川东地区下侏罗统大安寨段页岩气(油)成藏条件

摘 要

摘 要:近期在四川盆地东部地区万县向斜南段,于下侏罗统自流井组大安寨段湖相黑色页岩夹薄层介壳灰岩组合中,有多口井钻获中、高产油气流。为证实大安寨段具备良好的页岩气(油)

摘 要:近期在四川盆地东部地区万县向斜南段,于下侏罗统自流井组大安寨段湖相黑色页岩夹薄层介壳灰岩组合中,有多口井钻获中、高产油气流。为证实大安寨段具备良好的页岩气()成藏条件和勘探潜力,首先分析了其油气地质特征:大安寨段为淡水湖泊沉积体系,发育有滨湖、浅湖、湖坡和深  半深湖4种亚相,对应完整的湖侵  湖退旋回过程,可划分为低位、湖侵、早期高位和晚期高位4个沉积体系域;穿越各亚相带的等时地层格架控制了大安寨段自生、自储、自盖页岩气()成藏组合条件;③以湖侵体系域的凝缩段和早期高位体系域中偏向深湖一侧的浅湖滩缘、湖坡和半深湖亚相为有利页岩气()储集相带,储层并非为单一的岩石类型,而是碳质页岩与泥质介壳灰岩的薄互层组合体。在此基础上,以有机质丰度、成熟度、厚度、埋藏深度及脆度为页岩气()的五度评价标准,结合该区页岩的成分特征和裂缝发育状况对大安寨段页岩气()的成藏地质条件进行了深入分析。结论认为:川东地区大安寨段具备优越的页岩气()成藏地质条件,可列为四川盆地非常规能源规划的主要目标和有利勘探区之一。

关键词:四川盆地东部  早侏罗世  大安寨期  页岩气()  沉积  地层层序  储集空间  油气藏形成  有利勘探区

Forming conditions of shale gas(oil)plays in the Lower Jurassic Da¢anzhai member in the eastern Sichuan Basin

AbstractRecently'moderate to high rate of oilgas flows were tested in several wells in the Datanzhai member black shale with thin shelly limestone interbeds of lake facies of the Lower Jurassic Ziliujing Fm in the southern part of Wanxian syncline in the eastcrn Sichuan Basin.In order to investigate the accumulation conditions and potentials of shale gasoil in the Da¢anzhai memberthis paper analyzed its petroleum geologic conditions as followsFirstthe Da¢anzhai member was deposited in a fresh lake environmcntFour subfaeies were identifiedincluding lakeshoreshallow lakeslope and deep to semi-deep lakeThey correspond to a complete lake transgressive-retrogressive cycle consisting of four sedimentary system tractsnamely lowstand system tracttransgressive system tractearly highstand system tract and late highstand system tractSecondthe isochronal stratigraphic framework crossing each subfacies zones controls the conditions of indigenous shale gasoil accumulation in the Da 7 anzhai memberThirdthe condensed section in the lake transgressive system tract and the shallow lake beach marginslope and semi-deep lake subfacies in the earlv highstand system tract are favorable shale gasoil reservoir facies beltsThe reservoirs are combinations of carbonaceous shale and argillaceous shelly limestone interbeds instead of a single rock typeBased on these understandingsfive criteria including TOCthermal maturitvshale thicknessburial depth and shale brittlenessin combination with shale composition and fracture developmentwere used to evaluate the Da¢anzhai shale gasoil playsIn conclusionthe Da¢anzhai member is believed to have favorable geologic conditions for shale gasoil accumulation in the eastern Sichuan Basinthus can be taken as one of the primary exploration targets for unconventional hydrocarbon resources

Keywordseastern Sichuan BasinEarly JurassicDa¢anzhai membershale gasoilsedimentary sequencereservoir spaceoilgas reservoir formationfavorable exploration zone

