上揚子地區下寒武統牛蹄塘組頁巖氣成藏條件

胡明毅，鄧慶杰，胡忠貴

(1.長江大學 油氣資源與勘探技術教育部重點實驗室，湖北 武漢 430100； 2.長江大學 地球科學學院，湖北 武漢 430100)

2012年，國土資源部針對我國頁巖氣資源潛力進行了詳細調查與評價。成果表明：我國頁巖氣地質資源潛力為134×1012m3，其中可采資源潛力約25×1012m3①國土資源部.全國頁巖氣資源潛力調查評價及有利區優選成果報告.內部資料，2012.。在南方、華北(包括鄂爾多斯、渤海灣及南華北等盆地)和塔里木地區(包括塔里木、準噶爾等盆地)廣泛發育古生代海相富有機質頁巖，是目前我國陸上常規天然氣資源量的2～3倍[1-2]。

對于上揚子地區古生代頁巖氣，前人已做過較多的探索和研究，如程克明等(2009)[3]、騰格爾等(2010)[4]、陳波等(2011)[5]、張金川等(2011)[6]、聶海寬等(2011)[7]學者，分別對上揚子地區下寒武統牛蹄塘組頁巖氣聚集條件、富有機質頁巖發育特征及生烴和資源潛力、頁巖氣聚集機理等方面進行了初步研究，但研究過程中大多實際數據的獲取主要基于地表樣品測試資料，對上揚子地區下寒武統牛蹄塘組頁巖氣成藏條件及勘探方向仍不明確。近年來，隨著頁巖氣鉆井的大量實施，特別是川南地區鉆遇下寒武統的頁巖氣井取得了較大突破，為頁巖氣成藏條件研究提供了大量井下數據，研究結果也將更具科學性。本文在引用前人研究成果和實際野外剖面觀測的基礎上，充分利用井下測試數據，從泥頁巖厚度和分布、埋深、泥頁巖脆性、總有機碳含量、鏡質體反射率等多方面深入分析上揚子地區下寒武統牛蹄塘組頁巖氣成藏條件及優選有利勘探區帶，為開展該區頁巖氣勘探提供地質依據。

1 區域地質概況

上揚子地區包括西至龍門山斷裂系、北達南秦嶺斷裂南緣、東至雪峰山、南達埡都-紫云-羅甸斷裂的廣大地區，面積約3.5×105km2。上揚子地區寒武系從下到上可劃分為牛蹄塘組、明心寺組、金頂山組、清虛洞組、高臺組和婁山關群。黔北的牛蹄塘組是下寒武統頁巖最發育的組，與川中-川西南地區的筇竹寺組中下部地層、川東南-湘西地區的牛蹄塘組、川東北地區的筇竹寺組以及湘鄂西地區的天柱山組全部地層相當[5](表1)。

2 富有機質頁巖沉積環境

上揚子地區早古生代地層受古構造控制以及海侵影響，在寒武紀早期，形成中國南方古生界最好的烴源巖之一，區域上具有西高東低的沉積格局[8]。

晉寧運動后初期海侵規模大，沉積水體總體上較為安靜，沉積了磷塊巖、硅質巖和黑色頁巖，代表最大海泛面。下寒武統牛蹄塘組物源來自西部的康滇古陸和瀘定古陸[9]，以陸源碎屑沉積為主。川東-川中早寒武世筇竹寺組為淺水陸棚沉積環境；川西早寒武世早期未形成摩天嶺古陸，表現為低能的海槽沉積環境；川北-川東北與秦嶺洋相通，深水陸棚區向北開口，為正常水陸棚；川南深水陸棚區向南開口，與華南洋相通。湘黔北、鄂西渝東及周緣早寒武世牛蹄塘組富營養物質上升洋流導致浮游微生物非常發育，處于廣海陸棚-深水陸棚環境(圖1)。

