湖相頁巖油氣富集主控因素與勘探潛力
——以四川盆地涪陵地區侏羅系為例

胡東風 魏志紅 劉若冰 魏祥峰 陳斐然 劉珠江

中國石化勘探分公司

0 引言

近年來，我國在不同層系、不同領域的頁巖油氣勘探開發取得積極進展[1-3]，其中，四川盆地及周緣上奧陶統五峰組—下志留統龍馬溪組海相頁巖氣已實現了商業性開發[4-5]；湖相頁巖油氣勘探開發工作從2010年開始起步，主要集中在四川盆地侏羅系和鄂爾多斯盆地三疊系，多口鉆井獲得了工業氣流，但尚未實現規模性商業開發[6-8]。

2010—2013年，中國石油化工股份有限公司（以下簡稱中國石化）針對四川盆地元壩地區和涪陵地區北部下侏羅統自流井組大安寨段、建南地區下侏羅統自流井組東岳廟段等目標開展了油氣勘探評價，并取得積極進展[9-14]。目前，在前期的勘探生產實踐過程中，四川盆地多口井在侏羅系湖相頁巖層段鉆遇良好的油氣顯示，且多口兼探井在侏羅系湖相頁巖層段測試獲中—高產工業氣流，展現了良好的勘探前景。2021年1月，中國石化在四川盆地涪陵北部拔山寺向斜針對中侏羅統涼高山組實施的第一口頁巖油氣探井——泰頁1井，通過水平井鉆井及分段壓裂測試，獲得日產天然氣7.5×104m3、日產原油9.8 m3，實現了涼高山組湖相頁巖油氣勘探重大突破，極大地增強了湖相頁巖油氣商業開發的信心[15]。

湖相頁巖氣發育層系多，分布區塊較廣，勘探潛力大，但是目前仍然面臨著賦存機理和富集主控因素不清等問題。筆者通過對富集主控因素的研究，明確涪陵地區湖相頁巖油氣勘探開發潛力，優選有利勘探目標，以期推進四川盆地湖相頁巖油氣的勘探開發進程、實現湖相頁巖油氣高效規模開發。

1 區域地質背景

涪陵地區隸屬川東高陡構造帶，受龍門山、齊岳山斷裂的影響，構造呈現北東向展布的格局，發育一系列北東—南西向延伸的隔檔式分布的大型復背斜和復向斜（圖1）。涪陵地區發育晚震旦世至侏羅紀地層，除晚志留世到早石炭世地層外，各時代地層發育齊全。受四川盆地侏羅系3次大規模湖侵影響，涪陵地區沉積發育下侏羅統自流井組東岳廟段、大安寨段及中侏羅統涼高山組3套富有機質頁巖[16]。

涪陵地區涼高山組主要為湖泊—三角洲沉積，根據巖性變化及組合特征自下而上劃分為3段8小層（圖1）。涪陵地區涼高山組經歷了一次完整的湖侵—湖退旋回。從涼一段開始，持續湖侵，在涼二段早期達到了最大湖泛期，對應④小層，發育以半深湖相為主的黑色頁巖，頁巖品質較好，此后開始湖退。涪陵地區涼高山組富有機質泥巖和頁巖主要集中在②～④小層，巖性主要以灰黑色泥巖和頁巖為主，夾少量粉砂巖、細砂巖。

圖1 涪陵地區構造劃分與泰頁1井地質綜合柱狀圖

2 頁巖油氣成藏地質條件

泰頁1井巖心觀察揭示，涼高山組暗色泥巖和頁巖主要發育在涼一段上—涼二段下，即②～④小層，3個小層之間被厚度介于3～5 m的致密泥質粉砂巖或粉砂巖分隔，其中④小層頁巖連續厚度最大（25.20 m）。

有機地球化學分析結果顯示，④小層富有機質頁巖總體表現出厚度大、有機質豐度較高、有機質熱演化程度適中的特征。其中，總有機碳含量（TOC）介于0.47%～3.06%，平均值為1.56%，明顯比②小層、③小層高；有機質顯微組分主要為殼質組和鏡質組，有機質類型為混合型；鏡質組反射率（Ro）介于1.29%～1.43%，平均值為1.34%，處于成熟—高成熟演化階段。

