四川盆地五峰組-龍馬溪組頁巖氣高產地質原因及啟示
——以涪陵頁巖氣田JY6-2HF為例

聶海寬,張柏橋,劉光祥,顏彩娜,李東暉,盧志遠,張光榮

[1.頁巖油氣富集機理與有效開發國家重點實驗室,北京 100083； 2.中國石化 石油勘探開發研究院,北京 100083；3.中國石油化工集團公司 頁巖油氣勘探開發重點實驗室,北京 100083； 4.中國石化 江漢油田分公司，湖北 潛江 433124；5.中國地質大學(北京) 能源學院,北京 100083]

2012年11月，JY1HF井在龍馬溪組壓裂測試獲得日產量20.3×104m3。2013年中國石化啟動了開發先導試驗井組，并甩開部署了JY2HF，JY3HF和JY4HF井。2014年7月，國土資源部油氣儲量評審辦公室組織專家經過評審認定，涪陵焦石壩區塊JY1HF—JY3HF井區五峰組-龍馬溪組新增頁巖氣探明地質儲量1 067.5×108m3，標志著涪陵頁巖氣田的誕生[1]，2019年產量63.3×108m3，累計產量279×108m3，是目前全球下古生界最大的頁巖氣田之一。2019年11月8日，涪陵頁巖氣田JY6-2HF井累計產氣量突破3×108m3，刷新了中國頁巖氣井單井累計產量最高紀錄。

前人在頁巖氣富集高產控制因素等方面研究取得了大量進展，提出了“二元富集”[2]、“三元富集”理論[3]和“源-蓋控藏”富集機制[4-5]等規律和認識，并提出“建造-改造”的評價思路[6]，均認為早期優質頁巖的形成提供了頁巖氣富集的物質基礎。當前頁巖氣勘探開發中最迫切的任務是尋找頁巖氣最有潛力的層位及其展布范圍[7-8]。對比四川盆地主要頁巖氣井的生物地層后發現，目前所采用的各種巖相小層劃分方案存在嚴重的穿時問題，其對應的地層無法準確的反映沉積環境變化情況[4, 9]，制約了對頁巖氣井富集、高產主控因素分析[4]。陳旭等(2015)提出了五峰組-龍馬溪組頁巖筆石帶劃分方案[10]，并將JY1井(JY1井為JY1HF井的導眼井)的主要產氣層位對比到五峰組-龍馬溪組LM5筆石帶頁巖層段。聶海寬等(2016)從等時地層的角度，結合頁巖氣井生產特征分析，認為五峰組-龍馬溪組底部頁巖(即WF2—LM4筆石帶頁巖)具有較好的頁巖氣富集條件和勘探開發潛力[4]。進一步，聶海寬等(2020)揭示了WF2—LM4筆石帶頁巖“多藻控烴源、生硅控格架、協同演化控儲層”的優質儲層成因機制[11]。WF2—LM4筆石帶頁巖是焦石壩、長寧-威遠、昭通等國家級頁巖氣示范區的主要開發層段[12]。在WF2—LM4筆石帶頁巖厚度減薄或缺少某些筆石帶的地區，頁巖氣鉆井效果通常不理想[5]。陳旭等(2017)[13]、陳旭等(2018)[14]發表了揚子區五峰組-龍馬溪組含頁巖氣地層的時空分布模式，同時又提出在宜昌上升范圍內，布井勘探龍馬溪組頁巖氣需要格外慎重。當前對頁巖氣井產量、EUR(estimated ultimate recovery，單井評估的最終可采儲量)與其水平段穿行層位(不同的筆石帶)的研究還處在初步探索階段。

本文以目前產量最高的頁巖氣井——JY6-2HF井為例，從水平段穿行層位(不同筆石帶)、各筆石帶頁巖特征和生產特征等方面分析該井富集、高產的原因，開展了與其它典型頁巖氣井水平段穿行層位和產量的對比分析，并討論了WF2—LM4筆石帶頁巖對頁巖氣富集高產的控制、WF2—LM4筆石帶頁巖與中東-北非Hot shale對比等問題，以期對未來五峰組-龍馬溪組頁巖氣勘探選區和氣井水平段穿行提供可推廣的理論和技術。

