孫 瑋 劉樹根 冉 波 王世玉 葉玥豪 羅 超 田夢娜

（油氣藏地質及開發(fā)工程國家重點實驗室（成都理工大學），成都610059）

四川盆地及周緣地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁巖是中國未來頁巖氣勘探開發(fā)的主要層系，近年來相關的研究工作非常多，而且部分地區(qū)已取得了突破性進展，如川南地區(qū)的威遠構造和長寧構造下寒武統(tǒng)頁巖氣的發(fā)現(xiàn)。且該套頁巖作為四川盆地的主力烴源的研究也較久，取得了大量的成果。本文綜合了前人的研究成果，加之多年來筆者對牛蹄塘組頁巖的基本情況的分析與認識，利用構造區(qū)劃分區(qū)，對每個分區(qū)的頁巖基本特征進行總結，以期對四川盆地及周緣地區(qū)牛蹄塘組頁巖氣的勘探與研究提供思路。

1 牛蹄塘組分布及有機地化特征

四川盆地及周緣牛蹄塘組以往是作為烴源巖來研究并取得了很多成果，如黃籍中（1986）[1]、騰格爾（2006）[2]、梁狄剛等（2008，2009）等[3，4]。這些成果對于認識該套頁巖的一些基本特征仍具有重要的參考價值。綜合上述成果和近年來研究認識的深入，該套頁巖表現(xiàn)的特征如下。

1.1 厚度平面分布特征

牛蹄塘組（其他地區(qū)或者叫九老洞組、筇竹寺組、長江溝組、水井沱組、九門沖組）是以灰色、黑色泥巖、粉砂巖為主的一套地層，一般情況下與上震旦統(tǒng)燈影組白云巖呈不整合接觸。這套地層分布廣、面積大，在四川盆地及周緣地區(qū)廣泛分布，厚度較大，平均厚度在180m，川東為20～100 m，川南為40～420m，川西南為50～300m，川中為25～180m，川北為25～120m，川西為0～100 m，大巴山為100～200m，鄂西渝東為120～500 m（圖1）。

a.牛蹄塘組的厚度以川南較大，盆地內該套地厚度可達400m（老龍1井、自深1井和宮深1井等），向南可以一直延伸到曲靖一帶，厚度一般都大于200m。

b.盆地內厚度較大的另一個地區(qū)是川北。厚度雖然較大，但分布較為局限，僅分布在米倉山一帶。向東延伸至大巴山一帶厚度開始減薄，一般在100～200m之間變化，如大巴山城口實測厚度為137.6m。

c.盆地周緣厚度較大的地區(qū)主要分布在鄂西渝東地區(qū)，以鄂參1井和咸2井為中心，形成了一個厚度較大的區(qū)域，如鄂參1井厚度可達512m。

圖1 四川盆地及周緣牛蹄塘組等厚圖Fig.1 Isopach map of Lower Cambrian Niutitang Formation in Sichuan Basin and surrounding areas

d.溶溪南松桃一帶的厚度也超過200m，形成了一個厚度較大的區(qū)域。

因此，從沉積厚度上來講，牛蹄塘組存在川南資陽—威遠—大窩頂、川北米倉山、鄂西和松桃4個較大的厚度區(qū)；四川盆地的中部廣大地區(qū)沉積較薄，一般厚度在100m左右。

1.2 有效頁巖段厚度分布特征

牛蹄塘組的有效厚度，一般指有機碳質量分數(shù)（wTOC）＞0.5%的厚度。牛蹄塘組的有效厚度與地層厚度展布有很大的不同，有效厚度較大的主要地區(qū)有4個（圖2）。

a.川南—黔中地區(qū)，以宜賓—長寧為中心，從威遠至自貢、瀘州、金沙巖孔，貴陽一帶的有效厚度一般大于60m，形成的分布范圍呈北西走向。

b.川北—大巴山地區(qū)，有效厚度自盆地向造山帶逐漸變厚，并呈漸變的趨勢。

c.鄂西渝東地區(qū)，有效厚度＞60m的區(qū)域向東變大，形成了一個以咸2井至銅仁北的一個厚度中心。

d.黔東南地區(qū)，黔山1井至銅仁南形成一個厚度＞60m的中心。

1.3 有機地球化學特征

圖2 四川盆地及周緣牛蹄塘組有效頁巖厚度及TOC等值線圖Fig.2 Effective shale thickness and TOC isoline map of the Niutitang Formation in Sichuan Basin and surrounding areas

