中國(guó)南方3套海相頁巖氣成藏條件分析

何貴松，何希鵬，高玉巧，張培先，萬靜雅，黃小貞

（中國(guó)石化華東油氣分公司勘探開發(fā)研究院，南京 210011）

0 引言

中國(guó)南方廣泛發(fā)育下寒武統(tǒng)九門沖組、上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組和上二疊統(tǒng)大隆組等3套區(qū)域性海相富有機(jī)質(zhì)頁巖層系［1-6］，這3套層系均具有良好的生烴能力，但其頁巖氣勘探效果存在巨大差異［6］。王淑芳等［3］依據(jù)巖石結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、顏色、粒度分布和礦物組分等將四川盆地海相頁巖劃分為硅質(zhì)頁巖、鈣質(zhì)頁巖、黏土質(zhì)頁巖和混合頁巖等4種類型，并從地球化學(xué)特征、儲(chǔ)層特征、脆性、含氣性、地層壓力等方面與北美頁巖進(jìn)行了對(duì)比。趙文智等［6］以四川盆地及周緣地區(qū)為重點(diǎn)，研究了中國(guó)南方五峰組—龍馬溪組和筇竹寺組頁巖特征，并分析探討了二者成藏條件的差異性及產(chǎn)生差異的原因，從而預(yù)測(cè)了有利分布區(qū)。上述研究對(duì)中國(guó)南方海相頁巖類型進(jìn)行了劃分，并對(duì)成藏條件進(jìn)行了對(duì)比，揭示出不同類型頁巖的成藏條件和勘探潛力的差異性。

本文在開展大量實(shí)驗(yàn)分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合近年來勘探開發(fā)實(shí)踐，從先期建造階段的物質(zhì)基礎(chǔ)（包括沉積環(huán)境、地球化學(xué)、巖性組合、礦物成分等）到后期改造的聚氣條件（包括儲(chǔ)層物性、含氣性、保存條件、壓力系數(shù)等），對(duì)中國(guó)南方3套海相頁巖的頁巖氣成藏條件進(jìn)行分析與對(duì)比，并對(duì)產(chǎn)生差異的主控因素和對(duì)頁巖氣富集的影響進(jìn)行探討，提出針對(duì)不同類型頁巖進(jìn)行選區(qū)評(píng)價(jià)的技術(shù)方法，指出有利勘探方向，以期進(jìn)一步明確3套海相頁巖的勘探潛力，為中國(guó)南方海相頁巖氣勘探開發(fā)提供借鑒和參考。

1 頁巖氣成藏條件對(duì)比

頁巖氣藏的形成與演化經(jīng)歷先期建造和后期改造2個(gè)階段［7］。其中，先期建造階段是指從頁巖沉積開始到生烴結(jié)束，控制了沉積環(huán)境、巖性組合特征、地球化學(xué)、礦物組成等頁巖氣成藏的物質(zhì)基礎(chǔ)；后期改造階段是指從生烴結(jié)束到現(xiàn)今，控制了頁巖儲(chǔ)層物性的優(yōu)劣、保存條件的好壞、含氣量的高低和地層能量強(qiáng)弱等。

因泥頁巖先期建造和后期改造的差異，南方3套頁巖在泥頁巖類型、古生物群面貌、有機(jī)地化、礦物成分、儲(chǔ)層物性、保存條件和含氣性等方面也存在較大的不同，表現(xiàn)出不同類型的泥頁巖，其成藏條件、富集規(guī)律和勘探潛力也不盡相同。黔南地區(qū)A井、武隆地區(qū)B井、湘中地區(qū)C井分別針對(duì)九門沖組、五峰組—龍馬溪組、大隆組泥頁巖開展了系統(tǒng)取心，累計(jì)獲取巖心231 m，針對(duì)這些巖心開展了TOC、干酪根碳同位素、Ro、氬離子拋光掃描電鏡、比表面積及孔徑、氦氣法孔隙度、GRI法孔隙度、薄片鑒定、X射線衍射全巖礦物含量分析、X射線衍射黏土礦物相對(duì)含量分析、等溫吸附和現(xiàn)場(chǎng)含氣量測(cè)試等21類2 625項(xiàng)次實(shí)驗(yàn)分析。利用3口井的錄井資料、測(cè)井資料和巖心實(shí)驗(yàn)分析資料，結(jié)合試氣成果，分別從先期建造和后期改造等方面對(duì)3套海相頁巖的成藏條件開展對(duì)比研究。

1.1 先期建造對(duì)比與分析

1.1.1 沉積相及泥頁巖類型

中國(guó)南方經(jīng)歷了加里東期—喜山期的多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)通過對(duì)沉積旋回的控制孕育了多套泥頁巖層系［1，8］?？傮w上，晚震旦世—早奧陶世，研究區(qū)為被動(dòng)大陸邊緣盆地；中奧陶世—志留紀(jì)，演變?yōu)榕_(tái)內(nèi)坳陷盆地；泥盆紀(jì)—中三疊世，又轉(zhuǎn)化為裂陷盆地。3種盆地類型控制了南方九門沖組（又名：牛蹄塘組、筇竹寺組、水井沱組、荷塘組）、五峰組—龍馬溪組和大隆組等3套區(qū)域性海相富有機(jī)質(zhì)泥頁巖的發(fā)育與分布。

