黔江—酉陽地區頁巖沉積特征及頁巖氣評價參數*

黃　丹　徐　濤　官惠聰　嚴安云　袁代澤

(1.長安大學環境科學與工程學院；2.重慶能科工程勘察有限公司；3.重慶市能源投資集團科技有限責任公司)

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黔江—酉陽地區頁巖沉積特征及頁巖氣評價參數*

黃丹1,2徐濤3官惠聰2嚴安云2袁代澤2

(1.長安大學環境科學與工程學院；2.重慶能科工程勘察有限公司；3.重慶市能源投資集團科技有限責任公司)

通過野外地質調查和室內測試分析，系統研究了黔江—酉陽地區奧陶系五峰組頁巖、志留系龍馬溪組和寒武系下統牛蹄塘組頁巖的沉積特征，并對2組目的層的頁巖氣評價參數進行了分析，結果表明：①五峰組—龍馬溪組黑色頁巖有機質豐度由東南自西北逐漸增大，由上至下逐漸增大，有機質類型屬Ⅰ型干酪根，處于高—過成熟階段；②下寒武統牛蹄塘組頁巖有機質豐度由西北至東南逐漸增大，由下至上逐漸降低，有機質類型屬Ⅰ型干酪根，處于高—過成熟階段。上述研究成果進一步表明：區內頁巖生、儲、蓋條件良好，不同方向、不同期次的節理和微裂縫有利于排烴和規模化開發頁巖氣。

頁巖沉積特征沉積環境龍馬溪組牛蹄塘組頁巖氣評價參數

頁巖氣藏是典型的自生自儲型“原地成藏”模式。在頁巖氣系統中，烴源巖仍為富有機質的頁巖相，儲層為低孔低滲頁巖且經常含有貧有機質的碳酸鹽巖和粉砂巖，儲層分布受泥頁巖分布的控制。近年來，隨著對清潔能源需求量的增加、非常規油氣地質勘探開發理論的發展、難采油氣開發技術的突破以及北美頁巖氣的成功開發，引發了我國政府及國內能源企業對頁巖氣資源開發的高度關注[1]。重慶黔江—酉陽地區位于全國頁巖氣資源戰略調查選區。近年來，該區域周緣地區已陸續實施了10余口針對頁巖氣的探井，多口探井氣顯良好，黔頁1#井獲得了工業氣流，據此對頁巖氣儲層狀況及特征、勘查開發條件等有了深入的認識，為頁巖氣勘查開發奠定了基礎。本研究以黔江—酉陽地區頁巖沉積特征為基礎，初步分析該地區的頁巖氣資源勘探潛力。

1　區域地質背景

勘查區屬四川盆地東南緣揚子準地臺、上揚子臺內坳陷、渝東南凹陷褶皺帶、黔江凹陷褶皺帶。重慶地區構造沉積演化史由老至新可劃分為中元古代—新元古代早期揚子準地臺褶皺基底形成、南華紀—三疊紀槽臺分化、侏羅紀—第四紀陸內改造等3個階段。渝東南及周緣地區主要構造線呈NNE—NE向展布，向斜區地層傾角平緩，背斜區地層傾角較大，局部受斷裂影響，有倒轉現象。區內主要斷裂走向與褶皺軸線基本一致，呈NE走向，傾向NW。區內出露頁巖目的層有2層：①志留系下統龍馬溪組、奧陶系上統五峰組與上覆地層龍馬溪組下段可視為同一目的層，巖性為黑色粉砂質頁巖、含硅質頁巖；②寒武系下統牛蹄塘組下段，巖性為黑色炭質頁巖和硅質頁巖。

2　沉積環境

2.1五峰組—龍馬溪組黑色頁巖沉積環境

奧陶紀末期大規模海退、華南古陸與揚子板塊拼接導致的黔中、滇東南、江南、華南等古陸隆起，提供了大量陸源碎屑[2]。渝東南地區在晚奧陶世—早志留世時期處于前陸盆地的發展階段，其主要的陸源碎屑便來自黔中隆起及雪峰隆起。奧陶紀末期的海退也導致了研究區的海相沉積由清水環境碳酸鹽巖為主(如渝東南地區奧陶系寶塔組灰巖)轉變為以渾水陸源碎屑巖為主的碎屑巖沉積(如渝東南地區早志留世晚期的淺海陸棚砂質沉積)[3]。奧陶紀晚期在渝東南地區沉積了1套五峰組黑色硅質巖、黑色硅質泥巖，在渝東南彭水地區其厚度1～5m，其中也含有大量的筆石，其上部為龍馬溪組黑色泥巖沉積。

