陸相頁巖氣形成條件及勘探開發(fā)潛力
——以川東涪陵北地區(qū)侏羅系東岳廟段為例

劉皓天，李 雄，萬云強(qiáng)，劉忠寶，周 林，車世琦

1中國(guó)石化江漢油田分公司勘探開發(fā)研究院；2中國(guó)石化江漢油田分公司；3中國(guó)石化勘探開發(fā)研究院

0 前言

近年來，我國(guó)在涪陵、長(zhǎng)寧、昭通及威遠(yuǎn)等多個(gè)地區(qū)奧陶系五峰組—志留系龍馬溪組已獲得海相頁巖氣勘探開發(fā)的成功［1-4］，但隨著勘探開發(fā)的不斷深入，未來頁巖氣增儲(chǔ)上產(chǎn)仍面臨巨大壓力，急需拓展新領(lǐng)域、新層系。我國(guó)陸相盆地分布范圍廣，中生界、新生界等多個(gè)層系均發(fā)育陸相泥頁巖，是頁巖氣勘探開發(fā)的重要接替領(lǐng)域之一。盡管在鄂爾多斯盆地三疊系［5］和四川盆地侏羅系的多口鉆井已獲得了陸相頁巖氣的工業(yè)發(fā)現(xiàn)，但與海相泥頁巖相比，產(chǎn)氣量明顯偏低，迄今為止尚未實(shí)現(xiàn)規(guī)模商業(yè)開發(fā)。在四川盆地侏羅系的3個(gè)地區(qū)（元壩、涪陵北、建南）、3個(gè)層段（自流井組東岳廟段、大安寨段，千佛崖組）壓裂測(cè)試均獲頁巖氣流，如元壩地區(qū)YB21井在大安寨段最高日產(chǎn)50.7×104m3，涪陵北地區(qū)FYHF-1井在大安寨段最高日產(chǎn)1.73×104m3，建南地區(qū)JYHF-1井在東岳廟段最高日產(chǎn)1.23×104m3，這展現(xiàn)了盆地侏羅系陸相頁巖氣勘探開發(fā)的良好前景。由于不同地區(qū)、不同層段的頁巖地質(zhì)特征差異較大［6-12］，鉆井取心又少，因此對(duì)于侏羅系陸相頁巖氣形成條件的研究還缺乏系統(tǒng)性，認(rèn)識(shí)也不夠深入。

近期，在川東涪陵北地區(qū)部署了FY10井，該井在東岳廟段全取心，這為陸相頁巖氣研究提供了有利條件。筆者在對(duì)FY10井巖心觀察描述的基礎(chǔ)上，采用全巖礦物X射線衍射、薄片鑒定、高壓壓汞-氮?dú)馕铰?lián)合測(cè)定、氬離子拋光-掃描電鏡分析及孔隙度、有機(jī)碳含量、熱解、干酪根碳同位素、鏡質(zhì)組反射率測(cè)試等多種實(shí)驗(yàn)技術(shù)方法，深入開展了研究區(qū)東岳廟段頁巖氣形成條件研究，認(rèn)為東岳廟段一亞段頁巖氣地質(zhì)條件好：優(yōu)質(zhì)頁巖厚度大，有機(jī)質(zhì)含量較高，有機(jī)質(zhì)類型以Ⅱ型為主，有機(jī)質(zhì)已進(jìn)入高成熟演化階段；頁巖中無機(jī)礦物孔與有機(jī)質(zhì)孔均較發(fā)育，儲(chǔ)集性能好；東岳廟段整體埋藏深度適中，頁巖中發(fā)育大量灰質(zhì)介殼紋層，有利于增強(qiáng)壓裂改造效果，具備良好的頁巖氣勘探開發(fā)潛力。該項(xiàng)研究可為四川盆地侏羅系頁巖氣勘探開發(fā)提供依據(jù)與指導(dǎo)。

