川东南地区龙马溪组页岩“低电阻、低含气”成因及地质意义

魏富彬,刘珠江,陈斐然,严 伟,王 强

中国石化 勘探分公司,成都 610041

1 研究背景

川南高陡带是深层页岩气实现持续突破的重要领域,前期评价有利目标8个,资源量近9 000亿立方米[1-2]。近期包括中石化、中石油在内的多家单位,在川南高陡构造带及邻区部署实施的石页1井、太页1井及江页探1井等一批深层页岩气钻井,在五峰组—龙马溪组优质层段内均表现出“低电阻、低含气”的特征。其中,石页1井优质段总含气量为1.88 m3/t,电阻率为4.1 Ω·m;太页1井优质段总含气量为1.05 m3/t,电阻率为5.0 Ω·m,造成这种“低电阻、低含气”的关键因素不清楚,严重制约了盆内高陡构造带深层页岩气下一步的勘探方向。

目前关于低电阻成因的认识研究,国外涉及比较少,主要是集中在国内,且认识分歧比较大。针对四川盆地龙马溪组低电阻,不同学者专家大体提出3种成因观点:(1)认为低电阻页岩主要受已达到高演化有机质中的高导矿物——石墨引起[3],表明有机质已经严重碳化[4-11];(2)认为页岩结构中存在“荷电缝”现象,颗粒之间的接触方式影响电阻率[12];(3)局部构造保存条件变差或受基底断裂破坏,影响页岩电阻率[13-17]。由于认识不一致,对于四川盆地高陡构造带页岩气有利区的优选以及下一步的勘探部署规划等不能形成有效的指导,因此有必要从实钻井出发,系统研究页岩低电阻的成因。

2 电阻率与含气量关系

目前通过对四川盆地大量龙马溪组页岩气实钻井电阻率值与含气量、孔隙度及测试产能数据的分析,基本可以认为低电阻井普遍具有“低含气、低产能”的特征[18],即电阻率值介于10～100 Ω·m的井普遍具高含气量、高孔隙度的特征,其实测含气量介于4.0～10.0 m3/t,实测孔隙度介于4.0%～8.0%之间;而电阻率值在0.1～10 Ω·m的页岩气井普遍具有低—极低的含气量和孔隙度,其实测含气量介于0.1～4.0 m3/t、实测孔隙度介于0.3%～4%之间(表1)。另外,从大量的低电阻率井的产能来看,这类井测试产量普遍为低产—特低产,或干层,部分井产地层水。由此可见,电阻率大小与页岩含气量及储层孔隙度呈良好的相关性,因此,厘清低电阻率钻井的分布规律及主控因素,对于页岩气的勘探部署及有利区带优选意义重大。

表1 四川盆地五峰组—龙马溪组部分典型低电阻率页岩气井测试产能统计

3 低电阻页岩分布规律及成因探讨

针对上述问题,首先开展了四川盆地及周缘低电阻率井分布范围及规律研究,其次对重点井开展了激光拉曼、岩电实验及投射电子等分析测试分析。经过系列基础工作的开展,发现钻遇的低电阻率井在分布区域上存在一定规律性,并且不同低电阻率值的钻井在成因上也有明显的差异。

3.1 低阻页岩区域分布规律

为了弄清楚低电阻率井的成因,首先开展了四川盆地及周缘范围内低电阻率井分布规律研究,发现目前钻遇的低电阻率井在分布区域上存在一定规律性,并且在成因上不同电阻率值的页岩也有明显的差异。其中在盆内分布的低电阻井电阻率值一般在1～10 Ω·m,区域上主要分布在川南綦江高陡、太和场、仁怀等地区,川北地区主要分布在南江—通南巴一带,川东北地区主要分布在巫溪一带;而电阻率值小于1 Ω·m的页岩气井分布比较集中,主要在川东利川、石柱复向斜和川西南长宁—宁西、美姑—永善一带。此外最新钻进的隆页4井在盆外残留向斜内也钻遇低电阻页岩,电阻率在1～10 Ω·m(图1)。为了能够深入剖析低电阻页岩成因,本次研究将其分为小于1 Ω·m的极低电阻率和1～10 Ω·m的低电阻率2种类型。

图1 四川盆地及周缘地区龙马溪组页岩低电阻率井分布

3.2 过高演化造成的页岩石墨化是极低电阻率(小于1 Ω·m)的主要成因

(1)电测曲线特征。从图2纵向电阻率分布特征来看,页岩极低电阻主要分布在页岩段内,并且呈突变的特征,有点类似“细脖子”特征,不论是在页岩上部,还是下部整体电阻率值均小于1.0 Ω·m,并且这种特征与目前研究认为已经明显碳化的寒武系页岩、以及北美的马塞勒斯页岩特征十分相似(图2)。不仅如此,从页岩电阻率和有机碳(TOC)含量的相关性来看,两者整体呈现高度的负相关,即TOC含量越高,则电阻率值越低(图3)。

