四川盆地五峰组-龙马溪组页岩气高产地质原因及启示——以涪陵页岩气田JY6-2HF为例

聂海宽,张柏桥,刘光祥,颜彩娜,李东晖,卢志远,张光荣

[1.页岩油气富集机理与有效开发国家重点实验室,北京 100083； 2.中国石化 石油勘探开发研究院,北京 100083；3.中国石油化工集团公司 页岩油气勘探开发重点实验室,北京 100083； 4.中国石化 江汉油田分公司，湖北 潜江 433124；5.中国地质大学(北京) 能源学院,北京 100083]

2012年11月，JY1HF井在龙马溪组压裂测试获得日产量20.3×104m3。2013年中国石化启动了开发先导试验井组，并甩开部署了JY2HF，JY3HF和JY4HF井。2014年7月，国土资源部油气储量评审办公室组织专家经过评审认定，涪陵焦石坝区块JY1HF—JY3HF井区五峰组-龙马溪组新增页岩气探明地质储量1 067.5×108m3，标志着涪陵页岩气田的诞生[1]，2019年产量63.3×108m3，累计产量279×108m3，是目前全球下古生界最大的页岩气田之一。2019年11月8日，涪陵页岩气田JY6-2HF井累计产气量突破3×108m3，刷新了中国页岩气井单井累计产量最高纪录。

前人在页岩气富集高产控制因素等方面研究取得了大量进展，提出了“二元富集”[2]、“三元富集”理论[3]和“源-盖控藏”富集机制[4-5]等规律和认识，并提出“建造-改造”的评价思路[6]，均认为早期优质页岩的形成提供了页岩气富集的物质基础。当前页岩气勘探开发中最迫切的任务是寻找页岩气最有潜力的层位及其展布范围[7-8]。对比四川盆地主要页岩气井的生物地层后发现，目前所采用的各种岩相小层划分方案存在严重的穿时问题，其对应的地层无法准确的反映沉积环境变化情况[4, 9]，制约了对页岩气井富集、高产主控因素分析[4]。陈旭等(2015)提出了五峰组-龙马溪组页岩笔石带划分方案[10]，并将JY1井(JY1井为JY1HF井的导眼井)的主要产气层位对比到五峰组-龙马溪组LM5笔石带页岩层段。聂海宽等(2016)从等时地层的角度，结合页岩气井生产特征分析，认为五峰组-龙马溪组底部页岩(即WF2—LM4笔石带页岩)具有较好的页岩气富集条件和勘探开发潜力[4]。进一步，聂海宽等(2020)揭示了WF2—LM4笔石带页岩“多藻控烃源、生硅控格架、协同演化控储层”的优质储层成因机制[11]。WF2—LM4笔石带页岩是焦石坝、长宁-威远、昭通等国家级页岩气示范区的主要开发层段[12]。在WF2—LM4笔石带页岩厚度减薄或缺少某些笔石带的地区，页岩气钻井效果通常不理想[5]。陈旭等(2017)[13]、陈旭等(2018)[14]发表了扬子区五峰组-龙马溪组含页岩气地层的时空分布模式，同时又提出在宜昌上升范围内，布井勘探龙马溪组页岩气需要格外慎重。当前对页岩气井产量、EUR(estimated ultimate recovery，单井评估的最终可采储量)与其水平段穿行层位(不同的笔石带)的研究还处在初步探索阶段。

本文以目前产量最高的页岩气井——JY6-2HF井为例，从水平段穿行层位(不同笔石带)、各笔石带页岩特征和生产特征等方面分析该井富集、高产的原因，开展了与其它典型页岩气井水平段穿行层位和产量的对比分析，并讨论了WF2—LM4笔石带页岩对页岩气富集高产的控制、WF2—LM4笔石带页岩与中东-北非Hot shale对比等问题，以期对未来五峰组-龙马溪组页岩气勘探选区和气井水平段穿行提供可推广的理论和技术。

