何治亮，聶海寬，李雙建，劉光祥，丁江輝，邊瑞康，盧志遠(yuǎn)

[1.頁巖油氣富集機理與有效開發(fā)國家重點實驗室,北京 100083；2.中國石油化工集團公司 頁巖油氣勘探開發(fā)重點實驗室,北京 100083；3.中國石油化工股份有限公司 科技部,北京 100728；4.中國石化 石油勘探開發(fā)研究院,北京 100083；5.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)能源學(xué)院，北京 100083]

2000年以來，美國頁巖油氣產(chǎn)量實現(xiàn)了“爆發(fā)式”增長，改變了世界能源格局。受此啟發(fā)，中國越來越多的學(xué)者開始關(guān)注各含油氣盆地中的富有機質(zhì)頁巖[1-3]。中國南方從震旦系到三疊系海相層系發(fā)育了多套富有機質(zhì)頁巖，受多期復(fù)雜構(gòu)造運動控制，不同地區(qū)、不同層系的頁巖氣資源潛力差異較大[4-5]。經(jīng)過多年持續(xù)攻關(guān)，目前已在四川盆地及其周緣上奧陶統(tǒng)五峰組-下志留統(tǒng)龍馬溪組海相頁巖中獲得了重大突破，先后發(fā)現(xiàn)了涪陵、長寧、威遠(yuǎn)、威-榮、太陽和武隆等頁巖氣田[6-7]。與五峰組-龍馬溪組頁巖相比，二疊系頁巖的研究和勘探程度均較低[8-9]。根據(jù)原國土資源部2012年資源評價結(jié)果，中國二疊系頁巖氣資源量為17.81×1012m3，可采資源量為2.67×1012m3，與五峰組-龍馬溪組頁巖氣資源量和可采儲量基本相當(dāng)。

大量鉆井在四川盆地及周緣上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M已見到不同程度的氣測顯示，表明龍?zhí)督M泥頁巖具有較好的含氣性[10]。近幾年，針對二疊系先后實施的多口頁巖氣探井，如西頁1井龍?zhí)督M[11]、湘頁1井龍?zhí)督M[9]、鶴地1井龍?zhí)督M和大隆組[12]、東頁深1井龍?zhí)督M[13]、明1井龍?zhí)督M均獲得了良好的氣測顯示或低產(chǎn)工業(yè)氣流，證實龍?zhí)督M具備可觀的頁巖氣資源基礎(chǔ)。多家機構(gòu)和學(xué)者通過野外與室內(nèi)相結(jié)合、宏觀與微觀相結(jié)合，對龍?zhí)督M泥頁巖空間展布和地化特征[14-15]、儲層特征[9]、含氣性[8]及勘探前景[9,16]進(jìn)行了研究，認(rèn)為龍?zhí)督M海-陸過渡相頁巖具有巖性復(fù)雜(硅質(zhì)、灰質(zhì)和砂質(zhì)泥巖、煤互層)、厚度變化大、儲層非均質(zhì)性強、有機質(zhì)孔發(fā)育程度低等特點[17-20]，頁巖氣平面有利區(qū)和縱向有利層段預(yù)測難度大。

二疊紀(jì)是地質(zhì)歷史中構(gòu)造活動最活躍的時期之一，發(fā)生了一系列全球性重大地質(zhì)事件。就四川盆地所在的中國華南地區(qū)而言，主要涉及到古特提斯洋的擴張關(guān)閉與新特提斯洋的打開，其中，峨眉山玄武巖的噴發(fā)、東吳運動以及海平面的劇烈變化[21-22]對二疊紀(jì)的構(gòu)造格局和沉積環(huán)境產(chǎn)生了重要影響。本文以二疊紀(jì)全球板塊構(gòu)造為基礎(chǔ)，分析了二疊紀(jì)時期板塊構(gòu)造對原型盆地和龍?zhí)督M頁巖沉積環(huán)境和富有機質(zhì)頁巖展布的控制。在此基礎(chǔ)上，分析了龍?zhí)督M海-陸過渡相與海相頁巖氣的形成條件，探討了頁巖氣富集主控因素，通過與國內(nèi)外已經(jīng)實現(xiàn)商業(yè)開發(fā)頁巖層系間的對比，初步明確了龍?zhí)督M頁巖氣的勘探潛力和突破方向。

1 板塊構(gòu)造對二疊系富有機質(zhì)頁巖形成的控制

1.1 板塊構(gòu)造對原型盆地的控制

在全球板塊構(gòu)造格局中，二疊紀(jì)的華南地區(qū)處于特提斯構(gòu)造域東部，其周緣被古特提斯洋東段及古太平洋所圍限[21](圖1)。古特提斯洋東段有南、北兩個分支，且二者幾乎同時打開[23]。在華南板塊北部與秦嶺地塊之間的一支為勉略洋，該大洋于中泥盆世至中二疊世(D2—P2)擴張打開，在晚二疊世至中、晚三疊世(P3—T2-3)發(fā)生洋殼消減俯沖及碰撞造山，晚二疊世揚子北緣發(fā)育被動大陸邊緣盆地[23-24]。在華南板塊南部的一支為狹義上的古特提斯洋，包括次一級的昌寧-孟連主洋和金沙江-哀牢山分支洋，主要發(fā)育于中泥盆世至中三疊世，中泥盆世至早二疊世為大洋擴張階段。晚二疊世開始兩個大洋分別向中間的思茅印支地塊俯沖，此時揚子南緣也發(fā)育被動大陸邊緣盆地[21,24-26]。根據(jù)下?lián)P子巢湖地區(qū)二疊系孤峰組和龍?zhí)督M凝灰?guī)r與碎屑巖的鋯石分析，古太平洋于中二疊世(270～260 Ma)開始向華南板塊發(fā)生俯沖，華南板塊東南緣由被動大陸邊緣轉(zhuǎn)為活動大陸邊緣[27]。

