渝東南盆緣轉換帶常壓頁巖氣地質特征及富集高產規律

何希鵬 何貴松 高玉巧 張培先 盧雙舫 萬靜雅

1.中國石化華東油氣分公司勘探開發研究院 2.中國石油大學（華東）非常規油氣與新能源研究院

0 引言

近年來，國內學者針對四川盆地及其周緣地區海相頁巖氣在沉積建造、儲層物性、保存條件、富集規律等方面開展了大量而深入的研究工作，逐漸形成了具中國特色的頁巖氣勘探開發理論體系，推動了頁巖氣工業的快速發展，先后發現了焦石壩、威遠、長寧—昭通等千億立方米級儲量規模的大型超壓頁巖氣田，逐步邁入了頁巖氣工業化、商業化開發階段[1-8]。

近期，在四川盆地東南部及其盆緣轉換帶（以下簡稱渝東南盆緣轉換帶）的南川、武隆等地區鉆探了多口預探井，小型微注壓裂測試地層壓力系數介于1.06～1.18，壓裂后測試日產氣量介于4.60×104～19.65×104m3，取得了常壓頁巖氣勘探重大突破。目前正在開展井組試驗，有望通過有利目標與甜點層段精細評價優選，低成本工程工藝技術攻關與集成應用，實現常壓頁巖氣效益開發。為此，筆者以渝東南盆緣轉換帶大量的地震、鉆井、測井、分析測試等資料為基礎，通過頁巖氣地質特征分析，與焦石壩區塊超壓頁巖氣對比，研究渝東南盆緣轉換帶常壓頁巖氣地質特點，總結頁巖氣富集高產的主控因素，建立常壓頁巖氣藏模式，明確不同模式頁巖氣的富集高產特征，以期進一步深化常壓頁巖氣富集高產地質理論，提高復雜構造區常壓頁巖氣勘探開發效果。

1 地質背景

渝東南盆緣轉換帶位于重慶市與貴州省交界的南川、彭水、武隆、道真等縣市，構造上處于四川盆地川東高陡構造帶和武陵褶皺帶西北緣（圖1），毗鄰焦石壩構造。該地區歷經加里東期、海西期、印支期、燕山—喜馬拉雅期等多期構造運動疊加改造[9-10]，以燕山—喜馬拉雅期作用影響最為強烈，奠定了以NE—SW向為主的向斜與背斜相間分布的槽—擋構造格局，形成了現今的構造形態。該地區頁巖氣勘探開發的目的層為上奧陶統五峰組—下志留統龍馬溪組，主要分布于殘留向斜，部分位于斜坡和背斜，鉆井揭示該地區頁巖氣處于超壓與常壓過渡帶，以常壓頁巖氣為主。

圖1 渝東南盆緣轉換帶構造位置圖

2 渝東南盆緣轉換帶頁巖氣地質特征

渝東南盆緣轉換帶常壓頁巖氣和焦石壩區塊超壓頁巖氣為中國南方頁巖氣勘探的兩種典型類型，兩者具有相似的沉積背景、不同的構造改造條件，在沉積建造、裂縫發育特征、頁巖氣賦存狀態、地應力、氣藏參數、生產特征等方面存在6大地質特點或差異（表1）。

表1 常壓頁巖氣與超壓頁巖氣地質特點對比表

2.1 優質頁巖厚度受水體深度和沉積微相控制，由北往南逐漸減薄

前期研究表明，深水陸棚相是頁巖氣富集的關鍵環境和物質基礎。五峰組和龍馬溪組沉積早期，受華南板塊擠壓，揚子板塊基底迅速下降，海平面迅速升高，揚子地區形成了一次較大的海侵，受川中古隆起、雪峰隆起、黔中隆起夾持，向北開口與秦嶺洋相通，中部為欠補償滯留海深水陸棚，呈“三隆夾一坳”沉積格局[11-15]。焦石壩地區處于深水陸棚沉積中心（圖2），優質頁巖厚度介于35～45 m，總有機碳含量（TOC）介于3%～4%，石英含量介于40%～50%，黏土礦物含量介于30%～40%；武隆地區優質頁巖厚度介于32～35 m，TOC介于4%～5%，石英含量大于55%，黏土礦物含量小于25%；彭水地區相對更靠近雪峰隆起，距離物源區較近，水體變淺，優質頁巖厚度介于24～32 m，TOC介于2%～3%，石英含量介于45%～55%，黏土礦物含量小于30%。由西北往東南，同處于深水陸棚相，但受水體深度和沉積微相影響，優質頁巖厚度變薄，黏土礦物含量減少，武隆地區有機質豐度高，石英含量高，黏土礦物含量低，為生烴中心。

