張家浩, 聶 舟, 井 翠, 陳義才, 康 宇, 彭文秋

(1.四川長(zhǎng)寧天然氣開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司，成都 610000; 2.油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(成都理工大學(xué)),成都610059)

頁(yè)巖氣藏是典型的自生自儲(chǔ)的內(nèi)源型氣藏，其有機(jī)質(zhì)生烴演化過(guò)程與頁(yè)巖氣富集成藏具有密切關(guān)系。四川盆地長(zhǎng)寧地區(qū)五峰組-龍馬溪組受晚二疊世火山活動(dòng)及喜馬拉雅期構(gòu)造抬升作用的影響顯著，古、今地溫場(chǎng)和地層剝蝕厚度具有較大的差異。前人對(duì)長(zhǎng)寧地區(qū)五峰組-龍馬溪組頁(yè)巖的有機(jī)地球化學(xué)特征、頁(yè)巖儲(chǔ)集特征及頁(yè)巖氣保存條件等方面進(jìn)行了比較系統(tǒng)的研究，但是關(guān)于頁(yè)巖生烴演化過(guò)程研究相對(duì)薄弱[1-3]。為了進(jìn)一步明確長(zhǎng)寧地區(qū)五峰組-龍馬溪組頁(yè)巖氣的成藏演化規(guī)律，本文在15口鉆井及兩個(gè)露頭剖面共93個(gè)頁(yè)巖樣品的瀝青反射率測(cè)定基礎(chǔ)上，采用盆地?cái)?shù)值模擬軟件恢復(fù)不同構(gòu)造部位的埋藏史和熱演化史，明確頁(yè)巖生油、生氣的演化階段。

1 地質(zhì)概況

長(zhǎng)寧地區(qū)處于宜賓市長(zhǎng)寧縣、高縣、珙縣、江安縣、珙縣、瀘州及敘永縣等境內(nèi)，地質(zhì)構(gòu)造位于四川盆地東南緣的川南低陡斷褶帶、川西南低緩斷褶帶、黔西北寬緩褶皺帶交匯部位，面積近2.1×104km2(圖1)[4]。長(zhǎng)寧地區(qū)是中國(guó)石油天然氣股份有限公司在四川盆地的三大頁(yè)巖氣示范區(qū)之一，其主力勘探開(kāi)發(fā)層位為下志留統(tǒng)龍馬溪組第一段下亞段(龍一1)-五峰組，頁(yè)巖厚度一般為40～50 m，巖性為碳質(zhì)頁(yè)巖和黑色頁(yè)巖，頁(yè)巖總有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)(wTOC)平均為3.0%～4.5%。龍馬溪組第一段上亞段(龍一2)厚度為120～150 m，巖性為灰色頁(yè)巖及粉砂質(zhì)，頁(yè)巖總有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般低于2%。

圖1 研究區(qū)位置圖Fig.1 The tectonic location of the study area

研究區(qū)內(nèi)共發(fā)育11個(gè)局部構(gòu)造，包括東部的高木頂構(gòu)造、長(zhǎng)寧背斜、建武向斜、敘永向斜，西部的天宮塘構(gòu)造、樓東構(gòu)造，中部的雙龍向斜、雙河壩構(gòu)造、賈村溪構(gòu)造、燈桿壩向斜、羅場(chǎng)向斜。

根據(jù)長(zhǎng)寧地區(qū)二維地震解釋成果和鉆井資料，大部分地區(qū)龍一1-五峰組的埋藏深度在1.5～4.5 km。在長(zhǎng)寧背斜核部，受喜馬拉雅期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，出露寒武系及奧陶系；其余大部分地區(qū)出露三疊系、二疊系及侏羅系。

