董清源 ,徐旭輝,李國發(fā)

1.中國石油大學(xué)(北京) 地球物理學(xué)院,北京 102249;2.中國石化 石油物探技術(shù)研究院有限公司,南京 211103

近年來,在中國準(zhǔn)噶爾盆地、四川盆地等地區(qū)的二疊系相繼發(fā)現(xiàn)了源儲共生的沉火山碎屑巖儲層,進(jìn)而引起了對沉火山碎屑巖非常規(guī)油氣勘探的關(guān)注[1-4]。2013年,三塘湖盆地馬朗凹陷二疊系條湖組沉凝灰?guī)r—凝灰?guī)r儲層的試油成功,證實了新的沉火山碎屑巖非常規(guī)油藏類型,開辟了三塘湖盆地油氣勘探的新領(lǐng)域[5]。2016年,普光地區(qū)M1井在二疊系沉凝灰?guī)r層系直井測試獲日產(chǎn)3.85×104m3天然氣,拉開了四川盆地沉凝灰?guī)r領(lǐng)域的勘探序幕,也進(jìn)一步揭示了沉凝灰?guī)r具有高孔、高有機碳含量、高含氣性特征。勘探成果表明,沉凝灰?guī)r層系對四川盆地新領(lǐng)域的突破具有重要的意義,尤其是當(dāng)該類型儲層富含有機質(zhì)、儲集性能好、分布厚度較大時,有望成為二疊系氣藏勘探的全新目標(biāo)。

涪陵北部二疊系吳家坪組沉凝灰?guī)r是一種由細(xì)粒火山灰在火山—沉積雙重改造作用下形成的沉火山碎屑巖[6],為縱向上連續(xù)分布的沉凝灰?guī)r及凝灰質(zhì)泥巖的巖性組合。其火山碎屑物質(zhì)—泥質(zhì)含量介于50%～90%,以凝灰為主,富含大量礦物質(zhì)和微量元素,使得有機質(zhì)高度富集,只要處于有利沉積環(huán)境,可作為一種新型的烴源巖。前人圍繞吳家坪組海相沉凝灰?guī)r儲層開展過相關(guān)研究,但主要集中在巖礦特征及儲集空間等方面的分析,尚未從“源儲一體”的非常規(guī)油氣藏角度進(jìn)行地質(zhì)地震綜合評價。本文主要針對沉凝灰?guī)r層系“自生自儲”地質(zhì)特征,充分運用地質(zhì)—地球化學(xué)—地球物理綜合研究技術(shù),圍繞巖性品質(zhì)和可壓縫網(wǎng)兩個關(guān)鍵參數(shù),分析研究區(qū)沉凝灰?guī)r層系非常規(guī)氣藏勘探前景,優(yōu)選甜點區(qū),以期為后續(xù)非常規(guī)新領(lǐng)域勘探提供指導(dǎo)。

1 研究區(qū)概況

涪陵北部探區(qū)地理上位于重慶市萬縣以南、涪陵以北、墊江以東、忠縣以西,構(gòu)造上屬于萬縣復(fù)向斜拔山寺向斜[7]。二疊系吳家坪組沉積時期,四川盆地西部繼續(xù)隆升,水體由南西向北東方向逐漸加深,形成了川東地區(qū)以海相沉積為主的沉積格局(圖1)。研究區(qū)吳家坪組為深水陸棚沉積[8],經(jīng)歷了東吳運動和峨眉地裂運動,受川東火山機構(gòu)的影響,火山物質(zhì)大量噴發(fā),伴隨著火山碎屑物質(zhì)注入,吳家坪組二段(以下簡稱吳二段)集中發(fā)育了一套以沉凝灰?guī)r及凝灰質(zhì)泥巖為主的沉火山碎屑巖組合,見良好油氣顯示,研究區(qū)內(nèi)主要分布在L2、L1和S1井區(qū)附近,厚度主要為10～20 m,分布穩(wěn)定(圖1)。

