渝西地区龙马溪组页岩低阻主控因素及有利区预测

邹 辰,吴永辉,章 超,姜振学,何 叶,端祥刚,张 渊,梁志凯,陈文逸

( 1. 中国石油浙江油田公司,浙江 杭州 310023; 2. 中国石油大学(北京) 油气资源与探测国家重点实验室,北京 102249; 3. 中国石油大学(北京) 非常规油气科学技术研究院,北京 102249; 4. 中国石油勘探开发研究院,北京 100083 )

0 引言

四川盆地及其周缘龙马溪组页岩的厚度大、有机质丰度高、热演化成熟度高,具有良好的生—储—保条件[1-6]。自2010年以来,随页岩气勘探突破,在涪陵、威远、长宁、昭通等地区建成国家页岩气示范区,预示中国南方海相页岩气具有良好的勘探开发前景[7-9]。在页岩气勘探开发中,局部地区出现页岩低电阻现象,有的地区低阻页岩具有高的含气量,有的地区低阻页岩不含气。目前,页岩低阻主控因素尚不清晰,对含气性控制作用不明,很难对低阻页岩储层的含气量准确预测,页岩气勘探风险增加。因此,研究四川盆地及其周缘页岩低阻主控因素及其对页岩含气性的控制作用,对页岩气的勘探部署具有重大意义。

页岩低阻的控制因素包括有机质质量分数、有机质热演化程度、高含水饱和度、高黄铁矿质量分数及大量顺层缝[10-13]。人们认为川南深层页岩的低阻主控因素为高热演化程度[14-19],如果页岩低阻的主控因素仅为高热演化程度,那么低阻页岩的含气量差别不大,钻探结果表明,不同地区低阻页岩的含气量差异显著,说明不同地区页岩低阻的主控因素存在差异。因此,有必要在细化构造单元的基础上分析页岩低阻主控因素。

以来苏—云锦向斜、临江向斜为例,利用研究区17口井目的层段含气量与测井电阻率交会图划定低阻页岩的电阻率界限,对比其中9口井目的层段电阻率并确定低阻页岩发育区,为研究页岩低阻主控因素奠定基础;利用XRD、沥青反射率、有机碳分析、柱塞孔隙度及测井裂缝预测等方法,分析测井电阻率与黄铁矿质量分数、有机质质量分数、有机质热演化程度、地层含水饱和度及地层水赋存状态的关系,确定低阻页岩发育区内不同构造单元的页岩低阻主控因素;分析含气量与低阻主控因素的关系,明确低阻页岩含气量的控制因素,结合沿层地震蚂蚁体属性,优选低阻页岩气有利区,为降低页岩气勘探开发风险提供地质依据。

1 区域地质概况

研究区位于泸州东北部、重庆西部,隶属于川南低陡褶皱带,主要包括来苏向斜、云锦向斜及护国寺向斜,可见多条北东走向的一级断裂和二级断裂发育(断裂分级方案参考文献[20])(见图1)。在龙马溪组沉积期,研究区位于深水陆棚与浅水陆棚过渡区[21-22],按照岩相古地理细分方案,岩相古地理主要包括水下平原与水下斜坡两种,其中,东南部为水下斜坡,其他区域为水下平原[23](见图1(a))。川南地区龙马溪组垂向上可分为2段,主力层段为下部龙一段的一亚段(S1l11),S1l11垂向上可细分为S1l111、S1l112、S1l113、S1l114[24],其中S1l111—S1l113小层是研究的目的层,埋深普遍大于4 km。

图1 研究区岩相古地理与构造Fig.1 Structural and lithofacies paleogeographic map of the study area

2 低阻页岩定义与分布

2.1 定义

对于常规砂岩储层,将同一油水系统电阻率增大因数小于2或3的油层定义为低阻油层[25-26]。页岩导电机理相对复杂,且存在不同成熟度有机质电阻率差异大、水层不发育等问题,电阻率增大因数法不适用于低阻页岩的定义。以页岩气工业产能下限2 m3/t为标准,通过数理统计法划定低阻页岩与常规页岩的电阻率界限。利用该方法判定低阻页岩与常规页岩的依据是含气量大小与测井电阻率存在正相关关系[18],当测井电阻率大于界限时,页岩的产气量高于工业产能下限,具有开发价值,可定义为常规页岩;测井电阻率低于界限时,页岩产气量浮动较大,可定义为低阻页岩,为后续研究页岩低阻影响因素及低阻页岩气有利区分布奠定基础。