圖1 華南晚二疊世早期巖相古地理(a)與古板塊位置(b)(古板塊位置據(jù)文獻(xiàn)[24]修改)

華南板塊二疊紀(jì)的構(gòu)造沉積演化除了受周緣大洋拉張和俯沖的影響以外，還受到了陸內(nèi)峨眉地幔柱活動的影響[28]，由此所形成的峨眉山大火成巖省位于華南板塊西南部，沿青藏高原東緣和越南北部分布，西接金沙江哀牢山松馬縫合帶，橫向覆蓋面積約50×104km2[28-31]，火山堆積物的厚度自北部和東部的幾百米至西部最厚約5 km不等[32]。時間上，峨眉山玄武巖在云南、貴州等地出現(xiàn)的時代始于中二疊世末期，在分布區(qū)的東部延續(xù)時間較短，在西部的延續(xù)時間稍長[22]。

受全球構(gòu)造背景的影響，華南板塊在二疊紀(jì)整體受南北向伸展構(gòu)造的控制，發(fā)育了一系列的大陸邊緣裂陷和陸內(nèi)裂陷[22]。揚子北緣勉略洋從晚二疊世開始向北俯沖，勉略古洋盆南側(cè)經(jīng)歷了從泥盆紀(jì)至石炭紀(jì)的擴張裂谷演化為被動陸緣的盆地原型組合，上二疊統(tǒng)形成了一套以淺海-半深海硅質(zhì)巖為主的自南向北加深的典型被動大陸邊緣沉積體系。揚子西南緣自泥盆紀(jì)開始沿北東向和北西向斷裂形成裂陷，發(fā)生由南至北的海侵作用，在晚古生代逐漸形成了滇黔桂地區(qū)受同沉積正斷裂活動控制的臺盆相間的古構(gòu)造沉積格局。中、晚二疊世，北部形成“盆包臺”的沉積格局，其中，臺盆相發(fā)育頁巖及硅質(zhì)巖系，臺地(或臺丘)相則以礁灰?guī)r與泥質(zhì)碳酸鹽為主。中、上揚子受峨眉地幔柱活動的影響，古地理發(fā)生了重大轉(zhuǎn)折。峨眉山火山巖噴溢中心位于川滇黔交界的攀西裂谷系，除波及滇黔桂外，向北還影響到川西南段、川西南及川東地區(qū)，使地形總體呈現(xiàn)西南高東北低的特征。東吳運動使揚子主體區(qū)上升成陸，形成了上、中二疊統(tǒng)之間的區(qū)域性不整合。晚二疊世受“峨嵋山玄武巖”噴發(fā)后的熱冷卻沉降影響揚子主體區(qū)整體下沉、海水逐漸變深，沿峨眉山玄武巖噴發(fā)區(qū)外圍沉積了一套下部為海-陸過渡相的含煤泥質(zhì)巖與砂巖(龍?zhí)督M/吳家坪組)，上部為灰?guī)r、生物灰?guī)r夾泥灰?guī)r與硅質(zhì)巖(長興組/大隆組)的沉積組合。華南東南緣受古太平洋板塊俯沖擠壓抬升形成的華夏古陸，自茅口期發(fā)育并不斷擴大，改變了華南地區(qū)碳酸鹽巖廣泛分布的沉積格局。在該古陸西側(cè)沉積了以翠屏山組為代表的陸相地層，稱之為浙閩粵沖積平原，平原以西發(fā)育了蘇湘贛大型三角洲沉積體系。碎屑巖沉積自東南向西北不斷向揚子推進(jìn)，下?lián)P子和華南地塊的沉積總體受這種構(gòu)造背景所控制。綜上所述，中、晚二疊世華南地區(qū)在早期統(tǒng)一的碳酸鹽巖臺地基礎(chǔ)上，發(fā)生了強烈的構(gòu)造沉積分異，沉積了一套陸相、海-陸過渡相與海相共存的沉積體系，致使晚二疊世形成的龍?zhí)督M發(fā)育多種類型的富有機質(zhì)泥頁巖，分別成為華南地區(qū)重要的煤層氣和頁巖氣勘探層系(圖2)。

