从“源盖控烃”探讨四川盆地威远地区深层页岩气田富集高产地质因素

孙川翔，聂海宽，熊 亮，杜 伟，张光荣，陈 清，李东晖

1 页岩油气富集机理与有效开发国家重点实验室；2 中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院；

3 中国石化集团页岩油气勘探开发重点实验室；4 中国石化西南油气分公司勘探开发研究院；

5 中国地质大学（北京）能源学院；6 中国科学院南京地质古生物研究所

0 前 言

四川盆地上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组率先实现页岩气勘探重大突破和大规模商业开发后，我国先后建成了涪陵、长宁、威远、昭通、威荣和永川6 个页岩气田，截至2020 年获得页岩气探明储量超过2×1012m3，2020 年产量达200.7×108m3［1］。中国石化威荣深层页岩气田和中国石油威远页岩气田均位于川西南威远地区，展示了良好的资源潜力，成为我国深层页岩气（埋深大于3 500 m）未来产量快速增长的关键靶区［2］。近年来，针对该地区五峰组—龙马溪组富有机质页岩沉积环境［3-4］、岩相［5］、储层特征［6-7］、保存条件［8］、成藏富集规律［9-10］等方面的研究取得了明显进展。通过典型钻井分析，明确了深层页岩气富集高产的主控地质因素［11］。但随着气田开发的不断深入，发现不同钻井的产量差别大，已取得的地质认识尚不足以指导勘探开发部署，尤其是有关深层气井稳产能力和估算的最终可采储量（EUR）方面的研究仍处于探索阶段。与涪陵气田焦石坝主体区中浅层气井相比，威远地区深层页岩气井试采产量高（一般大于20×104m3/d），但递减快（第一年递减率75%~80%）、单井EUR 低（平均小于0.5×108m3）。例如，威荣页岩气田WY1 井（埋深3 607 m）测试产量为17.20×104m3/d，WY23-1井（埋深3 850 m）测试产量为26.01×104m3/d，但截至2019年年底，累计产量仅分别为0.3×108m3和0.33×108m3。类似的气井产量不及预期、经济有效动用难度大的问题在威远地区页岩气田中普遍存在，排除工程因素，有关地质因素的研究鲜有报道。

考虑到页岩气是一种自生自储的非常规资源，基于威远及邻区页岩气田典型气井资料，从“源盖控烃”角度对研究区深层页岩气田富集高产地质因素进行研究。“源”指富有机质页岩。由于四川盆地五峰组—龙马溪组页岩有机质丰度（2%~4%）、类型（腐泥型和腐殖-腐泥型）和成熟度（Ro介于2.3%~3.1%）总体差异小，通过常规方法划分对比的不同地区富有机质页岩层段的差异甚微，因此基于前人成果［12-13］，选用笔石生物地层学方法开展富有机质页岩层段划分对比及沉积展布研究［14-15］。“盖”指三叠系膏盐岩。通过讨论区域盖层在威远地区的完整性进行页岩气保存条件评价。同时，对气体赋存形式对威远地区深层页岩气井递减率的影响进行对比分析。在此基础上，总结研究区深层页岩气田富集高产主控地质因素，明确威远地区深层页岩气田气井开发效果与焦石坝、长宁地区存在差异的地质原因，以期为威远地区深层页岩气有利区预测提供科学依据。

1 地质概况

四川盆地是在上扬子准地台基础上发展起来的复杂叠合盆地，在漫长的地质历史时期，先后经历早古生代加里东运动、晚古生代海西运动、中生代燕山运动和新生代喜马拉雅运动等多期、多方向的构造活动，形成了现今的构造格局［16］。在五峰组—龙马溪组沉积时期，受广西运动（加里东旋回末期）影响，四川盆地内局部抬升形成多个古隆起和水下高地［17-18］，沉积中心主要分布在涪陵焦石坝页岩气田所在的鄂西渝东地区和长宁页岩气田所在的川南地区（图1a）。研究区位于威远构造东南翼至自流井构造之间的川中古隆起区南部，其内包括威远—自贡地区的水下高地（以下称自流井水下高地）。受古隆起影响，威远地区气田埋深自西北向东南逐渐变大，介于2 000~4 000 m（图1b）。