根據(jù)巖心描述、薄片鑒定、古生物鑒定等資料，結(jié)合沉積相研究，中國(guó)南方這3套海相泥頁巖沉積環(huán)境和巖石類型有較大差異。根據(jù)頁巖沉積建造特征，可將黔南坳陷九門沖組、渝東南地區(qū)五峰組—龍馬溪組和湘中地區(qū)大隆組泥頁巖劃分為被動(dòng)大陸邊緣深水陸棚相粉砂質(zhì)頁巖-硅質(zhì)頁巖互層型、臺(tái)內(nèi)坳陷深水陸棚相硅質(zhì)頁巖型和裂陷盆地深水臺(tái)凹泥巖-灰質(zhì)泥巖互層型等3種類型（表1）。

表1 中國(guó)南方海相頁巖類型對(duì)比Table1 Comparison of marineshaletypesin southern China

黔南地區(qū)九門沖組頁巖類型為被動(dòng)大陸邊緣深水陸棚相粉砂質(zhì)頁巖-硅質(zhì)頁巖互層型。黔南地區(qū)在早寒武世早期，基本繼承了晚震旦世西高東低的古地理格局，為被動(dòng)大陸邊緣深水陸棚相［9-10］，沉積了一套灰黑色—黑色硅質(zhì)頁巖和粉砂質(zhì)泥巖，累計(jì)厚度100～200 m。黔南地區(qū)A井九門沖組泥頁巖可以分為兩部分［圖1（a）］：下部為幸運(yùn)階，厚16 m，假整合于上震旦統(tǒng)燈影組白云巖之上，巖性為灰黑色硅質(zhì)巖，屬于熱液深水陸棚沉積，鄰區(qū)麻江露頭發(fā)育以海綿、須腕動(dòng)物和高肌蟲為代表的熱水生物群［1］；上部為第二階，厚 112 m，巖性為灰黑色硅質(zhì)頁巖與粉砂質(zhì)頁巖互層［圖2（a）］，均為中—薄層狀，黃鐵礦發(fā)育［圖2（b）］，水平層理和頁理較發(fā)育，薄片下見石英和長(zhǎng)石碎屑呈棱角—次棱角狀，為貧氧、弱水動(dòng)力的深水陸棚沉積，常見海綿骨針［圖2（c）］。

渝東南地區(qū)五峰組—龍馬溪組泥頁巖類型為臺(tái)內(nèi)坳陷深水陸棚相硅質(zhì)頁巖型。在奧陶紀(jì)末五峰組沉積時(shí)期，主要發(fā)育深水陸棚相沉積［11-13］，以一套穩(wěn)定分布的富有機(jī)質(zhì)、富筆石、含放射蟲硅質(zhì)頁巖為主；奧陶紀(jì)末，受全球冰川活動(dòng)影響，海平面迅速下降，沉積了觀音橋段生屑灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r和灰質(zhì)泥巖地層；龍馬溪組沉積早期再次發(fā)生較長(zhǎng)時(shí)期海侵，研究區(qū)處于欠補(bǔ)償臺(tái)內(nèi)坳陷的半深水—深水陸棚相沉積環(huán)境，發(fā)育了一套以灰黑色—黑色硅質(zhì)頁巖和頁巖為主的細(xì)粒沉積；龍馬溪組沉積中晚期，發(fā)生緩慢持續(xù)海退，由半深水陸棚逐步過渡為淺水陸棚相沉積。黑色富有機(jī)質(zhì)頁巖主要發(fā)育于五峰組—龍馬溪組下部，頁巖厚90～130 m。渝東南地區(qū)B井鉆遇的凱迪階灰黑色硅質(zhì)頁巖厚4.83 m［圖 1（b）、圖 2（d）］，筆石化石豐富［圖 2（e）］，發(fā)育WF2—WF3 帶筆石［11-13］，薄片下可見大量的放射蟲［圖2（f）］；赫南特階發(fā)育0.37 m厚觀音橋段深灰色含介殼灰質(zhì)泥巖，表明水體逐漸變淺。魯?shù)て谠俅伟l(fā)生海侵，B井鉆遇的魯?shù)るA灰黑色硅質(zhì)頁巖厚31.8 m，發(fā)育LM1—LM5帶筆石；魯?shù)るA灰黑色硅質(zhì)頁巖的質(zhì)地較純，內(nèi)部含少量夾層，頁理發(fā)育，薄片下硅質(zhì)與泥質(zhì)、有機(jī)質(zhì)多呈均勻分布，局部呈紋層狀分布。埃隆期開始緩慢海退，為半深水—淺水陸棚沉積環(huán)境，B井鉆遇的埃隆階灰黑色泥頁巖厚63.5 m，薄片下可見礦物顆粒變粗、陸源碎屑硅增多、水平層理發(fā)育。

湘中地區(qū)大隆組泥頁巖類型為裂陷盆地深水臺(tái)凹泥巖—灰質(zhì)泥巖互層型，巖性為泥巖、灰質(zhì)泥巖夾灰?guī)r，暗色泥巖厚100～150 m。湘中地區(qū)C井大隆組為深水臺(tái)凹相沉積［圖1（c）］，與上揚(yáng)子地區(qū)長(zhǎng)興組為同時(shí)異相，巖性為含灰泥巖、含灰硅質(zhì)頁巖、灰質(zhì)泥巖夾薄層泥灰?guī)r［圖2（g），（h）］，厚116 m，縱向上巖性變化較大，非均質(zhì)性較強(qiáng)，灰質(zhì)組分含量高；生物相為放射蟲、紅藻、線葉植物微相，含褐藻及疑源類，薄片下放射蟲和海綿骨針多被碳酸鹽巖化［圖 2（i）］。

