四川盆地湖相頁巖氣地質(zhì)特征與資源潛力

李延鈞 ，馮媛媛，劉歡，張烈輝，趙圣賢

（1.“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國家重點實驗室；2. 西南石油大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院）

0 引言

四川盆地為大型復(fù)合含油氣盆地，前震旦系變質(zhì)巖基底上沉積了巨厚震旦系—中三疊統(tǒng)海相碳酸鹽巖、泥頁巖和上三疊統(tǒng)—始新統(tǒng)陸相碎屑巖。四川盆地下古生界發(fā)育筇竹寺組、五峰組、龍馬溪組等海相頁巖地層，已有學(xué)者對其進行了大量研究[1-17]，認為其具有良好的頁巖氣形成條件，但對盆地湖相頁巖的研究則相對較少。筆者在前人研究的基礎(chǔ)上，借鑒國內(nèi)外學(xué)者頁巖氣研究思路和方法，研究四川盆地湖相頁巖地質(zhì)特征，并對其頁巖氣資源潛力進行評估。

1 研究區(qū)地質(zhì)背景

中三疊世末，印支運動使海水退出了四川盆地，龍門山、大巴山一帶褶皺成山，東緣婁山與江南古陸連為一體，盆地進入“環(huán)形凹陷”演化階段，為湖泊環(huán)境 ，開始接受陸相沉積。早侏羅世，湖盆中心基本位于川中儀隴—營山一帶，自中心向周邊依次為半深湖—深湖、淺湖—半深湖、濱淺湖、濱湖、河流相等環(huán)境，在盆地北部大巴山一帶（屬山前坳陷區(qū)帶）發(fā)育了一系列沖積扇體，而盆地西部都江堰以北地區(qū)則發(fā)育小型三角洲沉積。下侏羅統(tǒng)自流井組頁巖主要發(fā)育在東岳廟段和大安寨段，大安寨段有利于深色頁巖沉積的環(huán)境（淺湖—半深湖—深湖區(qū)）分布范圍最大，資料也較多，以大安寨段為例，繪制了早侏羅世時期該地區(qū)沉積相平面圖（見圖1）。

圖1 四川盆地下侏羅統(tǒng)自流井組大安寨段沉積相平面圖

早侏羅世時期，四川盆地湖盆中心位置變化不大，但湖盆水體進退變化明顯，對應(yīng)沉積地層巖性的顯著變化（見圖 2）。珍珠沖段主要為濱淺湖相沉積，巖性主要為紫紅色砂質(zhì)泥巖和灰色石英粉砂巖，厚約 80～200 m。珍珠沖段至東岳廟段沉積期為水進過程，東岳廟段沉積期達到最大水進期，此時的湖面最廣，湖水相對最深，盆地中心處于淺湖—半深湖亞相。東岳廟段主要發(fā)育一套黑灰色頁巖，其底部為褐灰色介殼灰?guī)r和石英粉砂巖，東岳廟段厚度變化較大，盆地中心沉積厚度超過150 m，而周邊則減薄至20 m。東岳廟段至馬鞍山段沉積期為一次小規(guī)模的水退，水體變淺，區(qū)域大部分地區(qū)為濱淺湖區(qū)，馬鞍山段厚度分布相對穩(wěn)定，約60～100 m，主要為紫紅色、暗紫紅色泥巖及灰色石英粉砂巖。大安寨段沉積早期又開始水進，至中期達到最大水進期，晚期開始水退；中期持續(xù)時間較長，水體較深，沉積一套黑色頁巖，偶夾介殼條帶和薄層介殼灰?guī)r，頁巖顏色深、頁理發(fā)育，富含有機質(zhì)，沉積厚度為30～50 m，分布范圍廣，大安寨段下部和上部也發(fā)育黑色頁巖，但與介殼灰?guī)r互層分布。

