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南方海相页岩气“二元富集”规律——四川盆地及周缘龙

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7 曹 地质学报 8 0 1 4 南方海相页岩气“二元富集’’规律 ——四川盆地及周缘龙马溪组页岩气勘探实践认识 郭旭升 中国石化勘探南方分公司,成都,610041 内容提要:继现南方海相页岩气的战略突破之后,近期焦石坝 地区多口开发井获得高产天然气流,展现出四川盆地海相页岩气勘探的良好前景。通过对四川盆地及周缘多口井 的岩性、有机地球化学、岩石矿物含量、物性、储集类型、微观孔隙结构特征、裂缝发育程度、含气量和气井产量、压 力等钻探成果及分析测试资料进行深入解剖研究,探索并提出了复杂构造区海相页岩气“二元富集”规律,即:深水 陆棚优质泥页岩发育是页岩气“成烃控储”的基础;良好的保存条件是页岩气“成藏控产”的关键。本文对中国南方 海相页岩气的高效勘探开发具有重要的借鉴、指导意义。 关键词:富集规律;五峰组;龙马溪组;页岩气;主控因素;保存条件 中国南方广泛发育上奥陶统五峰组一下志留统 龙马溪组(下扬子地区称高家边组,本文以龙马溪组 统称)以及下寒武统牛蹄塘组两套优质烃源岩,地质 特征与北美五大页岩气层系相似(005; 006;007; M et 2007),是值得高度重视的页岩气勘探开发领域(程克 明等,2009;董大忠等,2010;王祥等,2010;邹才能等, 2010;刘洪林等,2012)。前人对这两套页岩层系开展 了基础地质工作(陈尚斌等,2011;Mu et 2011; et 2012)。近年来,海相页岩气勘探和研究 工作以四川盆地及其周缘志留系龙马溪组为重点,在 储层特征、成藏基本条件、勘探评价、高产主控因素等 方面取得了诸多进展(张金川等,2008;蒲泊伶等, 2010;聂海宽等,2011,2012;吴礼明等,2011;王飞宇 等,2011)。从勘探成果和效果上看,南方海相页岩气 勘探的商业性发现也经历了前期艰苦的探索过程(郭 旭升等,2012;王社教等,2012;郭彤楼,2013;郭彤楼 等,2014)。本文主要从四川盆地及周缘具有代表性 的海相龙马溪组勘探实际资料出发,解剖涪陵页岩气 田高产富集特征,分析代表不同区块和类型的、在南方区域地质背景 之下思考总结海相页岩气成藏特征和富集高产规律, 以期对南方海相页岩气勘探有所裨益。 1 区域构造沉积背景 四川盆地及周缘龙马溪组和牛蹄塘组优质烃源 岩主体分布于川东高陡褶皱带和川黔坳陷断褶带; 这两个构造带以齐岳山断裂为分界,西部即四川盆 地地表出露主要为侏罗系一三叠系,断裂发育,呈现 出由北东向、北北东向高陡背斜带与宽缓向斜和断 裂带组成的隔挡式褶皱,成排成带平行排列(张金川 等,2008;聂海宽等,2009;郭彤楼等,2013),东部地 表出露三叠系嘉陵江组一志留系直至寒武系,断裂 发育,由隔挡式褶皱过渡为隔槽式褶皱(图1)。 早寒武世,经过震旦纪稳定热沉降的演化阶段 后,扬子地块南、北两侧的拉张裂解作用再次活跃, 海水快速侵入,四川盆地东北部及东南部被动大陆 边缘地区,在四川盆地川东北地区宁强区块、南江区 块东部及镇巴区块南部、川南宜宾一长宁一泸州地 区和黔中隆起及周缘、湘鄂西、鄂西渝东等地区深水 陆棚相区及盆地相区沉积了下寒武统暗色泥页岩 (杨振恒等,2011;李延钧等,2013)。 