王秀平，牟傳龍，王啟宇，周懇懇，梁薇，葛祥英，陳小煒

1.中國地質(zhì)調(diào)查局成都地質(zhì)調(diào)查中心，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，成都　610081

0　引言

頁巖氣是一種重要的非常規(guī)天然氣資源[1]，是指主體上存在于低孔、特低滲、富有機(jī)質(zhì)的暗色細(xì)粒沉積巖層系中的天然氣，以吸附和游離狀態(tài)為主[2-4]，是烴源巖中未被即時排出的天然氣[5]，具有自生自儲、吸附作用機(jī)理的特殊性；以熱成因的類型為主，具有異于常規(guī)油氣藏或水溶性氣藏的地質(zhì)特殊性，例如未有二次運(yùn)移或運(yùn)移距離短、自封閉機(jī)理、地層飽含氣、形成大規(guī)模原地連續(xù)聚集天然氣的重要特點(diǎn)等[3,6]。

近年來，頁巖氣作為非常規(guī)油氣資源勘探開發(fā)的新亮點(diǎn)和熱點(diǎn)，全球各頁巖氣資源大國均已投入頁巖氣資源的勘探開發(fā)工作[7]。2005年以來，中國借鑒北美頁巖氣經(jīng)驗(yàn)開始了對中國頁巖氣地質(zhì)條件評價與勘探開發(fā)的先導(dǎo)性試驗(yàn)[8-9]。十多年來，隨著對非常規(guī)油氣資源研究與勘探開發(fā)的逐漸深入，中國頁巖氣飛速發(fā)展。迄今，不僅在頁巖氣地質(zhì)條件認(rèn)識上取得了進(jìn)展，在勘探開發(fā)實(shí)踐上也取得了一定的突破，成為了全球除北美地區(qū)以外率先發(fā)現(xiàn)頁巖氣并獲得工業(yè)性開發(fā)的國家[10]。2012年，中石化在重慶涪陵發(fā)現(xiàn)了焦石壩龍馬溪組頁巖氣田，這不僅是中國首個大型頁巖氣田，也是全球除北美地區(qū)之外最大的頁巖氣田，并于2015年建成投產(chǎn)[11]。

然而，受復(fù)雜構(gòu)造背景的控制，中國頁巖氣發(fā)育的地質(zhì)條件極為復(fù)雜，在充分借鑒北美頁巖氣研究的基礎(chǔ)上，國內(nèi)對頁巖氣研究基礎(chǔ)相對薄弱但相關(guān)地質(zhì)理論的研究內(nèi)容寬泛，精專的理論研究相對滯后[12]。中國頁巖氣的基礎(chǔ)地質(zhì)特征(如地質(zhì)背景、有機(jī)質(zhì)類型、有機(jī)碳含量、熱演化程度、巖石類型和礦物組分等方面)與北美頁巖氣具有一定的差別[13-14]。弄清我國頁巖氣的實(shí)際特征及形成機(jī)理，對中國頁巖氣的勘探、開發(fā)具有指導(dǎo)性的作用，以配合中國頁巖氣的發(fā)展速度。牟傳龍等[5]通過總結(jié)頁巖氣實(shí)際地質(zhì)特征和研究、工作現(xiàn)狀，重新厘定了頁巖氣的定義，通過詳細(xì)解讀頁巖氣在地質(zhì)調(diào)查階段的基本任務(wù)，提出以巖相古地理研究及編圖作為基礎(chǔ)和關(guān)鍵技術(shù)能有效的實(shí)現(xiàn)頁巖氣地質(zhì)調(diào)查工作的基本任務(wù)，對頁巖氣地質(zhì)調(diào)查具有重要的指導(dǎo)作用。為了進(jìn)一步加強(qiáng)對“巖相古地理研究可作為頁巖氣地質(zhì)調(diào)查之指南”[5]的理解，在詳細(xì)分析頁巖氣富集的基本地質(zhì)因素的基礎(chǔ)上，通過總結(jié)川南及鄰區(qū)志留系龍馬溪組黑色巖系沉積、成巖方面及與頁巖氣地質(zhì)條件的關(guān)系，進(jìn)一步指明沉積相或巖相古地理研究在頁巖氣地質(zhì)調(diào)查工作的重要地位。

1　頁巖氣影響因素綜合分析

頁巖氣的富集主要且首先取決于富有機(jī)質(zhì)頁巖自身的物質(zhì)組分特征，包括有機(jī)質(zhì)的豐度(TOC)、類型與熱演化程度(Ro)、頁巖的厚度、脆性礦物的含量及儲集層特征和含氣性等多因素的控制；環(huán)境條件主要包括深度、溫度與壓力等[15-16]。有機(jī)質(zhì)的豐度(TOC)和熱演化程度(Ro)、礦物組分特征尤其是脆性礦物的類型和含量、富有機(jī)質(zhì)頁巖的厚度及其頂?shù)装鍡l件等頁巖自身地質(zhì)特征，與保存條件、地面地形與水文特征等外部條件，是共同決定北美頁巖氣能夠?qū)崿F(xiàn)商業(yè)性開發(fā)的關(guān)鍵因素[17]。因此，在頁巖氣選區(qū)評價中，影響頁巖氣富集的關(guān)鍵參數(shù)[18-20]可劃分為地質(zhì)條件和工程技術(shù)條件兩大類。地質(zhì)條件類參數(shù)主要為富有機(jī)質(zhì)頁巖自身發(fā)育特征及油氣顯示等，控制頁巖氣的生成與富集；工程技術(shù)條件類參數(shù)則包括頁巖的保存條件參數(shù)、埋深和地理地貌及交通條件等，主要控制頁巖氣的開發(fā)成本。在頁巖氣區(qū)域地質(zhì)調(diào)查階段，主要是通過詳細(xì)分析其地質(zhì)條件參數(shù)對頁巖氣的影響，對頁巖氣影響因素進(jìn)行分析。頁巖含氣量的多少指示著頁巖氣的富集程度，不僅是評判頁巖中殘留氣量的一個直接標(biāo)志，也是目前國內(nèi)進(jìn)行頁巖氣資源量計(jì)算的一個重要參數(shù)[21]。因此，區(qū)域地質(zhì)調(diào)查中對頁巖氣富集影響因素的分析，實(shí)際上為影響頁巖含氣量因素的分析。

(1) 有機(jī)碳含量(TOC)

Shirley[22]提出影響頁巖生氣量的主要因素為有機(jī)碳含量、干酪根類型和熱成熟度，而前人研究表明[23]，有機(jī)質(zhì)豐度還與頁巖含氣量呈明顯的正相關(guān)性，有機(jī)碳含量(TOC)直接影響頁巖含氣量的大小。有機(jī)碳含量對富有機(jī)質(zhì)頁巖的含氣量起決定性的作用，它決定了頁巖的生烴能力、儲集空間的大小和對頁巖氣的吸附能力[24]。北美頁巖氣勘探開發(fā)的成功經(jīng)驗(yàn)表明，只有富有機(jī)質(zhì)頁巖的有機(jī)碳含量達(dá)到一定下限時，才具有工業(yè)產(chǎn)氣價值，因此有機(jī)碳含量是衡量頁巖含氣性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)[6,25]。在北美頁巖氣開發(fā)過程中發(fā)現(xiàn)，頁巖中有機(jī)碳的含量與頁巖產(chǎn)氣率之間呈線性關(guān)系，有機(jī)碳作為生烴物質(zhì)，且具有較強(qiáng)的吸附特性，直接控制了頁巖的吸附氣量，隨著有機(jī)碳含量的增加，相應(yīng)的頁巖吸附氣量也增加，因此有機(jī)碳含量是控制頁巖產(chǎn)氣能力的重要變量[22,26]；相反的，有機(jī)碳含量減少，吸附氣含量也隨之降低，進(jìn)一步反映了頁巖吸附能力與有機(jī)碳含量之間的密切關(guān)系[25]。