3 富有機質頁巖分布特征

牛蹄塘組在龍門山前緣的廣元地區、大巴山前緣的南江地區，城口、房縣、華鎣山背斜的岳池地區、川東南的秀山、酉陽、鳳凰地區，貴州的遵義、甕安、岑鞏、都勻、凱里地區，渝東—鄂西的咸豐、張家界等地區有部分出露；鉆井方面，目前僅有女基井、資1井、資2井、林1井、威基井、酉科1井和岑頁1井等少數井有揭露。地層中均發育較厚的、連續沉積的黑色頁巖層段，甚至在黑色頁巖中可見油裂解成氣后殘留的瀝青，如資1井中普遍見含瀝青砂質頁巖[10]。

頁巖氣勘探開發成本受頁巖埋深影響較大，根據區內鉆井和野外剖面統計，上揚子地區牛蹄塘組厚度一般為50～300 m，底界埋深一般為3～7 km。威遠—資陽地區的筇竹寺組厚度較厚，如資5井—資1井—威基井主要發育黑色泥巖，灰色粉砂質泥巖，由古隆起頂部向南部坳陷區增厚，一般在300～500 m，底界埋深一般為4～5 km。龍門山前緣地區該組的厚度為50～200 m，底界埋深為7～8 km。而川東南及周緣地區厚度為50～250 m，受后期構造運動，埋深相對川南較淺，底界埋深為3～4 km。黔北—湘西—鄂西—渝東方向地層厚度有“厚—薄—厚”的趨勢，如永和-大坪剖面(圖2)，總體沉積環境以黑色炭質頁巖、深灰色泥巖、粉砂質泥頁巖為主的深水陸棚環境，甚至在部分地區底部沉積了一套0.5～12 m的硅質頁巖。整體地層一般為50～250 m，底界埋深為3～4 km。區域上，黑色頁巖厚度分布基本上與沉積相帶展布一致，表明上揚子區早古生代的淺水—深水陸棚沉積環境控制了牛蹄塘組黑色頁巖的發育和區域分布。

表1 上揚子地區下寒武統牛蹄塘組地層對比Table 1 Stratigraphic correlation of the Lower Cambrian Niutitang Formation in the Upper Yangtze region

圖1 上揚子地區早寒武世早期巖相古地理Fig.1 Palaeogeographic map of the early stage of the Early Cambrian in Upper Yangtze region

4 富有機質頁巖有機地化特征

4.1 有機碳含量(TOC)

上揚子地區下寒武統黑色頁巖的有機質類型主要為Ⅰ型，少量為Ⅱ1型[11-12]。在區域上，TOC展布特征直接受沉積環境嚴格控制，TOC高值區反映沉積中心。上揚子地區下寒武統黑色頁巖段TOC一般較高，分布范圍為0.23%～15.9%，向上隨著粉砂質、鈣質的增加，TOC值有所降低。在川東南—黔北(珙縣—遵義—甕安—岑鞏一帶，牛蹄塘組TOC≥1.5%的黑色頁巖累計厚度一般在50～150 m)和渝東南—湘鄂西(咸豐—茨巖塘—默戎一帶，筇竹寺組TOC≥1.5%的黑色頁巖累計厚度一般為80～200 m)形成兩個有機碳高值區。

4.2 熱演化程度

黑色頁巖有機質成熟度普遍較高，總體達到高-過成熟階段[4]。有機質成熟度在四川盆地內多高于2.5%，過成熟，高值區集中于川東北和川東南-黔北地區；在渝東南區相對較低，多分布于2.01%～3.56%；湘鄂西有機質成熟度多分布于2.11%～3.64%；黔北有機質成熟度多分布于3.4%～3.77%，都已進入生氣窗內，對頁巖氣成藏十分有利(表2)。

5 富有機質頁巖儲層特征

5.1 礦物組成

頁巖中的脆性礦物含量愈高，其在后期壓裂過程中愈容易產生裂縫，這有利于頁巖氣的開采[13]。

據露頭與巖心觀察，針對81個樣品的巖石X-衍射分析表明(圖3)，下寒武統牛蹄塘組富有機質黑色頁巖中，脆性礦物含量為46.89%～88.54%，平均含量為68.82%；粘土礦物含量為10.60%～42.83%，平均含量為27.50%。脆性礦物中，石英含量最高，可達83.64%，其次為長石含量、碳酸鹽巖含量，微含黃鐵礦；粘土礦物中，含伊利石35.0%～73.0%、綠泥石8.0%～ 28.0%、高嶺石含量極少，不含蒙脫石。而Barnett頁巖脆性礦物含量一般在40%～60% ，粘土礦物含量較少[14]。與之相比，上揚子地區下寒武統黑色頁巖的脆性礦物中硅質、碳酸鹽巖含量較少，石英含量較高。

