唐相路，姜振學，張鶯鶯，高甜，黃何鑫，馮潔，姚立邈

(1.中國石油大學(北京) 油氣資源與探測國家重點實驗室，北京 102249； 2.中國石油大學(北京) 非常規(guī)天然氣研究院，北京 102249； 3.重慶地質礦產(chǎn)研究院 頁巖氣所，重慶 400042)

渝東南地區(qū)頁巖氣富集區(qū)差異性分布成因

唐相路1，2，姜振學1，2，張鶯鶯3，高甜1，2，黃何鑫1，2，馮潔1，2，姚立邈1，2

(1.中國石油大學(北京) 油氣資源與探測國家重點實驗室，北京 102249； 2.中國石油大學(北京) 非常規(guī)天然氣研究院，北京 102249； 3.重慶地質礦產(chǎn)研究院 頁巖氣所，重慶 400042)

為了揭示我國南方海相頁巖分布廣泛，但含氣性差異巨大的原因，選取渝東南地區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖含氣量不同的2個典型井區(qū)A井區(qū)和B井區(qū)進行對比分析，結果表明：含氣量高的A井區(qū)頁巖具有有機碳含量高、成熟度高的特點，而含氣量低的B井區(qū)頁巖具有有機碳含量低、成熟度相對低的特點；A井區(qū)頁巖具有伊/蒙混層含量低、比表面積大、有機質孔十分發(fā)育的特點，而B井區(qū)頁巖具有伊/蒙混層含量高、比表面積小、有機質孔發(fā)育較少、礦物溶蝕孔十分發(fā)育的特點；A井區(qū)頁巖裂縫基本不發(fā)育，而B井區(qū)頁巖裂縫十分發(fā)育。因此，A井區(qū)生烴條件、儲集條件和保存條件均優(yōu)于B井區(qū)，是頁巖氣富集于A井區(qū)而未富集于B井區(qū)的原因。預測頁巖氣地質甜點需綜合考慮生烴條件、儲集條件和保存條件，三者相匹配是頁巖氣成藏的關鍵。

生烴條件；儲集條件；保存條件；頁巖氣；渝東南地區(qū)

在四川盆地及其周緣地區(qū)，重慶涪陵、四川長寧—威遠、滇黔北昭通等國家級頁巖氣示范區(qū)的建立，對頁巖氣的勘探開發(fā)起著重要的推動作用[1-3]。南方海相頁巖具有普遍含氣，但富集程度在橫向和垂向上非均質性極強的特點，導致預測頁巖氣藏分布極其困難[4-5]。國內外大量的研究表明頁巖中游離氣量主要取決于孔隙度和含氣飽和度，吸附氣量主要取決于有機碳含量、有機質成熟度、比表面積與地層壓力等[6-9]。然而，頁巖含氣性的研究多數(shù)是基于模擬實驗及區(qū)域性評價，缺少實際井區(qū)含氣性的對比分析[10-11]。隨著勘探開發(fā)的不斷推進，使得頁巖氣富集區(qū)差異性分布對比成為可能。對同一地區(qū)不同含氣量的井區(qū)進行綜合對比分析是認識頁巖氣富集差異特征及成因的行之有效的思維方法，對指導頁巖氣勘探具有十分重要的現(xiàn)實意義。

1 樣品及實驗方法

1.1 地質背景及樣品

渝東南地區(qū)位于四川盆地周緣的東南部，地質構造屬于揚子準地臺上揚子臺內坳陷構造單元，主要發(fā)育金佛山凸起褶皺帶、七曜山凸起褶皺帶、黔江凹陷褶皺帶和秀山凸起褶皺帶四級構造單元[12-13](圖1)。該地區(qū)奧陶—志留系五峰組及龍馬溪組主要沉積了一套厚度40～200 m的頁巖，主要為深水陸棚和淺水陸棚沉積[14]。該套頁巖具有普遍含氣的特點，然而頁巖氣富集程度卻存在很大差異[15-16]。A井區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖位于武隆青杠向斜北西翼，頂部埋深約650 m，地層厚度約110 m。B井區(qū)龍馬溪組頁巖位于車田向斜西翼，頂部埋深約700 m，地層厚度約80 m。A井區(qū)和B井區(qū)宏觀地質特征極其相似，均位于向斜翼部，沉積環(huán)境相同，地層下部為深水陸棚沉積，上部為淺水陸棚沉積，沉積厚度和埋藏深度也都十分接近，但含氣量相差很大，A井現(xiàn)場解析氣量平均為1.2 m3/t，B井現(xiàn)場解析氣量平均為0.1 m3/t。因此，A井區(qū)和B井區(qū)可作為研究頁巖氣富集區(qū)差異性分布的典型地區(qū)進行對比分析。