1 地质概况

四川盆地东部地区(以下简称川东地区)构造位置隶属于川东高陡构造带[1],发育一系列北东西南向延伸和隔挡式分布的大型复背斜和复向斜(1)。背斜核部主要出露下三叠统嘉陵江组,背斜两翼至向斜核部依次出露中三叠统雷口坡组,上三叠统须家河组,下侏罗统自流井组,中侏罗统新田沟组、沙溪庙组及上侏罗统遂宁组和蓬莱镇组等地层。顺背斜核部走向,发育有多条叠瓦状分布的逆断层,断面倾北西,被断层切割的断背斜南东翼陡,北西翼缓。川东地区是四川盆地最重要的灭然气产地之一,从石炭系黄龙组至三叠系须家河组,于海相的碳酸盐岩和陆相的碎屑岩地层中,发育有多套含气层系和众多大、中型气阳,已开发气田多位于高陡背斜构造带[1-5],而近期在梁甲与万州交界处的拔山寺向斜南段,于下侏罗统自流井组大安寨段湖相黑色页岩夹薄层介壳灰岩组合中,有多口钻井钻获中、高产油气流,是继川中和川北地区之后,在川东地区大安寨段非常规油气藏勘探取得的重大进展,不仅显示了川东地区大安寨段具备良好的贞岩气()成藏条件和勘探潜力[6-10],同时开拓了该地区高陡构造带向斜构造部位非常规油气藏勘探的新领域。

 

2 大安寨段油气地质特征

21 地层特征

下侏罗统自流井组大安寨段在川东地区分布较广泛,层位、岩性和厚度都很稳定,以梁平县福禄镇剖面为例(2),其底与自流井组马鞍山段为连续沉积关系,顶与中侏罗统新田沟组为有早期暴露作用的侵蚀冲刷接触关系,自下而上被划分为大三、大二、大一亚段和过渡层4个亚段及l9个小层,各小层岩性、沉积相和暗色页岩及介壳灰岩的发育特征简要综合于图2中。从图2可看出,大安寨段为一个完整的区域性湖侵—湖退沉积旋回,暗色页岩除了在大三、大一亚段呈夹层分布,大套暗色页岩主要发育在大二亚段,并以其层位稳定和富含有机质为显著特征[11-12]

 

22 沉积—层序特征

大安寨段沉积发育在马鞍山段淤塞湖泊的基础上,为一个以稳定构造坳陷、沉降为背景的淡水湖沉积体系(3),虽然继承了前期湖盆范围和古地理面貌。但以大安寨期湖侵更广、水体相对较深,并以广泛发育淡水双壳类生物和沉积大规模的介壳(或介屑)滩为重要特征。

 

按照岩性组合、原生沉积构造和剖面结构特征,大安寨段可划分为4个沉积亚相和众多微相类型(1),有关各沉积哑相和微相特征在以往的研究中已有较为详细的描述[11-13],笔者不再赘述。

 

平面上,围绕湖盆沉降~沉积中心,滨湖、浅湖、湖坡和深一半深湖4个亚相,由湖盆中心向周缘依次作厚度趋于减薄的环带状分布(3),岩性组合由半深湖亚相的黑色页岩为主,逐渐相变为以湖坡亚相的黑色页岩与介壳灰岩不等厚互层组合、浅湖亚相的厚层块状介壳或介屑灰岩夹深灰色一灰黑色泥岩组合为主,至滨湖亚相为灰绿、紫红等杂色钙质泥岩夹粉—细粒砂岩组合。垂向上,对应大安寨段经历的滨湖、浅湖、湖坡、深—半深湖,折回湖坡、浅湖、滨湖和暴露状态的完整湖侵湖退旋回过程,可划分为低位(LST)、湖侵和凝缩段(TST+CS)、早期高位(EHST)、和晚期高位(LHST)4个沉积体系域(23),在穿越滨湖、浅湖、湖坡、深—半深湖各亚相带的地层格架中(4),控制了各沉积体系域特定的岩性~岩相组合、分布范围、相变规律及自生、自储、自盖组合特征[11-13]和滩缘及湖坡有利储集相带。

 

23 储层岩石学特征

大安寨段主体以石灰岩和页岩为主,部分为过渡类型的泥质灰岩和钙质泥岩,少量为粉一细粒砂岩。从孔、渗性统计结果(2),可以看出,大安寨段砂岩的平均孔隙度相对较高,为2.47%,但渗透率最低为0.327mD,石灰岩孔隙度和渗透率都为最低,平均值分别为1.14%和0.352mD,而泥页岩的平均孔隙度居中,为1.9%,平均渗透率则高达l.76mD。由此可以看出,大安寨段中最有利储层发育的岩性并非为石灰岩和砂岩,近期的勘探实践也证明了大安寨段储层的发育特征,表现出有悖于常规石油地质理论的3大特点:介壳灰岩的物性有随石灰岩中泥质含量增加,孔隙度虽然变化不大,而渗透率却趋于上升的特点,原因可能在于介壳灰岩中的泥质在成岩过程中具有收缩作用,有利于粒缘和粒间成岩收缩缝的发育;②大安寨段储层并非为单一岩石类型,而是各类石灰岩,特别是泥质介壳灰岩与碳质页岩的不等厚互层组合体,无论是在剖面上还是平面上(23),都位于偏向半深湖一侧的介壳滩滩缘和湖坡带,具有较稳定的层位和较大分布范围;③介壳灰岩与碳质页岩互层组合体中,渗透率随着页岩夹层增多加厚而趋于降低,说明组合体中页岩夹层过多也不利于储层发育。

