四川盆地侏羅系大安寨段頁巖油富集條件 及有利勘探目標

中圖分類號：P618.13 文獻標志碼：A

Abstract： In order to determine the shale oil resource potential of Da'anzhai Member，Jurassic Ziliujing Formation of Sichuan basin， the hydrocarbon generation potential，reservoir property，oil content，and shale oil mobility conditions were comprehensively evaluated by FE - SEM，CLSM，Hemeasured porosity and permeability， N₂ adsorption，and rock pyrolysis experiments. The results show that the hydrocarbon generation potential is poor，reaching mature to high mature stage，and oil and gas coexist in the Da'anzhai Member. The intercalated limestone is dense. The inter-calite pore conectivity is poor. The foliation fracture，interlayer fracture，and calcite cleavage constitute the main occurrence space of shale oil. The oil content of foliated clay shale is good，and fracture development is the premise of shale oil mobility and high yield. Verticaly，the fractures of the interbedded combination of shale and limestone are relatively developed，making it the preferred sweet spot for shale oil. Layered structures are conducive to the formation of bedding planes. Layered shale has exploration potential in areas with high levels of thermal evolution. Based on the organic mater abundance，oil property，and lithofacies combinations，it is proposed that the northern Yilong and southern Dazhou are favorable exploration areas for interlayer type shale oil. While the areas between Yilong and Dazhou are favorable exploration areas for pure shale type shale oil.

Key words： shale oil; enrichment mechanism； hydrocarbon generation potential; favorable area Da'anzhai Member; Ziliujing Formation; Sichuan basin

0 引言

隨著北美頁巖油氣勘探開發取得的重大突破，非常規頁巖油氣已成為全球能源產業鏈的重要組成部分，其戰略價值和能源安全意義日益凸顯。中國陸相頁巖油地質資源量超過 800×10⁸ t，頁巖氣地質資源量達 105.7×10¹²m^3[1-3] ，實現頁巖油氣的大規模可持續開發，對我國的經濟發展和能源安全意義重大。

基于國內外成功的勘探和開發經驗，四川盆地侏羅系頁巖層系因其豐富的資源量和較高的成熟度，被公認為具備良好的頁巖油氣開發地質條件。其中，自流井組大安寨段頁巖的展布范圍較廣、有機碳含量較高、在致密油勘探時的產能最大，被認為是四川盆地最有利的頁巖油氣開發層系[4]。基于此，中石化、中石油相繼在大安寨段部署多口風險探井，目前已在川東北的LA1井和LX1井取得頁巖油的重要突破，在川北的巴中地區獲得了頁巖氣的產能，證實了大安寨段良好的勘探潛力。

四川盆地大安寨段雖已取得頁巖油氣點上的突破，但總體上還處于勘探初期階段。前人對大安寨段地質條件進行過系列研究，提出了淡水湖盆體系下的沉積相類型及巖相劃分方案[5-6]，建立了湖相頁巖的沉積過程與富集模式[7-8]，明確了頁巖油的主要富集空間及其影響因素[9]，探究了天然裂縫發育特征及其對油氣富集與保存的影響[10]，但對頁巖油氣有利甜點區段的研究還沒能達成統一認識。如：胡宗全等[11]研究認為源-儲耦合條件好的優質頁巖段是頁巖油的甜點層段；張本健等[12]發現縱向上有頁巖向介殼灰巖排烴的趨勢，互層型巖相組合相較于純頁巖儲層更有利于頁巖油流動和產出；祝海華等[13]提出薄層、中層的介殼灰巖、泥質介殼灰巖中節理發育，利于油氣滲流，為頁巖油的有利層段。本文以四川盆地侏羅系自流井組大安寨段頁巖油為研究對象，采用場發射掃描電鏡、激光共聚焦掃描電鏡、氨測孔滲、 N₂ 吸附和巖石熱解等實驗方法開展生烴潛力、儲集性、含油性特征，以及頁巖油可動性綜合評價，并在此基礎上明確頁巖油的富集主控因素，提出頁巖油的甜點區段，以指導大安寨段頁巖油的后續勘探與開發。

1 地質背景

四川盆地位于中國西南部，是在印度板塊與歐亞板塊之間碰撞，揚子板塊整體隆升后形成的大型負向構造[14]。大安寨段經歷了四川盆地早侏羅世最大規模的湖侵，發育了侏羅系最主要的烴源巖[9]其總體為一清水、淡水湖盆。從平面上看（圖1a），南部至營山一帶為其沉積中心，在淺湖中發育規模介殼灘[15]。經過多幕次的構造運動，現今大安寨段埋深處于 2 500～3 500m 之間，沉降中心位于川北的巴中地區和川東的涪陵一帶，埋深達到 3 000m 以上，已經達到了生干氣階段[16]

