中國上揚子區(qū)下古生界頁巖氣形成條件及特征

董大忠，程克明，王玉滿，李新景，王社教，黃金亮

（中國石油天然氣股份有限公司勘探開發(fā)研究院，北京100083）

中國上揚子區(qū)下古生界頁巖氣形成條件及特征

董大忠，程克明，王玉滿，李新景，王社教，黃金亮

（中國石油天然氣股份有限公司勘探開發(fā)研究院，北京100083）

從露頭、鉆井、巖心等資料出發(fā)，以沉積、地球化學(xué)、儲層及含氣性等為重點，對上揚子區(qū)下寒武統(tǒng)筇竹組和下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖氣形成的地質(zhì)條件與特征進(jìn)行了初步探索，指出上揚子區(qū)早古生代的淺海-深水陸棚沉積環(huán)境控制了筇竹組、龍馬溪組富有機質(zhì)黑色頁巖的發(fā)育與分布，深水陸棚沉積中心黑色頁巖厚度最大；黑色頁巖有機碳含量（TOC）普遍較高，平面上富有機碳黑色頁巖（TOC＞2%）與深水陸棚相分布一致，縱向上富有機碳黑色頁巖集中發(fā)育在各組的中下部-底部，連續(xù)厚度約30～50 m，有機碳含量在4%以上；黑色頁巖脆性礦物豐富、含量大，粘土礦物單一、無蒙脫石，與美國產(chǎn)氣頁巖相似；基質(zhì)孔隙、微裂縫發(fā)育，成絲狀、網(wǎng)狀及蜂窩狀分布，巖心實測孔隙度為2%～16%，具有較好的孔、滲能力；黑色頁巖鉆井氣顯示活躍，巖心含氣量在最低工業(yè)開發(fā)含氣門限之上，等溫吸附模擬甲烷吸附能力強，綜合含氣性特征與北美產(chǎn)氣頁巖類似。總體認(rèn)為，中國上揚子區(qū)下古生界筇竹寺組、龍馬溪組具有優(yōu)越的頁巖氣形成地質(zhì)條件，是較現(xiàn)實的頁巖氣勘探開發(fā)領(lǐng)域。

富有機質(zhì)頁巖；頁巖氣藏；頁巖氣形成條件；下古生界；上揚子區(qū)

傳統(tǒng)油氣勘探開發(fā)中，富有機質(zhì)黑色頁巖或頁巖組合一般被認(rèn)為是油氣藏的源巖和蓋層。近年來，富有機質(zhì)黑色頁巖或頁巖組合已逐漸被認(rèn)為是極具油氣成藏潛力的非常規(guī)儲層，可以形成頁巖氣藏。頁巖氣的勘探開發(fā)在北美的發(fā)展速度驚人[1]，2009年頁巖氣產(chǎn)量已接近或超過950× 108m3[2，3]，占北美天然氣總產(chǎn)量的12%。不難看出，在油氣需求量不斷增大的形勢下，非常規(guī)油氣資源的接替，乃至取代常規(guī)油氣資源只是一個時間問題。

我國頁巖氣資源潛力巨大。在南方、華北和塔里木地區(qū)廣泛發(fā)育古生代海相富有機質(zhì)頁巖，鄂爾多斯、河西走廊、準(zhǔn)噶爾、吐哈等盆地存在石炭-二疊系、三疊-侏羅系煤系碳質(zhì)頁巖，松遼、渤海灣、柴達(dá)木等盆地有第三系湖相富有機質(zhì)頁巖。初步估算頁巖氣資源量約為（86～166）×1012m3，是目前我國陸上常規(guī)天然氣資源量的2～3倍。

上揚子區(qū)是中國古生代海相富有機質(zhì)頁巖最發(fā)育的地區(qū)之一[4，5]。下古生界寒武系筇竹寺組和志留系龍馬溪組的富有機質(zhì)黑色頁巖最為發(fā)育，厚度大、分布廣、有機碳含量（TOC）高、脆性礦物豐富、熱演化程度高、微裂縫發(fā)育，常規(guī)油氣勘探證實為上揚子區(qū)古生界震旦系、石炭系等大中型氣田和大量古油藏的重要烴源巖，并已在頁巖中見豐富氣顯示及工業(yè)氣流。

1 頁巖氣基本內(nèi)涵與特征

1.1 頁巖氣基本內(nèi)涵

頁巖氣是產(chǎn)自極低孔隙度、滲透率及富有機質(zhì)頁巖中的天然氣，其儲層是富有機質(zhì)的細(xì)粒頁巖[1]。換言之，頁巖氣是滯留在富有機質(zhì)頁巖中的天然氣聚集形成的氣藏。因此，頁巖氣是以富有機質(zhì)頁巖為氣源巖、儲層以及封蓋層，不間斷供氣、持續(xù)聚集而形成的連續(xù)聚集型天然氣藏。