1.2 板塊構(gòu)造對頁巖沉積環(huán)境和富有機質(zhì)頁巖展布的控制

1.2.1 板塊構(gòu)造對沉積環(huán)境的控制

晚二疊世，受東吳運動的影響[33]，整個上揚子地區(qū)特別是四川盆地，不同地區(qū)同期異相沉積特征明顯，總體表現(xiàn)為南西高、北東低的古地理格局[10]。在地形與海平面變化的約束下，四川盆地及周緣上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M(吳家坪組)沉積相帶自南西至北東向依次表現(xiàn)為河流三角洲—濱岸-沼澤—潮坪-潟湖—淺水陸棚—深水陸棚—開闊臺地—盆地相，呈弧形帶狀展布(圖1)。其中，川西南地區(qū)雅安-樂山一帶為近物源的河流相砂礫巖沉積區(qū)；川東南-川中地區(qū)為海-陸過渡相煤系(細(xì)碎屑巖夾煤層)沉積區(qū)，根據(jù)泥頁巖和砂巖發(fā)育比例的差異，可進(jìn)一步分為濱岸-沼澤相和潮坪-潟湖相，其中濱岸-沼澤相主要分布在內(nèi)江—自貢—宜賓一帶，而潮坪潟湖相主要沿成都—遂寧—重慶—畢節(jié)一帶展布；川中—川東北地區(qū)為海相碎屑巖沉積區(qū)，根據(jù)沉積水體的深度可進(jìn)一步分為淺水陸棚和深水陸棚，其中淺水陸棚相主要分布在綿陽—南充—涪陵—遵義一帶，為灰?guī)r夾泥頁巖沉積區(qū)；深水陸棚相主要沿廣元—巴中—達(dá)州—恩施—黔江一帶展布，巖石組合以硅質(zhì)灰?guī)r與硅質(zhì)碎屑巖為主；川北地區(qū)主要為上二疊統(tǒng)吳家坪組海相碳酸鹽巖混積臺地沉積區(qū)。

勘探實踐揭示四川盆地及周緣龍?zhí)督M深水陸棚相和潮坪-潟湖相最有利于富有機質(zhì)泥頁巖的發(fā)育，其次為濱岸-沼澤相和淺水陸棚相?？傮w上，四川盆地在吳家坪階形成了川東北地區(qū)龍?zhí)督M海相和川中-川東南地區(qū)龍?zhí)督M海-陸過渡相泥頁巖兩個發(fā)育區(qū)，厚度介于60～100 m。其中，龍?zhí)督M海相泥頁巖主要發(fā)育在廣元-巴中-達(dá)州一帶的深水陸棚相沉積區(qū)，而龍?zhí)督M海-陸過渡相泥頁巖則主要發(fā)育在川中-川東南地區(qū)的潮坪-潟湖相沉積區(qū)，二者均是目前四川盆地龍?zhí)督M頁巖氣勘探的重點地區(qū)。

1.2.2 富有機質(zhì)頁巖特征

四川盆地及周緣龍?zhí)督M泥頁巖主要發(fā)育于深水陸棚和潮坪-潟湖沉積相帶。受板塊構(gòu)造控制，沉積相帶自南西向北東，陸源碎屑逐漸減少，水體逐漸變深，巖性組合從泥頁巖夾煤層—砂泥灰互層—泥頁巖夾灰?guī)r轉(zhuǎn)變，整體上表現(xiàn)為煤層(線)不斷減少，硅質(zhì)和灰質(zhì)含量逐漸增加的特點[10]。龍?zhí)督M頁巖TOC含量普遍較高，在四川盆地形成了兩個厚度中心，分別位于南部的內(nèi)江—瀘州—赤水一帶和北部的巴中—達(dá)州—萬縣一帶，與潮坪-潟湖相和深水陸棚相分布一致[10]。從巖性組合的角度來看，四川盆地龍?zhí)督M富有機質(zhì)層段可以劃分為3種類型。

1)泥頁巖夾灰?guī)r型：主要分布在川東北地區(qū)，屬于深水陸棚相沉積，沉積古水深大，沉積水體滯留嚴(yán)重，封閉性和還原性強，是有機質(zhì)富集的理想場所?？v向上，自下而上沉積水體逐漸變深，沉積相由淺水陸棚相過渡為深水陸棚相，泥頁巖品質(zhì)變好，巖性表現(xiàn)為黑色炭質(zhì)頁巖、灰黑色硅質(zhì)頁巖、泥灰?guī)r等互層沉積，以炭質(zhì)頁巖和硅質(zhì)頁巖為主。粘土礦物經(jīng)歷深埋轉(zhuǎn)化作用而形成伊利石與伊蒙混層。泥頁巖單層厚度可達(dá)50 m，累計厚度最大可超過100 m，灰?guī)r厚度一般小于10 m，以明1井為代表(圖3a)。明1井龍?zhí)督M頁巖的TOC含量介于0.60%～9.53%，平均4.45%，壓裂獲得最高日產(chǎn)氣3×104m3，證實龍?zhí)督M泥頁巖夾灰?guī)r型富有機質(zhì)層段具備頁巖氣富集的物質(zhì)基礎(chǔ)。

2)砂-泥-灰-煤互層型：主要分布在川東-川東南地區(qū)，屬于淺水陸棚相沉積，陸源碎屑輸入較少，沉積水體較淺，但在高生物生產(chǎn)力條件下也可形成有機質(zhì)富集。巖性表現(xiàn)為泥頁巖、砂巖、灰?guī)r和煤層互層，其中泥頁巖單層厚度大于10 m，累計厚度最大可超過50 m，砂巖和灰?guī)r夾層一般小于10 m，以南頁1井為代表(圖3b)，在龍?zhí)督M富有機質(zhì)泥頁巖層段見到了良好的氣測異常，說明砂-泥-灰-煤互層型富有機質(zhì)層段也具有良好的頁巖氣勘探潛力。

3)泥頁巖夾煤層型：主要分布在川東南地區(qū)，屬于潮坪-潟湖相沉積，氣候溫暖適宜，營養(yǎng)物質(zhì)豐富，是有機質(zhì)富集的理想場所。巖性以灰黑色粘土質(zhì)泥頁巖和黑色炭質(zhì)頁巖為主，粘土礦物中含有較高的的高嶺石。泥頁巖單層厚度大于10 m，累計厚度最大可達(dá)50 m，而煤層一般分布在2～5 m，以東頁深1井為代表(圖3c)。

