重庆涪陵北部二叠系富有机质沉凝灰岩层系地质特征及甜点区优选

董清源 ,徐旭辉,李国发

1.中国石油大学(北京) 地球物理学院,北京 102249;2.中国石化 石油物探技术研究院有限公司,南京 211103

近年来,在中国准噶尔盆地、四川盆地等地区的二叠系相继发现了源储共生的沉火山碎屑岩储层,进而引起了对沉火山碎屑岩非常规油气勘探的关注[1-4]。2013年,三塘湖盆地马朗凹陷二叠系条湖组沉凝灰岩—凝灰岩储层的试油成功,证实了新的沉火山碎屑岩非常规油藏类型,开辟了三塘湖盆地油气勘探的新领域[5]。2016年,普光地区M1井在二叠系沉凝灰岩层系直井测试获日产3.85×104m3天然气,拉开了四川盆地沉凝灰岩领域的勘探序幕,也进一步揭示了沉凝灰岩具有高孔、高有机碳含量、高含气性特征。勘探成果表明,沉凝灰岩层系对四川盆地新领域的突破具有重要的意义,尤其是当该类型储层富含有机质、储集性能好、分布厚度较大时,有望成为二叠系气藏勘探的全新目标。

涪陵北部二叠系吴家坪组沉凝灰岩是一种由细粒火山灰在火山—沉积双重改造作用下形成的沉火山碎屑岩[6],为纵向上连续分布的沉凝灰岩及凝灰质泥岩的岩性组合。其火山碎屑物质—泥质含量介于50%～90%,以凝灰为主,富含大量矿物质和微量元素,使得有机质高度富集,只要处于有利沉积环境,可作为一种新型的烃源岩。前人围绕吴家坪组海相沉凝灰岩储层开展过相关研究,但主要集中在岩矿特征及储集空间等方面的分析,尚未从“源储一体”的非常规油气藏角度进行地质地震综合评价。本文主要针对沉凝灰岩层系“自生自储”地质特征,充分运用地质—地球化学—地球物理综合研究技术,围绕岩性品质和可压缝网两个关键参数,分析研究区沉凝灰岩层系非常规气藏勘探前景,优选甜点区,以期为后续非常规新领域勘探提供指导。

1 研究区概况

涪陵北部探区地理上位于重庆市万县以南、涪陵以北、垫江以东、忠县以西,构造上属于万县复向斜拔山寺向斜[7]。二叠系吴家坪组沉积时期,四川盆地西部继续隆升,水体由南西向北东方向逐渐加深,形成了川东地区以海相沉积为主的沉积格局(图1)。研究区吴家坪组为深水陆棚沉积[8],经历了东吴运动和峨眉地裂运动,受川东火山机构的影响,火山物质大量喷发,伴随着火山碎屑物质注入,吴家坪组二段(以下简称吴二段)集中发育了一套以沉凝灰岩及凝灰质泥岩为主的沉火山碎屑岩组合,见良好油气显示,研究区内主要分布在L2、L1和S1井区附近,厚度主要为10～20 m,分布稳定(图1)。

图1 重庆涪陵北部吴家坪组二段沉积相及地层柱状图

2 沉凝灰岩层系地质特征

四川盆地海相页岩气勘探与开发实践证实[9-10],页岩品质(有机地化特征、岩性特征、优质页岩厚度)是决定气藏丰度和含气高低的关键因素。深水陆棚相的沉凝灰岩作为一种海相新型烃源岩,其沉积环境、成烃母质与奥陶系五峰组—志留系龙马溪组页岩均具有一定的相似性,但前人并未从源岩品质的角度开展详细分析,本文通过探讨岩性品质的三项关键指标,进一步评价研究区沉凝灰岩层系非常规油气藏的勘探潜力。

2.1 有机地化特征

有机质类型和丰度是“自生自储”油气藏形成的重要影响因素之一,有机质类型越好、丰度越高,生烃潜力和吸附气含量越大。根据研究区5口钻井及周缘地区深水陆棚相的吴二段沉凝灰岩层系岩样[11]分析,其干酪根碳同位素主要为-24.3‰～-30.21‰,其中δ13C≤-28‰的腐泥型干酪根占比达32.34%,-28‰<δ13C≤-26‰的腐殖—腐泥型干酪根占比50.12%,-26‰<δ13C≤-24‰的腐泥—腐殖型干酪根占比17.54%,机质类型主体以腐泥型(Ⅰ)、腐殖—腐泥型(Ⅱ1)为主,类型好。w(TOC)主要在5.2%～6.5%之间,平均为6.05%,明显高于上下邻层的碳酸盐岩,为高丰度源岩,具有较高的生烃能力(表1)。