圖2 上揚子地區下寒武統牛蹄塘組永和—大坪地層對比剖面Fig.2 Stratigraphic correlation of the Lower Cambrian Niutitang Formation on Yonghe-Daping section in the Upper Yangtze region

地區樣品頁巖厚度/mTOC/%Ro/%1q/1n1q/1n最小值最大值平均值1q/1n川東北12180～2000.514.742.203.11～3.15川東141.2211.073.45川中1920～1000.44.431.692.61～2.85川西南2240～1300.677.992.102.56～3.14川東南1540～800.016.483.123.23～3.53黔北3350～1000.7615.905.043.45～3.77湘鄂西3250～2000.238.053.292.11～3.64渝東南2440～1501.022.991.722.01～3.56

圖3 上揚子地區下寒武統牛蹄塘組頁巖礦物組成三角圖Fig.3 Ternary plot map of mineral compositions of shale reservoir in the Lower Cambrian Niutitang Formation in the Upper Yangtze region

礦物組成特征表明，上揚子區牛蹄塘組富有機質頁巖脆性礦物含量豐富，粘土礦物演化程度高，以伊利石穩定礦物為主，不含蒙脫石。

5.2 儲層空間特征

泥頁巖孔隙度極低、滲透率一般小于0.01×10-3μm2，盡管如此，但兩者也存在一定的正相關性，因此十分有必要開展儲層的孔隙度和裂縫評價工作[15-16]。

下寒武統牛蹄塘組泥頁巖容易產生球狀分化，且節理發育(圖4a，b)。電子顯微特征顯示，泥頁巖中的微孔隙、微裂隙非常發育，微孔隙呈蜂窩狀(圖4c)，一般分為五種類型：雜基內溶蝕孔隙、溶蝕粒內孔隙、粘土礦物間微孔隙與微縫隙(圖4d)、礦物間微孔隙(圖4e)、礦物顆粒溶蝕鑄模微孔隙。

下寒武統牛蹄塘組發育的大量的細微裂縫(圖4f)，規模一般在10～40 um，甚至可見長孔徑50 μm×180 μm的微裂縫。特別是在有裂縫非常發育的條件下，可以較大提高泥頁巖的滲透能力，甚至形成一種非常規油氣層——泥頁巖裂縫性油氣層[17-18]。如威5井取心段(2 783.20～2 799.85 m)共7.455 m，巖性主要為黑色頁巖，層間裂縫發育，冒氣309處，甚至在2 795.00～2 798.00 m，孔、縫率達到1.22%～3.34%。

圖5 上揚子地區下寒武統牛蹄塘組黑色頁巖孔隙度和滲透率頻率分布Fig.5 The frequency histograms for porosity and permeability of black shale in the Lower Cambrian Niutitang Formation in the Upper Yangtze region

5.3 頁巖孔滲特征

研究表明，評價儲集空間關鍵參數是巖石孔隙度。巖石孔隙度一般與頁巖游離氣的含量成正比，而含水飽和度與密度及吸附氣含量成反比[19]。

對研究層段露頭和巖心所取34個樣品測試表明，下寒武統牛蹄塘組黑色頁巖孔隙度為0.69%～4.19%，平均為2.5%；滲透率為0.005×10-3～0.245×10-3μm2，平均為0.175×10-3μm2(圖5)；巖石密度為2.01～2.72 g/cm3，平均為2.43 g/cm3；由于所取樣品有不同程度的氧化，有些值會偏高。從平面上看，四川盆地的中心區域孔隙度范圍在2%～3%，而在川東南—黔北、鄂西—渝東孔隙度均超過3%。說明下寒武統牛蹄塘組頁巖基質孔隙、裂縫發育，具有較好的儲、滲條件。

