中國南方盆外復雜構造區頁巖氣井評價與認識
--以湖北來鳳咸豐區塊來頁1井為例

李　博　魏國慶　洪克巖　彭傳圣　胡曉蘭　朱亮亮

中國南方盆外復雜構造區頁巖氣井評價與認識
--以湖北來鳳咸豐區塊來頁1井為例

李博1,2魏國慶1洪克巖1彭傳圣1胡曉蘭1朱亮亮1

1. 中國華電集團清潔能源有限公司 2. 中國地質大學(北京)

李博等.中國南方盆外復雜構造區頁巖氣井評價與認識--以湖北來鳳咸豐區塊來頁1井為例.天然氣工業,2016, 36(8): 29-35.

為了在中國南方四川盆地以外復雜構造區確定頁巖儲層的核心評價參數,準確把握頁巖氣"甜點"目標,以湖北來鳳咸豐區塊來頁1井為例,利用鉆井、二維地震及實驗室分析測試數據等資料,對該區塊上奧陶統五峰組-下志留統龍馬溪組頁巖氣的形成條件進行了評價.結果表明:該區五峰組-龍馬溪組頁巖具有厚度較大、有機質豐度高、熱演化程度較高、儲集物性及含氣性較好、可壓性良好和保存條件良好等優點,為該區頁巖氣的生成和富集提供了良好的地質條件.進而建立了適合南方復雜構造區五峰組-龍馬溪組頁巖的主要評價指標體系,歸納了獲得商業發現的5項核心評價指標:①優質頁巖厚度大于20 m;②有機碳含量超過2.0% ;③脆性礦物含量介于40%～70%;④頁巖含氣量大于2 m3/t且甲烷含量超過90%;⑤距離通天斷裂及目的層剝蝕線超過3 km.結論認為:該區塊志留系五峰組-龍馬溪組頁巖滿足上述評價標準,具有進一步開展工作的潛力;同時,五峰組-龍馬溪組埋藏較淺,不屬于超壓體系,也對后期的規模開發和穩產提出了挑戰.

中國南方 復雜構造區 湖北來頁1井 晚奧陶世-早志留世 頁巖氣 評價指標 保存條件 含氣性 TOC

頁巖氣作為一種新的非常規能源越來越受到人們的重視[1-4].為加快中國的頁巖氣勘探開發步伐, 2012年9月,國土資源部發布公告,面向社會公開招標出讓20個頁巖氣探礦權,總面積為20 002 km2.其中,大多分布在貴州、湖北、湖南等四川盆地以外的南方海相地層變形復雜區.該區域的主要目的層上奧陶統五峰組-下志留統龍馬溪組具有以下特點:①埋藏相對較淺,大部分地區埋深在2 500 m以內;②都處于志留系深海陸棚相的相對邊緣地區;③地層壓力系數介于0.95～1.20;④受后期構造運動影響較大,基本都位于七曜山斷裂以東,現今多為"隔擋式"構造格局[5-10].在上述區域,如何尋找構造相對穩定區,如何確定核心評價參數,對于準確把握頁巖氣"甜點"顯得十分重要.

圖1　來鳳咸豐區塊位置及構造綱要圖

1　地質簡況

湖北來鳳咸豐頁巖氣勘查區塊(以下簡稱來鳳咸豐區塊)為國土部第二輪頁巖氣招標區塊,位于揚子板塊中部的湘鄂西褶沖帶,西與四川盆地毗鄰,北靠秦嶺-大別造山帶,東接江南-雪峰滑脫推覆隆起帶,區塊主體位于湘鄂西褶沖帶的宜都-鶴峰復背斜帶的西南翼,部分位于花果坪復向斜帶上(圖1).湘鄂西褶沖帶在中新生代受加里東、印支褶皺運動影響較強,主要表現為頻繁的差異升降運動.侏羅紀末的燕山褶皺運動造成全區蓋層的強烈變形,形成以北東向為主的褶皺和斷裂構造.區域資料顯示,來鳳咸豐區塊地層自震旦系到三疊系發育齊全,缺失侏羅系以上的地層.區塊出露最老地層為下寒武統天河板組,最新地層為下三疊統大冶組,累積厚度約為4 600 m.

