四川盆地上三疊統(tǒng)須家河組陸相頁巖氣資源潛力分析

陳 果 劉哿行 李洪璽 蔣 可 田 衡

（1.中國石油川慶鉆探工程有限公司地質(zhì)勘探開發(fā)研究院，四川 成都 610051；2.四川長寧天然氣開發(fā)有限責(zé)任公司，四川 成都 610051）

0 引言

近年來，中國頁巖氣勘探開發(fā)取得了重大突破和快速發(fā)展，截至2018 年底，四川盆地累計(jì)探明頁巖氣地質(zhì)儲(chǔ)量超過1 × 1012m3［1］，年產(chǎn)能達(dá)到130 ×108m3，單井測(cè)試日產(chǎn)量最高達(dá)到138 × 104m3。已形成一套具有中國特色的頁巖氣成藏理論、核心勘探開發(fā)技術(shù)、裝備及標(biāo)準(zhǔn)，重點(diǎn)建成了重慶涪陵、四川長寧— 威遠(yuǎn)及滇黔北昭通3 個(gè)國家級(jí)頁巖氣示范區(qū)，開發(fā)層位為下志留統(tǒng)龍馬溪組— 上奧陶統(tǒng)五峰組海相頁巖層系。據(jù)董大忠等的研究，四川盆地縱向上存在著6 套富有機(jī)質(zhì)頁巖［2］，除了海相五峰組— 龍馬溪組頁巖氣實(shí)現(xiàn)了重大突破外，陸相須家河組也見到了良好的頁巖油氣顯示，在川西、川西南、川東北等多個(gè)地區(qū)的須家河組頁巖中測(cè)試獲得數(shù)千立方米至數(shù)萬立方米的工業(yè)氣流［3-4］。為此，對(duì)四川盆地須家河組陸相頁巖進(jìn)行了研究。

1 地質(zhì)特征

四川盆地位于四川省和重慶市所屬轄區(qū)，面積約19 × 104km2，縱向上發(fā)育海相筇竹寺組、五峰組— 龍馬溪組、海陸過渡相龍?zhí)督M及陸相須家河組、自流井組多套頁巖地層。其中，上三疊統(tǒng)須家河組的湖相頁巖具有分布廣、厚度大、保存條件好的特點(diǎn)。

1.1 須家河組沉積背景

在三疊紀(jì)晚期的印支運(yùn)動(dòng)中，四川盆地周緣隆起使得盆地成為內(nèi)陸湖盆，沉積了上三疊統(tǒng)須家河組巨厚砂泥巖系地層。晚三疊世早期須家河組一段沉積期，在揚(yáng)子板塊與華北板塊閉合、碰撞過程中，揚(yáng)子板塊與松潘— 甘孜地塊之間發(fā)生裂離，揚(yáng)子板塊向西傾伏，川西地區(qū)形成了殘留海。晚三疊世中期須家河組二段沉積期，海水已經(jīng)全面退出該區(qū)，龍門山隆升為盆地沉積的物源區(qū)。從須家河組二段到六段，盆地沉降中心由綿竹— 中江向盆地中部的南充方向遷移，反映了前陸盆地發(fā)展由龍門山造山帶向盆地?cái)D壓推進(jìn)的過程。晚三疊世末期，松潘— 甘孜地塊逆沖于上揚(yáng)子板塊之上，龍門山前陸沖斷帶形成，結(jié)束了晚三疊世前陸盆地的演化歷史［5］。自盆緣山地到盆地中央，沉積體系主要由沖積扇、扇三角洲、河流相過渡到沼澤及湖泊相，沉積中心主要位于川西龍門山山前一帶。在須一段、須三段及須五段時(shí)期，整個(gè)盆地為湖侵期，四川盆地大部分為濱淺湖沉積，沉積物以細(xì)粒泥巖、頁巖為主，局部地區(qū)出現(xiàn)薄煤層。在須二段、須四段及須六段時(shí)期，盆地為湖退期，四川盆地大部分為三角洲沉積，沉積物以砂巖為主。四川盆地須家河組縱向上可分為須一段— 須六段共6 個(gè)段（圖1），其中須二段、須四段及須六段主要為致密砂巖，是須家河組重要的致密氣產(chǎn)氣層段，在全盆地已成熟開發(fā)。須一段、須三段及須五段主要為暗色頁巖，夾薄層煤線、粉砂巖、粉砂質(zhì)頁巖等，是須家河組及淺層侏羅系的重要生烴層系。