通過對中國頁巖氣的研究，也發(fā)現(xiàn)有機(jī)質(zhì)含量是影響頁巖含氣量的關(guān)鍵因素。有機(jī)質(zhì)含量是制約頁巖含氣量與資源潛力的關(guān)鍵參數(shù)[21]，其決定著生烴的多少，是生烴強(qiáng)度的主要影響因素[27]，有機(jī)質(zhì)豐度和熱演化程度是頁巖氣成藏的基本條件[17]。有機(jī)碳含量也是衡量頁巖含氣性能的重要指標(biāo)[28]，研究表明，同北美頁巖一樣，中國多數(shù)沉積盆地的頁巖中有機(jī)碳含量與產(chǎn)氣率之間都存在良好的線性關(guān)系[29]。在實(shí)際勘探研究過程中，發(fā)現(xiàn)頁巖中有機(jī)碳含量越高，其相應(yīng)頁巖的含氣量也越大，總有機(jī)碳含量(TOC)往往與頁巖的含氣量呈正相關(guān)性(圖1)[21，23,30]。頁巖中的有機(jī)質(zhì)在生烴過程中生成大量的烴類(頁巖氣)并產(chǎn)生有機(jī)質(zhì)生烴孔，可以將其生成的頁巖氣吸附在表面及儲集在有機(jī)質(zhì)生烴孔中，使得頁巖的吸附能力和含氣性與頁巖中總有機(jī)碳含量之間均存在著良好的正相關(guān)性[27]。韓雙彪等[31]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)渝東南地區(qū)龍馬溪組頁巖隨著有機(jī)碳含量的增加，吸附氣含量有增加的趨勢，并提出這與有機(jī)質(zhì)表面具有微觀孔隙特征有關(guān)；薛華慶等[32]通過四川盆地昭通區(qū)塊龍馬溪組頁巖的有機(jī)碳含量和現(xiàn)場產(chǎn)氣量測試顯示，有機(jī)碳含量增加，頁巖的比表面積增加，吸附能力增強(qiáng)，飽和吸附量變大，使得含氣量增加；另外，聶海寬等[33]分別通過實(shí)測法和公式法對四川盆地及其周緣上奧陶統(tǒng)—下志留統(tǒng)黑色頁巖含氣量進(jìn)行了分析和計(jì)算，二者所得結(jié)果吻合度較高。其中，公式法主要是根據(jù)有機(jī)質(zhì)含量和頁巖孔隙度的線性計(jì)算，而頁巖儲集層的孔隙以有機(jī)質(zhì)生烴孔為主，這也受有機(jī)質(zhì)含量的控制，由此可進(jìn)一步說明，黑色頁巖有機(jī)質(zhì)的發(fā)育特征，可作為頁巖氣評價的重要指標(biāo)和決定性因素。其中，有機(jī)質(zhì)生烴孔形成于有機(jī)質(zhì)的埋藏和成熟過程中，是有機(jī)質(zhì)生烴作用造成的[19]。有機(jī)碳含量越高則會使得頁巖的原地滲透率增加，在頁巖氣開發(fā)過程中，通過水力壓裂后，會形成大量的微裂縫并連通孔隙，提高頁巖的滲透性，促使頁巖氣的最終采收率獲得極大地提高[29]。

由此可見，一方面有機(jī)碳含量越高，頁巖的生氣潛力就越大，單位體積頁巖的含氣率就越高；另一方面有機(jī)質(zhì)生烴演化程度越高則形成的有機(jī)質(zhì)生烴孔越多，并且有機(jī)碳含量越多，在生烴演化過程中產(chǎn)生的微孔增多(有機(jī)質(zhì)生烴孔為主)、微孔隙度增大，可供天然氣吸附的比表面積也增加，頁巖的吸附氣含量隨之增加。因此，有機(jī)碳含量是控制頁巖吸附氣含量的主要因素之一，是頁巖氣富集的重要和決定性因素。

圖1　川南及鄰區(qū)志留系龍馬溪組黑色巖系有機(jī)碳含量與吸附含氣量關(guān)系A(chǔ).渝頁1井，據(jù)韓雙彪等[31]修改；B.焦頁1井，據(jù)郭彤樓等[30]修改Fig.1　Relationship between TOC and gas content of black rocks in Silurian Longmaxi Formation of southernSichuan Basin and its peripheral regionA. Well YY1, after Han, et al.[31]; B. Well JY1, after Guo, et al.[30]

(2) 有機(jī)質(zhì)類型與成熟度

有機(jī)質(zhì)的類型對頁巖的生氣潛力起著決定性的控制作用，它也是評價富有機(jī)質(zhì)頁巖生氣能力的重要指標(biāo)之一[34]。有機(jī)質(zhì)類型也是決定烴源巖品級最重要的因素之一，但它并不影響烴源巖層的產(chǎn)氣數(shù)量，只影響天然氣的吸附率和擴(kuò)散率，總有機(jī)碳含量及其熱成熟度才是決定烴源巖層產(chǎn)氣能力的重要變量[35]。在有機(jī)質(zhì)生烴過程的不同階段，受不同化學(xué)組成與結(jié)構(gòu)特征的控制，不同類型干酪根的產(chǎn)氣率會有明顯的差別。在實(shí)驗(yàn)條件下，不同干酪根類型的主要生氣期(天然氣的生成量占總生氣量的70%～80%)對應(yīng)的鏡質(zhì)體反射率(Ro)值不同，I型、Ⅱ型、Ⅲ型干酪根主要生氣期的Ro值分別為1.2%～2.3%、1.1%～2.6%與0.7%～2.0%[36]。

有機(jī)質(zhì)的熱演化程度可以影響頁巖的生烴潛力[28]，熱演化程度(或成熟度)是確定有機(jī)質(zhì)生成油氣的關(guān)鍵指標(biāo)[16]。Zhangetal.[37]的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，有機(jī)質(zhì)成熟度越高，頁巖的吸附氣量越高。根據(jù)國際理論與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(IUPAC)的分類標(biāo)準(zhǔn)，孔隙直徑>50 nm的稱為宏孔隙(macropores)，2～50 nm與<2 nm的依次為中孔隙(mesopores)和微孔隙(micropores)[38]。武景淑等[29]研究認(rèn)為有機(jī)質(zhì)成熟度和微孔體積、中孔體積具有一定的負(fù)相關(guān)性，與宏孔體積在Ro<2.0%時沒有相關(guān)性，在Ro>2.0%時具有一定的正相關(guān)性；有機(jī)質(zhì)成熟度Ro>2.0%時和高成熟度有機(jī)碳含量都與宏孔體積呈正相關(guān)性，這可能是由于納米級顯微裂縫在高成熟度的有機(jī)質(zhì)中發(fā)育，導(dǎo)致總體上宏孔體積的增加有關(guān)。由此可見，有機(jī)質(zhì)成熟度影響頁巖的儲集空間類型，進(jìn)而影響頁巖含氣量。一定有機(jī)質(zhì)含量的含氣頁巖，在經(jīng)歷正常的生烴演化作用后，其有機(jī)質(zhì)的熱成熟度越高，則其生氣量就越大，賦存于含氣頁巖的天然氣尤其是游離氣也越多；隨著熱演化程度的持續(xù)增強(qiáng)，在一定的埋深條件下，烴類氣體的含量逐漸增加導(dǎo)致頁巖的地層壓力增大，造成頁巖的氣體吸附能力增強(qiáng)，并最終可能會導(dǎo)致吸附氣量增加。因此，有機(jī)質(zhì)的熱成熟度可作為評價頁巖氣資源潛力的重要參數(shù)之一[27]。

綜上所述，在不同的熱演化程度下，不同類型的有機(jī)質(zhì)生烴能力具有一定的差別，因此，有機(jī)質(zhì)類型不僅影響頁巖生烴能力，而且也影響頁巖含氣性[8]。

