涪陵-重慶地區龍馬溪組頁巖地化特征及頁巖氣資源潛力評價

胡 潤，陳義才，鄭海橋，童小俊 任東超 孫超亞

(成都理工大學能源學院，四川成都 610059)

涪陵-重慶地區龍馬溪組頁巖地化特征及頁巖氣資源潛力評價

胡 潤，陳義才，鄭海橋，童小俊 任東超 孫超亞

(成都理工大學能源學院，四川成都 610059)

四川盆地東部涪陵-重慶地區龍馬溪組發育深水陸棚環境，現今埋藏深度多數在2 000～3 500 m，具有頁巖氣成藏和開發的有利條件。根據四川盆地東部涪陵-重慶地區鉆井資料,結合前人關于龍馬溪組沉積相帶研究成果，綜合分析龍馬溪組頁巖的有機質豐度、類型及成熟度特征。研究認為該地區龍馬溪組下段頁巖殘余有機碳含量平均2.54%，干酪根有機質類型為I型，成熟度在2.20%～3.13%，處于過成熟演化階段。采用有機碳產烴率法模擬計算研究區龍馬溪組下段富有機質頁巖的生氣強度為(40～80)×108m3/km2，應用成因體積法、資源豐度法估算出頁巖氣地質資源量為(6.0～8.6)×1012m3，資源量豐度為(4.0～5.7)×108m3/km2。

四川盆地；涪陵-重慶地區；龍馬溪組;頁巖氣;烴源巖;資源潛力

頁巖氣藏與常規氣藏有著很大的不同，它屬于“連續型”天然氣成藏組合。“連續型”天然氣成藏組合，實際上就是在一個大的區域(通常是區域范圍內)不是主要受水柱壓力影響的天然氣成藏組合[1]。頁巖氣主要以吸附或游離狀態存在于暗色泥頁巖或高碳泥頁巖中，表現為典型的烴源巖層內就近聚集“原地成藏”模式[2]。四川盆地及周緣地區發育上奧陶統-下志留統五峰-龍馬溪組海相黑色頁巖，曾祥亮等(2011)將該層位與Barnett頁巖做了對比，認為沉積環境相似，但其中龍馬溪組頁巖的巖性更為復雜一些[3-4]。2012年11月，JY1井在龍馬溪組試獲日產20.3萬方高產工業氣流，之后在焦石壩構造連續多口井試獲高產工業氣流，發現焦石壩頁巖氣田，表明龍馬溪組頁巖氣具有重大勘探潛力。本文利用JY1、座3、臨7、合12和華淺1井等的鉆井、錄井、測井等原始資料和頁巖地球化學分析測試，分析涪陵-重慶地區龍馬溪組烴源巖地球化學特征，并對頁巖氣資源潛力進行綜合評價，以期為四川盆地海相頁巖氣進一步勘探開發提供重要依據。

1 研究區概況

1.1 構造位置與地理特征

涪陵-重慶地區包括重慶市南川、武隆、涪陵、豐都、長壽、墊江、忠縣、梁平等區縣，區域構造位于四川盆地東部的高陡構造帶，面積為1.5×104km2(圖1)。川東高陡褶皺帶，西側以華鎣山深大斷裂為界與川中構造區相接，東側以齊西深大斷裂為界與鄂西斷褶帶相鄰，北側與秦嶺褶皺帶相接。盆地東部從南至北，構造走向由北北西轉向北北東，再轉向北東，形成四川盆地最具特征的弧形褶皺帶。

圖1 研究區位置及區域構造圖

涪陵-重慶地區地表主要為侏羅系地層所覆蓋，在高陡構造核部出露三疊系及二疊系地層，地勢以低山丘陵為主，地表海拔多在700～800 m，高差一般在50～100 m。研究區內屬亞熱帶季風性濕潤氣候，四季分明，熱量充足，降水豐沛，長江干流橫跨南北，水系發育。

