馬文辛 劉樹根 黃文明 曾祥亮 張長俊 王 佳

（1.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（成都理工大學(xué)），成都610059；2.中國石油川慶鉆探工程有限公司 地質(zhì)勘探開發(fā)研究院，成都610051）

頁巖氣是一種廣分布、低豐度、易發(fā)現(xiàn)、難開采的連續(xù)型非常規(guī)低效氣藏，具有典型的自生自儲、近原地成藏富集的特點(diǎn)[1－13]。美國和加拿大是目前實(shí)現(xiàn)頁巖氣工業(yè)開發(fā)的國家。近年來，在鉆井、完井工藝技術(shù)進(jìn)步和天然氣價(jià)格高漲推動下，頁巖氣的勘探領(lǐng)域越來越廣，對頁巖氣資源的認(rèn)識迅速提高，估計(jì)全球最終頁巖氣資源量將超過1 000×1012m3[9，11，14]。下寒武統(tǒng)筇竹寺組是中上揚(yáng)子（特別是四川盆地）一套重要的烴源巖，是威遠(yuǎn)震旦系氣田（探明儲量40.861×109m3）和寒武系氣藏的主力烴源巖[10]。另外，盆地內(nèi)部眾多以震旦系燈影組為目的層位的鉆井和盆緣燈影組露頭中儲層瀝青的地化證據(jù)顯示，其油源為筇竹寺組[15，16]。經(jīng)估算威遠(yuǎn)－資陽震旦系古油藏原油量達(dá)1.701×109t[17]；川東南緣林灘場震旦系古油藏原油量達(dá)0.863×109t[15]；龍門山－米倉山地區(qū)震旦系古油藏原油量約為11.5×109t。這充分說明筇竹寺組在地質(zhì)歷史中曾生成過大量的液態(tài)烴類，是一套高品質(zhì)的烴源巖。

中國在頁巖氣研究方面，落后于美國，但進(jìn)步較迅速。特別是近幾年來針對四川盆地下寒武統(tǒng)筇竹寺組開展了大量的科學(xué)研究和國際合作，中國石油和美國頁巖氣公司在威遠(yuǎn)構(gòu)造合作勘探開發(fā)頁巖氣，并于2011年在威201井獲得了初步突破，測試2段，每段獲天然氣10 000m3／d。而在四川盆地周緣寒武系暗色泥巖較威遠(yuǎn)構(gòu)造更為發(fā)育[18]，故盆地周緣寒武系具有更廣闊的頁巖氣勘探前景。此外，頁巖氣具有近原地成藏的特點(diǎn)，因此，需重點(diǎn)加強(qiáng)針對泥頁巖基本特征，尤其是儲層特征的研究[11]。本文通過地表和井下研究相結(jié)合，采用巖石學(xué)和地球化學(xué)等技術(shù)方法，深入分析了四川盆地周緣地區(qū)下寒武統(tǒng)泥頁巖的儲層特征，并討論頁巖氣的勘探前景。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

四川盆地位于中國西部，四面環(huán)山（圖1）。其沉積蓋層從上元古界震旦系燈影組至第四系均有分布[10]。下寒武統(tǒng)由筇竹寺組（川東南稱牛蹄塘組，川中稱九老洞組，鄂西渝東稱水井沱組，川北稱郭家壩組）、滄浪鋪組、明心寺組、清虛洞組組成。早寒武世，研究區(qū)古地理背景總體保持北西高、南東低的格局，四川盆地由東向西廣泛海侵[18]。早寒武世在四川盆地發(fā)生了興凱地裂運(yùn)動，強(qiáng)烈的拉張背景致使盆地發(fā)育凹陷槽和形成眾多熱液成因黑色硅質(zhì)頁巖或硅巖[19]。