(3) 含氣頁巖厚度

廣泛分布的富有機(jī)質(zhì)泥頁巖是形成頁巖氣藏的物質(zhì)基礎(chǔ)和重要條件[39]，其厚度達(dá)到一定的數(shù)值是頁巖氣富集區(qū)發(fā)育的基本條件之一，也是控制頁巖氣資源量高低的重要因素之一[40-42]。白兆華等[27]提出足夠的富有機(jī)質(zhì)泥頁巖厚度與埋深是保障形成頁巖氣工業(yè)聚集的前提，尤其是富有機(jī)質(zhì)泥頁巖的沉積厚度越大則就能提供越豐富的生烴物質(zhì)，并在成巖過程中能產(chǎn)生越多的儲集空間。因此，富有機(jī)質(zhì)頁巖的厚度與頁巖氣藏的富集程度成正相關(guān)性，足夠厚的富有機(jī)質(zhì)頁巖不僅是頁巖氣生成的物質(zhì)保障，也是頁巖能提供充足的儲滲空間的重要基礎(chǔ)保證，并為頁巖氣賦存的載體[23]。

另一方面，富有機(jī)質(zhì)頁巖的厚度和頂?shù)装鍡l件控制了保存條件[17]，泥頁巖低孔超低滲的特征就決定了其具有一定的自封閉性，當(dāng)富有機(jī)質(zhì)頁巖的厚度較大，且大于其有機(jī)質(zhì)生烴高峰期向上下排烴的最大距離時，氣體將有效地封閉在自身儲集空間中[40,43]，因此富有機(jī)質(zhì)頁巖具有自生自儲的特性。由此可見，富有機(jī)質(zhì)泥頁巖沉積一定的厚度時就能具有自我封閉的能力，并在經(jīng)歷一定的成熟演化后，賦存一定的頁巖氣[43]。

由此可見，富有機(jī)質(zhì)頁巖具有有效的地層厚度是提供頁巖氣有利的生、儲、蓋條件的前提，富有機(jī)質(zhì)泥頁巖的厚度越大，生烴物質(zhì)含量越高，則能產(chǎn)生的儲集空間越多，其自封閉能力也越強(qiáng)，從而利于形成頁巖氣藏[39]。胡東風(fēng)等[43]提出四川盆地下古生界海相富有機(jī)質(zhì)泥頁巖埋深較大，從微觀分析數(shù)據(jù)上看，其滲透性非常低，具有一定的自封閉性。

(4) 礦物組分

由于頁巖氣儲層的巖性致密，需要通過外力來提高頁巖的基質(zhì)滲透率和氣體的滲流能力，以提高頁巖氣的采收率，為了達(dá)到頁巖氣在開發(fā)過程中進(jìn)行人為的加砂壓裂產(chǎn)生滲流裂縫網(wǎng)絡(luò)的效果，這就要求富有機(jī)質(zhì)頁巖本身應(yīng)具有一定的脆性，以促使頁巖氣儲層在外力作用下容易產(chǎn)生裂縫[21]。脆性礦物含量控制了頁巖的可改造性[39]，則頁巖礦物組成與含量往往會影響頁巖氣開采和壓裂效果[20]。

川南及鄰區(qū)志留系龍馬溪組黑色巖系巖石礦物組分與有機(jī)質(zhì)含量之間具有明顯的相關(guān)性[44]，進(jìn)而影響頁巖的含氣量。黏土礦物含量與有機(jī)碳含量略呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，所以，聶海寬等[45]認(rèn)為隨著黏土物質(zhì)的增加，頁巖的吸附氣含量略呈下降的趨勢。而黏土礦物中層間微孔隙發(fā)育，伊利石、伊/蒙混層和綠泥石等也具有一定的比表面積，可以作為有機(jī)質(zhì)的吸附介質(zhì)，并作為吸附氣的主要吸附介質(zhì)之一[32]。受成分和結(jié)構(gòu)差異的控制，不同的黏土礦物對天然氣具有不同的吸附能力，尤其是在富有機(jī)質(zhì)泥頁巖中，黏土礦物和有機(jī)質(zhì)作為其主要的氣體吸附介質(zhì)，二者形成復(fù)雜的復(fù)合體，使得對富有機(jī)質(zhì)頁巖氣體吸附能力的研究難度較大且引起廣泛的重視[46]。微孔隙尤其是晶間微孔的發(fā)育程度控制著礦物組分的比表面積，從而決定了其對氣體的吸附能力，而微孔隙發(fā)育特征和氣體吸附能力不僅與黏土礦物類型有關(guān)，而且明顯受成巖演化程度和巖石成因的影響[47]。由此可見，黏土礦物類型及含量不僅影響有機(jī)質(zhì)含量，且影響頁巖吸附性能和吸附氣量。另外，巖石礦物組成的變化影響著頁巖的巖石力學(xué)性質(zhì)和孔隙結(jié)構(gòu)，其中黏土礦物與石英、碳酸鹽礦物相比有較多的微孔隙和較大的表面積，因此對氣體有較強(qiáng)的吸附能力。

(5) 儲層特征

頁巖中的微孔隙和微裂縫的容積和孔徑是頁巖游離氣體的儲集空間，其分布體積大小能顯著影響頁巖氣的賦存形式，控制頁巖游離氣的含量。有機(jī)質(zhì)生烴孔和黏土礦物粒間孔是頁巖中發(fā)育最廣泛的兩種孔隙類型，對氣體吸附、存儲具有重要意義，而微裂縫既是游離氣的儲集空間，又是氣體滲流的主要通道[48]。Chalmersetal.[49]通過研究認(rèn)為隨著富有機(jī)質(zhì)頁巖孔隙度的增加，其總含氣量增大，二者具有明顯的線性關(guān)系。當(dāng)頁巖的孔隙度從0.5%增大到4.2%時，游離態(tài)氣體的含量增加了十倍，從原來的5%上升到50%[50]，說明頁巖孔隙度越大則游離氣比重越高。頁巖地層屬于低孔、超低滲儲層，其滲透率一般都小于0.01×10-3μm2，但隨著微裂縫系統(tǒng)的發(fā)育程度不同有很大的變化，裂縫系統(tǒng)越發(fā)育，巖層的滲透率越好，相對聚集的游離態(tài)頁巖氣量也就越大。

(6) 埋深和地層壓力

林臘梅等[51]通過進(jìn)行等溫吸附實(shí)驗(yàn)，對頁巖埋深、含氣量與有機(jī)碳含量之間的關(guān)系進(jìn)行了研究，結(jié)果表明在有機(jī)質(zhì)成熟的條件下，地層埋深相同時，頁巖的吸附氣量隨著有機(jī)碳含量的增加而增加；而有機(jī)碳含量一致時，頁巖的吸附氣含量則隨著地層埋深的增加而逐漸升高，并最終在地層埋深達(dá)到1 200 m左右后逐漸趨于一個定值；總的來說，富有機(jī)質(zhì)泥頁巖埋深與有機(jī)碳含量和頁巖含氣量具有相互補(bǔ)償?shù)年P(guān)系，則有機(jī)碳含量較低的富有機(jī)質(zhì)頁巖，需要在埋深較大的環(huán)境下，才能具有較高有機(jī)碳含量樣品，在淺層埋藏環(huán)境下的含氣量。