图1 四川盆地威远地区区域位置及龙马溪组底界埋深等值线图Fig.1 Location of the study area and contour map of buried depth of the bottom of Longmaxi Formation in Weiyuan area,Sichuan Basin

2 页岩品质

2.1 笔石带地层划分

富有机质页岩是页岩气富集的物质基础，其连续厚度与气产量密切相关［12,19］。前人研究发现，页岩中的笔石发育于特定时期的沉积环境中，笔石特征可为五峰组—龙马溪组黑色页岩的划分和对比提供标准［20］。根据陈旭等［14］提出的五峰组—龙马溪组底部笔石带划分序列，其13个笔石页岩带的代码自下而上分别为WF1、WF2、WF3、WF4、LM1、LM2、LM3、LM4、LM5、LM6、LM7、LM8 和LM9，分别对 应Dicellograptus complanatus带、Dicellograptuscomplexus带、Paraorthograptus pacificus带、Metabo⁃lograptus extraordinarius带、Metabolograptus persculp⁃tus带、Akidograptus ascensus带、Parakidograptus acu⁃minatus带、Cystograptus vesiculosus带、Coronograptus cyphus带、Demirastrites triangulatus带、Lituigraptus convolutus带、Stimulograptus sedgwickii带 和Spi⁃rograptus guerichi带。考虑到前人已认识到WF2—LM4 笔石带是页岩气富集高产层段［12-13］，本次研究主要针对威远地区W202 井、WY29-1 井、WY23-1井、WY1 井、WY11-1 井共5 口典型井的WF2—LM4笔石带页岩的特征进行了研究，识别出Dicellogrptus

sp.、Cystograptus vesiculosus、Dimorphograptuscf. nan⁃kingensis和Demirastritessp.等笔石种类（图2），并分析了五峰组下部WF2—WF3 笔石带、五峰组观音桥层WF4 笔石带及龙马溪组一段底部LM1—LM4 笔石带页岩的展布（图3）。

图2 威远地区五峰组—龙马溪组黑色页岩代表性笔石化石岩心照片Fig.2 Core photographs showing representative graptolite fossil in the black shale of Wufeng Formation-Longmaxi Formation in Weiyuan area

（1）五峰组下部WF2—WF3笔石带

晚凯迪期，受广西运动影响，四川盆地由被动大陆边缘向前陆盆地转换，这一时期全球海平面上升，陆内凹陷区水体深度甚至超过200 m，在大洋缺氧环境下盆地内沉积中心发育深水相黑色页岩。而在靠近川中古隆起的威远地区，发现有钙质页岩、灰岩、砂岩等沉积，说明水体在该处变浅，且受古隆起和水下高地影响，页岩厚度变化大。W202井WF2—WF3 笔石带厚度为5.4 m，岩性为灰色泥灰岩；向东至局部向斜地区，WY29-1 井、WY23-1井该段厚度分别为2.3 m、1.5 m，岩性为黑灰色碳质页岩；位于自流井水下高地的WY1 井，缺失黑色页岩，发育一套泥质粉砂岩沉积，厚约0.5 m，说明WY1 井位于凸起高点，距水面更近甚至有出露水面接受冲刷的可能性；而水下高地南侧的WY11-1井，WF2—WF3笔石带厚度增大为1.7 m（图3）。

（2）五峰组观音桥层WF4笔石带

早赫南特期也称为赫南特冰期，因全球气温骤降，大量海水结冰，导致全球海平面下降约100 m。在这一背景下，WF4 笔石带对应深水沉积后的一次大范围海退，盆地内部总体上水体变浅，沉积盆地面积大幅缩小。同时，在广西运动的影响下，古陆进一步抬升隆起，威远地区水退迅速，使得该带厚度变薄，而且大部分地区主要发育含介壳灰岩，岩性较均一。位于川中古隆起南缘附近的W202 井，观音桥层WF4 笔石带厚度为0.4 m；WY29-1 井、WY23-1 井该段厚度分别为0.4 m 和0.3 m；而位于自流井水下高地中央的WY1 井出现观音桥层及笔石带的缺失现象（图3），表明早赫南特期该区域未接受沉积或沉积后又被剥蚀掉；至WY11-1井，观音桥层厚度变为0.4 m。

