中上揚(yáng)子地區(qū)下古生界海相頁(yè)巖氣儲(chǔ)層特征及勘探潛力

周 文，王 浩，謝潤(rùn)成，陳文玲，周秋媚

（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.賓夕法尼亞州立大學(xué) 地球與礦物科學(xué)學(xué)院，美國(guó)）

頁(yè)巖氣屬于非常規(guī)油氣資源中最重要的類型之一。早在1973年阿以戰(zhàn)爭(zhēng)期間石油禁運(yùn)和1976～1977年間的第一次石油危機(jī)促使美國(guó)能源部加快了天然氣勘探研究的步伐。美國(guó)能源部（DOE）發(fā)起了非常規(guī)資源的天然氣（包括頁(yè)巖氣、煤層氣、深部（盆）氣、水溶氣、致密砂巖氣、天然氣水合物）研究和發(fā)展（R＆D）工程。其中重要的項(xiàng)目之一就是東部頁(yè)巖氣工程（EGSP），重點(diǎn)是對(duì)阿巴拉契亞盆地、密歇根盆地、伊利諾斯盆地的油氣地質(zhì)特征及資源進(jìn)行綜合研究，為勘探開發(fā)提供依據(jù)［1］。從20世紀(jì)90年代以來，美國(guó)頁(yè)巖氣工業(yè)得到迅猛發(fā)展，頁(yè)巖氣產(chǎn)量大幅度提高，2012年生產(chǎn)頁(yè)巖氣0.17×1012m3［2］。產(chǎn)氣頁(yè)巖見于美國(guó)大陸的古生代和中生代海相地層，主要有5個(gè)盆地的頁(yè)巖正在進(jìn)行商業(yè)開采，即密歇根盆地（Michigan Basin）的Antrim頁(yè)巖、阿巴拉契亞盆地（Appalachian Basin）的Ohio頁(yè)巖、伊利諾斯盆地（Illinois Basin）的New Albany頁(yè)巖、福特沃斯盆地（Fort Worth Basin）的Barnett頁(yè)巖和圣胡安盆地（San Juan Basin）的Lewis頁(yè)巖［3］。

中上揚(yáng)子地區(qū)下古生界海相地層的油氣勘探已持續(xù)了幾十年，長(zhǎng)期以來，除在四川盆地發(fā)現(xiàn)油氣藏外，在雪峰山西側(cè)盆山過渡區(qū)幾乎沒有工業(yè)性的油氣發(fā)現(xiàn)。該區(qū)古生代海相地層中廣泛分布厚度較大的富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖，其有機(jī)質(zhì)豐富高、演化程度高、生烴量大，成為頁(yè)巖氣賦存的有利地區(qū)。近年來，國(guó)土資源部油氣戰(zhàn)略研究中心組織了一批研究項(xiàng)目，對(duì)該區(qū)成藏條件和資源分布潛力展開了大量評(píng)價(jià)工作，安排多個(gè)區(qū)塊的招標(biāo)，部分區(qū)塊開展鉆井工作，其中部分井見到了商業(yè)性天然氣產(chǎn)能，如渝頁(yè)1井、黃頁(yè)1井等。為盡快實(shí)現(xiàn)國(guó)內(nèi)頁(yè)巖氣勘探開發(fā)的突破，打開中國(guó)南方海相領(lǐng)域的非常規(guī)油氣勘探局面，開拓國(guó)內(nèi)非常規(guī)天然氣勘探的新領(lǐng)域，對(duì)該區(qū)頁(yè)巖賦存層的地質(zhì)特征開展研究，其意義十分重大。