地層壓力也是影響頁巖氣產(chǎn)量的因素之一，主要影響頁巖的吸附氣量。研究表明，富有機(jī)質(zhì)泥頁巖地層的壓力越大，頁巖對氣體吸附能力和對游離氣的儲集能力均有所增強(qiáng)，則含氣量越高，使得富有機(jī)質(zhì)泥頁巖的地層壓力與含氣量存在正相關(guān)性[27,52]。胡東風(fēng)等[43]指出地層壓力系數(shù)是頁巖氣藏保存條件的綜合判別指標(biāo)，壓力系數(shù)的大小可以有效的指示頁巖氣藏的保存條件的好壞。富有機(jī)質(zhì)頁巖在生烴過程中造成孔隙壓力增大，在封閉性較好的條件下，頁巖氣藏作為內(nèi)源性氣藏，在地層中形成局部異常高壓區(qū)；如果富有機(jī)質(zhì)頁巖地層的封閉性不好，與外界具有良好的運(yùn)移通道，受內(nèi)部異常壓力和烴濃度差驅(qū)使，生成的天然氣則由內(nèi)向外快速排出，如果排出過快則造成地層壓力嚴(yán)重降低，甚至形成低壓區(qū)[43]。隨著地層壓力的升高且達(dá)到一定程度時，泥頁巖中會產(chǎn)生大量的微裂縫，并可作為頁巖氣賦存的良好儲集空間[27]。良好的保存條件是頁巖氣富集高產(chǎn)的充要條件之一，因此，壓力系數(shù)與頁巖氣產(chǎn)量具有一定的正相關(guān)性，呈對數(shù)正相關(guān)關(guān)系[43]。實(shí)際上，富有機(jī)質(zhì)頁巖的含氣量總體隨地層壓力的增加而增加，在低壓條件下，吸附氣增加較快，而當(dāng)壓力達(dá)到一定程度后，吸附氣含量的增加速度明顯減緩，而游離氣仍然在明顯增加，并成為頁巖氣的主體[24]。因此，在未確定有其他外部控制因素的前提下，如果富有機(jī)質(zhì)泥頁巖出現(xiàn)異常高的地層壓力，就可能說明頁巖儲層中殘留有大量的烴類，也指示著富有機(jī)質(zhì)頁巖可能具有較高的頁巖氣資源量[52]。

李玉喜等[24]提出壓力與埋深直接相關(guān)，對于頁巖氣藏，在構(gòu)造穩(wěn)定的地區(qū)，地層埋深越大往往表現(xiàn)為地層壓力越高，這也驗(yàn)證了Shirley[22]、李玉喜等[24]提出的有機(jī)碳含量和地層壓力是影響頁巖吸附能力的最主要的影響因素。

(7) 保存條件

與常規(guī)天然氣藏相比，頁巖氣的聚集屬于無二次運(yùn)移或極短距離二次運(yùn)移天然氣的賦存和富集，不依賴于常規(guī)意義上的圈閉及保存條件[53]。頁巖氣藏具有典型原地成藏的特點(diǎn)，在漫長的有機(jī)質(zhì)生烴演化過程中，生成的油氣應(yīng)先滿足頁巖自身的吸附和儲集能力，在頁巖儲層保存條件較好時，其含氣量達(dá)到充分飽和后，隨著有機(jī)質(zhì)熱演化程度的逐漸增強(qiáng)，天然氣持續(xù)大量生成，開始以游離相或溶解相向外進(jìn)行運(yùn)移，并在適宜的儲集層中形成常規(guī)天然氣藏[52]。

中國大多數(shù)的沉積盆地，在地質(zhì)歷史時期均經(jīng)歷了多期次構(gòu)造運(yùn)動的疊加改造，發(fā)育大量且分布復(fù)雜的構(gòu)造斷裂，原始沉積盆地的構(gòu)造格局和富有機(jī)質(zhì)泥頁巖原始沉積地層的完整性和穩(wěn)定性均遭到了不同程度的破壞，對其頁巖氣保存條件的認(rèn)識十分困難[45,54]。所以保存條件作為地質(zhì)理論中一項(xiàng)重要的研究內(nèi)容，對中國頁巖氣的勘探開發(fā)工作來說不容忽視，相對發(fā)育于穩(wěn)定構(gòu)造背景下沉積盆地的北美頁巖氣，頁巖氣的保存條件特別是原型盆地恢復(fù)及其構(gòu)造演化研究是中國頁巖氣地質(zhì)理論研究的特定內(nèi)容[13]。中國頁巖氣勘探的關(guān)鍵是在原型盆地恢復(fù)的基礎(chǔ)上，尋找構(gòu)造相對穩(wěn)定、富有機(jī)質(zhì)頁巖展布連續(xù)且具有較好保存條件的有利地區(qū)[55]。對于頁巖保存條件的研究是一個綜合性很強(qiáng)的內(nèi)容，其影響和表征的關(guān)鍵因素包括構(gòu)造背景及演化特征、構(gòu)造運(yùn)動類型及分布特征及相應(yīng)的斷層與裂隙發(fā)育程度、盆地及其演化特征、富有機(jī)質(zhì)頁巖自身發(fā)育特征及其頂?shù)椎貙影l(fā)育特征、頁巖埋深及現(xiàn)今地層壓力狀況、地表發(fā)育特征及水文地質(zhì)條件等，需要綜合考慮以上各因素[56]。然而，頁巖氣“自生、自儲、自蓋”的特征及其良好的氣體吸附性能，使其對保存條件要求相對常規(guī)油氣藏來說通常較低[57]。郭彤樓等[30]分別從頁巖氣儲集物性特征、吸附氣為主的特點(diǎn)和連續(xù)氣藏特征以及頁巖本身具有良好的塑性等方面分析，結(jié)合JY1井已獲得頁巖氣突破的實(shí)際情況，認(rèn)為與常規(guī)氣藏以孔隙、不整合、斷裂等作用為油氣運(yùn)移通道相比，對保存條件要求相對較弱。雖然泥頁巖的脆性礦物含量較少，脆性較差，具有一定的抗應(yīng)力破碎能力，但中國南方下古生界海相富有機(jī)質(zhì)頁巖在地質(zhì)歷史過程中，局部受到了劇烈且頻繁的構(gòu)造運(yùn)動，可能會造成富有機(jī)質(zhì)泥頁巖的流體和壓力系統(tǒng)發(fā)生破壞，或使得頂?shù)装鍘r層的封閉性變差，造成其保存條件變差[43]。因此，頁巖氣保存條件的研究成為中國頁巖氣勘探和開發(fā)的重要內(nèi)容和方向之一，應(yīng)在加強(qiáng)利用以盆地演化認(rèn)識的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)有的構(gòu)造表征特征、頂?shù)装鍘r層發(fā)育特征、現(xiàn)今地層埋深與壓力狀況等來判斷現(xiàn)今頁巖氣保存狀況[15]。

(8) 影響因素綜合分析

有機(jī)質(zhì)作為生烴物質(zhì)，控制頁巖氣藏的存在與否；有機(jī)質(zhì)生烴演化過程中，不僅產(chǎn)生天然氣，其有機(jī)質(zhì)生烴孔作為頁巖主要的儲集空間，控制了頁巖氣的含氣量多少；頁巖巖石礦物組分與有機(jī)碳含量具有一定的正相關(guān)性，二者作為頁巖的主要物質(zhì)組分不僅影響頁巖的物性也影響頁巖含氣量；頁巖儲集空間及其物性主要受有機(jī)碳含量、礦物組分和有機(jī)質(zhì)熱演化程度和構(gòu)造作用影響。由上可知，頁巖儲層特征直接影響含氣總量，而有機(jī)質(zhì)生烴孔與黏土礦物粒間孔作為主要的儲集空間，均形成富有機(jī)質(zhì)頁巖進(jìn)入中成巖A期后，廣泛發(fā)生黏土礦物轉(zhuǎn)化和有機(jī)質(zhì)大量生烴轉(zhuǎn)化過程中[58]，因此，有效的頁巖儲層與有機(jī)質(zhì)含量和有機(jī)、無機(jī)成巖綜合演化有關(guān)。陳尚斌等[59]提出黏土礦物對孔隙形成的影響程度遠(yuǎn)小于有機(jī)質(zhì)和脆性礦物含量，有機(jī)碳含量是泥頁巖中對孔隙影響最為關(guān)鍵和顯著的因素。吳艷艷等[60]通過對渝東南地區(qū)龍馬溪組和川東南須家河組頁巖樣品孔隙分析，數(shù)理統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，納米孔隙的類型并非含氣量多少的主控因素，有機(jī)碳含量(TOC)才是頁巖氣藏最本質(zhì)因素。由此提出，頁巖含氣量大小是多個因素綜合影響的結(jié)果，但最直接和最根本的影響因素為有機(jī)質(zhì)特征，其中最主要的為有機(jī)質(zhì)含量。有機(jī)質(zhì)特征，即有機(jī)碳含量、有機(jī)質(zhì)類型與富有機(jī)質(zhì)頁巖的厚度發(fā)育特征，均受沉積環(huán)境或沉積相的控制；礦物組分的特征亦受沉積環(huán)境的控制，且正是由于沉積環(huán)境對礦物組分和有機(jī)碳含量的共同影響，造成二者之間的相關(guān)性。因此，沉積環(huán)境不僅控制了富有機(jī)質(zhì)泥頁巖的厚度、分布面積、空間展布特征及其有機(jī)質(zhì)含量等特征，還嚴(yán)重影響了巖相類型及特征，沉積環(huán)境從源頭控制了生成頁巖氣的物質(zhì)組分特征，在成巖作用過程中又繼而決定了儲層物性發(fā)育的特點(diǎn)，并最終影響了頁巖氣的成藏[61]。沉積環(huán)境是決定頁巖氣富集程度的最根本因素，焦石壩地區(qū)頁巖氣獲得突破，認(rèn)為沉積環(huán)境決定的富有機(jī)質(zhì)泥頁巖的發(fā)育為頁巖氣的生成和儲集提供了豐富的物質(zhì)基礎(chǔ)[62]。

