四川盆地南部深層海相頁巖氣地質特征及資源前景

張素榮 董大忠 廖群山 孫莎莎 黃生松管全中 張晨晨 郭 雯 蔣 珊 史鵬宇

1.中國石油勘探開發研究院 2.中國石油天然氣集團有限公司非常規油氣重點實驗室 3.國家能源頁巖氣研發（實驗）中心

4.中國石油天然氣集團有限公司咨詢中心 5.中國石油集團長城鉆探工程有限公司 6.成都理工大學

7.中鐵第六勘察設計院集團有限公司 8.中國石化集團經濟技術研究院有限公司 9.中國石油大學（北京）

0 引言

四川盆地南部（以下簡稱川南地區）上奧陶統五峰組—下志留統龍馬溪組是我國唯一一套實現了頁巖氣商業開發的經濟性頁巖氣層系。川南地區中淺層頁巖氣已實現勘探開發突破，并建成了長寧、威遠、昭通等頁巖氣商業開發區，頁巖氣勘探開發工作正向川南地區中部瀘州、渝西等深層（埋深大于3 500 m）頁巖氣區推進[1-2]。目前，瀘州、渝西地區共有探井超過50口，其中，深層頁巖氣井L203井和H202井分別獲得137.9×104m3/d和22.37×104m3/d的高產工業氣流，顯示出深層頁巖氣巨大的資源潛力。

前人曾對川南地區深層頁巖氣的富集高產主控因素[3-5]、儲層特征與評價[6-10]、勘探開發前景[11]等方面進行過研究。初步勘探成果顯示，川南地區五峰組—龍馬溪組深層頁巖分布廣泛、有效厚度大，瀘州、渝西地區的探井均揭示具有較高的頁巖氣產能，具有進一步勘探的價值[12-13]。但從目前的研究程度來看，川南地區深層頁巖氣地質特征研究存在著較強的區域性，尚缺乏全面的認識，需要進一步深化和細化。同時，盡管該區頁巖氣資源潛力巨大，但資源量估算還很籠統，未能準確計算出頁巖氣資源量及明確勘探有利區。針對上述問題，筆者基于川南地區地質、鉆井及分析測試數據等資料，分析了該區五峰組—龍馬溪組深層頁巖沉積環境、有機地球化學、儲層物性、脆性礦物含量、含氣性等地質特征的差異，深入剖析了深層頁巖氣資源富集程度，優選細化評價參數，應用多種方法綜合計算深層頁巖氣資源量，明確了深層頁巖氣資源潛力和頁巖氣勘探開發有利區，以期為該區深層海相頁巖氣資源評價、勘探選區和立體開發提供參考。

1 研究區地質概況

川南地區主要指四川盆地南部及其周緣地區，總面積約4.6×104km2（圖1）。研究區位于川南低陡構造帶，發育雁行排列的梳狀構造，構造穩定[15]。四川盆地在晚奧陶世—早志留世沉積了五峰組—龍馬溪組海相頁巖。龍馬溪組自下而上劃分為龍一段和龍二段，其中龍一段又分為龍一1和龍一2兩個亞段，根據巖性變化規律，龍一1亞段自下而上又細為4個層（龍一11—龍一14）（圖1）。龍一1亞段總體為深水陸棚亞相，龍一11層—龍一13層主要發育富有機質硅質泥棚、粉砂質泥棚微相，巖性主要為富有機質碳質或硅質頁巖，龍一14層主要發育深水粉砂質泥棚微相，巖性主要為凝灰質頁巖和粉砂質頁巖等。川南地區五峰組—龍馬溪組深層頁巖分布廣泛，3 500 m以深頁巖分布在川南大部分地區，分布面積大，面積約為38 417 km2，占川南地區頁巖面積的83.0%，其中埋深3 500～4 500 m頁巖面積分布最大，為24 395 km2，為深層頁巖面積的63.5%，五峰組—龍一1亞段是筆者的主要研究對象（圖1）。