晚奥陶世一早志留世,四川盆地及周缘地区夹 持在乐山一龙女寺、黔中、江南三大古隆起之问,向北 注:本文为国土资源部油气战略研究中心“全国页岩气资源潜力调查评价及有利区优选”项目(编号20096)资助的成果。 收稿日期:2014—02—2O;改回日期:2014—05—19;责任编辑:周健。 作者简介:郭旭升,男,1965年生。博士,教授级高级工程师,1981年毕业于山东师范大学地理系,现任中石化勘探南方分公司总经理,国 家级“新世纪百千万人才工程”人选,主要从事石油地质综合研究和勘探管理。通讯地址:610041,四 石化西南科研办公基地1212室;第7期 郭旭升:南方海相页岩气“二元富集”规律——四川盆地及周缘龙马溪组页岩气勘探实践认识 1211 从生烃赋存可采性分析研究发现,控制页岩气富集 性的主要因素为有机碳含量、面积、厚度、类型、成熟 度、保存条件(断裂发育程度、顶底板)、含气量及地 质认识等,首次将“保存条件”列人页岩气富集的评 价因素,扭转了早期学习北美页岩气勘探成果形成 的观念——页岩气对保存条件要求低。 进一步的实践和评价研究认识到,影响页岩气的 富集因素众多,包括富有机质泥页岩厚度、有机质类 型及含量、演化程度,孔隙与裂缝发育程度,保存条 件、压力、温度和埋深等。如何总结规律、抓住主线, 同时理论联系实际、结合地质背景,形成南方海相页 岩气富集规律认识,对于指导勘探实践意义重大。 页岩气藏的形成富集同样遵从油气形成的基本 规律(张金川等,2008)。常规大油气田形成的基本条 件是充足的油气来源、有利的生储盖组合、有效的圈 闭、必要的保存条件(戴金星等,1996)。简单地说就 是解释油气藏形成的“成烃”“成储”“成藏”的条件及 关键控制因素;另一方面,具有商业开采价值的页岩 气藏才有意义,所以页岩气藏的富集规律还需要讨论 高产的控制因素。页岩气属于自生自储成藏,从油气 形成的基本条件分析,页岩本身的品质和保存条件是 分析富集规律的基本端元要素。中国南方海相页岩 与北美大陆一样具有相似的页岩气成藏基本地质条 件,但又具有自身的特点,如埋藏深,热演化程度高, 海相地层后期改造强烈等(董大忠等,2012;郭旭升 等,2012)。深水陆棚相优质泥页岩和保存条件两类 主控因素,决定着页岩气能否形成规模气藏。由于四 川盆地周缘页岩地层抬升出露,盆地内部页岩遭受断 层切割,构造环境复杂,保存条件成为制约页岩气成 藏的关键因素之一(郭旭升等,2012)。 深水陆棚相优质泥页岩具有高的生烃能力、适 中的热演化程度和良好的页岩储层品质,是页岩气 “成烃控储”的基础条件;保存条件决定页岩气藏破 坏程度、是否具备商业价值以及产量高低,是“成藏 控产”的关键要素。 3 “成烃控储’’的基础条件 3.1 富有机质页岩的分布 晚奥陶世一早志留世,四川盆地东南缘一带属 于深水一浅水陆棚沉积环境,受沉积相控制,区域上 沉积了一套较大厚度的暗色富有机质泥页岩(张春 明等,2012),深水陆棚亚相岩性主要为含放射虫炭 质笔石页岩,浅水陆棚亚相岩性主要有含炭含粉砂 泥岩、含炭含笔石页岩、含炭粉砂质泥岩。五峰组一 龙马溪组岩性剖面下部为深水陆棚沉积,笔石含量 较多,以栅笔石为主,黄铁矿局部以薄层、条带状富 集;上部为浅水陆棚沉积,笔石含量较少,以单笔石 为主,黄铁矿常以团块、结核状富集。总体上,龙马 溪组中上部为灰色、灰黑色泥页岩夹少量粉砂岩薄 层或条带,在龙马溪组底部40 的灰黑色一黑色含笔石炭质页岩。在深水陆棚沉 积区,富有机质泥页岩厚度一般介于4O~120 m,例 如,在石柱漆辽一焦石坝丁山 长宁双河雷波 芭蕉滩一带厚度达8O~120 m。