黃 東 段 勇 李育聰 陳洪斌 閆偉鵬 戴鴻鳴

（ 1中國石油西南油氣田公司勘探開發(fā)研究院；2中國石油西南油氣田公司科技處；3中國石油勘探開發(fā)研究院；4西南石油大學(xué) ）

四川盆地下古生界海相頁巖氣近年來發(fā)展迅猛，目前盆地已探明規(guī)模最大的涪陵頁巖氣田，建成長寧—威遠(yuǎn)國家級(jí)頁巖氣示范區(qū)，創(chuàng)造了國內(nèi)多個(gè)第一，引領(lǐng)和示范國內(nèi)的頁巖氣勘探開發(fā)[1-3]。海相頁巖的成功勘探開發(fā)是否能復(fù)制到湖相頁巖是一個(gè)值得思考的問題。中國大部分地區(qū)在三疊系、侏羅系、白堊系、古近系、新近系廣泛發(fā)育著陸相富含有機(jī)質(zhì)頁巖，具有較好的頁巖油氣形成條件，資源潛力較大，并在泌陽凹陷、濟(jì)陽坳陷、三塘湖盆地等地區(qū)陸相頁巖油氣勘探取得了重要進(jìn)展，因此頁巖油氣的勘探引起了國內(nèi)油公司的高度重視[4-6]。中國陸相頁巖油氣受其形成地質(zhì)背景的影響，在形成機(jī)理、形成條件、成藏特征、勘探開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)等方面與北美地區(qū)存在較大的差異。湖相頁巖是否具有商業(yè)開發(fā)的價(jià)值，其中一個(gè)核心問題就是形成頁巖油氣的有機(jī)碳含量下限是多少？本文借鑒國內(nèi)海相頁巖氣研究思路和方法，在分析四川盆地湖相頁巖地球化學(xué)特征的基礎(chǔ)上，根據(jù)大量分析化驗(yàn)數(shù)據(jù)，并結(jié)合目前的勘探成果，綜合分析其有機(jī)碳含量下限，旨在啟發(fā)思考當(dāng)前中國湖相頁巖油氣勘探開發(fā)中存在的問題，達(dá)到拋磚引玉的目的，推動(dòng)湖相頁巖油氣的有序發(fā)展。

1 大安寨段地質(zhì)背景

印支運(yùn)動(dòng)晚期，海水逐漸退出四川盆地，開始進(jìn)入陸內(nèi)紅色盆地演化階段。該時(shí)期侏羅系主要為沖積扇—半深湖相沉積體系，自下而上主要發(fā)育自流井組珍珠沖段、東岳廟段、馬鞍山段、大安寨段、過渡層和涼高山組6套地層。其中自流井組大安寨段沉積時(shí)期湖盆規(guī)模最大，湖盆經(jīng)歷了擴(kuò)展期—極盛期—收縮期一個(gè)完整的旋回。大安寨段巖性主要為深灰色和灰黑色泥頁巖、灰色泥質(zhì)灰?guī)r、泥質(zhì)粉砂巖及細(xì)砂巖，廣泛發(fā)育淡水雙殼類生物（介殼、葉肢介及介形蟲）以及沉積大規(guī)模的介殼灘為大安寨段重要的沉積特征，大安寨段沉積時(shí)水體環(huán)境較為安靜，黑色的富含有機(jī)質(zhì)的泥頁巖發(fā)育，并見黃鐵礦分布[7-9]。湖盆基底南坡緩北坡陡，不對(duì)稱，根據(jù)巖性組合、電性、沉積旋回特征可將大安寨段從上而下劃分為大一亞段、大一三亞段、大三亞段（圖1），縱向上巖性、巖相、電性特征具有不對(duì)稱性；水進(jìn)期介殼灰?guī)r呈疊瓦式上超，水退期呈疊瓦式后退，兩者在縱向上疊置；湖盆振蕩導(dǎo)致湖水大范圍的收縮與擴(kuò)展，使介殼灰?guī)r[7-9]、頁巖頻繁間互或側(cè)向接觸。其中大一亞段、大三亞段主要發(fā)育濱—淺湖高能介殼灘體，為儲(chǔ)層發(fā)育層段，大一三亞段主要發(fā)育淺湖—半深湖泥頁巖，為烴源巖發(fā)育層位；平面上圍繞湖盆沉降—沉積中心，劃分為濱湖、濱—淺湖、淺湖—半深湖和半深湖4個(gè)環(huán)帶狀亞相區(qū)，由湖盆的中心向其周緣呈厚度逐漸減薄的環(huán)帶狀分布。

