梁 霄 李香華 徐劍良 何 嘉 韓友平 崔 健 李郭琴 寇一龍

1.中國石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司地質(zhì)勘探開發(fā)研究院 2.“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國家重點實驗室·成都理工大學(xué) 3.中國石油集團(tuán)東方地球物理勘探公司西南物探研究院

0 引言

頁巖氣概念、勘探開發(fā)理論與技術(shù)引入我國后逐漸被我國業(yè)界關(guān)注、了解和吸收[1-6]。頁巖氣勘探開發(fā)完善和建立了“連續(xù)性油氣聚集理論”，對經(jīng)典石油地質(zhì)學(xué)理論產(chǎn)生了重大革新與突破[7]。經(jīng)歷2005—2009年選區(qū)選層優(yōu)化與2010—2012年的全面鉆探兩階段后，將上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組作為優(yōu)先目的層系。2014年后中國石化與中國石油實現(xiàn)了渝東南地區(qū)涪陵頁巖氣田焦石壩區(qū)塊與川南地區(qū)威遠(yuǎn)—長寧區(qū)塊五峰組—龍馬溪組頁巖氣的勘探開發(fā)突破[8-10]。與龍馬溪組頁巖氣研究思路相似，四川盆地（上揚(yáng)子地區(qū)）下寒武統(tǒng)頁巖氣評價仍以巖心、野外露頭為基礎(chǔ)，采用礦物學(xué)分析、等溫吸附等實驗方法，在沉積（巖相）、生物地層、儲層孔隙結(jié)構(gòu)與含氣性等特征上已經(jīng)取得了一定成果[11-17]。然而，目前四川盆地下寒武統(tǒng)筇竹寺組頁巖氣開發(fā)效果并不理想，其中作為評價重點的威遠(yuǎn)地區(qū)最新多口鉆井壓裂效果較差，產(chǎn)氣量低（金頁1井日產(chǎn)氣量為0.5×104m3，威207井日產(chǎn)氣量為0.2×104m3）。已有研究提出有機(jī)質(zhì)石墨化及儲層變差是造成四川盆地筇竹寺組頁巖氣勘探開發(fā)效果不佳的主要原因[18-19]。目前，在四川盆地中西部地區(qū)下寒武統(tǒng)頁巖氣研究中，相對缺乏對埃迪卡拉系（相當(dāng)于震旦系）—寒武系界面（Ediacaran—Cambrian，以下簡稱E—C界面）這一全球重要構(gòu)造—沉積轉(zhuǎn)換期認(rèn)識的應(yīng)用，導(dǎo)致了四川盆地中西部地區(qū)下寒武統(tǒng)地層劃分比對仍存在困難，加之下寒武統(tǒng)普遍具有高熱演化過程的認(rèn)識，制約了對下寒武統(tǒng)富有機(jī)質(zhì)黑色頁巖生氣條件的評價和頁巖氣聚集條件的研究。為此，筆者在梳理全球下寒武統(tǒng)地層與時間框架的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)分析了四川盆地震旦系—寒武系界面的差異性特征與下寒武統(tǒng)麥地坪組沉積—巖性特征，研究了下寒武統(tǒng)黑色頁巖的展布與有機(jī)地球化學(xué)差異性，并進(jìn)一步精細(xì)解析構(gòu)造演化對頁巖生排烴過程和頁巖氣富集的影響，以期為四川盆地下寒武統(tǒng)頁巖氣勘探與開發(fā)的重要科學(xué)問題與應(yīng)用難題的解決提供思路。

1 前寒武紀(jì)四川盆地地質(zhì)背景

作為四川盆地常規(guī)油氣藏的重要烴源巖層系，下寒武統(tǒng)富有機(jī)質(zhì)黑色泥頁巖不僅是威遠(yuǎn)氣田震旦系氣藏和安岳氣田上震旦統(tǒng)燈影組—下寒武統(tǒng)龍王廟組氣藏的主力烴源巖[20-21]，同時證實為川西北青林口—天井山—長江溝地區(qū)現(xiàn)存大量古油藏的主要母源[22]。四川盆地克拉通形成前具有晚元古代超級大陸與多幕拉張構(gòu)造背景。拉張作用至震旦紀(jì)早期仍然存在，南華紀(jì)冰期后，氣候轉(zhuǎn)暖，揚(yáng)子地塊進(jìn)入裂谷充填階段，發(fā)育海侵序列的上震旦統(tǒng)陡山沱組（Z2d）海相碎屑巖—碳酸鹽巖沉積與上震旦統(tǒng)燈影組（Z2dn）碳酸鹽巖臺地和碳硅質(zhì)細(xì)碎屑巖沉積組合[23-24]。四川海相克拉通在晚震旦世完成定型[25]。

