基于构造样式的页岩气富集模式分类-以四川盆地五峰-龙马溪组为例

【研究目的】四川盆地及周缘五峰-龙马溪组页岩经历的构造活动复杂且改造作用强,构造改造程度与页岩气的聚集有着直接的影响,根据构造样式对页岩气富集模式进行划分具有重要意义。【研究方法】本文以构造分区及改造强度变化趋势为主线,整体研究四川盆地及周缘奥陶系上统五峰组-志留系下统龙马溪组页岩层系的构造分区、不同区块构造抬升时间差异,总结不同构造区的页岩气富集模式。【研究结果】通过研究不同地区五峰-龙马溪组页岩目的层系构造改造强度、构造形态、埋藏深度、埋藏抬升时间等的差异性,将四川盆地及周缘下古生界主力海相页岩层系划分为9个一级构造区和20个二级构造区。进一步研究了不同构造区典型井的构造埋藏史及生烃史,结合构造形态、保存条件及产气情况,将四川盆地及周缘划分为9种典型的页岩构造样式及页岩气富集模式:盆内大型斜坡型(威远型)、盆内低陡构造与宽缓向斜型(泸州型)、盆缘向斜型(长宁型)、盆缘复杂构造型(昭通型)、盆缘宽缓断背斜型(焦石坝型)、盆缘斜坡逆断层封堵型(丁山型)、盆外复杂背斜型(巫溪型)、盆外残留向斜型(彭水型)、盆外残留向斜逆断层封堵型(正安型),其页岩气富集及保存条件整体上依次变差。【结论】总结出的9种页岩气富集模式,概况了四川盆地内部到盆地外缘的整体构造演化及页岩气保存富集规律,可以为进一步的页岩气有利区优选提供范围和目标,更好地指导四川盆地及周缘的页岩气勘探。

四川盆地南缘骑龙村剖面五峰-龙马溪组黑色页岩孔隙大小特征的重新厘定

以四川盆地南缘习水骑龙村剖面的上奥陶统—下志留统五峰-龙马溪组页岩气储层为例,探讨黑色页岩的孔隙大小特征与气体赋存的相关性。运用氮气吸附法对储层的微观孔隙进行定量测定,通过扫描电镜对页岩孔隙的微观特征进行定性分析,再结合页岩有机碳含量、Si/Al比值,对页岩的孔隙结构特征进行表征:(1)在排除SiO2质量分数>70%的页岩样品(孔隙主要以>1μm的宏孔为主)基础上,SiO2质量分数≤70%的页岩样品的孔隙中3～10nm的微孔,占孔隙总体积的50%～83%(平均值为71%),占比表面积的范围为86%～97%(平均值为94%);(2)甲烷吸附量、Si/Al和有机碳含量分别与3～10nm微孔的孔隙体积、比表面积成明显的正相关。综合表明四川盆地南缘五峰-龙马溪组页岩中孔隙<10nm的微孔才是主要气体存储空间。

滇东北DD1井五峰-龙马溪组页岩气地质特征及其勘探启示

四川盆地南缘五峰-龙马溪组页岩气勘探难度大。以滇东北彝良县DD1井页岩气调查井为例,利用钻测井、岩心分析测试等资料评价其页岩气地质条件。滇东北彝良县DD1井的五峰-龙马溪组富有机质页岩厚度较小、有机质丰度低、热演化程度高、含气性差、N2含量高,其主要评价指标与盆地内JY1、N203等盆内页岩气高产井差异明显。在页岩气核心评价参数对比基础之上,对DD1井五峰-龙马溪组页岩气勘探失利的地质因素进行深入分析,认为其原因主要在于3个方面:1)五峰-龙马溪期距离黔中古隆起较近,五峰-龙马溪组下段为浅水潮坪相沉积,缺乏黑色富有机质页岩的物质基础;2)五峰-龙马溪组页岩热演化程度高,导致页岩孔隙度变差;3)五峰-龙马溪组埋深较浅,多种尺度裂缝发育,页岩气逸散严重,页岩气构造保存条件差。对滇东北彝良县DD1井页岩气钻探失利的分析,为盆外五峰-龙马溪组页岩气勘探提供了启示意义。