近年来,国外大量文献报道强调了Ro值在1.3%～3.5%时对形成“自生自储”油气藏的重要性[11-13]。研究区吴二段现今热演化程度较高[14],大量Ro实测数据表明,热成熟度主体范围在1.90%～2.44%,平均值为2.3%,已经达到过成熟生气阶段,有利于热成因天然气的生成和有机孔的形成[15]。

2.2 岩性

研究区L2钻井揭示,涪陵北部吴二段受火山喷发作用及深水陆棚沉积环境的共同影响,自上而下发育了深灰色泥灰岩、灰黑色沉凝灰岩及凝灰质泥岩,局部见少量硅质灰岩,其中纵向上连续分布的沉凝灰岩层系厚度达17.5 m,占比84.2%。TOC、孔隙度及全岩矿物测试结果表明,有机质主要富集在沉凝灰岩及凝灰质泥岩中,TOC含量平均分别5.8%和6.0%,整套连续沉凝灰岩层系TOC含量平均为5.86%,孔隙度平均为6%;其中埋深5 293～5 301 m的沉凝灰岩碳酸盐岩含量为30%～35%,硅质含量为40%～50%,黏土含量为10%～24%,体现较高脆性的特征,为一套典型的“源储一体”非常规储层(图2)。结合位于涪陵北部同一相带的FT1井吴二段矿物组分、岩性、扫描电镜等分析结果,该套灰黑色沉凝灰岩层系中硅质含量为40%～62%,碳酸盐矿物含量为6%～24%,黏土矿物含量为8%～21%。镜下主要为岩屑和晶屑(石英、长石、方解石),储层类型以矿物晶间孔、溶蚀孔缝为主,主要受后期脱玻化和交代蚀变成岩作用对火山碎屑物质进行晶质转化、交代蚀变而产生,其孔隙粒径一般较大,一定程度上改善基质孔隙的整体连通性,直接提高储集性能;此外,由于构造或者成岩作用等,会产生一系列微裂缝,对储层有一定的改善作用(图3a-c);同时,火山物质中N、P等元素进入水体后,促进水生生物的大量繁盛,形成大量有机质孔(图3d),间接改善了渗透性能[16]。综上所述,涪陵北部吴二段灰黑色沉凝灰岩层系TOC含量高、物性较好、脆性矿物含量较高,黏土含量较低,平面分布呈现一定的连续性,可比性强。

图2 重庆涪陵北部L2井吴家坪组二段综合柱状图

图3 重庆涪陵北部FT1井吴家坪组二段沉凝灰岩层系储集空间特征据参考文献[16]修改。

2.3 优质沉凝灰岩段分布

海相页岩中有机质含量大于2%的被称为富有机质页岩[17],优质页岩的厚度控制了页岩气的产量,TOC含量控制了优质页岩生烃基础[18]。根据国家页岩气地质评价方法标准[17],TOC含量大于4%、3%～4%及2%～3%的页岩分别为Ⅰ类、Ⅱ类及Ⅲ类优质页岩,其中Ⅰ类优质页岩具有较高商业开采价值。结合前人研究成果,本文将ω(TOC)≥4%的沉凝灰岩层系界定为优质沉凝灰岩段,其分布是甜点区优选的基础。

岩石物理特征分析是连接岩石特性与地球物理弹性参数之间的桥梁,对已知井纵波阻抗与吴二段不同岩性、TOC含量的交会分析显示,沉凝灰岩层系整体表现为高伽马、低纵波阻抗的特征(9 000～13 000g/cm3·m/s),当纵波阻抗小于11 500g/cm3·m/s时,其TOC含量整体大于4%,因此纵波阻抗反演优质沉凝灰岩段具有很好的预测效果(图4,图5),厚度预测误差在0.5m以内(表2)。结合钻井地震反演与深水陆棚分布规律,研究区吴二段优质沉凝灰岩段自西南向北东逐渐增厚,大面积稳定分布,厚度在15～20 m之间(图6),体现较好的“自生自储”气藏富集基础和勘探前景。

表2 重庆涪陵北部钻井优质沉凝灰岩段厚度预测误差

图4 重庆涪陵北部吴家坪组二段沉凝灰岩层系岩石物理分析

图5 重庆涪陵北部研究区吴家坪组二段优质沉凝灰岩段地震反演剖面

图6 重庆涪陵北部吴家坪组二段优质沉凝灰岩段厚度预测

3 地层压力和裂缝地球物理预测

“自生自储”非常规气藏具有低渗的特征,必须通过大规模水力压裂改造[19],形成复杂的缝网,沟通基质孔隙和裂缝,在地层能量强特别是高压地层下才能获得较高的工业产能。研究区沉凝灰岩层系物质基础好,但地层压力的大小和裂缝的发育程度存在一定差异,这是影响目标气藏产量差异的先天性因素。研究表明,地层压力系数越大,呈超压状态(地层压力系数大于1.4)[20],有效缝网越发育,“自生自储”非常规气藏的富集及改造程度越好。

