劉光明，張成江，方光建，張志平，楊 沛，吳益朝

（1．成都理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，四川成都 610059；2．重慶市地質(zhì)調(diào)查院；3．重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院；4．重慶市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局川東南地質(zhì)大隊(duì)）

酉秀隆褶帶是上揚(yáng)子?xùn)|南緣的重要組成部分，下寒武統(tǒng)牛蹄塘組富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖廣泛發(fā)育，具有烴源巖厚度大、空間分布連續(xù)、有機(jī)地球化學(xué)指標(biāo)較好等特點(diǎn)，與國(guó)內(nèi)外典型頁(yè)巖[1–4]具有良好的可比性，是頁(yè)巖氣勘探的重要目標(biāo)層系。但酉秀隆褶帶已實(shí)施的牛蹄塘組頁(yè)巖氣探井（含地質(zhì)井、參數(shù)井）含氣量較低，勘探工作未取得突破。部分學(xué)者從儲(chǔ)集空間特征及含氣性[5–9]、保存條件[10–11]等方面進(jìn)行了研究，但尚未開展有關(guān)頁(yè)巖有機(jī)地球化學(xué)因素對(duì)含氣性的影響的研究。本文在野外地質(zhì)調(diào)查基礎(chǔ)上，結(jié)合頁(yè)巖氣調(diào)查評(píng)價(jià)專題研究資料，對(duì)渝東南酉秀隆褶帶下寒武統(tǒng)牛蹄塘組富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖有機(jī)地化因素對(duì)含氣性的影響進(jìn)行了研究和探討，并指出了該區(qū)有利儲(chǔ)層分布區(qū)帶。

1 地質(zhì)背景

酉秀隆褶帶位于四川盆地東南外緣，構(gòu)造位置屬于羌塘-揚(yáng)子-華南板塊揚(yáng)子陸塊武陵山古生代沉陷帶內(nèi)隆褶構(gòu)造單元。北西以馬剌湖斷裂為界，南東以三陽(yáng)斷裂帶為界，區(qū)內(nèi)構(gòu)造線NNE向，主體構(gòu)造平行交替、強(qiáng)烈擠壓抬升，具典型的背斜開闊、向斜緊密的隔槽式褶皺特征（圖1）。

研究區(qū)早古生代地層非常發(fā)育，主要發(fā)育上奧陶統(tǒng)五峰組-下志留統(tǒng)龍馬溪組和下寒武統(tǒng)牛蹄塘組兩套富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖，其中牛蹄塘組屬于陸棚沉積環(huán)境，以深水陸棚沉積為主，可劃分為兩個(gè)三級(jí)層序，分別對(duì)應(yīng)中下部的炭質(zhì)頁(yè)巖段和上部的粉砂質(zhì)泥巖段。巖性以黑色、灰黑色炭質(zhì)頁(yè)巖為主，夾硅質(zhì)巖，平均厚度65 m。礦物組成以石英、長(zhǎng)石和黃鐵礦等脆性礦物為主，含量超過50%；黏土礦物主要為伊利石、伊/蒙混層礦物。

2 有機(jī)地球化學(xué)特征

2.1 有機(jī)碳含量

有機(jī)質(zhì)是頁(yè)巖的成烴物質(zhì)基礎(chǔ)，其豐度決定了生氣質(zhì)量的好壞，是頁(yè)巖氣評(píng)價(jià)的首要有機(jī)地球化學(xué)指標(biāo)[12–13]。衡量巖石中有機(jī)質(zhì)的豐度所用的指標(biāo)主要有總有機(jī)碳含量（TOC）、氯仿瀝青“A”、總烴和生烴潛量（S1+S2）。根據(jù)本區(qū)牛蹄塘組有機(jī)質(zhì)成熟度高的實(shí)際情況，TOC可以近似代表有機(jī)質(zhì)豐度。樣品分析測(cè)試結(jié)果顯示，牛蹄塘組頁(yè)巖TOC分布于0.36%～12.60%之間，平均4.62%，其中大于2%的樣品達(dá)60%以上，表明有機(jī)碳含量相對(duì)較高，總體上牛蹄塘組頁(yè)巖具有良好的原始生氣基礎(chǔ)（表1）。