2 深層頁巖氣地質特征

2.1 沉積環境與有效厚度特征

五峰期—龍馬溪期，受廣西運動影響，華夏地塊與揚子地塊碰撞拼合作用減緩，四川盆地及鄰區形成了“三隆夾一坳”的古地理沉積格局，使得盆地及其周緣沉積環境為古隆起帶半包圍的水體相對安靜的陸棚環境，沉積了一套全盆地分布廣、沉積厚度大的低能、高沉積速率、古生物保存較完整的海相頁巖地層。龍馬溪組沉積早期（龍一1亞段沉積時期），川南地區處于低能、缺氧和欠補償的深水陸棚沉積環境，沉積中心位于瀘州地區，并發育了黑色碳質或硅質頁巖、黑色頁巖、灰黑色頁巖、黑色粉砂質頁巖，為頁巖氣儲層發育的有利相帶[16]。

深層頁巖遠離古陸，頁巖沉積較厚，五峰組—龍一1亞段頁巖厚度介于32～81 m，平均值為61 m。垂向上，五峰組—龍一13層厚度較薄，介于0～16 m，平均值為6 m，其中龍一11層頁巖厚度最小，介于1～6 m，平均值為3 m，龍一14層頁巖厚度最大，介于7～65 m，平均值為37 m。平面上，頁巖厚度分布上與頁巖埋深具有較好的一致性，即在南部盆地邊部和北部地層尖滅線附近，頁巖厚度較薄，普遍小于50 m，中部厚度較大，普遍大于60 m（圖2）。五峰組頁巖厚度介于0.5～11.0 m，在瀘縣—長寧地區、永川—重慶地區厚度最大，普遍大于6 m，向北部、南部減小；龍一1—龍一311層均表現為中部瀘縣地區為厚度最小地區，向北部威遠、東部重慶和南部長寧地區厚度增大；龍一41層頁巖在瀘州地區最厚，可達60 m，沿北西—南東向，向北東、南西方向減薄，與深層頁巖總厚度展布特征趨勢相似。

2.2 有機地球化學特征

2.2.1 總有機碳含量

川南地區五峰組—龍一1亞段深層頁巖總有機碳含量（TOC）較高，介于2.5%～4.0%，平均值為3.0%。平面分布上，川南地區中部富順—瀘州—赤水地區，TOC＜2.6%，為TOC低值區；向北東—南西方向TOC逐漸增大，東部永川—重慶地區和西南部長寧—綏江地區的TOC介于2.8%～4.0%，為深層頁巖TOC高值區（圖3）。縱向上，五峰組—龍一14各層頁巖TOC具有差異性，龍一1層TOC最高，龍一411層TOC最低。五峰組頁巖TOC介于2.4%～4.3%，平均值為3.1%，NX202井—W204井為低值區，TOC＜2.8%，向北、向南增大，重慶地區為高值區，TOC普遍大于3.8%；龍一11層TOC介于3.8%～7.0%，平均值為5.4%，威遠南部TOC＜4.0%，威遠東部、瀘縣和永川—重慶以南TOC＞6.0%；龍一2、

1龍一13層TOC相近，均介于2.0%～5.5%，分布趨勢亦具有一致性，L203井為高值區，TOC普遍大于3.5%，永川、威遠—瀘縣地區為低值區，TOC＜2.6%。龍一14層TOC介于2.2%～3.0%，平均值為2.5%，只在瀘縣、永川—重慶TOC普遍大于2.6%。測井TOC與巖心TOC具有較好的一致性，介于0～6%，自上而下（龍一14層—龍一11層—五峰組），TOC呈現先增大后減小的趨勢（圖1）。

2.2.2 有機質類型

不同類型的干酪根在相同熱演化程度下，有機質的轉化率有所不同。根據干酪根顯微組分（腐泥組、殼質組、鏡質組和惰質組）不同，可以將有機類型劃分為腐泥型（類型指數TI≥80）、偏腐泥混合型（TI介于40～80）、偏腐殖混合型（TI介于0～40）和腐殖型（TI＜0）[17]。川南地區五峰組—龍馬溪組頁巖為早古生代沉積地層，缺乏高等植物，干酪根主要來源于低等水生生物，有機質組分中腐泥組含量大于90%，從Y101井干酪根顯微組分數據表可以看出，干酪根類型為典型的腐泥型（表1）。