該套頁巖有機質類型好，干酪根碳同位素δ13C值為－31.59‰，瀝青“A”族組分中以飽和烴為主，芳烴和瀝青質較低，屬I型干酪根。該層生烴能力強，生烴強度一般都大于2×106t／km2。

如圖2所示，牛蹄塘組有機質豐度高，有機碳的質量分數(shù)多數(shù)在0.5%～2%，均達到生油巖的標準。豐度最高的是川東和川南地區(qū)，川東有機碳的質量分數(shù)可達2.25%。有機碳質量分數(shù)最高的地區(qū)主要是甕安地區(qū)，實測數(shù)據可達9.85%，盆地內威遠可達2.9%，川南地區(qū)也超過2.5%?？傮w上，該套烴源的有機碳含量較高；低值區(qū)主要分布在川中一帶，但這個低值區(qū)僅是依靠女基井的數(shù)據而圈出的范圍；川中至川北及川東北是否真的如此低，還有待進一步的研究。

大部分地區(qū)Ro都超過2.5%，表明成熟度高，普遍都達到過成熟階段；較低值的地區(qū)主要為川北和大巴山地區(qū)。川北龍門山地區(qū)田1井下寒武統(tǒng)撈獲石油，青川地區(qū)下寒武統(tǒng)見軟瀝青，大巴山巫溪燈影組油苗等都表明該區(qū)的成熟度較低。

1.4 厚度分布與有效頁巖段厚度分布比較

總體上來講，雖然組厚較大的地區(qū)一般有效頁巖段較厚，但牛蹄塘組厚度與有效頁巖段厚度并不一致。如丁山1井筇竹寺組厚度達189m，其有效厚度僅有2m，占總厚的1.05%；川中的高科1井厚度為141.5m，有效厚度為40m，占總厚的28.3%。差異最大的地區(qū)是川南地區(qū)雷波—昭通一帶，該地區(qū)的組厚分布主要走向是北東向，而有效厚度的分布則為北西向。除川南之外，還有黔中古隆起東緣、川中—鄂西渝東地區(qū)的組厚與有效頁巖厚度分布差異較大。

組厚與有效厚度變化較一致的區(qū)域有川南地區(qū)自貢—宜賓一帶、川北米倉山一帶和渝東南秀山一帶。組厚與有效厚度變化的不一致性對于頁巖氣的勘探有重要影響。

從盆地內鉆達燈影組的高科1井和盆地邊緣的丁山1井的測井曲線上分析（圖3），高科1井筇竹寺組有效厚度段主要集中于下部，自然伽馬曲線有一個明顯的突然增大；除此之外，深淺雙側向曲線也有一個明顯的變化過程，顯示該段可能有氣顯示的特征。與之對應的丁山1井的曲線特征完全不同，沒有這樣的一個高值變化，深淺雙側向也無變化，與該組有效厚度僅1m是相對應的。女基井由于是很久以前鉆探的，數(shù)據較少，但自然伽馬曲線也具有同樣的特征。因此，從測井曲線上分析也可以清楚地分析有效頁巖段的分布，其特征是：明顯的自然伽馬高值；較明顯的深淺雙側向曲線變大；密度有一個相對的變小。

從巖性上來看，丁山1井的下部是碳酸鹽巖、粉砂質泥巖和泥巖的混積，而高科1井相應的地層是黑色泥巖。從厚度上來看，丁山1井也要厚于高科1井，顯示了從丁山1井向高科1井由臺地邊緣相向深水盆地相過渡的特征。

