川東南地區(qū)下志留統(tǒng)頁巖氣成藏條件分析

余 川 （西南石油大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，四川成都610500 重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院頁巖氣研究所，重慶400042）

包書景 （中石化石油勘探開發(fā)研究院，北京100083）

秦啟榮 （西南石油大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，四川 成都610500）

聶海寬 （中石化石油勘探開發(fā)研究院，北京100083）

朱 浩 （中石化河南油田分公司石油勘探開發(fā)研究院，河南 南陽473132）

邵曉州 （西南石油大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，四川 成都610500）

川東南地區(qū)下志留統(tǒng)頁巖氣成藏條件分析

余 川 （西南石油大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，四川成都610500 重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院頁巖氣研究所，重慶400042）

包書景 （中石化石油勘探開發(fā)研究院，北京100083）

秦啟榮 （西南石油大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，四川 成都610500）

聶海寬 （中石化石油勘探開發(fā)研究院，北京100083）

朱 浩 （中石化河南油田分公司石油勘探開發(fā)研究院，河南 南陽473132）

邵曉州 （西南石油大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，四川 成都610500）

川東南地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組黑色頁巖為一套優(yōu)質(zhì)的海相烴源巖，通過對野外露頭及井下樣品的試驗(yàn)分析，獲得了控制頁巖氣成藏的關(guān)鍵地質(zhì)參數(shù)；并類比美國主要產(chǎn)氣頁巖發(fā)育特征，認(rèn)為研究區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖具備頁巖氣發(fā)育的物質(zhì)基礎(chǔ)。綜合研究表明，沿著該區(qū)2個(gè)深水沉積中心黑色頁巖沉積厚度大、有機(jī)碳含量較高、成熟度高、生烴強(qiáng)度大、儲(chǔ)氣能力強(qiáng)、埋深適中。采用綜合信息疊合法預(yù)測研究，認(rèn)為綦江南部地區(qū)和武?。硭貐^(qū)是研究區(qū)頁巖氣發(fā)育有利區(qū)，并采用體積法初步估算了兩個(gè)有利區(qū)的資源量，分別為1.2×1012m3和0.70×1012m3，顯示出該區(qū)巨大的頁巖氣資源勘探潛力。

資源量；成藏條件；有利區(qū)；頁巖氣；下志留統(tǒng)；川東南

頁巖氣是潛力巨大的非常規(guī)天然氣資源［1］。美國是進(jìn)行頁巖氣商業(yè)開采最早的國家，并步入了頁巖氣開發(fā)快速發(fā)展階段，美國頁巖氣勘探取得的巨大成功，使得頁巖氣資源在全世界受到了廣泛的重視［2］。中國對頁巖氣的研究與勘探開發(fā)還處于探索階段，國內(nèi)已有眾多專家和學(xué)者對頁巖氣成藏機(jī)理、成藏條件、有利區(qū)預(yù)測和資源評價(jià)等進(jìn)行了研究［3～6］，并提出了中國頁巖氣的勘探前景，如張金川等［7］、聶海寬等［8］分析了中國南方的頁巖氣成藏條件，認(rèn)為下寒武統(tǒng)和下志留統(tǒng)是南方海相地層頁巖氣發(fā)育最有利的層系；王社教等［9］、蒲泊伶等［10］對整個(gè)四川盆地下志留統(tǒng)頁巖氣成藏條件進(jìn)行了探討，均認(rèn)為下志留統(tǒng)具有良好的頁巖氣勘探前景。川東南地區(qū)主體位于四川盆地東南部拗褶區(qū)，橫跨川東高陡構(gòu)造帶和川南中低緩構(gòu)造帶，構(gòu)造演化復(fù)雜，頁巖氣成藏控制因素還有待進(jìn)一步落實(shí)。筆者通過野外露頭觀測、井下巖心觀察和樣品試驗(yàn)分析等方法，并類比美國主要頁巖氣藏特征，從沉積背景、頁巖地質(zhì)特征、頁巖有機(jī)地化參數(shù)、物性等方面對川東南地區(qū)下志留統(tǒng)頁巖氣成藏條件進(jìn)行了研究，預(yù)測了頁巖氣發(fā)育有利區(qū)，并估算了資源量。