3.1 地层压力系数预测

在对川东南五峰组—龙马溪组页岩气异常高压研究中发现,有机质生烃增压是该区五峰组—龙马溪组在埋藏阶段最重要的增压原因。目前针对烃源层系地层压力评价方法主要有Eaton公式法、等效深度法和Fillippone公式法等,但均未考虑源岩中有机质的影响[21]。为了进一步提高压力系数的预测精度,针对吴二段优质沉凝灰岩段构建了基于有机质生烃异常压力预测模型,该模型构成组分为有机质—非有机质矿物的两相混合物,利用Voigt-Reuss-Hill平均模型计算无机矿物构造的“矿物混合物”的等效弹性模量,再通过各向异性DEM模型构建干酪根与矿物混合物的等效弹性张量与孔隙度、流体饱和度及孔隙纵横比的关系式。图7a显示了基于改进的有机质生烃模型地层压力预测流程,通过单井地层压力预测,明确研究区地层压力预测模型及相关系数:

图7 基于有机质生烃的单井地层压力预测流程(a)及研究区典型井L2压力系数预测(b)

αP=[Pov-(Pov-Ph)(V/Vnct)n]/Ph

(1)

式中:αP为地震预测压力系数,无量纲;Pov为上覆地层压力,单位MPa;Ph为静水压力,单位MPa;V为实际地层速度,单位m/s;Vnct为常压趋势背景下的速度场,单位m/s;n为模型常数。

以L2井为例,根据该方法预测吴二段的地层压力系数主要为1.2～1.5,其中高值区主要集中在高TOC含量优质沉凝灰岩段,平均压力系数在1.5左右。钻井显示, L2井在5 306.7～5 307.4 m的实际气测压力系数为1.48～1.50,预测值为1.48～1.49,两者误差仅为0.01～0.02,连续两样点预测精度较高(图7b)。利用该模型,结合地震反演速度场进行平面地层压力预测。结果表明,研究区吴二段的优质沉凝灰岩段地层压力系数由西南往东北逐渐增高,介于1.30～1.55之间,与厚度分布特征具有对应性,体现出优质沉凝灰岩段生烃引起的压力异常。其中地层压力系数大于1.4的超压区主要分布在X1井以东的地区,面积约为378.5 km2(图8)。

图8 重庆涪陵北部吴家坪组二段优质沉凝灰岩段地层压力系数预测

3.2 裂缝预测

裂缝对“自生自储”气藏的影响主要表现在两个方面[22]。(1)成藏方面,在一定程度上影响了天然气赋存及聚集,控制储集空间的连通能力和产能大小;若规模过大,则会导致气体的散失。(2)工程方面,天然裂缝越发育,压裂改造的人造缝与天然裂缝沟通程度越好,形成复杂缝网的难度越小,气井产量越高[23]。研究区主要位于川东的宽缓负向斜内,构造整体稳定,以发育小型裂缝—微型裂缝为主,保存条件较好,该类裂缝一方面不会与外界沟通破坏沉凝灰岩层系的保存条件,同时有利于提高目标层段的储集空间和渗流能力。

储层裂缝在常规测井曲线上具有一定的响应特征,可以对裂缝发育层段进行有效识别。如发育裂缝时,声波时差曲线会表现为“周波跳跃”特征,密度曲线呈尖峰状或低值特征;泥浆液侵入裂缝层会使中子曲线增大或井径曲线出现不规则的变化。L2井在埋深5 300～5 310 m处为吴二段优质沉凝灰岩段,声波时差曲线具有一定程度的周波跳跃现象,中子曲线值表现为明显的较高响应,密度曲线局部为低值尖峰响应,局部为气测全烃尖峰状的裂缝型气层(图2),纵向上有一定延伸,反映在该井段可能发育一些小规模裂缝。针对钻井测井异常响应,本文采用最大似然地震敏感属性进行表征,该技术的优势是通过扫描整个地震数据体,计算数据样点之间的相似性[24],来突出可能的裂缝地震异常响应,提升裂缝刻画精度。最大似然属性表征结果表明,L2井在埋深5 300～5 310 m层段裂缝测井响应与地震属性异常具有一定的匹配关系,当地震属性门槛在0.55(无量纲)时可以近似表征裂缝带的发育情况(图9)。平面预测结果显示,研究区小—微型裂缝带主要分布在研究区向斜两翼(暖色区域),呈现“东西发育、核部稳定”的分布模式,符合宽缓向斜的受力变形机制,其中西北、东南向斜折端处裂缝发育带规模较大,面积共约375 km2(图10)。

