何江林，劉 偉，楊 平，余 謙，王 劍，汪正江，陸俊澤，秦 川

（1.中國地質(zhì)調(diào)查局成都地質(zhì)調(diào)查中心，四川 成都 610081；2.國土資源部沉積盆地與油氣資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610081）

引言

我國頁巖氣資源調(diào)查工作始于2005年［1］，截止目前已取得了涪陵［2］、長寧［3］等一系列重大突破，實(shí)踐證明四川盆地及周緣五峰組—龍馬溪組是我國頁巖氣勘探的重點(diǎn)層系［4］。四川盆地西南緣五峰組—龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)泥頁巖發(fā)育［5］。近年來，威遠(yuǎn)地區(qū)和長寧地區(qū)志留系獲得商業(yè)性氣流，四川盆地西南緣志留系龍馬溪組已成為四川盆地一重要的頁巖氣勘探區(qū)［6］。本文以四川盆地西南緣內(nèi)的礦權(quán)空白區(qū)為重點(diǎn)，結(jié)合區(qū)內(nèi)露頭和鉆井等資料，對(duì)該區(qū)五峰組—龍馬溪組內(nèi)頁巖氣富集條件進(jìn)行分析，以期為我國頁巖氣勘探開發(fā)提供有益借鑒。

1 地質(zhì)背景

四川盆地位于揚(yáng)子地臺(tái)西北緣，四周被龍門山、米倉山、大巴山等造山帶所圍限，盆地面積約為19×104km2（圖1a）。該盆地劃分為7個(gè)次一級(jí)構(gòu)造帶，包括川東南坳陷、川西北坳陷、川中古隆起、龍門山褶皺帶、米倉山隆起、大巴山褶皺帶、湖南-湖北-貴州褶皺帶、峨眉-涼山褶皺帶［7］。四川盆地西南緣主要處于峨眉-涼山褶皺帶。該褶皺帶內(nèi)斷裂發(fā)育，斷裂以逆斷層和走滑斷層為主，斷面主體向西傾，其大多斷入元古界地層。為斷裂切割的地塊內(nèi)構(gòu)造平緩，構(gòu)造幅度小，地層相對(duì)平緩。研究區(qū)內(nèi)褶皺背斜緊閉、向斜寬緩，斷裂與褶皺密切伴生，可大致分為南北走向構(gòu)造和北東走向構(gòu)造兩組。其中北東向構(gòu)造區(qū)主要位于剎水壩-馬頸子斷層以東地區(qū)，區(qū)內(nèi)以褶皺構(gòu)造為主，斷裂不甚發(fā)育。褶皺軸線大致呈北東或北東東向平行排列，一般樞紐起伏較大，背斜較緊閉陡窄，向斜相對(duì)平緩寬闊，甚至形成開闊的構(gòu)造盆地。斷裂以南北向?yàn)橹鳎酁閿嗝嫖鲀A的高角度逆沖斷層。區(qū)內(nèi)主要發(fā)育的地層有震旦系、寒武系、奧陶系、志留系下統(tǒng)、二疊系、三疊系、侏羅系、白堊系和下新生界地層，地表以二疊系玄武巖出露為主（圖1b）。鉆探證實(shí)五峰組—龍馬溪組黑色頁巖厚度大、分布廣泛［8］。

圖1 四川盆地西南緣地質(zhì)概圖Fig.1 Generalized geological map of the southwestern margin of the Sichuan Basin

2 川西南頁巖氣富集條件

現(xiàn)有研究表明，頁巖氣的形成與富集主要受泥頁巖厚度、巖性組合、有機(jī)質(zhì)豐度、類型、成熟度、埋深、頂?shù)装鍡l件、泥頁巖儲(chǔ)集物性等因素控制［3，6，9-14］。根據(jù)區(qū)內(nèi)大量剖面和鉆探等資料，結(jié)合前人資料，對(duì)研究區(qū)內(nèi)龍馬溪組頁巖的頁巖氣形成條件進(jìn)行詳細(xì)研究。

