劉忠寶，王鵬威，聶海寬，李鵬，李倩文

(1.頁(yè)巖油氣富集機(jī)理與有效開(kāi)發(fā)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京，100083；2.中國(guó)石化石油勘探開(kāi)發(fā)研究院，北京，100083)

中上揚(yáng)子地區(qū)下寒武統(tǒng)發(fā)育一套深水陸棚相富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖，是我國(guó)南方頁(yè)巖氣勘探重要接替層系之一。2010年以來(lái)，中上揚(yáng)子地區(qū)下寒武統(tǒng)頁(yè)巖氣勘探相繼獲得了一些頁(yè)巖氣流發(fā)現(xiàn)。川西南威遠(yuǎn)地區(qū)W201-H3 井筇竹寺組獲日產(chǎn)氣2.8×104m3，井研—犍為地區(qū)JY1HF井筇竹寺組獲日產(chǎn)氣4×104～8×104m3；黔東南TX1井牛蹄塘組獲日產(chǎn)氣3 000 m3，HY1 井在九門(mén)沖組獲日產(chǎn)氣418 m3；中揚(yáng)子宜昌YY1井水井沱組獲日產(chǎn)氣6.02×104m3，揭示出了下寒武統(tǒng)頁(yè)巖具備一定的頁(yè)巖氣勘探潛力，但仍然面臨諸多的難題，至今尚未形成規(guī)?？碧介_(kāi)發(fā)陣地。長(zhǎng)期以來(lái)，針對(duì)南方下寒武統(tǒng)頁(yè)巖沉積相及分布特征、烴源條件、儲(chǔ)集條件、保存條件和有利區(qū)預(yù)測(cè)等方面均已開(kāi)展了研究工作[1-8]，也取得了較好的認(rèn)識(shí)成果，研究普遍認(rèn)為下寒武統(tǒng)頁(yè)巖生烴品質(zhì)較好，平面分布范圍廣，但多數(shù)地區(qū)構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈，保存條件復(fù)雜，有利區(qū)與目標(biāo)優(yōu)選難度大。

受研究目的與資料條件等因素限制，前期對(duì)于寒武系頁(yè)巖氣的研究多局限于中上揚(yáng)子地區(qū)的某一部分地區(qū)或各自的礦權(quán)區(qū)內(nèi)[5-12]，而對(duì)于中上揚(yáng)子地區(qū)寒武系頁(yè)巖氣的富集條件、主控因素及有利區(qū)帶評(píng)價(jià)缺乏較為系統(tǒng)的整體研究。為此，本文作者在充分調(diào)研前人研究成果的基礎(chǔ)上，基于50 多條野外露頭剖面、40 口常規(guī)鉆井與頁(yè)巖氣專(zhuān)探井資料，開(kāi)展綜合研究，編制中上揚(yáng)子地區(qū)下寒武統(tǒng)頁(yè)巖沉積、烴源、埋深等基礎(chǔ)地質(zhì)圖件，開(kāi)展川西南井研—犍為、川北南江、川東南彭水、黔南黃平、湘鄂西、宜昌和湘西北等多個(gè)地區(qū)典型鉆井頁(yè)巖氣富集條件綜合解剖與對(duì)比，明確頁(yè)巖氣富集主控因素，并以此為指導(dǎo)，采用單因素成圖—多因素疊合評(píng)價(jià)的方法，優(yōu)選出中上揚(yáng)子地區(qū)下寒武統(tǒng)頁(yè)巖氣勘探有利區(qū)。

1 頁(yè)巖氣發(fā)育條件

1.1 頁(yè)巖沉積特征

中上揚(yáng)子地區(qū)富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖主要發(fā)育于下寒武統(tǒng)筇竹寺組及其相當(dāng)?shù)貙?，包括牛蹄塘組、郭家壩組、九門(mén)沖組及水井沱組等，頁(yè)巖礦物以硅質(zhì)、黏土礦物為主，其次為碳酸鹽礦物[9]。巖相包括含小殼化石硅質(zhì)頁(yè)巖、硅質(zhì)頁(yè)巖、含小殼化石磷炭質(zhì)頁(yè)巖、灰質(zhì)紋層炭質(zhì)頁(yè)巖、炭質(zhì)頁(yè)巖、泥(粉)晶灰質(zhì)頁(yè)巖、紋層狀黏土質(zhì)頁(yè)巖、紋層狀粉砂質(zhì)頁(yè)巖、粉砂質(zhì)頁(yè)巖等9種類(lèi)型[10]，結(jié)合露頭剖面實(shí)測(cè)、巖芯觀察及鉆井巖性剖面，可識(shí)別出12 種典型巖相組合類(lèi)型(圖1)，根據(jù)頁(yè)巖顏色、黃鐵礦、方解石、膠磷礦等特殊礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)及其組合特征的綜合分析，認(rèn)為圖1(a)～(e)中巖相組合主要形成于淺水、含氧、較弱水動(dòng)力沉積環(huán)境，圖1(f)～(i)中巖相組合主要形成于較深水、貧氧、較弱水動(dòng)力或弱水動(dòng)力沉積環(huán)境，圖1(j)～(l)中巖相組合主要形成于深水、缺氧、弱水動(dòng)力沉積環(huán)境。