圖2 四川盆地下侏羅統(tǒng)自流井組地層柱狀圖

2 湖相頁巖地球化學(xué)特征

2.1 有機質(zhì)豐度

一般采用有機碳（TOC）含量定量評價烴源巖優(yōu)劣，國內(nèi)外大多數(shù)學(xué)者較為認可的泥質(zhì)烴源巖有機碳含量下限為0.4%～0.6%[19]，而對于頁巖氣資源，由于其特殊的“自生自儲”成藏機理，通常其有機碳含量下限要求更高。美國大規(guī)模商業(yè)開發(fā)的 5大含氣頁巖系統(tǒng)有機碳含量為0.5%～25.0%[20]。Charles Boye等將頁巖氣資源有機質(zhì)豐度定為6級[5]：很差，TOC＜0.5%；差，TOC值為0.5%～1.0%；一般，TOC值為1%～2%；好，TOC值2%～4%；很好，TOC值4%～12%；極好，TOC＞12%。Burnaman等也提出，頁巖氣資源中烴源巖的有機碳含量至少為2%[5]。美國從事頁巖氣勘探開發(fā)的石油公司一般將有效頁巖 TOC含量下限值確定為2.0%，這一選值實際上相當于常規(guī)評定烴源巖等級時所確定的“好生油巖”標準[5]。

四川盆地湖相頁巖縱向上主要分布于自流井組東岳廟段和大安寨段，由于大安寨段資料相對豐富，筆者對其進行重點闡述。選取 400個樣品進行有機碳含量（見圖3）和巖石熱解分析，結(jié)合大安寨段沉積環(huán)境，繪制了盆地有機碳含量等值線圖（見圖4）。大安寨段沉積期，湖盆中心，即半深湖—深湖區(qū)主要分布于西充—儀隴—營山—達州一帶，該區(qū)帶內(nèi)黑色頁巖有機碳含量一般大于2.0%，滿足國外頁巖氣有機碳評價下限標準；淺湖—半深湖、濱湖—淺湖相雖然有機碳含量相對稍低，但一般也大于1.0%，更為關(guān)鍵的是：在這兩個亞相內(nèi)，頁巖地層有其獨特的巖性組合特點，即頁巖中夾薄層介殼灰?guī)r，或頁巖與介殼灰?guī)r略等厚互層，而介殼灰?guī)r本身可以作為裂縫性儲集層，這種巖性組合關(guān)系可認為是介于頁巖氣資源與裂縫型氣藏之間的一種過渡形態(tài)，所以在考慮有機碳豐度下限時，不能照搬國外的標準，筆者認為在這兩種沉積亞相中TOC＞1.0%的區(qū)域應(yīng)具有形成頁巖氣資源的可能。

圖3 四川盆地下侏羅統(tǒng)自流井組TOC含量柱狀圖

圖4 四川盆地下侏羅統(tǒng)自流井組大安寨段頁巖TOC等值線和Ro等值線圖

2.2 有機質(zhì)類型

西充、儀隴、平昌、龍崗地區(qū)處于湖盆中心，取該區(qū)7口井大安寨段30個樣品進行干酪根顯微組分分析，結(jié)果表明，湖盆中心大安寨段頁巖有機質(zhì)主要為Ⅱ1—Ⅱ2型（見表1）；生物標志化合物圖譜顯示大安寨段頁巖生物標志化合物中C20、C21、C23三環(huán)萜構(gòu)成“山”字形，以C21三環(huán)萜為主峰，表明其母質(zhì)來源于浮游生物或藻類。C27、C28、C29規(guī)則甾烷呈不對稱“V”字型特征，且C27規(guī)則甾烷含量較高，一般為偏腐泥型母質(zhì)類型。

表1 湖盆中心大安寨段30個樣品頁巖干酪根顯微組分

梁平及周邊地區(qū)屬于淺湖—半深湖區(qū)，高等植物輸入增多，分析該區(qū)自流井組干酪根鏡檢結(jié)果和巖石熱解參數(shù)發(fā)現(xiàn)，自流井組頁巖屬于Ⅱ型有機質(zhì)，以Ⅱ2型為主，并含一定量的Ⅱ1型和Ⅲ型有機質(zhì)（見圖5）。

圖5 梁平地區(qū)自流井組有機質(zhì)類型圖

由上述可知，自流井組頁巖有機質(zhì)類型與沉積環(huán)境較為吻合，各個亞相有機質(zhì)都表現(xiàn)為混源特征，主要為浮游生物和陸地高等植物交叉混合，且由濱淺湖向深湖方向偏腐泥型有機質(zhì)增多。

Burnaman等研究表明，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型有機質(zhì)均能形成頁巖氣，但以Ⅱ型為主，Ⅰ型有機質(zhì)只有當Ro＞1.4%時才可能成為好的氣源巖，而Ⅱ型和Ⅲ型有機質(zhì)則需要較高的氫指數(shù)才能保證有足夠數(shù)量的天然氣生成[21]。