圖1 中國(guó)南方3套海相頁巖綜合柱狀圖Fig.1 Comprehensivestratigraphic column of threesetsof marineshalein southern China

圖2 中國(guó)南方不同類型頁巖典型巖心及薄片照片（a）粉砂質(zhì)頁巖-硅質(zhì)頁巖，黔南地區(qū)，A井，九門沖組，2 370.45～2 370.69 m；（b）黃鐵礦發(fā)育，呈結(jié)核狀，黔南地區(qū)，A井，九門沖組，2 404.90 m；（c）含海綿骨針，黔南地區(qū)，A井，九門沖組，2 404.90 m；（d）硅質(zhì)頁巖，頁理發(fā)育，渝東南地區(qū)，B井，五峰組—龍馬溪組，2 811.91～2 812.06 m；（e）筆石化石豐富，渝東南地區(qū)，B井，五峰組—龍馬溪組，2 812.06 m；（f）含放射蟲，渝東南地區(qū)，B井，五峰組—龍馬溪組，2 832.25 m；（g）灰質(zhì)泥巖，方解石脈發(fā)育，湘中地區(qū)，C井，大隆組，609.12～617.50 m；（h）炭質(zhì)泥巖摩擦鏡面，湘中地區(qū)，C井，大隆組，617.50 m；（i）放射蟲和海綿骨針碳酸鹽化，湘中地區(qū)，C井，大隆組，620.10 m Fig.2 Photos of typical core and thin slices of different types of shale in southern China

1.1.2 有機(jī)地化特征

黔南地區(qū)A井九門沖組幸運(yùn)階硅質(zhì)巖TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.39%～5.10%，平均為3.10%；第二階硅質(zhì)頁巖與粉砂質(zhì)頁巖TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.8%～11.0%，平均為6.93%。Ro為2.67%～3.29%，平均為3.26%，為過成熟演化階段，在3套頁巖中最高。鄰區(qū)鉆井揭示有機(jī)質(zhì)熱演化程度更高，其中龍里地區(qū)Ro為4.2%～5.5%，黔西地區(qū)Ro為5.0%～5.5%，湘鄂西地區(qū)Ro為4.2%～4.7%。何希鵬等［11］通過研究認(rèn)為，當(dāng)Ro大于3.5%時(shí)，高熱演化頁巖在上覆地層壓力和構(gòu)造應(yīng)力作用下大孔大幅減少，小孔和微孔增加，孔隙度明顯減小，將不利于頁巖氣儲(chǔ)集和保存。黔南地區(qū)九門沖組有機(jī)顯微組分中，腐泥質(zhì)組分含量為87%～92%，為典型的腐泥型干酪根。

渝東南地區(qū)B井五峰組—龍馬溪組黑色頁巖TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.18%～6.21%，平均為2.64%，其中TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于2%的優(yōu)質(zhì)頁巖分布在凱迪階及魯?shù)るA，厚32 m，TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均為4.36%。Ro為2.3%～2.8%，平均為2.54%。干酪根碳同位素主體為-30.83‰～-23.74‰，表明有機(jī)質(zhì)類型以腐泥型為主，少量為腐殖—腐泥型。

湘中地區(qū)C井大隆組TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.45%～10.47%，平均為3.91%。Ro為1.63%～1.72%，處于生濕氣階段，熱演化程度在3套頁巖中最低。10件泥頁巖樣品熒光干酪根顯微組分及類型測(cè)試結(jié)果表明，干酪根顯微組分以惰質(zhì)組為主，平均體積分?jǐn)?shù)為91.2%，腐泥組、殼質(zhì)組和鏡質(zhì)組3者體積分?jǐn)?shù)不足10.0%，因此干酪根類型為腐殖型，具有較大的生氣潛力。

1.1.3 礦物組成

黔南地區(qū)A井九門沖組巖石中的礦物以石英為主，平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為52.3%，黏土礦物平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20.2%，長(zhǎng)石平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12.6%，碳酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般小于10%（圖3）。渝東南地區(qū)B井凱迪階—魯?shù)るA泥頁巖礦物組成與九門沖組具有一定的相似性，石英平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為54.2%，黏土礦物平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為24.7%，長(zhǎng)石平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%，碳酸鹽礦物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均小于7%。埃隆階泥頁巖的礦物組成明顯不同，以黏土礦物為主，平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)46.1%，石英平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低至33.8%，碳酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大至9%。湘中地區(qū)C井大隆組的碳酸鹽礦物含量明顯高于九門沖組和五峰組—龍馬溪組，平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為34.2%，最高可達(dá)58.9%，石英平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35.1%，黏土礦物平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為22.4%，長(zhǎng)石平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.5%。

圖3 中國(guó)南方3套頁巖礦物組成圖Fig.3 Mineral composition of three sets of shale in southern China

