四川盆地下古生界頁巖氣研究現(xiàn)狀及勘探前景

鄧 紅，王君澤，馮杰瑞

(1.成都理工大學(xué) 能源學(xué)院，四川 成都 610059;2.長慶油田第三采油廠，寧夏 銀川 750001;3.長慶油田第五采油廠，寧夏 吳中 710018)

0 引言

根據(jù)Curtis對頁巖氣進(jìn)行的描述性界定，認(rèn)為頁巖氣在本質(zhì)上與其他類型的氣藏有較大的差異，它既具有生物化學(xué)成因氣的特點(diǎn)，又具有熱成因氣或兩者混合的多成因氣特點(diǎn)，具有隱蔽性聚集機(jī)理，普遍的地層飽含氣等特點(diǎn)，賦存方式復(fù)雜.［1］根據(jù)前人對頁巖氣成藏機(jī)理的研究，把頁巖氣概括為:主體上以吸附和游離狀態(tài)賦存于暗色泥頁巖及其所夾砂巖、粉砂巖地層中的天然氣聚集，其中吸附作用是頁巖氣的重要機(jī)理之一.［2-6］

根據(jù)前人研究，頁巖氣不僅僅是指賦存于頁巖地層中的天然氣，泥巖也屬于頁巖氣賦存的載體和研究范圍，所以可將天然氣在其中進(jìn)行生、儲、聚、保等成藏作用的巖石合稱為泥頁巖.［7-9］在頁巖中，天然氣具有多種賦存狀態(tài)，其中包括極少量的天然氣以溶解狀態(tài)賦存于有機(jī)質(zhì)內(nèi)，大部分是賦存于巖石顆粒和有機(jī)質(zhì)表面的吸附狀態(tài)的天然氣和賦存于孔隙和裂縫之中的游離狀態(tài)天然氣.有機(jī)質(zhì)含量與以吸附狀態(tài)賦存的天然氣密切有關(guān)，其中吸附狀的天然氣與游離狀天然氣的含量呈反比關(guān)系，［10］吸附狀態(tài)天然氣的含量在20%～85%之間.［11］我們知道煤層氣的吸附氣含量在85%以上，而常規(guī)圈閉氣的吸附氣含量通常忽略為零，因此就賦存狀態(tài)而言，頁巖氣介于煤層氣和常規(guī)圈閉氣之間.因此頁巖氣除在干酪根有機(jī)質(zhì)、孔隙水以及液態(tài)烴類中的賦存機(jī)理以外，還具有從生烴初期時的吸附聚集到大量生烴時期的活塞式運(yùn)聚，再到生烴高峰時期的置換式運(yùn)聚的成藏機(jī)理特點(diǎn).［12］

頁巖氣具有復(fù)雜的賦存機(jī)理和成藏機(jī)理，所以在研究和勘探方面具有一定難度，但因其具有資源量大，含氣面積大，開采周期長等特點(diǎn)而越來越受到重視.四川盆地作為大型復(fù)合型含油氣盆地，發(fā)育了多套烴源巖，其中下古生界的筇竹寺組和龍馬溪組兩套地層的巖性以黑色頁巖為主，可以看作是此地區(qū)頁巖氣研究和勘探的重點(diǎn)地層.［13］在本文中，作者結(jié)合前人的研究，總結(jié)四川盆地下古生界頁巖氣的研究現(xiàn)狀，并著重探討筇竹寺組和龍馬溪組的頁巖氣的勘探前景.

1 四川盆地概況

四川盆地地理位置上位于四川省的東部和重慶直轄市，西為龍門山，北為大巴山和米倉山，南為大涼山、婁山，東為七峻山;從構(gòu)造位置上看位于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺的西北部，介于龍門山大巴山臺緣坳陷，米倉山隆起與滇黔川鄂臺褶帶之間，盆地呈北東向菱形四邊形展布，面積18萬平方公里(圖1).四川盆地構(gòu)造上屬(上)揚(yáng)子板塊的一部分，是特提斯構(gòu)造域內(nèi)長期發(fā)育，不斷演進(jìn)的古生代-中新生代海陸相復(fù)雜疊合，并且在前震旦系變質(zhì)巖基底上沉積了巨厚的震旦紀(jì)中三疊世海相碳酸鹽巖和晚三疊世始新世陸相碎屑巖的大型復(fù)合型含油氣盆地.［13］