圖3 高科1井、女基井、丁山1井牛蹄塘組（筇竹寺組、九老洞組）測井柱狀對比圖Fig.3 Columnar contrast of the log data of Well Gaoke 1，Well Nüji and Well Dingshan 1in the Niutitang Formation（Qiongzhusi Formation，Jiulaodong Formation）

而且TOC值明顯與有效頁巖厚度具有一致性，加之有效頁巖層段多集中在下部，有理由認為早寒武世沉積初期四川盆地存在一個隆起，環(huán)隆起北緣形成米倉山—大巴山、威遠—貴陽、鄂西深水盆地。川北城口下寒武統(tǒng)頁巖內夾有很多灰質滑塌體，說明了這種構造－沉積格局存在的可能性。筇竹寺組沉積后期這些深水盆地被填平補齊，主要是碎屑巖和碳酸鹽巖沉積，黑色頁巖發(fā)育也就消失。

2 牛蹄塘組沉積特征

四川盆地及周緣牛蹄塘組的巖性較穩(wěn)定，主要可以分為2段：下段，為一般意義上的黑色頁巖段，主體為黑色頁巖夾粉砂質頁巖和硅質巖；上段，巖性較為復雜，總體上砂質含量向上逐漸增加。從盆地及周緣的3口鉆井來看，下段巖性的自然伽馬值較高，體現(xiàn)為泥質含量高。但女基井下段底部發(fā)育36.5m黑色粉砂質頁巖，頁理發(fā)育，整體砂質含量較高。上段則是以巖屑石英或長石石英砂巖為主，夾有白云巖薄層；同時，女基井的巖層厚度也較兩側明顯變薄。

從厚度和巖性變化來看，當時四川盆地存在一個明顯的古隆起。該古隆起以南充—廣安—綦江為中軸，分別向川北米倉山—大巴山、鄂西渝東和川南變深（圖2）。該期古地理格局總體為中部高，向北部、向東部和向南部加深。四川盆地的沉積環(huán)境總體上表現(xiàn)為陸棚→斜坡→深水盆地的轉變：（1）陸棚相，總體巖性為灰黑色粉砂質泥巖；（2）斜坡相，總體巖性為黑色薄層碳質頁巖及深灰色薄層含磷硅質巖或硅質巖，可見滑塌體；（3）深水盆地相，總體巖性為黑色薄層碳質頁巖或薄層硅質巖，含黃鐵礦晶粒、磷鐵質結核，水平紋層發(fā)育。

形成這樣的古地理格局，與該區(qū)構造背景有很大的關系。下伏燈影組白云巖在整個四川盆地及周緣均有分布；但由于桐灣運動抬升剝蝕的影響，與牛蹄塘組為不整合接觸關系（卓皆文等，2009；汪正江等，2011）[5，6]。從白云巖直接到黑色頁巖，與Rodinia大陸的裂解有很大關系，上揚子地區(qū)由于興凱地裂運動的發(fā)育形成的拉張槽有利于深水黑色頁巖的發(fā)育[7]，因此進一步研究該區(qū)巖相發(fā)育情況，對于頁巖有利區(qū)的尋找有著較為重要的意義。

3 牛蹄塘組頁巖氣有利選區(qū)評價

四川盆地及周緣按構造可劃分為幾個大的區(qū)域：川北拗陷帶、大巴山前緣推覆構造帶、川西前陸盆地、川中低隆帶、川南復合構造帶、川東隔檔式構造帶、川東—鄂西過渡帶、鄂西渝東隔槽式構造帶及雪峰推覆帶（圖4）。目前頁巖氣勘探的評價主要利用總有機碳含量（TOC）、成熟度（Ro）、干酪根類型、生烴率、總含氣量和埋深這6個參數(shù)。由于四川盆地及周緣這2套烴源的有機質干酪根類型都是腐泥型，屬于有利參數(shù)，加之深埋過程頁巖層一般都達到成熟—過成熟階段，符合形成頁巖氣的有利條件，因此對這2個參數(shù)未作太多的研究。

圖4 四川盆地及周緣地質略圖及分區(qū)Fig.4 Schematic geological map and divisions of Sichuan Basin and surrounding areas

