劉光明，張成江，方光建，張志平，楊 沛，吳益朝

（1．成都理工大學地球科學學院，四川成都 610059；2．重慶市地質(zhì)調(diào)查院；3．重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院；4．重慶市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局川東南地質(zhì)大隊）

酉秀隆褶帶是上揚子東南緣的重要組成部分，下寒武統(tǒng)牛蹄塘組富有機質(zhì)頁巖廣泛發(fā)育，具有烴源巖厚度大、空間分布連續(xù)、有機地球化學指標較好等特點，與國內(nèi)外典型頁巖[1–4]具有良好的可比性，是頁巖氣勘探的重要目標層系。但酉秀隆褶帶已實施的牛蹄塘組頁巖氣探井（含地質(zhì)井、參數(shù)井）含氣量較低，勘探工作未取得突破。部分學者從儲集空間特征及含氣性[5–9]、保存條件[10–11]等方面進行了研究，但尚未開展有關(guān)頁巖有機地球化學因素對含氣性的影響的研究。本文在野外地質(zhì)調(diào)查基礎(chǔ)上，結(jié)合頁巖氣調(diào)查評價專題研究資料，對渝東南酉秀隆褶帶下寒武統(tǒng)牛蹄塘組富有機質(zhì)頁巖有機地化因素對含氣性的影響進行了研究和探討，并指出了該區(qū)有利儲層分布區(qū)帶。

1 地質(zhì)背景

酉秀隆褶帶位于四川盆地東南外緣，構(gòu)造位置屬于羌塘-揚子-華南板塊揚子陸塊武陵山古生代沉陷帶內(nèi)隆褶構(gòu)造單元。北西以馬剌湖斷裂為界，南東以三陽斷裂帶為界，區(qū)內(nèi)構(gòu)造線NNE向，主體構(gòu)造平行交替、強烈擠壓抬升，具典型的背斜開闊、向斜緊密的隔槽式褶皺特征（圖1）。

研究區(qū)早古生代地層非常發(fā)育，主要發(fā)育上奧陶統(tǒng)五峰組-下志留統(tǒng)龍馬溪組和下寒武統(tǒng)牛蹄塘組兩套富有機質(zhì)頁巖，其中牛蹄塘組屬于陸棚沉積環(huán)境，以深水陸棚沉積為主，可劃分為兩個三級層序，分別對應中下部的炭質(zhì)頁巖段和上部的粉砂質(zhì)泥巖段。巖性以黑色、灰黑色炭質(zhì)頁巖為主，夾硅質(zhì)巖，平均厚度65 m。礦物組成以石英、長石和黃鐵礦等脆性礦物為主，含量超過50%；黏土礦物主要為伊利石、伊/蒙混層礦物。

2 有機地球化學特征

2.1 有機碳含量

有機質(zhì)是頁巖的成烴物質(zhì)基礎(chǔ)，其豐度決定了生氣質(zhì)量的好壞，是頁巖氣評價的首要有機地球化學指標[12–13]。衡量巖石中有機質(zhì)的豐度所用的指標主要有總有機碳含量（TOC）、氯仿瀝青“A”、總烴和生烴潛量（S1+S2）。根據(jù)本區(qū)牛蹄塘組有機質(zhì)成熟度高的實際情況，TOC可以近似代表有機質(zhì)豐度。樣品分析測試結(jié)果顯示，牛蹄塘組頁巖TOC分布于0.36%～12.60%之間，平均4.62%，其中大于2%的樣品達60%以上，表明有機碳含量相對較高，總體上牛蹄塘組頁巖具有良好的原始生氣基礎(chǔ)（表1）。

縱向上，TOC表現(xiàn)出中上部隨埋深增加而增大、中下部隨埋深增加而減小的變化趨勢，這主要是牛蹄塘組沉積時期海侵速率、有機質(zhì)沉積速率和保存條件發(fā)生變化，導致了有機質(zhì)縱向上非均質(zhì)分布[13]；平面上，不同區(qū)域TOC變化較大，高值區(qū)主要分布在秀山—酉陽一帶，與南方地區(qū)牛蹄塘組富有機質(zhì)頁巖的有機質(zhì)主要受沉積環(huán)境控制[13]的認識一致。