大安寨段厚度在 60～100m 之間，由底部至頂部沉積演化經歷了淺湖、半深湖后，又折回淺湖、濱湖，形成了一套完整的湖侵一湖退旋回（圖1b）。根據沉積演化，自下而上劃分為大三、大二和大一共3個亞段，大二亞段又可劃分為a、b、c三個小層[15]大三亞段厚度為 5～15m ，主要發育淺湖亞相生屑灘微相，巖性以厚層塊狀褐灰色介殼灰巖為主。大二亞段厚度為 35～60m ，為一套半深湖亞相沉積，主要由半深湖泥和重力流微相構成，巖性以厚層暗色泥頁巖為主，不同小層存在差異。其中，大二亞段a小層通常為黑色頁巖與泥質介殼灰巖不等厚互層；大二亞段b小層以黑色含介殼頁巖夾薄層泥質介殼灰巖為主；大二亞段c小層通常為厚層塊狀黑色頁巖。大一亞段厚度為 20～30m ，在其上部偶見砂巖與灰巖為主體的濱湖亞相混合坪與泥/砂坪微相沉積，其中下部主要發育淺湖亞相介殼灘及灘間洼地微相，巖性主要為灰白色塊狀介殼灰巖和介殼頁巖。

2 頁巖生烴潛力

頁巖的生烴潛力越大，則頁巖層系的含油性越好。國內外高產頁巖層系通常具有高有機質豐度、高熱演化程度的地質特征[17-18]。四川盆地大安寨段頁巖的 w （TOC）為 0.05%～5.58% ，平均為1.35% ， w（S₁+S₂） 為 0.04～74.31mg/g ，平均為4.31mg/g ，有機質豐度處于中一好的標準（圖2a）。國內外典型頁巖層系以I和 II₁ 型有機質為主[19-23]，而大安寨段頁巖主要為 I 型有機質，只有極少量的

圖1四川盆地大安寨段沉積相和地層特征

Fig.1Sedimentary facies and stratigraphic characteristics of the Da'anzhai Member in Sichuan basin

I型有機質（圖2b），生烴潛力較差。大安寨段頁巖的成熟度較高， R_ogt;1.3%（R_o 為鏡質體反射率）的比例高達 60% ，目前處于成熟—高成熟階段（圖2c）。較差的有機質類型與較高的成熟度組合，決定了大安寨段頁巖油具有低密度 （0.76～0.84g/cm³. ）、高氣油比 （gt;500m³/t） 的典型特征。

3 頁巖儲層特征

大安寨段頁巖孔隙以黏土礦物晶間孔（圖3a）和方解石晶間孔（圖3b）為主，發育少量有機質孔（圖3c）和黃鐵礦晶間孔（圖3d）。頁巖中灰質條帶較為致密，方解石溶蝕孔欠發育，晶間孔相互獨立，孔隙連通性差；與介殼毗鄰的泥質條帶中發育大量的黏土礦物基質孔，孔隙定向排列，連通性較好（圖3e、f。除此之外，大安寨段頁巖中還發育頁理縫（圖 3g ）、紋層縫（圖3h）和方解石解理縫（圖3i）等微裂縫，此類裂縫系統本身可作為頁巖油的儲集空間，亦對孔隙的連通具有重要價值。

氦測孔隙度和滲透率顯示，大安寨段總體上為低孔低滲致密儲層，孔隙度主要分布于 0.51%～ 8.17% ，平均為 3.71% ，滲透率為 （ 0～1.04）× 10^-3μm² ，平均為 0.10×10^-3μm² 。孔隙度與黏土質量分數呈正相關（圖4a），而與鈣質質量分數呈負相關（圖4b），氮氣吸附孔體積亦與黏土質量分數具有強相關性（圖4c）；表明介殼灰巖的儲集性較差，黏土礦物基質孔提供了頁巖油的主要儲集空間。

N₂ 吸附實驗結果（圖5）顯示，隨著灰質質量分數的增加，回滯環形態由 H₂ 型過渡到 H₄ 型，孔徑增加但總孔體積減小，尤其是介殼灰巖的孔徑較大，但總孔體積較小，這從微觀上解釋了頁巖物性較灰巖好的原因。

4頁巖含油性特征

大安寨段頁巖的熱解 w（S₁） 分布于 0～ 9.47mg/g 之間，平均為 1.31mg/g，? w （氯仿瀝青“A”）分布于 0.01%～0.89% 之間，平均為 0.23% 。相較于鄂爾多斯盆地長7段[24]、吉木薩爾凹陷蘆草溝組[25]、渤海灣盆地孔店組與沙河街組[26-27]和松遼盆地青山口組[28]，大安寨段頁巖層系的含油性較差。