圖1 中上揚(yáng)子地區(qū)下寒武統(tǒng)巖相組合類(lèi)型及特征Fig.1 Types and characteristics of lithology combinations at Lower Cambrian in Middle-Upper Yangtze

巖相組合類(lèi)型及沉積相研究表明：早寒武世，沉積水體由深變淺，以快速海侵轉(zhuǎn)變?yōu)榫徛Ｍ顺练e，細(xì)粒沉積物自下而上由富硅、富磷、富碳頁(yè)巖向砂泥質(zhì)互層或砂質(zhì)、泥質(zhì)與灰質(zhì)互層混積或灰泥質(zhì)，再到純碳酸鹽巖沉積。平面上，富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖主要受2 個(gè)大型的深水陸棚相區(qū)控制[10]，一是四川盆地西南部資陽(yáng)—長(zhǎng)寧一線(xiàn)近南北向展布的區(qū)域，二是四川盆地之外東南部的鄂、渝、黔等大部分地區(qū)，為下寒武統(tǒng)筇竹寺組的2個(gè)沉積中心，其差別在于前者靠近西部古陸碎屑巖物源區(qū)，夾持于砂泥質(zhì)淺水陸棚內(nèi)部，為受繼承性克拉通內(nèi)裂陷控制的帶狀展布的炭泥質(zhì)深水陸棚相沉積，而后者為淺海大陸架上，靠近深海盆地區(qū)的炭泥質(zhì)深水陸棚沉積(圖2)。城口—房縣以北地區(qū)為硅炭質(zhì)斜坡—深水盆地相沉積，主要發(fā)育薄層黑色硅質(zhì)頁(yè)巖、炭質(zhì)頁(yè)巖。

圖2 中上揚(yáng)子地區(qū)下寒武統(tǒng)筇竹寺組沉積相展布圖Fig.2 Sedimentary facies distribution of Lower Cambrian Qiongzhusi Formation in Middle-Upper Yangtze

整體而言，下寒武統(tǒng)筇竹寺組沉積物類(lèi)型豐富多樣，砂質(zhì)、泥質(zhì)、灰質(zhì)及砂泥灰混合沉積均有發(fā)育，如江油—井研—昭通—祿勸以西的地區(qū)發(fā)育濱岸相中—細(xì)砂巖及淺水砂泥質(zhì)陸棚沉積，利川地區(qū)發(fā)育淺水灰泥質(zhì)陸棚沉積，丁山地區(qū)發(fā)育淺水砂泥灰質(zhì)互層的混積陸棚沉積，其發(fā)育除受相對(duì)海平面升降變化(快速海侵—緩慢海退)控制外，還與砂質(zhì)碎屑古陸物源區(qū)及碳酸鹽巖水下隆起的發(fā)育密切相關(guān)。

1.2 頁(yè)巖烴源特征

在收集整理下寒武統(tǒng)頁(yè)巖有機(jī)地球化學(xué)測(cè)試數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，進(jìn)一步選取7個(gè)地區(qū)的典型野外露頭及取芯鉆井開(kāi)展樣品分析測(cè)試，頁(yè)巖總有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)w(TOC)(N=1 091個(gè))統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，黔東南和黔北這2 個(gè)地區(qū)頁(yè)巖w(TOC)最高，平均值大于4%，其次為黔中、湘鄂西、川北地區(qū)，頁(yè)巖w(TOC)平均值介于2%～4%之間，川西南與宜昌地區(qū)最低，w(TOC)平均值介于1%～2%之間(圖3)。頁(yè)巖等效鏡質(zhì)體反射率Ro(N=128個(gè))統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，整體已進(jìn)入過(guò)成熟階段，其中黔北、湘鄂西熱演化程度最高，Ro平均值大于3.00%，其次為川西南、黔中地區(qū)，Ro平均值分別為2.84%和2.70%，川北與宜昌地區(qū)相對(duì)最低，平均值在2.50%左右(圖4)。從頁(yè)巖干酪根碳同位素比值(N=207 個(gè))的統(tǒng)計(jì)與對(duì)比分析來(lái)看，不同地區(qū)之間差異不大，平均值均小于-30‰，生烴母質(zhì)類(lèi)型好，Ⅰ型干酪根為主，生油氣能力強(qiáng)(圖5)。綜上所述，研究區(qū)下寒武統(tǒng)頁(yè)巖整體具有有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)高、有機(jī)質(zhì)類(lèi)型好和熱演化程度高的特點(diǎn)。