圖1 酉秀隆褶帶構(gòu)造綱要及樣品分布示意圖

表1 牛蹄塘組富有機質(zhì)頁巖TOC統(tǒng)計對比

2.2 生烴潛量

巖石熱解參數(shù)可反映源巖的生烴能力，但是生烴潛量受熱演化程度的影響較大，中國古生界海相烴源巖成熟度普遍很高，巖石熱解獲得的殘余生烴潛力通常很低，不能直接反映其原始生烴潛力。研究認為（陳建平等，2012），可以以未成熟-低成熟階段烴源巖有機質(zhì)為基礎(chǔ)，按有機質(zhì)類型大類，建立生烴潛量與有機碳含量之間的定量關(guān)系，以此來計算高-過成熟烴源巖的原始生烴潛力。

對 20塊頁巖巖心樣品巖石熱解實驗分析測試表明，生烴潛量一般為0.04～0.11 mg/g，平均為0.065 mg/g，表明該套頁巖的殘余生烴潛量均較低。根據(jù)下古生界生烴潛量計算公式（Pg=5.63TOC?2.37（陳建平，2012））推算，牛蹄塘組富有機質(zhì)頁巖在其未成熟-低成熟演化階段的原始生烴潛力為0.445～68.57 mg/g，表明該套富有機質(zhì)頁巖原始生烴潛力較大。

2.3 有機質(zhì)成熟度

鏡質(zhì)體反射率（Ro）是國際上公認的標定有機質(zhì)成熟度的一項獨立指標，但不適用于下古生界烴源巖（騰格爾等，2007）。研究顯示，瀝青反射率已成為表征缺乏鏡質(zhì)體而含有瀝青的海相烴源巖有機質(zhì)成熟度的一個重要指標（涂建琪等，1999）。據(jù)干酪根鏡鑒和有機顯微組分鑒定，本區(qū)牛蹄塘組富有機質(zhì)頁巖樣品富含瀝青質(zhì)，故本次采用換算過的瀝青等效鏡質(zhì)體反射率來評價頁巖成熟度（Ro=0.618Rob+0.4，（Jacob，1985））。實測數(shù)據(jù)顯示，牛蹄塘組頁巖Ro為2.93%～3.62%，平均3.43%，表明該套有機質(zhì)頁巖已達到過成熟演化階段，頁巖已進入生氣衰竭期，這可能與牛蹄塘組頁巖經(jīng)歷了多期次熱史變化有關(guān)?？v向上，Ro隨深度變化規(guī)律不明顯；平面上，Ro高值區(qū)分布在酉陽—秀山一帶。

2.4 有機質(zhì)類型

過高成熟度導致了IH值和H/C值已經(jīng)失去應有的指示意義[14]，本次以干酪根類型指數(shù)Ti（據(jù)曹慶英，1985）判斷有機質(zhì)類型。樣品干酪根顯微組分鑒定結(jié)果顯示，該套有機質(zhì)頁巖中含有大量腐泥組和少量鏡質(zhì)組、惰質(zhì)組，不含殼質(zhì)組，Ti大于80的樣品占92%，Ti大于40小于80的樣品占8%。表明牛蹄塘組頁巖有機質(zhì)類型為Ⅰ和Ⅱ1型，以Ⅰ型為主，其有機質(zhì)母源主要為藻類等低等水生生物，原始生烴能力較好。

綜合考慮牛蹄塘組頁巖的原始生氣能力以及熱演化程度對有機質(zhì)豐度、有機質(zhì)類型等指標的負面影響[1]，本區(qū)牛蹄塘組頁巖總體上屬于中等烴源巖。