2 頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)熱演化程度

長(zhǎng)寧地區(qū)龍一1-五峰組頁(yè)巖有機(jī)顯微組分主要有腐泥無(wú)定形有機(jī)質(zhì)、瀝青，其次是動(dòng)物有機(jī)碎屑以及鏡狀體(vitrinite-like maceral)。海相頁(yè)巖中鏡狀體的形態(tài)、光性特征與來(lái)源于陸源高等植物的鏡質(zhì)體很相似，其成因與藻類、菌類及節(jié)肢動(dòng)物經(jīng)凝膠化作用有關(guān)[5-7]。在海相腐泥型烴源巖中，無(wú)定形有機(jī)顯微組分是干酪根的重要組成部分，主要來(lái)源于藻類體；動(dòng)物有機(jī)碎屑來(lái)源于筆石表皮體、蟲(chóng)顎體和幾丁蟲(chóng)。

地層中固體瀝青的成因復(fù)雜，如沉積有機(jī)質(zhì)和原油生物降解、熱裂解，原油在運(yùn)移過(guò)程中的分餾作用與脫氣作用、水洗與氧化作用等。烴源巖中固體瀝青按照來(lái)源可劃分為原地瀝青、異地瀝青及再循環(huán)瀝青。其中原地瀝青為烴源巖自身有機(jī)質(zhì)裂解形成，又可進(jìn)一步劃分為前油瀝青、后油瀝青和表生瀝青[8]。一般而言，泥質(zhì)烴源巖的固體瀝青主要是原地瀝青，異地瀝青主要分布在斷層附近，而再循環(huán)瀝青相對(duì)含量很低。

近十幾年以來(lái)，學(xué)者對(duì)海相頁(yè)巖高-過(guò)成熟有機(jī)質(zhì)提出了多種表征指標(biāo)，如瀝青反射率、鏡狀體反射率、筆石和幾丁蟲(chóng)反射率等[9-10]，其中瀝青反射率在高-過(guò)成熟烴源巖中應(yīng)用廣泛。長(zhǎng)寧地區(qū)龍一1-五峰組頁(yè)巖干酪根裂解的瀝青和原油裂解的瀝青充填于孔隙、裂縫或者分散在黏土礦物之間，在反射白光及反射熒光下觀察皆呈均一結(jié)構(gòu)，多數(shù)呈不規(guī)則狀及似圓狀，顏色為淺灰白色，與筆石等動(dòng)物有機(jī)碎屑及藻類體等腐泥顯微組分有明顯的區(qū)別(圖2)。

圖2 頁(yè)巖薄片瀝青反射光微觀特征Fig.2 Microscopic characteristics of reflected light of bitumen from shale thin section (A)N213井，龍一1，深度2 571.75 m; (B)Y202井，五峰組，深度3 516.84 m

通過(guò)長(zhǎng)寧地區(qū)15口鉆井及長(zhǎng)寧雙河與筠連雙騰2個(gè)露頭剖面龍一1-五峰組共計(jì)93個(gè)頁(yè)巖樣品的全巖光片及干酪根薄片觀察發(fā)現(xiàn)，頁(yè)巖干酪根裂解的瀝青與原油裂解的瀝青比較難以區(qū)分。兩者在高-過(guò)成熟階段的反射率略有差異，干酪根裂解的瀝青反射率略高于原油裂解的瀝青反射率。根據(jù)長(zhǎng)寧地區(qū)龍一1-五峰組頁(yè)巖薄片 1 700余個(gè)瀝青的反射率(Rob)測(cè)定結(jié)果，頁(yè)巖瀝青反射率為2.15%～4.57%，平均值為2.94%，分布高峰在2.75%～3.0%之間(圖3-A)。

