川西坳陷上三疊統(tǒng)須家河組泥頁巖氣成藏條件與勘探潛力

川西坳陷上三疊統(tǒng)須家河組泥頁巖氣成藏條件與勘探潛力

正常儲油和隱蔽儲油將成為未來石油天然氣能源的重要替代品。非常規(guī)油氣是指“所有不符合常規(guī)油氣成藏原理,或在成因、成分、產(chǎn)狀、性質(zhì)、儲集介質(zhì)、封聚機理等方面具有特殊性的天然氣聚集”。泥頁巖氣是非常規(guī)天然氣資源的重要類型之一,它同時以吸附和游離狀態(tài)賦存于以泥巖和頁巖為主的地層中,通常在其中發(fā)育數(shù)量較多的粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖、細砂巖、粗砂巖甚至薄層細礫巖夾層,它們同樣是產(chǎn)氣頁巖的主要構(gòu)成。全球泥頁巖氣資源豐富,資源量達456.24×1012m3,主要分布在北美、中亞、中國、拉美、中東、北非和前蘇聯(lián)。美國泥頁巖氣資源量為14.2×1012～19.8×1012m3,頁巖氣產(chǎn)量已經(jīng)超過200×108m3,占全美天然氣總產(chǎn)量的3%。加拿大緊隨美國之后也積極開展了泥頁巖氣勘探及開發(fā)試驗。近年來,我國的油氣勘探專家、學者也積極開展了泥頁巖氣的探索,初步研究表明,我國泥頁巖氣資源十分豐富,估算資源量為23.5×1012～100×1012m3,中國的泥頁巖氣資源主要分布在松遼盆地白堊系、渤海灣盆地及江漢盆地的古近系和新近系、四川盆地中生界、揚子準地臺、華南褶皺帶和南秦嶺褶皺帶等,其勘探潛力巨大。泥頁巖氣的勘探開發(fā)將成為未來我國天然氣能源新的增長點。川西坳陷中國石化探區(qū)截止到2007年底,天然氣三級地質(zhì)儲量達4300×108m3,天然氣年產(chǎn)量達27×108m3。目前,中淺層天然氣開發(fā)已經(jīng)開始進入遞減階段,深層天然氣勘探正在穩(wěn)步向縱深發(fā)展,急需尋找新的勘探開發(fā)后備領域。位于川西坳陷西部邊緣的龍門山逆沖推覆構(gòu)造帶曾經(jīng)被列為川西坳陷的勘探后備領域,然而,聞名全球的汶川“5·12”大地震其震源深度位于地下20余公里處,包括在遍布逆沖推覆帶全范圍發(fā)生的3萬多次余震,其震源深度10公里到幾公里不等,表明這是一個強烈活動的構(gòu)造地帶,有利于油氣成藏富集的三維立體空間大都受到地震活動影響,尋找大、中型油氣田勘探目標被畫上了一個大問號!“川西坳陷天然氣勘探的后備基地在哪里?”成為油氣地質(zhì)工作者急切探索的問題。泥頁巖天然氣成藏理論和勘探、開發(fā)技術(shù)的發(fā)展與進步,啟發(fā)了我們思路,為川西坳陷的天然氣勘探帶來了新的契機。一、泥頁巖氣成藏條件能夠成藏的泥頁巖既是烴源巖又是儲集巖和封蓋巖,由于吸附于干酪根和黏土礦物表面及游離于微孔隙和裂縫中的賦存狀態(tài),決定了泥頁巖的成藏范圍和成藏機理較之常規(guī)氣藏寬泛和容易得多,可能的氣藏分布區(qū)域與烴源巖的展布范圍一致,資源量也比常規(guī)氣藏更大。國內(nèi)學者張金川對泥頁巖氣的主要成藏條件進行了總結(jié)和歸納:沉積地層以泥頁巖為主,單層厚度大(逾10m);泥質(zhì)含量高(泥頁巖地層中的純泥巖厚度比值超過10%),有機質(zhì)豐度高(TOC≥0.3%)及成熟度下限低(Ro≥0.4%),孔隙度低(小于12%)。對比之下,川西坳陷上三疊統(tǒng)不僅是目前致密砂巖氣藏的主力氣源巖,而且還具有優(yōu)越的泥頁巖氣藏形成條件。1.巖石組合及厚度川西坳陷是晚三疊世以來受龍門山逆沖推覆作用影響,在四川盆地西部形成的前陸盆地。