圖2　來鳳咸豐區塊過來頁1井地震剖面圖

2015年中國華電集團在來鳳咸豐區塊兩河口向斜軸部部署實施了1口頁巖氣探井--來頁1井(圖2),目的層為五峰組-龍馬溪組富有機質泥頁巖,獲得了較好的頁巖氣顯示,展示了該區下古生界頁巖氣具有良好的勘探前景.

來頁1井采用二開井身結構,完鉆井深1 070 m.揭示主要目的層五峰組-龍馬溪組厚度為51 m (深度介于902～953 m).全井氣測顯示共計46.50 m/4層,其中925.00～953.00 m為目的層五峰組-龍馬溪組黑色筆石頁巖,全烴含量0.31%↑9.40%,甲烷含量0.29%↑8.78%.下部的935.00～953.00 m井段的自然伽馬、相對高聲波時差、相對高電阻率的"三高"特征明顯,自然伽馬在186.3 API上下,地層電阻率平均為262.9 Ω.m,聲波時差平均為228.0 μs/m,補償中子平均為14.1%,體積密度平均為2.60 g/cm3,有效孔隙度平均為3.7%,滲透率平均為0.047 6 mD,綜合解釋該層為頁巖氣層(圖3).

圖3　來頁1井五峰組-龍馬溪組頁巖氣綜合評價圖

2　主要評價參數

2.1暗色泥頁巖發育及分布

來鳳咸豐區塊五峰組-龍馬溪組沉積于碎屑巖深水陸棚相滯流缺氧環境,含有豐富的筆石及有機質的黑色泥頁巖.來鳳咸豐區塊在龍馬溪組沉積時期,沉積水體總體為缺氧環境,主要發育黑-黑灰色碳質頁巖、含粉砂碳質泥頁巖、深灰色泥質粉砂巖,厚41～55 m.五峰組沉積時水體更深,富含筆石和黃鐵礦,巖性以含碳硅質泥頁巖為主,厚5～7 m.五峰組-龍馬溪組泥頁巖整體橫向分布廣泛,有利分布規模面積約100 km2.

2.2有機地球化學特征

來頁1井44個巖心樣品測試結果表明,來鳳咸豐區塊五峰組-龍馬溪組黑色泥頁巖有機質類型以偏腐泥混合型為主.TOC介于0.42%～4.18%,平均為1.58%,大多超過1.0%;Ro介于2.03%～4.85%,平均為2.94%,頁巖品質好且達到過成熟生氣階段.整體上看,中間的泥質粉砂巖上下的2套黑色泥頁巖有機碳含量較高,且都有由下往上TOC呈逐漸降低的趨勢.905～912 m、925～933 m和938～953 m井段,共計30 m厚的黑色碳質頁巖、硅質頁巖TOC值明顯較高,介于1.00%～4.18%,平均值為1.63%,化石含量豐富,是形成頁巖氣藏的最有利層段(圖3).

2.3儲滲條件

來鳳咸豐區塊五峰組-龍馬溪組泥頁巖密度平均為2.65 g/cm3,與黃金壩地區已商業開發的五峰組-龍馬溪組頁巖層密度大體一致[6-8],結構相對致密.

2.3.1儲集空間類型及特征

通過巖心觀察、氬離子拋光-掃描電鏡以及STAR電成像測井等分析發現,來鳳咸豐區塊暗色泥頁巖中的儲集空間主要發育2種類型:①一種為泥巖自身的微觀孔隙,根據成因類型主要分為微裂縫、粒間孔、粒內孔和有機質孔隙4大類(圖4),這種微孔隙的儲集空間很小,一般為納米級,孔徑介于2～1 000 nm,大部分集中在2～50 nm;②另一種類型為泥頁巖中發育的裂縫系統,其對頁巖氣的開發有重要作用,不僅利于游離氣的富集,還是頁巖氣滲流運移的重要通道.這種類型的裂縫一般尺寸較大,為宏觀裂縫,可以通過巖心觀察觀測到或通過STAR電成像測井解釋發現.來頁1井的宏觀裂縫系統,主要以低角度的構造縫和近水平的層間縫為主(圖4),部分裂縫為開啟縫,部分裂縫充填有方解石.

