川南大村區(qū)塊五峰—龍馬溪組頁巖氣成藏條件及勘探前景

趙文峰，龍 瀟，王小春，丁飛飛

(1.四川煤田大地投資有限公司，四川 成都 610072；2.四川省煤田地質(zhì)工程勘察設(shè)計研究院，四川 成都 610072；3.頁巖氣評價與開采四川省重點實驗室，四川 成都 610072)

0 引 言

川南地區(qū)頁巖氣資源豐富，勘探突破早，增儲上產(chǎn)快，接替區(qū)域廣。目前，內(nèi)江威遠(yuǎn)、宜賓長寧、瀘州瀘縣和大寨(太陽背斜)等區(qū)塊龍馬溪組頁巖氣勘探工作已全面展開，產(chǎn)能建設(shè)工作高效推進，揭示了該區(qū)資源、儲量的可靠性和大規(guī)模工業(yè)化開發(fā)的現(xiàn)實性(董大忠等，2018；馬新華等，2018；謝軍，2018；梁興等，2020；何驍?shù)龋?021；楊躍明等，2021)。

大村區(qū)塊位于川南國家級頁巖氣試驗區(qū)東南，該區(qū)塊以往的研究以上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M淺層煤炭及煤層氣為主，頁巖氣研究及工作程度非常低。在野外地質(zhì)調(diào)查、二維地震勘探和分析測試等工作的基礎(chǔ)上，結(jié)合研究區(qū)鄰井相關(guān)資料進行成藏條件分析，為下一步勘探評價工作提供參考與借鑒。

1 地質(zhì)背景

大村區(qū)塊位于四川南部瀘州古藺境內(nèi)。研究區(qū)屬揚子地層區(qū)四川盆地分區(qū)瀘州小區(qū)與黔北川南分區(qū)遵義南川小區(qū)的結(jié)合部位，除缺失泥盆系、石炭系、古近系、新近系外，寒武—侏羅系均有沉積(趙文峰等，2018)。構(gòu)造上位于揚子海相克拉通裂陷盆地(Z-S)中部，自震旦紀(jì)以來經(jīng)歷了克拉通和前陸盆地2個構(gòu)造演化過程(李洪奎等，2019)。研究區(qū)主體構(gòu)造為古藺復(fù)式背斜和大村向斜，對煤層氣、頁巖氣資源的賦存及分布起著控制作用(圖1)。區(qū)內(nèi)斷層以地表斷層為主，在古藺復(fù)式背斜軸部尤為發(fā)育，但未影響到區(qū)塊內(nèi)深部龍馬溪組地層。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)簡圖1-侏羅系；2-三疊系；3-二疊系；4-志留系；5-奧陶系；6-寒武系；7-背斜;8-向斜;9-斷層;10-實測剖面;11-二維地震剖面;12-地名;13-研究區(qū)Fig. 1 Geological sketch of the study area

研究區(qū)目的層五峰—龍馬溪組下段為深水陸棚相沉積，巖性以黑色炭質(zhì)頁巖為主，厚70～85 m，該層既是生氣層，也是儲集層(圖2)。

圖2 目的層段綜合柱狀圖1-灰色石灰?guī)r；2-灰色泥灰?guī)r；3-黑色硅質(zhì)頁巖；4-灰色介殼灰?guī)r；5-黑色炭質(zhì)頁巖；6-灰黑色頁巖；7-深灰色粉砂頁巖;8-灰色粉砂巖;9-黑色頁巖Fig. 2 Comprehensive histogram of the target interval

2 頁巖氣成藏條件

2.1 富有機質(zhì)頁巖展布特征

研究區(qū)目的層富有機質(zhì)頁巖厚度在20～30 m之間，具有較好的頁巖氣資源基礎(chǔ)。平面上，富有機質(zhì)頁巖在西北方向最厚，往東南方向減薄(圖3)。

圖3 富有機質(zhì)頁巖厚度等值線圖1-剖面點；2-鉆井；3-富有機質(zhì)泥頁巖等值線；4-縣(市)；5-省界線；6-研究區(qū)Fig. 3 Contour map of organic-rich shale thickness

