南京大学学报(自然科学), 2020, 56(3): 393-404 doi: 10.13232/j.cnki.jnju.2020.03.008

川南盆地长宁页岩气田五峰组⁃龙马溪组成藏动力学过程及其意义

刘文平,1, 周政2, 吴娟2, 罗超1, 吴伟1, 姜磊2,3, 焦堃2, 叶玥豪2, 邓宾,2

1.中国石油西南油气田分公司页岩气研究院,成都,610002

2.油气藏地质及开发工程”国家重点实验室,成都理工大学,成都,610059

3.广东石油化工学院理学院,茂名,525000

Hydrocarbon generation and shale gas accumulation in the Wufeng⁃Longmaxi formations, Changning shale⁃gas field, Southern Sichuan Basin

Liu Wenping,1, Zhou Zheng2, Wu Juan2, Luo Chao1, Wu Wei1, Jiang Lei2,3, Jiao Kun2, Ye Yuehao2, Deng Bin,2

1.PetroChina,Southwest Oil and Gas Fields,Shale⁃gas Research Institute,Chengdu, 610002,China

2.State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation,Chengdu University of Technology,Chengdu,610059,China

3.Faculty of Science,Guangdong Petrochemical College,Maoming,525000,China

通讯作者: E⁃mail:liuwenping01@petrochina.com.cn, dengbin13@mail.cdut.edu.cn

收稿日期: 2020-03-03   网络出版日期: 2020-06-03

基金资助: 国家自然科学基金青年基金.  41702145
四川省科技厅应用基础项目.  2018JY0437
四川省科技计划.  15ZC1390

Received: 2020-03-03   Online: 2020-06-03

摘要

川南地区上奥陶统五峰组⁃下志留统龙马溪组黑色页岩层系是我国南方海相页岩气勘探开发最具代表性和示范性的地区,但其油气成藏过程及特征研究相对薄弱.基于含油气系统成藏动力学过程的基本原理,结合量化构造地质学、低温热年代学和盆地数值模拟等研究,以多期构造变形过程中五峰组⁃龙马溪组生烃动力学及其压力体系变化特征为载体,实现对其成藏过程的模拟表征和再现.以川南长宁页岩气田五峰组⁃龙马溪组页岩层系为研究对象,流体包裹体测试揭示其均一温度呈双峰分布特征,分别为120~140 ℃和160~180 ℃,捕获压力压力系数为1.0~1.1和1.1~1.3;低温热年代学定年和热史模拟揭示该区新生代地表抬升剥蚀量达2.0~2.5 km,五峰组⁃龙马溪组页岩热史模拟表明,中志留纪⁃中二叠世、晚二叠世⁃晚三叠世、早侏罗世⁃早白垩世和早白垩世以来烃源岩分别进入低成熟、中等成熟、高成熟和过成熟阶段.压力模拟结果显示,长宁地区五峰组⁃龙马溪组页岩层系早期长时间属于常压系统,至晚侏罗世地层持续埋深增温导致五峰组⁃龙马溪组生气速率达到高峰,地层压力剧增,逐步形成超压,早⁃中白垩世埋深达到最大,地层压力系数达2.0左右,新生代地表虽然遭受抬升剥蚀作用,但五峰组⁃龙马溪组超压被保存下来,现今压力系数仍有1.9.因此,川南地区长宁五峰组⁃龙马溪组页岩气田具有早期有限聚集、中晚期富集⁃保存超压型成藏特征.

