含油氣系統(tǒng)模擬技術(shù)在渝東南地區(qū)下古生界頁巖氣層的應(yīng)用

成 俊 ，李少榮 ，陳朝剛 ，張健強(qiáng) ，宋科雄 ，鄭永華

頁巖氣作為一種非常規(guī)天然氣，在涪陵礁石壩和長(zhǎng)寧–威遠(yuǎn)地區(qū)均已取得巨大產(chǎn)能。在地質(zhì)演化過程中，頁巖氣含量受頁巖的有機(jī)質(zhì)含量、熱演化程度、儲(chǔ)層的溫度和壓力影響[1–2]。含油氣系統(tǒng)模擬技術(shù)基于盆地動(dòng)力學(xué)，通過開展構(gòu)造演化史、埋藏史、熱演化史、生烴史等模擬，分析油氣藏的保存條件[3–4]，近年來在頁巖氣動(dòng)態(tài)研究和資源評(píng)價(jià)中有較好的運(yùn)用[5–10]。

渝東南地區(qū)位于川中隆起與黔中隆起之間的凹陷褶皺帶，屬于上揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)黔南川北地層分區(qū)，下古生界發(fā)育下寒武統(tǒng)牛蹄塘組和上奧陶統(tǒng)五峰組–下志留統(tǒng)龍馬溪組兩套頁巖氣層，儲(chǔ)層靜態(tài)指標(biāo)較好，但地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，頁巖氣勘探程度較低，頁巖氣資源勘探也未取得突破。本文運(yùn)用PetroMod軟件對(duì)渝東南地區(qū)下古生界頁巖氣層開展含油氣系統(tǒng)模擬，分析成藏主控因素，為頁巖氣的勘探潛力評(píng)價(jià)提供依據(jù)。

研究區(qū)位于渝東南秀山穹褶帶，面積1 002 km2，發(fā)育除志留系上統(tǒng)、泥盆系下統(tǒng)和石炭系之外的震旦系到白堊系地層（圖1）。該區(qū)已開展不同程度的地質(zhì)調(diào)查、二維地震勘探和頁巖氣井鉆探工作，已完成2口地質(zhì)井（YD2、YC6）和2口預(yù)探井（YY1、YY2），其中YD2、YC6和YY2井針對(duì)五峰組–龍馬溪組，YY1井針對(duì)牛蹄塘組兼探五峰–龍馬溪組，該區(qū)頁巖氣勘探取得了一定的成果資料（表1）。

圖1 研究區(qū)構(gòu)造地質(zhì)簡(jiǎn)圖

表1 研究區(qū)目的層頁巖氣地質(zhì)特征

1 模擬方法

1.1 埋藏史模擬

埋藏史模擬是含油氣系統(tǒng)模擬的基礎(chǔ)，古地層模型受控于地層的沉積和剝蝕，基于現(xiàn)今的地層沉積序列，根據(jù)不同地層孔隙度演化去除壓力效應(yīng)，建立不同地史時(shí)期古構(gòu)造模型[11–12]。研究區(qū)地層屬于正常壓實(shí)帶沉積，宜采用回剝法模擬地層埋藏史?；貏兎ㄊ歉鶕?jù)孔隙度–深度的關(guān)系來恢復(fù)古厚度，在正常壓實(shí)情況下，二者服從指數(shù)分布[13–14]：

式中， (!)是深度為z時(shí)的孔隙度，%$是地表孔隙度，*$是壓實(shí)系數(shù)，#$是地層各巖性含量。

研究區(qū)地層總體分為砂巖、泥巖、灰?guī)r和白云巖四種巖性，通過實(shí)測(cè)孔隙度校正各巖性的壓實(shí)系數(shù)，結(jié)合現(xiàn)今的地層厚度，恢復(fù)古地層沉積厚度。渝東南地區(qū)震旦紀(jì)之后受華力西期、燕山期和喜馬拉雅期構(gòu)造抬升運(yùn)動(dòng)的影響，分別在泥盆紀(jì)–石炭紀(jì)、二疊紀(jì)、白堊紀(jì)–第四紀(jì)發(fā)生三期剝蝕事件，最后一期剝蝕厚度較大，剝蝕厚度為1 700～4 000 m[15]。

