摘要：我國南方海相頁巖分布廣、厚度大，有機質豐度高、熱演化程度高，由于地質及地形條件復雜、含氣性變化大，頁巖氣資源潛力有待查明。位于重慶市彭水縣境內(nèi)的頁巖氣取心井——渝頁1井揭示了高陡構造帶上黑色頁巖及其中的含氣特點。該井鉆揭下志留統(tǒng)龍馬溪組黑色頁巖層系地層厚度為225.78m(未穿)。實驗分析結果表明：該井龍馬溪組黑色頁巖具有有利的頁巖氣成藏條件及典型的淺層頁巖氣特點，有機碳含量平均達到了3.7%，有機質成熟度(Ro)平均為2.04%。黑色頁巖中裂縫及微孔隙發(fā)育，儲集空間包括了黏土礦物粒間微孔隙、頁理間孔隙、溶蝕孔隙、成巖微裂縫及構造裂縫等。實驗計算龍馬溪組黑色頁巖含氣量介于1.0～3.0m3/t。研究表明，渝頁1井所揭示的下志留統(tǒng)龍馬溪組和上奧陶統(tǒng)五峰組暗色頁巖分布廣泛，頁巖氣資源潛力大。
關鍵詞：渝東南高陡構造區(qū)；頁巖氣；渝頁1井；地質背景；鉆探效果；含氣性；資源潛力
由于吸附作用機理的存在以及頁巖超低滲透的特點，頁巖氣具有較之常規(guī)儲層氣更強的抗構造破壞能力。這一特點使原來僅限于傳統(tǒng)盆地內(nèi)的油氣勘探范圍擴大到了殘留的黑色頁巖淺埋區(qū)，極大地增加了油氣勘探范圍和領域，頁巖氣富集區(qū)有可能是南方油氣勘探的重要領域[1]。南方海相頁巖沉積厚度及分布面積大、有機質含量及成熟度高，但形成時間長、地質演化歷史復雜，現(xiàn)今的含氣性變化大，頁巖氣資源潛力有待查明[2]。位于渝東南高陡構造區(qū)的渝頁1井揭示了下志留統(tǒng)龍馬溪組的黑色頁巖及其含氣性，為揚子板塊重點目標區(qū)頁巖氣評價提供了參數(shù)依據(jù)。
1 區(qū)域地質背景
在早古生代和晚古生代時期，揚子板塊經(jīng)歷了多次大規(guī)模海侵事件，形成了以下寒武統(tǒng)、上奧陶統(tǒng)下志留統(tǒng)、下二疊統(tǒng)、上二疊統(tǒng)等為代表的8套黑色頁巖(文玲等[3]；馬力等，2004)。其中，下志留統(tǒng)龍馬溪組黑色頁巖與上奧陶統(tǒng)五峰組黑色頁巖均為筆石相，具相似的生態(tài)環(huán)境[4]，是揚子板塊，特別是四川盆地及其周緣地區(qū)重要的烴源巖[5]。該套頁巖有機質豐度大，演化成熟度高，是頁巖氣富集的有利層系[6]。
位于七曜山基底斷裂帶(四川盆地東界)以東的渝東南地區(qū)是上揚子板塊的重要組成部分(圖1)，具有地層抬升較高、構造擠壓強烈、高陡構造發(fā)育等特點。區(qū)內(nèi)背、向斜構造平行排列，褶皺軸部走向大致呈北東南西向延伸(30°～45°)，兩翼傾角陡傾且基本對稱，伴生其中的核部斷裂傾角較大，一般為35°～75°。從北西向南東方向，渝東南區(qū)域構造格局在不足200km的范圍內(nèi)從隔檔式褶皺逐漸轉變?yōu)楦舨凼今薨櫍砻髁讼鹿派绾Ｏ嗪谏搸r分布的復雜特征[5～8]，是揚子板塊剝蝕區(qū)的典型代表。
