龍門山前陸盆地南段須五段頁巖氣 富集條件及有利區(qū)評價(jià)

鄧 濤，李 勇

(1.成都理工大學(xué)，四川 成都 610059； 2.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610059)

0 引 言

龍門山前陸盆地內(nèi)沉積了海相、海陸交互相和陸相富有機(jī)質(zhì)烴源巖[1]，須家河組頁巖油氣資源潛力為736.8×108t[2]。當(dāng)今大量的基礎(chǔ)地質(zhì)和油氣地質(zhì)工作主要是針對海相頁巖氣的研究，限制了整個(gè)地區(qū)頁巖氣資源的綜合評價(jià)。目前世界范圍內(nèi)前陸盆地中富含的陸相黑色頁巖沉積體系研究還相對較為薄弱，亟待針對典型前陸盆地的黑色頁巖沉積特征進(jìn)行解剖與分析。

前人認(rèn)為：龍門山前陸盆地須五段擁有較為優(yōu)質(zhì)的頁巖儲層，其頁巖總有機(jī)碳含量平均值大于2.0%；有機(jī)質(zhì)以Ⅲ型干酪根為主；頁巖巖石熱演化程度較高，油浸鏡質(zhì)體反射率為1.20%～1.80%，生烴潛力巨大[3]；頁巖的巖石學(xué)特性較優(yōu)，巖石脆度較高，黏土礦物含量適中或偏低(小于30%)[4-5]。陳剛等[6]結(jié)合露頭剖面實(shí)測、測井解釋、礦物分析等手段，對川西—川北地區(qū)上三疊統(tǒng)須家河組須五段(T3x5)的頁巖氣成藏地質(zhì)條件作了詳細(xì)分析。但是，前人針對川西南部須五段頁巖氣富集地質(zhì)條件的評價(jià)較少[7-8]，無法綜合評價(jià)南段的頁巖氣勘探前景。因此，利用野外露頭剖面、巖心觀察、地球化學(xué)測試資料及前人成果綜合研究了龍門山前陸盆地南段須五段陸相頁巖的有效厚度及埋深、總有機(jī)碳含量、熱成熟度、頁巖儲層脆性特征等頁巖氣富集地質(zhì)條件，并通過引入頁巖氣綜合地質(zhì)評價(jià)指數(shù)，進(jìn)一步明確研究區(qū)有利勘探區(qū)域。

1 地質(zhì)背景

研究區(qū)位于龍門山前陸盆地南段，其北部以新場構(gòu)造帶為邊界，南靠大涼山構(gòu)造帶，西鄰龍門山褶皺沖斷帶，東接龍泉山構(gòu)造帶，總面積約為20 312.5 km2。四川盆地經(jīng)歷了震旦紀(jì)至中三疊世的被動大陸邊緣階段以及晚三疊世至今的沖斷帶—前陸盆地系統(tǒng)發(fā)育階段[9]，龍門山前陸盆地是在印支運(yùn)動的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，地層垂向上表現(xiàn)為海相碳酸鹽巖到陸相碎屑巖的一個(gè)轉(zhuǎn)化過程。晚三疊世龍門山前陸盆地充填地層厚度巨大，在龍門山?jīng)_斷帶前緣超過5 km，地層厚度從北西向南東遞減。晚三疊世龍門山前陸盆地充填地層從老到新依次為上三疊統(tǒng)馬鞍塘組、小塘子組(相當(dāng)于須一段)和須家河組，在川西地區(qū)，須家河組可以劃分為6段(須六段在川西地區(qū)整體缺失，須五段在川西北地區(qū)為非沉積區(qū))。須一、三、五段主要為細(xì)粒泥頁巖，間夾粉砂巖或砂巖，為濱淺湖相沉積環(huán)境[10]；須二、四、六段主體為厚層砂巖沉積，主要為淺水辮狀河三角洲沉積環(huán)境。

2 須五段頁巖氣富集地質(zhì)條件

2.1 沉積環(huán)境分析

沉積環(huán)境決定了沉積巖體的性質(zhì)，水深安靜缺氧環(huán)境有利于形成優(yōu)質(zhì)烴源巖，這對頁巖氣的物質(zhì)基礎(chǔ)和保存條件至關(guān)重要。在經(jīng)過須四期“安縣運(yùn)動”之后，須五段沉積時(shí)期處于基準(zhǔn)面穩(wěn)定上升且相對安靜的湖相沉積環(huán)境中。在前人研究的基礎(chǔ)上[11-14]，通過實(shí)測剖面及巖心觀察結(jié)果，須五段沉積相具有北西向南東分帶展布的特征：研究區(qū)主體發(fā)育湖泊相沉積，靠近盆緣發(fā)育小型辮狀河三角洲沉積，湖泊相以深湖亞相為主，濱淺湖亞相次之，有利于大套黑色頁巖的發(fā)育，為頁巖氣藏提供了堅(jiān)實(shí)的物質(zhì)基礎(chǔ)。