采用H.Jacob[11]的經(jīng)驗(yàn)公式，對(duì)長(zhǎng)寧地區(qū)龍一1-五峰組頁(yè)巖瀝青的等效鏡質(zhì)體反射率(Ro)進(jìn)行換算，結(jié)果表明頁(yè)巖瀝青的等效鏡質(zhì)體反射率為2.06%～2.77%，平均值為2.41%。從頁(yè)巖瀝青的等效鏡質(zhì)體反射率等值線平面分布特征可見(jiàn)(圖3-B)：長(zhǎng)寧地區(qū)龍一1-五峰組頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)總體上處于過(guò)成熟階段；在環(huán)長(zhǎng)寧背斜剝蝕區(qū)、天宮堂構(gòu)造及筠連西側(cè)一帶成熟度相對(duì)較低，等效鏡質(zhì)體反射率為2.0%～2.4%； 在長(zhǎng)寧背斜東北地區(qū)成熟度較高，等效鏡質(zhì)體反射率為2.6%～3.0%；其余地區(qū)等效鏡質(zhì)體反射率為2.4%～2.6%。

圖3 龍一1-五峰組頁(yè)巖瀝青反射率直方圖與等效鏡質(zhì)體反射率等值線圖Fig.3 Bitumen reflectance histogram and equivalent vitrinite reflectance contour map of Longmaxi-1 and Wufeng Formation shale

3 有機(jī)質(zhì)熱演化史恢復(fù)

古埋深和古地溫是恢復(fù)頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)熱演化過(guò)程的基礎(chǔ)。根據(jù)長(zhǎng)寧地區(qū)鉆井地層分層數(shù)據(jù)、巖性錄井資料，應(yīng)用PeroMod盆地?cái)?shù)值模擬軟件，在恢復(fù)五峰組及以上地層古埋深與古熱流基礎(chǔ)上，采用J.J.Sweeney等[12]提出的EASY%方法恢復(fù)長(zhǎng)寧地區(qū)20口完鉆評(píng)價(jià)井和24口人工虛擬井龍一1-五峰組有機(jī)質(zhì)熱演化史。

3.1 關(guān)鍵參數(shù)

有機(jī)質(zhì)熱演化史模擬恢復(fù)涉及的地質(zhì)參數(shù)有：古水深、地層現(xiàn)今厚度、地層剝蝕厚度、地表古地溫、古熱流及古地溫梯度、地層巖性、巖石密度及熱導(dǎo)率、地層壓實(shí)曲線等，其中關(guān)鍵參數(shù)有地層剝蝕厚度、古熱流及古地溫梯度。

3.1.1 地層剝蝕厚度

四川盆地多次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)使沉積巖系遭受了多次的抬升和剝蝕，因而各地質(zhì)時(shí)期的沉積厚度與現(xiàn)今的殘存厚度有較大差別。大幅度的地層剝蝕對(duì)烴源巖埋藏過(guò)程中的有機(jī)質(zhì)熱演化以及孔隙壓實(shí)作用產(chǎn)生重要影響。長(zhǎng)寧地區(qū)龍馬溪組之上的地層剝蝕主要發(fā)生在燕山晚期-喜馬拉雅期，其次為海西期及印支期、燕山早-中期。根據(jù)前人研究結(jié)果[13-15]，海西期遭受構(gòu)造抬升的地層剝蝕厚度為260～450 m，印支早期剝蝕厚度為100～500 m，印支中-晚幕表現(xiàn)為盆地西部邊緣的龍門(mén)山地區(qū)強(qiáng)烈的褶皺剝蝕，其余廣大地區(qū)的剝蝕厚度多數(shù)在200 m左右。

本文在前人成果基礎(chǔ)上，重點(diǎn)對(duì)長(zhǎng)寧地區(qū)喜馬拉雅期地層剝蝕厚度采用厚度趨勢(shì)法進(jìn)行綜合分析。地層厚度趨勢(shì)法是根據(jù)地層厚度受沉積環(huán)境、構(gòu)造演化、物源以及古氣候等因素控制，在一定空間范圍內(nèi)沉積速率與地層原始厚度的分布相對(duì)穩(wěn)定的變化趨勢(shì)，通過(guò)地層厚度盆地原型中心向邊緣漸變趨勢(shì)則可估算出地層剝蝕厚度[16]。

