渝頁(yè)1井地質(zhì)背景及鉆探效果

摘 要

摘要：我國(guó)南方海相頁(yè)巖分布廣、厚度大，有機(jī)質(zhì)豐度高、熱演化程度高，由于地質(zhì)及地形條件復(fù)雜、含氣性變化大，頁(yè)巖氣資源潛力有待查明。位于重慶市彭水縣境內(nèi)的頁(yè)巖氣取心井&mdash
摘要：我國(guó)南方海相頁(yè)巖分布廣、厚度大，有機(jī)質(zhì)豐度高、熱演化程度高，由于地質(zhì)及地形條件復(fù)雜、含氣性變化大，頁(yè)巖氣資源潛力有待查明。位于重慶市彭水縣境內(nèi)的頁(yè)巖氣取心井——渝頁(yè)1井揭示了高陡構(gòu)造帶上黑色頁(yè)巖及其中的含氣特點(diǎn)。該井鉆揭下志留統(tǒng)龍馬溪組黑色頁(yè)巖層系地層厚度為225.78m(未穿)。實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果表明：該井龍馬溪組黑色頁(yè)巖具有有利的頁(yè)巖氣成藏條件及典型的淺層頁(yè)巖氣特點(diǎn)，有機(jī)碳含量平均達(dá)到了3.7%，有機(jī)質(zhì)成熟度(Ro)平均為2.04%。黑色頁(yè)巖中裂縫及微孔隙發(fā)育，儲(chǔ)集空間包括了黏土礦物粒間微孔隙、頁(yè)理間孔隙、溶蝕孔隙、成巖微裂縫及構(gòu)造裂縫等。實(shí)驗(yàn)計(jì)算龍馬溪組黑色頁(yè)巖含氣量介于1.0～3.0m3/t。研究表明，渝頁(yè)1井所揭示的下志留統(tǒng)龍馬溪組和上奧陶統(tǒng)五峰組暗色頁(yè)巖分布廣泛，頁(yè)巖氣資源潛力大。
關(guān)鍵詞：渝東南高陡構(gòu)造區(qū)；頁(yè)巖氣；渝頁(yè)1井；地質(zhì)背景；鉆探效果；含氣性；資源潛力
    由于吸附作用機(jī)理的存在以及頁(yè)巖超低滲透的特點(diǎn)，頁(yè)巖氣具有較之常規(guī)儲(chǔ)層氣更強(qiáng)的抗構(gòu)造破壞能力。這一特點(diǎn)使原來(lái)僅限于傳統(tǒng)盆地內(nèi)的油氣勘探范圍擴(kuò)大到了殘留的黑色頁(yè)巖淺埋區(qū)，極大地增加了油氣勘探范圍和領(lǐng)域，頁(yè)巖氣富集區(qū)有可能是南方油氣勘探的重要領(lǐng)域[1]。南方海相頁(yè)巖沉積厚度及分布面積大、有機(jī)質(zhì)含量及成熟度高，但形成時(shí)間長(zhǎng)、地質(zhì)演化歷史復(fù)雜，現(xiàn)今的含氣性變化大，頁(yè)巖氣資源潛力有待查明[2]。位于渝東南高陡構(gòu)造區(qū)的渝頁(yè)1井揭示了下志留統(tǒng)龍馬溪組的黑色頁(yè)巖及其含氣性，為揚(yáng)子板塊重點(diǎn)目標(biāo)區(qū)頁(yè)巖氣評(píng)價(jià)提供了參數(shù)依據(jù)。
1 區(qū)域地質(zhì)背景
    在早古生代和晚古生代時(shí)期，揚(yáng)子板塊經(jīng)歷了多次大規(guī)模海侵事件，形成了以下寒武統(tǒng)、上奧陶統(tǒng)下志留統(tǒng)、下二疊統(tǒng)、上二疊統(tǒng)等為代表的8套黑色頁(yè)巖(文玲等[3]；馬力等，2004)。其中，下志留統(tǒng)龍馬溪組黑色頁(yè)巖與上奧陶統(tǒng)五峰組黑色頁(yè)巖均為筆石相，具相似的生態(tài)環(huán)境[4]，是揚(yáng)子板塊，特別是四川盆地及其周緣地區(qū)重要的烴源巖[5]。該套頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)豐度大，演化成熟度高，是頁(yè)巖氣富集的有利層系[6]。