（3）龙马溪组一段底部LM1—LM4笔石带

晚赫南特期至早鲁丹期，全球冰川消融，海平面开始上升。随着沉积盆地水体逐渐扩大，威远地区水深加大，LM1—LM4笔石带主要发育黑色、深灰黑色硅质笔石页岩夹少量砂质泥岩。W202井该段厚度为4.5 m，向东逐渐变薄；WY29-1井、WY23-1井厚度分别为4.2 m和3.8 m；而处于自流井水下高地之上的WY1 井则缺失LM1—LM3 笔石带，LM4 笔石带页岩直接覆于凯迪阶上部粉砂岩之上，厚度为1.8 m；至WY11-1井，LM1—LM4笔石带增厚至2.6 m（图3）。

2.2 页岩品质对比

2.2.1 深水陆棚相优质页岩厚度

受川中古隆起和自流井水下高地控制，威远地区五峰组—龙马溪组有机质页岩在沉积古水深、水动力条件和水体氧化-还原环境等方面，与页岩气高产区涪陵焦石坝和长宁地区相比存在明显差异，导致页岩品质不同，突出体现在WF2—LM4 笔石带页岩的厚度和岩性上。

焦石坝和长宁地区从晚凯迪期到早鲁丹期一直处于沉积中心，属深水陆棚相。JY1 井和N203 井五峰组下部WF2—WF3 笔石带厚度分别为4.5 m 和3.0 m，岩性以富有机质黑色页岩为主，硅质含量高，以生物成因硅为主；TOC大于4%，且与生物成因硅呈明显正相关性［21］。早赫南特期虽经历全球冰期和大规模海退，但该时期焦石坝和长宁地区地层持续沉降，造成水退较慢，五峰组观音桥层WF4 笔石带在JY1 井、N203 井的厚度为0.5~1.0 m，岩性为灰黑色低有机质页岩、泥质灰岩，说明沉积水体仍较深。随着冰川消融，LM1—LM4 笔石带沉积时期的水体加深，两个地区页岩层最大厚度超过25 m，岩性为富有机质黑色页岩，沉积于滞留水体底层的厌氧环境，在富氧的水体表层发育笔石、多细胞藻类等浮游生物。研究认为，来源于多细胞藻类的有机质易于生成有机质孔，其面孔率高达50%~80%，且连通性好，最有利于页岩气的赋存［22］。勘探开发实践证明，WF2—LM4 笔石带页岩对应于页岩气富集带［23-24］。焦石坝地区JY1 井WF2—LM4 笔石带厚度达26.1 m（表1），含气量平均为6.03 m3/t，水平井压后单井EUR为1.57×108m3。

在威远地区，五峰组WF2—WF3 笔石带整体较薄甚至缺失（图3），仅LM1—LM4 笔石带页岩层沉积于水深相对较大、水动力弱、笔石化石发育的环境中，岩性以黑色碳质页岩和含灰硅质页岩为主，碳酸盐矿物含量高，硅质（以生物成因硅为主）含量总体偏低，TOC介于2%~3%，反映页岩品质不及焦石坝和长宁地区。W202 井笔石带页岩发育相对完整，推测局部水深相对较大，LM1—LM4笔石带厚度为4.5 m（表1），含气量为3.5 m3/t，EUR为0.5×108m3；向南、向东至WY29-1 井和WY23-1 井，LM1—LM4笔石带减薄为3.8~4.2 m，含气量介于3.4~3.5 m3/t，EUR 为（0.45~0.5）×108m3；靠近自流井水下高地凸起高点，处于区内相对浅水区的WY1 井，多个笔石带页岩缺失或减薄，LM4笔石带厚度为1.8 m，含气量为2.2 m3/t，单井EUR 为0.35×108m3；至WY11-1 井，LM1—LM4笔石带厚度为2.6 m，但该井靠近自流井水下高地南侧断层，断层及次级裂缝发育导致页岩气发生部分散失，含气量为2.7 m3/t，EUR为0.4×108m3。

