2. 中国石化石油勘探开发研究院
2. Sinopec Petroleum Exploration and Production Research Institute
中国自2009年开展页岩气实质性勘探以来,已建成涪陵、威远、长宁、昭通、威荣5个海相页岩气田,截至2018年底,累计探明页岩气地质储量10455×108m3,年产量达109×108m3。然而,中国除发育海相页岩层系外,陆相及海陆过渡相页岩层系也广泛发育[1-9],且资源潜力大,据2015年国土资源部评价[10],中国陆相页岩气技术可采资源量达3.7×1012m3。近年来,通过老井复查、复试,对中国陆相页岩气评价认识已取得重要成果,四川盆地元坝地区自流井组大安寨段12口常规兼探井测试获得页岩油气流,其中YB21井获得50.7×104m3/d高产工业气流,涪陵、建南地区也在大安寨段、东岳庙段多口井获页岩油气流,揭示了中国陆相页岩大面积含油含气、成藏条件优越,具有良好的勘探潜力。然而,相比海相页岩气开发效果,陆相页岩气井多表现为初期产量高,但产量稳定难、递减快等特点,总体并未实现大规模商业开发,其主要原因在于陆相页岩气藏地质特征具有其特殊性和差异性。
川东北地区大安寨段页岩气资源丰富,元坝、涪陵地区大安寨段页岩气可采资源量分别达466.12×108m3、142.90×108m3。本文以川东北元坝、涪陵地区侏罗系自流井组大安寨段为例,系统研究了陆相页岩气藏地质特征,并与涪陵志留系龙马溪组海相页岩气藏开展对比,以揭示陆相页岩气藏地质特征差异性,进而明确了陆相页岩气富集高产主控因素,可以为四川盆地侏罗系陆相页岩气甜点区、甜点层段优选提供依据。
1 大安寨段陆相页岩气藏地质特征 1.1 沉积环境与岩性特征川东北地区侏罗系在区域上厚1500~4700m,是一套湖相碎屑岩,与下伏三叠系须家河组、上覆白垩系均呈平行不整合接触,自下而上包括自流井组、凉高山组、沙溪庙组、遂宁组和蓬莱镇组[11]。
自流井组陆相湖泊体系沉积相变化快,从下至上分为珍珠冲段、东岳庙段、马鞍山段和大安寨段[12-15],发育多套页岩层系[16-20](图 1)。中生代以来,四川盆地在上扬子准地台内经历了多期、多方向的深断裂构造活动。中三叠世印支构造运动结束了海相碳酸盐台地沉积环境; 晚三叠世,盆地西缘龙门山向东逆冲推覆,造山隆起,海水从盆地退出,沉积环境演变为三角洲、河流、湖泊为主; 早侏罗世早期东岳庙段沉积时期,盆地内湖水范围达到最大,元坝地区受物源影响发育碎屑岩浅湖—半深湖沉积,涪陵地区受物源影响较小,发育碳酸盐浅湖—半深湖沉积; 早侏罗世中晚期大安寨段沉积时期经历了完整的湖退—湖进过程,可分为大一、大二和大三3个亚段:大三亚段沉积时期开始湖侵,大二亚段沉积时期达到最大湖泛期,主要发育浅湖—半深湖沉积,形成了元坝南部、涪陵西部等多个湖盆中心,此后开始湖退,到大一亚段沉积时期,演化为浅湖沉积环境; 侏罗纪晚期,水体逐渐变浅,以河流—三角洲沉积环境为特征。
