四川盆地下古生界页岩气成藏潜力分析

四川盆地下古生界页岩气成藏潜力分析

在美国，磺气得到了成功的应用，并取得了巨大的商业利润，世界上许多国家正在先后研究磺气。例如，加拿大开始生产磺气。初步研究表明,四川盆地下古生界发育的筇竹寺组和龙马溪组两套海相黑色页岩也具备页岩气藏形成的基本地质条件,具有勘探页岩气的巨大潜力,有望成为四川盆地未来天然气勘探的一个新领域。1下古生代岩石带的分布特征1.1下古生界黑色页岩始于志留纪末并一直延续到二叠纪前的加里东运动,在四川盆地内形成了一个巨型古隆起——乐山—龙女寺古隆起(图1),使二叠系以下地层均遭受了不同程度的剥蚀或缺失。该隆起的核部在四川盆地西南部,最老的地层已剥蚀至震旦系灯影组顶部,由核部向外,依次剥蚀至寒武系、奥陶系和志留系,川东地区残留有中石炭统,泥盆系仅分布在龙门山区和川东局部地区。以志留系缺失区计算,由雅安、乐山、南充3个高点控制的乐山—龙女寺古隆起范围约为6.12×104km2。自1964年威基井钻探发现威远气田震旦系气藏以来,乐山—龙女寺古隆起上震旦系和下古生界的油气勘探几经波折。由于下古生界及震旦系目的层埋深较大,钻井成本较高,加之对古隆起油气成藏规律及其勘探潜力的认识仍不明确,勘探程度很低,至今未能取得大的突破。下古生界黑色页岩集中分布在下寒武统筇竹寺组、下奥陶统大湾组和五峰组及下志留统龙马溪组等4个层段中。大湾组(或大乘寺组)黑色页岩在盆地西南部较发育,其厚度一般在45～140m,特别是在威远地区分布稳定,也是未来下古生界页岩气勘探值得重视的一套目的层。五峰组黑色页岩虽分布稳定,但厚度较薄,一般只有几米,且与龙马溪组整合接触,特征类似。限于资料,笔者仅针对筇竹寺组和龙马溪组两套黑色页岩开展分析与讨论。1.2竹寺组和川东地区筇竹寺组主要为一套浅海陆棚相沉积,由深灰色—黑色碳质(富有机质)页岩、粉砂质页岩和粉砂岩组成,向上颜色变浅,砂质增多,偶夹碳酸盐岩。筇竹寺组除在盆地西南部边缘的雅安—天泉—大邑一带因剥蚀而缺失外,其余地区发育较全(图2)。该组厚度一般分布在300～500m,由古隆起轴部向南北两侧增厚,厚者在750(强1、曾1井)～950m(宁2井)。威远—资阳地区的筇竹寺组厚度一般在300～500m之间。筇竹寺组顶界埋深一般在4～5km,仅威远地区小于3km,而川东地区埋深较大,一般大于5km。筇竹寺组页岩自上而下随有机质含量的增加,颜色由深灰色变为黑色,页理逐渐发育,至底部有机质富集而成黑色“碳质页岩”,而且底部有时含黄铁矿、菱铁矿结核及磷质结核。该套页岩普遍含砂质,石英粉砂重者多成砂质页岩(图2)。在一些黑色页岩层段中,甚至可见油裂解成气后残留的沥青物,如资1井中普遍见含沥青砂质页岩(图2)。研究结果表明,筇竹寺组黑色页岩为下伏震旦系气藏及上寒武统洗象池组气藏的主要气源岩。1.3竹寺组、川东地区龙马溪组主要为一套浅水—深水陆棚相沉积,由深灰—黑色粉砂质页岩、富有机质(碳质)页岩、硅质页岩夹泥质粉砂岩等组成。龙马溪组在乐山—龙女寺古隆起区已被剥蚀殆尽(图1),古隆起区之外的东部和南部发育较全,分布稳定(图3),厚度一般在100～500m,厚者近700m。龙马溪组顶界埋深一般在2～3km,威远地区较浅(小于2km),而川东地区较深(大于4km)。与筇竹寺组页岩相类似,龙马溪组页岩也具有自上而下颜色逐渐加深、砂质减少、有机质含量增高的特征。页岩中也普遍含砂质,粉砂石英局部富集,底部多含硅质(硅质页岩),粉末状黄铁矿富集成层,并以产浮游生物笔石为特征,可富集成黑色笔石页岩。局部见放射虫、骨针等硅质生屑,在川东地区的池7和五科1井中,其含量在0.1%～3.5%。