1.2 區域沉積特征

四川地區早志留世總體上發育淺海陸棚相沉積。盆地東部受川中古隆起的影響，局部剝蝕出露，海侵方向主要來自研究區的東北方向，從西向東沉積相類型依次為古隆起-泥質淺水陸棚-泥質深水陸棚-砂泥質淺水陸棚-泥質淺水陸棚，頁巖厚度達300～500 m[5]。川東地區在奧陶紀末期伴隨著短暫的海退，相對海平面處于較低的位置。由于受周緣古陸的阻隔，在龍馬溪組沉積早期形成了閉塞、半閉塞的滯留海盆還原環境，在泥質深水陸棚亞相發育一套50～200 m的黑色碳質、硅質頁巖[6]。龍馬溪組在中期沉積過程中，由于受川中樂山-龍女寺古隆起與雪峰山古隆起的不斷影響，沉積海域面積逐漸縮小，水體深度也不斷變淺，沉積速率逐漸變大。到龍馬溪組沉積的晚期，隨著前陸隆起的繼續抬升，隆起后盆地的相對變淺，前隆泥巖層由于受到周圍的環境不斷改造，從而提供了更多的物源，使得海底的氧化還原環境發生了較大的變化，由缺氧的還原環境逐漸過渡為富氧的氧化環境[7]。所以，在川東地區，龍馬溪組優質頁巖主要發育在龍馬溪組下段地層中。

2 頁巖有機地球化學特征

頁巖氣作為一種典型的非常規源內氣藏，其頁巖的有機化學性質是控制頁巖氣成藏的關鍵內在因素之一。頁巖有機質豐度、有機類型、熱演化程度是單位體積內頁巖氣生成的物質基礎。

2.1 有機質豐度

有機碳含量(TOC)在頁巖氣資源評價過程是一個非常重要的參數，現以成為判斷潛力頁巖油氣藏的一個重要指標[8]。四川盆地東部下古生界有機質的成熟度較高，實驗室現在所測的有機碳含量只是烴源巖生烴后殘余的有機碳含量，因此用頁巖殘余有機碳的含量評價有機質豐度。在評價頁巖有機質豐度時，將有機質豐度分為 5 級，即：TOC<0.5%為很差， 0.5%～1.0% 為差， 1.0%～2.0% 為一般，2.0%～4.0% 為好，大于4.0%為很好[9]。

根據研究區東部 JY1井龍馬溪組下部頁巖173塊巖心樣品化驗分析結果統計，有機碳含量最小為0.55%，最大為5.89%，平均含量2.54%，并且具有自上而下有機碳含量逐漸增加趨勢(圖2)。JY1井龍馬溪組富有機質頁巖分布于龍馬溪組下部(第1亞段～第4亞段)，有機碳含量平均值為1.66%～4.13%，龍馬溪組上部頁巖的有機碳含量低于1.0%。研究區西北部華淺1、座3井龍馬溪組下部頁巖有機碳平均含量為2.5%～3.5%；西南部臨7井和安淺1井區有機碳含量略有降低，平均為1.5%～2.5%。

圖2 JY1井龍馬溪組有機碳含量縱向分布

參照泥質烴源巖有機質豐度評價標準，研究區龍馬溪組下部可判定為優質烴源巖。前人研究認為，在中國南方海相地區，特別是I型有機質的頁巖，殘余有機碳的含量達到1%可作為頁巖氣的有效層段[9]。由此可見，研究區龍馬溪組下部均有利于頁巖氣的生成。

2.2 有機質類型

2.2.1 干酪根顯微組分

早古生代，全球范圍內缺乏高等植物，干酪根的生物主要來源于低等水生生物、浮游動物。涪陵-重慶地區下志留統龍馬溪組沉積顆粒細，富含筆石，為強還原環境。根據JY1井龍馬溪組2塊樣品干酪根鏡檢分析結果(表1)，有機質以藻類體和棉絮狀腐泥無定形體為主，無殼質組和鏡質組，有機質類型指數為92.84和100，屬于Ⅰ型干酪根。