3 有機地化因素對含氣性的影響

由于頁巖氣具有多種賦存狀態(tài)，頁巖的有機地球化學特征、礦物組成、儲集空間類型及結(jié)構(gòu)等因素都在一定程度上控制著頁巖含氣量大小[15–17]。而有機質(zhì)作為頁巖的成烴物質(zhì)基礎(chǔ)，有機質(zhì)豐度、有機質(zhì)成熟度是控制頁巖含氣性能的最關(guān)鍵因素。

3.1 含氣性

鉆井樣品現(xiàn)場含氣量解析結(jié)果顯示，牛蹄塘組富有機質(zhì)頁巖含氣量平均值在0.5 m3/t以下，氣體成分以氮氣為主，烴類含量普遍偏低，總體上呈現(xiàn)出總含氣量低、烴含量低、氮氣含量高的特點。氣體中的甲烷碳同位素介于-34.8‰～-41.2‰之間，平均-36.9‰，表現(xiàn)為有機成因的特征。與目前勘探開發(fā)取得成功的五峰-龍馬溪組頁巖氣體相比，該值明顯偏重，可能與牛蹄塘頁巖高演化程度有關(guān)。另外，根據(jù)甲烷碳同位素與干燥系數(shù)間關(guān)系，顯示牛蹄塘組頁巖氣屬于高溫裂解氣。

在30 ℃和99.99%甲烷平衡濕度的條件下，等溫吸附測試結(jié)果顯示，牛蹄塘組頁巖飽和吸附量為0.3～5.50 m3/t，平均為2.68 m3/t，差異非常大，且遠大于現(xiàn)場解析含氣量。總體上牛蹄塘組頁巖具有良好的吸附特征，在地下壓力狀態(tài)下能吸附較多體積的氣體。綜合現(xiàn)場解析和等溫吸附結(jié)果，牛蹄塘組富有機質(zhì)頁巖總體含氣量較低，下部硅質(zhì)頁巖段現(xiàn)場解析含氣量相對較高。

3.2 TOC對含氣性的影響

TOC可以反映出頁巖的有機質(zhì)豐度，控制頁巖的物理性質(zhì)[15]，是影響牛蹄塘組含氣量的重要因素。測試結(jié)果表明，TOC與頁巖含氣量正相關(guān)性較好，總體上頁巖含氣量隨TOC增大而增加。這是因為牛蹄塘組頁巖主要發(fā)育微型孔隙[8–9]，而本區(qū)牛蹄塘組黏土礦物平均含量 17%，微型孔隙主要受控于TOC[18]，TOC通過控制頁巖氣的儲集空間進而影響頁巖含氣性。

在相同氣藏溫度和壓力下，隨著有機碳含量的增大，有機質(zhì)孔增加，氣體儲存空間增加，可供氣體吸附的孔隙比表面也增大，頁巖吸附氣含量也增加，進而頁巖總含氣量增加，這與孫夢迪[16]、劉雄輝[17]等研究結(jié)果一致；此外，可能也與有機碳表面的親油性特征對氣態(tài)烴較強的吸附能力和氣態(tài)烴在無定形和無結(jié)構(gòu)基質(zhì)瀝青體中的溶解作用增強了氣體吸附能力[19–20]有關(guān)。

由此可以看出，在總含氣量較低的情況下，TOC仍然是含氣量的重要影響因素。根據(jù)本區(qū)實際情況，TOC ＞3%的富有機質(zhì)頁巖可作為下一步的工作重點。

3.3 Ro對含氣性的影響

除了有機碳含量外，頁巖成熟度也在很大程度上控制著頁巖的生氣潛力。研究表明[21–23]，過成熟階段頁巖在一定范圍內(nèi)，比表面積、孔隙度和吸附能力與有機質(zhì)成熟度相關(guān)性明顯。有機質(zhì)成熟度（Ro）通過影響孔隙度、孔隙結(jié)構(gòu)、比表面積和吸附能力等儲層物性進而影響頁巖含氣性。

