第六届非常规油气地质评价暨新能源学术研讨会
6th Symposium on Unconventional Oil and Gas Geological Evaluation and New Energy

281 / 2021-06-23 11:53:51

昭通示范区五峰组-龙马溪组页岩气成藏条件与有利区评价优选

有利区带；成藏条件；页岩气；五峰组-龙马溪组；昭通示范区

页岩油气理论与技术

昭通示范区五峰组-龙马溪组页岩气成藏条件与有利区评价优选

武金云1* 王高成2 徐政语1 邹辰2 徐云俊1 鲁慧丽1
1、中国石油杭州地质研究院；2、中国石油浙江油田分公司

1 研究目的及意义
昭通示范区由南部黔中隆起向北部四川盆地方向依次划分为隔槽式、等幅式与隔档式3种褶皱样式，变形区依次划分为黔中隆起剪切变形区、滇黔北坳陷压扭变形区与蜀南坳陷挤压变形区等3大区域，昭通示范区面积为11295km2。迄今已在示范区北部中等埋深区建成了年产10×108m3页岩气的长宁黄金坝-紫金坝页岩气田。本次研究试图通过对页岩气成藏要素进行系统评价，在示范区中南部中浅层区寻找页岩气成藏有利区，扩大示范区页岩气开发范围，提高示范区页岩气储量和产量。
2 研究方法
本文采取井筒及露头剖面、宏观与微观、常规与特殊分析技术、实测与计算机模拟相结合的方法研究昭通示范区五峰-龙马溪泥页岩有机地球化学与油气生成演化、泥页岩储层特征与渗流特征、页岩气盖层与保存条件、页岩气成藏与有利区评价优选等。
3 研究结果
昭通示范区地处云贵高原向四川盆地过渡的乌蒙山地区，大地构造位置上处在扬子陆块西缘三江造山带与东南缘江南-雪峰构造带前锋叠合部，跨越了上扬子区蜀南坳陷、滇黔北坳陷及滇东黔中隆起等3大二级构造单元，示范区不同地区页岩气的成藏条件存在显著的差别。
3.1 深水陆棚亚相沉积的五峰组-龙马溪组富有机质页岩在平面上几乎遍布整个示范区及邻区，其厚度分布具有“北厚南薄的特点”，南部页岩厚度一般为10~30m，北部页岩厚度达30~40m，而昭通示范区富有机质页岩厚度在35~40m以上，其页岩厚度与美国Fort Worth盆地的Barnett页岩气核心区泥页岩厚度相近。
3.2 五峰组-龙马溪组富有机质页岩有机质丰富，上奥陶统五峰组黑色页岩是研究区中有机碳含量最高的一套页岩，其有机碳最小值为0.71%，最大值达6.9%，普遍大于2.0%，表明上奥陶统五峰组泥页岩富含有机质，是一套优质的烃源岩，具有很好的生烃能力，能为页岩气的富集提供充足的气源。其次是龙马溪组龙一1亚段，其下部也发育了富含有机质的泥页岩，其有机碳含量也多在2.0%以上，向上各层有机碳含量一般页高于1.5%，也是一套好的烃源岩，具有良好的生烃能力。而龙一2亚段泥页岩有机碳含量则普遍较低，平均值低于0.66%，为差烃源岩，生烃能力差。
3.3 干酪根镜检结果表明，在400倍透射偏光下，滇黔北坳陷五峰组-龙马溪组页岩干酪根的显微组分主要为絮状、分散状腐泥组无定型有机质，有机质类型好，显示其有机母质主要源自水生低等生物。通过滇黔北坳陷五峰组-龙马溪组镜状体的测定，反射率值普遍＞2.0%，示范区中东部反射率值一般为2.1%~2.8%，西部反射率值可达3.0%以上。
3.4 示范区页岩井下岩心样品分析结果表明，五峰组-龙马溪组页岩矿物组成主要有石英、粘土、长石及碳酸盐矿物等，含有少量黄铁矿。石英和黄铁矿含量随埋深逐渐增加，而长石、碳酸盐和黏土含量则呈降低趋势。目前正在开发的五峰组-龙马溪组页岩气储层段的脆性矿物含量平均值＞50%，而黏土的含量则多＜20%。
