交替阻滞带和交替停止带3个不同的区带。不同的地层水区带,地层水的矿化度不同,钠氯系数、脱硫系数等参数也不同,对页岩气的保存影响也不同。对靠近四川盆地西南边缘的周公1、老龙1、窝深1井和宫深1井所产地层水分析可知,震旦系气藏保存条件遭到破坏、产淡水[28],至少说明对于常规油气来讲下寒武统页岩作为盖层是不封闭的,进一步说明该套页岩的断裂较发育,大气水下渗的影响较大,页岩气的保存条件较差。湘鄂西区下古生界地层水矿化度普遍较低,最高的为鱼1井灯影组地层水(14g/L),其他钻井揭露地层水矿化度仅为几克/L[29],这些构造单元地层水矿化度较低,水型较差,属于自由交替带,页岩气的保存条件较差。仅个别井地层水矿化度较高,如庄1井(52.1g/L)、羊2井(20.534g/L)等[29-30],揭示出局部具较好的页岩气保存水文地质条件。在四川盆地内的下古生界变质系数(r(Na+)/r(C1-))普遍小于1,脱硫系数(r(SO2-4)×100/r(C1-))也较低,在盆地外的湘鄂西地区变质系数普遍大于2,脱硫系数也较大[27]。黔中隆起北缘的方深1井下寒武统牛蹄塘组地层水的矿化度较低(表1),变质系数为1.03,脱硫系数为3.15;黔东南凹陷黄页1井的矿化度为12.56g/L,变质系数为1.09,脱硫系数为1.47。这些均表明,四川盆地内具有较好的页岩气保存条件,盆地外诸如湘鄂西等地区则较差,但是在鄂西渝东地区的复向斜中心区域和靠近四川盆地的向斜地区具有较高的地层水矿化度,可能是页岩气保存条件较好的地区。总体研究认为,在现今四川盆地内两套目的层系具有较好的保存条件,而在盆地外,由于受到不同断裂和剥蚀作用的影响,地层水的矿化度相对较小,页岩气的保存条件较差。表1四川盆地及其周缘主要层位地层水水型和矿化度Table 1 The type and salinity of formation water of the main stratum inSichuan Basin and its periphery地区或构造单元 井名 地层 水型 矿化度/(g·L-1)四川盆地威远地区 震旦系 CaCl2 71~81资阳地区 震旦系 CaCl2 63~71渝东建13井 侏罗系 17.4建3井 三叠系嘉陵江组 112.67池7井 寒武系 CaCl2 346.69黔中隆起 方深1井灯影组中部 0.2277灯影组下部 0.2318牛蹄塘组 NaHCO3 9.45牛蹄塘组 NaHCO3 0.59牛蹄塘组 NaHCO3 5.29湘鄂西渝东鱼1井 灯影组 14鄂参16.7河页1井 龙马溪组 NaHCO3 3.9~7.3河2井 下志留统 NaHCO3 1.80四川盆地西南边缘周公1井 灯四段 NaHCO3 0.743老龙1灯 灯三段 Na2SO4 1.33窝深1井 灯一+二段 NaHCO3或Na2SO4宫深1井 灯二段+灯三段 NaHCO3或Na2SO4黔东南凹陷庄1井 52.1羊2井 20.534黄页1井 寒武系九门冲组 NaHCO3 12.559 33注:部分数据来自文献[28-29,31]。聂海宽,包书景,高波,等/地学前缘 (EarthScience Frontiers)2012,19(3)289 http://www.earthsciencefrontiers.net.cn 地学前缘,2012,19(3)3.2 地层水中氢氧同位素根据地层水中氢氧同位素组成特征进行地层水保存条件的定量评价,如尹观等[32]和刘光祥等[29]研究认为,卤层中卤水的同位素组成及氘过量参数值反映了卤水的不同来源。威远气田及其附近区域的下寒武统和下震旦统的地层水属于海相沉积型卤水,为封闭浓缩的结果,下寒武统页岩气藏的保存条件较好。通过勘探表明,在威201井古生界获得大于1×104 m3·d-1的页岩工业气[10]。城口和彭水郁山的寒武系地层水则属于大气淋滤型地层水,鄂西渝东地区河2井志留系地层水氢、氧同位素组成特征与盆地大气降水平均值相近,大气水已基本交替原始地层水,开启程度高,油气保存条件差,这与河2井地层水特征反映的油气保存条件差相吻合[29]。此外,河2井甲烷碳同位素异常轻,接近于生物成因气,其可能是大气水携带喜氧细菌对甲烷改造的结果[29],热成因页岩气的保存条件较差。方深1井、黄页1井的地层水氢氧同位素测定表明,这两口井的地层水与城口明通和彭水郁山盐井的地层水同位素相当,同为大气降水(图8),进一步说明热成因页岩气的保存条件较差,但不排除有生物成因的页岩气藏发育。