表1 Y101井干酪根顯微組分數據表

2.2.3 有機質成熟度

有機質成熟度是評價有機質熱演化程度的一項指標，鏡質體反射率（Ro）為最常用和最可靠的參數。五峰組—龍馬溪組頁巖沉積時期，缺乏植物來源的鏡質體組分，可利用殘余的瀝青反射率求取Ro[18]。川南地區五峰組—龍馬溪組深層頁巖Ro介于2.0%～3.5%，處于高—過成熟生干氣階段。

2.3 儲層物性及巖石脆性特征

2.3.1 儲層物性特征

頁巖的儲集空間類型包括有機孔、無機孔（粒間孔和粒內孔）及各種微裂縫。川南地區深層頁巖中有機孔發育，孔徑大，以介孔和宏孔為主，大部分介于50～300 nm，孔隙呈橢圓狀和不規則狀，孔隙連通性較好（圖4-a）。相比有機質孔，碳酸鹽礦物溶蝕孔等無機孔更為發育，礦物鑲嵌疏松，粒間孔極其發育，孔徑可達微米級（圖4-b）。深層頁巖天然裂縫較發育，以微裂縫為主，裂縫縫長可達幾十微米至幾百微米，縫寬較寬，從幾微米到十幾微米，裂縫多被有機質充填（圖4-c）。由于較高的地層壓力系數，深層頁巖有機孔和無機孔均得以有效保存，孔隙受成巖作用影響小，孔隙度與淺層相當，微裂縫更為發育，使其具有更好的物性特征。測井和巖心實測顯示，深層頁巖孔隙度介于2.3%～8.1%，平均值為5.2%，滲透率介于0.01～0.20 mD，平均值為0.06 mD，表明深層頁巖儲層物性較好。

2.3.2 巖石脆性特征

深層頁巖巖性以黑色碳質或硅質頁巖、粉砂質頁巖為主。X射線衍射測試分析結果顯示，川南地區深層頁巖的主要礦物為石英和黏土礦物，含有少量長石、方解石、白云石和黃鐵礦等，石英含量介于20%～88%，平均值為46%，主要介于33%～56%，黏土礦物含量變化較大，介于6%～61%，平均值為32%。以石英、長石和黃鐵礦礦物作為脆性礦物，其脆性礦物含量主要介于51%～74%，平均值為63%，具有較好的可壓裂性，有利于儲層改造。

五峰組—龍一1亞段深層頁巖脆性礦物含量具有自上而下逐漸增大又減小的趨勢。L201井與L204井龍一14層長英質礦物含量介于40%～75%，而龍一11—龍一13層長英質礦物含量介于63%～85%，明顯較龍一14層脆性礦物含量高，至五峰組，脆性礦物含量具有減小的趨勢，L201井與L204井的長英質礦物含量介于40%～65%。

2.4 含氣性特征

前人研究結果表明，頁巖氣隨地溫升高，在某一特定壓力之后儲層吸附能力降低，在含氣量增加的同時，游離氣占比增大[6]。川南地區五峰組—龍一1亞段深層頁巖埋深較大，具有較高的地層溫度和地層壓力，壓力系數普遍大于2。高溫高壓條件不僅使深層頁巖具有較好的保存條件，還可以使得深層頁巖儲層總含氣量增大，游離氣量增高。

對川南地區42口頁巖氣評價井的游離氣量、吸附氣量和總含氣量的數據統計發現（圖5），川南地區五峰組—龍一1亞段深層頁巖氣游離氣量平均值為3.0 m3/t，游離氣占總含氣量的60%；淺層頁巖氣游離氣量平均值為2.7 m3/t，游離氣占總含氣量的54%。埋深小于3 000 m的12口井總體含氣量為4.5 m3/t，游離氣占比平均值為49%；埋深3 000～3 500 m的7口井頁巖含氣量為5.3 m3/t，游離氣占比64%，與3 000 m以淺相比有顯著增大；埋深3 500～4 000 m的16口井頁巖含氣量為5.0 m3/t，游離氣占比61%；埋深4 000～4 500 m的7口井頁巖含氣量為4.8 m3/t，游離氣占比57%，含氣量有所降低，但游離氣占比依然很高。頁巖總含氣量和游離氣占比從3 200 m開始顯著增大，且吸附氣含量幾乎保持穩定，頁巖總含氣量的高低由游離氣含量決定，故深層頁巖具有含氣量和游離氣量“雙高”的優勢。