圖1 四川盆地區(qū)域構(gòu)造簡圖Fig.1 Regional tectonics map of Sichuan Basin

在盆地東緣的恩施、秀山等地區(qū)為深水陸棚，而盆地內(nèi)部主要為一套淺海陸棚相沉積，僅在川南瀘州－宜賓存在一個(gè)小范圍的深水陸棚[13]。但在垂向上，筇竹寺組巖性具有明顯的變化[11，20]。其主要表現(xiàn)為一套黑色碳質(zhì)泥頁巖、灰色含粉砂泥巖、粉砂巖、細(xì)砂巖、灰?guī)r及含泥灰?guī)r等（圖2，圖3）?？傮w上，筇竹寺組表現(xiàn)出沉積水體向上逐漸變淺，砂質(zhì)、灰質(zhì)含量逐漸增多、巖石顏色逐漸變淺的特征（圖2）。筇竹寺組厚度變化大，介于60～400m間，共存在川北廣元－南江、川東北萬源、川南瀘州3個(gè)沉降中心，在中心處厚度可達(dá)400m。筇竹寺組下部泥巖厚度為20～240m，在湘西－黔北－瀘州－自貢一帶厚度較大。筇竹寺組泥頁巖與地層厚度比值，在古隆起南斜坡的威遠(yuǎn)地區(qū)和川南地區(qū)較高，而在渝東地區(qū)和米倉山地區(qū)則相對較低。下部黑色碳質(zhì)泥頁巖在川東南地區(qū)的厚度在60～200m，在川北和渝東地區(qū)不發(fā)育。四川盆地地表一般出露侏羅系－白堊系（威遠(yuǎn)氣田為三疊系），筇竹寺組埋藏較深（一般＞3km），在周緣造山帶核部筇竹寺組有出露。

2 巖相特征

筇竹寺組由多種巖相組成，主要為黏土－粉砂級細(xì)粒沉積。此外，筇竹寺組下部巖性顏色較上部更暗，表明其沉積水體的還原性更強(qiáng)、水體流動更加不暢，有利于有機(jī)質(zhì)的富集和保存。因此，下面將重點(diǎn)討論下部的巖相學(xué)特征。根據(jù)礦物成分、碎屑、生物和結(jié)構(gòu)特征不同，可將研究區(qū)筇竹寺組下部分為7種主要巖相。

a.富有機(jī)質(zhì)（碳質(zhì)）非紋層狀泥頁巖（圖4－A，B）。該類巖石主要分布在筇竹寺組底部，有機(jī)質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，一般在4%～15%；但部分樣品因有機(jī)質(zhì)高成熟而顯炭化特征，呈集合體斑塊狀分布。巖石中常見少量均勻分布的微粒石英，呈棱角狀，不顯紋層狀。上述特征反映巖石是在較深、安靜的水體中沉積的，微粒石英是通過風(fēng)力搬運(yùn)或經(jīng)海水懸移搬運(yùn)到深水區(qū)。

b.泥巖（圖4－C，D）。泥巖主要分布筇竹寺組中上部，質(zhì)純，泥質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在90%以上?？珊猩倭康奈ⅲ哿Ｊⅲ植驾^分散，或充填生物蟲孔等洞穴，不顯紋層狀。常見零星分布的黃鐵礦和有機(jī)質(zhì)。該類巖石在后期常形成各種裂縫，可被自生石英和方解石充填。

c.鈣質(zhì)泥巖。該類巖石以泥質(zhì)為主，泥質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在59%～78%，含少量方解石（10%～18%），有機(jī)質(zhì)、黃鐵礦呈斑塊分布。泥巖中黏土礦物X射線衍射分析表明，伊利石的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在67%～70%，伊利石結(jié)晶度在0.44%～0.49%。該類巖石有機(jī)質(zhì)和鐵質(zhì)含量較高，它們的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為4%～15%和3%～10%，常呈條紋狀分布，導(dǎo)致巖石顯紋層狀構(gòu)造。

