盧志遠(yuǎn)，何治亮，余 川，葉 欣，李東暉，杜 偉，聶海寬

[1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)能源學(xué)院，北京 100083；2.頁巖油氣富集機(jī)理與有效開發(fā)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；3.中國石油化工集團(tuán)公司 頁巖油氣勘探開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；4.中國石油化工股份有限公司 科技部,北京 100728；5.重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院，重慶 400042；6.中國石化 石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083]

四川盆地及其周緣是中國頁巖氣勘探開發(fā)的主戰(zhàn)場[1-3]，隨著勘探開發(fā)進(jìn)一步深入，石油地質(zhì)學(xué)者逐漸對(duì)頁巖氣儲(chǔ)集層構(gòu)造改造、頁巖氣富集成藏及后期保存條件等有了科學(xué)認(rèn)識(shí)[4-8]。川東南丁山地區(qū)位于四川盆地東南緣，構(gòu)造復(fù)雜[9]。前人研究認(rèn)為川東南地區(qū)上奧陶統(tǒng)五峰組(O3w)-下志留統(tǒng)龍馬溪組(S1l)海相頁巖氣富集特征主要包括：①五峰組-龍馬溪組沉積早期為深水陸棚相沉積環(huán)境，優(yōu)質(zhì)頁巖(TOC≥2%)橫向分布穩(wěn)定，厚度為20～40 m[6,10-11]；②頁巖脆性礦物含量普遍較高，以硅質(zhì)礦物為主，含量自下而上總體呈降低趨勢；③儲(chǔ)層微觀類型主要包括有機(jī)質(zhì)孔、礦物質(zhì)孔和微裂縫3類，有機(jī)質(zhì)孔較發(fā)育，為頁巖氣賦存提供了有利儲(chǔ)集空間。但是，由于丁山地區(qū)后期經(jīng)歷了多期次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，頁巖氣保存條件復(fù)雜，氣藏壓力從常壓到超壓均有發(fā)育，丁山地區(qū)部署的DY1井，DY2井，DY3井，DY4井和DY5井等頁巖氣探井，試采獲得良好的頁巖氣流，但由于遞減迅速和EUR低等原因，尚未獲得商業(yè)開發(fā)。

為了更清晰地認(rèn)識(shí)川東南丁山地區(qū)五峰組-龍馬溪組頁巖氣成藏特征，指導(dǎo)下一步高效勘探開發(fā)，本文通過筆石頁巖生物-自然伽馬(GR)地層對(duì)比、掃描電鏡觀察和現(xiàn)場含氣量解吸等手段，研究了川東南丁山地區(qū)五峰組-龍馬溪組頁巖巖石類型、展布特征、儲(chǔ)集空間類型和含氣量，從“建造-改造”角度分析了丁山地區(qū)頁巖氣富集特征，以期為中國海相復(fù)雜構(gòu)造環(huán)境中更廣泛的頁巖氣勘探開發(fā)提供參考。

1 地質(zhì)背景

四川盆地經(jīng)歷了海相和陸相兩大沉積演化地質(zhì)時(shí)期，發(fā)育了海相、海-陸過渡相和陸相3類富有機(jī)質(zhì)頁巖，是中國天然氣產(chǎn)出最多的沉積盆地[12]，也是中國頁巖氣研究較為深入的地區(qū)之一。川東南丁山地區(qū)位于川南低陡構(gòu)造帶及川東高陡構(gòu)造帶的接合部位，勘探面積約10×102km2(圖1a)。構(gòu)造特征主要是由高陡背斜帶和斷裂帶組成的隔擋和隔槽式褶皺組成，成排成帶平行排列。研究區(qū)地層發(fā)育較為完整，從下到上發(fā)育元古界震旦系、下古生界、上古生界二疊系和中生界，地表出露三疊系，缺失泥盆系，石炭系和新生界[13]。研究區(qū)海相頁巖主要發(fā)育在上奧陶統(tǒng)五峰組(O3w)和下志留統(tǒng)龍馬溪組(S1l)，根據(jù)古生物、測井、巖性和巖石類型等特征，進(jìn)一步將五峰組-龍馬溪組自上而下劃分為上段和下段。研究表明：有機(jī)質(zhì)頁巖主要發(fā)育在下段，這一部分自上而下可以細(xì)分為1—4號(hào)小層[14-15]與西北部的焦石壩地區(qū)相比，丁山地區(qū)的頁巖氣成藏地質(zhì)條件基本相似，但是工程地質(zhì)更為復(fù)雜。