在渝東南地區(qū)，區(qū)域地層均為沉積巖且以古生界海相沉積產(chǎn)物為主，出露地層主要有寒武系、奧陶系、志留系、泥盆系及二疊系等，其他層系較薄或缺失。其上可有不同程度的三疊系及第四系等地層覆蓋。區(qū)內(nèi)出露的志留系在平面上主要分布于渝東南地區(qū)的西北部，在剖面上對應為羅惹坪組(S2lr)及龍馬溪組(S1lm)。其中的龍馬溪組黑色頁巖位于志留系底部，屬于深水陸棚沉積。龍馬溪組又可分為上、下兩段。其中，上段厚度介于200～300m，主要為一套灰綠色、黃綠色粉砂巖、粉砂質頁巖或頁巖，可為泥質或鈣質膠結，通常具層紋狀結構或發(fā)育波痕，多產(chǎn)筆石。下段厚度介于250～350m并以頁巖為主，局部可夾泥質或鈣質膠結的粉砂巖、粉砂質頁巖、泥質灰?guī)r及石英巖狀粉砂巖等，上部主要表現(xiàn)為黃綠色調(diào)，偶見泥質膠結的粉砂巖，下部主要為黑色、灰黑色調(diào)，局部含鐵質重晶石結核；該段產(chǎn)出多種筆石化石，向下與產(chǎn)出腕足類化石、厚度較薄的上奧陶統(tǒng)觀音橋組黑色頁巖呈整合接觸關系。繼續(xù)向下，還連續(xù)發(fā)育了厚度接近20m的上奧陶統(tǒng)五峰組黑色頁巖。
2 渝頁1井鉆探實施
渝頁1井位于七曜山東部，該處沿北北東走向的群山連綿起伏，形成了與地質構造特點大體一致的地理景觀。由于構造斷裂、剝蝕風化及徑流沖刷等地質作用，背斜核部常表現(xiàn)為溝、槽、谷等地形特征，與向斜核部在地表上的峰、嶺、脊等地形特征形成明顯對比。由于北東-南西和北西-南東方向的兩組斷裂在該地區(qū)同時發(fā)育，故地質、地貌特征變化復雜。渝頁1井位于重慶市彭水縣連湖鎮(zhèn)北西西290°方位2～3km的曹家溝，屬連湖鎮(zhèn)樂地壩村所轄。區(qū)內(nèi)地形為北西高南東低，溝壑縱橫，相對高差1000m左右，其中渝頁1井位于山間河流切割沖刷所形成的“V”字形溝槽中(圖2)。
渝頁1井在構造上位于鍋廠壩背斜的核部，具有地層厚度大、埋藏深度小、垂直裂縫發(fā)育等特點。該背斜的核部主要出露了中、下志留統(tǒng)，平面上表現(xiàn)為線狀展布特點。其兩翼地層在剖面上表現(xiàn)為不對稱特點且北西陡南東緩，北西翼地層傾角36°～58°，南東翼22°～45°。背斜的軸面近于直立，翼部及核部均可見復雜揉皺。
根據(jù)周邊露頭(重慶市彭水縣高谷鎮(zhèn)、石柱縣新樂鄉(xiāng)、南川區(qū)金佛山北坡、黔江區(qū)白石鄉(xiāng)和彭水縣白溪鄉(xiāng)等)資料推測，渝頁1井處龍馬溪組黑色頁巖厚度不應小于80m。具有黑色頁巖地層分布廣、單層厚度大、埋藏深度淺(背斜核部出露龍馬溪組上段地層，根據(jù)周邊露頭預測鉆深百米可見黑色頁巖)、地層垂向裂縫發(fā)育(北東和北西向兩組斷裂交叉處)、地形相對有利等優(yōu)點。特別是，頁巖主體目的層(下志留統(tǒng)龍馬溪組、上奧陶統(tǒng)觀音橋組、五峰組及臨湘組夾層等)下伏的中上奧陶統(tǒng)(上奧陶統(tǒng)臨湘組、中奧陶統(tǒng)寶塔組、十鋪字組)發(fā)育了數(shù)十米厚的裂紋灰?guī)r及瘤狀泥質灰?guī)r，地表露頭中的溶蝕孔洞發(fā)育，很有可能是游離氣聚集的有利目標。因此，主要基于目的層埋藏深度等因素考慮，位于鍋廠壩背斜核部的曹家溝是最有利的鉆探目標。
