页岩气成藏条件和富集规律

1)页岩气成藏条件研究

①早期稳定的隆升-沉降构造形态和陆棚沉积演化条件是渝东南地区多套富有机质页岩发育的基础。

震旦纪-中奥陶世,渝东南地区处于相对稳定、总体下沉的状态,有条状凹陷和隆起出现,缺乏宽广的剥蚀区,沉积组合在大范围内较均齐,主要为广阔的浅海碳酸盐岩、白云岩台地。 在渝东南地区,其在晚震旦世-中寒武世沉积幅度大,堆积了近3 000 m 膏盐沉积和。中奥陶世末期,都匀运动发生,在上扬子地块上形成大的隆起、坳陷,但渝东南地区仍处于坳陷之内,并广泛接受了一套深水盆地相-浅海陆棚相的暗色泥页岩-粉、细砂岩沉积。 志留纪末期的广西运动基本上继承了都匀运动的构造格局,使早期形成的隆起、坳陷进一步发展。 同时还使全区地壳上升,造成志留系(主要是上志留统)的大面积缺失或剥蚀。 因此,在渝东南地区加里东以来没有表现出明显的褶皱,只是表现为地块的整体抬升,并且出现上志留统的大面积缺失。

在晚震旦世-寒武纪,因受加里东运动早幕的构造拉张影响,沉积盆地具有自北西向南东由克拉通地块向被动大陆边缘过渡的构造背景,区域沉积相展布有从浅水陆棚相区平缓延伸到次深海大陆斜坡和深海盆地相区的变化,由上升洋流带入的丰富营养物质促进了海相低等生物的大规模繁衍,因此无论是浅水陆棚相区,还是较深水斜坡或盆地相区,均可形成富含有机组分的泥或泥灰质烃源岩的连续沉积,从而形成分布面积广、厚度较大、层位稳定的下寒武统牛蹄塘组烃源岩系,是渝东南区内第一套烃源岩重要的发育期。 下寒武统由灰黑色-黑色泥页岩、碳质泥页岩及石煤夹层与深灰色-灰黑色薄层泥晶灰岩、泥灰岩和含泥质泥晶灰岩组成。 烃源岩的区域分布主要受较深水陆棚和开阔海台地相控制,沉积厚度较稳定,一般厚100 ~200 m,由南东往北西逐渐减薄,黑色页岩中水平文理发育,含分散状和纹层状霉粒黄铁矿,生物以三叶虫、介形虫为代表,表明牛蹄塘组沉积环境的水动力较弱,具有较强的还原环境。

进入奥陶纪,由于受加里东晚幕早时的构造挤压影响,扬子地块西侧构造抬升和东南侧江南古岛链的初始挤压隆升等。 这些区域构造和沉积盆地性质进入急剧变革的前期,渝东南地区持续隆升的水体迅速变浅,形成广阔的陆棚滞留盆地,沉积了本区第二套主要烃源岩-上奥陶统五峰组黑色碳质页岩。 该烃源岩系厚度虽小,仅几米至十几米,但范围较广,层位稳定,有机质丰度高。

进入志留纪,因受加里东晚幕时的影响,扬子陆块进一步受华南地块自南东向北西迁移的造山挤压,江南古陆强烈隆升和自东向西逆冲的影响,导致中国南方大地构造性质由拉张转入到以挤压为主的重大变革时期,相对稳定的克拉通坳陷盆地-被动大陆边缘盆地格局转换为水平挤压和挠曲沉降为主的前陆盆地演化阶段。 下志留统龙马溪组下部沉积相,主要为深水陆棚沉积,沉积了一套黑色页岩、碳质泥页岩,主要形成于前陆盆地挠曲坳陷最前列的早期阶段。 五峰组—龙马溪组,作为渝东南地区第二套烃源岩,是在早奥陶世继承了寒武纪古地理格局基础上开始了新一轮海侵过程,在晚奥陶世五峰组达到新一轮海侵高潮,到早志留系初期为晚奥陶世海侵过程的继续,五峰组和龙马溪组地层均含有笔石化石,尤其下部含非常丰富的笔石化石,向上化石逐渐减少。 该组中还普遍见有分散状黄铁矿晶粒,说明当时处于还原静水条件下沉积,该烃源岩系岩性单一,层位稳定,有机质丰度高,但沉积厚度变化较大,厚度为40 ~205 m,由北西向南东页岩厚度逐渐变薄。