2 樣品和測試

本次研究中的頁巖樣品主要來自川東南丁山地區(qū)DY1井和DY2井五峰組-龍馬溪組，鉆井位置見圖1b。

圖1 川東南丁山地區(qū)區(qū)域位置(a)與構(gòu)造(b)

2.1 頁巖巖石類型分析

巖石類型劃分在頁巖沉積過程和沉積環(huán)境分析中具有重要意義[16]。本次研究中，主要通過露頭觀察、巖心描述和薄片分析等手段，對(duì)川東南丁山地區(qū)五峰組-龍馬溪組頁巖進(jìn)行分析。選取硬度適中的巖石標(biāo)本，切成厚度為0.03 mm，面積大于15 mm×15 mm的薄片，研磨拋光處理之后，將薄片置于偏光顯微鏡下進(jìn)行礦物成分和結(jié)構(gòu)特征的觀察。

2.2 頁巖生物地層劃分

前人從不同方面對(duì)頁巖地層進(jìn)行了對(duì)比劃分[15,17]。依據(jù)頁巖中的筆石特征，縱向上將五峰組-龍馬溪組分為13個(gè)筆石帶(有些地方不發(fā)育觀音橋?qū)?，從下至上分別為WF1，WF2，WF3，WF4，LM1，LM2，LM3，LM4，LM5，LM6，LM7，LM8和LM9[14-15]。頁巖筆石帶的精細(xì)劃分與對(duì)比使得人們對(duì)于四川盆地頁巖地層研究有了重新認(rèn)識(shí)，實(shí)踐證明筆石帶是頁巖氣勘探開發(fā)的地層“標(biāo)尺”[15,18]。由于取心井?dāng)?shù)量有限，聶海寬等[17]使用測井曲線(GR)對(duì)頁巖進(jìn)行劃分，根據(jù)GR測井曲線的各個(gè)局部峰初步確定各個(gè)筆石帶的位置，某個(gè)局部峰在向上(淺層)方向上鄰近的局部最小值或最大值所對(duì)應(yīng)的半幅值可確定為該局部峰值所對(duì)應(yīng)筆石帶的上邊界，也即上覆筆石帶的下邊界。

2.3 孔滲分析

2.3.1 氬離子拋光-掃描電鏡觀察

挑選合適的頁巖樣品，切割成約10 mm×10 mm×3 mm的樣品，選定拋光面(一般為垂直于頁巖層理，以獲取頁巖不同層理間的信息)，使用不同粒度的砂紙(從粗到細(xì))對(duì)其進(jìn)行打磨，打磨成適合氬離子拋光用的光滑薄片[19-20]。然后將樣品固定在拋光儀上，抽真空，檢測依據(jù)國標(biāo)/T 18295—2001和中國石油天然氣標(biāo)準(zhǔn) SY/T 5162—1997，使用15～25 kV電壓，70～90 μA電流，4.0～6.5束斑，利用高能氬離子束進(jìn)行拋光處理。

在中國石化無錫石油地質(zhì)研究院實(shí)驗(yàn)研究中心，使用Quanta200/IE350環(huán)境掃描電子顯微鏡(YQ)08012，分析了DY2井3個(gè)下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖樣品(DY2-1樣品6.2cm柱子，深度是4 350.85 m(S1l)；DY2-2樣品6.2 cm柱子，深度是4 352.85 m(S1l)；DY2-3樣品6.2 cm柱子，深度是4 356.00 m(S1l))，樣品經(jīng)過加鍍金膜。

2.3.2 儲(chǔ)層孔滲測量

使用QK-98氣體孔隙率儀對(duì)DY2-2和DY2-3樣品進(jìn)行孔隙度分析，檢測依據(jù)SY/T 5336—2006，溫度是25 ℃，濕度是65%。DY2-2樣品干重34.349 g，壓力讀數(shù)2 410.58 Pa，視密度2.55 g/cm3，測量孔隙度是4.35%，DY2-3樣品干重30.565 g，壓力讀數(shù)1 886.68 Pa，視密度2.56 g/cm3，測量孔隙度5.62%，孔隙結(jié)構(gòu)絕大部分以微-中孔為主，大孔相對(duì)不發(fā)育，孔喉半徑大多小于20 nm。使用GDS-90F型氣體滲透率測定儀在0.100 6 MPa大氣壓，溫度25 ℃，濕度65%，對(duì)DY2-2樣品進(jìn)行檢測，樣品長2.686 cm，直徑是2.534 cm，巖性是黑色炭質(zhì)頁巖，測試依據(jù)SY/T 5336—2006。對(duì)樣品進(jìn)行了3次測量，第一次壓差0.070 7 MPa，流量是0.1 mL，用時(shí)9.79 s，測量的滲透率是0.104×10-3μm2，第二次壓差0.071 3 MPa，流量是0.1 mL，用時(shí)9.78 s，測量的滲透率是0.103×10-3μm2，第三次壓差0.071 8 MPa，流量是0.1 mL，用時(shí)9.56 s，測量的滲透率是0.105×10-3μm2。滲透率的平均值是0.104×10-3μm2。

