胡 潤，陳義才，鄭海橋，童小俊 任東超 孫超亞

(成都理工大學(xué)能源學(xué)院，四川成都 610059)

涪陵-重慶地區(qū)龍馬溪組頁巖地化特征及頁巖氣資源潛力評價

胡 潤，陳義才，鄭海橋，童小俊 任東超 孫超亞

(成都理工大學(xué)能源學(xué)院，四川成都 610059)

四川盆地東部涪陵-重慶地區(qū)龍馬溪組發(fā)育深水陸棚環(huán)境，現(xiàn)今埋藏深度多數(shù)在2 000～3 500 m，具有頁巖氣成藏和開發(fā)的有利條件。根據(jù)四川盆地東部涪陵-重慶地區(qū)鉆井資料,結(jié)合前人關(guān)于龍馬溪組沉積相帶研究成果，綜合分析龍馬溪組頁巖的有機(jī)質(zhì)豐度、類型及成熟度特征。研究認(rèn)為該地區(qū)龍馬溪組下段頁巖殘余有機(jī)碳含量平均2.54%，干酪根有機(jī)質(zhì)類型為I型，成熟度在2.20%～3.13%，處于過成熟演化階段。采用有機(jī)碳產(chǎn)烴率法模擬計算研究區(qū)龍馬溪組下段富有機(jī)質(zhì)頁巖的生氣強(qiáng)度為(40～80)×108m3/km2，應(yīng)用成因體積法、資源豐度法估算出頁巖氣地質(zhì)資源量為(6.0～8.6)×1012m3，資源量豐度為(4.0～5.7)×108m3/km2。

四川盆地；涪陵-重慶地區(qū)；龍馬溪組;頁巖氣;烴源巖;資源潛力

頁巖氣藏與常規(guī)氣藏有著很大的不同，它屬于“連續(xù)型”天然氣成藏組合?！斑B續(xù)型”天然氣成藏組合，實際上就是在一個大的區(qū)域(通常是區(qū)域范圍內(nèi))不是主要受水柱壓力影響的天然氣成藏組合[1]。頁巖氣主要以吸附或游離狀態(tài)存在于暗色泥頁巖或高碳泥頁巖中，表現(xiàn)為典型的烴源巖層內(nèi)就近聚集“原地成藏”模式[2]。四川盆地及周緣地區(qū)發(fā)育上奧陶統(tǒng)-下志留統(tǒng)五峰-龍馬溪組海相黑色頁巖，曾祥亮等(2011)將該層位與Barnett頁巖做了對比，認(rèn)為沉積環(huán)境相似，但其中龍馬溪組頁巖的巖性更為復(fù)雜一些[3-4]。2012年11月，JY1井在龍馬溪組試獲日產(chǎn)20.3萬方高產(chǎn)工業(yè)氣流，之后在焦石壩構(gòu)造連續(xù)多口井試獲高產(chǎn)工業(yè)氣流，發(fā)現(xiàn)焦石壩頁巖氣田，表明龍馬溪組頁巖氣具有重大勘探潛力。本文利用JY1、座3、臨7、合12和華淺1井等的鉆井、錄井、測井等原始資料和頁巖地球化學(xué)分析測試，分析涪陵-重慶地區(qū)龍馬溪組烴源巖地球化學(xué)特征，并對頁巖氣資源潛力進(jìn)行綜合評價，以期為四川盆地海相頁巖氣進(jìn)一步勘探開發(fā)提供重要依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

1.1 構(gòu)造位置與地理特征

涪陵-重慶地區(qū)包括重慶市南川、武隆、涪陵、豐都、長壽、墊江、忠縣、梁平等區(qū)縣，區(qū)域構(gòu)造位于四川盆地東部的高陡構(gòu)造帶，面積為1.5×104km2(圖1)。川東高陡褶皺帶，西側(cè)以華鎣山深大斷裂為界與川中構(gòu)造區(qū)相接，東側(cè)以齊西深大斷裂為界與鄂西斷褶帶相鄰，北側(cè)與秦嶺褶皺帶相接。盆地東部從南至北，構(gòu)造走向由北北西轉(zhuǎn)向北北東，再轉(zhuǎn)向北東，形成四川盆地最具特征的弧形褶皺帶。