 

24 储集空间类型

根据地表露头、岩心、薄片和扫描电镜的观察和描述结果,发现大安寨段微米级以上的原生孔隙大部分已消失,无疑与大安寨段经历了强烈的压实、压溶和新生变形作用有关。就宏观的储集空间类型而言,主体以裂缝为主,含少量微米毫米级的溶蚀孔、洞、缝和重结晶形成的晶间微孔。

241裂缝

大安寨段各类岩石中的裂缝较发育,具有多期次多成因的特点[14-19],不仅是最重要的储集空间,而且还是油气运移的通道[16-17]。因此,对大安寨段裂缝的研究成为重点。裂缝类型包括成岩压裂缝(5-a)、构造裂缝(5-bc)和溶蚀缝(5-d)3种基本类型,以及由此3种基本类型叠加改造形成的4种复合类型,包括有:①成岩压裂缝叠加构造缝复合型(5-e)成岩压裂缝叠加后期溶蚀缝复合型(5-a)构造裂缝叠加后期溶蚀缝复合型(5-c)成岩裂缝叠加构造裂缝再叠加后期溶蚀缝复合型(5-f)。在此3个基本类型和4个复合类型中,以型、型和型的复合类型最常见,往往为主要的油气运移通道和储集空间,也是大安寨段储层最重要的储集空间类型。此外,在泥质介壳灰岩中由成岩期泥质收缩形成的粒缘和粒间、粒内收缩缝(5-g5-h),由压溶形成的缝合线(5-i)也很发育,此几类裂缝对改善储层的孔、渗性也有一定的贡献。

 

242溶蚀孔、洞和溶蚀微孔

该区大安寨段由溶蚀形成的溶孔也较为发育,为次重要储集空间类型,主要发育在各类石灰岩中。溶孔和溶洞是在早期孔隙和裂缝的基础上,在埋藏成岩过程中经深部热液溶蚀扩大而成[18-19],孔径介于0.0l2mm的为溶孔(5-j),大于2mm为的溶洞,个别可超过10mm,环边生长有方解石晶簇的为晶洞。溶孔、溶洞和晶洞数量很少,但在各层段均有分布,分布在裂缝较发育的介壳灰岩和含介壳泥页岩中(5-adfh),常伴生丰富的粒缘微溶缝和微溶孔(5-k)

243晶间孔

晶间孔是指重结晶形成的晶体之间的孔隙(5-1),此类孔隙连通性差,但仍属于有效储集空间;孔隙仍可继续发育。该区大安寨段溶蚀作用比较发育,溶蚀孔作为重要的储集空间主要发育在介壳灰岩、含介壳泥岩以及重结晶灰岩中。

6为综合上述各项储集空间特征的储层地质模型[19],从中不难确定,对大安寨段储层贡献最大的无疑是各类裂缝及沿裂缝溶蚀形成的各类溶缝、溶孔和溶洞,其次为晶间孔,溶蚀微孔和微缝虽然很小,但数量众多,其贡献也不容忽视。

 

25 储层物性特征

159个大安寨段储层样品的物性实测结果,孔隙度变化范围为0.02%~5.92%,平均值为l.47%。其中样品的46%小于1%,26%为l%~2%,仅28%大于2%;渗透率变化范围为0.05712.3mD,平均值为0.67mD,其中样品的30%小于0.1mD60%介于0.11.0mD,仅l0%大于1.0mD。上述孔隙度、渗透率特征表明大安寨段储层具有特低孔隙度一特低渗透率性质。结合铸体薄片及扫描电镜鉴定结果,以及少量孔隙与裂缝共生,岩石物性以页岩为较好和储层为碳质页岩与泥质介壳灰岩薄互层组合体的非常规特点,可确定其内为典型的致密油或页岩气储层。

3 页岩气成藏地质条件

页岩气是以吸附和游离状态赋存于具有生烃能力的泥、页岩地层中的天然气,储层往往为富含有机质的暗色高碳泥页岩,具有集烃源岩、储集岩、盖层为一体、隐蔽聚集、吸附成藏等独立含油气系统的特点。因此,影响页岩气成藏的因素主要包括如下几个方面:①有机质丰度和成熟度;②页岩性质、页岩厚度与埋藏深度;③页岩矿物成分、脆度及裂缝发育状况。根据页岩气成藏机理[20-25],结合大安寨段页岩地质特点对其页岩气成藏潜力进行综合评价。