进入下伏的上奥陶统五峰组黑色页岩,硅质和有机质含量进一步增加,有机质含量可高达5%(如座3井)。该套页岩已证实为四川盆地主力气田——石炭系气田的主要气源岩。2下古生界页岩特征根据美国页岩气勘探取得的成功经验,页岩气藏形成的有利地质条件主要包括:①页岩富含有机质,有机碳含量一般大于2%,最好在2.5%～3.0%,甚至可以高达25%,有机质含量往往与页岩的生气率和吸附气量成正比。②富有机质页岩在区域上连续稳定分布(一般大于30m),且具有一定的有效厚度(多在10m以上)。③页岩已成熟,多处在热成因气窗范围之内(Ro为0.4%～2.0%)。④页岩储层具有一定的物性条件,总孔隙度一般在3%～5%,高者可达15%。页岩气的产出一般是储集在基质孔隙和裂缝中的游离气优先被采出,其后才是吸附气。⑤页岩储层的基质渗透率很低,岩性致密,需要发育天然裂缝,才能最终形成工业产能。而且页岩本身应该具有一定的硬度和脆性(如硅质碎屑物、海绵骨针、放射虫等硅质含量丰富),从而在外力作用下,容易产生裂缝,有利于天然气的渗流。一般情况下,裂缝发育带内的页岩气勘探成功率高,气产量也高。对四川盆地下古生界页岩的初步研究表明,筇竹寺组和龙马溪组黑色页岩均具有厚度大、区域分布广、富砂质、硅质和有机质的特征,而且有机质已达过成熟裂解成气阶段。更重要的是,尽管目前钻入下古生界的钻井数量尚不多,但在一些钻井的这两套黑色页岩中已经见到了大量的油气显示,并且有几口井经初步测试还产出了工业气流。因此,可以认为筇竹寺组和龙马溪组这两套黑色页岩均具有形成页岩气藏的有利地质条件,具体表现在以下几个方面。2.1竹寺组黑色页岩岩石学特征高伽马值(大于100API)、富有机质的黑色页岩一般分布在筇竹寺组和龙马溪组的下部(图2、3),而且越靠近底部,伽马值越高,可大于200API。根据现有钻井资料,笔者绘制了筇竹寺组和龙马溪组黑色页岩在四川盆地中南部的厚度分布图。从图4、5可以看出,除龙马溪组黑色页岩在古隆起顶部被剥蚀殆尽外,这两套黑色页岩在大部分区域内均稳定分布,厚度一般都在200m以上,而且均有向南或东南方向逐渐增厚的趋势。筇竹寺组黑色页岩总厚度在资阳—威远一带一般在200～300m,向西和向东靠近古隆起顶部黑色页岩厚度减薄,而向南则逐渐增厚,至川南长宁构造约600m(宁2井)。龙马溪组黑色页岩则围绕古隆起剥蚀区逐渐向南和东南方向逐渐增厚。靠近剥蚀区的黑色页岩厚度一般小于50m,威远构造的东部厚度在100～150m,南部大部分区域内黑色页岩的厚度在200～300m之间。2.2竹寺组和龙溪组尽管过去钻入下古生界的钻井基本未针对筇竹寺组和龙马溪组取心,但是从少量已分析的岩屑、岩心及露头样品资料(表1),基本可以了解这两套页岩层作为烃源岩的生油气特征。从表1所列统计数据来看,这两套黑色页岩的有机质丰度和成熟度均较高。筇竹寺组和龙马溪组黑色页岩的有机质含量分别分布在0.4%～11.07%和0.51%～4.88%之间,其平均值大多在1.5%以上,在一些地区甚至在3.0%以上,其Ro一般分布在2.5%～3.2%之间,热演化程度最低的地区Ro也接近或大于2.0%,表明这两套黑色页岩均富含有机质,且已进入了过成熟演化阶段。如前所述,随深度的增加,筇竹寺组和龙马溪组页岩的颜色均具有自上而下逐渐加深的特点,而其自然伽马值和有机质丰度也随之逐渐增高(图6)。威001-2是威远构造上的一口新井,筇竹寺组的伽马值在3175m以下明显增加,一般都大于150API,而无论是根据测井曲线ΔlogR(Passey,1989)计算的还是采用岩屑实测的TOC值,均显示在该深度段以下一般都大于1.0%且逐渐增加的特征(图6)。