其沉積充填由上三疊統(tǒng)—白堊系碎屑巖系構(gòu)成,為一套由海相—海陸過渡相—陸相的退覆沉積,以三角洲、河流、湖泊相沉積為主(圖1)。上三疊統(tǒng)須家河組(T3x)沉積中心位于龍門山前的都江堰—彭州地區(qū),自下而上分為5段。其中須三段和須五段分別以濱海湖沼澤相及內(nèi)陸湖泊沼澤相暗色泥頁巖沉積為主,夾薄煤層和煤線,是川西坳陷最主要的烴源巖發(fā)育層段。須家河組其他層段以砂巖沉積為主,但也不同程度地發(fā)育泥頁巖層。侏羅系—白堊系以發(fā)育紅色砂泥巖為主要特征,基本不具備生烴能力。因此,縱向上川西坳陷可能形成泥頁巖氣藏的領域為上三疊統(tǒng)須家河組。(1)根據(jù)川西坳陷烴源巖沉積中心附近的彭州鴨子河地區(qū)川鴨92井揭示,上三疊統(tǒng)須家河組厚度及巖性具有如下特征:上三疊統(tǒng)埋深1875.5～5089.77m(未見底),鉆厚3214.27m,分述于下。須五段:1875.5～2064.00m,殘厚188.5m。為一套以暗色泥頁巖為主與砂巖、粉砂巖頻繁不等厚互層沉積。須四段:2064.00～2275.00m,厚620m。為一套砂巖為主與暗色泥巖不等厚互層沉積。須三段:2684～4392m,厚1708m。為一套以含煤湖沼相灰黑色泥頁巖為主夾砂巖的巨厚沉積。須二段:4392～4871m,厚479m。按巖性電性可分3段:①砂巖為主夾泥巖段(171m);②砂巖為主夾泥巖略呈等厚互層(165.5m);③砂巖夾泥巖段(142.5m)。須一段:4871～5089.77m(未見底),厚218.77m。黑色粉砂質(zhì)泥巖、碳質(zhì)頁巖、泥巖與淺灰、灰白、深灰色細、中粒長石砂巖、巖屑長石砂巖、長石巖屑砂巖頻繁互層。(2)川鴨92井鉆探顯示,在巖性組合上最具形成泥頁巖氣藏條件的是須三段、須五段和須一段,其累計厚度超過2000m,泥質(zhì)巖單層厚度最大可達50m。須二段和須四段雖然以砂巖為主,但也不乏泥質(zhì)巖分布。如須二段上部的“腰帶子”泥巖在孝泉地區(qū)的川孝93井厚達41m。從川西坳陷中段鴨子河地區(qū)往東,位于大型北北東向構(gòu)造帶的新場地區(qū)新851井揭示了與川鴨92井相似的巖性組合特征,只是厚度減薄,但累計泥頁巖(含薄煤層)厚度也達1236m(注:須二段未打穿,須一段未揭露)。新851井須家河組各段巖性組合如下:須五段:2774.5～3330.5m,鉆厚556m。泥頁巖,砂巖互層夾煤線、煤層。泥巖累計厚度405.5m,單層最厚達27.50m。須四段:3330.5～3885m,鉆厚554.5m,以砂巖、泥頁巖互層為主。須三段:3885～4635m,鉆厚750m。泥頁巖與砂巖不等厚互層夾煤線、煤層。泥巖累計厚度536.4m,單層最厚達22.50m。須二段:4635～4870m(未見底),鉆厚235m。主要為砂巖夾泥頁巖組合,“腰帶子”泥巖厚度達30m。各段砂泥巖統(tǒng)計結(jié)果如表1所示。由表1可見,新場地區(qū)須家河組各段泥頁巖十分發(fā)育,累計厚度大(1236.4m),泥頁巖、煤層厚度占段厚度比例高(53.2%～72.9%,平均為66.5%)。(3)川西坳陷上三疊統(tǒng)除了泥頁巖厚度大外,還具有分布廣的特點。據(jù)川西坳陷中段20余口鉆井資料統(tǒng)計,須一段暗色泥頁巖平均厚度為50～350m,在安縣和都江堰地區(qū)最厚(大于350m),往東南方向逐漸減薄,在綿陽、什邡、廣漢、成都一帶僅厚約125m,再往東南方向厚度逐漸小于100m,分布面積為16589.8km2(圖2)。