川東地區龍潭組頁巖氣成藏地質條件與有利區評價

王曉蕾， 曹正杰， 楊強強， 毛 芮， 寧 闖， 王鴻宇，趙 權， 梁家林， 王 真， 陳嘉欣

(1.呂梁學院礦業工程系, 呂梁 033000；2.煤礦機械裝備維護與檢測試驗呂梁市重點實驗室,呂梁 033000；3.中國石油青海油田分公司采油二廠, 茫崖 817500)

頁巖氣作為非常規油氣的一種,具有短距離運力及“原地成藏”的特點,包括游離及吸附兩種形態賦存于頁巖孔隙中。大面積連續分布的特點使得成熟泥頁巖具有極大的天然氣蘊藏量。四川盆地發育多套泥頁巖[1],包括震旦系陡山沱組、寒武系牛蹄塘組、志留系龍馬溪組等海相頁巖及二疊系龍潭組海陸交互相含煤泥頁巖[2]。四川盆地是中國頁巖氣勘探開發的重點地區,對海相頁巖的研究程度相對較深,并已取得一定的突破[3-4]。隨即開展大規模海項頁巖氣的勘探,同時海陸交互相及陸相頁巖進入人們的視野,但針對陸相及海陸交互相泥頁巖的研究尚處于初步評價階段,相關技術缺乏[5]。由于海陸交互相沉積水體的局限及動蕩,該環境下形成的頁巖通常具有分布不連續、分布面積小、橫向變化快、單層厚度小、累計總厚度較大、有機質豐度高、有機質類型差、黏土礦物含量高、泥頁巖脆性低的特點[6]。

針對川東地區碳酸鹽巖地層的鉆采過程中發現龍潭組具有明顯的氣測異常現象[7],指示川東地區龍潭組泥頁巖可能具有較大的天然氣勘探潛力,但是并未作為目標層位進行系統的研究,對川東地區龍潭組泥頁巖能否形成頁巖氣藏尚無明確結論。因此,為了查明川東地區二疊系龍潭組泥頁巖天然氣勘探潛力,對比海相頁巖氣成藏規律,考慮川東地區實際地質情況,從生烴條件及儲集條件著手,通過分析泥頁巖沉積環境、有機質豐度、有機質成熟度及儲集特征,探討川東地區龍潭組泥頁巖成藏地質條件,其區域地質與地層柱狀圖如圖1所示。

圖1 研究區區域地質圖與地層綜合柱狀圖Fig.1 Theregional geological map of the research area and the comprehensive chart of the formation

1 區域地質概況

研究區主體處于四川盆地五大構造帶的川東高陡褶皺帶內[8-10],整體被華鎣山及齊岳山兩大斷裂帶夾持[11]。地表構造表現為一系列北北東-北東方向展布的寬緩向斜與緊閉背斜相間排列形成的隔檔式褶皺帶。川東地區構造環境較為發展,發育4條近北東向展布的基底斷裂。龍潭組沉積前,四川盆地表現為西南高、北東低的構造格局,受東吳運動及峨眉山地裂作用的聯合影響,受強烈拉張作用的影響,川東地區整體下沉[4,12-13],同時形成廣旺—開江—梁平拗張槽,海水由南東及北東兩個方向向拗拉槽內快速涌入,形成缺氧的深水沉積環境[14-16]。沉積相分布如圖2[6]所示。受地形差異及物源供給差異的影響,沿南西向北東方向,川東地區龍潭組沉積環境由河流相向深水陸棚相過渡,巖性組合及地層厚度亦發生明顯的變化,南西向向水體較淺,地層薄,龍潭組主要發育泥巖、砂巖夾薄層的煤層,陸源碎屑物質含量高[17],向北東方向,水體加深,地層厚度明顯增大,地層巖性表現為薄層煤系地層沉積減少,海相硅質礦物及灰質成分增加[18]。