长宁构造上最近由中石油北京勘探开发研究院钻探的1口浅井也显示出龙马溪组页岩所具有的上述特征。该口浅井钻遇了龙马溪组中下部黑色页岩层,110m深度段以上的TOC值一般在1.5%～2.5%之间,该深度以下TOC值剧增,均大于3%,最高约9%。由此可见,尽管筇竹寺组和龙马溪组黑色页岩的总厚度很大(即使与美国目前开采的5套页岩相比,也显示出一定的优势),但富有机质的黑色页岩主要分布在两套页岩层的下部。由于缺乏黑色页岩的含气性分析和测试资料,尚无法确定这两套黑色页岩的有效厚度,但根据北美地区页岩气已有的勘探开发经验,页岩气勘探的最佳目标应该是TOC>2%且富含硅质而有利于产生裂缝的成熟页岩分布区。页岩气吸附实验也证明,富有机质的页岩较贫有机质的页岩具有更多的微孔隙空间,从而吸附的天然气量更多,即页岩的甲烷吸附量随TOC而增加。因此,若将TOC>2%作为页岩气有效厚度的标准,那么从现有资料分析,这两套黑色页岩的有效厚度大致在20～50m,也可与美国著名的5套页岩(有效厚度大多在15～60m)相媲美。2.3北美地区泥盆系—页岩储层低孔低渗,但仍具备一定的储渗条件众所周知,泥页岩本身的孔渗性超低而致密,故一般在油气藏的形成中起封盖作用。但是,在四川盆地多套含油气层系中,泥页岩与同层的碳酸盐岩储层相比,其物性条件相差无几(表2)。特别是在有裂缝存在的条件下,泥页岩往往也具有较高的渗透能力,可形成一种非常规油气层——泥页岩裂缝性油气层(例如侏罗系大安寨和凉高山油气层)。在四川盆地今后的非常规油气勘探中,理应重视这种特殊类型的泥页岩储集层。从资2井筇竹寺组底部所取的几块黑色粉砂质页岩样品的物性分析结果来看,其孔隙度在1%～2.5%之间,明显高于紧伏其下的震旦系灯四段的白云岩,其平均值也高于资3井灯三段白云岩层(表2)。威001-2井的测井解释结果也表明,筇竹寺组2982.75m以下页岩段的孔隙度在0.69%～3.08%,平均值为1.64%,渗透率在0.001×10-3～0.11×10-3μm2,平均值为0.019×10-3μm2。因此,尽管页岩储层超低孔、致密,但仍具备一定的储集条件。实际上,广义的页岩气还应该包括储存在黑色页岩所夹的薄层泥质粉砂岩和各种砂岩中的天然气。这些泥质粉砂岩和砂岩相对纯页岩而言有较多的孔隙,因此储存于其中的天然气多为游离气,可随页岩中的吸附气一并采出。四川盆地这两套黑色页岩普遍含砂质,浅色石英粉砂微细纹层与暗色泥质层交互沉积而显水平纹理,石英分布不均,局部富集而成泥质粉砂岩。此外,页岩中还微含钙质,底部多含硅质,黄铁矿也较丰富,多呈星散状分布。对长宁构造龙马溪组黑色页岩岩心样品的矿物成分分析结果也表明,石英含量在20%～30%之间,方解石和白云石含量多在10%～25%,高者可达35%,黄铁矿含量在1%～4%之间(图7)。由于黑色页岩砂质和钙质较重,因此其性较脆、硬,在加砂压裂中容易产生裂缝,这对于页岩气的开采极为有利。页岩储层的孔隙结构主要受所含矿物成分、有机质以及热成熟度的影响。对此,尚需针对这两套黑色页岩储层取样分析,开展进一步的研究。北美地区泥盆系—石炭系页岩储层中生物成因(如放射虫)的有机硅含量较高,石英含量可高达80%,而且富含有机质(平均TOC为5%),具有孔隙度高(一般3%～5%)、含气量高(一般1～3m3/t)以及易于压裂的特征,从而具备优越的页岩气成藏地质条件。筇竹寺组和龙马溪组黑色页岩层的底部也普遍含硅质,含量高者成硅质岩,并且在龙马溪组页岩中局部见放射虫、海绵骨针等硅质生屑,而且底部的伽马值高,有机碳含量高,应是形成页岩气藏的有利层段。基质渗透率极低(毫微达西级)的页岩储层中,由于孔隙极其微细(直径一般小于2nm)而且连通性极差,储存在基质孔隙中的天然气很难排出,因此天然裂缝的发育程度至关重要。