表1 威远、焦石坝及长宁地区优质页岩特征参数和单井估算的最终可采储量（EUR）统计Table 1 Statistics of characteristic parameters of high-quality shale and single-well estimated ultimate recovery (EUR)in Weiyuan,Jiaoshiba,and Changning areas

综上所述，古地貌的高低差异和沉积水体的深浅很大程度上控制着威远不同区域LM1—LM4笔石带页岩的品质，进而造成含气性和单井累产的差异。在距离水下高地较远、古水深相对较大、水体还原性强的地区，LM1—LM4 笔石带页岩中优质页岩连续厚度大，可以为页岩气富集提供良好的物质基础。

2.2.2 矿物组分与储集特征

相比焦石坝和长宁建产区，威远地区五峰组—龙马溪组沉积水体较浅，页岩中碳酸盐矿物含量相对较高，以分散状他形方解石和自形白云石为主，其含量、分布和溶蚀程度直接影响页岩的储集性能和页岩气富集［25-26］。

研究发现，威远地区五峰组—龙马溪组碳酸盐矿物形成时间略早于生物成因硅［27］，主要是大规模生烃前沉积—同生阶段胶结作用的产物［28］。以WY1 井为例，龙马溪组碳酸盐矿物含量平均达26.7%，远高于JY1 井（平均含量为3.5%~6.0%）。在龙马溪组底部碳酸盐含量较低的层段（图4a，虚线框范围），生物成因硅与陆源碎屑硅尚能形成支撑格架抵抗压实并保存储集空间，与上部页岩的孔隙结构相比，中孔和大孔明显更加发育（图4b）。可见，碳酸盐矿物含量高不利于硅质格架的形成，对原始孔隙的保存不利。

图4 威远地区WY1井龙马溪组页岩矿物组分特征Fig.4 Mineral compositions of shale of Longmaxi Formation of Well WY1 in Weiyuan area

碳酸盐矿物化学性质活泼，易受地层流体影响而产生次生溶蚀孔。溶蚀孔隙的发育会影响页岩气富集和保存［29-30］。溶蚀孔的成因和形成时间不同，造成页岩含气性变化不同。在成岩阶段早期形成的溶蚀孔，主要为干酪根热解形成有机酸溶蚀的结果，具有孔隙连通性好，常被沥青充填等特征，在增大页岩孔隙度的同时有利于页岩气富集。而成岩阶段晚期出现的溶蚀孔，可能为受燕山期构造抬升或现今大气水淋滤影响，地层水中碳酸含量升高而发生溶蚀所致。由于时间上晚于生烃高峰期，晚期溶蚀孔虽增加了储层孔隙度，但对页岩气富集起到不同程度的破坏作用［31］。对WY1 井龙马溪组黑色页岩样品进行扫描电镜观察发现，碳酸盐矿物溶蚀孔主要发育在矿物粒内和/或粒间，多数溶蚀孔隙呈孤立分散状分布，连通性较差，其内未发现充填物，形状呈圆形、三角形或多边形（图5），反映受压实作用影响小，孔隙没有发生明显变形。基于WY1井页岩储集特征（孔隙度高）和生产动态特征（游离气含量较高，气井试采产量高，但压降快、EUR 低）两方面综合分析，推断溶蚀作用发生时间晚，属于受外界因素影响导致地层水中碳酸含量升高而形成的溶蚀孔，反映出气藏保存条件变差，页岩气遭到一定程度的破坏。

图5 威远地区WY1井龙马溪组页岩碳酸盐矿物溶蚀孔扫描电镜照片Fig.5 SEM photos of dissolution pores of carbonate minerals in shale of Longmaxi Formation of Well WY1 in Weiyuan area