2.1 巖性特征

晚奧陶世五峰期至早中志留世龍馬溪期，由于受康滇古陸、川中古陸隆起、黔中及江南古隆起的圍限，在四川盆地及周緣形成了一個(gè)向北東開口的淺海陸棚沉積的古地理格局［2，15］。四川盆地西南緣主體處于深水陸棚至淺水陸棚區(qū)，其深水陸棚主要發(fā)育于研究區(qū)東北部，水體向西南和南側(cè)逐漸變淺，砂質(zhì)含量逐漸增高（圖2）。研究區(qū)底部筆石頁巖中見較多硅質(zhì)放射蟲化石，但由龍馬溪組底部向上隨著水體的變淺，造成筆石和硅質(zhì)放射蟲化石含量具有自下而上逐漸減少的趨勢(shì)。巖層的巖性向上也呈規(guī)律性的變化，總體具有向上TOC降低、粉砂質(zhì)、灰質(zhì)含量逐漸增大的特征［16］。區(qū)內(nèi)五峰組—龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)泥頁巖厚度較大，整體從西南向東北加厚，其最大厚度大于90m，平均厚度多在30m以上（圖3）。

2.2 有機(jī)地球化學(xué)特征

圖2 四川盆地西南緣五峰組—龍馬溪組沉積期巖相古地理圖Fig.2 Sedimentary facies and palaeogeographic map of the southwestern margin of the Sichuan Basin during the deposition of the Wufeng Formation-Longmaxi Formation

圖3 四川盆地西南緣五峰組—龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)泥頁巖厚度對(duì)比圖Fig.3 Correlation of the organic matter-rich shale thickness in the Wufeng Formation-Longmaxi Formation on the southwestern margin of the Sichuan Basin

圖4 四川盆地西南緣五峰組-龍馬溪組TOC等值線分布圖Fig.4 Contour map of the total organic carbon contents in the Wufeng Formation-Longmaxi Formation on the southwestern margin of the Sichuan Basin

研究區(qū)內(nèi)200余件巖心和露頭樣品測(cè)試結(jié)果顯示，區(qū)內(nèi)五峰組—龍馬溪組有機(jī)碳含量分布于0.12% ～6.49%，算數(shù)平均值約2.06%。巖心樣品有機(jī)質(zhì)含量較高，普遍高于2.5%。其中五峰組有機(jī)質(zhì)含量相對(duì)偏低，主要分布于0.9% ～3.05%；龍馬溪組底部有機(jī)碳較五峰組富集，主要分布于1.0%～6.49%。平面上，有機(jī)碳高值區(qū)主要位于研究區(qū)東北部雷波-永善一帶，其有機(jī)質(zhì)含量主體高于4.0%（圖4）。向南部和西部逐漸降低，其最小值出現(xiàn)在南部和西部，與其沉積時(shí)期水體深度變淺，水動(dòng)力作用增強(qiáng)有密切關(guān)系。

研究區(qū)內(nèi)29件富有機(jī)質(zhì)泥頁巖干酪根顯微組分分析表明，研究區(qū)富有機(jī)質(zhì)頁巖干酪根主要包括4種顯微組分，即腐泥組、瀝青組、鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組，以腐泥組占優(yōu)勢(shì)，含量70% ～93%，平均81.1%，其次為瀝青組，含量7% ～26%，平均18.1%，干酪根類型均為Ⅰ型。

研究區(qū)內(nèi)15件富有機(jī)質(zhì)泥頁巖瀝青反射率BRo為3.04% ～3.63%，平均3.39%，轉(zhuǎn)換為等效鏡質(zhì)體反射率（VRo）為 2.38%～2.76%，平均2.61%。位于五角堡背斜的新地1井5件樣品150個(gè)測(cè)點(diǎn)，結(jié)果顯示瀝青反射率BRo略高，為3.41% ～3.67%，平均3.55%；等效鏡質(zhì)體反射率（VRo）為2.62% ～2.80%，平均2.71%。研究區(qū)內(nèi)五峰組—龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)泥頁巖主體處于深部高溫生干氣階段，利于頁巖氣的生成。

2.3 儲(chǔ)集特征

2.3.1 礦物組成

研究區(qū)內(nèi)68件樣品X射線測(cè)試結(jié)果顯示，研究區(qū)內(nèi)五峰組—龍馬溪組頁巖內(nèi)石英、長石、碳酸鹽巖等脆性礦物豐富，介于56% ～92%之間，平均含量約80%，黏土礦物含量8% ～44%。其中石英含量最為豐富，為17% ～80.2%，主要分布于28%～50%。五峰組內(nèi)石英含量較高，平均約40%。在蘇田剖面（圖1）中，其個(gè)別樣品石英含量可高達(dá)80.2%。龍馬溪組石英含量較低，平均約35%，個(gè)別樣品可高達(dá)66%。整體上，研究區(qū)內(nèi)目標(biāo)層中脆性礦物發(fā)育，利于微裂縫等發(fā)育，有助于泥頁巖內(nèi)裂縫型儲(chǔ)集空間發(fā)育（圖5）。

