王鹏万, 焦鹏飞, 贺训云, 贾 丹, 芮 昀, 计玉冰, 董 立, 马立桥, 罗瑀峰, 梅 珏, 刘思琪

(1.中国石油杭州地质研究院,浙江杭州 310023; 2.中国石油勘探开发研究院,北京 100083; 3.中国石油浙江油田分公司,浙江杭州 310023; 4.中国石化石油勘探开发研究院,北京 100083)

浅层页岩气是指页岩储层埋深小于2000 m,而超浅层页岩气的储层埋深则小于600 m[1-3]。2017年,中国石油浙江油田公司在昭通页岩气示范区太阳背斜对Y1井和Y102井老井试气(五峰-龙马溪组一段l亚段储层埋深分别为775和980 m),Y102直井获1×104m3/d的工业气流,实现国内浅层页岩气突破[4]。2020年9月,提交了太阳浅层气田1.360×1011m3探明储量。2020年太阳气田向南扩边评价了海坝背斜,YZ159H(五峰-龙马溪组一段l亚段储层埋深315 m,水平段长530 m)获测试产量1.0×104m3/d,实现超浅层页岩气突破。2021年6月,太阳气田新增探明储量1.220×1011m3。太阳-海坝浅层—超浅层气田背斜主体埋深500～1500 m[1],其气藏整体具有“四低一高一大”特征,即压力系数低、游离气占比低、水平应力差低、初期产量低及吸附气含量高和Ⅰ+Ⅱ类储层厚度大的特点。前人对于五峰-龙马溪组页岩气富集保存方面的研究主要集中在中深层页岩气。郭旭升等[5-6]基于涪陵页岩气田勘探开发实践,提出了页岩气“二元富集”理论,即深水陆棚优质页岩发育是页岩气“成烃控储”的基础,良好的保存条件是页岩气“成藏控产”关键。郭彤楼等[7]建立了焦石坝页岩气田“阶梯运移、背斜汇聚、断滑控缝、箱状成藏”富集成藏模式;王志刚[8]提出了生烃条件、储集条件和保存条件为核心的页岩气“三元富集”理论,指导了焦石坝页岩气田勘探评价;何希鹏等[9]结合渝东南常压页岩气勘探开发实践,形成了三因素控气地质认识,即深水陆棚相控烃、保存条件控富、地应力场控产;杨平等[10]建立了四川盆地西南缘山地复杂构造区“沉积控源、成岩控储、构造控保”的页岩富集模式,认为深水陆棚沉积相带利于形成规模储集空间和有效孔隙,不同构造样式和构造部位保存条件的差异性控制了不同孔隙演化阶段,山地复杂构造区页岩气具有水平分带、差异富集的特点,“慢热低熟” 和“构造缓抬” 有利于页岩气的长期富集与保存;庞河清等[11]通过川南威荣页岩气田解剖,认为深层页岩气具有“优相控源、 适演控位、良存控富”三元控藏的特点。梁兴等[12]提出了“多场协同多元耦合”共同作用下太阳背斜区山地浅层页岩气“三维封存体系”富集成藏赋存模式,对“三维封存体系”富集模式展开了定性的论述,即沉积成岩控制源储特征、保存条件控制天然气藏、应力可压性控制人造气藏、烃储禀赋控制单井产量,但缺乏相关实测分析数据的支撑。整体上,复杂构造区浅层页岩气富集保存机制研究相对薄弱。笔者旨在通过太阳-海坝不同构造部位8口初期产气井的页岩气气组分和烷烃碳同位素分析,海坝背斜YQ10井、YQ11井五峰-龙马溪组页岩及裂缝胶结物的碳、氧同位素及流体包裹体测试,结合周缘磷灰石裂变径迹低温年龄特征等分析,从微观机制方面探讨太阳-海坝浅层岩气富集保存机制,建立页岩气富集模式,以期有效指导南方复杂构造区浅层页岩气的选区评价。

1 地质概况

太阳-海坝浅层页岩气田位于昭通页岩气示范区东北部,构造上属于四川盆地川南低陡褶皱带与滇黔北坳陷结合部位[13-14],面积约480 km2(图1(a))。主体由太阳背斜、云山坝向斜、海坝背斜、柏杨坪向斜和叙永向斜组成,其中深度小于2000 m的面积占比达到72.7%(图1(a))。太阳-海坝气田为两组近南北向压扭性走滑断裂和两组近东西向挤压性断裂所围限[3](图1(a))。其位列槽档转换褶皱带,表现为压扭变形的等幅式褶皱,改造相对较弱[15]。

