四川盆地西南緣五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖氣形成條件與有利區(qū)優(yōu)選

何江林，劉 偉，楊 平，余 謙，王 劍，汪正江，陸俊澤，秦 川

（1.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局成都地質(zhì)調(diào)查中心，四川 成都 610081；2.國(guó)土資源部沉積盆地與油氣資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610081）

引言

我國(guó)頁(yè)巖氣資源調(diào)查工作始于2005年［1］，截止目前已取得了涪陵［2］、長(zhǎng)寧［3］等一系列重大突破，實(shí)踐證明四川盆地及周緣五峰組—龍馬溪組是我國(guó)頁(yè)巖氣勘探的重點(diǎn)層系［4］。四川盆地西南緣五峰組—龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖發(fā)育［5］。近年來(lái)，威遠(yuǎn)地區(qū)和長(zhǎng)寧地區(qū)志留系獲得商業(yè)性氣流，四川盆地西南緣志留系龍馬溪組已成為四川盆地一重要的頁(yè)巖氣勘探區(qū)［6］。本文以四川盆地西南緣內(nèi)的礦權(quán)空白區(qū)為重點(diǎn)，結(jié)合區(qū)內(nèi)露頭和鉆井等資料，對(duì)該區(qū)五峰組—龍馬溪組內(nèi)頁(yè)巖氣富集條件進(jìn)行分析，以期為我國(guó)頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)提供有益借鑒。

1 地質(zhì)背景

四川盆地位于揚(yáng)子地臺(tái)西北緣，四周被龍門(mén)山、米倉(cāng)山、大巴山等造山帶所圍限，盆地面積約為19×104km2（圖1a）。該盆地劃分為7個(gè)次一級(jí)構(gòu)造帶，包括川東南坳陷、川西北坳陷、川中古隆起、龍門(mén)山褶皺帶、米倉(cāng)山隆起、大巴山褶皺帶、湖南-湖北-貴州褶皺帶、峨眉-涼山褶皺帶［7］。四川盆地西南緣主要處于峨眉-涼山褶皺帶。該褶皺帶內(nèi)斷裂發(fā)育，斷裂以逆斷層和走滑斷層為主，斷面主體向西傾，其大多斷入元古界地層。為斷裂切割的地塊內(nèi)構(gòu)造平緩，構(gòu)造幅度小，地層相對(duì)平緩。研究區(qū)內(nèi)褶皺背斜緊閉、向斜寬緩，斷裂與褶皺密切伴生，可大致分為南北走向構(gòu)造和北東走向構(gòu)造兩組。其中北東向構(gòu)造區(qū)主要位于剎水壩-馬頸子斷層以東地區(qū)，區(qū)內(nèi)以褶皺構(gòu)造為主，斷裂不甚發(fā)育。褶皺軸線大致呈北東或北東東向平行排列，一般樞紐起伏較大，背斜較緊閉陡窄，向斜相對(duì)平緩寬闊，甚至形成開(kāi)闊的構(gòu)造盆地。斷裂以南北向?yàn)橹?，多為斷面西傾的高角度逆沖斷層。區(qū)內(nèi)主要發(fā)育的地層有震旦系、寒武系、奧陶系、志留系下統(tǒng)、二疊系、三疊系、侏羅系、白堊系和下新生界地層，地表以二疊系玄武巖出露為主（圖1b）。鉆探證實(shí)五峰組—龍馬溪組黑色頁(yè)巖厚度大、分布廣泛［8］。

圖1 四川盆地西南緣地質(zhì)概圖Fig.1 Generalized geological map of the southwestern margin of the Sichuan Basin

2 川西南頁(yè)巖氣富集條件

現(xiàn)有研究表明，頁(yè)巖氣的形成與富集主要受泥頁(yè)巖厚度、巖性組合、有機(jī)質(zhì)豐度、類(lèi)型、成熟度、埋深、頂?shù)装鍡l件、泥頁(yè)巖儲(chǔ)集物性等因素控制［3，6，9-14］。根據(jù)區(qū)內(nèi)大量剖面和鉆探等資料，結(jié)合前人資料，對(duì)研究區(qū)內(nèi)龍馬溪組頁(yè)巖的頁(yè)巖氣形成條件進(jìn)行詳細(xì)研究。