圖1 重慶涪陵北部吳家坪組二段沉積相及地層柱狀圖

2 沉凝灰?guī)r層系地質(zhì)特征

四川盆地海相頁巖氣勘探與開發(fā)實踐證實[9-10],頁巖品質(zhì)(有機地化特征、巖性特征、優(yōu)質(zhì)頁巖厚度)是決定氣藏豐度和含氣高低的關(guān)鍵因素。深水陸棚相的沉凝灰?guī)r作為一種海相新型烴源巖,其沉積環(huán)境、成烴母質(zhì)與奧陶系五峰組—志留系龍馬溪組頁巖均具有一定的相似性,但前人并未從源巖品質(zhì)的角度開展詳細(xì)分析,本文通過探討巖性品質(zhì)的三項關(guān)鍵指標(biāo),進(jìn)一步評價研究區(qū)沉凝灰?guī)r層系非常規(guī)油氣藏的勘探潛力。

2.1 有機地化特征

有機質(zhì)類型和豐度是“自生自儲”油氣藏形成的重要影響因素之一,有機質(zhì)類型越好、豐度越高,生烴潛力和吸附氣含量越大。根據(jù)研究區(qū)5口鉆井及周緣地區(qū)深水陸棚相的吳二段沉凝灰?guī)r層系巖樣[11]分析,其干酪根碳同位素主要為-24.3‰～-30.21‰,其中δ13C≤-28‰的腐泥型干酪根占比達(dá)32.34%,-28‰<δ13C≤-26‰的腐殖—腐泥型干酪根占比50.12%,-26‰<δ13C≤-24‰的腐泥—腐殖型干酪根占比17.54%,機質(zhì)類型主體以腐泥型(Ⅰ)、腐殖—腐泥型(Ⅱ1)為主,類型好。w(TOC)主要在5.2%～6.5%之間,平均為6.05%,明顯高于上下鄰層的碳酸鹽巖,為高豐度源巖,具有較高的生烴能力(表1)。

近年來,國外大量文獻(xiàn)報道強調(diào)了Ro值在1.3%～3.5%時對形成“自生自儲”油氣藏的重要性[11-13]。研究區(qū)吳二段現(xiàn)今熱演化程度較高[14],大量Ro實測數(shù)據(jù)表明,熱成熟度主體范圍在1.90%～2.44%,平均值為2.3%,已經(jīng)達(dá)到過成熟生氣階段,有利于熱成因天然氣的生成和有機孔的形成[15]。

2.2 巖性

研究區(qū)L2鉆井揭示,涪陵北部吳二段受火山噴發(fā)作用及深水陸棚沉積環(huán)境的共同影響,自上而下發(fā)育了深灰色泥灰?guī)r、灰黑色沉凝灰?guī)r及凝灰質(zhì)泥巖,局部見少量硅質(zhì)灰?guī)r,其中縱向上連續(xù)分布的沉凝灰?guī)r層系厚度達(dá)17.5 m,占比84.2%。TOC、孔隙度及全巖礦物測試結(jié)果表明,有機質(zhì)主要富集在沉凝灰?guī)r及凝灰質(zhì)泥巖中,TOC含量平均分別5.8%和6.0%,整套連續(xù)沉凝灰?guī)r層系TOC含量平均為5.86%,孔隙度平均為6%;其中埋深5 293～5 301 m的沉凝灰?guī)r碳酸鹽巖含量為30%～35%,硅質(zhì)含量為40%～50%,黏土含量為10%～24%,體現(xiàn)較高脆性的特征,為一套典型的“源儲一體”非常規(guī)儲層(圖2)。結(jié)合位于涪陵北部同一相帶的FT1井吳二段礦物組分、巖性、掃描電鏡等分析結(jié)果,該套灰黑色沉凝灰?guī)r層系中硅質(zhì)含量為40%～62%,碳酸鹽礦物含量為6%～24%,黏土礦物含量為8%～21%。鏡下主要為巖屑和晶屑(石英、長石、方解石),儲層類型以礦物晶間孔、溶蝕孔縫為主,主要受后期脫?；徒淮g變成巖作用對火山碎屑物質(zhì)進(jìn)行晶質(zhì)轉(zhuǎn)化、交代蝕變而產(chǎn)生,其孔隙粒徑一般較大,一定程度上改善基質(zhì)孔隙的整體連通性,直接提高儲集性能;此外,由于構(gòu)造或者成巖作用等,會產(chǎn)生一系列微裂縫,對儲層有一定的改善作用(圖3a-c);同時,火山物質(zhì)中N、P等元素進(jìn)入水體后,促進(jìn)水生生物的大量繁盛,形成大量有機質(zhì)孔(圖3d),間接改善了滲透性能[16]。綜上所述,涪陵北部吳二段灰黑色沉凝灰?guī)r層系TOC含量高、物性較好、脆性礦物含量較高,黏土含量較低,平面分布呈現(xiàn)一定的連續(xù)性,可比性強。

