渝东北地区巫溪2井页岩气富集模式及勘探意义

梁峰，拜文华，邹才能，王红岩，武瑾，马超，张琴，郭伟，孙莎莎，朱炎铭，崔会英，刘德勋（.中国矿业大学；.中国石油勘探开发研究院廊坊分院；3.国家能源页岩气研发（实验）中心；4.中国石油非常规油气重点实验室；.中国石油勘探开发研究院）



渝东北地区巫溪2井页岩气富集模式及勘探意义

梁峰1, 2, 3, 4，拜文华2, 3, 4，邹才能5，王红岩2, 3, 4，武瑾2, 3, 4，马超2, 3, 4，张琴2, 3, 4，郭伟2, 3, 4，孙莎莎2, 3, 4，朱炎铭1，崔会英2，刘德勋2, 3, 4
（1.中国矿业大学；2.中国石油勘探开发研究院廊坊分院；3.国家能源页岩气研发（实验）中心；4.中国石油非常规油气重点实验室；5.中国石油勘探开发研究院）

摘要：以钻井资料为基础，依据笔石生物地层、地球化学特征、岩石矿物组成、储集层微观特征、构造条件等数据，研究渝东北地区巫溪2井页岩气富集模式。巫溪2井上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组富有机质页岩厚达89.8 m，笔石带发育齐全，富有机质页岩段从奥陶系凯迪阶上部上延到下志留统特列奇阶下部，沉积厚度及时间远超四川盆地其他区域。页岩最高实测含气量超8 m3/t，含气性主要受TOC大小控制，有机质纳米孔为主要储集空间，无机矿物对储集空间的贡献较小；其中孔径大于50 nm的有机质孔隙较常见，小于10 nm的有机质孔为吸附气的主要赋存场所。巫溪2井目的层段处于挤压型背斜（田坝背斜）核部中性面以下，在脆性较强层段形成了2个垂向裂缝（劈理）发育带，利于页岩气的储集及后期压裂改造形成复杂缝网；田坝背斜两翼断层属挤压性断层，断层两侧为非渗透性的页岩，且预测断层面有泥岩涂抹现象，具有良好的封堵性，有利于页岩气的保存。上述诸多有利条件的良好匹配最终形成了研究区“构造型甜点”。图8参27

关键词：巫溪2井；页岩气；笔石生物地层；有机质孔；构造型甜点；富集模式

0 引言

近年来，中国的页岩气勘探开发取得了突破性进展，四川盆地长宁、昭通、威远和焦石坝区块的上奥陶统五峰组（O3w）—下志留统龙马溪组（S1l）页岩气已实现商业开发，其中焦石坝气田2014年5月日产气量已达308.66×104m3[1-2]。然而，除上述4个区块外，盆地其他区域目前尚未获商业气流。通过比较发现，上述4个区块均处于构造相对简单的区域[3-5]，构造条件复杂的地区目前尚未取得突破。

渝东北巫溪地区位于南大巴山冲断褶皱带的前缘褶皱带，发育下古生界和二叠系—三叠系中等强度褶皱[6]，由一系列走向与主压应力迹线方向垂直的背斜、向斜相间彼此平行排列构成，该区地表可见平行走向的逆断层[6-7]，地下发育大量隐伏断层（如巫溪2井所处区域背斜两翼断层间距小于5 km），构造复杂。为探索复杂构造背景条件下页岩气富集规律，中国石油勘探开发研究院廊坊分院在四川盆地边缘的渝东北巫溪区块部署了页岩气地质资料井——巫溪2井，钻遇地层有上二叠统长兴组、吴家坪组，下二叠统茅口组、栖霞组、铜矿溪组，中志留统徐家坝组、下志留统龙马溪组，上奥陶统五峰组、临湘组等，缺失上志留统、泥盆系、石炭系，五峰组—龙马溪组富有机质页岩多项静态参数（实测含气量、TOC、富有机质页岩连续厚度等）均优于目前商业开发区块的评价井，揭示在复杂构造背景条件下页岩储集层仍能保存大量天然气。本文基于对巫溪2井的系统解剖，结合笔石生物地层划分，探讨复杂构造背景条件下页岩气富集的规律及模式。

