胡明毅，鄧慶杰，胡忠貴

(1.長(zhǎng)江大學(xué) 油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430100； 2.長(zhǎng)江大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430100)

2012年，國(guó)土資源部針對(duì)我國(guó)頁(yè)巖氣資源潛力進(jìn)行了詳細(xì)調(diào)查與評(píng)價(jià)。成果表明：我國(guó)頁(yè)巖氣地質(zhì)資源潛力為134×1012m3，其中可采資源潛力約25×1012m3①國(guó)土資源部.全國(guó)頁(yè)巖氣資源潛力調(diào)查評(píng)價(jià)及有利區(qū)優(yōu)選成果報(bào)告.內(nèi)部資料，2012.。在南方、華北(包括鄂爾多斯、渤海灣及南華北等盆地)和塔里木地區(qū)(包括塔里木、準(zhǔn)噶爾等盆地)廣泛發(fā)育古生代海相富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖，是目前我國(guó)陸上常規(guī)天然氣資源量的2～3倍[1-2]。

對(duì)于上揚(yáng)子地區(qū)古生代頁(yè)巖氣，前人已做過較多的探索和研究，如程克明等(2009)[3]、騰格爾等(2010)[4]、陳波等(2011)[5]、張金川等(2011)[6]、聶海寬等(2011)[7]學(xué)者，分別對(duì)上揚(yáng)子地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁(yè)巖氣聚集條件、富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖發(fā)育特征及生烴和資源潛力、頁(yè)巖氣聚集機(jī)理等方面進(jìn)行了初步研究，但研究過程中大多實(shí)際數(shù)據(jù)的獲取主要基于地表樣品測(cè)試資料，對(duì)上揚(yáng)子地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁(yè)巖氣成藏條件及勘探方向仍不明確。近年來(lái)，隨著頁(yè)巖氣鉆井的大量實(shí)施，特別是川南地區(qū)鉆遇下寒武統(tǒng)的頁(yè)巖氣井取得了較大突破，為頁(yè)巖氣成藏條件研究提供了大量井下數(shù)據(jù)，研究結(jié)果也將更具科學(xué)性。本文在引用前人研究成果和實(shí)際野外剖面觀測(cè)的基礎(chǔ)上，充分利用井下測(cè)試數(shù)據(jù)，從泥頁(yè)巖厚度和分布、埋深、泥頁(yè)巖脆性、總有機(jī)碳含量、鏡質(zhì)體反射率等多方面深入分析上揚(yáng)子地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁(yè)巖氣成藏條件及優(yōu)選有利勘探區(qū)帶，為開展該區(qū)頁(yè)巖氣勘探提供地質(zhì)依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

上揚(yáng)子地區(qū)包括西至龍門山斷裂系、北達(dá)南秦嶺斷裂南緣、東至雪峰山、南達(dá)埡都-紫云-羅甸斷裂的廣大地區(qū)，面積約3.5×105km2。上揚(yáng)子地區(qū)寒武系從下到上可劃分為牛蹄塘組、明心寺組、金頂山組、清虛洞組、高臺(tái)組和婁山關(guān)群。黔北的牛蹄塘組是下寒武統(tǒng)頁(yè)巖最發(fā)育的組，與川中-川西南地區(qū)的筇竹寺組中下部地層、川東南-湘西地區(qū)的牛蹄塘組、川東北地區(qū)的筇竹寺組以及湘鄂西地區(qū)的天柱山組全部地層相當(dāng)[5](表1)。

2 富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖沉積環(huán)境

上揚(yáng)子地區(qū)早古生代地層受古構(gòu)造控制以及海侵影響，在寒武紀(jì)早期，形成中國(guó)南方古生界最好的烴源巖之一，區(qū)域上具有西高東低的沉積格局[8]。