2.2.2 碳同位素組成特征

泥頁巖中干酪根碳同位素也能間接的反映其母質的類別。不同類型的干酪根在成熟到高過成熟階段，其有機碳碳同位素的變化非常小，小于1‰。國內外研究表明，腐植型干酪根碳同位素重于-26‰，腐泥型干酪根碳同位素較輕，一般小于-30‰[10]。JY1井下志留統龍馬溪組2 339.33m和2 349.23m共2塊灰黑色頁巖和黑色碳質頁巖干酪根碳同位素分別-31.9‰和-29.2‰，表現為腐泥型干酪根的特征。

表1 JY1井龍馬溪組干酪根顯微組分數據分析

2.3 有機質成熟度

干酪根的鏡質體反射率是最直觀的表征有機質成熟度的參數。針對龍馬溪組頁巖缺乏鏡質組的情況下，可通過利用測定瀝青反射率(Rb)來換算鏡質組反射率[11-13]。本文應用豐國秀(1988)等在四川盆地建立的鏡質體反射率與瀝青反射率之間的關系進行換算[11]。JY1井龍馬溪組86個烴源巖樣品的瀝青鏡反射率為2.77%～4.14%，平均值為3.42%，換算為干酪根鏡質體反射率為2.58%。華淺1、座3井龍馬溪組換算的鏡質體反射率相對較低，平均值為1.95%～2.15%，東深1和臨7井的鏡質體反射率相對較高，平均值為3.2%～3.5%。總體而言，研究區龍馬溪組頁巖有機質進入過成熟演化階段，以生成干氣為主。

3 頁巖氣資源潛力評價

3.1 頁巖生氣強度計算

頁巖有機質生成的天然氣是頁巖氣成藏的物質基礎，頁巖氣藏是泥質烴源巖中天然氣排烴之后的殘余原生氣藏。頁巖有機質生氣強度計算涉及的主要參數為有效頁巖厚度、頁巖的巖石密度、TOC和有機質的產烴率。頁巖有效厚度是指有機碳含量超過1.0%的單層或連續厚度。研究區內龍馬溪組有效頁巖厚度自西南向東北遞減，范圍30～120 m。根據測井和分析化驗資料，頁巖的巖石密度一般在2.5～2.65 t/m3，取平均值2.6 t/m3。

頁巖有機質在不同熱演化程度下的產氣率是生氣量計算的關鍵性參數。研究表明，腐泥型干酪根的累積產氣率一般為500～650 m3/(t·TOC)[14-15]，在本文中，烴源巖成熟度都達到過成熟階段，在確定產氣率時選取平均值575 m3/(t·TOC)。有機碳產氣率計算頁巖氣生氣強度公式為：

(1)

式中：H為有效頁巖厚度，m；ρr為頁巖的密度，t/m3；C殘為頁巖殘余有機碳含量，%；D為原始有機質氣態烴產率，m3/(t·TOC)；Q氣為生氣強度，108m3/km2。

根據公式(1)計算，研究區龍馬溪組有效頁巖的生氣強度主要為(40～80)×108m3/km2(圖3)。龍馬溪組有效頁巖在涪陵-長壽-江津一帶的生氣強度較高，大于80×108m3/km2，在銅梁-鄰水-墊江地區及南川-綦江東南地區的生氣強度較低，一般為(10～20)×108m3/km2。

圖3 涪陵-重慶地區龍馬溪組有效頁巖厚度及生氣強度(據張春明2013，李輝2013修編)

3.2 資源量估算

頁巖氣資源潛力計算的方法較多，主要分為靜態法和動態法兩大方面。研究區龍馬溪組頁巖氣勘探程度較低，本文采用靜態法中的成因體積法與體積豐度類比法，估算龍馬溪組有效頁巖的天然氣資源量。

3.2.1 成因體積法

成因體積法是現階段我國計算頁巖氣資源量的主要方法[16]，其計算公式如下：

Q資=0.01×Q氣×S×(100-Kp)

(2)