3 深層頁巖氣資源量

3.1 評價單元劃分

頁巖氣儲層具有較強的非均質性，導致其地質參數在縱向和橫向上分布差異大。為了減小頁巖地質特征的非均質性對資源量計算結果影響，對評價區進行縱向評價單元劃分和橫向評價分區[19]。縱向評價單元劃分以“含氣泥頁巖系統”為基礎，含氣層段連續厚度大于30 m，以富含有機質的泥頁巖為主，內部可以有砂巖、碳酸鹽巖夾層（厚度小于1 m），泥頁巖TOC＞0.5%，Ro＞0.5%[20]。川南地區五峰組—龍一1亞段深層頁巖厚度介于32～81 m，平均值為61 m，五峰組頁巖與龍馬溪組頁巖之間有厚度小于1 m的觀音橋段石灰巖，龍一1亞段頁巖地層連續，TOC平均值為3.1%，Ro介于2.0%～3.0%，縱向上可將五峰組—龍一1亞段深層頁巖歸為一個評價單元。

川南地區頁巖地質特征復雜，考慮將評價區按儲層參數好壞進行分區，盡可能減少頁巖氣儲層非均質性的影響，更精確的估算頁巖氣資源量。影響頁巖氣儲層好壞及氣體富集程度的關鍵參數包括有效頁巖厚度、TOC、脆性礦物含量、有效孔隙度、含氣量等，將各參數分布圖進行疊加，可將川南地區分為Ⅰ類區、Ⅱ類區和Ⅲ類區（表2），儲層綜合參數為Ⅰ類區＞Ⅱ類區＞Ⅲ類區[21-23]。

表2 川南地區五峰組—龍一1亞段深層頁巖氣分級儲層參數標準表

3.2 資源量計算

頁巖氣資源量的計算方法可歸納為類比法、統計法和成因法3大類方法[24-25]，國外常用FORSPAN法[26]、遞減曲線法[27-28]，我國較常用統計法中的體積法/概率體積法、類比法[29]。川南地區五峰組—龍馬溪組深層頁巖已進入區域性開發階段，根據已掌握的地質、鉆井及生產動態資料，利用單井最終可采儲量（EUR）類比法、資源豐度類比法和小面元法計算川南地區深層頁巖氣資源量[30]，所需的關鍵參數包括頁巖的含氣面積、有效厚度、密度、含氣量、單井EUR值、資源豐度刻度區、地質參數類比標準、相似系數等。

3.2.1 關鍵參數選取

3.2.1.1 含氣頁巖面積

根據《頁巖氣資源/儲量計算與評價技術規范》，頁巖氣資源量的起算標準為含氣量大于1.0 m3/t，TOC大于1.0%[31]。研究區頁巖含氣量高，介于3.6～7.5 m3/t，平均值為5.0 m3/t；頁巖TOC介于2.7%～7.0%，平均值為3.1%。根據已有標準，川南地區有效頁巖面積與深層頁巖分布面積重合，深層有效頁巖面積約為38 417 km2。

3.2.1.2 有效頁巖厚度

通過露頭剖面實測、鉆井資料等方法獲得評價區參數井有效頁巖厚度，并繪制有效頁巖厚度等值線圖（圖2）。考慮到頁巖的非均質性，采用小面元法將評價單元細分為足夠多個小面元，最后采用最小曲率面插值法，保證插值嚴格尊重數據，確保計算有效頁巖厚度的準確性。根據最小曲率法得到川南地區深層海相頁巖有效頁巖厚度為56 m。

3.2.1.3 頁巖密度

川南地區五峰組—龍馬溪組海相頁巖礦物組分和結構特征相似，頁巖密度變化不大，大致相近，因此頁巖密度可通過測井和巖心測試數據的平均值求得，密度平均值為2.58 t/m3。

3.2.1.4 頁巖含氣量

頁巖總含氣量可以通過計算、統計、類比、實驗等多種方法獲得。根據川南地區已有評價井含氣量數據情況，利用面積加權平均法，計算出川南地區頁巖平均含氣量為4.55 m3/t。