2.2 構造改造作用較強、微裂縫更發育

渝東南盆緣轉換帶頁巖氣鉆井巖心觀察和FMI成像測井解釋結果表明，自東部的桑柘坪向斜向西部的東勝背斜，優質頁巖段裂縫發育程度和規模逐漸減小（圖3）。彭水地區桑柘坪向斜的五峰組見明顯的滑脫揉皺，白色方解石脈與黑色頁巖混雜在一起，發育大量不規則摩擦鏡面和擦痕，難以分辨頁理和紋層，龍馬溪組底部見3期裂縫交接切割，構造縫規模較大，方解石充填—半充填，裂縫密度約3.2 條/m。根據FMI成像測井統計，層理縫密度為54 層/m；武隆向斜裂縫也較發育，五峰組滑脫揉皺厚度減小，龍馬溪組底部構造縫密度為3.0 條/m，層理縫密度為54 層/m。南川地區金佛斷坡五峰組滑脫揉皺層僅厚0.1 m，龍馬溪組底部構造縫密度較彭水地區明顯減少，約1.9 條/m，層理縫密度為52 層/m；平橋背斜和東勝背斜的構造縫密度和層理縫密度進一步減小，構造縫密度分別為1.4 條/m和1.0 條/m，層理縫密度分別為42 層/m和40 層/m。裂縫發育程度與規模的差異，表明由東向西，構造改造作用逐漸減弱，具有遞進變形特征。彭水地區構造抬升早，持續時間長，抬升幅度大，應力釋放，流體壓力降低，導致構造縫更發育，層理縫開啟程度更高。

圖2 渝東南盆緣轉換帶五峰期—龍馬溪期沉積模式圖

圖3 渝東南盆緣轉換帶構造縫與層理縫發育情況對比圖

2.3 頁巖氣總含氣量相對較低、吸附氣占比高

渝東南盆緣轉換帶頁巖含氣量、游離氣占比與壓力系數有較強的相關性，壓力系數越大，含氣量越高，游離氣占比越大（圖4）。當壓力系數大于1.2時，含氣量介于4.6～5.5 m3/t，游離氣占比超過60%；壓力系數小于1.2的常壓頁巖氣，含氣量介于3.8～4.2 m3/t，游離氣占比為44%～58%，即總含氣量相對較低，吸附氣占比較高。

圖4 渝東南盆緣轉換帶地層壓力系數與含氣量、游離氣占比關系圖（圖中球體大小代表游離氣占比高低）

利用武隆向斜LY1井現場含氣量解吸氣體樣品，開展了不同時間段解吸氣甲烷碳同位素測定，結果表明碳同位素分餾效應明顯，隨著時間的推移，δ13C1由輕變重（圖5），表明在吸附氣不斷解吸過程中比重較輕的δ13C1優先解吸產出。該井水平井測試地層壓力系數1.08，利用試采期間采集的天然氣樣品，開展了不同時間段的甲烷碳同位素測定，同位素變化趨勢與現場解吸吻合較好（圖5），佐證常壓頁巖氣中以吸附氣狀態產出的比例在逐漸增加，產量遞減較慢。該井初期日產氣量為4.6×104m3，已生產2.5年，目前日產氣2.2×104～2.8×104m3，第1年遞減率29.8%，第2年遞減率18.3%，遞減率遠低于高壓頁巖氣藏。

圖5 武隆向斜LY1井現場解吸與水平井壓裂排采氣體甲烷碳同位素變化圖

2.4 目的層地應力相對較小，但兩向應力差異大

渝東南盆緣轉換帶受多期構造運動影響，經歷了大規模的擠壓、抬升、剝蝕，導致應力釋放，形成現今地應力小，兩向應力差異大。彭水—武隆地區水平地應力介于40～60 MPa，應力差異系數介于0.27～0.34；而盆內的焦石壩、東勝等構造水平地應力介于50～80 MPa，應力差異系數介于0.11～0.13（表 2）。

表2 渝東南盆緣轉換帶巖石力學參數及地應力統計表

2.5 地溫梯度低，地層壓力系數偏低

根據鉆井、測井、微壓測試等資料統計，彭水地區頁巖埋深介于2 000～3 500 m，地層壓力介于20～39 MPa，壓力系數介于0.9～1.2，地層溫度介于70～110 ℃，地溫梯度介于2.1～2.5℃/100 m；盆內焦石壩地區頁巖埋深與之相當，介于2 300～3 500 m，但地層壓力介于35～55 MPa，壓力系數為1.55，地層溫度介于85～120 ℃，地溫梯度介于2.6～3.0 ℃/100 m。彭水地區地溫梯度低，地層壓力系數低，表明地層能量和驅動力相對較弱，可能是頁巖氣井難以高產的重要原因。