5.4 保存條件及頁巖含氣量

通常認為頁巖氣藏不易被摧毀，對保存條件要求不高，但最近隨著頁巖氣勘探實踐表明，頁巖氣含氣量及氣體組分直接受保存條件控制，具體有如下幾個方面：①具有良好的碎屑巖蓋層保護；②頁巖氣藏不能有“通天斷層”，斷層雖然有利于頁巖氣運聚，但不能有“通天斷層”，否則易逃逸；③淺層在整體上擁有封閉保存體系?？傊陨纤觥叭笠蛩亍辈⒋?，是頁巖氣有利區優選的必備條件[20-22]。

由國土資源部油氣資源戰略研究中心設計鉆探的岑頁1井、酉科1井，現場解吸頁巖氣含氣量達到1.5～4.56 m3/t；威5井下寒武統筇竹寺組頁巖氣鉆井過程中，在2 797.4～2 797.6 m井段，裸眼測試，獲日產氣2.46×104m3，酸化后測試獲日產氣1.35×104m3。除此之外，高科1井、丁山1井、渝科1井等研究層段也出現氣測異常，可與美國五大頁巖氣系統相媲美[23-24]。相對北美頁巖氣含氣量分布范圍(0.44～9.91 m3/t)和2.0 m3/t的商業開發下限[25-26]，上揚子地區牛蹄塘組頁巖含氣量達到了此標準，因而亦應具備較好的商業性開發價值。

6 頁巖氣勘探開發有利區預測

針對頁巖氣勘探有利區優選需要依據較多因素，結合我國油氣勘探現狀及頁巖氣資源特點，依據“國土資源部油氣資源戰略研究中心《頁巖氣資源潛力評價方法與有利區優選標準》”(2012)，對上揚子地區下寒武統頁巖氣進行有利區預測(表3)。

有利區選區方法：依據頁巖沉積環境、分布特征、有機地化特征、儲層特征、保存條件及含氣性等多因素疊加、類比，優選研究區頁巖氣有利區。具體從泥頁巖厚度和分布、埋深、泥頁巖脆性、TOC和Ro等5個因素進行綜合分析，表明：1)黔北、湘鄂西—渝東南地區的下寒武統泥頁巖具備厚度較厚(50～250 m)，分布廣泛，埋深適中(<4 500 m)，TOC較高(>2.0%)，Ro達到高-過成熟階段(>1.2%)，脆性礦物百分含量高(>40%)的特點，因此黔北、湘鄂西—渝東南地區是最為有利的勘探區域；2)川西資陽—自貢一帶，TOC為2.0%～2.6%，Ro在2%～5%，生烴強度高(75 200×108m3/km2) ，沉積厚度大(150～360 m)，且巖性主要為脆性含量較高的泥頁巖。因此上述兩個區域可以作為上揚子地區頁巖氣勘探的有利區帶(圖6)。

表3 上揚子地區頁巖氣有利區優選參考指標Table3 Criteria for identification of shale gas play fairway in the Upper Yangtze region

圖6 上揚子地區下寒武統牛蹄塘組頁巖氣有利發育區預測Fig.6 The predicted shale gas play fairways of the Lower Cambrian Niutitang Formation in the Upper Yangtze region

7 結論

1) 上揚子地區下寒武統牛蹄塘組為淺水—深水陸棚沉積環境，富有機質黑色頁巖相當發育，且分布廣泛、連續沉積厚度大，有機碳含量高，有機質類型主要為Ⅰ型，少量為Ⅱ1型干酪根，Ro普遍較高，達到高-過成熟階段，為頁巖氣成藏提供充足的物質基礎。

2) 上揚子地區下寒武武牛蹄塘組富有機質頁巖脆性礦物含量豐富，粘土礦物演化程度高，以伊利石等穩定礦物為主，不含蒙脫石；多種孔隙類型及裂縫發育，形成良好的頁巖氣儲集空間。

3) 根據頁巖氣有利區帶選取主要評價指標，綜合分析表明黔北、湘鄂西—渝東南地區和川西資陽—自貢一帶下寒武統黑色頁巖連續沉積厚度大、埋深適中、TOC較高且Ro達到高-過成熟階段，可以作為頁巖氣有利勘探區帶。

參 考 文 獻

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