3.5 示范区五峰组-龙马溪组页岩孔隙主要有有机孔、粒间孔、粒内孔等多种类型。常规方法测得示范区五峰组孔隙度1.11%~3.67%，龙一1亚段孔隙度1.13%~2.63%，龙一2亚段孔隙度0.82%，龙二段孔隙度1.53%。纳米CT扫描方法测得叙永县麻城镇田林剖面五峰组-龙马溪组页岩孔隙度为1.61%，龙一1亚段孔隙度为0.65%~3.75%，平均值为2.17%。孔隙度变化表现中部比中东部高，下部比上部高。地表露头孔隙度1.67%~7.77%、渗透率0.0043×10-3~0.0398×10-3μm2，井筒岩心孔隙度1.13%~2.87%、渗透率0.00630×10-3~0.0158×10-3μm2。
3.6 昭通示范区北部主产区实测的甲烷气体吸附量为0.84~4.68m3/t，平均为2.91m3/t。中部探井五峰组含气量0.21~1.56m3/t，龙一段含气量0.06~1.39m3/t，龙马溪组不同有机碳含量等温吸附曲线及含气量与有机碳含量关系表明，随着有机碳含量、地层压力的增加，吸附气的含量增加。气体成分以甲烷为主，95.05%~97.68%，含少量的氮气、二氧化碳、乙烷，为有机成因气体。西部、南部甲烷含量迅速减少，而氮气的含量则明显增加。
3.7 研究区磷灰石裂变径迹年龄自SSE向NW方向逐渐减小，断裂构造的分布也存在东南部深大断裂比西北部发育的规律，说明抬升剥蚀过程是SSE向NW渐进，且西部、南部甲烷含量迅速减少，而氮气的含量则明显增加，这些都表明北部的保存条件好，西部、南部保存条件差。
3.8 埋藏史-生烃史模拟结果表明，示范区五峰组-龙马溪组经历了4次不同规模的抬升，生油期主要在海西晚期-燕山早期，主生气期为印支晚期-燕山中期，此时期也是海西晚期-燕山早期生成的原油裂解成气的主要时期，是形成页岩气系统的关键时刻。
4 结果讨论
从油气地质理论上讲，任何富含有机质的页岩只要其热成熟度处于生气窗范围，所生成的天然气经初次运移后残留下来，即可形成页岩气。然而，北美地区及我国页岩气开采实践表明，页岩气的商业开采需要达到一定的经济、规模，必须满足基本地质和工程技术条件。昭通示范区坳陷五峰组-龙马溪组泥页岩厚度、有机质特征、构造改造等具有明显的分带性，页岩气成藏条件也有着一定的差别。特别是后期构造改造强度的不同所造成的保存条件差异，控制了不同区块页岩气的富集特征。根据示范区页岩气成藏要素及控制因素等研究结果，可把昭通示范区分为三个不同区带。
4.1 泥页岩厚度及分布特征
晚奥陶世五峰期-早志留世龙马溪期，北部盐津-筠连-叙永一带处于半深水-深水沉积环境，水体较深，菌藻类、放射虫等硅质浮游生物繁盛。有利区内五峰-龙马溪组为一套深水缺氧陆棚相的富有机质泥页岩。北部昭通页岩气示范区富有机质页岩厚度达35~40m以上，其页岩厚度与美国Fort Worth盆地的Barnett页岩气核心区泥页岩厚度相近。
中部牛街-大湾-威信-古蔺一带以南处于浅水沉积环境。有利区内五峰-龙马溪组为一套浅水陆棚相泥页岩，泥页岩厚度较大，一般为20~35m。
小草坝-罗坎-大石板一带以南地区及盐津-大田-小草坝以西，区内勘探程度很低，晚奥陶世五峰期-早志留世龙马溪期，五峰-龙马溪组为一套浅水陆棚-泻湖相沉积，泥页岩厚度较薄，一般<20m。
