魏富彬,劉珠江,陳斐然,袁 桃,李 飛

中國石化 勘探分公司,成都 610041

四川盆地是我國海相頁巖上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組勘探開發(fā)的主戰(zhàn)場,前期主要受限于對頁巖氣富集規(guī)律的認識、工程工藝技術(shù)等,勘探開發(fā)主要聚焦于埋深小于3 500 m的領(lǐng)域,先后發(fā)現(xiàn)了涪陵、威遠等一批頁巖氣田[1-4],并提出了復(fù)雜構(gòu)造區(qū)海相頁巖氣“二元富集”規(guī)律,有效指導(dǎo)了中國南方海相頁巖氣的高效勘探開發(fā)[5]。但隨著勘探的進一步推進,受本身礦權(quán)、頁巖分布等影響,對埋深大于3 500 m的勘探后備目標(biāo)研究不足。據(jù)新一輪的資源評價估算,整個四川盆地五峰組—龍馬溪組深層頁巖氣(埋深≥3 500 m)資源量超過20×1012m3,占總資源量70%以上,潛力巨大,是亟待突破的新領(lǐng)域[6]。相比中淺層,深層、超深層頁巖埋深更大,溫度、壓力更高,而對于其儲層發(fā)育特征、頁巖氣賦存狀態(tài)及富集規(guī)律認識還不清,制約了下一步的油氣勘探[7-9]。前人對3 500～4 000 m的深層頁巖儲層進行過研究[10-11],而對于埋深大于4 000 m的頁巖儲層研究較少。本文選取川東南地區(qū)不同深層領(lǐng)域4口鉆井中五峰組—龍馬溪組頁巖儲層樣品,開展儲層物性、有機質(zhì)孔發(fā)育狀況、孔隙結(jié)構(gòu)及連通性定量表征,探討不同埋深領(lǐng)域頁巖儲層存在的差異以及隨埋深變化頁巖儲層發(fā)育的變化規(guī)律,以期為該區(qū)深層、超深層頁巖氣的勘探部署提供依據(jù)。

1 深層—超深層頁巖地質(zhì)條件

本文選取川東南地區(qū)五峰組—龍馬溪組不同深度的頁巖儲層樣品進行對比研究,其中,中深層井取自JY2井,五峰組底深2 575 m,水平井壓裂測試獲頁巖氣33.69×104m3/d,壓力系數(shù)1.55;3 500～4000m的深層樣品取自XY1井,五峰組底深3650m,水平井壓裂測試獲頁巖氣53.19×104m3/d,壓力系數(shù)1.90;4 000～4 500 m的深層樣品取自DYS2井,五峰組底深4 278 m,水平井壓裂測試獲頁巖氣41.20×104m3/d,壓力系數(shù)2.06;超深層樣品取自PS1井,五峰組底深5 969 m,直井油管壓裂測試獲頁巖氣7 045 m3/d,壓力系數(shù)1.95(圖1)。上述樣品埋深范圍介于2 500～6 000 m,且處于同一沉積相帶——深水陸棚相,水平井壓裂測試均獲得高產(chǎn);從對比的對象而言,能夠滿足不同埋深下儲層特征對比及變化的研究需要。同時為了保證分析測試精度,降低不同實驗單位存在的系統(tǒng)誤差,本次研究所涉及到的分析測試項目均在中國石化石油勘探開發(fā)研究院無錫石油地質(zhì)研究所完成。

圖1 四川盆地及周緣上奧陶統(tǒng)五峰組底界埋深及重點氣田、取樣井位置

川東南地區(qū)五峰組—龍馬溪組整體處于深水陸棚相帶內(nèi)(圖2),其頁巖品質(zhì)參數(shù)除了在有機碳(TOC)含量大于等于2%的厚度上存在略微差異之外,其余的TOC含量、硅質(zhì)礦物含量、黏土礦物含量等參數(shù)整體相當(dāng)(圖3);同時埋藏史及熱演化程度揭示,該區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖在地質(zhì)歷史時期經(jīng)歷的最大埋深均在7 000 m左右,熱演化程度整體差異不大,只是后期差異抬升剝蝕的強度不同,使得現(xiàn)今頁巖埋深存在差異,出現(xiàn)深層、超深層及中深層等深度域的概念(圖3,圖4)?？傮w而言,川東南地區(qū)不同埋深下的五峰組—龍馬溪組頁巖儲層發(fā)育形成的基礎(chǔ)地質(zhì)背景相似(圖4)。

