川東南—鄂西渝東地區下寒武統頁巖氣聚集條件
聶海寬 包書景 邊瑞康 葉欣 高波 余川
（中國石化石油勘探開發研究院，北京 100083）
摘 要 在對貴州省湄潭縣梅子灣、貴州省遵義市樂山、湖北省鶴峰縣五裏鎮巖灣大橋和貴州省甕安縣永和等下寒武統露頭剖面進行觀察、實測和采樣分析，以及對方深1井、鹹2井等老井復查和黃頁1井鉆探效果分析的基礎上，研究了川東南和鄂西渝東地區下寒武統黑色頁巖的沈積相、分布、有機質類型及含量、成熟度、埋深、孔隙度和含氣量等頁巖氣聚集條件。根據國土資源部油氣資源戰略研究中心頒發的頁巖氣資源潛力評價與有利區優選方法，預測下寒武統頁巖氣藏發育的有利區主要位於研究區西南部和東北部，前者位於敘永—古藺—習水—丁山1井壹線以南，主要包括黔北仁懷區塊和綦江南區塊，後者主要指正安—道真—彭水—利川壹線東南的部分，主要包括湘鄂西Ⅰ區塊、湘鄂西Ⅱ區塊和黔渝彭水區塊的東南部。有利區地質資源量為（1.06～6.47）×1012m3（中值3.09×1012m3），可采資源量為（0.13～0.78）×1012m3（中值0.37×1012m3）。
關鍵詞 頁巖氣 聚集條件 資源潛力 有利區 下寒武統 川東南和鄂西渝東地區
Accumulation Conditions of the Lower Cambrian Shale Gas inthe Southeast Sichuan，West of Hubei and East of Chongqing
NIE Haikuan，BAO Shujing，BIAN Ruikang，YE Xin，GAO Bo，YU Chuan（SINOPEC Exploration ＆ Production Research Institute，Beijing 100083，China）
Abstract By observing，sampling and laboratory analysing of black shale outcrops and wells in the southeast Sichuan，west of Hubei and east of Chongqing，we studied shale gas accumulation conditions of the Lower Cambrian black shale，such as depositional facies，types and contents of organic matter and its maturity，distribution，porosity and gas contents of the black shale etc.Compared with major U.S.gas-producing shales，the Lower Cambrian shale in the southeast Sichuan，west of Hubei and east of Chongqing was characterized by great thickness，abundance of organic carbon，high maturity and elevated gas content，being capable of good geological conditions for shale gas reservoir development.According to the ‘Evaluation of Shale Gas Resource Potential and Optimizing Method of Favorable Areas’ issued by the Oil and Gas Resources Strategic Research Center of the Ministry of Land and Resources，with a superimposition method of integrated information indicated that the most favorable areas for shale gas accumulations in the Lower Cambrian shale are the Southwest and northeast of the study area.Based on the measured gas content，the amount of shale gas geological resources in the Lower Cambrian was calculated with the volumetric method to be（1.06～6.47）×1012m3（with a median value of 3.09×1012 m3）and the recoverable resources to be（0.13～0.78）×1012m3（with a median value of 0.37×1012m3）.