北美页岩气开采的成功经验表明,气产量最大的一些页岩气井中往往都发育大范围分布的裂缝网络。由于取心太少且无成像测井等资料,无法对筇竹寺组和龙马溪组黑色页岩的裂缝发育情况作整体了解,但是从钻井岩屑录井资料可以看出,无论是页岩本身还是所夹的粉砂岩中都存在裂缝,而且在一些构造上较为发育,如威远、阳高寺和太和场等。虽然这两套黑色页岩中的裂缝(多为微细缝)基本被方解石、白云石和石英等次生矿物晶体充填而呈闭合状,但这些因胶结作用而闭合的裂缝也是受力薄弱带,在加砂压裂时往往会重新开启,并沿多个方向裂开、扩展,从而提高了加砂压裂的有效性,有利于页岩气的商业性采出。对美国同时也是世界上目前最大的页岩气田——FortWorth盆地Barnett页岩气田的研究也表明,Barnett页岩气之所以能取得勘探开发上的巨大成功,除了Barnett页岩本身具有含气量高(8.5～9.91m3/t)且主要为游离气(吸附气含量仅占20%)等有利条件外,更重要的是Barnett页岩虽不属裂缝性的页岩(即不存在开启的天然裂缝),却属一种容易被压裂的页岩。页岩中天然发育的裂缝网络系统无疑可以极大地增加其基质渗透率,使页岩气基质孔隙中及黏土和有机质颗粒表面吸附的天然气尽可能多地排出,最终获得商业性开采(如美国Antrim页岩气和Marcellus页岩气)。即使页岩中天然裂缝不发育,只要页岩本身具有一定的脆性或存在受力薄弱带,也可在加砂压裂时易于产生大量的裂缝,从而实现对页岩气的商业开采(如美国Woodford页岩气和Barnett页岩气)。2.4岩性岩石地层开基长期以来,四川盆地下古生界油气勘探主要是以筇竹寺组和龙马溪组上下的碳酸盐岩为目的层,从而未对这两套页岩层中实际存在的大量油气显示给予重视,除对少数几口发生井喷的井作了测试外,大部分页岩气层都未作测试。许多页岩油气显示都与裂缝的发育密切相关。钻穿筇竹寺组页岩层的钻井主要集中在威远构造上。统计结果表明,大约有21口钻井的黑色页岩、砂质页岩和碳质页岩及所夹的粉砂岩中见气侵、井涌和井喷等直接油气显示,而且往往在1口钻井的多个层段中见油气显示。其中,威5井在钻至井深2797.4～2797.6m黑色碳质页岩层时,放空0.2m,钻进中发生轻微漏失,并发生强烈井喷,喷高15～22m。1966年8月原钻机裸眼测试,获日产天然气2.46×104m3,经酸化后获天然气1.345×104m3/d。这应该是四川盆地第1口页岩气井。龙马溪组页岩气显示主要集中在阳高寺—九奎山构造带以及隆32、付深1和太15等一些井中。阳9、63和阳深2及隆32井在钻入龙马溪组页岩段时,均发生过井喷。其中,阳63井完井后射孔酸化产气0.35×104m3/d,隆32井中测产气0.195×104m3/d。取气样分析,甲烷含量96.4%～98.45%,且不含硫化氢。阳9井则由于放喷造成井壁垮塌,完井后射孔酸化仅产微气。此外,20世纪60年代的野外地质调查结果表明,在龙门山推覆构造带北段的碾子坝、矿山梁、天井山等背斜构造上,分布有沥青点100余个,并见大量沥青脉,主要集中在下寒武统筇竹寺组中。碾子坝构造上钻探的田坝1浅井(井深776.39m)在筇竹寺组深灰色、灰黑色泥质粉砂岩中见大量黑色沥青,并在钻进中随循环流出原油和天然气。这说明深埋地腹的筇竹寺组页岩气曾经历过油裂解成气的过程。由此可见,筇竹寺组和龙马溪组页岩层中油气显示频繁,已有油气流产出,并且在未作加砂压裂处理的情况下获得了少量工业产能。这些深井钻探中业已获得的丰富油气显示以及小规模的油气产能,揭示了四川盆地下古生界具有页岩气勘探的巨大潜力。