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摘 要： 摘要:為研究川東南DS地區頁巖氣富集情況，綜合分析DS地區頁巖氣生氣條件、儲集空間以及保存條件，對該地區頁巖氣富集條件進行研究。結果表明:研究區頁巖有機質類型以Ⅰ型干酪根為主，厚度大，TOC為2.00%～6.67%，Ro為2.20%～3.36%，處于過成熟產干氣階段;頁
摘要:為研究川東南DS地區頁巖氣富集情況，綜合分析DS地區頁巖氣生氣條件、儲集空間以及保存條件，對該地區頁巖氣富集條件進行研究。結果表明:研究區頁巖有機質類型以Ⅰ型干酪根為主，厚度大，TOC為2.00%～6.67%，Ro為2.20%～3.36%，處于過成熟產干氣階段;頁巖有機質含量高，有機質孔及微裂縫發育，提供頁巖氣儲集空間及橫向滲流通道;DY2、DY4井埋藏深度適中，壓力系數大于1.2，單井日產量分別為10.5×104m3/d和20.0×104m3/d，屬高產頁巖氣井。通過對烴源、儲集空間及保存條件的綜合分析，認為有機質及孔隙發育、埋藏適中、壓力系數大、保存條件良好的區域是頁巖氣有力勘探區。該研究可為今后相似地區的頁巖氣勘探提供借鑒。
關鍵詞:川東南;DS地區;龍馬溪組;頁巖氣;控制因素;富集條件
0引言
頁巖氣勘探是現今國內外非常規油氣勘探的重點領域，成熟頁巖層普遍含氣[1-3]。中國頁巖氣藏地質條件較為復雜，學者對頁巖氣運聚富集的主要控制因素尚無統一觀點。川東南地區是中國頁巖氣勘探的主要地區，厘清頁巖氣運聚富集、形成規模性氣藏的控制因素，對今后同類地區頁巖氣勘探具有重要意義。頁巖由于其致密性，常被視為自生自儲自蓋型圈閉，而對于復雜地質環境下發育的頁巖，常不能滿足自蓋要求。針對這一特點，在對頁巖氣生成和儲集空間發育分析的基礎上，分析頁巖頂、底板地層構造要素及斷裂對地層的破壞等，對川東南DS地區頁巖氣富集形成規模及頁巖氣藏的主要控制因素進行研究。解析生氣、儲集及封蓋條件對頁巖氣富集成藏的影響，認為有利的生氣條件是頁巖氣富集的物質基礎，儲層空間發育提供頁巖氣聚集的空間場所，而保存條件是頁巖氣形成后能否留存的關鍵。結合烴源、儲藏、保存三者條件及時空配置因素，綜合分析各條件對頁巖氣富集控制的權重。
1區域地質概況
DS區塊位于川東高陡褶皺帶和川南低緩褶皺帶的交匯部位，空間上為NE向寬緩向斜和緊閉背斜組合的隔槽式褶皺[4-6]。研究區為北東向展布的斷鼻狀背斜[7](圖1)。研究區經歷海西至喜山運動等5次大型構造運動，構造演化時間長，地層出露相對完整，除泥盆系和石炭系外，震旦系至侏羅系均有出露。DS地區發育多套泥頁巖地層，具備良好的頁巖氣開發前景。
早志留世時期，川東南DS地區海平面上升，水體快速加深，低等生物大量繁衍，水體閉塞，含氧量降低，形成相對還原的水體[8]。生物死亡后，在缺氧的還原環境中沉積并保存下來，形成一套厚度大、高豐度、高成熟度的富有機質頁巖。主要產氣層龍馬溪組底部為黑色炭質頁巖夾薄層砂質頁巖，大量筆石、化石及黃鐵礦發育，向上巖性轉變為鈣質頁巖與泥灰巖夾層。
2頁巖氣生成物質基礎及控制因素
2.1有機質類型和豐度
受海底火山作用的影響，頁巖沉積期水體溫暖，營養物質豐富，微生物富集[9]，形成以Ⅰ型干酪根發育為主，Ⅱ1型干酪根少量發育的優質烴源母巖，頁巖層中筆石豐富，氫碳含量比較高，為大量產氣提供了物質基礎。通過對DY1HF、DY2井鉆井取樣分析可知，底部黑色炭質頁巖TOC最高，向上灰質和砂質成分加大，TOC遞減，并得到不同深度頁巖有機質含量變化規律(圖2)。由圖2可知:DY1HF井1970.5～2020.6m深度的頁巖TOC為0.62%～2.00%，整體小于2.00%，隨深度增加TOC平緩波動;2020.6～2052.9m深度的頁巖TOC為2.00%～6.65%，隨深度增加TOC呈線性增加，最高達6.69%;DY1HF井全段頁巖層TOC為0.41%～6.69%，TOC平均值為2.37%;DY2井測試段TOC為0.84%～6.48%，高于中國劃定的頁巖層有利勘探開發TOC最低值(2.00%)，屬于優質頁巖，DY1HF井和DY2井優質頁巖有效厚度分別為26.18m和32.36m。