Key words Lower Cambrian；shale gas；accumulation condition；resource potential；favorable area of shale gas；southeast Sichuan，west of Hubei and east of Chongqing
基金項目：國家專項《全國油氣資源戰略選區調查與評價》“全國頁巖氣資源潛力調查評價及有利區優選”（編號：2009 GYXQ-15）。
四川盆地及其周緣下古生界具有獨特的地質條件，可與美國東部盆地進行類比，是中國南方地區頁巖氣勘探獲得突破的重點地區［1-3］。四川盆地及其周緣下寒武統黑色頁巖具有厚度大、有機碳含量高及成熟度高的特點，具備頁巖氣發育的良好條件，不同學者對該區進行了壹定的研究［1～7］。筆者研究認為四川盆地及其周緣下寒武統頁巖氣藏最有利發育區位於川南—黔北—黔中、鄂西—渝東和川東北等地區［8］。本次研究是在前期基礎上，按照有利區預測從大到小、逐步縮小的原則，對川南—黔北—黔中和鄂西渝東兩個頁巖氣發育有利區的結合部分——川東南—鄂西渝東地區進行研究，以期達到更精確地預測頁巖氣發育有利區的目的，為勘探提供參考建議。
1 頁巖發育特征
1.1 頁巖分布
下寒武統黑色頁巖主要發育在梅樹村期和筇竹寺期，與最大海泛面相對應的低能環境對應，包括川南九老洞組、川北筇竹寺組、貴州—湘西牛蹄塘組、鄂西水井沱組、湘西天柱山組等，分布穩定，巖性主要為黑色頁巖、炭質頁巖、炭矽質頁巖、結核狀磷塊巖、粉砂質頁巖和石煤層等。
1.1.1 縱向上頁巖發育特征
縱向上巖性變化較大，從下向上矽質頁巖、炭質頁巖厚度減小，灰黑色頁巖、粉砂質頁巖厚度增加，直至完全過渡為灰色粉砂質頁巖、灰色頁巖。貴州省湄潭縣梅子灣剖面，底部為矽質巖，向上過渡為炭質頁巖和粉砂質頁巖，厚度為27.9m（圖1）；在貴州金沙箐口剖面，黑色頁巖實測厚度為65m；貴州省甕安縣永和下寒武統牛蹄塘組剖面，底部為矽質巖，向上過渡為炭質頁巖和粉砂質頁巖，實測厚度為117.31m；湖北省鶴峰縣五裏鎮巖灣大橋下寒武統水井沱組剖面實測厚度為87.6m（圖2）。
1）貴州省湄潭縣梅子灣下寒武統牛蹄塘組黑色頁巖剖面如下：
油氣成藏理論與勘探開發技術：中國石化石油勘探開發研究院2011年博士後學術論壇文集.4
圖1 貴州省湄潭縣梅子灣下寒武統牛蹄塘組黑色頁巖剖面（實測厚度27.9 m）
2）湖北省鶴峰縣五裏鎮巖灣大橋下寒武統水井沱組剖面如下：
油氣成藏理論與勘探開發技術：中國石化石油勘探開發研究院2011年博士後學術論壇文集.4
1.1.2 平面展布特征
平面上頁巖主要發育在川南—黔北—黔中和湘鄂西—渝東等地，在川中古隆起壹帶不發育該套黑色頁巖，其余地區廣泛分布，厚度壹般在20 ～120m之間，大部分地區大於100m（圖3）。川南—黔北的自貢—宜賓—瀘州—威信壹帶厚度在40～100m之間，厚度中心在珙縣—威信壹帶，在黔中古隆起附近厚度在40～120m之間，如貴州省甕安縣永和下寒武統牛蹄塘組黑色頁巖剖面實測厚度為117.31m。鄂西—渝東的恩施—秀山—桑植壹帶厚度超過100m。具體到研究區，下寒武統黑色頁巖主要發育在研究區的西南部和東北部，即古藺—畢節—仁懷壹帶，厚度超過60m，在恩施—黔江壹帶厚度超過80m。總體來看，研究區下寒武統黑色頁巖具有厚度大、分布範圍廣的特點。
圖2 湖北省鶴峰縣五裏鎮巖灣大橋下寒武統水井沱組黑色頁巖剖面（實測厚度87.6m）
1.2 有機質類型和含量
