汪凱明

(中國石化華東油氣分公司勘探開發(fā)研究院)

0 引言

中國南方震旦系、寒武系、奧陶系和志留系發(fā)育多套海相富有機(jī)質(zhì)頁巖，目前僅上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖氣實(shí)現(xiàn)商業(yè)開發(fā)，在四川盆地及周緣地區(qū)已發(fā)現(xiàn)涪陵、威遠(yuǎn)、長寧、昭通、威榮、永川等頁巖氣田[1-9]，至2020 年年底，累計(jì)探明頁巖氣地質(zhì)儲量超2.0×1012m3，頁巖氣年產(chǎn)量為200×108m3[10]。同時(shí)，寒武系頁巖氣勘探也取得了一些積極進(jìn)展，2009 年黔中隆起方深1井開展老井壓裂，試獲少量氣流，2011 年川南威遠(yuǎn)古隆起威201井壓裂獲氣1.08×104m3/d[11]，2011 年黔南坳陷黃頁1井壓裂獲得418m3/d 低產(chǎn)氣流，2014 年川南威遠(yuǎn)古隆起金頁1HF井壓裂獲得頁巖氣無阻流量10.5×104m3/d[12]，2017 年中揚(yáng)子宜昌地區(qū)黃陵古隆起周緣鄂宜頁1HF井壓裂獲得6.02×104m3/d、無阻流量為12.38×104m3/d 的高產(chǎn)頁巖氣流[13]，但多數(shù)井為無氣、微氣或氮?dú)鉅顟B(tài)，效果較好的鉆井局限在威遠(yuǎn)古隆起、黃陵古隆起、雪峰古隆起和漢南古隆起等幾個(gè)古隆起周緣。整體而言下寒武統(tǒng)頁巖氣勘探程度較低，距離商業(yè)開發(fā)仍有較大差距。

下寒武統(tǒng)頁巖作為中國南方古生界最好的烴源巖發(fā)育層系之一，具有分布面積廣、連續(xù)厚度大、有機(jī)碳含量高等有利條件，TOC ＞1.5%的頁巖分布面積達(dá)38.65×104km2，占揚(yáng)子地區(qū)的41.9%[14]，蘊(yùn)藏著巨大的頁巖氣資源潛力，對拓展頁巖氣勘探領(lǐng)域具有重要的戰(zhàn)略意義。同時(shí)也面臨地層時(shí)代老、熱演化程度高、儲集物性差、構(gòu)造改造強(qiáng)烈、保存條件差、成藏富集條件苛刻等諸多挑戰(zhàn)。本文以下?lián)P子皖南地區(qū)為主要研究對象，利用頁巖氣鉆井、野外露頭和分析測試等資料，分析中國南方下寒武統(tǒng)頁巖氣地質(zhì)特征，試圖揭示高熱演化程度、古老頁巖氣成藏控制因素，以期為今后下寒武統(tǒng)頁巖氣勘探潛力評價(jià)提供參考。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

下?lián)P子地區(qū)位于揚(yáng)子板塊東段，北界為連云港—黃梅斷裂、秦嶺—膠南蘇魯構(gòu)造帶，南部以江山—紹興斷裂為界，與華南板塊毗鄰，東鄰環(huán)太平洋構(gòu)造帶，西接特提斯構(gòu)造域[15]，是中國南方地區(qū)海相中生界、古生界發(fā)育最全、保存也較為完整的地區(qū)之一。揚(yáng)子地臺在晉寧運(yùn)動(dòng)之后形成了統(tǒng)一的結(jié)晶基底，隨著羅迪尼亞超大陸的裂解，在震旦紀(jì)末至寒武紀(jì)初，快速海侵作用使揚(yáng)子地臺整體開始接受穩(wěn)定的海相沉積，直至古生代末期[16]。早寒武世早期，受地殼拉張裂陷作用的影響，在下?lián)P子地區(qū)呈現(xiàn)“一臺兩盆”的基本構(gòu)造格局（圖1)，中央臺地大致位于南京—南通一帶，以碳酸鹽巖沉積為主;臺地南北兩側(cè)發(fā)育休寧—安吉和滁州—鹽城兩個(gè)NE 向斜列式深水海盆，為下寒武統(tǒng)富有機(jī)質(zhì)頁巖的發(fā)育提供了有利沉積環(huán)境，沉積建造以黑色頁巖、硅質(zhì)巖和暗色細(xì)粉晶灰?guī)r為主[17]。

2 頁巖氣地質(zhì)特征

2.1 沉積特征

下?lián)P子地區(qū)早寒武世早期為盆地、陸棚、斜坡、臺地邊緣和局限臺地相沉積，下寒武統(tǒng)荷塘組（幕府山組）黑色富有機(jī)質(zhì)頁巖形成于淺海盆地相—深水陸棚相滯留、缺氧還原環(huán)境，主要為硅質(zhì)頁巖、碳質(zhì)頁巖和硅質(zhì)巖組合，局部可見少量泥質(zhì)灰?guī)r薄層，水平紋層發(fā)育，含黃鐵礦，富含放射蟲、硅質(zhì)海綿骨針和藻類化石，放射蟲呈圓形和橢圓形[18]。大量鉆井和露頭資料顯示（圖1），荷塘組頁巖厚度大，橫向分布廣泛，XY1井頁巖厚度大于270m，WY1井頁巖厚度為282m，WN2井頁巖厚度為276.5m，SD121井頁巖厚度為113m，平面上以石臺—安吉一帶最為發(fā)育，頁巖厚度超過600m。

