四川盆地东南缘龙马溪组页岩气区域保存条件及评价

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四川盆地东南缘发育的下志留统龙马溪组富有机质页岩,是我国目前唯一实现了页岩气商业突破的海相页岩地层。研究表明,该地区发育的龙马溪组富有机质页岩形成于不同的古地理环境,致其岩矿组成、烃源条件等物质基础具有显著的差异性。此外,受多期次、长时间构造作用的影响,龙马溪组页岩早期经历了深埋作用,热演化程度普遍较高;晚期经历了强烈的构造挤压及巨幅的抬升剥露作用,导致页岩产生了显著的形变破裂,自封闭性被破坏,其内赋存的页岩气通过断裂、裂缝及地表剥蚀出露区等通道散失。既有勘探实践证实,保存条件是制约该区龙马溪组页岩气商业价值最核心的因素,亟待深入研究。然而,目前针对龙马溪组页岩气保存条件的研究及评价工作多未触及本质,即并未对页岩自身性质与外部背景、页岩气保存的静态要素及动态过程进行联合研究;另一方面,研究评价尺度小,定量性差且不具有预测性。针对上述现状,本论文选取四川盆地东南缘龙马溪组富有机质页岩为对象,紧扣页岩内在属性及外部环境两方面,以富有机质页岩的物质基础、埋藏演化过程、区域形变破裂特征及页岩气侧向散失过程等为切入点,对龙马溪组页岩气的区域保存条件进行了研究与评价,主要取得了以下认识:(1)依托钻井、野外露头实测资料,基于沉积学、岩石矿物学及油气地质学等理论方法,对研究区龙马溪组富有机质页岩的空间展布、沉积相及物质基础进行了研究,结果表明:龙马溪组富有机质页岩主要发育于底部龙一段一亚段,主要为深水陆棚相页岩,区内邻近古隆起的少数区域发育浅水陆棚相页岩;龙一段一亚段页岩为典型的富泥硅质页岩岩相,长英质矿物含量介于55-65%,黏土矿物含量介于25-30%,碳酸盐矿物含量仅10-15%;该段页岩总厚度介于5-40 m,多数大于20 m;总有机碳含量介于1.0-4.0%,多数大于2.0%;富有机质页岩岩矿组成、厚度与有机质丰度明显受控于其沉积相,总体上烃源、工程品质十分优越。(2)基于钻井、区域地质图及文献中析出的实测数据和低温热年代学、地温资料,运用一维盆地模拟技术,对研究区龙马溪组富有机质页岩现今埋藏状态及其埋藏演化史进行了研究。结果表明:龙马溪组富有机质页岩现今处于埋藏、暴露地表或被剥蚀殆尽等不同埋藏状态,最大埋深可达6000 m;页岩有机质(等效)镜质体反射率介于1.5-3.9%,多绝大多数地区高于2.0%,属高过成熟阶段;受燕山及喜马拉雅运动影响,页岩在中新生代经历了显著的抬升及剥蚀作用,抬升起始时间自东南部造山带的约180 Ma至西北部盆内的约70 Ma渐新,整体抬升及剥蚀幅度沿SE-NW向减小;页岩于早古生代末期即步入成熟门限(Ro=0.5%),后于晚古生代末期逐步进入生气窗(Ro=1.3%),并于早中生代进入原油裂解窗(Ro=2.0%)。盆外富有机质页岩生烃起始及终止时间均明显早于盆内页岩,亦更早开始经历抬升剥露,致其烃类生成及保存条件均更为不利。(3)研究收集了不同矿物组成的钻井页岩岩心样品及不同构造单元的脆性野外岩样,进行了三轴压缩岩石力学实验及基于Kaiser效应的声发射测试;综合测试数据及力学理论分析,对富有机质页岩岩石力学性质,及其在中新生代的构造挤压与剥蚀抬升过程中的地应力背景进行了研究。结果表明:页岩的三轴岩石力学强度与其粘土矿物含量呈显著的线性反相关关系,与碳酸盐矿物含量存在一定的正相关性,与长英质矿物含量无明显相关性。页岩三轴岩石力学强度与围压的线性关系可使用其黏土矿物含量进行表征;研究区在中生代造山运动中经历了强烈的水平挤压,古有效最大水平地应力值介于40-180 MPa,该应力值整体上呈SE-NW向递减趋势,且与地层倾角具有显著的正相关性;页岩在中生代挤压期与新生代抬升期内经历的水平地应力大小与当时所处围压下的三轴岩石力学强度之比可以用于指示不同平面位置页岩发生破裂的概率,两种强度比指示盆外页岩以东南部邻近造山动力源的区域更易发生破裂,盆内紧闭背斜核部发育的页岩更易破裂。(4)基于钻井、地震及地质图资料,利用二维盆地模拟技术,在精细恢复剖面构造演化史的基础上建立了彭水地区桑柘坪向斜的油气地质模型,并对藉此重建了富有机质页岩的埋藏-热演化及烃类生成-输导过程;通过对比不同抬升总时长及不同地层倾角模型的模拟结果,探讨了页岩气侧向输导散失过程及其影响因素,结果表明:现今富有机质页岩系统内天然气以原油裂解气为主要成因;自页岩埋藏达最大深度到现今的变形-隆升-剥蚀过程中,天然气在势能差的驱动下,自向斜核部向逐步翼部输导扩散。在向斜翼部目的层暴露地表后,天然气发生散失,最终导致核部含气量明显高于翼部;页岩经历的抬升总时长越大、向斜地层倾角越大,天然气的侧向输导散失作用越强,向斜核部现今能保存的页岩气含量越低。(5)综合上述对龙马溪组富有机质页岩物质基础与埋藏演化、区域形变破裂特征及天然气侧向散失过程的研究结果,选取了页岩厚度、有机质丰度、热成熟度、挤压期破裂指数、抬升期破裂指数、抬升总时长、地层倾角、距剥蚀出露区距离及距地表断裂距离等三类共九种指标,并建立了相应的评价标准,利用叠合法对区内龙马溪组页岩的区域保存条件进行了定量评价,所圈定的保存条件极好的、较好的、较差的与极差的区域分别占总面积的8.91%、26.15%、13.68%与51.26%。
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