實驗結果表明，IH和H/C值分別小於50、0.5，難以準確標定不同母質類型的幹酪根。幹酪根δ13C能夠反映原始生物母質的特征，次生的同位素分餾效應不會嚴重掩蓋原始生物母質的同位素印記，普遍認為它是劃分高—過成熟烴源巖有機質類型的有效指標［9～11］。從對22塊樣品的同位素分析可知，下寒武統黑色頁巖的δ13C為-35.9‰～-29.5‰，平均為-32.6‰，按照幹酪根碳同位素小於-28‰為腐泥型（Ⅰ型）的標準，下寒武統黑色頁巖的有機質類型均屬腐泥型（Ⅰ型），是以海洋菌藻類為主的生源組合，其原始組分富氫、富脂質，具高生烴潛力。
在平面上，由於沈積環境是控制有機碳含量的主要因素，有機碳含量最高的區域通常為頁巖的沈積中心，形成川南—黔北—黔中和湘鄂西兩個有機碳高值區。川南—黔北—黔中壹帶的威信—畢節—貴陽壹帶為高值區，局部地區有機碳含量最大值超過5％，如貴州省金沙縣箐口村黑色頁巖實測有機碳含量為5.35％；湘鄂西的宜昌—五峰—鶴峰—鹹豐—龍山—酉陽—德江壹帶為有機碳含量高值區，局部地區有機碳含量可達5％以上，如貴州省松桃世昌和貴州省江口桃映的黑色頁巖實測有機碳含量分別高達8.55％和6.37％（圖4）。
圖3 川東南和鄂西渝東地區下寒武統黑色頁巖等厚圖
圖4 川東南和鄂西渝東地區下寒武統黑色頁巖有機碳含量等值線圖
1.3 成熟度和熱演化史
下寒武統黑色頁巖演化程度總體較高，在平面上，成熟度形成兩個高值區，即渝黔交界的丁山1井區附近和大方縣方深1井區附近，成熟度均超過4％，局部地區的成熟度超過5％。其余大部分地區成熟度大於3％，處於過成熟晚期階段（圖5），達到變質期，失去生氣能力，但根據美國頁巖氣勘探經驗，高成熟度條件下同樣能發育頁巖氣藏，但是其成藏條件較為復雜，需要根據頁巖的構造演化史和生排烴史進行研究。
圖5 川東南和鄂西渝東地區下寒武統黑色頁巖成熟度等值線圖
研究區可以劃分為川東高陡褶皺區、川南中低緩構造帶、黔中隆起和仁懷斜坡、湘鄂西褶皺帶等4個構造單元，不同的構造單元頁巖的埋藏史差別較大。頁巖的演化史需根據不同的構造單元具體問題具體分析，鑒於仁懷斜坡資料較少，頁巖演化史參考黔中隆起確定；湘鄂西褶皺帶的利川復向斜、中央背斜帶、花果坪復向斜、宜都-鶴峰背斜帶和桑植-石門復向斜頁巖演化史相近，歸為壹類進行研究。
1.3.1 川東高陡褶皺區
本區鉆井較多，以本區北部大池幹井構造上的池7井為例說明。上奧陶統—下誌留統黑色頁巖從沈積後到晚二疊世熱演化極緩慢，處於未熟—低熟階段（Ro ＜0.5％）；中二疊世的埋深使其開始進入液態烴生成階段；中侏羅世後，誌留系處於快速埋藏狀態，成熟度（Ro）值從1.3％迅速演化至2.2％，有機質演化至高成熟期，處於濕氣轉化階段；從白堊紀開始，大部分地區的誌留系頁巖成熟度（Ro）都超過了3％［12］，處於過成熟晚期階段，主要生成幹氣（圖6）。屬於長期淺埋—快速埋藏—長期深埋—快速擡升型，類似於美國目前頁巖氣產量最大的福特沃斯盆地Barnett頁巖的演化歷史。
圖6 川東大池幹井構造池7井誌留系埋藏史［12］
1.3.2 川南中低緩構造帶
本區頁巖屬於早期長時間淺埋—中早期長時間隆升—中期二次深埋—晚期快速擡升型，即下寒武統頁巖沈積後在誌留紀末期達到最大埋深，但其深度基本上小於2000m，成熟度較低，生排烴均較有限；而後到早三疊世的很長壹個時期內經歷了擡升，生烴作用停止；在中三疊世以後經歷了二次埋藏，達到生氣階段；白堊紀中期以後開始快速擡升，生烴作用停止。中早期的長期淺埋和長期隆升有利於有機質的保存，中期快速深埋有利於天然氣的生成，後期快速擡升不利於天然氣的排出，有利於頁巖氣聚集。