四川盆地及周緣上述構造帶的頁巖氣主要特征如表1所示，所選參數(shù)標準主要包括：（1）wTOC＞2%；（2）埋深＜4km；（3）有效厚度＞30m（張金川等，2003，2004）[8，9]，按此標準對這些地區(qū)綜合分析之后，得出以下認識：

a.最為有利的地區(qū)依然是川南復合構造帶。該區(qū)由于構造抬升作用的影響，埋深適中的構造多（下志留統(tǒng)埋深1.5～3.5km，下寒武統(tǒng)埋深2.9～4.5km），加之封閉條件好，因此是頁巖氣勘探的首選區(qū)域。

b.其次是鄂西—渝東南地區(qū)。該區(qū)的最大優(yōu)勢在于埋藏較淺，下寒武統(tǒng)埋深為1～3.5km，有機碳含量高，有效厚度也合適。但該區(qū)不利的因素是剝蝕區(qū)太多，水動力條件較強，屬于自由水交替區(qū)，構造復雜，斷裂發(fā)育，對于頁巖氣的保存有一定破壞作用；而且主要是山地，勘探開發(fā)難度較大，因此需要加強進一步的研究和論證。

c.大巴山前緣地區(qū)是一個潛在的遠景有利區(qū)。該區(qū)TOC、埋深和有效厚度都符合有利區(qū)的條件，但該區(qū)構造復雜，斷裂作用的影響不清楚，因此需要進一步研究。

d.川西地區(qū)、川北地區(qū)和川東地區(qū)由于埋藏過深，都超過了7km，川中地區(qū)缺失下志留統(tǒng)，下寒武統(tǒng)的埋深超過5km。雖然這些地區(qū)的其他條件都比較合適，但埋深太大就制約了頁巖氣的勘探、開發(fā)。

總體上來講，牛蹄塘組頁巖的條件比較好，但是制約該套頁巖發(fā)育的不利條件有3個：①埋深，該套頁巖在盆地內的埋藏太深，多數(shù)地區(qū)都超過7km，因此勘探開發(fā)上成本太高，非常不利。②保存條件，除了川南外，這套頁巖埋藏淺的地區(qū)多是構造活動復雜、斷裂發(fā)育的地區(qū)，地表條件較差，保存條件也差，并且目前對頁巖的影響的研究也比較少。③演化時間長，作為烴源已無繼續(xù)生烴的能力，加之多期構造運動對其影響，特別是喜馬拉雅期隆升作用對頁巖氣保存的影響目前還缺少研究。

表1 四川盆地及周緣地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁巖基本特征表Basic characteristics of the shale in Lower Cambrian of Sichuan Basin and surrounding areas

因此，對于牛蹄塘組頁巖來講，不利條件較多，勘探較難。最為有利的地區(qū)是川南地區(qū)，埋深、保存條件都較好。其次是鄂西渝東地區(qū)，該地區(qū)一些向斜中的牛蹄塘組埋藏淺，保存條件好，具有勘探前景。除此之外，黔中地區(qū)的下寒武統(tǒng)也是具有良好的勘探開發(fā)前景的地區(qū)。大巴山前緣是一個潛在的勘探有利區(qū)。

4 結論

a.四川盆地及周緣地區(qū)牛蹄塘組頁巖除川西南有剝蝕外，其他地區(qū)都有分布，且有效頁巖段厚度大，主要集中在牛蹄塘組下段，由川中地區(qū)向北、向東和向南逐漸變厚，厚度一般在40m之上。有機碳的質量分數(shù)也高，多數(shù)地區(qū)＞2%。成熟度高，已至成熟晚期－過成熟早期。

b.牛蹄塘組頁巖埋深較大，演化時間長，保存條件復雜，因此勘探開發(fā)均有難度。四川盆地的西部、北部和東部該套頁巖埋深超過7km，只能作為潛力區(qū)；勘探最有利的地區(qū)是川南地區(qū)，其次有利的地區(qū)為鄂西渝東地區(qū)。大巴山前緣是一個潛在的勘探有利區(qū)。

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