1 區域地質概況

涪陵頁巖氣田焦石壩地區位于中國西南部重慶市涪陵區，構造上位于四川盆地東部及其邊緣，是一個受北東向吊水巖斷裂、石門1號斷裂及北西走向大耳山斷裂、烏江斷裂兩組邊界斷裂控制的菱形箱狀斷背斜[6]，主體為一平緩寬闊的箱狀背斜，背斜核部構造形變弱，斷裂不發育，地層平緩(傾角小于5°)，兩翼構造變形較強，地層變陡(圖1，圖2)。焦石壩背斜西南部傾末端以及兩側的白濤、吊水巖向斜西部揚起端均表現出北東向構造遭受北西向構造改造的變形特征，推測該區北東向構造形成較早，之后隨著烏江斷裂帶的活動，先存構造遭受北西向改造[15]。

根據筆石生物地層學的方法，陳旭等(2015)[10]、陳旭等(2017)[13]按照地層學的基本原理和方法，建立了一個揚子區五峰組-龍馬溪組筆石帶序列，并附以代碼和國際地層委員會公布的地質年代表上的同位素年齡值(圖3)，已經成為中國石油和中國石化兩大公司對井下該套黑色頁巖地層對比的共同語言。這兩大公司的廣大地質同行已習慣運用各筆石帶的代碼，如將WF3稱為“五三”，即五峰組從下至上第3個筆石帶；將LM5稱為“龍五”，即龍馬溪組從下至上第5個筆石帶；以此類推。這一簡化方式不但在生產和科研交流上使專家們倍感方便，又不抹殺這些術語的正式名稱和科學含義[10]。根據對JY1井的筆石帶鑒定結果，五峰組-龍馬溪組底部頁巖自下而上包括11個帶：WF2,WF3,WF4,LM1,LM2,LM3,LM4,LM5,LM6,LM7和LM8[10,13]。涪陵頁巖氣田頁巖氣產層為上奧陶統五峰組-下志留統龍馬溪組龍一段一亞段，含氣頁巖段厚83～100 m，縱向上可劃分9個巖相小層[16]，其中①—⑤小層(大致相當于WF2筆石帶至LM5筆石帶中部)為下部氣層，⑦—⑨小層(大致相當于LM6筆石帶上部至LM8筆石帶頁巖)為上部氣層，下部氣層是目前主要建產層段，上部氣層的開發也在積極探索中(圖4)。

圖1 涪陵頁巖氣田焦石壩地背斜位置(a)和五峰組底部構造圖(b)(據文獻[15]修改)Fig.1 The location of the Jiaoshiba anticline in Fuling shale gas field (a),and the bottom structural map of the Wufeng Formation (b) (modified after reference [15])

圖2 涪陵頁巖氣田焦石壩背斜過JY1HF井和JY6-2HF井剖面Fig.2 The profile of Jiaoshiba anticline through Wells JY1HF and JY6-2HF in Fuling shale gas field(剖面位置見圖1中AA′，JY6-2HF井為投影位置)

圖3 揚子地區五峰組、龍馬溪組和南江組的筆石帶劃分[10]Fig.3 Division of graptolitic zone in the Wufeng,Longmaxi and Nanjiang Formations in Yangtze region[10]注：WF1為Dicellograptus complanatus帶; 3a,3b和3c為WF3的3個亞帶;①五里坡段;②觀音橋段;③ Dicellogradupus complanas;各帶同位素 年齡值均代表其底界年齡據文獻[17]。

2 JY6-2HF井地質和生產特征

2.1 JY6-2HF井地質特征

JY6-2HF井位于重慶市涪陵區焦石鎮楠木村(圖1)，構造上位于川東高陡褶皺帶焦石壩背斜帶構造高部位。焦石壩背斜位于鄂西-渝東五峰組-龍馬溪組深水沉積區，WF2—LM4筆石帶頁巖厚度較大，具有較好的頁巖氣富集的物質基礎，已發現頁巖氣田并獲得商業開發。JY6-2HF井是針對涪陵頁巖氣田焦石壩區塊部署的一口頁巖氣評價井，于2013年5月5日開鉆，8月10日完井，9月10日放噴測試，試獲36.33×104m3/d的高產工業氣流。JY6-2HF井試氣長度1 477 m，水平段穿行在WF2—LM4筆石帶(大致相當于油田劃分的①小層至④小層中部)，其中穿越LM1—LM4筆石帶頁巖(②至③小層)1 148 m，占水平段總長度的78%，穿行在WF2筆石帶(①小層)329 m，占水平段總長度的22%(圖5)。

