四川盆地周緣筇竹寺組泥頁(yè)巖儲(chǔ)層特征

馬文辛 劉樹根 黃文明 曾祥亮 張長(zhǎng)俊 王 佳

（1.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（成都理工大學(xué)），成都610059；2.中國(guó)石油川慶鉆探工程有限公司 地質(zhì)勘探開發(fā)研究院，成都610051）

頁(yè)巖氣是一種廣分布、低豐度、易發(fā)現(xiàn)、難開采的連續(xù)型非常規(guī)低效氣藏，具有典型的自生自儲(chǔ)、近原地成藏富集的特點(diǎn)[1－13]。美國(guó)和加拿大是目前實(shí)現(xiàn)頁(yè)巖氣工業(yè)開發(fā)的國(guó)家。近年來(lái)，在鉆井、完井工藝技術(shù)進(jìn)步和天然氣價(jià)格高漲推動(dòng)下，頁(yè)巖氣的勘探領(lǐng)域越來(lái)越廣，對(duì)頁(yè)巖氣資源的認(rèn)識(shí)迅速提高，估計(jì)全球最終頁(yè)巖氣資源量將超過(guò)1 000×1012m3[9，11，14]。下寒武統(tǒng)筇竹寺組是中上揚(yáng)子（特別是四川盆地）一套重要的烴源巖，是威遠(yuǎn)震旦系氣田（探明儲(chǔ)量40.861×109m3）和寒武系氣藏的主力烴源巖[10]。另外，盆地內(nèi)部眾多以震旦系燈影組為目的層位的鉆井和盆緣燈影組露頭中儲(chǔ)層瀝青的地化證據(jù)顯示，其油源為筇竹寺組[15，16]。經(jīng)估算威遠(yuǎn)－資陽(yáng)震旦系古油藏原油量達(dá)1.701×109t[17]；川東南緣林灘場(chǎng)震旦系古油藏原油量達(dá)0.863×109t[15]；龍門山－米倉(cāng)山地區(qū)震旦系古油藏原油量約為11.5×109t。這充分說(shuō)明筇竹寺組在地質(zhì)歷史中曾生成過(guò)大量的液態(tài)烴類，是一套高品質(zhì)的烴源巖。

中國(guó)在頁(yè)巖氣研究方面，落后于美國(guó)，但進(jìn)步較迅速。特別是近幾年來(lái)針對(duì)四川盆地下寒武統(tǒng)筇竹寺組開展了大量的科學(xué)研究和國(guó)際合作，中國(guó)石油和美國(guó)頁(yè)巖氣公司在威遠(yuǎn)構(gòu)造合作勘探開發(fā)頁(yè)巖氣，并于2011年在威201井獲得了初步突破，測(cè)試2段，每段獲天然氣10 000m3／d。而在四川盆地周緣寒武系暗色泥巖較威遠(yuǎn)構(gòu)造更為發(fā)育[18]，故盆地周緣寒武系具有更廣闊的頁(yè)巖氣勘探前景。此外，頁(yè)巖氣具有近原地成藏的特點(diǎn)，因此，需重點(diǎn)加強(qiáng)針對(duì)泥頁(yè)巖基本特征，尤其是儲(chǔ)層特征的研究[11]。本文通過(guò)地表和井下研究相結(jié)合，采用巖石學(xué)和地球化學(xué)等技術(shù)方法，深入分析了四川盆地周緣地區(qū)下寒武統(tǒng)泥頁(yè)巖的儲(chǔ)層特征，并討論頁(yè)巖氣的勘探前景。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

四川盆地位于中國(guó)西部，四面環(huán)山（圖1）。其沉積蓋層從上元古界震旦系燈影組至第四系均有分布[10]。下寒武統(tǒng)由筇竹寺組（川東南稱牛蹄塘組，川中稱九老洞組，鄂西渝東稱水井沱組，川北稱郭家壩組）、滄浪鋪組、明心寺組、清虛洞組組成。早寒武世，研究區(qū)古地理背景總體保持北西高、南東低的格局，四川盆地由東向西廣泛海侵[18]。早寒武世在四川盆地發(fā)生了興凱地裂運(yùn)動(dòng)，強(qiáng)烈的拉張背景致使盆地發(fā)育凹陷槽和形成眾多熱液成因黑色硅質(zhì)頁(yè)巖或硅巖[19]。