Barnett页岩气勘探的历史经验也表明,正是过去那些以生物礁和白云岩为目的层的深井在Barnett页岩中经常钻遇的大量油气显示,引发了Mitchell能源公司对当时被称为无商业开采价值的“页岩气”勘探的极大兴趣,最终导致了美国天然气储量第三(7414.6×108m3)、产量第二(0.566×108m3/d)的NewarkEast页岩气田的发现,并取得了巨大的商业成功。3勘探和开发视角3.1盆地页岩气勘探潜力与岩石结构关系页岩气是含油气盆地中天然气聚集的非常规类型之一,通常与盆央气(basin-centeredgas)、致密气、煤层气以及常规构造圈闭气藏等共生共处,Curtis(2002)将这些非常规类型的气藏归类为“连续型”天然气聚集。因此,其他类型气藏的发现可以在不同程度上反映页岩气的存在与勘探潜力,在业已发现气藏的地区勘探页岩气应该具有较高的成功率。目前,在筇竹寺组和龙马溪组作为烃源层的上下碳酸盐岩地层中均发现了各种类型的天然气聚集,特别是分布众多大中型气藏的川东石炭系气田和威远震旦系气藏,这也从一个侧面证明这两套页岩气所具有的资源勘探潜力。中国石油勘探开发研究院对采自威远构造的筇竹寺组黑色页岩进行了等温吸附实验,测定了页岩的吸附气量,并根据黑色页岩的有效分布,估算出四川盆地下古生界筇竹寺组和龙马溪组页岩气资源量大致为8×1012m3(取保守值),这远高于四川盆地可供探明的“常规”天然气资源量,四川盆地页岩气资源的丰富程度可见一斑。但要取得最终可供勘探的页岩气地质资源量,还需要针对页岩储层采集足够多的页岩样品,开展矿物组成、有机质与含气性等方面的深入分析与研究,并通过测井、测试等资料取准页岩气层的有效厚度及其分布面积。这也是今后四川盆地页岩气研究工作中亟待研究与解决的问题。上述初步研究表明,四川盆地筇竹寺组和龙马溪组黑色页岩具有形成页岩气藏的诸多有利地质条件,而且资源量极为丰富,具有巨大的勘探潜力,但与此同时也存在一些问题,特别是与美国5大页岩气区相比,大致表现在以下几个方面:①页岩中生物成因的有机硅含量不高,这可能影响页岩中微裂缝的发育程度以及在加砂压裂时产生裂缝的能力,从而影响到页岩气的大量采出;②黑色页岩总厚度大,但有机质富集程度不高,TOC平均值小于2.0%,这将影响页岩储层的孔隙体积和含气量,最终影响可供勘探的页岩气层有效厚度;③页岩成熟度高而含气率较低,大多数页岩的Ro值超过了2.5%,而美国5套页岩的成熟度一般低于2.0%。与美国一般1～3m3/t的页岩含气率相比,筇竹寺组页岩0.27～1.03m3/t的含气率明显偏低;④页岩普遍埋深大,除威远地区等少数地区外,大部分地区的页岩埋深一般都超过了3000m,而美国页岩气的埋深一般小于2000m。埋深大意味着页岩气勘探的风险大,成本高。上述问题对四川盆地下古生界页岩气的勘探与开发具体有多大影响,尚需做进一步的研究与评估。3.2油气勘探区带页岩气勘探开发有利区的选择应在综合考虑地质(如页岩含气量、含气范围、目的层深度等)、工程(如气层压力、渗透率、裂缝分布、气体组成、含气饱和度等)和经济(如地面设施、天然气管道、气价、接近天然气市场的程度、投资费用、环境费用等)等各种因素的基础上开展。如前所述,在已有气田或气藏发现、并且在页岩中已见大量油气显示的地区开展页岩气勘探具有较高的成功率,而且这些地区已有的地面设施和天然气管网可为页岩气的勘探开发提供便利。综合上述因素,可以将威远地区和自贡—泸州—永川地区分别作为近期开展筇竹寺组页岩气和龙马溪组页岩气勘探的有利区带。这两个页岩气区块均具有黑色页岩厚度大,TOC值较高,埋深适中,以及黑色页岩中已见大量油气显示等有利条件。建议在这两个区块开展老井复查,对已见油气流或油气显示频繁的黑色页岩层段采