針對A井和B井五峰組—龍馬溪組頁巖進行了全井段取心，為進行詳細的巖心觀察提供基礎。為了全面認識和分析頁巖氣富集程度差異特征及原因，對A井和B井五峰組—龍馬溪組頁巖全井段進行了現(xiàn)場解析和巖心實驗分析(表1)。樣品全部為新鮮巖心，因此實驗數(shù)據(jù)更能反映地下真實地質情況。

1.2 實驗方法

為了確定頁巖含氣性特征，進行了現(xiàn)場解析實驗，儀器型號為KD-Ⅲ頁巖氣現(xiàn)場解析儀，由中國石油大學(北京)研制。頁巖氣可分為解析氣、損失氣和殘余氣[17]。頁巖殘余氣量低，基本不具備工業(yè)開采價值。損失氣量恢復精度不高，可信度較低。現(xiàn)場解析氣量可以進行精確測量，并可收集進行地球化學分析，是最為可靠的評價頁巖含氣性的指標[11]。A井和B井采用密閉取心，損失氣量可以忽略。因此，本文采用解析氣量進行分析可以更加準確真實地評價頁巖氣富集差異。

為了分析頁巖有機地球化學特征，進行了總有機碳(TOC)測定、鏡質體反射率(Ro)測定等實驗。為了分析頁巖儲集特征，進行了全巖礦物X-衍射分析、黏土礦物X-衍射分析、巖石薄片鑒定、掃描電鏡(SEM)分析、比表面-孔徑分布聯(lián)合測試、脈沖式巖石孔隙度和滲透率測試等實驗(表1)。以上實驗均在國土資源部重慶礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測中心完成。

表1 A井區(qū)與B井區(qū)頁巖實驗分析樣次

2 實驗結果及討論

2.1 現(xiàn)場解析含氣量特征分析

對A井和B井分別進行了現(xiàn)場解析實驗，統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)A井與B井現(xiàn)場解析含氣量差異非常明顯(圖2)。A井解析氣量0.4～3.0 m3/t，平均1.2 m3/t，含氣性較好。B井解析氣量0～0.3 m3/t，平均0.1 m3/t，含氣性較差。

2.2 有機地球化學特征分析

對于高演化程度的頁巖，有機質豐度指標一般采用TOC質量分數(shù)表示，生烴潛量和氯仿瀝青“A”已經(jīng)基本失去了其地球化學意義[18]。研究表明優(yōu)質烴源巖的TOC質量分數(shù)應大于2%，而將烴源巖TOC質量分數(shù)的下限定為0.5%[19]。對于有工業(yè)意義的頁巖氣藏，有機碳質量分數(shù)一般要大于1%[20]。

A井區(qū)和B井區(qū)樣品的TOC分析表明，A井區(qū)有機碳含量整體較高，質量分數(shù)主要集中于1.0%～2.5%，平均為2.2%，可作為優(yōu)質烴源巖。B井區(qū)有機碳含量偏低，質量分數(shù)主要集中于0～1.5%，平均為1.1%(圖2)。因此，A井區(qū)和B井區(qū)均具有大量生成油氣形成頁巖氣藏的可能。此外，A井區(qū)TOC質量分數(shù)明顯高于B井區(qū)，具有更加優(yōu)越的物質基礎形成頁巖氣藏。

A井區(qū)和B井區(qū)干酪根類型均以I型為主。A井頁巖的等效鏡質體反射率(等效鏡質體反射率計算公式為Ro=0.618Rb+0.4，Rb為瀝青反射率[21])平均為2.8%，B井的Ro平均為1.9%(圖2)。北美頁巖氣商業(yè)開發(fā)地區(qū)頁巖Ro平均為1.92%[22]， 因此B井處于頁巖氣成藏的有利階段。由此可見，從成熟度角度來看，B井要比A井更加有利于頁巖氣的大量生成，含氣性應該更好。

