渝東北地區(qū)下古生界頁巖含氣性主控因素分析

余川，程禮軍，曾春林，汪生秀

（1.國土資源部頁巖氣資源勘查重點實驗室（重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院），重慶400042；2.油氣資源與探測國家重點實驗室重慶頁巖氣研究中心，重慶400042）

0 引言

近年來，經(jīng)過《全國頁巖氣資源潛力調(diào)查評價及有利區(qū)優(yōu)選》專項的實施，初步證實四川盆地及其周緣下古生界富有機質(zhì)頁巖地質(zhì)基礎較好，具有較大的頁巖氣資源勘探潛力［1-2］；但頁巖氣鉆井揭示，頁巖含氣性在區(qū)域上和垂向上差異較大，這反映了頁巖含氣性受到多種復雜因素的控制［3-4］。前人也對頁巖含氣性的影響因素進行了探索性分析，并取得了一些認識，主要包括頁巖的原始有機質(zhì)豐度、成熟度、物性、微孔隙結構、裂縫發(fā)育、構造及溫壓條件等，歸根結底這些因素所起的作用主要體現(xiàn)在頁巖氣的生成、 聚集及保存3 大方面［5-10］。為此，圍繞這些方面，對渝東北地區(qū)下古生界頁巖含氣性的主控因素進行了探討。

渝東北地區(qū)處于四川盆地東北部邊緣，后期構造活動強烈，褶皺斷裂發(fā)育，構造及地表條件復雜，以山區(qū)為主，油氣勘探程度較低。該區(qū)下古生界主要發(fā)育下寒武統(tǒng)水井沱組和上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組2 套富有機質(zhì)頁巖，頁巖氣富集條件優(yōu)越［11］，但受沉積環(huán)境及后期構造改造的影響，區(qū)內(nèi)頁巖層發(fā)育展布變化較大，熱演化程度達到高—過成熟階段，頁巖含氣性主控因素值得進一步探索。

1 頁巖有機質(zhì)

有機質(zhì)是影響頁巖氣生成及賦存的關鍵。對城口縣河魚鄉(xiāng)C-1 井下寒武統(tǒng)水井沱組40 塊頁巖巖心進行了現(xiàn)場含氣量解吸測試，頁巖含氣量分布在3.64 m3/t以內(nèi)，平均為1.16 m3/t，含氣性較好（含氣量大于1.00 m3/t）的層段主要位于中下部的富有機質(zhì)頁巖段（TOC大于2.00%），巖心含氣量與總有機碳質(zhì)量分數(shù)測試結果具有很好的對應關系，在TOC 高值處，頁巖孔隙度也較大，相應的巖心含氣性也較好（見圖1）。

有機質(zhì)通常是評價烴源巖及其生烴潛力的重要指標。對于頁巖氣儲層而言，頁巖有機質(zhì)類型及豐度決定了頁巖的原始生烴能力，較高的有機質(zhì)豐度可以保證頁巖層生成足夠的天然氣以滿足自身的儲集之需；另外，頁巖有機質(zhì)的生烴膨脹作用通常形成大量微孔隙，有機質(zhì)越發(fā)育，微孔隙發(fā)育數(shù)量就越多［12］。有機質(zhì)孔是頁巖內(nèi)典型的孔隙類型，對于頁巖總孔體積具有較大貢獻，這類微孔隙表面是吸附態(tài)頁巖氣賦存的主要空間［13-14］。

對C-1 井水井沱組5 塊TOC 不同的頁巖樣品進行了等溫吸附實驗，采用類似煤的高壓等溫吸附實驗方法，在溫度30 ℃、壓力0～12 MPa 的條件下，測試了頁巖對甲烷氣的吸附能力，依據(jù)Langmuir 等溫吸附式，得到頁巖的等溫吸附曲線（見圖2），可以記錄在不同壓力點頁巖的吸附氣量。在相同溫壓條件下，TOC較高的樣品總體具有更強的吸附能力，兩者具有很好的正相關性，這就表明有機質(zhì)對于頁巖吸附氣的賦存起關鍵作用。