1 研究區(qū)概況

涪陵北地區(qū)構(gòu)造上位于四川盆地川東高陡構(gòu)造帶，屬于萬縣復(fù)向斜中的拔山寺向斜，向斜總體呈北東向延伸（圖1）。區(qū)內(nèi)侏羅系發(fā)育完整，自下而上依次為下侏羅統(tǒng)自流井組、中侏羅統(tǒng)千佛崖組（涼高山組）和沙溪廟組、上侏羅統(tǒng)遂寧組和蓬萊鎮(zhèn)組，其中，自流井組自下而上又可以進(jìn)一步劃分為4個(gè)巖性段，即珍珠沖段、東岳廟段、馬鞍山段及大安寨段。依據(jù)FY10井巖性及常規(guī)測(cè)井響應(yīng)特征，本次研究目的層?xùn)|岳廟段自下而上進(jìn)一步劃分為3個(gè)亞段7個(gè)小層（圖2）。

圖1 涪陵北地區(qū)東岳廟段底界海拔深度圖Fig.1 Burial depth of the bottom of Dongyuemiao Member in north Fuling area

圖2 涪陵北地區(qū)東岳廟段地層綜合柱狀圖（FY10井）Fig.2 Comprehensivestratacolumn of Dongyuemiao Member of Well FY10 in north Fulingarea

2 東岳廟段頁巖氣形成條件

2.1 頁巖全巖礦物組成及巖性特征

FY10井東岳廟段63個(gè)頁巖樣品的全巖X衍射測(cè)試分析結(jié)果表明，頁巖礦物組成整體以黏土礦物、石英為主（圖3a），其次為方解石，但含量分布不均：黏土礦物為26.5%～71.8%，平均為56.2%；石英為14.4%～52.7%，平均為26.8%；碳酸鹽礦物為0～45.3%，平均為11.5%。從東岳廟段3個(gè)亞段各主要礦物平均含量的對(duì)比分析結(jié)果（圖3b）來看，3個(gè)亞段長(zhǎng)英質(zhì)礦物的平均含量大致相當(dāng)，東岳廟段一亞段（簡(jiǎn)稱東一亞段）與東三亞段以黏土礦物含量高為特點(diǎn)，而東二亞段以碳酸鹽礦物含量高為特點(diǎn)。據(jù)巖心觀察，東一亞段巖性主要為灰黑色頁巖夾灰質(zhì)介殼紋層—薄層，東二亞段主要為灰黑色泥質(zhì)灰?guī)r、灰質(zhì)泥巖，而東三亞段主要為深灰色—灰色泥巖。

圖3 涪陵北地區(qū)東岳廟段頁巖礦物組成特征（FY10井）Fig.3 Shalemineral compositionof Dongyuemiao Member of Well FY10 innorth Fulingarea

2.2 頁巖有機(jī)地球化學(xué)特征

2.2.1 有機(jī)碳含量及熱演化程度

從FY10井東岳廟段84個(gè)頁巖巖心樣品實(shí)測(cè)有機(jī)碳含量（TOC）結(jié)果來看（圖4），TOC平均值由大到小依次為東一亞段（①—④小層）、東二亞段（⑤小層）、東三亞段（⑥、⑦小層），東一亞段各小層頁巖TOC均大于1.5%，且自下而上逐漸增大，東二、東三亞段以小于1.0%為主。其中，④小層TOC最高，最大值為4.04%，平均值為2.04%；其次為③小層，TOC最大值為3.13%，平均值為1.67%。

圖4 涪陵北地區(qū)東岳廟段TOC分布特征（FY10井）Fig.4 TOC histogramof Dongyuemiao Member of Well FY10 innorth Fulingarea

筆者在FY10井東岳廟段共選取6個(gè)頁巖樣品進(jìn)行干酪根鏡質(zhì)組反射率（Ro）測(cè)定，數(shù)據(jù)結(jié)果詳見表1。6個(gè)樣品Ro的平均值在1.52%～1.58%之間，反映有機(jī)質(zhì)已進(jìn)入高成熟演化階段，以生氣為主。平面上，Ro整體大于1.4%，且自東北往西南方向呈增大趨勢(shì)。

表1 涪陵北地區(qū)東岳廟段鏡質(zhì)組反射率（R o）特征（FY10井）Table1 Vitrinitereflectanceof Dongyuemiao Member of Well FY10 innorth Fulingarea

