康保平 姜 帆
中國石化西南油氣分公司勘探開發(fā)研究院
四川盆地威遠地區(qū)位于川中隆起低緩區(qū),南側(cè)為川西南拗陷、北鄰威遠構(gòu)造、西北部為梧桐場背斜、東南部為自流井背斜,總體受威遠大型穹窿背斜的控制和制約,整體表現(xiàn)為向斜。2014年在該區(qū)部署的以下志留統(tǒng)龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖為目的層的預探井A1井,在龍馬溪組獲得了頁巖氣工業(yè)氣流,從而發(fā)現(xiàn)了威遠地區(qū)龍馬溪組頁巖氣藏。之后,該區(qū)開鉆了多口開發(fā)評價井,實鉆顯示該區(qū)龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖穩(wěn)定分布、儲集層品質(zhì)好、壓力系數(shù)高、資源潛力大[1]。
但由于中國石化西南油氣分公司在頁巖氣研究方面起步比較晚,2014年開始先后設立了《丁山地區(qū)地震資料處理解釋及評價部署》《井研—犍為、丁山地區(qū)頁巖氣藏特征評價研究》等項目,在下寒武統(tǒng)筇竹寺組、龍馬溪組段構(gòu)造演化、沉積旋回及儲層基本特征等方面取得了一些成果,但在威遠地區(qū)龍馬溪組儲層評價等方面開展工作較少。應用大量的實驗分析數(shù)據(jù),與中國石油區(qū)塊及涪陵頁巖氣等區(qū)塊進行對比,結(jié)合威遠地區(qū)龍馬溪組頁巖情況,建立該區(qū)龍馬溪組頁巖氣評價標準,評價該區(qū)頁巖儲層有利區(qū),推進該區(qū)龍馬溪組頁巖氣規(guī)模建產(chǎn),促進中石化西南油氣分公司頁巖氣增產(chǎn)創(chuàng)效。
威遠地區(qū)龍馬溪組處于靜水、缺氧、還原環(huán)境的陸棚沉積相帶內(nèi),主要沉積細粒泥、頁巖。上中部巖性為灰色、灰黑色頁巖和鈣質(zhì)頁巖、砂質(zhì)頁巖;底部為黑色碳質(zhì)頁巖、含生屑碳質(zhì)頁巖和泥質(zhì)硅質(zhì)頁巖的優(yōu)質(zhì)頁巖。富含有機質(zhì)的優(yōu)質(zhì)頁巖決定了頁巖氣成藏的物質(zhì)基礎[2]。
威遠地區(qū)龍馬溪組頁巖礦物成分比較復雜,包括碎屑礦物、黏土礦物和碳酸鹽巖礦物。碎屑礦物有石英、長石、云母等;黏土礦物有伊利石、綠泥石、高嶺石等;碳酸鹽巖礦物有方解石、白云石等[3](圖1)。通常情況下,將石英、長石及碳酸鹽巖礦物等統(tǒng)稱為脆性礦物。
圖1 威遠地區(qū)龍馬溪組礦物成分圖
頁巖礦物組成影響頁巖物性、比表面等,而物性、比表面、保存條件等影響頁巖的含氣量[4],因此,頁巖礦物組成對頁巖的含氣影響深遠。威遠地區(qū)龍馬溪組脆性礦物含量為54.33%,其含量由淺至深逐漸增加,研究表明,脆性礦物的含量高有利于頁巖氣的形成和富集[5]。
將威遠地區(qū)龍馬溪組頁巖的礦物組成、孔隙度、含氣量等參數(shù)與目前規(guī)模建產(chǎn)的頁巖氣區(qū)塊進行對比,結(jié)果表明,優(yōu)質(zhì)頁巖厚度、黏土含量、脆性礦物含量、孔隙度、含氣量等參數(shù),威頁地區(qū)均與威遠(中石油)、焦石壩等區(qū)塊相吻合,表明威遠地區(qū)龍馬溪組頁巖具備進行規(guī)模建產(chǎn)的儲集條件和產(chǎn)出條件(表1)。
