川東地區(qū)震旦系—寒武系天然氣資源潛力分析

任洪佳 郭秋麟 周 剛 吳曉智 謝紅兵 鄭 曼 孟靖豐

（ 1中國石油勘探開發(fā)研究院；2中國石油西南油氣田公司勘探開發(fā)研究院；3中國石油大學(xué)（北京）信息工程與地球物理學(xué)院 ）

四川盆地中部（簡稱川中）高石梯—磨溪地區(qū)震旦系—寒武系萬億立方米級特大型氣田的發(fā)現(xiàn)[1]，意味著發(fā)育相同層系的盆地東部地區(qū)（簡稱川東）具有廣闊的勘探前景。

川東與川中在構(gòu)造上差異較大，川東鹽上（寒武系高臺子組膏鹽層之上的地層習(xí)慣稱為“鹽上”，之下地層稱為“鹽下”）構(gòu)造變形嚴(yán)重，地層陡峭，地面溝壑縱橫，交通不便。鹽下地層變形相對較小，構(gòu)造背景與川中類似[2]，但因埋藏較深，對天然氣勘探造成極大的挑戰(zhàn)，因此一直以來勘探投入較少，沒有油氣田發(fā)現(xiàn)。

自川中高石梯—磨溪大氣田發(fā)現(xiàn)以來，川東鹽下震旦系—寒武系已引起勘探的極大熱情和研究興趣。已有學(xué)者在烴源巖地球化學(xué)[3]、成藏條件[4]、構(gòu)造特征[5-7]等方面開展了大量研究工作，取得一定認(rèn)識，明確了川東鹽下共發(fā)育3套比較好的烴源巖層，儲蓋發(fā)育較好，局部發(fā)育構(gòu)造圈閉，具有較好的成藏潛力。但是川東震旦系—寒武系資源潛力與分布目前尚未開展系統(tǒng)評價。

川東鹽下資源潛力分析主要面臨3個問題：①埋深大，地溫高，構(gòu)造演化復(fù)雜；②鉆至目的層探井?dāng)?shù)量較少，僅有4口井鉆至震旦系—寒武系，井下資料少；③震旦系—寒武系勘探程度低，資源潛力尚未明確，資源評價難度大。針對以上問題，本文通過系統(tǒng)分析川東及周邊鉆至震旦系—寒武系的13口探井、17條野外剖面資料，結(jié)合426樣次烴源巖實驗分析及300樣次數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，系統(tǒng)評價震旦系—寒武系烴源巖分布及生烴潛力。在此基礎(chǔ)上，采用盆地模擬技術(shù)進(jìn)行埋藏史、熱史、生烴史及運聚流線模擬，得到生烴量、油氣運移有利指向區(qū)，結(jié)合運聚系數(shù)研究，首次系統(tǒng)評價了川東鹽下天然氣資源潛力與分布，為該區(qū)下步勘探提供重要決策依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

研究區(qū)位于四川盆地東部，西以華鎣山為界并與川中地區(qū)相鄰，東至齊岳山斷裂，北抵南大巴山褶皺帶，南為重慶氣礦礦權(quán)范圍，范圍約5.5×104km2，構(gòu)造為典型的隔擋式褶皺[8-10]。川東高陡構(gòu)造區(qū)受力復(fù)雜，在近東西向擠壓力作用的同時，受到大巴山方向的側(cè)向擠壓，大多形成西北翼緩、東南翼陡的高陡構(gòu)造格局[11]。研究區(qū)內(nèi)自西向東分布著10排以北北東向為主的高陡構(gòu)造帶，其中鐵山、銅鑼峽—雷音鋪、七里峽、溫泉井、明月峽—大天池、南門場—馬槽壩、黃泥堂—云安場、大池干為川東地區(qū)主要產(chǎn)氣構(gòu)造帶[12]（圖1）。

圖1 川東地區(qū)構(gòu)造簡圖（據(jù)文獻(xiàn)[4]、[11]修改）

川東地區(qū)震旦系—中寒武統(tǒng)自下而上主要發(fā)育7套地層；其中陡山沱組、燈三段及筇竹寺組為烴源巖層。川東鉆至寒武系井（池7井、座3井、太和1井、五科1井）均超過4000m，目的層系屬于深層、超深層范圍，沉積環(huán)境屬于海相沉積（圖2）。