31 有机质类型、丰度和成熟度

综合60件页岩样品有机碳含量分析资料的结果表明,大安寨段页岩有机质类型较好,以转化率较高的腐泥型和偏腐泥混合型为主,TOC介于0.16%~2.16%,平均为0.78%。按照烃源岩行业划分标准,有40%的样品低于泥岩烃源岩的下限值(0.5),其余部分大多数属于TOC介于l.0%~2.0%的中等一好的烃源岩,其中以大二亚段的平均TOC为最高,可达1.7%,生烃能力最强,此特征与大二亚段主体为富有机质的深—半深湖相沉积特征相吻合。需指出的是,与页岩薄互层的40件介壳灰岩样品,有37件的TOC高于石灰岩烃源岩的下限值(0.1),其中24件的TOC大于0.25%,属于最好的碳酸盐岩烃源岩。由此可见,在大安寨段页岩与介壳灰岩薄互层组合体中,石灰岩的生烃潜力也不容忽视。

大安寨页岩17个样品的镜质体反射率测量结果,R。值变化范围为1.1%~l.46%,平均值为l.2%,有机质热演化程度适中,基本上都进入了成熟高熟阶段,满足页岩气()成藏所需条件。

32 页岩类型、厚度和埋藏深度

大安寨段页岩类型丰富,而具备成藏条件的页岩主体为半深湖—湖坡相的薄层状暗色碳质页岩,页岩中往往含介壳条带或夹有薄层状黑色碳泥质介壳灰岩(7),而浅湖、滨湖相的灰色和杂色页岩、粉砂质页岩、钙质页岩等不具备页岩气成藏条件。碳质页岩厚度对页岩气的勘探开发具有重要意义,特点为:①大一亚段碳质页岩主要出现在下部,为与薄层碳泥质介壳灰岩互层组合,碳质页岩的累计厚度为812m大二亚段由大套碳质页岩夹泥质介壳灰岩条带或薄层组成,单层页岩的厚度一般不超过2m,累计厚度为3050m大三亚段碳质页岩出现在上部,也为与薄层碳泥质介壳灰岩互层组合,碳质页岩的累计厚度很小,仅为25m。需指出的是,大安寨段碳质页岩的发育不仅具有从大三亚段上部经大二亚段至大一亚段下部的连续沉积特点(2),而且4060m的总累计厚度在湖坡和半深湖亚相区(34)范围内的分布非常稳定,对照美国密执安盆地Antrim页岩气藏最小页岩厚度仅为9.1m,特沃斯盆地Barnett页岩气藏30.5m的页岩厚度已被证明具有商业开采价值的现状[21],该区大安寨碳质页岩的厚度已完全具备形成页岩气藏的条件。

 

页岩深度虽然不是发育页岩气藏的决定因素,如美国已发现的页岩气藏分布在763658m的埋深范围内,但埋藏深度直接决定了页岩气藏的勘探开发成本,从而决定了相关的商业价值。根据近期川东地区大安寨段页岩气()勘探资料,已钻获商业油气流的大安寨段埋藏深度都介于21802720m,符合商业开发的埋深要求。

33 脆性矿物含量和页岩脆度

331页岩脆性矿物组成特征

由于页岩发育裂缝的内因取决于页岩的脆度,而页岩脆度取决于脆性矿物含量和组成特征。因此,页岩中脆性矿物含量和组成特征在很大程度上影响着页岩气藏的产能,如Fort Worth盆地Barnett页岩硅质脆性矿物为40%~60%,比富含黏土的页岩更易压裂,在同等情况下可采出更多天然气[26]。大安寨段页岩脆性矿物含量较高,平均值可达60.4%,主要由石英、方解石组成,其次为少量的斜长石、白云石、菱铁矿和黄铁矿(8)。正因为页岩中含有高比例的脆性矿物,微裂缝往往也非常发育,致使川东地区大安寨段页岩具有易破碎和产生裂缝的性质,具备易于进行页岩气()藏工艺改造的开发条件。

 