圖2 四川盆地周緣地表剖面及鉆井筇竹寺組對比圖Fig.2 Correlation between the columnar sections of the outcrops and wells in the Lower Cambrian Qiongzhusi Formation of Sichuan Basin and surrounding areas

d.粉砂巖（圖4－E）。該類巖石成分復(fù)雜，根據(jù)顆粒類型不同，可細(xì)分為（灰質(zhì)）長石粉砂巖、巖屑長石粉砂巖。分選好，粒徑一般為0.04～0.07 mm，次棱角狀。長石含量高，顆粒細(xì)，分布均勻，以鉀長石為主，少量斜長石，黏土化，個(gè)別方解石化。巖屑成分較單一，為基性噴出巖屑，少量針狀碎片，偶見重礦物鋯石。粒間填隙物主要為黏土質(zhì)，部分綠泥石化，少量方解石及白云石膠結(jié)，顆粒呈點(diǎn)線接觸。鐵質(zhì)晶粒細(xì)小，晶形差，零星分布。部分石英粉砂巖的石英粒間常為泥質(zhì)和有機(jī)質(zhì)充填，其中有機(jī)質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在3%～7%。在該類巖石中，裂縫較發(fā)育，但多為后期的方解石和石英完全充填。

e.紋層狀粉砂質(zhì)泥巖或泥質(zhì)粉砂巖（圖4－F）。該類巖石在筇竹組下部和中部十分發(fā)育，根據(jù)石英（可含少量長石）含量分為粉砂質(zhì)泥巖或泥質(zhì)粉砂巖。在前者中，石英的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般在10%～35%，主要由粉粒石英組成，分選好，粒徑為0.01～0.03mm，部分粒徑≤0.01mm，為隱晶硅質(zhì)；磨圓度較差，呈棱角狀－次棱角狀分布。在后者中，石英占主導(dǎo)，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般在50%～87%；可見少量的黃鐵礦或有機(jī)質(zhì)，常呈紋層狀分布。此外，在上述2種巖性上，一般0.03～0.04 mm相對較粗顆粒呈條紋狀分布，其間由碳酸鹽膠結(jié)，鐵質(zhì)晶粒細(xì)小，一般＜0.02mm，晶形差，分布較密集。石英含量的分布特征反映該類巖石在沉積時(shí)水動力能量變化頻繁。

圖3 下寒武統(tǒng)筇竹寺組剖面和巖心照片F(xiàn)ig.3 Section and core photos of Qiongzhusi Formation

f.（含）硅質(zhì)泥巖（圖4－G）。黏土巖中碎屑顆粒零星分布或少見，粒徑小，一般為0.02～0.03 mm，次棱角狀。少見針狀云母及云質(zhì)斑晶，富含隱晶硅質(zhì)，晶粒極細(xì)小，顯暗灰色，分布均勻，為火山凝灰質(zhì)蝕變產(chǎn)物。鐵質(zhì)含量高，分布均勻，晶粒極細(xì)小，一般在0.01mm左右，個(gè)別為0.02～0.03mm，晶形差。

g.鈣質(zhì)粉砂巖或粉砂質(zhì)灰?guī)r（圖4－H）。該類巖石主要分布在筇竹寺組上部，由微－粉粒方解石和粉粒石英組成。在鈣質(zhì)粉砂巖中，鈣質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化大，在15%～40%；鈣質(zhì)主要分布在粉粒石英之間，可部分交代石英顆粒，常見有未交代的殘余結(jié)構(gòu)。少見黃鐵礦和有機(jī)質(zhì)。在粉砂質(zhì)灰?guī)r中，方解石的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般在70%～90%，石英呈分散狀分布于巖石中，方解石交代石英程度高。在這2類巖石中，常見有交錯(cuò)層理、波紋層理和沙紋層理。

圖4 下寒武統(tǒng)筇竹寺組顯微照片F(xiàn)ig.4 Micrographs of Qiongzhusi Formation

3 礦物組分特征

圖5 丁山1井、林1井，和青竹園、沙灘剖面中筇竹寺組頁巖礦物組成三角圖Fig.5 Triangular diagram of mineral compositions of the Qiongzhusi Formation shale in Well Dingshan 1，Well Lin 1and outcropped Qingzhuyuan，Shatan