圖1 四川盆地侏羅系大安寨段地層綜合柱狀圖

2 巖石類型及礦物組分特征

圖2 四川盆地侏羅系大安寨段頁巖野外、巖心照片

頁巖的石英、碳酸鹽和黏土等礦物組成不僅控制著頁巖的儲(chǔ)層特征，對(duì)頁巖油氣的后期改造也有重要的控制作用[10-11]。大安寨段頁巖以黑色、灰黑色頁巖為主，普遍含豐富的瓣鰓、介形蟲、葉肢介等水生生物化石及陸源高等植物化石碎片，黃鐵礦呈分散狀分布。在野外剖面常見到頁巖呈片狀分布，巖心擱置一段時(shí)間后頁巖呈千層餅狀（圖2）。大安寨段頁巖中并不是非常純的黏土質(zhì)礦物，均含有一定比例的石英顆粒及鈣質(zhì)。根據(jù)薄片鑒定、X射線衍射成果，頁巖儲(chǔ)層的礦物組成分為黏土礦物和脆性礦物，黏土礦物含量為10.77%～62.4%，平均為34.73%；脆性礦物含量為37.6%～89.17%，平均為65.27%（圖3）。已商業(yè)開發(fā)的頁巖層系，其脆性礦物含量要高于40%，黏土礦物含量小于30%，才有利于頁巖儲(chǔ)層改造，如Fort Worth盆地Barnett頁巖硅質(zhì)脆性礦物含量為40%～60%。大安寨段頁巖脆性礦物含量高，且在野外和巖心上可發(fā)現(xiàn)頁巖與介殼灰?guī)r頻繁互層，進(jìn)一步增加了頁巖儲(chǔ)層的脆性礦物含量，這也使得頁巖更易于壓裂，進(jìn)而利于頁巖儲(chǔ)層的改造和油氣的產(chǎn)出。

圖3 四川盆地侏羅系大安寨段頁巖礦物組分直方圖

3 頁巖地球化學(xué)特征

有機(jī)碳含量（TOC）越高，頁巖生烴潛力越大，吸附油氣含量也越高，因此有機(jī)碳含量也是頁巖油氣重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)之一[12-14]。受地質(zhì)背景和沉積環(huán)境影響，四川盆地大安寨段湖相黑色頁巖的有機(jī)質(zhì)豐度較盆地下古生界海相黑色頁巖低。根據(jù)盆地大安寨段618個(gè)巖心、野外樣品分析，有機(jī)碳含量分布 在 0.1%～4.27%， 平 均 為 1.15%，91.40%的 樣品有機(jī)碳含量分布在小于2%的范圍內(nèi)，大于2%的樣品僅占8.58%左右，其中65.96%的樣品分布在0.5%～1.5%之間（圖4）。總體上有機(jī)碳含量具有盆地北部高于南部的特征，沉積微相與有機(jī)碳含量關(guān)系密切，半深湖泥有機(jī)碳含量最高，其次為淺湖泥、濱湖泥，層位上大一三亞段半深湖泥有機(jī)碳含量最高。

圖4 四川盆地侏羅系大安寨段有機(jī)碳含量頻率直方圖

有機(jī)質(zhì)類型是決定泥頁巖在成熟階段生烴傾油、傾氣性的重要因素。樣品分析表明，大安寨段烴源巖有機(jī)質(zhì)以殼質(zhì)組為主，含量可達(dá)60%～80%，并以腐殖無定形體為主；其次是腐泥組和鏡質(zhì)組，含量一般在20%左右；惰質(zhì)組含量相對(duì)較低，一般不到10%。通過類型指數(shù)計(jì)算，有機(jī)質(zhì)類型多為Ⅱ2型，僅有個(gè)別為Ⅱ1型，極少量為Ⅲ型有機(jī)質(zhì)。從巖石熱解參數(shù)Tmax—IH關(guān)系圖版上分析，干酪根總體為Ⅱ型，與顯微組分分析結(jié)果基本一致。有機(jī)質(zhì)的成熟度是反映其在地質(zhì)歷史時(shí)期生烴有效性及產(chǎn)物相態(tài)的重要參數(shù)，其處于生油窗內(nèi)時(shí)有利于頁巖油的形成，高于生油窗時(shí)為頁巖氣形成的有利條件。根據(jù)北美頁巖油勘探經(jīng)驗(yàn)，一般認(rèn)為頁巖干酪根鏡質(zhì)組反射率（Ro）在0.7%～1.1%時(shí)具有較好的頁巖油勘探開發(fā)潛力，大于1.3%時(shí)具有較好的頁巖氣勘探開發(fā)潛力大安寨段頁巖有機(jī)質(zhì)Ro在平面上變化較大，總體看來主要分布在0.8%～1.4%之間，自南往北隨著埋藏深度的增加Ro不斷增加，絕大部分地區(qū)處于生油高峰期，川北地區(qū)大巴山前緣的儀隴—達(dá)州—通江一帶有機(jī)質(zhì)Ro一般大于1.3%，有機(jī)質(zhì)熱演化程度較高，處于生氣階段。

