盆緣山地高陡地層沖斷帶頁(yè)巖氣地質(zhì)特征淺析

李 平，趙衛(wèi)軍，程禮軍，李金玉

(1.國(guó)投重慶頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)利用有限公司，重慶 400043;2.重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院頁(yè)巖氣所，重慶 400042)

Li Ping1，Zhao Weijun1，Cheng Lijun2，Li Jinyu1

(1.SDIC Chongqing Shale Gas Development and Utilization Co.，Ltd.，Chongqing 400043，China;2.Chongqing Institute of Geology and Mineral Resources of Shale Gas，Chongqing 400042，China)

頁(yè)巖氣為存儲(chǔ)于泥頁(yè)巖中的天然氣。烴類物質(zhì)來(lái)源為有機(jī)質(zhì)熱演化及生物成因，氣體組分以甲烷為主，具有自生、自儲(chǔ)、自保的特點(diǎn)［1－4］。頁(yè)巖氣分布廣泛，一般認(rèn)為泥巖或頁(yè)巖有機(jī)碳含量(TOC)大于2%、鏡質(zhì)組反射率 (Ro)大于0.4%時(shí)，就具備形成有工業(yè)價(jià)值頁(yè)巖氣藏的基礎(chǔ)條件。頁(yè)巖氣由吸附氣和游離氣組成，其中吸附氣約占總氣量的20%～80%。頁(yè)巖氣儲(chǔ)層致密，孔隙度一般為4%～6%，滲透率小于0.001mD。

目前頁(yè)巖氣研究主要針對(duì)地貌平、地層較緩、斷裂少的頁(yè)巖地層［5－10］，而對(duì)城口區(qū)塊這類位于盆緣、地層角度大、地貌以中高山為主、斷裂較發(fā)育地區(qū)的頁(yè)巖氣較少涉及，對(duì)此問(wèn)題，以地表露頭、地質(zhì)和地球化學(xué)資料為基礎(chǔ)，分析了城口地區(qū)頁(yè)巖氣地質(zhì)特征，為盆緣地區(qū)頁(yè)巖氣研究提供借鑒。

1 地理地質(zhì)概況

1.1 地理位置

勘查區(qū)位于重慶市東北邊緣、沿巴山鎮(zhèn)—城口縣—高觀鎮(zhèn)一帶展布，東北與陜西省接壤;南與重慶市沿河鄉(xiāng)—廟壩鎮(zhèn)—明中鄉(xiāng)相鄰 (圖1)。

圖1 勘查區(qū)地理位置圖Fig.1 Location of survey area

1.2 地表地貌

勘查區(qū)以低山河谷、中山等地貌為主，山脈呈北西—南東方向排列。區(qū)內(nèi)山嶺多，間夾河谷，河流多呈低彎度蛇曲狀，下切作用強(qiáng)烈，形成的河谷狹窄，谷坡陡峻。全縣地貌明顯形成四級(jí)夷平面，由北而南層層下降，從南西至北東，嶺谷相間，相對(duì)高差大，層狀地貌明顯。

1.3 地層展布

勘查區(qū)及周緣地區(qū)主要發(fā)育南華系、震旦系、寒武系、奧陶系、志留系、二疊系、三疊系、第四系，缺失泥盆系、石炭系、侏羅系、白堊系、古近系。區(qū)內(nèi)均為沉積巖地層，地層層序清楚，接觸關(guān)系明顯，層位比較穩(wěn)定。

勘查區(qū)內(nèi)主要發(fā)育下寒武統(tǒng)水井沱組、上奧陶統(tǒng)五峰組、下志留統(tǒng)龍馬溪組3套灰黑色碳質(zhì)頁(yè)巖。此次研究主要目的層水井沱組，該組頁(yè)巖厚度為300～400m，城口高望以南地區(qū)為黑色頁(yè)巖發(fā)育中心，頁(yè)巖總體呈北東—南西向展布，穩(wěn)定且連續(xù)分布。

