川東地區(qū)龍?zhí)督M頁巖氣成藏地質(zhì)條件與有利區(qū)評價

王曉蕾， 曹正杰， 楊強(qiáng)強(qiáng)， 毛 芮， 寧 闖， 王鴻宇，趙 權(quán)， 梁家林， 王 真， 陳嘉欣

(1.呂梁學(xué)院礦業(yè)工程系, 呂梁 033000；2.煤礦機(jī)械裝備維護(hù)與檢測試驗呂梁市重點實驗室,呂梁 033000；3.中國石油青海油田分公司采油二廠, 茫崖 817500)

頁巖氣作為非常規(guī)油氣的一種,具有短距離運(yùn)力及“原地成藏”的特點,包括游離及吸附兩種形態(tài)賦存于頁巖孔隙中。大面積連續(xù)分布的特點使得成熟泥頁巖具有極大的天然氣蘊(yùn)藏量。四川盆地發(fā)育多套泥頁巖[1],包括震旦系陡山沱組、寒武系牛蹄塘組、志留系龍馬溪組等海相頁巖及二疊系龍?zhí)督M海陸交互相含煤泥頁巖[2]。四川盆地是中國頁巖氣勘探開發(fā)的重點地區(qū),對海相頁巖的研究程度相對較深,并已取得一定的突破[3-4]。隨即開展大規(guī)模海項頁巖氣的勘探,同時海陸交互相及陸相頁巖進(jìn)入人們的視野,但針對陸相及海陸交互相泥頁巖的研究尚處于初步評價階段,相關(guān)技術(shù)缺乏[5]。由于海陸交互相沉積水體的局限及動蕩,該環(huán)境下形成的頁巖通常具有分布不連續(xù)、分布面積小、橫向變化快、單層厚度小、累計總厚度較大、有機(jī)質(zhì)豐度高、有機(jī)質(zhì)類型差、黏土礦物含量高、泥頁巖脆性低的特點[6]。

針對川東地區(qū)碳酸鹽巖地層的鉆采過程中發(fā)現(xiàn)龍?zhí)督M具有明顯的氣測異?，F(xiàn)象[7],指示川東地區(qū)龍?zhí)督M泥頁巖可能具有較大的天然氣勘探潛力,但是并未作為目標(biāo)層位進(jìn)行系統(tǒng)的研究,對川東地區(qū)龍?zhí)督M泥頁巖能否形成頁巖氣藏尚無明確結(jié)論。因此,為了查明川東地區(qū)二疊系龍?zhí)督M泥頁巖天然氣勘探潛力,對比海相頁巖氣成藏規(guī)律,考慮川東地區(qū)實際地質(zhì)情況,從生烴條件及儲集條件著手,通過分析泥頁巖沉積環(huán)境、有機(jī)質(zhì)豐度、有機(jī)質(zhì)成熟度及儲集特征,探討川東地區(qū)龍?zhí)督M泥頁巖成藏地質(zhì)條件,其區(qū)域地質(zhì)與地層柱狀圖如圖1所示。

圖1 研究區(qū)區(qū)域地質(zhì)圖與地層綜合柱狀圖Fig.1 Theregional geological map of the research area and the comprehensive chart of the formation