圖1 下?lián)P子地區(qū)早寒武世沉積相分布圖Fig.1 Sedimentary facies map in the Early Cambrian in lower Yangtze area

2.2 巖石礦物學(xué)特征

WY1井荷塘組18 件巖心樣品的全巖X 射線衍射測試結(jié)果表明，樣品礦物組成以石英、黏土礦物為主，其次為鉀長石、方解石和黃鐵礦等，剖面自下而上石英含量呈明顯減少趨勢，黏土礦物含量呈明顯增多趨勢，其他礦物含量變化特征不甚明顯（圖2）。石英含量介于49.2%～96.9%，平均值為70.1%;黏土礦物含量介于1.9%～29.9%，平均值為15.3%;方解石含量介于0.5%～7.2%，平均值為3.9%;鉀長石含量介于0～14.8%，平均值為9.8%;黃鐵礦含量介于0.8%～5.3%，平均值為3.3%。黏土礦物組成以伊利石和伊/蒙混層為主，含少量綠泥石，其中伊利石相對含量介于18.0%～82.0%，平均值為65.1%;伊/蒙混層相對含量介于10.0%～45.0%，平均值為28.2%;綠泥石相對含量介于0～72.0%，平均值為6.7%。黏土礦物組成反映荷塘組頁巖具有高熱演化、過成熟的特點(diǎn)，高嶺石、蒙皂石等不穩(wěn)定礦物組分向伊利石轉(zhuǎn)化，因此黏土礦物組成以伊利石與伊/蒙混層為主。

圖2 WY1井荷塘組全巖礦物組成特征Fig.2 Mineral composition of Hetang Formation shale in Well WY1

在全巖礦物組成定量分析的基礎(chǔ)上，以 石英+長石、黏土礦物和碳酸鹽礦物為三端元?jiǎng)澐猪搸r巖石類型（圖3a），研究區(qū)WY1井、XY1井荷塘組樣品均為硅質(zhì)頁巖。與中、上揚(yáng)子地區(qū)10 口頁巖氣鉆井下寒武統(tǒng)筇竹寺組、九門沖組、牛蹄塘組、水井沱組頁巖礦物組成相比[13，19-21]，下?lián)P子地區(qū)WY1井、XY1井荷塘組石英+長石（硅質(zhì)）含量明顯較高，而黏土礦物和碳酸鹽礦物含量明顯偏低，中揚(yáng)子地區(qū)反之，上揚(yáng)子地區(qū)居中（圖3b），如四川盆地川西南威遠(yuǎn)地區(qū)JinY1井筇竹寺組石英+長石（硅質(zhì)）含量平均為48.1%[19]，黔南坳陷HY1井九門沖組石英+長石（硅質(zhì)）含量平均為56.8%，渝東南地區(qū)武陵褶皺帶長生背斜CS1井水井沱組石英+長石（硅質(zhì)）含量平均為53.9%，湘西北地區(qū)武陵褶皺帶太陽山背斜西翼CY1井牛蹄塘組石英+長石（硅質(zhì)）含量平均為56.6%[20]，中揚(yáng)子鄂西宜昌地區(qū)黃陵古隆起西南斜坡帶WD1井水井沱組石英+長石（硅質(zhì)）平均含量為47.3%，WD2井水井沱組石英+長石（硅質(zhì)）平均含量為37.6%[13]。

圖3 揚(yáng)子地區(qū)下寒武統(tǒng)頁巖巖石類型及礦物組成特征（部分?jǐn)?shù)據(jù)據(jù)文獻(xiàn)[13，19-21]）Fig.3 Rock types and mineral composition of the Lower Cambrian shale in Yangtze area(part of the data is according to references [13，19-21])

海相沉積巖中的Al/（Al+Fe+Mn）值是判斷硅質(zhì)成因的一個(gè)重要指標(biāo)，該值隨著熱水沉積物含量的增多而減少，受熱水作用影響后其值小于0.35，純熱水成因其 值接近0.01，純生物成因其值接近0.60[22]，XY1井、WY1井荷塘組頁巖樣品Al/（Al+Fe+Mn）值變化范圍較大，分布在0.33～0.88，平均值為0.73，與純生物成因的比值較為接近。在Al—Fe—Mn 三角圖上（圖4），絕大 部分樣品落入生物成因區(qū)，指示研究區(qū)硅質(zhì)主要為生物成因，同時(shí)巖石薄片中富含放射蟲和硅質(zhì)海綿骨針，說明生物硅是硅質(zhì)頁巖形成的主要貢獻(xiàn)者。

圖4 XY1井、WY1井荷塘組頁巖Al—Fe—Mn 三角圖Fig.4 Al-Fe-Mn triangle diagram of Hetang Formation shale in Wells XY1 and WY1

2.3 有機(jī)地球化學(xué)特征

鉆井巖心和露頭樣品測試結(jié)果均顯示荷塘組頁巖具有較高的有機(jī)碳含量（圖5），XY1井巖心樣品TOC 分布在1.01%～14.51%，平均值為5.59%;WY1井 巖 心 樣 品TOC 分 布 在2.07%～11.90%，平均值為5.90%;WN2井巖心樣品TOC 分布在1.07%～9.93%，平均值為4.50%;SD121井巖心樣品TOC 分布在0.13%～4.86%，平均值為2.60%;石臺紅桃村、安吉羅村、湖州官山、池州梅街村、休寧藍(lán)田、南京幕府山等露頭剖面樣品TOC 分布在0.48%～7.38%，平均值為2.73%。

圖5 下?lián)P子地區(qū)荷塘組頁巖TOC 分布圖Fig.5 TOC distribution diagram of Hetang Formation shale in lower Yangtze area