2.2.2 有機(jī)質(zhì)類型

筆者選取FY10井TOC較高的東一亞段20個(gè)樣品進(jìn)行干酪根碳同位素測(cè)試，按照三類四分法的有機(jī)質(zhì)類型劃分標(biāo)準(zhǔn)，東一亞段有機(jī)質(zhì)類型以Ⅱ2、Ⅱ1型為主，局部發(fā)育Ⅰ、Ⅲ型。從有機(jī)質(zhì)顯微組分來看，東一亞段頁巖整體以鏡質(zhì)組為主，含量為5.0%～100%，平均值為62.7%；惰質(zhì)組次之，含量為0～52.5%，平均值為26.2%；貧氫次生組分含量為0～60.0%，平均值為11.5%。顯微鏡下觀察鑒定結(jié)果表明，頁巖有機(jī)質(zhì)顯微組分主要包括鏡質(zhì)體、絲質(zhì)體、固體瀝青及微粒體：鏡質(zhì)體與絲質(zhì)體在各層段普遍發(fā)育，鏡質(zhì)體（圖5a，5b）多呈塊狀、條帶狀，表面均一，呈灰色—灰白色；絲質(zhì)體（圖5c）呈亮白色，有凸起；固體瀝青以③、④小層最為發(fā)育，主要沿巖石裂縫充填，形態(tài)取決于裂隙或孔隙的形狀（圖5d）；微粒體彌散分布于礦物、黏土中，仍以③、④小層相對(duì)含量最高。

圖5 涪陵北地區(qū)東岳廟段有機(jī)顯微組分特征（FY10井）Fig.5 Organic maceral photosof Dongyuemiao Member of Well FY10 in north Fulingarea

2.3 頁巖儲(chǔ)層特征

2.3.1 物性特征

FY10井頁巖巖心物性統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：整體上，東一亞段富有機(jī)質(zhì)頁巖孔隙度為1.64%～7.67%，平均值為5.30%；按小層統(tǒng)計(jì)，各小層平均孔隙度均大于4%，且自下而上由①小層至④小層逐漸增大（圖6），④小層平均孔隙度可達(dá)6.11%；東一亞段水平滲透率為（0.04～1.07）×10-3μm2，平均值為0.28×10-3μm2，滲透率相對(duì)較高。結(jié)合巖心觀察，認(rèn)為東一亞段頁理的良好發(fā)育對(duì)滲透性的提高貢獻(xiàn)明顯。從孔滲分析結(jié)果來看，東岳廟段頁巖儲(chǔ)集性能較好。與焦石壩地區(qū)JY1井志留系龍馬溪組海相頁巖（孔隙度為2.78%～7.08%，平均值為4.81%）相比，涪陵北地區(qū)東岳廟段陸相頁巖并不遜色。

圖6 涪陵北地區(qū)東岳廟段一亞段頁巖孔隙度特征（FY10井）Fig.6 Shaleporosity histogramof Dongyuemiao Submember 1 of Well FY10 innorth Fulingarea

2.3.2 孔隙結(jié)構(gòu)特征

頁巖孔隙結(jié)構(gòu)表征是頁巖儲(chǔ)集性能評(píng)價(jià)的重要依據(jù)。目前定量測(cè)定頁巖孔隙大小的手段主要是流體注入法，包括低溫氮?dú)馕椒?、二氧化碳吸附法、高壓壓汞法，這些方法均有各自的局限性，因此綜合各種技術(shù)手段進(jìn)行頁巖孔隙分析是準(zhǔn)確揭示頁巖全孔徑分布范圍的有效途徑［13］。本次研究采用高壓壓汞-吸附聯(lián)合測(cè)定法對(duì)FY10井東岳廟段頁巖開展了全孔隙結(jié)構(gòu)的定量表征。結(jié)果表明：侏羅系東岳廟段陸相頁巖孔徑分布特征表現(xiàn)為雙峰，2～10 nm的微孔占比相對(duì)較小，大孔（孔徑＞50 nm）占比相對(duì)較大（圖7a）。這與志留系龍馬溪組海相頁巖孔徑分布（圖7b，同一儀器分析）存在較大差異。

2.3.3 頁巖儲(chǔ)集空間類型及特征

圖7 四川盆地侏羅系陸相頁巖與志留系海相頁巖孔徑分布特征對(duì)比圖Fig.7 Comparisonof poresizedistributionbetween Jurassic continental shaleand Silurianmarineshale