晉寧運(yùn)動(dòng)后初期海侵規(guī)模大，沉積水體總體上較為安靜，沉積了磷塊巖、硅質(zhì)巖和黑色頁(yè)巖，代表最大海泛面。下寒武統(tǒng)牛蹄塘組物源來(lái)自西部的康滇古陸和瀘定古陸[9]，以陸源碎屑沉積為主。川東-川中早寒武世筇竹寺組為淺水陸棚沉積環(huán)境；川西早寒武世早期未形成摩天嶺古陸，表現(xiàn)為低能的海槽沉積環(huán)境；川北-川東北與秦嶺洋相通，深水陸棚區(qū)向北開口，為正常水陸棚；川南深水陸棚區(qū)向南開口，與華南洋相通。湘黔北、鄂西渝東及周緣早寒武世牛蹄塘組富營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)上升洋流導(dǎo)致浮游微生物非常發(fā)育，處于廣海陸棚-深水陸棚環(huán)境(圖1)。

3 富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖分布特征

牛蹄塘組在龍門山前緣的廣元地區(qū)、大巴山前緣的南江地區(qū)，城口、房縣、華鎣山背斜的岳池地區(qū)、川東南的秀山、酉陽(yáng)、鳳凰地區(qū)，貴州的遵義、甕安、岑鞏、都勻、凱里地區(qū)，渝東—鄂西的咸豐、張家界等地區(qū)有部分出露；鉆井方面，目前僅有女基井、資1井、資2井、林1井、威基井、酉科1井和岑頁(yè)1井等少數(shù)井有揭露。地層中均發(fā)育較厚的、連續(xù)沉積的黑色頁(yè)巖層段，甚至在黑色頁(yè)巖中可見油裂解成氣后殘留的瀝青，如資1井中普遍見含瀝青砂質(zhì)頁(yè)巖[10]。

頁(yè)巖氣勘探開發(fā)成本受頁(yè)巖埋深影響較大，根據(jù)區(qū)內(nèi)鉆井和野外剖面統(tǒng)計(jì)，上揚(yáng)子地區(qū)牛蹄塘組厚度一般為50～300 m，底界埋深一般為3～7 km。威遠(yuǎn)—資陽(yáng)地區(qū)的筇竹寺組厚度較厚，如資5井—資1井—威基井主要發(fā)育黑色泥巖，灰色粉砂質(zhì)泥巖，由古隆起頂部向南部坳陷區(qū)增厚，一般在300～500 m，底界埋深一般為4～5 km。龍門山前緣地區(qū)該組的厚度為50～200 m，底界埋深為7～8 km。而川東南及周緣地區(qū)厚度為50～250 m，受后期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，埋深相對(duì)川南較淺，底界埋深為3～4 km。黔北—湘西—鄂西—渝東方向地層厚度有“厚—薄—厚”的趨勢(shì)，如永和-大坪剖面(圖2)，總體沉積環(huán)境以黑色炭質(zhì)頁(yè)巖、深灰色泥巖、粉砂質(zhì)泥頁(yè)巖為主的深水陸棚環(huán)境，甚至在部分地區(qū)底部沉積了一套0.5～12 m的硅質(zhì)頁(yè)巖。整體地層一般為50～250 m，底界埋深為3～4 km。區(qū)域上，黑色頁(yè)巖厚度分布基本上與沉積相帶展布一致，表明上揚(yáng)子區(qū)早古生代的淺水—深水陸棚沉積環(huán)境控制了牛蹄塘組黑色頁(yè)巖的發(fā)育和區(qū)域分布。

表1 上揚(yáng)子地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組地層對(duì)比Table 1 Stratigraphic correlation of the Lower Cambrian Niutitang Formation in the Upper Yangtze region

圖1 上揚(yáng)子地區(qū)早寒武世早期巖相古地理Fig.1 Palaeogeographic map of the early stage of the Early Cambrian in Upper Yangtze region

4 富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖有機(jī)地化特征

4.1 有機(jī)碳含量(TOC)

上揚(yáng)子地區(qū)下寒武統(tǒng)黑色頁(yè)巖的有機(jī)質(zhì)類型主要為Ⅰ型，少量為Ⅱ1型[11-12]。在區(qū)域上，TOC展布特征直接受沉積環(huán)境嚴(yán)格控制，TOC高值區(qū)反映沉積中心。上揚(yáng)子地區(qū)下寒武統(tǒng)黑色頁(yè)巖段TOC一般較高，分布范圍為0.23%～15.9%，向上隨著粉砂質(zhì)、鈣質(zhì)的增加，TOC值有所降低。在川東南—黔北(珙縣—遵義—甕安—岑鞏一帶，牛蹄塘組TOC≥1.5%的黑色頁(yè)巖累計(jì)厚度一般在50～150 m)和渝東南—湘鄂西(咸豐—茨巖塘—默戎一帶，筇竹寺組TOC≥1.5%的黑色頁(yè)巖累計(jì)厚度一般為80～200 m)形成兩個(gè)有機(jī)碳高值區(qū)。