②多套富有机质页岩广泛发育,有机质丰度高、成熟度高、类型好,页岩含气性较好,是渝东南地区源内页岩气富集成藏的物质基础。

研究区发育两套主力烃源岩,早寒武世-中奥陶世构造-沉积旋回阶段,发育了牛蹄塘组烃源岩,也是上扬子区域性烃源岩之一,在早寒武世的深水陆棚沉积环境使得上扬子地区的渝东南地区牛蹄塘组富含大量有机质黑色页岩发育、分布非常广泛,覆盖了渝东南整个区域。 由于后期的构造运动使得该地区抬升,仅在秀山县南部和西北部的部分区域被剥蚀缺失,出露新元古界地层;晚奥陶世-志留纪构造-沉积旋回阶段,晚奥陶世发育了五峰组滞留环境的笔石页岩沉积,主要是碳质和硅质页岩,进入志留纪,虽然构造运动加强,但沉积建造没有大的改变,下志留统发育了龙马溪组深水环境的灰黑色泥页岩、碳质页岩、硅质页岩和粉砂岩等沉积,富含笔石化石,是又一套上扬子区域性烃源岩。 后期的构造运动,使得该地区遭受了强烈的抬升剥蚀和挤压,渝东南地区由西北部地区到东南部地区下志留统龙马溪组地层剥蚀量逐渐加大,在其东南角上甚至出露了新元古界地层,使该区呈现“背斜成山,背斜成谷”的特点,使得连续分布的五峰组—龙马溪组页岩地层被分割成北东-南西向条带状展布。

烃源岩的类型、丰度和演化程度对富有机质页岩富集成藏有直接影响。 丰度的差别影响页岩气的数量和规模;演化程度控制能否形成页岩气成因类型,也决定形成何种成因性质的页岩气藏;类型的不同决定了气藏性质。 渝东南地区无论是下寒武统牛蹄塘组还是上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组富有机质页岩段有机质含量较高,下寒武统黑色页岩的有机碳含量为0.16% ~9.62%,平均3.43%,上奥陶统—下志留统黑色页岩的有机碳含量为0.22% ~8.49%,平均2.05%。 已知井的地化剖面揭示出,五峰组—龙马溪组下部有机碳含量较高,最高可达8.49%,向上逐渐降低,有机碳含量大于0.5%的页岩厚度为75 ~143 m,平均为105 m。 有机碳含量大于1.0%的页岩厚度为28 ~116 m,平均71 m,有机碳含量大于2.0%的页岩厚度为9 ~45 m,平均19 m;两套富有机质页岩地史研究表明,下古生界地史时期的深埋作用导致古生界海相源岩热演化程度明显偏高,下寒武统牛蹄塘组黑色页岩Ro 为3.36% ~4.96%,平均4.41%;上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组黑色页岩的Ro 为1.56% ~3.68%,平均2.51%。 渝东南地区两套页岩成熟度达到高-过成熟阶段,烃源岩总体演化程度较高。 虽然页岩储层中的有机质成熟度不是影响页岩气成藏的关键因素,但成熟度越高越有利于页岩气形成和富集。 地化有机质类型分析,两套富有机质页岩有机质类型均为Ⅰ型,另外,从页岩气组分分析看,下寒武统页岩气中CH4 含量为81.2% ~98.38%,干燥系数在96.02%以上;龙马溪组页岩气CH4 含量为88.99% ~97.69%,干燥系数在98.93%以上。 下寒武统页岩气δ13C1 和δ13C2 分别为-37.7‰~-29.4‰和-40.7‰~-36.6‰;龙马溪组页岩气δ13C1 和δ13C2 分别为-31. 1‰ ~ -29. 7‰和-37. 04‰ ~-35.09‰。 两套含气页岩均出现了δ13C1＞δ13C2 的同位素“逆序”现象,表明它们可能具有不同演化阶段烷烃气混合的成因,这和高过成熟阶段富有机质页岩中可溶有机质裂解气与早期的干酪根裂解气混合有关,证实下寒武统牛蹄塘组和上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组页岩气为原油裂解和干酪根裂解复合成因。 前已述及,有机质含量高低直接影响页岩含气量的大小,有机质丰度越高, 页岩气含量越高。 根据黔页1 井、黔浅1 井、酉浅1 井和渝参4 井现场解吸含气量分析,含气量大于0.5 m3/t 的厚度为11 ~118 m,平均47.0 m,含气量大于1.0 m3/t 的厚度为8~92 m,平均38.5 m,含气量大于2.0 m3/t 的厚度为10~17 m,平均13.5 m,渝东南地区富有机质页岩有机质丰度与页岩含气性具有良好的正相关关系。 渝东南地区良好的源岩条件和含气性条件,为渝东南地区源内页岩气富集成藏提供了物质基础。