前期針對(duì)陸相頁巖儲(chǔ)集空間類型的研究多集中在鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組［14-17］，對(duì)于四川盆地東岳廟段頁巖儲(chǔ)層孔隙的研究相對(duì)較少。筆者通過系統(tǒng)的氬離子拋光-掃描電鏡圖像觀察發(fā)現(xiàn)：東岳廟段富有機(jī)質(zhì)頁巖儲(chǔ)層中無機(jī)礦物孔、有機(jī)質(zhì)孔均有發(fā)育（圖8），其中，無機(jī)礦物孔包括黏土礦物層間孔、粒間孔、方解石粒內(nèi)孔，以黏土礦物層間孔為主，其次為粒間孔。黏土礦物層間孔主要呈狹縫形、線形，寬幾十到幾百納米不等（圖8a），主要為黏土礦物片層間壓實(shí)作用后的殘余孔隙，鏡下可見少量孔隙被暗色有機(jī)質(zhì)全充填或部分充填。粒間孔主要是由片狀黏土礦物和少量長(zhǎng)石、石英及方解石顆粒雜亂排列所形成，顆粒之間相互支撐形成較為穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，孔隙形態(tài)多呈三角形、多邊形及不規(guī)則形等。頁巖中有機(jī)質(zhì)孔主要發(fā)育于無固定形態(tài)的固體瀝青內(nèi)部，孔徑大小分布不均，幾十到幾百納米不等，孔隙形態(tài)多以斑點(diǎn)形、不規(guī)則形為主（圖8b），少量為橢圓形。此外，局部樣品中見少量莓狀黃鐵礦集合體，黃鐵礦單晶被暗色有機(jī)質(zhì)充填，其內(nèi)部發(fā)育有機(jī)質(zhì)孔（圖8c）。整體而言，東岳廟段富有機(jī)質(zhì)頁巖中各類無機(jī)礦物孔與有機(jī)質(zhì)孔發(fā)育，因而具備良好的儲(chǔ)集性能。

圖8 涪陵北地區(qū)東岳廟段頁巖儲(chǔ)層孔隙特征（FY10井，掃描電鏡）Fig.8 Different typesof porein theshaleof Dongyuemiao Member of Well FY10 in north Fulingarea(SEM)

2.4 頁巖含氣性特征

FY10井盡管泥漿密度較大（1.78～1.82 kg/m3），加之全井段取心，均會(huì)不同程度地對(duì)氣測(cè)顯示產(chǎn)生影響，但仍獲得了較好的氣測(cè)顯示：上部④小層（厚6.5 m）全烴值為2.75%～13.54%，平均值為5.98%。東岳廟段①至④小層巖心出筒時(shí)泥漿表面均有不同程度的氣泡顯示（圖9a），尤其是②小層上部至④小層氣泡數(shù)量明顯增多。全井段系統(tǒng)的浸水實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果也顯示：自下而上由①至④小層氣泡顯示效果逐漸變好（圖9b—9d），尤其是③、④小層氣泡密集、能量較強(qiáng)，持續(xù)性好，表明其含氣量較高。

圖9 涪陵北地區(qū)東岳廟段巖心出筒與浸水實(shí)驗(yàn)圖（FY10井）Fig.9 Photosof coreoutof barrel and water immersion testof Dongyuemiao Member of Well FY10innorth Fulingarea

3 東岳廟段頁巖氣勘探開發(fā)潛力

3.1 頁巖氣形成地質(zhì)條件好

研究區(qū)內(nèi)FY10井等鉆井揭示東岳廟段優(yōu)質(zhì)頁巖厚度多大于20 m，TOC平均值大于1.5%，局部少量層段可達(dá)4%以上；有機(jī)質(zhì)類型以Ⅱ2、Ⅱ1型為主，生烴潛力好；有機(jī)質(zhì)成熟度Ro多大于1.4%，已進(jìn)入高成熟演化階段，以生氣為主。頁巖中無機(jī)礦物孔（黏土礦物層間孔、粒間孔）、有機(jī)質(zhì)孔均較發(fā)育，孔隙度均大于4%，優(yōu)質(zhì)層段平均孔隙度最高可達(dá)6.11%。巖心構(gòu)造裂縫基本不發(fā)育，壓力系數(shù)高，保存條件好，現(xiàn)場(chǎng)出筒巖心泥漿表面及浸水實(shí)驗(yàn)測(cè)試顯示氣泡密集、持續(xù)性好，反映其含氣性好。綜合分析認(rèn)為：東一亞段上部③、④小層頁巖氣富集條件最好，為有利頁巖氣勘探開發(fā)層段。