頁巖的礦物組成與有機(jī)碳含量和有機(jī)質(zhì)成熟度是頁巖儲層發(fā)育的3個(gè)最重要因素[1，7，11]。丁山1井、林1井，青竹園、沙灘剖面筇竹寺組下部頁巖礦物成分統(tǒng)計(jì)表明（圖5），2口探井和2個(gè)重點(diǎn)剖面筇竹寺組下部黏土礦物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均值分別為38.5%（1.5%～71.9%）、64.5%（9%～82.2%）、34.8%（25%～54%）、48.5% （15%～73%），石英的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為38.5%（3%～64.35%）、14.5%（3%～60%）、52.4%（40%～60%）、38.3%（10%～73%），長石的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)分 別 為 21.3%（0.5%～35.5%）、3% （1%～6%）、2%（0.5%～2.5%）、1.8%（0.3%～3%），碳酸鹽礦物的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.5%（0.3%～30%）、13.8%（3%～28%）、10.8%（5%～18%）、25.6%（7%～86%），瀝青質(zhì)的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%（2%～12%）、6.7%（1%～15%）、3%（2%～5%）、8.5%（1%～12%）。

頁巖中陸源碎屑石英和長石占絕大多數(shù)，它們呈紋層狀或分散狀、斑塊狀分布，顆粒大小一般在0.01～0.07mm。筇竹寺組底部除上述成因的石英外，還偶見成巖自生的石英，如在丁山1井的3 392～3 406m段，可見隱晶質(zhì)硅質(zhì)，粒徑＜0.01mm，分布均勻，為火山凝灰物質(zhì)蝕變產(chǎn)物，平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為17.2%（12%～26%）。硅質(zhì)常表現(xiàn)為含硅質(zhì)粉砂質(zhì)泥巖或硅質(zhì)泥巖。

筇竹寺組下部巖石中長石由斜長石和鉀長石組成，但以鉀長石為主。長石黏土化程度較高，部分為方解石及白云石交代或半交代，僅剩部分殘留晶核。碳酸鹽主要由方解石和白云石組成，以交代陸源礦物或少部分以膠結(jié)物形式存在。黏土礦物少量綠泥石化。瀝青質(zhì)主要分布在筇竹寺組底部的黑色碳質(zhì)泥頁巖或粉砂質(zhì)泥巖中。

4 孔隙特征

近幾年，美國頁巖氣的成功勘探和開發(fā)極大地推動了針對頁巖結(jié)構(gòu)和構(gòu)造特征的相關(guān)研究。經(jīng)證實(shí)，頁巖中實(shí)際上含有大量的孔隙和裂縫，可作為良好的天然氣儲層[21，22]。而且，由于頁巖內(nèi)部碳酸鹽礦物或各種易蝕變礦物存在，導(dǎo)致頁巖內(nèi)部形成各種各樣的次生孔隙，并且在很大程度上次生孔隙較原生孔隙更為發(fā)育[11]。

通過掃描電鏡研究發(fā)現(xiàn)，筇竹寺組泥頁巖中納米級孔隙、微孔隙和微裂縫十分發(fā)育（圖6）。納米級孔隙度約為1%～3%。林1井筇竹寺組底部黑色碳質(zhì)頁巖在掃描電鏡下可見多種類型孔隙：自生方解石晶間孔隙、黏土礦物晶間孔隙、長石溶蝕孔隙、泥巖內(nèi)部陸源碎屑石英粒間孔隙及其他溶孔等。各類孔隙常呈孤立狀，或由狹長平直的喉道連接，孔隙直徑5～30μm。此外，筇竹寺組泥巖中微裂縫十分發(fā)育，裂縫寬一般在2μm左右，延伸寬度一般在50～120μm。而在取心段，亦可見各種裂縫或巖心常呈餅狀破裂。