1.4 構(gòu)造特征

勘查區(qū)位于四川中生代前陸盆地和揚(yáng)子陸塊南部被動(dòng)邊緣褶皺帶結(jié)合部位，經(jīng)歷多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，形成東西向密集、大體平行、不對(duì)稱的背斜、向斜構(gòu)造帶。構(gòu)造線呈北西向延展，伴隨褶皺的一系列斜沖斷層多發(fā)育在背斜軸部，由北東向南西斜沖，常切割褶皺使背斜軸部遭受破壞。受區(qū)域構(gòu)造影響，巖層中常見(jiàn)小型斷層和褶皺，大角度傾斜巖層 (大于60°)野外常見(jiàn)。主要發(fā)育城巴斷裂、烏坪斷裂兩條大斷裂及城口—高燕復(fù)式向斜、旗桿山向斜兩個(gè)向斜 (圖2)。構(gòu)造由一系列北西向緊密線形復(fù)式褶皺及斜沖斷層組成，構(gòu)成疊瓦狀逆掩推覆構(gòu)造。向斜形態(tài)相對(duì)完整，背斜普遍遭受斷層破壞。平面上，由城巴斷裂帶往北東褶皺強(qiáng)度和密度均由強(qiáng)變?nèi)?、由密集變稀疏。剖面上，褶皺?qiáng)度越近地表越強(qiáng)烈，野外常見(jiàn)60°～70°的大傾角地層。斷層走向與地層走向基本一致，斷層兩側(cè)片理化現(xiàn)象普遍。

圖2 勘查區(qū)構(gòu)造綱要圖Fig.2 Structural outline of survey area

1.5 沉積特點(diǎn)

下寒武統(tǒng)水井沱組為深水陸棚相沉積，處于靜水強(qiáng)還原環(huán)境，有利于有機(jī)質(zhì)的保存，能夠形成富含有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖，巖石顏色通常為深灰—黑色，有機(jī)質(zhì)含量普遍較高。

2 主要目的層頁(yè)巖平面分布

勘查區(qū)受城巴斷裂帶的控制，構(gòu)造比較復(fù)雜，地層埋深變化較大，底界埋深主要有以下特征:埋深 (0～3250m)整體由北向南逐漸加大;埋深受構(gòu)造控制明顯，向斜區(qū)埋深較大，斷層下降盤埋深變大。剝蝕區(qū)分布在勘查區(qū)的北部，約占總面積的45%，勘查區(qū)有效勘探面積約為580km2。

3 主力頁(yè)巖地球化學(xué)特點(diǎn)

3.1 有機(jī)質(zhì)豐度

98個(gè)頁(yè)巖樣品的有機(jī)碳含量分析測(cè)試表明，94%的樣品實(shí)測(cè)TOC為1.0%～8.0%，67%的樣品實(shí)測(cè)TOC大于2.0%，TOC平均為3.11%，屬于好的烴源巖。

平面上，勘查區(qū)由西北向東南有機(jī)碳含量逐漸降低，中部 (城口垃圾填埋場(chǎng)剖面)實(shí)測(cè)TOC為5.5%，西南部 (城口高望剖面)實(shí)測(cè)TOC為3.28%?？辈閰^(qū)內(nèi)整體有機(jī)質(zhì)豐度較高，TOC均大于2.0%(圖3)。

圖3 下寒武統(tǒng)水井沱組頁(yè)巖TOC等值線圖Fig.3 Isogram of TOC of shale in Shuijingtuo Formation，Lower Cambrian

3.2 有機(jī)質(zhì)類型

有機(jī)質(zhì)類型決定了烴源巖生油氣能力大小和烴類產(chǎn)物組成;因此，頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)類型對(duì)頁(yè)巖氣有利勘探區(qū)選擇和資源預(yù)測(cè)十分重要。干酪根碳同位素能夠反映原始生烴母質(zhì)的特征，次生同位素分餾效應(yīng)不會(huì)嚴(yán)重掩蓋原始生烴物質(zhì)的同位素印記，是劃分高—過(guò)成熟烴源巖有機(jī)質(zhì)類型的有效指標(biāo)，由此選擇用干酪根碳同位素確定有機(jī)質(zhì)類型。

水井沱組頁(yè)巖干酪根 δ13C(PDB)值為－30.6‰～－36.1‰，平均為－33.6‰，所有樣品值均小于－30‰;因此，有機(jī)質(zhì)類型為Ⅰ型，是以海洋菌藻類為主的生源組合。

3.3 有機(jī)質(zhì)成熟度

29個(gè)樣品分析測(cè)試表明，水井沱組頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)演化程度總體較高，Ro一般為1.27%～3.87%，平均為2.81%。測(cè)試樣品中Ro為1.0%～2.0%的占10%、2.0%～3.0%的占40%、大于3.0%的占50%。有機(jī)質(zhì)基本上處于高成熟、過(guò)成熟階段。平面上，北部 (城口巴山鎮(zhèn)大樅樹(shù)剖面、城口太平剖面)、中部 (城口垃圾填埋場(chǎng)剖面)和東南部(城口高望剖面)Ro實(shí)測(cè)值均大于3.0%，由北向南熱演化程度增加 (圖4)。

圖4 下寒武統(tǒng)水井沱組頁(yè)巖成熟度Ro等值線圖Fig.4 Isogram of maturity in Shuijingtuo Formation，Lower Cambrian

