四川盆地及周缘下寒武统页岩气成藏主控因素与勘探方向

燕继红;李启桂;朱祥

【摘 要】We studied the basic geological conditions and main controlling factors for shale gas accumulations in the Sichuan Basin and its periphery based on the latest theories for shale gas exploration and modeling results. Dark shale deposited in the Lower Cambrian can be defined as passive continental shale and tensional trough shale. The passive continental shale has good quality, great thickness and wide distribution. It has favorable basic conditions for shale accumulation, but the bottom plates are unfavorable and the structural deformation is exten⁃sive, thus the preservation conditions for shale gas are unfavorable. Tensional trough shale has reached the stand⁃ard of basic hydrocarbon rocks, though the thickness of single shale interval is limited. It developed many vertical layers with good top and bottom plates and weak structural deformation. High thermal evolution degree restricted the gas⁃bearing capacity of dark shale, which was unfavorable for shale gas enrichment. Top and bottom seals are necessary when shale gas reservoirs were formed during the early stage. Tectonic conditions are important for the preservation of shale gas during the late stage. The favorable area for shale gas exploration is Mianyang-Lezhi-Longchang-Changning in the Sichuan Basin, Chengkou-Wuxi in the northeastern Sichuan Basin, Yien-Hefeng in the western Hubei, Huayuan-Zhangjiajie in the western Hunan, and Zhenyuan in Guizhou.%运用最新的页岩气勘

探理论及模拟实验结果，对四川盆地及周缘地区下寒武统页岩气成藏基本地质条件及主控因素进行了研究。该区下寒武统暗色泥页岩发育，可划分为“被动陆缘型”和“拉张槽型”2种类型。前者具有品质好、厚度巨大、分布范围广等特点，页岩气成藏物质基础条件优越，但底板条件差，构造变形强烈，页岩气保存条件受到挑战；后者达到了基本烃源岩标准，虽单层厚度薄，但具有纵向发育层段多、顶底板条件良好、构造变形弱等特点。高演化程度影响了暗色泥页岩的含气性，不利于页岩气富集成藏；顶底板条件是页岩气气藏早期形成的前提；构造条件是页岩气藏后期得以保存的关键。勘探有利区为盆内绵阳—乐至—隆昌—长宁地区及周缘城口—巫溪、鄂西宜恩—鹤峰、湘西花垣—张家界、贵州镇远等地区。

【期刊名称】《石油实验地质》

【年(卷),期】2016(038)004

【总页数】8页(P445-452)

【关键词】热成熟度;保存条件;主控因素;页岩气;下寒武统;四川盆地及周缘

【作 者】燕继红;李启桂;朱祥

【作者单位】中国石化 勘探分公司，成都 610041;中国石化 勘探分公司，成都 610041;中国石化 勘探分公司，成都 610041

【正文语种】中 文

【中图分类】TE132.2

下寒武统是中国南方海相页岩气勘探的重要层系之一。2012年四川盆地内JS1井压裂求产获2.88×104 m3/d页岩气流，2015年JY1HF井获8.4×104 m3/d页岩气工业气流，给四川盆地及周缘地区下寒武统页岩气勘探突破带来了希望, 但仍面临诸多困难。众多学者对该区下寒武统暗色泥页岩基本特征、富集条件及页岩气资源潜力等进行了研究[1-10]，但对被动边缘沉积背景和拉张槽沉积背景下沉积的2种暗色泥页岩缺乏对比认识，对高演化、复杂构造背景下的下寒武统页岩气成藏主控因素尚不明确。本文对不同沉积背景下的下寒武统暗色泥页岩特征进行了对比研究，明确了高演化背景下复杂构造地区下寒武统页岩气成藏主控因素，以期推动四川盆地及周缘地区下寒武统页岩气的勘探。

从震旦纪晚期开始，上扬子地区逐步进入稳定的热沉降阶段，并形成“两盆夹一台”的构造格局，在台地南北两侧发育被动边缘和一些海湾体系。的裂解和海底的扩张作用，促进了热液和火山的活动，浮游生物和藻类繁盛，为有机质的富集奠定了物质基础；同时的裂解为下寒武统暗色泥页岩的沉积提供了足够的容纳空间，且长期处于稳定的深水环境，形成了一套沉积厚度大、有机质含量高、岩性均质性强的“被动陆缘型”暗色泥页岩沉积建造。

同时从梅树村期到筇竹寺期，上扬子碳酸盐岩台地内发生了以地壳不均衡升降为主的兴凯地裂运动，发育了绵阳—长宁拉张槽(图1)。一方面，拉张槽的形成为下寒武统的沉积提供了容纳空间，另一方面，拉张槽周缘的古陆为其巨厚碎屑岩沉积提供了充足的物源。当拉张槽与广海水体循环不畅时，在拉张槽内形成滞留的沉积环境，水体安静，沉积了“拉张槽型”富含有机质的暗色泥页岩。