須三段暗色泥頁巖平均厚度為125～700m,在都江堰及其北部一帶最厚,為500～700m,往東逐漸減薄,在玉泉、德陽、郫縣一線厚度約400m,至金堂附近降為150m,分布面積與下伏須一段一致,也為16589.8km2(圖3)。須五段泥頁巖在什邡和彭州一帶平均厚度達350m,往西北和東南方向逐漸減薄,漢旺、都江堰以西缺失,成都、中江一帶厚度為250～300m,分布面積略為減小,為14459.5km2(圖4)。2.粘土巖的有機化合物特征(1)樣品有機碳含量上三疊統(tǒng)須家河組泥頁巖具有較高的有機碳含量,其平均值大于1.13%,以好的烴源巖為主,部分為中等烴源巖。煤樣有機碳含量為23.3%～83.75%,平均為61.49%(表2、3),有機碳含量小于0.5%的樣品極少,僅占總樣品量的0.66%。另據(jù)178個樣品測試,氯仿瀝青“A”含量變化較大,各段最小值范圍為29.78～190.84μg/g,最大值為125.62～1124.23μg/g,平均值為60.02～371.18μg/g;氯仿瀝青“A”含量主要反映可溶有機質(zhì)的多少,其含量受泥頁巖演化程度的影響較大,演化程度高,可溶有機質(zhì)殘留少;反之,演化程度低,則可溶有機質(zhì)含量高。(2)巖石有機質(zhì)類型川西坳陷上三疊統(tǒng)泥頁巖干酪根碳同位素和顯微組分分析結(jié)果顯示,須二、三、四、五段烴源巖有機質(zhì)類型主要為腐殖型,須一段泥頁巖有機質(zhì)類型主要為腐泥—偏腐殖混合型。雖然,須家河組有機質(zhì)類型主要為腐殖型,但從龍門山前煤礦采集的Ro為0.6%～0.7%的低演化程度的樣品中,可見到富氫組分如角質(zhì)體、藻類體、木栓質(zhì)體、樹脂體和孢子體,表明須家河組泥頁巖腐殖型有機質(zhì)具備較好的生烴能力(圖5)。(3)不同層段泥頁巖有機質(zhì)特征根據(jù)系統(tǒng)的鏡質(zhì)體反射率測定,川西坳陷上三疊統(tǒng)須家河組泥頁巖總體演化程度較高,縱向上隨埋深增加演化程度增高,Ro從最低1.02%(須五段)增加到最高3.48%(須一段),泥頁巖有機質(zhì)演化程度從成熟—高成熟—過成熟(表4)。由盆地模擬結(jié)果反映的上三疊統(tǒng)須家河組各段泥頁巖有機質(zhì)演化程度平面變化規(guī)律如下:須一段:除安縣地區(qū)外,川西坳陷中段Ro均大于2.0%,在大邑1井以北至馬深1井一帶,Ro達到3.0%以上,顯示該層段泥頁巖有機質(zhì)基本都已經(jīng)達到過成熟演化階段。須二段:除安縣、豐谷和龍泉山南部外,Ro基本都大于2.0%,在大邑以北至馬深1井一帶,Ro達到3.0%以上。顯示須二段泥頁巖有機質(zhì)也大多達到過成熟演化階段。須三段:安縣地區(qū)Ro小于1.3%,綿陽、新場、中江、成都、都江堰等地區(qū)Ro介于1.3%～2.0%,其他地區(qū)Ro基本都大于2.0%,在大邑以北至馬深1井一帶,Ro達到2.5%以上。顯示須三段泥頁巖有機質(zhì)演化程度由北到南增加,成熟度由高熟到過熟。須四段:在川西坳陷中段,須四段Ro大部分介于1.3%～2.0%,顯示該段泥頁巖處于高成熟演化階段。須五段:安縣、綿竹、隆豐、大邑和洛帶地區(qū)Ro小于1.3%,泥頁巖有機質(zhì)處于成熟演化階段,其他地區(qū)Ro介于1.3%～1.8%之間,達到高成熟演化階段。3.須家河組泥頁巖排烴系數(shù)根據(jù)2007年中國石化西南油氣分公司對川西坳陷上三疊統(tǒng)進行的第四次資源量評價結(jié)果,川西坳陷上三疊統(tǒng)總生氣量為167.8125×1012m3,天然氣總地質(zhì)資源量為2.1929×1012m3。