圖2 重慶涪陵北部L2井吳家坪組二段綜合柱狀圖

圖3 重慶涪陵北部FT1井吳家坪組二段沉凝灰?guī)r層系儲集空間特征據(jù)參考文獻(xiàn)[16]修改。

2.3 優(yōu)質(zhì)沉凝灰?guī)r段分布

海相頁巖中有機質(zhì)含量大于2%的被稱為富有機質(zhì)頁巖[17],優(yōu)質(zhì)頁巖的厚度控制了頁巖氣的產(chǎn)量,TOC含量控制了優(yōu)質(zhì)頁巖生烴基礎(chǔ)[18]。根據(jù)國家頁巖氣地質(zhì)評價方法標(biāo)準(zhǔn)[17],TOC含量大于4%、3%～4%及2%～3%的頁巖分別為Ⅰ類、Ⅱ類及Ⅲ類優(yōu)質(zhì)頁巖,其中Ⅰ類優(yōu)質(zhì)頁巖具有較高商業(yè)開采價值。結(jié)合前人研究成果,本文將ω(TOC)≥4%的沉凝灰?guī)r層系界定為優(yōu)質(zhì)沉凝灰?guī)r段,其分布是甜點區(qū)優(yōu)選的基礎(chǔ)。

巖石物理特征分析是連接巖石特性與地球物理彈性參數(shù)之間的橋梁,對已知井縱波阻抗與吳二段不同巖性、TOC含量的交會分析顯示,沉凝灰?guī)r層系整體表現(xiàn)為高伽馬、低縱波阻抗的特征(9 000～13 000g/cm3·m/s),當(dāng)縱波阻抗小于11 500g/cm3·m/s時,其TOC含量整體大于4%,因此縱波阻抗反演優(yōu)質(zhì)沉凝灰?guī)r段具有很好的預(yù)測效果(圖4,圖5),厚度預(yù)測誤差在0.5m以內(nèi)(表2)。結(jié)合鉆井地震反演與深水陸棚分布規(guī)律,研究區(qū)吳二段優(yōu)質(zhì)沉凝灰?guī)r段自西南向北東逐漸增厚,大面積穩(wěn)定分布,厚度在15～20 m之間(圖6),體現(xiàn)較好的“自生自儲”氣藏富集基礎(chǔ)和勘探前景。

表2 重慶涪陵北部鉆井優(yōu)質(zhì)沉凝灰?guī)r段厚度預(yù)測誤差

圖4 重慶涪陵北部吳家坪組二段沉凝灰?guī)r層系巖石物理分析

圖5 重慶涪陵北部研究區(qū)吳家坪組二段優(yōu)質(zhì)沉凝灰?guī)r段地震反演剖面

圖6 重慶涪陵北部吳家坪組二段優(yōu)質(zhì)沉凝灰?guī)r段厚度預(yù)測

3 地層壓力和裂縫地球物理預(yù)測

“自生自儲”非常規(guī)氣藏具有低滲的特征,必須通過大規(guī)模水力壓裂改造[19],形成復(fù)雜的縫網(wǎng),溝通基質(zhì)孔隙和裂縫,在地層能量強特別是高壓地層下才能獲得較高的工業(yè)產(chǎn)能。研究區(qū)沉凝灰?guī)r層系物質(zhì)基礎(chǔ)好,但地層壓力的大小和裂縫的發(fā)育程度存在一定差異,這是影響目標(biāo)氣藏產(chǎn)量差異的先天性因素。研究表明,地層壓力系數(shù)越大,呈超壓狀態(tài)(地層壓力系數(shù)大于1.4)[20],有效縫網(wǎng)越發(fā)育,“自生自儲”非常規(guī)氣藏的富集及改造程度越好。