選取10塊大安寨段巖石樣品做抽提前后熱解分析，以對頁巖的含油性進行輕烴恢復與重烴校正[29-31]。結果顯示，不同巖相的輕烴恢復系數 （K_q） （20和重烴校正系數 （K_z ）存在差異：黏土質頁巖（包括頁理狀黏土質頁巖和塊狀含介殼黏土質頁巖）的 K_q 和 K_z 值較高，平均值分別為1.452和0.349；混積巖類（包括層狀介殼頁巖、紋層狀含介殼頁巖和層狀泥質介殼灰巖等）的 K_q 和 K_z 值次之，平均值分別為1.414和0.288；而塊狀（泥質）介殼灰巖的 K_q 和 K_z 值較低，平均值分別為1.309和0.279。分析認為：不同巖相 K_q 和 K_z 值的差異性與其物性有關，物性越好，原始含烴量越高，后期烴散失量亦越高。將相關系數代入式（1），恢復不同巖相頁巖的原始含油量，從結果（圖6）來看，頁理狀黏土質頁巖的含油性較好，總含油量 （Q） 平均值達到 5.83mg/g ；混積巖類的含油性次之， Q 平均值為 3.80mg/g ;塊狀含介殼黏土質頁巖和塊狀（泥質）介殼灰巖的含油性較低， Q 平均值分別為1.39 和 0.37mg/g 。

Q=K_qw（S₁）+K_zw（S₂）

式中： Q 為校正后的總含油量； K_q 和 K_z 分別為熱解 中輕烴恢復系數和重烴校正系數。 K_q 為抽提前后 τ∪（S₀+S₁） 的差值與抽提前 w（S₀+S₁ ）的比

a.頁巖有機質豐度判識圖版;b.頁巖有機質類型判識圖版;c.頁巖鏡質體反射率頻率分布直方圖。

圖2四川盆地大安寨段頁巖生烴潛力評價

圖3四川盆地大安寨段頁巖油儲集空間類型

Fig.3Reservoir space types of shale oil in Da'anzhai Member of Sichuan basin

a.孔隙度與黏土質量分數之間的關系;b.孔隙度與鈣質質量分數之間的關系；c. N₂ 吸附孔體積與黏土質量分數之間的關系。

圖4四川盆地大安寨段儲層物性與礦物質量分數之間的關系

Fig.4Relationship between physical properties and mineralcontent of reservoirs in Da'anzhai Member of Sichuan b

5 頁巖油的賦存與可動性

頁巖油研究的核心任務是評價頁巖油的可動

圖5四川盆地大安寨不同巖相典型樣品的 N₂"吸附實驗結果

圖6輕烴恢復和重烴校正后大安寨段不同巖相的含油性對比直方圖

性[32-33]。前文研究表明，大安寨段頁巖層系中黏土質頁巖的儲集性和含油性較混積巖和灰巖好，但純頁巖儲層為納米級孔喉系統，流體與周圍介質之間存在巨大的吸附力和分子間作用力，一般不能自由流動[34-35]

激光共聚焦掃描電鏡顯示，輕烴（紅色）主要賦存在頁理縫（圖7a、b）、方解石解理縫（圖7c、d）和紋層縫（圖7e、f等微裂縫系統中，而重烴（藍色）主要賦存在基質孔中（圖7b、f）。借助圖像處理軟件對激光共聚焦照片進行定量分析，發現微裂縫欠發育的黏土質頁巖中（圖7e）游離烴與束縛烴占比約為1：5 ;微裂縫發育的黏土質頁巖中（圖7a）此比值升高至 1：4 ；而解理縫發育的方解石脈體中（圖7c）上述比值可達到 4：5 ，說明微裂縫發育對頁巖油的可動至關重要。野外剖面觀察亦發現，頁巖中的厘米級 （1～5cm） 灰巖夾層中沿節理縫有油氣滲出（圖7g，h） ，指示大安寨段這套灰泥組合型頁巖層系裂縫發育是油氣可動與高產的前提。

6 頁巖油的富集有利區段

6.1 頁巖油的縱向甜點段

大安寨段表現出明顯的沉積旋回特性，自大三亞段至大一亞段構成了一個完整的湖進一湖退旋回。根據洪海濤等[36]對大安寨段巖相的劃分標準，通過巖相及其組合在垂向上的變化規律分析（圖8），表明塊狀（泥質）介殼灰巖（A）主要分布于大一亞段和大三亞段；層狀泥質粉砂巖（B）主要分布于大一亞段中上部，在湖盆邊部的大二亞段a小層亦可見；層狀介殼頁巖（C）主要分布在大一亞段中下部和大二亞段a小層；塊狀含介殼黏土質頁巖（D）主要發育在大二亞段c小層；頁理狀黏土質頁巖（E）和紋層狀含介殼頁巖（F）主要發育在大二亞段b小層。根據巖相之間的空間配置關系，又可將大安寨段整體上劃分為I—VI共六類巖相組合（圖8）。