④小層富有機質頁巖黏土礦物含量平均值為48.9%；長英質含量平均值為40.3%；碳酸鹽巖礦物含量平均值為3.43%；其中黏土礦物中伊蒙混層含量較高，平均值為47.24%，混層比介于20%～30%；總體具有低石英、高黏土礦物含量的特征。

④小層富有機質頁巖相對于其他小層，具有孔隙度高、含氣性好的特征，測井解釋平均孔隙度為3.52%，平均含氣量為1.81 m3/t；②、③小層孔隙度及含氣量較低，孔隙度分別為2.90%、3.05%，平均含氣量分別為0.48 m3/t、1.28 m3/t（圖1）。頁巖儲集空間類型以無機孔（黏土礦物孔）為主，有機質孔局部發育，微裂縫是重要儲集空間，多表現為水平頁理縫、粒緣縫及黏土礦物收縮縫，具有典型湖相頁巖微觀孔隙結構特征（圖2）。

圖2 涪陵地區涼高山組泥頁巖儲層孔隙特征照片

綜上所述，④小層富有機質頁巖厚度較大，相對②、③小層表現出TOC、孔隙度、黏土礦物含量及含氣量均較高的特征，為典型的半深湖相優質頁巖，為陸相頁巖油氣富集提供了物質基礎（表1）。

表1 涪陵地區泰頁1井涼高山組泥頁巖主要參數表

3 湖相頁巖油氣富集主控因素

3.1 半深湖相優質頁巖具有高TOC、高孔隙度、高含氣量的特征，是頁巖油氣富集的基礎

借鑒經典的頁巖氣“二元富集”理論，優質的烴源巖是頁巖氣富集高產的物質基礎[17]。前期研究認識到湖相富有機質頁巖發育受沉積相帶控制明顯，平面分布非均質性較強[18]。

從沉積過程來看，湖盆沉積水動力條件所產生的機械和化學分異作用，制約著陸源碎屑及有機質的遷移和聚集。一方面體現在巖性組合上，濱湖—淺湖—半深湖，砂質含量逐漸降低，黏土礦物含量逐漸增加（圖3-a）；另一方面陸源母質的富集常具有明顯的分帶性，其中濱湖三角洲相主要富集惰質組和鏡質組，淺湖及半深湖相多受重力流沉積體系控制富集殼質組，深湖相則主要富集超顯微組分[19]。

受陸源碎屑及生烴母質的差異控制，不同相帶頁巖品質存在較大差異，其中半深湖相—深湖相頁巖TOC、孔隙度、含氣量均高于濱湖相、淺湖相頁巖（圖3-b），具備形成大量頁巖油氣富集的物質基礎及儲集空間。另外，綜合現場含氣量測試、巖性掃描及電成像測井等特殊測井解釋結果，泰頁1井涼高山組不同巖性段孔隙度和含氣性差異較大，總體表現為TOC高的暗色泥巖和頁巖孔隙度、含氣量最高，TOC低的粉砂質泥巖、粉砂巖、細砂巖的物性和含氣性則相對較差（圖3-c）。

圖3 涪陵地區湖相沉積特征圖

3.2 發育大型寬緩向斜、保存條件好，是富集高產的關鍵

涪陵地區位于典型川東高陡構造帶隔檔式構造區帶，呈“三隆兩凹”構造格局（圖1），其中黃泥塘背斜、茍家場背斜為高陡背斜，翼部地層傾角較大，介于10°～30°；拔山寺向斜（寬度介于8～20 km）、梁平向斜（寬度為13 km）寬緩，斷層欠發育，地層傾角小，多介于1°～2°。

研究區縱向上以滑脫層為界，可分為上構造層（侏羅系—下三疊統嘉陵江組）、中構造層（二疊系—寒武系）和下構造層（震旦系—基底）。其中，侏羅系湖相頁巖埋藏較淺，屬于上構造層。上構造層的變形較為簡單，受構造運動改造的影響主要表現為：①晚燕山期時（距今約70 Ma），受雪峰山推覆以及川中古陸回彈的影響，涪陵地區開始發育北東走向的三級斷層，該級斷層主要控制了高陡背斜區的隆起，導致目標層接受長期剝蝕，早期形成的保存單元遭到破壞；②喜馬拉雅期時（距今約30 Ma），涪陵地區在三級斷裂的控制下繼續隆升，受大巴山擠壓的影響，局部地區形成北西走向的層間小斷層；③越遠離剝蝕區，三級斷層對地層變形的控制就越小，一般剝蝕區的距離大于4 km時，主控斷層的影響可以忽略不計。因此，涪陵地區寬緩向斜地帶頁巖油氣保存條件幾乎不受斷層的影響。

