中国南方盆外复杂构造区页岩气井评价与认识--以湖北来凤咸丰区块来页1井为例

李　博　魏国庆　洪克岩　彭传圣　胡晓兰　朱亮亮

中国南方盆外复杂构造区页岩气井评价与认识
--以湖北来凤咸丰区块来页1井为例

李博1,2魏国庆1洪克岩1彭传圣1胡晓兰1朱亮亮1

1. 中国华电集团清洁能源有限公司 2. 中国地质大学(北京)

李博等.中国南方盆外复杂构造区页岩气井评价与认识--以湖北来凤咸丰区块来页1井为例.天然气工业,2016, 36(8): 29-35.

为了在中国南方四川盆地以外复杂构造区确定页岩储层的核心评价参数,准确把握页岩气"甜点"目标,以湖北来凤咸丰区块来页1井为例,利用钻井、二维地震及实验室分析测试数据等资料,对该区块上奥陶统五峰组-下志留统龙马溪组页岩气的形成条件进行了评价.结果表明:该区五峰组-龙马溪组页岩具有厚度较大、有机质丰度高、热演化程度较高、储集物性及含气性较好、可压性良好和保存条件良好等优点,为该区页岩气的生成和富集提供了良好的地质条件.进而建立了适合南方复杂构造区五峰组-龙马溪组页岩的主要评价指标体系,归纳了获得商业发现的5项核心评价指标:①优质页岩厚度大于20 m;②有机碳含量超过2.0% ;③脆性矿物含量介于40%～70%;④页岩含气量大于2 m3/t且甲烷含量超过90%;⑤距离通天断裂及目的层剥蚀线超过3 km.结论认为:该区块志留系五峰组-龙马溪组页岩满足上述评价标准,具有进一步开展工作的潜力;同时,五峰组-龙马溪组埋藏较浅,不属于超压体系,也对后期的规模开发和稳产提出了挑战.

中国南方 复杂构造区 湖北来页1井 晚奥陶世-早志留世 页岩气 评价指标 保存条件 含气性 TOC

页岩气作为一种新的非常规能源越来越受到人们的重视[1-4].为加快中国的页岩气勘探开发步伐, 2012年9月,国土资源部发布公告,面向社会公开招标出让20个页岩气探矿权,总面积为20 002 km2.其中,大多分布在贵州、湖北、湖南等四川盆地以外的南方海相地层变形复杂区.该区域的主要目的层上奥陶统五峰组-下志留统龙马溪组具有以下特点:①埋藏相对较浅,大部分地区埋深在2 500 m以内;②都处于志留系深海陆棚相的相对边缘地区;③地层压力系数介于0.95～1.20;④受后期构造运动影响较大,基本都位于七曜山断裂以东,现今多为"隔挡式"构造格局[5-10].在上述区域,如何寻找构造相对稳定区,如何确定核心评价参数,对于准确把握页岩气"甜点"显得十分重要.

图1　来凤咸丰区块位置及构造纲要图

1　地质简况

湖北来凤咸丰页岩气勘查区块(以下简称来凤咸丰区块)为国土部第二轮页岩气招标区块,位于扬子板块中部的湘鄂西褶冲带,西与四川盆地毗邻,北靠秦岭-大别造山带,东接江南-雪峰滑脱推覆隆起带,区块主体位于湘鄂西褶冲带的宜都-鹤峰复背斜带的西南翼,部分位于花果坪复向斜带上(图1).湘鄂西褶冲带在中新生代受加里东、印支褶皱运动影响较强,主要表现为频繁的差异升降运动.侏罗纪末的燕山褶皱运动造成全区盖层的强烈变形,形成以北东向为主的褶皱和断裂构造.区域资料显示,来凤咸丰区块地层自震旦系到三叠系发育齐全,缺失侏罗系以上的地层.区块出露最老地层为下寒武统天河板组,最新地层为下三叠统大冶组,累积厚度约为4 600 m.