4.2 熱演化程度

黑色頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)成熟度普遍較高，總體達(dá)到高-過成熟階段[4]。有機(jī)質(zhì)成熟度在四川盆地內(nèi)多高于2.5%，過成熟，高值區(qū)集中于川東北和川東南-黔北地區(qū)；在渝東南區(qū)相對(duì)較低，多分布于2.01%～3.56%；湘鄂西有機(jī)質(zhì)成熟度多分布于2.11%～3.64%；黔北有機(jī)質(zhì)成熟度多分布于3.4%～3.77%，都已進(jìn)入生氣窗內(nèi)，對(duì)頁(yè)巖氣成藏十分有利(表2)。

5 富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖儲(chǔ)層特征

5.1 礦物組成

頁(yè)巖中的脆性礦物含量愈高，其在后期壓裂過程中愈容易產(chǎn)生裂縫，這有利于頁(yè)巖氣的開采[13]。

據(jù)露頭與巖心觀察，針對(duì)81個(gè)樣品的巖石X-衍射分析表明(圖3)，下寒武統(tǒng)牛蹄塘組富有機(jī)質(zhì)黑色頁(yè)巖中，脆性礦物含量為46.89%～88.54%，平均含量為68.82%；粘土礦物含量為10.60%～42.83%，平均含量為27.50%。脆性礦物中，石英含量最高，可達(dá)83.64%，其次為長(zhǎng)石含量、碳酸鹽巖含量，微含黃鐵礦；粘土礦物中，含伊利石35.0%～73.0%、綠泥石8.0%～ 28.0%、高嶺石含量極少，不含蒙脫石。而Barnett頁(yè)巖脆性礦物含量一般在40%～60% ，粘土礦物含量較少[14]。與之相比，上揚(yáng)子地區(qū)下寒武統(tǒng)黑色頁(yè)巖的脆性礦物中硅質(zhì)、碳酸鹽巖含量較少，石英含量較高。

圖2 上揚(yáng)子地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組永和—大坪地層對(duì)比剖面Fig.2 Stratigraphic correlation of the Lower Cambrian Niutitang Formation on Yonghe-Daping section in the Upper Yangtze region

地區(qū)樣品頁(yè)巖厚度/mTOC/%Ro/%1q/1n1q/1n最小值最大值平均值1q/1n川東北12180～2000.514.742.203.11～3.15川東141.2211.073.45川中1920～1000.44.431.692.61～2.85川西南2240～1300.677.992.102.56～3.14川東南1540～800.016.483.123.23～3.53黔北3350～1000.7615.905.043.45～3.77湘鄂西3250～2000.238.053.292.11～3.64渝東南2440～1501.022.991.722.01～3.56

圖3 上揚(yáng)子地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁(yè)巖礦物組成三角圖Fig.3 Ternary plot map of mineral compositions of shale reservoir in the Lower Cambrian Niutitang Formation in the Upper Yangtze region

礦物組成特征表明，上揚(yáng)子區(qū)牛蹄塘組富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖脆性礦物含量豐富，粘土礦物演化程度高，以伊利石穩(wěn)定礦物為主，不含蒙脫石。

5.2 儲(chǔ)層空間特征

泥頁(yè)巖孔隙度極低、滲透率一般小于0.01×10-3μm2，盡管如此，但兩者也存在一定的正相關(guān)性，因此十分有必要開展儲(chǔ)層的孔隙度和裂縫評(píng)價(jià)工作[15-16]。