3.1 地層壓力系數(shù)預(yù)測

在對川東南五峰組—龍馬溪組頁巖氣異常高壓研究中發(fā)現(xiàn),有機質(zhì)生烴增壓是該區(qū)五峰組—龍馬溪組在埋藏階段最重要的增壓原因。目前針對烴源層系地層壓力評價方法主要有Eaton公式法、等效深度法和Fillippone公式法等,但均未考慮源巖中有機質(zhì)的影響[21]。為了進(jìn)一步提高壓力系數(shù)的預(yù)測精度,針對吳二段優(yōu)質(zhì)沉凝灰?guī)r段構(gòu)建了基于有機質(zhì)生烴異常壓力預(yù)測模型,該模型構(gòu)成組分為有機質(zhì)—非有機質(zhì)礦物的兩相混合物,利用Voigt-Reuss-Hill平均模型計算無機礦物構(gòu)造的“礦物混合物”的等效彈性模量,再通過各向異性DEM模型構(gòu)建干酪根與礦物混合物的等效彈性張量與孔隙度、流體飽和度及孔隙縱橫比的關(guān)系式。圖7a顯示了基于改進(jìn)的有機質(zhì)生烴模型地層壓力預(yù)測流程,通過單井地層壓力預(yù)測,明確研究區(qū)地層壓力預(yù)測模型及相關(guān)系數(shù):

圖7 基于有機質(zhì)生烴的單井地層壓力預(yù)測流程(a)及研究區(qū)典型井L2壓力系數(shù)預(yù)測(b)

αP=[Pov-(Pov-Ph)(V/Vnct)n]/Ph

(1)

式中:αP為地震預(yù)測壓力系數(shù),無量綱;Pov為上覆地層壓力,單位MPa;Ph為靜水壓力,單位MPa;V為實際地層速度,單位m/s;Vnct為常壓趨勢背景下的速度場,單位m/s;n為模型常數(shù)。

以L2井為例,根據(jù)該方法預(yù)測吳二段的地層壓力系數(shù)主要為1.2～1.5,其中高值區(qū)主要集中在高TOC含量優(yōu)質(zhì)沉凝灰?guī)r段,平均壓力系數(shù)在1.5左右。鉆井顯示, L2井在5 306.7～5 307.4 m的實際氣測壓力系數(shù)為1.48～1.50,預(yù)測值為1.48～1.49,兩者誤差僅為0.01～0.02,連續(xù)兩樣點預(yù)測精度較高(圖7b)。利用該模型,結(jié)合地震反演速度場進(jìn)行平面地層壓力預(yù)測。結(jié)果表明,研究區(qū)吳二段的優(yōu)質(zhì)沉凝灰?guī)r段地層壓力系數(shù)由西南往東北逐漸增高,介于1.30～1.55之間,與厚度分布特征具有對應(yīng)性,體現(xiàn)出優(yōu)質(zhì)沉凝灰?guī)r段生烴引起的壓力異常。其中地層壓力系數(shù)大于1.4的超壓區(qū)主要分布在X1井以東的地區(qū),面積約為378.5 km2(圖8)。

圖8 重慶涪陵北部吳家坪組二段優(yōu)質(zhì)沉凝灰?guī)r段地層壓力系數(shù)預(yù)測

3.2 裂縫預(yù)測

裂縫對“自生自儲”氣藏的影響主要表現(xiàn)在兩個方面[22]。(1)成藏方面,在一定程度上影響了天然氣賦存及聚集,控制儲集空間的連通能力和產(chǎn)能大小;若規(guī)模過大,則會導(dǎo)致氣體的散失。(2)工程方面,天然裂縫越發(fā)育,壓裂改造的人造縫與天然裂縫溝通程度越好,形成復(fù)雜縫網(wǎng)的難度越小,氣井產(chǎn)量越高[23]。研究區(qū)主要位于川東的寬緩負(fù)向斜內(nèi),構(gòu)造整體穩(wěn)定,以發(fā)育小型裂縫—微型裂縫為主,保存條件較好,該類裂縫一方面不會與外界溝通破壞沉凝灰?guī)r層系的保存條件,同時有利于提高目標(biāo)層段的儲集空間和滲流能力。