4.2 泥页岩有机质特征
五峰-龙马溪组一段泥页岩有机质丰富，主要源自水生低等生物，有机碳含量达2.0%以上，通过研究区多口钻井岩心及野外露头剖面采样分析结果显示，五峰组-龙马溪组泥页岩有机碳含量在纵向上的分布具有随着深度的增加而增加的趋势。在平面上有机碳含量具有北高南低的分布规律，示范区北部有机碳含量达2.0%以上，向南、西有机碳含量降低。
现今有机质热演化处于过成熟阶段，干酪根镜状体的反射率Ro值为2.2%~2.8%，示范区中东部反射率值一般为2.1%~2.8%，西部受火山侵入岩的影响，反射率值可达3.0%以上。泥页岩经历海西期以来多期埋藏、多期生烃供烃，处于主生气期-气保存期，对于页岩气的聚集成藏及保存非常有利。
4.3 泥页岩储层特征
有机质含量高不仅提供了丰富的页岩气，而且在生烃作用后产生的有机质孔隙。昭通示范区海侵体系域的优质页岩主要为富碳含硅灰质页岩和富碳含黏土硅质页岩，发育有机质孔、方解石与长石粒内溶孔、矿物片间孔、黄铁矿晶间孔和铸模孔等基质孔隙及微裂缝。孔隙度变化表现中部比中东部高，下部比上部高。
地表露头比井筒岩心的孔隙度高，但二者的渗透率无显著差别，风化作用（淋滤、溶蚀）使泥页岩孔隙度增大，但并未改善泥页岩的渗透性能。地表露头泥页岩样品的孔隙度比井下明显更高，而二者的渗透率相似。
五峰-龙马溪组页岩矿物组成主要有石英、粘土、长石及碳酸盐矿物等，含有少量黄铁矿。目前正在开发的页岩气储层段的石英、长石等脆性矿物含量高，而黏土的质量分数较低，使该套页岩气储层的岩石脆性极强，有利于页岩气压裂增产改造。
4.4 盖层与保持条件
尽管页岩气藏具有生、储、盖、运、聚、保自成一体的含油气系统特征，但保存条件仍是页岩气能否成藏或者是影响页岩气成藏规模的一个关键因素，特别是在构造挤压、变形强烈、断层发育的中国南方海相页岩气选区评价中更应重视页岩气的保存条件问题。
昭通示范区五峰组-龙一１亚段含气层与其顶、底板地层均为连续沉积。其顶板为龙一２亚段，主要为深灰色、灰色含碳-中碳硅质页岩和含碳粉砂质页岩，底板为宝塔组灰色瘤状灰岩等，顶、底板均属低孔低渗的致密地层，能有效阻止烃类散失，封隔作用良好。
昭通示范区北部处于构造活动相对稳定区，埋藏相对适中的复向斜轴部区，构造抬升较南部晚，地层剥蚀量较小，出露地层较新，为上侏罗统蓬莱镇组-白垩系残留区。构造为挤压变形区，深大断裂构造不发育，盖层及保存条件好。
北部五峰组-龙一段页岩深埋生烃，流体压力不断增加，顶底板的有效封隔，有利于高压流体封存箱的形成。昭通示范区北部黄金坝产区YS108井区及上1井区五一~龙一13小层页岩测试地层压力系数为1.90~1.96，接近2.0，呈现典型的超压特征；储层压力与含气性页岩储层压力如果异常高，意味着页岩中已有大量的油气生成，而且可能在地质历史时期未发生过大规模的运移或散失。从页岩气的组成上也证实其保存条件好，核心区分布在甲烷带，其CH4含量（摩尔分数）大于75%，而N2+CO2含量（摩尔分数）小于25%。
由于受压扭构造变形的影响，中部顶底板及自身的封隔性能遭受破坏，未能高压流体封存箱，页岩测试地层压力系数为1. 0，呈现的常压特征；可能在地质历史时期发生过一定的运移或散失。区内页岩气的组成分布在甲烷+氮气混合带：CH4含量（摩尔分数）介于25%~50%、N2+CO2含量（摩尔分数）介于25%~50%。