2.4 頁巖含氣量

頁巖含氣量計(jì)算是生產(chǎn)研究過程中重要環(huán)節(jié)，前人提出了不同條件下的頁巖氣含量計(jì)算方法[21-22]。解吸法是頁巖含氣量評(píng)價(jià)中應(yīng)用非常廣泛的一種直接測量方法[23-24]。現(xiàn)場解吸是指在鉆井現(xiàn)場采集剛鉆出的巖心，在一定的溫度下進(jìn)行解吸并測定氣體含量的過程[25]。本文利用中國石化無錫石油地質(zhì)研究院實(shí)驗(yàn)研究中心自主研發(fā)的快速現(xiàn)場解吸儀，對(duì)該地區(qū)典型頁巖氣井的解吸氣量、損失氣量和殘余氣量進(jìn)行測定計(jì)算。解吸過程中，一階解吸溫度采用泥漿循環(huán)溫度，二階溫度采用110℃。在測試中，提上井口的巖心迅速裝入密閉容器中，在模擬地層溫度條件下測量頁巖中的自然解吸氣量。殘余氣量是通過將解吸后的巖心粉碎求取的。根據(jù)實(shí)測解吸氣量和解吸時(shí)間的平方根回歸計(jì)算損失氣量。儀器每30s記錄一個(gè)解吸數(shù)據(jù)，在約12h的解析過程中會(huì)記錄下1 440個(gè)左右的數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)解吸過程的全表征[24]。

3 結(jié)果

3.1 頁巖巖石類型

根據(jù)頁巖顏色、巖性、顆粒大小、礦物組成和有機(jī)碳含量的不同，本研究將川東南主要頁巖(顆粒直徑<4 μm)巖石類型分為硅質(zhì)頁巖、含灰-灰質(zhì)頁巖、粘土質(zhì)頁巖和粉砂質(zhì)頁巖4種類型。不同巖性的頁巖儲(chǔ)集空間和含氣量等都存在差異，頁巖巖性的精細(xì)刻畫對(duì)于預(yù)測有利區(qū)帶具有重要意義。

3.1.1 硅質(zhì)頁巖

川東南地區(qū)五峰組-龍馬溪組頁巖厚度為20～70 m，主要發(fā)育黑色、灰黑色炭質(zhì)頁巖夾薄層粉砂巖，見大量的筆石化石及黃鐵礦顆粒。丁山地區(qū)龍馬溪組底部以含硅質(zhì)、炭質(zhì)筆石頁巖為主，向上灰質(zhì)、粉砂質(zhì)含量增加。硅質(zhì)頁巖主要分布在五峰組-龍馬溪組下部，發(fā)育水平層理。TOC含量介于3%～6%，硅質(zhì)含量通常大于35%，最高達(dá)70%，硅質(zhì)常呈微晶-隱晶質(zhì)、不定形及似球粒結(jié)構(gòu)，主要來源于生物成因與成巖作用，黃鐵礦呈斑點(diǎn)狀(圖2a)。硅質(zhì)頁巖內(nèi)生物化石發(fā)育，可見筆石、海綿骨針、放射蟲、藻類體和疑源類等化石及生物碎屑。Loucks等[26]對(duì)德克薩斯州沃斯堡盆地的巴奈特頁巖研究之后發(fā)現(xiàn)富硅質(zhì)泥頁巖主要含納米孔，而大多數(shù)納米孔都與有機(jī)質(zhì)顆粒有關(guān)[26]。聶海寬等[2]研究表明，硅質(zhì)格架內(nèi)的有機(jī)質(zhì)孔是頁巖氣的主要賦存空間。

3.1.2 含灰-灰質(zhì)頁巖

這一類頁巖中碳酸鹽含量明顯增加，介于10%～40%，硅質(zhì)含量介于25%～50%，粘土礦物含量介于25%～50%。硅質(zhì)以自生石英和生物石英為主，發(fā)育少量陸源石英(圖2b)。巖石中紋層發(fā)育，層間界線較為清晰且連續(xù)，表現(xiàn)為淺色方解石紋層與灰黑色泥頁巖互層，主要分布在五峰組底部和龍馬溪組下段的上部。這一巖石類型主要是在水體底層富有機(jī)質(zhì)埋藏的缺氧帶深水陸棚環(huán)境中形成的[28]。