已有的研究成果表明［4］，中上揚(yáng)子地區(qū)發(fā)育多套富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖，主要包括6套泥頁(yè)巖發(fā)育層系：①下寒武統(tǒng)牛蹄塘組／筇竹寺組海相泥（頁(yè)）巖；②上奧陶統(tǒng)五峰組海相泥（頁(yè)）巖；③下志留統(tǒng)龍馬溪組泥（頁(yè)）巖；④下二疊統(tǒng)梁山組海相及濱岸相泥（頁(yè)）巖；⑤上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M／吳家坪組濱岸相泥（頁(yè)）巖；⑥上三疊統(tǒng)馬鞍塘組、小塘子組、須家河組第三、第五段海相及過渡相泥（頁(yè)）巖。由于受到沉積環(huán)境的控制和后期的構(gòu)造改造作用的影響，6套泥（頁(yè)）巖的目前的分布區(qū)域是不同的。四川盆地內(nèi)6套泥（頁(yè)）巖均存在，在雪峰隆起帶西側(cè)盆山過渡帶主要?dú)埓娴氖呛Ｏ嗪洌玖粝蹈挥袡C(jī)質(zhì)泥（頁(yè)）巖。

本文對(duì)頁(yè)巖氣所屬的地質(zhì)成因類型進(jìn)行分析，重點(diǎn)討論海相下寒武統(tǒng)牛蹄塘組／筇竹寺組海相泥（頁(yè)）巖及下志留統(tǒng)龍馬溪組泥（頁(yè)）巖儲(chǔ)層的特征，分析源巖型頁(yè)巖氣藏成藏基本地質(zhì)條件，提出有利的勘探目標(biāo)區(qū)，為該區(qū)下一步頁(yè)巖氣勘探提供依據(jù)。

1 油氣藏成因類型劃分

泥（頁(yè)）巖在常規(guī)油氣藏中通常為源巖或蓋層，在非常規(guī)油氣藏中可作為油氣的儲(chǔ)層。對(duì)于泥（頁(yè)）巖油氣藏來講，富含有機(jī)質(zhì)的泥（頁(yè)）巖中生成的油氣陸續(xù)排烴后殘留，在巖石內(nèi)的微孔隙、裂隙等儲(chǔ)集空間中存儲(chǔ)起來形成油氣藏，屬于典型的“自生自儲(chǔ)”型油氣藏。油氣在泥（頁(yè)）巖的裂縫和較大孔隙中以游離方式存在，在干酪根和黏土顆粒表面以吸附狀態(tài)（甚至溶解狀態(tài)）存在，當(dāng)其具有商業(yè)性開采價(jià)值就稱為泥（頁(yè)）巖油氣藏。

對(duì)有機(jī)成因的油氣藏類型劃分方案十分多而復(fù)雜，到目前為止，地質(zhì)學(xué)家、石油工程師對(duì)其有14種劃分方式，最具有意義的劃分是油氣藏地質(zhì)成因類型劃分（圖1）。作者根據(jù)油氣產(chǎn)出與烴源巖的關(guān)系，將油氣藏劃分為源巖型油氣藏和非源巖型油氣藏。

源巖型油氣藏：烴源巖內(nèi)油氣生成、運(yùn)移后殘留部分集聚形成的油氣藏。包括頁(yè)（泥）巖氣藏、頁(yè)（泥）巖油藏、煤層氣、灰?guī)r（油）氣藏等。主要屬于非常規(guī)油氣資源類型。

非源巖型油氣藏：指油氣排出烴源巖外，經(jīng)過一定距離運(yùn)移后聚集形成的油氣藏。主要屬于常規(guī)油氣資源。

頁(yè)巖氣（shale gas）屬于源巖型油氣藏，按氣體的成因又可以分為：生物成因頁(yè)巖氣藏（biology shale gas）、裂解成因頁(yè)巖氣藏（splitting shale gas）［5］。

由于烴源巖在成油期排烴系數(shù)多在10%～20%左右，殘留于烴源巖中的石油量巨大；如果是裂解成氣，后續(xù)雖然可以持續(xù)排烴（或天然氣擴(kuò)散）造成烴源巖內(nèi)部天然氣的不斷損失，但其殘留量也巨大：因此，該類資源潛量是十分巨大的。