关键词: 成藏过程 ; 五峰组⁃龙马溪组 ; 长宁页岩气田 ; 四川盆地

Abstract

Based on on the low⁃temperature thermochrological data,burial history analyis,inclusion analysis and balaced section etc.,this study investigates on the hydrocarbon generation and shale⁃gas accumulation in the Wufeng⁃Longmaxi formations in the Changning shale⁃gas field at the southern Sichuan basin. It suggests that the homogenization temperatures of the inclusions in the Wufeng⁃Longmaxi formations are characterized with two episodes dominated with 120~140 ℃ and pressures of 36~39 MPa,and with 160~180 ℃ and pressures of 45~47 MPa,respectively. Apatite fission track data and related thermal history suggest regional exhumation is about 2.0~2.5 km in Cenozoic time. Furthermore,burial history of N201 well indicates four⁃stage thermal evolution of the Wufeng⁃Longmaxi formations in the Changning shale⁃gas field as follows: Early mature in the Middle Silurian to Middle Permian,Middle mature in the Late Permian to Late Triassic,Late Mature in the Early Jurassic to Early Cretaceous,and the Over mature since Middle Cretaceous. It suggests that the Wufeng⁃Longmaxi formations are dominated with a normal hydrostatic pressure index in Palaeozoic times,however,the gas generation and pressure index are substantially increased since Late Jurassic,in particular in the Early to Middle Cretaceous with a maximum of pressure index about 2.0. Due to a widespread uplift and exhumation occurred in Cenozoic across the Changning shale⁃gas field and its periphery,the pressure index of the Wufeng⁃Longmaxi formation decreased into 1.9,indicating of a positive condition for reservation. Thus,we suggest that the Changning shale⁃gas field is characterized with a limited accumulation in early stage and a subsequent high⁃pressure accumulation of shale⁃gas.

Keywords: Shale⁃gas accumulation ; Wufeng⁃Longmaxi formations ; Changning shale⁃gas filed ; Sichuan Basin

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刘文平, 周政, 吴娟, 罗超, 吴伟, 姜磊, 焦堃, 叶玥豪, 邓宾. 川南盆地长宁页岩气田五峰组⁃龙马溪组成藏动力学过程及其意义. 南京大学学报(自然科学)[J], 2020, 56(3): 393-404 doi:10.13232/j.cnki.jnju.2020.03.008

Liu Wenping, Zhou Zheng, Wu Juan, Luo Chao, Wu Wei, Jiang Lei, Jiao Kun, Ye Yuehao, Deng Bin. Hydrocarbon generation and shale gas accumulation in the Wufeng⁃Longmaxi formations, Changning shale⁃gas field, Southern Sichuan Basin. Journal of nanjing University[J], 2020, 56(3): 393-404 doi:10.13232/j.cnki.jnju.2020.03.008

四川盆地南部是我国海相页岩气勘探开发资料最丰富的地区和典型示范性的地区,如:长宁页岩气田、焦石坝页岩气田、威远和昭通页岩气田等(图1),川南地区4500 m以浅地质资源量超过10×1012 m3[1].但以上奥陶统五峰组⁃下志留统龙马溪组为主的海相黑色页岩层系普遍经历多旋回构造背景下的多期变形与深埋藏、强隆升⁃强剥蚀过程,体现出其地质特征和演化上独特性,是我国南方页岩气资源潜力、页岩气富集规律等评价研究的最大挑战[2,3,4].通过川南地区上奥陶统五峰组⁃下志留统龙马溪组为主的黑色页岩层系研究,先后形成了复杂构造区海相页岩气“二元富集”规律、“连续型和构造型甜点”富集模式等系统认识,且“沉积是基础、保存是关键、压裂是核心”已得到业界的普遍认同[2,4,5,6],但对五峰组⁃龙马溪组黑色页岩层系多旋回构造背景下油气成藏过程及其特征研究相对薄弱,如:储层非均质性和页岩气藏富集模式多样化、页岩气自封闭性等.

因此,本文基于含油气系统成藏动力学过程的基本原理,结合量化构造地质学、低温热年代学和盆地数值模拟分析等研究,以多期构造变形过程中五峰组⁃龙马溪组生烃动力学及其压力体系变化特征为载体,对川南长宁页岩气田五峰组⁃龙马溪组油气成藏过程及特征进行研究.