2.3.2 儲(chǔ)集物性特征

頁巖儲(chǔ)層是低孔、超低滲儲(chǔ)集巖，孔隙度介于4.0% ～6.5% 之間，滲透率小于 0.0001mD［6］。四川盆地西南緣100余件露頭和巖心樣品覆壓孔滲、氦孔隙度和脈沖滲透率測(cè)定結(jié)果顯示，區(qū)內(nèi)富有機(jī)質(zhì)泥頁巖的孔隙度主要分布于0.50%～11.36%，平均3.85%。橫向滲透率分布于0.0162～77.3294md之間，其中大于0.1md的樣品比重約5%，縱向滲透率為0.0001～1.79 md，同一樣品的橫向滲透率常高于垂向滲透率兩個(gè)數(shù)量級(jí)。整體來看，該區(qū)五峰組—龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)泥頁巖段具有良好的頁巖氣儲(chǔ)集能力。

圖5 云蕎剖面五峰組—龍馬溪組優(yōu)質(zhì)段礦物組分Fig.5 Mineral compositions in the Yunqiao section of the Wufeng Formation-Longmaxi Formation in northeastern Yunnan

2.3.3 含氣性

頁巖含氣量是評(píng)價(jià)頁巖氣資源潛力與衡量目標(biāo)區(qū)是否具有經(jīng)濟(jì)開采價(jià)值的重要指標(biāo)。涪陵礁石壩地區(qū)4口井總含氣量介于0.63～9.63 m3／t，平均 4.61 m3／t［17］?？偤瑲饬看笥?2.0m3／t 的頁巖氣層段最大厚度達(dá)42 m［2］。川南地區(qū)含氣量在0.30～5.09 m3／t，平均 1.85 m3／t；威遠(yuǎn)地區(qū)為 0.30 ～5.09 m3／t，平均 1.82 m3／t；長寧地區(qū)為 0.90 ～3.50 m3／t，平均 1.93 m3／t［6］。由于鉆井工藝、施工條件、損失氣量計(jì)算方法等差異，導(dǎo)致目前頁巖含氣量的可比性較弱。為盡量減少人為主觀影響，在前期頁巖氣地質(zhì)調(diào)查過程中，主要以巖心現(xiàn)場解析氣量大小作為評(píng)價(jià)頁巖含氣性的重要參數(shù)。新地2井現(xiàn)場18小時(shí)的解析氣量最大值達(dá)3.38 m3／t，其中＞2.0 m3／t頁巖氣層段厚約30 m（圖6）。在同等現(xiàn)場解析條件下，新地1井現(xiàn)場解吸氣量最大值達(dá)1.4 m3／t。表明四川盆地西南緣五峰組—龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)泥頁巖含氣性良好。

2.4 頂?shù)装鍡l件

頂?shù)装鍡l件是頁巖氣與常規(guī)氣在保存條件上最大的差異［18］。頂?shù)装鍨橹苯优c含氣頁巖層段接觸的上覆及下伏地層。一方面對(duì)頁巖氣的封存起重要作用，另一方面也影響著頁巖壓裂改造效果。頂?shù)装蹇梢允悄鄮r、頁巖、致密砂巖、碳酸鹽巖等任何巖性，其與頁巖氣層間的接觸關(guān)系和性質(zhì)的好壞（厚度、橫向連續(xù)性、物性和突破壓力等）對(duì)頁巖氣的保存條件非常關(guān)鍵。四川盆地西南緣五峰組—龍馬溪組頁巖氣層頂、底板與頁巖氣層為連續(xù)沉積，頂、底板厚度大、展布穩(wěn)定、巖性致密、突破壓力高、封隔性好。五峰組—龍馬溪組底部頁巖氣層頂板為深灰色泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖（圖3），厚度上百米。在永善縣云蕎和蘇田剖面（圖1b）中，優(yōu)質(zhì)段頂板突破壓力達(dá)到13.95～17.85 mPa。頁巖氣層底板為臨湘組和包套組連續(xù)沉積的深灰色含泥瘤狀灰?guī)r、灰?guī)r等，總厚度30～40 m，區(qū)域上分布穩(wěn)定，空間展布范圍較廣?？紫抖绕骄导s1.58%，滲透率平均值0.0017mD，地層突破壓力為64.5～70.4mPa［17］。以上特征反映了五峰組—龍馬溪組一段頁巖氣層頂?shù)装寰哂休^好的封隔效果。

