渝西地區龍馬溪組頁巖低阻主控因素及有利區預測

鄒 辰,吳永輝,章 超,姜振學,何 葉,端祥剛,張 淵,梁志凱,陳文逸

( 1. 中國石油浙江油田公司,浙江 杭州 310023; 2. 中國石油大學(北京) 油氣資源與探測國家重點實驗室,北京 102249; 3. 中國石油大學(北京) 非常規油氣科學技術研究院,北京 102249; 4. 中國石油勘探開發研究院,北京 100083 )

0 引言

四川盆地及其周緣龍馬溪組頁巖的厚度大、有機質豐度高、熱演化成熟度高,具有良好的生—儲—保條件[1-6]。自2010年以來,隨頁巖氣勘探突破,在涪陵、威遠、長寧、昭通等地區建成國家頁巖氣示范區,預示中國南方海相頁巖氣具有良好的勘探開發前景[7-9]。在頁巖氣勘探開發中,局部地區出現頁巖低電阻現象,有的地區低阻頁巖具有高的含氣量,有的地區低阻頁巖不含氣。目前,頁巖低阻主控因素尚不清晰,對含氣性控制作用不明,很難對低阻頁巖儲層的含氣量準確預測,頁巖氣勘探風險增加。因此,研究四川盆地及其周緣頁巖低阻主控因素及其對頁巖含氣性的控制作用,對頁巖氣的勘探部署具有重大意義。

頁巖低阻的控制因素包括有機質質量分數、有機質熱演化程度、高含水飽和度、高黃鐵礦質量分數及大量順層縫[10-13]。人們認為川南深層頁巖的低阻主控因素為高熱演化程度[14-19],如果頁巖低阻的主控因素僅為高熱演化程度,那么低阻頁巖的含氣量差別不大,鉆探結果表明,不同地區低阻頁巖的含氣量差異顯著,說明不同地區頁巖低阻的主控因素存在差異。因此,有必要在細化構造單元的基礎上分析頁巖低阻主控因素。

以來蘇—云錦向斜、臨江向斜為例,利用研究區17口井目的層段含氣量與測井電阻率交會圖劃定低阻頁巖的電阻率界限,對比其中9口井目的層段電阻率并確定低阻頁巖發育區,為研究頁巖低阻主控因素奠定基礎;利用XRD、瀝青反射率、有機碳分析、柱塞孔隙度及測井裂縫預測等方法,分析測井電阻率與黃鐵礦質量分數、有機質質量分數、有機質熱演化程度、地層含水飽和度及地層水賦存狀態的關系,確定低阻頁巖發育區內不同構造單元的頁巖低阻主控因素;分析含氣量與低阻主控因素的關系,明確低阻頁巖含氣量的控制因素,結合沿層地震螞蟻體屬性,優選低阻頁巖氣有利區,為降低頁巖氣勘探開發風險提供地質依據。

1 區域地質概況

研究區位于瀘州東北部、重慶西部,隸屬于川南低陡褶皺帶,主要包括來蘇向斜、云錦向斜及護國寺向斜,可見多條北東走向的一級斷裂和二級斷裂發育(斷裂分級方案參考文獻[20])(見圖1)。在龍馬溪組沉積期,研究區位于深水陸棚與淺水陸棚過渡區[21-22],按照巖相古地理細分方案,巖相古地理主要包括水下平原與水下斜坡兩種,其中,東南部為水下斜坡,其他區域為水下平原[23](見圖1(a))。川南地區龍馬溪組垂向上可分為2段,主力層段為下部龍一段的一亞段(S1l11),S1l11垂向上可細分為S1l111、S1l112、S1l113、S1l114[24],其中S1l111—S1l113小層是研究的目的層,埋深普遍大于4 km。

圖1 研究區巖相古地理與構造Fig.1 Structural and lithofacies paleogeographic map of the study area

2 低阻頁巖定義與分布

2.1 定義

對于常規砂巖儲層,將同一油水系統電阻率增大因數小于2或3的油層定義為低阻油層[25-26]。頁巖導電機理相對復雜,且存在不同成熟度有機質電阻率差異大、水層不發育等問題,電阻率增大因數法不適用于低阻頁巖的定義。以頁巖氣工業產能下限2 m3/t為標準,通過數理統計法劃定低阻頁巖與常規頁巖的電阻率界限。利用該方法判定低阻頁巖與常規頁巖的依據是含氣量大小與測井電阻率存在正相關關系[18],當測井電阻率大于界限時,頁巖的產氣量高于工業產能下限,具有開發價值,可定義為常規頁巖;測井電阻率低于界限時,頁巖產氣量浮動較大,可定義為低阻頁巖,為后續研究頁巖低阻影響因素及低阻頁巖氣有利區分布奠定基礎。

