馬 軍 關琳琳 高全芳 周頔娜 劉娜娜 程軼妍

（ 1中國石化華東油氣分公司勘探開發(fā)研究院；2中國石化重慶頁巖氣有限公司 ）

0 引言

近年來，受北美頁巖氣成功實現(xiàn)商業(yè)開發(fā)啟示，我國在頁巖氣勘探開發(fā)領域開展了大量地質(zhì)調(diào)查與鉆采工作[1-17]，在頁巖優(yōu)質(zhì)儲層成因機制、保存條件綜合評價、成藏關鍵地質(zhì)因素、富集高產(chǎn)模式、產(chǎn)能影響因素等多方面取得了豐碩認識與成果[1-36]，并在選區(qū)評價方面實現(xiàn)了多點勘探突破，相繼發(fā)現(xiàn)了涪陵、威遠、威榮、長寧、昭通等大型海相頁巖氣田[10-26]，四川盆地及其周緣埋深2000～3500m、地層壓力系數(shù)大于1.3的中深層、高壓—超壓頁巖氣已進入大規(guī)模商業(yè)開發(fā)階段[10-26]。川南昭通地區(qū)太陽背斜區(qū)埋深700～2000m的淺層頁巖氣勘探獲得突破，提交了逾千億立方米探明地質(zhì)儲量，實現(xiàn)了川南地區(qū)淺層頁巖氣的商業(yè)開發(fā)[1，28-31]。但渝東南地區(qū)埋深小于2000m的淺層常壓頁巖氣勘探潛力如何，是否具有商業(yè)開發(fā)價值，以及可供商業(yè)開發(fā)的淺層頁巖氣埋深下限是多少等問題仍在探索中。近期，中國石化華東油氣分公司在道真地區(qū)洛龍背斜和武隆地區(qū)老廠坪背斜鉆探的兩口探井，在上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組埋深889～1100m的淺層頁巖鉆遇良好氣測顯示，現(xiàn)場解吸含氣量較高，其中PD1水平井（PD1HF井）頁巖埋深為980～1100m，壓力系數(shù)為0.99，水平段長1510m，分15段進行水力壓裂，測試日產(chǎn)氣1.1×104m3，達到了儲量計算標準[36]，實現(xiàn)五峰組—龍馬溪組淺層常壓頁巖氣勘探新發(fā)現(xiàn)。本文依托洛龍背斜和老廠坪背斜相關鉆探成果，通過淺層頁巖氣地質(zhì)條件分析及成藏控制因素研究，提出淺層頁巖氣甜點選區(qū)評價依據(jù)，以期指導武隆、道真地區(qū)乃至整個四川盆地及外圍復雜構(gòu)造區(qū)的淺層頁巖氣選區(qū)評價和勘探部署，推動盆外常壓頁巖氣效益開發(fā)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

洛龍背斜和老廠坪背斜位于重慶市與貴州省交界的武隆、道真等縣市，構(gòu)造上處于四川盆地東南緣盆山轉(zhuǎn)換帶的武陵褶皺帶西北緣，為盆外殘留背斜、向斜區(qū)，毗鄰南川地區(qū)平橋背斜、東勝背斜和涪陵焦石壩背斜（圖1）。研究區(qū)歷經(jīng)加里東期、海西期、印支期、燕山—喜馬拉雅期等多期構(gòu)造運動疊加改造，以燕山—喜馬拉雅期作用影響最為強烈，奠定了以北東—南西向為主的向斜與背斜相間分布的槽—檔構(gòu)造格局，形成了現(xiàn)今的構(gòu)造形態(tài)[3-4]。老廠坪背斜與洛龍背斜在構(gòu)造位置、幾何形態(tài)等方面具有相似性，均是緊鄰殘留向斜、由逆斷層夾持所形成的背斜型構(gòu)造單元（圖1、圖2）。

圖1 研究區(qū)位置圖Fig.1 Location map of the study area

圖2 研究區(qū)五峰組底面構(gòu)造圖Fig.2 Structural map of the base Wufeng Formation in the study area

研究區(qū)頁巖氣目的層為上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組一段，自下而上依次為深水陸棚相黑色硅質(zhì)頁巖、半深水陸棚相灰黑色頁巖和淺水陸棚相深灰色粉砂質(zhì)泥巖[5-8]，伴生層狀斑脫巖、多種形態(tài)的黃鐵礦和粉砂質(zhì)紋層，五峰組頂部發(fā)育深灰色—灰黑色富含赫南特貝的白云質(zhì)泥巖或灰質(zhì)泥巖。渝東南盆緣轉(zhuǎn)換帶五峰組—龍馬溪組主要分布于殘留向斜，部分位于斜坡和背斜，總面積為4242km2，頁巖氣資源量為2.8×1012m3，頁巖氣富集區(qū)處于超壓與常壓過渡帶，以常壓頁巖氣為主。