圖1 研究區(qū)位置及區(qū)域構(gòu)造圖

涪陵-重慶地區(qū)地表主要為侏羅系地層所覆蓋，在高陡構(gòu)造核部出露三疊系及二疊系地層，地勢以低山丘陵為主，地表海拔多在700～800 m，高差一般在50～100 m。研究區(qū)內(nèi)屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候，四季分明，熱量充足，降水豐沛，長江干流橫跨南北，水系發(fā)育。

1.2 區(qū)域沉積特征

四川地區(qū)早志留世總體上發(fā)育淺海陸棚相沉積。盆地東部受川中古隆起的影響，局部剝蝕出露，海侵方向主要來自研究區(qū)的東北方向，從西向東沉積相類型依次為古隆起-泥質(zhì)淺水陸棚-泥質(zhì)深水陸棚-砂泥質(zhì)淺水陸棚-泥質(zhì)淺水陸棚，頁巖厚度達(dá)300～500 m[5]。川東地區(qū)在奧陶紀(jì)末期伴隨著短暫的海退，相對海平面處于較低的位置。由于受周緣古陸的阻隔，在龍馬溪組沉積早期形成了閉塞、半閉塞的滯留海盆還原環(huán)境，在泥質(zhì)深水陸棚亞相發(fā)育一套50～200 m的黑色碳質(zhì)、硅質(zhì)頁巖[6]。龍馬溪組在中期沉積過程中，由于受川中樂山-龍女寺古隆起與雪峰山古隆起的不斷影響，沉積海域面積逐漸縮小，水體深度也不斷變淺，沉積速率逐漸變大。到龍馬溪組沉積的晚期，隨著前陸隆起的繼續(xù)抬升，隆起后盆地的相對變淺，前隆泥巖層由于受到周圍的環(huán)境不斷改造，從而提供了更多的物源，使得海底的氧化還原環(huán)境發(fā)生了較大的變化，由缺氧的還原環(huán)境逐漸過渡為富氧的氧化環(huán)境[7]。所以，在川東地區(qū)，龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖主要發(fā)育在龍馬溪組下段地層中。

2 頁巖有機(jī)地球化學(xué)特征

頁巖氣作為一種典型的非常規(guī)源內(nèi)氣藏，其頁巖的有機(jī)化學(xué)性質(zhì)是控制頁巖氣成藏的關(guān)鍵內(nèi)在因素之一。頁巖有機(jī)質(zhì)豐度、有機(jī)類型、熱演化程度是單位體積內(nèi)頁巖氣生成的物質(zhì)基礎(chǔ)。

2.1 有機(jī)質(zhì)豐度

有機(jī)碳含量(TOC)在頁巖氣資源評價過程是一個非常重要的參數(shù)，現(xiàn)以成為判斷潛力頁巖油氣藏的一個重要指標(biāo)[8]。四川盆地東部下古生界有機(jī)質(zhì)的成熟度較高，實驗室現(xiàn)在所測的有機(jī)碳含量只是烴源巖生烴后殘余的有機(jī)碳含量，因此用頁巖殘余有機(jī)碳的含量評價有機(jī)質(zhì)豐度。在評價頁巖有機(jī)質(zhì)豐度時，將有機(jī)質(zhì)豐度分為 5 級，即：TOC<0.5%為很差， 0.5%～1.0% 為差， 1.0%～2.0% 為一般，2.0%～4.0% 為好，大于4.0%為很好[9]。