上揚(yáng)子地區(qū)燈影組現(xiàn)今殘留厚度介于600～1 000 m，自下而上可分為四段。燈三段與燈四段沉積期，上揚(yáng)子地區(qū)及周緣開始出現(xiàn)較明顯的古地理分異[26]。受晚震旦世桐灣運(yùn)動Ⅰ幕與Ⅱ幕的影響，燈三段與下部燈二段、下寒武統(tǒng)與燈四段呈平行不整合接觸。燈三段厚度分布不穩(wěn)定，部分地區(qū)僅殘余很薄的黑色泥頁巖。燈三期是否具有拉張仍有爭議，針對區(qū)內(nèi)燈三段黑色泥巖的局部出現(xiàn)，一種觀點認(rèn)為燈三段僅為局限海盆、臺盆[27-28]，或者深水陸棚沉積[29]。另一觀點認(rèn)為初始拉張開始于燈三期，受拉張作用形成成都—瀘州裂陷槽[30-31]，或綿竹—長寧克拉通內(nèi)裂陷[32]。主流觀點認(rèn)為，四川盆地西部所在的上揚(yáng)子地區(qū)大規(guī)模拉張初始于早寒武世，以形成綿陽—長寧拉張槽為主要特征（圖1），并作為興凱地裂運(yùn)動Ⅱ幕的主要標(biāo)志[20]。震旦紀(jì)—寒武紀(jì)是全球生物、海洋與地球化學(xué)環(huán)境顯著變化的重要時期。自晚震旦世燈影期拉張孕育階段開始，綿陽—長寧拉張槽經(jīng)歷了麥地坪組沉積期的拉張初始階段，筇竹寺組沉積期的拉張高峰階段、下寒武統(tǒng)滄浪鋪組沉積期的拉張衰弱階段后，在龍王廟組沉積時，拉張作用逐漸消亡，四川盆地逐漸轉(zhuǎn)入弱擠壓狀態(tài)[33]。

圖1 四川盆地數(shù)字高程及區(qū)域地質(zhì)簡圖

2 地層與時間框架

2.1 下寒武統(tǒng)的地層與時間框架

對于寒武系，全球普遍采用3分方案。依據(jù)已建立且逐步成熟的同位素年代學(xué)方法，寒武紀(jì)3個世的時限得到初步年齡控制[34]。1992年，加拿大紐芬蘭島幸運(yùn)角剖面的遺跡化石Treptichnus pedum首次出現(xiàn)點位作為寒武系底界的標(biāo)志[35]。此后，多位學(xué)者提出寒武系的統(tǒng)一級劃分需考慮所有可能的劃分標(biāo)準(zhǔn)并建立寒武系統(tǒng)一級界線，提出了多個統(tǒng)級界線的參考點位[36-38]。2004年底，彭善池[39]以華南板塊寒武系年代地層框架為基礎(chǔ)，提出的4統(tǒng)10階方案成為全球寒武紀(jì)年代地層劃分方案[40]。4統(tǒng)10階自下而上為紐芬蘭統(tǒng)（含辛運(yùn)階、第二階）、第二統(tǒng)（含第三階、第四階）、苗嶺統(tǒng)（含烏溜階、鼓山階和古丈階）、芙蓉統(tǒng)（含排碧階、江山階和第十階）。