③多类型孔隙发育,页岩比表面大,脆性矿物含量高,对致密页岩储层物性具有有效的改造作用,是页岩气富集成藏的必要条件。

与常规天然气不同,对于页岩气来说,页岩既是烃源岩又是储集层。 在常规储层中,孔隙度和渗透率是储层特征研究中最重要的两个参数,这对页岩气藏同样适用。 泥页岩类基质孔隙极不发育,多为微毛细管孔隙,渗透率也远小于致密砂岩,属于渗透率极低的沉积岩,但沉积环境、成岩作用、有机质演化、构造应力、水动力条件和围岩特征等诸多因素的综合效应,改善致密泥页岩的储集性能,能够使有机质丰富的泥页岩形成一定规模、渗透性较好的封闭体系,使致密的泥页岩具有富集成藏的储集条件。

通过对研究区物性统计分析表明,有效孔隙度为1.41% ~5.61%,平均值为3.23%,渗透率为50 ~304 nD,平均值为122 nD,说明储集物性很低,为低孔特低渗透储层,因此页岩气的大规模发育需要相当的储集空间。 从黔页1 井孔隙度和深度关系图、渗透率与深度关系图可以看出(图6.65),在780 ~800 m 处,孔隙度、渗透率有突然增大的趋势,基质孔隙度平均为5.2%,基质渗透率平均为198.5 nD,次生孔隙对物性有明显的改善作用,说明该井在这个深度段内储层物性较好,可能存在次生孔隙,经扫描电镜和氩离子抛光分析,五峰组—龙马溪组和牛蹄塘组在扫描电镜下主要发育有五种储集空间类型,即:黏土矿物层间孔隙、粒间孔隙、溶蚀孔隙、有机质微孔隙及成岩微裂缝,这种多类型孔隙的存在,为游离气提供了好的储集空间,另一方面,微裂缝进一步改善了页岩的渗流能力。