1 区域地质概况

涪陵页岩气田焦石坝地区位于中国西南部重庆市涪陵区，构造上位于四川盆地东部及其边缘，是一个受北东向吊水岩断裂、石门1号断裂及北西走向大耳山断裂、乌江断裂两组边界断裂控制的菱形箱状断背斜[6]，主体为一平缓宽阔的箱状背斜，背斜核部构造形变弱，断裂不发育，地层平缓(倾角小于5°)，两翼构造变形较强，地层变陡(图1，图2)。焦石坝背斜西南部倾末端以及两侧的白涛、吊水岩向斜西部扬起端均表现出北东向构造遭受北西向构造改造的变形特征，推测该区北东向构造形成较早，之后随着乌江断裂带的活动，先存构造遭受北西向改造[15]。

根据笔石生物地层学的方法，陈旭等(2015)[10]、陈旭等(2017)[13]按照地层学的基本原理和方法，建立了一个扬子区五峰组-龙马溪组笔石带序列，并附以代码和国际地层委员会公布的地质年代表上的同位素年龄值(图3)，已经成为中国石油和中国石化两大公司对井下该套黑色页岩地层对比的共同语言。这两大公司的广大地质同行已习惯运用各笔石带的代码，如将WF3称为“五三”，即五峰组从下至上第3个笔石带；将LM5称为“龙五”，即龙马溪组从下至上第5个笔石带；以此类推。这一简化方式不但在生产和科研交流上使专家们倍感方便，又不抹杀这些术语的正式名称和科学含义[10]。根据对JY1井的笔石带鉴定结果，五峰组-龙马溪组底部页岩自下而上包括11个带：WF2,WF3,WF4,LM1,LM2,LM3,LM4,LM5,LM6,LM7和LM8[10,13]。涪陵页岩气田页岩气产层为上奥陶统五峰组-下志留统龙马溪组龙一段一亚段，含气页岩段厚83～100 m，纵向上可划分9个岩相小层[16]，其中①—⑤小层(大致相当于WF2笔石带至LM5笔石带中部)为下部气层，⑦—⑨小层(大致相当于LM6笔石带上部至LM8笔石带页岩)为上部气层，下部气层是目前主要建产层段，上部气层的开发也在积极探索中(图4)。

图1 涪陵页岩气田焦石坝地背斜位置(a)和五峰组底部构造图(b)(据文献[15]修改)Fig.1 The location of the Jiaoshiba anticline in Fuling shale gas field (a),and the bottom structural map of the Wufeng Formation (b) (modified after reference [15])

图2 涪陵页岩气田焦石坝背斜过JY1HF井和JY6-2HF井剖面Fig.2 The profile of Jiaoshiba anticline through Wells JY1HF and JY6-2HF in Fuling shale gas field(剖面位置见图1中AA′，JY6-2HF井为投影位置)

图3 扬子地区五峰组、龙马溪组和南江组的笔石带划分[10]Fig.3 Division of graptolitic zone in the Wufeng,Longmaxi and Nanjiang Formations in Yangtze region[10]注：WF1为Dicellograptus complanatus带; 3a,3b和3c为WF3的3个亚带;①五里坡段;②观音桥段;③ Dicellogradupus complanas;各带同位素 年龄值均代表其底界年龄据文献[17]。

2 JY6-2HF井地质和生产特征

2.1 JY6-2HF井地质特征

JY6-2HF井位于重庆市涪陵区焦石镇楠木村(图1)，构造上位于川东高陡褶皱带焦石坝背斜带构造高部位。焦石坝背斜位于鄂西-渝东五峰组-龙马溪组深水沉积区，WF2—LM4笔石带页岩厚度较大，具有较好的页岩气富集的物质基础，已发现页岩气田并获得商业开发。JY6-2HF井是针对涪陵页岩气田焦石坝区块部署的一口页岩气评价井，于2013年5月5日开钻，8月10日完井，9月10日放喷测试，试获36.33×104m3/d的高产工业气流。JY6-2HF井试气长度1 477 m，水平段穿行在WF2—LM4笔石带(大致相当于油田划分的①小层至④小层中部)，其中穿越LM1—LM4笔石带页岩(②至③小层)1 148 m，占水平段总长度的78%，穿行在WF2笔石带(①小层)329 m，占水平段总长度的22%(图5)。