湘鄂西地区五峰-龙马溪组页岩地层与沉积特征

以湘鄂西及周缘地区晚奥陶世至早志留世沉积的泥页岩为研究对象,本文通过钻井取心测井、野外观察和分析化验等资料,分析了研究区五峰-龙马溪组页岩的发育和沉积特征。结果表明,湘鄂西地区页岩普遍厚40-60m,纵向上可划分为三亚段,九小层,其中1亚段对应底部1-5小层,为高伽马值(GR),低密度,高有机质丰度的页岩段,以灰黑色—黑色硅质-炭质页岩为主,湘鄂西古隆起及周缘1-5小层页岩段有不同程度的缺失。页岩纵向上发育深水硅质陆棚、深水砂质陆棚、深水混积陆棚和深水泥质陆棚4种沉积微相,其中1-5小层页岩段对应深水硅质陆棚微相,为缺氧的强还原沉积环境,沉积了富含笔石、黄铁矿的富硅、富碳页岩,其硅质多为自生成因,对应焦石坝目前的主力产气页岩段。

来凤咸丰区块LD2井五峰-龙马溪组页岩发育特征及含气性分析

来凤咸丰区块位于湘鄂西褶冲带。页岩气参数井LD2井的钻探揭示了来凤咸丰区块两河口向斜翼部五峰-龙马溪组页岩发育特征和含气性特点,通过有机地球化学、X衍射全岩矿物、扫描电镜以及现场解析等实验方法手段,明确了LD2井五峰-龙马溪组页岩有机碳含量较高(TOC:0.42%~3.20%)、热演化程度适中(Ro:1.47%~2.63%)、矿物成分以碎屑岩脆性矿物为主(石英+长石:37.4%~65.3%)、特低孔特低渗的特征。通过与位于两河口向斜轴部的LD1井对比研究,认为两口井页岩品质大致相当,但LD2井含气量明显偏低,最大含气量仅0.72m^3/t,分析认为LD2井在新滩组钻遇断层,且龙马溪组顶界距离断层的横向距离不足20m,保存条件被破坏是导致LD2井五峰-龙马溪组页岩含气量偏低的主要原因。

川东南五峰-龙马溪组页岩气勘探开发进展、主要问题及对策

川东南涪陵-南川-东溪-丁山地区的五峰-龙马溪组页岩气获得了较好的勘探开发效益,仅涪陵气田于2018年底累计探明储量就达6008×108m3,产气量累计超过150×108m3。如何有效圈定页岩气“甜点”区段、提高钻完井和压裂技术水平、确保环境不受污染与安全生产是目前川东南页岩气勘探开发事业中亟待解决的现实问题。本文建议积极探索页岩气勘探开发新领域,建立健全完善且具有针对性的页岩气“甜点”区段的评价标准与体系,寻求低成本设备与技术体系、作业模式,努力优化开采方案和增产作业措施,采用环保型压裂介质和废液生态处理方式,避免由于开采过程中地应力失衡而引发的次生地质灾害等方面的对策,以期能够对川东南五峰-龙马溪组页岩气的勘探开发提供参考与指导。

涪陵地区五峰-龙马溪组页岩有机质成熟度研究

有机质成熟度作为衡量烃源岩生烃能力的重要指标,是评价某一个地区或某套层系资源前景的重要依据。以涪陵地区五峰-龙马溪组龙一段页岩为研究对象,通过页岩沥青反射率测定、页岩干酪根红外光谱特征分析等方法,开展页岩有机质成熟度研究。结果表明,涪陵地区五峰-龙马溪组龙一段页岩有机质成熟度高,换算的镜质体反射率为2.38%～3.13%,平均达到2.73%,处于热裂解干气生成阶段;五峰-龙马溪组龙一段优质页岩段以有机质孔隙为主,丰富的有机质含量为涪陵地区页岩气提供了物质基础,而适中的热成熟度促进了有机质孔隙的发育,为页岩气的富集提供了储集空间;五峰-龙马溪组页岩甲烷吸附量高,页岩成熟度与甲烷吸附量存在一定的正相关关系,适中的热成熟度增加了页岩中的吸附气量,有利于页岩气的形成和富集。