1.2 熱演化史模擬

熱演化史模擬采用地球熱力學(xué)與地球化學(xué)相結(jié)合，通過確定巖石熱參數(shù)、大地?zé)崃?、古地表溫度和古水深等參?shù)，模擬地溫史和成熟度演化，并通過實(shí)測(cè)的鏡質(zhì)體反射率Ro校正[16–17]。結(jié)合四川盆地砂巖、泥巖、碳酸鹽巖的熱導(dǎo)率研究成果[18]，根據(jù)研究區(qū)地層巖性含量，確定各地層的巖石熱參數(shù)；根據(jù)相對(duì)海平面變化曲線，結(jié)合沉積相研究成果，恢復(fù)了各時(shí)期水深變化曲線；根據(jù)前人研究成果，建立了550 Ma前至今的古地表溫度和熱流演化曲線。

1.3 生烴史模擬

根據(jù)烴源巖地化和吸附參數(shù)，選用合適的生烴動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)生烴時(shí)間、油氣轉(zhuǎn)化率、生烴量等進(jìn)行生烴史模擬。油氣轉(zhuǎn)化率為干酪根轉(zhuǎn)化為油氣的比例；針對(duì)頁巖氣，還需要模擬吸附氣和游離氣含量；烴源巖參數(shù)主要包括有機(jī)碳（TOC）和氫指數(shù)（IH）。為確保模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，對(duì)目的層始TOC和IH進(jìn)行恢復(fù)，選擇原始IH為500 mg/g，恢復(fù)牛蹄塘組和五峰組–龍馬溪組頁巖TOC分別為8.74%和3.68%；吸附參數(shù)根據(jù)Langmuir等溫吸附實(shí)驗(yàn)確定；根據(jù)研究區(qū)目的層和烴源巖特征，生烴動(dòng)力學(xué)模型選用PetroMod軟件中與之類似的巴黎盆地土阿辛階（對(duì)應(yīng)于下侏羅統(tǒng)）頁巖的生烴動(dòng)力學(xué)模型。

2 模擬結(jié)果

2.1 埋藏史模擬結(jié)果

早寒武紀(jì)–早志留紀(jì)時(shí)期，隨著水體加深，研究區(qū)由淺海碳酸鹽巖沉積轉(zhuǎn)變?yōu)樯钏鄮r、頁巖以及硅質(zhì)頁巖等沉積為主；中志留紀(jì)后過渡為緩慢沉降，以碎屑巖沉積為主，泥盆紀(jì)晚期地層整體輕微抬升剝蝕；石炭紀(jì)–二疊紀(jì)末期，早期近海湖沼演變?yōu)楹Ｋ笠?guī)模進(jìn)泛，晚期處于海陸交互環(huán)境，沉積淺海碳酸鹽巖建造，早二疊紀(jì)末期有輕微剝蝕；三疊紀(jì)海侵加大，主要沉積蒸發(fā)碳酸鹽巖建造；侏羅紀(jì)–白堊紀(jì)早期，研究區(qū)逐漸演變?yōu)榇笮蛢?nèi)陸凹陷湖盆，發(fā)育河流湖泊相沉積；白堊紀(jì)中期至今，燕山運(yùn)動(dòng)和喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)致研究區(qū)大面積抬升剝蝕，幾乎無古近系、新近系沉積，發(fā)育大量逆沖斷層，形成現(xiàn)今的北東–北北東向褶皺構(gòu)造形態(tài)。

根據(jù)埋藏史模擬結(jié)果，研究區(qū)經(jīng)歷了寒武紀(jì)、志留紀(jì)和侏羅紀(jì)三次快速沉積時(shí)期，沉積速率分別為51 m/Ma、39～76 m/Ma、36 m/Ma；并經(jīng)歷了泥盆紀(jì)–石炭紀(jì)（400～285 Ma）、二疊紀(jì)（270～260 Ma）、白堊紀(jì)–第四紀(jì)（90～0 Ma）三次剝蝕時(shí)期，前兩次剝蝕厚度較小（<100 m），最后一期累積剝蝕厚度較大（YY1井剝蝕厚度3 499 m、YY2井剝蝕厚度2 144 m）（圖 2）。

2.2 熱演化史模擬結(jié)果

YY1井牛蹄塘組烴源巖約在 495 Ma前進(jìn)入生油窗，411 Ma前進(jìn)入早期生氣階段，275 Ma前進(jìn)入晚期生氣階段，目前已不處于生氣階段；五峰組–龍馬溪組烴源巖約在393 Ma前進(jìn)入生油窗，132 Ma前進(jìn)入早期生氣階段，目前處于晚期生氣階段。YY2井五峰組–龍馬溪組烴源巖約在423 Ma前進(jìn)入生油窗，284 Ma前進(jìn)入早期生氣階段，164 Ma前進(jìn)入晚期生氣階段，目前處于晚期生氣階段。YY2井比YY1井的五峰組–龍馬溪組演化程度更高（圖2）。