2.2 JY6-2HF井生产特征

JY6-2HF井于2013年9月29日正式投入生产，油压29.97 Mpa，配产36×104m3/d。为探索气井不同生产方式、落实页岩气开发规律、提高单井可采储量，针对JY6-2HF井高压高产特点，江汉油田涪陵页岩气公司对该井采取“初期放大压差生产、后期定压生产”的方式开展试采。该井自投产以来，一直保持着全国页岩气井单井累计产量最高纪录。2014年9月6日，成为全国首口累计产量达1×108m3的高产页岩气井。2016年2月29日，累计产量突破2×108m3。2018年9月30日，油压5.33 Mpa，日产气约6.5×104m3，累计产气2.68×108m3，该井生产压力与输气压力出现持平现象，日产量持续下降，开始实施增压开采措施。2019年11月8日，累计产量突破3×108m3，日产量仍保持在约6.5×104m3(图6)。

2018年10月，JY6-2HF井在开采后期通过降低井口输压、增压集输措施增产，预测气井日产气量在2028年降至经济极限产量。利用分段曲线预测方法对JY6-2HF井实施增压措施后的产量曲线进行拟合，结果显示双曲递减+指数递减拟合效果较好(图7)，该井在增压后剩余可采储量1.3×108m3(增压措施产气量已达0.32×108m3)，单井最终可采储量为3.9×108m3。

3 讨论：WF2—LM4笔石带页岩对页岩气富集高产的控制

JY6-2HF井的持续高产稳产，不仅展示了涪陵页岩气田良好的商业开发前景，也验证了笔石带划分的科学性和WF2—LM4笔石带页岩是页岩气富集高产层段的认识。理论研究表明，五峰组和龙马溪组一段下部页岩的WF2—LM4笔石带页岩(图4)具有沉积速率较慢、有机质类型好(来源于各种浮游藻类)和TOC含量较高等特征，在具有良好生烃条件的同时，也具有良好的储集能力(有机质孔发育好且三维连通性好，孔隙度较大且渗透率较低)，为天然气提供良好的赋存空间，具备优质的页岩气发育物质基础[4-5,18]。下部气层的WF2—LM4笔石带页岩的纹层较致密和均一，水平渗透率低，气体基本无运移[4,19]，JY1井WF2—LM4笔石带页岩层段具有有机碳含量高(TOC>3%)、有机质孔最发育(有机质孔隙度>4%)[18,20]和含气量高(6.87～9.02 m3/t)等特点[21]。综合分析认为，WF2—LM4笔石带页岩的封闭箱状体系保证了气藏的动态平衡和普遍高含气量。

图4 涪陵页岩气田焦石坝背斜JY1井页岩气综合柱状图和勘探开发层段划分(据文献[5]修改)Fig.4 The composite column of shale gas,and division of exploration and development target intervals in Well JY1 in Jiaoshiba anticline,Fuling shale gas field(modified after reference[5])

目前已经发现的涪陵、长宁等页岩气藏均位于深水陆棚沉积区，WF2—LM4笔石带页岩厚度大于20 m[4,12]，涪陵页岩气田焦石坝背斜页岩气钻井分析表明，穿行在五峰组-龙马溪组WF2—LM4笔石带比例较高的井，压裂效果总体较好，初始产量一般大于50×104m3/d，EUR一般大于2×108m3，个别井可超过3×108m3；而穿行在龙马溪组LM4笔石带以上层位的井，初始产量一般小于30×104m3/d，EUR一般小于2×108m3(表1)。对于长宁-威远页岩气田五峰组-龙马溪组页岩气藏而言，最优靶体位置分布在①～②小层(即LM1—LM3笔石带页岩，笔石带与岩相小层的对应关系见文献[22]的图3)，水平井钻遇长度是决定气井能否高产的主控地质因素[23-24]，并且当靶体中部位置距优质页岩底部3～8 m,同时①+②小层钻遇长度为900～1 000 m时，水平井测试更易获得20×104m3/d以上的高产页岩气流[23]。从焦石坝、长宁和威远等页岩气的小层划分来看，不同油田企业划分的岩相小层差别较大，不具有对比性，而笔石提供了很好的对比性，页岩气井水平段在各笔石带的穿行层位与产量有较好的对应性。