有機(jī)碳含量與石英 含量存在良好的正相關(guān)關(guān)系（圖6a），與黏土礦物含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系（圖6b），該特征也說明研究區(qū)頁巖中的硅質(zhì)并非陸源碎屑，主要來源于有機(jī)成因的生物硅，鏡下可見放射蟲、海綿骨針等高有機(jī)質(zhì)生產(chǎn)力的內(nèi)生硅質(zhì)礦物，早寒武世安靜、缺氧、強(qiáng)還原的深水陸棚環(huán)境有利于有機(jī)質(zhì)富集和保存。

圖6 WY1井荷塘組頁巖TOC 與石英、黏土礦物含量相關(guān)關(guān)系圖Fig.6 Relationship between TOC and quartz &clay mineral content of Hetang Formation shales in Well WY1

干酪根碳同位素值是劃分高—過成熟烴源巖有機(jī)質(zhì)類型的有效指標(biāo)。黃第藩等研究認(rèn)為Ⅰ型干酪根的碳同位素δ13C 值介于-29‰～-27‰，Ⅱ型干酪根δ13C 值介于-27‰～-26‰，Ⅲ型干酪根δ13C 值介于-26‰～-22.5‰[23]，XY1井荷塘組頁巖干酪根碳同位素值主要分布在-32‰～-27‰，屬于Ⅰ型干酪根。

WY1井、XY1井荷塘組23 件樣品659 個(gè)測點(diǎn)顯示，Ro分布在2.7%～5.4%，平均高達(dá)4.0%（圖7），均處于過成熟階段，干酪根已全部降解生氣，滯留于頁巖的液態(tài)烴也完全裂解生氣。

圖7 WY1井、XY1井荷塘組頁巖Ro 測試結(jié)果Fig.7 Ro lab test result of Hetang Formation shale in Wells WY1 and XY1

與四川盆地五峰組—龍馬溪組深水陸棚相頁巖相比，下?lián)P子地區(qū)盆地相荷塘組頁巖TOC 略高，有機(jī)質(zhì)類型相似，熱演化程度明顯偏高，如焦石壩JY1井優(yōu)質(zhì)泥頁巖TOC 平均值為3.50%，有機(jī)質(zhì)類型為Ⅰ型，Ro為2.20%～3.06%，平均值為2.65%[24]。

2.4 物性特征

頁巖的孔隙結(jié)構(gòu)特征對頁巖氣的賦存和儲集作用明顯，通過巖心、巖石薄片、氬離子拋光掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，研究區(qū) 荷塘組頁巖儲集空間類型多樣，按照成因劃分為有機(jī)質(zhì)孔隙、無機(jī)孔隙和微裂縫3 種類型（圖8），無機(jī)孔隙主要包括晶間孔、粒間孔、粒內(nèi)孔和溶蝕孔，微裂縫主要包括構(gòu)造裂縫及有機(jī)質(zhì)收縮縫，有機(jī)質(zhì)內(nèi)部發(fā)育大量的有機(jī)質(zhì)孔隙。XY1井樣品測試有機(jī)質(zhì)孔隙孔徑主要分布在10～20nm，占比為61%，樣品中未見孔徑大于50nm 的大孔（圖9），有機(jī)質(zhì)孔隙呈扁長不規(guī)則形狀，邊緣塌陷，孔徑明顯低于下志留統(tǒng)頁巖;四川盆地焦石壩地區(qū)JY1井頁巖有機(jī)質(zhì)孔隙呈圓形—橢圓形，孔徑以10～190nm 為主，部分高達(dá)270～600nm[25]。XY1井樣品CO2吸附脫附測試結(jié)果顯示，孔隙比表面積介于4.3～7.5m2/g，總孔隙體積僅為0.0064～0.0118cm3/g，與四川盆地威遠(yuǎn)、長寧—昭通地區(qū)筇竹寺組基本相當(dāng)[26]，但明顯低于焦石壩JY1井，后者比表面積平均為18.9m2/g，孔隙體積平均為0.013cm3/g[27]。

圖8 研究區(qū)荷塘組頁巖儲集空間類型Fig.8 Types of reservoir space of Hetang Formation shale

圖9 XY1井荷塘組頁巖孔徑分布直方圖Fig.9 Pore size distribution diagram of Hetang Formation shale in Well XY1

實(shí)驗(yàn)分析顯示研究區(qū)荷塘組頁巖整體具低孔、特低滲特征，XY1井荷塘組15 件頁巖樣品孔隙度介 于0.30%～2.82%，平均為1.47%;WY1井 荷塘組18 件頁巖樣品孔隙度介于0.04%～2.91%，平均為0.71%，WY1井樣品脈沖滲透率實(shí)測為0.0000064～0.0006628mD，平均為0.0002184mD，孔隙度和滲透率遠(yuǎn)低于焦石壩地區(qū)JY1井優(yōu)質(zhì)頁巖段，JY1井龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖段孔隙度平均為4.80%，滲透率平均為0.16mD[28]。研究區(qū)荷塘組頁巖孔隙度與TOC 之間呈現(xiàn)較好的正相關(guān)性（圖10），指示以有機(jī)質(zhì)孔隙為主，有機(jī)質(zhì)孔隙是頁巖氣儲層中主要的貢獻(xiàn)者。

圖10 研究區(qū)荷塘組頁巖TOC 與孔隙度關(guān)系圖Fig.10 Relationship between TOC and porosity of Hetang Formation shale in the study area