2.1 巖性特征

晚奧陶世五峰期至早中志留世龍馬溪期，由于受康滇古陸、川中古陸隆起、黔中及江南古隆起的圍限，在四川盆地及周緣形成了一個(gè)向北東開(kāi)口的淺海陸棚沉積的古地理格局［2，15］。四川盆地西南緣主體處于深水陸棚至淺水陸棚區(qū)，其深水陸棚主要發(fā)育于研究區(qū)東北部，水體向西南和南側(cè)逐漸變淺，砂質(zhì)含量逐漸增高（圖2）。研究區(qū)底部筆石頁(yè)巖中見(jiàn)較多硅質(zhì)放射蟲(chóng)化石，但由龍馬溪組底部向上隨著水體的變淺，造成筆石和硅質(zhì)放射蟲(chóng)化石含量具有自下而上逐漸減少的趨勢(shì)。巖層的巖性向上也呈規(guī)律性的變化，總體具有向上TOC降低、粉砂質(zhì)、灰質(zhì)含量逐漸增大的特征［16］。區(qū)內(nèi)五峰組—龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖厚度較大，整體從西南向東北加厚，其最大厚度大于90m，平均厚度多在30m以上（圖3）。

2.2 有機(jī)地球化學(xué)特征

圖2 四川盆地西南緣五峰組—龍馬溪組沉積期巖相古地理圖Fig.2 Sedimentary facies and palaeogeographic map of the southwestern margin of the Sichuan Basin during the deposition of the Wufeng Formation-Longmaxi Formation

圖3 四川盆地西南緣五峰組—龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖厚度對(duì)比圖Fig.3 Correlation of the organic matter-rich shale thickness in the Wufeng Formation-Longmaxi Formation on the southwestern margin of the Sichuan Basin

圖4 四川盆地西南緣五峰組-龍馬溪組TOC等值線分布圖Fig.4 Contour map of the total organic carbon contents in the Wufeng Formation-Longmaxi Formation on the southwestern margin of the Sichuan Basin

研究區(qū)內(nèi)200余件巖心和露頭樣品測(cè)試結(jié)果顯示，區(qū)內(nèi)五峰組—龍馬溪組有機(jī)碳含量分布于0.12% ～6.49%，算數(shù)平均值約2.06%。巖心樣品有機(jī)質(zhì)含量較高，普遍高于2.5%。其中五峰組有機(jī)質(zhì)含量相對(duì)偏低，主要分布于0.9% ～3.05%；龍馬溪組底部有機(jī)碳較五峰組富集，主要分布于1.0%～6.49%。平面上，有機(jī)碳高值區(qū)主要位于研究區(qū)東北部雷波-永善一帶，其有機(jī)質(zhì)含量主體高于4.0%（圖4）。向南部和西部逐漸降低，其最小值出現(xiàn)在南部和西部，與其沉積時(shí)期水體深度變淺，水動(dòng)力作用增強(qiáng)有密切關(guān)系。

研究區(qū)內(nèi)29件富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖干酪根顯微組分分析表明，研究區(qū)富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖干酪根主要包括4種顯微組分，即腐泥組、瀝青組、鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組，以腐泥組占優(yōu)勢(shì)，含量70% ～93%，平均81.1%，其次為瀝青組，含量7% ～26%，平均18.1%，干酪根類(lèi)型均為Ⅰ型。

研究區(qū)內(nèi)15件富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖瀝青反射率BRo為3.04% ～3.63%，平均3.39%，轉(zhuǎn)換為等效鏡質(zhì)體反射率（VRo）為 2.38%～2.76%，平均2.61%。位于五角堡背斜的新地1井5件樣品150個(gè)測(cè)點(diǎn)，結(jié)果顯示瀝青反射率BRo略高，為3.41% ～3.67%，平均3.55%；等效鏡質(zhì)體反射率（VRo）為2.62% ～2.80%，平均2.71%。研究區(qū)內(nèi)五峰組—龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖主體處于深部高溫生干氣階段，利于頁(yè)巖氣的生成。

2.3 儲(chǔ)集特征

2.3.1 礦物組成

研究區(qū)內(nèi)68件樣品X射線測(cè)試結(jié)果顯示，研究區(qū)內(nèi)五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖內(nèi)石英、長(zhǎng)石、碳酸鹽巖等脆性礦物豐富，介于56% ～92%之間，平均含量約80%，黏土礦物含量8% ～44%。其中石英含量最為豐富，為17% ～80.2%，主要分布于28%～50%。五峰組內(nèi)石英含量較高，平均約40%。在蘇田剖面（圖1）中，其個(gè)別樣品石英含量可高達(dá)80.2%。龍馬溪組石英含量較低，平均約35%，個(gè)別樣品可高達(dá)66%。整體上，研究區(qū)內(nèi)目標(biāo)層中脆性礦物發(fā)育，利于微裂縫等發(fā)育，有助于泥頁(yè)巖內(nèi)裂縫型儲(chǔ)集空間發(fā)育（圖5）。