2.5 地層壓力

地層壓力是指巖石孔隙中的流體壓力，異常高壓有利于頁巖氣成藏與有效開發(fā)。美國熱成因頁巖氣盆地中頁巖地層壓力為正常－異常高壓，如Haynesville，Eagle Ford，Barnett，Marcellus 頁巖壓力系數(shù)分別為 2.00、1.33、0.96 ～1.16、0.93 ～1.56［6］。盡管四川盆地西南緣目前無志留系實(shí)測(cè)壓力資料，但在綏江-永善地區(qū)東北邊的威201井壓力系數(shù)為0.92；川南的昭104井壓力系數(shù)為1.01；陽201-H2井壓力系數(shù)為2.2；寧201-H1井壓力系數(shù)為2.03；永福1井龍馬溪組優(yōu)質(zhì)段埋深2600～2670 m，壓力系數(shù)為1.55；民頁1井龍馬溪組優(yōu)質(zhì)段埋深3000～3100m，壓力系數(shù)為1.50；新地1井五峰組—龍馬溪組優(yōu)質(zhì)段埋深1205～1319m，鉆進(jìn)過程中泥漿比重1.03；新地2井五峰組—龍馬溪組優(yōu)質(zhì)段埋深 1900～2070m，鉆進(jìn)過程中泥漿比重1.05。同時(shí)，現(xiàn)今四川盆地西南緣雷波、馬邊、永善、大關(guān)一帶強(qiáng)震頻繁，這些強(qiáng)震的地理分布大致為NS～NNW 向，構(gòu)成了馬邊-永善-大關(guān)強(qiáng)震帶［17］。近年來，該地震帶地震頻發(fā)，且區(qū)內(nèi)斷層以逆斷層為主，表明該區(qū)內(nèi)應(yīng)力仍在不斷集中。由此判斷，部分地區(qū)龍馬溪組可能存在異常高壓，有助于頁巖氣保存。

圖6 新地2井目標(biāo)層含氣性特征Fig.6 Column showing the gas contents in the key shale gas strata of XD-2 well in northeastern Yunnan

3 有利區(qū)優(yōu)選

根據(jù)我國頁巖氣勘探開發(fā)成功經(jīng)驗(yàn)，綜合考慮目標(biāo)層段厚度、TOC、孔隙度、含氣量、地層壓力、脆性指數(shù)、埋深等因素［9］，對(duì)比研究認(rèn)為云蕎、木桿、高橋等地區(qū)是四川盆地西南緣五峰組—龍馬溪組頁巖氣勘探開發(fā)的有利區(qū)（圖7）。

3.1 云蕎地區(qū)

該區(qū)位于云南永善縣至云南永善縣云蕎鄉(xiāng)一帶，其主體位于永盛向斜西南端，向斜西側(cè)和東南側(cè)五峰組—龍馬溪組出露。西側(cè)受剎水壩-馬頸子斷裂控制，東南側(cè)受背斜擠壓，為永善縣南側(cè)應(yīng)力集中區(qū)。區(qū)內(nèi)五峰組—龍馬溪組主要沉積于深水陸棚的炭質(zhì)粉砂泥棚微相。目標(biāo)層巖性為灰黑色炭質(zhì)泥頁巖、灰黑色鈣質(zhì)泥頁巖夾泥灰?guī)r透鏡體，區(qū)域分布穩(wěn)定。富有機(jī)質(zhì)泥頁巖（TOC＞2.0%）厚度主體位于40～90m之間，TOC介于1.0% ～4.0%之間，等效鏡質(zhì)體反射率（VRo）大于2.0%；石英含量25% ～38%，目標(biāo)層埋深500～2800 m，據(jù)露頭樣品測(cè)試結(jié)果，其現(xiàn)場解析氣量大于0.5 m3／t，有利區(qū)面積約158 km2。地表交通、水源條件良好，具有頁巖氣勘探開發(fā)前景。

3.2 木桿地區(qū)