2 頁巖氣基本地質(zhì)特征

2.1 構(gòu)造特征

洛龍背斜位于道真向斜東部，為一條四級斷層和一條五級斷層所夾持形成的背斜，東部以五級斷層鼓耳巖斷層為界，與洛龍向斜分開；西部以四級斷層茶園斷層為界，與道真向斜分開（圖2a）。背斜相對狹窄，核部出露地層為志留系韓家店組（圖3a、b），埋深為500～1500m，總面積為45km2。北西向二維地震剖面顯示背斜寬度為3km，北東向二維地震剖面顯示背斜長度為12.8km，構(gòu)造幅度為500m。核部地層傾角為0°～5°，翼部地層傾角為5°～25°。

老廠坪背斜緊鄰四川盆地，是盆外第一排構(gòu)造，南部與武隆向斜團堡次洼北翼相連，為兩條四級斷層和兩條五級斷層所夾持形成的背斜型構(gòu)造，東部以四級斷層胡家園斷層為界，西部以四級斷層茶園斷層為界，北部以五級斷層白沙斷層為界，南部以五級斷層老廠坪斷層為界（圖2b）。老廠坪背斜相對寬緩，核部出露地層為志留系韓家店組（圖3c），埋深為500～1500m，總面積為278km2。僅有北西方向二維地震測線穿過背斜區(qū)，地震剖面顯示背斜寬度為8.4km，長度為26.1km，構(gòu)造幅度為1000m。核部地層傾角為0°～5°，翼部地層傾角為5°～10°。

圖3 背斜區(qū)地震剖面圖（剖面位置見圖2）Fig.3 Seismic profile of anticline zone (section location is in Fig.2)

2.2 靜態(tài)參數(shù)特征

鉆井揭示洛龍背斜和老廠坪背斜上奧陶統(tǒng)五峰組巖性均以黑色硅質(zhì)頁巖為主，頂部分別為厚0.5m和0.07m的灰黑色介殼灰?guī)r，可見典型的赫南特貝化石。下志留統(tǒng)龍馬溪組一段自下而上巖性由黑色硅質(zhì)頁巖逐漸過渡為灰黑色頁巖、深灰色泥質(zhì)粉砂巖（圖4）。

在前期的勘探開發(fā)過程中，依據(jù)巖性、沉積微相、地球化學、電性、筆石化石等特征將渝東南地區(qū)五峰組—龍馬溪組一段劃分為9個小層[4]。洛龍背斜和老廠坪背斜五峰組—龍馬溪組各小層特征明顯，與區(qū)域地層基本一致（圖4）。其中，洛龍背斜五峰組—龍馬溪組一段厚度為81.8m，其中①—⑤小層厚35.8m；老廠坪背斜五峰組—龍馬溪組一段厚度為85.8m，其中①—⑤小層厚38m。

圖4 研究區(qū)五峰組—龍馬溪組一段地層對比圖Fig.4 Well stratigraphic correlation section of Wufeng Formation-first member of Longmaxi Formation in the study area

實驗分析結(jié)果顯示，洛龍背斜①—⑤小層TOC為1.09%～4.99%，平均為3.50%，其中TOC＞2%的優(yōu)質(zhì)頁巖段厚度為29m，TOC為2.07%～4.99%，平均為3.59%，主要分布在3%～4%；Ro為2.81%～3.22%，平均為2.99%。老廠坪背斜①—⑤小層TOC為1.30%～6.39%，平均為3.82%，其中TOC＞2%的優(yōu)質(zhì)頁巖段厚度為37.5m，TOC為2.01%～6.39%，平均為4.15%，主要為4%～5%；Ro為2.76%～3.22%，平均為2.95%。

盆外背斜區(qū)由于構(gòu)造抬升相對較高，埋深相對較小，應力釋放，優(yōu)質(zhì)頁巖段巖心整體較完整，復雜構(gòu)造裂縫及網(wǎng)狀縫不發(fā)育，儲集空間以有機質(zhì)孔為主并發(fā)育微裂縫，孔隙度較大（圖5）。洛龍背斜優(yōu)質(zhì)頁巖段巖心實驗分析脈沖孔隙度為3.29%～4.12%，平均為3.66%。老廠坪背斜優(yōu)質(zhì)頁巖段巖心實驗分析脈沖孔隙度為3.35%～6.58%，平均為5.27%。