研究区17口井目的层含气量与测井电阻率交会图显示,含气量大于2 m3/t时,测井电阻率高于15 Ω·m。因此,将测井电阻率大于15 Ω·m的页岩定义为常规页岩,小于15 Ω·m的页岩定义为低阻页岩(见图2(a))。

图2 研究区页岩含气量与测井电阻率的关系及电阻率统计Fig.2 The relationship between shale gas content and logging resistivity and the statistical value of resistivity in the study area

2.2 分布特征

来苏—云锦向斜、临江向斜及其周边的9口井目的层测井电阻率对比结果显示,云锦向斜南部、临江向斜南部目的层测井电阻率小于15 Ω·m,来苏向斜、云锦向斜北部及临江向斜中北部目的层测井电阻率部分小于15 Ω·m,结合低阻页岩定义可知,研究区低阻页岩主要发育在云锦向斜南部与临江向斜南部(见图1(b)、图2(b))。

3 页岩低阻主控因素分析

页岩低阻的控制因素包括有机质质量分数、有机质热演化程度、高含水饱和度、高黄铁矿质量分数及大量顺层缝[10-13]。川南地区的页岩顺层缝多被方解石充填且垂向上并非密集分布,顺层缝发育不是大段页岩低阻的主控因素,因此,研究黄铁矿质量分数、有机质热演化程度、有机质质量分数、地层含水饱和度及地层水赋存状态对页岩低阻的控制。

3.1 黄铁矿

页岩中无机矿物主要包含黄铁矿、黏土类、长英质类及碳酸盐类矿物。各类矿物电阻率分别为:石英,2.00×1014Ω·m;长石类矿物,4.08×1011Ω·m;碳酸盐类矿物,2.13×1011Ω·m;菱铁矿,2.13×1011Ω·m;黄铁矿,1.00×10-3Ω·m;黏土类矿物,4.59×108Ω·m[27]。无机矿物中仅有黄铁矿是低阻矿物(见图3)。

图3 页岩中不同矿物组分电阻率直方图(据文献[27]修改)Fig.3 Resistivity histogram of different mineral components in shale(modified by reference[27])

研究区页岩测井电阻率与黄铁矿质量分数关系见图4。由图4可知,在云锦向斜南部,随黄铁矿质量分数升高,测井电阻率整体呈现下降趋势,且二者的回归因数由南向北分别为0.42、0.58、0.14,表明黄铁矿是云锦向斜内部页岩低阻主控因素之一(见图4(a-c)),黄铁矿质量分数越高,页岩中的导电物质越多,更容易在页岩中形成导电通道,从而形成低阻;在临江向斜内部,测井电阻率随黄铁矿质量分数增加未呈现下降趋势,表明黄铁矿不是临江向斜页岩低阻的主控因素(见图4(d)),与页岩沉积期位于水下斜坡、呈弱还原环境、黄铁矿富集程度相对更差有关。

图4 研究区页岩测井电阻率与黄铁矿质量分数的关系Fig.4 Relationship between logging resistivity and the weight percent of pyrite of shales in study area

3.2 有机质热演化程度及有机质质量分数

在海相页岩中,有机显微组分缺乏镜质体。页岩的有机质热演化程度通过激光拉曼光谱数据获得。对于高—过成熟有机质,利用D峰、G峰的峰高比计算有机质的等效镜质体反射率(RRmc,o)[28]。其中,D峰的拉曼位移区间为1 250～1 450 cm-1,反映晶格结构缺陷和芳环片层的空位信息;G峰的拉曼位移区间为1 500～1 605 cm-1,反映C=C键的伸缩振动。利用激光拉曼光谱计算页岩中有机质等效镜质体反射率的公式为

(1)

式中:Dh为D峰拉曼强度;Gh为G峰拉曼强度。

利用Origin 2018对激光拉曼光谱数据进行基线矫正、分峰拟合处理(见图5),得到D峰、G峰峰高及二者比值(见表1)。根据式1可获得有机质等效镜质体反射率(见表1)。