2.3.2儲集物性

通過脈沖法測試巖心物性數據表明,來鳳咸豐區塊五峰組-龍馬溪組泥頁巖孔隙度介于0.16%～5.86%,大部分超過1.0%,占比達到76%,平均孔隙度為2.08%;滲透率由于個別樣品裂縫發育,變化范圍較大,介于0.001～0.600 mD,平均為0.05 mD.與北美及國內已獲得頁巖氣勘探突破地區的頁巖儲層的孔隙度和滲透率[11-15]相比,來鳳咸豐區塊五峰組-龍馬溪組泥頁巖儲層物性相對較好(表1).而且,該區塊五峰組-龍馬溪組泥頁巖儲層較低的孔隙度對應著相對較高的滲透率,說明微裂縫為泥頁巖儲層提供了一定的滲濾通道,有利于頁巖氣產出.

2.4巖石礦物學特征

X射線衍射分析實驗表明,來鳳咸豐區塊五峰組-龍馬溪組礦物成分以黏土礦物和石英為主,其次為長石、碳酸鹽巖及少量黃鐵礦(圖5).

黏土礦物含量介于17.8%～60.2%,平均為36%.黏土礦物以伊利石、伊/蒙混層為主(圖6),含少量的綠泥石,不含蒙皂石和高嶺石.伊利石含量介于39%～81%,平均為58%;伊蒙混層含量平均為29%;綠泥石平均為12.5%.伊利石含量較高,說明泥頁巖成巖作用較高,與較高的成熟度相對應.

石英、長石、碳酸鹽巖及黃鐵礦等脆性礦物含量介于39.8%～82.2%,平均為64%,具有較好的可壓裂性.脆性礦物中石英含量介于15.9%～66.0%,平均為39%.

圖4　來頁1井五峰組-龍馬溪組泥頁巖主要儲集空間類型圖

2.5保存條件及頁巖含氣量

南方海相頁巖氣勘探實踐表明,保存條件的好壞直接控制頁巖氣的含氣量及氣體組分.來頁1井所在的兩河口向斜,兩翼地層較平緩,向斜主體部位無大型通天斷層發育,來頁1井距離五峰組-龍馬溪組最近的露頭3.5 km.來頁1井五峰組-龍馬溪組頂界埋深902 m,頂板為下志留統新灘組,巖性主要為深灰-灰色泥巖、粉砂質泥巖、粉砂巖和部分細砂巖,總厚度約為180 m,對下部頁巖氣層具有較好的封蓋效果.底板為寶塔組連續沉積的灰色瘤狀灰巖、泥灰巖,厚度約為30 m,區域上分布穩定,空間展布范圍廣,巖性致密,物性較差,作為底板,對上覆頁巖氣層具有很好的封隔作用.

良好的保存條件使得來頁1井具有較高的含氣量和甲烷純度,測試結果顯示:五峰組-龍馬溪組泥頁巖含氣量介于0.23～3.73 m3/t,平均值為1.72 m3/t.其中大于1.0 m3/t含氣量的頁巖段共35 m,大于2.0 m3/t含氣量的頁巖段厚度達到21 m(圖3),甲烷純度均超過95%,最高達100%,平均值高于99%(表2).這為來鳳咸豐區塊頁巖氣的工業突破奠定了良好的基礎.

表1　來頁1井與南方已獲得突破地區五峰組-龍馬溪組頁巖主要參數表

圖5　來頁1井全巖礦物分析圖

圖6　來頁1井黏土礦物分析圖

3　核心評價指標

筆者根據來頁1井的勘探實踐,分析認為針對盆外構造復雜區,頁巖氣核心評價指標主要包含了TOC、含氣性、脆性礦物含量、甲烷純度和與深大斷裂、剝蝕線的距離等五個方面[16-18].結合來頁1井的氣測和測井曲線特征,當黑色頁巖連續的TOC大于2%,含氣量大于2 m3/t,脆性礦物含量介于40%～70%,甲烷純度大于90%,而且鉆井距離深大斷裂和目的層剝蝕線大于3 km時,即可以確定五峰組-龍馬溪組的有效厚度,并將此層段作為優質頁巖段,即頁巖氣勘探開發的重點層段.比如來頁1井的935～953 m井段,TOC連續大于2%,平均為2.62%;含氣量連續大于2 m3/t,平均達到2.85 m3/t;脆性礦物含量平均為63%;甲烷含量均超過95%,平均高于99%;且來頁1井附近無深大斷裂,距離五峰組-龍馬溪組最近的剝蝕線3.5 km,所以來頁1井935～953 m井段(共18 m)為優質頁巖段,是進行重點壓裂的突破層段.