1 頁巖氣成藏條件分析

1.1 沉積相

晚奧陶世－早志留世期間，川東南地區(qū)發(fā)生了洋陸轉(zhuǎn)換、陸陸碰撞，即華南洋向江紹一帶俯沖、消減形成江南－雪峰山造山帶，與牛首山－黔中古隆起相連，研究區(qū)由大陸邊緣轉(zhuǎn)為前陸體系，在造山帶前緣形成前陸盆地，包括牛首山－黔中古隆起前緣的上揚(yáng)子淺海－濱海前陸盆地、武陵山－雪峰山造山帶前陸盆地和江南淺海前陸盆地，形成川南和鄂西－渝東兩個(gè)深水陸棚區(qū) （圖1），從西向東分別為自貢－瀘洲和南川－道真－武隆兩個(gè)黑色頁巖沉積中心。下志留統(tǒng)龍馬溪組沉積期，揚(yáng)子大部分地區(qū)處于閉塞、半閉塞滯流海盆環(huán)境，高海平面、生烴母質(zhì)生物的高生產(chǎn)率和高埋藏率等因素的正向疊加，使得上揚(yáng)子地區(qū)龍馬溪組發(fā)育了一套富含微粒黃鐵礦和筆石化石、有機(jī)質(zhì)豐富的黑色泥 （頁）巖［11］。龍馬溪組黑色頁巖有機(jī)質(zhì)來源于低等水生浮游生物和藻類等，有機(jī)質(zhì)類型好，多為腐泥型 （Ⅰ型），是一套優(yōu)質(zhì)的烴源巖。從沉積環(huán)境方面講，以上兩個(gè)深水沉積中心更有利于形成富含有機(jī)質(zhì)的泥頁巖，黑色頁巖最為發(fā)育。

圖1 川東南地區(qū)下志留統(tǒng)黑色頁巖厚度等值線圖

1.2 厚度和埋深

通過對川東南地區(qū)下志留統(tǒng)地層的野外地質(zhì)調(diào)查，并結(jié)合區(qū)域地層調(diào)研資料，掌握了下志留統(tǒng)龍馬溪組地層的發(fā)育特征及展布規(guī)律。研究區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組黑色頁巖主要發(fā)育在牛首山－黔中隆起至江南－雪峰山隆起以北較深水的非補(bǔ)償性缺氧環(huán)境中。受黔中古隆起的影響，在南部靠近古隆起邊緣的地區(qū)，富含有機(jī)質(zhì)黑色頁巖厚度較薄，往北厚度增大，處于沉積中心附近的則厚度最大。研究區(qū)黑色頁巖位于龍馬溪組下部，厚度主要在20～120m范圍內(nèi) （圖1），如貴州習(xí)水吼灘剖面實(shí)測黑色頁巖有效厚度為33.8m，重慶綦江觀音橋剖面實(shí)測黑色頁巖厚度為61m （圖2），有效厚度大于30m的區(qū)域基本上位于大足－重慶－涪陵一線以南和敘永－習(xí)水－桐梓一線以北的廣大地區(qū)。由于研究區(qū)構(gòu)造抬升幅度大、擠壓強(qiáng)烈，導(dǎo)致下志留統(tǒng)龍馬溪組地層埋深整體上由東南向西北增加，在大致沿七岳山斷裂帶以東－以南出露剝蝕嚴(yán)重 （圖1），斷裂以西，埋深逐漸增加，在1000～5000m之間?？傮w來看，研究區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組黑色頁巖具有分布面積廣、厚度大、埋深適中的特點(diǎn)。

圖2 川東南地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組黑色頁巖野外露頭照片

1.3 有機(jī)質(zhì)豐度和成熟度

研究區(qū)龍馬溪組黑色頁巖干酪根的δ13（PDB）為－28.17‰～－29.05‰，平均值為－28.85‰，說明該套烴源巖母質(zhì)以Ⅰ型干酪根為主，混有少量的Ⅱ型干酪根。平面上，高含有機(jī)碳頁巖主要發(fā)育在黑色頁巖的沉積中心，圍繞川中古隆起、牛首山－黔中古隆起和雪峰山古隆起形成川南－黔北和鄂西－渝東兩個(gè)有機(jī)碳含量 （TOC）高值區(qū) （圖3）。在興文－敘永一帶為川南－黔北高值區(qū)，TOC普遍大于2%，局部地區(qū)超過4%；在鄂西－渝東的武?。勒妫硭粠б矠橛袡C(jī)碳的高值區(qū)，普遍大于2%；在武?。硭粠С^4%。總體上，研究區(qū)下志留統(tǒng)黑色頁巖TOC普遍較高，生烴潛力大，其中東北部和西南部是2個(gè)高含有機(jī)碳頁巖的發(fā)育區(qū)。

研究區(qū)經(jīng)歷了多次隆升剝蝕及再埋藏的構(gòu)造演化，下志留統(tǒng)黑色頁巖熱演化程度較高，平面上，大部分地區(qū)頁巖有機(jī)質(zhì)鏡質(zhì)體反射率（Ro）大于2%，處在高成熟和過成熟階段，尚具備一定的生氣能力。高值區(qū)主要分布在瀘洲－赤水－習(xí)水一帶，Ro最大值超過3% （圖3）。從目前勘探開發(fā)情況講，對于熱成因的頁巖氣藏，高成熟度不是制約聚集的主要因素，如圣胡安盆地Lewis頁巖氣藏和福特沃斯盆地Barnett頁巖氣藏為高成熟度的頁巖氣藏，頁巖氣主要來源于熱成熟作用產(chǎn)物，從這個(gè)角度分析，下志留統(tǒng)較高成熟度的頁巖能發(fā)育熱成因的頁巖氣藏。