圖1 C-1 井下寒武統(tǒng)水井沱組綜合柱狀圖

圖2 C-1 井水井沱組頁巖樣品等溫吸附曲線

2 頁巖層厚度與埋深

頁巖層厚度與埋深是控制頁巖氣聚集及保存的主要因素。

2.1 頁巖層厚度

渝東北地區(qū)下寒武統(tǒng)水井沱組黑色頁巖發(fā)育厚度較大，分布在100～600 m；而上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組黑色頁巖發(fā)育厚度較小，分布在10～60 m。除頁巖厚度以外，這2 個層位的其他地質(zhì)條件都具有類似性，鉆井揭示厚度較大的水井沱組頁巖含氣性明顯較好，如C-1 井富有機質(zhì)頁巖連續(xù)厚度達到140 m，巖心平均解吸氣量為1.16 m3/t；而厚度較小的五峰—龍馬溪組頁巖含氣性明顯較差，W-1 井富有機質(zhì)頁巖連續(xù)厚度僅為25 m，巖心平均解吸氣量僅為0.29 m3/t（見表1），可以推測頁巖層厚度對于渝東北下古生界2套頁巖的含氣性具有重要影響。

對于頁巖氣儲層而言，本身集生、儲、蓋等多種成藏要素于一體，因此頁巖層厚度對頁巖氣充分聚集及有效保存的影響不可忽視。較大的頁巖層厚度才能保證氣態(tài)烴的大量生成并提供充足的儲集空間，以使頁巖氣得到充分聚集［3］；另外，頁巖層系本身可作為所賦存天然氣的直接蓋層，頁巖層的自身封蓋性能對于頁巖氣的保存具有重要影響，根據(jù)蓋層的封閉性能，蓋層厚度對于封蓋性能影響較大［6］。因此，頁巖層厚度越大，自身封蓋性能越好，越有利于頁巖氣的保存而不至于大量散失。

表1 渝東北地區(qū)水井沱組與五峰—龍馬溪組黑色頁巖層地質(zhì)參數(shù)對比

2.2 頁巖層埋深（溫壓條件）

在地層條件下，隨著頁巖層所處埋深的變化，相應的溫壓條件及其孔隙結構等也隨之改變。在頁巖層中，頁巖氣是在一定溫壓條件下聚集形成的［15-17］，因此，壓力和溫度在很大程度上控制著頁巖氣的聚集和解吸作用，進而影響著頁巖的含氣性。

根據(jù)C-1 井水井沱組28 號巖心樣品（井深754 m）的等溫吸附實驗，在30 ℃溫度條件下，頁巖的吸附氣量在開始階段隨壓力的增大而迅速增加；當達到一定壓力（6～10 MPa）之后，頁巖吸附量增加緩慢；當達到一定上限壓力（12 MPa）之后，頁巖的吸附氣量幾乎不再增加，最大吸附氣量達到4.95 m3/t，吸附能力較強（見圖3）。這表明，在溫度恒定的條件下，地層壓力的增大可以增強頁巖的含氣能力，但頁巖的吸附能力是不可能無限增大的，當達到飽和后，將不再隨壓力的增大而增加。相反，頁巖層的釋壓也會導致頁巖氣的解吸作用，降低頁巖的含氣量。

圖3 C-1 井水井沱組28 號樣品等溫吸附曲線

28 號樣品的現(xiàn)場含氣量解吸實驗結果如圖4所示。開始階段，頁巖在近似地層溫度（30 ℃）的恒溫下自然解吸，當累計解吸時間達到1 380 min 后，自然解吸基本結束，得到的自然解吸氣量為1 985 mL；然后，需加溫至100 ℃以充分解吸出頁巖內(nèi)部的殘余氣，解吸全部結束后得到的殘余氣量為3 635 mL，大于自然解吸氣量。這表明，在高溫條件下可以使滯留在頁巖內(nèi)部的殘余氣體得到充分解吸，而這部分氣體主要以吸附態(tài)存在。因此可以推斷，在地層條件下，較高溫度有利于氣體的解吸作用，而不利于頁巖氣的聚集成藏。