2.2 JY6-2HF井生產特征

JY6-2HF井于2013年9月29日正式投入生產，油壓29.97 Mpa，配產36×104m3/d。為探索氣井不同生產方式、落實頁巖氣開發規律、提高單井可采儲量，針對JY6-2HF井高壓高產特點，江漢油田涪陵頁巖氣公司對該井采取“初期放大壓差生產、后期定壓生產”的方式開展試采。該井自投產以來，一直保持著全國頁巖氣井單井累計產量最高紀錄。2014年9月6日，成為全國首口累計產量達1×108m3的高產頁巖氣井。2016年2月29日，累計產量突破2×108m3。2018年9月30日，油壓5.33 Mpa，日產氣約6.5×104m3，累計產氣2.68×108m3，該井生產壓力與輸氣壓力出現持平現象，日產量持續下降，開始實施增壓開采措施。2019年11月8日，累計產量突破3×108m3，日產量仍保持在約6.5×104m3(圖6)。

2018年10月，JY6-2HF井在開采后期通過降低井口輸壓、增壓集輸措施增產，預測氣井日產氣量在2028年降至經濟極限產量。利用分段曲線預測方法對JY6-2HF井實施增壓措施后的產量曲線進行擬合，結果顯示雙曲遞減+指數遞減擬合效果較好(圖7)，該井在增壓后剩余可采儲量1.3×108m3(增壓措施產氣量已達0.32×108m3)，單井最終可采儲量為3.9×108m3。

3 討論：WF2—LM4筆石帶頁巖對頁巖氣富集高產的控制

JY6-2HF井的持續高產穩產，不僅展示了涪陵頁巖氣田良好的商業開發前景，也驗證了筆石帶劃分的科學性和WF2—LM4筆石帶頁巖是頁巖氣富集高產層段的認識。理論研究表明，五峰組和龍馬溪組一段下部頁巖的WF2—LM4筆石帶頁巖(圖4)具有沉積速率較慢、有機質類型好(來源于各種浮游藻類)和TOC含量較高等特征，在具有良好生烴條件的同時，也具有良好的儲集能力(有機質孔發育好且三維連通性好，孔隙度較大且滲透率較低)，為天然氣提供良好的賦存空間，具備優質的頁巖氣發育物質基礎[4-5,18]。下部氣層的WF2—LM4筆石帶頁巖的紋層較致密和均一，水平滲透率低，氣體基本無運移[4,19]，JY1井WF2—LM4筆石帶頁巖層段具有有機碳含量高(TOC>3%)、有機質孔最發育(有機質孔隙度>4%)[18,20]和含氣量高(6.87～9.02 m3/t)等特點[21]。綜合分析認為，WF2—LM4筆石帶頁巖的封閉箱狀體系保證了氣藏的動態平衡和普遍高含氣量。

圖4 涪陵頁巖氣田焦石壩背斜JY1井頁巖氣綜合柱狀圖和勘探開發層段劃分(據文獻[5]修改)Fig.4 The composite column of shale gas,and division of exploration and development target intervals in Well JY1 in Jiaoshiba anticline,Fuling shale gas field(modified after reference[5])

目前已經發現的涪陵、長寧等頁巖氣藏均位于深水陸棚沉積區，WF2—LM4筆石帶頁巖厚度大于20 m[4,12]，涪陵頁巖氣田焦石壩背斜頁巖氣鉆井分析表明，穿行在五峰組-龍馬溪組WF2—LM4筆石帶比例較高的井，壓裂效果總體較好，初始產量一般大于50×104m3/d，EUR一般大于2×108m3，個別井可超過3×108m3；而穿行在龍馬溪組LM4筆石帶以上層位的井，初始產量一般小于30×104m3/d，EUR一般小于2×108m3(表1)。對于長寧-威遠頁巖氣田五峰組-龍馬溪組頁巖氣藏而言，最優靶體位置分布在①～②小層(即LM1—LM3筆石帶頁巖，筆石帶與巖相小層的對應關系見文獻[22]的圖3)，水平井鉆遇長度是決定氣井能否高產的主控地質因素[23-24]，并且當靶體中部位置距優質頁巖底部3～8 m,同時①+②小層鉆遇長度為900～1 000 m時，水平井測試更易獲得20×104m3/d以上的高產頁巖氣流[23]。從焦石壩、長寧和威遠等頁巖氣的小層劃分來看，不同油田企業劃分的巖相小層差別較大，不具有對比性，而筆石提供了很好的對比性，頁巖氣井水平段在各筆石帶的穿行層位與產量有較好的對應性。