根據(jù)200m井深的總體要求，渝頁1井井位選擇在鍋廠壩背斜核部的曹家溝，井口海拔為602m。該井地質設計為垂直取心井，設計鉆揭目的層系為龍馬溪組及上奧陶統(tǒng)黑色頁巖，完鉆層位為寶塔組石灰?guī)r。渝頁1井開始鉆探于2009年11月22日，經(jīng)過50d的工程施工，于2010年1月11日在325.48m井深處裸眼完鉆。在采用XY-4型鉆機鉆進時，先后選用了合金鉆頭、電鍍金剛石鉆頭、孕鑲金剛石鉆頭及復合片鉆頭等，全井段巖心平均收獲率達88.3%，獲取了龍馬溪組主體黑色頁巖段的連續(xù)巖心，累計揭示龍馬溪組黑色頁巖巖系225.78m(未穿)。
由于該區(qū)缺乏鉆探(包括金屬礦鉆井)、地震及地球化學等資料，實際的鉆探效果與地質設計存在一定偏差。根據(jù)野外露頭地質研究，渝頁1井井區(qū)周邊少有巨大厚度的黑色頁巖露頭。在其北西20km和南西30km以外的漆遼與高谷剖面，下志留統(tǒng)龍馬溪組黑色頁巖段地層出露最大厚度一般不超過140m。鉆井實際揭示龍馬溪組黑色頁巖厚度至少225.78m仍未見底，表明黑色頁巖地層厚度的較大變化。這種變化可能由多種原因所產(chǎn)生，包括原始地層向沉降沉積中心處的厚度增加、逆斷層所造成的地層重復、頂厚褶皺及尖頂背斜構造核部地層的滑脫及地層局部加厚等。這些綜合地質作用的結果造成了實際鉆揭的黑色頁巖巖系厚度遠遠超過了根據(jù)露頭預測的地層厚度。通過鉆井實施，不僅揭示了巨大厚度的黑色頁巖地層，而且還在鉆井過程中發(fā)現(xiàn)了良好的頁巖氣顯示。
3 渝頁1井頁巖含氣性
室內(nèi)實驗研究的結果表明，龍馬溪組黑色頁巖中所含的有機質類型主要為腐泥型和偏腐殖混合型，有機質成熟度(Ro)介于1.62%～2.26%之間，平均為2.04%，有利于天然氣的生成(現(xiàn)今主要為殘留熱解氣及生物再作用氣)。結合頁巖含氣量檢測結果，對渝頁1井部分巖心進行了有機碳含量測試。燃燒法測定結果表明，深度128.9～305m之間10個樣品的有機碳含量值變化于1.44%～7.28%，一般達到3.0%左右，平均為3.7%(圖3)。由于有機質是天然氣生成與吸附的主體，故有機碳含量的大小幾乎決定了頁巖中的天然氣含量，即有機碳含量與頁巖氣含量呈正比。
渝頁1井龍馬溪組黑色頁巖宏觀及微觀裂縫發(fā)育，宏觀裂縫可分為高角度、近水平及雜亂狀3類，可表現(xiàn)為充填、半充填或無充填。一般裂縫多呈高角度延伸，巖心中可見的單一裂縫長度為1.6m。觀察結果表明，各類裂縫多表現(xiàn)為不均一的集中分布特點，充填與不充填裂縫常有繼承性發(fā)育特點。巖心樣品電鏡掃描特征顯示，黑色頁巖微孔隙和裂縫發(fā)育，孔隙直徑一般為1～5μm，少數(shù)介于1～8μm，微裂縫規(guī)模在10～25μm(圖4)。泥頁巖儲層儲集空間包括了黏土礦物粒間微孔隙(圖中b和d)、頁理間孔隙(圖中b)、溶蝕孔隙(圖中c和d)、成巖微裂縫(圖中f)及構造裂縫(圖中a和e)等。
渝頁1井提撈的黑色巖心均為不含地層水的“干層”，即不含地層水(包括束縛水)的含氣層，若將隨機選取的巖心置于水中，則均將發(fā)生針尖狀氣泡不斷溢出的現(xiàn)象，視為頁巖氣的最直接證據(jù)；此外，在鉆進過程中，還多次在井筒中發(fā)現(xiàn)了氣泡溢出以及井口空氣中甲烷含量異常等現(xiàn)象，證實了頁巖中天然氣的直接存在。同時，渝頁1井的16塊樣品現(xiàn)場解析表明，位于281.Om和287.5m井深處樣品的含氣量現(xiàn)場解析值最高，計算現(xiàn)場解析氣量達到并超過0.1m3/t(解析持續(xù)時間為6h)?？