渝东北地区下古生界页岩含气性主控因素分析

余川，程礼军，曾春林，汪生秀

（1.国土资源部页岩气资源勘查重点实验室（重庆地质矿产研究院），重庆400042；2.油气资源与探测国家重点实验室重庆页岩气研究中心，重庆400042）

0 引言

近年来，经过《全国页岩气资源潜力调查评价及有利区优选》专项的实施，初步证实四川盆地及其周缘下古生界富有机质页岩地质基础较好，具有较大的页岩气资源勘探潜力［1-2］；但页岩气钻井揭示，页岩含气性在区域上和垂向上差异较大，这反映了页岩含气性受到多种复杂因素的控制［3-4］。前人也对页岩含气性的影响因素进行了探索性分析，并取得了一些认识，主要包括页岩的原始有机质丰度、成熟度、物性、微孔隙结构、裂缝发育、构造及温压条件等，归根结底这些因素所起的作用主要体现在页岩气的生成、 聚集及保存3 大方面［5-10］。为此，围绕这些方面，对渝东北地区下古生界页岩含气性的主控因素进行了探讨。

渝东北地区处于四川盆地东北部边缘，后期构造活动强烈，褶皱断裂发育，构造及地表条件复杂，以山区为主，油气勘探程度较低。该区下古生界主要发育下寒武统水井沱组和上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组2 套富有机质页岩，页岩气富集条件优越［11］，但受沉积环境及后期构造改造的影响，区内页岩层发育展布变化较大，热演化程度达到高—过成熟阶段，页岩含气性主控因素值得进一步探索。

1 页岩有机质

有机质是影响页岩气生成及赋存的关键。对城口县河鱼乡C-1 井下寒武统水井沱组40 块页岩岩心进行了现场含气量解吸测试，页岩含气量分布在3.64 m3/t以内，平均为1.16 m3/t，含气性较好（含气量大于1.00 m3/t）的层段主要位于中下部的富有机质页岩段（TOC大于2.00%），岩心含气量与总有机碳质量分数测试结果具有很好的对应关系，在TOC 高值处，页岩孔隙度也较大，相应的岩心含气性也较好（见图1）。

有机质通常是评价烃源岩及其生烃潜力的重要指标。对于页岩气储层而言，页岩有机质类型及丰度决定了页岩的原始生烃能力，较高的有机质丰度可以保证页岩层生成足够的天然气以满足自身的储集之需；另外，页岩有机质的生烃膨胀作用通常形成大量微孔隙，有机质越发育，微孔隙发育数量就越多［12］。有机质孔是页岩内典型的孔隙类型，对于页岩总孔体积具有较大贡献，这类微孔隙表面是吸附态页岩气赋存的主要空间［13-14］。

对C-1 井水井沱组5 块TOC 不同的页岩样品进行了等温吸附实验，采用类似煤的高压等温吸附实验方法，在温度30 ℃、压力0～12 MPa 的条件下，测试了页岩对甲烷气的吸附能力，依据Langmuir 等温吸附式，得到页岩的等温吸附曲线（见图2），可以记录在不同压力点页岩的吸附气量。在相同温压条件下，TOC较高的样品总体具有更强的吸附能力，两者具有很好的正相关性，这就表明有机质对于页岩吸附气的赋存起关键作用。

图1 C-1 井下寒武统水井沱组综合柱状图

图2 C-1 井水井沱组页岩样品等温吸附曲线

2 页岩层厚度与埋深

页岩层厚度与埋深是控制页岩气聚集及保存的主要因素。

2.1 页岩层厚度

渝东北地区下寒武统水井沱组黑色页岩发育厚度较大，分布在100～600 m；而上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组黑色页岩发育厚度较小，分布在10～60 m。除页岩厚度以外，这2 个层位的其他地质条件都具有类似性，钻井揭示厚度较大的水井沱组页岩含气性明显较好，如C-1 井富有机质页岩连续厚度达到140 m，岩心平均解吸气量为1.16 m3/t；而厚度较小的五峰—龙马溪组页岩含气性明显较差，W-1 井富有机质页岩连续厚度仅为25 m，岩心平均解吸气量仅为0.29 m3/t（见表1），可以推测页岩层厚度对于渝东北下古生界2套页岩的含气性具有重要影响。