早侏罗世早期沉积的湖相页岩纵向上主要分布在大安寨段和东岳庙段(图 1),受湖平面频繁变化影响,岩性为页岩与条带状或薄层状砂岩、介壳灰岩互层。页岩多为黑色、灰色等,镜下表现为显微鳞片结构、微层构造,平面上厚度变化大,从20m到230m不等; 砂岩主要为灰白色,平面上分布稳定,厚度为数米至数十米不等; 研究区内大二亚段黑色页岩厚度大,有利的页岩与介壳灰岩薄互层岩性组合最为发育,这一类型储层作为勘探的主要层段, 在YB21井、YL15井、YL30井等6口井获良好油气显示,FS1井、XL101井等井取得良好效果,压后均试获超万立方米日产气量。
1.2 有机地球化学特征干酪根镜检显示,元坝、涪陵地区自流井组页岩显微组分以浅褐色—暗褐色腐殖组无定形体和镜质组或单独以镜质组为主,无荧光,有机质类型主要为Ⅱ2型或Ⅲ型。
四川盆地侏罗系自流井组页岩有机碳含量(TOC)变化范围宽,多口井的实测数据表明,平面上TOC变化明显受沉积相带控制。元坝地区自流井组大安寨段页岩TOC为0.33%~3.33%,平均为1.05%,TOC大于1%的样品占38%(图 2a),自北向南沉积相带由滨湖相区、浅湖相区过渡到半深湖相区,TOC总体呈现逐渐增大的趋势; 涪陵地区大安寨段页岩TOC为0.48%~3.78%,平均为1.42%,TOC大于1%的样品占58.1%(图 2b),平面上具有从北向南逐渐降低的趋势,北部水体能量较弱、相对较深且缺氧的半深湖相区,TOC高,大多在1%以上。
元坝、涪陵大安寨段富有机质页岩Ro为1.11%~ 1.82%,其中川东北元坝地区相对较高,Ro为1.47%~ 1.82%,平均为1.69%,具有由南向北随着埋藏深度增加,成熟度逐渐增大的趋势; 涪陵地区Ro为1.11%~1.54%,平均为1.3%。元坝、涪陵地区侏罗系大安寨段页岩总体处于成熟—高成熟演化阶段,产凝析油—湿气。
1.3 储集空间和含气性通过氩离子抛光和扫描电镜分析,元坝、涪陵地区自流井组大安寨段页岩储层的储集空间类型主要为无机质孔,主要发育黏土矿物晶间孔、粒缘孔、粒内溶孔、矿物铸模孔等(图 3)。页岩孔隙度分布于1.5%~6.7%,平均为3.9%。高压压汞和氮气吸附实验分析表明,孔径变化范围宽,大孔径孔隙发育较少,以小于2nm的微孔和2~50nm的介孔为主,约占总孔隙的65%~85%。渗透率总体较低,元坝、涪陵地区大安寨段渗透率平均值分别为0.12mD、0.5mD。
此外,储层受强烈压实作用影响,有机质孔和微裂缝欠发育,有机质孔表现为密度低、孔径小、形状不规则(图 4a)。取心分析显示,元坝、涪陵地区大安寨段微裂缝以构造裂缝为主(图 4b),集中发育于介壳灰岩中,过渡层中的粉砂岩也见少量微裂缝,裂缝长度集中分布在0~5cm、5~10cm两个区间,宽度为0.1~1.5mm,个别裂缝宽度大于2mm; 其次为张裂缝、层间页理缝(图 4c、d)。微裂缝发育有利于增加储层储集空间,同时熔炉合金试验证实,微裂缝有利于沟通孔隙空间,提高储层渗流能力,有利于湖相页岩气富集高产。通过薄片—电镜综合表征方法,即薄片全视域面扫描与扫描电镜相结合,开展微裂缝总孔隙度评价,元坝地区大安寨段页岩实测总孔隙度平均为4.26%,微裂缝孔隙度平均为0.82%;微裂缝约占总孔体积的10%~35%,平均为21.42%(表 1)。多口井含气量测试结果表明,元坝、涪陵地区大安寨段页岩含气性较好,含气量为0.87~1.98m3/t,平均为1.49m3/t,赋存状态以游离气为主,约占60%。