    位于七曜山基底斷裂帶(四川盆地東界)以東的渝東南地區(qū)是上揚(yáng)子板塊的重要組成部分(圖1)，具有地層抬升較高、構(gòu)造擠壓強(qiáng)烈、高陡構(gòu)造發(fā)育等特點(diǎn)。區(qū)內(nèi)背、向斜構(gòu)造平行排列，褶皺軸部走向大致呈北東南西向延伸(30°～45°)，兩翼傾角陡傾且基本對(duì)稱(chēng)，伴生其中的核部斷裂傾角較大，一般為35°～75°。從北西向南東方向，渝東南區(qū)域構(gòu)造格局在不足200km的范圍內(nèi)從隔檔式褶皺逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楦舨凼今薨?，表明了下古生界海相黑色?yè)巖分布的復(fù)雜特征[5～8]，是揚(yáng)子板塊剝蝕區(qū)的典型代表。

    在渝東南地區(qū)，區(qū)域地層均為沉積巖且以古生界海相沉積產(chǎn)物為主，出露地層主要有寒武系、奧陶系、志留系、泥盆系及二疊系等，其他層系較薄或缺失。其上可有不同程度的三疊系及第四系等地層覆蓋。區(qū)內(nèi)出露的志留系在平面上主要分布于渝東南地區(qū)的西北部，在剖面上對(duì)應(yīng)為羅惹坪組(S2lr)及龍馬溪組(S1lm)。其中的龍馬溪組黑色頁(yè)巖位于志留系底部，屬于深水陸棚沉積。龍馬溪組又可分為上、下兩段。其中，上段厚度介于200～300m，主要為一套灰綠色、黃綠色粉砂巖、粉砂質(zhì)頁(yè)巖或頁(yè)巖，可為泥質(zhì)或鈣質(zhì)膠結(jié)，通常具層紋狀結(jié)構(gòu)或發(fā)育波痕，多產(chǎn)筆石。下段厚度介于250～350m并以頁(yè)巖為主，局部可夾泥質(zhì)或鈣質(zhì)膠結(jié)的粉砂巖、粉砂質(zhì)頁(yè)巖、泥質(zhì)灰?guī)r及石英巖狀粉砂巖等，上部主要表現(xiàn)為黃綠色調(diào)，偶見(jiàn)泥質(zhì)膠結(jié)的粉砂巖，下部主要為黑色、灰黑色調(diào)，局部含鐵質(zhì)重晶石結(jié)核；該段產(chǎn)出多種筆石化石，向下與產(chǎn)出腕足類(lèi)化石、厚度較薄的上奧陶統(tǒng)觀音橋組黑色頁(yè)巖呈整合接觸關(guān)系。繼續(xù)向下，還連續(xù)發(fā)育了厚度接近20m的上奧陶統(tǒng)五峰組黑色頁(yè)巖。
2 渝頁(yè)1井鉆探實(shí)施
    渝頁(yè)1井位于七曜山東部，該處沿北北東走向的群山連綿起伏，形成了與地質(zhì)構(gòu)造特點(diǎn)大體一致的地理景觀。由于構(gòu)造斷裂、剝蝕風(fēng)化及徑流沖刷等地質(zhì)作用，背斜核部常表現(xiàn)為溝、槽、谷等地形特征，與向斜核部在地表上的峰、嶺、脊等地形特征形成明顯對(duì)比。由于北東-南西和北西-南東方向的兩組斷裂在該地區(qū)同時(shí)發(fā)育，故地質(zhì)、地貌特征變化復(fù)雜。渝頁(yè)1井位于重慶市彭水縣連湖鎮(zhèn)北西西290°方位2～3km的曹家溝，屬連湖鎮(zhèn)樂(lè)地壩村所轄。區(qū)內(nèi)地形為北西高南東低，溝壑縱橫，相對(duì)高差1000m左右，其中渝頁(yè)1井位于山間河流切割沖刷所形成的“V”字形溝槽中(圖2)。
 

    渝頁(yè)1井在構(gòu)造上位于鍋廠壩背斜的核部，具有地層厚度大、埋藏深度小、垂直裂縫發(fā)育等特點(diǎn)。該背斜的核部主要出露了中、下志留統(tǒng)，平面上表現(xiàn)為線狀展布特點(diǎn)。其兩翼地層在剖面上表現(xiàn)為不對(duì)稱(chēng)特點(diǎn)且北西陡南東緩，北西翼地層傾角36°～58°，南東翼22°～45°。背斜的軸面近于直立，翼部及核部均可見(jiàn)復(fù)雜揉皺。