中上扬子地区五峰-龙马溪组页岩气开发评价关键问题

北美页岩气田以海相沉积储层、热成因气为主,其页岩气的有效开发改变了全球天然气供给格局。通过十余年的勘探开发攻关,我国页岩气资源也实现了有效开发,2016年产量达到78×10~8m^3,中上扬子地区五峰-龙马溪组底部富有机质页岩是当前我国页岩气开发的主力层系。与北美相比,中上扬子地区构造条件相对复杂,页岩气储层具特殊性,在有效开发探索实践过程中仍存在多项难题亟待解决:静态储量和动态储量的匹配问题、地质和工程因素对气井产量影响的问题、现有技术对全区域页岩气开发有效性的问题、浅层常压储层页岩气开发潜力的问题以及页岩气井网加密可行性问题。针对页岩气开发评价存在的问题,提出了通过页岩储集机理研究准确评价页岩气储量,落实影响页岩气开发效果的地质和工程因素,通过地质-开发-经济一体化评价落实资源的开发有效性,加强成本管控实现浅层常压页岩气资源有效开发,开展井网加密现场试验储备页岩气田稳产接替技术等建议。

中扬子地区五峰-龙马溪组页岩气成藏地质条件

基于中扬子地区重点井-EY1井钻井取心资料,采用X-衍射、氩离子抛光扫描电镜和比表面积等实验测试方法,明确了中扬子地区五峰-龙马溪组页岩气成藏地质条件。即,五峰组-龙马溪组主要为深水陆棚环境,页岩厚度较大(富有机质泥页岩厚度为30~90m),有机质丰度较高,普遍处于过成熟阶段,孔隙度为2.1%~4.1%,而EY1井五峰-龙马溪组朗格谬尔体积为1.69~1.93m3/t,全烃显示达5.86%,显示较大勘探潜力。

渝东南地区五峰-龙马溪组页岩纳米级孔隙特征及其成藏意义

通过氮气吸附法可得到页岩比表面积、孔径分布、孔体积等参数,结果表明,渝东南地区五峰-龙马溪组段页岩样品比表面积为5.17~13.64m2/g;孔体积为3.02~8.89×10-3ml/g;平均孔径为5.12~6.58nm。对页岩各孔隙参数之间的相关性进行分析,结果表明,当孔径小于5nm时,随着孔径的增大,比表面积迅速减小,孔径大于5nm左右,随着孔径的增大,比表面积基本上保持不变;微孔的孔体积与孔径具有负相关关系,中孔和宏孔的孔体积与孔径呈明显的正相关关系。分析影响页岩孔隙发育的因素,认为矿物组分、有机质成熟度、有机质含量是影响页岩纳米级孔隙发育的因素,但有机质含量对纳米级孔体积和比表面积的发育起绝对控制作用。

涪陵地区五峰-龙马溪组页岩流动特征

涪陵页岩气田是我国第一个实现商业化开发的页岩气田,上奥陶统五峰-龙马溪组为该区主力产气层。通过开展核磁共振实验、高温高压等温吸附实验、分子动力学模拟、扩散实验、低速渗流实验,同时结合理论计算,初步揭示了目的含气页岩层页岩气流动特征。研究表明,涪陵地区五峰-龙马溪组页岩孔径以小于10nm为主,占比80%以上;气体分子主要以单层吸附为主。涪陵地区页岩地层压力低于10~15MPa时,页岩气开始大量解吸;扩散系数随孔隙压力、含水饱和度增大而减小,随温度增加而增大;甲烷气体在孔隙压力小于5MPa时,滑脱效应显著;在地层温度和压力条件下,页岩气在孔径大于200nm孔隙中,流态为达西流,在孔径介于2~200nm孔隙中,页岩气流态以扩散和滑脱流为主。