图5 涪陵页岩气田焦石坝背斜JY6-2HF井水平井段穿行轨迹示意图Fig.5 A schematic diagram showing the trajectory of lateral in Well JY6-2HF in Jiaoshiba anticline,Fuling shale gas fieldA.页岩气井水平段A靶点，B.页岩气井水平段B靶点。(笔石带划分据JY1井,主要穿行在WF2—LM4笔石带页岩)

图6 涪陵页岩气田焦石坝背斜JY6-2HF井生产历史Fig.6 Production history of Well JY6-2HF in Jiaoshiba anticline,Fuling shale gas fielda生产曲线；b套压、油压曲线

在靠近古隆起或水上高地的区域，五峰组-龙马溪组优质页岩太薄(厚度小于20 m)或缺失[24-26]，页岩气井具有试采产量高、EUR低的特点。位于四川盆地内部此类地区，由于页岩气藏保存条件较好，气井表现为试采产量很高，但EUR均较低，如DY2HF井由于受黔北孤岛[27]、川东南-黔北水下高地的影响，WF2—LM4笔石页岩带厚度小于10 m(DY2井距DY1井约1.5 km，由于海相页岩沉积相变化不大，故各笔石带页岩厚度可以根据DY1井类比)(图1,图8)，试采产量为20×104m3/d，但3年累计产量为0.15×108m3，EUR为0.28×108m3；WY1HF井位于自流井古隆起之上[25]，缺失WF2—LM4笔石页岩带(图8)，试采产量虽高达20.8×104m3/d，但3年累计产量仅为0.24×108m3，EUR为0.38×108m3。DY2HF井和WY1HF井的试采产量与焦石坝背斜的JY1HF和JY6-2HF等页岩气井的差异不大，但前者的累计产量和EUR均较低，分析认为WF2—LM4笔石带富有机质页岩较薄/缺失是主要原因。总体来说，在WF2—LM4笔石带页岩厚度小于20 m的页岩气藏中页岩气井的产能较低，在现今经济技术条件下经济效益较差。在WF2—LM4笔石页岩带厚度减薄或缺少某些笔石带的地区，能否准确刻画WF2—LM4笔石带页岩发育情况以及厘定其厚度成为四川盆地五峰组—龙马溪组页岩气富集高产目标评价和勘探成功的关键因素。在构造相对复杂的常压页岩气区，如果WF2—LM4笔石带页岩厚度较大，页岩气藏同样具有较好的勘探开发潜力[28]，如武隆向斜LY1井的WF2—LM4笔石带页岩厚度20 m，试采产量为5×104m3/d，截至2019年底，该井累产为0.32×108m3。需要说明的是，穿行不同笔石带页岩气井的产量和EUR差异较大，除了各笔石带页岩本身的差异外，还和压裂产生的裂缝高度、长度和复杂度等因素有关，具体情况尚需根据压裂工艺、微地震监测等资料进一步分析。

图7 涪陵页岩气田焦石坝背斜JY6-2HF井延伸指数递减拟合曲线Fig.7 The extension exponential decline fitting curve of Jiaoshiba anticline in Well JY6-2HF in Jiaoshiba anticline,Fuling shale gas field

表1 涪陵页岩气田焦石坝背斜主要页岩气井穿行层位与试采产量、EURTable 1 Trajectories of laterals,test production and EUR of the main shale gas wells in Jiaoshiba anticline,Fuling shale gas field