    根據(jù)周邊露頭(重慶市彭水縣高谷鎮(zhèn)、石柱縣新樂(lè)鄉(xiāng)、南川區(qū)金佛山北坡、黔江區(qū)白石鄉(xiāng)和彭水縣白溪鄉(xiāng)等)資料推測(cè)，渝頁(yè)1井處龍馬溪組黑色頁(yè)巖厚度不應(yīng)小于80m。具有黑色頁(yè)巖地層分布廣、單層厚度大、埋藏深度淺(背斜核部出露龍馬溪組上段地層，根據(jù)周邊露頭預(yù)測(cè)鉆深百米可見(jiàn)黑色頁(yè)巖)、地層垂向裂縫發(fā)育(北東和北西向兩組斷裂交叉處)、地形相對(duì)有利等優(yōu)點(diǎn)。特別是，頁(yè)巖主體目的層(下志留統(tǒng)龍馬溪組、上奧陶統(tǒng)觀音橋組、五峰組及臨湘組夾層等)下伏的中上奧陶統(tǒng)(上奧陶統(tǒng)臨湘組、中奧陶統(tǒng)寶塔組、十鋪?zhàn)纸M)發(fā)育了數(shù)十米厚的裂紋灰?guī)r及瘤狀泥質(zhì)灰?guī)r，地表露頭中的溶蝕孔洞發(fā)育，很有可能是游離氣聚集的有利目標(biāo)。因此，主要基于目的層埋藏深度等因素考慮，位于鍋廠壩背斜核部的曹家溝是最有利的鉆探目標(biāo)。
    根據(jù)200m井深的總體要求，渝頁(yè)1井井位選擇在鍋廠壩背斜核部的曹家溝，井口海拔為602m。該井地質(zhì)設(shè)計(jì)為垂直取心井，設(shè)計(jì)鉆揭目的層系為龍馬溪組及上奧陶統(tǒng)黑色頁(yè)巖，完鉆層位為寶塔組石灰?guī)r。渝頁(yè)1井開(kāi)始鉆探于2009年11月22日，經(jīng)過(guò)50d的工程施工，于2010年1月11日在325.48m井深處裸眼完鉆。在采用XY-4型鉆機(jī)鉆進(jìn)時(shí)，先后選用了合金鉆頭、電鍍金剛石鉆頭、孕鑲金剛石鉆頭及復(fù)合片鉆頭等，全井段巖心平均收獲率達(dá)88.3%，獲取了龍馬溪組主體黑色頁(yè)巖段的連續(xù)巖心，累計(jì)揭示龍馬溪組黑色頁(yè)巖巖系225.78m(未穿)。
    由于該區(qū)缺乏鉆探(包括金屬礦鉆井)、地震及地球化學(xué)等資料，實(shí)際的鉆探效果與地質(zhì)設(shè)計(jì)存在一定偏差。根據(jù)野外露頭地質(zhì)研究，渝頁(yè)1井井區(qū)周邊少有巨大厚度的黑色頁(yè)巖露頭。在其北西20km和南西30km以外的漆遼與高谷剖面，下志留統(tǒng)龍馬溪組黑色頁(yè)巖段地層出露最大厚度一般不超過(guò)140m。鉆井實(shí)際揭示龍馬溪組黑色頁(yè)巖厚度至少225.78m仍未見(jiàn)底，表明黑色頁(yè)巖地層厚度的較大變化。這種變化可能由多種原因所產(chǎn)生，包括原始地層向沉降沉積中心處的厚度增加、逆斷層所造成的地層重復(fù)、頂厚褶皺及尖頂背斜構(gòu)造核部地層的滑脫及地層局部加厚等。這些綜合地質(zhì)作用的結(jié)果造成了實(shí)際鉆揭的黑色頁(yè)巖巖系厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了根據(jù)露頭預(yù)測(cè)的地層厚度。通過(guò)鉆井實(shí)施，不僅揭示了巨大厚度的黑色頁(yè)巖地層，而且還在鉆井過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了良好的頁(yè)巖氣顯示。
3 渝頁(yè)1井頁(yè)巖含氣性