紤]到井筒提心時間較長(4.2h)、損失氣量及殘留氣量較多等原因，再結合已有解析曲線的比較研究，推測頁巖吸附含氣量大于1.0m3/t。結合頁巖總含氣量分析原理，初步計算頁巖總含氣量(吸附氣+游離氣)介于1.0～3.Om3/t之間，視為具有工業(yè)價值的頁巖氣。進一步的色譜分析結果表明，天然氣樣品中同時含有甲烷和乙烷，在128.23～138.46m和206.75～209.18m井深等樣品中還發(fā)現(xiàn)了丙烷的存在(圖5)。其中，138.13～138.46m井深樣品中的甲烷、乙烷和丙烷含量分別為42.43%、0.42%、0.01%，其余為N2、CO2和O2等大氣成分。解吸樣品中烴類氣體含量的百分比并不高，可能主要反映為解析儀中空氣樣品的殘留或地下風化帶中少量空氣成分的進入。
4 討論
1) 通過全井段系統(tǒng)取心，渝頁1井系統(tǒng)揭示了上揚子典型地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組中上部的黑色頁巖地質特征，揭穿黑色頁巖視厚度225.78m(未見底)，實際揭穿的黑色頁巖地層厚度遠遠大于根據(jù)周邊露頭觀察所預測的厚度，反映出復雜的地質條件變化。黑色頁巖層段下伏的石灰?guī)r背斜區(qū)也是天然氣勘探下一步值得深究的重要領域。
2) 在背斜軸部進行鉆探只是頁巖氣探井井位選擇的一種模式。渝頁1井選擇在鍋廠壩背斜核部進行鉆探：①保證了龍馬溪組的最小埋藏深度和最大揭示厚度；②保證了揭示最小的地層視厚度和最佳的裂縫發(fā)育程度；③能夠合理客觀地反映地層的含氣量并揭示黑色頁巖下伏石灰?guī)r地層中可能的圈閉游離氣。由于鉆井沒有揭穿龍馬溪組底部地層，給進一步系統(tǒng)地頁巖氣研究帶來了一定的推測性。
3) 渝頁1井揭示了良好的頁巖氣成藏地質條件，揭示裂縫發(fā)育具有繼承性特點，儲層微孔及微裂縫發(fā)育，頁巖含氣量對應于1.0～3.0m3/t之間，反映為吸附特征明顯的典型淺埋型頁巖氣特點。如果能夠進一步結合地震等方法和手段，則黑色頁巖深埋區(qū)、地質條件復雜區(qū)及第四系覆蓋區(qū)的頁巖氣有利選區(qū)及評價工作將更加合理可靠，測井方法和手段的使用也將進一步擴大資料的獲取范圍。
4) 渝頁1井揭示黑色頁巖地層厚度大，有機質含量高，有機質成熟度條件適中，頁巖氣顯示活躍，鉆探效果良好。但渝頁1井仍有許多地質問題值得進一步探討，不斷地研究將會逐漸加深對研究區(qū)頁巖氣成藏地質條件的理解和認識。截至目前的實驗分析資料已經(jīng)表明，渝東南地區(qū)地質條件復雜的高陡構造帶具有良好的頁巖氣成藏地質條件，表明上揚子乃至整個揚子地區(qū)都可能是頁巖氣發(fā)育的有利潛力區(qū)。
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(本文作者：張金川1 李玉喜2 聶海寬3 龍鵬宇1 唐穎1 唐玄1 姜文利2 1.中國地質大學(北京)教育部海相儲層演化與油氣富集機理重點實驗室；2.國土資源部油氣資源戰(zhàn)略研究中心；3.中國石化股份有限公司石油勘探開發(fā)研究院)
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