圖3 四川盆地龍?zhí)督M3種類型富有機質(zhì)層段典型井地層綜合柱狀圖

2 龍?zhí)督M海-陸過渡相和海相頁巖氣賦存特征

2.1 川南-川東南地區(qū)海-陸過渡相頁巖

川南-川東南地區(qū)二疊系龍?zhí)督M屬于海-陸過渡相沉積，總體具有頁巖和煤層互層的特征。早期鉆井在頁巖和煤層中見到了良好的氣測顯示。東頁深1井龍?zhí)督M泥頁巖TOC含量0.57%～18.37%，平均為3.23%，現(xiàn)場解析含氣量0.56～8.78 m3/t，平均為2.02 m3/t[13]，表明龍?zhí)督M海-陸過渡相泥頁巖夾煤層型具有較好的含氣性。本文以華鎣山高石坎剖面為代表剖析龍?zhí)督M海-陸過渡相頁巖氣賦存特征。

2.1.1 地球化學(xué)特征

川東南地區(qū)華鎣山高石坎剖面龍?zhí)督M泥質(zhì)巖TOC普遍大于0.5%，平均為3.41%，有機質(zhì)熱成熟度Ro1.09%～1.39%，平均為1.2%，處于有利的生油氣階段。干酪根碳同位素-25.2‰～-22‰，明顯偏重，有機質(zhì)類型為Ⅱ2-Ⅲ型，以腐殖型為主，少量呈現(xiàn)為腐泥-腐殖型，其中惰質(zhì)組占60%～80%。由于惰質(zhì)組生成油氣的能力有限，因此有機孔發(fā)育程度較低[34]，與四川盆地五峰組-龍馬溪組富有機質(zhì)頁巖中大量發(fā)育的有機質(zhì)孔隙存在明顯的差異。

2.1.2 礦物組成

華鎣山高石坎剖面龍?zhí)督M礦物以粘土礦物為主，含量41%～87%，平均67%；其次為石英，含量12%～35%，平均23%；再次為長石，含量0～18%，平均6%；黃鐵礦含量0～9%，個別樣品中可見重晶石(圖4)?？傮w而言，華鎣山高石坎剖面龍?zhí)督M脆性礦物含量偏低，脆性指數(shù)介于0.13～0.59，平均為0.32。粘土礦物以伊/蒙混層為主，含量48%～74%，平均62%；其次為伊利石，含量17%～46%，平均29%；高嶺石含量除個別樣品達(dá)19%～23%，其余普遍小于10%；綠泥石含量通常較低。伊/蒙混層和伊利石對孔隙度的貢獻(xiàn)較大，粘土礦物含量與累計孔隙比表面積和中孔比表面積呈正相關(guān)關(guān)系[34]，相比于五峰組-龍馬溪組海相頁巖，龍?zhí)督M海-陸過渡相頁巖中粘土礦物孔更為重要。

圖4 四川盆地華鎣山剖面龍?zhí)督M泥頁巖全巖礦物組成分布

2.1.3 儲集空間類型

本文在借鑒He等[35]對海相頁巖孔隙類型分類的基礎(chǔ)上，依據(jù)頁巖孔隙成因和結(jié)構(gòu)特征，識別出龍?zhí)督M海-陸過渡相頁巖儲集空間主要為有機孔、礦物質(zhì)孔和微裂縫(表1)。

表1 四川盆地二疊系龍?zhí)督M頁巖孔隙類型表征(據(jù)He等[35]修改)

1)有機孔

華鎣山高石坎剖面龍?zhí)督M頁巖中的有機孔多呈針孔狀，發(fā)育少量微裂縫(圖5a—c)，部分為有機質(zhì)邊緣收縮縫，部分為有機質(zhì)內(nèi)生裂隙。這些微裂隙密度不大，延伸性較差。由于生烴母質(zhì)為Ⅱ2-Ⅲ型干酪根，導(dǎo)致有機孔整體不發(fā)育。

圖5 四川盆地華鎣山剖面龍?zhí)督M泥頁巖氬離子拋光掃描電鏡照片與孔隙類型

2)礦物質(zhì)孔

華鎣山高石坎剖面龍?zhí)督M頁巖發(fā)育的無機孔主要包括粒間孔、粒內(nèi)孔(圖5c,e)和溶蝕孔，可見少量化石孔(圖5f)。粒間孔主要發(fā)育在石英、黃鐵礦和方解石等晶型較好、抗壓實作用強的礦物晶體間，粒內(nèi)孔主要發(fā)育在伊利石、高嶺石、綠泥石等粘土晶體內(nèi)，這兩種孔隙多呈三角形、長條形和不規(guī)則形等形狀。溶蝕孔主要發(fā)育在礦物顆粒間或晶體內(nèi)部，為頁巖在埋藏過程中，由于有機酸或者地下水對方解石和長石發(fā)生的溶蝕作用形成。

3)微裂縫

微裂縫主要發(fā)育在晶體間或粘土礦物顆粒內(nèi)，也有少量分布在有機質(zhì)邊緣(圖5a,d)。長度多在幾十微米，一般寬幾十納米。微裂縫發(fā)育程度和儲層后期經(jīng)歷的構(gòu)造運動有關(guān)。由于華鎣山地區(qū)靠近四川盆地東部邊緣，經(jīng)歷的構(gòu)造活動頻繁，泥頁巖儲層裂縫較為發(fā)育。目前普遍認(rèn)為微裂縫對頁巖氣開發(fā)具有重要意義，頁巖中的微裂縫不僅為頁巖氣提供有利的儲集空間，而且有利于吸附氣的解吸[36]。