頁巖氣儲層與其他非常規(guī)儲層的差異在于頁巖儲層富含有機質(zhì)。頁巖氣儲層類型多種多樣。美國頁巖氣儲層巖石學(xué)特征表明，頁巖氣不僅儲存在富有機質(zhì)頁巖中，也廣泛賦存于基質(zhì)孔隙、層理及微裂縫發(fā)育的富有機質(zhì)泥巖（非易破碎的頁巖）中，或以薄層狀與富有機質(zhì)頁巖互層或呈夾層于粉砂巖、細(xì)砂巖中[6]。不同盆地頁巖儲層組合不同，但頁巖氣賦存機理一致。頁巖氣或以吸附氣形式吸附在有機質(zhì)或粘土顆粒表面，或以游離氣形式儲存在頁巖基質(zhì)孔隙或微裂縫中。頁巖基質(zhì)孔隙和微裂縫是游離氣的儲存空間，也是吸附氣解吸進(jìn)入井筒的轉(zhuǎn)化空間。

1.2 頁巖氣主要特征

理論上，沉積盆地中只要有演化至生氣階段的富有機質(zhì)頁巖，就可能有頁巖氣形成；已發(fā)現(xiàn)大量常規(guī)油氣盆地，若源巖為頁巖，則定會有頁巖氣。在含油氣盆地中找到富有機質(zhì)、生氣的頁巖并不難，但要找到滲透性好、脆性好、易壓裂的富有機質(zhì)、生氣的頁巖則具挑戰(zhàn)性。有利頁巖氣遠(yuǎn)景區(qū)帶需具備4個基本特征[7]：①有機碳含量高；②熱成熟度達(dá)生氣階段以上；③有效厚度大；④脆性礦物含量豐富。

北美頁巖氣的勘探開發(fā)實踐表明[6]（表1），頁巖氣有生物成因和熱成因兩種，以熱成因為主。生物成因氣有水產(chǎn)出，熱成因氣一般不含水。頁巖氣的形成具嚴(yán)格的地球化學(xué)條件[8，9]，其中有機質(zhì)碳含量、熱成熟度、有效厚度是頁巖氣形成的三大基本要素。一般地，有機碳含量要求大于2%，最好在2.5%～3.0%或以上；熱成熟度，除生物成因氣外，要求Ro（鏡質(zhì)體反射率）大于1.1%；有效厚度要求滿足前面兩要素的頁巖連續(xù)穩(wěn)定、區(qū)域分布、厚度在15 m以上，若有機碳含量小于2%，則厚度要在30 m以上。因此，有機碳含量豐富、熱成熟度高、厚度大是決定含氣性的關(guān)鍵參數(shù)。

同時，該區(qū)頁巖氣大面積富集、連續(xù)分布，與有效氣源巖范圍相當(dāng)。頁巖氣資源量大，總體資源豐度低，局部富集，形成“甜點”。此外，不是所有含氣頁巖都能有效開發(fā)、成為有商業(yè)價值的頁巖氣產(chǎn)層，因為頁巖的孔隙度、滲透率比煤和致密砂巖的還要低，有效開發(fā)頁巖氣需要先進(jìn)的鉆、完井技術(shù)與增產(chǎn)改造措施[8]。

表1 美國頁巖氣主要特征［6］Table 1 List of the main features of U.S.shale asg

2 中國上揚子區(qū)下古生界頁巖氣形成條件與特征

2.1 上揚子區(qū)下古生界富有機質(zhì)黑色頁巖沉積背景

上揚子區(qū)是揚子地臺的一部分，指川、渝、黔、滇、鄂、湘等所屬區(qū)域。上揚子區(qū)在約8億年前后發(fā)生的晉寧運動中形成了地臺統(tǒng)一的基底，其后的沉積-構(gòu)造演化歷史可劃分為兩個大的演化階段[5，9，10]：印支運動前的海相地臺發(fā)展階段和印支運動后的陸相沉積發(fā)育階段。地臺發(fā)育期形成了廣布全地臺的海相沉積蓋層（局部含冰磧層）；印支運動使海水撤離地臺，形成了以四川盆地為代表的陸相沉積。整個演化過程中形成了總厚度約6 000～12 000 m的沉積巖，其中上三疊統(tǒng)—始新統(tǒng)的陸相沉積巖厚度約2 000～5 000 m，震旦系—中三疊統(tǒng)的海相沉積巖厚度約4 000～7 000 m。震旦系—中三疊統(tǒng)海相沉積層序中，區(qū)域性地發(fā)育了6套海相富有機質(zhì)黑色頁巖：二疊系的龍?zhí)督M富有機質(zhì)黑色頁巖、泥盆系的羅富組富有機質(zhì)黑色頁巖、志留系的龍馬溪組富有機質(zhì)黑色頁巖、奧陶系的五峰組富有機質(zhì)黑色頁巖、寒武系的筇竹寺組富有機質(zhì)黑色頁巖和震旦系的陡山沱組富有機質(zhì)黑色頁巖。此外，在多個時代還發(fā)育有局部分布的海相富有機質(zhì)黑色頁巖[11]。據(jù)廣泛的地表露頭地質(zhì)調(diào)查和鉆井地層復(fù)查，上揚子區(qū)下寒武統(tǒng)筇竹寺組海相富有機質(zhì)黑色頁巖、上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組海相富有機質(zhì)筆石頁巖區(qū)域分布穩(wěn)定，巖性基本特征與美國主要產(chǎn)氣頁巖特征相似。