縱向上，TOC表現(xiàn)出中上部隨埋深增加而增大、中下部隨埋深增加而減小的變化趨勢(shì)，這主要是牛蹄塘組沉積時(shí)期海侵速率、有機(jī)質(zhì)沉積速率和保存條件發(fā)生變化，導(dǎo)致了有機(jī)質(zhì)縱向上非均質(zhì)分布[13]；平面上，不同區(qū)域TOC變化較大，高值區(qū)主要分布在秀山—酉陽(yáng)一帶，與南方地區(qū)牛蹄塘組富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖的有機(jī)質(zhì)主要受沉積環(huán)境控制[13]的認(rèn)識(shí)一致。

圖1 酉秀隆褶帶構(gòu)造綱要及樣品分布示意圖

表1 牛蹄塘組富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖TOC統(tǒng)計(jì)對(duì)比

2.2 生烴潛量

巖石熱解參數(shù)可反映源巖的生烴能力，但是生烴潛量受熱演化程度的影響較大，中國(guó)古生界海相烴源巖成熟度普遍很高，巖石熱解獲得的殘余生烴潛力通常很低，不能直接反映其原始生烴潛力。研究認(rèn)為（陳建平等，2012），可以以未成熟-低成熟階段烴源巖有機(jī)質(zhì)為基礎(chǔ)，按有機(jī)質(zhì)類型大類，建立生烴潛量與有機(jī)碳含量之間的定量關(guān)系，以此來計(jì)算高-過成熟烴源巖的原始生烴潛力。

對(duì) 20塊頁(yè)巖巖心樣品巖石熱解實(shí)驗(yàn)分析測(cè)試表明，生烴潛量一般為0.04～0.11 mg/g，平均為0.065 mg/g，表明該套頁(yè)巖的殘余生烴潛量均較低。根據(jù)下古生界生烴潛量計(jì)算公式（Pg=5.63TOC?2.37（陳建平，2012））推算，牛蹄塘組富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖在其未成熟-低成熟演化階段的原始生烴潛力為0.445～68.57 mg/g，表明該套富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖原始生烴潛力較大。

2.3 有機(jī)質(zhì)成熟度

鏡質(zhì)體反射率（Ro）是國(guó)際上公認(rèn)的標(biāo)定有機(jī)質(zhì)成熟度的一項(xiàng)獨(dú)立指標(biāo)，但不適用于下古生界烴源巖（騰格爾等，2007）。研究顯示，瀝青反射率已成為表征缺乏鏡質(zhì)體而含有瀝青的海相烴源巖有機(jī)質(zhì)成熟度的一個(gè)重要指標(biāo)（涂建琪等，1999）。據(jù)干酪根鏡鑒和有機(jī)顯微組分鑒定，本區(qū)牛蹄塘組富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖樣品富含瀝青質(zhì)，故本次采用換算過的瀝青等效鏡質(zhì)體反射率來評(píng)價(jià)頁(yè)巖成熟度（Ro=0.618Rob+0.4，（Jacob，1985））。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，牛蹄塘組頁(yè)巖Ro為2.93%～3.62%，平均3.43%，表明該套有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖已達(dá)到過成熟演化階段，頁(yè)巖已進(jìn)入生氣衰竭期，這可能與牛蹄塘組頁(yè)巖經(jīng)歷了多期次熱史變化有關(guān)?？v向上，Ro隨深度變化規(guī)律不明顯；平面上，Ro高值區(qū)分布在酉陽(yáng)—秀山一帶。