3.2 頁巖氣開發(fā)條件好

頁巖氣富集層段埋藏深度越大，對(duì)于頁巖氣水平井工程壓裂改造的技術(shù)要求越高，同時(shí)也會(huì)提高鉆井及工程施工的經(jīng)濟(jì)成本。目前我國(guó)在四川盆地以五峰組—龍馬溪組為目的層的3 000 m以淺的鉆探及壓裂改造技術(shù)已較為成熟，但對(duì)于深層，尤其是深度大于4 000 m的鉆井工程壓裂改造技術(shù)仍處于探索階段。研究區(qū)東岳廟段底界埋深多小于3 000 m，其中拔山寺向斜主體在2 750～2 950 m之間，埋深適中。

陸相頁巖黏土礦物含量高，目前認(rèn)為這會(huì)影響水平井壓裂改造效果，但有研究認(rèn)為陸相富有機(jī)質(zhì)頁巖夾薄層條帶灰?guī)r或砂巖的巖性組合可以提高脆性指數(shù)和楊氏模量，并降低泊松比，使其更接近純灰?guī)r的值，有利于后期的壓裂改造［18］。對(duì)FY10井東岳廟段系統(tǒng)的巖心觀察描述結(jié)果顯示：東一亞段①至④小層頁巖中發(fā)育大量的灰質(zhì)介殼紋層（圖10），累計(jì)可達(dá)476條，各小層的密度為7～21條/米。這對(duì)于提高頁巖層段脆性指數(shù)，形成更多的人工裂縫，在一定程度上增強(qiáng)壓裂改造效果將起到積極的作用。加之目前我國(guó)已在陸相頁巖儲(chǔ)層壓裂縫網(wǎng)形成機(jī)理［19］、分段多簇壓裂技術(shù)［20］等方面的技術(shù)方法上有一些探索和進(jìn)步，因此，研究區(qū)有望實(shí)現(xiàn)頁巖氣高產(chǎn)，獲得良好的勘探開發(fā)效果。

圖10 涪陵北地區(qū)東岳廟段一亞段各小層介殼紋層統(tǒng)計(jì)對(duì)比（FY10井）Fig.10 Statistical histogramof shell laminaeineachsublayer of the Dongyuemiao Submember 1of Well FY10innorth Fulingarea

4 結(jié)論

（1）四川盆地涪陵北地區(qū)侏羅系自流井組東岳廟段一亞段優(yōu)質(zhì)頁巖厚度大于20 m，有機(jī)質(zhì)豐度較高（TOC為1.31%～4.04%，平均值大于1.5%）；有機(jī)顯微組分以鏡質(zhì)體、絲質(zhì)體、固體瀝青為主，有機(jī)質(zhì)類型以Ⅱ2、Ⅱ1型為主；鏡質(zhì)組反射率平均值在1.52%～1.58%之間，反映已進(jìn)入高成熟演化階段。頁巖中無機(jī)礦物孔與有機(jī)質(zhì)孔均較發(fā)育，其中無機(jī)礦物孔以黏土礦物層間孔為主，其次為粒間孔，平均孔隙度大于4%，儲(chǔ)集性能好。巖心浸水實(shí)驗(yàn)顯示氣泡密集、持續(xù)性好，反映頁巖氣形成與富集條件好。

（2）研究區(qū)東岳廟段整體埋藏深度適中，頁巖中發(fā)育大量灰質(zhì)介殼紋層，有利于增強(qiáng)壓裂改造效果，因而具備良好的頁巖氣勘探開發(fā)潛力，有望實(shí)現(xiàn)規(guī)模性商業(yè)開發(fā)。