3.1.3 粘土質(zhì)頁巖

粘土質(zhì)頁巖主要分布在龍馬溪組下段中上部及五峰組底部，粘土礦物含量大于40%～50%，發(fā)育水平層理和塊狀層理。粘土質(zhì)頁巖內(nèi)可見順層分布的硅質(zhì)海綿骨針等生物化石，內(nèi)部被微晶石英充填，局部方解石交代。粘土質(zhì)頁巖中粘土礦物主要為伊利石、伊蒙混層及少量綠泥石(圖2c)，成巖過程中隨著壓實(shí)作用加強(qiáng)，表現(xiàn)出平行排列的特征，有機(jī)質(zhì)常富集在粘土礦物間，受控于粘土礦物粒間孔形態(tài)，呈斷續(xù)狀分布，測井曲線上表現(xiàn)為自然伽馬(GR)相對(duì)高值。

3.1.4 粉砂質(zhì)頁巖

粉砂質(zhì)頁巖主要發(fā)育在龍馬溪組中上部，發(fā)育平行層理、透鏡狀層理及韻律性層理。炭質(zhì)粉砂質(zhì)頁巖主要是由生物碎屑、有機(jī)質(zhì)與粘土礦物呈復(fù)合體緩慢沉降至海底形成[29]。石英含量低于硅質(zhì)頁巖(圖2d)，介于30%～40%，主要由陸源粉砂構(gòu)成。薄片上可見亮色粉砂質(zhì)紋層與暗色含有機(jī)質(zhì)泥巖紋層相間。粉砂質(zhì)頁巖TOC含量相對(duì)較低，一般介于0.5%～2.0%。

圖2 川東南丁山地區(qū)主要巖石類型

3.2 頁巖空間發(fā)育特征

焦石壩地區(qū)JY1井WF2—LM4厚度為24.62 m，TOC值為3.77%。長寧地區(qū)N211井WF2—LM4厚度為39.00 m，TOC值為3.60%。丁山地區(qū)DY1井WF2—LM4厚度僅為7.53 m(圖3)，TOC平均為3.52%。3口井TOC含量值相近，且均屬于過成熟階段，但WF2—LM4筆石帶頁巖厚度相差較大。在減薄/缺失WF2—LM4部分筆石頁巖帶的地區(qū)，頁巖層段主要保留了LM5及其以上的筆石頁巖帶。該筆石帶頁巖的儲(chǔ)集空間主要為礦物質(zhì)孔，有機(jī)質(zhì)孔為輔，相應(yīng)的頁巖氣以游離態(tài)賦存為主、吸附態(tài)為輔[30]，使得頁巖氣更容易發(fā)生運(yùn)移逸散。在后期地層的多次抬升剝蝕過程中，LM5及其以上的筆石頁巖帶上覆壓力降低，頁巖氣散失嚴(yán)重，含氣量下降，且總含氣量低于WF2—LM4筆石帶頁巖[31]。

圖3 四川盆地邊緣N211井-DY1井-JY1井WF2—LM4厚度連井對(duì)比(剖面位置見圖1a)

3.3 頁巖儲(chǔ)集空間類型

不同學(xué)者在對(duì)頁巖孔隙的研究過程中，從不同的研究角度對(duì)頁巖孔隙進(jìn)行了分類。根據(jù)該區(qū)頁巖鏡下觀察結(jié)果，本文將頁巖孔隙劃分為有機(jī)質(zhì)孔、礦物質(zhì)孔(粒間孔、粒內(nèi)孔和溶蝕孔)及微裂縫。

3.3.1 有機(jī)質(zhì)孔

頁巖有機(jī)質(zhì)孔是頁巖儲(chǔ)集物性評(píng)價(jià)中主要的研究對(duì)象，有機(jī)質(zhì)孔的發(fā)育程度受有機(jī)質(zhì)成熟度和有機(jī)質(zhì)類型控制。丁山地區(qū)下古生界海相頁巖干酪根以Ⅰ型和Ⅱ1型為主，生烴母質(zhì)類型主要是低等浮游生物(藻類體、腐泥無定形體及少量動(dòng)物碎屑)，有機(jī)質(zhì)處于成熟-過成熟熱演化階段[24]，為儲(chǔ)層孔隙發(fā)育奠定了良好的物質(zhì)基礎(chǔ)和外部條件。