2.5 密度特征

頁巖密度是利用體積法計(jì)算吸附氣地質(zhì)儲量的重要 參數(shù)[29]，取決于礦物組分、孔隙特征等，在公開發(fā)表的文獻(xiàn)中，關(guān)于頁巖密度的研究較少，本次研究發(fā)現(xiàn)荷塘組頁巖密度與孔隙度、TOC 具有良好的負(fù)相關(guān)性（圖11），表明頁巖TOC 越高，有機(jī)質(zhì)孔隙越發(fā)育，頁巖密度趨小。

圖11 研究區(qū)荷塘組頁巖密度與孔隙度、TOC 關(guān)系圖Fig.11 Relationship between density and porosity &TOC of Hetang Formation shale in the study area

2.6 含氣性特征

含氣性是頁巖氣富集程度的最直觀表現(xiàn)。XY1井和WY1井荷塘組頁巖含氣量整體較低，XY1井巖心含氣量測試最高為1.30m3/t，平均為0.94m3/t，WY1井巖心含氣量測試最高僅為0.153m3/t。XY1井4 件頁巖樣品的等溫吸附實(shí)驗(yàn)顯示，朗格繆爾體積為0.72～4.70m3/t，頁巖吸附能力主要受控于TOC，TOC 越高吸附能力越強(qiáng)（圖12a），頁巖吸附能力與孔隙度呈現(xiàn)較好的正相關(guān)關(guān)系（圖12b），相關(guān)系數(shù)（R2）高達(dá)0.9842，也可說明良好的儲集空間是頁巖氣賦存的基礎(chǔ)，頁巖孔隙越發(fā)育，其孔隙比表面積越大，越有利于吸附氣的賦存，可為游離氣提供儲集空間。因此，在保存條件相似的情況下，頁巖含氣性受生烴條件和儲集條件的影響。

圖12 研究區(qū)荷塘組頁巖TOC、孔隙度與甲烷吸附能力的關(guān)系圖Fig.12 Relationship between methane adsorption capacity and TOC &porosity of Hetang Formation shale in the study area

2.7 脆性特征

脆性特性是頁巖氣儲層可壓裂性評價(jià)的重要參數(shù)，對頁巖氣的開發(fā)效果具有重要影響，根據(jù)國內(nèi)外對頁巖氣儲層可壓裂性的評價(jià)經(jīng)驗(yàn)，通常用脆性礦物指數(shù)來表征壓裂的難易程度。研究區(qū)基于硅質(zhì)礦物的脆性礦物指數(shù)為53%～89%，平均為74%，巖石力學(xué)參數(shù)實(shí)驗(yàn)測得的XY1井頁巖靜態(tài)楊氏模量為37.86～55.85GPa，靜態(tài)泊松比為0.19～0.28，表現(xiàn)出高脆性、高楊氏模量、低泊松比特征，有利于后期的壓裂改造。

WY1井聲波掃描測得最大水平主應(yīng)力為83.6～93.0MPa，最小水平主應(yīng)力為49.8～56.6MPa，兩向應(yīng)力差異系數(shù)為0.39～0.40，兩向應(yīng)力差異系數(shù)明顯高于JY1井的0.11～0.34[30]，反映區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力強(qiáng)，壓裂改造過程中較難形成復(fù)雜縫網(wǎng)系統(tǒng)。

3 頁巖氣成藏控制因素及勘探方向

國內(nèi)學(xué)者通過四川盆地及周緣五峰組—龍馬溪組頁巖氣勘探研究，取得了“二元富集”“三元富集”“三因素控氣”等一系列頁巖氣富集高產(chǎn)地質(zhì)理論認(rèn)識[28，31-33]，總體上已基本形成共識，認(rèn)為深水陸棚優(yōu)質(zhì)頁巖是頁巖氣富集的基礎(chǔ)，良好的保存條件是頁巖氣高產(chǎn)的關(guān)鍵，并有效指導(dǎo)了頁巖氣的勘探開發(fā)。但與下寒武統(tǒng)頁巖氣成藏富集主控因素相關(guān)的公開研究成果相對較少，本文結(jié)合前人研究成果和下寒武統(tǒng)頁巖氣勘探實(shí)踐，深入兩者成藏條件的差異分析，認(rèn)為“3個(gè)有效條件”是頁巖氣成藏的基礎(chǔ)，即有效的烴源條件、有效的儲集條件和有效的保存條件，三者良好的動(dòng)態(tài)耦合、時(shí)空配置是頁巖氣富集的關(guān)鍵。

3.1 滯留烴是頁巖氣成藏的物質(zhì)基礎(chǔ)

頁巖氣具有自生自儲、源儲一體、原地就近聚集、連續(xù)成藏的模式和特點(diǎn)，其生烴、排烴、運(yùn)移、聚集過程全部在源內(nèi)完成，屬未排出烴源巖的“滯留氣”，因此，對于頁巖氣而言，滯留烴量的多少決定頁巖的勘探潛力，滯留烴量越多，意味著成藏的物質(zhì)基礎(chǔ)越雄厚。滯留烴量受控于頁巖品質(zhì)和排烴效率，在頁巖品質(zhì)相似的情況下，排烴效率越高，滯留烴量則越少，頁巖氣成藏的物質(zhì)基礎(chǔ)自然就越貧乏，因此，排烴效率直接影響頁巖氣藏的富集程度。