3套頁巖在礦物組成上具有一定的差異性，反映了其沉積環(huán)境和母巖性質(zhì)略有不同，但整體上具有脆性礦物含量高的特征，有利于壓裂改造。九門沖組石英含量普遍較高，尤其是底部發(fā)育硅質(zhì)巖，其石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高可達(dá)93%，為熱水成因類型；五峰組—龍馬溪組自上而下的硅質(zhì)礦物含量逐漸增大，黏土礦物含量逐漸減小，與TOC分布規(guī)律一致，巖心上可見大量筆石，薄片下可見大量放射蟲，反映了硅質(zhì)礦物主要為生物成因；大隆組泥頁巖碳酸鹽含量較高，表明沉積水體較淺，同時(shí)薄片觀察可見石英顆粒粒徑較大，棱角狀為主，以陸源碎屑石英為主，該套頁巖在被壓裂改造時(shí)，可適當(dāng)加大酸液用量以提高儲(chǔ)層改造效果。

1.2 后期改造對(duì)比與分析

中國(guó)南方3套海相頁巖先后經(jīng)歷了不同期次和規(guī)模的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)改造，構(gòu)造演化及變形特征、地層抬升剝蝕程度、孔隙的保存與破壞、頁巖氣聚集與逸散等均有顯著差異，造成了儲(chǔ)層的物性、含氣性和地層壓力均有明顯不同。

1.2.1 儲(chǔ)層物性

利用氬離子拋光-掃描電鏡、原子力顯微鏡和納米CT等分析技術(shù)，結(jié)合巖心觀察和薄片鑒定，可以發(fā)現(xiàn)中國(guó)南方3套頁巖的孔隙類型基本一致，主要儲(chǔ)集空間為納米—微米級(jí)有機(jī)質(zhì)孔隙，亦發(fā)育粒間孔、晶間孔、粒內(nèi)孔、溶蝕孔和微裂縫等［14-17］，不同孔隙類型的發(fā)育程度、連通性、孔徑有較大差異。黔南地區(qū)A井九門沖組泥頁巖樣品經(jīng)氬離子拋光后放置到掃描電鏡下觀察，可見有機(jī)質(zhì)孔較發(fā)育，但連通性差，孔徑較小，以小孔（孔徑介于2～10 nm）、微孔（孔徑小于 2 nm）為主［圖 4（a）］，與低溫氮?dú)馕椒y(cè)得的孔徑分布基本一致，小孔占比高達(dá)60.4%，微孔占比21.6%，中大孔（孔徑大于10 nm）占比較少，合計(jì)為18%（表2）；渝東南地區(qū)B井五峰組—龍馬溪組氬離子拋光-掃描電鏡揭示有機(jī)質(zhì)孔非常發(fā)育，孔徑較大，部分孔徑可達(dá)20～200 nm［圖4（b）］，低溫氮?dú)馕椒y(cè)得小孔占比為42%，微孔占比為29.2%，中大孔占比為29%。湘中地區(qū)C井大隆組泥頁巖樣品低溫氮?dú)馕椒y(cè)得的孔徑整體較大，其中中孔（孔徑介于10～50 nm）占比40.3%，大孔（孔徑大于50 nm）占比39.6%，小孔和微孔較少，合計(jì)20.2%。

3套頁巖的比表面積和孔隙度也存在較大差異。九門沖組比表面積較大，平均為26.9 m2/g，與有機(jī)質(zhì)豐度高和孔徑小有關(guān)；氦氣法測(cè)得孔隙度為1.70%～3.68%，平均為2.65%（表2）。五峰組—龍馬溪組比表面積中等，平均為23.0 m2/g；氦氣法孔隙度為2.9%～5.9%，平均為4.95%。大隆組比表面積平均為17.6 m2/g，孔隙度為2.12%～6.20%，平均為4.52%。由此可見，九門沖組頁巖有機(jī)質(zhì)孔隙發(fā)育程度低，以小孔和微孔為主，孔隙度低，物性較差，表明受后期改造作用大，先期建造過程中形成的大量孔隙在成巖過程中被壓實(shí)和充填，物性變差。五峰組—龍馬溪組和大隆組的孔徑較大，孔隙度為3%～6%，物性相對(duì)較好，表明后期改造相對(duì)較弱，先期建造過程中形成的孔隙得到一定程度地保存。

圖4 九門沖組及五峰組—龍馬溪組頁巖掃描電鏡圖像對(duì)比Fig.4 Comparison of SEM between Jiumenchong Formation and Wufeng-Longmaxi Formation

表2 中國(guó)南方3套頁巖儲(chǔ)層物性參數(shù)對(duì)比Table2 Comparison of reservoir property parametersof threesetsof shalein southern China

1.2.2 保存條件及含氣性

四川盆地及周緣地區(qū)頁巖氣鉆井表明，保存條件是決定頁巖氣能否富集成藏的關(guān)鍵因素［18-20］，保存條件越好，地層壓力系數(shù)越高，越有利于頁巖氣的高產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)。