1 地质概况

巫溪2井地处重庆市东北部巫溪县文峰镇与尖山镇之间（见图1），构造上位于南大巴山弧形褶皱带南部，铁溪—巫溪隐伏断裂带以北，具体构造位置位于田坝背斜北翼，地表出露地层为上二叠统，背斜核部构造相对较平缓，南翼未见倒转构造，背斜北翼地层倾角10°～50°，地表未见明显断层发育，周边地下隐伏断层较发育。

渝东北地区五峰组—龙马溪组富有机质页岩段岩性以黑色页岩、黑色泥页岩、炭质泥页岩、硅质页岩为主[8-9]，黑色页岩纹层状层理及黄铁矿晶体十分发育，笔石化石丰富，缺乏底栖生物，但含有低等菌藻类及硅质海绵骨针和放射虫，指示深水、低能、缺氧的深水陆棚相沉积环境[10]。

2 巫溪2井页岩基本特征

2.1 有机地球化学特征

巫溪2井1 543～1 636 m井段为黑色笔石页岩，笔者通过系统取样及分析测试发现，该井段页岩TOC值大于2%，平均2.52%，页岩视厚度93 m，真厚度89.8 m（按倾角15°计算，下文所指“厚度”均为视厚度），其中，TOC值为2%～3%的页岩厚42 m，TOC值大于3%的页岩厚51 m。厚层的富有机质页岩层段为页岩气的大量生成奠定了物质基础。巫溪2井页岩样品中含有大量笔石化石（见图2），且均不含镜质组，有机质类型以Ⅰ—Ⅱ1型为主，作为生烃母质，具有较好的生烃潜力；页岩热成熟度较高，Ro值为2.28%～2.76%，总体处于过成熟演化阶段，有利于页岩气的生成。

2.2 矿物组成特征

美国5大页岩气盆地页岩石英含量一般均超过30%[12]。选取巫溪2井代表性页岩样品进行X射线衍射测试和黏土矿物成分分析，发现龙马溪组—五峰组底部39 m黑色页岩中石英含量普遍大于40%，其中最下部20 m页岩中石英含量局部超过50%。说明巫溪2井页岩储集层脆性较高。页岩段从下向上岩石脆性矿物逐渐减少，塑性矿物逐渐增多。

2.3 含气性特征

巫溪2井页岩含气量的测试严格按照《页岩含气量测定方法（SY/T 6940-2013）》[13]要求测定并计算损失气、解吸气和残余气。巫溪2井共测试现场含气样品33件，按含气量大小划分为3个层段：主体含气量为1～2 m3/t的含气层段34 m，主体含气量为2～3 m3/t的富含气层段25 m，主体含气量大于3 m3/t的高含气层段34 m（见图3），最高含气量超过8 m3/t，气体组分以甲烷为主（甲烷平均含量95.17%）。

图1　巫溪2井地区构造简图（据文献[6-7,11]修改）

3 巫溪地区页岩气富集模式

巫溪地区页岩含气量高，与其自身优越的生烃条件、有机质孔发育和挤压性构造特征关系密切。93 m厚的富有机质（TOC值大于2%）页岩为天然气的生成奠定了基础，有机质孔大量发育为页岩气的吸附和储集提供了场所，挤压性的断背斜构造样式为页岩气的储集和保存提供了较好的构造条件。

3.1 笔石生物地层及区域对比

巫溪2井岩心观察表明，五峰组和龙马溪组黑色页岩中的绝大多数生物笔石带均可识别，典型笔石照片见图2。由于岩心面积较小，不能大量采集笔石样品，因此用来判断各笔石生物带底界的关键化石的首现位置可能比实际层位略高。

巫溪2井笔石生物地层发育齐全，富有机质页岩段从奥陶系凯迪阶上部（Dicellograptus complanatus—Paraorthograptus pacificus笔石带）延伸至下志留统特列奇阶下部（Spirograputs guerichi笔石带），形成了93 m厚的富有机质页岩，表明巫溪地区在此期间一直处于深水相沉积环境。巫溪2井TOC值大于4%层段厚度超过20 m，主要集中分布在下志留统鲁丹阶(Akidograptus ascensus—Coronograptus cyphus笔石带)中；埃隆阶（Demirastrites triangulatus—Stimulograptus sedgwickii笔石带）页岩TOC值主要为2%～4%，向上呈递减趋势，TOC值大于2%的层段一直延伸到特列奇阶中下部（Spirograptus guerichi笔石带），其中TOC值为2%～4%的富有机质页岩厚度超过30 m。