2.2 上揚子區(qū)下古生界富有機質(zhì)黑色頁巖分布特征

海相富有機質(zhì)黑色頁巖一般形成于沉積速率較快、水體條件較為封閉、有機體豐富的臺地或深水陸棚環(huán)境中，通常與大規(guī)模水進(jìn)過程相關(guān)聯(lián)[5]。上揚子區(qū)震旦紀(jì)—早奧陶世屬板塊擴張裂陷發(fā)育階段，海水廣泛侵入、生物繁盛，形成克拉通盆地、大陸邊緣盆地及大陸邊緣裂谷盆地等沉積環(huán)境。其中，四川盆地主體為淺水陸棚沉積環(huán)境，圍繞盆地周緣為深水陸棚沉積環(huán)境。按其沉積巖厚度、巖石組合及生物群落等特征，這一時期四川盆地周緣可識別出陜南-川北、川東-鄂西和川南3個深水陸棚沉積體系。下寒武統(tǒng)筇竹寺組富有機質(zhì)黑色頁巖巖性組合為深灰色、黑色頁巖、碳質(zhì)頁巖、硅質(zhì)頁巖、粉砂質(zhì)頁巖和粉砂巖，四川盆地內(nèi)厚度一般為300～500 m，盆地周緣厚度為750～1 125 m。上揚子區(qū)奧陶紀(jì)—志留紀(jì)為俯沖拼合發(fā)育階段，沉積環(huán)境為克拉通、周緣前陸及前陸隆起上的坳陷沉積。奧陶紀(jì)早期為兩個海侵間的沉積，海平面升降變化大、震蕩頻繁，形成了一套碳酸鹽巖與泥質(zhì)巖互層的巖石組合。晚奧陶世五峰期—志留紀(jì)早期，海水再次大規(guī)模侵入上揚子區(qū)，沉積體系繼承了早寒武世的沉積體系。四川盆地除圍繞川中古隆起為淺水陸棚沉積體系外，盆地周邊的陜南-川北、川東-鄂西和川南3個深水陸棚沉積體系范圍進(jìn)一步擴大，形成了深灰色-黑色筆石頁巖、碳質(zhì)頁巖、硅質(zhì)頁巖、粉砂質(zhì)頁巖夾泥質(zhì)粉砂巖沉積組合，自下而上巖石顏色逐漸變淺、砂質(zhì)含量逐漸增加、有機質(zhì)含量逐漸降低。下部浮游生物筆石豐富，可富集成富筆石黑色頁巖，沉積巖厚度在四川盆地一般為100～500 m，盆地周緣厚度一般在700 m以上。

盡管筇竹寺組和龍馬溪組兩套頁巖的有機碳含量變化范圍大（表2），但整體特征表現(xiàn)為高有機碳含量。筇竹寺組頁巖有機碳含量在0.01%～22.15%，平均為1.49%～5.15%，多數(shù)剖面或地區(qū)有機碳平均含量大于2%；龍馬溪組頁巖有機碳含量在0.06%～8.65%，平均為1.88%～4.36%，同樣是多數(shù)剖面或地區(qū)的有機碳含量在2%以上。熱成熟度Ro表現(xiàn)為高-過成熟特征，區(qū)域上除川西北、川中、黔北-黔南為相對低成熟區(qū)外，其余地區(qū)均為高-過成熟區(qū)。

圖1為上揚子區(qū)下寒武統(tǒng)筇竹寺組與下志留統(tǒng)龍馬溪組兩套黑色頁巖中有機碳含量大于2.0%的富有機質(zhì)頁巖厚度圖。下寒武統(tǒng)筇竹寺組黑色頁巖中有機碳含量大于2.0%的富有機質(zhì)黑色頁巖厚度分布（圖1a）呈現(xiàn)川南、黔北和川東北3個高值區(qū)[5]。川南高值區(qū)分布于資陽—宜賓—瀘州—珙縣—威信一帶，南北向展布，該高值區(qū)有機碳含量大于2.0%的富有機質(zhì)黑色頁巖累計厚度最大約400m，自北（資陽）而南（珙縣）厚度逐漸增加，中心區(qū)位于自貢—威信地區(qū)；黔北高值區(qū)分布于黔北遵義—翁安—麻江—凱里一帶，東西向展布，有機碳含量大于2.0%的富有機質(zhì)黑色頁巖累計厚度最大約127 m，中心區(qū)位于貴陽—甕安地區(qū)，麻江地區(qū)（羊跳大橋剖面，梁狄剛，2005）有機碳含量最高達(dá)22.15%，為上揚子區(qū)下寒武統(tǒng)筇竹寺組黑色頁巖有機碳含量最高的地區(qū)之一；川東北為第三高值區(qū)，其分布相當(dāng)于川南、黔北兩個高值區(qū)的范圍，涉及陜南的鎮(zhèn)巴、鎮(zhèn)平—川東北的云陽、城口、巫山—湘西—鄂西等廣大地區(qū)，有機碳含量大于2.0%的富有機質(zhì)黑色頁巖累計厚度為160～180 m。