表1 不同區(qū)塊頁巖氣礦物統(tǒng)計表
威遠地區(qū)龍馬溪組儲層微觀顯示微孔隙和微裂隙比較發(fā)育,尤其是微孔隙,種類多樣,包含有機質(zhì)孔、黏土礦物晶間孔、黃鐵礦晶間孔、粒間孔、不穩(wěn)定礦物溶蝕孔等[6]。總體上,威遠地區(qū)龍馬溪組頁巖儲集類型有孔隙、裂縫兩大類。
①孔隙:種類多樣,包含有機質(zhì)孔、黏土礦物晶間孔、黃鐵礦晶間孔、粒間孔、不穩(wěn)定礦物溶蝕孔等。按成因分為2大類,即,有機孔隙和無機孔隙。無機孔又分為黏土礦物間微孔、脆性礦物溶蝕孔、黃鐵礦晶間孔。有機孔和黏土礦物層間孔是龍馬溪組頁巖的主要儲集空間(圖2)
圖2 威遠地區(qū)龍馬溪組儲集空間類型圖
有機質(zhì)孔:在高成熟階段,由于有機質(zhì)因熱解和熱裂解產(chǎn)生大量排烴而形成的微孔隙。鏡下呈蜂窩狀、線狀、片狀、串珠狀等,總體連通性好,主要發(fā)育于粒間孔、片層狀黏土礦物伴生的有機質(zhì)內(nèi)。在龍馬溪組頁巖儲層中,有機質(zhì)孔發(fā)育最為廣泛[3]。
無機質(zhì)孔:包括黏土礦物晶間孔、脆性礦物溶蝕孔和黃鐵礦晶間孔。顯微鏡下,黏土礦物晶間孔多呈絲縷狀、卷曲片狀層間孔及線狀孔,大多與有機孔相伴生;但黏土礦物晶間大孔多數(shù)被有機質(zhì)充填,微孔隙部分連通性較好。脆性礦物溶蝕孔是由不穩(wěn)定礦物溶蝕而成。通常由鈣質(zhì)、長石等礦物因溶解或溶蝕形成,多發(fā)育于礦物顆粒間、粒內(nèi)及粒緣縫,孔徑變化大;黃鐵礦晶間孔多數(shù)充填著有機質(zhì),常伴生有機質(zhì)孔。
②裂縫:威遠地區(qū)龍馬溪組頁巖裂縫以層理縫為主,并發(fā)育斜交縫、水平縫等。就其成因分,頁理縫為組構(gòu)選擇性裂縫,構(gòu)造縫為非組構(gòu)選擇性裂縫[7]。
頁理縫是在地層抬升中,上覆壓力逐漸變小使得地層內(nèi)部壓力釋放出來,沿著巖石顆粒與晶體界面處形成的微裂縫,具有組構(gòu)選擇的特征,通常沿水平頁理方向延伸;構(gòu)造縫是受構(gòu)造應力作用而形成的裂縫,包括宏觀裂縫和微裂縫。構(gòu)造作用控制著非組構(gòu)選擇性裂縫的形成,即,構(gòu)造變形強則裂縫發(fā)育,反之欠發(fā)育[8]。
頁巖氣是一種典型的連續(xù)性油氣藏,其形成和富集均發(fā)生在頁巖中,具有典型的“自生自儲”的特征[4]。參考前人對四川盆地頁巖氣富集規(guī)律的研究及涪陵、焦石壩頁巖氣田成藏規(guī)律等,有機質(zhì)豐度、適中的成熟度和超壓良好的保存條件是頁巖氣富集的關鍵因素[9-10]。
為此,就有機質(zhì)豐度、熱演化程度和超壓系統(tǒng)對威遠地區(qū)龍馬溪組頁巖氣的影響進行分析。
威遠地區(qū)龍馬溪組頁巖中,發(fā)育大量的以微中孔為主的有機質(zhì)孔[3]。以WY1井為例,有機質(zhì)孔隙的形成與有機質(zhì)生烴演化中有機質(zhì)的消耗引起的孔隙體積增加有關。通常情況下,有機質(zhì)含量的多少與有機質(zhì)孔隙發(fā)育數(shù)量呈正相關性,即:有機碳含量決定著有機質(zhì)孔隙發(fā)育的數(shù)量。因此,隨著有機碳含量的增大,頁巖中的微中孔體積逐漸增大,反之亦然。那么頁巖有機質(zhì)豐度是怎樣決定頁巖孔隙發(fā)育的呢?圖3可知:頁巖有機碳通過控制頁巖儲層中的微孔隙的孔體積和比表面積,進而控制頁巖儲層總孔隙度和比表面積,從而實現(xiàn)了對頁巖孔隙發(fā)育的控制。頁巖儲層比表面與孔體積的大小是決定頁巖氣賦存量的重要因素[11],同樣,有機質(zhì)的構(gòu)成及其賦存形式對富有機質(zhì)頁巖成烴潛力、孔隙結(jié)構(gòu)及分布具有重要影響[12]。由此可見,頁巖的有機質(zhì)豐度是影響頁巖氣富集的重要因素。