2.3.2 儲(chǔ)集物性特征

頁(yè)巖儲(chǔ)層是低孔、超低滲儲(chǔ)集巖，孔隙度介于4.0% ～6.5% 之間，滲透率小于 0.0001mD［6］。四川盆地西南緣100余件露頭和巖心樣品覆壓孔滲、氦孔隙度和脈沖滲透率測(cè)定結(jié)果顯示，區(qū)內(nèi)富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖的孔隙度主要分布于0.50%～11.36%，平均3.85%。橫向滲透率分布于0.0162～77.3294md之間，其中大于0.1md的樣品比重約5%，縱向滲透率為0.0001～1.79 md，同一樣品的橫向滲透率常高于垂向滲透率兩個(gè)數(shù)量級(jí)。整體來(lái)看，該區(qū)五峰組—龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖段具有良好的頁(yè)巖氣儲(chǔ)集能力。

圖5 云蕎剖面五峰組—龍馬溪組優(yōu)質(zhì)段礦物組分Fig.5 Mineral compositions in the Yunqiao section of the Wufeng Formation-Longmaxi Formation in northeastern Yunnan

2.3.3 含氣性

頁(yè)巖含氣量是評(píng)價(jià)頁(yè)巖氣資源潛力與衡量目標(biāo)區(qū)是否具有經(jīng)濟(jì)開(kāi)采價(jià)值的重要指標(biāo)。涪陵礁石壩地區(qū)4口井總含氣量介于0.63～9.63 m3／t，平均 4.61 m3／t［17］?？偤瑲饬看笥?2.0m3／t 的頁(yè)巖氣層段最大厚度達(dá)42 m［2］。川南地區(qū)含氣量在0.30～5.09 m3／t，平均 1.85 m3／t；威遠(yuǎn)地區(qū)為 0.30 ～5.09 m3／t，平均 1.82 m3／t；長(zhǎng)寧地區(qū)為 0.90 ～3.50 m3／t，平均 1.93 m3／t［6］。由于鉆井工藝、施工條件、損失氣量計(jì)算方法等差異，導(dǎo)致目前頁(yè)巖含氣量的可比性較弱。為盡量減少人為主觀影響，在前期頁(yè)巖氣地質(zhì)調(diào)查過(guò)程中，主要以巖心現(xiàn)場(chǎng)解析氣量大小作為評(píng)價(jià)頁(yè)巖含氣性的重要參數(shù)。新地2井現(xiàn)場(chǎng)18小時(shí)的解析氣量最大值達(dá)3.38 m3／t，其中＞2.0 m3／t頁(yè)巖氣層段厚約30 m（圖6）。在同等現(xiàn)場(chǎng)解析條件下，新地1井現(xiàn)場(chǎng)解吸氣量最大值達(dá)1.4 m3／t。表明四川盆地西南緣五峰組—龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖含氣性良好。

2.4 頂?shù)装鍡l件

頂?shù)装鍡l件是頁(yè)巖氣與常規(guī)氣在保存條件上最大的差異［18］。頂?shù)装鍨橹苯优c含氣頁(yè)巖層段接觸的上覆及下伏地層。一方面對(duì)頁(yè)巖氣的封存起重要作用，另一方面也影響著頁(yè)巖壓裂改造效果。頂?shù)装蹇梢允悄鄮r、頁(yè)巖、致密砂巖、碳酸鹽巖等任何巖性，其與頁(yè)巖氣層間的接觸關(guān)系和性質(zhì)的好壞（厚度、橫向連續(xù)性、物性和突破壓力等）對(duì)頁(yè)巖氣的保存條件非常關(guān)鍵。四川盆地西南緣五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖氣層頂、底板與頁(yè)巖氣層為連續(xù)沉積，頂、底板厚度大、展布穩(wěn)定、巖性致密、突破壓力高、封隔性好。五峰組—龍馬溪組底部頁(yè)巖氣層頂板為深灰色泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖（圖3），厚度上百米。在永善縣云蕎和蘇田剖面（圖1b）中，優(yōu)質(zhì)段頂板突破壓力達(dá)到13.95～17.85 mPa。頁(yè)巖氣層底板為臨湘組和包套組連續(xù)沉積的深灰色含泥瘤狀灰?guī)r、灰?guī)r等，總厚度30～40 m，區(qū)域上分布穩(wěn)定，空間展布范圍較廣?？紫抖绕骄导s1.58%，滲透率平均值0.0017mD，地層突破壓力為64.5～70.4mPa［17］。以上特征反映了五峰組—龍馬溪組一段頁(yè)巖氣層頂?shù)装寰哂休^好的封隔效果。