四川盆地其他典型地区富有机质页岩厚度明显小于巫溪2井区域，焦石坝地区焦页1井富有机质页岩上延至Demirastrites triangulatus笔石带下部（埃隆早期），连续厚度38 m；威远地区威201井富有机质页岩上延至Stimulograptus sedgwickii笔石带中上部（埃隆晚期），但其连续厚度仅24 m；蜀南宁203井富有机质页岩上延至Coronograptus cyphus笔石带上部（鲁丹晚期），厚度33 m（见图3）。通过对比分析可以发现，巫溪2井富有机质页岩上延笔石层位和厚度远远超过四川盆地其他地区，为页岩气的生成提供了优越条件。巫溪地区五峰组—龙马溪组富有机质页岩沉积时间连续、持续时间长、厚度大，在四川盆地属首次发现，对四川盆地尤其是渝东北地区该时期沉积环境的研究具有重要科学意义。

图2　巫溪2井典型笔石照片

3.2 主要储集空间

高产富有机质页岩的储集空间主要为有机质孔、无机质孔、天然裂缝等[14]，以纳米级的孔隙为主[15-17]，如美国的Barnett页岩，其大多数孔隙均分布在有机质中或与黄铁矿的发育有关[15]。

页岩气主要由吸附气和游离气组成，其中吸附气量大小主要与页岩TOC值有关，以美国Barnett页岩为例，其吸附气量与TOC呈良好的正相关关系（见图4a）[14]，表明吸附空间主要由有机质提供。巫溪2井吸附气量同样与页岩TOC呈一定正相关关系（见图4b）。页岩TOC值与孔隙比表面积大小呈非常好的正相关关系（见图5a），孔隙比表面积又与其朗格缪尔体积呈较好的正相关关系（见图5b），又由于孔隙比表面积与页岩含气量呈好的正相关关系（见图5c），因此页岩孔隙比表面积、朗格缪尔体积主要与其TOC大小有关。有机质为页岩的吸附提供了主要的比表面，其中直径小于10 nm的孔隙提供了超过85%的比表面，为页岩气提供了主要吸附介质（见图5d）。

图3　巫溪2井—焦页1井—威201井—宁203井富有机质页岩、笔石带连井对比剖面（据文献[2,18-24]改编）

图4　页岩TOC值与总含气量和吸附气量关系图（Barnett页岩数据及曲线据文献[14,25]修改）

图5　比表面影响因素及其与含气量相关曲线（R—相关系数）

游离气主要储集在页岩的有机质和无机质孔隙中。以Barnett页岩为例，储集在无机质中的游离气为图4a中下部蓝色实线与与之平行的蓝色虚线之间的含气量（假设当TOC=0时，页岩游离气主要储集在无机质孔隙中，推得无机质中的含气量），而总的游离气量（两条实线间的含气量）减去储集在无机质中的游离气，即为储集在有机质中的游离气（图4蓝色虚线与上部蓝色实线之间的含气量）[14]。应用同样方法，把巫溪2井样品中的吸附气含量和总含气量投到图4b中，并回归出各自曲线可以发现，吸附气曲线与总含气量曲线提前相交，未出现Barnett页岩中存在的储集在无机质中的游离气部分，表明无机质孔隙在巫溪2井中所占比例较小。吸附气曲线与总含气量曲线提前相交，可能与TOC和吸附气含量的相关系数相对较低（0.61）有关。

通过氩离子抛光与环境扫描电镜观察，笔者发现巫溪地区富有机质页岩中的孔隙包括有机质孔、粒间孔、黄铁矿粒内孔和溶蚀孔等，其中以有机质孔最为常见，无机质孔少见，有机质孔是页岩气的主要储集空间，与上述游离气主要储集于有机质孔中的结论吻合。页岩中各种分散有机质、与黏土矿物伴生有机质和与黄铁矿伴生有机质内孔隙均非常发育，其主要以分散有机质内的纳米孔隙为主（直径大于50 nm的孔隙常见），是游离气的主要储集空间（见图6a）。同时，较小的有机质孔（直径小于10 nm）也比较发育（见图6b），可为气体的吸附提供比表面，这也正是直径小于10 nm孔隙提供超过85%比表面积的原因，与吸附气含量主要受有机质含量控制的结论吻合。此外，值得注意的是，由于受环境扫描电镜分辨率的限制，一些直径小于2 nm的孔隙难以识别，可能被忽略。