图2　来凤咸丰区块过来页1井地震剖面图

2015年中国华电集团在来凤咸丰区块两河口向斜轴部部署实施了1口页岩气探井--来页1井(图2),目的层为五峰组-龙马溪组富有机质泥页岩,获得了较好的页岩气显示,展示了该区下古生界页岩气具有良好的勘探前景.

来页1井采用二开井身结构,完钻井深1 070 m.揭示主要目的层五峰组-龙马溪组厚度为51 m (深度介于902～953 m).全井气测显示共计46.50 m/4层,其中925.00～953.00 m为目的层五峰组-龙马溪组黑色笔石页岩,全烃含量0.31%↑9.40%,甲烷含量0.29%↑8.78%.下部的935.00～953.00 m井段的自然伽马、相对高声波时差、相对高电阻率的"三高"特征明显,自然伽马在186.3 API上下,地层电阻率平均为262.9 Ω.m,声波时差平均为228.0 μs/m,补偿中子平均为14.1%,体积密度平均为2.60 g/cm3,有效孔隙度平均为3.7%,渗透率平均为0.047 6 mD,综合解释该层为页岩气层(图3).

图3　来页1井五峰组-龙马溪组页岩气综合评价图

2　主要评价参数

2.1暗色泥页岩发育及分布

来凤咸丰区块五峰组-龙马溪组沉积于碎屑岩深水陆棚相滞流缺氧环境,含有丰富的笔石及有机质的黑色泥页岩.来凤咸丰区块在龙马溪组沉积时期,沉积水体总体为缺氧环境,主要发育黑-黑灰色碳质页岩、含粉砂碳质泥页岩、深灰色泥质粉砂岩,厚41～55 m.五峰组沉积时水体更深,富含笔石和黄铁矿,岩性以含碳硅质泥页岩为主,厚5～7 m.五峰组-龙马溪组泥页岩整体横向分布广泛,有利分布规模面积约100 km2.

2.2有机地球化学特征

来页1井44个岩心样品测试结果表明,来凤咸丰区块五峰组-龙马溪组黑色泥页岩有机质类型以偏腐泥混合型为主.TOC介于0.42%～4.18%,平均为1.58%,大多超过1.0%;Ro介于2.03%～4.85%,平均为2.94%,页岩品质好且达到过成熟生气阶段.整体上看,中间的泥质粉砂岩上下的2套黑色泥页岩有机碳含量较高,且都有由下往上TOC呈逐渐降低的趋势.905～912 m、925～933 m和938～953 m井段,共计30 m厚的黑色碳质页岩、硅质页岩TOC值明显较高,介于1.00%～4.18%,平均值为1.63%,化石含量丰富,是形成页岩气藏的最有利层段(图3).

2.3储渗条件

来凤咸丰区块五峰组-龙马溪组泥页岩密度平均为2.65 g/cm3,与黄金坝地区已商业开发的五峰组-龙马溪组页岩层密度大体一致[6-8],结构相对致密.

2.3.1储集空间类型及特征

通过岩心观察、氩离子抛光-扫描电镜以及STAR电成像测井等分析发现,来凤咸丰区块暗色泥页岩中的储集空间主要发育2种类型:①一种为泥岩自身的微观孔隙,根据成因类型主要分为微裂缝、粒间孔、粒内孔和有机质孔隙4大类(图4),这种微孔隙的储集空间很小,一般为纳米级,孔径介于2～1 000 nm,大部分集中在2～50 nm;②另一种类型为泥页岩中发育的裂缝系统,其对页岩气的开发有重要作用,不仅利于游离气的富集,还是页岩气渗流运移的重要通道.这种类型的裂缝一般尺寸较大,为宏观裂缝,可以通过岩心观察观测到或通过STAR电成像测井解释发现.来页1井的宏观裂缝系统,主要以低角度的构造缝和近水平的层间缝为主(图4),部分裂缝为开启缝,部分裂缝充填有方解石.