如川南地區威2井寒武系底界在誌留紀末埋深達到2000m，Ro值達到0.8％，生成少量原油，隨後由於地層整體擡升遭受剝蝕，生烴過程停止，印支期以來再次快速埋藏，三疊紀為二次生烴階段，至白堊紀中期寒武系底界埋深超過6000 m，Ro超過2％，進入過成熟早期演化階段，白堊紀中期以後開始快速擡升，生烴作用停止［13］（圖7）。這壹類型的埋藏史和熱演化史與美國福特沃斯盆地Barnett頁巖氣藏較為相似，下誌留統黑色頁巖和下石炭統Barnett頁巖都具有早期生烴少（甚至未生烴）—生烴晚—長期深埋—快速隆升的特點，前者是在中三疊世開始生烴，達到最大成熟度以後生氣，壹直持續到中白堊世，而後擡升，生烴作用停止，但是擡升幅度有限；後者從晚石炭世開始生烴，在二疊紀、三疊紀和侏羅紀達到生烴高峰，並壹直延續至白堊紀末，而後擡升，生烴作用停止，擡升幅度亦有限。考慮到在Barnett頁巖中氣藏勘探獲得了巨大成功，在研究區具有這壹類型埋藏史和熱演化史的頁巖需要重點關註。與盆地內相比，位於盆地邊緣丁山1井的埋藏史和熱演化史具有早期生烴量大和後期擡升幅度大等特點，總體評價保存條件比盆地內威遠氣田等地區要差。
圖7 川南地區威2井埋藏史［13］
1.3.3 黔中隆起和仁懷斜坡
黔中隆起和仁懷斜坡的下古生界埋藏史和熱演化史屬於早期生烴—中期多次生排烴—晚期快速擡升（比四川盆地內擡升早）的特點，下寒武統黑色頁巖在早奧陶世開始進入生烴期（Ro＞0.5％），在誌留紀末達到最大埋深（Ro＞1％），出現生油高峰，隨後擡升剝蝕，生烴作用停止，二疊紀早期再次沈降，晚三疊世達到生氣階段，三疊紀末遭受擡升剝蝕，在晚侏羅世-早白堊世進壹步沈降，達到生幹氣階段，中白堊世以後擡升，生烴作用停止（圖8）。總體來講，這壹類型的頁巖埋藏史和熱演化史比四川盆地內要差，主要表現為早期生烴時間早且生烴量較大、中期經歷了多次生排烴和晚期擡升時間早且幅度大等不利因素。
1.3.4 湘鄂西褶皺帶
該地區頁巖埋藏史屬於長期持續埋藏—快速隆升型，下寒武統頁巖在寒武紀末期即達到生油高峰，中侏羅世成熟度已達到過成熟階段，燕山期以來快速擡升，生烴作用停止（圖9）。這壹類型的埋藏史和熱演化史與前兩類相比具有長期持續生烴、擡升時間較早（侏羅紀時期）和擡升幅度大等特征。由於擡升剝蝕改造持續時間長，且以褶皺擡升為特征，隆升幅度大，下古生界出露，在恩施-彭水中央復背斜帶和宜都-鶴峰復背斜帶，核部出露最老地層已是震旦系，下寒武統黑色頁巖遭受不同程度的剝蝕，暴露嚴重，保存條件較差，不利於頁巖氣聚集，頁巖氣發育條件較差；在花果坪復向斜帶北部和桑植-石門復向斜帶下寒武統黑色頁巖分布連續性較好，是該區頁巖氣勘探潛力較大的地區。
對比這3類埋藏史曲線不難發現，四川盆地內部以威遠氣田為代表的地區具有以下特?征：(1)在加裏東期以前基本沒有生烴，而另外兩個地區則生成了大量的油氣；(2)具有生氣高峰晚的特征，對於常規油氣藏來講，大氣田氣源巖生氣高峰的時代以古近紀為主，白堊紀、新近紀次之，且氣源巖生氣高峰的時代越老，形成大氣田所占比重越小［16，17］，筆者認為頁巖氣也不例外，根據美國頁巖氣勘探開發經驗判斷，生氣高峰越晚越好，如美國頁巖氣勘探開發最成功的福特沃斯盆地Barnett頁巖氣藏，威遠氣田的下寒武統頁巖生氣高峰為白堊紀中期，而黔中隆起附近和湘鄂西地區分別為白堊紀早期（在三疊紀還有壹次生氣高峰）和中侏羅世；(3)具有擡升時間晚的特征，在白堊紀中期以後擡升，另外兩個地區擡升時期為白堊紀早期和中侏羅世。這3個特征從頁巖埋藏史和熱演化史角度說明四川盆地內部下寒武統具有優越的頁巖氣成藏條件。?
