從頁巖氣展望烴源巖氣——以四川盆地下二疊統(tǒng)為例

黃籍中

成都市老科學(xué)技術(shù)工作者協(xié)會(huì)

從頁巖氣展望烴源巖氣
——以四川盆地下二疊統(tǒng)為例

黃籍中

成都市老科學(xué)技術(shù)工作者協(xié)會(huì)

基于頁巖氣“源藏合一”的成藏模式——天然氣源自頁巖有機(jī)質(zhì)（固態(tài)、液態(tài)）吸附、溶解及黏土礦物吸附的機(jī)制以及微裂縫、裂縫、頁巖孔隙中的游離氣成藏的認(rèn)識，以四川盆地下二疊統(tǒng)為研究對象和實(shí)例，論證了同為烴源巖的碳酸鹽巖（富含有機(jī)質(zhì)的局限—開闊海臺地相等的細(xì)結(jié)構(gòu)—生物泥粒、泥?！噘|(zhì)灰?guī)r、泥灰?guī)r等）也應(yīng)該具有天然氣成藏的前景和可能。研究區(qū)下二疊統(tǒng)碳酸鹽巖烴源巖發(fā)育，在棲霞組（P1q）和茅口組（P1m）都有分布；依據(jù)厚度較大、有機(jī)質(zhì)豐度較高、有機(jī)質(zhì)類型佳、有機(jī)質(zhì)成熟度適中、埋藏較淺等特征，論證了其具備形成烴源巖氣的有利條件及其勘探前景，并對埋深在2 000 m左右的川東高陡構(gòu)造區(qū)、川南瀘州印支期古隆起區(qū)、川西南威遠(yuǎn)構(gòu)造區(qū)進(jìn)行了類比評估。最后，建議對瀘州印支期古隆起區(qū)展開試探（可選擇已鉆井的P1m1、P1q1先行），待取得突破后，再擴(kuò)大至威遠(yuǎn)構(gòu)造區(qū)及川東高陡構(gòu)造區(qū)。

頁巖氣 吸附 游離 有機(jī)質(zhì) 裂縫（巖石） 碳酸鹽巖 烴源巖氣 成藏模式 四川盆地 早二疊世

頁巖氣作為一種非常規(guī)天然氣［1］，國外已成功進(jìn)行了商業(yè)性開發(fā)，成為重要的新能源［2］。國內(nèi)從1990年起涉足該領(lǐng)域，2007年開始進(jìn)入全新起步階段［3］。中石油于2008年11月26日在四川盆地南緣的長寧背斜鉆長芯1井，在所取巖心中見氣并發(fā)現(xiàn)頁巖有納米級的孔隙體［4］，并在該構(gòu)造鉆獲天然氣；中石油于2010年在四川盆地威201井下志留統(tǒng)、下寒武統(tǒng)頁巖中鉆獲氣流；中石化在四川盆地東南側(cè)建南背斜的建深1井下志留統(tǒng)鉆獲天然氣，初產(chǎn)量為5.13×104m3／d［5］；國土資源部和中國地質(zhì)大學(xué)在川東七曜山背斜西南端彭水縣境內(nèi)鉆渝頁1井在下志留統(tǒng)頁巖中見氣顯示［6］……基于頁巖氣“源藏合一”的成藏模式，筆者認(rèn)為：具類似成藏條件的非泥質(zhì)烴源巖——碳酸鹽巖烴源巖等，也應(yīng)被列入非常規(guī)氣藏的勘探領(lǐng)域。

1 碳酸鹽巖烴源巖氣與頁巖氣成藏機(jī)制類同

1.1 頁巖氣成藏機(jī)制分析

頁巖氣的成藏機(jī)制為：由有機(jī)質(zhì)、黏土礦物吸附氣，可溶有機(jī)質(zhì)（瀝青）、液態(tài)碳?xì)浠衔?、水溶解氣，微裂縫、裂縫、頁巖孔隙中游離氣等圈閉成藏。吸附氣、溶解氣的富集與有機(jī)質(zhì)豐度、熱成熟度關(guān)系密切；游離氣的聚集與構(gòu)造部位關(guān)系密切；采氣生產(chǎn)，一般以游離氣先行、吸附氣（解吸、解溶）緊跟，但后者產(chǎn)出時(shí)間長，是頁巖氣的主力氣源。相比之下，碳酸鹽巖烴源巖氣除具有與頁巖氣類似的成藏條件外，還擁有碳酸鹽礦物晶格結(jié)合烴、礦物包裏體烴等優(yōu)勢。