前人的研究結果表明，頁巖測試產氣量與壓力系數具有一定的正相關性，超壓為頁巖氣的高產提供了充足的能量[20-21]。地層壓力實測發現，涪陵地區多口井涼高山組和自流井組的壓力系數大于1.20，如泰頁1井涼二段地層壓力系數為1.20，涪頁10井東岳廟段壓力系數達1.75，福石1井大安寨段壓力系數為1.38。這些井區有一個共同的特點：地層傾角小于10°，距離剝蝕區的距離大于4 km。由此可見，地層抬升幅度小，距離剝蝕區越遠，含氣量越高。拔山寺向斜和梁平向斜為大型寬緩向斜，地層抬升剝蝕小，構造平緩穩定，具備良好的保存條件。

3.3 涼高山組湖相頁巖微裂縫普遍發育，有利于頁巖油氣富集及后期壓裂改造

前期關于微裂縫對于頁巖油氣富集成藏及壓裂改造的影響研究較少，且主要集中在海相頁巖氣領域[22-23]。對湖相頁巖微裂縫發育特征、形成機制及其對壓裂改造作用的影響仍缺乏研究。

筆者從宏觀與微觀兩方面詳細刻畫湖相頁巖微裂縫發育特征。通過對泰頁1井涼高山組系統取心與詳細的巖心描述，發現該地區涼高山組高角度縫普遍發育，且在頁巖段見豐富水平頁理縫；結合高分辨率掃描電鏡及高壓壓汞—氮氣吸附聯合實驗，進一步明確微觀裂縫主要以水平頁理縫、粒緣縫及黏土礦物收縮縫為主，微裂縫寬度介于100～10 000 nm，分布范圍較廣。同時，與五峰組—龍馬溪組海相頁巖相比，涼高山組湖相頁巖大孔（大于50 nm）占比明顯較高，可達到31%，究其原因是：一方面湖相頁巖大于50 nm的粒間孔較多，另一方面主要受微裂縫相對較發育影響，導致大孔占比較高（圖4）。利用微米CT、全視域薄片及圖像法統計面孔率等多種方法，通過在多個視域人工識別微裂縫，分別統計陸相頁巖總孔隙度與裂縫孔隙度，得到微裂縫約占總孔體積20%。微裂縫發育不僅增加了儲集空間，而且縱橫向溝通了無機孔隙和有機孔隙，有利于陸相頁巖油氣富集[12-15]。

圖4 涪陵地區泰頁1井涼二段頁巖孔徑分布圖

通過系統分析湖相頁巖微裂縫發育控制因素，認為主要受構造與巖性兩方面因素影響。首先，構造因素又可分為區域構造運動與局部構造位置兩方面，從區域構造運動背景來看，泰頁1井位于川東高陡構造帶拔山寺向斜南部，受大巴山、雪峰山隆起推覆及四川盆地反沖作用3個方向構造應力的影響，整體構造變形作用較強；另一方面該井位于向斜東翼，受構造作用影響較大，抬升幅度高，因此易產生微裂縫。而涪陸1井位于拔山寺向斜核部，受構造作用影響較小，抬升幅度相對較低，微裂縫相對欠發育。其次，在相同的構造運動背景下，對比泰來601井不同層段微裂縫發育特征，涼高山組相對東岳廟段微裂縫明顯更發育，東岳廟段泥巖和頁巖黏土礦物含量較高（達56.5%），更偏塑性，局部可見少量層間滑脫面，高角度構造成因微裂縫相對欠發育。

另外，為了深入探討微裂縫對壓裂改造作用的影響，筆者將泰頁1井與涪頁10井的壓裂施工情況及改造效果方面進行了詳細對比研究，發現涪頁10井位于拔山寺向斜北部中心位置，構造變形作用相對較弱，受構造運動及巖性的影響，東岳廟段一亞段目的層頁巖巖心及掃描電鏡觀察發現微裂縫欠發育。在目的層埋深及壓裂改造工藝基本相同的條件下，泰頁1井加砂量、加砂強度及綜合砂液比相對涪頁10井高，受微裂縫發育程度及巖性特征影響，泰頁1井目的層改造體積達2 737×104m3，加砂改造效果較好，為該井頁巖油氣效益開發奠定了基礎（表2）。