受雪峰構(gòu)造帶的北西向擠壓和遞進(jìn)發(fā)展的影響，川中—湘中地區(qū)構(gòu)造具有分區(qū)性，自南東向北西可以劃分為湘中坳陷、雪峰隆起、湘鄂西斷褶帶、川東斷褶帶和川中平緩褶皺帶等5個(gè)構(gòu)造區(qū)，自雪峰隆起西緣到川中地區(qū)，具有南東“隔槽式”和北西“隔擋式”的結(jié)構(gòu)特征［21］，構(gòu)造變形時(shí)間具有“東早西晚”特征，抬升幅度呈現(xiàn)“東高西低”，變形強(qiáng)度“東強(qiáng)西弱”，核部出露地層“東老西新”，頁巖層系后期改造作用造成的氣體散失時(shí)間變短。湘鄂西斷褶帶的東南部，印支期開始褶皺變形，背斜呈寬闊的箱狀，核部主要出露寒武系—奧陶系；向斜狹窄、呈線狀，核部主要由上古生界及中生界組成，背斜和向斜相間組成“隔槽式”結(jié)構(gòu)。五峰組—龍馬溪組和大隆組殘留于緊閉向斜內(nèi)，頁巖氣保存條件差，九門沖組在背斜區(qū)，埋深適中，具有一定的勘探潛力。湘鄂西斷褶帶的西北部靠近四川盆地，燕山早期開始褶皺變形，復(fù)向斜和復(fù)背斜相間分布，構(gòu)成了槽擋轉(zhuǎn)換帶，整體相對(duì)寬緩，復(fù)背斜帶多為應(yīng)力集中區(qū)，斷裂相對(duì)發(fā)育，抬升幅度高，復(fù)向斜帶構(gòu)造抬升幅度小，剝蝕程度低，核部發(fā)育有侏羅系—三疊系地層，斷裂不發(fā)育，構(gòu)造穩(wěn)定。九門沖組在復(fù)背斜帶埋深適中，具有一定的勘探潛力。五峰組—龍馬溪組和大隆組殘留于復(fù)向斜中，構(gòu)造穩(wěn)定，有利于頁巖氣富集。川東斷褶帶與湘鄂西斷褶帶的分界線為齊岳山斷裂，自燕山晚期—喜山期開始褶皺變形。背斜緊閉，地層陡傾，核部出露二疊系—三疊系，內(nèi)部伴生逆斷層，結(jié)構(gòu)復(fù)雜；向斜寬闊，核部出露侏羅系，地層相對(duì)平緩，呈屜狀，內(nèi)部構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單。緊閉的背斜與開闊平緩的向斜相間排列，以志留系等主要滑脫層組成“隔擋式”結(jié)構(gòu)。在向斜區(qū)，3套頁巖保存條件好，但埋深普遍過大，在目前工程工藝技術(shù)條件下實(shí)現(xiàn)規(guī)模開采的難度大；高陡背斜及其翼部埋深適中，裂縫發(fā)育，頁巖氣保存程度較好，同時(shí)有利于五峰組—龍馬溪組和大隆組壓裂。川中平緩褶皺帶構(gòu)造寬緩，變形程度弱，地層齊全，受雪峰造山運(yùn)動(dòng)影響小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，總體上有利于3套頁巖氣的保存。湘中坳陷主要為中泥盆世—早三疊世的海相沉積，經(jīng)歷了印支、燕山及喜山3個(gè)構(gòu)造變形期，形成了現(xiàn)今向西凸起的弧形構(gòu)造，構(gòu)造變形強(qiáng)烈，殘留向斜相對(duì)有利于大隆組頁巖氣的保存。

九門沖組泥頁巖形成于早寒武世，時(shí)代老，經(jīng)歷的熱演化時(shí)間長(zhǎng)，構(gòu)造運(yùn)動(dòng)期次多，改造強(qiáng)度大，宏觀上，其保存條件不如五峰組—龍馬溪組和大隆組。四川盆地內(nèi)，九門沖組頁巖褶皺程度和地層剝蝕強(qiáng)度弱，斷裂發(fā)育少，保存條件相對(duì)較好，但大部分地區(qū)埋深大于4 500 m，威遠(yuǎn)—井研、長(zhǎng)寧地區(qū)埋深適中，為2 500～4 500 m，其中W201井直井壓裂后獲日產(chǎn)氣1.08萬m3，JS1井直井壓裂后獲日產(chǎn)氣2.78萬m3，JY1 HF井壓裂后獲日產(chǎn)氣約4萬m3。四川盆地外的九門沖組頁巖的構(gòu)造變形強(qiáng)度大，通天斷層發(fā)育，保存條件變差。黔南地區(qū)A井處于“隔槽式”褶皺帶的背斜區(qū)，構(gòu)造相對(duì)復(fù)雜，斷裂發(fā)育，離斷層的距離小于500 m，九門沖組埋深2 437 m。氣測(cè)異常顯示集中在地層中部的2 325～2 390 m，泥漿相對(duì)密度1.09，全烴一般為1.0%～4.4%，C1一般為0.8%～2.8%，靠近頂板和底板的層段氣測(cè)顯示較差，全烴一般為0.2%～0.6%；測(cè)井解釋含氣質(zhì)量體積平均為2.21 m3/t，以吸附氣為主，占比為81%；直井壓裂后測(cè)試最高日產(chǎn)氣418 m3，返排率達(dá)到137.7%，返排液的氫、氧同位素分析表明，A井壓裂溝通了斷層，淺層地表水順斷層進(jìn)入壓裂層段，導(dǎo)致該井低產(chǎn)。同時(shí)，九門沖組底板為震旦系燈影組白云巖風(fēng)化殼，封蓋性能較差。A井取心結(jié)果表明，燈影組白云巖較為破碎，網(wǎng)狀裂縫發(fā)育，見方解石脈溶蝕現(xiàn)象。黔中隆起及周緣地區(qū)FS1井和D1井在燈影組產(chǎn)水，最高日產(chǎn)水3 300 m3，因此，燈影組封蓋條件較差。九門沖組頁巖氣易向下逸散，同時(shí)壓裂易溝通燈影組水層，規(guī)避燈影組頂部含水層是壓裂成功的關(guān)鍵。