頁巖生排烴是一個(gè)復(fù)雜的地質(zhì)過程，是各種地質(zhì)要素綜合作用的結(jié)果。排烴效率受內(nèi)部、外部多重因素的影響，內(nèi)部因素取決于頁巖的生烴潛力，即有機(jī)質(zhì)豐度、有機(jī)質(zhì)類型和熱演化程度，外部因素包括頁巖厚度、上下巖性組合特征、頁巖層理結(jié)構(gòu)、裂縫發(fā)育特征、地層溫度壓力狀態(tài)、流體勢和構(gòu)造地質(zhì)作用等[34]。目前關(guān)于排烴效率的認(rèn)識有所差異，Jarvie 等提出Barnett 頁巖總生烴量有40%滯留于烴源巖中[35];趙文智等認(rèn)為一般烴源巖的排烴效率在40%～60%[36];馬衛(wèi)等通過模擬實(shí)驗(yàn)研究認(rèn)為腐泥型有機(jī)質(zhì)在成熟階段的排烴效率為30%～60%，高成熟階段的排烴效率為60%～80%，過成熟階段的排烴效率達(dá)到80%以上[37]?？傮w而言，在外部因素相似的情況下，隨著熱演化程度的升高，烴源巖的排烴效率逐漸增大，熱演化程度是影響排烴效率的主要因素。下寒武統(tǒng)高—過成熟頁巖氣來源于干酪根降解生氣和液態(tài)烴裂解生氣，干酪根降解生氣期Ro介于0.8%～2.0%，液態(tài)烴裂解生氣期Ro介于1.6%～3.2%，高—過成熟階段滯留液態(tài)烴發(fā)生裂解和排烴，未排出的氣態(tài)烴成為頁巖氣成藏的有效氣源。

Ro＞2.0%的干酪根已不具備生烴潛力[38]，Ro＞3.5%的滯留液態(tài)烴裂解生氣的能力基本衰竭[26]。因此，對于過成熟的下寒武統(tǒng)頁巖而言，生烴能力幾乎枯竭和極高的排烴效率導(dǎo)致氣源貧乏是影響頁巖氣規(guī)模有效成藏的最主要因素。

3.2 熱演化程度和保存條件聯(lián)合控儲

3.2.1適中的熱演化程度有利于生儲耦合，Ro為1.8%～3.2%是生儲耦合的最佳窗口

熱演化程度過高會嚴(yán)重影響頁巖的孔隙結(jié)構(gòu)，從南方地區(qū)下寒武統(tǒng)和五峰組—龍馬溪組頁巖氣熱演化程度與孔隙度分析測試資料來看[20-21，24，26，39-44]，整體上隨著熱演化程度的升高，孔隙度呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢（圖13），當(dāng)Ro為2.5%～3.0%時(shí)，頁巖孔隙度相對較高，孔隙度主要介于3.0%～5.0%，當(dāng)Ro＞3.5%時(shí)，有機(jī)質(zhì)炭化，有機(jī)質(zhì)孔隙被充填，基質(zhì)孔隙大幅度減少，孔隙度基本上小于2.0%;此外，資料井下寒武統(tǒng)頁巖孔隙度普遍小于3.0%，明顯低于五峰組—龍馬溪組頁巖。

圖13 南方地區(qū)下古生界頁巖氣生儲耦合模式圖（有機(jī)質(zhì)生烴模式底圖據(jù)文獻(xiàn)[45]）Fig.13 Coupling model of hydrocarbon source and reservoir of Lower Paleozoic shale gas in the southern China(hydrocarbon generation model is according to references [45])

富有機(jī)質(zhì)頁巖熱演化過程中，生烴—儲集是一個(gè)相互反饋、此消彼長的過程，熱演化程度過低（Ro＜1.6%），液態(tài)烴尚未開始裂解生氣，導(dǎo)致氣源不充足;熱演化程度過高（Ro＞3.5%），一方面生烴能力衰竭，另一方面有機(jī)質(zhì)炭化，有機(jī)質(zhì)孔隙塌陷、充填和消亡，導(dǎo)致儲層致密化，而儲層致密化又會加劇排烴作用，以致滯留烴量變低，因此，生烴與儲集需要達(dá)到最佳的平衡狀態(tài)。本文提出了生儲耦合的概念，其基本內(nèi)涵是富有機(jī)質(zhì)頁巖在高—過成熟階段滯留烴充分裂解生氣，提供充足的氣源，與此同時(shí)，形成大量有機(jī)質(zhì)孔隙為頁巖氣提供良好的儲集空間，生儲兩者相互作用、良性互動(dòng)，達(dá)到最佳的配置狀態(tài)，Ro為1.8%～3.2%即為最佳的生儲耦合窗口（圖13）。

3.2.2 高壓—超高壓環(huán)境有利于孔隙的保持

地層壓力系數(shù)是評價(jià)保存條件的綜合指標(biāo)，高壓—超高壓指示良好的保存條件。對比分析下寒武統(tǒng)4 口頁巖氣典型井（表1），僅指示頁巖有機(jī)質(zhì)熱演化程度的Ro基本相當(dāng)，其他參數(shù)各異，其中JinY1井頁巖TOC 最低，孔隙度卻最高，CY1井頁巖TOC 最高，且頁巖埋深最小，孔隙度卻最低，似乎有悖于前文TOC 與孔隙度正相關(guān)的認(rèn)識，究其原因在于地層壓力系數(shù)，即保存條件。良好的保存條件使孔隙內(nèi)的高—超高流體壓力能夠有效支撐部分圍壓，減緩壓實(shí)作用，有利于孔隙的保存，對頁巖物性的改善起到積極作用;同時(shí)，異常高壓能夠抑制成巖作用、產(chǎn)生微裂縫并提高儲層的儲集性能[46]。

表1 南方地區(qū)下寒武統(tǒng)頁巖氣典型井基本參數(shù)表Table 1 Basic parameters of Lower Cambrian shale gas of typical wells in the southern China

