長寧地區頁巖氣地質特征與勘探開發前景

王 鵬，謝 丹，羅乃菲

（1.宜賓學院質量管理與檢驗檢測學部，四川宜賓644007；2.中石化西南油氣分公司勘探開發研究院，四川成都610041；3.四川省煤田地質局一四一隊，四川德陽618000）

勘探與開發證實四川盆地及周緣是目前中國頁巖氣最豐富的地區，是當前中國頁巖氣勘探開發最有利的地區，同時也是目前中國頁巖氣勘探開發最成功的地區[1-4].尤其又以川南長寧-威遠、川東南涪陵地區頁巖氣勘探開發最成功，目前已建立長寧-威遠國家級頁巖氣示范區、涪陵國家級頁巖氣示范區.川南地區已建成中國最大頁巖氣生產基地[5]，日產量達2 011萬m3，約占全國天然氣日產量的4.2%.

研究區長寧地區作為長寧-威遠國家級頁巖氣示范區的半壁江山，是我國頁巖氣勘探開發最早的地區，中國第一口頁巖氣井地質評價井——長芯1井就在長寧構造.經過十余年的研究及勘探開發，長寧地區已在龍馬溪組獲得了較好的測試效果與頁巖氣產能.目前對龍馬溪組的頁巖氣研究較為充分、對其前景比較認可，但是對長寧地區其他多套頁巖的研究相對較少、對這些頁巖的勘探開發前景仍存在較多爭議[6-9].所以，本文擬通過野外剖面觀察與系統分析測試，對研究區發育的多套頁巖成藏地質條件進行研究，進一步明確研究區頁巖氣的有利層系及勘探開發前景.

1 地質背景

長寧地區位于四川盆地南緣，橫跨宜賓、瀘州兩地市，涉及長寧、筠連、高縣、珙縣、興文、敘永等縣，東西長90 km 左右，南北寬40 km 左右，高點位于長寧縣雙河場[10].

構造位置位于四川盆地川南褶皺帶與滇黔北坳陷的婁山斷褶帶的交界部位，且婁山斷褶帶在此由北東向轉為近東西延伸，東受四川菱形盆地北東向邊界往西南延伸的影響，西受華鎣山斷裂帶演化控制，南受婁山褶皺帶演化控制，北受川南低褶帶構造演化影響，具有不同方向上的多期構造變形疊加特征[11].長寧地區的主要構造有長寧背斜、建武向斜、羅場向斜（圖1）.

長寧背斜向西北穿過珙縣至高縣地區，向東南達敘永地區，背斜東南部較寬，西北部較窄.背斜軸跡呈北西-南東走向，西北端向西南發生彎曲[12].長寧背斜頂部出露寒武系、奧陶系、志留系，兩翼出露地層較新，主要為二疊系、三疊系、侏羅系.長寧背斜核部地區發育一系列逆沖斷層，斷層常切穿寒武系，背斜內次級褶皺較為發育.羅場向斜、建武向斜是由侏羅系組成的寬緩式東西向褶皺，隆升剝蝕幅度小，地層變形相對較弱，地表多為侏羅系覆蓋.研究區除長寧背斜出露較老地層外，其他地區主要出露三疊系、侏羅系地層.

2 地層及頁巖分布特征

通過資料收集與野外調研，進一步明確了研究區地層發育及巖性.研究區發育元古界震旦系、下古生界（寒武系、奧陶系、志留系）、中生界（三疊系、侏羅系、白堊系）和上古世界上部（二疊系）地層，缺失部分上古世界（泥盆系、石炭系）與新生界地層，第四系零星分布.在長寧背斜核部出露寒武系、志留系，兩翼為二疊系～三疊系，出露最老地層為下寒武統龍王廟組，頂部多出露二疊系.

2.1 地層發育特征

（1）震旦系以碳酸鹽為主，不發育富有機質頁巖.

（2）寒武系自下而上發育筇竹寺組、滄浪鋪組、龍王廟組、陡坡寺組、洗象池群.除筇竹寺組外，其他地層巖性以碳酸鹽巖為主.筇竹寺組以陸源碎屑巖為主，夾少量碳酸鹽巖，發育黑色頁巖、砂質頁巖、粉砂巖、細砂巖、石灰巖、泥灰巖等.