圖1 四川盆地地質(zhì)單元劃分圖

根據(jù)前人研究，四川盆地主要發(fā)育了六套有效烴源巖層位，分別是古生界的下寒武統(tǒng)、上奧陶統(tǒng)、下志留統(tǒng)、二疊系及中生界的上三疊統(tǒng)和中下侏羅統(tǒng)，上震旦統(tǒng)至志留系是一套海相層系，除華鎣山斷層出露中上寒武統(tǒng)以上地層外，露頭地層主要分布在盆地邊緣.［14-15］下古生界含氣系統(tǒng)的有效烴源巖主要為下寒武統(tǒng)筇竹寺組黑色頁巖和下志留統(tǒng)龍馬溪組黑色筆石頁巖，該兩套頁巖為四川盆地下古生界較有利的頁巖氣含氣層位，所以本文重點(diǎn)關(guān)注此兩套地層.

2 四川盆地頁巖氣研究現(xiàn)狀

四川盆地是我國重要的天然氣產(chǎn)地之一，依托其獨(dú)特的構(gòu)造、沉積演化背景，發(fā)育出大規(guī)模的海相碳質(zhì)泥頁巖，構(gòu)成了盆地內(nèi)天然氣廣泛聚集成藏的物質(zhì)基礎(chǔ).因此，相關(guān)單位對盆地已做了大量的地質(zhì)調(diào)查工作，但是其工作重點(diǎn)大部分集中在二疊系以上的地層，對下古生界的地層專注較少.近年來，隨著對頁巖氣的勘探開發(fā)被提上議程，作為盆地頁巖氣資源最有利成藏目標(biāo)的下古生界地層也逐漸受到重視.2006年，中國石油天然氣集團(tuán)公司初步評估了威遠(yuǎn)和瀘州兩地區(qū)下寒武統(tǒng)筇竹寺組和下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖氣資源為(6.18～8.14)×1012m3.［16］此外很多學(xué)者也對四川盆地內(nèi)這兩套地層的頁巖氣儲量進(jìn)行了估算，估算四川盆地南部和西南部的筇竹寺組頁巖氣的儲量分別約為(7.14～ 14.16)× 1012m3［17］和(4.113～8.148)× 1012m3，［18］估算威遠(yuǎn)氣田區(qū)筇竹寺組頁巖氣為(0.8684～3.1692)×1012m3，［18］而四川盆地及鄰區(qū)龍馬溪組頁巖氣資源量估算為(4.0～12.4)×1012m3.［19］如此驚人的儲量，還僅僅是估算了一小部分，可見四川盆地下古生界頁巖氣的儲量是很大的.

3 四川盆地頁巖氣勘探前景

3.1 下古生界泥頁巖生烴條件

巖性特征:筇竹寺組主要為一套淺海陸棚相沉積，由深灰色-黑色碳質(zhì)(富有機(jī)質(zhì))頁巖、粉砂質(zhì)頁巖和粉砂巖組成，向上顏色變淺，砂質(zhì)增多，偶夾碳酸鹽巖.［20］該組頁巖川北稱之為筇竹寺組，川西南稱之為九老洞組，川東、川南、川東南稱之為牛蹄塘組.

志留系的主要勘探區(qū)域是在川東和川南地區(qū)，志留系是四川盆地的主力生烴層系.［21-22］龍馬溪組主要為一套淺水-深水陸棚相沉積，由深灰-黑色粉砂質(zhì)頁巖、富有機(jī)質(zhì)(碳質(zhì))頁巖、硅質(zhì)頁巖夾泥質(zhì)粉砂巖等組成.［20］

地層沉積厚度:筇竹寺組由于受到剝蝕作用，導(dǎo)致在盆地西部邊緣的雅安-天全-大邑一帶缺失.而在盆地的其余地方幾乎都有該套頁巖的存在.該組沉積厚度較大，平均厚度約139m，川中地區(qū)頁巖沉積厚度小，川東、川東南及川西南地區(qū)頁巖沉積厚度較大，川東南地區(qū)最厚可達(dá)450m;樂山-龍女寺古隆起下寒武統(tǒng)筇竹寺組的黑色、深灰色頁巖，厚度一般100～400m;資陽-威遠(yuǎn)地區(qū)較厚，達(dá)250～350m.［23］

龍馬溪組在古隆起頂部及盆地西部部分或全部缺失，但在盆地內(nèi)該地層厚度一般在50～250m之間;龍馬溪組頁巖的厚度中心在川東萬縣和川南宜賓及周緣地區(qū)，最大厚度在350～550m.