2.2 有機地球化學(xué)特征

2.2.1 有機碳(TOC)含量 縱向上龍馬溪組頁巖的TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.98%～7.40%之間，平均值為2.48%。其中，富有機質(zhì)頁巖段TOC的質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均值為3.07%，在2.00%～4.00%之間的頻率>50%(圖4)，具有較好的生氣物質(zhì)基礎(chǔ)(殷梅等，2020)。

圖4 富有機質(zhì)頁巖段TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布直方圖Fig.4 TOC mass fraction distribution histogram of organic-rich shale

垂向上，TOC高值段主要分布于龍馬溪組下段，向上呈明顯降低的趨勢(圖2)。平面上，TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)由東南向西北呈逐漸升高的趨勢(圖5)。

圖5 富有機質(zhì)頁巖段TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)等值線圖1-剖面點；2-鉆井；3-富有機質(zhì)泥頁巖等值線；4-縣(市)；5-省界線；6-研究區(qū)Fig. 5 TOC mass fraction contour map of organic-rich shale

2.2.2 有機質(zhì)成熟度(Ro) 目的層頁巖有機質(zhì)成熟度Ro值為2.04%～3.05%，平均值為2.54%，處于有機質(zhì)過成熟階段。平面上，Ro值由南向北呈逐漸升高的趨勢(圖6)。

圖6 富有機質(zhì)頁巖段Ro等值線圖1-剖面點；2-鉆井；3-富有機質(zhì)泥頁巖等值線；4-研究區(qū)；5-縣(市)；6-省界線Fig. 6 Ro contour map of organic-rich shale

2.2.3 干酪根類型 目的層干酪根組分以腐泥組為主，質(zhì)量分?jǐn)?shù)在92.0%～98.0%之間，平均值為94.5%，成分主要為無定型體；鏡質(zhì)組次之，質(zhì)量分?jǐn)?shù)在2.0%～8.0%之間，平均值為5.5%；少量無殼質(zhì)組和惰質(zhì)組。樣品類型指數(shù)TI分布范圍為86～96，平均值為90；有機質(zhì)類型全為腐泥型Ι型。

圖7 目的層富有機質(zhì)頁巖礦物組成1-石英；2-鉀長石+斜長石；3-方解石+白云石；4-黃鐵礦；5-菱鐵礦；6-黏土Fig. 7 Mineral composition of organic-rich shale in the target interval

2.3 儲層物性特征

2.3.1 礦物組成 根據(jù)全巖X射線衍射分析，目的層富有機質(zhì)頁巖礦物組分以石英和黏土礦物為主，含少量碳酸鹽、長石、黃鐵礦、菱鐵礦(圖7)。脆性礦物指數(shù)為59.0%～77.5%，平均值為67.7%，較同位于盆緣的焦石壩、平橋、丁山等區(qū)塊稍高(孫小琴，2020；舒志國等，2021)，有利于頁巖儲層的后期壓裂改造。

2.3.2 儲層物性 五峰—龍馬溪組露頭樣品孔隙度介于1.50%～8.34%之間，平均值為3.34%；滲透率為(2.70～1.08)×10-3μm2，平均值為0.05×10-3μm2。具有較好的頁巖氣儲集滲透能力。

2.3.3 孔隙類型 根據(jù)掃描電鏡圖，可識別出粒間孔(圖8a、e)、粒內(nèi)孔(圖8d、f)、溶蝕孔(圖8b、g)和微裂縫(圖8c、h、i)四大類，其中粒間孔、粒內(nèi)孔及溶蝕孔最為發(fā)育。

圖8 研究區(qū)發(fā)育的主要孔隙類型(a)棱角狀有機質(zhì)發(fā)育有機質(zhì)孔和粒間孔(3 000×);(b)鈉長石發(fā)育的粒間孔及溶蝕孔(3 000×);(c)階梯狀斷口的方解石和片狀黏土礦物層間縫結(jié)構(gòu)(3 500×);(d)填隙狀有機質(zhì)孔隙發(fā)育且部分孔隙相互連通(48 000×);(e)微晶石英粒間孔被黏土礦物及有機質(zhì)充填(16 000×);(f)充填于草莓狀黃鐵礦粒間孔、晶間孔的有機質(zhì)發(fā)育孔隙(29 690×);(g)方解石發(fā)育溶蝕孔及粒內(nèi)裂隙(2 400×);(h)棱角狀石膏集合體發(fā)育層間縫結(jié)構(gòu)(1 100×);(i)竹節(jié)狀有機質(zhì)發(fā)育裂隙及粒緣縫(2 000×)Fig. 8 Main pore types of the study area(a) Organic pores and intergranular pores developed in angular organic matter (3 000×);(b) Intergranular and dissolution pores developed in albite (3 000×);(c) Interlamellar structure of calcite and flake clay minerals with stepped fracture (3 500×);(d) Interstitial organic pores developed and some of the pores connected (48 000×);(e) Microcrystalline quartz intergranular pores filled with clay minerals and organic matter (16 000×);(f) Intergranular pores and intergranular pores of pyrite framboid filled with organic matter pores (29 690×);(g) Dissolution pores and intergranular fractures developed in calcite (2 400×);(h) Interlamellar structure developed in angular gypsum aggregate (1 100×);(i) Fractures and grain margin fractures in bamboo organic matter (2 000×)