圖1 四川盆地區(qū)域構(gòu)造簡(jiǎn)圖Fig.1 Regional tectonics map of Sichuan Basin

在盆地東緣的恩施、秀山等地區(qū)為深水陸棚，而盆地內(nèi)部主要為一套淺海陸棚相沉積，僅在川南瀘州－宜賓存在一個(gè)小范圍的深水陸棚[13]。但在垂向上，筇竹寺組巖性具有明顯的變化[11，20]。其主要表現(xiàn)為一套黑色碳質(zhì)泥頁(yè)巖、灰色含粉砂泥巖、粉砂巖、細(xì)砂巖、灰?guī)r及含泥灰?guī)r等（圖2，圖3）?？傮w上，筇竹寺組表現(xiàn)出沉積水體向上逐漸變淺，砂質(zhì)、灰質(zhì)含量逐漸增多、巖石顏色逐漸變淺的特征（圖2）。筇竹寺組厚度變化大，介于60～400m間，共存在川北廣元－南江、川東北萬(wàn)源、川南瀘州3個(gè)沉降中心，在中心處厚度可達(dá)400m。筇竹寺組下部泥巖厚度為20～240m，在湘西－黔北－瀘州－自貢一帶厚度較大。筇竹寺組泥頁(yè)巖與地層厚度比值，在古隆起南斜坡的威遠(yuǎn)地區(qū)和川南地區(qū)較高，而在渝東地區(qū)和米倉(cāng)山地區(qū)則相對(duì)較低。下部黑色碳質(zhì)泥頁(yè)巖在川東南地區(qū)的厚度在60～200m，在川北和渝東地區(qū)不發(fā)育。四川盆地地表一般出露侏羅系－白堊系（威遠(yuǎn)氣田為三疊系），筇竹寺組埋藏較深（一般＞3km），在周緣造山帶核部筇竹寺組有出露。

2 巖相特征

筇竹寺組由多種巖相組成，主要為黏土－粉砂級(jí)細(xì)粒沉積。此外，筇竹寺組下部巖性顏色較上部更暗，表明其沉積水體的還原性更強(qiáng)、水體流動(dòng)更加不暢，有利于有機(jī)質(zhì)的富集和保存。因此，下面將重點(diǎn)討論下部的巖相學(xué)特征。根據(jù)礦物成分、碎屑、生物和結(jié)構(gòu)特征不同，可將研究區(qū)筇竹寺組下部分為7種主要巖相。

a.富有機(jī)質(zhì)（碳質(zhì)）非紋層狀泥頁(yè)巖（圖4－A，B）。該類巖石主要分布在筇竹寺組底部，有機(jī)質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，一般在4%～15%；但部分樣品因有機(jī)質(zhì)高成熟而顯炭化特征，呈集合體斑塊狀分布。巖石中常見少量均勻分布的微粒石英，呈棱角狀，不顯紋層狀。上述特征反映巖石是在較深、安靜的水體中沉積的，微粒石英是通過(guò)風(fēng)力搬運(yùn)或經(jīng)海水懸移搬運(yùn)到深水區(qū)。

b.泥巖（圖4－C，D）。泥巖主要分布筇竹寺組中上部，質(zhì)純，泥質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在90%以上?？珊猩倭康奈ⅲ哿Ｊ?，分布較分散，或充填生物蟲孔等洞穴，不顯紋層狀。常見零星分布的黃鐵礦和有機(jī)質(zhì)。該類巖石在后期常形成各種裂縫，可被自生石英和方解石充填。

c.鈣質(zhì)泥巖。該類巖石以泥質(zhì)為主，泥質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在59%～78%，含少量方解石（10%～18%），有機(jī)質(zhì)、黃鐵礦呈斑塊分布。泥巖中黏土礦物X射線衍射分析表明，伊利石的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在67%～70%，伊利石結(jié)晶度在0.44%～0.49%。該類巖石有機(jī)質(zhì)和鐵質(zhì)含量較高，它們的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為4%～15%和3%～10%，常呈條紋狀分布，導(dǎo)致巖石顯紋層狀構(gòu)造。