中國石化川西探區(qū)上三疊統(tǒng)總生氣量為119.1026×1012m3,天然氣總地質(zhì)資源量為1.6192×1012m3。利用公式:聚集系數(shù)=(總資源量/總生烴量)×100%得到:川西坳陷中段聚集系數(shù)=(21928.71/1678125)×100%=1.31%中國石化探區(qū)聚集系數(shù)=(16191.98/1191026)×100%=1.36%可見,川西坳陷上三疊統(tǒng)泥頁巖(包括少量的薄煤層)生成的總烴量最終聚集為資源量的部分不足1.4%。換言之,總生烴量的98%以上在初次運移和二次運移及成藏后的逸散中損失或殘留在烴源巖中。由于頁巖以小粒徑物質(zhì)為主,一般以黏土(粒徑小于5μm)和泥質(zhì)(粒徑為5～63μm)為其最主要成分,砂(大于63μm)所占的組分相對較少。因此,泥頁巖巨大的比表面積對烴類具有極強的吸附作用。若以烴源巖排烴后的殘留吸附烴量和游離氣量作為泥頁巖的原始資源量,則:泥頁巖資源量=生烴總量—排烴總量(1)排烴系數(shù)表征的是烴源巖的排烴效率,它是指排烴總量與生總烴量之比。因此有:排烴總量=生烴總量×排烴系數(shù)(2)泥頁巖資源量=生烴總量-(生烴總量×排烴系數(shù))(3)關于泥頁巖的排烴系數(shù)國內(nèi)外很多學者開展過深入的研究,國內(nèi)李明誠教授通過渤海灣盆地各坳陷下第三系烴源巖的模擬和計算得出其排氣率(排烴系數(shù))為70%～80%;國外D.Leythaeuser等(1987年)研究北海Brae油田Kimmeridge烴源巖,在烴源巖邊部的排油率為76%～83%;宋國奇,徐春華等人根據(jù)Kim(1987年)建立的煤層甲烷與埋深和成熟度關系曲線對勝利油區(qū)上古生界煤巖的排烴系數(shù)進行了研究,經(jīng)計算得出了勝利油區(qū)上古生界煤巖成熟度與排烴系數(shù)關系(表5),反映出不同演化階段煤巖的排烴率不同,演化程度越高,排烴系數(shù)越大?？梢?泥頁巖的排烴系數(shù)不同研究者在不同地區(qū)得出的結(jié)果差異較大,為了概算川西坳陷上三疊統(tǒng)須家河組泥頁巖資源量,綜合國內(nèi)外排烴系數(shù)研究成果,分別取川西坳陷上三疊統(tǒng)須家河組泥頁巖排烴系數(shù)為80%、90%、95%進行計算,得到須家河組泥頁巖總天然氣資源量為8.4×1012～33.5×1012m3(表6),是同一地區(qū)須家河組常規(guī)天然氣總地質(zhì)資源量的3.8～15.3倍。因此,川西坳陷上三疊統(tǒng)須家河組泥頁巖中蘊藏著豐富的天然氣資源,勘探潛力巨大。4.致密砂巖基質(zhì)及泥頁巖物據(jù)川孝568井須四段灰黑色頁巖、雜色礫巖、含礫砂巖物性測定,川西坳陷上三疊統(tǒng)泥頁巖孔隙度為0.75%～2.49%,滲透率為0.000347×10-3～0.00337×10-3μm2;砂巖和礫巖孔隙度為1.19%～0.21%,滲透率為0.00137×10-3～0.00189×10-3μm2?？梢?川西坳陷致密砂巖基質(zhì)和泥巖的物性十分相近,泥頁巖的物性有時甚至比砂巖和礫巖更好。既然針對川西須家河組致密碎屑巖天然氣的勘探目前主要是尋找整體致密化砂巖中的“甜點”,即裂縫發(fā)育帶和相對優(yōu)質(zhì)儲層,那么針對泥頁巖也可以采取相同的“甜點”預測技術(shù)進行勘探,在致密砂巖氣藏勘探中形成的地球物理裂縫預測方法技術(shù)、流體識別方法技術(shù)和經(jīng)驗均可為泥頁巖氣藏勘探所借鑒。二、泥頁巖氣勘探開發(fā)現(xiàn)狀泥頁巖氣的聚集是天然氣在烴源巖中大量滯留的結(jié)果,天然氣成藏的生、儲、蓋、運、聚、保等作用都在同一套泥頁巖地層中完成,故不僅成藏控制因素相對簡單,而且能夠形成巨大的資源。