2.6 頁巖氣初期產液量大，返排率高

武隆、彭水等地區常壓頁巖氣井壓裂后放噴測試，初期主要以排液為主，日產液量一般大于100 m3，隨著返排率不斷增加，產氣量不斷增加，達到產氣峰值周期相對較長，一般介于15～60天，峰值返排率超過15%[16]。焦石壩、平橋等超壓頁巖氣初期日產液較低，小于10 m3/d，達到峰值周期短，一般在5天以內，峰值返排率小于5%。

3 頁巖氣富集高產主控因素

近年來，眾多學者對我國南方海相頁巖氣，尤其是四川盆地及周緣五峰組—龍馬溪組頁巖氣富集規律及主控因素開展了大量研究，提出了“二元富集”規律、“三元富集”理論等成藏理論[17-19]。2016年，筆者在總結渝東南盆緣轉換帶常壓頁巖氣富集規律時，提出常壓頁巖氣富集主要受控于3個主要因素[2]：①深水陸棚相優質頁巖是頁巖氣富集的物質基礎；②良好的保存條件是富集的關鍵因素；③有機孔隙發育是頁巖氣高產的重要因素。隨著近兩年不斷地深化研究和勘探實踐，對富集高產主控因素有了進一步的認識，提出了“三因素控氣”認識：受深水陸棚相控制的富碳富硅富筆石優質頁巖是頁巖氣富集的基礎，有機孔隙是頁巖氣富集主要控制因素，構造應力場是頁巖氣高產的關鍵因素。

3.1 受深水陸棚相控制的富碳富硅富筆石優質頁巖是頁巖氣富集的基礎

渝東南盆緣轉換帶五峰組—龍馬溪組沉積時期，總體上水體由深變淺，由下而上可劃分為深水陸棚、半深水陸棚、淺水陸棚等3個沉積亞相，不同沉積亞相對頁巖氣各項評價指標具有明顯的控制作用。常量元素和微量元素分析表明，深水陸棚相具有高磷含量特征（表3），代表有機質來源豐富，生物繁榮程度和海洋古生產力高[20-21]；同時具有高鈾/釷、釩/鉻特征，說明為強還原沉積環境，有利于有機質的保存。地球化學、巖礦、物性、含氣性等分析測試亦表明深水陸棚控制下形成的優質頁巖，具有高有機質豐度、高脆性、高物性、高含氣性“四高”特征（表3），各項評價指標明顯優于半深水陸棚相灰黑色頁巖和淺水陸棚相深灰色粉砂質泥巖。

表3 武隆向斜五峰組—龍馬溪組沉積相劃分及指標對比表

根據巖礦、地球化學、電性、古生物等特征，將五峰組—龍馬溪組底部（龍一段）深水—半深水陸棚相頁巖進一步劃分為9個巖石相（沉積微相）（表4），其中TOC＞2%的有5個優質巖相，均處于深水陸棚亞相。