圖3 不同地區(qū)下寒武統(tǒng)頁(yè)巖w(TOC)對(duì)比圖Fig.3 Comparison of w(TOC) of Lower Cambrian shale from different areas

圖4 不同地區(qū)下寒武統(tǒng)頁(yè)巖等效鏡質(zhì)體反射率(Ro)對(duì)比圖Fig.4 Comparison of equivalent vitrinite reflectance (Ro)of Lower Cambrian shale from different areas

圖5 不同地區(qū)下寒武統(tǒng)頁(yè)巖干酪根碳同位素對(duì)比圖Fig.5 Comparison of carbon isotopes of Lower Cambrian kerogen from different areas

以研究區(qū)野外露頭剖面、鉆井巖心頁(yè)巖樣品w(TOC)測(cè)試及測(cè)井解釋數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，繪制下寒武統(tǒng)富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖(厚度＞20 m)平面分布特征(圖6)，由圖6可見(jiàn)：在四川盆地內(nèi)部富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖主要分布在長(zhǎng)寧—資陽(yáng)—南江一線(xiàn)地區(qū)，主體厚度為40～80 m，其中，資陽(yáng)地區(qū)、川北南江以南局部地區(qū)厚度最大；四川盆地外部鄂西—渝東、黔北及黔東南大部分地區(qū)發(fā)育大套連續(xù)富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖段，厚度多大于100 m，局部地區(qū)可達(dá)160 m 以上；此外，川東北城口—建始—宜昌—房縣之間的大部分地區(qū)富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖也較發(fā)育，厚度主體在20～80 m 之間。結(jié)合沉積相平面展布特征來(lái)看，富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖的分布受沉積相帶控制明顯，主要發(fā)育于深水陸棚相。

圖6 中上揚(yáng)子地區(qū)筇竹寺組富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖厚度等值線(xiàn)圖Fig.6 Mapped organic-rich shale thickness contours in Qiongzhusi Formation in Middle-Upper Yangtze

1.3 頁(yè)巖儲(chǔ)集特征

1.3.1 頁(yè)巖物性特征

對(duì)JY1，HY1，CS1 和EY1 等4 口重點(diǎn)井進(jìn)行孔隙度測(cè)試分析，同時(shí)收集并統(tǒng)計(jì)分析28 口鉆井頁(yè)巖孔隙度，結(jié)果如表1所示。由表1可見(jiàn)：下寒武統(tǒng)頁(yè)巖孔隙度整體偏低[11-12]，介于0.10%～6.21%之間，平均孔隙度僅為2.20%，但川西南、川北及宜昌地區(qū)仍有部分鉆井頁(yè)巖平均孔隙度(＞3.0%)相對(duì)較高。這主要與受頁(yè)巖礦物組成、有機(jī)質(zhì)豐度及保存條件等因素影響，導(dǎo)致不同地區(qū)頁(yè)巖發(fā)育的孔隙類(lèi)型存在差異有關(guān)，川西南JY1井頁(yè)巖黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)高、w(TOC)相對(duì)低(平均值為1.1%)，地層超壓，保存條件好，頁(yè)巖孔隙類(lèi)型以黏土礦物層間孔為主，有機(jī)質(zhì)孔次之；宜昌地區(qū)YD2 井頁(yè)巖中富含碳酸鹽礦物，方解石粒內(nèi)溶蝕孔、有機(jī)質(zhì)孔均較發(fā)育；而黔東南HY1 井、湘鄂西EY1井等四川盆地之外的大部分地區(qū)頁(yè)巖w(TOC)較高(平均值可達(dá)6%)，生油期大量液態(tài)原油充注，占據(jù)了早期經(jīng)受壓實(shí)后殘余的無(wú)機(jī)孔隙，構(gòu)造裂縫多，保存條件差，有機(jī)質(zhì)孔中天然氣散失會(huì)導(dǎo)致孔隙萎縮變小(孔徑＜30 nm為主)，因此頁(yè)巖孔隙度普遍較低。

表1 中上揚(yáng)子地區(qū)下寒武統(tǒng)鉆井頁(yè)巖孔隙度統(tǒng)計(jì)分析表Table 1 Porosity of drilled Lower Cambrian shale in Middle-Upper Yangtze