元坝、涪陵地区大安寨段页岩矿物组分表现出“两高一低”的特征,即黏土矿物含量高、碳酸盐矿物含量高、硅质含量偏低(表 2)。124件页岩样品的全岩X射线衍射测试分析结果表明,大安寨段页岩中主要矿物为石英(平均含量为24.9%)、黏土矿物(平均含量为46.8%)、碳酸盐(平均含量为21.6%),次要矿物为长石(平均含量为2.4%)、黄铁矿(平均含量为1.7%)、赤铁矿(平均含量为1.1%)等。基于矿物组分分析,大安寨段页岩脆性矿物(石英+碳酸盐+长石)含量较高,平均含量为51%;黏土矿物含量为26%~64%,平均为46.8%,主要为伊利石(占黏土矿物含量的75%)和伊/蒙混层,且随着埋深加大,热演化程度增高,伊利石含量逐渐增加。
川东北地区侏罗系自流井组大安寨段陆相页岩油气具有轻组分含量高、气油比高、油质较好的特点。所产天然气以甲烷气为主,CH4含量占77.45%~ 90.58%,C2H6含量占6.60%~12.47%, C3H8含量占1.14%~2.3%,C2及以上含量平均达8%,天然气干燥系数平均在91.5%左右,低于95%。所产原油具有密度低(0.77~0.78g/cm3)、黏度低(50℃下为4.46mPa·s)的特点,含蜡量为10%~16%,凝固点为16~26℃。
1.6 高产油气流井近年来,通过对川东北地区大安寨段富有机质黑色页岩的持续探索,发现多口井出油气,展现了良好的发展前景。元坝、涪陵地区21口井钻遇大安寨段页岩,页岩厚度为30~80m,孔隙度为3.9%~4.8%,直井压裂测试12口井获高产油气流,单井日产油11.9~68m3、日产气(1.43~50.7)×104m3(表 3)。值得注意的是,目前对于川东北地区大安寨段陆相页岩的储层改造仍以直井压裂为主,工艺技术相对单一,施工规模小,如果采用水平井体积压裂,有望大幅提高单井油气产量。
目前在不同构造位置,针对陆相页岩气部署的探井总体效果并不理想,但川东北地区侏罗系自流井组大安寨段陆相页岩气仍显示出良好的成藏条件和资源潜力。与川东涪陵气田海相志留系龙马溪组海相页岩相比,侏罗系自流井组大安寨段陆相页岩表现为差异性特征(表 4)。
受沉积相带变化快和近物源区两大因素控制,大安寨段陆相页岩烃源岩品质与志留系龙马溪组海相页岩差异明显,主要表现为:①陆相页岩岩性复杂、变化快。侏罗系自流井组页岩为湖相沉积,水体深度变化快且近物源,发育黑色页岩、粉砂质页岩、泥岩、砂岩、介壳灰岩等多种岩石类型,纵向上互层明显,横向上变化快[21]; 而海相下志留统龙马溪组页岩形成于相对缺氧、滞留、水体较深的深水陆棚环境,沉积物横向展布相对稳定、分布广,岩石类型主要为黑色硅质页岩,富含笔石、放射虫等生物化石,见少量粉砂质页岩[22-24]。②陆相页岩有机质丰度受沉积环境影响大。元坝、涪陵地区大安寨段页岩TOC大于1%的样品占比分别为38%和58%,主要发育于水体相对较深、能量较弱的浅湖和半深湖环境,厚度为30~80m;海相下志留统龙马溪组富有机质页岩TOC普遍大于1%,厚度为80~100m,涪陵气田焦石坝区块龙马溪组底部厚约38m的优质页岩段TOC平均达3.61%。③陆相页岩成熟度相对较低,油气兼产。元坝、涪陵地区下侏罗统自流井组大安寨段页岩有机质Ro为1.11%~1.82%,总体处于成熟—高成熟阶段; 而海相下志留统龙马溪组富有机质页岩Ro为2.2%~3.6%,处于过成熟阶段,有利于页岩中滞留液态烃的二次裂解,以及有机质孔的形成或孔径增大,气体为干气,其中甲烷占比超过98%[25-26]。川东北元坝和涪陵地区侏罗系自流井组大安寨段含气量平均为1.49m3/t,低于志留系海相页岩含气量(3~5m3/t)[27]。