3 盖层与保存条件

3.1 盖 层

页岩气藏是源储盖一体的非常规气藏。与北美海相页岩层系处于克拉通或前陆盆地等相对简单的构造背景不同，我国南方海相层系经历了多期次叠加构造改造，页岩气保存条件复杂［32-33］。如果单纯基于“源控论”评估四川盆地海相页岩层系，则无法解释在页岩储层品质差异不大的情况下，各地区勘探效果差别较大的现象。因此，讨论盖层和保存条件有利于进一步明确页岩气藏的富集特征。对于四川盆地五峰组—龙马溪组页岩气藏来说，中下三叠统膏盐岩（或泥岩）塑性强、分布广，厚度最大达600 m，其发育地区可形成一定的压力封闭，被认为是良好的区域盖层，但由于各地区构造抬升剥蚀强度和时间不同，导致盖层完整性和储层自封闭性差异较大［12,34］。N203 井所在的长宁地区保存了部分下三叠统嘉陵江组膏盐岩，气藏压力系数高，可达2.0。在威远地区，近川中古隆起的地层后期抬升幅度大，三叠系膏盐岩盖层条件差：膏盐岩厚度明显较小，介于50~100 m［35］；古隆起核部的W201井上覆膏盐岩已剥蚀至中三叠统雷口坡组（T2l），该处压力系统遭到破坏，气井压力系数仅0.94；在W202井处已剥蚀至上三叠统须家河组（T3x），气藏压力系数为1.2；在远离川中古隆起的侏罗系覆盖区，埋深超过3 500 m，气藏压力系数较高：WY1 井压力系数为1.79，W204井压力系数为1.96，W205井压力系数为2.0（图6）。这反映了古地貌高低差异在一定程度上影响了盖层封闭能力和油气保存条件。

图6 川中古隆起及周缘地层出露和五峰组—龙马溪组地层压力系数分布Fig.6 Exposed strata and pressure coefficient of Wufeng Formation-Longmaxi Formation in Middle Sichuan paleo-uplift and its periphery

3.2 地层水

关于四川盆地及其周缘下古生界海相地层的保存条件，除考虑前人研究较多的页岩气藏富集程度、构造改造强度外［36-38］，对于判识性指标的分析也十分必要。地层水特征主要受到盖层封闭性、抬升幅度、断裂活动及大气水下渗深度等因素影响，是反映气藏盖层封闭性和油气保存“现实表现”的直接指标［22］。在研究区自流井水下高地附近，WY1井水平段压裂改造投产后，返排液总矿化度测试结果没有发生明显变化，介于25.1~28.3 g/L（表2），反映地层水矿化度偏低，且低于盆地外彭水地区常压气井PY1 井（30.0~54.6 g/L）、PY3 井（38.0~53.6 g/L）。陈安定指出威远地区页岩气田形成于加里东时期，在志留纪末期地层受到抬升破坏，地层水较活跃［39］。WY1井临近自流井水下高地凸起高点，页岩地层在构造改造过程中被抬升至接近或出露地表，加之该井附近可能存在断层沟通作用，影响储层垂向封闭性，地下水与地表水发生了弱水交替，使得原始地层水矿化度发生变化。

表2 威远地区WY1井五峰组—龙马溪组地层水化学特征Table 2 Hydrochemical characteristics of Wufeng Formation-Longmaxi Formation of Well WY1 in Weiyuan area

据此推测自流井高地附近页岩气保存可能受到了不利影响，使“生烃超压”页岩气藏遭受一定程度的破坏，这也是WY1井的含气量和压力系数相比周围井区偏低的原因。

4 页岩气赋存形式

页岩气赋存状态主要包括游离气和吸附气2种类型，其中游离气含量决定了页岩气藏的初始产能，而吸附气含量很大程度上决定了页岩气藏稳产的时间［40］。前人研究认为，页岩的甲烷吸附能力在埋深介于900~1 800 m 时达到最高值，此后随着深度增大，温度和压力升高，页岩的甲烷吸附能力逐渐降低，游离气占比增加［41］。同时，页岩孔隙作为页岩气赋存的载体，很大程度上影响着游离气与吸附气比例［42］。与焦石坝中浅层页岩气藏相比，威远地区深层页岩气藏平均埋深增加500~1 200 m，孔隙类型与焦石坝中浅层页岩气藏没有显著差异，龙马溪组页岩孔隙度甚至略高于焦石坝地区，但在孔隙结构上，微孔（小于2 nm）、介孔（2~50 nm）在威远地区深层页岩中占比更低，约为焦石坝地区中浅层页岩的2/3 至1/2。这是由于随着埋藏深度的增加，上覆地层压力会明显增大，小孔径孔隙更容易受到与埋深密切相关的较高上覆地层压力的影响。小孔径孔隙具有更大的比表面积，因此小孔径孔隙占比的降低，在一定程度上降低了深层页岩的吸附气含量。