（3）奧陶系自下而上發育桐梓組、紅花園組、湄潭組、十字鋪組、寶塔組、五峰組.桐梓組、紅花園組、十字鋪組、寶塔組以碳酸鹽巖為主，湄潭組以泥巖、粉砂質泥巖和泥質粉砂巖為主，五峰組發育黑色頁巖（圖2）、碳質頁巖、硅質頁巖、粉砂質頁巖，長寧地區五峰組黑色頁巖普遍發育筆石.

圖2 五峰組黑色頁巖露頭照片（興文僰王山）

（4）志留系自下而上發育龍馬溪組、石牛欄組、韓家店組.石牛欄組主要發育生物灰巖，韓家店組主要發育灰巖、泥巖、砂巖.龍馬溪組巖性主要為灰黑-黑色碳質泥頁巖（圖3）、粉砂質泥頁巖.

（5）二疊系自下而上發育梁山組、棲霞組、茅口組、龍潭組、長興組.棲霞組、茅口組、長興組主要為碳酸鹽巖，梁山組為灰綠色鋁土質泥巖夾黑色頁巖、泥質細砂巖，龍潭組為深灰色、灰黑色頁巖、巖屑砂巖夾煤層（圖4）.

（6）三疊系自下而上發育飛仙關組、嘉陵江組、雷口坡組、須家河組.飛仙關組主要發育泥質灰巖石灰巖、鮞粒灰巖，嘉陵江組以碳酸鹽巖為主，雷口坡坡組以碳酸鹽巖、硫酸鹽巖為主，須家河組發育泥頁巖與砂巖.

圖3 龍馬溪組黑色頁巖露頭照片（興文僰王山）

圖4 龍潭組頁巖露頭照片（長寧龍頭）

（7）侏羅系及以上層系以砂巖、泥巖為主，相對不發育頁巖，且研究區大量出露三疊系及以上地層，顯然難以滿足頁巖氣的成藏條件.

2.2 頁巖分布特征

對研究區地層及巖性分析發現，頁巖主要分布在寒武系筇竹寺組、奧陶系五峰組、志留系龍馬溪組、二疊系梁山組與龍潭組、三疊系須家河組等6 套地層.但野外剖面調研及已有資料分析揭示，梁山組整體厚度較薄，厚度在5 m～15 m.根據中國頁巖氣有利區/層段確定條件與標準[1,13]，有效頁巖連續厚度應不小于30 m，顯然梁山組泥頁巖厚度難以達到該標準.同時，研究區內大量區域已出露三疊系及更老地層，須家河組埋深普遍不足500 m[8].埋藏過淺會使得頁巖氣保存條件、含氣量偏低，如北美頁巖氣開發的主體深度大于2 000 m，我國當前頁巖氣勘探開發深度也普遍大于1 000 m.所以，從長寧地區須家河組頁巖埋深及保存條件來看，其頁巖氣勘探潛力較小.五峰組厚度雖然也較小（普遍小于10 m），但是其與上覆龍馬溪組黑色頁巖整合接觸，所以通常將五峰組-龍馬溪組一并考慮研究.本文主要對筇竹寺組、五峰組-龍馬溪組、龍潭組頁巖頁巖氣地質條件與資源前景進行對比與分析.

川南地區筇竹寺組、五峰組-龍馬溪組、龍潭組頁巖分布特征表明，筇竹寺組地層厚度最大，分布最全，其次為五峰組-龍馬溪組，龍潭組最低，五峰組-龍馬溪組、龍潭組在剝蝕區都有缺失.長寧地區筇竹寺組頁巖較為發育，厚度在200 m～250 m 左右，厚度由北至南遞減（圖5）.五峰組-龍馬溪組厚度略低于筇竹寺組，厚度在120 m～250 m 左右，由北西向南東遞減（圖6）.龍潭組頁巖厚度相對較低，厚度在10 m～40 m之間，北部明顯高于南部（圖7）.

圖5 川南地區筇竹寺組頁巖厚度等值線

3 頁巖生烴潛力

3.1 有機質豐度

有機質是頁巖氣形成的物質基礎，有機質的豐度直接決定了頁巖的生氣總量，同時有機質豐度還對頁巖氣的含氣量、儲集能力及后期開采都有著重要影響[1].

對長寧地區筇竹寺組部分鉆井與剖面樣品TOC 值的統計結果表明，頁巖TOC 值為1.05%～7.5%（圖8），平均值為3.08%，有機質豐度高.從縱向看，上段TOC 含量較低，小于2%，根據熱成因型頁巖氣關鍵地質參數中有機質評價標準（差：TOC＜1%；一般：TOC 為[1%, 2%]；好：TOC＞2%）[1]，上段有機質含量一般，下段TOC 含量普遍大于2%，有機質豐度達到了好的標準.