氬離子拋光掃描電鏡顯示，頁巖有機(jī)質(zhì)孔隙的形態(tài)、孔徑分布等微觀結(jié)構(gòu)特征同樣受到保存條件的影響。以川東南地區(qū)6 口五峰組—龍馬溪組頁巖氣典型井為例（圖14），其頁巖有機(jī)碳含量、熱演化程度相近，因此有機(jī)質(zhì)生烴演化過程中形成的有機(jī)質(zhì)孔隙基本相當(dāng)，但地層壓力系數(shù)相對較高的JY1井和NY1井，其有機(jī)質(zhì)孔隙圓度高，孔徑大，以大于200nm 的大孔為主，孔 隙形態(tài)呈近球形—橢球形，而壓力系數(shù)僅為0.9 的RY1井，有機(jī)質(zhì)孔隙以孔徑為2～50nm 的中孔為主，局部分布微孔，整體上隨著地層壓力系數(shù)的降低，孔徑不斷減小，有機(jī)質(zhì)孔 隙邊緣出現(xiàn)塌陷，由近球形—橢球形演變?yōu)榘伎訝?、不?guī)則狀和片麻狀，孔隙度也逐漸變低，表明高壓—超高壓環(huán)境有利于頁巖有機(jī)質(zhì)孔隙的保存。

本研究擇取我院骨科手術(shù)患者88例，比對常規(guī)護(hù)理以及加速康復(fù)護(hù)理的護(hù)理滿意度，并發(fā)癥發(fā)生幾率以及院內(nèi)感染，驗(yàn)證加速康復(fù)護(hù)理在骨科手術(shù)患者中的應(yīng)用價(jià)值及療效，現(xiàn)醫(yī)學(xué)報(bào)告如下。

圖14 不同地層壓力系數(shù)條件下頁巖孔徑特征圖Fig.14 Pore size characteristics of shale with different formation pressure coefficients

綜上所述，認(rèn)為在高壓—超高壓環(huán)境中，即便是進(jìn)入高—過成熟階段的頁巖儲層仍能保持較高的孔隙度，為頁巖氣賦存提供良好的儲集空間。因此，保存條件是高—過成熟頁巖氣勘探評價(jià)中首先要考慮和重點(diǎn)研究的。

3.3 良好的保存條件是頁巖氣成藏的關(guān)鍵

3.3.1 頂?shù)装搴蛡?cè)向封堵條件

頁巖氣屬“源儲”一體，源內(nèi)短距離運(yùn)聚成藏，自身為一個(gè)半封閉、半開放的成藏系統(tǒng)，封閉性來自頁巖致密的頂?shù)装鍡l件和側(cè)向逆斷層，即形成一個(gè)頂?shù)姿闹鼙恢旅軒r層阻隔圍限、相對獨(dú)立的“封存箱”，“封存箱”能夠有效減緩和阻斷烴類向箱外運(yùn)移和逸散。

從勘探實(shí)踐來看，發(fā)育大套厚層頁巖或頂?shù)装灏l(fā)育致密巖性封隔的頁巖段一般具有良好的含氣性，以渝東南南川地區(qū)五峰組—龍馬溪組一段頁巖氣為例，其頂板為龍馬溪組二段深灰色泥巖，厚30～50m，孔隙度為1.2%～1.8%，密度為2.7～2.75g/cm3，滲透率平均為0.0016mD，底板為臨湘組和寶塔組連續(xù)沉積的灰色瘤狀灰?guī)r，厚40～50m，基質(zhì)孔隙度為1.3%～1.6%，密度為2.73～2.77g/cm3，滲透率平均為0.0017mD，在80℃條件下，頂?shù)装宓貙油黄茐毫?0～70MPa，具有良好的封隔性;下寒武統(tǒng)頁巖氣頂板條件尚可，但底板條件堪憂，因地而異，上揚(yáng)子地區(qū)底板多為震旦系燈影組，因受晚震旦世—早寒武世桐灣運(yùn)動(dòng)影響，兩者為區(qū)域不整合，燈影組古巖溶、裂縫發(fā)育，封隔能力較差，局部為下寒武統(tǒng)麥地坪組，川南JinY1井麥地坪組厚為100 余米，巖性為深灰色粉砂質(zhì)頁巖、深灰色硅磷白云巖、黑色硅質(zhì)巖[19]，巖性致密，封隔條件好;中揚(yáng)子黃陵古隆起下寒武統(tǒng)水井沱組頁巖氣底板為巖家河組，厚約75m[47]，因此，下寒武統(tǒng)頁巖氣縱向上“甜點(diǎn)段”的優(yōu)選需要適當(dāng)遠(yuǎn)離不整合面，根據(jù)頁巖厚度、排烴能力及目前的壓裂工藝水平，認(rèn)為“甜點(diǎn)段”底部距離不整合面至少大于30m。

側(cè)向發(fā)育反向逆斷層的頁巖段也能具有較好的含氣性，例如在渝東南盆緣轉(zhuǎn)換帶平橋南斜坡上傾端的JY10-10HF井，頁巖埋深為2802m，距離目的層出露邊界僅4.6km，但由于距離出露邊界1.6km 處發(fā)育一條反向逆斷層，斷距為50～150m，該斷層形成于氣藏調(diào)整的早期，在氣藏后期調(diào)整、破壞的過程中，發(fā)揮良好的側(cè)向遮擋作用，以致該井氣藏壓力系數(shù)仍有1.12，測試日產(chǎn)氣9.8×104m3。