有機(jī)質(zhì)在生、排烴過程中，如果具有良好的封堵性，則便可以形成頁巖氣藏，表現(xiàn)為高壓或異常高壓分布區(qū)?？紤]到在構(gòu)造穩(wěn)定區(qū)，地層壓力與其埋深相關(guān)，因此，在一定的構(gòu)造背景下，影響地層壓力的主要地質(zhì)因素主要為有機(jī)碳含量、有機(jī)質(zhì)熱演化程度和地層埋深。追溯其源，可以推測頁巖氣藏的形成，為在一定的構(gòu)造背景下和構(gòu)造演化過程中，在缺氧、還原的沉積環(huán)境中形成的富有機(jī)質(zhì)細(xì)粒沉積物，在成巖演化過程中發(fā)生水—巖反應(yīng)和有機(jī)質(zhì)生、排烴作用，在未受到強(qiáng)烈斷裂破壞(保持了良好的封堵性)的情況下，形成頁巖氣藏(圖2)。頁巖氣一定是富有機(jī)質(zhì)的細(xì)粒沉積巖(烴源巖)中未被及時排出的“殘留氣”，其自生自儲、運(yùn)移距離很短的特征，說明其氣藏大小受富有機(jī)質(zhì)細(xì)粒沉積巖的厚度及展布特征的控制，而富有機(jī)質(zhì)細(xì)粒沉積巖的發(fā)育特征是在一定的構(gòu)造背景下，由沉積相決定。因此，巖相古地理可以初步限定頁巖氣的發(fā)育特征，通過認(rèn)識富有機(jī)質(zhì)頁巖富集的沉積相(微相)的類型及發(fā)育特征，利用在區(qū)域上進(jìn)行巖相古地理編圖，可以明確富有機(jī)質(zhì)頁巖的空間展布特征。所以即巖相古地理研究可作為頁巖氣地質(zhì)調(diào)查之指南[5]。

圖2　影響頁巖氣富集各因素相關(guān)示意圖Fig.2　Related schematic diagram of the factors affecting the shale gas enrichment

2　川南及鄰區(qū)志留系龍馬溪組實(shí)例分析

2.1　區(qū)域地質(zhì)概況

震旦紀(jì)到早奧陶世時期，整個中上揚(yáng)子地區(qū)處于伸展裂離背景，在陸塊內(nèi)部形成穩(wěn)定的克拉通盆地[63-64]。早志留世龍馬溪期是中國南方擠壓最強(qiáng)烈的時期[65-66]，受構(gòu)造擠壓褶皺造山的影響，中上揚(yáng)子陸塊邊緣地區(qū)的古陸范圍不斷擴(kuò)大，最終形成受川西—滇中古陸、漢南古陸、川中古陸及揚(yáng)子南緣的滇黔桂隆起帶圍限的“多隆圍一坳”的構(gòu)造格局，并形成被隆起所圍限的局限海域特征，同時受全球性海侵的影響[67]，產(chǎn)生大面積低能、欠補(bǔ)償、缺氧的沉積環(huán)境[68]，形成陸棚沉積體系(圖3)，并具有向上水體變淺的演化過程[13]。志留系龍馬溪組下部形成了一套沉積厚度較大且區(qū)域性分布的富有機(jī)質(zhì)細(xì)粒沉積巖，構(gòu)成了區(qū)域范圍內(nèi)中國南方重要的烴源巖系[67,70]。研究區(qū)位于四川盆地南部(圖3)，為上揚(yáng)子克拉通內(nèi)坳陷盆地的一部分，是現(xiàn)今上揚(yáng)子地區(qū)頁巖氣勘探潛力最好的地區(qū)之一，目前已在威遠(yuǎn)、長寧及其鄰區(qū)的昭通、彭水、黔江、涪陵等區(qū)塊下組合獲得頁巖氣突破，頁巖氣資源潛力較好。

龍馬溪組在研究區(qū)廣泛分布，且厚度較大，為頁巖氣的重點(diǎn)層系之一，也是此次研究的目的層。區(qū)內(nèi)大多數(shù)的龍馬溪組地層，與下伏奧陶系觀音橋組整合接觸，上覆地層為志留系羅惹坪組/石牛欄組或小河壩組。按垂向沉積特征，龍馬溪組可分為上下兩段，下段主要為富有機(jī)質(zhì)細(xì)粒沉積巖組合，以黑色碳質(zhì)頁巖、碳質(zhì)硅質(zhì)頁巖和灰黑色鈣質(zhì)泥巖為主，沉積于龍馬溪早期；龍馬溪晚期主要表現(xiàn)為上段的灰綠、黃綠色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖和粉砂巖組合，通常夾泥灰?guī)r透鏡體，為非黑色巖系[71]。志留系龍馬溪組下段富有機(jī)質(zhì)頁巖發(fā)育且沉積厚度大，是中國南方頁巖氣勘探的重點(diǎn)層段之一，現(xiàn)已取得勘探開發(fā)的突破，獲得工業(yè)氣流。

圖3　川南及鄰區(qū)構(gòu)造位置圖(A)及剖面點(diǎn)位置圖(B)(構(gòu)造位置圖據(jù)黃福喜等[69])Fig.3　Tectonic location of southern Sichuan Basin and its peripheral region (A) and Sections distribution of Silurian Longmaxi Formation(B) (tectonic location is after Huang, et al.[69])

頁巖氣地層實(shí)際上主要由細(xì)粒沉積巖組成，而非傳統(tǒng)意義上的“頁巖”，但為了描述方便，此次研究將目的層段—龍馬溪組黑色富有機(jī)質(zhì)頁巖發(fā)育層段(主要為龍馬溪組的下段)整體簡述為黑色巖系段，按照現(xiàn)今的研究習(xí)慣，將細(xì)粒沉積巖(泥頁巖)仍簡述為頁巖。

2.2　川南及鄰區(qū)志留系龍馬溪組黑色巖系發(fā)育特征

川南及鄰區(qū)志留系龍馬溪組黑色巖系的發(fā)育特征及其與頁巖氣的關(guān)系，主要是根據(jù)作者及所在團(tuán)隊(duì)在前階段研究成果的基礎(chǔ)上總結(jié)論述，包括黏土礦物[72]、礦物組分[44]、成巖作用[58]、沉積環(huán)境等幾個方面的成果。垂向上，研究區(qū)龍馬溪組黑色巖系的發(fā)育特征如圖4所示。