掃描電鏡揭示了研究區(qū)頁巖以納米有機(jī)質(zhì)孔為主。孔隙形態(tài)各異，平面上以橢圓形、圓形和窄縫狀為主，空間上表現(xiàn)為管柱狀、蜂窩狀和洞穴狀等(圖4a—c)。前人研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于不同成熟度的頁巖，只有當(dāng)鏡質(zhì)體反射率高于0.9%的頁巖樣品中有機(jī)質(zhì)才發(fā)育孔隙[32-33]。川東南丁山地區(qū)等效鏡質(zhì)體反射率2.01%～3.80%，平均為2.84%。屬于高過成熟階段，導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)孔大量發(fā)育，成為該區(qū)頁巖儲(chǔ)層主要的孔隙類型之一。與北美頁巖相比，中國南方頁巖成熟度普遍較高[24]，由于在埋藏過程中壓實(shí)作用降低了頁巖中主要的礦物質(zhì)孔(粒間孔、粒內(nèi)孔和溶蝕孔)，有機(jī)質(zhì)孔對(duì)頁巖氣儲(chǔ)集的貢獻(xiàn)較北美海相頁巖更高。

3.3.2 礦物質(zhì)孔

1)粒間孔

丁山地區(qū)粒間孔主要是礦物(伊利石、高嶺石、蒙脫石、方解石和石英等)晶粒之間的微孔隙(圖4c)。隨著埋深增加，頁巖上覆壓力不斷增大，有機(jī)質(zhì)和粘土充填在礦物顆粒間，使得孔隙空間減小。由于壓實(shí)和膠結(jié)作用，在較老和埋藏較深的泥頁巖中粒間孔的量顯著降低。石英、方解石和長石等周邊的膠結(jié)作用也會(huì)破壞粒間孔。單井自上而下隨著脆性礦物含量的增加與粘土礦物含量的降低，礦物粒間孔中脆性礦物孔比例逐漸增加，粘土礦物孔比例逐漸降低；但隨著TOC含量的增加，孔隙內(nèi)有機(jī)質(zhì)充填比例上升，殘留有效粒間孔占比逐漸降低。

2)粒內(nèi)孔

粒內(nèi)孔主要包括原生孔隙和在后期成巖過程中形成的孔隙(圖4d—e)。由于受埋深壓實(shí)作用的影響，隨著深度的增加，粒內(nèi)孔同樣呈減小的趨勢。粒內(nèi)孔主要發(fā)育在自形黃鐵礦和碳酸鹽巖等晶形較好、晶體粗大的礦物集合體中，形態(tài)大都不規(guī)則，多為成巖作用導(dǎo)致的晶格缺陷所致，與溶蝕孔有所區(qū)別。研究區(qū)黃鐵礦較為發(fā)育，較強(qiáng)還原環(huán)境中形成的草莓狀黃鐵礦晶粒之間存在的納米級(jí)孔隙可以作為油氣儲(chǔ)存的空間[34](圖4d)。粒內(nèi)孔孔徑一般為數(shù)十納米到幾百納米，個(gè)別可達(dá)微米級(jí)。此類孔隙發(fā)育較局限，充填程度高，且占頁巖微觀孔隙比例較低，對(duì)儲(chǔ)集空間貢獻(xiàn)較小。

3)溶蝕孔

研究區(qū)五峰組-龍馬溪組頁巖中溶蝕孔主要發(fā)育在碳酸鹽(方解石和白云石)顆粒中(圖4f)。溶蝕孔的形成主要是后期構(gòu)造抬升過程中，成巖流體進(jìn)入頁巖儲(chǔ)層，石英顆粒發(fā)生溶蝕作用形成粒內(nèi)溶蝕孔，或者是頁巖中的方解石在酸性流體的作用下形成的顆粒溶蝕孔。溶蝕孔的形狀主要有圓形、三角形、多邊形或不規(guī)則形狀(圖4f)。對(duì)于顆粒和晶體溶蝕形成的鑄?？祝瑒t完全繼承了原始礦物的形狀[35]。鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，丁山地區(qū)五峰組-龍馬溪組頁巖發(fā)育無瀝青充填的溶蝕孔，溶蝕孔對(duì)于頁巖氣富集和保存具有重要意義[2]。

3.3.3 微裂縫

對(duì)于頁巖氣藏，除了孔隙之外，裂縫也是頁巖氣富集研究中重點(diǎn)關(guān)注的儲(chǔ)集空間[36](圖4f—i)。川東南五峰組-龍馬溪組頁巖微裂縫寬度一般為數(shù)十納米，長度一般為數(shù)微米。裂縫的發(fā)育不僅增加了游離氣的儲(chǔ)集空間，同時(shí)也有利于吸附氣的解析。在成巖過程中，顆粒收縮，形成粒間縫，或者是顆粒與有機(jī)質(zhì)邊緣形成的微裂縫(圖4h)，在某種程度下，裂縫發(fā)育對(duì)孔隙產(chǎn)生有積極意義，裂縫與孔隙的相互疊置與連通有利于頁巖氣在儲(chǔ)層中運(yùn)移。通常，微裂縫較為發(fā)育的頁巖氣藏，其含氣量也較好。