湘鄂西地区五峰-龙马溪组泥页岩黄铁矿粒径特征

湘鄂西地区位于中扬子板块,该地区五峰-龙马溪组富有机质页岩有机质类型以Ⅱ1型为主,Ⅱ2型次之,具有高TOC含量（0.55%~4.28%）、高成熟度（2.4%~3.2%）的特征;且富有机质页岩中黄铁矿普遍发育。通过岩心样品及扫描电镜观察发现,龙马溪组黑色页岩常发育自形-半自形黄铁矿,扫描电镜下常见草莓状黄铁矿;五峰组黑色页岩岩心观察无明显晶形,扫描电镜下常现呈微晶黄铁矿颗粒,以细小颗粒状分布在有机质中。草莓状黄铁矿通常由微晶颗粒聚集而来,其草莓状直径大小由硫复铁矿的形成和沉积水动力控制。根据草莓状黄铁矿直径D与深度关系分析出湘鄂西地区黑色页岩的沉积环境表现为五峰组闭塞环境、龙马溪组闭塞环境、龙马溪组贫氧-缺氧环境三种。由草莓状黄铁矿直径D与微晶黄铁矿直径d建立D/d的关系表明：从沉积期到成岩期,五峰组闭塞环境的还原性比龙马溪组闭塞环境的还原性强;且五峰组闭塞环境的沉积水动力要比龙马溪组闭塞环境的沉积水动力要弱,水体更稳定。此外,D与d之间的关系能侧面反映该地区五峰-龙马溪组富有机质页岩孔隙度的变化趋势。D/d值与页岩解吸气量也有良好的对应关系,龙马溪组D/d值越大,解吸气量越少。五峰组D/d值较龙马溪组普遍偏小,解吸气量远大于龙马溪组。上述结果表明水体还原环境的强弱是湘鄂西烃源岩有机质形成和保存的重要因素,从而影响页岩气的富集。

蜀南地区五峰-龙马溪组页岩微观孔隙结构及分形特征

南方上奥陶统五峰组-下志留统龙马溪组海相页岩是中国页岩气主力开发层位,页岩微观孔隙结构特征的研究对于页岩含气性和开发储量的评价有重要意义。采用场发射扫描电镜和低温氮气吸附实验方法对蜀南地区长宁区块五峰-龙马溪组页岩微观孔隙结构进行了定性评价和定量表征。实验结果表明,蜀南地区五峰-龙马溪组页岩以有机质孔隙为主,局部可见粒间孔和粒内孔发育。氮气吸附回滞环属于H4型,对应纳米级孔隙类型为狭缝型;五峰-龙马溪组页岩平均比表面积17.35 m^2/g,平均孔体积16.70 mm^3/g,平均孔径9.82 nm;页岩纳米级孔隙表面具有分形特征,分形维数平均值为2.681;有机碳含量的增加使得纳米级孔隙数量增多,页岩分形维数增大,孔隙表面粗糙程度增大,页岩比表面积增大,页岩吸附能力增强。

黔西北五峰-龙马溪组页岩气成藏条件综合评价

通过黔西北五峰-龙马溪组页岩岩心样品地球化学、岩石矿物学、储层孔隙和含气量等成藏条件分析发现,五峰-龙马溪组有机质产率高,还原环境强,有机碳含量4.15%～8.46%,古生物以甲藻等水生生物占优势,有机质类型以I型为主,有机质成熟度2.34%～3.96%,处于成熟-高成熟阶段。页岩矿物成分以黏土矿物和石英为主,平均含量分别为42.6%和27.9%,具有良好的脆性。页岩孔隙类型主要为粒间孔、粒内孔、有机质孔和微裂缝,孔隙表面粗糙程度中等,吸附能力中等,孔隙结构复杂。现场解析实验数据测得五峰-龙马溪组的含气量为0.04～2.81m3/t,气体主要成分为CH4。黔西北五峰-龙马溪组虽然具有良好的页岩气成藏条件,但不同地区页岩含气性差异较大,后期保存条件是影响页岩气能否富集的关键因素。