圖5 涪陵頁巖氣田焦石壩背斜JY6-2HF井水平井段穿行軌跡示意圖Fig.5 A schematic diagram showing the trajectory of lateral in Well JY6-2HF in Jiaoshiba anticline,Fuling shale gas fieldA.頁巖氣井水平段A靶點，B.頁巖氣井水平段B靶點。(筆石帶劃分據JY1井,主要穿行在WF2—LM4筆石帶頁巖)

圖6 涪陵頁巖氣田焦石壩背斜JY6-2HF井生產歷史Fig.6 Production history of Well JY6-2HF in Jiaoshiba anticline,Fuling shale gas fielda生產曲線；b套壓、油壓曲線

在靠近古隆起或水上高地的區域，五峰組-龍馬溪組優質頁巖太薄(厚度小于20 m)或缺失[24-26]，頁巖氣井具有試采產量高、EUR低的特點。位于四川盆地內部此類地區，由于頁巖氣藏保存條件較好，氣井表現為試采產量很高，但EUR均較低，如DY2HF井由于受黔北孤島[27]、川東南-黔北水下高地的影響，WF2—LM4筆石頁巖帶厚度小于10 m(DY2井距DY1井約1.5 km，由于海相頁巖沉積相變化不大，故各筆石帶頁巖厚度可以根據DY1井類比)(圖1,圖8)，試采產量為20×104m3/d，但3年累計產量為0.15×108m3，EUR為0.28×108m3；WY1HF井位于自流井古隆起之上[25]，缺失WF2—LM4筆石頁巖帶(圖8)，試采產量雖高達20.8×104m3/d，但3年累計產量僅為0.24×108m3，EUR為0.38×108m3。DY2HF井和WY1HF井的試采產量與焦石壩背斜的JY1HF和JY6-2HF等頁巖氣井的差異不大，但前者的累計產量和EUR均較低，分析認為WF2—LM4筆石帶富有機質頁巖較薄/缺失是主要原因?？傮w來說，在WF2—LM4筆石帶頁巖厚度小于20 m的頁巖氣藏中頁巖氣井的產能較低，在現今經濟技術條件下經濟效益較差。在WF2—LM4筆石頁巖帶厚度減薄或缺少某些筆石帶的地區，能否準確刻畫WF2—LM4筆石帶頁巖發育情況以及厘定其厚度成為四川盆地五峰組—龍馬溪組頁巖氣富集高產目標評價和勘探成功的關鍵因素。在構造相對復雜的常壓頁巖氣區，如果WF2—LM4筆石帶頁巖厚度較大，頁巖氣藏同樣具有較好的勘探開發潛力[28]，如武隆向斜LY1井的WF2—LM4筆石帶頁巖厚度20 m，試采產量為5×104m3/d，截至2019年底，該井累產為0.32×108m3。需要說明的是，穿行不同筆石帶頁巖氣井的產量和EUR差異較大，除了各筆石帶頁巖本身的差異外，還和壓裂產生的裂縫高度、長度和復雜度等因素有關，具體情況尚需根據壓裂工藝、微地震監測等資料進一步分析。

圖7 涪陵頁巖氣田焦石壩背斜JY6-2HF井延伸指數遞減擬合曲線Fig.7 The extension exponential decline fitting curve of Jiaoshiba anticline in Well JY6-2HF in Jiaoshiba anticline,Fuling shale gas field

表1 涪陵頁巖氣田焦石壩背斜主要頁巖氣井穿行層位與試采產量、EURTable 1 Trajectories of laterals,test production and EUR of the main shale gas wells in Jiaoshiba anticline,Fuling shale gas field