圖2 四川盆地上二疊統龍潭期沉積相平面分布圖[6]Fig.2 Plane distribution map of sedimentary facies in longtan period of upper permian in Sichuan Basin[6]

龍潭組與下伏茅口組灰巖呈平行不整合接觸,與上覆長興組呈整合接觸。川東地區龍潭組泥頁巖主要發育于中下部,向上具有頁巖與灰巖互層現象。

2 泥巖巖生烴條件

頁巖有機質類型、豐度、泥頁巖厚度、熱演化程度等有機地球化學特征是衡量泥頁巖生烴潛力的資源量的重要指標。

2.1 有機質類型

沉積有機質類型的差異直接影響生烴產物的類型及形成過程,盡管在3種不同類型有機質頁巖中均發現頁巖氣藏,但是中外商業性頁巖氣體田中的頁巖有機質以Ⅰ型和Ⅱ1型為主,并認為Ⅰ型和Ⅱ1有機質發育的頁巖具有較好的勘探開發潛力。因此對以Ⅲ型有機質發育為主的煤系地層的勘探開發較少。

對川東地區龍潭組泥頁巖樣品進行碳同位素及有機質鏡檢測試結果表明:龍潭組泥頁巖有機質顯微組分主要由鏡質組及惰質組組成,二者含量在90%以上,殼質組含量極少,同時,部分樣品含有極少量的腐泥組及動物碎屑。鏡質組含量介于68.4%～94.3%,平均含量為87.1%,惰質組分成含量在0～31.6%,平均含量14.6%,殼質組成分含量不高于3%,腐泥組成分含量普遍在1%以下,個別樣品含量為38%,動物碎屑含量最高為1%,固體瀝青少量發育。泥頁巖有機質碳同位素測定結果顯示δ13C介于-28.4‰～-22.1‰(表1)。根據有機質類型分類標準,川東地區龍潭組泥頁巖有機質干酪根類型主要為Ⅲ型干酪根,同時含有部分腐泥型干酪根。結合顯微鏡檢及干酪根碳同位素測定結果,表明川東地區龍潭組泥頁巖有機質主要來源為高等植物。

表1 川東地區龍潭組泥頁巖有機質碳同位素及顯微組分Table 1 Carbon isotope and macerals of the organic matter in Longtan Formation in eastern Sichuan

2.2 泥頁巖厚度及TOC含量

泥頁巖厚度及總有機碳(total organic carbon,TOC)含量共同決定生烴母質的含量,只有當有機質含量及泥頁巖厚度達到一定程度時才具備工業開采價值[19],受開采工藝及經濟效益的差異影響,目前國際上對泥頁巖商業開采TOC含量及厚度下限尚無統一的標準,中國將2%作為TOC含量的下限，將30 m作為有效頁巖厚度下限。川東地區龍潭組泥頁巖有機質豐度測試結果顯示:TOC含量差異明顯,多分布于0.47%～30.2%,部分樣品有機質含量可達58%以上,泥頁巖其中有機質含量大于30.2%的樣品為煤樣,正常泥頁巖樣品有機質含量最高為12.3%,平均含量為3.86%。不同地區有機含量差異明顯,其中華鎣山地區泥頁巖有機質含量在2.32%～3.46%,平均含量2.84%,開江—云陽地區龍潭組泥頁巖有機質含量在3.14%～12.3%,平均含量4.15%,為川東地區有機質含量最高的地區。根據四川盆地龍潭組厚度與有機質豐度疊合圖結果,川東地區龍潭泥巖厚度與有機質豐度中心不重合,該現象的形成可能與北東向陸相高等植物有機質供應不足有關。

2.3 有機質熱演化程度及生烴強度

一定的熱演化程度是有機質向油氣轉化的動力,只有一定的熱演化,泥頁巖有機質才開始向烴類轉化[20-21]。在一定成熟范圍內,有機質生烴效率與熱演化程度呈正比關系。有機質熱演化程度可通過有機質鏡質體反射率及生烴強度進行定量表征[22-23]。