1.2 頁巖礦物組成

前人通過對(duì)須家河組頁巖巖心觀察、薄片鑒定、掃描電鏡及X射線衍射分析（表1）表明，須家河組暗色頁巖主要礦物成分為石英+長石、黏土礦物及碳酸鹽礦物，含少量的黃鐵礦、菱鐵礦，部分地區(qū)見豐富的植物碎屑［3，6-10］。受物源影響，頁巖中碳酸鹽礦物主要分布在川西坳陷及川北、川東北— 川中一帶，在川南地區(qū)碳酸鹽礦物含量最低。須家河組頁巖黏土礦物主要有伊利石、伊／蒙混層、高嶺石及綠泥石等，未見蒙脫石，其中又以伊／蒙混層與綠泥石含量最高，平均含量分別為42.3%及30.7%［9］160。

表1 四川盆地須家河組頁巖巖心X射線衍射分析含量統(tǒng)計(jì)表

1.3 頁巖展布特征

圖1 四川盆地須家河組綜合柱狀圖

據(jù)100余口井的鉆井資料統(tǒng)計(jì)，四川盆地須家河組頁巖厚度總體較大，其中須家河組一段頁巖厚度總體是西北最厚，向南東方向逐漸減薄的趨勢(shì)（圖2）。在樂山— 資陽— 遂寧— 南充— 儀隴— 劍閣一線以西的地區(qū)頁巖較厚，其厚度多大于40 m。該段頁巖厚度最大的區(qū)域?yàn)槎冀呶髂喜?，其厚度值?00 m以上，其次為綿陽以東地區(qū)，頁巖厚度超過180 m。須家河組三段頁巖厚度分布趨勢(shì)與須家河組一段近似，總體上看均是西北厚，向南東方向變薄（圖3）。其中在宜賓— 長寧一帶以南、大足— 重慶一帶以及廣元— 旺蒼一帶最薄，其厚度值小于20 m。在都江堰西南部最厚，厚度值大于160 m，其次為劍閣— 梓潼一帶，厚度大于140 m。須家河組五段頁巖厚度總體上川西最厚，向東及向南方向均逐漸變薄（圖4）。在都江堰— 雅安— 眉山一帶最厚，厚度值超過240 m，在自貢— 宜賓— 沐川一帶最薄，頁巖厚度不足20 m。

圖2 四川盆地須家河組一段頁巖殘余厚度等值線圖

圖3 四川盆地須家河組三段頁巖殘余厚度等值線圖

2 地球化學(xué)特征

2.1 總有機(jī)碳含量

圖4 四川盆地須家河組五段頁巖殘余厚度等值線圖

陸相頁巖總有機(jī)碳含量（TOC）通常大于1.0%就被認(rèn)為是有利頁巖，大于2.0%則認(rèn)為是優(yōu)質(zhì)頁巖。據(jù)不同地區(qū)頁巖樣品TOC 分析測(cè)試，四川盆地須家河組頁巖TOC 普遍較高， 絕大多數(shù)樣品均大于1.0%［3-4，6-8，11-15］。不同層段頁巖的TOC分布特征存在差異，從須家河組一段TOC 等值線圖可知，該段TOC大于2.0%的區(qū)域主要分布在川西南邛崍— 樂山一帶及川北劍閣— 旺蒼— 儀隴一帶（圖5），面積約3.1 × 104km2。須家河組三段TOC 大于2.0%的區(qū)域主要分布在安縣— 德陽、雅安— 邛崍、大足— 開縣3個(gè)區(qū)域（圖6），面積約7.8 × 104km2，占全盆地面積的40%。須家河組五段TOC 大于2.0%的區(qū)域位于雅安— 成都— 犍為一帶及南充— 達(dá)州— 涪陵一帶（圖7），合計(jì)面積約9.2 × 104km2，占全盆地面積的近47%。