圖4 川東南丁山地區(qū)志留系龍馬溪組孔縫類型

3.4 含氣量

含氣量是頁巖含氣性研究中的重要參數(shù)之一，對(duì)于頁巖氣資源評(píng)價(jià)、有利區(qū)優(yōu)選以及產(chǎn)量預(yù)測等具有重要意義。一般來說，頁巖含氣量主要通過等溫吸附法、測井解釋法及現(xiàn)場解吸法來獲得[37]。通過頁巖現(xiàn)場解析，求得川東南丁山地區(qū)DY1井解吸數(shù)據(jù)恢復(fù)的總含氣量為3.07 m3/t，DY2井解吸數(shù)據(jù)恢復(fù)的總含氣量為6.79 m3/t(表1)。

表1 川東南綦江丁山地區(qū)優(yōu)質(zhì)頁巖氣層段主要參數(shù)統(tǒng)計(jì)(據(jù)魏祥峰等，2017[27])

4 討論

4.1 富有機(jī)質(zhì)頁巖空間展布

深水陸棚優(yōu)質(zhì)泥頁巖是決定頁巖氣規(guī)模成藏的主要地質(zhì)因素之一[38]。聶海寬等(2016)和Jin等(2018)認(rèn)為五峰組-龍馬溪組底部WF2—LM4具有沉積速率低、有機(jī)質(zhì)類型好、有機(jī)碳含量高和生烴能力強(qiáng)等特點(diǎn)，具備良好的生烴物質(zhì)基礎(chǔ)[1,7]。與焦石壩和長寧相比，丁山地區(qū)五峰組WF2—WF4至龍馬溪組底部LM1—LM4筆石帶頁巖厚度較薄(圖5)，WF2—LM4總厚度小于10 m，且后期構(gòu)造抬升活躍，溶蝕孔發(fā)育，保存條件較差，頁巖“建造-改造”[5]條件均不十分理想。前人研究表明，晚奧陶世—志留紀(jì)早期，華南上揚(yáng)子區(qū)南部發(fā)育黔中古隆[39]，導(dǎo)致丁山地區(qū)發(fā)育水下高地，使得這一地區(qū)五峰組-龍馬溪組底部黑色頁巖厚度較薄[40]，WF2—LM4筆石頁巖帶明顯減薄或缺失。這種由于WF2—LM4筆石頁巖帶層段部分缺失而形成的頁巖氣藏，前人用“先天不足”來加以概括[41]。

圖5 川東南丁山地區(qū)優(yōu)質(zhì)頁巖等厚線(據(jù)聶海寬等，2017[40])

盡管不同井的壓裂改造會(huì)存在差異，對(duì)產(chǎn)量造成影響，但綜合來看富有機(jī)質(zhì)頁巖厚度薄是主要的原因。往區(qū)塊西部深層走，靠近川南深水陸棚，頁巖厚度大，品質(zhì)更好，單井產(chǎn)量也較高(表1)。

4.2 溶蝕孔對(duì)儲(chǔ)層的影響

本次研究發(fā)現(xiàn)丁山地區(qū)發(fā)育一定數(shù)量的溶蝕孔，當(dāng)較多溶蝕孔連在一起，可能形成溶蝕縫(圖6a)。無瀝青充填的溶蝕孔表明在頁巖氣保存過程中，構(gòu)造活動(dòng)頻繁，頁巖氣藏保存條件差。頁巖中的基質(zhì)孔不僅是沉積時(shí)期形成的原生孔，更主要的是巖石在埋藏成巖過程中不穩(wěn)定礦物溶解形成的次生粒內(nèi)孔和粒間孔[35,42]。溶蝕作用形成的粒間孔在一定程度上增加了氣藏的有效孔體積，改善儲(chǔ)集空間，但溶蝕孔并不一定對(duì)頁巖氣富集保存總是有利的。在頁巖氣大量生成之前形成的溶蝕孔會(huì)為頁巖氣儲(chǔ)集提供空間，對(duì)頁巖氣富集有利。在生氣窗之后地層抬升過程中形成的溶蝕孔，表明當(dāng)時(shí)地層發(fā)生了強(qiáng)烈的流體活動(dòng)，從而破壞頁巖氣藏流體系統(tǒng)，對(duì)頁巖氣藏造成破壞，使得大量頁巖氣散失[5]，最終導(dǎo)致頁巖氣藏含氣量降低。在某些情況下，粘土礦物含量(自生伊利石和鈉長石等)和其他填充物填充溶蝕孔，也會(huì)降低孔隙度。在盆外露頭區(qū)，現(xiàn)今溶蝕作用更強(qiáng)，溶蝕孔也更發(fā)育?？梢灶A(yù)測的是，在川東南丁山地區(qū)，從盆地邊緣(以DY1井為例)(圖6a)向盆地內(nèi)部(以DY2井為例)(圖6b)，溶蝕作用減弱，溶蝕孔發(fā)育較少(甚至不發(fā)育)，表明地下水活躍程度減弱，頁巖氣的保存條件逐漸變好。