根據(jù)研究區(qū)東部 JY1井龍馬溪組下部頁巖173塊巖心樣品化驗分析結(jié)果統(tǒng)計，有機(jī)碳含量最小為0.55%，最大為5.89%，平均含量2.54%，并且具有自上而下有機(jī)碳含量逐漸增加趨勢(圖2)。JY1井龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)頁巖分布于龍馬溪組下部(第1亞段～第4亞段)，有機(jī)碳含量平均值為1.66%～4.13%，龍馬溪組上部頁巖的有機(jī)碳含量低于1.0%。研究區(qū)西北部華淺1、座3井龍馬溪組下部頁巖有機(jī)碳平均含量為2.5%～3.5%；西南部臨7井和安淺1井區(qū)有機(jī)碳含量略有降低，平均為1.5%～2.5%。

圖2 JY1井龍馬溪組有機(jī)碳含量縱向分布

參照泥質(zhì)烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度評價標(biāo)準(zhǔn)，研究區(qū)龍馬溪組下部可判定為優(yōu)質(zhì)烴源巖。前人研究認(rèn)為，在中國南方海相地區(qū)，特別是I型有機(jī)質(zhì)的頁巖，殘余有機(jī)碳的含量達(dá)到1%可作為頁巖氣的有效層段[9]。由此可見，研究區(qū)龍馬溪組下部均有利于頁巖氣的生成。

2.2 有機(jī)質(zhì)類型

2.2.1 干酪根顯微組分

早古生代，全球范圍內(nèi)缺乏高等植物，干酪根的生物主要來源于低等水生生物、浮游動物。涪陵-重慶地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組沉積顆粒細(xì)，富含筆石，為強(qiáng)還原環(huán)境。根據(jù)JY1井龍馬溪組2塊樣品干酪根鏡檢分析結(jié)果(表1)，有機(jī)質(zhì)以藻類體和棉絮狀腐泥無定形體為主，無殼質(zhì)組和鏡質(zhì)組，有機(jī)質(zhì)類型指數(shù)為92.84和100，屬于Ⅰ型干酪根。

2.2.2 碳同位素組成特征

泥頁巖中干酪根碳同位素也能間接的反映其母質(zhì)的類別。不同類型的干酪根在成熟到高過成熟階段，其有機(jī)碳碳同位素的變化非常小，小于1‰。國內(nèi)外研究表明，腐植型干酪根碳同位素重于-26‰，腐泥型干酪根碳同位素較輕，一般小于-30‰[10]。JY1井下志留統(tǒng)龍馬溪組2 339.33m和2 349.23m共2塊灰黑色頁巖和黑色碳質(zhì)頁巖干酪根碳同位素分別-31.9‰和-29.2‰，表現(xiàn)為腐泥型干酪根的特征。

表1 JY1井龍馬溪組干酪根顯微組分?jǐn)?shù)據(jù)分析

2.3 有機(jī)質(zhì)成熟度

干酪根的鏡質(zhì)體反射率是最直觀的表征有機(jī)質(zhì)成熟度的參數(shù)。針對龍馬溪組頁巖缺乏鏡質(zhì)組的情況下，可通過利用測定瀝青反射率(Rb)來換算鏡質(zhì)組反射率[11-13]。本文應(yīng)用豐國秀(1988)等在四川盆地建立的鏡質(zhì)體反射率與瀝青反射率之間的關(guān)系進(jìn)行換算[11]。JY1井龍馬溪組86個烴源巖樣品的瀝青鏡反射率為2.77%～4.14%，平均值為3.42%，換算為干酪根鏡質(zhì)體反射率為2.58%。華淺1、座3井龍馬溪組換算的鏡質(zhì)體反射率相對較低，平均值為1.95%～2.15%，東深1和臨7井的鏡質(zhì)體反射率相對較高，平均值為3.2%～3.5%?？傮w而言，研究區(qū)龍馬溪組頁巖有機(jī)質(zhì)進(jìn)入過成熟演化階段，以生成干氣為主。