圖5 四川盆地須家河組一段TOC等值線圖

圖6 四川盆地須家河組三段TOC等值線圖

2.2 有機(jī)質(zhì)成熟度和類型

四川盆地須家河組須一、須三及須五段的頁巖作為上三疊統(tǒng)及侏羅系的重要烴源巖，其熱演化程度總體上較高。川東北達(dá)州地區(qū)須家河組頁巖鏡質(zhì)體反射率值（Ro）為1.58%～2.42%，平均值為1.86%［8］73，普光地區(qū)須家河組頁巖Ro為1.11%～2.42%，平均值為1.96%，說明川東北地區(qū)須家河組頁巖處于高—過成熟演化階段［15］25。川西坳陷須家河組頁巖總體演化程度高，縱向上隨埋深增加熱演化程度增高［11］21，Ro從須五段最低1.02%增加到須一段最高3.78%，多數(shù)區(qū)域Ro大于1.3%，在綿陽— 德陽— 雅安一帶部分地區(qū)Ro大于2.0%。川西坳陷須家河組頁巖總體上處于高— 過成熟演化階段。前人通過對(duì)川西南20口井82個(gè)樣品進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析［4］25結(jié)果表明，須家河組頁巖有機(jī)質(zhì)成熟度大于等于0.9% 且小于1.2% 的占17%，有機(jī)質(zhì)成熟度大于等于1.2%且小于1.8%的占樣品總數(shù)的84%，有機(jī)質(zhì)成熟度平均值為1.32%，說明該區(qū)頁巖成熟度已進(jìn)入高成熟度階段。前人通過干酪根碳同位素法、顯微組分分析法及H／C-O／C 原子比等多種方法，對(duì)四川盆地須家河組不同地區(qū)不同層位的頁巖進(jìn)行了有機(jī)質(zhì)類型判別，判別結(jié)果主要為腐殖型（III 型），少數(shù)為腐泥— 偏腐殖混合型（II2型）［3-4，8，11，13，16，17］，此結(jié)果也側(cè)面說明了須家河組主要為陸相沉積。

3 物性特征

據(jù)黃金亮等研究，須家河組頁巖儲(chǔ)集空間類型包括剩余粒間孔、黏土礦物晶間微孔、黃鐵礦粒間孔、溶蝕孔、有機(jī)質(zhì)孔、微裂縫，頁巖孔隙以納米級(jí)基質(zhì)孔為主，有機(jī)質(zhì)孔局部發(fā)育［3，9］（圖8）。盆地內(nèi)各地區(qū)測(cè)得的須家河組各層頁巖孔隙度平均值大多在1.6%～3.3%，總體上均較低，明顯比下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖的孔隙度差［4，9-11，18］，后者多數(shù)在5.0%～10.0%。

4 保存條件

四川盆地須家河組地層整體呈層狀分布，須一段、須三段、須五段頁巖與須二段、須四段及須六段致密砂巖呈 “三明治” 式疊置成藏模式，這種模式有利于整個(gè)氣藏的保存。另外，除了在盆地邊緣發(fā)育較多的斷層外，其他區(qū)域很少見規(guī)模性大斷層。根據(jù)龍馬溪組頁巖氣勘探開發(fā)經(jīng)驗(yàn)表明，在遠(yuǎn)離剝蝕區(qū)及通天大斷層10 km以上的頁巖氣藏都可以得到很好的保存。須家河組有利頁巖分布區(qū)地層埋深多數(shù)大于1 000 m。綜上所述，四川盆地須家河組須一段、須三段及須五段頁巖氣藏保存條件總體較好。

圖8 須家河組頁巖場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡下儲(chǔ)集空間特征圖

5 資源量概算

前人針對(duì)不同地區(qū)須家河組頁巖進(jìn)行了含氣量的測(cè)定，川西地區(qū)總含氣量豐度平均為1.37 m3／t，川東北— 川中一帶總含氣量豐度平均為1.28 m3／t。分別將TOC 大于等于2.0%的優(yōu)質(zhì)頁巖分布區(qū)疊合到須一段、須三段及須五段頁巖等厚圖上，可加權(quán)獲得各層優(yōu)質(zhì)頁巖平均厚度。根據(jù)測(cè)井和分析化驗(yàn)資料可知，頁巖的巖石密度一般為2.50～2.65 g／cm3，取平均值為2.60 g／cm3。按體積法計(jì)算得出四川盆地須家河組須一段、須三段及須五段優(yōu)質(zhì)頁巖段的疊合面積為127 703 km2，頁巖氣地質(zhì)資源量約為46.451 88 × 1012m3（表2）。

表2 四川盆地須家河組頁巖氣地質(zhì)資源量估算結(jié)果表（TOC≥2.0%）

6 結(jié)論

1） 四川盆地須家河組須一段、須三段及須五段發(fā)育陸相暗色頁巖，厚度較大、分布較穩(wěn)定，總體上在川西坳陷區(qū)厚度最大，向川東南方向逐漸減薄。

2） 四川盆地須家河組頁巖TOC 大于等于2.0%的優(yōu)質(zhì)頁巖分布范圍廣，疊合面積約占全盆地面積的66%。

3） 須家河組頁巖有機(jī)質(zhì)類型主要為腐殖型，熱演化程度較高，Ro多分布在1.8%～2.0%，處于高成熟— 過成熟階段。

4） 須家河組頁巖孔隙度主要分布在1.6%～3.3%，比龍馬溪組頁巖的孔隙度差。

5） 四川盆地須家河組頁巖氣資源潛力較大，優(yōu)質(zhì)頁巖分布面積為127 703 km2，估算地質(zhì)資源量約為46.451 88 × 1012m3。