2 烴源巖特征

川東震旦系—寒武系共發(fā)育陡山沱組、燈三段及筇竹寺組3套烴源巖，野外剖面及調(diào)研分析，燈三段烴源巖僅局部發(fā)育薄薄的一層，且不連續(xù)，出露少，目前條件下難以平面成圖及確定其范圍。因此，本文主要針對陡山沱組和筇竹寺組烴源巖進(jìn)行評價。

圖2 川東震旦系—寒武系綜合柱狀圖

2.1 筇竹寺組烴源巖

下寒武統(tǒng)筇竹寺組是鉆探所證實的四川盆地下古生界最底部的一套廣泛分布的有效烴源巖，為一套粒徑較細(xì)的海侵期碎屑巖沉積。整個川東地區(qū)，筇竹寺組沉積期沉積相主要以淺水陸棚砂泥質(zhì)巖相為主，且深水陸棚巖相區(qū)大面積發(fā)育，具備良好的泥質(zhì)烴源巖沉積條件[4]。

通過野外勘察結(jié)合探井分析，筇竹寺組為一套黑色泥巖、泥灰?guī)r或砂巖，烴源巖分布面積廣，厚度大，有機(jī)碳含量高，生烴強(qiáng)度大，是四川盆地最主要的烴源巖層之一。川東地區(qū)筇竹寺組泥頁巖厚度由西向東先增厚后減薄，由盆內(nèi)向盆外烴源巖厚度逐漸增加，變化范圍為50～250m。川東北巫溪、城口和鎮(zhèn)平地區(qū)烴源巖較為發(fā)育，如城口縣嵐天鄉(xiāng)剖面泥質(zhì)烴源巖厚度達(dá)95m，川東盆內(nèi)鉆至筇竹寺組的探井極少，五探1井顯示筇竹寺組厚度可達(dá)120m，烴源巖厚度為92m。

通過分析50個筇竹寺組烴源巖野外樣品的TOC數(shù)據(jù)，TOC變化范圍為0.04%～10.20%，平均為1.29%，利1井與鄂參1井TOC值顯示較高，分別為1.79%與2.26%，為較好烴源巖。13個樣品點實測干酪根碳同位素δ13C主要分布在－38.3‰～－31.7‰，平均為－31.72‰，根據(jù)δ13C＝－26‰和δ13C＝－29‰作為區(qū)分Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型干酪根的兩個指標(biāo)界限[13]，筇竹寺組烴源巖以Ⅰ型干酪根為主，其母質(zhì)主要來源于海洋浮游生物[12]。由于該套地層不存在鏡質(zhì)組，本文所提Ro均是通過測試瀝青反射率（Rb）換算而來的等效鏡質(zhì)組反射率（Ro=0.3364+0.6569×Rb）。根據(jù)實測25個野外樣品，筇竹寺組烴源巖Ro主要分布在0.69%～2.41%之間，平均為2.22%，為高—過成熟階段，以生氣為主。50個樣品最高熱解溫度（Tmax）為450～544℃，平均為495℃（表1）。

2.2 陡山沱組烴源巖

川東地區(qū)陡山沱組沉積期，在漢南古陸以南、川中古隆起以東，主要發(fā)育局限臺地混積巖沉積，在局限臺地之上不僅發(fā)育較為廣泛的膏泥巖蓋層，也為細(xì)粒砂泥巖相提供了良好的沉積條件；而北部多為深水陸棚相沉積，具備良好的泥質(zhì)烴源巖沉積背景[4]。

表1 川東地區(qū)筇竹寺組烴源巖特征

陡山沱組巖性為黑色泥巖、灰黑色頁巖，在盆地周緣較為發(fā)育，川東地區(qū)盆內(nèi)由于埋藏深，少有井鉆遇，盆內(nèi)該套烴源巖厚度由宣漢—開江古隆起向兩側(cè)增厚，厚度為5～80m。盆地周緣露頭顯示陡山沱組厚度較大，川北地區(qū)厚度在30～90m之間[14]，在盆地北部的城口縣高燕鄉(xiāng)地區(qū)野外露頭上出露厚度大，泥頁巖段厚約70m，鎮(zhèn)巴縣灰色頁巖夾泥質(zhì)白云巖烴源巖厚度最大可達(dá)80m。川東盆外東部陡山沱組發(fā)育較少，利1井僅顯示碳質(zhì)頁巖烴源巖厚度為7.6m（圖3a）。