1 区域地质背景

页岩气成藏具有自生自储、赋存状态多样化、聚集机理复杂等特征[7,8],因而我国南方地区海相页岩气储集层/产层的连续性、含气性和可压裂性成为页岩气地质研究和勘探开发中最基础的评价内容,它们普遍受到沉积环境与沉积过程的控制[2,4].四川盆地南部长宁⁃涪陵地区受加里东期川中古隆起、黔中古隆起围限,晚奥陶世五峰期⁃早志留世龙马溪期该区域为向北东开口的20~100 m浅海深水沉积环境(图2).尤其是奥陶纪末期和志留纪初期分别发生了两次全球性海侵事件,沉积生物种类丰富(尤其是笔石类)的五峰组⁃龙马溪组页岩[9],期间五峰组顶部局部地区沉积了观音桥段1~3 m厚的薄层介壳灰岩,代表全球海平面下降.

图1

图1   川南地区五峰组⁃龙马溪组关键页岩气钻井及勘探形势综合图

Fig.1   Key boreholes of Wufeng⁃Longmaxi formation in the Sichuan basin and its peripheries


图2

图2   四川盆地及其周缘五峰组⁃龙马溪组综合地质特征图

Fig.2   Geological features of the Wufeng⁃Longmaxi formations at the Sichuan basin and its peripheries


上奥陶统五峰组⁃下志留统龙马溪组自下而上分别为下部深水陆棚相深灰色⁃黑色硅质炭质页岩、中部浅水⁃深水陆棚相灰色⁃深灰色泥质粉砂岩和上部浅水陆棚相浅灰色⁃灰色泥岩.总体上,五峰组⁃龙马溪组黑色页岩层系中TOC(Total Organic Carbon)值大于2%的富有机质页岩层系区域稳定,分布面积广(图2),其中五峰组⁃龙马溪组优质页岩层段(TOC>4%)普遍具有较高的生物成因硅质含量、高孔隙度和高含气性特征.在该优质页岩层段,生物成因硅质平均含量可高达60%~70%,平均孔隙度大于5%(以有机质孔隙为主)、平均含气量和含气饱和度达46 m3·t-1,60%~80%[1,2,4,10].

四川盆地及其周缘五峰⁃龙马溪组页岩普遍经历了古生界⁃中生界的深埋藏过程,埋藏深度普遍曾经大于6000~7000 m[3],导致川南地区五峰组⁃龙马溪组黑色页岩层系中有机质Ro普遍大于2.5%(图2),且普遍经历过生油、油裂解成气、沥青裂解成气和干酪根直接生气等复杂过程.需要指出的是,随着深埋藏过程的加剧,在超深层黑色页岩层系中常常发生有机孔隙塌陷/压扁的现象[11],从而导致有机孔隙降低.中⁃新生代四川盆地发生多期构造变形和抬升剥蚀作用,如:印支期、喜玛拉雅期等,导致四川盆地周缘强构造变形与隆升剥蚀地区,海相页岩气钻井普遍具有低现今压力系数、低CH4含气率、低试井产量和较差的保存条件等特征(图1).现今古生界层系页岩气勘探开发表明,资源丰度和产能较低的页岩气钻井普遍具有:(1)靠近加里东期志留系古剥蚀尖灭带附近,优质黑色页岩段层较薄(如:宁10井、威1井等);(2)临近现今地表剥露区,压力系数较低(如威5井等);(3)靠近现今地表断裂带(如包201井、昭104井等)等特征.它们共同揭示多期构造变形过程与保存条件是川南海相页岩气富集高产的关键控制因素[1,4].需要指出的是,常压⁃低压黑色页岩层系若具较佳保存条件,也可形成优质页岩储层和规模页岩气田,如福特沃斯盆地Barnett页岩气压力系数为0.8~1.1,其单井日产量高达10×104 m3 [12].

2 长宁页岩气田五峰组⁃龙马溪组成藏过程

2.1 晚中生代⁃新生代隆升剥蚀作用过程

四川盆地为我国西部典型的多旋回叠合盆地,普遍经历了多期抬升与埋藏沉降过程,不同时期抬升剥蚀量定量计算通常采用古温标法,近几十年来放射性同位素热年代学的兴起为定量化抬升剥蚀过程研究提供了最优化手段,如锆石、磷灰石裂变径迹和(U⁃Th)/He法.磷灰石裂变径迹和(U⁃Th)/He部分退火温度带(分别为60~110 ℃,40~85 ℃[13])与有机质主生烃温度带范围重叠,尤其磷灰石裂变径迹长度和密度与样品在盆地特定温度环境下持续滞留时间(即抬升剥蚀或深埋增温过程)成特定的函数关系(即退火敏感性[14]),它在沉积盆地热演化史和抬升剥蚀等量化研究中被广泛应用[15,16].