优质泥页岩(于2.0 )厚度一般为20~50 m,四川盆地周缘分 布镇巴南、石柱漆辽、涪陵焦石坝、习水丁山、长宁双 河一雷波芭蕉滩四个优质泥页岩发育区,厚度可达 4O~60 m(图2)。 3.2有机地球化学特征 根据岩芯分析测试结果,研究区龙马溪组页岩 具有残余有机碳含量高、类型好、热演化程度高等特 点。73个,岩性主要为灰黑色炭质页岩、灰黑色泥页 岩、灰黑色粉砂质泥岩。有机碳最小值0.55 ,最 大值5.89 ,平均值2.54 ;下部优质页岩层段残 余有机碳含量介于1.06 ~6.28 之间,平均 3.50 。干酪根镜检样品2个,测试结果表明泥页 岩有机质类型为工型,为成烃的有利类型。镜质组 反射率样品9个,R。最小值2.2O ,最大值3. 13 ,平均值2.65 ,热演化程度处于过成熟阶段, 天然气以干气为主。 演化程度适中的富有机质泥页岩决定着成烃潜 力。有机质丰度越高,其生烃潜力就越大。现场岩 芯含气量测试表明,气量1.52~8.85 t,平均4.30 m。/t,具有高 含气丰度,且总含气量与残余有机碳含量呈明显的 正相关关系(图3)。 3.3储集条件 3.3.1储层物性 优质页岩具有良好的储集物性。一龙马溪组物性分析样品181个,孔隙度最小 1.17 ,最大7.98 ,平均4.61 ;渗透率最小 0.0015×10 m ,最大335.2092×10_。 m ,平均 21.94×10肚m 。其中,龙马溪组优质页岩层段孔 隙度介于2.78 ~7.间,平均4.8O 9/6,渗透 率为0.0016×10 ~71.2699×10 m ,平均为 0.16×10“m。。 第7期 郭旭升:南方海相页岩气“二元富集”规律——四川盆地及周缘龙马溪组页岩气勘探实践认识 页岩气藏遭到破坏,地层压力为常压或异常低压,页 岩气难以保存形成工业价值,甚至散失殆尽。因此, 高有机质丰度的泥页岩并不一定能形成高含气量的 页岩气藏,只有两者兼备时才可能形成高富集程度 的页岩气藏,保存条件是页岩气藏富集高产的关键 因素。 4.1 保存条件决定页岩气藏的压力和产量 上扬子地块经历了加里东等多期构造运动的叠 加改造,导致地层强烈褶皱形变、抬升、剥蚀,油气保 存条件复杂。在四川盆地东南缘,由于受齐岳山大 断裂的影响,保存条件变得尤为复杂。川东南构造 样式主要由盆内的隔挡式一盆缘的“槽一挡”过渡 带一盆外的隔槽式等变形带所组成(颜丹平等, 2000),其中,隔挡式变形带构造变形强度较弱,“槽一 挡”过渡带构造变形中等,隔槽式变形带构造变形较 强,从而导致不同构造带、不同构造部位保存条件存 在明显差异。 于盆缘“槽一 挡”过渡带上,在下志留统龙马溪组页岩段钻获高产 工业气流,压力系数1.55,为异常高压地层。处于“槽一挡”转换带的桑柘坪向斜内,龙马溪组 测试获得日产2.5×10 业天然气流,地层压力 系数为0.9~I.0,属于常压偏低,说明向斜区龙马 溪组页岩气具有一定的保存条件,但由于地层以单 斜的形式直接出露地表,侧向保存条件受到一定的 破坏,仅获低产气流(图10)。因此,正向构造、超压 对页岩气的富集具有重要作用,但并非正向构造就 能形成高产富集,而要结合构造一沉积演化分析,是 否具有形成高压的过程。例如,而同在盆内的威远 构造同为背斜构造,且一直位于隆起区,但是龙马溪组钻探结果表明日产天然气0.26×10 m。,压力系数0.92,为常压、低产页岩气层。此外, 而气含量高达65 ,也说明高演化程度地区,页岩 气藏的形成对保存条件的要求高于以吸附气为主的 页岩层系。 昭通一长宁地区龙马溪组页岩气层也表现出同 样的特征。