圖5 研究區(qū)優(yōu)質(zhì)頁巖段裂縫及有機質(zhì)孔發(fā)育特征Fig.5 Characteristics of fracture and organic matter pore of high-quality shale section in the study area

2.3 頁巖含氣性特征

鉆井氣測顯示、現(xiàn)場解吸實驗、測井解釋結(jié)果等解釋渝東南地區(qū)背斜型淺層頁巖含氣性較好，并且以吸附氣為主（圖6）。洛龍背斜優(yōu)質(zhì)頁巖段（①—⑤小層中TOC＞2%的層段）氣測全烴為0.78%～8.29%，平均為4.30%；現(xiàn)場解吸測試總含氣量為0.74～1.97m3/t，平均為1.35m3/t；氣體組分以CH4為主，含量為99.26%。老廠坪背斜優(yōu)質(zhì)頁巖段（①—⑤小層中TOC＞2%的層段）氣測全烴為1.24%～4.85%，平均為3.25%；現(xiàn)場解吸測試總含氣量為0.66～5.67m3/t，平均為3.23m3/t；測井解釋總含氣量為1.43～4.77m3/t，平均為3.51m3/t，其中游離氣含量為0.29～0.93m3/t，平均為0.73m3/t，游離氣占比為11.97%～48.39%，平均為21.42%；氣體組分以CH4為主，含量為94.93%。

圖6 研究區(qū)優(yōu)質(zhì)頁巖段含氣性對比圖Fig.6 Gas content comparison of high-quality shale in the study area

2.4 可壓裂性特征

研究區(qū)五峰組—龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖具有脆性礦物含量高、脆性指數(shù)高、水平應力小等特點，易于水力壓裂施工。洛龍背斜優(yōu)質(zhì)頁巖段脆性礦物（石英、長石和碳酸鹽礦物）含量為54.2%～77.9%，平均為65.2%，以石英為主，含量為30.3%～68.3%，平均為46.8%；脆性指數(shù)為59%，三軸實驗分析泊松比為0.2，楊氏模量為25.46GPa（表1）。老廠坪背斜優(yōu)質(zhì)頁巖段脆性礦物含量為60.6%～83.6%，平均為72.3%，其中石英含量為35.5%～75.5%，平均為54.9%；脆性指數(shù)為65%，泊松比為0.2，楊氏模量為35.6GPa，最大水平主應力為29MPa，最小水平主應力為18.6MPa，應力差為10.4MPa，水平應力差異系數(shù)為0.56（表1）。

表1 研究區(qū)五峰組—龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖段可壓裂性參數(shù)統(tǒng)計表Table 1 Statistics of fracability parameters of high-quality shale section of Wufeng-Longmaxi Formation in the study area

3 頁巖氣成藏主控因素

從優(yōu)質(zhì)頁巖靜態(tài)參數(shù)對比來看，道真—武隆地區(qū)優(yōu)質(zhì)頁巖厚度、TOC、孔隙度、石英含量等參數(shù)基本相當，但含氣量、吸附氣占比及含氣飽和度存在一定差異（表2）。根據(jù)前期勘探實踐及認識，對比分析認為保存條件是背斜型淺層頁巖氣成藏的主控因素[1-4，25-26]。

表2 渝東南地區(qū)五峰組—龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖段主要參數(shù)統(tǒng)計表Table 2 Statistics of main parameters of high-quality shale section of Wufeng-Longmaxi Formation in southeast Chongqing area

3.1 深水陸棚相優(yōu)質(zhì)頁巖發(fā)育，各項靜態(tài)指標優(yōu)越

研究區(qū)發(fā)育深水陸棚相控制下形成的優(yōu)質(zhì)頁巖，由于原始沉積環(huán)境基本相同，致使優(yōu)質(zhì)頁巖段各項靜態(tài)參數(shù)差別不大（表2）。從沉積建造來看，由南部的安場向斜向北部道真向斜、洛龍背斜、武隆向斜、老廠坪背斜，雖然同處于深水陸棚，但受水體深度和沉積古地形的影響，優(yōu)質(zhì)頁巖厚度逐漸增厚（圖7）。從平面分布特征來看，研究區(qū)處于深水陸棚相生烴中心，優(yōu)質(zhì)頁巖厚度大（29～37.5m），地球化學指標優(yōu)越（TOC平均為3.59%～4.15%），頁巖生烴強度大，具備良好的頁巖氣富集物質(zhì)基礎；優(yōu)質(zhì)頁巖靜態(tài)指標與南川和焦石壩地區(qū)相當（圖8）。