川東地區龍潭組泥頁巖有機質熱演化程度及生烴強度與有機質豐度具有相似的變化特征,在開江—云陽地區有機質熱演化程度及生烴強度高于華鎣山地區(圖3[18]),鏡質體反射率測定結果顯示,華鎣山地區龍潭組泥頁巖有機質鏡質體反射率Ro介于0.84%～1.46%,平均為1.09%,處于低成熟階段,生烴強度小于30×108m3/km2,宣漢—云陽地區龍潭組泥頁巖有機質熱演化程度最高,鏡質體反射率Ro介于2.23%～3.14%,平均為2.73%,有機質熱演化程度均達到過成熟階段,生烴強度大于50×108m3/km2。川東其他地區頁巖有機質熱演化程度Ro主體介于1.58%～2.87%,平均含量為1.84%,達到高-過成熟階段,根據中外對頁巖有效性評價及優質頁巖含氣性影響性要素研究指出,適度的有機質熱演化程度是頁巖氣大量生成的必要條件,并指出Ro在1.3%～3.5%對有機質熱解生烴具有重要作用,除華鎣山地區龍潭組頁巖處于低成熟階段,川東地區龍潭組泥頁巖均達到成熟,處于主生氣階段,泥頁巖生烴強度大。顯示了川東地區龍潭組良好的生烴潛力。

圖3 四川盆地龍潭組現今累計生烴強度平面分布圖[18]Fig.3 Plane distribution map of cumulative hydrocar bon generation intensity in Longtan Formation in Sichuan Basin[18]

3 泥頁巖儲層發育特征

泥頁巖孔隙是氣體賦存的主要空間,孔隙類型、孔隙結構及孔隙度對頁巖氣含氣量及賦存狀態具有決定性作用。根據泥頁巖孔隙發育基質的差異,可將泥頁巖孔隙分為有機孔、無機孔及裂縫等3類。

3.1 泥頁巖全巖礦物組成及脆性

高脆性礦物含量的泥頁巖不僅有利于原生裂縫的形成,在后期水力壓裂開發過程中越有利于形成復雜的裂縫網絡。川東地區龍潭組泥頁巖樣品全巖礦物鑒定結果顯示:其主要包括石英、碳酸鹽巖、黏土礦物及極少部分自生黃鐵礦(表2),同時不同地區及深度段礦組組成具有明顯差異,開江—云陽地區的頁巖樣品石英礦物含量最高可達90%以上,華鎣山及其他地區頁巖樣品石英含量在10.2%～34.6%,平均含量為21.4%,長石、白云石等碳酸鹽巖礦物含量在10%以下,黏土礦物含量在53%～80%,平均含量為62%,針對龍潭組泥頁巖礦物組成的復雜性,將石英、長石、碳酸鹽巖等作為脆性礦物進行泥頁巖脆性計算,結果顯示,龍潭組泥頁巖總脆性指數在48%以上,表明龍潭組泥頁巖具有良好的脆性。

表2 川東地區龍潭組泥頁巖礦物組分Table 2 Shale mineral components of Longtan Formation in eastern Sichuan

3.2 泥頁巖孔隙空間類型

掃描電鏡結果顯示,川東地區龍潭組泥頁巖孔隙類型包括無機孔、有機孔及微裂縫等3類,由于龍潭組有機質類型為高等植物提供的Ⅲ型干酪根,主要為鏡質組組成,在有機質熱演化成熟過程中,鏡質組不利于有機質生烴孔隙的形成。因此,川東地區龍潭組泥頁巖中有機質生烴孔不發育,僅存在生烴增壓作用形成的微裂縫及殘余生物結構孔。龍潭組泥頁巖無機孔主要包括礦物邊緣縫、黏土礦物孔隙及溶蝕孔,龍潭組黏土礦物組成主要為伊蒙混層,黏土礦物顆粒相互堆積,發育棉絮狀的微觀孔隙,有機質熱解大量生烴過程中,泥頁巖內部壓力快速增加,強大的壓力及生烴收縮作用使得龍潭組泥頁巖有機質中發育大量的微裂縫。泥頁巖微觀孔隙孔徑大小在5～55 nm,孔徑主要分布區間在25～35 nm。