图6.65　黔页1 井孔隙度、渗透率与深度关系图

页岩气不仅吸附在有机质上,同时黏土成分也是重要的吸附载体。 黏土薄片如伊利石具有吸附气体的微孔隙结构,黏土矿物具有较大的比表面积,可提供较多的吸附位点,能够增加地层中的吸附气含量。 Ross 和Bustin(2009)研究了页岩中的无机矿物组分对孔隙结构的影响及在吸附和储存能力上的差异,研究显示伊利石、蒙脱石和高岭石的吸附等温线分别有较大差异,伊利石对气体的吸附能力远大于蒙脱石和高岭石(图6.66)。 渝东南地区下志留统龙马溪组黑色页岩经X 衍射分析黏土矿物含量为27% ~62%,平均为43.2%,主要为伊利石和伊蒙混层矿物,以及少量的绿泥石,其中伊利石含量为41% ~81%,平均为54.7%。 从酉浅1 井和酉地2 井比表面积数据分析看,渝东南下志留统龙马溪组页岩BET比表面积为3.6 ~20.2 m2/g,平均为11.8 m2/g,说明该区页岩具有较大的比表面积,这大大增加了渝东南地区富有机质页岩的吸附能力。

图6.66　不同矿物对甲烷吸附能力的实验(Ross 和Bustin,2009)

由于页岩的低渗透性特征,实现页岩气增产最有效的办法是人工压裂造缝,因此易于压裂是实现页岩气经济开采的必要条件。 因此需要岩石具有很高的脆性,这却取决于其矿物组成。 目前,从国内外已勘探和开发生产的页岩气区块的岩石中都含有较少的黏土矿物和较多的脆性矿物,其中,石英含量的多少与岩石脆性有最直接的关系。 渝东南地区五峰—龙马溪组页岩碎屑矿物含量为29% ~71%,平均为48.7%,成分主要为石英和少量的长石,根据北美地区主要产气页岩储层主要参数的基本标准,矿物组成中脆性矿物含量要求大于40%,脆性矿物含量增加,提高岩石的易压裂性,这对页岩气的生产至关重要,同时脆性矿物含量高的地层在岩石的成岩过程中更易产生微裂隙,为游离气提供储集空间,并提高地层渗透率。 研究和实践表明,脆性矿物含量是页岩能够通过压裂造缝获得高产的关键因素。

渝东南地区黔页1 井五峰组—龙马溪组页岩段解释气层3 层共计44.8m,分3 段体积压裂改造方式进行压裂,分别是第一段:730 ~733 m,第二段:748 ~751 m,第三段:794 ~797 m。 经试采后分析表明,各射孔段产能贡献分别为:第一段产能贡献1%,第二段产能贡献25.5%,第三段产能贡献73.5%,生产测井结果显示黔页1 井目前的主产气井段为794 ~797 m 射孔段,其次为748 ~751 m 射孔段。 通过脆性矿物含量统计分析认为,第一段石英含量均值为27%,第二段石英含量均值为31%,第三段石英含量均值为61%,说明较高的脆性矿物含量,在外力作用下易于形成天然裂缝和诱导裂缝,形成网状结构缝,有利于页岩气的开采。

④线状褶皱-断裂、抬升-剥蚀,后期多期次构造运动,形成现今渝东南地区多凸多凹即隔槽式褶皱-过渡式褶皱-隔挡式褶皱的构造形态,构造形变强度是渝东南地区页岩气保存的主要因素。

渝东南地区在燕山期的运动奠定了现今基本的构造格局。 在燕山运动以前,渝东南地区以区域隆升为主,但到了燕山运动早期,则变为以挤压、褶皱作用为主,同时伴有强烈的隆起抬升作用。 渝东南地区燕山早期的褶皱-冲断作用形成的构造线呈北东向展布,褶皱轴面和断面倾向南东,为一从南东向北西扩展的传递挤压特征。 七曜山断裂间是一个深断裂带,其上所有构造层均强烈褶皱、断裂,主要为隔槽式和等宽褶皱,背斜宽缓,一般为箱状;向斜窄、陡,地表呈狭长带状分布,内部挤压的构造和滑脱十分发育;褶皱具有从东到西由密而疏、由强而弱的特点。 该带北西主滑脱面在志留系滑脱层,构造呈现隔挡式滑脱样式,背斜高陡,呈狭长带状分布,向斜宽缓;构造线呈斜列式展布,其走向逐渐由北北东向北东东方向偏转成弧形;该段褶皱同样具有从东到西由密而疏、由强而弱的特点。 在渝东南地区晚燕山运动形成的北北东向构造复合于早期北东向和东西向构造之上,使该区构造格局变得更加复杂。