圖7 渝東南地區(qū)常壓頁巖氣區(qū)五峰組—龍馬溪組沉積模式圖Fig.7 Sedimentary pattern of Wufeng-Longmaxi Formation in normal pressure shale gas zone in southeast Chongqing area

圖8 渝東南地區(qū)五峰組—龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖靜態(tài)指標分布圖Fig.8 Plane distribution of geochemical parameters of high-quality shale section of Wufeng-Longmaxi Formation in southeast Chongqing area

3.2 逸散程度和保存條件是影響頁巖氣成藏的關鍵因素

志留系頁巖生烴時間較早，后期經(jīng)歷從海西期—喜馬拉雅期的多期構(gòu)造改造。構(gòu)造作用造成的保存條件差異，是導致含氣性差異的主要原因。受雪峰山構(gòu)造作用影響，從四川盆地內(nèi)到盆外殘留向斜區(qū)，構(gòu)造改造作用逐步增強，保存條件逐步變差，地層壓力系數(shù)逐步減小，背斜型淺層頁巖氣處于常壓頁巖氣區(qū)。同時，由于構(gòu)造變形起始時間、頁巖氣逸散時間長短存在差異，造成總含氣量及游離氣占比不同。渝東南地區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖最大埋深基本一致，但抬升時間自東向西逐步變新，彭水地區(qū)桑柘坪向斜在距今125Ma時開始抬升，武隆—道真地區(qū)武隆向斜在距今95Ma時開始抬升，而盆內(nèi)南川地區(qū)則在距今90Ma時開始抬升，焦石壩地區(qū)開始抬升時間約為距今85Ma[3]（圖9），因此盆外以吸附氣為主。盆外背斜區(qū)相對向斜區(qū)抬升高度更高，埋藏更淺，頁巖氣逸散量更大，現(xiàn)今游離氣占比僅有20%左右，而游離氣占比的降低直接導致壓裂改造后的測試產(chǎn)量低下（圖10）。

圖9 渝東南地區(qū)典型井五峰組—龍馬溪組埋藏史對比Fig.9 Comparison of burial history of Wufeng-Longmaxi Formation in typical wells in southeast Chongqing area

圖10 渝東南地區(qū)常壓頁巖氣井五峰組—龍馬溪組埋深與含氣性關系圖Fig.10 Relationship between burial depth and gas bearing properties of Wufeng-Longmaxi Formation in normal pressure shale gas wells in southeast Chongqing area

通過對洛龍背斜和老廠坪背斜頁巖氣地質(zhì)特征分析，認為渝東南地區(qū)背斜型淺層頁巖氣成藏模式為構(gòu)造作用主體控制、淺埋藏、橫縱向聯(lián)合逸散、背斜型常壓頁巖氣的模式（圖11）。

圖11 渝東南地區(qū)背斜型淺層頁巖氣成藏模式圖Fig.11 Gas accumulation pattern of anticline type shallow shale gas in southeast Chongqing area

結(jié)合常壓頁巖氣富集規(guī)律研究，根據(jù)常壓頁巖氣甜點目標評價體系，綜合評價出老廠坪背斜埋深500～1500m有利區(qū)面積230km2、資源量650×108m3，洛龍背斜埋深500～1500m有利區(qū)面積160km2、資源量500×108m3。渝東南地區(qū)武隆、桑柘坪、道真、安場、松坎等殘留向斜區(qū)通常均與背斜區(qū)緊緊相連，參考背斜型淺層頁巖氣的勘探評價方法，初步評價出渝東南殘留向斜區(qū)有利面積2157km2，測試日產(chǎn)氣量為（2～6）×104m3，保存條件較好，資源潛力較大[3，9]，是下一步頁巖氣增儲上產(chǎn)的重要陣地。

4 工程工藝技術對頁巖氣井產(chǎn)量的影響

根據(jù)老廠坪背斜頁巖氣藏地質(zhì)特征，PD1HF井選用105MPa井口配套裝備，主體采用減阻水造縫，選取以70/140目石英砂、40/70目石英砂及30/50目石英砂作為主要支撐劑，排量和砂比階梯式升高，變粒徑混合加砂，連續(xù)加砂，結(jié)合多簇射孔、投球轉(zhuǎn)向暫堵等壓裂工藝。由于埋深較淺，各項施工參數(shù)值較低，以第7段壓裂施工為例，該段埋深為1070～1080m，破裂壓力為41.6MPa，施工壓力為32.2～41.2MPa，施工排量為16～18m3/min（圖12），總液量為1876.96m3，總砂量為150.17m3，其中70/140目 石 英 砂 30.59m3、40/70目 石 英 砂 108.19m3、30/50目石英砂11.39m3，投14mm暫堵球35個，轉(zhuǎn)向壓力為33.8～40.2MPa。