圖2 四川盆地及周緣下志留統(tǒng)龍馬溪組沉積早期沉積相平面分布

圖3 川東南地區(qū)上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖段厚度、TOC、熱演化程度、礦物含量綜合對比

圖4 四川盆地上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖差異抬升演化示意

2 頁巖儲層特征差異對比

對于頁巖儲層特征研究,目前最常用的是實測孔隙度、氬離子掃描電鏡下有機質(zhì)孔的發(fā)育觀察以及基于CO2-N2-高壓壓汞聯(lián)合表征等多種手段聯(lián)合表征方法[12-17],本文從這3個方面開展研究。

2.1 孔隙度

孔隙度大小是表征頁巖儲層儲集性能的重要參數(shù)。4口不同埋深領(lǐng)域的鉆井中龍馬溪組頁巖儲層實測孔隙度值介于5.2%～7.5%,孔隙度大小與埋深無直接相關(guān)性,整體呈現(xiàn)高孔隙度、高含氣量的特征,其TOC含量與孔隙度、孔隙度與含氣量均呈現(xiàn)良好的相關(guān)性(圖5)。尤其是PS1井,在埋深近6000m條件下,依然能夠發(fā)育高孔優(yōu)質(zhì)儲層,并且孔隙還是以有機質(zhì)孔為主,整體具“高孔、高含氣”特征(圖6)。

圖5 四川盆地上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖段孔隙度與TOC、含氣量相關(guān)性

圖6 四川盆地上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖段孔隙度與含氣量平均值

圖7 四川盆地上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組海相優(yōu)質(zhì)頁巖孔隙度隨埋深的變化規(guī)律

為進一步明確頁巖孔隙隨埋深的變化規(guī)律,除了運用上述4口井之外,還增加了其他鉆井資料數(shù)據(jù),建立了從500～6 000 m埋深范圍的頁巖孔隙發(fā)育規(guī)律。從埋深與孔隙度趨勢圖(圖7)上來看,無論埋深怎么變化,頁巖儲層孔隙度的變化范圍主體介于2%～8%,甚至部分深層井孔隙度更高,揭示頁巖孔隙度隨埋深變化并不明顯。

2.2 有機質(zhì)孔隙發(fā)育形態(tài)

有機質(zhì)孔隙是頁巖儲層的主要儲集類型。不同埋深區(qū)頁巖儲層FE-SEM鏡下觀察結(jié)果揭示,無論是中深層頁巖還是深層、超深層頁巖,其有機質(zhì)孔發(fā)育規(guī)律基本一致,但是在有機質(zhì)孔隙的發(fā)育形態(tài)、大小、分選及連通性等方面存在較為明顯的差異。以JY2井為代表的中深層領(lǐng)域頁巖儲層中有機質(zhì)孔隙形態(tài)單一,分選性好,多以蜂窩狀的圓形或橢圓形產(chǎn)出,未見或少見不規(guī)則、棱角狀產(chǎn)出的有機質(zhì)孔,孔隙間的連通性好(圖8a-b);以XY1井、DYS 2井為代表的深層領(lǐng)域頁巖儲層中有機質(zhì)孔隙形態(tài)相比中深層頁巖較復(fù)雜,分選性相對降低,有機質(zhì)孔除了以蜂窩狀的圓形或橢圓形產(chǎn)出之外,還見有一些多邊形或長條狀產(chǎn)出的有機質(zhì)孔,孔隙間的連通性好(圖8c-f);以PS1井為代表的超深層頁巖儲層中有機質(zhì)孔隙形態(tài)復(fù)雜,分選性明顯變差,孔隙形態(tài)多呈不規(guī)則的多邊形或長條狀產(chǎn)出,少見呈橢圓狀產(chǎn)出,并且有機質(zhì)孔小而密集,孔隙之間相對獨立,整體連通性相對較低(圖8g-h)。由不同深度頁巖儲層中有機質(zhì)孔隙發(fā)育的變化特征來看,隨著埋深增加,有機質(zhì)孔的形態(tài)、分選性及連通性整體變得復(fù)雜。