长宁页岩气田磷灰石样品采自于上侏罗统蓬莱镇组岩屑砂岩(样品号SXD08),通过重液⁃磁选等传统重矿物分选手段获得磷灰石矿物颗粒后,采用外探测器法测量磷灰石裂变径迹单颗粒年龄和径迹密度,最后采用Zeta常数法计算磷灰石裂变径迹(Apatite Fission Track,AFT)年龄;磷灰石(U⁃Th)/He定年采用惰性气体脱气法和α因子校正法获得AHe年龄[15].样品磷灰石单颗粒年龄雷达图具有明显的单峰值集中分布特征(单颗粒数n=35),AFT年龄(概念统计中值年龄)为(41.4±1.1)Ma,径迹长度为(12.3±2.4)μm(径迹条数统计n=105),具不对称单峰型特征(图3).样品AHe年龄为(26.4±3.0)Ma,小于AFT年龄,揭示出样品依次抬升通过磷灰石部分退火带.基于上述年代学特征、Ketcham退火模型和HeFTy Beta热史软件进行样品的热演化史定量模拟,模拟初始条件主要为样品沉积地层年龄、样品现今地表温度和AHe年代学,使用Kolmogorov⁃Smirnov 检验(K⁃S值)和GOF检验(GOF值)分别用于验证模拟的径迹长度和年龄与样品测量真实值的拟合度,模拟结果得到K⁃S值和GOF值分别为0.84和0.8,表明模拟热演化史具有极高的可信度(图3).

图3

图3   长宁页岩气田典型磷灰石裂变径迹年代学及其热史模拟综合特征图

Fig.3   Representative AFT sample and its modeled T⁃t history of the Changning Shale⁃gas field


长宁页岩气田磷灰石样品模拟得到的沉降增温⁃抬升冷却热史曲线(图3),能够有效揭示该地区地层普遍经历过三个热演化阶段:(1)早期沉降埋藏增温阶段(~65 Ma以前)、采样地层埋深增温达到最大深度⁃温度范围(模拟热史曲线表现为较高温度⁃时间斜率线段特征);(2)缓慢抬升冷却阶段(65~25 Ma),采样层系主要埋深在部分退火带内、仅发生有限且低速率抬升冷却作用,因而导致其埋深⁃温度变化较小(模拟热史曲线表现为平坦的线段特征);(3)快速隆升剥露阶段(25 Ma~现今),目的层系快速抬升冷却,其中缓慢抬升冷却过程发生于磷灰石裂变径迹封闭温度带,后期样品快速抬升通过磷灰石裂变径迹和(U⁃Th)/He部分退火带.因此,我们认为采样地层下覆上奥陶统五峰组⁃下志留统龙马溪组页岩层系与上覆层系具有相似热演化史,于晚白垩世末期达到最大埋深,随后发生新生代两个阶段性抬升剥蚀过程:70~25 Ma缓慢抬升冷却阶段,通过模拟热史曲线温度⁃时间段变化特征值能够计算得到抬升冷却速率为0.5~1.0 ℃·Ma-1;25 Ma以来抬升剥蚀速率为2~3 ℃·Ma-1.因此,结合川西南地区地温梯度(30±5)℃·km-1[17,18],新生代长宁气田区隆升剥露速率大致分别为 -0.02 mm·a-1和-0.1 mm·a-1,地表抬升剥蚀厚度达3500 m.由于川西南地区上侏罗统蓬莱镇组被剥蚀上覆地层约3.0~3.5 km(最大埋深温度-110 ℃),其上覆区域下白垩统地层厚度大于1.0~1.5 km,因此长宁页岩气田地表现今剥蚀厚度应该约为2.0~2.5 km.