2.1.2 页岩储层储集空间大安寨段陆相页岩储层储集空间类型以无机质孔为主,孔隙度和渗透率具有良好正相关线性关系,为基质孔隙型页岩气藏,孔隙度与TOC相关性较差(图 5a),孔隙度平均为3.9%;而川东北涪陵焦石坝龙马溪组海相页岩具有基质孔隙和网状裂缝构成的双重孔隙介质特征[28-29],基质孔隙以有机质孔为主,无机质孔为辅,孔隙度与TOC呈明显正相关(图 5b),孔隙度为4%~6%,平均为4.8%。有机质孔的发育程度决定着页岩气藏的品质,是非常规页岩气藏区别于常规油气藏的关键特征[30]。有机质孔在陆相页岩中较少发育[31],以吸附态赋存于页岩储层的气量少,可能是导致页岩气井稳产时间较短的重要原因。但在沉积中心,页岩有机碳含量高的地区,仍具有较好的页岩气勘探潜力[20]。
大安寨段陆相页岩脆性矿物含量略低于龙马溪组页岩,二者可压裂性具有一定的可对比性。前人研究表明,碳酸盐矿物可作为脆性矿物对页岩可压裂性进行评价[20, 32],鉴于此,大安寨段陆相页岩虽黏土矿物含量大于40%,但脆性矿物含量高,平均可达51%,显示出较好的可压裂性。由于陆相页岩中石英和碳酸盐矿物多为非生物成因[33],TOC与石英含量无明显相关性(图 6a),与黏土矿物含量呈正相关(图 6b),这主要是由于黏土矿物吸附能力强、比表面积大,有利于有机质赋存,TOC与碳酸盐矿物含量呈负相关(图 6c); 志留系龙马溪组海相页岩黏土矿物含量通常低于40%,平均为33%,脆性矿物含量达63%,且主要为生物成因石英[34-36]。TOC与石英矿物含量呈明显正相关性(图 6d),与黏土矿物含量呈负相关(图 6e),与碳酸盐矿物含量无明显相关性(图 6f),总体实现了页岩可压裂性(高硅)与生烃能力(高有机碳)的有机统一。相比之下,对于大安寨段富有机质页岩虽然具有TOC高、物性好等特点,但黏土矿物含量较高,页岩气富集层段与脆性矿物含量高、可压裂性好的层段并不完全对应,如何兼顾地质甜点和工程甜点,是陆相页岩气有利页岩层段评价优选的关键。
与海相页岩3个方面的特征差异导致川东北地区陆相页岩气在赋存特征和富集机理等方面与龙马溪组海相页岩气差别较大。陆相页岩非均质性强,页岩气富集高产表现出更加明显的相控特征,元坝、涪陵地区自流井组大安寨段包含了滨湖、浅湖、半深湖等沉积环境,12口获高产油气流井均位于浅湖、半深湖相带(表 3),可见沉积相是陆相页岩气富集高产的重要基础。同时,又受控于以下主要的地质因素:①岩石组合及岩性成分。元坝、涪陵地区大安寨段发育韵律型富有机质页岩夹薄层介壳灰岩,这套岩性组合油气显示层数多、厚度大; 而在较厚层细砂岩、粉砂岩中油气显示最差。而不同岩性具有不同的脆性矿物含量和岩石力学特征,富有机质页岩虽然TOC高、物性好、含气量高,但总体可压裂性相对较差; 而富有机质页岩夹薄层介壳灰岩或砂岩不仅具有页岩气生产和聚集的良好条件,也有利于后期的压裂改造。②有机碳含量。有机碳含量是页岩气评价系统中最基本的参数,直接影响页岩油气富集程度。