下寒武統(tǒng)牛蹄塘組泥頁(yè)巖容易產(chǎn)生球狀分化，且節(jié)理發(fā)育(圖4a，b)。電子顯微特征顯示，泥頁(yè)巖中的微孔隙、微裂隙非常發(fā)育，微孔隙呈蜂窩狀(圖4c)，一般分為五種類型：雜基內(nèi)溶蝕孔隙、溶蝕粒內(nèi)孔隙、粘土礦物間微孔隙與微縫隙(圖4d)、礦物間微孔隙(圖4e)、礦物顆粒溶蝕鑄模微孔隙。

下寒武統(tǒng)牛蹄塘組發(fā)育的大量的細(xì)微裂縫(圖4f)，規(guī)模一般在10～40 um，甚至可見長(zhǎng)孔徑50 μm×180 μm的微裂縫。特別是在有裂縫非常發(fā)育的條件下，可以較大提高泥頁(yè)巖的滲透能力，甚至形成一種非常規(guī)油氣層——泥頁(yè)巖裂縫性油氣層[17-18]。如威5井取心段(2 783.20～2 799.85 m)共7.455 m，巖性主要為黑色頁(yè)巖，層間裂縫發(fā)育，冒氣309處，甚至在2 795.00～2 798.00 m，孔、縫率達(dá)到1.22%～3.34%。

圖5 上揚(yáng)子地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組黑色頁(yè)巖孔隙度和滲透率頻率分布Fig.5 The frequency histograms for porosity and permeability of black shale in the Lower Cambrian Niutitang Formation in the Upper Yangtze region

5.3 頁(yè)巖孔滲特征

研究表明，評(píng)價(jià)儲(chǔ)集空間關(guān)鍵參數(shù)是巖石孔隙度。巖石孔隙度一般與頁(yè)巖游離氣的含量成正比，而含水飽和度與密度及吸附氣含量成反比[19]。

對(duì)研究層段露頭和巖心所取34個(gè)樣品測(cè)試表明，下寒武統(tǒng)牛蹄塘組黑色頁(yè)巖孔隙度為0.69%～4.19%，平均為2.5%；滲透率為0.005×10-3～0.245×10-3μm2，平均為0.175×10-3μm2(圖5)；巖石密度為2.01～2.72 g/cm3，平均為2.43 g/cm3；由于所取樣品有不同程度的氧化，有些值會(huì)偏高。從平面上看，四川盆地的中心區(qū)域孔隙度范圍在2%～3%，而在川東南—黔北、鄂西—渝東孔隙度均超過3%。說(shuō)明下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁(yè)巖基質(zhì)孔隙、裂縫發(fā)育，具有較好的儲(chǔ)、滲條件。

5.4 保存條件及頁(yè)巖含氣量

通常認(rèn)為頁(yè)巖氣藏不易被摧毀，對(duì)保存條件要求不高，但最近隨著頁(yè)巖氣勘探實(shí)踐表明，頁(yè)巖氣含氣量及氣體組分直接受保存條件控制，具體有如下幾個(gè)方面：①具有良好的碎屑巖蓋層保護(hù)；②頁(yè)巖氣藏不能有“通天斷層”，斷層雖然有利于頁(yè)巖氣運(yùn)聚，但不能有“通天斷層”，否則易逃逸；③淺層在整體上擁有封閉保存體系?？傊陨纤觥叭笠蛩亍辈⒋?，是頁(yè)巖氣有利區(qū)優(yōu)選的必備條件[20-22]。

由國(guó)土資源部油氣資源戰(zhàn)略研究中心設(shè)計(jì)鉆探的岑頁(yè)1井、酉科1井，現(xiàn)場(chǎng)解吸頁(yè)巖氣含氣量達(dá)到1.5～4.56 m3/t；威5井下寒武統(tǒng)筇竹寺組頁(yè)巖氣鉆井過程中，在2 797.4～2 797.6 m井段，裸眼測(cè)試，獲日產(chǎn)氣2.46×104m3，酸化后測(cè)試獲日產(chǎn)氣1.35×104m3。除此之外，高科1井、丁山1井、渝科1井等研究層段也出現(xiàn)氣測(cè)異常，可與美國(guó)五大頁(yè)巖氣系統(tǒng)相媲美[23-24]。相對(duì)北美頁(yè)巖氣含氣量分布范圍(0.44～9.91 m3/t)和2.0 m3/t的商業(yè)開發(fā)下限[25-26]，上揚(yáng)子地區(qū)牛蹄塘組頁(yè)巖含氣量達(dá)到了此標(biāo)準(zhǔn)，因而亦應(yīng)具備較好的商業(yè)性開發(fā)價(jià)值。