本區(qū)牛蹄塘組頁巖Ro平均3.43%，處于過成熟階段，但Ro與現(xiàn)場解析氣量相關(guān)性不明顯，與等溫吸附氣量存在一定的負相關(guān)性（圖2）。實測顯示含氣量低，與以往對渝東南牛蹄塘組富有機質(zhì)頁巖的含氣性的認識[15，24–25]存在較大差異。究其原因，可能是因為四川盆地周緣經(jīng)歷了復雜的構(gòu)造運動，處于盆外的渝東南地區(qū)牛蹄塘組富有機質(zhì)頁巖經(jīng)歷了多期次生排烴。根據(jù)生排烴史模擬，牛蹄塘組富有機質(zhì)頁巖約在侏羅系-白堊系沉積時期就達到了高-過成熟階段，已經(jīng)進入生烴衰竭期，現(xiàn)今頁巖氣的散失大于補充，導致頁巖吸附氣含量不高，加之構(gòu)造運動對保存條件的破壞，使頁巖的含氣性降低。

圖2 牛蹄塘組頁巖Ro與含氣性關(guān)系

另外，過高的有機質(zhì)成熟度對有機質(zhì)豐度、有機質(zhì)類型等存在負面影響，導致有機碳石墨化程度增高，從而降低有機質(zhì)微孔隙的發(fā)育，Ro增加導致的微孔隙減少掩蓋了TOC增加導致的微孔隙增加，加之壓實作用的破壞，減少了頁巖氣的儲集空間，也是牛蹄塘組頁巖含氣性較差的可能原因。

由此可以看出，在一定條件下，Ro是控制含氣性的最主要因素之一，其對含氣性的影響程度大于TOC，適當?shù)挠袡C質(zhì)成熟度（Ro＜3%）是頁巖氣勘探開發(fā)能否取得突破的關(guān)鍵因素之一。

4 有利儲層區(qū)帶

分析認為牛蹄塘組頁巖有機質(zhì)豐度較高，有機質(zhì)類型主要為 I型，有機質(zhì)成熟度較高，處于高成熟-過成熟演化階段。整體來看，該套烴源巖為中等烴源巖，在本研究區(qū)仍然具有一定的勘探潛力。綜合優(yōu)質(zhì)頁巖厚度、埋深和有機地化因素對含氣性的影響，同時考慮構(gòu)造作用對保存條件的影響因素，確定有利儲層區(qū)帶參數(shù)如下：優(yōu)質(zhì)頁巖厚度大于30 m、埋深小于3 500 m、TOC＞3%、Ro＜3%。

整體而言，牛蹄塘組富有機質(zhì)頁巖中段為有利儲集層段（圖3）；W4井（酉陽）西南部為有利儲層分布區(qū)帶（圖4），面積約610 km2。

5 結(jié)論

（1）牛蹄塘組富有機質(zhì)頁巖TOC平均4.62%，具有較好的原始生烴基礎(chǔ)；原始生烴潛量較大；Ro平均 3.43%，處于過成熟階段；有機質(zhì)類型以Ⅰ型為主，原始生烴基礎(chǔ)較好?？傮w上牛蹄塘組頁巖屬于中等烴源巖。

（2）TOC、Ro是影響含氣性的主要有機地化因素。TOC影響頁巖氣的儲集空間，隨著有機碳含量的增大，可供氣體吸附和儲存的空間增加，進而頁巖總含氣量增加。在總含氣量較低的情況下，TOC仍然是含氣性的重要影響因素。Ro影響氣體吸附能力和儲集空間，Ro過高導致的微孔隙減少掩蓋了TOC增加導致的微孔隙增加，降低了頁巖的氣體吸附能力，其對含氣性的影響程度大于TOC，是控制含氣性的最主要因素之一。

（3）整體而言，牛蹄塘組富有機質(zhì)頁巖中段為有利儲集層段，W4井（酉陽）南西部為有利儲層分布區(qū)帶。較高的有機碳含量（TOC＞3%）、適當?shù)挠袡C質(zhì)成熟度（Ro＜3%），構(gòu)造作用對保存條件的影響，是牛蹄塘組富有機質(zhì)頁巖今后的主要工作方向。

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