根據(jù)長(zhǎng)寧地區(qū)鉆井地層厚度趨勢(shì)法估算(圖4)，長(zhǎng)寧背斜核部在喜馬拉雅期地層剝蝕厚度可達(dá)4.5～5.5 km，從背斜核部向東西和南北方向，地層剝蝕厚度具有逐漸降低趨勢(shì)，其中在長(zhǎng)寧背斜南北兩翼的地層剝蝕厚度一般為1～2.5 km，東西兩側(cè)的地層剝蝕厚度和西部天宮堂構(gòu)造帶的地層剝蝕厚度為1.5～3 km。

圖4 喜馬拉雅期地層剝蝕厚度連井剖面對(duì)比圖Fig.4 The correlation of denudation thickness in Himalayan period

3.1.2 古熱流及古地溫梯度

地溫場(chǎng)是控制烴源巖有機(jī)質(zhì)成烴演化的關(guān)鍵參數(shù)之一。徐明等[17]通過(guò)9口井穩(wěn)態(tài)測(cè)溫和297塊巖石樣品熱導(dǎo)率，計(jì)算出四川盆地現(xiàn)今的大地?zé)崃鳛?5.4～68.8 mW/m2，川西南地區(qū)平均為56.2 mW/m2。朱傳慶等[18]利用石油鉆井的系統(tǒng)鏡質(zhì)體反射率資料對(duì)古熱流進(jìn)行了恢復(fù)，加里東期之前熱流值較低，海西期熱流開(kāi)始逐漸增大，距今259 Ma前左右盆地?zé)崃髦颠_(dá)到最高，多數(shù)地區(qū)古熱流在60～80 mW/m2。王一剛等[19]對(duì)四川盆地典型井的不同期次包裹體均一溫度進(jìn)行了系統(tǒng)研究，估算了志留系在石炭紀(jì)-中三疊世期間的地溫梯度為52～45℃/km，到晚三疊世-第四紀(jì)期間地溫梯度降低至42～34℃/km。

綜合前人研究成果，長(zhǎng)寧地區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖經(jīng)歷的古地溫梯度總體上是由地殼深部巖漿活動(dòng)與區(qū)域構(gòu)造作用控制。在晚二疊世和印支期，由于玄武巖漿溢流和大陸裂谷發(fā)育,深部熱力作用較強(qiáng)烈，盆地西南地區(qū)具有較高的古地溫梯度，平均值在35～45℃/km；中三疊世末及以后，四川盆地大部分地區(qū)擠壓作用主要表現(xiàn)為殼內(nèi)的滑脫推覆，深部熱作用弱，古地溫梯度逐漸降低，平均值為25～35℃/km。

3.2 模擬計(jì)算結(jié)果

長(zhǎng)寧地區(qū)在中晚二疊世埋藏深度雖然較小，但是古熱流較高，通過(guò)PeroMod軟件熱史恢復(fù)計(jì)算的古地溫為70～100℃；在二疊紀(jì)之后古熱流逐漸降低，埋藏深度不斷增加，到白堊紀(jì)末期經(jīng)歷的最大埋藏深度可達(dá)5～6 km，古地溫到達(dá)200～230℃。

長(zhǎng)寧地區(qū)龍一1-五峰組有機(jī)質(zhì)在泥盆紀(jì)-早石炭世期間有機(jī)質(zhì)熱演化處于未成熟階段(Ro<0.55%)，晚石炭世-早二疊世進(jìn)入低成熟階段(Ro=0.55%～0.7%)。大量生油階段(Ro=0.7%～1.0%)主要發(fā)生在中晚二疊世-晚三疊世；生油晚期和濕氣階段(Ro=1.0%～2.0%)主要在侏羅紀(jì)-早白堊世。晚白堊世進(jìn)入過(guò)成熟階段(Ro>2.0%)；古近紀(jì)以來(lái)，隨著上覆地層大幅度剝蝕和地層溫度降低，有機(jī)質(zhì)熱演化趨于終止(圖5)。

圖5 N201井龍一1-五峰組埋藏史與熱演化史恢復(fù)圖Fig.5 The burial and thermal evolution history of Longmaxi-1 and Wufeng Formation of Well N201