2.5 地層壓力

地層壓力是指巖石孔隙中的流體壓力，異常高壓有利于頁(yè)巖氣成藏與有效開(kāi)發(fā)。美國(guó)熱成因頁(yè)巖氣盆地中頁(yè)巖地層壓力為正常－異常高壓，如Haynesville，Eagle Ford，Barnett，Marcellus 頁(yè)巖壓力系數(shù)分別為 2.00、1.33、0.96 ～1.16、0.93 ～1.56［6］。盡管四川盆地西南緣目前無(wú)志留系實(shí)測(cè)壓力資料，但在綏江-永善地區(qū)東北邊的威201井壓力系數(shù)為0.92；川南的昭104井壓力系數(shù)為1.01；陽(yáng)201-H2井壓力系數(shù)為2.2；寧201-H1井壓力系數(shù)為2.03；永福1井龍馬溪組優(yōu)質(zhì)段埋深2600～2670 m，壓力系數(shù)為1.55；民頁(yè)1井龍馬溪組優(yōu)質(zhì)段埋深3000～3100m，壓力系數(shù)為1.50；新地1井五峰組—龍馬溪組優(yōu)質(zhì)段埋深1205～1319m，鉆進(jìn)過(guò)程中泥漿比重1.03；新地2井五峰組—龍馬溪組優(yōu)質(zhì)段埋深 1900～2070m，鉆進(jìn)過(guò)程中泥漿比重1.05。同時(shí)，現(xiàn)今四川盆地西南緣雷波、馬邊、永善、大關(guān)一帶強(qiáng)震頻繁，這些強(qiáng)震的地理分布大致為NS～NNW 向，構(gòu)成了馬邊-永善-大關(guān)強(qiáng)震帶［17］。近年來(lái)，該地震帶地震頻發(fā)，且區(qū)內(nèi)斷層以逆斷層為主，表明該區(qū)內(nèi)應(yīng)力仍在不斷集中。由此判斷，部分地區(qū)龍馬溪組可能存在異常高壓，有助于頁(yè)巖氣保存。

圖6 新地2井目標(biāo)層含氣性特征Fig.6 Column showing the gas contents in the key shale gas strata of XD-2 well in northeastern Yunnan

3 有利區(qū)優(yōu)選

根據(jù)我國(guó)頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)成功經(jīng)驗(yàn)，綜合考慮目標(biāo)層段厚度、TOC、孔隙度、含氣量、地層壓力、脆性指數(shù)、埋深等因素［9］，對(duì)比研究認(rèn)為云蕎、木桿、高橋等地區(qū)是四川盆地西南緣五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)的有利區(qū)（圖7）。

3.1 云蕎地區(qū)

該區(qū)位于云南永善縣至云南永善縣云蕎鄉(xiāng)一帶，其主體位于永盛向斜西南端，向斜西側(cè)和東南側(cè)五峰組—龍馬溪組出露。西側(cè)受剎水壩-馬頸子斷裂控制，東南側(cè)受背斜擠壓，為永善縣南側(cè)應(yīng)力集中區(qū)。區(qū)內(nèi)五峰組—龍馬溪組主要沉積于深水陸棚的炭質(zhì)粉砂泥棚微相。目標(biāo)層巖性為灰黑色炭質(zhì)泥頁(yè)巖、灰黑色鈣質(zhì)泥頁(yè)巖夾泥灰?guī)r透鏡體，區(qū)域分布穩(wěn)定。富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖（TOC＞2.0%）厚度主體位于40～90m之間，TOC介于1.0% ～4.0%之間，等效鏡質(zhì)體反射率（VRo）大于2.0%；石英含量25% ～38%，目標(biāo)層埋深500～2800 m，據(jù)露頭樣品測(cè)試結(jié)果，其現(xiàn)場(chǎng)解析氣量大于0.5 m3／t，有利區(qū)面積約158 km2。地表交通、水源條件良好，具有頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)前景。

3.2 木桿地區(qū)