图2 小于1 Ω·m极低电阻率页岩“细脖子型”特征

图3 不同电阻率页岩TOC含量与电阻率值相关关系

(2)激光拉曼光谱特征。激光拉曼光谱实验是目前特别适用于精确评价下古生界海相页岩热演化程度相对最为有效的方法[19-20]。通过有机质激光拉曼图谱(图4)可以明显看出,这种类型的页岩已经出现了高幅度石墨峰(即G’峰) ,且显示D峰大于G峰。按照刘德汉、肖贤明等[19]的研究结果,这类页岩已经进入碳化阶段;同时按照现阶段比较公认的拉曼分析参数计算的反射率计算公式,算出的激光拉曼反射率普遍在3.70%以上,局部井段达4.0%(表2)。由此可见,极低电阻率井页岩存在演化程度过高的特征。

由于石墨化,页岩骨架具有明显导电性。这类井的页岩在烘干水及饱和水2种状态下,其电阻率值变化范围较小,且均呈现极低—低电阻率特征,而非呈现出页岩骨架本身的中—高电阻率值特征,从而说明含水量对页岩电阻率影响较小(图5和图6)。页岩骨架石墨化程度高可能是引起极低电阻的主要原因。

图5 四川盆地小于1 Ω·m极低电阻率页岩不同状态下电阻率统计直方图

图6 四川盆地MY1井页岩电阻率随含水饱和度变化趋势

3.3 保存条件差是造成页岩低电阻率(1～10 Ω·m)的主要原因

1～10 Ω·m范围页岩电阻率钻井分布区域较广,在四川盆地的盆内、盆外均有,主要在川南构造带呈连片分布(图1),其电性、激光拉曼及岩电实验等表现出来的特征与电阻率小于1 Ω·m的页岩差异明显。该类页岩电阻率曲线具“渐变”特征(图7),无“细脖子”特征;TOC含量与电阻率存在弱负相关性(图3);激光拉曼实测反射率值在3.50% 左右,略高于DYS1井;激光拉曼图谱也没有表现出明显的石墨峰的特征(图8)。

图7 1～10 Ω·m低电阻率页岩“渐变型”特征低电阻率页岩段主要集中在龙一亚段—五峰组。

图8 1～10 Ω·m低电阻率页岩与大于10 Ω·m电阻率页岩有机质激光拉曼谱图对比

TEM成像未存在明显碳化现象,揭示岩石骨架中石墨结构形成量有限,未影响岩石骨架的导电性(图9)。岩电实验揭示测井、原样与烘干3种状态的页岩电阻率相比变化大,烘干后页岩随水分减少,其电阻率升高7～20倍左右,呈现中—高电阻率特征,揭示含水量对页岩电阻率有影响,而非骨架导电引起低电阻率(图10)。

图9 四川盆地SHY1井龙马溪组页岩透射电子成像图

图10 1～10 Ω·m低电阻率页岩与大于10 Ω·m电阻率页岩在不同状态下电阻率变化对比

以SHY1井为例,该井位于石龙峡构造南部,自晚燕山期以来遭受了綦江隐伏断裂、大娄山运动及转换断裂的共同影响,导致石龙峡构造保存条件变差。其主要表现为以下4个方面的地质特征:一是岩心整体破碎程度高,裂缝极其发育,在整个龙马溪组一段中共发育172条高阻缝,10条微断层,同时地层倾角达到60°,裂缝密度及地层倾角远远高于目前所有的页岩气钻井;二是从裂缝间的相互切割关系、矿物充填顺序以及包裹体等综合判断,石龙峡构造在地质历史时期至少遭受了2～3期构造活动的强烈改造,并且从包裹体测温看出,在深埋高温阶段,盐度就已经发生变化,呈低盐度开放体系,表明可能在最大埋深期间气藏发生破坏,并且在最后一期充填石英,可能存在热液影响;三是页岩具有高含水特征,通过蜡封样实测的含水饱和度高达60%～70%,此外在岩石表面见有明显“盐霜”现象,揭示后期可能由于构造变形强烈,页岩气层与上覆地层发生了水串层现象。

综上所述,该类型的电阻率(1～10 Ω·m)主要是由页岩气保存条件变差、含水率增高所造成的。

4 结论及建议

(1)基于上述对不同电阻率成因分析取得的认识,并结合实际钻探情况,认为目前在盆内高陡构造带龙马溪组钻遇的“低电阻、低含气”现象,主要是由于受多期次构造叠加影响、断裂开启、造成局部保存条件差所形成的。

(2)在SHY1井保存条件变差原因剖析的基础上,加强对其他高陡带目标构造解剖,明确中梁山与石龙峡具有相似的构造背景及变形特征,受走滑作用较强,存在低电阻、低含气的风险较大,需加强评价落实有利保存区;石油沟、桃子荡、明月峡构造走滑作用影响弱,分层滑脱明显,且断层平缓,保存条件好,是下一步需重点关注的高陡带目标。

利益冲突声明/Conflict of Interests

所有作者声明不存在利益冲突。

All authors disclose no relevant conflict of interests.

作者贡献/Authors’Contributions

魏富彬、王强、陈斐然、严伟参与论文的构思;魏富彬、刘珠江参与论文写作和修改。 所有作者均阅读并同意最终稿件的提交。

The study was designed by WEI Fubin,WANG Qiang,CHEN Feiran and YAN Wei. The manuscript was drafted and revised by WEI Fubin and LIU Zhujiang. All the authours have read the last version of paper and consented for submission.