1.3.2 頁(yè)巖孔隙類(lèi)型及特征

氬離子拋光-掃描電鏡觀察鑒定分析表明，下寒武統(tǒng)富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖中無(wú)機(jī)礦物質(zhì)孔、有機(jī)質(zhì)孔及微裂縫均有發(fā)育，微觀尺度下構(gòu)造微裂縫和成巖收縮微裂縫普遍發(fā)育，依據(jù)無(wú)機(jī)礦物、有機(jī)質(zhì)及有機(jī)質(zhì)孔之間的依附關(guān)系，可識(shí)別出3種有機(jī)質(zhì)孔類(lèi)型：有機(jī)質(zhì)-黏土復(fù)合體內(nèi)有機(jī)質(zhì)孔隙、無(wú)機(jī)礦物粒(晶)間有機(jī)質(zhì)內(nèi)孔隙、黃鐵礦晶間有機(jī)質(zhì)內(nèi)孔隙，如表2所示。無(wú)機(jī)礦物質(zhì)孔主要有4 種類(lèi)型：粒(晶)間孔、粒(晶)內(nèi)孔、黏土礦物層間孔和黃鐵礦集合體晶間孔。不同地區(qū)頁(yè)巖孔隙類(lèi)型發(fā)育存在一定差異[13-16]。其中，川西南地區(qū)以黏土礦物層間孔與有機(jī)質(zhì)孔為主；宜昌地區(qū)以方解石粒內(nèi)溶蝕孔與有機(jī)質(zhì)孔為主；而黔東南、黔中、黔北及湘鄂西等大部分地區(qū)僅發(fā)育有機(jī)質(zhì)孔，無(wú)機(jī)孔整體欠發(fā)育。

表2 典型下寒武統(tǒng)頁(yè)巖儲(chǔ)層微觀孔隙類(lèi)型劃分及其特征Table 2 Classification and characteristics of micro pore types in Lower Cambrian shale reservoirs

2 頁(yè)巖氣富集主控因素

為查明研究區(qū)寒武系海相頁(yè)巖氣富集主控因素，選取5個(gè)重點(diǎn)地區(qū)典型頁(yè)巖氣井或兼探井進(jìn)行頁(yè)巖氣形成條件綜合對(duì)比，包括沉積相、頁(yè)巖巖相、優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖厚度、有機(jī)質(zhì)豐度、熱演化程度、巖石礦物組成、儲(chǔ)集性能、保存條件及含氣性等。在不同地區(qū)頁(yè)巖氣形成條件差異性分析的基礎(chǔ)上(表3)，總結(jié)提出了寒武系頁(yè)巖氣富集成藏的主控因素。

表3 重點(diǎn)地區(qū)典型井頁(yè)巖氣發(fā)育地質(zhì)條件綜合對(duì)比Table 3 Comparison of shale gas development conditions from typical wells in key areas

2.1 深水陸棚相優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖的發(fā)育是頁(yè)巖氣“成烴”的物質(zhì)基礎(chǔ)

勘探實(shí)踐已證實(shí)，無(wú)論在任何地區(qū)或盆地范圍進(jìn)行頁(yè)巖氣勘探，其首要任務(wù)都是尋找優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖發(fā)育區(qū)及層段，頁(yè)巖w(TOC)高、厚度大、平面分布范圍廣是形成大型頁(yè)巖氣田的基礎(chǔ)條件。研究區(qū)下寒武統(tǒng)沉積相、富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖分布及頁(yè)巖氣井實(shí)際鉆探效果綜合研究表明，深水陸棚相優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖發(fā)育具有縱向上厚度大、平面上分布范圍廣的特點(diǎn)，但具體到不同地區(qū)，沉積成因類(lèi)型仍有所不同，可以識(shí)別出3種成因類(lèi)型：

1) 陸架邊緣斜坡型。主要分布在四川盆地外部的鄂西—渝東、黔北、黔東南等地區(qū)，頁(yè)巖發(fā)育受上升洋流作用控制，頁(yè)巖巖相類(lèi)型以硅質(zhì)頁(yè)巖、炭質(zhì)頁(yè)巖為主，縱向上連續(xù)性好，厚度大，w(TOC)高，如黔東南HY1 井，頁(yè)巖w(TOC)介于2.2%～9.5%，平均值可達(dá)6.3%，w(TOC)＞4%的頁(yè)巖厚度可達(dá)90 m。

2) 棚內(nèi)拉張槽型。主要分布在四川盆地長(zhǎng)寧—資陽(yáng)—南江一線(xiàn)地區(qū)，頁(yè)巖發(fā)育受基底斷裂早寒武世的多幕塹壘式活動(dòng)控制，拉張作用形成裂陷區(qū)后，至少發(fā)生4期強(qiáng)迫式海侵，形成閉塞深水區(qū)，控制了縱向上4 套厚度不等的優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖的發(fā)育。自西向東由JY1 井—ZY1 井—GS17 井—GS1筇竹寺組4套富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖橫向上具有較好的可對(duì)比性，且優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖具有中心厚向東、西兩側(cè)減薄至殲滅的特點(diǎn)。JY1HF 井水平井穿行筇竹寺組上部頁(yè)巖層段測(cè)試獲平均日產(chǎn)4×104m3頁(yè)巖氣流，證實(shí)了該類(lèi)型頁(yè)巖的良好勘探潛力。