2.2 五峰组⁃龙马溪组埋藏热演化史与生烃史

以前述磷灰石裂变径迹恢复的晚⁃中新生代抬升剥蚀量和镜质体反射率热温标法为约束,采用盆地模拟手段恢复川南地区五峰组⁃龙马溪组黑色页岩层系埋藏热演化史.其中,加里东期、海西期和印支期古剥蚀量分别设为200 m,150 m和200 m[17,18,19],以长宁页岩气田关键钻井宁201井实钻地层分层、砂⁃泥质含量和孔隙度、钻井实测热流值和岩石热导率、实测五峰组⁃龙马溪组TOC%值、干酪根类型和生烃潜力系数等数据为基础,利用BasinMod盆地模拟软件,进行长宁页岩气田五峰组⁃龙马溪组定量热史模拟(图3).需要指出的是,模拟中地层压实过程采用指数模型,热史演化过程采用瞬变热流模型,生烃史演化采用Easy%Ro模型,同时为便于模拟计算五峰组⁃龙马溪组压力系数,其排烃历史使用孔隙饱和度法(临界含烃饱和度值取为10%)模拟等.

以宁201井为代表的长宁页岩气田埋藏史揭示,区域五峰组⁃龙马溪组沉积过程具有典型多旋回克拉通盆地沉积演化特征(图4).目的层系初始沉积后进入快速埋藏阶段,其沉积速率达到300 m·Ma-1、快速埋深至-1800 m,随后志留纪中晚期的加里东构造运动导致地层整体抬升剥蚀,沉积沉降速率迅速降低.二叠纪以后区域再次发生沉积沉降作用,沉积速率达到100 m·Ma-1,但中晚二叠世东吴运动造成地层差异抬升、茅口组地层部分缺失.随后目的层系进入快速沉积阶段,五峰组⁃龙马溪组沉积沉降速率达到最大,超过800 m·Ma-1;三叠纪中晚期受印支运动影响造成中三叠统雷口坡组地层不同程度剥蚀;晚三叠世⁃至白垩纪晚期五峰组⁃龙马溪组持续沉降,其沉积速率约50 m·Ma-1,埋深达到最大约-6000 m,晚白垩纪末期(约65 Ma)发生多阶段抬升剥蚀过程(详见前述),导致宁201井现今五峰组⁃龙马溪组底界埋深为-2526.0 m.

图4

图4   长宁页岩气田宁201井热史与生烃史模拟综合图

Fig.4   Burial and thermal histories, hydrocarbon generation of Well N⁃201 in the Changning shale⁃gas field


晚二叠世峨眉山地幔柱形成演化过程导致四川盆地局部地区具有较高热流值与地温场特征(即60~80 mW·m-2),但总体上盆地古生界⁃新生界普遍具有较稳定的大地热流值和地温场特征(即60~65 mW·m-2 [20]).因此,长宁页岩气田五峰组⁃龙马溪组目的层系生烃史模拟揭示五峰组⁃龙马溪组在早志留纪末期(约430 Ma)开始深埋增温进入低成熟阶段(Ro=0.5%~0.7%),但受控于加里东构造运动,古生界早期热演化速率缓慢;晚二叠世早期(约260 Ma),进入中等成熟阶段(Ro=0.7%~1.3%,即热降解生油气阶段),并持续至早侏罗世(约190 Ma);随后中⁃晚侏罗世逐渐进入高成熟阶段(Ro=1.3%~2.0%,即热裂解生湿气阶段);至白垩纪深埋藏时期组达到过成熟阶段(Ro>2.0%、即深部高温生气阶段),其成熟度达到2.5%以上.晚白垩世末期以后,受控于抬升剥蚀作用过程,五峰组⁃龙马溪组增温过程停止,其热成熟度未增加,但Ro仍保持在2.5%以上.