四川盆地中西部地區(qū)下寒武統(tǒng)自下而上劃分為麥地坪組、筇竹寺組、滄浪鋪組與龍王廟組。與全球寒武紀(jì)年代地層劃分方案的4統(tǒng)10階對比，國內(nèi)傳統(tǒng)劃分的下寒武統(tǒng)下部相當(dāng)于紐芬蘭統(tǒng)，中寒武統(tǒng)相當(dāng)于苗嶺統(tǒng)，上寒武統(tǒng)相當(dāng)于芙蓉統(tǒng)[41-43]。全球寒武紀(jì)年代地層劃分方案中，除紐芬蘭統(tǒng)第一階（幸運(yùn)階）外，第二階、三階和四階劃分標(biāo)準(zhǔn)仍未確定。長期以來，這一段相當(dāng)于傳統(tǒng)下寒武統(tǒng)地層的劃分和全球?qū)Ρ炔粌H引起學(xué)術(shù)界長期困擾，并對中國四川盆地下寒武統(tǒng)頁巖氣勘探開發(fā)產(chǎn)生嚴(yán)重制約。參照四川盆地下寒武統(tǒng)劃分與全球寒武紀(jì)年代地層對比，四川盆地麥地坪組（下寒武統(tǒng)底部）大致對應(yīng)的國際年代地層單位為紐芬蘭統(tǒng)幸運(yùn)階與第二階，筇竹寺組大致對應(yīng)第三階（圖2）。四川盆地內(nèi)麥地坪組內(nèi)部巖性段的劃分及其與筇竹寺組的界限厘定可以參考國際地層學(xué)界對紐芬蘭統(tǒng)內(nèi)部的劃分依據(jù)以及寒武系第二階與第三階界限的厘定。

圖2 四川盆地及周緣下寒武統(tǒng)的地層與時間框架厘定圖

2.2 四川盆地E—C界面差異性與麥地坪組沉積—巖性特征

2.2.1 深水相—過渡相區(qū)E—C界面特征

以峨眉高橋剖面與云南中誼村剖面為重要參照，四川盆地麥地坪組并非完整發(fā)育，更多區(qū)域是以筇竹寺組直接不整合于燈影組之上。在四川盆地及周緣地區(qū)，寒武系底部一般發(fā)育含硅質(zhì)、磷質(zhì)巖層，厚度從厘米級至百米級不等，絕大部分地區(qū)硅/磷質(zhì)層段與其下伏燈影組微生物白云巖和上覆的黑色頁巖地層之間均呈平行不整合關(guān)系接觸，上下均有地層缺失。目前國際寒武系底界以寒武系碳同位素漂移事件（Basal Cambrian Carbon isotope Excursion，以下簡稱BACE事件）作為經(jīng)典化學(xué)地層識別標(biāo)志[44]。在四川盆地南緣滇東地區(qū)和四川盆地西部等地區(qū)，BACE事件一般位于白云巖層內(nèi)[45]。然而在野外，這類具有深水連續(xù)沉積特點的E—C界線不易識別。

下寒武統(tǒng)底界一系列年齡在四川盆地邊緣斜坡過渡相區(qū)E—C界線剖面上研究較多，反映出震旦系—寒武系過渡地層中存在的硅質(zhì)巖段（如綿陽—長寧拉張槽內(nèi)麥地坪組）是穿時的。一系列關(guān)鍵年齡包括峨眉麥地坪剖面九老洞組底部火山灰層鋯石U—Pb年齡為距今526.2±1.9 Ma[46]；湖北三峽巖家河剖面水井沱組底部鋯石U—Pb年齡為距今526.4±5.4 Ma[47]；貴州松林中南剖面牛蹄塘組底硅質(zhì)巖底鋯石U—Pb年齡為距今532.3±0.7 Ma[48]等。深水相—過渡相區(qū)寒武系與其下伏震旦系為連續(xù)沉積，發(fā)育一套硅質(zhì)巖與黑色頁巖構(gòu)成的沉積序列。在實際中常將部分地區(qū)燈影組頂部—寒武系底部僅有幾厘米至幾米的硅質(zhì)、磷質(zhì)地層歸入麥地坪組。淺水相（邊緣相）下寒武統(tǒng)底部則與燈影組頂部呈不整合接觸，燈影組頂部常具有典型的巖溶垮塌與瀝青角礫特征。但由于缺少生物標(biāo)志化石和碳酸鹽巖，淺水相—過渡相區(qū)的生物地層和碳同位素化學(xué)地層均無法應(yīng)用，增大了綿陽—長寧拉張槽西側(cè)麥地坪組劃分難度。實際研究發(fā)現(xiàn)在具有明顯穿時巖石地層體（硅質(zhì)巖）的過渡相區(qū)和深水盆地相區(qū)（拉張槽相區(qū)），硅質(zhì)巖厚度和下伏地層仍有明顯差異。過渡相區(qū)（近深水拉張槽相區(qū)）硅質(zhì)巖層下部有類似燈影組的塊狀白云巖段存在（圖3-a、b），深水相區(qū)下寒武統(tǒng)底部硅質(zhì)巖與黑色頁巖呈連續(xù)互層分布（廣元羊木壩剖面）。