2.2牛蹄塘組黑色頁巖沉積環境

根據四川盆地早古生界地層研究成果，震旦系未，桐灣運動使地殼上升廣遭剝蝕后，早寒武紀又復下沉，接受了下古生界海相沉積建造，寒武紀初，地殼下降，開始海侵，至滄浪鋪早期，海侵范圍最大。下寒武統牛蹄塘組烴源巖屬廣海陸棚沉積相，是四川盆地生烴能力最強、分布范圍最廣的1套烴源巖。在早寒武紀早期，整個中國南方地區處于同一古地理背景下，即整個中國南方地區為1個巨大的、盆底地形為平緩的、水體相對較淺的、水流不暢的停滯缺氧盆地，大部分地區經歷了深埋過程，成熟度較高，同時經歷了復雜的構造熱演化過程，具有“高成熟、強改造”的地質背景[4]。并在早寒武紀早期，繼晚震旦紀第1個動物發育高峰期之后，又發生了水殼化石(軟石螺等)發育高峰期，同時也發育了大量的低等植物，致使下寒武統下部的牛蹄塘階發育了數米至數百米厚的炭質泥巖、頁巖及石煤。

3　儲層特征

3.1頁巖厚度及埋深

五峰組—龍馬溪組地層黑色炭質頁巖分布于濯水鎮—兩河鎮的濯河壩向斜，未剝蝕區面積約 890.10km2。頁巖地層發育穩定，埋深0～4 500m，厚39.04～53.83m，平均43.15m。該套頁巖具有自下而上顏色逐漸變淺、砂質含量增加、有機質和硅質含量減少的變化特征。頁巖中普遍含砂質、粉砂質，底部微含鈣質、多含硅質，呈零星散狀分布的黃鐵礦較豐富，以產浮游生物筆石為主要特征，局部可見放射蟲、海綿骨針等生物碎屑，有機質含量較高。區塊內牛蹄塘組地層未出露，埋深2 000～ 6 500m，厚40～70m，面積1 272.40km2，該套頁巖具有自下而上頁巖有機質含量減少，顏色由黑色變為深灰色，砂質、粉砂質含量增加的特征。

3.2地化特征

研究區龍馬溪—五峰組地層為1套黑色炭質頁巖、含粉砂質頁巖、硅質頁巖，產大量的筆石化石，目的層之上為黃灰色石英巖屑粉砂巖，鈣質膠結，五峰組地層底為灰—綠灰色泥質灰巖、瘤狀灰巖。牛蹄塘地層研究區內未出露，故不作為主要研究對象。頁巖中有機質含量越高，吸附氣含量越高，在相同的地質條件下，頁巖生烴強度、吸附氣含量與有機碳含量成正相關關系[5]。區內龍馬溪—五峰組頁巖氣成藏主要控制因素的測試結果見表1。

表1　頁巖氣成藏主要控制因素含量

根據鄰區黔江1#井、黔江2#井、黔頁1#井、黔淺1#井和勘查區酉淺1#井等資料，獲取了勘查區五峰組—龍馬溪組地層有機碳含量，巖芯實測有機碳含量1.0%～3.2%，平均2.4%，由東南至西北逐漸增大，由上至下逐漸增大，巖芯實測成熟度1.6%～3.4%，平均2.4%，處于高—過成熟階段，成熟度由東南至西北逐漸增大，有機質類型屬腐泥型即Ⅰ型干酪根。根據鄰區露頭和鉆井資料，牛蹄塘組暗色頁巖有機碳含量2.0%～2.8%(圖1)，由西北至東南逐漸增大，由下至上逐漸降低，成熟度2.3%～3.0%，處于高—過成熟階段(圖2)，有機質類型屬腐泥型即Ⅰ型干酪根。

3.3有機質演化史

根據鄰區鉆井磷灰石樣品的裂變徑跡長度分布、最佳擬合曲線和T-t軌跡圖計算分析了區域沉積埋藏史。區內在82.5～72.1Ma期間為地層的快速抬升期，約有 1 100m厚的地層遭受剝蝕；72.1～31.2Ma為緩慢抬升階段，約有625m厚的地層被剝蝕；31.2～20.8Ma為急劇抬升階段，約有 710m厚的地層遭受剝蝕；20.8～10.7Ma屬于相對穩定時期，約有185m厚的地層被剝蝕；10.7Ma至今為急劇抬升階段，燕山期以來的隆升使約2 580m厚的地層被剝蝕。五峰組—龍馬溪組頁巖沉積后經歷了漫長的演化過程，中上揚子地區受擠壓與碰撞，經歷了“早降晚抬”的演化模式，具體表現為：早志留世—晚志留世處于短暫的沉降狀態，早泥盆世—晚石炭世發生抬升，其后除中二疊世有沉積間斷外，直至白堊紀末總體仍處于持續沉降狀態，白堊紀末以后一直處于快速抬升狀態，總體表現為早期沉降、中期深埋、沉降期長、隆升期短的特點。晚二疊世之前，龍馬溪組烴源巖處于低熟階段(成熟度小于0.6%)；晚二疊世末―中三疊世末，處于成熟期，烴源巖熱演化極其緩慢，中三疊世后達到生烴高峰期，生成的大量液態烴在壓實作用下，向石炭系高效排烴；早侏羅世末，成熟度達到1.3%，干酪根進入濕氣-凝析油階段；中侏羅世后，烴源巖處于過成熟階段，成熟度達2.3%～3.0%，直至中白堊世(約80Ma)；志留系地層快速埋藏，烴源巖進入干氣階段。