3 頁巖氣資源潛力評價

3.1 頁巖生氣強(qiáng)度計算

頁巖有機(jī)質(zhì)生成的天然氣是頁巖氣成藏的物質(zhì)基礎(chǔ)，頁巖氣藏是泥質(zhì)烴源巖中天然氣排烴之后的殘余原生氣藏。頁巖有機(jī)質(zhì)生氣強(qiáng)度計算涉及的主要參數(shù)為有效頁巖厚度、頁巖的巖石密度、TOC和有機(jī)質(zhì)的產(chǎn)烴率。頁巖有效厚度是指有機(jī)碳含量超過1.0%的單層或連續(xù)厚度。研究區(qū)內(nèi)龍馬溪組有效頁巖厚度自西南向東北遞減，范圍30～120 m。根據(jù)測井和分析化驗資料，頁巖的巖石密度一般在2.5～2.65 t/m3，取平均值2.6 t/m3。

頁巖有機(jī)質(zhì)在不同熱演化程度下的產(chǎn)氣率是生氣量計算的關(guān)鍵性參數(shù)。研究表明，腐泥型干酪根的累積產(chǎn)氣率一般為500～650 m3/(t·TOC)[14-15]，在本文中，烴源巖成熟度都達(dá)到過成熟階段，在確定產(chǎn)氣率時選取平均值575 m3/(t·TOC)。有機(jī)碳產(chǎn)氣率計算頁巖氣生氣強(qiáng)度公式為：

(1)

式中：H為有效頁巖厚度，m；ρr為頁巖的密度，t/m3；C殘為頁巖殘余有機(jī)碳含量，%；D為原始有機(jī)質(zhì)氣態(tài)烴產(chǎn)率，m3/(t·TOC)；Q氣為生氣強(qiáng)度，108m3/km2。

根據(jù)公式(1)計算，研究區(qū)龍馬溪組有效頁巖的生氣強(qiáng)度主要為(40～80)×108m3/km2(圖3)。龍馬溪組有效頁巖在涪陵-長壽-江津一帶的生氣強(qiáng)度較高，大于80×108m3/km2，在銅梁-鄰水-墊江地區(qū)及南川-綦江東南地區(qū)的生氣強(qiáng)度較低，一般為(10～20)×108m3/km2。

圖3 涪陵-重慶地區(qū)龍馬溪組有效頁巖厚度及生氣強(qiáng)度(據(jù)張春明2013，李輝2013修編)

3.2 資源量估算

頁巖氣資源潛力計算的方法較多，主要分為靜態(tài)法和動態(tài)法兩大方面。研究區(qū)龍馬溪組頁巖氣勘探程度較低，本文采用靜態(tài)法中的成因體積法與體積豐度類比法，估算龍馬溪組有效頁巖的天然氣資源量。

3.2.1 成因體積法

成因體積法是現(xiàn)階段我國計算頁巖氣資源量的主要方法[16]，其計算公式如下：

Q資=0.01×Q氣×S×(100-Kp)

(2)

式中：Q資——頁巖氣資源量，108m3；Q氣——有效頁巖生氣強(qiáng)度，108m3/km2；Kp——頁巖的排烴系數(shù)，%；S——有效頁巖分布面積，km2。

成因體積法估算頁巖氣資源量的關(guān)鍵參數(shù)是排烴系數(shù)。頁巖的排烴系數(shù)受多種因素的影響，除有機(jī)質(zhì)豐度、類型、熱演化程度等內(nèi)部因素外，生儲組合類型，即砂泥比、頁巖單層厚度等都是影響泥頁巖排烴能力重要的外部因素。郝石生等(1994)[17]對國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于頁巖排烴系數(shù)研究結(jié)果的統(tǒng)計表明，頁巖排烴系數(shù)變化范圍較大，但是高-過成熟頁巖的排烴系數(shù)一般在50%以上。研究區(qū)龍馬溪組下部有效頁巖的頁巖單層厚度雖然多數(shù)大于30 m，但是受到喜山期構(gòu)造抬升的影響，頁巖干酪根終止生氣的地質(zhì)時間長大60多個百萬年。根據(jù)天然氣成藏的動平衡原理[18]，地質(zhì)過程中長時期的天然氣分子擴(kuò)散不利于頁巖氣的保存。針對研究區(qū)龍馬溪組頁巖氣的成藏地質(zhì)條件，參考前人研究成果，將龍馬溪組下部有效頁巖平均排烴系數(shù)取值90%。按照公式(2)估算，研究區(qū)龍馬溪組下部頁巖氣的資源豐度為(4.0～8.0)×108m3/km2，總資源量為(6.0～12)×1012m3。