表2 上揚子區(qū)下古生界黑色頁巖厚度與地球化學(xué)特征Table 2 Thickness and geochem ical characteristics of black shale in the Lower Paleozoic of the Upper Yangtze region

圖1 上揚子區(qū)下古生界有機碳含量大于2.0%的富有機質(zhì)頁巖等厚圖Fig.1 IsoPachmaPof organic-rich shale with TOC＞2.0%in the Lower Paleozoic of the UPPer Yangtze region a.下寒武統(tǒng)筇竹寺組黑色頁巖；b.下志留統(tǒng)龍馬溪組黑色頁巖

上揚子區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組黑色頁巖中有機碳含量大于2.0%的富有機質(zhì)黑色頁巖分布同樣有3個高值區(qū)（圖1b）。第一高值區(qū)位于川南地區(qū)，北東-南西向展布，包括自貢—瀘州—宜賓—長寧及以西地區(qū)，有機碳含量大于2.0%的富有機質(zhì)黑色頁巖累計厚度最大在120 m以上；第二高值區(qū)位于川東—鄂西地區(qū)，南至綦江—酉陽—石柱，北東-南西向展布，有機碳含量大于2.0%的富有機質(zhì)黑色頁巖累計厚度最大在100 m以上；第三高值區(qū)位于川東北地區(qū)，南起達(dá)州，北到城口—鎮(zhèn)巴，并向北東方向開口擴展，有機碳含量大于2.0%的富有機質(zhì)黑色頁巖累計厚度在80～120 m或以上。

上揚子區(qū)下寒武統(tǒng)筇竹寺組及下志留統(tǒng)龍馬溪組有機碳含量大于2.0%的黑色頁巖厚度分布特征與深水陸棚沉積相帶的分布十分一致，表明沉積相帶控制了富有機質(zhì)黑色頁巖的發(fā)育。有機碳含量平面統(tǒng)計特征與厚度反映關(guān)系一致，有機碳含量區(qū)域變化總體受沉積相帶控制，沿四川盆地川中古隆起向盆地周緣有機碳含量一般呈增加趨勢，即從淺海臺地相到深水陸棚相有機碳含量增高。剖面特征反映（圖2）為兩套富有機質(zhì)黑色頁巖中-下部層段有機碳含量高，為高富有機質(zhì)頁巖段，有機碳含量普遍大于2%。因此，上述兩套富有機質(zhì)黑色頁巖有機碳含量大于2.0%的厚度高值區(qū)及中-下段富有機碳層段是頁巖氣成藏地質(zhì)條件最有利地區(qū)和最為有利層段。

2.3 上揚子區(qū)下古生界富有機質(zhì)黑色頁巖儲層特征

據(jù)露頭與巖心觀察、巖石薄片分析、X-衍射、掃描電鏡、巖心測試與測井資料解釋等結(jié)果，上揚子區(qū)下古生界下寒武統(tǒng)筇竹寺組和下志留統(tǒng)龍馬溪組兩套富有機質(zhì)黑色頁巖儲層具有如下特征。

兩套黑色頁巖性脆質(zhì)硬，節(jié)理和裂縫發(fā)育（圖3），裂縫在三維空間成網(wǎng)絡(luò)狀分布。大量裂縫已被方解石等次生礦物充填，部分呈原始開啟狀態(tài)存在。巖石薄片顯示，頁巖由石英等多種碎屑礦物與富有機質(zhì)粘土礦物構(gòu)成平行紋層，局部碎屑礦物富集，裂縫清晰可見，大量微裂縫細(xì)如發(fā)絲，大裂縫部分被瀝青或硅質(zhì)充填，顯然有過油氣聚集或通過其中。

圖2 上揚子區(qū)下古生界富有機質(zhì)黑色頁巖地球化學(xué)剖面特征Fig.2 Geochemical Profiles of the Lower Paleozoic organic-rich shale in the UPPer Yangtze region