2.1.4 物性特征

華鎣山剖面龍?zhí)督M泥頁巖孔隙度介于3.44%～9.09%，平均為7.64%，夾層中煤樣孔隙度平均為8.99%。川東地區(qū)龍?zhí)督M泥頁巖和煤層的孔隙度明顯比涪陵頁巖氣田五峰組-龍馬溪組頁巖儲層(孔隙度為4.5%～6.0%，平均4.98%[37])高，表明其具較好的儲集性能。當(dāng)然，孔隙度高也可能與樣品取自地表剖面有關(guān)。

2.2 川東北地區(qū)海相頁巖

川東北地區(qū)龍?zhí)督M富有機質(zhì)頁巖形成于深水陸棚環(huán)境。這一類頁巖具有有機碳和硅質(zhì)(主要是有機硅)含量高的特點，與四川盆地五峰組-龍馬溪組頁巖具有類似的特征。早期鉆井在龍?zhí)督M頁巖層段見到了良好的氣測顯示，針對龍?zhí)督M富有機質(zhì)頁巖實施的數(shù)口探井還獲得了低產(chǎn)工業(yè)氣流。本文以明1井為代表來剖析川東北地區(qū)龍?zhí)督M海相頁巖氣形成條件。

2.2.1 地球化學(xué)特征

龍?zhí)督M頁巖TOC含量0.60%～9.53%，平均4.45%，鏡質(zhì)體反射率(Ro)2.74%～3.49%，平均3.25%(圖6)，熱解峰溫(Tmax)為520.9～574.1 ℃，平均568.3 ℃，處于過成熟演化階段。有機質(zhì)類型以Ⅱ型為主，藻屑體和固體瀝青較為發(fā)育，不僅生氣潛力好[38]，而且為有機孔的發(fā)育創(chuàng)造了條件。熱解參數(shù)S1和S2分別在0.000 6～0.051 8 mg/g和0.025 5～0.385 4 mg/g，平均為0.013 1 mg/g和0.145 3 mg/g，生烴潛量(S1+S2)介于0.026 6～0.437 2 mg/g，平均為0.158 4 mg/g。

圖6 川東北地區(qū)明1井龍?zhí)督M頁巖地層綜合柱狀圖

2.2.2 礦物組成

明1井龍?zhí)督M頁巖礦物以石英和粘土最為豐富，其中石英含量5.0%～59.0%，平均30.1%；粘土礦物含量16.0%～76.0%，平均39.1%。其次為方解石、白云石和黃鐵礦，其中方解石含量1.0%～27.0%，平均11.7%；白云石含量1.0%～59.0%，平均9.6%；黃鐵礦含量2%～19%，平均6.2%。硬石膏和菱鐵礦的含量較低，均不超過3%。脆性礦物(石英+方解石+白云石)平均含量為51.4%(圖7)，反映川東北地區(qū)龍?zhí)督M頁巖具有較好的脆性。粘土礦物以伊利石和伊/蒙混層為主，二者含量分別為2.0%～64.0%和5.0%～75.0%，平均分別為44.1%和46.7%(圖8)，此外含有少量的高嶺石、綠泥石、綠/蒙混層，不含蒙脫石。

圖7 川東北明1井龍?zhí)督M頁巖全巖礦物組成

圖8 川東北明1井龍?zhí)督M頁巖粘土礦物組成

總體而言，川東北地區(qū)龍?zhí)督M海相頁巖礦物種類和含量與北美地區(qū)頁巖基本相當(dāng)[36,39]，其粘土礦物含量明顯低于川東南地區(qū)的龍?zhí)督M海-陸過渡相頁巖，而脆性礦物含量則明顯較高。

2.2.3 儲集空間類型

川東北地區(qū)明1井龍?zhí)督M頁巖儲集空間以有機孔、粘土礦物孔為主，局部發(fā)育有機質(zhì)收縮微裂縫、粒間孔、黃鐵礦晶間孔。

1)有機孔

有機孔主要發(fā)育于有機質(zhì)內(nèi)部(圖9a—e)，呈片麻狀、橢圓形、凹坑狀等多種形態(tài)分布，孔徑主體在幾納米至幾十納米。總體來看，明1井龍?zhí)督M頁巖有機孔較為發(fā)育，但在個別樣品中會發(fā)現(xiàn)有的有機質(zhì)不發(fā)育有機孔(圖9k,l)，可能與有機孔的發(fā)育受有機顯微組成的影響有關(guān)[40-41]。目前研究認(rèn)為，有機孔多見于類脂組分，腐殖組分發(fā)育程度低[42-43]。有機孔的發(fā)育差異顯然與不同有機顯微組分在化學(xué)結(jié)構(gòu)性質(zhì)上的差異有關(guān)。相對于類脂組分，腐殖組分在熱演化過程中自身結(jié)構(gòu)難以改變，故很難大規(guī)模發(fā)育有機孔。

有機質(zhì)除單體(游離態(tài))存在外，與粘土礦物或黃鐵礦伴生存在的現(xiàn)象也很常見，呈包裹與被包裹的關(guān)系，其間也發(fā)育一定數(shù)量的有機孔(圖9d,e,h)。本次研究發(fā)現(xiàn)，有機孔實際上并不是孤立分布的，而是相互之間存在一定的連通性(圖9a)，這在北美頁巖有機孔的研究中已經(jīng)得以證實[36,40]。因此，富含大量連通性較好的有機孔網(wǎng)絡(luò)不僅是頁巖氣富集的主要儲集空間類型，而且有助于氣體突破滲流閾值在頁巖儲層中形成微觀導(dǎo)流通道，增強頁巖的滲透性。