图6　巫溪2井典型有机质内纳米孔隙扫描电镜照片

3.3 构造对储集及保存条件的影响

巫溪2井所处田坝背斜位于南大巴山冲断褶皱带南部，铁溪—巫溪隐伏断裂带以北，总体位于造山带与盆地之间的过渡区域，以挤压应力为主。田坝背斜地表构造形态呈现箱状背斜或断背斜形态，深部的五峰组—龙马溪组笔石页岩主体地层平缓，背斜两翼为断层。

图7　巫溪2井地区“构造型甜点”式页岩气富集模式图

图8　巫溪2井典型裂缝及构造滑动面岩心照片

巫溪2井处于田坝背斜核部靠北翼端，挤压应力作用致使富有机质页岩脆性较强层段形成了两个垂向裂缝（劈理）发育带，分别为1 575～1 588 m层段和1 611～1 635 m层段（由于岩心裂缝发育，钻探过程中岩心收获率低，局部缺失，未见断层）（见图7）。1 575～1 588 m层段见垂直于地层的裂缝（劈理），裂缝密度明显低于下部层段，裂缝多为方解石充填或半充填（见图8a），在层段下部塑性层段见两个低角度层面滑动构造（见图8b）。1 611～1 635 m层段形成密度较大的垂直于层面的劈理（见图8c—8f），间距0.5～2.0 cm，缝宽一般小于0.5 mm，属充填和半充填裂缝，在井下多呈闭合状态，对储集空间的贡献意义有限；该井段下部见两个低角度的层面滑动构造。劈理的发育形态表明巫溪2井富有机质页岩段主要处于背斜中性面以下[26]，以挤压作用为主，越向下挤压作用越强，但低角度滑移面以及主应力方向上地层的滑动致使页岩的挤压应力得到释放，减小了该区域页岩储集层的最大、最小主应力差，利于页岩储集层的压裂改造。部分半充填裂缝的存在为游离气的存在提供了一定的空间，利于页岩气的储集。此外，垂向裂缝（劈理）的发育也利于页岩储集层在压裂过程中形成复杂的缝网。

挤压性的构造特征为页岩气的保存提供了良好的条件。田坝背斜两翼断层的走向与主应力方向垂直，表明断层应具有良好的封堵性[27]，巫溪2井较高的含气量也间接证明了两翼断层并未对页岩气藏产生重要的破坏作用。从断层两侧岩性分析来看，其均为毛细管压力较高的非渗透层（页岩），具有良好的封堵性。此外，泥岩涂抹是断层封闭的重要因素之一，在巫溪2井岩心裂缝中观察到了泥岩滑动的镜面擦痕（见图8b、8d、8e），表明页岩中的裂缝存在涂抹层，推测在断裂发育区存在泥岩涂抹现象，具有良好的封堵性。

3.4 页岩气富集模式

厚层的富有机质页岩为页岩气的生成提供了物质基础，同时，也有利于形成烃富集封闭的环境，更利于页岩气的保存；有机质孔的发育为页岩气的储集提供了空间，脆性层段裂缝（劈理）的发育在一定程度上丰富了页岩气的储集空间，密集的高角度裂缝（劈理）对后期压裂改造形成复杂缝网有利；挤压性的断层具有良好的封堵性，对页岩气的保存较为有利。上述多因素的良好匹配最终形成了巫溪田坝背斜“构造型甜点”式的页岩气有利区，其页岩气富集模式见图7。

4 结论

巫溪2井的勘探取得了良好的效果，钻遇厚层（真厚度89.8 m）的富有机质页岩，页岩现场实测最高含气量超过8 m3/t，揭示了复杂构造背景条件下“构造型甜点”仍具有相当的资源潜力。巫溪2井所属区域富有机质页岩沉积时间长、厚度大，笔石生物地层发育齐全，在四川盆地尚属首次发现，具有重要科学意义。该区域富有机质页岩段从奥陶系凯迪阶上部上延到下志留统特列奇阶下部，远远超过了四川盆地目前已知其他地区富有机质页岩沉积的厚度，尤其是埃隆阶沉积之后，四川盆地全盆地以低有机质丰度的页岩和粉砂岩沉积为主，唯独巫溪2井所属区域仍沉积厚度较大的富有机质页岩。

巫溪2井区域含气量与页岩TOC值有关，有机质孔为游离气和吸附气提供了主要储集场所，游离气主要储集在有机质的纳米孔隙中，无机矿物对游离气的储集空间贡献较小，裂缝对游离气的储集提供了一定的空间；吸附气的吸附媒介主要为直径小于10 nm的有机质孔，场发射扫描电镜观察结果与上述结论吻合。