太阳-海坝浅层页岩气田凯迪阶—鲁丹阶(即五峰组-龙马溪组一段l亚段(龙一1)沉积期)处于深水陆棚亚相的缺氧环境,稳定发育富有机质页岩,厚度一般为20～40 m[13-14]。五峰组、龙一11小层、龙一12小层、龙一13小层主要为Ⅰ类页岩气储层(总有机碳大于等于3%,孔隙度大于等于4%,总含气量不低于3 m3/t)[3]。页岩气储层天然裂缝发育,浅层背斜区水平应力差较小、介于 4.0～16.0 MPa,压力系数为1.1～1.6,为连续分布的常压—微超压页岩气藏[4]。

2 “三维封存箱”差异保存与富集特征

2.1 页岩气“三维封存箱”有效封闭性

2.1.1 页岩裂缝充填物流体地球化学特征

海坝背斜YQ10(样品深度为122～210 m)和YQ11井(样品深度为298～445 m)五峰-龙马溪组灰质页岩裂缝方解石脉和脉体围岩开展了碳氧同位素测定。YQ10井灰质页岩裂缝方解石脉体δ13C为1.01‰～2.25‰,δ18O为-13.171‰～-8.72‰。脉体围岩即灰质页岩δ13C为-13.2‰～1.81‰、δ18O为-9.14‰～-8.72‰;YQ11井灰质页岩裂缝方解石脉δ13C为0.96‰～1.40‰,δ18O为-16.65‰～-8.97‰。脉体灰质页岩围岩δ13C为-1.12‰～1.84‰,δ18O为-9.49‰～-6.94‰。部分裂缝脉体与裂缝围岩碳氧同位素值相当,局部方解石脉体氧同位素值小于-10‰,认为局部受深部热液流体影响(图2)。

图2 YQ10及YQ11井龙马溪组裂缝方解石及围岩氧-碳同位素投点图Fig.2 Oxygen-carbon isotope maps of fracture calcite vein and surrounding rocks of Longmaxi Formation in well YQ10 and YQ11

早志留世海水δ13C和δ18O背景值分别为-2.5‰～7.5‰和-7‰～-0‰[16],YQ10井和YQ11井裂缝方解石脉体碳同位素整体相对偏负(图2),揭示裂缝方解石脉成岩环境为非大气淡水成因,局部受深部热液影响。即YQ10井及YQ11成岩环境整体封闭。

海坝背斜YQ11井3块裂缝方解石脉体样品,测定了40个含烃盐水包裹体均一温度和盐度。包裹体均一温度介于80～200℃,大致经历了3期流体活动,其盐度整体大于4%(图3)。揭示页岩裂缝充填方解石脉多为地层封存流体特征,仅少量反映淡水特征。

图3 YQ11井龙马溪组裂缝方解石脉包裹体盐度投点Fig.3 Salinity map of calcite vein inclusions in fracture of Longmaxi Formation in well YQ11

2.1.2 顶底板条件及断裂封闭性

页岩气自生、自储、自盖,其低渗透隔层发育,具备形成三维封存箱的基本条件[17]。太阳-海坝浅层页岩气田目的层为五峰-龙马溪组一段l亚段,其平均孔隙度为5.15%,平均渗透率为6.1×10-6μm2。直接顶板为龙马溪组一段2亚段灰黑色页岩厚约75 m。孔隙度平均为2.8%～3.6%,渗透率平均为7.7×10-8μm2,突破压力介于17～31 MPa[15]。上覆龙二段及石牛栏组发育深灰色—灰色灰质泥岩、泥质灰岩的致密间接顶板,厚度为230～670 m[12]。底板为奥陶系宝塔组连续沉积的灰色瘤状泥灰岩及生屑灰岩,厚度30～55 m,孔隙度平均为1.58%,渗透率平均为0.0017×10-8μm2[12,15]。封存箱纵向上顶底板均属于低孔、特低渗的致密性封隔层[12]。

燕山期两幕构造运动控制了太阳-海坝地区构造形态,其背斜圈闭形态保存相对完整,并形成了北东、近南北、北西向压扭性断裂[18](图1(b))。压扭断层因其两侧致密岩性对接,且未断穿顶底板,断裂纵向及侧向具有良好的封闭性[2,12]。太阳-海坝主力气层纵横向上,由顶底板、封闭断层的共同构建形成三维封存箱(图4),使得浅层页岩气有效保存,整体表现为常压—微超压特征。

图4 太阳浅层页岩气田三维封存箱模式(据文献[12]修改)Fig.4 Accumulation pattern of three-dimensional sealed box of Taiyang shallow shale gas field (After citation[12], modified)