从氢氧同位素代表的地层水条件及其反映的保存条件来看,方深1井区和黄页1井区的页岩气藏保存条件比威远地区差。通过勘探表明,方深1井和黄页1井的钻探效果较差,笔者分析可能与地层水氢氧同位素低、产大气水有关。图8 四川盆地及其周缘主要地区和钻井地层水氢氧同位素相关图(部分数据引自尹观等[32])Fig.8 The relationship between hydrogen and oxygen isotope ofthe main areas and drilings in Sichuan Basin and its periphery3.3 区域水动力条件上述地层水的矿化度、变质系数和氢氧同位素等指标主要和区域水动力条件有关,区域水动力条件是评价页岩气藏整体封存能力的一个重要指标。区域水动力可以划分为离心流、向心流等。对于研究区古老的地层来讲,经历了多期次的水动力演化,对页岩气藏的保存条件影响作用比较大的当属大气水的下渗深度。可以分为古大气水下渗深度和现今大气水下渗深度。古大气水下渗深度对页岩气的保存破坏较小,关键问题在于古大气水下渗之后是否经历再沉积、二次生烃、是否有新的盖层进行分割。马永生等[19]、楼章华等[25]研究了川东—鄂西地区燕山—喜马拉雅期抬升剥蚀和断裂作用过程中古大气水下渗深度的基本特点:川南古大气水下渗深度最小,小于800m;川东为1 000~1 500m;川东北和鄂西渝东为1 500~2 200m;湘鄂西地区古大气水的下渗深度明显增加,为2 200~4 600m。总体上由西向东古大气水下渗深度增加,石柱—利川—巫山一线以东呈现网格状分布,大气水下渗深度存在明显差异。这一期正是两套目的层达到生气高峰以后的抬升时期,古大气水下渗深度变化大说明地层抬升幅度不均一、断裂发育强度差别较大,导致页岩气保存条件存在差异性。在石柱—利川—巫山一线以西古大气水下渗较浅且幅度较小,页岩气保存条件较好且地区间的差异不大;而在此线以东地区下渗幅度比较大且变化较大,导致页岩气保存条件较差且地区间的差异性明显,尤其是在中央复背斜和宜都鹤峰复背斜的局部地区下渗深度超过3 000m的地区,页岩气保存条件遭到严重破坏。现今大气水的下渗深度对页岩气藏的破坏比较强烈,根据大气水的下渗深度可以划分为大气水下渗区、地下水径流区和区域地下水流动区[33]。在大气水下渗区页岩气的保存条件最差,大气水在纵向上的下渗深度和横向上的循环距离是决定页岩气保存条件破坏范围的两个评价指标,主要受区域地质条件、大断裂的活动期次和深度、地形和出露地层等因素的控制。大气水下渗可以使原生沉积水被淋滤、冲刷,从而使页岩气藏彻底破坏。另外,大气水的下渗也可能把氧气和微生物带入页岩层,在条件合适的时候可能有类似于美国密执安盆地Antrim页岩气藏和伊利诺斯盆地New Albany页岩气藏等生物成因的页岩气藏发育,这一类的代表地区有黔中隆起、湘鄂西各复背斜核部等。区域地下水流动区域相对有利于页岩气的保存,该区域的地层水与外界沟通较少,由区域性的隔挡层与大气水下渗区290     聂海宽,包书景,高波,等/地学前缘 (EarthScience Frontiers)2012,19(3)http://www.earthsciencefrontiers.net.cn 地学前缘,2012,19(3)隔开。地层水具有较高的矿化度和能维持一定的压力系统,如在侏罗系覆盖的建南地区建深1井钻探表明,下志留统具有较高的压力系统和气测异常显示,是页岩气保存条件较好的区域,代表性地区有四川盆地、渝东地区侏罗系覆盖的下志留统和下寒武统等地。地下径流区的页岩气保存条件较差,介于上述两种水动力单元之间。图9 贵州瓮安永和下寒武统剖面页岩排驱压力对比图Fig.9 The comparison of shale displacement pressure of the Lower Cambrian outcrop inYonghe,Wengan County,Guizhou Province左:5号样品距底7.5m;右:23号样品距底23m。4 盖层及其微观性质页岩气藏集生储盖于一体,本身就是盖层,并且由于页岩气吸附机理的存在,即使经历一定的构造
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