2 頁(yè)巖氣儲(chǔ)層特征

2.1 牛蹄塘組／筇竹寺組泥（頁(yè)）巖特征

圖1 油氣藏地質(zhì)成因類型劃分示意圖Fig.1 Diagram showing the classification of the geological genetic types of oil and gas reservoirs

牛蹄塘組／筇竹寺組泥（頁(yè)）巖是中上揚(yáng)子地區(qū)頁(yè)巖氣藏勘探和開發(fā)主要層位。該層在全區(qū)均有分布，四川盆地內(nèi)埋深相對(duì)較大，一般＞3.5 km。在四川盆地周緣及川東、湘西、黔北一帶部分出露地表，大部分埋藏于地腹中，且埋深總體較小，＜2km，是泥（頁(yè)）巖氣勘探開發(fā)的理想目的層。

2.1.1 有機(jī)質(zhì)豐度及分布

已有的研究結(jié)果表明，泥（頁(yè)）巖有機(jī)碳含量是衡量頁(yè)巖中殘存氣豐度的重要指標(biāo)，一般認(rèn)為目前殘余有機(jī)碳含量越高，頁(yè)巖儲(chǔ)層殘留的天然氣量就可能越高［6］。

根據(jù)目前收集到的威遠(yuǎn)、丁山、林灘場(chǎng)等構(gòu)造已鉆井巖心有機(jī)碳測(cè)定結(jié)果，表明牛蹄塘組／筇竹寺組泥（頁(yè)）巖殘余有機(jī)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（wTOC）主要分布在2.0%以內(nèi)，最高可以達(dá)到8%左右；位于盆地周緣及湘西、黔北等15個(gè)地面露頭近156個(gè)樣品分析結(jié)果表明，該層泥（頁(yè)）巖殘余有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)主要在2.0%以內(nèi)，最大達(dá)到12%左右（圖2）。從目前的鉆井和地表剖面來看，寒武系牛蹄塘組有機(jī)碳縱向分布由下向上是降低趨勢(shì)，說明該層下部富氣程度高、質(zhì)優(yōu)，上部富氣程度低。殘余有機(jī)碳分布高值區(qū)（wTOC＞2%）主要位于川南瀘州－自貢到滇北威信一帶（圖3）。

圖2 中上揚(yáng)子地區(qū)寒武牛蹄塘組／筇竹寺組殘余有機(jī)碳分布直方圖Fig.2 Histogram of residual organic carbon in Cambrian Niutitang／Qiongzhusi group of upper Yangtze region

圖3 中上揚(yáng)子地區(qū)牛蹄塘組／筇竹寺組泥頁(yè)巖殘余有機(jī)碳、Ro分布圖Fig.3 The residual organic carbon and Rodistribution of Niutitang／Qiongzhusi Group shale in the upper Yangtze region

中上揚(yáng)子地區(qū)主力烴源巖演化程度均較高，牛蹄塘組Ro值主要在2.0%～5.0%，總體上處于過成熟階段。其中桐梓－遵義、萬州－涪陵、巴東－恩施等地區(qū)相對(duì)較高，可能與深部熱液活動(dòng)有關(guān)。

按照美國(guó)對(duì)海相頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)［6］，殘余有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)＞2%的區(qū)域是頁(yè)巖氣開發(fā)的主要區(qū)域，這些區(qū)域主要分布在：①四川盆地成都－威遠(yuǎn)一帶、川南古藺地區(qū)；②黔北貴陽(yáng)－遵義－凱里至湘西花垣、吉首到鄂西利川、始建、巴東一帶。殘余有機(jī)碳高值區(qū)主要分布在湘鄂西及黔北地區(qū)，這一特征取決于當(dāng)時(shí)的沉積相分布，即深水陸棚相主要分布于上述區(qū)域，因此有機(jī)質(zhì)含量相對(duì)較高。

2.1.2 源巖層厚度分布

從wTOC＞2%的厚度分布來看（圖4），該泥（頁(yè)）巖層厚度變化大，四川盆地內(nèi)相對(duì)較薄，在幾十米到300m之間；向東到黔北及湘鄂西地區(qū)厚度明顯增加；湖北恩施至湖南吉首一帶是最大地區(qū)，最厚達(dá)到500m以上，對(duì)應(yīng)殘余有機(jī)碳含量分布高值區(qū)。