3) 臺(tái)地前緣斜坡型。主要分布在中揚(yáng)子宜昌地區(qū)，頁(yè)巖發(fā)育受東部淹沒(méi)型古碳酸鹽巖臺(tái)地控制，處于臺(tái)棚過(guò)渡區(qū)，頁(yè)巖巖相以炭質(zhì)頁(yè)巖、灰質(zhì)頁(yè)巖為主，局部夾泥質(zhì)灰?guī)r，如YD2 井頁(yè)巖w(TOC)為0.52%～5.96%，平均值為3.42%，w(TOC)＞2%的頁(yè)巖厚度為24 m。YY1井水井沱組含氣量超過(guò)2 m3/t的頁(yè)巖厚度可達(dá)35 m，壓裂測(cè)試獲得日產(chǎn)頁(yè)巖氣6.02×104m3，取得中揚(yáng)子地區(qū)古老層系頁(yè)巖氣勘探的重要突破。

2.2 頁(yè)巖儲(chǔ)集性能好是頁(yè)巖氣“聚集成藏”的關(guān)鍵因素

非常規(guī)頁(yè)巖氣源儲(chǔ)一體，滯留成藏，烴源條件、儲(chǔ)集條件及其相互之間的良好配置關(guān)系，對(duì)頁(yè)巖氣的富集至關(guān)重要。下寒武統(tǒng)頁(yè)巖整體具有良好的生烴能力毋庸置疑，因此，其是否具有好的儲(chǔ)集能力是控制頁(yè)巖氣“聚集成藏”的關(guān)鍵。研究表明，下寒武統(tǒng)頁(yè)巖儲(chǔ)集性能整體較差，絕大多數(shù)鉆井頁(yè)巖平均孔隙度小于2%，僅有個(gè)別地區(qū)少量鉆井頁(yè)巖平均孔隙度大于3%，目前未見(jiàn)頁(yè)巖平均孔隙度超過(guò)4%的鉆井。結(jié)合鉆井氣測(cè)顯示與測(cè)試產(chǎn)氣效果來(lái)看，孔隙度相對(duì)高的頁(yè)巖氣井氣測(cè)顯示普遍更好，且部分鉆井壓裂測(cè)試獲得工業(yè)頁(yè)巖氣流。

川西南JY1 井筇竹寺組上部頁(yè)巖孔隙度為1.79%～5.84%，平均值為3.41%，頁(yè)巖儲(chǔ)層孔隙以黏土礦物層間孔、粒間孔與有機(jī)質(zhì)孔等多種孔隙類(lèi)型為主，頁(yè)巖層段含氣量為0.53～4.69 m3/t，平均值為1.68 m3/t，壓裂測(cè)試求產(chǎn)，最高獲日產(chǎn)氣8.435×104m3，該井是目前寒武系壓裂測(cè)試效果較好的頁(yè)巖氣井之一，盡管其有機(jī)質(zhì)孔發(fā)育程度不如五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖，但其大量黏土礦物層間孔與有機(jī)質(zhì)孔在一定范圍內(nèi)相互連通，能夠形成有機(jī)—無(wú)機(jī)復(fù)合孔隙系統(tǒng)，對(duì)于提高儲(chǔ)氣能力起到了關(guān)鍵作用。

而黔東南、黔北、鄂西—渝東等地區(qū)鉆井孔隙度普遍低，且氣測(cè)顯示及頁(yè)巖含氣性均較差，僅貴州黃平HY1 井、岑鞏TX1 井獲得低產(chǎn)頁(yè)巖氣流，其頁(yè)巖儲(chǔ)層孔隙以發(fā)育有機(jī)質(zhì)孔為主，無(wú)機(jī)礦物質(zhì)孔基本不發(fā)育，孔隙類(lèi)型單一，且有機(jī)質(zhì)孔的孔徑極小(＜30 nm)，導(dǎo)致孔隙連通性差，總孔隙度低，頁(yè)巖儲(chǔ)氣能力差。綜上所述，寒武系不缺少優(yōu)質(zhì)烴源，但成巖演化、生烴成孔演化及其兩者的協(xié)同作用過(guò)程中，各類(lèi)無(wú)機(jī)孔、有機(jī)質(zhì)孔能否得以保存，提供足夠的儲(chǔ)集空間是頁(yè)巖氣富集成藏，是獲得高產(chǎn)的關(guān)鍵。