1.1.1 頁巖氣吸附氣量與有機(jī)質(zhì)豐度相關(guān)

據(jù)本文參考文獻(xiàn)［7－8］，從表1資料編繪的圖1中可以看出，頁巖氣的吸附量與其有機(jī)質(zhì)豐度呈正相關(guān)態(tài)勢，即有機(jī)質(zhì)含量增高其吸附氣量亦增加。

1.1.2 微石油、水是天然氣溶解的主要載體

微石油［可溶有機(jī)質(zhì)（瀝青）、液態(tài)碳?xì)浠衔锏龋?、水在有機(jī)質(zhì)成烴演化進(jìn)程中，既是有機(jī)質(zhì)的成烴產(chǎn)物，又是天然氣的溶解載體；水既參與演變，又充當(dāng)微石油、溶解天然氣的載體。其溶解量則與溫度、壓力等外在因素相關(guān)（表2、3）。

表1 美國主要含氣頁巖儲(chǔ)層有機(jī)質(zhì)特征統(tǒng)計(jì)表

圖1 有機(jī)質(zhì)含量與吸附氣量關(guān)系圖（據(jù)表1編繪）

表2 天然氣溶解系數(shù)表

1.1.3 黏土礦物因粒級細(xì)、表面積大，而具有吸附優(yōu)勢

黏土礦物因粒級細(xì)、表面積大，而具有超過方解石、白云石、石英等其他礦物的吸附優(yōu)勢。但是碳酸鹽礦物卻發(fā)育晶格結(jié)合烴及包裹體烴，在鉆采過程中實(shí)施壓裂酸化可獲增產(chǎn)。

表3 一些氣體在淡水中的溶解度隨壓力的變化表 m3／m3

1.1.4 熱成熟度影響天然氣的吸附量、溶解量

有機(jī)質(zhì)成熟度起因于地層溫度（地?zé)幔?，?dāng)溫度升高時(shí)，有機(jī)質(zhì)、黏土礦物、微石油、水介質(zhì)等的吸附、溶解量，呈由低到高、再由高到低的演變規(guī)律，即由未成熟到成熟的吸附量、溶解量增加，至高成熟—過成熟時(shí)，吸附量、溶解量隨之減少（或解吸、解溶），如圖2所示，其趨勢是明顯的。

1.2 碳酸鹽巖烴源巖具有與頁巖氣相似的成藏條件

圖2 天然氣吸附量與有機(jī)質(zhì)成熟度演變態(tài)勢圖

綜上所述，有機(jī)質(zhì)、黏土礦物、水等介質(zhì)的吸附、溶解氣態(tài)烴，是構(gòu)成頁巖氣藏的主體。那么，同為烴源巖的碳酸鹽巖，同樣富含有機(jī)質(zhì)，在熱成烴進(jìn)程中，同樣會(huì)產(chǎn)生液態(tài)烴、氣態(tài)烴，當(dāng)其在排運(yùn)聚構(gòu)建油氣藏的同時(shí)，即運(yùn)移后的碳酸鹽巖烴源巖同樣會(huì)吸附、溶解氣態(tài)烴，可以構(gòu)成烴源巖氣藏的主體。至于捕獲游離氣的優(yōu)勢，碳酸鹽巖烴源巖的孔隙、微裂縫、裂縫、洞隙的發(fā)育優(yōu)勢應(yīng)該在頁巖之上。換言之，頁巖氣成藏是由于有機(jī)質(zhì)、黏土礦物、水等介質(zhì)吸附、溶解天然氣而成藏，那么同理，碳酸鹽巖等烴源巖，因其具有相似的成藏條件，理應(yīng)也被列為非常規(guī)氣藏的勘探對象。如果這一論證合理，那么天然氣勘探領(lǐng)域必將擴(kuò)大，資源量必將增加，尤其是碳酸鹽巖烴源巖在我國南方揚(yáng)子地臺分布廣泛，更具有廣闊的勘探前景。