該區(qū)位于云南大關(guān)縣木桿鎮(zhèn)一帶，其主體為木桿向斜，向斜東北部受關(guān)村斷裂控制，西部受背斜影響，目標(biāo)層出露，南部背斜緊閉，構(gòu)造應(yīng)力集中。有記載的地震資料顯示，木桿向斜東部和南部斷裂附近地震頻發(fā)，最大一次強(qiáng)震于1974年發(fā)生于木桿向斜南部，震級(jí)7.1級(jí)［19］，表明該區(qū)處于構(gòu)造應(yīng)力集中區(qū)。同時(shí)，新地2井良好的現(xiàn)場解析氣顯示，表明該區(qū)地震對(duì)其目標(biāo)層的含氣性破壞程度有限。五峰組—龍馬溪組主要沉積于深水陸棚的炭質(zhì)粉砂泥棚和炭質(zhì)泥粉砂棚微相。目標(biāo)層巖性為灰黑色炭質(zhì)泥頁巖、灰黑色鈣質(zhì)泥頁巖夾泥灰?guī)r透鏡體，區(qū)域分布穩(wěn)定。富有機(jī)質(zhì)泥頁巖（TOC＞2.0%）厚度大于100 m，TOC介于2.0% ～3.0%之間，等效鏡質(zhì)體反射率（VRo）＞2.0%；石英含量 25% ～38%，目標(biāo)層埋深500～2500 m，其現(xiàn)場解析氣量在1.0～3.38 m3／t之間，有利區(qū)面積約142 km2。地表交通、水源條件良好，具有良好的頁巖氣勘探開發(fā)前景。

3.3 高橋地區(qū)

圖7 四川盆地西南緣五峰組—龍馬溪組頁巖氣有利區(qū)分布圖Fig.7 Distribution of the shale gas favourable areas in the Wufeng Formation-Longmaxi Formation on the southwestern margin of the Sichuan Basin

該區(qū)位于云南大關(guān)縣高橋鄉(xiāng)至壽山鄉(xiāng)一帶，其主體位于勺寨向斜東北部，其北西側(cè)受蓮峰斷裂控制，向斜構(gòu)造軸線近似呈北東向，其內(nèi)斷層發(fā)育，南北走向的右旋走滑斷層為主，該區(qū)內(nèi)構(gòu)造應(yīng)力復(fù)雜，局部走滑斷層切割的斷塊內(nèi)應(yīng)力集中，具備一定的超壓發(fā)育條件。五峰組—龍馬溪組主要沉積于淺水陸棚的含炭質(zhì)灰粉砂泥棚和含炭灰泥粉砂微相。目標(biāo)層巖性為灰黑色炭質(zhì)粉砂質(zhì)泥巖、深灰色炭質(zhì)泥質(zhì)粉砂巖，區(qū)域上，其富有機(jī)質(zhì)泥頁巖向南減薄，砂質(zhì)含量逐漸增高。富有機(jī)質(zhì)泥頁巖（TOC＞2.0%）厚度多處于30～50 m，TOC介于1.0% ～3.0%之間，等效鏡質(zhì)體反射率（VRo）＞2.0%，石英含量30% ～50%，目標(biāo)層埋深500～3500 m，其現(xiàn)場解析氣量大于0.5 m3／t，有利區(qū)面積約686 km2。地表交通、水源條件較差，具有一定的頁巖氣勘探開發(fā)前景。

4 結(jié)論

（1）四川盆地西南緣五峰組—龍馬溪組具備有利的頁巖氣形成條件。五峰組—龍馬溪組有機(jī)碳含量分布于0.12% ～6.49%，平均值約2.06%，富有機(jī)質(zhì)泥頁巖厚度大，平均厚度多在30m以上，局部大于90m，主要位于龍馬溪組下部。富有機(jī)質(zhì)泥頁巖內(nèi)干酪根全為I型，熱演化程度高，等效鏡質(zhì)體反射率（VRo）為2.62% ～2.80%，平均2.71%，處于深部高溫生干氣階段。泥頁巖內(nèi)脆性礦物豐富，介于56%～92%之間，平均含量約80%。孔隙度主要分布于0.50% ～11.36%，平均3.85%。橫向滲透率分布于0.0162～77.3294 mD之間，縱向滲透率為0.0001～1.79 mD。鉆井揭示其現(xiàn)場解析氣量最大值達(dá)3.38 m3／t。區(qū)內(nèi)目標(biāo)層埋深小于3500 m，具有一定的頁巖氣勘探開發(fā)前景。

（2）云蕎、木桿、高橋地區(qū)是四川盆地西南緣3個(gè)較為有利的頁巖氣勘探開發(fā)礦權(quán)空白區(qū)，其中木桿地區(qū)最為有利。

致謝：文本在資料收集和野外過程中得到了成都地質(zhì)調(diào)查中心葛祥英、林家善、劉建清、楊貴來、馮偉明、康建威、梁虹、羅建寧、王曉飛等同志和司機(jī)張曉進(jìn)、鄒波的大力支持和幫助，特此表示感謝。

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