2)礦物質(zhì)孔

明1井龍?zhí)督M頁巖無機孔主要有粘土礦物孔、黃鐵礦晶間孔和粒間孔。粘土礦物孔是粘土礦物層間孔和層內(nèi)孔的總稱，是研究區(qū)廣泛發(fā)育的一類孔隙(圖9c—f)，孔徑相對較小，從幾納米至幾十納米，多呈絮狀或者條帶狀分布。化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定的粘土礦物(如蒙脫石)，在沉積埋藏轉(zhuǎn)變?yōu)橐撩苫鞂踊蛞晾倪^程中會產(chǎn)生大量孔隙，內(nèi)部具紙房構(gòu)造，而紙房構(gòu)造往往呈開放型，因而形成了大量的連通孔隙，這些層間和層內(nèi)微孔隙不僅為頁巖氣賦存創(chuàng)造了空間，而且可為氣體滲流提供微觀運移通道。早期淺埋階段，泥頁巖發(fā)育的大量粘土礦物孔連通性很好，是非常有效的孔隙網(wǎng)絡(luò)。黃鐵礦晶間孔是晶體生長過程中受外界環(huán)境干擾，致使晶體堆積過程中出現(xiàn)的縫隙(圖9h，i)，孔徑在幾十至幾百納米，發(fā)育程度相對較低，連通性相對較差。粒間孔一般形成于礦物顆粒接觸處(圖9j)，通常呈現(xiàn)出多邊形、不規(guī)則性分布，為軟硬顆粒接觸處經(jīng)壓實膠結(jié)后剩余的孔隙空間，一般為原生孔隙，呈分散狀分布于基質(zhì)中，排列一般無規(guī)律，孔徑可達(dá)幾百納米，在研究區(qū)發(fā)育程度相對較低。

圖9 川東北地區(qū)明1井龍?zhí)督M頁巖氬離子拋光掃描電鏡照片

3)微裂縫

在有機質(zhì)與礦物(特別是粘土礦物)接觸處發(fā)現(xiàn)了少量微裂縫(圖9k，l)，屬于頁巖成巖收縮縫的一種，是由于粘土礦物脫水或因粘土礦物相變、上覆載荷(壓實作用)或熱作用(如巖漿作用)而失水形成[44]。微裂縫多呈狹長條帶狀分布，具有一定的延伸性，長度多在數(shù)微米，寬度在幾十納米。雖然微裂縫只占頁巖儲層儲集空間的一小部分，甚至有的被充填，但其仍然對后期壓裂造縫具有很好的促進(jìn)作用。而未被充填的微裂縫不僅是氣體賦存的空間，而且也為氣體擴散、滲流提供了有效的微觀疏導(dǎo)通道，這在美國頁巖氣勘探開發(fā)實踐中已經(jīng)得以證實。在相似沉積、構(gòu)造、生烴物質(zhì)基礎(chǔ)的背景下，微裂縫越發(fā)育，氣井產(chǎn)量越高[45]。由于四川盆地復(fù)雜的構(gòu)造背景，微裂縫的作用視不同的構(gòu)造背景需要具體分析。

2.2.4 物性特征

明1井頁巖樣品測試結(jié)果表明，川東北地區(qū)龍?zhí)督M海相頁巖儲層物性總體表現(xiàn)出較高孔隙度和極低滲透率的特征，孔隙度0.48%～11.8%，平均為4.94%(圖6)，與涪陵頁巖氣田五峰組-龍馬溪組產(chǎn)層[37]基本相當(dāng)，略低于川東南地區(qū)龍?zhí)督M海-陸過渡相頁巖。滲透率(0～0.845)×10-3μm2，平均為0.139 6×10-3μm2，明顯高于涪陵頁巖氣田五峰組-龍馬溪組頁巖儲層的(0.001～0.1)×10-3μm2和川東南地區(qū)龍?zhí)督M海-陸過渡相頁巖的0.015×10-3μm2[13]。

3 討論

3.1 構(gòu)造改造強度對頁巖氣賦存的影響

從已經(jīng)實現(xiàn)商業(yè)開發(fā)的四川盆地五峰組-龍馬溪組頁巖氣勘探開發(fā)效果分析發(fā)現(xiàn)，具有相似沉積背景的盆內(nèi)和盆緣頁巖氣產(chǎn)量存在較大差異[46]，表明中新生代多期構(gòu)造疊加和改造強度的不同顯著影響了頁巖氣藏富集程度和氣井產(chǎn)量[37,47]。前人研究表明，龍?zhí)督M頁巖廣泛分布于四川盆地，具有平面厚度大(100～200 m)、有機質(zhì)豐度高等特征，但由于保存條件不同，頁巖含氣量存在明顯差異。四川盆地盆緣區(qū)構(gòu)造抬升較盆內(nèi)更為強烈，導(dǎo)致靠近盆地邊緣的頁巖氣保存能力相對較弱。盡管區(qū)域上具有相似的頂?shù)装鍘r層，但構(gòu)造上的差異依然會對頁巖氣富集產(chǎn)生影響。以靠近盆地邊緣的西門1井為例，龍?zhí)督M4 480.0～4 555.6 m井段錄井氣測顯示全烴為1.27%～55.85%，甲烷為0.90%～54.33%，而位于盆內(nèi)的資陽1井龍?zhí)督M3 693.5～3 696.0 m井段錄井全烴為5.53%～79.83%，甲烷為4.89%～65.86%，烷烴含量資陽1井明顯高于西門1井[48]。分析造成兩口井含氣量差異的原因，保存條件是一個關(guān)鍵因素?？拷璧剡吘壍奈鏖T1井位于赤水—官渡地區(qū)，經(jīng)歷的構(gòu)造運動期次多。位于威遠(yuǎn)—資陽的資陽1井遠(yuǎn)離盆地邊緣，保存條件相對較好，對頁巖氣賦存更加有利。四川盆地中北部的明1井位于盆地內(nèi)部，在龍?zhí)督M4 952～4 970 m井段射孔測試，獲日產(chǎn)氣3.02×104～3.85×104m3，顯示了良好的頁巖氣開發(fā)前景。在遠(yuǎn)離四川盆地的地區(qū)，鉆遇龍?zhí)督M的頁巖氣井多表現(xiàn)為氣測異常明顯，雖具一定的含氣量，但測試產(chǎn)量低、累產(chǎn)低。分析認(rèn)為，四川盆地外頁巖氣的保存條件較差是主要原因。