2.2.2 四川盆地中西部麥地坪組特征

劉樹根等[49]發(fā)現(xiàn)并提出綿陽—長寧拉張槽后使得拉張槽內(nèi)部新發(fā)現(xiàn)的麥地坪組得到了進(jìn)一步深入研究。麥地坪組并非純黑色巖系，下部巖性由燈影組頂部角礫云巖（圖3-b）過渡為底部灰色—深灰色中厚層球粒膠磷礦細(xì)晶云巖夾硅質(zhì)條帶云巖（圖3-c），中上部巖性以碳質(zhì)頁巖夾硅質(zhì)頁巖（圖3-e）、微晶云巖、砂屑狀膠磷礦與硅質(zhì)條帶互層為主，膠磷礦局部富集形成磷塊巖（圖3-f）。拉張槽內(nèi)部麥地坪組與拉張槽西側(cè)（川西南地區(qū)以及峨眉高橋剖面）地層對比具有明顯的沉積—構(gòu)造差異。根據(jù)資4井、金石1井及高石17井以及漢旺清平剖面麥地坪組巖石薄片觀察，識別出一套濁流（碎屑流）鈣屑（磷屑）砂巖，部分研究將白云質(zhì)碎屑流簡單鑒定為顆粒云巖[28]。最新研究在資4井麥地坪組頂部識別出的波屑凝灰?guī)r與棱角狀磷塊巖混積沉積[49]，在川西地區(qū)（拉張槽北段）漢旺清平剖面識別出濁積巖（圖3-d）和碎屑流沉積（圖3-g），碎屑成分為泥晶白云質(zhì)和磷質(zhì)[50]。白云質(zhì)巖屑碎屑巖的發(fā)現(xiàn)可作為綿陽—長寧拉張槽拉張早期沉積記錄的關(guān)鍵證據(jù)。

圖3 川西地區(qū)漢旺清平剖面麥地坪組巖石學(xué)特征圖

3 下寒武統(tǒng)展布規(guī)律與有機(jī)地球化學(xué)特征

3.1 下寒武統(tǒng)厚度特征

利用川西地區(qū)高精度聯(lián)片三維地震資料以及部分二維地震數(shù)據(jù)，綜合鉆井和野外露頭資料，編制川西地區(qū)（綿陽—長寧張槽北段）下寒武統(tǒng)地層厚度分布圖（圖4）。從圖4中可以看出，四川盆地中西部下寒武統(tǒng)展布受構(gòu)造—沉積分異格局控制，綿陽—長寧拉張槽北段東側(cè)陡坎間距相對寬闊，射洪—蓬溪一線以南筇竹寺組厚度分異較小，下寒武統(tǒng)厚度介于200～300 m。其中，高石17井對揭示綿陽—長寧拉張槽內(nèi)部下寒武統(tǒng)黑色泥頁質(zhì)（烴源巖）發(fā)育情況起到了重要作用，該井的過井地震剖面典型特征展示出拉張槽內(nèi)部下寒武統(tǒng)厚度較兩側(cè)明顯增大（圖5）。

圖4 構(gòu)造—沉積分異格局下的四川盆地中西部下寒武統(tǒng)厚度圖

圖5 拉張槽過高石17井地震剖面圖

拉張槽內(nèi)也是下寒武統(tǒng)富有機(jī)質(zhì)黑色泥頁巖（烴源巖）厚度最大的區(qū)域。高石17井與資4井均證實綿陽—長寧拉張槽內(nèi)部麥地坪組—筇竹寺組黑色巖系。其中高石17井麥地坪組厚度為177 m，筇竹寺組厚度為506 m；資4井麥地坪組與筇竹寺組厚度分別為205 m、431 m，兩口井富有機(jī)質(zhì)黑色泥頁巖厚度均超過400 m。川西地區(qū)處于綿陽—長寧拉張槽北段中心，下寒武統(tǒng)厚度更大，發(fā)育厚度近1 000 m的海相碎屑巖地層，是四川盆地麥地坪組—筇竹寺組黑色富有機(jī)質(zhì)泥頁巖的沉積中心。拉張槽北段漢旺清平剖面實測麥地坪組發(fā)育厚度達(dá)294 m，富有機(jī)質(zhì)黑色泥頁巖厚度約150 m。