川南及鄰區(qū)志留系龍馬溪組下段黑色巖系發(fā)育的礦物組分類型較均一，而其含量在垂向上和平面上均表現(xiàn)為一定的非均質(zhì)性。礦物組分包括硅質(zhì)型礦物(石英、鉀長石、斜長石、及黃鐵礦等脆性礦物)、碳酸鹽質(zhì)型礦物(方解石、白云石及少量的菱鐵礦)與黏土礦物。石英作為川南及鄰區(qū)志留系龍馬溪組黑色巖系中含量最高，且最主要脆性礦物組分，具有生物自生成因、成巖次生和碎屑成因三種類型，并以第一種為主；且有機(jī)質(zhì)含量越高，生物成因類型硅質(zhì)的含量越高，成巖次生類型的含量相對陸源碎屑成因的硅質(zhì)含量也越高。根據(jù)巖石礦物組分對頁巖巖石類型進(jìn)行劃分的標(biāo)準(zhǔn)，川南及鄰區(qū)龍馬溪組黑色巖系頁巖主要發(fā)育硅質(zhì)型頁巖，其次為黏土質(zhì)型頁巖[44]。

圖4　XMP剖面志留系龍馬溪組頁巖氣綜合柱狀圖(據(jù)王秀平等[58]修改)Fig.4　Comprehensive geological column of Silurian Longmaxi Formation in XMP section of Sichuanprovince (after Wang, et al.[58])

川南及鄰區(qū)志留系龍馬溪組下段黑色巖系屬于細(xì)粒沉積巖，主要由黏土級和粉砂級沉積物組成。偏光顯微鏡下，呈細(xì)粉砂—泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，碎屑顆粒含量多為10%～50%，包括石英、長石、云母等，呈漂浮狀分布于泥質(zhì)和膠結(jié)物基底中，粒度通常<0.05 mm；膠結(jié)物與泥質(zhì)碎屑多與黑色有機(jī)質(zhì)共生，在偏光顯微鏡下很難辨認(rèn)，通過掃描電鏡及礦物組分分析，膠結(jié)物與泥質(zhì)碎屑的礦物組分相差不大，主要為黏土礦物和硅質(zhì)，局部地區(qū)以碳酸鹽礦物及黃鐵礦膠結(jié)物發(fā)育為特征[44]。通過野外觀察與常規(guī)電鏡分析，結(jié)合礦物組分分析，將川南及鄰區(qū)龍馬溪組下段的黑色巖系劃分為7種主要巖石類型，其中富有機(jī)質(zhì)頁巖主要為(含鈣)碳質(zhì)(硅質(zhì))頁巖、含粉砂(含鈣)碳質(zhì)頁巖與含碳(含鈣)粉砂質(zhì)頁巖與含碳頁巖。

川南及鄰區(qū)龍馬溪組黑色巖系有機(jī)質(zhì)豐度較高且不均勻分布，平面上，剩余有機(jī)碳含量平均為0.02%～5.37%，大部分地區(qū)都在1.0%以上。干酪根類型為I型和Ⅱ1型，均為有利于生成頁巖氣的有機(jī)質(zhì)類型[44]。研究區(qū)龍馬溪組黑色巖系成巖演化已達(dá)到晚成巖階段，有機(jī)質(zhì)已演化至過成熟階段早期，生成大量的干氣[58]。據(jù)前人的研究，龍馬溪組黑色巖系的孔隙度、滲透率及孔隙類型與北美頁巖相似[30,33,59]，川南及鄰區(qū)志留系龍馬溪組黑色巖系儲層表現(xiàn)為低孔、超低滲的致密特征。發(fā)育的孔隙類型主要有粒間孔(粒間骨架孔、凝絮成因孔、晶間孔與剛性礦物顆粒邊緣溶孔)、粒內(nèi)孔(黏土礦物層間微孔、粒內(nèi)溶孔等)、有機(jī)質(zhì)孔隙和微裂縫，其中，有機(jī)質(zhì)孔隙和黏土礦物層間孔隙是川南及鄰區(qū)志留系龍馬溪組下段黑色巖系基質(zhì)孔隙的主要貢獻(xiàn)者，微裂縫則提供主要的滲流通道。

川南及鄰區(qū)志留系龍馬溪組下段為黑色巖系的主要發(fā)育層段，通過對研究區(qū)龍馬溪組下段沉積相的分析，沉積相以淺海陸棚相最為發(fā)育，潮坪分布于隆起區(qū)的周緣。研究發(fā)現(xiàn)，川南及鄰區(qū)龍馬溪組有機(jī)質(zhì)的富集主要受局限滯留的淺海陸棚沉積環(huán)境的控制，同時受適宜的沉積速率降低了有機(jī)質(zhì)的稀釋率及快速海侵形成的分層水體，同時在上部富氧層形成較高的生物產(chǎn)率的影響，利于有機(jī)質(zhì)的形成和保存。研究區(qū)沉積中心的深水陸棚相沉積區(qū)，受海侵作用造成分層水體明顯，上層富氧區(qū)古生產(chǎn)力高，下層缺氧區(qū)的還原性強(qiáng)，形成以生物成因硅質(zhì)發(fā)育、黏土礦物含量中等、碳酸鹽礦物含量較少的富有機(jī)質(zhì)黑色巖系，全部為頁巖氣的有利區(qū)；淺水陸棚相中以砂泥質(zhì)淺水陸棚相最為發(fā)育，應(yīng)為頁巖氣發(fā)育的次級有利區(qū)，其沉積水體較深，多以脆性礦物含量較高的硅質(zhì)型頁巖為主，有機(jī)質(zhì)含量也較高；淺水陸棚相中局部發(fā)育的灰泥質(zhì)淺水陸棚相和隆起邊緣的潮坪相沉積，沉積水體較干凈，碳酸鹽礦物含量較高，造成有機(jī)質(zhì)含量很低，均為頁巖氣的非有利區(qū)。

通過對川南及鄰區(qū)志留系龍馬溪組黑色巖系巖石礦物組分、沉積環(huán)境、成巖作用等研究的總結(jié)來看，沉積于海侵初期，即龍馬溪組底部的碳質(zhì)硅質(zhì)頁巖與碳質(zhì)頁巖的有機(jī)碳含量最高，其次為沉積厚度較大且分布廣泛的含粉砂碳質(zhì)(含碳)頁巖，局部地區(qū)發(fā)育含粉砂(粉砂質(zhì))鈣質(zhì)碳質(zhì)(含碳)頁巖，其有機(jī)碳含量也較高，而粉砂巖及鈣質(zhì)頁巖或碳酸鹽巖的有機(jī)質(zhì)含量很低，因此有機(jī)碳含量作為黑色巖系的重要組成部分，與黑色巖系的巖石類型具有良好的對應(yīng)關(guān)系；礦物組分與有機(jī)碳含量之間的相關(guān)性更加明顯，其中硅質(zhì)型頁巖發(fā)育大量的石英、長石等脆性礦物，其有機(jī)碳含量最高，碳酸鹽質(zhì)型頁巖有機(jī)質(zhì)含量最低，介于二者之間的為黏土質(zhì)型頁巖[44]；研究區(qū)黑色巖系儲集空間的發(fā)育特征主要受礦物組分和有機(jī)質(zhì)含量及其演化程度的影響，孔隙的演化特征主要與成巖作用有關(guān)；黏土礦物層間微孔隙和有機(jī)質(zhì)微孔隙主要形成于生烴演化強(qiáng)烈的成巖階段，為頁巖基質(zhì)孔隙的主要類型，前者受黏土礦物轉(zhuǎn)化作用的控制，后者與有機(jī)質(zhì)生烴作用有關(guān)，主要形成于干氣大量生成的中成巖A期的弱溶蝕、膠結(jié)階段，為頁巖氣儲層發(fā)育的主要原因[60]。通過總結(jié)國內(nèi)外頁巖氣藏的勘探、開發(fā)實(shí)踐來看，認(rèn)為在不考慮“保存條件”的前提下，影響頁巖氣富集的幾大因素歸根到底為自身的“有機(jī)質(zhì)發(fā)育特征”，追本溯源為“沉積環(huán)境或沉積相”。由此，提出“富有機(jī)質(zhì)頁巖，在埋藏成巖過程中，只要是進(jìn)入“生油窗”，就可以形成頁巖儲層”。根據(jù)有機(jī)質(zhì)生烴理論，富含有機(jī)質(zhì)的細(xì)粒沉積巖只要其熱成熟度進(jìn)入生氣窗范圍，在未受強(qiáng)烈構(gòu)造作用影響的條件下，所生成的天然氣都應(yīng)會不同程度的殘留在烴源巖中，即可形成頁巖氣藏(不一定有工業(yè)價值)[21]。對于川南及鄰區(qū)志留系龍馬溪組，只要已進(jìn)入中成巖階段的淺海陸棚相黑色巖系，就能形成頁巖氣儲層。頁巖氣異于常規(guī)油氣最重要的特點(diǎn)是“自生自儲”，因此首先是其自身發(fā)育特征決定了儲層與氣藏的特征。