五峰組—龍馬溪組泥頁巖沉積時(shí)間晚于九門沖組，構(gòu)造改造強(qiáng)度較九門沖組低，頂板為龍馬溪組龍二段—龍三段發(fā)育150～200 m厚致密泥巖和粉砂質(zhì)泥巖，底板為臨湘組—寶塔組致密灰?guī)r，溶孔溶洞不發(fā)育，頂?shù)装宸飧魲l件較好。渝東南地區(qū)處于“槽—擋”過渡帶，構(gòu)造寬緩，殘留面積大，地層保存完整、發(fā)育齊全，保存條件相對(duì)較好，B井位于渝東南地區(qū)靠近四川盆地的第一排向斜，五峰組埋深2 837 m，五峰組—龍馬溪組連續(xù)氣測(cè)異常厚度達(dá)95 m，泥漿相對(duì)密度1.35，全烴一般為3.0%～9.0%，最高為12.4%，C1一般為2.0%～8.0%，最高為11.8%；測(cè)井解釋含氣質(zhì)量體積平均為6.2 m3/t，其中游離氣占61%；地層壓力系數(shù)為1.08，測(cè)試初期穩(wěn)定日產(chǎn)氣4.6萬m3。四川盆地的盆緣區(qū)發(fā)育背斜、斜坡和向斜等構(gòu)造類型，埋深適中，約為2 000～4 000 m，地層壓力系數(shù)為1.2～1.6，焦石壩構(gòu)造的地層壓力系數(shù)為1.50～1.55，單井測(cè)試產(chǎn)量高；平橋背斜地層壓力系數(shù)為1.3，單井測(cè)試日產(chǎn)量為18.4～89.5萬m3。盆地內(nèi)部保存條件更好，壓力系數(shù)為1.2～2.0，但埋深普遍較大，約為 3 800～6 500 m，為典型深層頁巖氣，目前僅少數(shù)井（Z202-H1井）獲得了高產(chǎn)工業(yè)氣流，深層壓裂改造工藝尚處于探索階段。

大隆組泥頁巖沉積時(shí)間晚，目前尚處于生氣窗，是二疊系—三疊系海相氣田和部分陸相氣田的主要烴源巖。大隆組頂板為飛仙關(guān)組碳酸鹽巖儲(chǔ)層，頂板條件相比五峰組—龍馬溪組較差，錄井資料和氣測(cè)異常顯示主要集中于地層中部，亦說明氣體向頂板發(fā)生了運(yùn)移。該套頁巖分布范圍相對(duì)較小，主要分布于川東北、桂中、湘中、下?lián)P子等地區(qū)，其中四川盆地內(nèi)構(gòu)造變形程度較弱，保存條件較好，大量鉆井揭示含氣性較好，埋深跨度大，盆緣埋深約為1 000～3 500 m，盆內(nèi)埋深約為3 000～5 500 m；四川盆地外，構(gòu)造改造強(qiáng)度大，背斜區(qū)已剝蝕殆盡，殘留于部分向斜中，埋深為300～2 000 m；湘中地區(qū)C井大隆組埋深僅676 m，氣測(cè)異常顯示共6處，累計(jì)厚度為46 m，泥漿相對(duì)密度1.05～1.11，全烴一般為0.9%～2.0%，最高為2.3%，C1一般為0.5%～1.5%，最高為1.8%；測(cè)井解釋含氣質(zhì)量體積平均為0.81 m3/t，游離氣占比48.8%；對(duì) 600～620 m進(jìn)行直井大型加砂壓裂，最高日產(chǎn)氣1 252 m3，地層壓力以常壓為主。

與北美主要頁巖氣盆地和焦石壩頁巖氣田相比，這3套頁巖具有一定相似性和差異性（圖5）。黔南地區(qū)A井九門沖組有利條件包括深水陸棚沉積、泥頁巖厚度大、有機(jī)質(zhì)豐度高、黏土含量適中和埋深適中等，不利條件包括熱成熟度過高、沉積年代早、經(jīng)歷的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)期次多和地層壓力系數(shù)低等。渝東南地區(qū)B井五峰組—龍馬溪組有利條件包括深水陸棚沉積、泥頁巖厚度大、有機(jī)質(zhì)豐度高、熱成熟度適中、黏土含量低和埋深適中等，不利條件為沉積年代早、經(jīng)歷的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)期次較多和地層壓力系數(shù)略低等。湘中地區(qū)C井大隆組有利條件包括深水臺(tái)凹相沉積、泥頁巖厚度大、有機(jī)質(zhì)豐度中高、熱成熟度適中、黏土含量適中、沉積年代適中和經(jīng)歷的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)期次較少等，不利條件包括埋深淺和地層壓力系數(shù)低等。