3.2 下寒武統(tǒng)黑色頁巖有機(jī)地球化學(xué)特征

與五峰組—龍馬溪組頁巖相比，下寒武統(tǒng)富有機(jī)質(zhì)黑色泥頁巖時代更為古老、現(xiàn)今埋藏深度更大，泥頁巖熱演化程度明顯偏高。從烴源巖到儲層的轉(zhuǎn)變對四川盆地下寒武統(tǒng)黑色頁巖含氣性評價影響深遠(yuǎn)，代表從烴類物質(zhì)的生成到熱降解產(chǎn)生氣體的過程。其中，總有機(jī)碳含量（TOC）與有機(jī)質(zhì)熱演化成熟度（Ro）是評價黑色頁巖品質(zhì)與含氣性指標(biāo)的關(guān)鍵地球化學(xué)參數(shù)。位于拉張槽中段西側(cè)威遠(yuǎn)地區(qū)的威207井筇竹寺組44個泥頁巖樣品底部TOC＞3%，中上部TOC介于0.5%～1.5%，TOC平均值為1.3%。拉張槽內(nèi)部鉆井及露頭樣品有機(jī)地球化學(xué)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示：①位于綿陽—長寧拉張槽內(nèi)部的資4井、高石17井以及漢旺清平剖面富有機(jī)質(zhì)黑色泥頁巖有機(jī)質(zhì)豐度高，TOC＞2.0%，其中近底部局部黑色碳質(zhì)泥頁巖TOC介于4.0%～12.0%；②有機(jī)質(zhì)熱演化成熟度高，Ro＞2.0%，對應(yīng)埋深史具有拉張槽中段往北段成熟度增加的特點，四川盆地北緣瀝青質(zhì)Ro局部可達(dá)3.0%～3.5%[51]。

筆者選取綿陽—長寧拉張槽北段東側(cè)（川中古隆起北斜坡）川深1井2個超深層（埋深約為8 000 m）下寒武統(tǒng)黑色頁巖樣品（樣品編號CS1-8140與CS1-7894）和3個露頭樣品下寒武統(tǒng)黑色頁巖樣品（樣品編號QP-5、QP-6、YB-25）進(jìn)行有機(jī)地球化學(xué)分析。實驗結(jié)果表明，超深層樣品具有相當(dāng)量的可溶抽提物，顯示出其成熟度較為適中。飽和烴全離子流圖顯示，2個超深層頁巖樣品仍具備較完整的正構(gòu)烷烴分布（圖6-a、b），也表明其相較于露頭剖面樣品（圖6-c～e）免于遭受較強(qiáng)的生物降解、水洗作用或流體活動。根據(jù)生源與成熟度的生物標(biāo)志物參數(shù)特征，甾烷源自真核生物體內(nèi)的甾醇。C27—C29甾烷在整個生油窗內(nèi)很穩(wěn)定，可以有效地區(qū)分相同源巖不同有機(jī)相的原油[52]，并被廣泛用于研究烴源巖與原油及瀝青的親緣關(guān)系。而在熱成熟作用的影響下C27—C29甾烷的分布由低熟階段的“V”字形分布轉(zhuǎn)變?yōu)楦哐莼A段（1.74%≤Ro≤2.86%）的“L”字形分布[53]。川深1等井下寒武統(tǒng)泥頁巖抽提物中C27—C29規(guī)則甾烷分布具有典型的介于“V”與“L”字形特征，顯示出中等成熟度特征（圖6）。