長(zhǎng)寧地區(qū)在同一地質(zhì)時(shí)期受埋藏深度及熱流變化的影響，龍一1-五峰組頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)熱演化程度在平面上存在一定差異。石炭紀(jì)末期，在水富及其以西地區(qū)，除了Nx202及Y201井區(qū)進(jìn)入生烴門(mén)限外，大部分地區(qū)處于未成熟階段；研究區(qū)中東部整體上進(jìn)入低成熟階段(圖6-A)。

圖6 龍一1-五峰組頁(yè)巖在典型時(shí)間的有機(jī)質(zhì)成熟度(Ro)等值線分布圖Fig.6 The Contour map of organic matter maturity of Longmaxi-1 and Wufeng Formation shale at typical time

二疊紀(jì)末期，龍一1-五峰組在研究區(qū)西部和東部地區(qū)的Ro一般在0.7%～1.0%，處于大量生油階段；研究區(qū)中部的Ro已經(jīng)增加到1.0%～1.3%，進(jìn)入生油高峰之后的輕質(zhì)油演化階段(圖6-B)。中三疊世末期，龍一1-五峰組在研究區(qū)西部的Ro一般在0.7%～1.0%，仍處于大量生油階段；研究區(qū)中部和東部大范圍的Ro在1.0%～1.25%，進(jìn)入輕質(zhì)油演化階段(圖6-C)。晚三疊世末期，研究區(qū)西部大部分地區(qū)龍一1-五峰組的Ro一般在1.0%～1.25%，中部和東部大范圍的Ro在1.25%～1.5%，整體上處于輕質(zhì)油和凝析油氣演化階段(圖6-D)。

侏羅紀(jì)末期，研究區(qū)東部龍一1-五峰組熱演化程度較高，大部分地區(qū)的Ro在1.75%～2.25%；西部的成熟度相對(duì)較低，Ro在1.25%～1.5%；中部地區(qū)的Ro在1.5%～1.75%：整體上處于凝析油氣、濕氣演化階段(圖6-E)。

早白堊世末期，研究區(qū)西部的水富以西及高縣以南地區(qū)，龍一1-五峰組的Ro在1.75%～2.0%；中東部地區(qū)除了興文以南的Ro在1.75%～2.0%，大部分地區(qū)的Ro在2.0%～2.5%。因此，長(zhǎng)寧地區(qū)龍一1-五峰組到早白堊世末期，在局部地區(qū)處于濕氣演化階段外，整體上進(jìn)入過(guò)成熟干氣演化階段(圖6-F)。

4 結(jié) 論

a.四川盆地長(zhǎng)寧地區(qū)龍一1-五峰組頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)現(xiàn)今熱演化程度總體上處于過(guò)成熟階段，其中在環(huán)長(zhǎng)寧背斜剝蝕區(qū)、天宮堂構(gòu)造及筠連西側(cè)一帶等效Ro在2.0%～2.4%；在長(zhǎng)寧背斜東北地區(qū)等效Ro在2.6%～3.0%。

b.龍一1-五峰組頁(yè)巖在中晚二疊世期間埋藏深度雖然較小，但是古熱流較高，古地溫為70～100℃；在二疊紀(jì)之后古熱流逐漸降低，埋藏深度不斷增加，白堊紀(jì)末期最大埋藏深度可達(dá)5～6 km，古地溫到達(dá)200～230℃。

c.龍一1-五峰組頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)在中二疊世-早三疊世達(dá)到生油高峰，侏羅紀(jì)-早白堊世進(jìn)入大量生氣期，晚白堊世之后生烴趨于停止。

d.長(zhǎng)寧地區(qū)龍一1-五峰組頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)大量生氣的地質(zhì)時(shí)間較早，加之喜馬拉雅期構(gòu)造抬升幅度較大，保存條件對(duì)頁(yè)巖氣富集具有重要影響。