圖8 黔中隆起區地層埋藏史［14］
圖9 鄂西地區鹹2井埋藏史［15］
1.4 深度
研究區的構造比較復雜，地層埋深變化比較大，且研究程度低，資料基礎薄弱，下寒武統黑色頁巖埋深總體變化比較明確，但是精確預測比較困難，勾畫埋深等值線難度更大。可以根據地層出露情況和地層厚度推測出大致的埋深範圍，本次研究按照地層出露的情況估算頁巖的埋深，並在重點區塊，有鉆井資料和地震資料的地方詳細刻畫頁巖的埋深。綜合分析南川幅、綦江幅、桐梓幅、遵義幅、涪陵幅和忠縣幅等1：20萬地質圖發現，可以采用桐梓幅的地層厚度初步預測頁巖的埋深，計算表明三疊系覆蓋的地區，寒武系底界的埋藏深度範圍為3759～5375 m，而在侏羅系覆蓋的區域，最小埋深超過6700m。
總體上看，下寒武統牛蹄塘組黑色頁巖的埋深主要有以下特征：
1）整體由東南向西北增加，最大埋深7500m。在研究區的東南部，大致沿著齊嶽山斷裂以東以南地區，即沿貴州金沙巖孔—遵義松林壹帶、貴州習水的土河場—潤南壹帶、重慶石柱太原壩壹帶、重慶秀山—貴州松桃縣壹帶、湖北省鶴峰縣五裏鎮—走馬鎮壹帶和湖北省長陽縣兩河口壹帶出露。在鄂西渝東地區石柱復向斜腹部，建深1井鉆探揭示下寒武統頁巖頂面在石柱復向斜內部埋藏深度達6500m，利1井鉆探揭示下寒武統頁巖頂面在利川復向斜內部埋藏深度介於3500～3600m之間，但在背斜區下寒武統頁巖埋藏深度為200～2500m［18］。向四川盆地方向下寒武統黑色頁巖的埋深加大，在習水縣附近和綦江縣丁山1井附近埋深為2000～5000m，在黔北地區（仁懷區塊）埋深在1000～4500m之間（圖10）。
2）埋藏深度受褶皺分布的控制明顯，在背斜遭受剝蝕；在向斜地區，由於上覆地層的存在，埋深較大。平面上從東南部向西北部加深，在研究區的西北部埋深較大，東南部埋深較小。
3）斷裂發育對目的層埋深影響明顯，在斷裂的下降盤，埋藏深度明顯變大，如在齊嶽山斷裂兩側，斷裂東部上升盤地層擡升出露、遭受剝蝕，而西部下降盤埋深較大，且離斷層越遠，埋深越大。
1.5 巖性-地化-物性-含氣性綜合剖面
通過野外觀察、剖面實測和實驗分析建立了研究區下寒武統頁巖的巖性-巖礦-地化-物性-含氣性綜合剖面，從剖面底部向上，隨著缺氧環境的破壞，巖性-巖礦-地化-物性-含氣性等指標在剖面上呈有規律的變化。如貴州省湄潭縣梅子灣下寒武統牛蹄塘組剖面，石英含量主要為52％～69％，平均為62.3％；粘土礦物含量主要為31％～46％，平均36.23％；有機碳含量在2.11％～6.2％之間，平均4.08％；兩塊樣品的成熟度分別為4.78‰和5.52‰。從下往上，隨著缺氧環境遭到破壞，巖性變化較大，矽質頁巖、炭質頁巖厚度較小，灰黑色/灰色頁巖、粉砂質頁巖厚度增加，直至完全過渡為灰色粉砂質、砂質頁巖或泥質粉砂巖，相應的有機碳含量呈減小趨勢，由於缺氧環境遭到破壞，海水變淺，導致石英含量減少和粘土礦物含量增加，成熟度、孔隙度和滲透率等指標在剖面上變化不大（圖11）。