圖6 川西—川北地區(qū)下寒武統(tǒng)黑色頁巖抽提物飽和烴氣相色譜—質(zhì)譜圖

TT23（C23三環(huán)萜烷）與TT24（C24三環(huán)萜烷）具有較強(qiáng)的抗熱降解的能力。在生油窗內(nèi)，TT23/H30（C23三環(huán)萜烷與C30藿烷的比值）常被用作生源參數(shù)，強(qiáng)烈的熱成熟作用會使抽提物中的TT23/H30值升高。除川深1井外，漢旺清平剖面底部與南江楊壩剖面下寒武統(tǒng)黑色頁巖TT23/H30值局部較高，表明四川盆地下寒武統(tǒng)存在差異性（垂側(cè)向）熱成熟作用。在甾烷生物標(biāo)志物特征中，S21（孕甾烷）及S22（升孕甾烷）的先體被認(rèn)為是荷爾蒙、孕烷醇及孕烷酮類化合物[54]，兩者一部分源自束縛在干酪根中前體的釋放，另一部分則可能是規(guī)則甾烷在熱演化過程中因側(cè)鏈斷裂形成。S21在低熟階段（Ro＜0.42%）時含量不高，在進(jìn)入成熟階段（Ro＞0.42%）開始大量生成[55]。在m/z＝217烴離子搜索中，麥地坪組—筇竹寺組S21與S22相對豐度較高，代表了下寒武統(tǒng)黑色頁巖已經(jīng)歷大量生烴。相較于漢旺清平與南江楊壩等露頭剖面的S21相對于規(guī)則甾烷的絕對優(yōu)勢，川深1井S21與S22豐度相較于規(guī)則甾烷豐度很低，反映綿陽—長寧拉張槽北段東側(cè)存在熱成熟度相對低值區(qū)。

黑色泥頁巖抽提物中大部分反映成熟度的生物標(biāo)志物異構(gòu)化指數(shù)的適用范圍都在生油窗內(nèi)甚至更早，因為這些參數(shù)在較高演化階段都接近或已達(dá)平衡值。C29規(guī)則甾烷所具有兩類異構(gòu)化指數(shù)C29αα20S/（20S ＋ 20R）與 C29ββ/（αα＋ββ）是判別成熟度的最重要參數(shù)。C29規(guī)則甾烷在C14、C17位上的異構(gòu)化作用構(gòu)成第一類異構(gòu)化指數(shù)C29ββ/（αα＋ββ）逐步從0增至0.7，介于0.67～0.71，達(dá)到平衡。C29規(guī)則甾烷在C20位上的異構(gòu)化作用則使得第二類異構(gòu)化指數(shù)C29αα20S/（20S＋20R）值從0增至0.5，介于0.52～0.55，達(dá)到平衡值。川深1井2個不同深度的超深層樣品C29αα20S/（20S＋20R）值與C29ββ/（αα＋ββ）值分別介于0.37～0.42、0.36～0.41，表明下寒武統(tǒng)遠(yuǎn)沒有達(dá)到異構(gòu)化作用的平衡值。結(jié)合川北地區(qū)米倉山郭家壩組干酪根催化加氫結(jié)果進(jìn)行比對[51]，幾個關(guān)鍵的成熟度參數(shù)H3122S/（22S＋ 22R）值為0.60，但 C29αα20S/（20S＋ 20R）值為 0.46，C29ββ/（αα＋ββ）為 0.31，也并未達(dá)到平衡值（表1）。

表1 研究區(qū)下寒武統(tǒng)黑色頁巖生物標(biāo)志化合物特征參數(shù)表

四川盆地下寒武統(tǒng)富有機(jī)質(zhì)泥頁巖有機(jī)地球化學(xué)比對顯示，四川盆地西北部部分區(qū)域下寒武統(tǒng)富有機(jī)質(zhì)泥頁巖并未達(dá)過成熟演化階段。構(gòu)造演化帶來的熱作用在很大程度上控制著富有機(jī)質(zhì)頁巖生排烴過程。熱作用程度最終對泥頁巖的含氣性產(chǎn)生影響，具體表現(xiàn)在泥頁巖的生烴能力、吸附能力、有機(jī)質(zhì)孔隙發(fā)育等方面，控制著富有機(jī)質(zhì)黑色頁巖中頁巖氣的富集。以川深1井為代表，四川盆地中西部部分區(qū)域筇竹寺組主生烴期前（中）穩(wěn)定的構(gòu)造背景與成巖—埋藏作用（超深埋藏過程）可能對下寒武統(tǒng)古老富有機(jī)質(zhì)黑色泥頁巖產(chǎn)生顯著的生烴抑制作用。