3.3 泥頁巖孔滲性特征

泥頁巖孔隙度測試結果顯示,泥頁巖孔隙度跨度較大,整體介于0.83%～14.4%,平均孔隙度僅為4.87%,其中華鎣山地區泥頁巖樣品孔隙度為0.83%～7.44%,平均孔隙度為3.24%。同時,利用低溫氣體吸附實驗結果顯示,川東地區龍潭組泥頁巖孔體積分布于0.024～0.081 cm3/g,平均孔體積為0.043 cm3/g,樣品測試結果顯示微孔孔體積占總孔體積的0.345%～2.326%,中孔孔體積占總孔體積的44.44%～68.42%,大孔孔體積占總孔體積的17.78%～31.08%。頁巖比表面積介于16.39～43.16 m2/g,微孔比表面積介于0.77～6.3 m2/g,占總比表面積的4.69%～14.08%,中孔比表面積介于9.73%～38.42%,占總比表面積的79.68%～88.74%,大孔比表面積介于0.72～1.58 m2/g,占總比表面積的3.41%～9.63%。

龍潭組泥頁巖滲透率介于0.002～1 mD,超過90%的樣品滲透率在0.1 mD以下,僅少量樣品滲透率達到1 mD,平均滲透率為0.012 mD。結合掃描電鏡結果顯示,滲透率較高的泥頁巖樣品中微裂縫較為發育,表明微裂縫的存在有效改善泥頁巖滲透性。

4 有利區帶優選

受川東地區褶皺變形特征的影響,龍潭組分布的主體部分處于較為寬緩的向斜區域內,同時,川東地區二疊系地層地層壓力系數普遍在1.6以上,使得龍潭組及上覆地層中普遍形成超壓狀態,可以有效阻止氣體的逸散。因此,選取泥頁巖厚度、有機質豐度、生烴強度及熱演化程度作為勘探有利區評價優選指標。

采用多指標疊合的方法進行目標區的選取,通過對不同指標疊合結果,沿開江—云陽一帶及重慶—華鎣山一帶有機質豐度普遍在2.0%以上,富有機質泥頁巖厚度在30 m以上,熱演化程度達到過高-過成熟階段,生烴強度在30×108m3/km2以上,烴源條件優越,而川東地區地處華鎣山斷裂帶與齊岳山斷裂帶之間,除少數背斜處具有大型斷裂外,多數向斜區域內的構造變形較弱,對龍潭組泥頁巖的破壞較小,保存條件優越。因此,川東開江—云陽一帶及重慶—華鎣山一帶龍潭組具有優越的勘探潛力。

5 結論

(1)川東地區龍潭組泥頁巖具有平均厚度大,分布范圍廣，平均厚度在50 m以上,有機質干酪根類型為Ⅲ型干酪根,有機質豐度高,有機質熱演化程度適中,生烴強度大,有利于烴類氣體的大量生成。

(2)龍潭組泥頁巖儲集空間為無機質孔和微裂縫,有機質孔隙少量發育,泥頁巖平均孔隙度為4.87%,中孔提供主要的孔體積及比表面積,儲層滲透率介于0.001～1 mD,平均滲透率為0.012 mD,微裂縫的存在有效改善儲層滲透率。

(3)綜合龍潭組泥頁巖分布、有機質含量、熱演化程度、儲集條件等考慮,認為川東北部地區的開江—云陽一帶及重慶—華鎣山地區為龍潭組泥頁巖勘探開發的有利地區。