圖3 川東南地區(qū)下志留統(tǒng)黑色頁巖有機(jī)碳、Ro等值線圖

圖4 習(xí)水吼灘剖面下志留統(tǒng)龍馬溪組黑色頁巖礦物組成縱向分布

1.4 儲(chǔ)集物性和吸附性

在常規(guī)儲(chǔ)層研究中，物性指標(biāo)是評價(jià)儲(chǔ)層特征的主要參數(shù)，這對于頁巖氣藏同樣適用，一方面孔隙和裂縫可作為游離態(tài)天然氣的儲(chǔ)集空間；另一方面，在頁巖氣排采過程中，有助于吸附態(tài)氣體的解析作用；頁巖作為一種特殊的儲(chǔ)集巖，一般呈現(xiàn)微孔低滲的特征，但頁巖中裂縫的發(fā)育會(huì)改善頁巖的孔滲性能；因此，頁巖的孔縫特征對于頁巖氣藏的形成與有效開發(fā)至關(guān)重要。

1）礦物組成 頁巖的礦物組成，在一定程度上決定了頁巖產(chǎn)生裂縫的能力，當(dāng)頁巖含有較少量的膨脹性粘土礦物和較多量的脆性硅質(zhì)礦物時(shí)，頁巖脆性增強(qiáng)，易于產(chǎn)生裂縫，有利于后期的壓裂改造［9］。通過X射線衍射分析，研究區(qū)下志留統(tǒng)黑色頁巖的礦物組成主要為石英和粘土礦物，長石次之，含少量的方解石、白云石、黃鐵礦等，石英含量在30%～70%之間，粘土礦物含量在20%～60%之間。剖面上如圖4所示，石英和粘土礦物含量變化較大，在龍馬溪組下部，石英含量大于粘土含量，普遍大于50%；向上，石英含量減小，粘土含量增加。據(jù)統(tǒng)計(jì)，美國福特沃斯盆地Barnett頁巖的石英含量在40%～60%之間，這表明龍馬溪組下部黑色頁巖是易于產(chǎn)生裂縫的，有利于后期的壓裂改造。

圖5 川東南地區(qū)下志留統(tǒng)黑色頁巖孔縫特征

2）孔滲特征 在顯微鏡和掃描電鏡下，可以觀察到不同大小的孔隙、喉道、晶洞和微裂縫組成的復(fù)雜多孔系統(tǒng)，并具有網(wǎng)狀連通的特征 （圖5）。在頁巖氣藏中，這些孔縫是主要的儲(chǔ)集空間，賦存了大量的游離態(tài)天然氣，孔隙度大小直接控制著游離態(tài)天然氣的含量。根據(jù)物性試驗(yàn)，研究區(qū)下志留統(tǒng)黑色頁巖孔隙度分布在4.5%～11.2%之間，滲透率在 （0.0047～0.0116）×10－3μm2之間，孔喉半徑分布在0.00～0.16μm之間?？傮w上，下志留統(tǒng)黑色頁巖具有大孔發(fā)育少、微孔發(fā)育多、喉道細(xì)、孔隙度大、滲透率小的特點(diǎn)。

3）吸附能力 不同于常規(guī)天然氣藏，頁巖氣具有游離態(tài)、吸附態(tài)或溶解態(tài)等多種賦存方式，頁巖對天然氣的吸附能力在很大程度上控制著頁巖的含氣量。通過等溫吸附試驗(yàn)，表明在一定溫度壓力下，頁巖的吸附能力與壓力、TOC具有很好的正相關(guān)性 （圖6）。研究區(qū)下志留統(tǒng)黑色頁巖樣品等溫吸附測試顯示，在試驗(yàn)溫度30℃，壓力10MPa下，頁巖的吸附氣量在1.65～2.9m3/t之間，平均2.33m3/t，這和美國福特沃斯盆地Barnett頁巖的吸附能力具有一定的可比性［12］，有利于吸附態(tài)天然氣的聚集。

圖6 習(xí)水吼灘剖面下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖等溫吸附模擬結(jié)果