2.3 成熟度

以大安寨段頁巖20個樣品鏡質(zhì)體反射率（Ro）實測值為基礎(chǔ)，參考前人研究成果，繪制了四川盆地（頁巖主要分布區(qū)）下侏羅統(tǒng)自流井組大安寨段頁巖Ro等值線圖（見圖4），由圖可見大安寨段頁巖主要發(fā)育區(qū)Ro值一般為 1.05%～1.82%。從 Ro等值線分布趨勢來看，有效頁巖發(fā)育的區(qū)域都達到了Ro＞1.1%的熱成因氣下限，并且向西北、東北方向Ro值呈增大趨勢，閬中—儀隴—大竹—忠縣以北地區(qū)Ro＞1.3%，完全進入熱成因生氣階段。上述Ro值分布趨勢與該區(qū)域的構(gòu)造演化密切相關(guān)：印支晚幕構(gòu)造運動使龍門山、大巴山一帶褶皺成山；中侏羅世受康滇古陸、江南古陸抬升的影響，雅安、重慶、瀘州等地在早侏羅世局部隆起或鼻突的基礎(chǔ)上，形成大面積隆起，凹陷中心分布在川中東北部地區(qū)；晚侏羅世受北西、南東向推覆擠壓作用，龍門山再次活躍抬升，凹陷移至大巴山、米倉山前；白堊紀—第三紀東升西降轉(zhuǎn)移期，盆地定型，凹陷中心轉(zhuǎn)移至川西地區(qū)。大安寨段頁巖埋藏過程受到這些構(gòu)造作用的影響，埋深發(fā)生相應(yīng)改變，因而成熟度總體上表現(xiàn)出盆地西北、東北高的特點。

綜合上述 3方面地球化學(xué)研究成果，四川盆地湖相頁巖有機質(zhì)豐度達到了好烴源巖條件、有機質(zhì)類型較為合適、頁巖成熟度處于理想的生氣窗內(nèi)，具有較強的生氣能力，形成頁巖氣資源的潛力較大。不排除局部由于相帶變化，有機質(zhì)類型發(fā)生改變，成熟度稍低，形成頁巖油的情況，但總體上以生氣為主。

3 頁巖儲集層發(fā)育特征

3.1 頁巖儲集層分布

自流井組黑色頁巖主要發(fā)育在東岳廟段及大安寨段，總厚度為40～150 m，平均90 m左右[22]，總體上從湖盆邊緣向中心呈增加趨勢，其中東岳廟段厚度變化較大，推測盆地中心超過150 m，而周邊減薄到20 m；大安寨段厚度較穩(wěn)定，純頁巖厚度約為30～50 m（見圖6、圖7）。

圖6 四川盆地自流井組湖相頁巖厚度等值線圖

3.2 儲集層物性及礦物組成

根據(jù)大安寨段實測 50組 X-衍射全巖礦物分析數(shù)據(jù)，取各地區(qū)平均值（見圖8），可見頁巖中主要含有石英、長石、黏土、方解石、白云石及黃鐵礦等礦物，從巴中到梁平，即盆地由北向南，石英含量減少，黏土含量增加，這可能是由于大安寨段沉積時期物源主要來自大巴山和龍門山地區(qū)。實測物性分析數(shù)據(jù)表明，頁巖平均孔隙度為1%～5%，滲透率主要為0.001×10?3～0.100×10?3μm2，為典型的致密儲集層，但頁巖中發(fā)育的頁理、裂縫及后期人工壓裂造縫可大幅改善頁巖儲集層的物性，使其具備開采價值。