2.3 保存條件好是決定頁(yè)巖氣“富集程度”的重要保障

研究區(qū)寒武系頁(yè)巖經(jīng)歷了多期構(gòu)造活動(dòng)，不同地區(qū)構(gòu)造演化差異大，形成的斷裂及裂縫具有多類(lèi)型、多期次疊加的特點(diǎn)[17-18]，頁(yè)巖氣保存條件復(fù)雜。頂?shù)装鍡l件、斷裂及裂縫發(fā)育程度是頁(yè)巖氣保存條件評(píng)價(jià)的主要因素，良好的保存條件是頁(yè)巖氣富集成藏的重要保障。

2.3.1 頂?shù)装鍡l件分析

良好的頁(yè)巖頂?shù)装鍙捻?yè)巖生烴開(kāi)始就能有效阻止烴類(lèi)縱向散失而滯留成藏，是頁(yè)巖氣富集的前提[19]，在壓裂改造過(guò)程中，可以避免人工裂縫刺穿高滲透含水層，降低頁(yè)巖氣層破壞的風(fēng)險(xiǎn)。研究區(qū)下寒武統(tǒng)筇竹寺組及其相當(dāng)層位的富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖段的頂板為筇竹寺組上部至滄浪鋪組大套灰色—深灰色黏土質(zhì)頁(yè)巖、粉砂質(zhì)頁(yè)巖，厚度最大可達(dá)800 m，再向上局部地區(qū)還有中寒武統(tǒng)區(qū)域性膏鹽巖地層封蓋。但其底板主要為震旦系燈影組白云巖，且大部分地區(qū)具備較好的溶蝕改造條件，為縫洞型白云巖儲(chǔ)層發(fā)育的有利地區(qū)，不利于頁(yè)巖氣的保存，且壓裂過(guò)程中易造成下寒武統(tǒng)頁(yè)巖被壓穿而與燈影組接觸貫通，造成頁(yè)巖氣逸散。

從頁(yè)巖氣井實(shí)際鉆探效果來(lái)看，川西南地區(qū)JS1 井直井壓裂層段、JY1 井水平井穿行層段均位于筇竹寺組上段，其頂板為厚層黏土質(zhì)頁(yè)巖與粉砂質(zhì)頁(yè)巖，底板為厚層粉砂質(zhì)頁(yè)巖夾炭質(zhì)頁(yè)巖[20]，避開(kāi)了底板震旦系燈影組白云巖儲(chǔ)層大量排烴及壓裂穿層的風(fēng)險(xiǎn)，壓裂測(cè)試均獲工業(yè)頁(yè)巖氣流。而黔北ZY1井、SY1井，湘鄂西CS1井、EY1井等盡管頁(yè)巖有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)很高，但頁(yè)巖含氣性普遍較差，其中一個(gè)重要的原因就是富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖段底板震旦系燈影組白云巖段保存條件差。

2.3.2 構(gòu)造作用分析

構(gòu)造作用的強(qiáng)度與持續(xù)時(shí)間決定了頁(yè)巖氣保存條件。構(gòu)造強(qiáng)度越大、抬升剝蝕越嚴(yán)重、活動(dòng)時(shí)間越長(zhǎng)，對(duì)頁(yè)巖氣破壞越嚴(yán)重。中上揚(yáng)子不同地區(qū)構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)度及地層遭受剝蝕程度存在差異，中西部(四川盆地內(nèi)部)大部分地區(qū)構(gòu)造改造作用相對(duì)較弱、構(gòu)造活動(dòng)期次少，早寒武世頁(yè)巖沉積后，未遭受后期剝蝕破壞，地層保存完整性好，保存條件好。而東部、東南部地區(qū)變形改造強(qiáng)烈，發(fā)育有大量深大斷裂與逆沖推覆變形構(gòu)造，如渝東地區(qū)的隔檔式褶皺帶、湘鄂西的隔槽式褶皺帶、湘中的沖斷式褶皺帶，同時(shí)一些地區(qū)還伴隨有巖體侵入與火山活動(dòng)，共同導(dǎo)致頁(yè)巖地層連續(xù)性與完整性被嚴(yán)重?fù)p壞，頁(yè)巖氣保存條件明顯變差。

勘探實(shí)踐證實(shí)，大規(guī)模斷裂及大量構(gòu)造裂縫的發(fā)育不利于頁(yè)巖氣的保存。在研究區(qū)東部、東南部復(fù)雜構(gòu)造區(qū)鉆探的HY1，CS1，EY1和CY1井等10 多口含氣性較低的鉆井，頁(yè)巖段巖芯上均可見(jiàn)較多的高角度裂縫、滑脫面、擦痕面(圖7)，而四川盆地西南部JY1、中揚(yáng)子宜昌YD2等含氣性較高的鉆井，頁(yè)巖段構(gòu)造裂縫基本不發(fā)育，反映出構(gòu)造裂縫的發(fā)育造成了頁(yè)巖氣的大量散失。從黔東南岑鞏地區(qū)同一構(gòu)造帶上的TX1 井與CY1 井的實(shí)際鉆探效果對(duì)比來(lái)看，斷裂相對(duì)不發(fā)育的TX1井含氣性明顯較CY1 井要好[17]，進(jìn)一步證實(shí)斷裂與構(gòu)造裂縫的發(fā)育對(duì)頁(yè)巖氣保存的不利影響。