2.4 有機(jī)質(zhì)類型

過高成熟度導(dǎo)致了IH值和H/C值已經(jīng)失去應(yīng)有的指示意義[14]，本次以干酪根類型指數(shù)Ti（據(jù)曹慶英，1985）判斷有機(jī)質(zhì)類型。樣品干酪根顯微組分鑒定結(jié)果顯示，該套有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖中含有大量腐泥組和少量鏡質(zhì)組、惰質(zhì)組，不含殼質(zhì)組，Ti大于80的樣品占92%，Ti大于40小于80的樣品占8%。表明牛蹄塘組頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)類型為Ⅰ和Ⅱ1型，以Ⅰ型為主，其有機(jī)質(zhì)母源主要為藻類等低等水生生物，原始生烴能力較好。

綜合考慮牛蹄塘組頁(yè)巖的原始生氣能力以及熱演化程度對(duì)有機(jī)質(zhì)豐度、有機(jī)質(zhì)類型等指標(biāo)的負(fù)面影響[1]，本區(qū)牛蹄塘組頁(yè)巖總體上屬于中等烴源巖。

3 有機(jī)地化因素對(duì)含氣性的影響

由于頁(yè)巖氣具有多種賦存狀態(tài)，頁(yè)巖的有機(jī)地球化學(xué)特征、礦物組成、儲(chǔ)集空間類型及結(jié)構(gòu)等因素都在一定程度上控制著頁(yè)巖含氣量大小[15–17]。而有機(jī)質(zhì)作為頁(yè)巖的成烴物質(zhì)基礎(chǔ)，有機(jī)質(zhì)豐度、有機(jī)質(zhì)成熟度是控制頁(yè)巖含氣性能的最關(guān)鍵因素。

3.1 含氣性

鉆井樣品現(xiàn)場(chǎng)含氣量解析結(jié)果顯示，牛蹄塘組富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖含氣量平均值在0.5 m3/t以下，氣體成分以氮?dú)鉃橹?，烴類含量普遍偏低，總體上呈現(xiàn)出總含氣量低、烴含量低、氮?dú)夂扛叩奶攸c(diǎn)。氣體中的甲烷碳同位素介于-34.8‰～-41.2‰之間，平均-36.9‰，表現(xiàn)為有機(jī)成因的特征。與目前勘探開發(fā)取得成功的五峰-龍馬溪組頁(yè)巖氣體相比，該值明顯偏重，可能與牛蹄塘頁(yè)巖高演化程度有關(guān)。另外，根據(jù)甲烷碳同位素與干燥系數(shù)間關(guān)系，顯示牛蹄塘組頁(yè)巖氣屬于高溫裂解氣。

在30 ℃和99.99%甲烷平衡濕度的條件下，等溫吸附測(cè)試結(jié)果顯示，牛蹄塘組頁(yè)巖飽和吸附量為0.3～5.50 m3/t，平均為2.68 m3/t，差異非常大，且遠(yuǎn)大于現(xiàn)場(chǎng)解析含氣量?？傮w上牛蹄塘組頁(yè)巖具有良好的吸附特征，在地下壓力狀態(tài)下能吸附較多體積的氣體。綜合現(xiàn)場(chǎng)解析和等溫吸附結(jié)果，牛蹄塘組富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖總體含氣量較低，下部硅質(zhì)頁(yè)巖段現(xiàn)場(chǎng)解析含氣量相對(duì)較高。

3.2 TOC對(duì)含氣性的影響

TOC可以反映出頁(yè)巖的有機(jī)質(zhì)豐度，控制頁(yè)巖的物理性質(zhì)[15]，是影響牛蹄塘組含氣量的重要因素。測(cè)試結(jié)果表明，TOC與頁(yè)巖含氣量正相關(guān)性較好，總體上頁(yè)巖含氣量隨TOC增大而增加。這是因?yàn)榕Ｌ闾两M頁(yè)巖主要發(fā)育微型孔隙[8–9]，而本區(qū)牛蹄塘組黏土礦物平均含量 17%，微型孔隙主要受控于TOC[18]，TOC通過控制頁(yè)巖氣的儲(chǔ)集空間進(jìn)而影響頁(yè)巖含氣性。