3.2 沉積相對頁巖氣賦存的影響

3.2.1 海-陸過渡相頁巖的特殊性

泥頁巖儲層的含氣性及單井產(chǎn)量與孔隙發(fā)育程度密切相關(guān)?？紫栋l(fā)育程度是判斷頁巖氣富集高產(chǎn)的一個重要參數(shù)。沉積相、有機質(zhì)類型、礦物組成及構(gòu)造演化等因素共同控制頁巖儲層微觀孔隙類型、天然氣賦存狀態(tài)以及頁巖氣富集程度[50]。頁巖儲層孔隙類型和孔隙發(fā)育機理的差異與不同沉積相密切相關(guān)[51]。有機孔是海相頁巖儲層的主要儲集空間類型[35,52]，而在海-陸過渡相頁巖中，有機孔發(fā)育程度低，占總孔隙度的比例也低，導(dǎo)致其儲集性能較差，吸附態(tài)的頁巖氣賦存能力較弱。由于排烴效率較高，海-陸過渡相頁巖上下夾層中的煤層、砂巖和灰?guī)r的孔隙度較高，可以捕獲來自頁巖中運移出來的油氣，從而具有常規(guī)氣、致密氣、煤層氣與頁巖氣共存的特點。

川南-川東南地區(qū)海-陸過渡相泥頁巖單層厚度薄，但累計厚度大，發(fā)育多套煤層/煤線，表現(xiàn)出泥頁巖、煤層、砂巖與灰?guī)r頻繁互層的特點。煤層薄而生烴強度大、含氣量高，泥頁巖生烴能力有限但總厚度較大，砂巖儲集能力較強，總體具有沉積旋回性強、巖性組合類型多樣、多重內(nèi)幕封蓋等特點，空間配置關(guān)系有利于發(fā)育垂向多套天然氣疊置氣藏。在保存條件較好的地區(qū)，海-陸過渡相頁巖層系具有多層含氣的特點，可嘗試頁巖氣、煤層氣和常規(guī)砂巖/灰?guī)r氣多層勘探、立體開發(fā)。基于“沉積建造是基礎(chǔ)、改造保存條件是關(guān)鍵”的“建造-改造”的評價思路，進(jìn)一步針對頁巖氣、煤層氣、致密砂巖氣賦存的差異性分別進(jìn)行有利區(qū)優(yōu)選，即以頁巖氣為主的勘探有利區(qū)、以煤層氣為主的勘探有利區(qū)和以致密砂巖(灰?guī)r)氣為主的勘探有利區(qū)，同時，也可以按照“三氣合采”思路進(jìn)行縱向有利勘探層段的評價優(yōu)選。

3.2.2 川東北地區(qū)龍?zhí)督M海相頁巖與國內(nèi)外典型海相頁巖對比

通過川東北地區(qū)龍?zhí)督M海相頁巖、川東南地區(qū)龍?zhí)督M海-陸過渡相頁巖與中國四川盆地五峰組-龍馬溪組、美國福特沃斯盆地Barnett、阿巴拉契亞盆地Ohio、密歇根盆地Antrim、伊利諾伊斯盆地New Albany、圣胡安盆地Lewis等典型頁巖氣產(chǎn)層特征對比分析(表2)，可以看出，川東北地區(qū)龍?zhí)督M海相頁巖在頁巖有效厚度、TOC、有機質(zhì)類型、孔隙度與Barnett、Ohio、Antrim、New Albany海相頁巖類似，而熱演化程度、石英含量、壓力系數(shù)與龍馬溪組海相頁巖基本相當(dāng)，含氣量高于龍馬溪組。龍馬溪組、Barnett、Ohio、Antrim、New Albany已經(jīng)成為國內(nèi)外重要的頁巖氣產(chǎn)層，說明川東北地區(qū)龍?zhí)督M具有良好的頁巖氣勘探開發(fā)潛力，有望在埋深相對較淺且有機孔較為發(fā)育的地區(qū)率先獲得突破。