3.2.1.5 單井EUR

單井EUR值反映了單口頁巖氣生產井最終可采頁巖氣量，根據生產遞減規律評估得到。估算未開發地區頁巖氣井單井EUR值，可通過分析類比區生產井單井EUR值獲得。有研究表明，EUR分布規律符合對數正態分布，在對數正態坐標軸下，EUR與其累計概率值大致呈一條直線分布，根據直線的分布特征可以更加簡單快捷地認識一個地區EUR的分布情況。利用P10/P90來表征數據的離散程度[32-33]，P10/P90值越大，表明該區EUR數據離散性越強，該區頁巖氣地質非均質性也越強。不同的樣本容量，對應不容的P10/P90，常見值介于3.0～8.0[32]。

根據川南地區EUR分布特征，繪制單井EUR對數正態分布累積概率曲線圖版，并將生產時間大于1年的W204井區90口井、瀘州與渝西地區9口井EUR值投至圖版中（圖6）。W204井區EUR累積概率曲線分布大致呈一條直線，其P10/P90值為4.7，在推薦鉆井數范圍內（推薦P10/P90值為5.0，鉆井數必須超過75口），可作為評價區EUR估算依據。瀘州與渝西地區深層頁巖氣井投產時間大于1年的生產井較少，雖然其P10/P90值為4，但是其鉆井較少（少于60口），不能作為評價區EUR估算依據。利用修正系數法，獲得川南地區深層頁巖氣井平均單井EUR為 0.70×108m3。

3.2.1.6 資源豐度刻度區

資源豐度類比法的前提是選擇與評價區地質特征相似的一個或多個刻度區，通過解剖選擇的刻度區，獲得資源豐度類比參數[34]。通過研究川南地區深層頁巖氣地質特征，將已有刻度區和開發成熟地區地質參數相比[35-36]，比較美國6套經濟頁巖氣層系和我國四川盆地龍馬溪組6個頁巖氣生產區地質參數，可以看出川南地區深層頁巖氣地質特征與美國Haynesville頁巖，我國四川盆地威遠、瀘州和威榮地區頁巖相似。故選取Haynesville、威遠、瀘州和威榮地區頁4個典型巖氣區作為類比刻度區。

3.2.1.7 頁巖氣地質參數類比標準

地質參數類比標準是評價區與刻度區類比的紐帶，利用類比標準分別為刻度區和評價區打分，建立它們之間定量關系，得出評價區與刻度區的相似程度，從而估算評價區資源量。頁巖的地質條件的好壞直接影響頁巖氣的資源富集，因此考慮選取頁巖氣的儲集條件、地球化學條件、含氣特征及保存條件作為類比項。結合前人經驗[21-23]以及川南地區頁巖氣地質特征、勘探開發經驗，筆者優化了川南地區頁巖氣儲層地質參數類比標準（表3）。

表3 川南地區五峰組—龍一1亞段頁巖氣儲層地質參數類比標準表

3.2.1.8 相似系數

相似系數為評價區評分結果與相對應刻度區評分結果的比值，即：

式中ai表示評價區與刻度區的相似程度，無量綱；Re表示評價區評價結果，無量綱；Rc表示評價區對應的刻度區的評價結果，無量綱。ai＜1表示評價區地質條件較刻度區差，相反則表示評價區地質條件優于刻度區。評價結果顯示，川南地區深層頁巖Ⅰ類區、Ⅱ類區和Ⅲ類區相似系數分別為1.18、1.00和0.89。

3.2.2 資源量計算結果

先利用EUR類比法、資源豐度類比法和小面元法分別計算川南地區深層頁巖氣資源量，最后再利用特爾菲法綜合計算，川南地區五峰組—龍一1亞段深層頁巖氣資源量為25.62×1012m3，根據川南地區生產實踐與經驗，核定頁巖氣的采收率為24%，則可采資源量為6.14×1012m3（表4）。

表4 川南地區五峰組—龍一1亞段深層頁巖氣地質資源量計算結果表

3種方法計算結果均有所不同。資源豐度類比法和小面元法計算結果相近，資源量接近30.00×1012m3，可采資源量約為6.70×1012m3；而EUR類比法計算結果則較小，計算結果是資源豐度類比法和小面元法的1/2。究其原因有二：①EUR類比法中所選刻度區單一，刻度井井數量較少，且刻度井單井EUR較小，實際瀘州、渝西等地區單井EUR值均大于1×108m3，但由于生產時間較短，不能作為刻度井；②EUR類比法計算時需要考慮工程等不確定因素，加密井網和立體井網可以大大增加頁巖氣資源量。