黔北习水地区五峰-龙马溪组页岩地球化学与热演化特征及页岩气前景展望

黔北习水地区在五峰-龙马溪组广泛发育优质页岩。本文对习科1井和习科2井五峰-龙马溪组页岩岩芯样品的地球化学特征、孔隙发育特征和含气量进行了分析,并评价了该地区的页岩气资源潜力。研究结果表明:习水地区五峰-龙马溪组优质页岩(TOC>2%)的厚度约为30 m,成熟度较高,脆性矿物含量高,孔隙发育,含气量大。另外,我们运用PetroMod软件恢复了习科1井的埋藏史和热演化史,模拟结果显示习水地区主要经历了4期剥蚀事件和1期热异常事件;该地区五峰-龙马溪组页岩的最大埋深约为5300 m,现今成熟度约为2.20%。总体上讲,习水背斜北西翼地区的构造稳定,五峰-龙马溪组页岩的埋藏适中,容易形成超压的保存条件,拥有良好的页岩气勘探开发前景。

基于PetroMod四川盆地长宁地区五峰-龙马溪组优质页岩段吸附模拟研究

通过建立长宁地区五峰-龙马溪组优质页岩段地质模型和页岩吸附模型,利用PetroMod软件模拟计算了页岩吸附能力及其油气吸附过程的演化,系统研究了区域构造-热演化对页岩吸附能力、页岩内部油气组成变化,以及油气吸附过程的影响。模拟结果显示,有机质丰度是影响页岩吸附能力的关键因素,页岩的生烃和有机质丰度的降低通常会伴随着页岩吸附能力的降低,而常规地质条件下的温压变化对页岩吸附能力的影响有限。长宁地区五峰-龙马溪组页岩气成藏经历了4个构造演化阶段,其页岩吸附能力及油气吸附过程同样受控于这4个阶段:分别包括沉积成岩期(晚加里东-早海西期)、早成藏期(晚海西-印支期)、主成藏期(燕山早期)和调整期(燕山-喜马拉雅期)。根据4个构造演化阶段我们进一步将五峰-龙马溪组优质页岩段的油气吸附过程划分为液态烃不饱和吸附(小于7.0万t/km2)、液态烃饱和吸附(7.0~24.5万t/km2)、液态烃-气态烃饱和吸附(24.5~23.5万t/km2)和气态烃饱和吸附(23.5~24.3万t/km2)。其中,气态烃吸附过程主要发生在后3个阶段,具体表现为:早成藏期(干燥系数小于50%,含气量小于0.30 m3/t),页岩开始大量生成以吸附态为主的气态烃,成分以乙烷和C3+为主,甲烷含量低;主成藏期(干燥系数50%~95%,含气量0.30~2.73 m3/t),液态烃大量裂解生成甲烷,导致甲烷吸附气量迅速升高至21万t/km2,而乙烷和C3+的吸附气量经历了先增大后减小的过程并最终稳定在1万t/km2左右;调整期(干燥系数大于等于95%,含气量大于等于2.73 m3/t),甲烷吸附气量从21万t/km2缓慢上升到最终的21.56万t/km2,而乙烷和C3+的吸附气量分别稳定在1万t/km2左右。值得注意的是,虽然模拟的甲烷吸附气量与实际相符,但是模拟的甲烷游离气量以及干燥系数却明显小于模拟结果。这是因为在实际地质条件下,甲烷更高的浓度和更强的运移扩散能力使得游离态甲烷能够在有利位置进一步富集,形成高游离气含量、高干燥系数的页岩气藏。

黔西北燕子口地区五峰-龙马溪组页岩气源岩评价

黔西北上奥陶统五峰组-下志留统龙马溪组具有巨大的页岩气资源潜力,是我国南方页岩气勘探主攻目的层位和地区之一。本文研究了黔西北燕子口地区该套地层横向范围和厚度以及埋藏深度、岩相特征、矿物组成、总有机碳含量、热成熟度、储集空间和物性等页岩气成藏关键特征,结果表明:五峰组在燕子口西部的以勒地区厚度可达20 m,而龙马溪组自黔中隆起往北厚度逐渐增大,至四川丁木坳—大坪一线厚度达250 m以上;有效烃源岩主要分布在五峰组-龙马溪组下段,包括粘土页岩、粉砂质页岩和钙质页岩几种岩相类型,主要由粘土矿物、石英、碳酸盐矿物组成,其高岩石脆性指数(47.3%~76.8%)显示良好的可压裂性;可识别出裂缝、溶蚀孔、粒间孔、晶间孔等储集空间,其中溶蚀孔隙和裂缝占主导,储层孔隙度高,比表面积(13.4~24.9 m2/g)与总有机碳含量之间呈现良好的正相关性;地球化学分析表明,富有机质页岩段有机质类型好(Ⅰ型-Ⅱ1型),具有高有机质丰度(TOC平均值为2.56%)和有机质成熟度(Ro值为2.5%)。综合研究认为,燕子口地区以北与川东南古蔺—叙永一线接壤区带为五峰组-龙马溪组页岩气较为有利的勘探潜力区域。