研究區17口井目的層含氣量與測井電阻率交會圖顯示,含氣量大于2 m3/t時,測井電阻率高于15 Ω·m。因此,將測井電阻率大于15 Ω·m的頁巖定義為常規頁巖,小于15 Ω·m的頁巖定義為低阻頁巖(見圖2(a))。

圖2 研究區頁巖含氣量與測井電阻率的關系及電阻率統計Fig.2 The relationship between shale gas content and logging resistivity and the statistical value of resistivity in the study area

2.2 分布特征

來蘇—云錦向斜、臨江向斜及其周邊的9口井目的層測井電阻率對比結果顯示,云錦向斜南部、臨江向斜南部目的層測井電阻率小于15 Ω·m,來蘇向斜、云錦向斜北部及臨江向斜中北部目的層測井電阻率部分小于15 Ω·m,結合低阻頁巖定義可知,研究區低阻頁巖主要發育在云錦向斜南部與臨江向斜南部(見圖1(b)、圖2(b))。

3 頁巖低阻主控因素分析

頁巖低阻的控制因素包括有機質質量分數、有機質熱演化程度、高含水飽和度、高黃鐵礦質量分數及大量順層縫[10-13]。川南地區的頁巖順層縫多被方解石充填且垂向上并非密集分布,順層縫發育不是大段頁巖低阻的主控因素,因此,研究黃鐵礦質量分數、有機質熱演化程度、有機質質量分數、地層含水飽和度及地層水賦存狀態對頁巖低阻的控制。

3.1 黃鐵礦

頁巖中無機礦物主要包含黃鐵礦、黏土類、長英質類及碳酸鹽類礦物。各類礦物電阻率分別為:石英,2.00×1014Ω·m;長石類礦物,4.08×1011Ω·m;碳酸鹽類礦物,2.13×1011Ω·m;菱鐵礦,2.13×1011Ω·m;黃鐵礦,1.00×10-3Ω·m;黏土類礦物,4.59×108Ω·m[27]。無機礦物中僅有黃鐵礦是低阻礦物(見圖3)。

圖3 頁巖中不同礦物組分電阻率直方圖(據文獻[27]修改)Fig.3 Resistivity histogram of different mineral components in shale(modified by reference[27])

研究區頁巖測井電阻率與黃鐵礦質量分數關系見圖4。由圖4可知,在云錦向斜南部,隨黃鐵礦質量分數升高,測井電阻率整體呈現下降趨勢,且二者的回歸因數由南向北分別為0.42、0.58、0.14,表明黃鐵礦是云錦向斜內部頁巖低阻主控因素之一(見圖4(a-c)),黃鐵礦質量分數越高,頁巖中的導電物質越多,更容易在頁巖中形成導電通道,從而形成低阻;在臨江向斜內部,測井電阻率隨黃鐵礦質量分數增加未呈現下降趨勢,表明黃鐵礦不是臨江向斜頁巖低阻的主控因素(見圖4(d)),與頁巖沉積期位于水下斜坡、呈弱還原環境、黃鐵礦富集程度相對更差有關。

圖4 研究區頁巖測井電阻率與黃鐵礦質量分數的關系Fig.4 Relationship between logging resistivity and the weight percent of pyrite of shales in study area

3.2 有機質熱演化程度及有機質質量分數

在海相頁巖中,有機顯微組分缺乏鏡質體。頁巖的有機質熱演化程度通過激光拉曼光譜數據獲得。對于高—過成熟有機質,利用D峰、G峰的峰高比計算有機質的等效鏡質體反射率(RRmc,o)[28]。其中,D峰的拉曼位移區間為1 250～1 450 cm-1,反映晶格結構缺陷和芳環片層的空位信息;G峰的拉曼位移區間為1 500～1 605 cm-1,反映C=C鍵的伸縮振動。利用激光拉曼光譜計算頁巖中有機質等效鏡質體反射率的公式為

(1)

式中:Dh為D峰拉曼強度;Gh為G峰拉曼強度。

利用Origin 2018對激光拉曼光譜數據進行基線矯正、分峰擬合處理(見圖5),得到D峰、G峰峰高及二者比值(見表1)。根據式1可獲得有機質等效鏡質體反射率(見表1)。