通過野外88個樣品分析測試得到陡山沱組烴源巖TOC變化范圍為0.08%～8.47%，平均值為1.38%，利1井與鄂參1井TOC分別為1.12%與1.24%。鎮(zhèn)巴縣白玉鄉(xiāng)南、紫陽縣麻柳鎮(zhèn)等剖面陡山沱組烴源巖TOC較高，平均為2.51%和2.79%，TOC較高的樣品主要分布在城口—鎮(zhèn)坪以北的烴源巖厚度高值區(qū)，在盆地內(nèi)部分布在開縣—萬縣一帶，TOC平均值為1.07%（圖3b）。19個樣品點實測干酪根碳同位素δ13C主要分布在－36.9‰～－28.6‰，平均值為-31.56‰，以I型干酪根為主。實測35個樣品的陡山沱組烴源巖Ro主要分布在1.17%～3.58%之間，平均為2.50%；88個灰黑色泥巖樣品最高熱解溫度（Tmax）為463～578℃，平均為510℃，為高—過成熟階段，以生氣為主（表2）。

圖3 川東地區(qū)陡山沱組烴源巖厚度與TOC分布（a）厚度分布圖；（b）TOC分布圖

表2 川東地區(qū)陡山沱組烴源巖特征

綜上所述，川東地區(qū)陡山沱組與筇竹寺組兩套烴源巖有機(jī)質(zhì)類型好，以I型干酪根為主，熱演化成熟度高，處于高—過成熟階段，生氣潛力好，可為川東提供充足的油氣來源。

3 生烴量計算

3.1 資源評價方法的選取

目前，國際上已使用和發(fā)展的油氣資源評價方法多達(dá)百余種，依據(jù)方法原理可歸納為成因法、類比法和統(tǒng)計法三大類[15-16]。綜合考慮川東地區(qū)鹽下資源潛力分析所面臨的問題，本文選擇成因法，運用盆地模擬技術(shù)對川東鹽下烴源巖層的埋藏史、熱史、生烴史進(jìn)行模擬，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行資源潛力分析。

3.2 盆地模擬關(guān)鍵參數(shù)及圖件

圖4 五科1井埋藏史圖

盆地模擬計算烴源巖的生烴量主要涉及的參數(shù)包括烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度、類型、厚度、熱史模擬參數(shù)、有機(jī)碳恢復(fù)系數(shù)及產(chǎn)烴率等，烴源巖相關(guān)參數(shù)前文已經(jīng)確定，現(xiàn)就后幾項參數(shù)研究進(jìn)行簡要說明。3.2.1熱史模擬參數(shù)

Ro與深度是熱史及生烴史模擬的重要參數(shù)。本文根據(jù)川東及周緣地區(qū)鉆井實測成熟度資料統(tǒng)計了67個單井鏡質(zhì)組反射率數(shù)據(jù)，在4個評價區(qū)塊各選擇了一口有代表性的深井作為標(biāo)準(zhǔn)井，形成Ro與深度關(guān)系圖版。典型井五科1井的埋藏史模擬結(jié)果（圖4）顯示：川東鹽下在加里東期之前主要為穩(wěn)定快速沉降期，后期經(jīng)歷兩次重大抬升，分別為印支期與喜馬拉雅期。以現(xiàn)今地溫梯度（表3）作為關(guān)鍵控制點，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)井的埋藏史，依據(jù)中國深盆地溫梯度史總體呈由高到低的趨勢[17]，通過盆地模擬軟件地溫史模擬模塊，不斷調(diào)節(jié)從古至今的地溫梯度，擬合出一條Ro與深度關(guān)系曲線，使這條曲線與實測的深度及Ro散點值吻合，從而確定古地溫梯度，確定熱史模擬參數(shù)。

表3 川東地區(qū)實測地溫及地溫梯度

3.2.2 產(chǎn)烴率

烴源巖產(chǎn)烴率是資源評價中生氣量計算的重要參數(shù)，一般根據(jù)含油氣盆地中未成熟烴源巖熱模擬實驗獲得。川東地區(qū)有機(jī)質(zhì)類型為I型和II1型，基于實驗測試及對比分析[12,17-19]，重新修訂了這兩種類型干酪根的產(chǎn)氣率曲線（圖5）。

圖5 干酪根產(chǎn)氣率圖版

3.2.3 有機(jī)碳恢復(fù)系數(shù)