圖3 WY1井龍馬溪組TOC與不同孔的孔體積和比表面積相關圖
為此,統(tǒng)計了不同區(qū)塊有機質(zhì)豐度、熱演化及保存條件并進行對比。對比表明,威遠地區(qū)在有機質(zhì)豐度、熱演化及保存條件等方面與規(guī)模建產(chǎn)區(qū)塊威遠(中石油)、焦石壩等區(qū)塊相吻合(表2),結(jié)果表明,威遠地區(qū)龍馬溪組頁巖具備了富集條件。
表2 不同區(qū)塊有機豐度、熱演化、保存條件參數(shù)對比
頁巖熱演化過程中,當熱演化程度(頁巖內(nèi)鏡質(zhì)體反射率(Ro)小于“臨界點”(Ro=2.7%)時,頁巖的孔隙度隨頁巖的鏡質(zhì)體反射率增大而增加,熱演化對頁巖微觀孔隙的發(fā)育起著助推作用。這是因為,有機碳含量、黏土礦物類型和含量、熱演化程度等控制頁巖儲層微觀孔隙結(jié)構(gòu)的因素中,熱演化程度的影響最為明顯[6]。隨著頁巖鏡質(zhì)體反射率Ro的進一步增大,頁巖的生烴轉(zhuǎn)化率隨之升高,生成大量的天然氣并形成超壓、納米級的有機孔;此階段,熱演化與比表面積、孔體積具有正相關性,表現(xiàn)為微觀孔隙數(shù)量增加,比表面積和孔體積增大[6]。同時,在生烴形成有機酸的溶蝕下,頁巖的有機質(zhì)孔逐漸發(fā)育,數(shù)量逐漸增多(圖4);此外,易溶礦物在酸性水溶蝕作用下產(chǎn)生次生孔隙,形成溶蝕微孔,進而影響頁巖儲層微孔隙結(jié)構(gòu)(圖5)。
圖4 鏡質(zhì)體反射率Ro與孔隙度、單位有機碳孔隙度關系圖
當熱演化程度Ro大于2.7%時,頁巖的孔隙度隨Ro增加而緩慢減小。這是因為過高的頁巖熱演化使頁巖發(fā)生了2方面的變化,一方面,過高的頁巖熱演化導致頁巖有機質(zhì)石墨化或纖維化,局部有機孔隙垮塌,減小了頁巖中部分中—微孔比表面,降低了頁巖的有機孔隙,使得頁巖的有機孔隙減少;另一方面,過高的頁巖熱演化使得蒙脫石向伊利石轉(zhuǎn)化。這是因為不同的黏土礦物具有不同的外表面和內(nèi)表面,從而形成黏土礦物層間孔隙。例如,黏土礦物中的蒙脫石總比表面積最大,高達800 m2/g;伊利石總比表面積明顯較小,僅為30 m2/g;高嶺石和綠泥石總比表面積最小,均為15 m2/g;伊蒙混層礦物總比表面積介于蒙脫石和伊利石之間。當蒙脫石轉(zhuǎn)化為伊利石時,因黏土礦物轉(zhuǎn)化使得體積減小而產(chǎn)生微孔隙,影響了頁巖的孔隙和比表面積,最終影響了頁巖的微孔隙(圖5)。因此,蒙脫石伊利石化進程對頁巖的賦存具有重要影響[11]。頁巖儲層孔隙的比表面積和孔體積隨蒙間層礦物含量增大而增大[13],黏土礦物含量與頁巖孔隙度發(fā)育有密切正相關性[14]。
圖5 龍馬溪組伊蒙混層、碳酸鹽巖與微中宏孔關系圖