圖12 PD1HF井壓裂施工曲線圖Fig.12 Fracturing operation curve of Well PD1HF

渝東南地區(qū)頁巖氣井壓裂施工參數(shù)明顯受頁巖埋深影響，埋深越大，破裂壓力和施工壓力越大（表3、圖13）。盆外背斜區(qū)埋深變淺，水平應力和破裂壓力減小，天然裂縫發(fā)育程度降低，水力壓裂施工難度小。但是，在楊氏模量、泊松比等彈性力學參數(shù)未發(fā)生明顯變化及水平應力差異系數(shù)增大的情況下，水力壓裂縫網(wǎng)復雜程度會降低，從而影響單井產(chǎn)量[27-35]。

圖13 渝東南地區(qū)頁巖氣井埋深—破裂壓力—施工壓力關系圖Fig.13 Relationship between burial depth， fracture pressure and construction pressure in shale gas wells in southeast Chongqing area

表3 渝東南地區(qū)五峰組—龍馬溪組壓裂參數(shù)對比表Table 3 Comparison of fracturing parameters of Wufeng-Longmaxi Formation in typical wells in southeastern Chongqing area

與相同埋深的超壓頁巖氣和盆內(nèi)埋深大的常壓—超壓頁巖氣相比，渝東南地區(qū)背斜型常壓頁巖氣試采產(chǎn)量取得了一定的突破，但仍處于效益邊緣，項目抗風險能力弱，需通過技術優(yōu)化提高單井規(guī)模產(chǎn)能和降低施工成本來實現(xiàn)效益開發(fā)。如優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)，“三開制”變“二開制”；全井段優(yōu)選大扭矩、長壽命螺桿，配合高效聚晶金剛石復合片鉆頭+激進參數(shù)，提升機械鉆速；水平段采用常規(guī)隨鉆測井儀器+“地質(zhì)工程一體化”導向技術提高儲層鉆遇率；采用“長段多簇、投球暫堵、高強度加砂”工藝，配套“全電動壓裂、全程石英砂”等提速提效措施，致力提升單井產(chǎn)量的同時兼顧控制壓裂成本。

前期勘探證實四川盆地及其周緣五峰組—龍馬溪組一段頁巖氣層可以分為上、下兩個氣層，但是與四川盆地內(nèi)及四川盆地周緣向斜區(qū)相比，四川盆地外背斜區(qū)由于抬升早，頁巖氣逸散時間更長，因此上部氣層勘探潛力有限，應將下部氣層作為重點勘探評價層系[4，6，8-9，36]。還需要進行低成本壓裂技術攻關，形成適用的工藝技術、支撐劑、壓裂液體系，既能降低成本，又能增加有效儲層改造體積，獲得更高的日產(chǎn)氣量及更長的穩(wěn)產(chǎn)時間，提高單井估算的最終可采儲量。

5 結(jié)論

（1）渝東南地區(qū)洛龍、老廠坪等背斜型構(gòu)造單元五峰組—龍馬溪組頁巖為深水陸棚相黑色硅質(zhì)頁巖，具有厚度、TOC、孔隙度、脆性礦物含量等靜態(tài)指標優(yōu)越、生烴條件好的特征。

（2）渝東南地區(qū)背斜型淺層頁巖氣遭受多期構(gòu)造改造，逸散程度和保存條件是頁巖氣成藏的關鍵因素。雖然遭受較長的泄壓和改造過程，但仍有一部分烴類氣滯留在優(yōu)質(zhì)頁巖段中，含氣性不及殘留向斜區(qū)和盆內(nèi)背斜區(qū)，具備一定的勘探潛力。

（3）通過對洛龍背斜和老廠坪背斜頁巖氣地質(zhì)特征分析，認為渝東南地區(qū)背斜型淺層頁巖氣成藏模式為受背斜型構(gòu)造背景控制、優(yōu)質(zhì)頁巖層埋藏較淺、長期遭受橫縱向聯(lián)合逸散、呈現(xiàn)為常壓狀態(tài)的頁巖氣成藏模式。

（4）渝東南地區(qū)背斜型淺層頁巖氣處于常壓狀態(tài)、埋深淺、地應力小，各項施工參數(shù)值較低，易于壓裂施工，但需要采用更合理的工程工藝技術，便于壓裂形成復雜縫網(wǎng)，提高單井產(chǎn)量的同時降低施工成本，實現(xiàn)效益開采，進一步為四川盆地外常壓頁巖氣區(qū)的勘探評價提供依據(jù)。