2.3 长宁页岩气田深埋藏⁃强隆升多期构造⁃压力动态演化特征

长宁页岩气田位于四川盆地南缘,其上奥陶统五峰组⁃下志留统龙马溪组页岩气藏主体构造定型于印支期[21,22],经历多期叠加复合与新生代快速抬升剥蚀作用.因此,本文选用横跨长宁页岩气田区的NNE⁃SWW走向、过井二维测线(测线号2010CN08),首先钻井层位标定、剖面构造解释后,基于3D Move模型软件通过去压实校正、断面滑动与拼接、面积守恒法等进行二维剖面构造恢复,结合前述热年代学抬升剥蚀量恢复长宁页岩气田深埋藏⁃强隆升演化过程,可大致分为四个关键构造期,分别为早二叠世(栖霞组沉积期前)、中三叠世(须家河组沉积期前)、晚白垩世(古近系沉积期前)和现今(图5).川南长宁地区经历加里东期构造运动后,基本改变五峰组⁃龙马溪组沉积期区域川中古隆起⁃川南坳陷构造格架,形成区域较平缓的碳酸盐台地相沉积构造格架(图5A),中三叠世印支期构造运动使长宁地区初步形成宽缓背斜及其伴生断层构造,经历侏罗⁃白垩纪快速沉积后,晚白垩世五峰组⁃龙马溪组达到其最大埋深和温度范围(图5B),新生代发生阶段性抬升剥蚀形成现今构造特征.在此基础上,结合一维模拟的结果,在BasinMod数值模拟软件中输入宁201井、宁203井、宁208井和YS108井地层分层、岩性、实测地温场和压力特征等参数, 进行长宁页岩气田二维剖面地层压力模拟,以揭示五峰组⁃龙马溪组构造⁃压力动态耦合及其页岩气富集成藏过程.

图5

图5   长宁地区关键剖面(测线2010CN08)构造⁃压力演化特征图

Fig.5   Balanced section(No.2010CN08) and modeled pressure evolution in the Changning gas field


由模拟结果可见早二叠世(栖霞组沉积以前)受加里东期构造运动控制,长宁页岩气田五峰组⁃龙马溪组具有浅埋藏特征,其地层压力等于静水压力,普遍小于5 MPa;随后发生了相当一段时期的埋藏增温过程,至中三叠世(须家河组沉积以前),五峰组⁃龙马溪组进入中等成熟演化阶段,但由于早期生气速率较低,基于生烃史模拟揭示其生气速率约0.5 mg·g-1·Ma,生烃量有限(图4),因此油气仅发生有限聚集、其地层压力仍为常压系统(压力系数约1.0);此后地层持续沉降深埋,到中⁃晚侏罗世(热演化进入热裂解生湿气阶段),生气速度达到高峰(约1.5 mg·g-1·Ma),形成超压系统(压力系数约1.4);至白垩纪晚期五峰组⁃龙马溪组埋深达到最大,约-6000 m,进入过成熟、高温生气阶段,此时五峰组⁃龙马溪组生气速率达到最大(图4),页岩气富集成藏,导致地层压力持续增大,其最大压力约100 MPa(压力系数2.0左右).五峰组⁃龙马溪组具有显著的页岩气藏超压富集特征,形成与地层构造格架展布相似的异常压力带,如:宁203⁃宁201井区平行于低角度地层展布的异常高压带(图5C).新生代以来长宁页岩气田区发生多阶段抬升剥蚀,形成大量微裂缝,造成五峰组⁃龙马溪组地层压力有一定程度的降低,但由于区域构造变形微弱,页岩气藏仍具有较好保存条件,其超压被保持下来、现今压力系数为1.9.