2.3.4 孔隙結(jié)構(gòu)特征 通過液氮-壓汞聯(lián)合表征(Sing，1985；金武軍等，2016)發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)頁巖孔體積峰值均集中在孔徑約80 nm的孔隙，也有較小介孔共同貢獻孔體積，但比表面積卻有所不同，孔徑<10 nm的孔隙貢獻了90%以上的比表面積(圖9)，為甲烷提供了大量的吸附點位。

圖9 液氮-壓汞實驗對孔徑的聯(lián)合表征Fig.9 Joint characterization of pore size by liquid nitrogen-mercury injection experiment

2.4 含氣性特征

2.4.1 等溫吸附 研究區(qū)頁巖的飽和吸附含氣量(VL)平均值為4.50 m3/t。其中，DXC剖面頁巖飽和吸附氣量較低，僅為2.61 m3/t，為5條剖面中最低，說明該區(qū)頁巖吸附能力較差；RHC剖面頁巖的飽和吸附氣量較高，達6.07 m3/t，頁巖吸附能力好(圖10)。說明研究區(qū)頁巖的含氣量整體較高，推測在地下條件較好的情況下能聚集足夠多的頁巖氣。

圖10 頁巖等溫吸附曲線圖Fig.10 Isothermal adsorption curve of shale

2.4.2 含氣量 距離研究區(qū)5 km的石地1井，所處構(gòu)造位置與大村向斜構(gòu)造條件相似，該井揭露富有機質(zhì)頁巖井深2 495～2 517 m，現(xiàn)場解吸總含氣量為1.17～3.09 m3/t，平均值為2.43 m3/t。其中，總含氣量>1.0 m3/t的頁巖厚21.55 m；總含氣量>2.0 m3/t的頁巖厚18.22 m。根據(jù)區(qū)內(nèi)龍馬溪組頁巖含氣量(y)與埋深(x)的關(guān)系:y=0.001 5x-0.945 5(R=0.88)，預(yù)測研究區(qū)埋深1 500～3 000 m范圍內(nèi)的含氣量介于1.30～3.55 m3/t之間。

2.5 保存條件

2.5.1 構(gòu)造 根據(jù)二維地震勘探資料，古藺復(fù)式背斜西翼和大村向斜形態(tài)相對完整(圖11)，由東向西，構(gòu)造擠壓應(yīng)力逐漸減小，構(gòu)造變形程度逐漸減弱，根據(jù)平衡剖面恢復(fù)成果，大村向斜縮短率為10.2%，古藺復(fù)式背斜西翼(石屏單斜)縮短率為8.4%。

圖11 二維地震DZX2解釋成果剖面圖Fig.11 Section of interpretation result of two-dimensional seismic DZX2

根據(jù)構(gòu)造演化分析成果，研究區(qū)背斜軸部發(fā)育的斷裂主要在燕山晚期初始形成，這些斷裂在初始形成時雖切穿了龍馬溪組，但并未至三疊系層位，保存條件未受明顯影響，僅在喜山期地層強烈抬升，背斜軸部龍馬溪組及以上地層被剝蝕，龍馬溪組地層露頭附近保存條件受到一定的影響。其他區(qū)域斷裂不甚發(fā)育，上覆地層未被明顯破壞，具有利于頁巖氣保存的構(gòu)造條件。