4 頁巖物性特征

四川盆地侏羅系大安寨段半個(gè)多世紀(jì)的勘探開發(fā)對(duì)象主要為介殼灰?guī)r，前人普遍認(rèn)為介殼灰?guī)r是主要的儲(chǔ)集巖，對(duì)頁巖的研究和認(rèn)識(shí)程度較低。隨著國內(nèi)外頁巖氣勘探開發(fā)的不斷深化，越來越重視到頁巖這類特殊巖性的儲(chǔ)集性能。實(shí)測頁巖物性分析數(shù)據(jù)表明，頁巖孔隙度為0.02%～5.92%，平均為1.9%，滲透率為0.084～9.79mD，平均為1.76mD，為典型的致密儲(chǔ)層。根據(jù)已有的大安寨段泥頁巖、介殼灰?guī)r物性統(tǒng)計(jì)分析看，泥頁巖物性好于介殼灰?guī)r，儲(chǔ)集性能相對(duì)較好（表1）。頁巖中發(fā)育的頁理、裂縫及后期人工壓裂造縫可大幅改善頁巖儲(chǔ)層的物性，使其具備開采價(jià)值。根據(jù)巖心、野外觀察以及鏡下薄片、場發(fā)射掃描電鏡等分析手段綜合分析，微米級(jí)以上的原生孔隙大部分已消失。宏觀儲(chǔ)集空間主要以裂縫為主，含少量溶蝕孔、洞；微觀儲(chǔ)集空間尺度較小，主要為微米—納米級(jí)孔隙（圖5）。

表1 四川盆地侏羅系大安寨段巖石物性統(tǒng)計(jì)表

圖5 四川盆地侏羅系大安寨段頁巖典型儲(chǔ)集空間照片

5 湖相頁巖有機(jī)碳含量下限分析

頁巖有機(jī)碳含量下限是頁巖油氣評(píng)價(jià)中的關(guān)鍵參數(shù)之一。北美，如美國、加拿大等頁巖氣大規(guī)模商業(yè)開發(fā)的地區(qū)，將頁巖有機(jī)碳含量2%作為頁巖氣工業(yè)開采的下限。張金川基于美國海相頁巖氣勘探開發(fā)的經(jīng)驗(yàn)，提出了海相頁巖氣分為遠(yuǎn)景區(qū)、有利區(qū)和核心（目標(biāo)）區(qū)資源三級(jí)，頁巖有機(jī)碳含量分別對(duì)應(yīng)0.5%、1.5%、2.0%。四川盆地海相頁巖氣目前的主力產(chǎn)氣區(qū)頁巖有機(jī)碳含量普遍在1.5%以上。中國石化在東部斷陷盆地建立了陸相頁巖油氣有利區(qū)、核心區(qū)的有機(jī)碳下限分別為1%、2%。不同地區(qū)、盆地頁巖油氣由于地質(zhì)條件、工藝技術(shù)等存在差異，有機(jī)碳下限也不盡相同。四川盆地侏羅系大安寨段湖相頁巖受周緣構(gòu)造活動(dòng)影響大，導(dǎo)致沉積相變化快，巖性變化頻繁，黏土礦物含量變化大，巖性組合類型多樣（互層、夾層），生烴條件、儲(chǔ)集條件和脆性礦物類型差異大，非均質(zhì)性強(qiáng)[15-17]。大安寨段湖相頁巖油氣有機(jī)碳下限值是一個(gè)值得深入研究的科學(xué)問題，只有明確了頁巖油氣有機(jī)碳下限值，才能科學(xué)評(píng)估湖相頁巖油氣的勘探開發(fā)前景。