通过对盆内JS1、JY1等井与盆外HY1、EY1等井的研究发现，发育于盆内、外的下寒武统暗色泥页岩特征存在明显差异，2种暗色泥页岩沉积于截然不同的环境，分属不同的岩石类型。为方便讨论，本文称之为“拉张槽型”泥页岩和“被动陆缘型”泥页岩。

2.1 下寒武统暗色泥页岩发育特征

最新钻井揭示，上扬子地区南北两侧的被动边缘下寒武统总体为一个向上变浅的沉积序列，“被动陆缘型”富有机质泥页岩主要发育在下部，沉积厚度大、分布范围广、总有机碳(TOC)含量高、岩性均质性强。鄂西渝东EY1井、黔南坳陷HY1井优质泥页岩厚度分别为112 m和79 m (图2)，其平面上主要分布在四川盆地东北部南江—镇巴—巫溪、鄂西—渝东、黔北地区。

与长期处于稳定的深水被动陆缘沉积环境相比，上扬子克拉通内拉张槽沉积环境则呈现出相对变化动荡的特点，暗色泥页岩主要在水体安静的滞留沉积环境时期沉积，“拉张槽型”暗色泥页岩纵向上发育层段多，单层厚度不大，TOC相对较低，岩性非均质性强，其范围主体在拉张槽内。如ZY1井下寒武统共发育4套富有机质泥页岩，自下向上厚度分别为60，62，8，7 m; JY1井也发育4套富有机质泥页岩，自下向上厚度分别为21，15，24，43 m(图2), 暗色泥页岩分布范围限于拉张槽发育的地区。

2.2 TOC和硅质含量特征及相关关系

2.2.1 TOC和硅质含量分布特征

根据四川盆地及周缘107个下寒武统暗色泥页岩岩心样品统计， TOC位于0.43%～

7.05%，平均达到3.72%。TOC统计分布频率显示，TOC大于2%样品数占了全部样品数的72%(图3)，表明下寒武统暗色泥页岩TOC整体含量高。代表“被动陆缘型”的HY1井41个样品TOC平均值达到了6.97%，JQ1井51个样品TOC平均达到了6.13%；而代表“拉张槽型”的JY1井5个暗色泥页岩发育层段TOC值为0.33%～4.63%，平均值为0.63%～1.87%，JS1井暗色泥页岩发育层段10个岩屑样品TOC平均值0.56%, 表明“被动陆缘型”暗色泥页岩有机质含量比“拉张槽型”暗色泥页岩的高。

对四川盆地及周缘地区下寒武统178个泥页岩样品硅质含量统计，最高可达80%，平均42.8%， 硅质含量40%～60%占了样品数量的56.7%(图4)，其中位于拉张槽内的JY1井硅质含量为44.9%(ECS测井)，JS1井为37%(8个样)；而位于被动陆缘的HY1井石英含量为44.7%(62个样)，EY1井为49.7%(99个样)，JQ1井为31%(9个样)，拉张槽型与被动陆缘型泥页岩硅质含量基本相当，但硅质含量整体都高，表明岩石的可压性好。

2.2.2 TOC和硅质含量相关关系

通过研究发现，不同沉积背景下沉积的暗色泥页岩TOC和硅质含量相关关系有所不同。代表“被动陆缘型”沉积的JQ1井下寒武统暗色泥页岩TOC与硅质含量相关性好，耦合特征明显(图5a)，表明“被动陆缘型”暗色泥页岩品质好，有利于页岩气“双甜点”的形成；而代表“拉张槽型”沉积的JY1井暗色泥页岩TOC和硅质含量关系不明显，耦合特征不明显[11](图5b)，推测拉张槽内的石英可能以外源成因为主。

2.3 储集条件

根据四川盆地及周缘下寒武统194个暗色泥页岩心样品孔隙度统计，深水陆棚优质页岩孔隙度主要分布于1.0%～4.0%，平均1.9% ，其中2%～ 4%的样品占了整个样品数量的42.3%，表明下寒武统泥页岩孔隙度较为发育。

根据王玉满等[12]的孔隙构成百分比计算模型，对JY1井和HY1井进行了孔隙度构成计算。JY1井泥页岩中黏土矿物孔占了总孔隙的80%以上，有机质孔不到总孔隙的20%，剩余的为脆性矿物孔[11](图6a)；而HY1井泥页岩黏土矿物孔只占了总孔隙的30%左右，有机质孔达到了60%，脆性矿物孔10%(图6b)。由此可见，“拉张槽型”泥页岩与“被动陆缘”泥页岩由于矿物成分的差异，造成了其基质孔隙构成上的差异，“拉张槽型”泥页岩孔隙以黏土矿物孔为主，而“被动陆缘”泥页岩以有机质孔为主。因此，沉积环境决定了岩石特征，而岩石特征决定了基质孔隙的构成。