2.2 頁巖有效厚度及埋深

黑色頁巖的分布和有效厚度是頁巖氣富集的首要條件，只有單層黑色頁巖達(dá)到足夠的有效厚度時(shí)才能夠提供大量的有機(jī)質(zhì)和自身儲集空間。另外，頁巖的厚度也和頁巖氣的封蓋及保存能力成正比[15]。

龍門山前陸盆地上三疊統(tǒng)須家河組須五段在垂向上表現(xiàn)為頁巖與砂巖頻繁互層，在收集龍門山前陸盆地南段多個(gè)構(gòu)造帶上鉆井巖性分布統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，將單井的每一個(gè)頁巖巖性段厚度內(nèi)部的砂巖夾層厚度扣除。據(jù)美國的頁巖氣開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，有效的頁巖氣儲層厚度一般不小于30 m[16]，而研究區(qū)頁巖較厚區(qū)域單層頁巖厚度超過35 m的層位有20層，其中有5層的單層厚度在60 m以上，并且埋深基本在3 500 m以深。與美國典型盆地的頁巖氣層位相比，埋藏普遍較深，但仍在可開發(fā)深度范圍內(nèi)。

須家河組須五段在3 500 m以淺的有效頁巖分布較為廣泛，在龍門山前陸盆地南段幾乎都有分布，僅僅在蓮花山構(gòu)造帶附近缺失。頁巖發(fā)育比較薄的地區(qū)出現(xiàn)在漢王場、龍泉山一帶。至埋深4 500 m以淺，發(fā)現(xiàn)橫向上僅在蓮花山構(gòu)造帶附近頁巖厚度分布有變化，其余地區(qū)的頁巖分布只是在縱向上的厚度增加。龍門山前陸盆地南部須五段頁分布廣泛且厚度大，大部分地區(qū)的有效厚度(單層30 m以上)為200～600 m，埋深無論在3 500 m還是4 500 m以淺的有效頁巖均主要分布在三和場—白馬廟構(gòu)造一帶，其厚度范圍為400～700 m(圖1)。

總之，龍門山前陸盆地中的陸相頁巖主要分布在須家河組須五段中，并且具有8個(gè)巖性段的頁巖儲層。研究區(qū)中部為須五段的主要沉積區(qū)，其頁巖的有效厚度(單層30 m以上)為200～600 m。其特點(diǎn)表現(xiàn)為總厚度大、平面分布穩(wěn)定，大部分有效頁巖分布在3 500 m以淺地層中。

圖1 龍門山前陸盆地南段須五段黑色頁巖平面厚度分布

2.3 總有機(jī)碳含量

利用研究區(qū)內(nèi)20口鉆井的350余個(gè)烴源巖總有機(jī)碳含量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并輔以實(shí)驗(yàn)測試樣品120個(gè)，編制了研究區(qū)須五段富有機(jī)質(zhì)泥頁巖TOC含量平面分布圖(圖2)。龍門山前陸盆地南段須五段黑色頁巖的TOC含量在霧中山至漢王場之間的構(gòu)造帶較低，在東部的蓮花山、蘇碼頭、龍泉山構(gòu)造帶較高，其TOC均值為2.6%。研究區(qū)優(yōu)質(zhì)烴源巖主要分布在丹棱、蒲江等大片區(qū)域，TOC含量為2.4%～3.6%(圖2)。目前商業(yè)性頁巖氣開發(fā)的TOC一般為2.0%，除研究區(qū)北部都江堰地區(qū)較差外，其余地區(qū)基本滿足商業(yè)性頁巖氣開發(fā)的下限值。

2.4 熱成熟度

研究區(qū)內(nèi)鉆井巖心樣品的分析測試結(jié)果顯示，須五段頁巖具有較高的成熟度，其鏡質(zhì)體反射率大都在1.30%以上(圖3)，對于腐殖型Ⅲ型干酪根而言，已經(jīng)進(jìn)入了高熟的熱演化階段，濕氣大量產(chǎn)生。在平面上(圖3)，Ro平均值大于1.25%，在雅安局部地區(qū)Ro大于2.00%，Ro以蒲江為中心向周圍逐漸減小，在靠近龍門山前陸盆地中段的區(qū)域，Ro值有所增加。受造山帶的構(gòu)造熱事件影響，在雅安滎經(jīng)地區(qū)Ro值最大，青龍鄉(xiāng)剖面(QLP)測到的最大值為2.56%，平均值超過1.80%。總體來看，南段須五段頁巖中的有機(jī)質(zhì)普遍處于成熟晚期，少部分已進(jìn)入高成熟早期干氣生成階段，生氣條件良好。