圖2 單井熱演化模擬結(jié)果

2.3 生烴史模擬結(jié)果

YY1井牛蹄塘組烴源巖約在521.5 Ma前開始生烴，至429.8 Ma前轉(zhuǎn)化率達(dá)到50%，到238.6 Ma前接近100%；牛蹄塘組最佳生烴期在晚志留世，三疊紀(jì)已停止生烴。由于烴源巖演化成熟度較高，隨著沉積壓實(shí)作用，孔隙度降低，且后期強(qiáng)烈的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致現(xiàn)今保存下來的含氣量較低。YY2井五峰組–龍馬溪組烴源巖約在427 Ma前開始生烴，414 Ma前轉(zhuǎn)化率達(dá)到50%，目前轉(zhuǎn)化率為99%；五峰組–龍馬溪組從志留紀(jì)晚期開始生烴，三疊紀(jì)末含氣量達(dá)到最大，目前在構(gòu)造高部位還有繼續(xù)生烴的能力，含氣量以吸附氣為主（吸附氣與游離氣比值約為5.3:1）（圖 3）。

圖3 單井生烴史模擬結(jié)果

3 頁巖氣成藏過程分析

現(xiàn)今頁巖氣含量與歷史事件中生烴演化程度和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)有關(guān)，生烴演化為頁巖氣提供物質(zhì)基礎(chǔ)，構(gòu)造運(yùn)動(dòng)則影響頁巖氣的保存；四川盆地內(nèi)與周緣地區(qū)保存條件的差異，主要是由于燕山運(yùn)動(dòng)中期所控制的構(gòu)造變形和沉降、頁巖生排烴歷史、抬升剝蝕作用等差異決定。

劇烈的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)對(duì)于烴類保存條件的破壞，同構(gòu)造運(yùn)動(dòng)本身一樣也是幕式的，如果在生烴階段有較長(zhǎng)時(shí)間的構(gòu)造穩(wěn)定期，則隨著斷裂、裂縫等疏導(dǎo)體系的愈合，烴類又能重新聚集，新生的烴類對(duì)侵入烴源巖的水和空氣（氧氣難以在還原條件下長(zhǎng)期存在，絕大部分為氮?dú)猓┛梢援a(chǎn)生反置換作用，逐漸排擠出水和氮?dú)?，重新成藏。只要生烴作用仍在繼續(xù)，這種“成藏—構(gòu)造破壞—再成藏”的過程就會(huì)一直延續(xù)。五峰組–龍馬溪組烴源巖就是這種情況，至今仍有一定勘探潛力；而牛蹄塘組烴源巖在燕山期強(qiáng)烈構(gòu)造運(yùn)動(dòng)之前就已經(jīng)停止生烴，構(gòu)造運(yùn)動(dòng)造成的大型斷裂發(fā)育并切穿頁巖層系，牛蹄塘組頁巖氣被破壞后無法重新成藏，并與氮?dú)獍l(fā)生置換作用，因此出現(xiàn)了目前氮?dú)獬刹氐默F(xiàn)象（圖4）。根據(jù)渝黔湘鄂地區(qū)大量鉆井顯示，牛蹄塘組頁巖儲(chǔ)層中氮?dú)夂科毡楹芨摺?/p>

4 結(jié)論

（1）本文介紹的含油氣系統(tǒng)模擬技術(shù)為頁巖氣成藏的熱演化、生烴和保存的時(shí)空關(guān)系研究提供了有益的依據(jù)。

（2）渝東南地區(qū)經(jīng)歷了寒武紀(jì)、志留紀(jì)和侏羅紀(jì)三次快速沉積時(shí)期，分別沉積了淺海碳酸鹽巖、深水泥頁巖和河流湖泊相沉積；在泥盆紀(jì)、早二疊紀(jì)和白堊紀(jì)–古近紀(jì)分別經(jīng)歷了三次剝蝕時(shí)期，最后一期剝蝕作用強(qiáng)烈。

（3）現(xiàn)今頁巖氣含量與歷史事件中生烴演化程度和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)有關(guān)，渝東南五峰組–龍馬溪組從志留紀(jì)晚期開始生烴，三疊紀(jì)末含氣量達(dá)到最大，在頁巖氣“成藏—構(gòu)造破壞—再成藏”的過程中仍在持續(xù)生烴，至今仍具一定勘探潛力；牛蹄塘組最佳生烴期在晚志留世，燕山期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)之前已經(jīng)停止生烴，頁巖氣藏發(fā)生置換作用，導(dǎo)致現(xiàn)今含氣量極低且以氮?dú)鉃橹鳌?/p>

圖4 渝東南地區(qū)下古生界含油氣系統(tǒng)事件

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