注：累计产量截至2019年11月底，JY11-2HF井水平段为1 000 m，其余井水平段长为1 400～1 500 m。

在WF2—LM4笔石带页岩厚度均超过20 m的涪陵页岩气田和长宁页岩气田，页岩气水平井轨迹在WF2—LM4笔石带页岩中穿行比例极大程度上决定了单井的EUR。除前文重点分析的JY6-2HF井外，还有一批水平段穿行在WF2—LM4笔石带页岩高产页岩气井，如JY8-2HF井，穿行WF2—WF3笔石带页岩的长度占水平段总长的90%，穿行LM1笔石带页岩的长度占水平段总长的10%，2019年12月底，已累产2.78×108m3，超过3×108m3亦指日可待。页岩气井水平段穿行WF2—LM8笔石带较多的井，产剖曲线显示主要是WF2—LM4笔石带产气贡献较大，如JY1HF井试气长度约1 007.9 m，其中穿越LM4笔石带页岩上部层段约250 m(③小层上部至④小层下部)，穿越LM5笔石带页岩约750 m(④小层上部至⑥小层)，试采产量20.3×104m3/d，已累产1.13×108m3，产剖曲线显示主要是LM4笔石带页岩上部层段(即13至15压裂段)的贡献(表1；图9)，LM5笔石带页岩的贡献较少。

图9 涪陵页岩气田焦石坝背斜JY1HF井水平井段穿行轨迹示意图(据文献[30]修改)Fig.9 A schematic diagram of the trajectory of lateral of Well JY1HF in Jiaoshiba anticline,Fuling shale gas field(modified after reference[30])A.页岩气井水平段A靶点，B.页岩气井水平段B靶点(主要穿行在LM4—LM5笔石带页岩，数字1至15为压裂段)

前人研究认为，上奥陶统-下志留统是全球性优质烃源岩发育的层段之一[14,31]。晚奥陶世—早志留世是全球黑色页岩广泛发育的时期[32]，在全球范围内具有可对比性。这套被称为“热页岩”(Hot shale，包括Lower Hot shale和Upper Hot shale)地层的古沉积环境为奥陶纪晚期冰期之后的海平面上升背景下的陆棚、海湾或陆表海，下“热页岩”(Lower Hot shale)主要发育在鲁丹阶早中期。在北非和中东发现了大量以该套页岩为烃源岩的常规油气藏[32,33]。四川盆地及周缘地区在晚奥陶世—早志留世具有非常特殊的构造沉积环境，提供了优质页岩形成的宏观背景，龙马溪组底部优质页岩与下“热页岩”具有可对比性[14]，下伏发育五峰组黑色页岩。通过全球对比，认为五峰组至龙马溪组底部优质页岩主要发育在凯迪阶上部和鲁丹阶中下部。下“热页岩”(Lower Hot shale)的上界也仅发育至vesiculosusbiozone(即本文所指的LM4笔石带)，特征笔石分子为Dimorphograptusconfertus(Nicholson,1868)[34]，与中国上扬子龙马溪组底部LM1—LM4笔石带富有机质页岩具有可比性，也与中国页岩气勘探开发实践验证的WF2—LM4笔石带页岩是页岩气富集、高产层段一致。

4 结论和建议

1)JY6-2HF开发实践表明WF2—LM4笔石带页岩厚度和水平井轨迹在其穿行比例决定了页岩气井的EUR。在地质条件相当的情况下，穿行WF2—LM4笔石带的页岩气井具有试采产量和EUR双高的特点(排除工程差异)，进一步，穿行在WF2—WF3和/或LM1—LM3笔石带的气井产量最高，这一认识为中国页岩气开发提供了可复制、可推广的技术经验。

2)建议：①精细刻画WF2—LM4笔石带页岩的平面展布，进一步明确页岩气富集高产层段；②努力提高新钻井水平段在WF2—LM4笔石带页岩的穿行率；③对页岩气井水平段穿行层位较高(LM5—LM6笔石带页岩)的老井采取定向射孔的工艺(向井筒下方射孔)，促使压裂过程中主要裂缝发育在LM4及其以下笔石带页岩。

致谢：文中引用了中国石化石油勘探开发研究院、江汉油田分公司、勘探分公司和华东油气分公司等单位的宝贵资料，在此一并表示衷心感谢。

寄语：基础理论研究的精髓在于从无限繁乱的事例和现象中，理性的探究并获得其中最本质的规律，这是一个简单化的过程。全球层型剖面和点位的建立，涉及全球地球科学研究的根本，正是这样一个典型的事例。从近于无限的地层学问题中，抽简出可切实解决人类生存需求资源的标尺，又是这一类说明本质规律的实践，当前我与诸君有幸参与页岩气地层的研究过程，正应如此。(陈旭，中国科学院南京地质古生物研究所研究员，中国科学院院士)