圖2 四川盆地周緣地表剖面及鉆井筇竹寺組對(duì)比圖Fig.2 Correlation between the columnar sections of the outcrops and wells in the Lower Cambrian Qiongzhusi Formation of Sichuan Basin and surrounding areas

d.粉砂巖（圖4－E）。該類巖石成分復(fù)雜，根據(jù)顆粒類型不同，可細(xì)分為（灰質(zhì)）長(zhǎng)石粉砂巖、巖屑長(zhǎng)石粉砂巖。分選好，粒徑一般為0.04～0.07 mm，次棱角狀。長(zhǎng)石含量高，顆粒細(xì)，分布均勻，以鉀長(zhǎng)石為主，少量斜長(zhǎng)石，黏土化，個(gè)別方解石化。巖屑成分較單一，為基性噴出巖屑，少量針狀碎片，偶見重礦物鋯石。粒間填隙物主要為黏土質(zhì)，部分綠泥石化，少量方解石及白云石膠結(jié)，顆粒呈點(diǎn)線接觸。鐵質(zhì)晶粒細(xì)小，晶形差，零星分布。部分石英粉砂巖的石英粒間常為泥質(zhì)和有機(jī)質(zhì)充填，其中有機(jī)質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在3%～7%。在該類巖石中，裂縫較發(fā)育，但多為后期的方解石和石英完全充填。

e.紋層狀粉砂質(zhì)泥巖或泥質(zhì)粉砂巖（圖4－F）。該類巖石在筇竹組下部和中部十分發(fā)育，根據(jù)石英（可含少量長(zhǎng)石）含量分為粉砂質(zhì)泥巖或泥質(zhì)粉砂巖。在前者中，石英的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般在10%～35%，主要由粉粒石英組成，分選好，粒徑為0.01～0.03mm，部分粒徑≤0.01mm，為隱晶硅質(zhì)；磨圓度較差，呈棱角狀－次棱角狀分布。在后者中，石英占主導(dǎo)，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般在50%～87%；可見少量的黃鐵礦或有機(jī)質(zhì)，常呈紋層狀分布。此外，在上述2種巖性上，一般0.03～0.04 mm相對(duì)較粗顆粒呈條紋狀分布，其間由碳酸鹽膠結(jié)，鐵質(zhì)晶粒細(xì)小，一般＜0.02mm，晶形差，分布較密集。石英含量的分布特征反映該類巖石在沉積時(shí)水動(dòng)力能量變化頻繁。

圖3 下寒武統(tǒng)筇竹寺組剖面和巖心照片F(xiàn)ig.3 Section and core photos of Qiongzhusi Formation

f.（含）硅質(zhì)泥巖（圖4－G）。黏土巖中碎屑顆粒零星分布或少見，粒徑小，一般為0.02～0.03 mm，次棱角狀。少見針狀云母及云質(zhì)斑晶，富含隱晶硅質(zhì)，晶粒極細(xì)小，顯暗灰色，分布均勻，為火山凝灰質(zhì)蝕變產(chǎn)物。鐵質(zhì)含量高，分布均勻，晶粒極細(xì)小，一般在0.01mm左右，個(gè)別為0.02～0.03mm，晶形差。

g.鈣質(zhì)粉砂巖或粉砂質(zhì)灰?guī)r（圖4－H）。該類巖石主要分布在筇竹寺組上部，由微－粉粒方解石和粉粒石英組成。在鈣質(zhì)粉砂巖中，鈣質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化大，在15%～40%；鈣質(zhì)主要分布在粉粒石英之間，可部分交代石英顆粒，常見有未交代的殘余結(jié)構(gòu)。少見黃鐵礦和有機(jī)質(zhì)。在粉砂質(zhì)灰?guī)r中，方解石的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般在70%～90%，石英呈分散狀分布于巖石中，方解石交代石英程度高。在這2類巖石中，常見有交錯(cuò)層理、波紋層理和沙紋層理。