有機(jī)碳豐度:根據(jù)美國頁巖氣開采經(jīng)驗(yàn)，含氣頁巖的總有機(jī)碳含量下限定在0.5%，［24］而作為商業(yè)型頁巖氣開發(fā)的有機(jī)質(zhì)含量的下限一般為2%，但在熱演化程度高的地區(qū)，部分學(xué)者認(rèn)為可以把下限值定為1%.四川盆地下古生界頁巖的有機(jī)碳含量基本在0.5%以上，已達(dá)到了下限要求.下寒武統(tǒng)筇竹寺組烴源巖有機(jī)碳含量一般在0.5%～ 25.7% 之間，［25］以川東北和川西 - 川西北地區(qū)豐度值最高，多為1%以上，川中及川西南和川東地區(qū)的有機(jī)碳含量較低.在整個盆地內(nèi)，下志留統(tǒng)龍馬溪組烴源巖有機(jī)碳含量一般約在2.0%～4.0%之間，［15］達(dá)到了頁巖氣商業(yè)開發(fā)的下限要求.綜上所述，四川盆地內(nèi)龍馬溪組和筇竹寺組二套地層的有機(jī)碳含量幾乎都達(dá)到了生烴下限，部分地區(qū)達(dá)到商業(yè)開發(fā)的TOC下限.

有機(jī)質(zhì)類型:根據(jù)美國頁巖氣的勘探經(jīng)驗(yàn)，Ⅰ型與Ⅱ型干酪根為頁巖氣生成的主要有機(jī)質(zhì)類型.［1］根據(jù)前人對四川盆地下古生界頁巖的顯微組份的分析，［26］可以確定川東地區(qū)下古生界頁巖干酪根類型以Ⅰ～Ⅱ型為主，而川西南及川東南地區(qū)，下古生界頁巖有機(jī)質(zhì)則是以Ⅱ型干酪根為主.均具較強(qiáng)的生烴能力.

有機(jī)質(zhì)成熟度:有機(jī)質(zhì)成熟度劃分標(biāo)準(zhǔn)為:Ro低于0.6%為未成熟;0.6～1.3%為成熟;1.3～2%高成熟;2～3%過成熟早期階段;3～4%過成熟晚期階段.四川盆地下寒武統(tǒng)頁巖總體熱演化程度高，除盆地中東北部成熟度較低(Ro約為0.59%)外，盆地內(nèi)其他地區(qū)均已達(dá)過成熟階段，宜賓地區(qū)、盆地北部及川湘凹陷帶相對較高(Ro大于4.0%);［26］下志留統(tǒng)泥質(zhì)烴源巖 Ro值為2.2-4.0%，［27］已演化至過成熟階段;川南地區(qū)成熟度較低，普遍小于2.8%.該兩套頁巖熱演化程度要比美國頁巖氣盆地的0.4%～2.0%高，所以單從有機(jī)質(zhì)成熟度方面考慮，該兩套地層生烴能力也是很強(qiáng)的.［1］

綜合以上五點(diǎn)，并對比美國在此方面的經(jīng)驗(yàn)，可以得出四川盆地的下古生界的下寒武統(tǒng)筇竹寺組和下志留統(tǒng)龍馬溪組具有很好的生烴條件.

3.2 下古生界頁巖氣儲集條件

孔隙度和滲透率:四川盆地下古生界頁巖均具有較高的孔隙度，大致分布在2.59～10.94%.由于地面樣品長期遭受風(fēng)化剝蝕形成的片狀構(gòu)造或由于構(gòu)造運(yùn)動造成的裂縫導(dǎo)致某些樣品的孔隙率可達(dá)20%以上，且具有較大的比表面積，可為頁巖氣的儲集提供充足的空間.