表4 武隆向斜五峰組—龍馬溪組沉積微相識別標志及微相劃分表

武隆向斜TOC＞4%的富碳富硅富筆石頁巖相分布在五峰組和龍馬溪組底部，形成于凱迪階和魯丹階早期的海侵體系域。其中凱迪階富碳富硅富筆石頁巖厚4.83 m，筆石豐度高，發育Dicellograptus complexus、Appendispinograptus venustus等代表深水環境的WF2—WF3帶筆石[22-23]，薄片下可見大量的放射蟲，具有高自然伽馬、中高電阻率、高聲波時差、低密度等電性特征，TOC介于4.1%～5.8%，鏡質體反射率（Ro）介于2.3%～2.7%，硅質含量介于62.8%～80.0%，黏土礦物含量介于10.2%～24.8%，見8層灰褐色斑脫巖。凱迪階上部發育0.37 m厚的赫南特階觀音橋段深灰色含介殼灰質泥巖，表明水體逐漸變淺，由深水頁巖相轉換為淺水碳酸鹽巖沉積，筆石動物群的分異度和豐度急劇減少，反應赫南特冰期全球海平面下降，引發武隆向斜筆石生物的大滅絕，具有低自然伽馬、高電阻、高密度、低聲波時差等電性特征。此后全球海平面上升，再次發生海侵，魯丹階筆石生物群開始復蘇，并加速演變，武隆向斜魯丹階灰黑色碳質硅質頁巖厚31.8 m，從LM1筆石帶特征分子Normalograptus mirnyensis到LM5帶筆石Coronograptus cyphus均有發育，巖心觀察發現魯丹階底部筆石生物可覆蓋巖心橫截面超過90%，可見筆石生物呈爆發式復蘇，預示著它們賴以生存的單細胞生物、藻類、菌類等食物鏈底層的生物多樣性和豐富度更大[24]；魯丹階灰黑色碳質硅質頁巖巖性較純，內部少見夾層，黃鐵礦主要呈團塊狀、星點狀分布，局部富集呈透鏡狀或層狀，頁理發育，薄片下硅質礦物含量高，以蛋白石、燧石等有機成因硅為主，硅質與泥質、有機質多呈均勻分布，局部呈紋層狀分布，魯丹階具有極高自然伽馬、高電阻率、高聲波時差、低密度特征，TOC介于2.0%～6.2%，有機質類型以腐泥型、偏腐泥混合型為主，為成烴的有利類型，具有較好的生烴潛力，硅質含量平均值為52.0%，黏土礦物含量平均值為25.4%；孔隙類型以納米級有機孔為主，占50%～70%，同時發育少量微裂隙、黏土礦物晶間孔、溶蝕孔、粒內微孔等無機孔隙。魯丹階后期開始緩慢海退，與埃隆階的分界以出現三角半耙筆石為標志，后者代表半深水—淺水陸棚沉積環境，礦物顆粒變粗、有機成因硅減少、陸源碎屑成因硅增多、黃鐵礦含量減少，具有由下而上自然伽馬、電阻率和TOC逐漸降低、密度逐漸增大的特征，TOC平均值為1.5%，硅質含量平均值為33.9%，黏土礦物含量平均值為46.0%。總體上，深水陸棚相控制下的富碳富硅富筆石頁巖電性上具有高自然伽馬、高電阻、高聲波時差、低密度的“三高一低”的電性特征，靜態指標上具有高生烴潛力、高孔隙度、高含氣性、高脆性、低黏土礦物含量的“四高一低”的特征，為頁巖氣的甜點層段，是頁巖氣富集的基礎。

3.2 有機孔隙是頁巖氣富集主要控制因素

3.2.1 有機孔隙是頁巖氣賦存的主要儲集空間

利用氬離子拋光—掃描電鏡、原子力顯微鏡、雙束聚焦離子與掃描電鏡、低溫CO2吸附＋N2吸附＋壓汞全孔徑聯合測試等技術，結合巖心觀察和薄片鑒定，渝東南盆緣轉換帶頁巖儲集空間以納米級基質孔隙為主，裂縫發育區裂縫孔隙也是重要組成部分。其中基質孔隙按照孔隙賦存位置與顆粒間關系，又可分為有機孔隙和無機孔隙。有機孔隙為有機質生烴和瀝青、原油裂解成氣過程中產生的孔隙，屬于次生成因；無機孔隙以原生成因為主，主要發育粒間孔、晶間孔、粒內孔、溶蝕孔等類型。

為了研究有機孔隙和無機孔隙對頁巖儲集空間的貢獻，利用渝東南盆緣轉換帶高TOC（3.8%）、低黏土礦物含量（29%）頁巖和低TOC（1.5%）、高黏土礦物含量（45%）頁巖分別開展了飽和油和飽和水核磁共振實驗，結合干樣品重量，以及樣品體積和密度等，計算出飽和水與飽和油時頁巖孔隙度。實驗采用110 ℃真空加熱，10 MPa飽和油、10 MPa飽和水。從飽和水、飽和油核磁共振T2譜分布可知，兩者存在重疊區域（紫色）（圖6），說明部分有機孔既表現親油性也具有親水性，而重疊區域之外的飽和水T2譜（綠色）主要反映親水性孔隙（無機孔）。根據頁巖自吸油和水頻譜特征，確定優質頁巖段有機孔隙比例變化范圍介于58%～78%，表明有機孔隙是頁巖氣賦存的主要儲集空間。同時，高TOC樣品的有機孔隙比例明顯高于低TOC的樣品，說明有機孔比例隨TOC含量增多（黏土礦物含量降低）而增大。