2.2高演化有機質基礎
龍馬溪組優質頁巖形成于早志留世時期，形成時間早，地溫梯度大，熱演化時間長。頁巖埋藏深度為1500～4500m，DY1HF井與DY2井Ro為2.20%～3.36%，處于過成熟階段(圖3)。通過對樣品進行熱解檢測，得到吸附烴及游離烴含量分別為0.00～0.86mg/g和0.00～0.67mg/g，整體生烴潛力為0.00～1.53mg/g。研究區厚度較大的頁巖層形成于深水陸棚環境，有機質類型相同，隨深度的變化，頁巖有機質豐度和熱演化程度發生變化，頁巖產氣量也出現差異，此為控制頁巖氣生成的主要因素。
3頁巖氣儲集空間特征
3.1無機質孔隙
龍馬溪組頁巖礦物組成包括黏土礦物、石英、長石及少量黃鐵礦，黏土礦物含量大，礦物顆粒細小，接觸緊密。原生礦物晶間孔隙欠發育，僅存在少數礦物間孔隙以及黏土礦物顆粒之間的微米級孔隙。
通過對DS地區頁巖樣品進行背散射Maps掃描觀察(圖4)發現，頁巖層中發育大量不同類型的微孔隙，孔隙空間不規則發育，形狀和分布不一，主要包括生物化石孔、晶間孔和晶內孔;孔隙空間形狀多樣，包括圓形、蠕蟲形、發散狀等;在上覆地層壓力作用條件下，各類孔隙空間產生不同程度的形變，對原孔隙結構進行改造。
3.2有機質孔隙
有機質孔隙是指發育在頁巖有機質內部的微小孔隙，包括頁巖有機質本身所具有的原生孔隙以及埋藏生烴過程中由于生烴收縮作用形成的孔隙，其形成與干酪根類型密切相關。研究區Ⅰ型干酪根形態以團絮狀為主，自身孔隙較發育。埋藏過程中隨有機質成熟度增加，烴類氣體生成，干酪根出現質量虧損。由于生烴增壓作用的影響，烴類氣體體積急劇膨脹，干酪根體積縮小[13]，形成生烴收縮孔。烴類氣體生成后，優先吸附于干酪根等有機質顆粒表面，其次以游離態賦存于有機質孔隙和其他孔隙空間中[11]。頁巖有機質孔隙空間(圖4c、e)的發育和地層的埋藏過程相關，隨著埋藏深度的增加，有機質成熟度升高，在不同深度范圍段有機質孔隙具有分段遞變規律，當有機質成熟度小于2.0%時，有機質孔隙度隨成熟度的增加而增大，當成熟度不小于2.0%時，孔隙度反而會由于成熟度過大而出現一定的縮小。川東南DS地區龍馬溪組下段有機質總體處于過成熟狀態，有機質孔隙發育，是一類重要的儲集空間類型，對頁巖氣的儲藏具有重要貢獻。
3.3裂縫儲集體
頁巖層原生孔隙空間分散，孔隙連通性較差。裂縫在加大頁巖儲集空間，形成裂縫儲集體的同時，也作為頁巖油氣的滲流通道[14]。通過巖心裂縫觀察和FMI成像測井研究發現:頁巖裂縫類型包括構造剪切縫、水平滑脫縫和層理縫3類，不同裂縫在巖心和成像測井圖解上的表現形式不一，構造裂縫巖心表現為沿一平面錯斷，測井解釋圖上表現為高角度“V”型的曲線和近水平直線。DY1HF井巖心裂縫面平直完整，呈高角度切斷巖心形式產出，DY4井裂縫包括水平層理縫和高角度的剪切縫。隨頁巖埋深和脆性的不同，裂縫發育和充填程度也不相同，結合前人[3-8，13-18]及此次研究，龍馬溪組底部頁巖共發育3期裂縫，第2期和第3期裂縫主要呈半充填和未充填狀態，為頁巖層提供大量儲集空間，第1期裂縫充填程度較高，充填礦物主要為方解石(圖4c)，不利于儲集空間的形成，但增大了頁巖脆性。研究區頁巖全巖X衍射分析和礦物脆性分析顯示，DS地區頁巖脆性礦物總含量為61%，其中，硅質含量為43%，含少量粒狀及裂縫充填黃鐵礦。
4良好的保存條件控制頁巖氣成藏