頁巖在熱演化過程中,有機質(zhì)性質(zhì)的變化及黏土礦物間的轉(zhuǎn)化影響了頁巖儲層的總孔隙和比表面積。總體上,頁巖熱演化程度與其孔隙發(fā)育程度關系較為復雜,但熱演化程度對頁巖孔隙發(fā)育起關鍵作用的Ro范圍為2.2%~2.5%。也就是說,頁巖的熱演化適中時才對頁巖孔隙度有利,反之則降低頁巖的孔隙度。因此,適中的頁巖熱演化對頁巖形成孔隙起積極的推進作用,有利于頁巖孔隙的形成。由此可見,頁巖適中的熱演化是影響頁巖形成和富集的重要因素。
威遠地區(qū)龍馬溪組熱演化與威遠(中石油)、焦石壩等規(guī)模建產(chǎn)區(qū)塊熱演化相當(表2)。同時,孔隙度、含氣量等也與規(guī)模建產(chǎn)區(qū)相當(表1),顯示了具備規(guī)模建產(chǎn)的儲集條件和產(chǎn)出條件。
頁巖氣為典型的“自生自儲”非常規(guī)氣藏,自身封蓋作用是頁巖氣早期滯留于頁巖內(nèi)的關鍵因素[15]。川南地區(qū)以龍馬溪組為目的層的頁巖氣鉆井地層流體壓力系數(shù)表明:WY1井至RY1井,龍馬溪組的地層流體壓力系數(shù)逐漸降低,從超壓地層流體壓力降為常壓地層流體壓力(圖6-a)。有機碳含量與孔隙度關系表明,WY1井至RY1井龍馬溪組有機碳含量與孔隙度呈正相關性,頁巖的有機碳含量越高頁巖的有機孔越發(fā)育(圖6-b)。PY1井、RY1井龍馬溪組的有機碳含量、熱演化程度與NY1井、YY1井等相近,根據(jù)有機碳含量與孔隙度相關性,這幾口井的孔隙度數(shù)值應該基本相當。但實測表明,PY1井和RY1井龍馬溪組的有機碳含量與頁巖儲層孔隙度相關性較差,這兩口井的壓力系數(shù)較低,地層壓力為常壓。由此可見,不同強度構(gòu)造變形區(qū),頁巖含氣性出現(xiàn)明顯差異[16]。經(jīng)過分析結(jié)果表明,PY1井和RY1井自身封蓋作用較差,影響了這2口井龍馬溪組頁巖的孔隙度。影響孔隙度主要表現(xiàn)在2方面:首先,在生烴期間,PY1井和RY1井的自身封蓋作用較差,烴類溢出,不利于頁巖中有機質(zhì)孔隙的形成;如果封蓋作用好,烴類保留在頁巖中并形成有機質(zhì)孔隙。其次,在壓實過程中,由于PY1井和RY1井封蓋性差,其頁巖含氣性較差,在頁巖中不能形成高壓的封閉環(huán)境,壓實作用使得其孔隙損失;如果封蓋性好,頁巖含氣性就好,就能形成高壓的封閉環(huán)境,壓實作用對其孔隙度影響不大,使孔隙能保存下來。PY1井和RY1井地層流體壓力為常壓證實了其封蓋性差,從而使得孔隙度與高壓系統(tǒng)的頁巖氣鉆井差異很大。因此,頁巖壓力系統(tǒng)對頁巖氣的形成和富集起著至關重要的作用[4]。
圖6 以龍馬溪組為目的層井的壓力系數(shù)和TOC與孔隙度的關系圖
威遠地區(qū)頁巖地層流體壓力系數(shù)與威遠(中石油)地層流體壓力系統(tǒng)大體相當,好于焦石壩,表明該區(qū)頁巖保存條件好,有利于頁巖氣的形成和富集。
分析威遠地區(qū)龍馬溪組頁巖氣形成和富集影響因素:有機質(zhì)豐度、適中熱成熟度、好的保存條件,均與威遠(中石油)、焦石壩等規(guī)模建產(chǎn)區(qū)塊大體相當,具備規(guī)模建產(chǎn)的條件。根據(jù)形成和富集因素,威遠地區(qū)有機質(zhì)豐度高、熱成熟度適中和保存條件好的區(qū)域是該區(qū)龍馬溪組頁巖氣的有利區(qū)[17]。