3.2.2 有機孔隙越發育，頁巖生烴潛力越強、物性和保存條件越好

3.2.2.1 有機碳和硅質含量越高，有機孔隙越發育，儲層孔隙度越高

渝東南盆緣轉換帶優質頁巖段樣品孔隙度、TOC、石英含量、比表面積相關性研究表明，頁巖TOC含量越高，儲層孔隙度越大，比表面積越大（圖7-a、b），同時孔隙度與石英含量也呈較好的正相關（圖7-c）。說明頁巖有機質含量越豐富，形成的有機孔隙越發育，儲層物性越好，游離氣含量越高，同時有機孔隙為頁巖提供了主要的比表面積，是吸附氣賦存的主要場所，有機孔隙越發育，頁巖的吸附能力越強。原子力顯微鏡觀察揭示有機質內孔隙呈“蟻巢狀”孔隙結構特征，具有非常好的連通性能，面孔率是氬離子拋光—掃描電鏡統計結果的4～5倍，揭示了高有機碳頁巖物性好的根本原因。孔隙度與石英含量的正相關關系，說明石英主要為有機成因，來自筆石、藻類、放射蟲、疑源類等生物骨架，有機成因石英含量越高，表明古生物越繁盛，原始沉積有機質含量越高，越利于有機孔隙形成。

圖6 不同頁巖樣品飽和油、飽和水核磁頻譜對比圖

圖7 孔隙度、比表面積與TOC及孔隙度與石英含量關系圖

3.2.2.2 熱演化程度適中、地層壓力越高，有機孔隙保存越好

為揭示有機質熱演化和壓實作用對有機孔隙形成與演化的影響，選取下揚子地區古近系阜寧組頁巖巖心開展熱模擬實驗，樣品的有機質豐度和礦物組成與五峰組—龍馬溪組優質頁巖較為接近，其TOC為2.15%，Ro為0.94%，石英含量為38.0%，黏土礦物含量49.0%，碳酸鹽礦物含量為4.8%，長石含量為6.0%。樣品分為8組，分別對應熱演化的8個階段，對應的模擬實驗溫度由200 ℃升至550 ℃，間隔50 ℃，模擬靜巖壓力由36 MPa升至78 MPa，間隔5 MPa，流體壓力由14 MPa升至22 MPa，間隔2 MPa。熱模擬實驗結果顯示：第1階段，有機孔隙較少，孔徑相對較小（0.9 μm×0.9 μm），圓度高（圖8-a）；第2階段，有機孔隙大量發育，孔徑變大（2.8 μm×2.6 μm），圓度高（圖8-b）；第3階段，有機孔隙發育，孔徑進一步變大（4.5 μm×1.0 μm），由于壓實作用增強，孔隙變形，呈橢圓形（圖8-c）；第4階段，有機孔隙發育，孔徑進一步變大（28.0 μm×4.0 μm），孔隙變形呈長條形（圖 8-d）；第 5 階段，有機孔隙不再增加，孔徑大幅度減小（4.0 μm×1.0 μm），呈橢圓形（圖8-e）；第6～8階段，有機孔隙持續減少，孔徑不斷減小，形狀由橢圓形變為不規則形，少量變為圓形（圖8-f～h）。實驗分析表明隨著熱成熟度增加，有機孔隙不斷增加，孔徑變大，但有機質抗壓性不斷降低；當處于過成熟晚期后，有機孔隙不再增加，隨著壓實作用的增大（模擬圍壓增大），有機孔開始大幅度減小；此后若保存條件好，儲層超壓，孔隙內部受氣體支撐，有機孔隙可以較好保存，儲層物性好，若保存條件差，氣體逸散，孔隙缺少氣體支撐，在壓實作用下孔隙不斷減小以致消失，儲層物性變差。

圖8 不同溫壓條件有機孔隙熱模擬實驗過程照片

利用氬離子拋光—掃描電鏡圖像定量化表征技術，開展了渝東南盆緣轉換帶不同目標樣品面孔率定量統計，結果顯示壓力系數高的樣品，有機孔隙發育，孔徑較大，面孔率較高，隨著壓力系數較低，面孔率逐漸減小（表5），與熱模擬實驗結果基本一致，表明地層壓力是影響高熱演化頁巖有機孔隙發育的關鍵因素，兩者呈正相關關系。