对于页岩气储层而言，本身集生、储、盖等多种成藏要素于一体，因此页岩层厚度对页岩气充分聚集及有效保存的影响不可忽视。较大的页岩层厚度才能保证气态烃的大量生成并提供充足的储集空间，以使页岩气得到充分聚集［3］；另外，页岩层系本身可作为所赋存天然气的直接盖层，页岩层的自身封盖性能对于页岩气的保存具有重要影响，根据盖层的封闭性能，盖层厚度对于封盖性能影响较大［6］。因此，页岩层厚度越大，自身封盖性能越好，越有利于页岩气的保存而不至于大量散失。

表1 渝东北地区水井沱组与五峰—龙马溪组黑色页岩层地质参数对比

2.2 页岩层埋深（温压条件）

在地层条件下，随着页岩层所处埋深的变化，相应的温压条件及其孔隙结构等也随之改变。在页岩层中，页岩气是在一定温压条件下聚集形成的［15-17］，因此，压力和温度在很大程度上控制着页岩气的聚集和解吸作用，进而影响着页岩的含气性。

根据C-1 井水井沱组28 号岩心样品（井深754 m）的等温吸附实验，在30 ℃温度条件下，页岩的吸附气量在开始阶段随压力的增大而迅速增加；当达到一定压力（6～10 MPa）之后，页岩吸附量增加缓慢；当达到一定上限压力（12 MPa）之后，页岩的吸附气量几乎不再增加，最大吸附气量达到4.95 m3/t，吸附能力较强（见图3）。这表明，在温度恒定的条件下，地层压力的增大可以增强页岩的含气能力，但页岩的吸附能力是不可能无限增大的，当达到饱和后，将不再随压力的增大而增加。相反，页岩层的释压也会导致页岩气的解吸作用，降低页岩的含气量。

图3 C-1 井水井沱组28 号样品等温吸附曲线

28 号样品的现场含气量解吸实验结果如图4所示。开始阶段，页岩在近似地层温度（30 ℃）的恒温下自然解吸，当累计解吸时间达到1 380 min 后，自然解吸基本结束，得到的自然解吸气量为1 985 mL；然后，需加温至100 ℃以充分解吸出页岩内部的残余气，解吸全部结束后得到的残余气量为3 635 mL，大于自然解吸气量。这表明，在高温条件下可以使滞留在页岩内部的残余气体得到充分解吸，而这部分气体主要以吸附态存在。因此可以推断，在地层条件下，较高温度有利于气体的解吸作用，而不利于页岩气的聚集成藏。

图4 C-1 井水井沱组28 号样品含气量解吸曲线

根据上述实验分析，温度和压力对于页岩气的聚集具有相反的作用，在地层条件下，随着地层埋深的增大，地层温度和压力都在增加，这时要使页岩气充分聚集，就需要达到一个更加合适的温压匹配状态。据此可以推断，当页岩层埋藏深度达到1 000～2 000 m（压力10～12 MPa、温度30～40 ℃）时，页岩吸附性能将达到一种最佳状态。

受复杂构造条件的影响，渝东北地区下古生界页岩目的层埋深变化较大，下寒武统埋深分布在6 750 m以浅，下志留统埋深分布在5 000 m 以浅。在城巴断裂带以北的地区，地层抬升剥蚀幅度较大，页岩层埋藏较浅（小于1 000 m），钻井揭示页岩含气性较差；而由北向南，埋深整体逐渐增大，南部更有利于下古生界页岩气的聚集和保存。

3 页岩裂缝

页岩裂缝的发育对于页岩气的保存具有重要影响。富有机质页岩主要发育微型孔隙，大孔发育少，对于页岩内天然气的聚集及保存，更需要考虑页岩裂缝的发育情况。按照发育规模，可将裂缝分为巨型、大型、中型、小型和微型等5 类［18］。对于中小型和微型裂缝发育的页岩而言，这类裂缝一般不与外界沟通，不会导致页岩层的大量排烃，只会因生烃膨胀作用而排出富余的烃，且此类裂缝的发育也增加了页岩的储集空间［19-21］。但是对于构造活动强烈、大型或巨型裂缝发育的区域，这类裂缝发育规模较大，延伸较远，穿透性强，尤其是那种通天断裂，常延伸至地表与大气沟通，这就大大破坏了页岩对自身天然气的封闭性。大型断裂一方面给游离态天然气的散失提供了直接通道，另一方面，页岩层的释压将促进页岩层内吸附态天然气的解吸作用，导致页岩气进一步散失，这样将一定程度上减小页岩的含气量［22］。由此可见，裂缝发育对于页岩气藏具有双重作用，是一把“双刃剑”，这主要取决于裂缝的发育程度和性质等。