2.1.3 演化程度

從演化程度看，該套泥頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)演化程度高，Ro值主要在1.0%～5.5%之間，總體上處于過成熟階段。四川盆地川北地區(qū)演化程度在成熟階段，川南大部分地區(qū)達(dá)到高成熟及過成熟期；雪峰山西側(cè)地區(qū)多處于過成熟期（圖3），Ro值一般＞3.0%。

2.2 龍馬溪組泥（頁(yè)）巖特征

龍馬溪組泥（頁(yè)）巖烴源巖也是中上揚(yáng)子地區(qū)頁(yè)巖氣藏勘探和開發(fā)主要層位。該層主要分布在川北、川東、川南及黔中、鄂西地區(qū)。在四川盆地周緣及川東、湘西、黔北一帶大部分出露地表，部分埋藏于地腹，埋深較小，在盆內(nèi)該層是泥（頁(yè)）巖氣勘探開發(fā)的理想目標(biāo)層。

圖4 中上揚(yáng)子地區(qū)牛蹄塘組／筇竹寺組泥頁(yè)巖殘余有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)＞2%的厚度分布圖Fig.4 Thickness distribution of residual organic carbon GT（＞2%）of Niutitang／Qiongzhusi Group shale in the upper Yangtze region

2.2.1 有機(jī)質(zhì)豐度及分布

根據(jù)目前收集到的長(zhǎng)寧背斜長(zhǎng)芯1井、丁山1井等巖心有機(jī)碳測(cè)定結(jié)果，表明龍馬溪組泥（頁(yè)）巖殘余有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)主要分布在0.5%～2.0%，最高可以達(dá)到12%左右（圖5）；位于盆地周緣及湘西、黔北等15個(gè)地面露頭近213個(gè)樣品分析結(jié)果表明，該層泥（頁(yè)）巖殘余有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)主要分布在1.0%～2.0%，最大達(dá)到14%左右。地表樣品總體上比井下樣品值高。

從長(zhǎng)芯1井地化指標(biāo)圖來看［7］，龍馬溪組有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)縱向分布下部在2.0%～8.0%之間，上部在2.0%左右，生烴潛力縱向分布從下至上是降低趨勢(shì)，說明該層下部富氣程度高、質(zhì)優(yōu)，上部富氣程度低。

從平面分布特征來看（圖6），殘余有機(jī)碳分布高值區(qū)主要位于雪峰山西側(cè)利川－恩施地區(qū)及四川盆地的萬州地區(qū)。在川南瀘州至滇北威信地區(qū)處于次高值區(qū)，也是重要的頁(yè)巖氣儲(chǔ)層發(fā)育區(qū)。

圖5 龍馬溪組泥（頁(yè)）巖殘余有機(jī)碳分布直方圖Fig.5 The histogram of the residual organic carbon in the Longmaxi mud shale

圖6 中上揚(yáng)子地區(qū)龍馬溪組泥頁(yè)巖殘余有機(jī)碳與Ro分布圖Fig.6 Distribution of the residual organic carbon and Roof the Longmaxi Group shale in the upper Yangtze area

2.2.2 源巖層厚度分布

從厚度分布來看，該泥（頁(yè)）巖層厚度變化大，四川盆地內(nèi)在萬州、瀘州－自貢一帶是厚度分布最大的地區(qū)，最厚達(dá)700余米。黔北及湘鄂西地區(qū)因剝蝕作用，殘留厚度普遍小，僅在鄂西地區(qū)厚度相對(duì)增大。殘余有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)＞2%的儲(chǔ)層分布區(qū)域主要在（圖7）：①川北地區(qū)；②川西南、滇北、黔西北地區(qū)；③川東－鄂西利川、恩施－張家界一帶。這是由于深水陸棚相主要分布于上述區(qū)域，因此有機(jī)質(zhì)含量相對(duì)高。