2.3.2储集物性

通过脉冲法测试岩心物性数据表明,来凤咸丰区块五峰组-龙马溪组泥页岩孔隙度介于0.16%～5.86%,大部分超过1.0%,占比达到76%,平均孔隙度为2.08%;渗透率由于个别样品裂缝发育,变化范围较大,介于0.001～0.600 mD,平均为0.05 mD.与北美及国内已获得页岩气勘探突破地区的页岩储层的孔隙度和渗透率[11-15]相比,来凤咸丰区块五峰组-龙马溪组泥页岩储层物性相对较好(表1).而且,该区块五峰组-龙马溪组泥页岩储层较低的孔隙度对应着相对较高的渗透率,说明微裂缝为泥页岩储层提供了一定的渗滤通道,有利于页岩气产出.

2.4岩石矿物学特征

X射线衍射分析实验表明,来凤咸丰区块五峰组-龙马溪组矿物成分以黏土矿物和石英为主,其次为长石、碳酸盐岩及少量黄铁矿(图5).

黏土矿物含量介于17.8%～60.2%,平均为36%.黏土矿物以伊利石、伊/蒙混层为主(图6),含少量的绿泥石,不含蒙皂石和高岭石.伊利石含量介于39%～81%,平均为58%;伊蒙混层含量平均为29%;绿泥石平均为12.5%.伊利石含量较高,说明泥页岩成岩作用较高,与较高的成熟度相对应.

石英、长石、碳酸盐岩及黄铁矿等脆性矿物含量介于39.8%～82.2%,平均为64%,具有较好的可压裂性.脆性矿物中石英含量介于15.9%～66.0%,平均为39%.

图4　来页1井五峰组-龙马溪组泥页岩主要储集空间类型图

2.5保存条件及页岩含气量

南方海相页岩气勘探实践表明,保存条件的好坏直接控制页岩气的含气量及气体组分.来页1井所在的两河口向斜,两翼地层较平缓,向斜主体部位无大型通天断层发育,来页1井距离五峰组-龙马溪组最近的露头3.5 km.来页1井五峰组-龙马溪组顶界埋深902 m,顶板为下志留统新滩组,岩性主要为深灰-灰色泥岩、粉砂质泥岩、粉砂岩和部分细砂岩,总厚度约为180 m,对下部页岩气层具有较好的封盖效果.底板为宝塔组连续沉积的灰色瘤状灰岩、泥灰岩,厚度约为30 m,区域上分布稳定,空间展布范围广,岩性致密,物性较差,作为底板,对上覆页岩气层具有很好的封隔作用.

良好的保存条件使得来页1井具有较高的含气量和甲烷纯度,测试结果显示:五峰组-龙马溪组泥页岩含气量介于0.23～3.73 m3/t,平均值为1.72 m3/t.其中大于1.0 m3/t含气量的页岩段共35 m,大于2.0 m3/t含气量的页岩段厚度达到21 m(图3),甲烷纯度均超过95%,最高达100%,平均值高于99%(表2).这为来凤咸丰区块页岩气的工业突破奠定了良好的基础.

表1　来页1井与南方已获得突破地区五峰组-龙马溪组页岩主要参数表

图5　来页1井全岩矿物分析图

图6　来页1井黏土矿物分析图

3　核心评价指标

笔者根据来页1井的勘探实践,分析认为针对盆外构造复杂区,页岩气核心评价指标主要包含了TOC、含气性、脆性矿物含量、甲烷纯度和与深大断裂、剥蚀线的距离等五个方面[16-18].结合来页1井的气测和测井曲线特征,当黑色页岩连续的TOC大于2%,含气量大于2 m3/t,脆性矿物含量介于40%～70%,甲烷纯度大于90%,而且钻井距离深大断裂和目的层剥蚀线大于3 km时,即可以确定五峰组-龙马溪组的有效厚度,并将此层段作为优质页岩段,即页岩气勘探开发的重点层段.比如来页1井的935～953 m井段,TOC连续大于2%,平均为2.62%;含气量连续大于2 m3/t,平均达到2.85 m3/t;脆性矿物含量平均为63%;甲烷含量均超过95%,平均高于99%;且来页1井附近无深大断裂,距离五峰组-龙马溪组最近的剥蚀线3.5 km,所以来页1井935～953 m井段(共18 m)为优质页岩段,是进行重点压裂的突破层段.