圖6 川東南丁山地區(qū)(盆地邊緣和盆地內(nèi)部)龍馬溪組孔隙發(fā)育特征對(duì)比

4.3 微裂縫發(fā)育特征

川東南地層構(gòu)造活動(dòng)較為復(fù)雜，逆沖-褶皺構(gòu)造組合變形強(qiáng)烈，具晚中生代—新生代多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)疊加的特征[43-44]，且越靠近盆外，滑脫或褶皺變形越強(qiáng)烈[7]。后期的構(gòu)造抬升對(duì)頁巖氣有較大影響，不同時(shí)期的抬升作用，使得頁巖再埋藏過程中熱演化程度、保存條件以及埋深等特征發(fā)生變化，對(duì)頁巖氣富集成藏是一把“雙刃劍”[3]。

結(jié)合丁山地區(qū)埋藏史與流體包裹體特征[13]，發(fā)現(xiàn)DY2井和DY5井流體活動(dòng)在燕山晚期抬升初期最為活躍，古埋深介于5 500～6 300 m，距今70～80 Ma；DY4井除最大埋深抬升初期外，距今70 Ma緩慢抬升期開始，流體活動(dòng)較為持續(xù)，一直持續(xù)至距今10 Ma左右；DY1井流體活動(dòng)主體集中在喜馬拉雅晚期5～15 Ma時(shí)期，晚期構(gòu)造改造強(qiáng)度與泄壓程度較大，現(xiàn)今地層壓力系數(shù)已降至1.08[45]。多期次的構(gòu)造抬升一方面使含氣頁巖層段之上的上覆巖層和區(qū)域蓋層減薄或剝蝕，導(dǎo)致區(qū)域性壓力變小，改善頁巖儲(chǔ)層物性，提高頁巖氣井的產(chǎn)量。但是，另一方面也易使蓋層中的脆性部分破裂或已封閉的斷裂(含微裂縫)重新開啟，降低蓋層的封閉能力。如果抬升剝蝕的幅度較大，那么整個(gè)含氣頁巖段之上的蓋層可能被完全破環(huán)，導(dǎo)致頁巖游離氣散失、吸附氣解吸，從而造成總含氣量的降低。通過對(duì)四川盆地及其周緣五峰組-龍馬溪組頁巖氣富集的研究，何治亮等[3]認(rèn)為抬升產(chǎn)生微裂縫但沒有出現(xiàn)大的穿層裂縫或斷裂是最理想的，即“裂而不破”更有利于頁巖氣富集成藏。丁山地區(qū)裂縫多期次發(fā)育[13,45]，靠近齊岳山斷裂，埋藏較淺的構(gòu)造部位，頁巖氣容易發(fā)生大規(guī)模逸散，不利于頁巖氣保存[38]?，F(xiàn)場鉆井發(fā)現(xiàn)，齊岳山斷裂附近的DY1井和DY3井鉆遇常壓頁巖氣藏，含氣量低，表明后期成藏過程中，天然氣逸散強(qiáng)烈。

4.4 頁巖氣“甜窗”

通過對(duì)水力壓裂效果和頁巖氣產(chǎn)量數(shù)據(jù)的大量統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)頁巖氣高產(chǎn)層段主要集中在巖層的某一深度段。基于此，何治亮等[4]提出頁巖氣地下“甜窗”的概念。這一概念不僅包括地質(zhì)上的原始沉積條件、成巖過程(地質(zhì)建造作用)以及后期適度的構(gòu)造變形改造與抬升剝蝕(地質(zhì)改造作用)的有機(jī)組合[5]，還包括開發(fā)過程中水平井鉆井條件及可壓性等。研究表明，四川盆地及周緣甜窗通常的頂界深度為2 000～2 700 m，底界為4 000～4200 m，由于不同地區(qū)頁巖儲(chǔ)層特征存在差異，現(xiàn)今地層埋藏深度較深，在水平井施工過程中，地層脆性礦物含量不足，壓裂起縫難度大，底界可能延伸到4 500～5 000 m[4]。川東南丁山地區(qū)勘探開發(fā)中，發(fā)現(xiàn)五峰組-龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖埋深在3 500～4 500 m(深層)的面積明顯大于埋深在1 800～3 500 m(中淺層)的面積(圖1b)。深層地區(qū)頁巖氣藏壓力系數(shù)普遍較高，頁巖氣保存條件好，基于這一認(rèn)識(shí)，認(rèn)為尋找深層五峰組-龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖“甜窗”是下一步勘探開發(fā)需要重點(diǎn)突破的方向。