    室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究的結(jié)果表明，龍馬溪組黑色頁(yè)巖中所含的有機(jī)質(zhì)類(lèi)型主要為腐泥型和偏腐殖混合型，有機(jī)質(zhì)成熟度(Ro)介于1.62%～2.26%之間，平均為2.04%，有利于天然氣的生成(現(xiàn)今主要為殘留熱解氣及生物再作用氣)。結(jié)合頁(yè)巖含氣量檢測(cè)結(jié)果，對(duì)渝頁(yè)1井部分巖心進(jìn)行了有機(jī)碳含量測(cè)試。燃燒法測(cè)定結(jié)果表明，深度128.9～305m之間10個(gè)樣品的有機(jī)碳含量值變化于1.44%～7.28%，一般達(dá)到3.0%左右，平均為3.7%(圖3)。由于有機(jī)質(zhì)是天然氣生成與吸附的主體，故有機(jī)碳含量的大小幾乎決定了頁(yè)巖中的天然氣含量，即有機(jī)碳含量與頁(yè)巖氣含量呈正比。
 

    渝頁(yè)1井龍馬溪組黑色頁(yè)巖宏觀及微觀裂縫發(fā)育，宏觀裂縫可分為高角度、近水平及雜亂狀3類(lèi)，可表現(xiàn)為充填、半充填或無(wú)充填。一般裂縫多呈高角度延伸，巖心中可見(jiàn)的單一裂縫長(zhǎng)度為1.6m。觀察結(jié)果表明，各類(lèi)裂縫多表現(xiàn)為不均一的集中分布特點(diǎn)，充填與不充填裂縫常有繼承性發(fā)育特點(diǎn)。巖心樣品電鏡掃描特征顯示，黑色頁(yè)巖微孔隙和裂縫發(fā)育，孔隙直徑一般為1～5μm，少數(shù)介于1～8μm，微裂縫規(guī)模在10～25μm(圖4)。泥頁(yè)巖儲(chǔ)層儲(chǔ)集空間包括了黏土礦物粒間微孔隙(圖中b和d)、頁(yè)理間孔隙(圖中b)、溶蝕孔隙(圖中c和d)、成巖微裂縫(圖中f)及構(gòu)造裂縫(圖中a和e)等。

    渝頁(yè)1井提撈的黑色巖心均為不含地層水的“干層”，即不含地層水(包括束縛水)的含氣層，若將隨機(jī)選取的巖心置于水中，則均將發(fā)生針尖狀氣泡不斷溢出的現(xiàn)象，視為頁(yè)巖氣的最直接證據(jù)；此外，在鉆進(jìn)過(guò)程中，還多次在井筒中發(fā)現(xiàn)了氣泡溢出以及井口空氣中甲烷含量異常等現(xiàn)象，證實(shí)了頁(yè)巖中天然氣的直接存在。同時(shí)，渝頁(yè)1井的16塊樣品現(xiàn)場(chǎng)解析表明，位于281.Om和287.5m井深處樣品的含氣量現(xiàn)場(chǎng)解析值最高，計(jì)算現(xiàn)場(chǎng)解析氣量達(dá)到并超過(guò)0.1m3/t(解析持續(xù)時(shí)間為6h)。考慮到井筒提心時(shí)間較長(zhǎng)(4.2h)、損失氣量及殘留氣量較多等原因，再結(jié)合已有解析曲線的比較研究，推測(cè)頁(yè)巖吸附含氣量大于1.0m3/t。結(jié)合頁(yè)巖總含氣量分析原理，初步計(jì)算頁(yè)巖總含氣量(吸附氣+游離氣)介于1.0～3.Om3/t之間，視為具有工業(yè)價(jià)值的頁(yè)巖氣。進(jìn)一步的色譜分析結(jié)果表明，天然氣樣品中同時(shí)含有甲烷和乙烷，在128.23～138.46m和206.75～209.18m井深等樣品中還發(fā)現(xiàn)了丙烷的存在(圖5)。其中，138.13～138.46m井深樣品中的甲烷、乙烷和丙烷含量分別為42.43%、0.42%、0.01%，其余為N2、CO2和O2等大氣成分。解吸樣品中烴類(lèi)氣體含量的百分比并不高，可能主要反映為解析儀中空氣樣品的殘留或地下風(fēng)化帶中少量空氣成分的進(jìn)入。