6 頁(yè)巖氣勘探開發(fā)有利區(qū)預(yù)測(cè)

針對(duì)頁(yè)巖氣勘探有利區(qū)優(yōu)選需要依據(jù)較多因素，結(jié)合我國(guó)油氣勘探現(xiàn)狀及頁(yè)巖氣資源特點(diǎn)，依據(jù)“國(guó)土資源部油氣資源戰(zhàn)略研究中心《頁(yè)巖氣資源潛力評(píng)價(jià)方法與有利區(qū)優(yōu)選標(biāo)準(zhǔn)》”(2012)，對(duì)上揚(yáng)子地區(qū)下寒武統(tǒng)頁(yè)巖氣進(jìn)行有利區(qū)預(yù)測(cè)(表3)。

有利區(qū)選區(qū)方法：依據(jù)頁(yè)巖沉積環(huán)境、分布特征、有機(jī)地化特征、儲(chǔ)層特征、保存條件及含氣性等多因素疊加、類比，優(yōu)選研究區(qū)頁(yè)巖氣有利區(qū)。具體從泥頁(yè)巖厚度和分布、埋深、泥頁(yè)巖脆性、TOC和Ro等5個(gè)因素進(jìn)行綜合分析，表明：1)黔北、湘鄂西—渝東南地區(qū)的下寒武統(tǒng)泥頁(yè)巖具備厚度較厚(50～250 m)，分布廣泛，埋深適中(<4 500 m)，TOC較高(>2.0%)，Ro達(dá)到高-過成熟階段(>1.2%)，脆性礦物百分含量高(>40%)的特點(diǎn)，因此黔北、湘鄂西—渝東南地區(qū)是最為有利的勘探區(qū)域；2)川西資陽(yáng)—自貢一帶，TOC為2.0%～2.6%，Ro在2%～5%，生烴強(qiáng)度高(75 200×108m3/km2) ，沉積厚度大(150～360 m)，且?guī)r性主要為脆性含量較高的泥頁(yè)巖。因此上述兩個(gè)區(qū)域可以作為上揚(yáng)子地區(qū)頁(yè)巖氣勘探的有利區(qū)帶(圖6)。

表3 上揚(yáng)子地區(qū)頁(yè)巖氣有利區(qū)優(yōu)選參考指標(biāo)Table3 Criteria for identification of shale gas play fairway in the Upper Yangtze region

圖6 上揚(yáng)子地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁(yè)巖氣有利發(fā)育區(qū)預(yù)測(cè)Fig.6 The predicted shale gas play fairways of the Lower Cambrian Niutitang Formation in the Upper Yangtze region

7 結(jié)論

1) 上揚(yáng)子地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組為淺水—深水陸棚沉積環(huán)境，富有機(jī)質(zhì)黑色頁(yè)巖相當(dāng)發(fā)育，且分布廣泛、連續(xù)沉積厚度大，有機(jī)碳含量高，有機(jī)質(zhì)類型主要為Ⅰ型，少量為Ⅱ1型干酪根，Ro普遍較高，達(dá)到高-過成熟階段，為頁(yè)巖氣成藏提供充足的物質(zhì)基礎(chǔ)。

2) 上揚(yáng)子地區(qū)下寒武武牛蹄塘組富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖脆性礦物含量豐富，粘土礦物演化程度高，以伊利石等穩(wěn)定礦物為主，不含蒙脫石；多種孔隙類型及裂縫發(fā)育，形成良好的頁(yè)巖氣儲(chǔ)集空間。

3) 根據(jù)頁(yè)巖氣有利區(qū)帶選取主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，綜合分析表明黔北、湘鄂西—渝東南地區(qū)和川西資陽(yáng)—自貢一帶下寒武統(tǒng)黑色頁(yè)巖連續(xù)沉積厚度大、埋深適中、TOC較高且Ro達(dá)到高-過成熟階段，可以作為頁(yè)巖氣有利勘探區(qū)帶。

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