在相同氣藏溫度和壓力下，隨著有機(jī)碳含量的增大，有機(jī)質(zhì)孔增加，氣體儲(chǔ)存空間增加，可供氣體吸附的孔隙比表面也增大，頁(yè)巖吸附氣含量也增加，進(jìn)而頁(yè)巖總含氣量增加，這與孫夢(mèng)迪[16]、劉雄輝[17]等研究結(jié)果一致；此外，可能也與有機(jī)碳表面的親油性特征對(duì)氣態(tài)烴較強(qiáng)的吸附能力和氣態(tài)烴在無定形和無結(jié)構(gòu)基質(zhì)瀝青體中的溶解作用增強(qiáng)了氣體吸附能力[19–20]有關(guān)。

由此可以看出，在總含氣量較低的情況下，TOC仍然是含氣量的重要影響因素。根據(jù)本區(qū)實(shí)際情況，TOC ＞3%的富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖可作為下一步的工作重點(diǎn)。

3.3 Ro對(duì)含氣性的影響

除了有機(jī)碳含量外，頁(yè)巖成熟度也在很大程度上控制著頁(yè)巖的生氣潛力。研究表明[21–23]，過成熟階段頁(yè)巖在一定范圍內(nèi)，比表面積、孔隙度和吸附能力與有機(jī)質(zhì)成熟度相關(guān)性明顯。有機(jī)質(zhì)成熟度（Ro）通過影響孔隙度、孔隙結(jié)構(gòu)、比表面積和吸附能力等儲(chǔ)層物性進(jìn)而影響頁(yè)巖含氣性。

本區(qū)牛蹄塘組頁(yè)巖Ro平均3.43%，處于過成熟階段，但Ro與現(xiàn)場(chǎng)解析氣量相關(guān)性不明顯，與等溫吸附氣量存在一定的負(fù)相關(guān)性（圖2）。實(shí)測(cè)顯示含氣量低，與以往對(duì)渝東南牛蹄塘組富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖的含氣性的認(rèn)識(shí)[15，24–25]存在較大差異。究其原因，可能是因?yàn)樗拇ㄅ璧刂芫壗?jīng)歷了復(fù)雜的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，處于盆外的渝東南地區(qū)牛蹄塘組富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖經(jīng)歷了多期次生排烴。根據(jù)生排烴史模擬，牛蹄塘組富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖約在侏羅系-白堊系沉積時(shí)期就達(dá)到了高-過成熟階段，已經(jīng)進(jìn)入生烴衰竭期，現(xiàn)今頁(yè)巖氣的散失大于補(bǔ)充，導(dǎo)致頁(yè)巖吸附氣含量不高，加之構(gòu)造運(yùn)動(dòng)對(duì)保存條件的破壞，使頁(yè)巖的含氣性降低。

圖2 牛蹄塘組頁(yè)巖Ro與含氣性關(guān)系

另外，過高的有機(jī)質(zhì)成熟度對(duì)有機(jī)質(zhì)豐度、有機(jī)質(zhì)類型等存在負(fù)面影響，導(dǎo)致有機(jī)碳石墨化程度增高，從而降低有機(jī)質(zhì)微孔隙的發(fā)育，Ro增加導(dǎo)致的微孔隙減少掩蓋了TOC增加導(dǎo)致的微孔隙增加，加之壓實(shí)作用的破壞，減少了頁(yè)巖氣的儲(chǔ)集空間，也是牛蹄塘組頁(yè)巖含氣性較差的可能原因。

由此可以看出，在一定條件下，Ro是控制含氣性的最主要因素之一，其對(duì)含氣性的影響程度大于TOC，適當(dāng)?shù)挠袡C(jī)質(zhì)成熟度（Ro＜3%）是頁(yè)巖氣勘探開發(fā)能否取得突破的關(guān)鍵因素之一。