注：累計產量截至2019年11月底，JY11-2HF井水平段為1 000 m，其余井水平段長為1 400～1 500 m。

在WF2—LM4筆石帶頁巖厚度均超過20 m的涪陵頁巖氣田和長寧頁巖氣田，頁巖氣水平井軌跡在WF2—LM4筆石帶頁巖中穿行比例極大程度上決定了單井的EUR。除前文重點分析的JY6-2HF井外，還有一批水平段穿行在WF2—LM4筆石帶頁巖高產頁巖氣井，如JY8-2HF井，穿行WF2—WF3筆石帶頁巖的長度占水平段總長的90%，穿行LM1筆石帶頁巖的長度占水平段總長的10%，2019年12月底，已累產2.78×108m3，超過3×108m3亦指日可待。頁巖氣井水平段穿行WF2—LM8筆石帶較多的井，產剖曲線顯示主要是WF2—LM4筆石帶產氣貢獻較大，如JY1HF井試氣長度約1 007.9 m，其中穿越LM4筆石帶頁巖上部層段約250 m(③小層上部至④小層下部)，穿越LM5筆石帶頁巖約750 m(④小層上部至⑥小層)，試采產量20.3×104m3/d，已累產1.13×108m3，產剖曲線顯示主要是LM4筆石帶頁巖上部層段(即13至15壓裂段)的貢獻(表1；圖9)，LM5筆石帶頁巖的貢獻較少。

圖9 涪陵頁巖氣田焦石壩背斜JY1HF井水平井段穿行軌跡示意圖(據文獻[30]修改)Fig.9 A schematic diagram of the trajectory of lateral of Well JY1HF in Jiaoshiba anticline,Fuling shale gas field(modified after reference[30])A.頁巖氣井水平段A靶點，B.頁巖氣井水平段B靶點(主要穿行在LM4—LM5筆石帶頁巖，數字1至15為壓裂段)

前人研究認為，上奧陶統-下志留統是全球性優質烴源巖發育的層段之一[14,31]。晚奧陶世—早志留世是全球黑色頁巖廣泛發育的時期[32]，在全球范圍內具有可對比性。這套被稱為“熱頁巖”(Hot shale，包括Lower Hot shale和Upper Hot shale)地層的古沉積環境為奧陶紀晚期冰期之后的海平面上升背景下的陸棚、海灣或陸表海，下“熱頁巖”(Lower Hot shale)主要發育在魯丹階早中期。在北非和中東發現了大量以該套頁巖為烴源巖的常規油氣藏[32,33]。四川盆地及周緣地區在晚奧陶世—早志留世具有非常特殊的構造沉積環境，提供了優質頁巖形成的宏觀背景，龍馬溪組底部優質頁巖與下“熱頁巖”具有可對比性[14]，下伏發育五峰組黑色頁巖。通過全球對比，認為五峰組至龍馬溪組底部優質頁巖主要發育在凱迪階上部和魯丹階中下部。下“熱頁巖”(Lower Hot shale)的上界也僅發育至vesiculosusbiozone(即本文所指的LM4筆石帶)，特征筆石分子為Dimorphograptusconfertus(Nicholson,1868)[34]，與中國上揚子龍馬溪組底部LM1—LM4筆石帶富有機質頁巖具有可比性，也與中國頁巖氣勘探開發實踐驗證的WF2—LM4筆石帶頁巖是頁巖氣富集、高產層段一致。

4 結論和建議

1)JY6-2HF開發實踐表明WF2—LM4筆石帶頁巖厚度和水平井軌跡在其穿行比例決定了頁巖氣井的EUR。在地質條件相當的情況下，穿行WF2—LM4筆石帶的頁巖氣井具有試采產量和EUR雙高的特點(排除工程差異)，進一步，穿行在WF2—WF3和/或LM1—LM3筆石帶的氣井產量最高，這一認識為中國頁巖氣開發提供了可復制、可推廣的技術經驗。

2)建議：①精細刻畫WF2—LM4筆石帶頁巖的平面展布，進一步明確頁巖氣富集高產層段；②努力提高新鉆井水平段在WF2—LM4筆石帶頁巖的穿行率；③對頁巖氣井水平段穿行層位較高(LM5—LM6筆石帶頁巖)的老井采取定向射孔的工藝(向井筒下方射孔)，促使壓裂過程中主要裂縫發育在LM4及其以下筆石帶頁巖。

致謝：文中引用了中國石化石油勘探開發研究院、江漢油田分公司、勘探分公司和華東油氣分公司等單位的寶貴資料，在此一并表示衷心感謝。

寄語：基礎理論研究的精髓在于從無限繁亂的事例和現象中，理性的探究并獲得其中最本質的規律，這是一個簡單化的過程。全球層型剖面和點位的建立，涉及全球地球科學研究的根本，正是這樣一個典型的事例。從近于無限的地層學問題中，抽簡出可切實解決人類生存需求資源的標尺，又是這一類說明本質規律的實踐，當前我與諸君有幸參與頁巖氣地層的研究過程，正應如此。(陳旭，中國科學院南京地質古生物研究所研究員，中國科學院院士)