图5 研究区页岩有机质激光拉曼光谱特征Fig.5 Characteristics of organic matter laser Raman spectra of shales in study area

表1 有机质激光拉曼光谱参数与等效镜质体反射率Table 1 Laser Raman spectroscopy parameters of organic matter and equivalent vitrinite reflectance

在低阻页岩发育区,测井电阻率与热演化程度(Ro)关系为:Ro等于3.32%时,测井电阻率为1.0～9.0 Ω·m;Ro等于3.42%时,测井电阻率为1.0～4.0 Ω·m;Ro等于3.47%时,测井电阻率为0.5～1.5 Ω·m;总体上满足随热演化程度升高,电阻率降低的规律。研究区页岩测井电阻率与总有机碳(TOC)质量分数的关系见图6。由图6可知,随总有机碳质量分数升高、测井电阻率具有降低的趋势,表明有机质热演化程度与有机质质量分数是云锦向斜南部、临江向斜南部页岩低阻的主控因素,热演化程度高与总有机碳质量分数大导致页岩内部的石墨高,增加页岩内部的导电物质,从而易于形成低阻。

图6 研究区页岩测井电阻率与有机质质量分数的关系Fig.6 Relationship between logging resistivity and the weight percent of organic matter of shales in study area

3.3 含水饱和度及地层水赋存状态

研究区页岩测井电阻率与含水饱和度关系见图7。由图7可知,在云锦向斜南部远离断裂区域,页岩电阻率与含水饱和度不存在明显关系,表明含水饱和度不是云锦向斜南部远离断裂区域的低阻主控因素(见图1(b)、图7(a)),在靠近断裂区域,页岩电阻率与含水饱和度之间存在负相关关系,表明含水饱和度是云锦向斜南部靠近断裂区域的低阻主控因素之一(见图1(b)、图7(b-c));在临江向斜南部,页岩电阻率与含水饱和度满足随含水饱和度增加、页岩电阻率降低的规律,表明含水饱和度是临江向斜南部页岩低阻主控因素之一(见图7(d))。

页岩中的地层水按赋存状态可分为游离水和吸附水两种[29],分析含水饱和度与孔隙度、黏土矿物质量分数、裂缝发育程度的关系(见图7(e-p)),得出地层水的赋存状态及其地质控制因素。裂缝发育程度RF计算公式[30]为

(2)

E=2G(1+μ),

(3)

(4)

(5)

式(2-5)中:E为岩体动弹性模量;Ema为岩石骨架理论动弹性模量;G为剪切模量;μ为动态泊松比;α为单位换算因子,取1.34×104;ρb为地层密度(由密度曲线获得);Δts为横波时差;Δtc为纵波时差。

在云锦向斜南部远离断裂区域,页岩含水饱和度与孔隙度、黏土矿物质量分数、裂缝发育程度没有明显的关系,表明页岩中地层水赋存状态复杂(见图1(b)、图7(e、i、m))。结合岩心照片及裂缝统计结果可知,该区域裂缝以直立微缝、顺层细缝为主,斜交缝不发育,表明页岩中地层水受外界影响较小(见图8(a-b)、表2)。在云锦向斜南部靠近断裂区域,页岩含水饱和度与裂缝发育程度具有较好的正相关关系(见图7(n-o)),表明地层水主要赋存于裂缝。结合岩心照片及裂缝统计结果可知,该区域以顺层缝与斜交缝为主(见图8(c-e)、表2),其中,斜交缝与构造成因密切相关,页岩中地层水受构造运动及外来水影响。在临江向斜南部,页岩含水饱和度与孔隙度存在较好的正相关关系,与黏土矿物质量分数、裂缝发育程度不存在明显相关关系(见图7(h、l、p)),表明页岩中地层水主要受孔隙度控制。结合岩心照片与裂缝统计结果可知,该区域裂缝以顺层细缝与直立微缝为主,斜交缝不发育(见图8(f)、表2),表明页岩中地层水受外界影响较小。

表2 研究区目的层裂缝统计与含气量数据Table 2 Fracture statistics and gas content of target layer in study area