以美国墨西哥湾沿岸Texas 盆地Haynesville 页岩为代表的气藏以游离气占主导（78%~86%），气藏埋深大（3 048~4 115 m）、压力高（压力系数为1.87），初始产气速率大，为（27.0~54.5）×104m3/d，但递减快（75%~80%）。而以美国西南部Fort Worth 盆地Bar⁃nett 页岩为代表的气藏游离气占比相对较低（50%~61%），气藏埋深较浅（1 981~2 926 m）、压力低（压力系数为0.8~1.1），具有较低的产气速率，为（5.4~7.0）×104m3/d，但稳产开采时间可达30~40 a。威远地区深层页岩气藏以游离气为主，占比为76%~84%，与上述Haynesville 气藏类似，气井具有初始产量高，但递减快的特点，第一年递减率达75%~80%。综合分析认为，威远地区深层页岩气藏游离气占主导的页岩气赋存形式，很大程度上决定了试采产量高但递减快的气井生产特征。

5 页岩气甜点区

前述研究表明，LM1—LM4 笔石带页岩连续厚度总体较小是决定威远地区深层页岩气井EUR 较低的首要因素。与焦石坝和长宁地区相比，威远地区富有机质页岩沉积环境受川中古隆起和自流井水下高地等古地貌因素影响大，沉积古水深相对较浅，LM1—LM4笔石带页岩连续厚度小，矿物组分中碳酸盐含量高，对页岩储集性不利。在盖层和保存条件方面，研究区地层受后期改造强烈，上覆三叠系盖层不完整，五峰组—龙马溪组页岩溶蚀孔隙发育，地层水矿化度相对较低，这些均表明保存条件受到破坏。“源盖控烃”条件、页岩气赋存形式的差异，加之气藏埋深大，使得储层改造难度高，这是威远地区气井初始产量高，但稳产能力较差、递减快、累产低的综合地质原因。建议在勘探选区时重点寻找深水陆棚相LM1—LM4 笔石带页岩沉积厚度大、上覆三叠系盖层完整性和封闭性较好的地区作为页岩气甜点区，同时应注重采用适应于深层页岩气地质条件的压裂改造技术和配套工具。

6 结 论

（1）受川中古隆起和自流井水下高地控制，四川盆地威远地区上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组沉积水体相对较浅，不同时期发育的笔石带页岩出现不同程度的减薄或缺失。LM1—LM4笔石带页岩总体厚度小，岩性为黑色含灰碳质页岩和含灰硅质页岩，碳酸盐矿物含量高，硅质矿物含量低，储层抗压实能力较弱；碳酸盐矿物溶蚀孔隙发育，且形成于干酪根最大生油期之后，不利于页岩气富集。

（2）威远地区五峰组—龙马溪组盖层和保存条件也受古地貌高低差异的影响。临近川中古隆起核部，三叠系膏盐岩盖层受剥蚀较严重，页岩气井压力系数明显较低；位于自流井水下高地的WY1井地层水矿化度较低，是构造抬升幅度大、地下水与地表水发生交替的结果，对原始“生烃超压”页岩气藏保存不利。

（3）威远地区深层页岩气藏埋深大、温度和压力高，比表面积较大的微孔、介孔等小孔径孔隙受较高上覆地层压力影响占比降低，造成页岩的甲烷吸附能力降低，气体赋存形式以游离气为主，这是威远地区深层页岩气井产量递减快的重要地质原因。

（4）距离川中古隆起或自流井水下高地较远、古水深相对较大、水体还原性强的区域，具有深水陆棚相LM1—LM4 笔石带优质页岩连续厚度大、局部构造相对稳定且盖层完整性和封闭性较好等特征，是五峰组—龙马溪组页岩气勘探开发的有利区。