圖5 中國(guó)南方3套頁巖主要參數(shù)與北美主要頁巖氣藏參數(shù)對(duì)比Fig.5 Comparison of main parametersbetween three setsof shalein southern China and major shale gasreservoirsin North America

2 有利勘探方向

通過成藏條件對(duì)比研究，結(jié)合近年勘探開發(fā)實(shí)踐，逐步明確了中國(guó)南方3套頁巖受先期建造和后期改造的雙重控制，其中五峰組—龍馬溪組頁巖成藏條件最優(yōu)，九門沖組次之，大隆組最差，且不同頁巖成藏主控因素和選區(qū)評(píng)價(jià)的參數(shù)指標(biāo)明顯不同。五峰組—龍馬溪組為臺(tái)內(nèi)坳陷深水陸棚相硅質(zhì)頁巖型，巖性較均質(zhì)、夾層少，泥頁巖連續(xù)厚度大，有機(jī)質(zhì)豐度高、類型好、熱成熟度適中，孔隙以有機(jī)孔為主，生物成因硅質(zhì)含量高，黏土含量適中，埋深適中，頂?shù)装宸忾]性能好，勘探潛力大，為最有利的勘探開發(fā)層系，目前已進(jìn)入大規(guī)模商業(yè)開發(fā)階段。優(yōu)質(zhì)頁巖的厚度、頁巖氣保存條件和可壓性均是該套層系頁巖氣選區(qū)評(píng)價(jià)的重點(diǎn)。九門沖組泥頁巖為被動(dòng)大陸邊緣深水陸棚相粉砂質(zhì)泥頁巖和硅質(zhì)泥頁巖互層型，泥頁巖厚度大，有機(jī)質(zhì)豐度高，以Ⅰ型為主，硅質(zhì)含量高，黏土含量適中，生烴潛力大；但頁巖沉積年代早，經(jīng)歷的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)期次多、熱成熟度高、埋深較大，同時(shí)底板為震旦系燈影組白云巖風(fēng)化殼，常含水，頁巖氣易向下逸散，壓裂易溝通水層，目前尚處于勘探初始階段，是下一步頁巖氣勘探開發(fā)的重要接替層系。熱演化程度、構(gòu)造穩(wěn)定性和埋深是寒武系頁巖氣選區(qū)評(píng)價(jià)的重點(diǎn)。大隆組泥頁巖為裂陷盆地深水臺(tái)凹泥頁巖和灰質(zhì)泥頁巖互層型，泥頁巖累計(jì)厚度大，有機(jī)碳含量高，熱成熟度和埋深均適中，但分布范圍有限，粉砂巖或灰?guī)r夾層多，且在地層厚度中占比大，碳酸鹽礦物含量高，脆性礦物含量相對(duì)較低，頂?shù)装宸馍w條件差，目前鉆至該組的鉆井較少，勘探潛力有待進(jìn)一步落實(shí)，為潛在有利層系；有利相帶、富有機(jī)質(zhì)頁巖連續(xù)厚度和可壓性均是該套層系頁巖選區(qū)評(píng)價(jià)的重點(diǎn)。

2.1 九門沖組頁巖氣有利勘探方向

四川盆地中部威遠(yuǎn)—井研地區(qū)、黔南坳陷黃平—岑鞏地區(qū)、黃陵隆起南緣宜昌地區(qū)［20］均處于深水陸棚相帶，優(yōu)質(zhì)頁巖厚度為60～200 m，熱演化程度為2.6%～3.4%，構(gòu)造相對(duì)穩(wěn)定，地層產(chǎn)狀較平緩，埋深2 300～4 000 m，為寒武系頁巖氣勘探有利區(qū)（圖6）。其中威遠(yuǎn)—井研地區(qū)單井測(cè)試日產(chǎn)氣1～4萬m3，黃陵隆起南緣EYY1井距離出露區(qū)10.2 km，含氣質(zhì)量體積為3～4 m3/t，測(cè)試日產(chǎn)氣6萬m3，這2個(gè)地區(qū)可以作為下一步重點(diǎn)攻關(guān)目標(biāo)區(qū)。黔南坳陷黃平地區(qū)A井直井測(cè)試獲得日產(chǎn)氣418 m3，岑鞏地區(qū)CY1井氣測(cè)顯示較好，直井壓裂測(cè)試，火焰高度2～5 m，表明該區(qū)具有一定的頁巖氣勘探潛力。