1 區(qū)域地質(zhì)概況

研究區(qū)主體處于四川盆地五大構(gòu)造帶的川東高陡褶皺帶內(nèi)[8-10],整體被華鎣山及齊岳山兩大斷裂帶夾持[11]。地表構(gòu)造表現(xiàn)為一系列北北東-北東方向展布的寬緩向斜與緊閉背斜相間排列形成的隔檔式褶皺帶。川東地區(qū)構(gòu)造環(huán)境較為發(fā)展,發(fā)育4條近北東向展布的基底斷裂。龍?zhí)督M沉積前,四川盆地表現(xiàn)為西南高、北東低的構(gòu)造格局,受東吳運(yùn)動及峨眉山地裂作用的聯(lián)合影響,受強(qiáng)烈拉張作用的影響,川東地區(qū)整體下沉[4,12-13],同時形成廣旺—開江—梁平拗張槽,海水由南東及北東兩個方向向拗拉槽內(nèi)快速涌入,形成缺氧的深水沉積環(huán)境[14-16]。沉積相分布如圖2[6]所示。受地形差異及物源供給差異的影響,沿南西向北東方向,川東地區(qū)龍?zhí)督M沉積環(huán)境由河流相向深水陸棚相過渡,巖性組合及地層厚度亦發(fā)生明顯的變化,南西向向水體較淺,地層薄,龍?zhí)督M主要發(fā)育泥巖、砂巖夾薄層的煤層,陸源碎屑物質(zhì)含量高[17],向北東方向,水體加深,地層厚度明顯增大,地層巖性表現(xiàn)為薄層煤系地層沉積減少,海相硅質(zhì)礦物及灰質(zhì)成分增加[18]。

圖2 四川盆地上二疊統(tǒng)龍?zhí)镀诔练e相平面分布圖[6]Fig.2 Plane distribution map of sedimentary facies in longtan period of upper permian in Sichuan Basin[6]

龍?zhí)督M與下伏茅口組灰?guī)r呈平行不整合接觸,與上覆長興組呈整合接觸。川東地區(qū)龍?zhí)督M泥頁巖主要發(fā)育于中下部,向上具有頁巖與灰?guī)r互層現(xiàn)象。

2 泥巖巖生烴條件

頁巖有機(jī)質(zhì)類型、豐度、泥頁巖厚度、熱演化程度等有機(jī)地球化學(xué)特征是衡量泥頁巖生烴潛力的資源量的重要指標(biāo)。

2.1 有機(jī)質(zhì)類型

沉積有機(jī)質(zhì)類型的差異直接影響生烴產(chǎn)物的類型及形成過程,盡管在3種不同類型有機(jī)質(zhì)頁巖中均發(fā)現(xiàn)頁巖氣藏,但是中外商業(yè)性頁巖氣體田中的頁巖有機(jī)質(zhì)以Ⅰ型和Ⅱ1型為主,并認(rèn)為Ⅰ型和Ⅱ1有機(jī)質(zhì)發(fā)育的頁巖具有較好的勘探開發(fā)潛力。因此對以Ⅲ型有機(jī)質(zhì)發(fā)育為主的煤系地層的勘探開發(fā)較少。

對川東地區(qū)龍?zhí)督M泥頁巖樣品進(jìn)行碳同位素及有機(jī)質(zhì)鏡檢測試結(jié)果表明:龍?zhí)督M泥頁巖有機(jī)質(zhì)顯微組分主要由鏡質(zhì)組及惰質(zhì)組組成,二者含量在90%以上,殼質(zhì)組含量極少,同時,部分樣品含有極少量的腐泥組及動物碎屑。鏡質(zhì)組含量介于68.4%～94.3%,平均含量為87.1%,惰質(zhì)組分成含量在0～31.6%,平均含量14.6%,殼質(zhì)組成分含量不高于3%,腐泥組成分含量普遍在1%以下,個別樣品含量為38%,動物碎屑含量最高為1%,固體瀝青少量發(fā)育。泥頁巖有機(jī)質(zhì)碳同位素測定結(jié)果顯示δ13C介于-28.4‰～-22.1‰(表1)。根據(jù)有機(jī)質(zhì)類型分類標(biāo)準(zhǔn),川東地區(qū)龍?zhí)督M泥頁巖有機(jī)質(zhì)干酪根類型主要為Ⅲ型干酪根,同時含有部分腐泥型干酪根。結(jié)合顯微鏡檢及干酪根碳同位素測定結(jié)果,表明川東地區(qū)龍?zhí)督M泥頁巖有機(jī)質(zhì)主要來源為高等植物。

表1 川東地區(qū)龍?zhí)督M泥頁巖有機(jī)質(zhì)碳同位素及顯微組分Table 1 Carbon isotope and macerals of the organic matter in Longtan Formation in eastern Sichuan