从孔径分布特征方面来看，下寒武统泥页岩孔隙结构以中—微孔为主，孔径在2～50 nm范围分布。南江桥亭下寒武统筇竹寺组剖面页岩样品压汞分析显示，页岩基质微小孔隙、裂隙孔径分布范围较宽，呈现出双峰的形态(图7a)；JY1井下寒武统泥页岩孔径的分布具有同样的特征，孔径分布广，以10～50 nm 大小孔径为主，其次是2～10 nm大小的孔径[11](图7b)。

3.1 2种类型暗色泥页岩成藏差异

通过对四川盆地及周缘地区下寒武统2种不同类型泥页岩发育特征进行对比发现，“被动陆缘型”下寒武统暗色泥页岩物质基础好，高TOC和高硅质含量两者之间的耦合特征决定了其优良的品质，可规模成藏，但保存条件成为了下寒武统页岩气成藏的关键；

“拉张槽型”暗色泥页岩虽然只达到了烃源岩条件，且单层厚度薄，但发育于下寒武统中部的暗色泥页岩具有良好的顶底板条件，且纵向上发育多套烃源岩，从量上弥补了泥页岩品质上的不足，仍可形成工业性气藏(表1)。

3.2 高演化程度的影响

泥页岩的热演化程度主要受时间和温度的控制，其在不同地质时期的热成熟度状态对油气资源的勘探评价有着重要的意义。热演化程度对泥页岩的影响主要表现在其含气性方面，具体表现在泥页岩的生烃能力、吸附能力、有机质孔隙发育等方面。四川盆地及周缘地区下寒武统暗色泥页岩热演化程度整体明显偏高，处于过成熟—高成熟演化阶段，Ro在2.7% ～ 6.2%之间，主体在 3.0% ～3.5%，存在3个高演化区：通南巴—普光—涪陵地区、沿河—正安—遵义地区、川西南及滇北地区，其他地区演化程度相对较低。

通过对JY1井、威201井、CS1井、EY1井等多口井下寒武统SEM照片观测发现，虽然泥页岩TOC值相当或更高，但随着热演化程度的增高，有机质孔隙度反而有降低的现象(图8 )。

同时，热模拟实验表明，当泥页岩热演化Ro值在0.7%3.5%时大孔大幅减少，介孔和微孔增加，孔隙总体积减少[13](图9)。由此认为，高演化程度对下寒武统泥页岩有机质孔隙有明显的影响，因而进一步影响其含气性。

泥页岩的高演化程度对其吸附能力也有影响。模拟实验表明，页岩最强吸附能力出现

在Ro在2.6%左右，此时页岩有机质孔发育，且有机质孔表面粗糙，页岩吸附的比表面积达到最大；而随着热演化程度继续升高，虽然有机质孔继续增大，但孔隙开始变得光滑，比表面积缩小，页岩吸附能力变差，从而影响泥页岩的含气性[13]。

但目前热演化对下寒武统暗色泥页岩含气性的影响机理仍需进一步研究，因此，在进行下寒武统页岩气勘探选区时应考虑高演化程度对页岩成藏的影响，在下寒武统整体演化程度高的背景中寻找低演化程度的地区，采取“高中找低”的原则，提高评价选区的准确性和科学性。

3.3 保存条件

3.3.1 顶底板条件

顶底板为直接与含气页岩层段接触的上覆及下伏地层，其与页岩气层间的接触关系和其性质的好坏对含气页岩的保存条件非常关键，优越的顶底板条件是页岩气层具有良好保存条件的基础。

前人研究表明，从晚震旦世灯影组沉积期到早寒武世共发生了2次不同类型的构造活动，一个为灯影组沉积期的桐湾运动，特点是以地壳的升降运动为主，共3幕，造成了地层的抬升、剥蚀，形成了在中国南方广泛分布的不整合面[14]；随后在早寒武世麦地坪组沉积期到筇竹寺组沉积期发生了兴凯地裂运动，特点是以地壳的拉张为主，共2幕，形成大量的断层和裂缝[15]。早期形成的下寒武统页岩气一部分沿断裂、不整合面、孔洞等构成的输导体系运移到具有储集能力的上、下储集体中，形成常规气藏，如威远震旦系灯影