到了喜马拉雅晚期,渝东南地区又进入了新一期的造山阶段——以隆升为主的再造山过程。 此期间,地层隆升剥蚀表现尤为明显,这种隆升剥蚀在渝东南地区没有渐新世和中新世沉积,上三叠统、侏罗系、上白垩统亦被大量剥蚀(或缺失),仅在局部地区残存,地壳持续的抬升、掀斜、坳褶和强烈的侵蚀作用,造成了第四系下更新统与新近系及其先期的地层呈不整合接触。

早期的加里东期-海西期-印支中期,渝东南地区的构造运动以隆升和沉降为主,此时形成的构造也是以大型的隆起和坳陷,它们对烃源岩的保存没有起到特殊的变化作用,只是加强了烃源岩的演化强度。 印支晚期-燕山早期是渝东南地区寒武系牛蹄塘组和上奥陶统五峰组和下志留系龙马溪组烃源岩进一步埋深的时期,也是烃源岩被埋藏最深的时期。 此期下寒武统埋深为9 000 ~11 600 m,下志留统埋深在7 000 ~8 600 m,巨大的埋藏深度造成了烃源岩的高演化程度。

燕山期是渝东南地区两套烃源岩层的一个主要的改造时期。 早燕山运动是一场强烈的以褶皱、断裂为主要特征的造山运动,构造线方向为北东-北东东向,并且从南东向北西由“隔槽式”构造带逐渐转变为“隔挡式”构造带;褶皱形态主要为紧密线形褶皱;断裂规模较大,为逆冲断裂或逆冲推覆断裂。 地壳的抬升使地层遭到大量的剥蚀,渝东南地区线状褶皱和断裂使古生代地层分割成北东向的条块,向斜内古生界得以保存,背斜上古生界遭到大量剥蚀;燕山晚期运动是区内又一场重要的褶皱造山运动,其构造线方向为北北东向,它们复合于燕山早期的构造之上,使渝东南地区早期的背斜和向斜分割成更小的条块。 上奥陶统五峰组和下志留系龙马溪组复背斜上的向斜中烃源岩层保存较好,如普子向斜、桑柘坪向斜、翟河坝向斜、酉阳向斜和平阳盖向斜等,但这些向斜狭窄,呈长条状,面积较小,向斜边缘目的层已露出地表,对页岩气的封盖和保存有一定影响,因页岩气藏属于“自生、自储、自盖”原地成藏。 烃源岩的厚度对排烃具有十分重要的作用,Tissott 和Welte 认为源岩的有效厚度与生油岩及运载层的组合方式有关,一般为10 ~30 m。 王捷等(1995)认为进入成熟门限的生油岩向,其上、下排烃的有效厚度分别为18.5 m 和4.0 m,排油效率分别为54.6%和24.1%,以向上排烃为主。 结合以上相关文献针对常规油气烃源岩排烃厚度研究,本项目给出烃源岩排烃最大厚度在源岩内上下30.0 m,也就是说对于出露地表的烃源岩,如果不考虑淋滤和风化等因素,应在30.0 m 以下地层页岩气才能保存。

2)页岩气富集规律

渝东南地区页岩气藏具有源内成藏的特征,有效烃源岩控制了富有机质页岩的分布,自生自储的配置关系决定了页岩气的富集程度。 烃源岩评价表明,渝东南地区上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组烃源岩处于中期原地成藏和后期裂缝调整成藏阶段的过渡期,该套源岩对页岩气富集成藏的贡献最大。 因此,该套源岩的分布范围控制了页岩气藏的发育范围,即渝东南地区各个向斜部位是上奥陶统五峰组-下志留统龙马溪组富有机质页岩层段富集的部位。