圖2龍門山前陸盆地南部須五段頁巖TOC平面分布

圖3龍門山前陸盆地南段須五段Ro平面分布

2.5 頁巖儲層脆性特征

根據(jù)巖石學(xué)特征研究，黑色頁巖的主要礦物成分為石英、長石、黏土和碳酸鹽礦物，并含少量的黃鐵礦、菱鐵礦。頁巖脆度可以作為頁巖儲層改造潛力的評價(jià)指標(biāo)，從而為儲層壓裂提供科學(xué)指導(dǎo)，所以脆度研究在頁巖氣的勘探開發(fā)中具有重要的意義。成分脆度[17-18]是指利用礦物成分函數(shù)來定義頁巖的巖石脆性特征，在工業(yè)生產(chǎn)上運(yùn)用廣泛，其計(jì)算公式為：

(1)

式中：B為成分脆度；Q為石英、長石類礦物含量，%；C為碳酸鹽類礦物含量，%；CL為黏土類礦物含量，%。

龍門山前陸盆地南段的鉆井基本鉆遇至須五段，其成分脆度基本保持在0.49以上(表1)。頁巖脆度在龍門山前陸盆地南部地區(qū)靠近造山帶逐漸增加，并且具有較高的儲層改造潛力，有利于儲層水力壓裂。

表1 研究區(qū)典型井須五段黑色頁巖成分脆度

3 有利勘探區(qū)塊優(yōu)選

頁巖氣的地質(zhì)選區(qū)中主要涉及到烴源巖的厚度和埋藏深度、有機(jī)碳含量、有機(jī)質(zhì)類型及成熟度、頁巖脆度以及孔滲等因素。根據(jù)前人建立的頁巖氣評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[19]，對研究區(qū)內(nèi)各指標(biāo)進(jìn)行評分(P)。前人參考各種因素對頁巖氣成藏的貢獻(xiàn)，一般將這些因素分別賦予權(quán)重系數(shù)(K)，然后進(jìn)行頁巖氣地質(zhì)選區(qū)的總體評價(jià)[19]。在對以上各種參數(shù)進(jìn)行權(quán)重賦值時(shí)，由于缺乏實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，參考四川盆地頁巖氣勘探開發(fā)經(jīng)驗(yàn)來確定各因素在頁巖氣富集中占有的權(quán)重系數(shù)(KTOC為0.25，Kh為0.25，KH為0.2，KRo為0.15，Kb為0.15)，制訂了龍門山前陸盆地南段的頁巖綜合評價(jià)方法。

頁巖氣綜合地質(zhì)評價(jià)公式為：

X=PhKh+PTOCKTOC+PRoKRo+PbKb+PHKH

(2)

式中：Ph為頁巖厚度對應(yīng)分值；PTOC為有機(jī)碳含量對應(yīng)分值；PRo為有機(jī)質(zhì)成熟度對應(yīng)分值；Pb為頁巖脆度對應(yīng)分值；PH為埋藏深度對應(yīng)分值；K為相應(yīng)的因素權(quán)重；X為各項(xiàng)加和的總分值。

龍門山前陸盆地南段須五段頁巖厚度主要以桑園—蒲江一帶為中心，向四周變薄，埋深由南向北逐漸加深。桑園—蒲江一帶頁巖厚度大于200 m，Ro>1.20%，TOC>1.2%，埋深小于3 500 m。據(jù)綜合地質(zhì)評價(jià)指數(shù)分析，其平均綜合地質(zhì)評價(jià)分值為88，屬于優(yōu)質(zhì)頁巖氣儲層，且該區(qū)須五段上部大部分均有侏羅系泥巖地層覆蓋，保存條件良好，地表以平原和低山為主，交通方便，是南段須五段頁巖氣勘探的有利區(qū)域(圖4)。

4 結(jié) 論

(1) 研究區(qū)須五段頁巖氣富集地質(zhì)條件十分優(yōu)越，主要表現(xiàn)在有效厚度及埋深、總有機(jī)碳含量、熱成熟度、脆性礦物含量等方面：頁巖的有效厚度(單層30 m以上)為200～400 m，具有總厚度大、平面分布穩(wěn)定的特點(diǎn)，并且大部分有效頁巖分布在3 500 m以淺地層中；頁巖TOC平均值為1.8%，在桑園、蒲江等區(qū)域更是高達(dá)2.4%～3.6%，蓮花山、蘇碼頭、龍泉山構(gòu)造帶次之；有機(jī)質(zhì)熱演化程度高，基本進(jìn)入成熟—高成熟早期階段；脆性較高，成分脆度保持在0.50以上，具有較好的水力壓裂儲層改造潛力。

(2) 按照龍門山前陸盆地頁巖氣綜合地質(zhì)評價(jià)指數(shù)進(jìn)行有利區(qū)劃分，研究區(qū)內(nèi)綜合地質(zhì)評價(jià)分值大于80的區(qū)域較大。其主要的有利區(qū)分布在眉山以西的蒲江—桑園區(qū)塊，其分布范圍覆蓋了三蘇場、平落壩、漢王場等重要背斜構(gòu)造帶，面積超過4 000 km2。

(3) 該研究豐富了四川盆地陸相頁巖氣的勘探評價(jià)目標(biāo)，可為未來前陸盆地型陸相頁巖氣的勘探提供借鑒。

圖4龍門山前陸盆地南段須五段頁巖氣有利區(qū)