组气田、安岳龙王庙特大型气田等[16]；另一部分页岩气则沿断裂和不整合面散失，页岩气藏遭破坏，如FS1井，虽然其下寒武统暗色泥页岩厚度99 m, 平均TOC为2.7%，但测试产微气。而位于拉张槽内的JY1井下寒武统中部的泥页岩距风化壳305 m, 底板厚180 m， 主要岩性为粉砂岩、泥质粉砂岩及页岩，岩性致密，形成了良好的底板封闭条件；顶板厚102 m, 主要岩性为粉砂质泥岩和泥岩，岩性致密，顶板封闭条件良好，因此尽管页岩气层单层厚度小，但由于顶底板封闭条件良好，仍获8.4×104 m3/d页岩气工业气流。由此可见，顶底板条件是早期页岩气藏能否形成的关键，特别是灯影组和下寒武统之间的地层接触关系将直接影响下寒武统页岩气藏的底板条件。

但四川盆地及周缘地区依然存在不受这2次构造运动影响的地区，震旦系灯影组与下寒武统为连续沉积，地层之间为整合接触关系，下寒武统页岩气仍具有良好的顶底板条件，为页岩气聚集成藏的有利区。川东北城口明月、陕西镇坪屏风寨、湖南古丈龙鼻嘴、湖南凤凰水打田及贵州镇远镇页1井等野外露头和钻井资料揭示，灯影组顶部岩性为黑色—灰黑色硅质岩、硅质泥岩，与上覆下寒武统泥页岩呈整合接触关系。根据相控法则，对四川盆地及周缘地区灯影组与下寒武统整合接触的范围进行了判别，将四川盆地及周缘地区震旦系灯影组沉积晚期与早寒武世早期沉积相图进行叠加，2个时期同为深水沉积的重合区即深水沉积连续分布区为整合分布区，沉积相演化不连续(跳相)的区域为不整合分布区。综合判别灯影组与下寒武统整合接触的范围大致分布在中上扬子克拉通被动南、北边缘，川东北城口—巫溪、鄂西宜恩—鹤峰、湘西花垣—张家界、贵州镇远等地区，是下寒武统页岩气藏底板条件有利地区。

3.3.2 构造保存条件

后期构造运动改造强度是油气藏破坏与散失的根本原因，构造运动引起地层隆升剥蚀、褶皱变形、断裂切割、地表水的下渗以及压力体系的破坏，同时还因构造动力和应力作用使盖层岩石失去塑性，封闭保存条件变差。

四川盆地及周缘地区下寒武统页岩气藏先后经历了桐湾运动、兴凯地裂运动、加里东运动、海西运动、印支运动、燕山运动和喜马拉雅运动等多期构造运动的影响，地层历经了多次构造升降、抬升和剥蚀，构造运动改造强烈。从盆外到盆内，由于构造运动表现出的主滑脱层和构造样式的差异，构造变形强度逐渐变小，页岩气保存条件也逐渐变好[17]。位于盆外的EY1井下寒武统岩心高陡裂缝发育，岩屑普遍见方解石，平均有机碳含量虽然高达6.09%，但全烃显示微弱，最高仅0.08%。同样位于盆外的黔西黄平区块的HY1井，虽然下寒武统气测显示活跃，现场含气量最好达到了1.8 m3/t，但由于断裂发育，压裂时沟通了断层，产出淡水，仅获418 m3/d的低产气流。而到了构造作用影响较弱的盆内，地层变形弱，无通天断层，保存条件明显变好。如位于盆内威远地区的W201井获工业气流1.08×104 m3/d，JS1井2.88×104 m3/d，JY1井4.05×104 m3/d。

由此可见，构造稳定及局部构造弱变形区是页岩气保存条件的有利区，在下寒武统页岩气选区评价时，可在构造改造强的背景中寻找构造改造作用弱的地区作为构造保存条件有利区，即采取“强中找弱”的原则选取保存条件有利区。

(1)沉积环境决定了页岩气成藏的物质基础，泥页岩热演化程度和保存条件是下寒武统页岩气成藏的主要控制因素，于此，拟定了“高中找低，强中找弱”的基本勘探思路，确定四川盆地及周缘地区下寒武统页岩气勘探方向。

(2)盆内构造变形弱，可寻找演化程度相对低，顶底板条件好的下寒武统中上部“拉张槽型”富有机质页岩作为勘探目的层，其勘探有利区主要分布在四川盆地西部绵阳—乐至—隆昌—长宁地区；盆外构造改造强烈，但仍可积极寻找构造变形相对弱、演化程度相对低、底板条件好的地区，以“被动陆缘型”下寒武统底部暗色泥页岩为勘探目的层，其勘探有利区主要分布在四川盆地周缘川东北城口—巫溪、鄂西宜恩—鹤峰、湘西花垣—张家界、贵州镇远等地区。

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