該區(qū)位于云南大關(guān)縣木桿鎮(zhèn)一帶，其主體為木桿向斜，向斜東北部受關(guān)村斷裂控制，西部受背斜影響，目標(biāo)層出露，南部背斜緊閉，構(gòu)造應(yīng)力集中。有記載的地震資料顯示，木桿向斜東部和南部斷裂附近地震頻發(fā)，最大一次強(qiáng)震于1974年發(fā)生于木桿向斜南部，震級(jí)7.1級(jí)［19］，表明該區(qū)處于構(gòu)造應(yīng)力集中區(qū)。同時(shí)，新地2井良好的現(xiàn)場(chǎng)解析氣顯示，表明該區(qū)地震對(duì)其目標(biāo)層的含氣性破壞程度有限。五峰組—龍馬溪組主要沉積于深水陸棚的炭質(zhì)粉砂泥棚和炭質(zhì)泥粉砂棚微相。目標(biāo)層巖性為灰黑色炭質(zhì)泥頁(yè)巖、灰黑色鈣質(zhì)泥頁(yè)巖夾泥灰?guī)r透鏡體，區(qū)域分布穩(wěn)定。富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖（TOC＞2.0%）厚度大于100 m，TOC介于2.0% ～3.0%之間，等效鏡質(zhì)體反射率（VRo）＞2.0%；石英含量 25% ～38%，目標(biāo)層埋深500～2500 m，其現(xiàn)場(chǎng)解析氣量在1.0～3.38 m3／t之間，有利區(qū)面積約142 km2。地表交通、水源條件良好，具有良好的頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)前景。

3.3 高橋地區(qū)

圖7 四川盆地西南緣五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖氣有利區(qū)分布圖Fig.7 Distribution of the shale gas favourable areas in the Wufeng Formation-Longmaxi Formation on the southwestern margin of the Sichuan Basin

該區(qū)位于云南大關(guān)縣高橋鄉(xiāng)至壽山鄉(xiāng)一帶，其主體位于勺寨向斜東北部，其北西側(cè)受蓮峰斷裂控制，向斜構(gòu)造軸線近似呈北東向，其內(nèi)斷層發(fā)育，南北走向的右旋走滑斷層為主，該區(qū)內(nèi)構(gòu)造應(yīng)力復(fù)雜，局部走滑斷層切割的斷塊內(nèi)應(yīng)力集中，具備一定的超壓發(fā)育條件。五峰組—龍馬溪組主要沉積于淺水陸棚的含炭質(zhì)灰粉砂泥棚和含炭灰泥粉砂微相。目標(biāo)層巖性為灰黑色炭質(zhì)粉砂質(zhì)泥巖、深灰色炭質(zhì)泥質(zhì)粉砂巖，區(qū)域上，其富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖向南減薄，砂質(zhì)含量逐漸增高。富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖（TOC＞2.0%）厚度多處于30～50 m，TOC介于1.0% ～3.0%之間，等效鏡質(zhì)體反射率（VRo）＞2.0%，石英含量30% ～50%，目標(biāo)層埋深500～3500 m，其現(xiàn)場(chǎng)解析氣量大于0.5 m3／t，有利區(qū)面積約686 km2。地表交通、水源條件較差，具有一定的頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)前景。

4 結(jié)論

（1）四川盆地西南緣五峰組—龍馬溪組具備有利的頁(yè)巖氣形成條件。五峰組—龍馬溪組有機(jī)碳含量分布于0.12% ～6.49%，平均值約2.06%，富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖厚度大，平均厚度多在30m以上，局部大于90m，主要位于龍馬溪組下部。富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖內(nèi)干酪根全為I型，熱演化程度高，等效鏡質(zhì)體反射率（VRo）為2.62% ～2.80%，平均2.71%，處于深部高溫生干氣階段。泥頁(yè)巖內(nèi)脆性礦物豐富，介于56%～92%之間，平均含量約80%。孔隙度主要分布于0.50% ～11.36%，平均3.85%。橫向滲透率分布于0.0162～77.3294 mD之間，縱向滲透率為0.0001～1.79 mD。鉆井揭示其現(xiàn)場(chǎng)解析氣量最大值達(dá)3.38 m3／t。區(qū)內(nèi)目標(biāo)層埋深小于3500 m，具有一定的頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)前景。

（2）云蕎、木桿、高橋地區(qū)是四川盆地西南緣3個(gè)較為有利的頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)礦權(quán)空白區(qū)，其中木桿地區(qū)最為有利。

致謝：文本在資料收集和野外過(guò)程中得到了成都地質(zhì)調(diào)查中心葛祥英、林家善、劉建清、楊貴來(lái)、馮偉明、康建威、梁虹、羅建寧、王曉飛等同志和司機(jī)張曉進(jìn)、鄒波的大力支持和幫助，特此表示感謝。

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