2.2 泥頁巖厚度及TOC含量

泥頁巖厚度及總有機(jī)碳(total organic carbon,TOC)含量共同決定生烴母質(zhì)的含量,只有當(dāng)有機(jī)質(zhì)含量及泥頁巖厚度達(dá)到一定程度時才具備工業(yè)開采價值[19],受開采工藝及經(jīng)濟(jì)效益的差異影響,目前國際上對泥頁巖商業(yè)開采TOC含量及厚度下限尚無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),中國將2%作為TOC含量的下限，將30 m作為有效頁巖厚度下限。川東地區(qū)龍?zhí)督M泥頁巖有機(jī)質(zhì)豐度測試結(jié)果顯示:TOC含量差異明顯,多分布于0.47%～30.2%,部分樣品有機(jī)質(zhì)含量可達(dá)58%以上,泥頁巖其中有機(jī)質(zhì)含量大于30.2%的樣品為煤樣,正常泥頁巖樣品有機(jī)質(zhì)含量最高為12.3%,平均含量為3.86%。不同地區(qū)有機(jī)含量差異明顯,其中華鎣山地區(qū)泥頁巖有機(jī)質(zhì)含量在2.32%～3.46%,平均含量2.84%,開江—云陽地區(qū)龍?zhí)督M泥頁巖有機(jī)質(zhì)含量在3.14%～12.3%,平均含量4.15%,為川東地區(qū)有機(jī)質(zhì)含量最高的地區(qū)。根據(jù)四川盆地龍?zhí)督M厚度與有機(jī)質(zhì)豐度疊合圖結(jié)果,川東地區(qū)龍?zhí)赌鄮r厚度與有機(jī)質(zhì)豐度中心不重合,該現(xiàn)象的形成可能與北東向陸相高等植物有機(jī)質(zhì)供應(yīng)不足有關(guān)。

2.3 有機(jī)質(zhì)熱演化程度及生烴強(qiáng)度

一定的熱演化程度是有機(jī)質(zhì)向油氣轉(zhuǎn)化的動力,只有一定的熱演化,泥頁巖有機(jī)質(zhì)才開始向烴類轉(zhuǎn)化[20-21]。在一定成熟范圍內(nèi),有機(jī)質(zhì)生烴效率與熱演化程度呈正比關(guān)系。有機(jī)質(zhì)熱演化程度可通過有機(jī)質(zhì)鏡質(zhì)體反射率及生烴強(qiáng)度進(jìn)行定量表征[22-23]。

川東地區(qū)龍?zhí)督M泥頁巖有機(jī)質(zhì)熱演化程度及生烴強(qiáng)度與有機(jī)質(zhì)豐度具有相似的變化特征,在開江—云陽地區(qū)有機(jī)質(zhì)熱演化程度及生烴強(qiáng)度高于華鎣山地區(qū)(圖3[18]),鏡質(zhì)體反射率測定結(jié)果顯示,華鎣山地區(qū)龍?zhí)督M泥頁巖有機(jī)質(zhì)鏡質(zhì)體反射率Ro介于0.84%～1.46%,平均為1.09%,處于低成熟階段,生烴強(qiáng)度小于30×108m3/km2,宣漢—云陽地區(qū)龍?zhí)督M泥頁巖有機(jī)質(zhì)熱演化程度最高,鏡質(zhì)體反射率Ro介于2.23%～3.14%,平均為2.73%,有機(jī)質(zhì)熱演化程度均達(dá)到過成熟階段,生烴強(qiáng)度大于50×108m3/km2。川東其他地區(qū)頁巖有機(jī)質(zhì)熱演化程度Ro主體介于1.58%～2.87%,平均含量為1.84%,達(dá)到高-過成熟階段,根據(jù)中外對頁巖有效性評價及優(yōu)質(zhì)頁巖含氣性影響性要素研究指出,適度的有機(jī)質(zhì)熱演化程度是頁巖氣大量生成的必要條件,并指出Ro在1.3%～3.5%對有機(jī)質(zhì)熱解生烴具有重要作用,除華鎣山地區(qū)龍?zhí)督M頁巖處于低成熟階段,川東地區(qū)龍?zhí)督M泥頁巖均達(dá)到成熟,處于主生氣階段,泥頁巖生烴強(qiáng)度大。顯示了川東地區(qū)龍?zhí)督M良好的生烴潛力。