以元坝地区大安寨段为例,29口不同相带典型井的大安寨段陆相页岩TOC与含气量呈较好的正相关关系(图 7),TOC大于1.22%的富有机质页岩含气量平均为1.98m3/t,而TOC含量小于1.0%时,页岩含气量平均仅为1.22m3/t。③物性参数。孔隙度和渗透率是评价页岩油气储层物性的两个重要参数,孔隙、裂缝等是页岩中游离气赋存的主要空间,也是气体运移的主要通道。元坝、涪陵地区大安寨段页岩总体表现出含气量越高,孔隙度(渗透率)越好的特征。④流体压力及微裂缝发育情况。元坝、涪陵地区大安寨段半深湖相页岩层段地层压力一般为62~79MPa,压力系数一般为1.41~2.09,表现为超高流体压力,有利于页岩气富集、压裂和高产。YB21、YB11两口高产井CT三维重构分析显示,层间微裂缝发育、孔隙连通性好(图 8)。由此可见,侏罗系自流井组大安寨段获得高产工业油气流,除页岩基本地质条件较好外,微裂缝发育也是获得高产的重要原因。
以YB21井为例,该井大安寨段处于半深湖相,岩性主要为黑色页岩夹褐灰色条带状或薄层状介壳灰岩,有机碳含量为1.15%,含气量为4.56m3/t,孔隙度为3.9%,压力系数为1.61,且微裂缝十分发育,具有较好的孔隙连通性。据此识别出YB21井甜点层位于深度4002.2~4038m之间的大二亚段,厚度达35.8m。
3 结论与建议(1) 综合评价认为川东北地区侏罗系自流井组大安寨段陆相页岩气藏具有良好的勘探开发潜力。研究区内大安寨段主要发育浅湖—半深湖沉积,岩性以页岩夹条带状或薄层状砂岩、介壳灰岩为主; TOC大于1%的样品占比较高,总体处于成熟—高成熟演化阶段; 页岩储层孔隙度较高,储集性良好; 压力系数高,具有较好的含气性。
(2) 与志留系龙马溪组海相页岩相比,川东北地区侏罗系大安寨段陆相页岩特殊性表现在陆相页岩岩性和有机质丰度受沉积环境控制明显,成熟度中等,油气兼产; 有机质孔较少发育,孔隙度与TOC无明显相关性; 黏土矿物含量高,一定程度影响富有机质页岩压裂改造效果,但总体上脆性矿物含量略低于志留系龙马溪组海相页岩,二者可压裂性具有一定的可对比性。与海相页岩对比研究有助于有选择性地借鉴海相页岩气勘探开发相关技术,有针对性地开展陆相页岩气适应性技术攻关研究。
(3) 半深湖相、有机质丰度高的优质页岩为川东北大安寨段陆相页岩气富集提供了物质基础; 孔隙、裂缝的发育为页岩气的聚集提供了有利的储集空间; 富有机质页岩夹薄层介壳灰岩或砂岩岩性、高流体压力和良好的微裂缝发育体系,不仅为页岩气富集提供了良好条件,也有利于后期的储层压裂改造和油气高产。这些地质因素主控川东北地区大安寨段陆相页岩气的富集高产,可以为四川盆地侏罗系陆相页岩气“甜点”预测提供依据。
(4) 在页岩气勘探方面,建议重点加强大安寨段陆相页岩沉积相带与岩相分布的识别和精细划分,优选有机碳含量和脆性矿物含量具有良好匹配的地区和层段作为陆相页岩气的甜点区和甜点层; 在开发上,按地质工程一体化的思路,加强岩石力学、地应力参数测试和压裂液体系配伍性试验,择机部署水平井,开展以大孔径定向射孔、胶凝酸/加砂压裂复合技术为主的关键工艺技术攻关研究,形成具有持续导流能力的复杂缝网,从而提高陆相页岩储层改造效果。
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