圖4 C-1 井水井沱組28 號樣品含氣量解吸曲線

根據(jù)上述實驗分析，溫度和壓力對于頁巖氣的聚集具有相反的作用，在地層條件下，隨著地層埋深的增大，地層溫度和壓力都在增加，這時要使頁巖氣充分聚集，就需要達到一個更加合適的溫壓匹配狀態(tài)。據(jù)此可以推斷，當頁巖層埋藏深度達到1 000～2 000 m（壓力10～12 MPa、溫度30～40 ℃）時，頁巖吸附性能將達到一種最佳狀態(tài)。

受復雜構造條件的影響，渝東北地區(qū)下古生界頁巖目的層埋深變化較大，下寒武統(tǒng)埋深分布在6 750 m以淺，下志留統(tǒng)埋深分布在5 000 m 以淺。在城巴斷裂帶以北的地區(qū)，地層抬升剝蝕幅度較大，頁巖層埋藏較淺（小于1 000 m），鉆井揭示頁巖含氣性較差；而由北向南，埋深整體逐漸增大，南部更有利于下古生界頁巖氣的聚集和保存。

3 頁巖裂縫

頁巖裂縫的發(fā)育對于頁巖氣的保存具有重要影響。富有機質(zhì)頁巖主要發(fā)育微型孔隙，大孔發(fā)育少，對于頁巖內(nèi)天然氣的聚集及保存，更需要考慮頁巖裂縫的發(fā)育情況。按照發(fā)育規(guī)模，可將裂縫分為巨型、大型、中型、小型和微型等5 類［18］。對于中小型和微型裂縫發(fā)育的頁巖而言，這類裂縫一般不與外界溝通，不會導致頁巖層的大量排烴，只會因生烴膨脹作用而排出富余的烴，且此類裂縫的發(fā)育也增加了頁巖的儲集空間［19-21］。但是對于構造活動強烈、大型或巨型裂縫發(fā)育的區(qū)域，這類裂縫發(fā)育規(guī)模較大，延伸較遠，穿透性強，尤其是那種通天斷裂，常延伸至地表與大氣溝通，這就大大破壞了頁巖對自身天然氣的封閉性。大型斷裂一方面給游離態(tài)天然氣的散失提供了直接通道，另一方面，頁巖層的釋壓將促進頁巖層內(nèi)吸附態(tài)天然氣的解吸作用，導致頁巖氣進一步散失，這樣將一定程度上減小頁巖的含氣量［22］。由此可見，裂縫發(fā)育對于頁巖氣藏具有雙重作用，是一把“雙刃劍”，這主要取決于裂縫的發(fā)育程度和性質(zhì)等。