3 讨 论

3.1 长宁页岩气田关键成藏事件与保存条件动态变化

上奥陶统五峰组⁃下志留统龙马溪组黑色页岩层系中常见顺层和不同倾角斜交的方解石脉体,脉体中发育与沥青和烃类包裹体共生的群状、带状盐水包裹体,它们都捕获了页岩层系生烃富集活动过程中的原始流体,能够反映不同构造期的地层古温压环境、盐度和同位素等特征.对研究区的流体包裹体薄片进行阴极发光、显微荧光观察和均一温度测试研究表明,长宁页岩气田五峰组⁃龙马溪组早期气液两相盐水包裹体多与沥青同期或伴生,富集分布在发暗色阴极光的顺层张⁃剪性方解石脉体中(图6),其黄色荧光特征表明该类盐水包裹体为早期烃源岩中⁃低成熟度阶段捕获的,其均一温度值范围为130~150 ℃,相应捕获压力为35~40 MPa(压力系数1.0~1.1);第二期与气态包裹体共生的盐水包裹体,均一温度160~170 ℃,相应捕获压力为45~50 MPa(压力系数1.1~1.3).因此结合宁201井热史和生烃史分析,其流体充注集中于三叠纪(250~195 Ma)和早⁃中侏罗世(185~160 Ma)两个时期,分别代表了五峰组⁃龙马溪组油和气的富集过程(图6).同时,包裹体捕获压力和深度也表明早期流体主要为常压⁃弱超压特征,与该井的生烃史及压力模拟结果一致,即五峰组⁃龙马溪组页岩气早期(晚三叠世⁃早侏罗世为主)常压⁃弱超压聚集.

图6

图6   长宁页岩气田五峰组⁃龙马溪组成藏关键事件及演化综合特征图

Fig.6   Key events of the shale⁃gas accumulation in the Changning Wufeng⁃Longmanxi formation shale⁃gas field


晚侏罗世⁃白垩纪,五峰组⁃龙马溪组进入深埋藏、高⁃过成熟演化阶段,高温热裂解大规模生气与页岩气聚集,长宁页岩气田目标层系地层压力系数普遍达到超压,如:宁201井晚白垩世古压力系数约为2.0左右.因此,持续埋深过程尤其上覆沉积充填厚度超过3000 m的陆相地层为后期五峰组⁃龙马溪组深埋藏增温、大规模持续生烃和页岩气富集过程提供了有效的保存条件.深埋藏持续增温过程为五峰组⁃龙马溪组页岩气藏提供形成自封闭性的最佳环境,埋深增温过程中页岩层系富含的粘土矿物容易发生矿相转变(即蒙脱石与伊利石矿物转变),发生不同程度的定向排列乃至局部发生石墨化(Ro>3.0%),最终导致页岩层系垂向和页理方向渗透率的差异性[6].因此我们认为,当页岩垂向渗透率明显降低小于其页理(弱变形区可能呈低角度或水平)方向渗透率时,黑色页岩层系具有极佳的自封闭性能,页岩气富集成藏过程中形成异常高压特征(图5C).晚期抬升剥蚀过程中在浅表剥蚀带附近,受构造变形作用相关的垂向/或水平微裂缝和浅表大气淡水作用等影响,其自封闭性应发生不同程度的降低或破坏,如:长宁页岩气区YS108井(压力系数1.9)、宁201井(压力系数2.03)和宁203井(压力系数1.35)等具有明显的地层压力系数降低特征,总体上仍然具有超压和极佳的保存条件.

3.2 川南地区五峰组⁃龙马溪组构造隆升过程与页岩气保存条件

晚中生代⁃新生代四川盆地及其周缘的大规模抬升剥蚀作用,导致五峰组⁃龙马溪组普遍发生地层围压和温度的降低.伴随抬升过程中应力变化,页岩层系中微裂缝大规模开启,其孔隙度和渗透率大幅度提高,从而导致页岩气短距离运移和聚集性能增强.目前针对五峰⁃龙马溪组中多期流体包裹体和页岩气碳同位素的研究揭示川南五峰组⁃龙马溪组页岩气藏经历过短距离运移、大规模聚集的过程[10,23,24],可见五峰⁃龙马溪组晚中生代⁃新生代大规模的抬升过程对页岩气成藏非常重要.另外一方面,抬升剥蚀过程也能导致页岩气藏的保存条件动态变化,尤其是大规模抬升剥蚀作用普遍会导致页岩气保存条件的改变或破坏.长宁页岩气田区流体包裹体盐度和均一温度测试结果表明,五峰组⁃龙马溪组可能存在多期不同活动属性的流体活动.均一温度130~150 ℃内流体具有明显的高盐度(即20%~35%)和低盐度(约5%)特征[25],揭示出高盐度和低盐度流体(可能受淡水流体混合作用影响)混染效应,而明显区别于较高均一温度⁃盐度流体.它们可能代表着中⁃晚三叠世印支期构造抬升剥蚀过程相关的浅表大气淡水流体作用对五峰组⁃龙马溪组页岩气富集过程产生重要影响,因而长宁页岩气田区五峰组⁃龙马溪组页岩气早期常压⁃弱低压流体聚集仅具有限的保存条件(图5图6).