2.2.3 演化程度

中上揚(yáng)子地區(qū)龍馬溪組演化程度亦較高（圖6），Ro值主要在1.5%～3.5%之間，總體上處于過成熟階段［8，9］。四川宜賓－自貢－內(nèi)江地區(qū)Ro＜2%，黔中隆起帶Ro值在2.5%～3%之間，雪峰西的銅仁－凱里－吉首地區(qū)及涪陵－萬州地區(qū)的演化程度較高，Ro＞3.5%。

3 泥（頁(yè)）巖氣藏勘探有利區(qū)塊

泥（頁(yè)）巖氣藏有利區(qū)需滿足如下地質(zhì)條件［10－12］：①wTOC＞2%，越大越利于生氣；② 泥（頁(yè)）巖wTOC＞2%的有效厚度＞20m，越厚氣含量越高；③演化程度以成熟階段為最優(yōu)，有機(jī)質(zhì)成熟度最好在1%～4%之間。滿足這些條件的區(qū)塊是勘探的有利區(qū)塊。根據(jù)泥（頁(yè)）巖氣藏的成藏基本地質(zhì)條件分析，中上揚(yáng)子地區(qū)頁(yè)巖氣成藏的最有利層段是牛蹄塘組／筇竹寺組黑色泥（頁(yè)）巖和龍馬溪組黑色泥（頁(yè)）巖。

通過編制wTOC＞2%的有效厚度等值線和有機(jī)質(zhì)成熟度等值線疊合圖，劃分出了牛蹄塘組／筇竹寺組泥（頁(yè)）巖和龍馬溪組泥（頁(yè)）巖的有利勘探區(qū)塊。

圖7 中上揚(yáng)子地區(qū)龍馬溪組泥頁(yè)巖殘余有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)＞2%的儲(chǔ)層厚度分布圖Fig.7 Reservoir thickness distribution of the residual organic carbon GT in the Longmaxi Group shale in the upper Yangtze area

牛蹄塘組／筇竹寺組泥（頁(yè)）巖氣藏有利勘探區(qū)塊分布在川南宜賓－瀘州地區(qū)、鄂西恩施－湘西吉首地區(qū)和黔北貴陽(yáng)－凱里－遵義地區(qū)。龍馬溪組泥（頁(yè)）巖氣藏有利勘探區(qū)塊分布在川南－滇北區(qū)塊、川東－鄂西區(qū)塊和川北區(qū)塊。這些區(qū)塊的wTOC＞2%的有效厚度＞40m，有機(jī)質(zhì)成熟度集中在1.5%～3.0%之間?？拷┓迳降牡貐^(qū)由于燕山－喜馬拉雅期構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)，造成龍馬溪組泥（頁(yè)）巖地層剝蝕嚴(yán)重（圖6），其主要的目的層應(yīng)該是牛蹄塘組。

4 結(jié)論

泥（頁(yè)）巖氣藏為源巖氣藏，成藏條件受控于有機(jī)質(zhì)豐度及分布、源巖層厚度分布和演化程度、溫度、壓力、泥（頁(yè)）巖自身的物性條件等地質(zhì)因素。有機(jī)質(zhì)豐度高、源巖層厚度大和演化程度高的區(qū)塊，成藏條件好。

中上揚(yáng)子地區(qū)發(fā)育多套古生界海相泥（頁(yè)）巖烴源巖地層，最有利于形成頁(yè)巖氣藏的層位是下寒武統(tǒng)筇竹寺組、下志留統(tǒng)龍馬溪組。這2個(gè)層系的泥（頁(yè)）巖分布面積廣、厚度大、有機(jī)質(zhì)含量高、熱演化程度高，具有頁(yè)巖氣成藏的基本條件?？碧侥繕?biāo)應(yīng)選擇川南、鄂西和黔北地區(qū)牛蹄塘組／筇竹寺組，以及川南－滇北區(qū)塊、川東－鄂西區(qū)塊和川北區(qū)塊的龍馬溪組。

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