圖1　牛蹄塘組頁巖有有機碳含量等值線

圖2　牛蹄塘組頁巖成熟度等值線

寒武系烴源巖生烴門限為早奧陶世，成熟度約0.7%，為低成熟階段。早—中志留世，寒武系烴源巖埋深加大，成熟度約1.3%，進入生油窗并開始大量生油，后由于加里東運動的抬升作用，致使寒武系烴源巖埋深變淺，生烴停滯。中—晚二疊世，烴源巖再次深埋，開始二次生烴。三疊紀末期，牛蹄塘組烴源巖的有機質成熟度增至約1.6%，該階段烴源巖繼續在生油窗內演化，主要生成液態烴。由于侏羅系的快速沉降，中侏羅世，成熟度升至2.0%，進入高成熟期，有機質開始大量生成油裂解氣。晚侏羅世，成熟度再升至2.4%，有機質大量生成凝析油及裂解氣。中白堊世成熟度達2.8%～3.2%，進入過成熟階段，有機質主要生成干酪根裂解氣，已生成的原油也裂解生成天然氣，此后地層遭受抬升剝蝕，現今寒武系烴源巖處于過成熟階段。

3.4巖石學組成特征

五峰組—龍馬溪組頁巖地層主要礦物為石英、長石、黏土和碳酸鹽礦物，局部發育黃鐵礦，其中，石英、長石含量32.3%～81.9%，平均約53.5%；黏土含量12.4%～56.5%，平均約34.9%；碳酸鹽巖含量3.7%～18.8%，平均約6.8%；黃鐵礦含量1.0%～7.2%，平均約3.1%。黏土礦物主要為綠泥石、伊利石、伊蒙混層和少量高嶺石，巖芯物性數據顯示，有效孔隙度0.8%～3.6%，滲透率(0.004 6～ 0.469 9)×10-3μm2，巖石密度2.51～2.73g/cm3。下寒武統牛蹄塘組頁巖礦物主要為石英、長石、黏土，次要礦物為碳酸鹽，局部含少量黃鐵礦，其中石英、長石含量40.5%～76.2%，平均56.2%；黏土含量12.4%～56.1%，平均39.2%；碳酸鹽巖含量1.1%～28.2%，平均7.8%；黃鐵礦含量1.1%～5.2%，平均3.1%。黏土礦物主要為綠泥石、伊利石和伊蒙混層(圖3)，巖心實測孔隙度0.5%～3.5%，滲透率(0.001 2～0.936 1)×10-3μm2，巖石密度2.59～2.77g/cm3。上述分析表明，研究區內2套目的層脆性礦物(石英、長石和碳酸鹽)含量較高，黏土含量低，有利于儲層壓裂改造。

圖3　頁巖礦物組成分布

4　含氣性評價

頁巖氣的存在相態有吸附態、游離態、溶解態等3種，頁巖氣中的天然氣成因具有多樣性，覆蓋了幾乎所有可能的有機生氣作用機理。頁巖即烴源巖，也是特殊的儲集層，很少發生二次運移，屬“原地成藏”模式[6-7]。根據黔江—酉陽地區五峰組—龍馬溪組頁巖和牛蹄塘組頁巖埋藏深、變化大的特征以及有機碳、成熟度、石英、脆性礦物含量，判斷其處于熱裂解生凝析氣階段和深部高溫生氣階段，達到大規模生氣階段，頁巖氣以熱解干氣為主，且烴源巖的分布面積和厚度較大，預測該地區頁巖氣含氣量較可觀[8-9]。

5　結　論

(1)黔江—酉陽地區沉積地層發育齊全，通過野外露頭剖面觀測、系統采樣和實驗室工作，目的層頁巖均具有自下而上頁巖有機質含量減少，顏色逐漸變淺，砂質、粉砂質含量增加的特征。五峰組—龍馬溪組有機碳含量和巖芯實測成熟度由東南至西北逐漸增大。牛蹄塘組有機碳含量由西北至東南逐漸增大，成熟度處于高—過成熟階段。

(2)受海侵體系環境的影響，研究區五峰組—龍馬溪組主要發育粉砂質頁巖、炭質頁巖、含硅質頁巖等，牛蹄塘組主要發育炭質頁巖及硅質頁巖，礦物成分以石英、長石和黏土礦物為主，目的層所處沉積環境沉積的黃鐵礦形成的黃鐵礦晶間孔、有機質生烴形成的微孔隙、黏土礦物層間微孔隙等為頁巖氣提供了良好的儲集空間。

(3)研究區內下古生界頁巖氣保存條件較好，黑色泥巖中含有大量筆石為“密集段”沉積，蓋層、構造、水文等條件均有利于頁巖氣的保存。

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2015-12-28)

*重慶市杰出青年基金項目(編號：cstc2014jcyjjq0020)；重慶市科技攻關項目(編號：cstc2012gg-yyjs90001)。

黃丹(1984—)，女，工程師，博士研究生，400060 重慶市南岸區南濱路162號。