裂縫及不整合:裂縫及不整合可為頁巖氣提供良好的儲集空間.四川盆地下古生界地層裂縫發(fā)育在寒武系沉積后經(jīng)歷了多期構(gòu)造運(yùn)動，形成的裂縫通常成為地下水的滲濾通道，也為頁巖氣提供充足的儲集空間;晚古生代與下伏早古生代之間存在一個區(qū)域性不整合面，從震旦系至白堊系的層間都是整合或平行不整合，角度不整合只在川西局部地區(qū)出現(xiàn)，均為頁巖氣提供了較好的儲集條件.

吸附氣量:頁巖氣的吸附機(jī)理對天然氣的聚集具有積極的作用.［1］前人通過對四川盆地下古生界頁巖地面樣品進(jìn)行等溫吸附實(shí)驗(yàn)，［28-29］發(fā)現(xiàn)下古生界頁巖具有較好的吸附氣性能.分析實(shí)測數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn):頁巖中吸附氣含量和壓力呈正相關(guān)關(guān)系;頁巖有機(jī)碳含量也能影響吸附氣量，也存在正相關(guān)的線性關(guān)系.

綜合以上三點(diǎn)有利條件，可以得出四川盆地的下古生界的下寒武統(tǒng)筇竹寺組和下志留統(tǒng)龍馬溪組具有很好的儲集條件.

3.3 下古生界頁巖氣封蓋及保存條件

蓋層:泥頁巖具有很好的致密性，既可以作為常規(guī)油氣藏的蓋層，也可以作為自生自儲的頁巖氣藏的蓋層.前人在對四川盆地下古生界泥質(zhì)巖的微孔結(jié)構(gòu)分析測試中，發(fā)現(xiàn)泥頁巖封閉性能差別較大，但封蓋性能總體較好;［30］同時泥頁巖喉道極小，一般在 0.0018～ 0.0184μm 之間，［31］因此它具有良好的封隔能力，具備較好的蓋層條件.

保存條件:四川盆地海相層系雖經(jīng)后期改造，但總體面貌未受明顯破壞.構(gòu)造運(yùn)動對保存條件的影響可表現(xiàn)在古生界地層實(shí)體的保存程度和穩(wěn)定性上，四川盆地下古生界地層構(gòu)造形變相對較弱，且縱、橫向連續(xù)性相對較好，其地層實(shí)體保存較好，這個穩(wěn)定的構(gòu)造格局使得古油藏得以很好地保存.［26］古油藏的完好保存為油裂解成氣提供了完好的物質(zhì)基礎(chǔ)，為烴源巖演化至枯竭之后提供了新的氣源.下古生界儲層中的瀝青分布較廣，證明在這一區(qū)域內(nèi)裂解氣為頁巖氣成藏提供了很好的物質(zhì)基礎(chǔ).由于頁巖氣特殊的儲存機(jī)理，頁巖氣藏具有較強(qiáng)的抗構(gòu)造破壞能力，可以推斷下古生界地層經(jīng)歷的構(gòu)造運(yùn)動并未對頁巖氣藏造成大的破壞，是有條件形成頁巖氣藏的.［32］

4 結(jié)論

(1)四川盆地下古生界發(fā)育了兩套重要烴源巖:下寒武統(tǒng)筇竹寺組黑色頁巖和下志留統(tǒng)龍馬溪組黑色筆石頁巖，該兩套頁巖是四川盆地下古生界比較有利的頁巖氣含氣層位.

(2)近年國內(nèi)研究者陸續(xù)在頁巖氣開展了一些研究工作，基本上是關(guān)于頁巖氣的前期調(diào)研、技術(shù)準(zhǔn)備以及資源潛力評價等方面的，總體上處于前期的探索和準(zhǔn)備階段.

(3)四川盆地下古生界下寒武統(tǒng)筇竹寺組和下志留統(tǒng)龍馬溪組，沉積層位穩(wěn)定、分布面積廣、沉積厚度較大，有機(jī)碳含量高、有機(jī)質(zhì)類型好且熱演化程度高，可見其是具備良好的生烴條件;發(fā)育的裂縫和較好的吸附性能，使儲集條件具有較高的孔隙度和滲透率;加之良好的蓋層和保存條件，所以四川盆地下古生界下寒武統(tǒng)筇竹寺組和下志留統(tǒng)龍馬溪組是頁巖氣成藏的有利層位，具有很好的頁巖氣勘探和開發(fā)前景.

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