5.1 有機(jī)碳含量與熱解參數(shù)S1關(guān)系

根據(jù)四川盆地近700個(gè)大安寨段頁巖熱解數(shù)據(jù)分析，有機(jī)碳含量（TOC）與熱解游離烴（S1）具有一定正相關(guān)關(guān)系（圖6）?？梢詫OC與S1交會(huì)圖劃分為3段[18]：①穩(wěn)定低值階段，TOC＜0.7%，S1＜1mg/g， 隨 著 TOC的 增 加S1基 本 不 變， 該 階段TOC低，生成的油氣難以滿足頁巖自身殘留的需要，這類頁巖由于其油氣量少且分散，以游離態(tài)分布于烴源巖孔隙中或吸附于有機(jī)質(zhì)表面，難以被經(jīng)濟(jì)有效地開發(fā)，為無效資源。②顯著增長階段，0.7%＜TOC＜1.5%，1＜S1＜2mg/g， 隨 著 TOC 的 增加S1也隨著增加，隨著TOC的增加，頁巖含油氣量不斷增大，有望成為有效的開發(fā)對(duì)象，為低效資源。③ 穩(wěn) 定 高 值 階 段，TOC＞1.5%，S1＞2mg/g， 隨 著TOC的增加S1基本穩(wěn)定在高值段不變，當(dāng)TOC達(dá)到一定的臨界值（這里為1.5%）時(shí)，所生成的油氣量總體上已能夠滿足頁巖各種形式的殘留需要，豐度更高時(shí)頁巖含油氣量達(dá)到飽和，多余的油被排出。顯然，這類頁巖的含油量最為豐富，是近期頁巖油氣勘探最現(xiàn)實(shí)的對(duì)象，為富集資源（圖6）。

圖6 四川盆地侏羅系大安寨段TOC與S1關(guān)系圖

當(dāng)TOC值較低時(shí)，烴源巖生成的油主要用于滿足自身有機(jī)質(zhì)和礦物吸附及孔隙存留的需要，難以大量排出。但當(dāng)TOC增大到一定值時(shí)，生成的油氣在滿足了烴源巖自身各種形式的存留需要后，開始大量排出。因此，排油量與TOC關(guān)系曲線的拐點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的TOC值即為優(yōu)質(zhì)烴源巖的下限。從前面的分析來看，這也應(yīng)該是穩(wěn)定高值階段的起始點(diǎn)。綜上所述，根據(jù)TOC與S1的分段特征來看，可以初步將大安寨段湖相頁巖油的有機(jī)碳含量下限定為1.5%。

5.2 頁巖產(chǎn)油段與有機(jī)碳含量關(guān)系

近年來，中國石油、中國石化在四川盆地侏羅系大安寨段湖相頁巖中開展了一定油氣勘探工作，取得了一些新認(rèn)識(shí)和新進(jìn)展。中國石化在川北和川東地區(qū)大安寨段獲得了頁巖氣，中國石油在金華和龍崗地區(qū)鉆獲了頁巖油氣流，勘探實(shí)踐進(jìn)一步證實(shí)了大安寨段湖相頁巖良好的含油氣性。

川中西北部的秋林地區(qū)，與殼牌合作區(qū)內(nèi)的QL19井在大安寨段大一三亞段頁巖中也獲得了工業(yè)油流。秋林地區(qū)處于淺湖—半深湖沉積環(huán)境，頁巖發(fā)育，厚度一般大于40m，有機(jī)質(zhì)熱演化程度適中，Ro一般介于1.0%～1.1%之間，處于生油高峰期。QL19井鉆井過程中大一三亞段見到氣測異常顯示，總烴從23%增加到48%，點(diǎn)火，火炬高度為1～1.5m。完井后分別對(duì)大一三亞段頁巖的下部和上部開展了兩次壓裂，其中下部頁巖無產(chǎn)量，統(tǒng)計(jì)分析巖心平均TOC為1.33%，巖心孔隙度為3.5%；而上部頁巖段測試最高日返排油量為7.2m3，最高日產(chǎn)氣量為2336m3，獲油氣段巖心平均TOC為1.57%，巖心孔隙度為3.8%。因此該井油氣測試成果進(jìn)一步揭示頁巖油氣有機(jī)碳下限為1.5%。