4 有利儲(chǔ)層區(qū)帶

分析認(rèn)為牛蹄塘組頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)豐度較高，有機(jī)質(zhì)類型主要為 I型，有機(jī)質(zhì)成熟度較高，處于高成熟-過成熟演化階段。整體來看，該套烴源巖為中等烴源巖，在本研究區(qū)仍然具有一定的勘探潛力。綜合優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖厚度、埋深和有機(jī)地化因素對(duì)含氣性的影響，同時(shí)考慮構(gòu)造作用對(duì)保存條件的影響因素，確定有利儲(chǔ)層區(qū)帶參數(shù)如下：優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖厚度大于30 m、埋深小于3 500 m、TOC＞3%、Ro＜3%。

整體而言，牛蹄塘組富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖中段為有利儲(chǔ)集層段（圖3）；W4井（酉陽(yáng)）西南部為有利儲(chǔ)層分布區(qū)帶（圖4），面積約610 km2。

5 結(jié)論

（1）牛蹄塘組富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖TOC平均4.62%，具有較好的原始生烴基礎(chǔ)；原始生烴潛量較大；Ro平均 3.43%，處于過成熟階段；有機(jī)質(zhì)類型以Ⅰ型為主，原始生烴基礎(chǔ)較好。總體上牛蹄塘組頁(yè)巖屬于中等烴源巖。

（2）TOC、Ro是影響含氣性的主要有機(jī)地化因素。TOC影響頁(yè)巖氣的儲(chǔ)集空間，隨著有機(jī)碳含量的增大，可供氣體吸附和儲(chǔ)存的空間增加，進(jìn)而頁(yè)巖總含氣量增加。在總含氣量較低的情況下，TOC仍然是含氣性的重要影響因素。Ro影響氣體吸附能力和儲(chǔ)集空間，Ro過高導(dǎo)致的微孔隙減少掩蓋了TOC增加導(dǎo)致的微孔隙增加，降低了頁(yè)巖的氣體吸附能力，其對(duì)含氣性的影響程度大于TOC，是控制含氣性的最主要因素之一。

（3）整體而言，牛蹄塘組富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖中段為有利儲(chǔ)集層段，W4井（酉陽(yáng)）南西部為有利儲(chǔ)層分布區(qū)帶。較高的有機(jī)碳含量（TOC＞3%）、適當(dāng)?shù)挠袡C(jī)質(zhì)成熟度（Ro＜3%），構(gòu)造作用對(duì)保存條件的影響，是牛蹄塘組富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖今后的主要工作方向。

[1] 李景新，呂宗剛，董大忠，等．北美頁(yè)巖氣資源形成地質(zhì)條件[J]. 天然氣工業(yè)，2009，29（5）：27–32.

[2] 郭彤樓，張漢榮. 四川盆地焦石壩頁(yè)巖氣田形成與富集高產(chǎn)模式[J]. 石油勘探與開發(fā)，2014，41（1）：28–36.

[3] GUO Tonglou. Evaluation of highly thermally mature shalegas reservoirs in complex structural parts of the Sichuan Basin[J]. Journal of Earth Science，2013，24（6）：863-873.

[4] 郭旭升. 南方海相頁(yè)巖氣“二元富集”規(guī)律：四川盆地及周緣龍馬溪組頁(yè)巖氣勘探實(shí)踐認(rèn)識(shí)[J]. 地質(zhì)學(xué)報(bào)，2014，88（7）：1209–1218.

[5] 馬勇，鐘寧寧，程禮軍，等．渝東南兩套富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖的孔隙特征——來自FIB-SEM的新啟示[J]．石油實(shí)驗(yàn)地質(zhì)，2015，37（1）：109–116.

[6] 曾維特，丁文龍，張金川，等. 渝東南-黔北地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁(yè)巖裂縫有效性研究[J]. 地學(xué)前緣，2016，23（1）：96–106.