川南长宁页岩气田五峰-龙马溪组多期流体活动特征

川南地区是我国南方海相页岩气勘探开发最具代表性和示范性的地区,但上奥陶统五峰组-下志留统龙马溪组黑色页岩层系多期流体活动与演化过程至今相关研究薄弱。因此本文基于钻井岩心资料,采用流体包裹体分析测试、盆地热模拟等综合方法研究认为:(1)长宁页岩气田钻井岩心取芯段五峰-龙马溪组普遍发育顺层和微切层方解石多期流体活动充注脉体。(2)五峰-龙马溪组流体包裹体多呈群簇状分布,烃类包裹体和单一液相包裹体发育,包裹体均一温度呈双峰值特征、分布于120~140℃和160~180℃,对捕获压力值分别为36~39 MPa和45~47 MPa。(3)五峰-龙马溪组埋深热演化阶段主要为:中志留纪-中二叠世低成熟度热演化阶段、晚二叠世-晚三叠世中等成熟度热演化阶段、早侏罗世-早白垩世高成熟度热演化阶段、早白垩世以来进入过成熟度演化阶段。长宁气田流体充注时间主要集中于三叠纪-早侏罗世(250-195 Ma)和早-中侏罗世(185-160 Ma)两个时期,它们分别为长宁气田油和气的关键充注时间。

川南地区五峰-龙马溪组页岩储层微观储集空间特征

为了探究四川盆地南部五峰-龙马溪组页岩气产层段微观储集空间,运用X射线衍射技术(XRD)、氩离子抛光-扫描电镜和低压氮气吸附-脱附等实验方法,发现川南页岩储层中脆性矿物以石英和碳酸盐为主,主要发育有机质孔、粒间孔、微裂缝和粒内孔四种类型孔隙。结果表明该地区页岩储层主要沉积于钙质半深水-深水陆棚相,有利于后期水力压裂改造;产层段孔隙类型主要以有机质孔和粒间孔为主,伴随少量的微裂缝和粒内孔。页岩吸附曲线以H2和H3型为主,主要以墨水瓶型和狭缝型孔隙为主,具有较高的比表面积和孔体积,孔隙直径主要集中在微孔和介孔区域。基于以上研究,综合对比分析了川南地区与焦石坝地区优质页岩储层。

四川盆地五峰-龙马溪组深层页岩气勘探开发进展及建议

四川盆地五峰-龙马溪组页岩气资源量主要集中在大于3500 m埋深范围内,对其实施勘探开发具有重要意义。通过明确四川盆地深层页岩气藏的主要分布范围,在总结分析深层页岩气藏中关于应力与物性关系、脆性与岩石破裂模式、水平应力差与压裂改造效果等方面的特征基础上,深入剖析在对四川盆地五峰-龙马溪组深层页岩气实施勘探与开发过程中出现的关于勘探开发风险深度、钻完井以及压裂技术等相关问题。对此提出以下几个方面的建议:埋深4500 m为目前深层页岩气藏的勘探风险深度;在钻完井方面,建议采用强抑制水基钻井液,加强地震解释,优化水平井钻井轨迹和方位,采用旋转导向钻井工具等;在水力压裂方面,建议改变射孔方式,采用拉链式同步压裂,使用多尺寸粒径支撑剂以充填多级裂缝,考虑使用液氮等环保型压裂介质,建立和优化多流体运移机制的试井数学模型等。