表2 川東北地區(qū)龍?zhí)督M頁巖與國內(nèi)外其他典型頁巖氣產(chǎn)層特征對比

中國海相層系通常經(jīng)歷了多期油氣成藏過程，而多期成藏對大氣田形成和保存常具有負(fù)面作用，優(yōu)質(zhì)蓋層，特別是膏鹽巖蓋層是海相層系形成大中型油氣田的關(guān)鍵。勘探實踐表明，大型天然氣田蓋層多以膏鹽巖為主，若蓋層條件優(yōu)越，即使烴源巖時代老，油氣也能得以保存[53]。對于四川盆地龍?zhí)督M頁巖來說，盆地內(nèi)區(qū)域連片分布的中、下三疊統(tǒng)膏鹽巖，不僅有利于維持龍?zhí)督M較高的壓力系統(tǒng)(明1井壓力系數(shù)在1.5左右)，還確保了頁巖氣系統(tǒng)不會因抬升過淺而被破壞。而在湘中地區(qū)和湘鄂西地區(qū)三疊系膏鹽巖不發(fā)育或被剝蝕的地區(qū)，頁巖氣多表現(xiàn)為常壓，如鶴地1井和湘頁1井。

良好的頂?shù)装鍡l件是頁巖氣在儲層內(nèi)得以封存的重要保障，而影響氣藏好壞的關(guān)鍵因素之一，主要取決于上覆及下伏地層的巖性與接觸關(guān)系。從四川盆地二疊系的巖性組合來看，龍?zhí)督M的頂板和底板分別為厚度較大的長興組灰?guī)r和茅口組灰?guī)r，良好的頂?shù)装鍡l件確保了在水平井壓裂施工中地層的穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

1)二疊紀(jì)是古特斯洋逐漸閉合，新特提斯洋形成的關(guān)鍵時期。受秦嶺洋和金沙江洋俯沖消減的拖拽作用和“峨眉地裂運動”等構(gòu)造事件的影響，華南地塊整體處于區(qū)域性伸展構(gòu)造背景下，揚子臺地內(nèi)部和邊緣分別發(fā)育了一系列的裂陷盆地。東吳運動前后，中、晚二疊世的華南地區(qū)在早期統(tǒng)一的碳酸鹽巖臺地基礎(chǔ)上，發(fā)生了強烈的構(gòu)造沉積分異作用，形成了一套陸相—海-陸過渡相—海相的沉積體系。

2)受板塊構(gòu)造控制，四川盆地龍?zhí)督M富有機質(zhì)層段可以劃分為泥頁巖夾灰?guī)r型、砂-泥-灰互層型、泥頁巖夾煤層型3種類型。其中，泥頁巖夾灰?guī)r型形成于深水陸棚環(huán)境，主要分布在川東北地區(qū)的廣元—巴中—達(dá)州—恩施—黔江一帶；砂-泥-灰互層型形成于淺水陸棚環(huán)境，主要沿川東北地區(qū)的綿陽—南充—涪陵—遵義一帶展布；泥頁巖夾煤層型形成于潮坪-潟湖環(huán)境，主要分布在川東南的成都—遂寧—重慶—畢節(jié)一帶。研究認(rèn)為，深水陸棚相中的泥頁巖夾灰?guī)r型具備最為有利的頁巖氣形成條件。

3)川東北地區(qū)二疊系龍?zhí)督M頁巖氣富集程度主要受控于原始沉積條件和后期保存條件。原始沉積條件是頁巖氣形成富集的基礎(chǔ)。形成于深水陸棚相的龍?zhí)督M泥頁巖夾灰?guī)r組合，沉積時古水深大，水體滯留嚴(yán)重，封閉性和還原性強，是有機質(zhì)富集的理想場所。后期的保存條件是頁巖氣富集的關(guān)鍵。特別是四川盆地北部不僅具有下三疊統(tǒng)膏鹽巖作為優(yōu)質(zhì)區(qū)域蓋層，而且具備良好的頂板(長興組灰?guī)r)和底板(茅口組灰?guī)r)條件，保存條件總體較好。龍?zhí)督M具有生氣高峰晚、抬升時間晚、壓力系數(shù)高的賦存特點。

4)川東北地區(qū)二疊系龍?zhí)督M頁巖具有“高TOC、高熱演化程度、高孔隙度、高石英含量、高含氣量、高壓力系數(shù)”六高特征，其頁巖氣成藏地質(zhì)條件與五峰組-龍馬溪組、Barnett、Ohio、Antrim、New Albany等國內(nèi)外典型海相頁巖十分類似，具備形成規(guī)模性頁巖氣賦存的良好地質(zhì)條件，有望在埋深相對較淺、硅質(zhì)頁巖厚度較大的川東北-川東地區(qū)率先獲得戰(zhàn)略性突破。建議加強構(gòu)造沉積研究，明確富有機質(zhì)頁巖分布，詳細(xì)描述儲集特征，通過地質(zhì)與地球物理的有效結(jié)合，預(yù)測“甜點”分布，探索與龍?zhí)督M相適應(yīng)的鉆井與儲層改造方法，評價優(yōu)選埋深相對較淺、有機孔發(fā)育、壓力系數(shù)與含氣量較高的區(qū)帶和目標(biāo)以實施鉆探，近期有望實現(xiàn)戰(zhàn)略導(dǎo)向性突破。

致謝:本項研究工作得到了國家自然科學(xué)基金項目“特提斯域內(nèi)大陸單向裂解-聚合過程中的油氣大規(guī)模富集效應(yīng)”(91755211)、“四川盆地龍馬溪組頁巖儲層演化特征研究”(41872124)和“海相深層油氣富集機理與關(guān)鍵工程技術(shù)基礎(chǔ)研究”(U19B6003)聯(lián)合資助。中國石化勘探分公司、中原油田分公司、西南油田分公司、江漢油田分公司、華東油氣分公司等單位為本研究提供了豐富的實物資料和前期研究成果，在此，表示衷心感謝。