[7] 聶海寬，邊瑞康，張培先，等. 川東南地區(qū)下古生界頁(yè)巖儲(chǔ)層微觀孔隙類型與特征及其對(duì)含氣量的影響[J]. 地學(xué)前緣，2014，21（4）：331–343.

[8] 焦偉偉，岳鋒，程禮軍，等．渝東南地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁(yè)巖孔隙體系特征[J].天然氣地球科學(xué)，2015，26（8）：1 587–1 595.

[9] 余川，聶海寬，曾春林，等. 四川盆地東部下古生界頁(yè)巖儲(chǔ)集空間特征及其對(duì)含氣性的影響[J]. 地質(zhì)學(xué)報(bào)，2014，88（7）:1 311–1 320.

[10] 聶海寬，包書景，高波，等．四川盆地及其周緣下古生界頁(yè)巖氣保存條件研究[J].地學(xué)前緣，2012，19（3）：280–294.

[11] 胡明毅，鄧慶杰，胡忠貴. 上揚(yáng)子地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁(yè)巖氣成藏條件[J]．石油與天然氣地質(zhì)，2014，35（2）：272–279.

[12] 楊振恒，騰格爾，李志明，等. 頁(yè)巖氣勘探選區(qū)模型 [J].天然氣地球科學(xué)，2011，22（1）：8–14.

[13] 吳陳君，張明峰，馬萬云，等. 渝東南牛蹄塘組頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)特征及沉積環(huán)境研究[J]. 天然氣地球科學(xué)，2014，28（5）：1267-1274.

[14] 張林，魏國(guó)齊，韓龍，等．四川盆地震旦系-下古生界高過成熟度烴源巖評(píng)價(jià)[J]．石油實(shí)驗(yàn)地質(zhì)，2008，30（3）：286–291.

[15] 邢雁文，張金川，馮赫青，等. 渝東南地區(qū)下寒武統(tǒng)頁(yè)巖氣聚集條件及有利區(qū)預(yù)測(cè)[J]. 東北石油大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，38（3）：66–74.

[16] 孫夢(mèng)迪．渝東南地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁(yè)巖儲(chǔ)層特征及甲烷吸附能力[D]. 北京：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京），2014.

[17] 劉雄輝. 頁(yè)巖巖石學(xué)特征及其對(duì)吸附氣量的影響[D].四川成都：西南石油大學(xué)，2015.

[18] 曹曉萌，于炳松，李心童，等. 渝東南下寒武統(tǒng)頁(yè)巖儲(chǔ)層特征及測(cè)井評(píng)價(jià)[J]. 石油學(xué)報(bào)，2014，35（2）:233–243.

[19] 張林曄，李政，朱日房. 頁(yè)巖氣的形成與開發(fā)[J]. 天然氣工業(yè)，2009，29（1）：124–128.

[20] JARVIE D. Evaluation of hydrocarbon generation and storage in the Barnett shale, Fort Worth Basin, Texas[R].Texas: Humble Geochemical Services Division, 2004.

[21] 武景淑，于炳松，李玉喜．渝東南渝頁(yè)1井頁(yè)巖氣吸附能力及其主控因素[J]．西南石油大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012，34（4）：40–48.

[22] 王飛宇，關(guān)晶，馮偉平，等. 過成熟海相頁(yè)巖孔隙度演離氣量[J]．石油勘探與開發(fā)，2013，40（6）：764–768.

[23] 程鵬，肖賢明. 很高成熟度富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖的含氣性問題[J]. 煤炭學(xué)報(bào)，2013，38（5）：738–741.

[24] 劉軍，姚艷斌，朱正杰，等. 渝東南地區(qū)黑色巖系儲(chǔ)集層特征及含氣性評(píng)價(jià)[J]．礦物巖石地球化學(xué)通報(bào)，2015，34（5）：1 021–1 026.

[25] 謝忱，張金川，李玉喜，等．渝東南渝科1井下寒武統(tǒng)富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖發(fā)育特征與含氣量[J]. 石油與天然氣地質(zhì)，2013，34（1）：11–15.