TOC為烴源巖評價的重要指標(biāo)，對于油氣資源評價具有重要意義。TOC是采用有機(jī)質(zhì)質(zhì)量與巖石質(zhì)量比值定義的，而根據(jù)實驗測得的TOC代表現(xiàn)今烴源巖的殘余有機(jī)碳。由于在地層（包括有機(jī)質(zhì)）的沉積演化和生排烴過程中，巖石質(zhì)量、有機(jī)質(zhì)質(zhì)量都在動態(tài)變化，現(xiàn)今TOC需要恢復(fù)成地史時期的原始TOC。通過對比分析前人研究成果[18-19]，并結(jié)合部分樣品熱模擬實驗分析，確定了有機(jī)碳恢復(fù)系數(shù)圖版（圖6）。

圖6 有機(jī)碳恢復(fù)系數(shù)圖版

3.3 盆地模擬

3.3.1 盆地模擬方案

本文盆地模擬工區(qū)面積約11.74×104km2，地層分19個評價層系、2個烴源層進(jìn)行評價（陡山沱組、筇竹寺組）。平面上以構(gòu)造單元為基礎(chǔ)分4個子區(qū)（川中—川北區(qū)塊、川東區(qū)塊、盆外東部區(qū)塊及盆外北部區(qū)塊），各個子區(qū)選一口標(biāo)準(zhǔn)井，分別為廣探2井、池7井、利1井及天1井，進(jìn)行單井模擬（圖7）。在此基礎(chǔ)上，采用網(wǎng)格間距10km×10km，形成人工井網(wǎng)數(shù)據(jù)點（1172個）進(jìn)行批量五史模擬，最終求得兩套烴源巖的生烴量。

圖7 盆地模擬工區(qū)范圍及分區(qū)

3.3.2 模擬結(jié)果

3.3.2.1 生氣中心及生氣高峰期

模擬結(jié)果顯示，川東鹽下兩套烴源巖生烴高峰由于受多期構(gòu)造運動和地溫梯度較低的影響而普遍滯后，主要分布在三疊紀(jì)（圖8），印支期為兩套烴源巖大量生氣時刻，此時古隆起控制了天然氣的早期運移聚集及氣藏的形成與分布。

工區(qū)范圍內(nèi)由于兩套烴源巖熱演化程度高（Ro＞2.0%），現(xiàn)今均以生氣為主。關(guān)鍵時刻印支期筇竹寺組烴源巖生氣強(qiáng)度高于陡山沱組，筇竹寺組烴源巖最大生氣強(qiáng)度為120×108m3/km2，生氣中心主要分布在川東北盆地周緣及川北地區(qū)，川東地區(qū)生氣強(qiáng)度平均大于30×108m3/km2（圖9a）。工區(qū)范圍內(nèi)陡山沱組烴源巖最大生氣中心位于盆外北部，盆內(nèi)陡山沱組烴源巖主體生氣強(qiáng)度為（5～24）×108m3/km2，生氣中心主要位于方斗山構(gòu)造、萬縣構(gòu)造和云安場構(gòu)造帶周緣（圖9b）。

3.3.2.2 天然氣運聚系數(shù)及資源量計算

模擬結(jié)果顯示，工區(qū)范圍內(nèi)筇竹寺組和陡山沱組烴源巖生氣量分別為408.31×1012m3和71.42×1012m3，其中川東地區(qū)兩套烴源巖生氣量分別為172.85×1012m3和 19.69×1012m3。工區(qū)范圍和川東地區(qū)烴源巖總生烴量分別為479.73×1012m3和192.54×1012m3。

運聚系數(shù)是計算資源量的關(guān)鍵參數(shù)。由于川中高石梯—磨溪地區(qū)勘探程度較高，選取其作為刻度區(qū)，同時對比參考魏國齊等[14]最新研究成果，考慮川東鹽下成藏條件相對川中較差，運聚系數(shù)取值偏靠下限值，最終確定川東震旦系—寒武系天然氣總體運聚系數(shù)為0.4%（表4）。計算得到川東鹽下天然氣資源量為7701×108m3，資源潛力較大。

圖8 川東震旦系—寒武系烴源巖生氣史直方圖

圖9 川東及周緣地區(qū)震旦系—寒武系烴源巖累計生氣強(qiáng)度分布

表4 中國中西部主要盆地天然氣運聚系數(shù)統(tǒng)計結(jié)果

4 有利區(qū)優(yōu)選

川東地區(qū)天然氣主要是由海相烴源巖生成，兩套烴源巖均在三疊紀(jì)進(jìn)入高—過成熟階段?；谏艢怅P(guān)鍵時刻的天然氣流體勢和構(gòu)造形態(tài)，通過天然氣的運聚模擬，對鹽下進(jìn)行了運聚單元劃分，共分為5個運聚單元（圖10）。