3.3 構造應力場是頁巖氣高產的關鍵因素

渝東南盆緣轉換帶主要受印支期以來，尤其是燕山期—喜馬拉雅期運動強烈擠壓作用影響，經歷了構造變形、抬升剝蝕、流體活動等多種方式的改造，表現出構造應力場在不同時期、不同地區、不同構造部位、不同深度差異較大。在不斷變化的古應力場作用下不僅形成了現今的褶皺組合樣式、構造格局、斷裂體系，還形成了與之伴生的天然縫網。天然裂縫不僅是頁巖氣運移的滲流通道，還是重要的儲集空間，其發育程度對頁巖氣儲集和保存具有重要影響，一方面裂縫發育可以改善儲層物性，提高孔隙度和滲透率，另一方面，如果儲層封閉條件差，裂縫發育可能進一步破壞頁巖氣保存條件，加快氣體逸散。渝東南盆緣轉換帶構造體系具有從東南部到西北部由強變弱的遞進變形特征[25]，反應古構造應力自東南向西北遞進減弱，在此背景下形成的天然裂縫發育程度也呈現遞進降低趨勢（前已述及）。渝東南盆緣轉換帶東部的桑柘坪向斜目的層四周已出露地表，巖心觀察和成像測井揭示天然裂縫十分發育，在烴濃度差驅使下，促進了頁巖氣大量向剝蝕區逸散，導致現今壓力系數較低（0.92～0.96），單井產量低。向斜核部隨著埋深增大、遠離剝蝕邊界、裂縫閉合，保存條件變好，壓力系數增高（1.0～1.08）。西部的平橋背斜為擠壓抬升作用下形成的北東向長軸斷背斜，東西翼受封閉性逆斷層夾持，南北端通過鞍部與相鄰構造相連，目的層未出露地表，整體保存條件較好，巖心資料和地震資料預測表明，靠近斷層的部位裂縫較為發育，單井日產氣量高（36.5×104～89.5×104m3），遠離斷層的部位裂縫相對發育少，單井日產氣量較高（18.4×104～ 34.3×104m3）。

表5 不同地層壓力系數下有機質內部面孔率統計表

頁巖氣藏由于低孔、特低滲的地質特點，需要人工體積壓裂改造形成網狀裂縫系統才能獲得工業氣流，體積改造程度決定了單井產量高低，而現今構造應力場是影響體積改造效果的關鍵因素。一方面，現今地應力大小及其差異影響地層的脆—塑性，決定裂縫起裂方式和壓裂施工難易程度，影響人造裂縫自支撐效果和改造體積。三軸應力的大小影響壓裂縫的類型，當垂向應力（σv）最大（σv＞σH＞σh，σH、σh分別表示最大、最小水平主應力）時，壓裂縫沿最大水平主應力方向擴展，產生垂向縫，壓裂效果相對較好；當垂向應力居中（σH＞σv＞σh）時，壓裂縫沿垂向主應力方向擴展一定程度，開啟水平層理縫，壓裂液容易大量濾失，阻礙了凈壓力的提高，裂縫寬度受限，加砂敏感，裂縫在縱向和向遠端延伸難度大。頁巖高溫高壓三軸應力模擬實驗表明，隨著圍壓增加，頁巖抗壓強度增加，塑性增大，形成復雜縫網難度增大。東勝背斜頁巖埋深約3 500 m，比平橋背斜深700 m，三軸應力比平橋背斜高20 MPa，壓裂施工難度大，破裂壓力介于90～110 MPa、施工壓力介于81～114 MPa、延伸壓力介于85～97 MPa、停泵壓力介于58～67 MPa，具有高破裂壓力和高停泵壓力梯度特點，G函數表明形成復雜縫網比例較低，測試日產氣量為14.36×104m3，約為平橋背斜平均測試產量的一半。兩向水平主應力差值或者差異系數對頁巖可壓性影響也十分明顯，差異系數越小，越利于形成復雜縫網；當差異系數大時，為克服兩向水平主應力差所需的縫內凈壓力也隨之增大，增加了壓裂施工難度，同時壓裂縫以主縫為主，較難形成網狀縫。另一方面，現今地應力方位可影響邊界斷層封閉性和壓裂縫延展。渝東南盆緣轉換帶及鄰區鉆井統計表明，當現今最大水平主應力與斷裂走向夾角介于45°～90°時，斷層及其伴生裂縫的現今封閉性較好，高產井的最大水平主應力大多與斷裂近乎垂直；當現今最大水平主應力與斷裂走向夾角為0°～45°時，斷層及其伴生裂縫的現今封閉性較差，低產井的現今最大水平主應力與斷裂斜交或近乎平行。另外，統計亦表明，水平井方位與最小水平主應力方位的夾角小于40°時，壓裂縫向四周延展易于形成復雜縫，儲層改造體積大，裂縫導流能力強，壓裂改造效果好，單井測試產量高。