林1井筇竹寺組泥巖（8個(gè)樣品）氦氣法孔隙度平均值為1.1%（0.95%～1.25%），平均滲透率為0.005×10－3μm2（0.004×10－3～0.008×10－3μm2）。丁山1井筇竹寺組底部灰黑色含炭泥巖（6個(gè)樣品）氦氣法平均孔隙度為0.84%（0.79%～0.93%），平均滲透率為0.006×10－3μm2（0.005×10－3～0.007×10－3μm2）。

5 結(jié)論

a.四川盆地周緣筇竹寺組厚度40～400m，為一套黑色碳質(zhì)泥頁巖、灰色含粉砂泥巖、粉砂巖、細(xì)砂巖、灰?guī)r及含泥灰?guī)r建造，表現(xiàn)出沉積水體逐漸向上變淺，砂質(zhì)、灰質(zhì)含量逐漸增多，巖石顏色逐漸變淺的特征。主要為深水陸棚－淺水陸棚－濱岸沉積。

b.四川盆地周緣筇竹寺組下部泥巖厚度20～240m，在湘西－黔北－瀘州－自貢一帶厚度較大。筇竹寺組泥質(zhì)巖與地層厚度比值表現(xiàn)為在古隆起南斜坡的威遠(yuǎn)地區(qū)和川南地區(qū)比較高，而在渝東地區(qū)和米倉山地區(qū)則相對較低。下部黑色碳質(zhì)泥頁巖在川東南地區(qū)的厚度在60～200m，在川北和渝東地區(qū)不發(fā)育。

圖6 四川盆地周緣筇竹寺組顯微電鏡照片F(xiàn)ig.6 Micropores and microfractures（SEM）in the Qiongzhusi Formation shale

c.筇竹寺組下部巖性主要由富有機(jī)質(zhì)（碳質(zhì)）非紋層狀泥頁巖、泥巖、鈣質(zhì)泥巖、粉砂巖、紋層狀粉砂質(zhì)泥巖或泥質(zhì)粉砂巖、（含）硅質(zhì)泥巖、鈣質(zhì)粉砂巖或粉砂質(zhì)灰?guī)r7種巖性構(gòu)成。

d.筇竹寺組頁巖中石英和長石占絕大多數(shù)，它們呈紋層狀或分散狀、斑塊狀分布，顆粒大小一般在0.01～0.07mm。除陸源石英外，還可見隱晶質(zhì)硅質(zhì)，粒徑＜0.01mm，為火山凝灰物質(zhì)的蝕變產(chǎn)物，平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為17.2%。硅質(zhì)常表現(xiàn)為含硅質(zhì)粉砂質(zhì)泥巖或硅質(zhì)泥巖。下部頁巖中常見瀝青質(zhì)，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%～12%。

e.川東南地區(qū)筇竹寺組巖心平均孔隙度為0.79%～1.25%，滲透率為0.004×10－3～0.008×10－3μm2。微孔隙發(fā)育，約為2%～3%，主要為自生方解石晶間孔隙、黏土礦物晶間孔、長石溶蝕孔、泥巖內(nèi)部陸源碎屑石英粒間孔隙及其他溶孔和微裂縫等。微裂縫規(guī)模一般在2μm×（50～120μm）左右。

[1]Curtis J B.Fractured shale－gas systems[J].AAPG Bulletin，2002，86（11）：1921－1938.

[2]張金川，金之鈞，袁明生.頁巖氣成藏機(jī)理和分布[J].天然氣工業(yè)，2004，24（7）：15－18.

[3]李延鈞，劉歡，劉家霞，等.頁巖氣地質(zhì)選區(qū)及資源潛力評價(jià)方法[J].西南石油大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011，33（2）：28－34.

[4]張金川，汪宗余，聶海寬，等.頁巖氣及其勘探研究意義[J].現(xiàn)代地質(zhì)，2008，22（4）：640－646.