頁巖氣藏的形成是一個動態運聚的過程，保存條件制約頁巖氣能否富集[17]。頂、底板條件，地層壓力系數，地層埋深，構造運動期次與強度是影響保存條件的因素。
4.1構造要素對保存條件的影響
構造要素對保存條件的影響主要體現在地層壓力變化及其產生的斷裂和裂縫的發育，使其成為頁巖氣逸散的通道。構造抬升使地層埋藏變淺，易造成頁巖氣的逸散。從盆外到盆內的構造演化歷史存在明顯遞進變性特征，盆外構造變形時間早，強度大，對頁巖氣保存不利，盆內構造抬升時間晚，變形弱，相對有利于頁巖氣聚集和保存。如位于盆地內的焦頁1井和DS地區位于齊岳山斷裂以西，構造抬升時間距今約82Ma，而位于盆外的彭頁1井地層抬升時間較盆內早，距今約120Ma[1]，構造演化時間長、強度大，地層變形和剝蝕強烈，保存條件差，壓裂測試階段日產氣僅為2×104m3/d，而焦石壩地區和DS地區構造抬升時間晚，構造變形弱，地層剝蝕厚度小，保存條件好，DY2井和焦頁1井壓裂測試階段的日產氣量均大于10×104m3/d。
川東南地區經歷長時間、多期次構造運動的疊加改造，不同期次和級次的斷裂對頁巖氣的保存作用不同。齊岳山斷裂控制下的大型斷裂常錯斷頁巖層，切穿頂、底板，大型斷裂附近小型裂縫過于發育，頁巖氣逸散作用強，對頁巖氣的保存不利，而DS地區小型斷裂對頁巖層的破壞程度低，龍馬溪組上部地層中發育的裂縫對頁巖氣垂向上的擴散不利，結合DS地區實際勘探開發結果，距離齊岳山斷裂較近的DY1井和DS1井在試氣階段日產氣分別為3.0×104m3/d和3.4×104m3/d，屬低產頁巖氣井，而距離齊岳山斷裂相對較遠的DY4井單井日產量達到20.0×104m3/d。巖心觀察發現，DY1井和DS1井巖心裂縫發育程度遠高于DY2井和DY4井。研究結果表明:頁巖層中裂縫具有控制頁巖氣運移和保存的雙重作用，一方面，未充填裂縫加大了頁巖儲集空間，增大頁巖氣滲流能力，加速了頁巖吸附氣的解吸，加大游離氣含量;另一方面，當裂縫被高度充填時，可以阻礙頁巖氣的逸散，對頁巖氣富集高產有利。同時，研究區在區域構造作用下產生的小型褶曲在一定程度上阻礙了頁巖氣的運移，為頁巖氣的保存提供了條件。
4.2頂、底板條件
龍馬溪組底部為五峰組頁巖及臨湘組和寶塔組的灰巖、白云質灰巖，巖性致密、孔隙度低，孔隙度為1.5%，滲透率為0.013×10-3μm3，突破壓力為48.8MPa，同時寶塔組和臨湘組灰巖地層厚度大，分布連續。根據碳酸鹽巖儲層孔隙度評價標準，底板碳酸鹽巖孔隙度小于2.0%，屬于隔層，為頁巖有利的底板條件，龍馬溪組上段頁巖厚度大、塑性強、裂縫欠發育，是龍下段優質頁巖的直接蓋層，而龍馬溪組頂部的石牛欄組主要以泥質灰巖、灰質泥巖為主，泥質含量高，平均孔隙度僅為1.3%，滲透率為0.015×10-3μm3，突破壓力高達75.9MPa，屬有利頂板條件。此外，志留系地層上部發育的三疊系膏鹽層雖非廣布盆地，但在川東南DS地區，三疊系沉積環境轉變為局限—強蒸發臺地相[19]，膏鹽層分布范圍廣、厚度大，阻礙頁巖氣垂向上的運移，是研究區良好的區域性蓋層。
4.3地層埋深與壓力系數
根據國外頁巖氣勘探經驗，將地層埋深大于1000m、地層壓力系數大于1.2的地區劃為頁巖氣勘探相對有利區[20-21]。DS地區頁巖整體埋深為1000～4500m，DS鼻狀構造優質頁巖埋深為1500～4500m(圖5)，處于有利埋藏深度。DS1、DY1井埋藏深度約為2000m，埋藏深度淺，壓力系數小于1.2;DY3井頁巖的壓力系數雖大于1.2，但埋藏深度淺，日產氣量較低;DY2、DY4井頁巖埋深大于3000m，壓力系數大于1.2。頁巖氣實際勘探開發的動態數據證實，埋藏深度大、地層壓力系數大于1.2的DY2、DY4井等單井獲得較高的日產氣量。
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