巖石X-衍射分析表明，下志留統(tǒng)龍馬溪組富有機質(zhì)黑色頁巖中脆性礦物含量為37.1%～71.2%，粘土礦物含量為37.4%～48.3%。脆性礦物中，石英含量為24.3%～43.5%，鉀長石和斜長石含量為4.3%～10.8%，方解石含量為8.5%～16.9%；粘土礦物中，含伊利石52.0%～80.0%、綠泥石10.0%～20.0%、高嶺石0～6.0%，不含蒙脫石。下寒武統(tǒng)筇竹寺組富有機質(zhì)黑色頁巖中，脆性礦物含量為40.0%～80.8%，粘土礦物含量為21.1%～56.4%。脆性礦物中，石英含量為28.0%～52.0%，鉀長石和斜長石含量為11.4%～32.3%，方解石含量為0.8%～14.5%；粘土礦物中，含伊利石56.0%～93.0%、綠泥石12.0%～27.5%、高嶺石0～12.0%，不含蒙脫石。礦物特征表明，上揚子區(qū)筇竹寺組、龍馬溪組兩套富有機質(zhì)黑色頁巖脆性礦物含量豐富，粘土礦物演化程度高，以穩(wěn)定礦物為主，缺乏蒙脫石等膨脹性粘土礦物。

圖3 上揚子區(qū)下古生界富有機質(zhì)黑色頁巖裂縫特征Fig.3 Fractures of the Lower Paleozoic organic-rich shale in the UPPerYangtze region

電子顯微特征顯示，頁巖微孔隙和微裂隙非常發(fā)育，孔隙類型豐富（圖4），有礦物間微孔隙、粘土片間微縫隙與微孔隙、礦物顆粒溶蝕鑄模微孔隙、溶蝕雜基內(nèi)孔隙、粒內(nèi)溶蝕微孔隙以及微裂縫等。微孔隙直徑一般為0.1～1μm、部分1～8μm，細(xì)微裂縫規(guī)模一般在10～23μm。微孔隙分布呈蜂窩狀，連通性差。據(jù)華鎣山紅巖煤礦龍馬溪組頁巖儲層常規(guī)物性分析、威001-2井筇竹寺組頁巖儲層物性GRI分析與五科1井、陽63井和陽深2井龍馬溪組頁巖儲層物性斯倫貝謝測井物性模型解釋結(jié)果，發(fā)現(xiàn)露頭與巖心實測孔隙度龍馬溪組頁巖為2.43%～15.72%、平均4.83%，筇竹寺組頁巖為0.34%～8.10%、平均3.02%，測井解釋孔隙度龍馬溪組頁巖為1.00%～5.00%，說明筇竹寺組、龍馬溪組兩套頁巖基質(zhì)孔隙、裂縫發(fā)育，具有較好的儲、滲條件。

圖4 上揚子區(qū)下古生界富有機質(zhì)黑色頁巖微孔隙與微裂縫特征Fig.4 Characteristics ofmicro-Pores and micro-fractures in the Lower Paleozoic organic-rich shale of the UPPer Yangtze region

2.4 上揚子區(qū)下古生界富有機質(zhì)黑色頁巖含氣性特征

對四川盆地天然氣勘探中鉆遇上述兩套黑色頁巖的老井復(fù)查，統(tǒng)計、分析富有機質(zhì)頁巖段的氣顯示特征，并在威遠(yuǎn)氣田、長寧構(gòu)造分別開展了2口深井、1口地質(zhì)淺井共3口鉆井取心的含氣量測試和等溫吸附模擬。研究發(fā)現(xiàn)，筇竹寺組和龍馬溪組富有機質(zhì)黑色頁巖的含氣性可與北美產(chǎn)氣頁巖相比，達(dá)到了最低商業(yè)開發(fā)含氣門限（0.5～0.8 m3/t），具備形成商業(yè)性頁巖氣藏的前景。

常規(guī)天然氣勘探開發(fā)鉆井中，有120余口井鉆遇筇竹寺組和龍馬溪組富有機質(zhì)黑色頁巖。龍馬溪組富有機質(zhì)黑色頁巖段有20余口井見不同程度氣顯示（表3），四川盆地南部有15口井32個層段見良好氣顯示，陽63、隆32等4口井測試獲得低產(chǎn)氣流；筇竹寺組富有機質(zhì)黑色頁巖段有46口井見氣顯示，四川盆地西南部有41口井68個層段見良好氣顯示，威5井測試獲2.45×104m3/d的工業(yè)氣流[12]。

鉆井氣顯示呈現(xiàn)3個明顯特征：①氣顯示普遍，井段多、巖性多。顯示井段至少有2段，多者4～5段，巖性有純黑色頁巖、粉砂質(zhì)頁巖和粉砂巖，剖面上構(gòu)成以黑色頁巖為主體、多種巖石同時含氣的黑色頁巖含氣組合。②氣顯示不受局部構(gòu)造控制。威遠(yuǎn)地區(qū)筇竹寺組的氣顯示不僅在威遠(yuǎn)構(gòu)造的軸部、翼部有分布，在威遠(yuǎn)氣田的氣-水邊界外的東、西、南、北各個方向都有分布。③氣顯示段存在異常壓力系統(tǒng)。龍馬溪組頁巖段的鉆井泥漿比重一般為1.3～1.8 g/cm3，最高達(dá)2.3 g/cm3，高于上、下層段的泥漿比重，并且在龍馬溪組頁巖段并不含水，異常壓力的存在應(yīng)與地層中烴類氣體的存在有關(guān)。