4 主力頁(yè)巖儲(chǔ)層特征

4.1 頁(yè)巖礦物組成

根據(jù)水井沱組44個(gè)頁(yè)巖全巖分析及黏土礦物X射線衍射結(jié)果顯示(表1):黑色頁(yè)巖主要組成礦物為石英(25%～96%，平均為61.9%)、黏土礦物(1%～41%，平均為18.6%)、碳酸鹽巖礦物(1%～35%，平均為 9.2%)、長(zhǎng)石(1%～24%，平均為7.9%)、黃鐵礦(1%～39%，平均為2.5%)等。

表1 水井沱組黑色頁(yè)巖巖礦組成表Table 1 Black shale gas rocks and minerals in Shuijingtuo Formation

4.2 頁(yè)巖孔滲特征

14個(gè)頁(yè)巖樣品測(cè)試表明，頁(yè)巖有效孔隙度為1.2%～6.0%，平均為3.4%;從全部樣品的分布上看，孔隙度小于2.0%的占28.6%、2.0%～6.0%的占全部樣品的71.4%;總孔體積 (BJH)為0.0017～0.01645mL/g，平均為0.00839mL/g。

14個(gè)頁(yè)巖樣品測(cè)試顯示，頁(yè)巖滲透率主要分布于0.0032～0.0686mD，平均為0.0133mD。樣品中滲透率小于0.01mD的占64.2%，分布于0.01～0.02mD的占28.6%，沒(méi)有大于0.1mD的樣品。

4.3 孔隙及裂縫特征

野外露頭表明，勘查區(qū)內(nèi)頁(yè)巖天然裂縫十分發(fā)育，主要包括天然張開(kāi)縫、風(fēng)化的頁(yè)巖破碎帶、X剪節(jié)理、沉積間斷不整合面和方解石脈充填的早期擠壓縫等。鄰區(qū)鉆井頁(yè)巖巖心中也發(fā)現(xiàn)高角度微裂縫;電子顯微特征顯示，本區(qū)頁(yè)巖中存在大量的微小孔洞和裂縫，呈蜂窩狀分布，孔隙直徑一般為0.1～0.8μm。

5 頁(yè)巖含氣性及保存條件

5.1 頁(yè)巖含氣性

CT1井現(xiàn)場(chǎng)頁(yè)巖巖心放入常溫水中普遍產(chǎn)生大量氣泡，現(xiàn)場(chǎng)解吸實(shí)驗(yàn)初步顯示，頁(yè)巖含氣效果良好，在目的層最高見(jiàn)到了3.8m3/t的現(xiàn)場(chǎng)解吸氣量。

5.2 保存條件

勘查區(qū)發(fā)育3套區(qū)域蓋層，即中—下三疊統(tǒng)泥巖和膏鹽 (厚度不超過(guò)800m)、志留系泥巖(厚 300～2000m)和上寒武統(tǒng)泥巖 (厚 150～300m)。不同區(qū)域蓋層保存程度不同，導(dǎo)致保存條件存在較大差異。

6 有利區(qū)選擇

目的層水井沱組頁(yè)巖主要分布在勘查區(qū)的南部，厚度普遍為300～400m;埋深較為適中 (0～3250m);有機(jī)質(zhì)豐度高，有機(jī)質(zhì)類型以Ⅰ型為主;熱演化處于高成熟—過(guò)成熟階段。頁(yè)巖儲(chǔ)層孔滲較低，但脆性礦物含量高，裂縫發(fā)育，利于后期壓裂改造。結(jié)合城淺1井和城探1井含氣量，預(yù)測(cè)了頁(yè)巖氣有利勘探區(qū) (圖5)。

圖5 勘查區(qū)下寒武統(tǒng)水井沱組頁(yè)巖氣有利勘探區(qū)圖Fig.5 Favorable shale gas exploration areas in Shuijingtuo Formation，Lower Cambrian

7 結(jié)束語(yǔ)

(1)勘查區(qū)基本屬于常規(guī)油氣勘探空白區(qū)，區(qū)域勘探程度較低，但具有一定頁(yè)巖氣勘探潛力。

(2)城口頁(yè)巖氣受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響較大，斷裂(裂縫及節(jié)理)發(fā)育區(qū)含氣性仍然很好。

(3)山地地貌有利區(qū)預(yù)測(cè)要考慮是否具備開(kāi)發(fā)條件。且本次實(shí)驗(yàn)分析樣品數(shù)量較多，但基本都是地表樣品，缺乏地下新鮮巖樣，嚴(yán)重影響實(shí)際分析效果，也給更深層次的研究帶來(lái)一定的難度。盆緣頁(yè)巖氣仍需要進(jìn)一步探索

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