儲層裂縫在常規(guī)測井曲線上具有一定的響應(yīng)特征,可以對裂縫發(fā)育層段進(jìn)行有效識別。如發(fā)育裂縫時,聲波時差曲線會表現(xiàn)為“周波跳躍”特征,密度曲線呈尖峰狀或低值特征;泥漿液侵入裂縫層會使中子曲線增大或井徑曲線出現(xiàn)不規(guī)則的變化。L2井在埋深5 300～5 310 m處為吳二段優(yōu)質(zhì)沉凝灰?guī)r段,聲波時差曲線具有一定程度的周波跳躍現(xiàn)象,中子曲線值表現(xiàn)為明顯的較高響應(yīng),密度曲線局部為低值尖峰響應(yīng),局部為氣測全烴尖峰狀的裂縫型氣層(圖2),縱向上有一定延伸,反映在該井段可能發(fā)育一些小規(guī)模裂縫。針對鉆井測井異常響應(yīng),本文采用最大似然地震敏感屬性進(jìn)行表征,該技術(shù)的優(yōu)勢是通過掃描整個地震數(shù)據(jù)體,計算數(shù)據(jù)樣點之間的相似性[24],來突出可能的裂縫地震異常響應(yīng),提升裂縫刻畫精度。最大似然屬性表征結(jié)果表明,L2井在埋深5 300～5 310 m層段裂縫測井響應(yīng)與地震屬性異常具有一定的匹配關(guān)系,當(dāng)?shù)卣饘傩蚤T檻在0.55(無量綱)時可以近似表征裂縫帶的發(fā)育情況(圖9)。平面預(yù)測結(jié)果顯示,研究區(qū)小—微型裂縫帶主要分布在研究區(qū)向斜兩翼(暖色區(qū)域),呈現(xiàn)“東西發(fā)育、核部穩(wěn)定”的分布模式,符合寬緩向斜的受力變形機制,其中西北、東南向斜折端處裂縫發(fā)育帶規(guī)模較大,面積共約375 km2(圖10)。

圖9 重慶涪陵北部L2井吳家坪組二段優(yōu)質(zhì)沉凝灰?guī)r段裂縫測井—地震響應(yīng)標(biāo)定

圖10 重慶涪陵北部吳家坪組二段優(yōu)質(zhì)沉凝灰?guī)r段最大似然屬性裂縫預(yù)測

4 勘探甜點區(qū)優(yōu)選

根據(jù)四川盆地五峰組—龍馬溪組頁巖氣儲層分級指標(biāo)及勘探選區(qū)評價標(biāo)準(zhǔn)[25],綜合吳二段沉凝灰?guī)r層系地質(zhì)特征、地層壓力及裂縫地震預(yù)測結(jié)果,從優(yōu)質(zhì)沉凝灰?guī)r段厚度(≥15 m)、地層壓力系數(shù)(>1.4)、裂縫發(fā)育(最大似然屬性大于0.5)及鉆井油氣顯示情況(氣層發(fā)育、氣測全烴異常)4個方面[26],建立涪陵北部吳二段沉凝灰?guī)r層系有利勘探甜點區(qū)評價標(biāo)準(zhǔn)。