綜上所述，古構造應力場決定了天然縫網的發育程度，天然縫可形成良好的裂縫孔隙、溝通基質孔隙，增強儲層滲流能力，改善頁巖儲集物性，影響頁巖氣儲集和保存；今構造應力場是影響體積改造效果的關鍵因素，三軸應力適中、地應力方位與水平井方位合適時，壓裂施工難度相對較低，易于溝通天然縫形成復雜縫網，儲層改造效果好，利于頁巖氣高產穩產。因此，構造應力場是頁巖氣高產的關鍵因素。

4 盆緣轉換帶頁巖氣藏富集高產模式

渝東南盆緣轉換帶先后經歷多期構造體制改造，構造演化與變形程度、地層抬升剝蝕時間與強度、頁巖氣聚集與逸散等有顯著差異。因此，形成的頁巖氣藏類型豐富多樣，不同類型頁巖氣藏富集規律亦有明顯不同。筆者通過對轉換帶分區研究、典型井解剖，結合壓裂實踐進行分類評價，依據頁巖氣聚集、逸散特點和構造樣式等，建立了背斜型、斜坡型、向斜型、逆斷層斷下盤型等4種頁巖氣藏模式。

4.1 背斜型頁巖氣藏

背斜型頁巖氣藏主要分布在四川盆地內，埋深一般介于2 500～5 000 m，盆外背斜目的層多已剝蝕。背斜型改造作用較弱，內部大規模斷裂相對不發育，保存條件較好，壓力系數高，在局部張應力環境下，天然微裂縫發育，微裂縫改善了頁巖儲集空間，提供了良好的滲流通道，頁巖氣從頁巖儲層納米孔中逸出，在天然裂隙空間內具有短距離運移聚集的特征，游離氣含量占比高。背斜軸部受縱彎作用影響，應力較強，表現為張性應力場特征，發育向上開口“V”形劈理縫，物性較好，壓裂時人造縫縱向延伸大，橫向延伸范圍小，體積改造難度大；背斜翼部發育伴生斷裂，地應力得到釋放，天然縫發育，壓裂時人工縫與天然縫交割溝通，易形成復雜縫網，改造體積大，更易高產。

平橋背斜屬背斜型頁巖氣藏（圖9），具有較好的頁巖氣富集高產地質條件，地層壓力系數為1.3。鉆井表明背斜軸部的JY195-5井發育“V”形劈理縫，總含氣量和游離氣占比較高，壓裂產生的橫向縫延伸受限，水平井壓裂施工中具有射孔壓降小（小于10.0 MPa）、破裂壓力高（平均值為80.9 MPa）、施工壓力高（平均值為75.0 MPa）、停泵壓力高（介于50.0～65.0 MPa）特征，單井測試日產氣量為22.0×104m3；背斜東翼的JY200-1井發育“E”形層間縫，壓裂表現為射孔壓降大（一般介于10～20 MPa）、破裂壓力低（平均值為57.1 MPa）、施工壓力低（平均值為59.5 MPa）、停泵壓力低（介于26.0～35.0 MPa）的特征，表明水力壓裂縫延伸遠，體積改造充分，形成了復雜縫網，單井測試日產氣量為 89.5×104m3。

4.2 斜坡型頁巖氣藏

斜坡型頁巖氣藏主要分布于盆緣轉換帶向四川盆地延伸部位，目的層一側出露地表，一側延伸至盆內。在地層抬升過程中，頁巖氣發生側向逸散，受頁巖非均質性、上翹方向斷層遮擋、離剝蝕邊界距離等控制，部分殘留于原地，保存條件相對較好，壓力系數中低，屬逸散滯留型成藏。地應力釋放，水平層理發育，裂縫以順層“E”形層間縫為主，壓裂縫易橫向延伸，縫高相對受限，產量中高。

圖9 平橋背斜型頁巖氣藏模式圖

圖10 金佛斷坡型頁巖氣藏模式圖

金佛斷坡屬典型的斜坡型頁巖氣藏。金佛斷坡北部通過鞍部與平橋背斜相連（圖10），南部向上翹起，目的層出露地表，在靠近出露區發育龍鳳場逆斷層，封閉性能較好，為勘探有利區。深部位的JY10井斷層不發育，順層裂隙發育，儲集和保存條件較好，總含氣量和游離氣占比比背斜區的JY194-3井、JY8井略低，壓裂施工難度較小，破裂壓力和施工壓力中等，微壓測試地層壓力系數1.18，測試日產氣量為19.6×104m3；斜坡淺部位距離剝蝕區近，抬升幅度大，上覆壓力卸載產生的微裂縫和構造變形產生的構造縫增多，頁巖氣逸散加劇，預測壓力系數偏低，產氣量相對較低。長寧構造的南北翼靠近剝蝕區部位也屬典型的斜坡型頁巖氣藏，斜坡深部位的YS111井區地層壓力系數1.62，斜坡淺部位的YS106井區地層壓力系數1.0[26]。