圖7 HY1井九門(mén)沖組頁(yè)巖巖心裂縫發(fā)育特征Fig.7 Fracture development at shale cores of Jiumenchong from HY1 well

3 頁(yè)巖氣有利區(qū)帶優(yōu)選與勘探方向

3.1 頁(yè)巖氣有利區(qū)帶優(yōu)選

寒武系頁(yè)巖氣發(fā)育的沉積相、烴源等條件整體較好，而不同地區(qū)構(gòu)造與保存、埋藏深度等改造條件差異較大。寒武系經(jīng)歷了多期構(gòu)造疊加改造，尤其是四川盆地以外的大部分地區(qū)，受構(gòu)造改造作用影響，地層支離破碎，出露層位多，四川盆地內(nèi)部與外部不同地區(qū)地層出露層位差異大，全面刻畫(huà)出中上揚(yáng)子地區(qū)下寒武統(tǒng)地層剝蝕情況及埋藏深度，對(duì)于揭示不同地區(qū)頁(yè)巖氣保存條件、確定其埋藏深度是否有利于現(xiàn)有工程技術(shù)條件下的壓裂改造至關(guān)重要。為此，本次研究以中上揚(yáng)子地區(qū)地質(zhì)圖揭示的地層出露及展布規(guī)律為框架，以50 多條露頭剖面、40 口頁(yè)巖氣及常規(guī)鉆井資料為點(diǎn)標(biāo)定，各個(gè)相關(guān)單位編制的一些主要礦權(quán)區(qū)的下寒武統(tǒng)底界埋深圖為局部面標(biāo)定參考，綜合各類(lèi)條件與因素進(jìn)行分析預(yù)測(cè)，編制出了中上揚(yáng)子地區(qū)下寒武統(tǒng)地層底界埋藏深度與剝蝕區(qū)分布圖(圖8)。

圖8 中上揚(yáng)子地區(qū)下寒武統(tǒng)底界埋藏深度圖Fig.8 Depth map of lower Cambrian bottom in Middle-Upper Yangtze

以頁(yè)巖氣富集主控因素為指導(dǎo)，綜合研究區(qū)下寒武統(tǒng)頁(yè)巖沉積相、厚度、w(TOC)、熱演化程度及埋藏深度等各項(xiàng)單因素指標(biāo)參數(shù)平面展布特征，采用單因素分析—多因素疊合評(píng)價(jià)的方法，在建造條件方面以深水陸棚相帶及其控制下的優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖厚度(＞20 m)參數(shù)為核心，在改造條件方面強(qiáng)調(diào)構(gòu)造上“動(dòng)中找靜”、熱演化程度“高中找低”、埋藏深度適中的評(píng)價(jià)原則，并結(jié)合已有鉆井的氣測(cè)顯示及壓裂測(cè)試產(chǎn)氣情況，對(duì)中上揚(yáng)子地區(qū)下寒武統(tǒng)頁(yè)巖氣有利區(qū)帶進(jìn)行了評(píng)價(jià)與優(yōu)選(圖9)。

圖9 中上揚(yáng)子地區(qū)下寒武統(tǒng)頁(yè)巖氣有利區(qū)評(píng)價(jià)圖Fig.9 Optimized prospecting Upper Cambrian shale reservoirs in Middle-Upper Yangtze

Ⅰ類(lèi)有利區(qū)主要分布在川西南井研犍為—威遠(yuǎn)—資陽(yáng)、川北南江及中揚(yáng)子宜昌地區(qū)，其中川西南地區(qū)地層具有高壓特征，整體保存條件較好，威遠(yuǎn)、井研—犍為地區(qū)埋深適中，主要介于2 000～4 000 m，而資陽(yáng)東峰場(chǎng)地區(qū)埋深相對(duì)較大(4 000～5 000 m)，但其與威遠(yuǎn)、井研—犍為地區(qū)相比，其位于南北向展布的深水陸棚相帶沉積中心，富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖厚度更大，ZY1 井頁(yè)巖w(TOC)最高可達(dá)2.43%，w(TOC)大于1.0%的連續(xù)頁(yè)巖厚度可達(dá)150 m；川北南江地區(qū)位于四川盆地北部盆緣帶，TX1井筇竹寺組頁(yè)巖w(TOC)最高可達(dá)3.1%，其中w(TOC)＞2.0%頁(yè)巖厚度為22 m，鄰近的南江沙灘剖面頁(yè)巖Ro介于2.04%～2.54%之間，平均值為2.29%，熱演化程度適中，有利于頁(yè)巖氣生成；中揚(yáng)子宜昌南部地區(qū)構(gòu)造相對(duì)穩(wěn)定，YD2 井、YY1井巖心基本無(wú)裂縫發(fā)育，YD2 井水井沱組頁(yè)巖Ro為2.25%，熱演化程度適中，有利于頁(yè)巖氣富集。