2 四川盆地下二疊統(tǒng)碳酸鹽巖烴源巖具備有利的天然氣成藏條件

基于上述論證，以四川盆地下二疊統(tǒng)碳酸鹽巖烴源巖為例，討論了碳酸鹽巖烴源巖的展布和成藏條件。

2.1 下二疊統(tǒng)碳酸鹽巖烴源巖展布

四川盆地下二疊統(tǒng)碳酸鹽巖發(fā)育，屬海相臺地沉積建造，沉積范圍廣闊，遠(yuǎn)跨現(xiàn)今盆地，在揚(yáng)子地臺多有分布［9］。沉積前盆地受樂山—龍女寺加里東隆起影響，抬升為陸，地層剝蝕嚴(yán)重，在不同時(shí)代地層組成的準(zhǔn)平原基礎(chǔ)上，接受沉積，厚度變化在400～800 m之間，北、東南、西靠陸源區(qū)，厚度減薄至200 m左右。下二疊統(tǒng)可三分：P1l（龍?zhí)督M）、P1q（棲霞組）、P1m（茅口組），厚度變化在300～500 m之間。自下而上展示2次沉積旋回 ，由海侵初期—海侵中期—海退期構(gòu)成：第一旋回為P1q1—P1q2—P1m1；第二旋回為P1m2C—P1m2A＋B—P1m3—P1m4。碳酸鹽巖烴源巖主要發(fā)育于下二疊統(tǒng)，海侵初期由短暫的局限海臺地相過渡為開闊海臺地相，局部出現(xiàn)灘相；海侵中期出現(xiàn)臺內(nèi)淺灘或更高能量的臺緣淺灘；海退期為延續(xù)時(shí)間較長的局限海臺地相或間有開闊海臺地相交互，主要分布在P1q1、P1m1、P1m4中。

研究表明，處于海侵初期和海退期的局限海臺地相、開闊海臺地相等有利于碳酸鹽巖烴源巖發(fā)育［10］。其間以細(xì)結(jié)構(gòu)巖類：泥質(zhì)泥晶灰?guī)r、生物泥—粒泥巖—泥粒巖微相是碳酸鹽巖烴源巖的主要巖類，因其有機(jī)質(zhì)賦存具原生性，是沉積基質(zhì)的組成部分，也是碳酸鹽巖烴源巖判識的重要標(biāo)志（圖3），即并非所有碳酸鹽巖均可被視為烴源巖。那些發(fā)育于高能環(huán)境［如灘相（P1m）、鮞粒灘（T1f）、生物礁相（P2ch）等］及白云化碳酸鹽巖的高孔滲的儲(chǔ)滲體，如P2ch的生物礁、P1q2、P1m2－3的灘相、T1f的鮞粒灘相、P1q2的白云巖等可以作為常規(guī)氣勘探目的層。其成藏模式屬構(gòu)造、斷層、巖性等常規(guī)圈閉氣藏，亦即經(jīng)烴源巖排運(yùn)聚而成藏。烴源巖氣則是未經(jīng)排運(yùn)聚而成藏的，主要由有機(jī)質(zhì)、水等的吸附、溶解氣，黏土礦物的吸附氣而富集成藏——“源藏同一”。就碳酸鹽巖烴源巖而言，因結(jié)構(gòu)致密，孔隙度、滲透率極低，故也難以形成自生自儲(chǔ)“經(jīng)排運(yùn)”的氣藏，形成的氣藏（微裂縫、裂縫、洞隙游離氣，有機(jī)質(zhì)、黏土礦物溶解氣、吸附氣）均在烴源巖范圍之內(nèi)，屬于非常規(guī)天然氣系列。而前者多系巖性相變在縱橫向由烴源巖成烴排運(yùn)于儲(chǔ)滲體成藏，屬常規(guī)氣系列。

由早二疊世棲霞期、茅口期碳酸鹽巖烴源巖展布情況（圖4）可見，P1q厚度大于100 m的碳酸鹽巖烴源巖沿西南—東北向展布，尤以達(dá)州、開江一帶較發(fā)育，厚度超過150 m；P1m碳酸鹽巖烴源巖發(fā)育，盆地內(nèi)除川西北綿陽、梓潼、江油一帶厚度小于100 m外，在其他地區(qū)厚度均大于100 m，以西南及東部地區(qū)最為發(fā)育，厚度多在200 m以上，最厚達(dá)350 m。

2.2 碳酸鹽巖烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度較髙

四川盆地下二疊統(tǒng)按J.L.Wilson（1974，1975）沉積相帶劃分［10］，統(tǒng)計(jì)的有機(jī)質(zhì)豐度值列于圖5、表4中。由其可見，碳酸鹽巖烴源巖有機(jī)質(zhì)含量較高，有利于碳酸鹽巖烴源巖氣成藏。

2.3 碳酸鹽巖烴源巖有機(jī)質(zhì)類型佳、成烴量高

四川盆地早二疊世在地史發(fā)展長河中，是生物發(fā)育的極盛時(shí)期，碳酸鹽巖烴源巖沉積環(huán)境優(yōu)越，低等生物發(fā)育。研究表明，沉積有機(jī)質(zhì)以腐泥型、偏腐泥混合型為主，如圖6所示。