渝东南地区早期稳定的古构造背景和大面积海相陆棚沉积环境,发育了上奥陶统五峰组-下志留统龙马溪组和下寒武统牛蹄塘组优质烃源岩,是该区页岩气富集成藏的物质基础。 后期强烈的挤压和抬升剥蚀,使页岩气成藏受到了保存条件的制约,同时,这种构造活动,改善了页岩致密储层的物性条件,产生了大量的节理、裂缝和次生孔隙,增加了页岩气的储集空间。

通过已知井对比和黔页1 井区储层预测分析,上奥陶统五峰组-下志留统龙马溪组富有机质页岩最富集的部位为上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组下部,即第一亚段,局部地区第三亚段也是页岩气富集的有利部位,说明富有机质页岩的分布无论从纵向上还是横向上都具有很强非均质性。 采用地震储层预测技术方法,通过叠后反演,可识别5 m 以下薄储层。 纵向上,从反演速度剖面(图6.67),储层可以清晰识别,而且在反演速度体上,薄储层均可以清晰识别,并可以在全三维工区范围内追踪解释,预测储层的空间分布特征。 图中可见,下部反演预测的一套页岩储层为黔页1 井的优质页岩段792.0 ~801.8m(9.8m)气层,上部为黔页1 井优质页岩段728.0 ~735.0 m(7.0 m)含气层。 平面上,页岩气储层在黔页1 井三维地震工区全区分布、厚度有一定的变化,最大厚度18.0 m、最小7.0 m,平均厚度为12.0 m 左右;厚度大于15 m 的储层主要发育在黔页1 井区和工区北部,厚度小于9.0 m的区域在黔页1 井的西边和东南局部出现(图6.68)。

渝东南地区富有机质页岩的分布在平面上具有分区分带的特点,不同层位富有机质页岩因其处在不同的成藏阶段,同时受后期强烈的褶皱-冲断和抬升-剥蚀作用的差异,在渝东南地区形成了北北东向从北西至南东隔挡式褶皱带-过渡式(城垛式)褶皱带-隔槽式褶皱带。 受这三个褶皱构造带控制,页岩气在不同构造部位具有不同的富集成藏特征。

图6.67　叠后地震储层反演与流体检测(line190)

图6.68　上奥陶统五峰组-下志留统龙马溪组优质页岩气储层厚度图

纵向上,渝东南地区该套富有机质页岩层段分为三个亚段,从下至上分别为第一亚段、第二亚段和第三亚段。 页岩气最富集层段为第一亚段,第一亚段富有机质页岩全区分布广泛、稳定,是目前渝东南地区页岩气勘探获得重大突破的最主要贡献层段。 其次为第三亚段,第三亚段富有机质页岩分布由北西至南东逐渐减薄,第二亚段最差。 平面上,渝东南地区在后期强烈的抬升-剥蚀作用下,褶皱带背斜几乎被剥蚀殆尽,由于南部的黔中隆起和东部的雪峰隆起的共同作用,渝东南地区上奥陶统五峰组-下志留统龙马溪组地层构造形态上呈现北西低南东高的特点,导致从北西至南东该套地层剥蚀量逐渐增大,在东南部局部地区甚至志留系全部被剥蚀。 该区最大埋深均位于向斜构造的中心位置,隔挡式褶皱内的青杠向斜龙马溪组黑色页岩底界埋深最大为4 900 m,城垛式褶皱带内的濯河坝向斜最大埋深3 200 m,隔槽式褶皱内的车田向斜最大埋深为2 700 m。 总体上,上奥陶统五峰组-下志留统龙马溪组富有机质页岩在渝东南地区埋藏深度由北西至南东具有逐渐变浅的趋势,属于中深层-中浅层页岩气藏,因此页岩富集成藏主要集中在向斜中心及较缓的斜坡部位。