上揚子區(qū)下寒武統(tǒng)筇竹寺組和下志留統(tǒng)龍馬溪組兩套黑色頁巖井下巖心含氣性測試結(jié)果表明，其含氣潛力較好，達(dá)到了有開采價值的頁巖氣藏要求的最低含氣量與吸附氣含量。地質(zhì)淺井——長芯1井（S1l）在井深20～120 m井段8個樣品測試的下志留統(tǒng)龍馬溪組黑色頁巖的含氣量為0.08～0.25 m3/t，平均為0.15 m3/t。從含氣量的絕對數(shù)值看，其含氣性較差；但若考慮20～120 m井深范圍屬風(fēng)化氧化帶，則可認(rèn)為屬較好含氣性，且隨深度增加含氣性變好。該井80，110，120 m 3個深度點巖心的等溫吸附曲線（70℃等溫）特征中，在壓力為8.5 MPa時頁巖甲烷吸附能力分別為為0.71，0.66，1.05 m3/t。對比美國產(chǎn)氣頁巖的等溫吸附曲線，該井頁巖的吸附能力與圣胡安盆地白堊系Lewis頁巖相近。威遠(yuǎn)氣田兩口注水井——W001-2井（1q 3 140.19～3 306.58 m的13個樣品）和W001-4井（1q 2 780.33～3 083.10 m的14個樣品）27個樣品測試的下寒武統(tǒng)筇竹寺組黑色頁巖的含氣量為0.43～6.02 m3/t。W001-2井1q含氣量平均為0.76 m3/t，最大含氣量為1.56 m3/t；W001-4井1q含氣量平均為2.82 m3/t，最大含氣量為6.02 m3/t。兩口井的含氣量與美國產(chǎn)氣頁巖的含氣量相當(dāng)，具有較好的開采前景。在壓力為6.00～7.56 MPa、溫度為30～70℃下的7個等溫吸附試驗?zāi)M中，筇竹寺組頁巖甲烷吸附能力為1.35～4.50 m3/t，其中有60%樣品的甲烷吸附能力大于2.0 m3/t，高于北美部分產(chǎn)氣頁巖的甲烷吸附能力。由此可以初步判定，下寒武統(tǒng)筇竹寺組存在商業(yè)性頁巖氣形成條件。

表3 上揚子區(qū)下古生界黑色頁巖部分鉆井氣顯示特征Table 3 Gas shows in som e wells penetrating the Lower Paleozoic black shale in the Upper Yangtze region

3 威遠(yuǎn)地區(qū)下寒武統(tǒng)筇竹寺組頁巖氣藏地質(zhì)特征

威遠(yuǎn)地區(qū)下寒武統(tǒng)筇竹寺組頁巖氣藏位于樂山-龍女寺古隆起東南部上斜坡帶（圖5）。

筇竹寺組厚300～500m，埋深2 500～3 000m。巖性組合由上至下分為6個巖性小段：第1巖性段為灰綠色、紫紅色粉砂巖、云質(zhì)粉砂巖夾深灰色頁巖，具較高電阻率；第2巖性段為深灰色、灰黑色頁巖夾云質(zhì)粉砂巖，為中值電阻率；第3巖性段為深灰色砂質(zhì)頁巖，為中值電阻率；第4巖性段為黑色頁巖夾深灰色粉砂巖，具低電阻率、高伽馬值；第5巖性段以深灰色砂質(zhì)頁巖為主，夾深灰色粉砂巖，為中值電阻率；第6巖性段為深灰色砂質(zhì)頁巖、灰黑色頁巖、碳質(zhì)頁巖夾深灰色粉砂巖，底部為一套“硅磷層”，具低值電阻率、高伽馬值。

圖5 四川盆地威遠(yuǎn)地區(qū)下寒武統(tǒng)筇竹寺組頁巖氣藏位置示意圖Fig.5 SketchmaP showing the locations of shale gas reservoirs in the Lower Cambrian Qiongzhusi Formation ofWeiyuan area，the Sichuan Basin

筇竹寺組頁巖厚度為200～340 m，富有機質(zhì)、高伽馬值頁巖厚度為100～195 m；有機碳含量為0.76%～6.46%，平均為1.33%～1.73%；Ro值為2.56%～3.14%；脆性礦物石英、長石、方解石含量為48.2%～78.7%，平均為61.8%；粘土礦物伊利石、云母和綠泥石含量為17.3%～47.5%，平均為29.2%；孔隙度為0.34%～8.10%，平均為3.85%。