五峰組、龍馬溪組一段（上段）、龍馬溪組二段（下段）TOC 含量分布特征顯示（圖9），龍馬溪組與筇竹寺組類似，都表現出下段有機質含量明顯高于上段，龍馬溪組上段TOC 小于1%，有機質含量評價為差，龍馬溪組下段TOC 含量普遍大于2，有機質豐度高，五峰組TOC含量大于3，有機質豐度高.

長寧地區龍潭組TOC 含量為1.15%～6.22%（圖10），平均值為3.61%，除個別樣品TOC 含量小于2外，有機質含量一般，大多數樣品TOC 含量大于2，整體上龍潭組有機質豐度較高，達到了好的標準.

圖6 川南地區五峰組-龍馬溪組頁巖厚度等值線

圖7 川南地區龍潭組頁巖厚度等值線

圖8 長寧地區筇竹寺組TOC含量特征

圖9 長寧地區五峰組-龍馬溪組TOC含量特征

圖10 長寧地區龍潭組頁巖TOC含量特征

3.2 有機質成熟度

熱成因型頁巖氣關鍵地質參數標準中，對于有機質成熟度的評價為：差，Ro 小于1.1 或大于5.5；好，Ro 為1.6%～4.0%；其他為一般.筇竹寺組有機質成熟度較高，主體分布在3.5%～4.5%之間，部分井更高，例如寧206井筇竹寺組Ro值高達4.86%.大量研究證實，過高的成熟度會導致有機質的石墨化，從而影響頁巖的孔隙性與含氣性[14].所以長寧地區筇竹寺組過高的成熟度，可能對其儲集性能造成一定的破壞.

五峰組-龍馬溪組Ro 值主體分布在2%～3%之間，龍潭組Ro值主體分布在2%～2.8%之間，二者有機質成熟度較為接近，都處于過成熟階段，是有機質大量生產干氣階段，頁巖還具有較強的生氣能力.

3.3 有機質類型

長寧地區筇竹寺組干酪根碳同位素δ13C 值為-34.2‰～-29.8‰、五峰組-龍馬溪組為-31.89‰～-29.11‰，通常I 型干酪根δ13C 值小于-29‰，所以研究區筇竹寺組、五峰組-龍馬溪組有機質類型均以I型為主.龍潭組有明顯高于筇竹寺組與五峰組-龍馬溪組的δ13C 值，δ13C 值在-23.77‰～-22.95‰之間，有機質類型為III型為主.通常I型有機質有強的生烴強度與氣體吸附能力[15]，所以從有機質類型評價，筇竹寺組、五峰組-龍馬溪組優于龍潭組.

3.4 生烴強度

根據研究區烴源巖的厚度、頁巖密度、有機碳含量、有機質氣態烴產率等參數估算了研究區頁巖生氣強度，結果表明：筇竹寺組頁巖生氣強度為（60～140）×108m3/km2，五峰組-龍馬溪組頁巖生氣強度為（40～90）×108m3/km2，龍潭組頁巖生氣強度為（5～15）×108m3/km2.顯然，筇竹寺組、五峰組-龍馬溪組頁巖生氣強度明顯大于龍潭組.通常烴源巖生氣強度小于10×108m3/km2，認為烴源巖生氣強度較差.所以，研究區筇竹寺組、五峰組-龍馬溪組頁巖生氣強度較高，龍潭組生氣能力強度較差.

4 頁巖儲層特征

4.1 礦物組成特征

由于頁巖氣儲層比較致密，滲透率非常低，通常需要加砂壓裂產生裂縫網絡來提高頁巖氣體的滲流能力，以形成工業產能.而頁巖儲層壓裂效果主要取決于儲層的脆性，脆性越大越容易被壓裂.所以，頁巖中脆性礦物含量越高，儲層的脆性越大，脆性礦物在外部應力作用下易于產生裂縫，成為天然氣重要的滲流通道[1]，所以脆性礦物的含量是評價頁巖氣儲層的重要指標之一.頁巖儲層的脆性礦物主要包括石英、長石、碳酸鹽巖、黃鐵礦等礦物.頁巖中通常還存在大量黏土礦物，在富含地層水情況下，黏土礦物會吸附一定地層水導致吸附氣減少，同時部分黏土礦物遇水會發生膨脹，不利于后期儲層壓裂改造[16-17].所以頁巖氣評價中對脆性礦物與黏土礦物含量有明確要求，在中國陸上頁巖氣有利層段/區確定條件與下限標準中，明確要求海相頁巖氣脆性礦物含量需大于40%、黏土礦物含量需小于30%，過渡相煤系頁巖氣脆性礦物含量需大于40%、黏土礦物含量需小于40%.