2.5.2 埋深 目的層埋深為0～3 000 m，石屏—大村整體呈深—淺—深的趨勢(圖12)。石屏單斜由南東至北西頁巖埋深逐漸增加，大村向斜由其兩翼至核部頁巖埋深逐漸增加，核部深處達3 200 m。絕大部分區(qū)域(約90%)埋深為1 500～3 000 m，為現(xiàn)今頁巖氣集中勘探開發(fā)的深度區(qū)間。

2.5.3 頂?shù)装鍡l件 目的層底板臨湘組—寶塔組灰?guī)r分布穩(wěn)定，巖性致密，厚度大，具有較好的封閉性(梁興等，2021)；頂板為龍馬溪組上段粉砂質(zhì)頁巖、泥質(zhì)粉砂巖及泥灰?guī)r互層，是一套很好的封蓋層。

3 勘探前景

圖12 石屏—大材地區(qū)埋深等值線(預(yù)測)1-龍馬溪剝蝕線；2-埋深等值線；3-背斜；4-地名；5-研究區(qū)Fig. 12 Buried depth isoline (prediction) of Shiping-Dacun area

川南地區(qū)已成為我國目前最大的頁巖氣生產(chǎn)基地。距研究區(qū)120 km北西方向的長寧國家級頁巖氣示范區(qū)長寧區(qū)塊于2010年取得突破，截至2020年5月，日產(chǎn)氣量突破1 500萬m3，累計生產(chǎn)頁巖氣達100億m3，成為中石油首個百億方頁巖氣田。距研究區(qū)60 km以西的昭通國家級頁巖氣示范區(qū)太陽—大寨區(qū)塊已提交頁巖氣地質(zhì)儲量1 887.94億m3，推動建設(shè)淺層頁巖氣12億m3產(chǎn)能。

表1 研究區(qū)主要地質(zhì)參數(shù)對比Table 1 Comparison of main geological parameters in the study area

通過對比可見，研究區(qū)的儲層厚度、有機碳含量、脆性礦物等主要靜態(tài)地質(zhì)參數(shù)較之建產(chǎn)的長寧、太陽區(qū)塊具有一定的類似性和可比性?？傮w認(rèn)為，研究區(qū)具有較好的勘探開發(fā)潛力。其中，古藺復(fù)式背斜西翼(石屏單斜區(qū))1 500 m以深為最有利區(qū)，面積為25 km2，wTOC>3.5%，儲層連續(xù)厚度在25～30 m之間，Ro值在2.5%～3.0%之間，距離露頭超過5 km，構(gòu)造變形相對較弱，地層傾角較小，在10°～15°之間，保存條件相對較好，估算頁巖氣資源量為100億m3；大村向斜區(qū)域為較有利區(qū)，面積為70 km2，wTOC在2.0%～3.0%之間，儲層連續(xù)厚度在20～25 m之間，Ro值在2.0%～2.5%之間，埋深在1 000～3 000 m之間，距露頭2～3 km，地層傾角相對較大(>25°)，構(gòu)造變形較強，保存條件一般，估算頁巖氣資源量為250億m3。

綜上，石屏單斜深部靠近四川盆地內(nèi)部區(qū)域為下一步勘探評價的最有利區(qū)，因此建議在古藺復(fù)式背斜西翼(石屏單斜)實施先導(dǎo)試驗井，落實目的層段含氣性及產(chǎn)氣、產(chǎn)水指標(biāo)。

4 結(jié) 論

(1)研究區(qū)龍馬溪組頁巖厚度分布穩(wěn)定、TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)高，含氣性好，成烴控儲好，具有形成氣藏的物質(zhì)基礎(chǔ)。

(2)富有機質(zhì)頁巖以粒間孔、粒內(nèi)孔及溶蝕孔最為發(fā)育，連通性較好；孔徑<10 nm的孔隙貢獻了90%以上的比表面積，為甲烷提供了大量的吸附點位；脆性礦物指數(shù)平均值>60%，易于體積壓裂改造。

(3)研究區(qū)構(gòu)造形態(tài)相對完整，龍馬溪組頂?shù)装宸飧粜院?，埋深適中(<3 km)，在露頭附近保存條件較差，往深部保存條件變好。

(4)研究區(qū)靜態(tài)地質(zhì)參數(shù)與建產(chǎn)的長寧、太陽區(qū)塊有一定的相似性，具有一定的勘探開發(fā)前景。