2.3　川南及鄰區(qū)志留系龍馬溪組黑色巖系頁巖氣評價

頁巖氣選區(qū)評價的目的是優(yōu)選出頁巖氣勘探的目的層和目標(biāo)區(qū)，在富有機(jī)質(zhì)頁巖層系的發(fā)育區(qū)進(jìn)行頁巖氣選區(qū)評價的首要工作和基礎(chǔ)是頁巖氣區(qū)域地質(zhì)調(diào)查[21]。在不同工作基礎(chǔ)的地區(qū)，頁巖氣地質(zhì)綜合評價所處階段不同，主要評價指標(biāo)也不同，隨著工作程度的提高，資料不斷豐富，評價指標(biāo)也逐步增加[73]。通過地質(zhì)調(diào)查，了解富有機(jī)質(zhì)頁巖層系在區(qū)域上的有機(jī)質(zhì)發(fā)育特征，初步篩選出具有頁巖氣勘探潛力的頁巖層段，作為一個頁巖氣勘探評價區(qū)的目的層，是頁巖層系的區(qū)域地質(zhì)特征評價主要目標(biāo)[21]。頁巖氣地質(zhì)評價以區(qū)域地質(zhì)演化分析為基礎(chǔ)，主要涉及含氣頁巖評價、頁巖含氣性和資源潛力評價與頁巖氣開發(fā)條件和開發(fā)經(jīng)濟(jì)性評價[73]。國外油氣公司根據(jù)自身所在探區(qū)的地質(zhì)條件和勘探開發(fā)技術(shù)的不同，采用了不同的選取評價方法和指標(biāo)體系，選區(qū)評價參數(shù)包括8類指標(biāo)：頁巖有機(jī)碳、頁巖有機(jī)質(zhì)成熟度、頁巖含氣性、頁巖厚度、頁巖物性、頁巖埋深、頁巖礦物組成與頁巖力學(xué)性質(zhì)[74]。

通過以上分析，為了進(jìn)一步驗(yàn)證“巖相古地理研究可作為頁巖氣地質(zhì)調(diào)查之指南”，即“對于川南及鄰區(qū)志留系龍馬溪組，只要成巖演化進(jìn)入中成巖階段的淺海陸棚相黑色巖系，就能形成頁巖氣儲層”，將各影響因素進(jìn)行對比、分析。川南及鄰區(qū)志留系龍馬溪組下段的深水陸棚相和砂泥質(zhì)淺水陸棚相為頁巖氣的遠(yuǎn)景區(qū)；根據(jù)目前的資料條件及勘探經(jīng)驗(yàn)[62,74]，有利區(qū)優(yōu)選的有機(jī)碳含量標(biāo)準(zhǔn)多選擇采用TOC≥2.0%；川南及鄰區(qū)龍馬溪組黑色巖系以干酪根類型以I型為主，次為II1型，干酪根的類型不同，則生氣的熱演化程度的底線不同，然而差別不大，則選擇Ro>1.3%為下限，而考慮到有機(jī)質(zhì)熱演化程度對頁巖儲層物性的影響，則選擇Ro>2.0%為較有利地區(qū)(Ro值為剖面上的平均值)；根據(jù)國內(nèi)外頁巖氣勘探、開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，頁巖氣的有利區(qū)選擇富有機(jī)質(zhì)頁巖氣的厚度大于30 m，單層厚度不小于10 m(川南及鄰區(qū)富有機(jī)質(zhì)頁巖均發(fā)育于龍馬溪組下段，富有機(jī)質(zhì)頁巖發(fā)育較連續(xù)，大于1 m的非有機(jī)質(zhì)頁巖夾層少見，因此，一般不用考慮單層厚度的特征)；川南及鄰區(qū)龍馬溪組黑色巖系的硅質(zhì)型頁巖的TOC最高，碳酸鹽質(zhì)型頁巖的TOC最低，介于中間的為黏土質(zhì)型頁巖，因此選擇硅質(zhì)型頁巖發(fā)育的地區(qū)為頁巖氣較有利的地區(qū)。早古生代海相富有機(jī)質(zhì)頁巖沉積后，四川盆地內(nèi)部主要經(jīng)歷了先后兩次反復(fù)埋藏和隆升剝蝕共四個階段的構(gòu)造演化過程，其有機(jī)質(zhì)具有生烴時間早且熱成熟度較高的特點(diǎn)[75]，研究區(qū)絕大部分地區(qū)Ro大于1.3%。由圖5可知，利用有機(jī)碳含量、富有機(jī)質(zhì)頁巖厚度、鏡質(zhì)體反射率和礦物巖石類型對頁巖氣有利區(qū)進(jìn)行初步圈定，均位于深水陸棚與砂泥質(zhì)淺水陸棚相的分布范圍內(nèi)。深水陸棚相和砂泥質(zhì)淺水陸棚相發(fā)育區(qū)，有機(jī)碳含量均大于2%，富有機(jī)質(zhì)頁巖厚度大部分地區(qū)大于30 m，多以硅質(zhì)型頁巖為主。王志剛等[11]、郭旭升等[74]先后提出南方海相頁巖氣“三元富集”與“二元富集”理論，均提出深水陸棚相優(yōu)質(zhì)頁巖是頁巖氣富集的基礎(chǔ)。綜上所述，尋找有利的沉積相(亞相、微相)是頁巖氣地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)和頁巖氣有利區(qū)評價的最重要的依據(jù)之一。

3　巖相古地理與頁巖氣

巖相古地理研究與編圖應(yīng)當(dāng)以揭示沉積和能源礦產(chǎn)分布的內(nèi)在聯(lián)系為終極目標(biāo)之一，這是巖相古地理學(xué)及其編圖(方法)在油氣中最大的應(yīng)用[68]。實(shí)際上，沉積學(xué)、巖相古地理學(xué)及其編圖(方法)在常規(guī)油氣勘探中一直處于十分重要的地位[68,76-82]。運(yùn)用巖相古地理理論，采用巖相古地理的編圖思路和方法現(xiàn)已進(jìn)行了大量深入的研究，并廣泛運(yùn)用于全國的油氣地質(zhì)調(diào)查工作中，且有效的指導(dǎo)了油氣勘探開發(fā)工作[68,80,83-86]。近十幾年來，巖相古地理學(xué)的理論發(fā)展和相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步，如層序巖相古地理編圖技術(shù)的創(chuàng)新和發(fā)展，在沉積礦產(chǎn)及常規(guī)油氣資源的地質(zhì)調(diào)查及勘探開發(fā)過程中發(fā)揮了非常重要的作用，開拓了在陸相、海相及海陸過渡相中找油的新領(lǐng)域等，推動了油氣資源的勘探開發(fā)并起到了不可替代的作用[86]，可以說是一種指南和關(guān)鍵的技術(shù)方法。研究認(rèn)為，烴源巖的基礎(chǔ)地質(zhì)研究及確定，特別是優(yōu)質(zhì)烴源巖的確定，可以為科學(xué)評價盆地的油氣資源潛力，深入揭示油氣生成、運(yùn)移、聚集及富集規(guī)律等具有十分重要的作用和意義[87-88]。其中，對于源儲一體的頁巖氣藏而言，其物質(zhì)基礎(chǔ)及其控制因素等的精細(xì)研究尤為重要。