此外，因頁巖水平層理發(fā)育的自身屬性，以致橫向滲透率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于垂向滲透率，因此正向構(gòu)造的含氣性往往優(yōu)于負(fù)向構(gòu)造。從目前勘探實(shí)踐來看，盆外殘留向斜型頁巖氣藏壓力多為常壓，因此，對于負(fù)向構(gòu)造，頁巖氣靶區(qū)應(yīng)選擇遠(yuǎn)離目的層剝蝕邊界，距離剝蝕區(qū)越遠(yuǎn)，氣體橫向逸散相對越少，越有利于頁巖氣殘留聚集，向斜構(gòu)造表現(xiàn)為環(huán)帶成藏、中心富集的特點(diǎn)。

3.3.2 構(gòu)造強(qiáng)度和末次抬升時(shí)間

保存條件是影響頁巖氣藏富集程度的關(guān)鍵因素，而構(gòu)造作用則對保存條件起決定性作用，具體表現(xiàn)為構(gòu)造作用的方式、強(qiáng)度、早晚和期次，對越古老的地層，其影響作用越突出。南方地區(qū)下古生界頁巖普遍遭受了加里東期、海西期、印支期、燕山期和喜馬拉雅期構(gòu)造旋回的疊加改造，主要表現(xiàn)為多期次的抬升剝蝕和構(gòu)造變形，所處的盆地幾乎均為改造型殘留盆地，只是改造強(qiáng)度有所差異而已。構(gòu)造擠壓可形成隆凹相間、狹長窄陡的構(gòu)造格局和變形樣式，多期次的斷裂切割分離原本連片發(fā)育的頁巖層系，構(gòu)造抬升導(dǎo)致背斜核部和向斜翼部等相對高部位不同程度剝蝕，頁巖甚至直接出露地表，下?lián)P子地區(qū)尤其遭受了印支晚期—燕山中期逆沖推覆階段、燕山晚期—喜馬拉雅早期拉張裂陷階段和喜馬拉雅晚期隆升剝蝕階段，構(gòu)造變形強(qiáng)度大，深大斷裂發(fā)育（圖15），顯然對頁巖氣有效保存造成極大破壞。

圖15 下?lián)P子地區(qū)構(gòu)造剖面圖（剖面位置見圖1）Fig.15 Structural section of the lower Yangtze area (section location is in Fig.1)

根據(jù)生烴和抬升時(shí)間的早晚，南方古生界頁巖可劃分為“晚生晚抬型”和“早生早抬型”?！巴砩硖汀笔侵父挥袡C(jī)質(zhì)頁巖較晚進(jìn)入生烴高峰期，最大埋深之后的構(gòu)造抬升時(shí)間晚，經(jīng)歷構(gòu)造改造的周期短，頁巖氣晚期逸散時(shí)間短，逸散程度低，有效保存條件好，有利于頁巖氣殘留聚集、動(dòng)態(tài)調(diào)整成藏;而“早生早抬型”與之相反，生烴早則意味著經(jīng)歷了距今更長時(shí)間的構(gòu)造改造，逸散持續(xù)時(shí)間也相應(yīng)更長，相對而言不利于頁巖氣保存。

以四川盆地東南緣齊岳山以西焦石壩背斜JY1井和齊岳山以東武隆向斜LY1井為例，晚奧陶世—早志留世均處于川東南深水陸棚沉積環(huán)境，五峰組—龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖厚度、TOC、巖石礦物組成等靜態(tài)指標(biāo)基本相當(dāng)，但構(gòu)造改造的強(qiáng)度和抬升的時(shí)間不同，以致頁巖含氣性和地層壓力系數(shù)存在明顯差異。

“晚生晚抬型”頁巖如四川盆地焦石壩背斜，構(gòu)造改造的強(qiáng)度較武陵褶皺帶弱，地層橫向和縱向連續(xù)性好、變形弱、剝蝕量較小，中生界、古生界實(shí)體保存好，發(fā)育低幅寬緩褶皺構(gòu)造 樣式（圖16），末次抬升時(shí)間較晚，JY1井距今85Ma 才開始抬升（圖17a），五峰組—龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖段含氣量平均值為4.30m3/t，氣藏壓力系數(shù)為1.55[28]，為高壓頁巖氣藏?！霸缟缣汀表搸r如四川盆地外的武陵褶皺帶，構(gòu)造改造作用強(qiáng)，地層剝蝕量相對較大，背斜核部上古生界剝蝕殆盡，僅部分向斜核部殘留侏羅系，翼部下古生界遭受大量剝蝕，直接出露地表，保存條件相對較差，且末次抬升時(shí)間相對較早，LY1井距今95Ma 就已經(jīng)開始抬升（圖17b），較JY1井顯然遭受了更長時(shí)間的逸散，五峰組—龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖段含氣量平均值為2.38m3/t，氣藏壓力系數(shù)為1.08，為典型的常壓頁巖氣藏。

圖16 四川盆地東南緣地區(qū)構(gòu)造剖面圖Fig.16 Structural section of the southeastern margin in Sichuan Basin