表2　來頁1井五峰組-龍馬溪組氣體組分分析表

4　結論

1)以來頁1井為例,建立了南方盆外復雜區五峰組-龍馬溪組頁巖評價指標體系.在復雜區內尋找相對穩定的構造單元,當五峰組-龍馬溪組分布面積大于50 km2,埋深大于800 m,即具有一定的勘探潛力.

2)來鳳咸豐區塊五峰組-龍馬溪組泥頁巖具有厚度較大、有機質豐度高、熱演化程度較高、儲集物性及含氣性較好、具有良好可壓性和保存條件良好等特點.同時,埋藏淺,不屬于超壓體系,為后期的規模開發和產量的穩定提出了新的挑戰.

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(修改回稿日期 2016-05-19 編 輯 羅冬梅)

Evaluation and understanding on the shale gas wells in complex tectonic provinces outside Sichuan Basin, South China: A case study from Well Laiye 1 in Laifeng-Xianfeng Block, Hubei

Li Bo1,2, Wei Guoqing1, Hong Keyan1, Peng Chuansheng1, Hu Xiaolan1, Zhu Liangliang1
(1. Clean Energy Co., Ltd., China Huadian Group, Beijing 100160, China; 2. China Uniνersity of Geosciences 〈Beijing〉, Beijing 100083, China)

NATUR. GAS IND. VOLUME 36, ISSUE 8, pp.29-35, 8/25/2016. (ISSN 1000-0976; In Chinese)

For determining the key evaluation parameters of shale reservoirs in the complex tectonic provinces outside the Sichuan Basin in South China and to target the sweet spots of shale reservoirs accurately, the forming conditions of Upper Ordovician Wufeng-Lower Silurian Longmaxi shale gas reservoirs in Laifeng-Xianfeng Block, Hubei Province, were evaluated with Well Laiye 1 as an example based on its drilling, 2D seismic and laboratory test data. It is shown that Wufeng-Longmaxi shale reservoirs in Laifeng-Xianfeng Block are characterized by great thickness, high organic abundance, higher thermal evolution degree, good reservoir physical property, good gas-bearing property, good compressibility and preservation conditions, which are geologically favorable for the formation and accumulation of shale gas in this block. Then, the main evaluation index system suitable for Wufeng-Longmaxi shale reservoirs in the complex tectonic provinces of South China was established. Finally, five key evaluation indices for commercial discovery of shale gas reservoirs were proposed. First, high quality shale is thicker than 20 m. Second, TOC is more than 2.0%. Third, the content of fragile minerals ranges from 40% to 70%. Fourth, shale gas content is higher than 2 m3/t and methane content is more than 90%. And fifth, reservoirs are usually over 3 km away from the opening faults and the denudation lines of target strata. It is concluded that Wufeng-Longmaxi shale reservoirs in Laifeng-Xianfeng Block reach these evaluation standards, presenting the potential for further exploration. On the other hand, however, Wufeng-Longmaxi reservoirs are not overpressure systems with shallower burial depth,which means a challenge to scale development and stable production at the late stage.

South China, Complex tectonic province; Well Laiye 1; Late Ordovician-Early Silurian; Shale gas; Evaluation index; Preservation conditions; Gas-bearing property; TOC

10.3787/j.issn.1000-0976.2016.08.004

國家科技重大專項(編號:2016ZX05025004-004)、國土資源部頁巖氣探礦權項目(編號:GT2012YQTKQCR0001)、中國華電集團公司重點項目"華電頁巖氣區塊產能建設目標優選及開發前期評價"(編號:HDKJ16-01-36).

李博,1968年生,高級工程師;主要從事油氣成藏與非常規油氣勘探開發研究工作.地址:(100160)北京市豐臺區汽車博物館東路6號華電產業園B座4層.ORCID: 0000-0002-2407-5192.E-mail: lib@cg.com.cn