[5]劉成林，李景明，李劍，等.中國天然氣資源研究[J].西南石油學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，26（1）：9－12.

[6]Hill J R，Zhang E T，Katz J B，et al.Modeling of gas generation from Barnett Shale，F(xiàn)orth Worth basin，Texas[J].AAPG Bulletin，2007，91（4）：501－521.

[7]Jarvie M D，Hill J R，Pollastro M R.Assessment of the gas potential and yields from shales：The Barnett Shale model[C]／／Unconventional energy resources in the Southern Mid－continent，2004sysposium.Leonard：Oklahoma Geological Survey Circular 110，2005：37－50.

[8]Jarvie M D，Hill J R，Roble E M，et al.Unconventional shale－gas system：The Mississippian Barnett shale gas of North－Central Texas as one model for thermogenic shale－gas assessment[J].AAPG Bulletin，2007，91（4）：475－499.

[9]Jarvie M D.Unconventional shale resource plays：shale gas and shale－oil opportunities [M].Texas：Christian University Worldwide Geochemistry，2008.

[10]劉樹根，曾祥亮，黃文明，等.四川盆地頁巖氣藏和連續(xù)型－非連續(xù)型氣藏基本特征[J].成都理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009，36（6）：578－592.

[11]劉樹根，馬文辛，Luba J，等.四川盆地東部地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖儲層特征[J].巖石學(xué)報(bào)，2011，27（8）：2239－2252.

[12]曾祥亮，劉樹根，黃文明，等.四川盆地志留系龍馬溪組頁巖與美國Fort Worth盆地石炭系Barnett組頁巖地質(zhì)特征對比[J].地質(zhì)通報(bào)，2011，30（2／3）：372－384.

[13]黃文明，劉樹根，馬文辛，等.川東南－鄂西渝東地區(qū)下古生界頁巖氣勘探前明[J].地質(zhì)通報(bào)，2011，30（2／3）：364－371.

[14]董大忠，程克明，王世謙，等.頁巖氣資源評價(jià)方法及其在四川盆地的應(yīng)用[J].天然氣工業(yè)，2009，29（5）：33－39.

[15]Liu S G，Zhang Z J，Huang W M，et al.Formation and destruction processes of upper Sinian oil－gas pools in the Dingshan－Lintanchang structural belt，southeast Sichuan Basin，China[J].Petroleum Science，2011，7：289－301.

[16]黃文明，劉樹根，馬文辛，等.深層海相碳酸鹽巖優(yōu)質(zhì)儲層的形成、保存和破壞機(jī)制——以四川盆地震旦系—志留系為例[J].地質(zhì)科學(xué)，2011，46（3）：875－895.

[17]馬文辛，劉樹根，黃文明.古油藏及其對天然氣藏的控制作用研究進(jìn)展[J].地質(zhì)科技情報(bào)，2010，29（4）：89－99.

[18]梁狄剛，郭彤樓，陳建平，等.中國南方海相生烴成藏研究的若干新進(jìn)展（一）：南方四套區(qū)域性海相烴源巖的分布[J].海相油氣地質(zhì)，2008，13（2）：1－16.

[19]Luo Z L，Jin Y Z，Zhao X K.The Emei taphrogenesis in the Upper Yangtze platform [J].Geological Magazine，1990，127（5）：393－405.

[20]黃文明.四川盆地下古生界油氣地質(zhì)條件及勘探前景[D].成都：成都理工大學(xué)檔案館，2011.

[21]Loucks R G，Ruppel S C.Mississippian Barnett Shale：Lithofacies and depositional setting of a deepwater shale－gas succession in the Fort Worth Basin，Texas[J].AAPG Bulletin，2007，91（4）：579－601.

[22]Loucks R G，Reed R M，Ruppel S C，et al.Morphology，genesis，and distribution of nanometerscale pores in siliceous mudstones of the Mississippian Barnett Shale[J].Journal of Sedimentary Research，2009，79：848－861.