威遠(yuǎn)地區(qū)在107口井中鉆揭筇竹寺組，41口井68個層段在頁巖或頁巖組合中見氣測異常、氣浸、井涌和井噴等不同級別氣顯示，顯示率為31.7%。威5井在筇竹寺組下部（井深2 797.4～2 797.6 m）的碳質(zhì)頁巖層段，放空0.2 m、微漏、后井噴，噴高15～22 m，中途測試獲日產(chǎn)氣2.46× 104m3，是迄今我國在頁巖層段中獲工業(yè)氣流的唯一一口井（圖6）。

圖6 威5井下寒武統(tǒng)筇竹寺組頁巖氣鉆井顯示特征Fig.6 Shale gas shows during drilling of the wellWei-5 in the Lower Cambrian Qiongzhusi Formation

威遠(yuǎn)地區(qū)筇竹寺組頁巖中氣顯示井不僅出現(xiàn)在威遠(yuǎn)氣田范圍內(nèi)，在氣田氣-水邊界以外也有良好氣顯示（圖7）。在威遠(yuǎn)氣田西南部遠(yuǎn)離氣-水邊界16 km的威18井，筇竹寺組3 361.5～3 647.6 m有3個井段見不同程度氣浸、井涌等氣顯示；在氣田北部的威15井遠(yuǎn)離氣-水邊界5 km，井深2 999.5～3 068.0 m的筇竹寺組頁巖段出現(xiàn)氣測異常；氣田南部距氣田氣-水邊界2 km的威14井，在筇竹寺組中、下部井深2 835.5～2 858.0 m頁巖層段出現(xiàn)氣測異常；氣田東部遠(yuǎn)離氣-水邊界的威4井，在井深3 048.00～3 103.25 m的頁巖層段發(fā)生氣浸。上述特征表明，雖然威遠(yuǎn)地區(qū)筇竹寺組富有機質(zhì)頁巖（有機碳平均含量2%～3%及有效厚度平均30～40 m）遠(yuǎn)不如坳陷區(qū)發(fā)育，但頁巖層段的氣顯示度高達(dá)31.7%，說明頁巖裂縫較發(fā)育，并具較好基質(zhì)孔隙；特別是該區(qū)筇竹寺組頁巖氣顯示分布并不受威遠(yuǎn)氣田的構(gòu)造及氣-水邊界限制，表明頁巖氣藏的分布與局部構(gòu)造關(guān)系不大，而與有效頁巖分布關(guān)系密切。顯示級別較高的點群可能正是頁巖氣藏勘探開發(fā)的“甜點”。進(jìn)一步分析表明，這些氣顯示并非受威遠(yuǎn)震旦系氣田的影響或與之相關(guān)，而是與筇竹寺組富有機質(zhì)頁巖有效頁巖（有機碳含量大于2.0%的黑色頁巖）的分布范圍或筇竹寺組頁巖氣藏的分布范圍有關(guān)。

圖7 威遠(yuǎn)地區(qū)下寒武統(tǒng)筇竹寺組頁巖氣藏氣顯示平面分布Fig.7 Plannar distribution of gas shows during drilling in the Lower Cambrian Qiongzhusi Formation ofWeiyuan area

筇竹寺組頁巖氣藏東西向剖面（圖8中的AA′，剖面位置見圖7）上的10口井，在筇竹寺組頁巖段見氣顯示24段，每口井平均約2.4段顯示，威13井顯示段最多（5段）。在24個顯示段中，分布于筇竹寺組底部的氣顯示有4口井5段，占總顯示的21%；分布于中下部的有7口井13段，占總顯示的54%；分布于中部的有3口井4段，占總顯示的17%；分布于上部的有2口井2段，占總顯示的8%?？v向上，79%的顯示井段位于筇竹寺組的中下部及下部，與筇竹寺組富有機質(zhì)（有機碳含量大于2.0%）黑色頁巖位于中下部密切相關(guān)。氣藏南北向剖面（圖8中的BB′）上的6口井總顯示井段10段。位于筇竹寺組底部的顯示有2口井2段，占總顯示的20%；位于中下部的顯示有4口井4段，占總顯示的40%；位于中部的顯示有1口井1段，占總顯示的10%；位于上部的顯示有2口井3段，占總顯示的30%?？v向上，60%的顯示位于筇竹寺組中下部，表明筇竹寺組頁巖氣受富有機質(zhì)有效黑色頁巖分布的控制，底部接近燈影組風(fēng)化殼而易產(chǎn)生裂隙也可能是氣顯示率高的因素之一。