圖5 研究區頁巖有機質激光拉曼光譜特征Fig.5 Characteristics of organic matter laser Raman spectra of shales in study area

表1 有機質激光拉曼光譜參數與等效鏡質體反射率Table 1 Laser Raman spectroscopy parameters of organic matter and equivalent vitrinite reflectance

在低阻頁巖發育區,測井電阻率與熱演化程度(Ro)關系為:Ro等于3.32%時,測井電阻率為1.0～9.0 Ω·m;Ro等于3.42%時,測井電阻率為1.0～4.0 Ω·m;Ro等于3.47%時,測井電阻率為0.5～1.5 Ω·m;總體上滿足隨熱演化程度升高,電阻率降低的規律。研究區頁巖測井電阻率與總有機碳(TOC)質量分數的關系見圖6。由圖6可知,隨總有機碳質量分數升高、測井電阻率具有降低的趨勢,表明有機質熱演化程度與有機質質量分數是云錦向斜南部、臨江向斜南部頁巖低阻的主控因素,熱演化程度高與總有機碳質量分數大導致頁巖內部的石墨高,增加頁巖內部的導電物質,從而易于形成低阻。

圖6 研究區頁巖測井電阻率與有機質質量分數的關系Fig.6 Relationship between logging resistivity and the weight percent of organic matter of shales in study area

3.3 含水飽和度及地層水賦存狀態

研究區頁巖測井電阻率與含水飽和度關系見圖7。由圖7可知,在云錦向斜南部遠離斷裂區域,頁巖電阻率與含水飽和度不存在明顯關系,表明含水飽和度不是云錦向斜南部遠離斷裂區域的低阻主控因素(見圖1(b)、圖7(a)),在靠近斷裂區域,頁巖電阻率與含水飽和度之間存在負相關關系,表明含水飽和度是云錦向斜南部靠近斷裂區域的低阻主控因素之一(見圖1(b)、圖7(b-c));在臨江向斜南部,頁巖電阻率與含水飽和度滿足隨含水飽和度增加、頁巖電阻率降低的規律,表明含水飽和度是臨江向斜南部頁巖低阻主控因素之一(見圖7(d))。

頁巖中的地層水按賦存狀態可分為游離水和吸附水兩種[29],分析含水飽和度與孔隙度、黏土礦物質量分數、裂縫發育程度的關系(見圖7(e-p)),得出地層水的賦存狀態及其地質控制因素。裂縫發育程度RF計算公式[30]為

(2)

E=2G(1+μ),

(3)

(4)

(5)

式(2-5)中:E為巖體動彈性模量;Ema為巖石骨架理論動彈性模量;G為剪切模量;μ為動態泊松比;α為單位換算因子,取1.34×104;ρb為地層密度(由密度曲線獲得);Δts為橫波時差;Δtc為縱波時差。

在云錦向斜南部遠離斷裂區域,頁巖含水飽和度與孔隙度、黏土礦物質量分數、裂縫發育程度沒有明顯的關系,表明頁巖中地層水賦存狀態復雜(見圖1(b)、圖7(e、i、m))。結合巖心照片及裂縫統計結果可知,該區域裂縫以直立微縫、順層細縫為主,斜交縫不發育,表明頁巖中地層水受外界影響較小(見圖8(a-b)、表2)。在云錦向斜南部靠近斷裂區域,頁巖含水飽和度與裂縫發育程度具有較好的正相關關系(見圖7(n-o)),表明地層水主要賦存于裂縫。結合巖心照片及裂縫統計結果可知,該區域以順層縫與斜交縫為主(見圖8(c-e)、表2),其中,斜交縫與構造成因密切相關,頁巖中地層水受構造運動及外來水影響。在臨江向斜南部,頁巖含水飽和度與孔隙度存在較好的正相關關系,與黏土礦物質量分數、裂縫發育程度不存在明顯相關關系(見圖7(h、l、p)),表明頁巖中地層水主要受孔隙度控制。結合巖心照片與裂縫統計結果可知,該區域裂縫以順層細縫與直立微縫為主,斜交縫不發育(見圖8(f)、表2),表明頁巖中地層水受外界影響較小。

表2 研究區目的層裂縫統計與含氣量數據Table 2 Fracture statistics and gas content of target layer in study area