4 討論
    1) 通過(guò)全井段系統(tǒng)取心，渝頁(yè)1井系統(tǒng)揭示了上揚(yáng)子典型地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組中上部的黑色頁(yè)巖地質(zhì)特征，揭穿黑色頁(yè)巖視厚度225.78m(未見(jiàn)底)，實(shí)際揭穿的黑色頁(yè)巖地層厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于根據(jù)周邊露頭觀察所預(yù)測(cè)的厚度，反映出復(fù)雜的地質(zhì)條件變化。黑色頁(yè)巖層段下伏的石灰?guī)r背斜區(qū)也是天然氣勘探下一步值得深究的重要領(lǐng)域。
    2) 在背斜軸部進(jìn)行鉆探只是頁(yè)巖氣探井井位選擇的一種模式。渝頁(yè)1井選擇在鍋廠壩背斜核部進(jìn)行鉆探：①保證了龍馬溪組的最小埋藏深度和最大揭示厚度；②保證了揭示最小的地層視厚度和最佳的裂縫發(fā)育程度；③能夠合理客觀地反映地層的含氣量并揭示黑色頁(yè)巖下伏石灰?guī)r地層中可能的圈閉游離氣。由于鉆井沒(méi)有揭穿龍馬溪組底部地層，給進(jìn)一步系統(tǒng)地頁(yè)巖氣研究帶來(lái)了一定的推測(cè)性。
    3) 渝頁(yè)1井揭示了良好的頁(yè)巖氣成藏地質(zhì)條件，揭示裂縫發(fā)育具有繼承性特點(diǎn)，儲(chǔ)層微孔及微裂縫發(fā)育，頁(yè)巖含氣量對(duì)應(yīng)于1.0～3.0m3/t之間，反映為吸附特征明顯的典型淺埋型頁(yè)巖氣特點(diǎn)。如果能夠進(jìn)一步結(jié)合地震等方法和手段，則黑色頁(yè)巖深埋區(qū)、地質(zhì)條件復(fù)雜區(qū)及第四系覆蓋區(qū)的頁(yè)巖氣有利選區(qū)及評(píng)價(jià)工作將更加合理可靠，測(cè)井方法和手段的使用也將進(jìn)一步擴(kuò)大資料的獲取范圍。
    4) 渝頁(yè)1井揭示黑色頁(yè)巖地層厚度大，有機(jī)質(zhì)含量高，有機(jī)質(zhì)成熟度條件適中，頁(yè)巖氣顯示活躍，鉆探效果良好。但渝頁(yè)1井仍有許多地質(zhì)問(wèn)題值得進(jìn)一步探討，不斷地研究將會(huì)逐漸加深對(duì)研究區(qū)頁(yè)巖氣成藏地質(zhì)條件的理解和認(rèn)識(shí)。截至目前的實(shí)驗(yàn)分析資料已經(jīng)表明，渝東南地區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜的高陡構(gòu)造帶具有良好的頁(yè)巖氣成藏地質(zhì)條件，表明上揚(yáng)子乃至整個(gè)揚(yáng)子地區(qū)都可能是頁(yè)巖氣發(fā)育的有利潛力區(qū)。
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(本文作者：張金川1 李玉喜2 聶海寬3 龍鵬宇1 唐穎1 唐玄1 姜文利2 1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)教育部海相儲(chǔ)層演化與油氣富集機(jī)理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2.國(guó)土資源部油氣資源戰(zhàn)略研究中心；3.中國(guó)石化股份有限公司石油勘探開(kāi)發(fā)研究院)