从盆外的103井到盆内的 2力系统从异常低 压、正常压力至异常高压呈逐渐过渡趋势,同时,天 然气产量由无显示、微含气、低产至中一高产依次升 高(图显示从盆外到盆内保存条件逐渐变好, 也说明在盆缘附近不同构造部位保存条件存在差异 性,导致页岩气藏压力系统的不同,最终影响页岩气 层的富集程度和气井的产量。压力与页岩气藏的资 源规模、气井产能呈正比例关系,压力越高,气藏资 源规模越大,气井越容易形成高产。表1中对比了 川渝地区几口页岩气实钻井的情况,充分说明了地 层压力与气产量及保存条件的依存关系。 综上,与常规油气藏一样,在复杂构造区、高演 化程度海相页岩气勘探,保存条件是页岩气富集成 藏的关键因素,决定页岩气藏的压力和富集程度。 表1 四川盆地及其周缘实钻井页岩气保存条件评价 on by 造 井号 气产量 保存条件 压力系数 气体组分 位置 (×1O m0/d) 评价 O.3 1.55 1.0 盆内 5 2.03 3 2.2 .5 0.9~1.0 盆缘 含气 0.8 含气 02 差 4.2压力影响页岩气藏富集程度 前已述及,富有机质页岩中发育大量纳米级孔 隙,这些微米级、纳米级孔隙是页岩气赖以赋存的主 要场所,一部分烃类气体以游离态存在于孔隙中,一 部分则吸附于黏土矿物或有机质的表面,少量则溶 解于有机质和自由水、束缚水中。不可置疑的是,泥 页岩孔隙度越大,其容纳天然气的空间就越大。地 层压力吸附气量均呈明显的正相关关系,通过四个样品不同随着压力增加,吸附气量增加(图12)。因此,孔隙 度和地层压力共同决定页岩气富集程度和总资源量 的大小。 5 问题讨论 在常规油气勘探实践中,一般将裂缝认为是影 响油气高产的主要有利因素之一(et 2007)。对于页岩气藏来说,裂缝发育与天然气富集 高产的关系还不能一概而论。 加里东期、印支期、燕山期和喜马拉雅期是四川 盆地及周缘四个最重要的构造控制时期,加里东期 强烈的构造运动(徐备,1990;舒良树,2012)引发区 域内盖层强烈褶皱与推覆,发生韧性剪切变形,在龙 马溪组地层形成高角度剪切裂缝和张剪性裂缝。 岩芯观察和218 地质学报 /cn/ch/014年 及评价.中国工程科学,14(6):94~100. 王道富,王玉满,董大忠,等.2013.川南下寒武统筇竹寺组页岩储集 空间定量表征.天然气工业,33(7):1~1O. 吴礼明,丁文龙,张金川,等.2011.渝东南地区下志留统龙马溪组富 有机质页岩储层裂缝分布预测.石油天然气学报,33(9):43~ 46. 徐备.1990.论赣东北一皖南晚元古代沟弧盆体系.地质学报,(01): 33~42. 杨振恒,腾格尔,李志明.2011.页岩气勘探选区模型——以中上扬 子下寒武统海相地层页岩气勘探评价为例.天然气地球科学,22 (3):8~14. 颜丹平,汪新文,刘友元.2000.川鄂湘边区褶皱构造样式及其成因 机制分析.现代地质,14(1):37~43, 杨峰,宁正福,胡昌蓬,等.2013.页岩储层微观孔隙结构特征.石油 学报,34(2):301~311. 张金川,聂海宽,徐波,等.2008.四川1盆地页岩气成藏地质条件.天 然气工业,28(2):151~156. 张春明,张维生,郭英海.2012.东南~黔北地区龙马溪组沉积环 境及对烃源岩的影响.地学前缘,19(1):136~145. 邹才能,董大忠,王社教,等.2国页岩气形成机理、地质特征及 资源潜力.石油勘探与开发,37(6):641~653. 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