大二亞段a小層至大一亞段中下部發育的Ⅲ、Ⅳ型巖相組合，可作為頁巖油的首選甜點段。該組合不僅直接接收下伏富有機質頁巖供烴，而且在頁灰界面處發育層間縫[37-38]，加之頁巖和灰巖間互分布，利于形成構造縫和節理縫[39]。中石油西南油氣

a.RA1井 ，2 455.1m ，頁理狀黏土質頁巖激光共聚焦照片;b.照片a的三維重建結果，輕質油賦存于頁理縫;c.RA1井， 2451.8m ，層狀泥質介殼灰巖激光共聚焦照片；d.照片c的三維重建結果，輕質油賦存于方解石解理縫；e.RA1井， 2 442.7m ，塊狀含介殼黏土質頁巖激光共聚焦照片；f.照片e的三維重建結果，輕質油賦存于紋層縫;g、h.川東鐵山剖面大二亞段露頭照片。

圖8四川盆地大安寨段巖相及巖相組合在縱向上的發育特征

Fig.8Lithofacies，lithofacies asociations，and their longitudinal development characteristics inDa'anzhai Memberof Sichuar basin

田分公司近期探獲的LX1井即屬于此類甜點。此外，大二亞段b小層發育的 ΔV 型巖相組合含油性好，含油飽和度指數 （I_os，I_os=S₁/TOC×100%） 達到100mg/g 以上，紋層狀構造利于形成頁理縫，在熱演化程度高、地層壓力大的地區亦可作為頁巖油的勘探目標。中石油西南油氣田分公司前期探獲的LA1井即屬于此類甜點。

6.2 頁巖油的平面有利區

通過對四川盆地侏羅系自流井組大安寨段平面上100余口井的 w （TOC）、巖相組合類型及實測 R 0數據進行統計，發現湖盆沉積中心位于南充一儀隴一營山一帶，頁巖 z?（TOC） 圍繞沉積中心呈環帶狀展布（圖 9a ），以 w（TOC）gt;1.5% 作為富有機質頁巖下限[37，40]，面積達到 2.6×10⁴km² ；有機質成熟度由南向北逐級增加，最高可達 2.0% 以上，以 R 。

為 0.9%.1.3% 和 1.8% 為界限可劃分為常規油、輕質油、揮發油-凝析氣和頁巖氣4個油品區（圖9b）；受沉積相平面分布的整體控制，并排除厚層介殼灰巖（I組合）對其他巖相的影響，從沉積中心到湖盆邊部，巖相組合由V組合—Ⅲ組合—Ⅳ組合—VI組合一Ⅱ組合規律變化（圖9c）。

聯合有機質豐度、熱演化程度和優勢巖相組合，可在平面上劃分頁巖油的甜點區[41-42]。結果（圖9d）表明：研究區儀隴以北與達州以南位于Ⅲ、 N 組合內， w（TOC）gt;1.5% ， R_ogt;1.3% ，為互層型頁巖油的首選勘探有利區；儀隴與達州之間位于 ΔV 組合內， . R_ogt;1.3% ，為純頁巖型（紋層型）頁巖油的首選勘探有利區；其他 z0（TOC）gt; 1.5%.1.3%gt;Rgt;0.9% 的Ⅲ、 N 組合相帶，為互層型頁巖油的后期遠景勘探區。

7結論

1）大安寨段頁巖的有機質豐度較低，有機質類型主要為Ⅱ型，目前處于成熟一高成熟階段。相對較差的有機質類型與較高的成熟度組合，決定了大安寨段頁巖油具有密度低、氣油比高的典型特征。

2）大安寨段介殼灰巖較為致密，方解石溶蝕孔欠發育，孔隙連通性差，頁巖油的富集與可動條件不如黏土質頁巖與混積巖。頁理縫、方解石解理縫和紋層間縫等裂縫系統是頁巖油可動的前提。

3）大二亞段a小層至大一亞段中下部發育互層型巖相組合，儀隴以北與達州以南為此類頁巖油的首選勘探有利區。大二亞段b小層發育紋層構造利于形成頁理縫，儀隴與達州之間可作為純頁巖型（紋層型）頁巖油的勘探有利區；其他 w（TOC）gt;1.5% 1.3%gt;Rgt;0.9% 的Ⅲ、 N 組合相亦具有互層型頁巖油的勘探潛力。

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