4 下寒武統(tǒng)黑色頁巖埋藏史與頁巖氣保存條件

四川盆地及周緣地區(qū)下寒武統(tǒng)泥頁巖經(jīng)歷了更復(fù)雜的構(gòu)造演化過程。深埋藏、強(qiáng)隆升、強(qiáng)剝蝕、強(qiáng)變形作用是影響下寒武統(tǒng)頁巖氣富集的關(guān)鍵構(gòu)造因素[56-57]。四川盆地下寒武統(tǒng)沉積埋藏史和熱史的演化過程（尤其是受綿陽—長寧拉張槽控制的四川盆地中西部地區(qū)）對頁巖含氣性富集具有較大影響。根據(jù)四川盆地川中古隆起區(qū)和綿陽—長寧拉張槽北段（川西北地區(qū)）的溫度測試數(shù)據(jù)分析，川西北地區(qū)相較于川中、川南地區(qū)具有更低的熱演化過程，雙探6井（井深7 500 m地層溫度為170 ℃）、川深1井（井深8 200 m地層溫度為190 ℃）、龍004X2井（井深6 200 m地層溫度為150 ℃）等井揭示綿陽—長寧拉張槽北段現(xiàn)今地溫梯度介于2.0～2.2 ℃/100 m。相關(guān)文獻(xiàn)[58]指出川西北地區(qū)熱流值介于48～57 mW/m2，明顯低于川中地區(qū)的熱流值（60～65 mW/m2）。四川盆地中西部現(xiàn)今熱體制可能受到基底埋深的控制，位于樂山—龍女寺古隆起的川中地區(qū)基底埋藏較淺，相較于川中地區(qū)，川西地區(qū)熱演化程度普遍較低。上述研究結(jié)果與現(xiàn)今四川盆地下寒武統(tǒng)黑色頁巖成熟度值是吻合的。

根據(jù)雙魚石、威遠(yuǎn)等地區(qū)埋藏—熱演化特征，四川盆地中西部下寒武統(tǒng)黑色頁巖構(gòu)造—沉積過程具有差異性。中寒武世—早二疊世為穩(wěn)定沉積階段，熱演化過程也比較穩(wěn)定；早二疊世—早三疊世，峨眉地裂運(yùn)動對四川盆地中南部黑色頁巖的熱作用明顯，其中盆地西南部威遠(yuǎn)—長寧地區(qū)熱作用最為明顯。中晚三疊世后，川西、川北突變型盆山邊界條件下龍門山—米倉山—大巴山前緣坳陷的形成導(dǎo)致下寒武統(tǒng)黑色頁巖埋藏深度迅速加大（圖7），下寒武統(tǒng)黑色頁巖經(jīng)歷了快速升溫（140～220 ℃）—緩慢升溫（220～260 ℃）—降溫過程（260～180 ℃）。受低熱流值、晚期熱流衰退與生烴期超壓抑制影響，盡管川西、川北地區(qū)黑色頁巖普遍已達(dá)高—過成熟階段，但仍存在類似漢旺清平剖面上段及川深1井的成熟度低值區(qū)段（域）。

圖7 綿陽—長寧拉張槽北段（龍門山—米倉山前緣）下寒武統(tǒng)構(gòu)造—埋藏史圖

對比川西、川北地區(qū)，川中古隆起區(qū)以南的威遠(yuǎn)—長寧—渝東南地區(qū)二疊紀(jì)前為穩(wěn)定升溫—降溫過程。受峨眉地裂運(yùn)動與晚三疊世后強(qiáng)烈的隆升剝蝕影響，四川盆地南部相較于川西北、川北、川東北等地區(qū)經(jīng)歷了更高的熱歷史。威遠(yuǎn)地區(qū)典型鉆井熱流演化史表明受峨眉地幔柱（峨眉地裂運(yùn)動）影響在二疊紀(jì)前后出現(xiàn)了一個快速升溫過程，該期最高熱流值可能高達(dá)70～110 mW/m2，過渡至川東南地區(qū)熱流值介于70～90 mW/m2[59]；三疊紀(jì)后熱流逐漸降低，保持為現(xiàn)今的60 mW/m2左右（地溫梯度介于3.0～3.2 ℃/100 m）。威遠(yuǎn)地區(qū)下寒武統(tǒng)黑色頁巖埋藏—熱演化史恢復(fù)表明：石炭紀(jì)前，下寒武統(tǒng)黑色泥頁巖為中—低成熟度階段；晚二疊世后，穩(wěn)定快速的沉降過程使下寒武統(tǒng)埋深快速加大，進(jìn)入中—高成熟階段并生成液態(tài)烴；印支期前四川盆地西南部—東南部最大埋深約為6 000 m；晚三疊世后快速隆升使區(qū)域下寒武統(tǒng)又經(jīng)歷了快速升溫（130～210 ℃）—快速降溫的過程；受基底高熱流值影響，晚侏羅世后下寒武統(tǒng)普遍已進(jìn)入高成熟度階段（圖8）。