4 深層頁巖氣勘探方向

4.1 資源潛力

川南地區頁巖氣儲層評價分區的有利區主要分布于深層頁巖地區（圖7）。Ⅰ類區面積為11 174 km2，占深層頁巖總面積的29.1%，主要分布于自貢—富順—長寧、瀘縣、內江—永川—綦江等地區；Ⅱ類區面積為24 420 km2，占深層頁巖面積的63.6%，主要分布在西南部綏江以東長寧以西地區、瀘州地區及其以南地區、重慶以及合川西南地區；Ⅲ類區面積為2 823 km2，占深層頁巖面積7.3%，主要分布在合川地區和敘永地區。類比法計算結果顯示，Ⅰ類區頁巖具有最高的資源豐度，為7.85×108m3/km2，Ⅱ類區和Ⅲ類區的資源豐度分別為5.75×108m3/km2、4.34×108m3/km2，與儲層參數分區相吻合。小面元法分層計算結果顯示，五峰組—龍一14層頁巖資源豐度分別為0.79 m3/km2、0.54 m3/km2、0.95 m3/km2、1.24 m3/km2、3.55 m3/km2，五峰組—龍一13層資源豐度和與龍一14層資源豐度相當（表5），表明川南地區深層頁巖龍一14層與五峰組—龍一13層具有相當的資源潛力。

表5 川南地區五峰組—龍一1亞段各深層頁巖氣資源豐度表

4.2 勘探有利區

為了進一步確定川南地區五峰組—龍一1亞段深層頁巖氣勘探有利區，以深層邊界和二維地震工區所圍限的區域為頁巖分布范圍，應用小面元法計算資源量，得到川南地區五峰組—龍一1亞段深層頁巖氣資源豐度分布圖（圖8）。結果顯示，川南地區五峰組—龍一1亞段深層頁巖氣資源富集程度高，資源豐度普遍介于5.72×108～11.44×108m3/km2，平均資源豐度為6.71×108m3/km2。頁巖氣資源豐度以瀘縣—瀘州等高資源豐度區為中心向西、向北、向東逐漸降低。瀘縣—瀘州的頁巖氣資源豐度為全區最高，大于10.30×108m3/km2，最高可達11.44×108m3/km2；長寧地區頁巖氣資源豐度介于8.01×108～9.15×108m3/km2；合川、重慶等地區的資源豐度較低，普遍低于 3.43×108m3/km2。

結合高資源豐度區和Ⅰ類區分布，川南地區五峰組—龍馬溪組深層頁巖氣有利勘探區為富順—自貢—長寧、瀘縣—瀘州和內江—永川地區。結合頁巖埋深，考慮工程技術和經濟評價，應優先勘探開發有利勘探區中埋深4 500 m以淺的地區，故下一步的勘探開發應以埋深小于4 500 m的自貢—富順、瀘縣—瀘州和內江—永川3個地區為目標地區。

5 結論

1）川南地區五峰組—龍一1亞段深層頁巖沉積環境為深水陸棚相，富有機質碳質或硅質頁巖厚度大，平均厚度為61 m；頁巖TOC含量高，有機質類型好，處于原油裂解的高—過成熟生干氣階段，具有較好的生氣潛力；有機質孔、無機孔和微裂縫均發育，無機孔和微裂縫尤為發育，孔隙度高，儲層物性較好；脆性礦物含量高，儲層可壓裂性好；地層壓力系數高，使得頁巖含氣量高，游離氣占比大。

2）川南地區五峰組—龍一1亞段深層頁巖氣資源量為25.62×1012m3，可采資源量為6.14×1012m3。其中Ⅰ類區資源豐度最高，為7.85×108m3/km2，五峰組—龍一13層和龍一14層資源豐度相近，資源潛力相當。

3）川南地區五峰組—龍一1亞段深層頁巖氣高資源豐度區與評價分區中的Ⅰ類區較吻合，埋深4 500 m以淺的自貢—富順、瀘縣—瀘州和內江—永川3個地區可以作為下一步深層頁巖氣勘探有利區。