2.2 “三维封存箱”差异富集特征

2.2.1 页岩气组分

针对太阳浅层气田不同构造部位,选取海坝背斜、云山坝向斜和太阳背斜8口典型井气样(位置见图1(b)),表现为典型的干气特征(图5):海坝背斜3口井(埋深最浅)甲烷体积分数最低,为95.08%～96.29%。氮气体积分数最高,为2.47%～4.06%;太阳背斜2口井(埋深略深)甲烷体积分数为96.19%～96.96%,氮气体积分数次之,为2.08%～2.86%;云山坝向斜2口井(埋深最深)的甲烷体积分数最高,为97.02%～98.17%。氮气体积分数最低,为0.89%～1.73%。整体上,太阳-海坝浅层背斜页岩气甲烷占比相对中深部云山坝向斜降低,但绝对值仍高(图5(a)),证实其保存条件整体较好。太阳-海坝浅层背斜页岩气氮气含量绝对值不高,但相对中深部云山坝向斜变高(图5(b))。从气组分上看,浅层背斜较中深部向斜甲烷占比略低、氮气体积分数略高,揭示太阳-海坝“三维封存箱”差异富集保存,即浅层背斜保存条件较中深部向斜略差。

图5 太阳浅层气田不同构造部位典型井气组分特征图Fig.5 Characteristic map of gas composition of typical wells in different structural positions in Taiyang shallow gas field

2.2.2 含气量特征

海坝背斜、云山坝向斜和太阳背斜3口典型井现场实测总含气量显示(图6):海坝背斜YQ11井五峰组-龙一14小层含气量为0.41～1.92 m3/t,其中吸附气为0.28～1.35 m3/t,游离气为0.1 ～0.58 m3/t;太阳背斜Y107井含气量1.73 ～3.24 m3/t,其中吸附气0.71 ～1.36 m3/t,游离气1.01 ～1.89 m3/t;云山坝向斜YZ116井含气量为0.87 ～3.52 m3/t,其中吸附气0.30 ～1.13 m3/t,游离气0.57 ～2.38 m3/t。整体上,云山坝中深层向斜总含气量最大,其游离气占比高,最大可达67.61%;埋深最浅的海坝背斜总含气量最小,游离气占比最低,均值为30.58%。

图6 太阳浅层气田不同构造部位典型井页岩气含气量Fig.6 Shale gas content diagram of typical wells in different structural positions in Taiyang shallow gas field

海坝背斜、云山坝向斜和太阳背斜3口典型井五峰-龙马溪组页岩原始静态品质大致相当,但经后期构造改造处于不同构造部位,其现场实测总含气量差别较大(图6)。“三维封存箱”在抬升过程中,不同深度页岩气逸散存在一定差异,浅层页岩气的逸散量大于中深层。总体而言,浅层背斜富气程度即总含气量低于中深层向斜。

游离气含量主要受控于孔隙度、含气饱和度、气体密度(与温度和压力强相关),持续抬升使含气层段埋深度小于1000 m时,游离气加速散失[19]。太阳气田浅层背斜埋深约1000 m,其游离气含量(游离气大致相当损失气)及其占比均低于中深层向斜(图6,井位见图1)。同时,YQ11、Y7及YZ116井五峰-龙马溪组含气层压力系数分别为1.1、1.3和1.6,即浅层背斜相对中深层向斜压力系数低,印证浅层背斜页岩气保存条件略差于中深层,但其仍具有良好的封闭性能,具备经济开采价值。

3 太阳浅层页岩气富集模式

3.1 埋藏史与抬升史

中上扬子不同地区初始抬升时间存在明显差异性,总体上由东往西逐渐变晚,抬升次序由四川盆地边缘向盆地内传递。盆地北缘和东缘的抬升早于西缘,西北缘早于西南缘,而盆地南缘大规模抬升的时间最晚,发生在距今约5 Ma[20-22]。太阳气田处于四川盆地南缘,位列扬子板块西缘特提斯喜马拉雅构造域和滨太平洋构造域的交接转换部位[21],主要受其南部黔中隆起晚侏罗世末(137 Ma大规模抬升)向北扩展[22],叠加中燕山期雪峰山古隆起和喜马拉雅期青藏高原向东挤压逃逸作用,其抬升剥蚀的时间相对较晚(图1(a))。结合前人磷灰石裂变径迹资料和本次测试结果揭示,太阳气田抬升时间在35～25 Ma,远晚于盆地东南缘的95～60 Ma[20]。海坝背斜YQ11埋藏史和五峰-龙马溪组裂缝方解石捕获包体温度,同样揭示太阳气田抬升时间较晚(图7,其中N为所测包体均一温度的个数,Ro为成熟度),其页岩气逸散时间相对较短,有利于页岩气富集保存。