2.4 有機(jī)質(zhì)成熟度適中，有利于烴氣保存

研究表明，盆地內(nèi)下二疊統(tǒng)，除川西、川北深埋區(qū)有機(jī)質(zhì)成熟度達(dá)過成熟以外，川東南淺埋區(qū)以高成熟早期為主（Ro＜2%），有利于烴氣保存，即烴氣不因成熟度過高而解吸、解溶排移。

3 下二疊統(tǒng)碳酸鹽巖烴源巖氣評估

3.1 碳酸鹽巖烴源巖氣顯示

四川盆地下二疊統(tǒng)P1m1按巖性自上而下可三分：其中P1m1A、P1m1C為深色泥質(zhì)泥晶等細(xì)結(jié)構(gòu)碳酸鹽巖烴源巖，P1m1B為碳酸鹽巖。碳酸鹽巖烴源巖在鉆井、試采進(jìn)程常有井涌、井噴發(fā)生。例如陽高寺構(gòu)造的陽38井（位于構(gòu)造南端），P1m1C厚23 m，在2 658.9～2 662.13 m，發(fā)生井噴，經(jīng)測試產(chǎn)微氣。陽60井P1m1A厚27.5 m，在2 817.05 m發(fā)生井涌，集氣可燃；又如九奎山構(gòu)造的陽45井（位于構(gòu)造東北端）P1m1C段厚30 m，在井深2 277～2 282 m，發(fā)生井涌，噴高為6 m。陽57井（位于構(gòu)造西北翼）P1m1A厚17.5 m，在井深2 376.19～2 378.64 m發(fā)生井涌，噴高達(dá)30 m。

圖4 四川盆地下二疊統(tǒng)碳酸鹽巖烴源巖展布平面圖

圖5 四川盆地早二疊世有利相帶碳酸鹽巖烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度展布圖

表4 四川盆地下二疊統(tǒng)不同相帶有機(jī)質(zhì)豐度展布表

以上實(shí)例說明，在鉆井試采中獲得井涌、井噴、燃?xì)獾刃畔ⅲ@些顯示均出自碳酸鹽巖烴源巖之內(nèi)，應(yīng)當(dāng)視為烴源巖氣，由此表明碳酸鹽巖烴源巖中的確賦存有天然氣。從頁巖氣成藏機(jī)制分析，烴源巖首先排出的應(yīng)該是游離氣“微裂縫、裂縫、頁巖、洞隙氣等”，隨后主要是解吸氣、解溶氣。據(jù)此而論，碳酸鹽巖烴源巖，具有頁巖氣相似的勘探前景。

3.2 碳酸鹽巖烴源巖氣評估

基于對碳酸鹽巖烴源巖氣與頁巖氣成藏機(jī)制類同的認(rèn)識，在現(xiàn)今頁巖氣評估標(biāo)準(zhǔn)尚無定論的實(shí)際情況下，僅以碳酸鹽巖烴源巖展布、有機(jī)質(zhì)豐度、有機(jī)質(zhì)成熟度、埋深、圈閉等諸因素綜合分析得出以下評估結(jié)果：以川南瀘州印支期古隆起為最有利區(qū)，P1碳酸鹽巖烴源巖厚度較大，有機(jī)質(zhì)豐度較髙，成熟度適中，埋藏較深，圈閉保藏佳，評為最有利區(qū)（Ⅰ級）；川西南威遠(yuǎn)構(gòu)造區(qū)為有利區(qū)（Ⅰ—Ⅱ級）；川東髙陡構(gòu)造區(qū)為較有利區(qū)，P1碳酸鹽巖烴源巖厚度大，但成熟度較高及埋藏較淺，其烴氣保存條件不如瀘州印支期古隆起區(qū)，故列為Ⅱ級（表5）。

圖6 四川盆地下二疊統(tǒng)有機(jī)質(zhì)顯微組成圖

4 結(jié)束語

四川盆地發(fā)育油系泥質(zhì)烴源巖、煤系泥質(zhì)烴源巖及油系碳酸鹽巖烴源巖，同樣具備頁巖氣的成藏條件，碳酸鹽巖烴源巖不僅具有與頁巖氣成藏類同的優(yōu)勢，而且尚賦存碳酸鹽礦物晶格烴、包裏體烴及微裂縫、洞隙更發(fā)育等優(yōu)勢，應(yīng)當(dāng)被視作非常規(guī)氣的勘探領(lǐng)域。