為進(jìn)一步分析威遠(yuǎn)地區(qū)筇竹寺組頁巖氣顯示與巖性的關(guān)系，統(tǒng)計了16口井34個顯示段的巖性。統(tǒng)計結(jié)果是：巖性為磷灰質(zhì)頁巖的顯示1段，占總顯示的3%；巖性為黑色碳質(zhì)頁巖的顯示2段，占總顯示的6%；巖性為灰質(zhì)粉砂巖的顯示6段，占總顯示的18%；巖性為灰黑色砂質(zhì)、粉砂質(zhì)頁巖的顯示25段，占總顯示的73%?；液谏百|(zhì)、粉砂質(zhì)頁巖是34個顯示段中的主要巖性，表明此類頁巖的基質(zhì)孔隙相對較高，裂縫相對較發(fā)育，儲集的游離氣數(shù)量較大，并具有較大能量。值得注意的是，絕不能僅以此顯示來判斷頁巖氣藏的存在與否，因為以吸附態(tài)為主的頁巖氣在鉆井過程中不一定會出現(xiàn)強烈的氣顯示。94%以上的頁巖氣藏需要經(jīng)過儲層大型壓裂改造后才能獲得具有商業(yè)價值的氣流，這是頁巖氣藏的重要特征。

4 結(jié)論

1）中國南方古生界發(fā)育多套海相富有機質(zhì)黑色頁巖。上揚子區(qū)下古生界下寒武統(tǒng)筇竹寺組及下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖氣形成條件較好，是較現(xiàn)實的頁巖氣勘探開發(fā)領(lǐng)域。

圖8 威遠(yuǎn)地區(qū)下寒武統(tǒng)筇竹寺組頁巖氣藏氣顯示剖面分布Fig.8 Vertical distribution of gas shows during drilling in the Lower Cambrian Qiongzhusi Formation ofWeiyuan area

2）上揚子區(qū)下古生界下寒武統(tǒng)筇竹寺組及下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖形成于與海灣體系密切相連的深水陸棚沉積相，富有機質(zhì)黑色頁巖發(fā)育、區(qū)域分布、厚度大、有機碳含量高、脆性礦物豐富、熱演化高-過成熟，頁巖氣形成條件優(yōu)越。常規(guī)油氣勘探開發(fā)中已揭示，川南威遠(yuǎn)地區(qū)下寒武統(tǒng)筇竹寺組及瀘州—隆昌地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組是頁巖氣勘探開發(fā)有利地區(qū)。

3）威遠(yuǎn)地區(qū)筇竹寺組黑色頁巖在多井、多層段鉆遇氣測異常、氣浸、井涌和井噴等不同級別的天然氣顯示。威5井獲工業(yè)性頁巖氣產(chǎn)量，表明了威遠(yuǎn)地區(qū)筇竹寺組頁巖氣藏是我國目前認(rèn)識的第一個頁巖氣藏。

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（編輯 李 軍）

Form ing conditions and characteristics of shale gas in the Lower Paleozoic of the Upper Yangtze region，China

Dong Dazhong，Cheng Keming，Wang Yuman，Li Xinjing，Wang Shejiao and Huang Jinliang

（PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration and Development，Beijing 100083，China）

With focus on the sedimentary，geo-chemistry，reservoir，and gas Potential，a Preliminary study is Performed on the forming conditions and characteristics of the shale gas in the Lower Silurian Longmaxi Formation and the Lower Cambrian Qiongzhu Formation in the UPPer Yangtze region by using outcroP，drilling，and core data.The results indicate that an Early Paleozoic shallow-deeP water shelf sedimentary environment controlled the develoPment and distribution of the organic-rich black shale in the formations.The black shale is the thickest in the dePocenter on the deePwater shelf.Their TOC values are generally high.Horizontally，the distribution of organic rich black shale（TOC＞2%）is in accordance with that of the shelf.In contrast，vertically，theymainly occur in themiddle-lower and bottom Parts of the formations and have a continuous thickness of 30-50 m and a TOC value over 4%.Being similar to the gas-bearing shale in America，the black shale is rich in brittleminerals，but unitary in clay mineral tyPe，and contains no smectite.The matrix contains well-develoPed Pores and micro-fissures，occurring in threadlike，netted and honeycomb shaPes.The measured Porosity of core samPles ranges from 2%to 16%，indicatingmoderate PoroPerm characteristics.Active gas shows occur during drilling in the black shale.Gas content of core samPles is above the industrial develoPment threshold.Isothermal adsorPtion simulation of the samPles also shows a high methane adsorPtion caPacity.The overall gas Potential is similar tothat of the shale in North America.In summary，the two formations in the UPPer Yangtze region have favorable geological conditions for forming shale gas reservoirs and therefore shall be considered as the Practical targets of shale gas exPloration and Production.

organic-rich black shale，shale gas reservoir，forming condition for shale gas，Lower Paleozoic，UPPer Yangtze region

TE122.1

A

0253-9985（2010）03-0288-12

2010-04-08。

董大忠（1962—），男，教授級高級工程師、博士，油氣發(fā)展戰(zhàn)略、非常規(guī)油氣地質(zhì)、勘探與開發(fā)技術(shù)。

中國石油集團公司科技攻關(guān)項目（2008B-0502）。