渝东北地区在地质历史时期，经历了多期次构造改造，与褶皱伴生的断裂发育，发育城巴断裂、乌坪断裂、沙市隐伏断裂等多条深大断裂。这种构造格局是在区域应力场由张性转变为压扭性的背景下，受周边构造环境、基底性质和深部断裂控制逐步形成的。由于该区地史上稳定性较弱，基底发生塑性变形，燕山—喜山期以来，在华蓥山和七矅山2 条高角度基底深断裂的控制下，主要受到来自北东—南西向、南北向的压扭应力作用。在周边地层（尤其是该区北部）派生出多组次生逆冲断裂，这种断裂倾角较大、延伸远，通常能穿透整套地层（见图5），尤其是下古生界构造层脆性变形强烈，无论是断裂发育数量还是强度都明显高于浅层，并向深部的震旦系及基底岩系聚敛，这对于下古生界页岩气的保存是极为不利的。如在研究区城口和巫溪地区钻探的C-1 井、W-1 井和W-2 井，处于大巴山前缘褶皱断裂带，整套地层构造破坏严重，而使得下古生界页岩目的层含气量遭受了大量损失，W-1 井五峰—龙马溪组黑色页岩平均含气量仅为0.29 m3/t，W-2 井五峰—龙马溪组黑色页岩含气量不足0.30 m3/t，这表明该区断裂发育对于下古生界页岩含气性具有较大的破坏性。

以上分析表明，页岩气的聚集与保存受到了多种复杂因素的影响，采用综合信息叠合法对各项参数进行综合考虑，认为下古生界富有机质页岩（TOC 大于2.00%）连续厚度达到30 m 以上、埋深在1 000～5 000 m、断裂欠发育、保存较好的区域是页岩气的有利富集区，从而优选出2 个有利区：

1）下寒武统页岩气有利区，位于开县以北的满月—温泉地区及奉节—巫山以北至巫溪白鹿—正溪以南地区；2）下志留统页岩气有利区，位于巫山—奉节—开县以北至巫溪—咸水以南的沿北西向展布的区域（见图5）。

4 结论

1）有机质是控制页岩含气性的关键内在因素。有机质决定了页岩的原始生烃能力；另外，富有机质页岩内广泛发育的微孔隙对于页岩总孔体积具有较大贡献，是吸附态页岩气赋存的主要空间。对于同一页岩层段，页岩总有机碳质量分数与含气性具有很好的对应关系；在相同温压条件下，页岩总有机碳质量分数越高，其吸附能力越强。

2）在地层条件下，较大的页岩层厚度有利于页岩气的充分聚集与有效保存。在一定温压范围内，页岩的吸附能力随地层压力的增大而增强，但温度的增加将促进页岩气的解吸作用，而不利于聚集成藏；因此，要使页岩气充分聚集，就需要达到一个更加合适的温压匹配状态。渝东北下古生界有利页岩气储层富有机质页岩（TOC＞2.00%）连续厚度需达到30 m 以上、埋深应在1 000～5 000 m。

3）大型断裂的发育对于页岩气的保存具有重大破坏性，渝东北地区经历多期次构造改造，尤其是北部断裂较发育，下古生界页岩含气性受到极大影响；而该区南部构造较稳定，断裂欠发育，比较有利于页岩气的保存。构造保存条件可能是影响该区下古生界页岩含气性的关键。

4）下寒武统页岩气聚集有利区位于开县以北的满月—温泉地区及奉节—巫山以北至巫溪白鹿—正溪以南地区；下志留统页岩气聚集有利区位于巫山—奉节—开县以北至巫溪—咸水以南的沿北西向展布的区域。

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