页岩气产层具有高孔隙、低基质渗透率等属性,其页岩气藏是自生⁃自储⁃自盖(封闭)的连续性气藏,因而页岩层系的自封闭性是其保存条件的最重要因素.在多期构造隆升作用过程中,页岩层系的岩石物理特性与早期层理控制着裂缝发育程度,并对页岩产层及其赋存的页岩气藏保存条件产生影响.长宁地区新生代构造隆升剥蚀阶段由于较弱的构造叠加作用,五峰组⁃龙马溪组断层活动性较弱,因此长宁页岩气田目标层系压力仅缓慢降低,导致页岩气藏压力系数变化较小,如:宁201井现今压力系数为1.9,仍然保持晚白垩世末期气藏高压特征,具有较好的保存条件.与之相反的是,宁西地区宁西202井(图1),由于新生代较强的构造叠加与抬升剥蚀作用导致其五峰组⁃龙马溪组页岩气藏晚白垩世异常高压被完全破坏,未见有效页岩气产量.同时新近勘探现状表明川南长宁⁃昭通地区五峰组⁃龙马溪组产层气体成分具有明显的分带性,即从北向南由甲烷带向甲烷与氮气混合带变化趋势,如:宁201含氮0.16%,Y105含氮2.64%,Y107含氮2.12%等,揭示出晚期抬升剥蚀作用对五峰组⁃龙马溪组页岩气保存的重要影响作用.川南焦石坝页岩气田五峰组⁃龙马溪组发育多组裂缝体系和低缓箱状背斜变形特征[10],这些裂缝与较弱叠加变形造就了焦石坝页岩气田网状裂缝和超压体系,是焦石坝页岩气富集高产的关键[5,10].基于砂箱物理模型、叠加构造变形特征和焦石坝页岩气田结构与含气性等特征之间的相似性比较[4,26],揭示出多期构造过程中差异性构造变形控制着与焦石坝气田五峰组⁃龙马溪组产层含气量、单井产量和可采储量等.总体而言,差异构造变形与隆升剥蚀作用共同导致川南地区五峰组⁃龙马溪组页岩层系孔隙、裂缝系统不同发育程度,改变页岩层系中页岩气吸附、游离特性和页岩系统中流体(地层水和页岩气等)活动特性与保存条件,最终体现出页岩气田含气量、无阻流量和压力条件与构造抬升剥蚀作用之间的负相关性.

4 结 论

(1)川南长宁页岩气田上奥陶统五峰组⁃下志留统龙马溪组页岩层系中油和气流体富集活动过程主要发生于三叠纪和早⁃中侏罗世两个时期,两期流体包裹体均一温度主要分布于120~140 ℃和160~180 ℃,捕获压力值分别为36~39 MPa(压力系数1.0~1.1)和45~47 MPa(压力系数1.1~1.3).

(2)五峰组⁃龙马溪组热成熟演化史有四个阶段性,即中志留纪⁃中二叠世低成熟阶段、晚二叠世⁃晚三叠世中等成熟阶段、早侏罗世⁃早白垩世高成熟阶段、早白垩世以来的过成熟阶段,其压力系统具有早期常压⁃弱超压、侏罗纪⁃白垩纪深埋藏高压和新生代抬升超压保持特征.

(3)长宁页岩气田区五峰组⁃龙马溪组页岩层系具有早期有限保存聚集、中晚期富集⁃保存超压成藏特征.

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