圖10 川東及周緣地區(qū)鹽下運聚單元劃分

天然氣運聚模擬結(jié)果顯示，盆外運聚單元1與運聚單元4的天然氣聚集量較多，但從天然氣藏后期保存條件分析，盆地邊緣由于后期構(gòu)造活動性強(qiáng)，斷裂較為發(fā)育，保存條件較差，如鄂參1井、天1井和貓1井均產(chǎn)水，說明天然氣實際保存量不容樂觀[4]，可能基本已經(jīng)散失；盆內(nèi)第2運聚單元不利于天然氣的聚集，沒有天然氣顯示；盆內(nèi)第3運聚單元，即開江—梁平區(qū)塊資源量最為豐富，資源量為6832×108m3，約占工區(qū)范圍內(nèi)總資源量的42.5%；運聚單元5也有少量天然氣聚集。因此，川東地區(qū)開江—宣漢古隆起南部的大天池—雙家壩—明月峽構(gòu)造帶及川東東部的方斗山—大池干構(gòu)造帶為天然氣的重要指向區(qū)。

研究表明川東地區(qū)鹽下烴源巖對中—上寒武統(tǒng)無油氣貢獻(xiàn)[20]。單井及露頭巖性分析表明，川東震旦系—寒武系含油氣系統(tǒng)儲層為寒武系龍王廟組孔隙性白云巖和燈二段與燈四段白云巖，燈影組儲層天然氣主要來源于陡山沱組和筇竹寺組烴源巖，龍王廟組儲層天然氣來源于筇竹寺組[21-24]。

川東地區(qū)震旦系—寒武系發(fā)育一套局部蓋層和兩套區(qū)域蓋層，其中燈三段黑色泥巖可作為局部蓋層，筇竹寺組泥質(zhì)烴源巖廣泛發(fā)育，最厚可達(dá)200m，可作為區(qū)域性的蓋層。研究表明：膏巖地層埋深超過3000m以上具有極強(qiáng)的流動性和塑性，受應(yīng)力擠壓作用不易斷裂[25-26]。大天池—雙家壩—明月峽和方斗山—大池干構(gòu)造帶下的高臺子組膏巖發(fā)育，平均深度超過4000m，厚度為幾米至幾十米，因此高臺子組塑性膏泥巖可作為良好的區(qū)域性蓋層[4]。

綜合川東地區(qū)鹽下有效烴源巖分布、烴源巖生氣強(qiáng)度、生氣中心、天然氣運聚單元劃分及資源分布，并結(jié)合天然氣運聚模擬結(jié)果，優(yōu)選出兩個天然氣有利聚集區(qū)：開江—宣漢古隆起南部的大天池—雙家壩—明月峽構(gòu)造帶及川東東部的方斗山—大池干構(gòu)造帶，寒武系龍王廟組和震旦系燈影組儲層為有利的勘探方向。

5 結(jié)論

(1）川東地區(qū)筇竹寺組優(yōu)質(zhì)烴源巖沉積中心位于開縣—云陽一帶，最厚可達(dá)200m，其他地區(qū)烴源巖主體厚度介于100～150m之間；干酪根類型以I型為主，Ro平均為2.22%，TOC可達(dá)1.29%。陡山沱組烴源巖盆內(nèi)存在開縣—萬縣一個沉積中心，最厚可達(dá)80m，烴源巖主體厚度介于20～50m之間；干酪根類型以I型為主，TOC可達(dá)1.38%，Ro平均為2.50%。兩套烴源巖均處于高—過成熟階段，具有較好的生烴潛力。

(2）印支期為鹽下兩套烴源巖主要生排烴高峰期，陡山沱組生烴中心主要分布在方斗山構(gòu)造、萬縣構(gòu)造和云安場構(gòu)造；筇竹寺組烴源巖生氣中心主要分布在川東北盆地周邊地區(qū)。鹽下深層烴源巖生氣量為192.54×1012m3，天然氣資源量為7701×108m3，具有較大的資源潛力。

(3）根據(jù)盆地模擬結(jié)果結(jié)合地質(zhì)分析，確定了鹽下天然氣勘探方向：開江—宣漢古隆起南部的大天池—雙家壩—明月峽構(gòu)造帶及川東東部的方斗山—大池干背斜構(gòu)造帶，龍王廟組和燈影組儲層為有利的勘探目的層系。