圖8 威遠(yuǎn)地區(qū)下寒武統(tǒng)黑色頁巖埋藏—熱演化史圖

埋藏作用與地層溫度、壓力條件具有直接聯(lián)系。四川盆地中西部下寒武統(tǒng)富有機(jī)質(zhì)黑色泥頁巖在晚三疊世—中侏羅世普遍經(jīng)歷了6～10 km的深埋藏過程。與溫度、壓力相關(guān)的一系列物理過程會壓實巖層，產(chǎn)生大量構(gòu)造縫，改變孔隙與裂縫系統(tǒng)特征；與溫度、壓力變化密切相關(guān)的有機(jī)質(zhì)生排烴流體行為也會對頁巖氣富集產(chǎn)生至關(guān)重要的影響。模擬實驗結(jié)果認(rèn)為：頁巖最強(qiáng)吸附能力出現(xiàn)在Ro=2.6%時，此時頁巖有機(jī)質(zhì)孔發(fā)育，且孔表面粗糙，頁巖吸附的比表面積達(dá)到最大；當(dāng)泥頁巖熱演化Ro＞3.5%時，大孔大幅減少，介孔和微孔增加，孔隙總體積減少[60]。黑色頁巖保存條件的諸多參數(shù)中異常高壓的形成主要是由液態(tài)烴和氣態(tài)烴生成時的體積變化導(dǎo)致，晚白堊世后四川盆地中西部中—強(qiáng)隆升作用（1.5～3.0 km）則與壓力系數(shù)保持密切相關(guān)。頁巖氣現(xiàn)今較高壓力系數(shù)（超壓）往往是代表頁巖氣富集的最有力證據(jù)。因此，在進(jìn)行下寒武統(tǒng)頁巖氣勘探選區(qū)時應(yīng)考慮高演化程度對頁巖氣成藏的影響，在下寒武統(tǒng)整體演化程度高的背景中尋找相對低演化程度的地區(qū)，提高評價選區(qū)的準(zhǔn)確性和科學(xué)性。在有效解決大于4 000 m深層工程壓裂技術(shù)問題的基礎(chǔ)上，除了威遠(yuǎn)構(gòu)造以東資陽—內(nèi)江—大足最有利勘探地區(qū)以外，川西坳陷北段前陸擴(kuò)展變形帶礦山梁—碾子壩—河灣場地區(qū)與米倉山前緣地區(qū)也可以作為下一步潛在的勘探有利區(qū)。

5 結(jié)論

1）拉張槽內(nèi)寒武系與其下伏震旦系為連續(xù)沉積，發(fā)育麥地坪組。受E—C轉(zhuǎn)換期沉積盆地性質(zhì)轉(zhuǎn)換的影響，麥地坪組、筇竹寺組并不是純黑色巖系；麥地坪組主要為濁積巖與碎屑流沉積，硅質(zhì)頁巖與碳質(zhì)頁巖發(fā)育于麥地坪組中上部；筇竹寺組除大套富有機(jī)質(zhì)黑色泥頁巖外，局部層段發(fā)育重流體沉積體系。

2）早寒武世構(gòu)造—沉積分異格局下的四川盆地中西部麥地坪組、筇竹寺組厚度大，綿陽—長寧拉張槽中北段內(nèi)是富有機(jī)質(zhì)黑色頁巖的沉積中心。拉張槽內(nèi)下寒武統(tǒng)底部TOC含量高、巖石類型優(yōu)越，是頁巖氣最佳富集層段。

3）相較于五峰組—龍馬溪組，下寒武統(tǒng)時代更古老、埋深更大，但受區(qū)域性較低熱作用的影響及可能的超壓抑制機(jī)制，四川盆地中西部麥地坪組、筇竹寺組存在局部的中等成熟度分布區(qū)域。

4）在下寒武統(tǒng)整體高演化程度的背景下，尋找相對低演化程度的地區(qū)可以擴(kuò)展四川盆地中西部統(tǒng)筇竹寺組頁巖氣的可評價面積，提高評價選區(qū)的準(zhǔn)確性和科學(xué)性。

致謝：感謝中國石油西南油氣田公司頁巖氣研究院羅超博士與兩位匿名評審人對稿件修改完善提出諸多寶貴意見建議。