圖4 下寒武統(tǒng)筇竹寺組顯微照片F(xiàn)ig.4 Micrographs of Qiongzhusi Formation

3 礦物組分特征

圖5 丁山1井、林1井，和青竹園、沙灘剖面中筇竹寺組頁(yè)巖礦物組成三角圖Fig.5 Triangular diagram of mineral compositions of the Qiongzhusi Formation shale in Well Dingshan 1，Well Lin 1and outcropped Qingzhuyuan，Shatan

頁(yè)巖的礦物組成與有機(jī)碳含量和有機(jī)質(zhì)成熟度是頁(yè)巖儲(chǔ)層發(fā)育的3個(gè)最重要因素[1，7，11]。丁山1井、林1井，青竹園、沙灘剖面筇竹寺組下部頁(yè)巖礦物成分統(tǒng)計(jì)表明（圖5），2口探井和2個(gè)重點(diǎn)剖面筇竹寺組下部黏土礦物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均值分別為38.5%（1.5%～71.9%）、64.5%（9%～82.2%）、34.8%（25%～54%）、48.5% （15%～73%），石英的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為38.5%（3%～64.35%）、14.5%（3%～60%）、52.4%（40%～60%）、38.3%（10%～73%），長(zhǎng)石的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)分 別 為 21.3%（0.5%～35.5%）、3% （1%～6%）、2%（0.5%～2.5%）、1.8%（0.3%～3%），碳酸鹽礦物的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.5%（0.3%～30%）、13.8%（3%～28%）、10.8%（5%～18%）、25.6%（7%～86%），瀝青質(zhì)的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%（2%～12%）、6.7%（1%～15%）、3%（2%～5%）、8.5%（1%～12%）。

頁(yè)巖中陸源碎屑石英和長(zhǎng)石占絕大多數(shù)，它們呈紋層狀或分散狀、斑塊狀分布，顆粒大小一般在0.01～0.07mm。筇竹寺組底部除上述成因的石英外，還偶見成巖自生的石英，如在丁山1井的3 392～3 406m段，可見隱晶質(zhì)硅質(zhì)，粒徑＜0.01mm，分布均勻，為火山凝灰物質(zhì)蝕變產(chǎn)物，平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為17.2%（12%～26%）。硅質(zhì)常表現(xiàn)為含硅質(zhì)粉砂質(zhì)泥巖或硅質(zhì)泥巖。

筇竹寺組下部巖石中長(zhǎng)石由斜長(zhǎng)石和鉀長(zhǎng)石組成，但以鉀長(zhǎng)石為主。長(zhǎng)石黏土化程度較高，部分為方解石及白云石交代或半交代，僅剩部分殘留晶核。碳酸鹽主要由方解石和白云石組成，以交代陸源礦物或少部分以膠結(jié)物形式存在。黏土礦物少量綠泥石化。瀝青質(zhì)主要分布在筇竹寺組底部的黑色碳質(zhì)泥頁(yè)巖或粉砂質(zhì)泥巖中。

4 孔隙特征

近幾年，美國(guó)頁(yè)巖氣的成功勘探和開發(fā)極大地推動(dòng)了針對(duì)頁(yè)巖結(jié)構(gòu)和構(gòu)造特征的相關(guān)研究。經(jīng)證實(shí)，頁(yè)巖中實(shí)際上含有大量的孔隙和裂縫，可作為良好的天然氣儲(chǔ)層[21，22]。而且，由于頁(yè)巖內(nèi)部碳酸鹽礦物或各種易蝕變礦物存在，導(dǎo)致頁(yè)巖內(nèi)部形成各種各樣的次生孔隙，并且在很大程度上次生孔隙較原生孔隙更為發(fā)育[11]。