4.3 向斜型頁巖氣藏

向斜型頁巖氣藏在盆內、盆外均有分布，但埋深、物性、保存等地質條件差異大，可分為盆內原地向斜型和盆外殘留向斜型兩種模式。

盆內原地向斜型頁巖氣藏目的層埋藏深度大，頁巖氣大部分滯留原地富集，壓力系數一般大于1.2；頁巖埋深一般超過3 500 m，地應力集中，儲層偏塑性，天然微裂縫發育少；壓裂施工壓力和停泵壓力較高，在目前工藝技術條件下較難形成復雜網縫。盆內廣泛分布的深層頁巖由于埋深大，面臨高溫、高地應力、高閉合壓力等地質難點，呈現高破裂壓力、高施工壓力、高停泵壓力的“三高特點”，提高深層頁巖氣壓裂工藝技術實現高產穩產，是有效動用深層原地型頁巖氣資源的關鍵。

殘留向斜型頁巖氣藏是渝東南盆緣轉換帶頁巖氣勘探主要類型，分布在盆地外，大多數目的層四周出露地表，頁巖氣發生較長時期的順層擴散和滲流，具有向斜中心富集特點，吸附氣比游離氣含量高。向斜整體發生過大規模抬升，埋深較盆內淺，由于受擠壓應力作用，核部發育向下開口的倒“V”形微裂縫，物性較好，壓裂時人造縫橫向延伸受限，增大了壓裂形成復雜縫網難度；在地層抬升過程中，向斜翼部應力釋放，水平縫發育，層理縫開啟，頁巖氣容易逸散；壓力系數較低，資源豐度中等—低，單井產量較低。渝東南轉換帶桑柘坪向斜為典型代表，該向斜由翼部向核部鉆探的3口井表明，距離出露區越遠、埋深越大，單井壓力系數越大，測試產量越高，同時壓裂施工難度增大，破裂壓力和施工壓力增高（圖11）。

4.4 逆斷層斷下盤型頁巖氣藏

逆斷層斷下盤型頁巖氣藏在盆緣和盆外殘留向斜中均有發育，下盤目的層與上盤致密隔層對接，受逆斷層側向封堵，頁巖氣滯留于斷下盤；渝東南盆緣轉換帶的逆斷層斷下盤經歷燕山早期NW—SE向擠壓和燕山晚期SN向走滑作用，形成多期天然縫網交切切割，發育“X”形剪節理，物性較好，利于壓裂形成復雜網縫，但頁巖氣保存條件存在一定風險。道真向斜斷下盤為典型代表（圖12），頁巖埋深介于2 000～3 400 m，受斷層遮擋，頁巖氣橫向運移減弱，滯留成藏，頁巖氣富集程度有待鉆井進一步證實。

5 結論

圖11 桑柘坪殘留向斜型頁巖氣藏模式圖

圖12 道真向斜斷下盤型頁巖氣藏模式圖

1）渝東南盆緣轉換帶處于超壓與常壓過渡帶，以常壓為主，與焦石壩區塊超壓頁巖氣相比，該地區具有優質頁巖厚度減薄、有機孔隙偏低、微裂縫更發育、吸附氣占比高、兩向應力差異大、地溫梯度低、地層壓力系數低、初期產液量大、返排率高等地質特點。

2）頁巖氣富集高產主要受“三因素”控制：深水陸棚相控制的富碳硅質富筆石頁巖是頁巖氣富集的基礎；有機孔隙是頁巖氣富集主要控制因素；構造應力場是頁巖氣高產的關鍵因素。

3）根據構造樣式、試采特征等，建立了背斜型、斜坡型、向斜型、逆斷層斷下盤型等4種頁巖氣藏模式。其中背斜型具有短距離運移富集成藏特征，單井日產氣量高；斜坡型為逸散滯留成藏，單井日產氣量較高；向斜型在盆內、盆外均有分布，單井日產氣量介于中等—較低；逆斷層斷下盤型為斷層遮擋富集成藏，有利于壓裂形成復雜網縫。