4 低阻頁巖氣有利區預測

4.1 低阻頁巖含氣性特征

云錦向斜遠離斷裂區域及臨江向斜南部的頁巖含氣量較高,分別為1.87～4.53 m3/t(平均為3.05 m3/t)、1.18～3.73 m3/t(平均為2.21 m3/t);云錦向斜靠近斷裂區域的頁巖含氣量偏低,含氣量最大值小于0.50 m3/t,沒有工業產能(見表2)。

4.2 頁巖低阻主控因素對含氣性的影響

云錦向斜南部遠離斷裂區域的頁巖含氣量與黃鐵礦質量分數、w(TOC)呈明顯正相關關系(見圖9(a、e)),且頁巖中黃鐵礦多形成于同生沉積階段,指示沉積期為還原環境,在還原環境條件下,有機質易于富集,在掃描電鏡下可見黃鐵礦與有機質共生[31],沉積期還原環境是有機質與頁巖氣富集的基礎。該區域總含氣量與含水飽和度呈明顯負相關關系(見圖9(i)),結合裂縫發育可知,不發育斜交縫,表明頁巖儲層并未受構造運動強烈改造,頁巖氣散失程度低。

圖9 研究區頁巖總含氣量與低阻主控因素的關系Fig.9 Relationship between total gas content of shale and main controlling factors of low resistivity in study area

云錦向斜南部靠近斷裂區域的頁巖含氣量與黃鐵礦質量分數、w(TOC)、含水飽和度沒有明顯相關關系(見圖9(b-c、f-g、j-k)),與斜交縫的發育條數呈負相關關系(見表1),表明頁巖儲層受到構造運動改造,頁巖氣遭到散失,屬于低阻頁巖氣勘探遠景區。

臨江向斜南部的頁巖含氣量與w(TOC)具有明顯正相關關系(見圖9(h)),表明總有機碳質量分數是頁巖氣富集的基礎;含氣量與黃鐵礦質量分數不存在相關關系(見圖9(d)),與沉積期水下斜坡弱還原環境有關;頁巖含氣量與含水飽和度存在負相關關系(見圖9(l)),且該區域斜交縫不發育,表明頁巖儲層未受構造強烈改造,屬于低阻頁巖氣有利區。

含氣量與有機質熱演化程度關系顯示,熱演化程度高的頁巖含氣量相對較低(如Y2井頁巖,Ro為3.47%,平均含氣量為0.31 m3/t;Y3井頁巖,Ro為3.42%,平均含氣量為0.34 m3/t)。熱演化程度相對低的頁巖含氣量相對較高(如Y1井頁巖,Ro為3.32%,平均含氣量為3.05 m3/t;L1井頁巖,Ro為3.32%,平均含氣量為2.21 m3/t)(見圖5、表2)。4口井在平面上相距近,頁巖的有機質熱演化程度存在明顯差異?？拷鼣嗔训捻搸r有機質熱演化程度高,遠離斷裂的頁巖有機質熱演化程度低,與斷裂附近熱傳導能力強有關[32]。因此,在研究區南部,熱演化程度對頁巖含氣量的控制作用核心是斷裂對頁巖氣富集的控制。

4.3 勘探有利區優選

云錦向斜南部遠離斷裂區域及臨江向斜南部為低阻頁巖氣有利區。根據云錦三維地震沿層螞蟻體屬性確定裂縫發育帶的邊界,參考頁巖氣選區評價標準,將距一級斷裂大于1.5 km的區域劃定為有利區[33],在低阻頁巖發育區內確定3個有利區,其中,①～③號有利區的面積分別為29.8、8.6、213.6 km2(見圖(10))。

圖10 研究區低阻頁巖發育區內選區評價Fig.10 Selection evaluation of low resistivity shale development area in study area

5 結論

(1)研究區測井電阻率低于15.00 Ω·m的頁巖為低阻頁巖,低阻頁巖主要分布于云錦向斜南部與臨江向斜南部。

(2)云錦向斜南部遠離斷裂區域的頁巖低阻主控因素有黃鐵礦、總有機碳熱演化程度及總有機碳質量分數,靠近斷裂區域的低阻主控因素有黃鐵礦、有機質熱演化程度、總有機碳質量分數及含水飽和度,其中,地層水受裂縫控制;臨江向斜南部頁巖低阻主控因素為有機質熱演化程度、總有機碳質量分數及含水飽和度,其中,地層水受孔隙度控制。

(3)云錦向斜南部遠離斷裂區域與臨江向斜南部為低阻頁巖氣勘探有利區,面積由大到小為213.6、29.8、8.6 km2。