3.3 頁巖儲集層發(fā)育模式

張金川等[16]研究表明，美國頁巖氣開發(fā)較成功的盆地其頁巖巖性主要為瀝青質(zhì)或富含有機質(zhì)的暗色、黑色泥頁巖和高炭泥頁巖類，黏土礦物含量一般為30%～50%、粉砂質(zhì)（石英顆粒）含量一般為15%～25%、有機質(zhì)含量一般為4%～30%。但這些是針對海相頁巖的研究結(jié)論，四川盆地湖相頁巖中還包括較多的灰質(zhì)成分（方解石），自流井組巖心觀察發(fā)現(xiàn)，頁巖中夾有較細的灰質(zhì)條帶及極細的灰質(zhì)紋層，現(xiàn)場含氣性試驗也發(fā)現(xiàn)這些巖性過渡區(qū)賦存大量氣體，說明發(fā)育灰質(zhì)條帶或灰質(zhì)夾層的頁巖地層具有形成頁巖氣資源的良好潛力，而且灰質(zhì)成分的混入增大了頁巖的脆性，有利于頁巖儲集層的后期改造。結(jié)合沉積環(huán)境及其他實際地質(zhì)資料，筆者總結(jié)出湖相頁巖儲集層的3種發(fā)育模式：①純頁巖。主要發(fā)育在深湖區(qū)，頁巖顏色較深，一般為黑—深黑色，頁理發(fā)育，該模式頁巖儲集層的基本特征與國外富氣頁巖類似，能夠形成較為有利的頁巖氣資源。②頁巖夾灰質(zhì)條帶。主要發(fā)育在半深湖區(qū)，頁巖顏色也較深，頁理發(fā)育—較發(fā)育。介殼灰?guī)r為極薄的條帶。③頁巖夾薄—中層介殼灰?guī)r。沉積環(huán)境為淺湖與半深湖過渡區(qū)，頁巖中夾薄—中層含泥質(zhì)不等的介屑灰?guī)r，再往濱淺湖方向，灰?guī)r成分增加。

較純的介殼灰?guī)r孔隙度很低，約為 1.66%，但泥質(zhì)介殼灰?guī)r孔隙度略有提高，平均為2.75%。盡管介殼灰?guī)r孔隙度低于頁巖，但頁巖中碳酸鹽巖類礦物的發(fā)育很大程度上提高了整個頁巖層段的脆性，有利于改善頁巖氣儲集層的經(jīng)濟可采性。

4 資源潛力估算

容積法是頁巖氣資源量評價常用方法，其評價基礎(chǔ)是頁巖氣的蘊藏方式。頁巖氣蘊藏在頁巖的基質(zhì)孔隙空間、裂縫內(nèi)或吸附在有機物及黏土顆粒表面。因此，容積法估算的是頁巖孔隙、裂縫空間內(nèi)的游離氣與有機物和黏土顆粒表面的吸附氣體積的總和。利用體積法計算頁巖氣資源量的公式如下[17]：

圖7 四川盆地下侏羅統(tǒng)自流井組連井地層對比

圖8 四川盆地自流井組大安寨段頁巖礦物組成

式中 Gt——頁巖氣總資源量，m3；Gf——游離氣總資源量，m3；Ga——吸附氣總資源量，m3；S——頁巖含氣面積，m2；h——有效頁巖厚度，m；φg——含氣頁巖孔隙度，%；Sg——頁巖含氣飽和度，%；ρ——頁巖巖石密度，t/m3；Gf——吸附氣含量，m3/t。

四川盆地湖相頁巖發(fā)育面積約為7.8×104km2，頁巖厚度為40～150 m，TOC值大于1.0%，其中TOC值大于2.0%的頁巖約占15%，其孔隙度為1%～5%，計算出研究區(qū)湖相頁巖氣資源量為 3.8×1012～8.7×1012m3，資源豐度約為 0.44×108～1.10×108m3/km2。

5 結(jié)論

從頁巖地球化學(xué)特征來看，四川盆地自流井組湖相頁巖 TOC值一般大于 1.0%；有機質(zhì)類型為Ⅱ1—Ⅲ型，湖盆中心主要為Ⅱ1型；Ro值為 1.05%～1.82%，有機質(zhì)處于生氣窗內(nèi)，形成頁巖氣資源的潛力較大。自流井組湖相頁巖厚度較大，分布面積廣，平均孔隙度為 1%～5%，滲透率主要為 0.001×10?3～0.100×10?3μm2。頁巖中石英含量較高，利于頁巖改造；頁巖中發(fā)育的灰質(zhì)條帶、介殼灰?guī)r可進一步提高頁巖儲集層的被改造能力，對生產(chǎn)有利。相對于海相頁巖，湖相頁巖地層組合有其獨特之處，可總結(jié)為 3種模式：純頁巖、頁巖夾灰質(zhì)條帶、頁巖夾薄—中層介殼灰?guī)r，各巖性組合形成頁巖氣資源的條件不同，湖相頁巖氣地質(zhì)選區(qū)以及資源潛力評價不同于海相頁巖氣。根據(jù)上述研究成果，利用容積法計算得出四川盆地自流井組湖相頁巖氣資源量約為 3.8×1012～8.7×1012m3。

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