圖3 四川盆地龍?zhí)督M現(xiàn)今累計生烴強(qiáng)度平面分布圖[18]Fig.3 Plane distribution map of cumulative hydrocar bon generation intensity in Longtan Formation in Sichuan Basin[18]

3 泥頁巖儲層發(fā)育特征

泥頁巖孔隙是氣體賦存的主要空間,孔隙類型、孔隙結(jié)構(gòu)及孔隙度對頁巖氣含氣量及賦存狀態(tài)具有決定性作用。根據(jù)泥頁巖孔隙發(fā)育基質(zhì)的差異,可將泥頁巖孔隙分為有機(jī)孔、無機(jī)孔及裂縫等3類。

3.1 泥頁巖全巖礦物組成及脆性

高脆性礦物含量的泥頁巖不僅有利于原生裂縫的形成,在后期水力壓裂開發(fā)過程中越有利于形成復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)。川東地區(qū)龍?zhí)督M泥頁巖樣品全巖礦物鑒定結(jié)果顯示:其主要包括石英、碳酸鹽巖、黏土礦物及極少部分自生黃鐵礦(表2),同時不同地區(qū)及深度段礦組組成具有明顯差異,開江—云陽地區(qū)的頁巖樣品石英礦物含量最高可達(dá)90%以上,華鎣山及其他地區(qū)頁巖樣品石英含量在10.2%～34.6%,平均含量為21.4%,長石、白云石等碳酸鹽巖礦物含量在10%以下,黏土礦物含量在53%～80%,平均含量為62%,針對龍?zhí)督M泥頁巖礦物組成的復(fù)雜性,將石英、長石、碳酸鹽巖等作為脆性礦物進(jìn)行泥頁巖脆性計算,結(jié)果顯示,龍?zhí)督M泥頁巖總脆性指數(shù)在48%以上,表明龍?zhí)督M泥頁巖具有良好的脆性。

表2 川東地區(qū)龍?zhí)督M泥頁巖礦物組分Table 2 Shale mineral components of Longtan Formation in eastern Sichuan

3.2 泥頁巖孔隙空間類型

掃描電鏡結(jié)果顯示,川東地區(qū)龍?zhí)督M泥頁巖孔隙類型包括無機(jī)孔、有機(jī)孔及微裂縫等3類,由于龍?zhí)督M有機(jī)質(zhì)類型為高等植物提供的Ⅲ型干酪根,主要為鏡質(zhì)組組成,在有機(jī)質(zhì)熱演化成熟過程中,鏡質(zhì)組不利于有機(jī)質(zhì)生烴孔隙的形成。因此,川東地區(qū)龍?zhí)督M泥頁巖中有機(jī)質(zhì)生烴孔不發(fā)育,僅存在生烴增壓作用形成的微裂縫及殘余生物結(jié)構(gòu)孔。龍?zhí)督M泥頁巖無機(jī)孔主要包括礦物邊緣縫、黏土礦物孔隙及溶蝕孔,龍?zhí)督M黏土礦物組成主要為伊蒙混層,黏土礦物顆粒相互堆積,發(fā)育棉絮狀的微觀孔隙,有機(jī)質(zhì)熱解大量生烴過程中,泥頁巖內(nèi)部壓力快速增加,強(qiáng)大的壓力及生烴收縮作用使得龍?zhí)督M泥頁巖有機(jī)質(zhì)中發(fā)育大量的微裂縫。泥頁巖微觀孔隙孔徑大小在5～55 nm,孔徑主要分布區(qū)間在25～35 nm。