式中：Q資——頁巖氣資源量，108m3；Q氣——有效頁巖生氣強度，108m3/km2；Kp——頁巖的排烴系數，%；S——有效頁巖分布面積，km2。

成因體積法估算頁巖氣資源量的關鍵參數是排烴系數。頁巖的排烴系數受多種因素的影響，除有機質豐度、類型、熱演化程度等內部因素外，生儲組合類型，即砂泥比、頁巖單層厚度等都是影響泥頁巖排烴能力重要的外部因素。郝石生等(1994)[17]對國內外學者關于頁巖排烴系數研究結果的統計表明，頁巖排烴系數變化范圍較大，但是高-過成熟頁巖的排烴系數一般在50%以上。研究區龍馬溪組下部有效頁巖的頁巖單層厚度雖然多數大于30 m，但是受到喜山期構造抬升的影響，頁巖干酪根終止生氣的地質時間長大60多個百萬年。根據天然氣成藏的動平衡原理[18]，地質過程中長時期的天然氣分子擴散不利于頁巖氣的保存。針對研究區龍馬溪組頁巖氣的成藏地質條件，參考前人研究成果，將龍馬溪組下部有效頁巖平均排烴系數取值90%。按照公式(2)估算，研究區龍馬溪組下部頁巖氣的資源豐度為(4.0～8.0)×108m3/km2，總資源量為(6.0～12)×1012m3。

3.2.2 資源豐度類比法

頁巖氣資源分布主要與有效頁巖空間分布有關。在勘探程度較低的地區，通過資源豐度類比可估算頁巖氣的資源量。體積豐度類比法的計算公式為：

Q資=S×H×ρr×Qf×10-2

(3)

其中：S——有效頁巖面積，km2，H——有效頁巖厚度，m，ρr——頁巖的密度，t/m3，取平均值為2.6 t/m3，Qf——頁巖含氣量，m3/t，Q資——資源量，108m3。

體積豐度類比法的關鍵是類比合理的頁巖含氣量。頁巖含氣量的影響因素較多，其中有機碳含量和埋藏深度是主要因素。在相似地質條件下，頁巖有機碳含量與含氣量具有正相關關系[19]。王世謙等(2013)[20]對四川盆地南部五峰組-龍馬溪組及北美地區多套頁巖氣的含氣量進行統計分析，指出埋藏深度較淺的(一般小于1 500 m)的頁巖氣藏的壓力系數均為1.0，其平均含氣量均為小于2.5 m3/t，隨著頁巖埋藏較深、儲層壓力產生異常高壓時，頁巖含氣量也隨之而升高。JY1井龍馬溪組下部的埋藏深度約為2 300 m，頁巖實測含氣量為(0.51～3.06) m3/t，平均值1.718 m3/t。周寶剛(2014)[21]等綜合研究認為，川南地區龍馬溪組頁巖含氣量較高，平均1.85 m3/t，與實際情況相當。本文采用周寶剛研究數據，平均含氣量取值1.85 m3/t。根據公式(3)估算，龍馬溪組下部有效頁巖資源量為(2.1～8.6)×1012m3，資源量豐度為(1.4～5.7)×108m3/km2，具有良好的資源前景。

4 結論

(1)涪陵-重慶地區龍馬溪組頁巖殘余有機碳含量平均2.54%，達到了有效頁巖有機碳的豐度下限及較好烴源巖的標準，可判定為優質烴源巖，有利于頁巖氣的生成。

(2)研究區內干酪根有機質類型為I型，有機質以藻類體和棉絮狀腐泥無定形體為主，無殼質組和鏡質組。

(3)研究區內龍馬溪組泥頁巖成熟度在2.20%～3.13%，處于過成熟演化階段，以生成干氣為主。

(4)通過計算，涪陵-重慶地區龍馬溪組頁巖生氣強度為(40～80)×108m3/km2，頁巖氣總地質資源量為(6.0～8.6)×1012m3，資源量豐度為(4.0～5.7)×108m3/km2，具備工業開采價值，是頁巖氣開采開發的有利區塊。

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編輯：吳官生

1673-8217(2015)05-0033-05

2015-05-05

胡潤，1991年生，2013年畢業于湖北科技學院地理科學專業，在讀碩士研究生，從事油氣成藏方向研究。

國家重大專項“南方海相頁巖氣開采試驗”(2011ZX05018-006-07)。

TE122.2

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