图7 海坝背斜YQ11井埋藏史Fig.7 Burial history of well YQ11 in Haiba anticline

3.2 页岩自封闭性

页岩自封闭能力主要表现在吸附性能和毛细管压力两个方面,其均与页岩有机质的纳米孔隙结构相关。页岩孔径越小、比表面积越大,其吸附能力越强[23-25];有机质分布及孔隙结构控制毛细管封闭能力。有机纳米孔隙系统对页岩气吸附、毛管压力封闭是页岩气滞留富集的自封闭保存的重要控制因素[26]。太阳浅层页岩气田不同构造部位五峰-龙马溪组优质页岩的孔径及孔体积存在差异(图8)。整体上,中深层云山坝向斜五峰-龙马溪组页岩孔径和孔体积最大,浅层太阳浅层背斜优质页岩的孔径和孔体积最小(图8(a)～(c))。中深层云山坝向斜页岩平均孔径大于9 nm,高于浅层海坝背斜和太阳背斜页岩的平均孔径(图8(d))。云山坝向斜宏孔(孔径大于50 nm)最为发育,且平均孔径最大,其页岩吸附性能较浅层的太阳和海坝背斜降低。因而浅层背斜页岩自封闭性能优于中深部向斜,有助于浅层页岩气吸附滞留。同时也印证了浅层页岩气吸附气含量占比相对中深层更高的原因。

图8 太阳浅层气田五峰-龙马溪组页岩孔径和孔体积变化Fig.8 Variations of pore size and volume of shale in Wufeng-Longmaxi formation of Taiyang shallow gas field

3.3 页岩气碳同位素特征

天然气运移过程中碳同位素的分馏主要受“质量分馏效应”控制,即天然气运移方向上随运移距离增加,逐渐富集12C轻同位素[27]。太阳气田龙马溪组页岩气甲烷的碳同位素分布在-32.8‰～-28.8‰,平均值为-31.0‰;乙烷碳同位素分布在-36.6‰～-33.9‰,平均值为-35.6‰;丙烷碳同位素分布在-37.2‰～-35.0‰,平均值为-36.4‰(图9)。其中海坝、太阳浅层背斜页岩气烷烃碳同位素较云山坝向斜偏轻(图9),揭示页岩层段在抬升过程中随温压条件变化,深部位向斜游离气具有由向浅层背斜短距离运移补充的特征。

图9 太阳浅层气田五峰组-龙马溪组页岩气碳同位素组成序列Fig.9 Carbon isotopic composition sequences of shale gas from Wufeng-Longmaxi Formation in Taiyang shallow gas field

根据烷烃碳同位素分馏定量模型图版[28],估算了太阳背斜、海坝背斜和云山坝向斜页岩气的滞留烃裂解气和干酪根裂解气的贡献比例,揭示龙马溪组页岩气主要来源于滞留烃裂解气(图10)。其中云山坝向斜滞留烃裂解气贡献比为80%～90%,而太阳背斜和海坝背斜滞留烃裂解气占比为50%～70%(图10)。

图10 太阳浅层气田龙马溪组页岩气中滞留烃裂解气贡献比例Fig.10 Contribution ratio of residual hydrocarbon cracked gas in shale gas of Longmaxi Formation in Taiyang shallow gas field

表明浅层背斜相对中深部向斜区具更少的滞留烃裂解气比例,同样印证深部游离气具有短距离运移补充到浅层背斜聚集的过程。

综上所述,认为太阳浅层页岩气三维封存箱有效富集保存,除了底顶板及压扭断层立体封闭外,主要受控于三点,即晚抬升,逸散时间相对较短;页岩孔隙以中孔为主,自封闭能力强;同时中深层向斜游离气不断向浅层短距离运移补充聚集。基于此认识,打破了页岩气浅层保存条件不佳的固有认识,建立了太阳-海坝浅层气田页岩气富集新模式(图11),有效指导了太阳-海坝浅层页岩气田的滚动勘探开发,拓展了南方复杂构造区浅层页岩气勘探新领域。目前,在川南筠连南、贵州习水、重庆黔江、湖北宜昌东等地,已钻揭深度小于2000 m的页岩气流[2],揭示南方复杂构造区浅层页岩气具良好的勘探潜力。太阳-海坝浅层页岩气富集保存模式对于南方复杂构造区浅层页岩气勘探,具有重要的借鉴和指导意义。

图11 太阳浅层气田五峰组-龙马溪组页岩气富集模式Fig.11 Shale gas enrichment model of Wufeng-Longmaxi Formation in Taiyang shallow gas field

4 结 论

(1)太阳-海坝五峰-龙马溪组浅层页岩气保存条件良好,但存在差异。其中深部云山坝向斜富气程度优于浅层太阳背斜和海坝背斜。

(2)太阳浅层页岩气“三维封存箱差异有效保存”,除了底顶板及压扭断层封闭外,主要受控于晚抬升,逸散时间相对较短;浅层背斜页岩以中孔为主,自封闭能力强;同时中深层向斜游离气不断向浅部位短距离运移补充、富集。

(3)太阳-海坝浅层页岩气富集新模式,对于南方复杂构造区浅层页岩气勘探具有重要的借鉴意义。