Ⅱ類(lèi)有利區(qū)主要分布在川東北鎮(zhèn)巴、桑植—石門(mén)及黔東南凱里—黃平地區(qū)；III 類(lèi)有利區(qū)主要為正安—綏陽(yáng)—彭水—酉陽(yáng)—沿河—鳳岡一線(xiàn)的向斜連片分布區(qū)，目前實(shí)施井位鉆探極少，推測(cè)主體埋深介于3 000～4 000 m 之間，是四川盆地之外潛在的頁(yè)巖氣勘探領(lǐng)域之一。

3.2 勘探方向與建議

近10年來(lái)，一直在持續(xù)開(kāi)展南方寒武系的頁(yè)巖氣勘探評(píng)價(jià)與井位鉆探工作，在黔、鄂、湘等埋藏相對(duì)淺的背斜區(qū)已相繼鉆探至少20 多口井，頁(yè)巖巖心上高角度裂縫與擦痕面大量發(fā)育，含氣性普遍差。川西南地區(qū)頁(yè)巖氣保存條件相對(duì)較好，但井研—犍為等埋藏淺的地區(qū)產(chǎn)氣頁(yè)巖段厚度小、有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對(duì)低，頁(yè)巖生烴總量有限，高產(chǎn)并持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)難度大，但其筇竹寺組頁(yè)巖層段總厚度大，大套頁(yè)巖夾泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖，從非常規(guī)頁(yè)巖氣-常規(guī)砂巖致密氣一體勘探的角度值得探索。整體而言，寒武系頁(yè)巖氣儲(chǔ)集、賦存及富集機(jī)理極為復(fù)雜，目前現(xiàn)有的認(rèn)識(shí)仍很粗淺，井位部署及實(shí)施應(yīng)慎重，但仍應(yīng)持續(xù)開(kāi)展研究與評(píng)價(jià)，建議如下：

1) 四川盆地內(nèi)部長(zhǎng)寧—資陽(yáng)—南江一線(xiàn)近南北向展布的深水陸棚相區(qū)，優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖厚度大，保存條件好，但埋深大于4 500 m，是寒武系深層頁(yè)巖氣勘探的重要領(lǐng)域。今后應(yīng)加強(qiáng)深層高溫高壓條件下，頁(yè)巖儲(chǔ)層孔隙保持、天然氣賦存狀態(tài)及適應(yīng)性工程壓裂改造技術(shù)的攻關(guān)研究。

2) 四川盆地之外隸屬于湘、鄂、黔等省份的向斜區(qū)分布面積較廣，優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖發(fā)育，推測(cè)保存條件優(yōu)于已鉆探較多鉆井的埋深相對(duì)淺的背斜區(qū)，值得進(jìn)一步關(guān)注與評(píng)價(jià)，尤其是志留系、奧陶系出露開(kāi)孔的地區(qū)，推測(cè)主體埋深相對(duì)淺，介于3 000～4 000 m，是寒武系頁(yè)巖氣勘探的潛在領(lǐng)域。

4 結(jié)論

1) 寒武系頁(yè)巖氣富集受沉積相帶、儲(chǔ)集性能及保存條件3個(gè)因素控制，表現(xiàn)為深水陸棚相優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖的發(fā)育是頁(yè)巖氣“成烴”的物質(zhì)基礎(chǔ)，頁(yè)巖儲(chǔ)集性能好是頁(yè)巖氣“聚集成藏”的關(guān)鍵因素，良好的保存條件是決定頁(yè)巖氣“富集程度”的關(guān)鍵保障；

2) 采用單因素分析—多因素疊合評(píng)價(jià)的方法，在建造條件方面以深水陸棚相帶及其控制下的優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖厚度參數(shù)為核心，在改造條件方面強(qiáng)調(diào)構(gòu)造上“動(dòng)中找靜”、熱演化程度“高中找低”、埋藏深度適中的評(píng)價(jià)原則，提出川西南井研—犍為—威遠(yuǎn)—資陽(yáng)、川北南江及中揚(yáng)子宜昌地區(qū)為頁(yè)巖氣勘探最有利地區(qū)，長(zhǎng)寧—資陽(yáng)—南江一線(xiàn)的深層地區(qū)、隸屬于湘、鄂、黔等省份的志留系、奧陶系開(kāi)孔的向斜區(qū)是值得關(guān)注的潛在領(lǐng)域。