圖2 A井區(qū)與B井區(qū)綜合評價柱狀圖

頁巖的解析氣量與TOC含量具有很好的正相關關系(圖3)。因此，對于A井區(qū)和B井區(qū)來說，TOC質量分數(shù)越高，含氣量越高。B井區(qū)存在TOC質量分數(shù)大于2.0%但含氣量很低的幾個點，說明B井區(qū)頁巖含氣量受其他因素的影響較大。

綜合有機碳含量、有機質類型、成熟度等有機地球化學特征，可以得出A井區(qū)和B井區(qū)具有相同的有機質類型，有機碳質量分數(shù)高的A井區(qū)含氣量高，且沒有因為成熟度過高而導致含氣量減少。因此，有機碳質量分數(shù)對頁巖含氣量的影響最大，成熟度的作用在此并不明顯。

圖3 A井區(qū)與B井區(qū)頁巖解析氣量與有機碳質量分數(shù)相關性

2.3 儲層特征分析

2.3.1 礦物組成 A井區(qū)和B井區(qū)礦物組成均以石英、長石為主，平均質量分數(shù)分別約占51.1%和54.6%。黏土礦物次之，平均質量分數(shù)分別約為31.8%和28.8%。碳酸鹽礦物質量分數(shù)最低，均不超過25.0%(圖4(a))。A井區(qū)和B井區(qū)黏土礦物以伊/蒙混層和伊利石為主，其次是綠泥石(圖4(b))。不同的黏土礦物對CH4的吸附能力明顯不同，對CH4吸附能力依次為蒙脫石、伊/蒙混層、高嶺石、綠泥石、伊利石[23]。B井區(qū)伊/蒙混層的質量分數(shù)明顯高于A井區(qū)，而伊利石質量分數(shù)比A井區(qū)低(圖4(b))。因此，B井區(qū)黏土礦物的吸附能力高于A井區(qū)，更加有利于CH4的吸附聚集。

圖4 A井區(qū)與B井區(qū)頁巖全巖礦物和黏土礦物組成特征

2.3.2 比表面積 頁巖比表面積越大，可吸附天然氣量越多[23]。頁巖解析氣量與比表面積具有很好的正相關性(圖5)。隨著比表面積的增大，解析氣量逐漸增加。A井區(qū)頁巖比表面積為7.2～23.3 m2/g，平均14.1 m2/g，遠大于B井區(qū)頁巖比表面積的平均值5.2 m2/g。因此，A井區(qū)的吸附能力要高于B井區(qū)，具有更大的吸附CH4的潛力。

圖5 A井區(qū)與B井區(qū)頁巖解析氣量與比表面積相關性

2.3.3 儲層物性 A井區(qū)和B井區(qū)頁巖均具有低孔低滲的特征，平均孔隙度均為0.33%，滲透率低于0.1×10-3μm2。解析氣量與孔隙度和滲透率的相關性很差(圖6)， 說明這種低孔低滲的頁巖孔隙度和滲透率不再是影響解析氣量的主要因素。此外，A井區(qū)的平均孔直徑為5.2 nm，B井區(qū)的平均孔直徑為6.6 nm(圖2)。這種低孔低滲低孔直徑的特點決定了頁巖氣易保存、不易散失的特性。整體來看，A井區(qū)和B井區(qū)的微觀保存條件均較好。

圖6 A井區(qū)與B井區(qū)頁巖解析氣量與孔隙度及滲透率相關性

2.3.4 微觀孔隙結構 通過掃描電鏡觀察，發(fā)現(xiàn)A井區(qū)頁巖微觀孔隙比較發(fā)育，尤其是有機質孔非常發(fā)育(圖7(a)、圖7(b))。B井區(qū)的有機質孔明顯少于A井區(qū)，并且有機質孔的類型也不一樣(圖7(c)、圖7(d))。B井區(qū)礦物溶蝕孔明顯比A井區(qū)多(圖7(e)—圖7(h))。A井區(qū)以有機質孔為主，說明A井區(qū)更有利于烴類的生成與聚集。B井區(qū)以礦物溶蝕孔為主，說明可能曾經(jīng)有酸性流體侵入，烴類發(fā)生過運移、散失。因此，A井區(qū)的含氣性要比B井區(qū)的好。