3.2.2 資源豐度類比法

頁巖氣資源分布主要與有效頁巖空間分布有關(guān)。在勘探程度較低的地區(qū)，通過資源豐度類比可估算頁巖氣的資源量。體積豐度類比法的計算公式為：

Q資=S×H×ρr×Qf×10-2

(3)

其中：S——有效頁巖面積，km2，H——有效頁巖厚度，m，ρr——頁巖的密度，t/m3，取平均值為2.6 t/m3，Qf——頁巖含氣量，m3/t，Q資——資源量，108m3。

體積豐度類比法的關(guān)鍵是類比合理的頁巖含氣量。頁巖含氣量的影響因素較多，其中有機(jī)碳含量和埋藏深度是主要因素。在相似地質(zhì)條件下，頁巖有機(jī)碳含量與含氣量具有正相關(guān)關(guān)系[19]。王世謙等(2013)[20]對四川盆地南部五峰組-龍馬溪組及北美地區(qū)多套頁巖氣的含氣量進(jìn)行統(tǒng)計分析，指出埋藏深度較淺的(一般小于1 500 m)的頁巖氣藏的壓力系數(shù)均為1.0，其平均含氣量均為小于2.5 m3/t，隨著頁巖埋藏較深、儲層壓力產(chǎn)生異常高壓時，頁巖含氣量也隨之而升高。JY1井龍馬溪組下部的埋藏深度約為2 300 m，頁巖實測含氣量為(0.51～3.06) m3/t，平均值1.718 m3/t。周寶剛(2014)[21]等綜合研究認(rèn)為，川南地區(qū)龍馬溪組頁巖含氣量較高，平均1.85 m3/t，與實際情況相當(dāng)。本文采用周寶剛研究數(shù)據(jù)，平均含氣量取值1.85 m3/t。根據(jù)公式(3)估算，龍馬溪組下部有效頁巖資源量為(2.1～8.6)×1012m3，資源量豐度為(1.4～5.7)×108m3/km2，具有良好的資源前景。

4 結(jié)論

(1)涪陵-重慶地區(qū)龍馬溪組頁巖殘余有機(jī)碳含量平均2.54%，達(dá)到了有效頁巖有機(jī)碳的豐度下限及較好烴源巖的標(biāo)準(zhǔn)，可判定為優(yōu)質(zhì)烴源巖，有利于頁巖氣的生成。

(2)研究區(qū)內(nèi)干酪根有機(jī)質(zhì)類型為I型，有機(jī)質(zhì)以藻類體和棉絮狀腐泥無定形體為主，無殼質(zhì)組和鏡質(zhì)組。

(3)研究區(qū)內(nèi)龍馬溪組泥頁巖成熟度在2.20%～3.13%，處于過成熟演化階段，以生成干氣為主。

(4)通過計算，涪陵-重慶地區(qū)龍馬溪組頁巖生氣強(qiáng)度為(40～80)×108m3/km2，頁巖氣總地質(zhì)資源量為(6.0～8.6)×1012m3，資源量豐度為(4.0～5.7)×108m3/km2，具備工業(yè)開采價值，是頁巖氣開采開發(fā)的有利區(qū)塊。

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編輯：吳官生

1673-8217(2015)05-0033-05

2015-05-05

胡潤，1991年生，2013年畢業(yè)于湖北科技學(xué)院地理科學(xué)專業(yè)，在讀碩士研究生，從事油氣成藏方向研究。

國家重大專項“南方海相頁巖氣開采試驗”(2011ZX05018-006-07)。

TE122.2

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