圖8 四川盆地不同埋深條件下上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖儲層有機質(zhì)孔隙發(fā)育形態(tài)對比

2.3 孔徑分布

依據(jù)國際化學(xué)學(xué)會(1994)對頁巖儲層孔隙的分類,即大于50nm為大孔、2～50nm為介孔、小于2 nm為微孔[18],采用CO2-N2-壓汞聯(lián)合表征手段,對川東南不同埋深區(qū)頁巖儲層孔徑分布的表征結(jié)果揭示,五峰組—龍馬溪組頁巖儲層整體具隨埋深增加、微孔和中孔的占比存在一定的差異。以JY2井為代表的中深層領(lǐng)域頁巖儲層中,小于2 nm的微孔孔隙體積占比為27%,2～50 nm介孔孔隙體積占比為69%,大于50 nm的大孔孔隙體積占比為4%。以XY1井、DYS2井為代表的深層領(lǐng)域頁巖儲層孔徑分別為:XY1井頁巖儲層中小于2 nm微孔孔隙體積占比為38%,2～50 nm介孔孔隙體積占比為57%,大于50 nm的大孔孔隙體積占比為5%;DYS2井頁巖儲層中小于2 nm微孔孔隙體積占比為41%,2～50 nm介孔孔隙體積占比為55%,大于50 nm的大孔孔隙體積占比為5%。以PS1井為代表的超深層領(lǐng)域頁巖儲層中,小于2 nm微孔孔隙體積占比為44%,2～50 nm介孔孔隙體積占比為54%,大于50 nm的大孔孔隙體積占比為2%(圖9)。整體來看,不論中深層、深層、超深層頁巖儲層,總體還是以2～50 nm的介孔為主,微孔次之,大孔占比最低。但是,微孔和介孔的占比在不同埋深范圍存在一定的差異,中深層介孔占比69%,明顯高于深層—超深層的54%～57%;同時微孔的占比也隨埋深而增加,由從中深層的27%增加至超深層的44%,即具有隨埋深增加微孔占比增加、介孔相對減小的變化趨勢(圖9)。

圖9 四川盆地上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖段儲層孔徑分布

2.4 深層、超深層頁巖儲層孔隙發(fā)育的影響因素

深層、超深層頁巖儲層孔隙類型與中深層、中淺層一致,以有機質(zhì)孔為主。前人[19-20]研究認為,頁巖有機碳含量、有機質(zhì)類型(干酪根還是熱解瀝青)、演化程度、礦物含量等因素,綜合影響了龍馬溪組頁巖有機質(zhì)孔隙的發(fā)育。本文研究表明,對于深層、超深層頁巖而言 ,除了上述影響因素之外,埋深也是其中一個重要的影響因素。從JY2、XY1、DYS2及PS1井不同埋深儲層的孔隙發(fā)育特征對比明顯看出,無論是中深層、深層及超深層頁巖儲層,確實均能發(fā)育高孔優(yōu)質(zhì)儲層,但是在有機質(zhì)孔隙的發(fā)育形態(tài)、連通性以及孔隙大小方面存在較為明顯的差異。

3 頁巖儲層高孔維持機理探討

3.1 生物成因的硅質(zhì)是孔隙發(fā)育的基礎(chǔ)

深層、超深層頁巖儲層具有“高生物硅、高有機碳、高有機質(zhì)孔”耦合特征。郭旭升、盧龍飛等[21-22]基于頁巖氣形成地質(zhì)條件和實驗分析模擬,從巖石學(xué)、礦物學(xué)、地球化學(xué)等多方面對頁巖成烴、成儲機制及內(nèi)在耦合關(guān)系等進行了研究,發(fā)現(xiàn)五峰組—龍馬溪組深水陸棚相生物成因的硅質(zhì)(蛋白石A),在成巖過程中會發(fā)生不斷脫水、逐漸轉(zhuǎn)變成剛性的晶態(tài)石英,大量的石英顆粒構(gòu)成一個相對剛性的格架,與此同時會在石英顆粒之間伴生形成大量微米級粒間孔,能夠為早期滯留油提供儲集空間(圖10a-b);后期隨著演化程度升高,埋藏加深,儲集與粒間孔內(nèi)的液態(tài)烴發(fā)生裂解,在形成大量天然氣的同時,伴隨有機孔的形成,石英粒間孔抗壓實能力增強,對大量原生孔隙和成巖次生孔隙起到保護作用(圖10c-d)。由此可見,龍馬溪組生物成因的硅質(zhì)不僅有利于烴類充注前頁巖中原生粒間孔隙的保持,而且有利于烴類裂解時所形成有機孔隙的后期保存。因此,生物成因硅質(zhì)具有“抗壓?？住毕忍靸?yōu)勢,是孔隙發(fā)育的基礎(chǔ)。