圖7 A井區(qū)和B井區(qū)頁巖微觀結構及巖心特征

2.4 宏觀保存條件分析

裂縫是影響自生自儲含氣頁巖宏觀保存的主要因素[24]。裂縫對頁巖含氣性具有雙重作用，一方面裂縫的發(fā)育有利于頁巖孔隙的增加，進而增大游離氣量。另一方面，裂縫的過度發(fā)育可能會導致頁巖氣的散失，不利于頁巖氣的保存[25]。對A井區(qū)和B井區(qū)的巖心觀察表明，A井區(qū)巖心相對完整，裂縫發(fā)育較少(圖7(i)、圖7(j))。B井區(qū)巖心裂縫十分發(fā)育，尤其是龍馬溪組下段和五峰組，巖心發(fā)育大量裂縫，并被方解石或石英充填(k)、圖7(l))。B井區(qū)巖心常見揉皺、碎裂、摩擦光面等構造變動特征(圖7(k))，表明曾經(jīng)歷過大的構造運動破壞，而A井區(qū)巖心基本未受構造變動影響。由此可知，A井區(qū)巖心自身保存條件相對較好。

2.5 頁巖氣勘探啟示

我國南方海相頁巖具有時代老、分布廣、地層厚、構造復雜等特點[26]，頁巖氣勘探時要充分考慮頁巖的生烴條件、儲集條件和保存條件。頁巖的生烴條件決定了頁巖氣能否大量生成，儲集條件決定了頁巖氣能否大規(guī)模成藏，保存條件是頁巖氣大量生成后能否保留至今的決定性因素。頁巖氣藏具有自生自儲的特點，其成藏是一個生成與散失的動態(tài)過程[27]。如果沒有較好的頁巖氣保存條件，天然氣藏最終會由于散失而破壞掉。因此，只有生烴條件、儲集條件和保存條件相匹配，頁巖氣才有可能成藏，成為勘探的地質甜點。渝東南地區(qū)五峰組—龍馬溪組地層的生烴條件、儲集條件和保存條件差異性較大，頁巖儲層橫向非均質性分布很強(表2)?，F(xiàn)今五峰組—龍馬溪組地層主要保留在向斜構造的山區(qū)地帶，對每個向斜構造區(qū)進行生-儲-保匹配，尋找生烴、儲集和保存條件均較好的地區(qū)是下一步勘探的方向。

表2 A井區(qū)與B井區(qū)頁巖氣富集條件綜合評價

3 結 論

(1)A井區(qū)頁巖TOC含量高，成熟度高，干酪根以Ⅰ型為主，具有較好的生烴條件。頁巖礦物組成以石英和長石為主，比表面積大，有機質孔十分發(fā)育，具有較好的儲集條件。頁巖孔隙度和滲透率低，裂縫基本不發(fā)育，保存條件較好。因此，A井區(qū)頁巖氣富集程度好。

(2)B井區(qū)頁巖TOC質量分數(shù)低，成熟度相對低，干酪根以Ⅰ型為主，生烴條件相對較差。頁巖礦物組成中伊/蒙混層含量較高，但比表面積小，有機質孔發(fā)育較少，礦物溶蝕孔十分發(fā)育，儲集條件相對較差。頁巖裂縫十分發(fā)育，保存條件不好。因此，B井區(qū)頁巖氣富集程度差。

(3)生烴條件、儲集條件和保存條件共同控制了A井區(qū)和B井區(qū)頁巖氣富集程度的差異，生-儲-保匹配的區(qū)域是未來勘探的重點。

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責任編輯：王 輝

2014-10-25

國家科技重大專項課題(編號：2011ZX05018-002)；重慶市國土資源和房屋管理局科技計劃重大項目(編號：CQGT-KJ-2012)

唐相路(1988-)，男，博士，主要從事非常規(guī)油氣地質研究。E-mail:cupgtxl@126.com

1673-064X(2015)03-0024-07

TE122

A