巫溪2井目的层段处于挤压性背斜（田坝背斜）核部中性面以下，在富有机质页岩脆性较强层段形成了2个垂向裂缝（劈理）发育带，局部裂缝呈半充填状态，利于页岩气的储集及后期压裂改造形成复杂缝网；田坝背斜两翼断层属挤压性断层，断层两侧为非渗透性的页岩，且预测断层面有泥岩涂抹现象，具有良好的封堵性，利于页岩气的保存。田坝背斜属复杂构造背景条件下的页岩气相对有利区，厚层的富有机质页岩、丰富的有机质纳米孔隙、半充填高角度挤压性裂缝（劈理）、封堵性较好的挤压型断层等多条件的良好匹配最终形成了该区域“构造型甜点”式页岩气有利区。

致谢：感谢中国科学院陈旭院士、中国科学院南京地质古生物研究所樊隽轩研究员、陈清博士、王文卉博士在巫溪2井生物地层划分过程中提供的指导和帮助。

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（编辑 黄昌武）

Shale gas enrichment pattern and exploration significance of Well Wuxi-2 in northeast Chongqing， NE Sichuan Basin

LIANG Feng1, 2, 3, 4, BAI Wenhua2, 3, 4, ZOU Caineng5, WANG Hongyan2, 3, 4, WU Jin2, 3, 4, MA Chao2, 3, 4, ZHANG Qin2, 3, 4, GUO Wei2, 3, 4, SUN Shasha2, 3, 4, ZHU Yanming1, CUI Huiying2, LIU Dexun2, 3, 4
(1.China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China; 2.Langfang Branch of PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration & Development, Langfang 065007, China; 3.National Energy Shale Gas R&D (Experiment) Center, Langfang 065007, China; 4.CNPC Unconventional Oil and Gas Laboratory, Langfang 065007, China; 5.PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration & Development, Beijing 100083,China)

Abstract：The shale gas enrichment pattern of Well Wuxi-2 in northeast Chongqing was studied, based on the data of the drilling, graptolite biostratigraphy, geochemistry, rock minerals, microscopic characteristics of reservoir beds and tectonic conditions, etc.The organic-rich shale of Upper Ordovician Wufeng Formation—Lower Silurian Longmaxi Formation is 89.8 m thick in Well WX-2.The graptolite biozonations are completely developed in this well, and the organic-rich shale intervals extend upward from the late Katian of the Ordovician to the early Telychian of the Lower Silurian.The deposition time of the organic-rich shale is far longer and the thickness is larger than those in other areas of the Sichuan Basin.The highest measured gas content exceeded 8 m3/t in Well WX-2, and the gas content is mainly controlled by TOC.The organic nano-pores are the main storage space, and the minerals contribute less to the storage space.The organic pores larger than 50 nm are well-developed and those less than 10 nm are the main reservoir space of adsorbed gas.The target intervals of Well WX-2 are located under the neutral surface of compressional Tianba anticline.Two vertical fracture (cleavage) development zones, which are beneficial for shale gas storage and complex fracture network formation during later fracturing, were formed in brittle layers of this organic-rich shale.Compressional faults existed in two limbs of the Tianba anticline, with non-permeable shale developing on both sides of fault planes and development of clay smear, which shows that the faults have good sealing properties, and are favorable for shale gas preservation.Thus the good match between the above various accumulation conditions forms the “tectonic sweet-spot” of shale gas in this study area.

Key words：Well WX-2; shale gas; graptolite biostratigraphy; organic pore; tectonic sweet-spot; enrichment pattern

中图分类号：TE122.2

文献标识码：A

文章编号：1000-0747(2016)03-0350-09

DOI:10.11698/PED.2016.03.04

基金项目：国家重点基础研究发展计划（973）项目（2013CB228000）；国家科技重大专项（2011ZX05018）

第一作者简介：梁峰（1982-），男，河北唐山人，博士，中国石油勘探开发研究院廊坊分院工程师，主要从事页岩气等非常规油气地质勘探和基础理论研究工作。地址：河北省廊坊市万庄44号信箱，中国石油勘探开发研究院廊坊分院，邮政编码：065007。E-mail：Liangfeng05@petrochina.com.cn

收稿日期：2015-09-01 修回日期：2016-01-22