從分類評價結(jié)果來看,吳二段沉凝灰?guī)r層系TOC含量高,有機質(zhì)類型好,地球化學(xué)指標(biāo)處于有利的主生烴期內(nèi),優(yōu)質(zhì)沉凝灰?guī)r段厚度大于15 m區(qū)域主要分布于研究區(qū)北部,成環(huán)狀穩(wěn)定分布;吳二段優(yōu)質(zhì)沉凝灰?guī)r層系主體位于寬緩向斜,遠(yuǎn)離高陡構(gòu)造,其直接蓋層吳三段的致密灰?guī)r和區(qū)域蓋層嘉陵江組—雷口坡組膏鹽巖均具有優(yōu)越的封閉性能,保存條件好,地層壓力普遍為異常高壓,其中超壓(地層壓力系數(shù)大于1.4)區(qū)域分布在研究區(qū)東北部,體現(xiàn)了優(yōu)質(zhì)源巖生烴與良好保存的綜合作用;天然小型—微型裂縫主要受寬緩向斜的破裂機制影響,主要分布在向斜斜坡的轉(zhuǎn)折段,該區(qū)域具有一定可壓縫網(wǎng)的改造基礎(chǔ);研究區(qū)西北區(qū)域L2井沉凝灰?guī)r層系Ⅱ類氣層厚度達(dá)9.5 m,氣測全烴最高達(dá)10.48%,油氣顯示段6 m;西南區(qū)域S1井沉凝灰?guī)r層系Ⅱ類氣層厚度達(dá)14 m,氣測全烴最高達(dá)3.51%,油氣顯示段4.1 m,與甜點預(yù)測評價吻合。綜合評價參數(shù)分布和前期鉆井結(jié)果,吳二段沉凝灰?guī)r層系勘探甜點區(qū)可劃分為3個:①主要分布在L2-L1井周緣的西北區(qū)域,面積約61.2 km2,鉆井油氣顯示最好,建議為Ⅰ類區(qū);②主要分布在S1井周緣的西南區(qū)域,呈環(huán)狀分布,面積為36.4 km2,鉆井油氣顯示較好,建議為Ⅱ類區(qū);③主要分布在區(qū)塊東北區(qū)域,呈帶狀分布,面積約為88.8 km2,無鉆井分布,建議為Ⅲ類區(qū)(圖11)。

圖11 重慶涪陵北部吳家坪組二段沉凝灰?guī)r層系甜點區(qū)預(yù)測

5 結(jié)論及建議

(1)涪陵北部吳二段沉凝灰?guī)r層系位于深水陸棚相,有機碳含量高,有機質(zhì)類型好,熱演化程度適中,孔隙度高,脆性礦物含量較高,是一種新型的優(yōu)質(zhì)烴源巖,勘探潛力較大,自西南往東北,氣藏成藏條件變好。

(2)沉凝灰?guī)r層系成藏特征具有優(yōu)質(zhì)控富、超壓控藏及縫網(wǎng)控甜的規(guī)律,即優(yōu)質(zhì)沉凝灰?guī)r段(TOC含量大于4%)厚度控制氣藏富集烴源基礎(chǔ);地層壓力系數(shù)反映保存條件好壞和殘留烴含量,超壓控制氣藏的成藏規(guī)模;天然裂縫發(fā)育程度,一定程度上影響可壓縫網(wǎng)改造程度,控制氣藏的產(chǎn)能。

(3)根據(jù)沉凝灰?guī)r層系氣藏地質(zhì)特點和關(guān)鍵主控因素,初步建立吳二段沉凝灰?guī)r層系甜點評價標(biāo)準(zhǔn),優(yōu)選了三個甜點目標(biāo)區(qū),面積達(dá)186.4 km2。綜合考慮地震、地質(zhì)及鉆井等多類因素,建議將L2—L1具有良好油氣顯示井區(qū)作為首選目標(biāo)甜點區(qū)進(jìn)行老井測試及勘探,再逐步擴大含氣范圍,為鄰區(qū)相似區(qū)域勘探提供指導(dǎo)。

致謝:本文在研究和撰寫過程中,中國石化勘探分公司等單位提供了豐富的實物資料和前期研究成果,在此表示衷心感謝。

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(xiàn)/Authors’Contributions

董清源、徐旭輝、李國發(fā)參與論文的構(gòu)思;董清源完成論文寫作和修改;徐旭輝、李國發(fā)參與文章審查。所有作者均閱讀并同意最終稿件的提交。

The study was designed by DONG Qingyuan, XU Xuhui and LI Guofa. The manuscript was drafted and revised by DONG Qingyuan. The manuscript was supervised by XU Xuhui and LI Guofa. All the authors have read the last version of paper and consented for submission.