在威遠地區(qū)龍馬溪組儲層特征的基礎上,綜合影響頁巖氣形成和富集因素,應用成藏等理論,建立了該區(qū)龍馬溪組頁巖儲層評價標準:“機質(zhì)豐度高、適中演化、良好保存”(表3)。
表3 威遠地區(qū)(中石化)龍馬溪組儲層評價標準表
有機質(zhì)豐度高與優(yōu)質(zhì)相帶相對應,是優(yōu)質(zhì)頁巖發(fā)育的物質(zhì)基礎;適中熱演化影響頁巖總孔隙和比表面積,是儲集性和含氣性發(fā)育的重要保障;超壓系統(tǒng)是良好保存條件,決定頁巖氣的高產(chǎn)和富集。
頁巖氣勘探開發(fā)實踐表明,頁巖氣要經(jīng)過大規(guī)模壓裂改造才能獲得高產(chǎn)。因此,在威遠地區(qū)龍馬溪組儲層評價標準基礎上,結(jié)合中石化頁巖氣評價標準,將有機碳含量(表征有機質(zhì)豐度)、含氣量(表征有機質(zhì)豐度、熱演化)、孔隙度(表征有機質(zhì)豐度、熱演化)、脆性礦物含量(表征壓裂)、黏土含量(表征壓裂)及層理發(fā)育情況(表征壓裂)作為評價參數(shù),建立了威遠地區(qū)頁巖氣層分類評價表,并對該區(qū)有利區(qū)進行了評價和優(yōu)選[18](表4)。
表4 威遠地區(qū)頁巖氣層分類評價表
綜合評價結(jié)果表明,威遠地區(qū)龍馬溪組頁巖儲層儲集性與可壓裂性匹配性好[19],儲層均為Ⅰ類儲層,為優(yōu)質(zhì)頁巖氣儲層段。縱向上,分布穩(wěn)定,西區(qū)較東區(qū)厚,適合大規(guī)模開發(fā)[20];平面上,威遠地區(qū)龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖氣儲層段西區(qū)優(yōu)于東區(qū)??傮w上,有利區(qū)面積143.77 km2,新增頁巖氣控制儲量1 246.78×108m3(圖7),滿足規(guī)模建產(chǎn)的地質(zhì)條件。
圖7 威遠地區(qū)龍馬溪組儲層綜合評價分布圖
1)威遠地區(qū)龍馬溪組巖性為深水還原環(huán)境沉積的富含有機質(zhì)頁巖,決定了頁巖氣成藏的物質(zhì)基礎;頁巖中含有石英、長石、云母等碎屑礦物,伊利石、綠泥石、高嶺石等黏土礦物和方解石、白云石等碳酸鹽巖礦物,礦物組成影響著頁巖物性、比表面等特性。
2)威遠地區(qū)龍馬溪組儲層發(fā)育微孔隙和微裂隙,種類多樣;微孔隙包含有機質(zhì)孔、黏土礦物晶間孔、黃鐵礦晶間孔、粒間孔、不穩(wěn)定礦物溶蝕孔等,儲集性好;有機孔和黏土礦物層間孔是龍馬溪組頁巖的主要儲集空間。
3)有機質(zhì)豐度是優(yōu)質(zhì)頁巖的物質(zhì)基礎,適中熱演化是儲集性和含氣性發(fā)育的重要保障,超壓系統(tǒng)決定頁巖氣的高產(chǎn)和富集。因此,有機質(zhì)豐度高、適中熱演化和好的保存條件是影響威遠地區(qū)龍馬溪組頁巖氣形成和富集重要因素,也是影響該區(qū)儲層有利區(qū)發(fā)育的重要因素。
4)在有機質(zhì)豐度、熱演化和保存條件的基礎上,建立了威遠地區(qū)龍馬溪組有利儲層評價標準并進行了整體評價。結(jié)果表明,威遠地區(qū)龍馬溪組頁巖儲層為優(yōu)質(zhì)頁巖氣儲層段,儲集性與可壓裂性匹配性好,適合大規(guī)模開發(fā),滿足規(guī)模建產(chǎn)的地質(zhì)條件。