南部处于构造活动压扭变形区-剪切变形区，构造抬升早，地层剥蚀量大，为下-中侏罗统沙溪庙组残留区，深大断裂构造发育，盖层的完整性、封盖性遭到严重破坏；西部受火山侵入岩的影响，有机质热成熟度高，含气量低，处于常压-欠压的氮气带，CH4含量（摩尔分数）小于25%，N2+CO2含量（摩尔分数）大于75%，保存条件差。
4.5 含气量
昭通示范区北部实测的甲烷气体吸附量为0.84~4.68m3/t，平均为2.91m3/t。五峰组二段-龙一12小层的样品吸附气量相对其他小层较高，均大于3.0 m3/t。五峰组-龙一13富碳高硅页岩具有“高TOC、较高孔隙度、高含气量和高硅质”四高特征，为昭通示范区页岩气富集高产提供物质基础，其中以五峰组-龙一12最为有利；中部YQ6井五峰组-龙马溪组现场实测了吸附气、损失气、残留气，五峰组含气量0.38~1.56m3/t，平均0.53m3/t，含气层厚8.45m，龙一段含气量0.06~1.28m3/t，平均0.34m3/t。
4.6 页岩气成藏演化
埋藏史-生烃史模拟结果表明，昭通示范区五峰组-龙马溪组经历了4次不同规模的抬升，加里东晚期有机质进入成熟早期开始生成少量油，但很快随着海西期的抬升而停滞，生油期主要在海西晚期-燕山早期，此时期是五峰组-龙马溪组的生油高峰，持续至印支晚期-燕山中期进入主生气期，此时期也是海西晚期-燕山早期生成的原油裂解成气的主要时期，而在燕山期以后，由于本区强烈抬升而终止生成天然气。因此，印支晚期-燕山中期是形成页岩气富集成藏的关键时期。
5 主要结论
5.1 昭通示范区五峰组-龙马溪组泥页岩广泛分布，有机质类型好，处于主生气阶段；从南至北页岩厚度增大，有机质丰度增高，即坳陷北部优于南部；生油期主要在海西晚期-燕山早期，主生气期为印支晚期-燕山中期，是形成页岩气系统的关键时刻。
5.2 昭通示范区五峰组-龙马溪组泥页岩具有低孔低渗特征，上、下地层可五峰组-龙马溪组页岩气藏提供良好的保存条件，北部断层较不发育，保存条件优于南部。
5.3 示范区北部盐津-筠连-叙永一带泥页岩厚度大、有机质丰度高、储层品质好、保存条件好、含气量高、脆性矿物含量高，有利于压裂改造，是示范区的页岩气“核心区”；中部牛街-大湾-威信-古蔺一带以南页岩气成藏条件较好，钻探已获得五峰组-龙马溪组页岩气显示，是页岩气的有利勘探区，可作为下一步的勘探重点；盐津-大田-小草坝以西，小草坝-罗坎-大石板一带以南地区泥页岩厚度小、有机质丰度低，保存条件差为页岩气勘探远景区，应选择保存条件相对较好处入手开展必要的研究工作。
6 主要参考文献
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王世谦，王书彦，满玲，等．页岩气选区评价方法与关键参数[J]．成都理工大学学报（自然科学版），2013,40(6): 610-620.
王鹏万，邹辰，李娴静，等．昭通示范区页岩气富集高产的地质主控因素[J]．石油学报，2018，39（7）:744-753.
Louise D. Marcellus core areas differentiated [J] AAPG Explorer, 2011, 32(5):14-16.

* 武金云，男，1962年5月生，福建省莆田市人，高级工程师，主要从事石油地质与有机地球化学研究，浙江省杭州市西湖区留下街道西溪路920号，中国石油杭州地质研究院，310023，13656662682，wujy_hz@petrochina.com.cn