2 下志留統(tǒng)頁巖氣發(fā)育有利區(qū)預(yù)測

綜上所述，研究區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組黑色頁巖具有分布廣、厚度大、埋深適中、有機(jī)碳含量高、儲(chǔ)氣能力強(qiáng)、處在高成熟和過成熟階段等特點(diǎn)。通過與美國主要產(chǎn)氣頁巖發(fā)育特征對比分析，認(rèn)為該套頁巖具備形成頁巖氣藏的物質(zhì)基礎(chǔ)。美國頁巖氣的成功勘探開發(fā)表明，頁巖氣產(chǎn)出最好的地區(qū)必須是有機(jī)碳含量高、厚度大、孔隙度和滲透率高以及適當(dāng)?shù)臒岢墒於取⒙裆?、裂縫發(fā)育、濕度、溫度和壓力等條件匹配良好的區(qū)域。因此，筆者根據(jù)頁巖氣發(fā)育的關(guān)鍵參數(shù)指標(biāo)，采用綜合信息疊合法對研究區(qū)頁巖氣發(fā)育有利區(qū)進(jìn)行預(yù)測 （圖7），認(rèn)為綦江南部地區(qū)和武?。硭貐^(qū)是研究區(qū)頁巖氣發(fā)育有利區(qū)，面積分別為4360km2和2500km2。利用有利區(qū)下志留統(tǒng)黑色頁巖發(fā)育厚度、面積、密度以及含氣能力等參數(shù)，采用體積法初步估算了這兩個(gè)有利區(qū)的資源量，分別為1.2×1012m3和0.70×1012m3。

圖7 川東南地區(qū)下志留統(tǒng)頁巖氣發(fā)育有利區(qū)預(yù)測

3 結(jié) 論

1）川東南地區(qū)早志留世沉積期，沿川南和鄂西－渝東兩個(gè)深水陸棚區(qū)形成了下志留統(tǒng)兩個(gè)黑色頁巖發(fā)育中心，黑色頁巖厚度大，埋深適中，有機(jī)碳含量高，生烴強(qiáng)度大，儲(chǔ)氣能力強(qiáng)，處在高成熟和過成熟階段，通過與美國主要產(chǎn)氣頁巖發(fā)育特征對比分析，認(rèn)為該套頁巖具備形成頁巖氣藏的物質(zhì)基礎(chǔ)。

2）剖面上，龍馬溪組下部頁巖氣發(fā)育條件更為優(yōu)越；平面上，綦江南部地區(qū)和武?。硭貐^(qū)是研究區(qū)下志留統(tǒng)頁巖氣發(fā)育有利區(qū)，初步估算了兩個(gè)有利區(qū)的資源量分別為1.2×1012m3和0.70×1012m3，顯示出巨大的頁巖氣資源勘探潛力。

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［6］張大偉.加速我國頁巖氣資源調(diào)查和勘探開發(fā)戰(zhàn)略構(gòu)想 ［J］.石油與天然氣地質(zhì)，2010，31（2）：135～139，150.

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Analysis of Reservoir－forming Conditions of Shale Gas in Lower Silurian of Southeast Sichuan Area

YU Chuan，BAO Shu－jing，QIN Qi－rong，NIE Hai－kuan，ZHU Hao，SHAO Xiao－zhou（First Author's Address：College of Resources and Environment，Southwest Petroleum University Chengdu610500，Sichuan，China）

The black shale in Longmaxi Formation of the Lower Silurian in the southeast Sichuan Area was a set of excellent marine hydrocarbon source rocks.According to the experimental analysis of outcrops and down－h(huán)ole samples，the key geologic parameters controlling the reservoir formation of shale gas were obtained.Comparing with the characteristics of major gas－producing shale in the United States，it was considered that the shale in Longmaxi Formation of Lower Silurian in the studied area had the material base of the gas development.The comprehensive study shows that along the nearby two deep－water sedimentation centers of the area，the black shale is characterized as a great thickness with higher TOC content，high thermal maturity，high intensity of hydrocarbon－generation，strong ability of gas accumulation and appropriate buried depth.Forecasting with the comprehensive information overlay method，the result shows that southern Qijiang and Wulong－Pengshui Areas are the favorable zones for shale gas development.And preliminary estimation made with the volumetric method shows that the shale gas volume in the two areas is 1.2×1012m3and 0.70×1012m3respectively，which indicates a great potential for shale gas exploration in the southeast Sichuan Area.

resource volume；reservoir－forming condition；favorable zone；shale gas；lower Silurian；southeast Sichuan Area

TE122.1

A

1000－9752 （2012）02－0041－05

2011－07－11

全國油氣資源戰(zhàn)略選區(qū)調(diào)查與評價(jià)國家專項(xiàng) （2009GYXQ－15）。

余川 （1985－），男，2007年大學(xué)畢業(yè)，碩士生，現(xiàn)主要從事非常規(guī)天然氣地質(zhì)研究工作。

［編輯］ 宋換新