图9 重庆涪陵北部L2井吴家坪组二段优质沉凝灰岩段裂缝测井—地震响应标定

图10 重庆涪陵北部吴家坪组二段优质沉凝灰岩段最大似然属性裂缝预测

4 勘探甜点区优选

根据四川盆地五峰组—龙马溪组页岩气储层分级指标及勘探选区评价标准[25],综合吴二段沉凝灰岩层系地质特征、地层压力及裂缝地震预测结果,从优质沉凝灰岩段厚度(≥15 m)、地层压力系数(>1.4)、裂缝发育(最大似然属性大于0.5)及钻井油气显示情况(气层发育、气测全烃异常)4个方面[26],建立涪陵北部吴二段沉凝灰岩层系有利勘探甜点区评价标准。

从分类评价结果来看,吴二段沉凝灰岩层系TOC含量高,有机质类型好,地球化学指标处于有利的主生烃期内,优质沉凝灰岩段厚度大于15 m区域主要分布于研究区北部,成环状稳定分布;吴二段优质沉凝灰岩层系主体位于宽缓向斜,远离高陡构造,其直接盖层吴三段的致密灰岩和区域盖层嘉陵江组—雷口坡组膏盐岩均具有优越的封闭性能,保存条件好,地层压力普遍为异常高压,其中超压(地层压力系数大于1.4)区域分布在研究区东北部,体现了优质源岩生烃与良好保存的综合作用;天然小型—微型裂缝主要受宽缓向斜的破裂机制影响,主要分布在向斜斜坡的转折段,该区域具有一定可压缝网的改造基础;研究区西北区域L2井沉凝灰岩层系Ⅱ类气层厚度达9.5 m,气测全烃最高达10.48%,油气显示段6 m;西南区域S1井沉凝灰岩层系Ⅱ类气层厚度达14 m,气测全烃最高达3.51%,油气显示段4.1 m,与甜点预测评价吻合。综合评价参数分布和前期钻井结果,吴二段沉凝灰岩层系勘探甜点区可划分为3个:①主要分布在L2-L1井周缘的西北区域,面积约61.2 km2,钻井油气显示最好,建议为Ⅰ类区;②主要分布在S1井周缘的西南区域,呈环状分布,面积为36.4 km2,钻井油气显示较好,建议为Ⅱ类区;③主要分布在区块东北区域,呈带状分布,面积约为88.8 km2,无钻井分布,建议为Ⅲ类区(图11)。

图11 重庆涪陵北部吴家坪组二段沉凝灰岩层系甜点区预测

5 结论及建议

(1)涪陵北部吴二段沉凝灰岩层系位于深水陆棚相,有机碳含量高,有机质类型好,热演化程度适中,孔隙度高,脆性矿物含量较高,是一种新型的优质烃源岩,勘探潜力较大,自西南往东北,气藏成藏条件变好。

(2)沉凝灰岩层系成藏特征具有优质控富、超压控藏及缝网控甜的规律,即优质沉凝灰岩段(TOC含量大于4%)厚度控制气藏富集烃源基础;地层压力系数反映保存条件好坏和残留烃含量,超压控制气藏的成藏规模;天然裂缝发育程度,一定程度上影响可压缝网改造程度,控制气藏的产能。

(3)根据沉凝灰岩层系气藏地质特点和关键主控因素,初步建立吴二段沉凝灰岩层系甜点评价标准,优选了三个甜点目标区,面积达186.4 km2。综合考虑地震、地质及钻井等多类因素,建议将L2—L1具有良好油气显示井区作为首选目标甜点区进行老井测试及勘探,再逐步扩大含气范围,为邻区相似区域勘探提供指导。

致谢:本文在研究和撰写过程中,中国石化勘探分公司等单位提供了丰富的实物资料和前期研究成果,在此表示衷心感谢。

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

董清源、徐旭辉、李国发参与论文的构思;董清源完成论文写作和修改;徐旭辉、李国发参与文章审查。所有作者均阅读并同意最终稿件的提交。

The study was designed by DONG Qingyuan, XU Xuhui and LI Guofa. The manuscript was drafted and revised by DONG Qingyuan. The manuscript was supervised by XU Xuhui and LI Guofa. All the authors have read the last version of paper and consented for submission.