4.5 產(chǎn)量特征分析

多期次構(gòu)造活動(dòng)導(dǎo)致盆緣地區(qū)多表現(xiàn)為常壓頁巖氣藏[46-47]，如DY1井，壓力系數(shù)為1.06，試采最高產(chǎn)氣量為3.45×104m3/d，含氣量2.0～5.0 m3/t，產(chǎn)量3.45×104m3/d(表1)。在向盆地內(nèi)部深層方向，頁巖氣藏壓力增加，多表現(xiàn)為頁巖氣測試產(chǎn)量高，但后期穩(wěn)產(chǎn)時(shí)間短，EUR遞減快，如DY2井，壓力系數(shù)為1.78，含氣量4.0～7.0 m3/t，產(chǎn)量10.57×104m3/d，試采最高產(chǎn)氣量為10.53×104m3/d。DY2井和DY1井優(yōu)質(zhì)頁巖厚度相差較小，但含氣量和產(chǎn)量都相差較大，分析導(dǎo)致這一差異的主要原因，一方面是頁巖氣保存程度不同，氣藏壓力系數(shù)大的DY2井經(jīng)歷的構(gòu)造活動(dòng)相對(duì)較弱。另一方面，靠近盆地內(nèi)部，溶蝕孔不發(fā)育也是重要原因。統(tǒng)計(jì)DY2HF井2016年7月11日到2019年12月11日產(chǎn)量發(fā)現(xiàn)，油壓控制在14.48 MPa，日產(chǎn)氣0.5×104m3/d，年產(chǎn)氣16.40×104m3/d，反排率63.84%，到2019年12月11號(hào)，累計(jì)產(chǎn)氣1 543.26×104m3/d。中后期隨著油壓的降低，水平井相對(duì)穩(wěn)定的生產(chǎn)一段時(shí)間。在不考慮工程方面因素的情況下，丁山地區(qū)的氣井相較鄰區(qū)普遍產(chǎn)量低，后期生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)EUR也低。

5 結(jié)論

1)川東南丁山地區(qū)五峰組-龍馬溪組頁巖巖石類型主要分為4種，包括硅質(zhì)頁巖、含灰-灰質(zhì)頁巖、粘土質(zhì)頁巖和粉砂質(zhì)頁巖，其中優(yōu)質(zhì)頁巖為WF2—LM4，厚度介于6～10 m，與涪陵頁巖氣田相比較薄，這可能受黔中隆起向盆地方向延伸形成的丁山水下高地影響。

2)研究區(qū)儲(chǔ)集空間主要包括有機(jī)質(zhì)孔、礦物質(zhì)孔和微裂縫。礦物質(zhì)孔分為粒間孔、粒內(nèi)孔和溶蝕孔，溶蝕孔是頁巖氣保存過程研究中需要重點(diǎn)關(guān)注的孔隙類型。丁山地區(qū)無瀝青充填的溶蝕孔較發(fā)育，對(duì)頁巖氣保存具有重要影響，反映了地質(zhì)歷史時(shí)期較活躍的構(gòu)造抬升活動(dòng)。

3)盆地邊緣構(gòu)造活動(dòng)頻繁，頁巖厚度較薄，頁巖氣散失嚴(yán)重，向盆地內(nèi)部方向頁巖品質(zhì)變好，厚度變大，保存條件也變好。丁山地區(qū)盆地內(nèi)部埋藏較深的頁巖地層面積遠(yuǎn)大于淺層頁巖地層面積，在頁巖氣勘探過程中，尋找川東南WF2—LM4筆石帶硅質(zhì)頁巖厚度大、埋藏適中、保存條件較好的“甜窗”地區(qū)是開展頁巖氣研究需要重點(diǎn)關(guān)注的方向。

致謝:文中引用了中國石化石油勘探開發(fā)研究院、江漢油田分公司、勘探分公司和華東油氣分公司等單位的寶貴資料，在此一并表示衷心感謝。向編輯老師和審稿專家致以誠摯的謝意！