表2 泰頁1井與涪頁10井壓裂施工參數對比表

4 涼高山組湖相頁巖油氣勘探潛力

4.1 優質頁巖大面積展布，埋深適中，勘探潛力大

泰頁1井等鉆井揭示涼高山組優質頁巖單層厚度多大于20 m，TOC平均值大于1.5%，展布面積大于2 000 km2（圖5）；有機質類型以混合型為主，生烴潛力好；Ro多大于1.3%，已進入高成熟階段。頁巖中無機孔與有機質孔均較發育，微裂縫為重要儲集空間，測井解釋孔隙度基本大于3.5%。

圖5 涪陵地區涼二段④小層優質頁巖厚度與沉積相、TOC疊合厚度圖

研究區整體位于向斜核部，地層平緩，壓力系數高，保存條件好；現場浸水實驗測試顯示氣泡密集、含氣性好。綜合分析認為，研究區涼高山組頁巖單層厚度大，頁巖品質好且地層埋深適中，多介于2 000～2 800 m，勘探有利區面積為1 200 km2，初步評價頁巖氣資源量為1 922×108m3、頁巖油資源量為2 800×104t，勘探潛力較大。

4.2 適中的熱演化程度及微裂縫發育有利于頁巖油氣產出

前期勘探實踐表明，研究區湖相頁巖成熟度相對海相頁巖較低，油氣相態及流體性質相對海相頁巖復雜，有效開發及高效動用是湖相頁巖油氣能否獲得高產并實現商業開發的關鍵，而頁巖油氣自身的可流動性及頁巖氣儲層的滲透性特征對開發起到至關重要的作用[24-30]。

涪陵地區涼高山組頁巖實測Ro主要介于1.20%～1.50%，泰頁1井凉二段④小層優質頁巖層段實測Ro平均值為1.34%，處于高成熟階段；地層流體壓力—溫度模擬計算分析地層壓力（pf）為31.45 MPa，露點壓力（pd）為 27.54 MPa，20 ℃條件下測定原油密度為0.776 8 g/mL，氣油比達6 917 m3/m3，主要為近臨界態凝析氣兼揮發性輕質油藏，流動性較好，有利于后期流動和產出（圖6）。

圖6 涪陵地區泰頁1井涼二段地層流體壓力—溫度相圖

同時，受構造運動及巖性的影響，涪陵地區涼高山組頁巖發育層段微裂縫普遍發育，結合前文分析結果認為，微裂縫發育對頁巖油氣富集成藏及高效開發主要存在3個方面的有利作用：①微裂縫明顯增加了頁巖大孔徑儲集空間占比，且有利于微納米級無機孔與有機孔溝通，有利于頁巖油氣富集成藏；②微裂縫發育在一定程度上對增強頁巖壓裂改造效果起到了積極作用；③在頁巖油氣排采階段，相對大孔徑微裂縫發育的頁巖滲透性明顯提升，有利于頁巖油氣流動和產出。

目前，我國已在湖相頁巖氣儲層壓裂縫網形成機理、分段多簇壓裂技術等方面的技術方法上有一些探索，壓裂工藝技術不斷改進完善[31-32]。因此，在研究區埋深適中（2 000～2 800 m）的涼高山組湖相頁巖油氣領域，有望實現頁巖氣高產并實現商業開發。

5 結論

1）四川盆地涪陵地區涼高山組二段④小層半深湖相富有機質頁巖具備良好頁巖油氣成藏條件，單層厚度大，TOC、孔隙度及含氣量較高，泰頁1井在該層段獲得高產工業油氣流取得了四川盆地侏羅系湖相頁巖油氣重大突破。

2）侏羅系頁巖油氣富集高產主控因素為：半深湖相優質頁巖具有高TOC、高孔隙度、高含氣量的特征，是頁巖油氣富集的基礎；發育大型寬緩向斜、保存條件好，是富集高產的關鍵；湖相頁巖微裂縫發育，有利于頁巖油氣富集與后期壓裂改造。

3）涪陵地區涼高山組湖相頁巖氣資源量為1 922×108m3、頁巖油資源量為2 800×104t，頁巖油氣勘探潛力較大，是下一步油氣增儲上產的重要領域。