4 低阻页岩气有利区预测

4.1 低阻页岩含气性特征

云锦向斜远离断裂区域及临江向斜南部的页岩含气量较高,分别为1.87～4.53 m3/t(平均为3.05 m3/t)、1.18～3.73 m3/t(平均为2.21 m3/t);云锦向斜靠近断裂区域的页岩含气量偏低,含气量最大值小于0.50 m3/t,没有工业产能(见表2)。

4.2 页岩低阻主控因素对含气性的影响

云锦向斜南部远离断裂区域的页岩含气量与黄铁矿质量分数、w(TOC)呈明显正相关关系(见图9(a、e)),且页岩中黄铁矿多形成于同生沉积阶段,指示沉积期为还原环境,在还原环境条件下,有机质易于富集,在扫描电镜下可见黄铁矿与有机质共生[31],沉积期还原环境是有机质与页岩气富集的基础。该区域总含气量与含水饱和度呈明显负相关关系(见图9(i)),结合裂缝发育可知,不发育斜交缝,表明页岩储层并未受构造运动强烈改造,页岩气散失程度低。

图9 研究区页岩总含气量与低阻主控因素的关系Fig.9 Relationship between total gas content of shale and main controlling factors of low resistivity in study area

云锦向斜南部靠近断裂区域的页岩含气量与黄铁矿质量分数、w(TOC)、含水饱和度没有明显相关关系(见图9(b-c、f-g、j-k)),与斜交缝的发育条数呈负相关关系(见表1),表明页岩储层受到构造运动改造,页岩气遭到散失,属于低阻页岩气勘探远景区。

临江向斜南部的页岩含气量与w(TOC)具有明显正相关关系(见图9(h)),表明总有机碳质量分数是页岩气富集的基础;含气量与黄铁矿质量分数不存在相关关系(见图9(d)),与沉积期水下斜坡弱还原环境有关;页岩含气量与含水饱和度存在负相关关系(见图9(l)),且该区域斜交缝不发育,表明页岩储层未受构造强烈改造,属于低阻页岩气有利区。

含气量与有机质热演化程度关系显示,热演化程度高的页岩含气量相对较低(如Y2井页岩,Ro为3.47%,平均含气量为0.31 m3/t;Y3井页岩,Ro为3.42%,平均含气量为0.34 m3/t)。热演化程度相对低的页岩含气量相对较高(如Y1井页岩,Ro为3.32%,平均含气量为3.05 m3/t;L1井页岩,Ro为3.32%,平均含气量为2.21 m3/t)(见图5、表2)。4口井在平面上相距近,页岩的有机质热演化程度存在明显差异。靠近断裂的页岩有机质热演化程度高,远离断裂的页岩有机质热演化程度低,与断裂附近热传导能力强有关[32]。因此,在研究区南部,热演化程度对页岩含气量的控制作用核心是断裂对页岩气富集的控制。

4.3 勘探有利区优选

云锦向斜南部远离断裂区域及临江向斜南部为低阻页岩气有利区。根据云锦三维地震沿层蚂蚁体属性确定裂缝发育带的边界,参考页岩气选区评价标准,将距一级断裂大于1.5 km的区域划定为有利区[33],在低阻页岩发育区内确定3个有利区,其中,①～③号有利区的面积分别为29.8、8.6、213.6 km2(见图(10))。

图10 研究区低阻页岩发育区内选区评价Fig.10 Selection evaluation of low resistivity shale development area in study area

5 结论

(1)研究区测井电阻率低于15.00 Ω·m的页岩为低阻页岩,低阻页岩主要分布于云锦向斜南部与临江向斜南部。

(2)云锦向斜南部远离断裂区域的页岩低阻主控因素有黄铁矿、总有机碳热演化程度及总有机碳质量分数,靠近断裂区域的低阻主控因素有黄铁矿、有机质热演化程度、总有机碳质量分数及含水饱和度,其中,地层水受裂缝控制;临江向斜南部页岩低阻主控因素为有机质热演化程度、总有机碳质量分数及含水饱和度,其中,地层水受孔隙度控制。

(3)云锦向斜南部远离断裂区域与临江向斜南部为低阻页岩气勘探有利区,面积由大到小为213.6、29.8、8.6 km2。