對研究區筇竹寺組、五峰組-龍馬溪組、龍潭組的頁巖礦物含量特征進行統計分析發現（圖11），筇竹寺組脆性礦物含量55.20%～78.60%，平均值為68.37%.五峰組-龍馬溪組脆性礦物含量36.40%～95.00%，平均值為70.36%.二者都具有較高的脆性礦物含量，有利于后期壓裂改造及提高頁巖氣資源采出程度.龍潭組脆性礦物含量7.70%～79.70%，平均值為39.66%，黏土礦物評價含量達60.34%，礦物含量不滿足中國陸上頁巖氣有利層段/區確定條件，后期壓裂改造與頁巖氣采出難度大.

圖11 川南地區頁巖礦物組成三角圖（部分數據引自文獻[18]）

4.2 孔隙度

中國陸上頁巖氣有利層段/區確定條件與下限標準中，明確要求頁巖孔隙度應大于2%[13].長寧地區筇竹寺組孔隙度較低，平均值低于2%或在2%左右[11,19]（圖12）.研究區中五峰組-龍馬溪組孔隙度在2.9%～6.88%之間，平均值為5.26%，孔隙度明顯高于筇竹寺組，對頁巖氣的儲集有利.龍潭組孔隙度為3.14%～9.95%，均值為6.27%，孔隙度高、儲集條件優.

圖12 長寧地區五峰組-龍馬溪組頁巖TOC-孔隙度關系圖

5 綜合評價

根據上文對長寧地區筇竹寺組、五峰組-龍馬溪組、龍潭組的頁巖發育特征、頁巖生烴潛力及頁巖儲層特征分析，可綜合評價研究區頁巖氣勘探開發前景.

五峰組-龍馬溪組頁巖厚度大（120 m～250 m）、有機質豐度高（龍馬溪組下段與五峰組TOC 含量大于2%），有機質類型好（I 型），有機質成熟度適中（Ro 值主體為2%～3%），有機質生烴強度大(( 40 ～90 )× 108m3/km2)，儲層脆性礦物含量高（平均值70.36%），孔隙度高（平均值6.27%）.說明研究區五峰組-龍馬溪組頁巖氣資源潛力大、頁巖儲集能力較好、頁巖后期壓裂改造條件有利，是研究區最有利的勘探層系.

筇竹寺組頁巖厚度較大（200 m～250 m）、有機質豐度高（下段TOC 含量普遍大于2%），有機質類型好（I型），有機質成熟度較高（Ro值主體為3.5%～4.5%），有機質生烴強度大(( 60～140 )×108m3/km2)，儲層脆性礦物含量高（平均值為68.37%），孔隙度低（平均值小于2%或在2%左右）.即筇竹寺組具有較大的頁巖氣資源潛力與較好的后期壓裂改造條件，但儲集性能相對較差.

龍潭組頁巖厚度較低（10 m～40 m）、頁巖生烴強 度 低( ( 5 ～15 )×108m3/km2)，黏 土 礦 物 含 量 高（60.34%），頁巖資源潛力小、后期頁巖氣開發與采出難度大，礦物含量未達到中國陸上頁巖氣有利層段/區確定條件.所以研究區龍潭組勘探開發價值較小.

6 結論

（1）長寧地區發育了6 套頁巖，分別為寒武系筇竹寺組、奧陶系五峰組、志留系龍馬溪組、二疊系梁山組與龍潭組、三疊系須家河組.梁山組頁巖厚度太薄、須家河組頁巖埋深過淺，2 套頁巖勘探開發價值都非常小.

（2）五峰組-龍馬溪組頁巖生烴潛力、儲集條件、后期壓裂性能都非常好，是研究區最有利的勘探層系.

（3）筇竹寺組頁巖生烴潛力大、后期壓裂性改造條件好，但儲集能力一般，這必然影響筇竹寺組頁巖的儲集能力及頁巖氣資源量.

（4）龍潭組組頁巖氣生烴能力小、后期改造性能差，礦物含量未達到到中國陸上頁巖氣有利層段/區確定條件，勘探開發價值小，不應該作為研究區有利層段開發.