表2　来页1井五峰组-龙马溪组气体组分分析表

4　结论

1)以来页1井为例,建立了南方盆外复杂区五峰组-龙马溪组页岩评价指标体系.在复杂区内寻找相对稳定的构造单元,当五峰组-龙马溪组分布面积大于50 km2,埋深大于800 m,即具有一定的勘探潜力.

2)来凤咸丰区块五峰组-龙马溪组泥页岩具有厚度较大、有机质丰度高、热演化程度较高、储集物性及含气性较好、具有良好可压性和保存条件良好等特点.同时,埋藏浅,不属于超压体系,为后期的规模开发和产量的稳定提出了新的挑战.

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(修改回稿日期 2016-05-19 编 辑 罗冬梅)

Evaluation and understanding on the shale gas wells in complex tectonic provinces outside Sichuan Basin, South China: A case study from Well Laiye 1 in Laifeng-Xianfeng Block, Hubei

Li Bo1,2, Wei Guoqing1, Hong Keyan1, Peng Chuansheng1, Hu Xiaolan1, Zhu Liangliang1
(1. Clean Energy Co., Ltd., China Huadian Group, Beijing 100160, China; 2. China Uniνersity of Geosciences 〈Beijing〉, Beijing 100083, China)

NATUR. GAS IND. VOLUME 36, ISSUE 8, pp.29-35, 8/25/2016. (ISSN 1000-0976; In Chinese)

For determining the key evaluation parameters of shale reservoirs in the complex tectonic provinces outside the Sichuan Basin in South China and to target the sweet spots of shale reservoirs accurately, the forming conditions of Upper Ordovician Wufeng-Lower Silurian Longmaxi shale gas reservoirs in Laifeng-Xianfeng Block, Hubei Province, were evaluated with Well Laiye 1 as an example based on its drilling, 2D seismic and laboratory test data. It is shown that Wufeng-Longmaxi shale reservoirs in Laifeng-Xianfeng Block are characterized by great thickness, high organic abundance, higher thermal evolution degree, good reservoir physical property, good gas-bearing property, good compressibility and preservation conditions, which are geologically favorable for the formation and accumulation of shale gas in this block. Then, the main evaluation index system suitable for Wufeng-Longmaxi shale reservoirs in the complex tectonic provinces of South China was established. Finally, five key evaluation indices for commercial discovery of shale gas reservoirs were proposed. First, high quality shale is thicker than 20 m. Second, TOC is more than 2.0%. Third, the content of fragile minerals ranges from 40% to 70%. Fourth, shale gas content is higher than 2 m3/t and methane content is more than 90%. And fifth, reservoirs are usually over 3 km away from the opening faults and the denudation lines of target strata. It is concluded that Wufeng-Longmaxi shale reservoirs in Laifeng-Xianfeng Block reach these evaluation standards, presenting the potential for further exploration. On the other hand, however, Wufeng-Longmaxi reservoirs are not overpressure systems with shallower burial depth,which means a challenge to scale development and stable production at the late stage.

South China, Complex tectonic province; Well Laiye 1; Late Ordovician-Early Silurian; Shale gas; Evaluation index; Preservation conditions; Gas-bearing property; TOC

10.3787/j.issn.1000-0976.2016.08.004

国家科技重大专项(编号:2016ZX05025004-004)、国土资源部页岩气探矿权项目(编号:GT2012YQTKQCR0001)、中国华电集团公司重点项目"华电页岩气区块产能建设目标优选及开发前期评价"(编号:HDKJ16-01-36).

李博,1968年生,高级工程师;主要从事油气成藏与非常规油气勘探开发研究工作.地址:(100160)北京市丰台区汽车博物馆东路6号华电产业园B座4层.ORCID: 0000-0002-2407-5192.E-mail: lib@cg.com.cn