3.3 泥頁巖孔滲性特征

泥頁巖孔隙度測試結(jié)果顯示,泥頁巖孔隙度跨度較大,整體介于0.83%～14.4%,平均孔隙度僅為4.87%,其中華鎣山地區(qū)泥頁巖樣品孔隙度為0.83%～7.44%,平均孔隙度為3.24%。同時,利用低溫氣體吸附實驗結(jié)果顯示,川東地區(qū)龍?zhí)督M泥頁巖孔體積分布于0.024～0.081 cm3/g,平均孔體積為0.043 cm3/g,樣品測試結(jié)果顯示微孔孔體積占總孔體積的0.345%～2.326%,中孔孔體積占總孔體積的44.44%～68.42%,大孔孔體積占總孔體積的17.78%～31.08%。頁巖比表面積介于16.39～43.16 m2/g,微孔比表面積介于0.77～6.3 m2/g,占總比表面積的4.69%～14.08%,中孔比表面積介于9.73%～38.42%,占總比表面積的79.68%～88.74%,大孔比表面積介于0.72～1.58 m2/g,占總比表面積的3.41%～9.63%。

龍?zhí)督M泥頁巖滲透率介于0.002～1 mD,超過90%的樣品滲透率在0.1 mD以下,僅少量樣品滲透率達(dá)到1 mD,平均滲透率為0.012 mD。結(jié)合掃描電鏡結(jié)果顯示,滲透率較高的泥頁巖樣品中微裂縫較為發(fā)育,表明微裂縫的存在有效改善泥頁巖滲透性。

4 有利區(qū)帶優(yōu)選

受川東地區(qū)褶皺變形特征的影響,龍?zhí)督M分布的主體部分處于較為寬緩的向斜區(qū)域內(nèi),同時,川東地區(qū)二疊系地層地層壓力系數(shù)普遍在1.6以上,使得龍?zhí)督M及上覆地層中普遍形成超壓狀態(tài),可以有效阻止氣體的逸散。因此,選取泥頁巖厚度、有機(jī)質(zhì)豐度、生烴強(qiáng)度及熱演化程度作為勘探有利區(qū)評價優(yōu)選指標(biāo)。

采用多指標(biāo)疊合的方法進(jìn)行目標(biāo)區(qū)的選取,通過對不同指標(biāo)疊合結(jié)果,沿開江—云陽一帶及重慶—華鎣山一帶有機(jī)質(zhì)豐度普遍在2.0%以上,富有機(jī)質(zhì)泥頁巖厚度在30 m以上,熱演化程度達(dá)到過高-過成熟階段,生烴強(qiáng)度在30×108m3/km2以上,烴源條件優(yōu)越,而川東地區(qū)地處華鎣山斷裂帶與齊岳山斷裂帶之間,除少數(shù)背斜處具有大型斷裂外,多數(shù)向斜區(qū)域內(nèi)的構(gòu)造變形較弱,對龍?zhí)督M泥頁巖的破壞較小,保存條件優(yōu)越。因此,川東開江—云陽一帶及重慶—華鎣山一帶龍?zhí)督M具有優(yōu)越的勘探潛力。

5 結(jié)論

(1)川東地區(qū)龍?zhí)督M泥頁巖具有平均厚度大,分布范圍廣，平均厚度在50 m以上,有機(jī)質(zhì)干酪根類型為Ⅲ型干酪根,有機(jī)質(zhì)豐度高,有機(jī)質(zhì)熱演化程度適中,生烴強(qiáng)度大,有利于烴類氣體的大量生成。

(2)龍?zhí)督M泥頁巖儲集空間為無機(jī)質(zhì)孔和微裂縫,有機(jī)質(zhì)孔隙少量發(fā)育,泥頁巖平均孔隙度為4.87%,中孔提供主要的孔體積及比表面積,儲層滲透率介于0.001～1 mD,平均滲透率為0.012 mD,微裂縫的存在有效改善儲層滲透率。

(3)綜合龍?zhí)督M泥頁巖分布、有機(jī)質(zhì)含量、熱演化程度、儲集條件等考慮,認(rèn)為川東北部地區(qū)的開江—云陽一帶及重慶—華鎣山地區(qū)為龍?zhí)督M泥頁巖勘探開發(fā)的有利地區(qū)。