從威遠(yuǎn)古隆起W201井和XY1井下寒武統(tǒng)頁巖沉積埋藏史來看（圖17c、d），特征更為明顯，前者屬“晚生晚抬型”，后者屬“早生早抬型”。相同的是，兩者均持續(xù)沉積，直至中奧陶世達(dá)到成熟期，開始生成液態(tài)烴;不同的是，前者到早白堊世中期才結(jié)束生烴，后者到中—晚志留世就已經(jīng)結(jié)束生烴，兩者相差約300Ma，W201井頁巖生烴持續(xù)時(shí)間長，經(jīng)歷了更長時(shí)間的生烴過程，并且在早白堊世晚期才達(dá)到最大埋深，在距今90Ma 才開始持續(xù)抬升，而XY1井頁巖在晚志留世就已達(dá)到最大埋深，在距今415Ma 便開始抬升，末次持續(xù)抬升期為早白堊世，距今140Ma，顯然，XY1井經(jīng)歷了更早、更長、更為復(fù)雜的抬升作用，導(dǎo)致頁巖原始封閉性被打破，頁巖氣保存條件破壞嚴(yán)重。WY1井微電阻率成像測井結(jié)果可很好地說明這一點(diǎn)，震旦系皮園村組—中寒武統(tǒng)楊柳崗組高導(dǎo)縫、高阻縫和小斷層發(fā)育密集，高導(dǎo)縫密度平均為3.42 條/m，高阻縫密度平均為3.86條/m，小斷層密度平均為2.19 條/m，裂縫分布平均可達(dá)4.25m/m2（圖18），地層傾角整體較高，主頻范圍分布在20°～30°，巖心觀察可見高角度裂縫被不同期次的方解石脈充填，反映了多期次、長時(shí)間持續(xù)的強(qiáng)烈構(gòu)造作用，構(gòu)造保存條件差是研究區(qū)下寒武統(tǒng)頁巖含氣性差的主要原因之一。

圖17 南方地區(qū)頁巖氣典型井埋藏史與熱演化史Fig.17 Burial and thermal evolution history of typical shale gas wells in the southern China

3.4 頁巖氣勘探方向

綜上所述，尋找“晚生晚抬型”埋藏史、最佳的生儲耦合窗口（Ro為1.8%～3.2%）和構(gòu)造穩(wěn)定區(qū)是下寒武統(tǒng)頁巖氣勘探的主要方向。下?lián)P子皖南地區(qū)下寒武統(tǒng)頁巖熱演化程度平面上呈現(xiàn)西南高、東北低的特征（圖19），皖南廣德一帶頁巖熱演化程度相對較低，Ro在3.0%左右，頁巖厚度為150～200m，有機(jī)碳含量為2%～5%，二維地震勘探發(fā)現(xiàn)構(gòu)造相對穩(wěn)定區(qū)埋深在2000～3000m，值得關(guān)注。黔南坳陷黃平地區(qū)及江南—雪峰山西緣一帶緊鄰川東鄂西深水陸棚沉積中心[48]，優(yōu)質(zhì)頁巖發(fā)育，厚度為50～200m，橫向分布穩(wěn)定，有機(jī)碳含量為3%～7%，熱演化程度較低，Ro分布在2.6%～3.0%，前期二維地震解釋發(fā)現(xiàn)多個(gè)相對穩(wěn)定的塊體構(gòu)造和逆沖推覆體下盤目標(biāo)[49-52]，斷裂不發(fā)育，具有較好的保存條件，后期通過三維地震精細(xì)勘探進(jìn)一步落實(shí)構(gòu)造穩(wěn)定目標(biāo)，選擇有利靶區(qū)有望實(shí)現(xiàn)勘探突破。古隆起及其周緣頁巖埋深適中，熱演化程度較低，Ro介于2.5%～3.0%，具有“晚生晚抬型”埋藏史特征，有利于頁巖氣保存，近年來黃陵古隆起南緣、漢南古隆起南緣下寒武統(tǒng)頁巖氣勘探取得良好發(fā)現(xiàn)[53-54]，展現(xiàn)出古隆起及其周緣良好的勘探前景，古隆起及其周緣是下寒武統(tǒng)頁巖氣勘探的有利區(qū)帶。

圖19 皖南地區(qū)下寒武統(tǒng)頁巖Ro 等值線圖Fig.19 Ro contour map of the Lower Cambrian shale in the southern Anhui area

4 結(jié)論與建議

（1）下?lián)P子皖南地區(qū)下寒武統(tǒng)頁巖具有厚度大、有機(jī)質(zhì)豐度高、脆性礦物含量高等有利條件，TOC ＞2.0%的富有機(jī)質(zhì)頁巖厚度達(dá)200m 以上，同時(shí)面臨演化程度過高（Ro平均高達(dá)4.0%）、生烴早、抬升早、構(gòu)造改造時(shí)間長的不利因素，滯留烴少、物性和保存條件差是影響頁巖氣規(guī)模有效成藏的主要因素。

（2）烴源條件、儲集條件和保存條件是古老頁巖氣成藏的3 個(gè)基本要素，三者良好的動(dòng)態(tài)耦合、時(shí)空配置是頁巖氣富集的關(guān)鍵。滯留烴是頁巖氣成藏的物質(zhì)基礎(chǔ)、熱演化程度和保存條件聯(lián)合控儲，良好的保存條件是頁巖氣成藏的關(guān)鍵，下寒武統(tǒng)頁巖氣成藏地質(zhì)要素的研究需要更加突出全方位整體評價(jià)。

（3）保存條件和熱演化程度是影響下寒武統(tǒng)古老頁巖氣成藏富集的主要因素，尋找“晚生晚抬型”埋藏史、最佳的生儲耦合窗口（Ro為1.8%～3.2%）和構(gòu)造穩(wěn)定區(qū)是下寒武統(tǒng)頁巖氣勘探的主要方向，皖南廣德地區(qū)、黔南坳陷黃平地區(qū)、江南—雪峰山推覆體下盤和古隆起及其周緣有機(jī)質(zhì)熱演化程度較低，保存條件較好，是下寒武統(tǒng)頁巖氣勘探值得關(guān)注的領(lǐng)域。