332页岩的岩石力学性质

页岩发育裂缝的外因主要与生烃过程、地层孔隙压力、各向异性的水平压力、断层与褶皱等构造作用有关[27]。据岩石力学分析结果,7件大安寨段页岩样品的单轴抗压强度为ll.3252.59MPa,平均为29.57MPa;弹性模量介于0.353.18GPa,平均为l.24GPa6件含泥质介壳灰岩的单轴抗压强度为30.3251.41MPa,平均为39.97MPa;弹性模量为0.935.93GPa,平均为l.57GPa2件块状介壳灰岩的单轴抗压强度为l02.12l03.0MPa,平均为l02.56MPa;弹性模量为5.295.93GPa,平均为5.6lGPa

对比此3组数据,不难看出大安寨段页岩为一类抗压性差的塑性岩性,块状介壳灰岩为一类抗压性强的刚性岩性,而含泥质介壳灰岩的岩石力学性质虽然介于二者之间,但更接近于页岩。由此不难理解为何单一的石灰岩和页岩层段中不仅成岩压裂缝较少,而且构造裂缝也相对不发育,而在以不同比例的页岩与石灰岩互层组合体中,此两类裂缝却都较发育,造成这一现象的原因与大安寨段频繁的、不均一的页岩与石灰岩互层组合体的抗压性降低,而刚性有所增强有关,并由不均匀分布的成岩压裂缝和构造裂缝提供的通道,控制了同构造期和构造期后的溶蚀作用,从而形成非均质性极强的溶蚀孔、洞、缝型非常规储层。

需指出的是,成岩压裂缝往往优先选择在压实率变化大的介壳滩缘和湖坡相带页岩与石灰岩互层组合体中发育,与受到同等外来构造力的作用下,介壳滩缘和湖坡相带是岩体最易破裂的薄弱部位有关,而构造期的破裂作用和构造期后的溶蚀作用也往往优先选择在这些薄弱部位叠加进行,由此成就了大安寨段沉积—成岩期、构造期、构造期后的多期次破裂和溶蚀作用依次追踪和叠加发育的显著特点。平面上,这一继承性发展和演化的破裂和溶蚀带往往位于岩性组合有明显差别的、偏向深半深湖一侧的介壳滩缘和湖坡相带,形成以多期次破裂和溶蚀为主控因素的非常规储层最佳发育位置和展布规律。

34 成藏条件综合评价

鉴于目前国内外还没有形成页岩气()藏的评价标准,笔者以美国Barnett页岩和Ohio页岩气藏勘探经验为指导[28],结合川东地区大安寨段页岩TOC较高、类型较好,演化程度适中、累计厚度较大、分布范围广而稳定、埋藏深度适中、脆性矿物含量高和具有较好—好的烃源岩性质等特征,与美国众多页岩气盆地和中国南方页岩气勘探近期取得突破性进展的志留系龙马溪组页岩[26]各项参数进行对比(3),同时考虑川东地区大安寨段页岩分布而积都超过2000km2,地质历史中始终深埋地腹而未被剥蚀,地表条件以地形高差相对较小丘陵和中山为主,大、小江河密集分布,水资源丰富及交通便利等相关的辅要条件,对川东地区大安寨段页岩气()成藏条件和资源潜力进行综合评价。结果认为:该地区大安寨段页岩具备非常优越的页岩气()成藏条件。

 

4 结论

1)川东地区大安寨段为淡水湖泊沉积体系,发育滨湖、浅湖、湖坡和深—半深湖4种亚相,对应完整的湖侵湖退旋回过程,可划分为低位、湖侵、早期高位和晚期高位4个沉积体系域。

2)穿越各亚相带的等时地层格架,控制了大安寨段自生、自储、自盖的组合特征和展布规律,以湖侵体系域的凝缩段和早期高位体系域中偏向深湖一侧的浅湖滩缘、湖坡和半深湖为有利页岩气()储集相带,储层并非为单一的岩石类型,而是碳质页岩与泥质介壳灰岩的薄互层组合体。

3)以有机质丰度、成熟度、厚度、埋藏深度及脆度为页岩气()的五度评价标准,结合页岩的成分特征和裂缝发育状况对川东地区大安寨段页岩气()成藏地质条件进行分析,认为川东地区大安寨段具备优越的页岩气()成藏地质条件。

4)基于大安寨段页岩具备形成页岩气()藏的优越地质条件,而且地腹保存条件、地表地形、水利和交通条件都适合大场面的页岩气勘探开发工程,可将其列为四川盆地非常规能源规划的主要目标和有利勘探区之一。

 

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本文作者:郑荣才  何龙  梁西文  徐文礼

作者单位:油气藏地质及开发工程目家重点实验室·成都理工大学

  中国石化江汉油出分公司勘探开发研究院