5.3 頁巖產(chǎn)氣段與有機(jī)碳含量關(guān)系

龍崗地區(qū)位于四川盆地北部，該區(qū)處于大安寨段淺湖—半深湖沉積環(huán)境，頁巖發(fā)育，厚度一般大于50m，有機(jī)質(zhì)熱演化程度較高，Ro一般大于1.3%，處于凝析油—濕氣階段。LQ2在鉆井過程中大一三亞段頁巖顯示好，對(duì)7m厚的頁巖單層測試獲得了2659m3/d的天然氣產(chǎn)量。如果按照水平井1000m折算，可以獲得37.99×104m3/d的天然氣產(chǎn)能，這個(gè)產(chǎn)量基本與目前盆地長寧—威遠(yuǎn)地區(qū)下古生界海相頁巖的天然氣測試產(chǎn)能相當(dāng)。從測試井段頁巖TOC值來看，測試井段平均TOC為1.48%，但主要分布在1.5%以上（圖7），進(jìn)一步支持了大安寨段頁巖氣有機(jī)碳含量下限為1.5%。

綜上所述，無論是從大量有機(jī)碳含量與熱解參數(shù)S1分析數(shù)據(jù)，還是大一三亞段單層測試結(jié)果與有機(jī)碳含量關(guān)系看，分析結(jié)果基本相同，四川盆地侏羅系大安寨段湖相頁巖油氣有機(jī)碳含量下限為1.5%。

圖7 龍崗地區(qū)LQ2井大安寨段頁巖單層測試成果圖

5.4 優(yōu)質(zhì)頁巖展布特征

頁巖厚度是頁巖油氣穩(wěn)產(chǎn)的基礎(chǔ)，是頁巖油氣重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)之一[19-26]。受內(nèi)陸湖相沉積環(huán)境影響，盆地湖相優(yōu)質(zhì)頁巖沉積微相空間變化較快，因此湖相優(yōu)質(zhì)頁巖分布不如海相頁巖穩(wěn)定?？v向上優(yōu)質(zhì)頁巖主要分布在大一三亞段，平面上湖相優(yōu)質(zhì)頁巖具有環(huán)帶狀分布特征，其中厚度較大的地區(qū)位于川中蓬溪—南充—南部—儀隴一線，累計(jì)厚度普遍大于20m，頁巖厚度以這一帶為中心逐步往外遞減、減薄、消失（圖8）。雖然埋藏深度不是發(fā)育頁巖油氣的決定因素，但其直接決定了頁巖油氣的勘探開發(fā)成本，從而決定了商業(yè)價(jià)值。大安寨段頁巖埋藏深度總體具有南高北低、東高西低的特征，一般不超過3000m，基本與目前川南地區(qū)海相頁巖規(guī)模效益開發(fā)的埋深相當(dāng)，因此勘探開發(fā)成本較低，為商業(yè)開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

6 結(jié)論

四川盆地侏羅系大安寨段沉積時(shí)期為侏羅紀(jì)一次較大規(guī)模的湖侵期，該時(shí)期為淡水湖相沉積，優(yōu)質(zhì)頁巖主要發(fā)育在大安寨段中部的大一三亞段，沉積環(huán)境主要為淺湖—半深湖，巖性以黑色、灰黑色頁巖與生物介殼灰?guī)r不等厚互層為主，黃鐵礦呈分散狀分布，頁理發(fā)育，該層系是目前埋藏深度較淺、頁巖油氣地質(zhì)條件較好的層系之一。

圖8 四川盆地川中地區(qū)侏羅系大安寨段優(yōu)質(zhì)頁巖厚度平面分布圖

大安寨段淡水湖相頁巖有機(jī)碳含量分布在0.1%～4.27%之間，平均為1.15%，有機(jī)質(zhì)類型主要為Ⅱ型，目前處于成熟—高成熟階段的生油氣高峰期，頁巖物性較好，平均孔隙度為1.9%，平均滲透率為1.76mD，宏觀儲(chǔ)集空間主要以裂縫為主，含少量溶蝕孔、洞；微觀儲(chǔ)集空間尺度較小，主要為微米—納米級(jí)孔隙。

根據(jù)大量的實(shí)驗(yàn)室熱解參數(shù)S1數(shù)據(jù)以及單層試油結(jié)果，初步明確了該區(qū)湖相頁巖油氣的有機(jī)碳下限為1.5%。根據(jù)該有機(jī)碳下限值，利用已有的鉆井資料，精細(xì)刻畫優(yōu)質(zhì)頁巖空間展布特征，平面上優(yōu)質(zhì)頁巖具有環(huán)帶狀分布特征，主要分布在蓬溪—南充—南部—儀隴一線。