四川盆地下二疊統(tǒng)碳酸鹽巖沉積建造發(fā)育，有利于碳酸鹽巖烴源巖發(fā)育的局限?！_闊海臺地相在時(shí)空上展布廣，細(xì)結(jié)構(gòu)生物泥—泥粒巖—粒泥巖、泥質(zhì)泥晶灰?guī)r、泥灰?guī)r等是主要烴源巖（有機(jī)質(zhì)賦存具原生性，是碳酸鹽巖烴源巖氣的標(biāo)志）。P1m1、P1m4、P1q1碳酸鹽巖烴源巖發(fā)育，是碳酸鹽巖烴源巖氣成藏的最佳層段。在層段選擇上可以P1為對象，在地區(qū)選擇上可將瀘州印支期古隆起區(qū)有利碳酸鹽巖烴源巖氣藏列為優(yōu)選靶區(qū)，在實(shí)際操作上，不妨先選擇已鉆井的P1m1、P1q1做實(shí)驗(yàn)，待取得突破后，再擴(kuò)大至川西南威遠(yuǎn)構(gòu)造區(qū)、川東高陡構(gòu)造區(qū)。一經(jīng)取得突破，獲得實(shí)效，表明筆者論證合理則前程似錦！在我國南方碳酸鹽巖烴源巖廣布地區(qū)，將展示出廣闊的油氣勘探前景，將有可能改變我國南方能源短缺的格局。

表5 四川盆地下二疊統(tǒng)碳酸鹽巖烴源巖氣評估表

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Prospect of source rock gas based on shale gas accumulation patterns：A case study from the Late Tertiary Formation in the Sichuan Basin

Huang Jizhong
（Chengdu Association of Senior Scientists and Technicians，Chengdu，Sichuan 610051，China）

NATUR.GAS IND.VOLUME 32，ISSUE 11，pp.4－9，11／25／2012.（ISSN 1000－0976；In Chinese）

Based on the understanding of the indigenous accumulation patterns of shale gas，i.e.generated from organic matters（in solid and liquid states）in shales and stored indigenously in the adsorbed state on organic matters and clay particles，in the dissolution state in liquids，or in a free state in microfracture，fracture and lamellation，this paper first discusses the possibility and the prospect of gas accumulation in another kind of source rock，i.e.organic rich carbonates of restricted open marine facies such as packstone，argillaceous limestone and marl，by taking the Lower Permian in the Sichuan Basin as an example.Source rocks are well developed in the Lower Permian carbonates in the study area such as the Qixia Formation（P1q）and the Maokou Formation（P1m）.They are characterized by great thickness，high TOC values，good kerogen types，moderate organic maturity and shallow burial depth，all of which are favorable for source－rock gas accumulation.In this basin，the high－steep structural zone in the east，the Indosinian Luzhou uplift zone in the south and Weiyuan structural zone in the southwest with a burial depth of about 2000 m are evaluated analogically.It is proposed to perform trial exploration first in the Indosinian Luzhou uplift zone（such as the drilled wells in P1m1and P1q1）.After a breakthrough is obtained there，gas exploration will be then extended to other structural zones like the Weiyuan and other highsteep structures in West Sichuan Basin.

shale gas，adsorption，free，organic matter，fracture（geology），carbonates，source－rock gas accumulation pattern，Sichuan Basin，Early Permian

黃籍中.從頁巖氣展望烴源巖氣——以四川盆地下二疊統(tǒng)為例.天然氣工業(yè)，2012，32（11）：4－9.

10.3787／j.issn.1000－0976.2012.11.002

黃籍中，教授級高級工程師；1954年畢業(yè)于重慶大學(xué)工學(xué)院地質(zhì)系石油天然氣地質(zhì)專業(yè)；長期從事石油天然氣地質(zhì)地球化學(xué)研究工作，發(fā)表論文60余篇，參與論著1部；中國石油四川石油管理局地質(zhì)勘探開發(fā)研究院退休專家。該文系作者80高齡重病晚期寫就而成，也是作者的遺作。

2010－07－19 編輯 居維清）

DOI：10.3787／j.issn.1000－0976.2012.11.002

Huang Jizhong（1933－2012）was once an excellent expert working for the Exploration and Development Research Institute of the former Sichuan Petroleum Administration.He died for sickness in October 2012.We always thank him for his great help even during his final days at his hospital bed with the publishing of his last paper in our journal.