圖10 四川盆地下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖硅質(zhì)演化及孔隙發(fā)育模式

3.2 流體超壓是儲層孔隙保持的關(guān)鍵

深層、超深層頁巖鉆井多處于構(gòu)造穩(wěn)定或弱改造區(qū),整體保存條件好。實鉆井揭示頁巖儲層普遍具有“高孔隙度、高含氣量、高流體壓力”的三高特征(表1)。在這種儲層中充滿氣的超壓狀態(tài)下,對機械壓實具有減緩作用,能夠有效抵消上覆巖層對頁巖儲層骨架上的壓實應(yīng)力,進而可以有效保護頁巖有機質(zhì)孔等塑性孔,利于頁巖儲層孔隙的維持[23-24]。而常壓區(qū)鉆井頁巖儲層與超壓區(qū)完全相反,儲層內(nèi)含氣量低,流體壓力低,壓力系數(shù)小于1.0,對于上覆巖層的壓實應(yīng)力抵消不明顯,應(yīng)力能夠完全作用于巖石骨架,有機質(zhì)孔被壓扁或壓實,從而降低頁巖儲層孔隙的發(fā)育程度(圖11)。

表1 川東南上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖段儲層孔隙度、含氣量及壓力系數(shù)

圖11 川東南不同地層壓力條件下上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖段孔隙度變化

總體來看,“生物成因石英抗壓?？住焙汀皟恿黧w超壓”聯(lián)合,是深層—超深層頁巖高孔隙優(yōu)質(zhì)儲層得以發(fā)育和保持的關(guān)鍵。

4 油氣勘探意義

目前常規(guī)、非常規(guī)油氣勘探都在走向深地。本次研究明確了川東南地區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖在品質(zhì)好、儲層流體超壓的情況下,在埋深近6 000 m時仍可發(fā)育高孔的優(yōu)質(zhì)儲層,這進一步拓寬了深層頁巖氣勘探下限,展現(xiàn)了深層良好的勘探前景。初步評價四川盆地及周緣五峰組—龍馬溪組深層、超深層頁巖氣(埋深為 4 000～5 000 m)資源量超 2×1012m3,在攻關(guān)改進工程工藝技術(shù)的前提下,有望獲得新的勘探突破,成為新的資源接替陣地。

5 結(jié)論

(1)川東南地區(qū)五峰組—龍馬溪組在埋深近6 000 m時,頁巖儲層依然能夠發(fā)育高孔的有效儲層,其孔隙度與中深層頁巖儲層相似,即隨著埋深增加,頁巖儲層孔隙度的變化不明顯;但是,孔隙結(jié)構(gòu)隨著埋深增加存在較明顯的差異,即隨著埋深的增大,頁巖孔徑相對變小,孔隙連通性變差。

(2)“石英抗壓?？住焙汀皟恿黧w超壓”聯(lián)合作用,是深層、超深層頁巖高孔隙優(yōu)質(zhì)儲層得以發(fā)育和保持的關(guān)鍵。

利益沖突聲明/Conflict of Interests

所有作者聲明不存在利益沖突。

All authors disclose no relevant conflict of interests.

作者貢獻/Authors’ Contributions

李飛參與實驗設(shè)計;陳斐然完成實驗操作;魏富彬、劉珠江、袁桃參與論文寫作和修改。所有作者均閱讀并同意最終稿件的提交。

The study was designed by LI Fei. The experimental operation was completed by CHEN Feiran. The manuscript was drafted and revised by WEI Fubin, LIU Zhujiang and YUAN Tao. All the authors have read the last version of paper and consented for submission.