2.2 五峰組—龍馬溪組頁巖氣有利勘探方向

四川盆地中部的威遠(yuǎn)—榮縣—富順—永川—大足—重慶地區(qū)、川南的長(zhǎng)寧—昭通地區(qū)、川東南的涪陵—南川—綦江地區(qū)，四川盆地外的桐梓—道真—武隆—彭水一帶均處于深水陸棚有利相帶，優(yōu)質(zhì)頁巖的厚度為20～40 m，地層壓力系數(shù)為1.0～2.0，可壓性好（脆性礦物含量高，巖石力學(xué)參數(shù)和地應(yīng)力環(huán)境利于壓裂形成復(fù)雜網(wǎng)縫），為五峰組—龍馬溪組頁巖氣勘探開發(fā)有利區(qū)（圖6）。四川盆地總體具有良好的頁巖氣富集條件，但埋深普遍超過3 800 m，壓裂形成復(fù)雜縫網(wǎng)的難度較大，盆內(nèi)的背斜區(qū)、盆緣的背斜及斜坡區(qū)頁巖埋深2 500～3 800 m，天然縫發(fā)育、地應(yīng)力適中均有利于壓裂改造和獲得高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)[22-23]。四川盆地外的頁巖氣勘探以向斜為主，向斜核部埋深大、離剝蝕邊界遠(yuǎn)、裂縫發(fā)育程度和開啟程度低，保存條件優(yōu)于翼部，更利于頁巖氣富集。渝東南地區(qū)以武隆向斜為典型代表，為寬緩的殘留向斜，面積1 260 km2，地層殘留較齊全，斷裂不發(fā)育，五峰組—龍馬溪組頁巖埋深為1 500～4 500 m，B井位于向斜翼部，距離剝蝕邊界9.9 km，埋深為2 837 m，水平井壓裂測(cè)試日產(chǎn)氣4.6萬m3，表明該區(qū)頁巖氣勘探潛力較大。

圖6 中國(guó)南方3套頁巖的有利勘探區(qū)分布圖Fig.6 Favorable exploration areas for three sets of shale in southern China

2.3 大隆組頁巖氣有利勘探方向

湘中漣源地區(qū)的大隆組處于深水臺(tái)凹沉積，泥頁巖連續(xù)厚度為90～120 m，TOC為3%～5%，脆性礦物含量高，為大隆組頁巖氣勘探較有利區(qū)（圖6）。該區(qū)C井鉆探結(jié)果顯示大隆組埋深僅676 m，直井壓裂測(cè)試獲得日產(chǎn)氣 1 252 m3，推測(cè)如果優(yōu)選埋深更大的目標(biāo)，單井產(chǎn)量會(huì)進(jìn)一步增高。

3 結(jié)論

（1）受泥頁巖先期建造和后期改造的控制，中國(guó)南方古生界3套海相頁巖氣成藏條件具有顯著差異：①五峰組—龍馬溪組頁巖氣成藏條件最優(yōu)，九門沖組次之，大隆組相對(duì)最差。②五峰組—龍馬溪組泥頁巖類型為臺(tái)內(nèi)坳陷深水陸棚相硅質(zhì)頁巖型，具有有機(jī)碳含量高、熱成熟度適中、有機(jī)質(zhì)孔隙發(fā)育、物性好、頂?shù)装鍡l件好和含氣量較高等特征，地層壓力由雪峰西緣向四川盆地逐漸增高，盆外以常壓為主，盆內(nèi)以超壓為主，為最有利勘探開發(fā)層系。③九門沖組頁巖類型為被動(dòng)大陸邊緣深水陸棚相粉砂質(zhì)頁巖—硅質(zhì)頁巖互層型，生烴潛力大，但頁巖沉積年代早，經(jīng)歷的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)期次多，熱成熟度高，有機(jī)質(zhì)孔隙欠發(fā)育，物性較差，底板封隔條件差，含氣量較低，以常壓為主，埋深較大，為重要接替層系。④大隆組泥頁巖類型為裂陷盆地深水臺(tái)凹泥頁巖—灰質(zhì)泥頁巖互層型，具有泥頁巖累計(jì)厚度大、有機(jī)碳含量高、熱成熟度和埋深均適中等特征，但分布范圍有限，粉砂巖或灰?guī)r夾層多，“泥地比”較小，黏土礦物含量高，頂?shù)装宸馍w性差，含氣量較低，以常壓為主，為潛在有利層系。

（2）依據(jù)中國(guó)南方3套頁巖成藏條件的對(duì)比，分別明確了不同頁巖選區(qū)評(píng)價(jià)的重點(diǎn)，優(yōu)選了有利區(qū)。①熱演化程度、構(gòu)造穩(wěn)定性和埋深均是寒武系頁巖氣選區(qū)評(píng)價(jià)的重點(diǎn)。四川盆地中部威遠(yuǎn)—井研地區(qū)、黔南坳陷黃平—岑鞏地區(qū)、黃陵隆起南緣宜昌地區(qū)等3個(gè)地區(qū)為寒武系頁巖氣勘探有利區(qū)。②優(yōu)質(zhì)頁巖厚度、頁巖氣保存條件和可壓性是五峰組—龍馬溪組頁巖氣選區(qū)評(píng)價(jià)的重點(diǎn)。四川盆地中部的威遠(yuǎn)—榮縣—富順—永川—大足—重慶地區(qū)、川南的長(zhǎng)寧—昭通地區(qū)、川東南的涪陵—南川—綦江地區(qū)，四川盆地外的桐梓—道真—武隆—彭水一帶均為五峰組—龍馬溪組頁巖氣勘探開發(fā)有利區(qū)；四川盆地內(nèi)的背斜區(qū)、盆緣的背斜及斜坡區(qū)更利于壓裂改造和獲得高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)；盆外向斜核部比翼部均更利于頁巖氣富集。③有利相帶、富有機(jī)質(zhì)頁巖連續(xù)厚度和可壓性均是大隆組頁巖氣選區(qū)評(píng)價(jià)的重點(diǎn)。湘中漣源地區(qū)為大隆組頁巖氣勘探有利區(qū)。