綜合中國頁巖氣研究現(xiàn)狀、存在問題和研究趨勢的分析，明確富有機(jī)質(zhì)頁巖(烴源巖)的發(fā)育特征和時空分布規(guī)律，并優(yōu)選出頁巖氣富集的遠(yuǎn)景區(qū)與有利區(qū)，為現(xiàn)階段中國頁巖氣地質(zhì)調(diào)查工作的最為基本和主要的任務(wù)[5]。通過研究證明，沉積環(huán)境不僅控制了富有機(jī)質(zhì)頁巖的厚度、分布面積、有機(jī)碳含量等特征，沉積相還強(qiáng)烈影響著頁巖氣賦存載體—富有機(jī)質(zhì)頁巖的精細(xì)巖石類型以及巖石的礦物組成，而其巖石類型以及礦物組成的差異又決定著自身儲層物性的發(fā)育特征，進(jìn)而影響頁巖氣成藏。對于頁巖氣而言，巖相古地理及其重建可以幫助闡明其賦存載體—富有機(jī)質(zhì)頁巖的相關(guān)科學(xué)問題：最終的成圖是根據(jù)大量基礎(chǔ)的第一手資料進(jìn)行巖相古地理研究成果的反映，據(jù)此可以了解富有機(jī)質(zhì)泥頁巖發(fā)育時期的自然地理面貌和演化歷史，進(jìn)而弄清頁巖氣發(fā)育的各種地質(zhì)條件，從而有助于厘清頁巖氣的分布規(guī)律，進(jìn)行綜合的預(yù)測。頁巖氣藏與常規(guī)油氣藏不同，不需要構(gòu)造的圈閉，只要是有富有機(jī)質(zhì)頁巖發(fā)育(具有堆積的空間)，就有可能形成頁巖氣。即從某種程度上來說，在任何沉積盆地中，只要有富有機(jī)質(zhì)泥頁巖的存在，就有可能形成頁巖氣[89]。

圖5　川南及鄰區(qū)志留系龍馬溪組有利沉積相帶與頁巖氣有利區(qū)展布圖Fig.5　Distribution of favorable sedimentary facies and profitable areas delined by basic geological parameters for shale gas of Silurian Longmaxi Formation in southern Sichuan Basin and its peripheral regions

對于頁巖氣的基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查工作而言，對頁巖氣的烴源巖及儲層的沉積學(xué)和巖相古地理學(xué)的研究，并以此為一種方法來圈定遠(yuǎn)景區(qū)、有利區(qū)及目標(biāo)區(qū)應(yīng)作為貫穿整個頁巖氣地質(zhì)調(diào)查工作及進(jìn)一步勘探開發(fā)過程的永恒主題。實(shí)際上，頁巖氣地質(zhì)調(diào)查工作的根本目標(biāo)就是尋找頁巖氣的遠(yuǎn)景區(qū)和有利區(qū)，從而為頁巖氣勘探開發(fā)提供科學(xué)依據(jù)。因此，以“巖相古地理編圖為基礎(chǔ)，采用疊合法進(jìn)行頁巖氣的遠(yuǎn)景區(qū)、有利區(qū)及目標(biāo)區(qū)評價”的理論及方法應(yīng)是大規(guī)模頁巖氣地質(zhì)調(diào)查工作的關(guān)鍵技術(shù)方法，即“巖相古地理研究與編圖可作為基本方法及關(guān)鍵的技術(shù)能夠?yàn)轫搸r氣的地質(zhì)調(diào)查工作提供指南”[5]。沉積學(xué)和巖相古地理學(xué)作為沉積地質(zhì)學(xué)的核心，能夠?yàn)橛蜌赓Y源的地質(zhì)調(diào)查和進(jìn)一步的勘探開發(fā)工作提出有效的建議和認(rèn)識，巖相古地理研究不僅可作為一種工作方法，更應(yīng)是油氣資源研究和工作的基礎(chǔ)與必要內(nèi)容[68]。中國頁巖氣基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查工作現(xiàn)已經(jīng)處于廣泛開展階段，沉積相及巖相古地理研究與編圖可作為關(guān)鍵的地質(zhì)基礎(chǔ)理論及方法，是不可或缺的，并可為頁巖氣地質(zhì)調(diào)查工作提供指南。

由上可知，對于地質(zhì)調(diào)查過程中的頁巖氣選區(qū)評價，應(yīng)在詳細(xì)的構(gòu)造背景下，首先進(jìn)行沉積相劃分，確定出頁巖氣藏富集的沉積相和沉積微相，結(jié)合成巖作用、成巖演化的分析，進(jìn)一步選擇合適的TOC、Ro和礦物組分等參數(shù)界限，并最終對頁巖氣進(jìn)行綜合選區(qū)評價。其中，巖相古地理研究作為相和古沉積環(huán)境的綜合反映，是影響富有機(jī)質(zhì)頁巖發(fā)育的主控因素和基礎(chǔ)要素，應(yīng)是頁巖氣地質(zhì)調(diào)查工作中的基礎(chǔ)和關(guān)鍵技術(shù)。在頁巖氣地質(zhì)調(diào)查階段，應(yīng)從主要分析頁巖氣評價的地質(zhì)條件類參數(shù)出發(fā)，結(jié)合實(shí)際資料情況，選擇以巖相古地理平面展布圖為基礎(chǔ)，疊合有機(jī)碳含量等值線圖、富有機(jī)質(zhì)頁巖厚度等值線圖及有機(jī)質(zhì)鏡質(zhì)體反射率等值線圖(主要控制因素)，再將礦物組分(黏土礦物、脆性礦物)平面展布圖與之疊加，最后通過研究區(qū)埋深圖進(jìn)一步限制，并通過含氣量資料進(jìn)行驗(yàn)證和校正。

4　結(jié)論

在詳細(xì)分析頁巖氣富集的基本地質(zhì)因素的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提出巖相古地理控制了頁巖氣的發(fā)育特征，巖相古地理研究可以為頁巖氣評價提供基礎(chǔ)和指導(dǎo)。通過總結(jié)川南及鄰區(qū)志留系龍馬溪組黑色巖系沉積、成巖方面及與頁巖氣地質(zhì)條件的關(guān)系，提出“川南及鄰區(qū)志留系龍馬溪組，只要已進(jìn)入中成巖階段(生油窗)的淺海陸棚相黑色巖系，就可以形成頁巖氣儲層”。通過選定合理的頁巖氣基本地質(zhì)參數(shù)，主要為富有機(jī)質(zhì)頁巖厚度、有機(jī)碳含量(TOC)、有機(jī)質(zhì)成熟度(Ro)、礦物組分特征等，對川南及鄰區(qū)志留系龍馬溪組頁巖氣有利區(qū)進(jìn)行了初步限定，有利區(qū)的展布范圍幾乎全部位于頁巖氣的有利沉積相帶(深水陸棚相、砂泥質(zhì)淺水陸棚相)內(nèi)。由此，再一次實(shí)例驗(yàn)證了“巖相古地理可作為頁巖氣地質(zhì)調(diào)查之指南”，沉積相或巖相古地理研究應(yīng)為頁巖氣地質(zhì)調(diào)查和頁巖氣選區(qū)評價的關(guān)鍵和基礎(chǔ)。

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