通過(guò)掃描電鏡研究發(fā)現(xiàn)，筇竹寺組泥頁(yè)巖中納米級(jí)孔隙、微孔隙和微裂縫十分發(fā)育（圖6）。納米級(jí)孔隙度約為1%～3%。林1井筇竹寺組底部黑色碳質(zhì)頁(yè)巖在掃描電鏡下可見多種類型孔隙：自生方解石晶間孔隙、黏土礦物晶間孔隙、長(zhǎng)石溶蝕孔隙、泥巖內(nèi)部陸源碎屑石英粒間孔隙及其他溶孔等。各類孔隙常呈孤立狀，或由狹長(zhǎng)平直的喉道連接，孔隙直徑5～30μm。此外，筇竹寺組泥巖中微裂縫十分發(fā)育，裂縫寬一般在2μm左右，延伸寬度一般在50～120μm。而在取心段，亦可見各種裂縫或巖心常呈餅狀破裂。

林1井筇竹寺組泥巖（8個(gè)樣品）氦氣法孔隙度平均值為1.1%（0.95%～1.25%），平均滲透率為0.005×10－3μm2（0.004×10－3～0.008×10－3μm2）。丁山1井筇竹寺組底部灰黑色含炭泥巖（6個(gè)樣品）氦氣法平均孔隙度為0.84%（0.79%～0.93%），平均滲透率為0.006×10－3μm2（0.005×10－3～0.007×10－3μm2）。

5 結(jié)論

a.四川盆地周緣筇竹寺組厚度40～400m，為一套黑色碳質(zhì)泥頁(yè)巖、灰色含粉砂泥巖、粉砂巖、細(xì)砂巖、灰?guī)r及含泥灰?guī)r建造，表現(xiàn)出沉積水體逐漸向上變淺，砂質(zhì)、灰質(zhì)含量逐漸增多，巖石顏色逐漸變淺的特征。主要為深水陸棚－淺水陸棚－濱岸沉積。

b.四川盆地周緣筇竹寺組下部泥巖厚度20～240m，在湘西－黔北－瀘州－自貢一帶厚度較大。筇竹寺組泥質(zhì)巖與地層厚度比值表現(xiàn)為在古隆起南斜坡的威遠(yuǎn)地區(qū)和川南地區(qū)比較高，而在渝東地區(qū)和米倉(cāng)山地區(qū)則相對(duì)較低。下部黑色碳質(zhì)泥頁(yè)巖在川東南地區(qū)的厚度在60～200m，在川北和渝東地區(qū)不發(fā)育。

圖6 四川盆地周緣筇竹寺組顯微電鏡照片F(xiàn)ig.6 Micropores and microfractures（SEM）in the Qiongzhusi Formation shale

c.筇竹寺組下部巖性主要由富有機(jī)質(zhì)（碳質(zhì)）非紋層狀泥頁(yè)巖、泥巖、鈣質(zhì)泥巖、粉砂巖、紋層狀粉砂質(zhì)泥巖或泥質(zhì)粉砂巖、（含）硅質(zhì)泥巖、鈣質(zhì)粉砂巖或粉砂質(zhì)灰?guī)r7種巖性構(gòu)成。

d.筇竹寺組頁(yè)巖中石英和長(zhǎng)石占絕大多數(shù)，它們呈紋層狀或分散狀、斑塊狀分布，顆粒大小一般在0.01～0.07mm。除陸源石英外，還可見隱晶質(zhì)硅質(zhì)，粒徑＜0.01mm，為火山凝灰物質(zhì)的蝕變產(chǎn)物，平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為17.2%。硅質(zhì)常表現(xiàn)為含硅質(zhì)粉砂質(zhì)泥巖或硅質(zhì)泥巖。下部頁(yè)巖中常見瀝青質(zhì)，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%～12%。

e.川東南地區(qū)筇竹寺組巖心平均孔隙度為0.79%～1.25%，滲透率為0.004×10－3～0.008×10－3μm2。微孔隙發(fā)育，約為2%～3%，主要為自生方解石晶間孔隙、黏土礦物晶間孔、長(zhǎng)石溶蝕孔、泥巖內(nèi)部陸源碎屑石英粒間孔隙及其他溶孔和微裂縫等。微裂縫規(guī)模一般在2μm×（50～120μm）左右。

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