美國主要產氣頁巖也具有這種特征，即產氣頁巖段主要發育在頁巖層的下部［19，20］，結合研究區頁巖氣成藏控制因素、鉆井氣測顯示和巖性-地化-物性-含氣性綜合剖面等綜合分析認為，在下寒武統頁巖剖面的下部具有較好的頁巖氣發育條件，是頁巖氣藏發育的有利位置。
圖10 川東南和鄂西渝東地區下寒武統牛蹄塘組黑色頁巖出露和埋深簡圖
2 有利區優選和資源量計算
2.1 選區基礎和方法
有利區優選和資源量計算的主要根據是國土資源部油氣資源戰略研究中心頒發的“全國頁巖氣資源潛力調查評價及有利區優選項目——頁巖氣資源潛力評價與有利區優選方法”。
圖11 貴州省湄潭縣梅子灣下寒武統牛蹄塘組頁巖巖性-巖礦-地化-物性-含氣性綜合剖面
選區基礎：結合泥頁巖空間分布，在進行了地質條件調查並具備了地震資料、鉆井（含參數淺井）以及實驗測試等資料，掌握了頁巖沈積相特點、構造模式、頁巖地化指標及儲集特征等參數基礎上，依據頁巖發育規律、空間分布及含氣量等關鍵參數在遠景區內進壹步優選出有利區域。
選區方法：基於頁巖分布、地化特征及含氣性等研究，采用多因素疊加、綜合地質評價、地質類比等多種方法，開展頁巖氣有利區優選及資源量評價（表1）。
表1 海相頁巖氣有利區優選參考指標
2.2 有利區和資源量
綜合分析有機碳含量、成熟度、埋深、地表和演化史等條件認為，研究區下寒武統頁巖氣藏發育的有利區主要位於西南部和東北部，前者位於敘永—古藺—習水—丁山1井壹線以南，主要包括黔北仁懷區塊和綦江南區塊，後者主要指正安—道真—彭水—利川壹線東南的部分，主要包括湘鄂西Ⅰ區塊、湘鄂西Ⅱ區塊和黔渝彭水區塊的東南部（圖12）。
圖12 川東南和鄂西渝東地區下寒武統頁巖氣發育有利區
對研究區下寒武統頁巖氣發育有利區資源潛力評價單元計算表明，頁巖氣發育有利區地質資源量為1.06×1012～6.47×1012m3（中值3.09×1012m3），可采資源量為0.13×1012～0.78×1012m3（中值0.37×1012m3）（表2）。
表2 體積法計算研究區下寒武統頁巖層系頁巖氣有利區地質資源量
續表
3 結 論
1）研究區下寒武統頁巖氣藏發育的有利區主要位於西南部和東北部，前者位於敘永—古藺—習水—丁山1井壹線以南，後者主要指正安—道真—彭水—利川—線東南。
2）采用體積法計算出研究區下寒武統頁巖氣有利區地質資源量為（1.06～6.47）×1012m3（中值3.09×1012m3），可采資源量為（0.13～0.78）×1012m3（中值0.37×1012m3）。
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