從前面的計算可以看出,針對川西坳陷上三疊統(tǒng)須家河組泥頁巖,即便排烴系數(shù)取95%,泥頁巖中僅剩5%的天然氣未排出,其概算的資源量也可以達到常規(guī)聚集資源量的3.8倍以上。因此川西泥頁巖具有極大的勘探潛力。與美國已經(jīng)成功開采泥頁巖氣的盆地對比,川西坳陷須家河組泥頁巖具有更好的成藏地質(zhì)條件(表7),表現(xiàn)為有機質(zhì)豐度更高(1.13%～17.62%)、泥頁巖厚度更大(最大厚度為美國已開采頁巖氣田最大厚度的3倍),但是川西坳陷的泥頁巖氣勘探還尚未起步。因此,隨著勘探技術(shù)的不斷進步,須家河組的泥頁巖氣有可能成為川西地區(qū)未來天然氣儲產(chǎn)量增長的新類型。此外,川西坳陷上三疊統(tǒng)須家河組泥頁巖的演化程度比美國頁巖更高,埋藏深度更大。目前世界開采頁巖氣的最淺儲層為182m,最深為4000m,但多數(shù)淺于2600m。由于泥頁巖氣藏普遍具低產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)、生產(chǎn)周期長、必須找到富有機質(zhì)的天然裂縫帶和必須進行儲層改造等開發(fā)與技術(shù)要求特征,目前只有埋藏淺的泥頁巖氣才具工業(yè)性開采價值,國際上的經(jīng)濟有效深度是4000m。以此推算,川西坳陷須家河組五段、部分須三段是勘探和開發(fā)泥頁巖氣的最佳層段。但是,當前須家河組砂巖勘探開發(fā)深度已達到5000m,而須家河組泥頁巖和砂巖基質(zhì)物性相近。因此,在致密砂巖氣藏勘探的過程中完全能夠兼顧深部泥頁巖氣藏的勘探。在川西坳陷上三疊統(tǒng)須家河組的勘探中,已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了較多泥頁巖富含天然氣的證據(jù)。如合興場氣田須二段“腰帶子”泥巖在鉆井過程中氣顯示豐富,川合100、137、138井均在緊鄰“腰帶子”之上的砂、泥巖頻繁互層段獲得工業(yè)氣流,最高產(chǎn)量20×104m3/d;新場氣田川孝560井鉆遇的須三段泥頁巖段、新11井與川孝565井須二段“腰帶子”泥頁巖段錄井氣顯示豐富;川鴨92井須一段(小塘子組)4871～5089.77m以黑色粉砂質(zhì)泥巖、碳質(zhì)泥頁巖與砂巖頻繁互層,氣顯示十分活躍,于井深5033.91m加單根時發(fā)生強烈井噴,噴高達20m,噴距為15～20m,噴出物為天然氣,火焰高8～20m,氣樣分析甲烷含量達99.04%。另外,在須家河組地壓剖面中,常見到泥頁巖段出現(xiàn)更高的流體壓力異常。由圖6可見,須五泥頁巖段異常壓力系數(shù)最大值超過1.66,高于下伏須四砂巖段最高壓力系數(shù)(1.51);須三段泥頁巖段異常壓力系數(shù)最高1.5,高于下伏須二段最高壓力系數(shù)(1.42)。川西坳陷是一個經(jīng)歷了多期構(gòu)造運動疊加的超高壓含氣區(qū)域,超壓機制主要是生烴增壓和晚期構(gòu)造運動擠壓。泥頁巖的超高壓流體異常從另一個方面證明了川西坳陷須家河組泥頁巖含豐富的天然氣,勘探潛力毋庸置疑。泥頁巖氣資源量巨大,但要求的勘探開發(fā)技術(shù)難度高。針對須家河組泥頁巖氣的勘探,需要大力發(fā)展優(yōu)質(zhì)烴源巖判識和分層預測技術(shù)、裂縫識別的地球物理勘探技術(shù)、定向大孔徑射孔優(yōu)化技術(shù)、壓裂增產(chǎn)技術(shù)(包括輕質(zhì)壓裂支撐劑、低黏度低傷害壓裂液、清水壓