渝東北地區(qū)在地質(zhì)歷史時期，經(jīng)歷了多期次構造改造，與褶皺伴生的斷裂發(fā)育，發(fā)育城巴斷裂、烏坪斷裂、沙市隱伏斷裂等多條深大斷裂。這種構造格局是在區(qū)域應力場由張性轉變?yōu)閴号ば缘谋尘跋拢苤苓厴嬙飙h(huán)境、基底性質(zhì)和深部斷裂控制逐步形成的。由于該區(qū)地史上穩(wěn)定性較弱，基底發(fā)生塑性變形，燕山—喜山期以來，在華鎣山和七矅山2 條高角度基底深斷裂的控制下，主要受到來自北東—南西向、南北向的壓扭應力作用。在周邊地層（尤其是該區(qū)北部）派生出多組次生逆沖斷裂，這種斷裂傾角較大、延伸遠，通常能穿透整套地層（見圖5），尤其是下古生界構造層脆性變形強烈，無論是斷裂發(fā)育數(shù)量還是強度都明顯高于淺層，并向深部的震旦系及基底巖系聚斂，這對于下古生界頁巖氣的保存是極為不利的。如在研究區(qū)城口和巫溪地區(qū)鉆探的C-1 井、W-1 井和W-2 井，處于大巴山前緣褶皺斷裂帶，整套地層構造破壞嚴重，而使得下古生界頁巖目的層含氣量遭受了大量損失，W-1 井五峰—龍馬溪組黑色頁巖平均含氣量僅為0.29 m3/t，W-2 井五峰—龍馬溪組黑色頁巖含氣量不足0.30 m3/t，這表明該區(qū)斷裂發(fā)育對于下古生界頁巖含氣性具有較大的破壞性。

以上分析表明，頁巖氣的聚集與保存受到了多種復雜因素的影響，采用綜合信息疊合法對各項參數(shù)進行綜合考慮，認為下古生界富有機質(zhì)頁巖（TOC 大于2.00%）連續(xù)厚度達到30 m 以上、埋深在1 000～5 000 m、斷裂欠發(fā)育、保存較好的區(qū)域是頁巖氣的有利富集區(qū)，從而優(yōu)選出2 個有利區(qū)：

1）下寒武統(tǒng)頁巖氣有利區(qū)，位于開縣以北的滿月—溫泉地區(qū)及奉節(jié)—巫山以北至巫溪白鹿—正溪以南地區(qū)；2）下志留統(tǒng)頁巖氣有利區(qū)，位于巫山—奉節(jié)—開縣以北至巫溪—咸水以南的沿北西向展布的區(qū)域（見圖5）。

4 結論

1）有機質(zhì)是控制頁巖含氣性的關鍵內(nèi)在因素。有機質(zhì)決定了頁巖的原始生烴能力；另外，富有機質(zhì)頁巖內(nèi)廣泛發(fā)育的微孔隙對于頁巖總孔體積具有較大貢獻，是吸附態(tài)頁巖氣賦存的主要空間。對于同一頁巖層段，頁巖總有機碳質(zhì)量分數(shù)與含氣性具有很好的對應關系；在相同溫壓條件下，頁巖總有機碳質(zhì)量分數(shù)越高，其吸附能力越強。

2）在地層條件下，較大的頁巖層厚度有利于頁巖氣的充分聚集與有效保存。在一定溫壓范圍內(nèi)，頁巖的吸附能力隨地層壓力的增大而增強，但溫度的增加將促進頁巖氣的解吸作用，而不利于聚集成藏；因此，要使頁巖氣充分聚集，就需要達到一個更加合適的溫壓匹配狀態(tài)。渝東北下古生界有利頁巖氣儲層富有機質(zhì)頁巖（TOC＞2.00%）連續(xù)厚度需達到30 m 以上、埋深應在1 000～5 000 m。

3）大型斷裂的發(fā)育對于頁巖氣的保存具有重大破壞性，渝東北地區(qū)經(jīng)歷多期次構造改造，尤其是北部斷裂較發(fā)育，下古生界頁巖含氣性受到極大影響；而該區(qū)南部構造較穩(wěn)定，斷裂欠發(fā)育，比較有利于頁巖氣的保存。構造保存條件可能是影響該區(qū)下古生界頁巖含氣性的關鍵。

4）下寒武統(tǒng)頁巖氣聚集有利區(qū)位于開縣以北的滿月—溫泉地區(qū)及奉節(jié)—巫山以北至巫溪白鹿—正溪以南地區(qū)；下志留統(tǒng)頁巖氣聚集有利區(qū)位于巫山—奉節(jié)—開縣以北至巫溪—咸水以南的沿北西向展布的區(qū)域。

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