四川盆地下古生界存在頁巖氣的地球化學(xué)依據(jù)

摘 要

摘要：四川盆地寒武系底部和志留系底部各存在一套良好的高成熟度、高有機(jī)質(zhì)豐度、類型好的烴源巖，所生成的天然氣均為腐泥型有機(jī)質(zhì)形成的油型氣，均可作為頁巖氣的勘探目標(biāo)。下寒
摘要：四川盆地寒武系底部和志留系底部各存在一套良好的高成熟度、高有機(jī)質(zhì)豐度、類型好的烴源巖，所生成的天然氣均為腐泥型有機(jī)質(zhì)形成的油型氣，均可作為頁巖氣的勘探目標(biāo)。下寒武統(tǒng)頁巖烴源巖以川西南地區(qū)厚度最大，呈輻射狀減薄，其累計(jì)厚度在100～400m之間，有機(jī)碳含量在0.2%～9.98%之間，平均值為0.97%；下志留統(tǒng)頁巖烴源巖主要分布在川南、川東地區(qū)，累計(jì)厚度在100～700m之間，平均厚度為203m，其中黑色頁巖厚度變化在20～120m之間，富含筆石，有機(jī)碳含量在0.4%～1.6%之間，有機(jī)質(zhì)類型主要為腐泥型干酪根，生烴能力強(qiáng)，熱演化程度高，已演化至過成熟階段，目前生烴已近枯竭，但也說明它的生烴能力巨大，歷史上曾經(jīng)大量生成天然氣。從其成熟度、運(yùn)聚條件和礦物成分比較分析后認(rèn)為：四川盆地頁巖氣勘探開發(fā)的首選目標(biāo)應(yīng)為川南下志留統(tǒng)頁巖。
關(guān)鍵詞：四川盆地；寒武紀(jì)；志留紀(jì)；頁巖氣；勘探；目標(biāo)
0 引言   
四川盆地存在豐富的泥頁巖。從傳統(tǒng)的石油天然氣地質(zhì)學(xué)角度看，它們是盆地內(nèi)良好的烴源層和蓋層。但從國內(nèi)外的勘探實(shí)踐看，在適當(dāng)?shù)牡刭|(zhì)背景下，采用合適的鉆采工藝，頁巖也會(huì)成為有效的產(chǎn)層。
就四川盆地而言，其下古生界寒武系、下志留統(tǒng)、奧陶系大乘寺組以及上三疊統(tǒng)須家河組等層系都存在大套頁巖，其中的黑色頁巖又都有很好的烴源巖。但從美國Fort worth盆地Barnett頁巖存在的地質(zhì)背景[1、2]可以看出，頁巖氣的存在需要兩個(gè)基本的地質(zhì)條件：①頁巖本身應(yīng)當(dāng)是良好的烴源巖，并達(dá)到生氣階段，具備強(qiáng)大的生氣能力，這可以看成是頁巖氣勘探開發(fā)的地質(zhì)基礎(chǔ)；②產(chǎn)氣頁巖夾于兩套碳酸鹽巖硬巖層之間，這可以看成是頁巖氣開采技術(shù)的工藝要求。依此衡量，奧陶系大乘寺組頁巖不滿足第1個(gè)條件，而上三疊統(tǒng)須家河組頁巖不滿足第2個(gè)條件。所以認(rèn)為四川盆地頁巖氣勘探的主要領(lǐng)域首先應(yīng)在寒武系和志留系的頁巖中選擇。筆者將通過四川盆地寒武系和志留系頁巖的地球化學(xué)特征對比，提出四川盆地頁巖氣勘探開發(fā)的首選層系。
1 四川盆地寒武系頁巖地球化學(xué)特征
四川盆地寒武系頁巖的地球化學(xué)基本特征是厚度大，有機(jī)碳含量高，類型好，有機(jī)質(zhì)熱演化程度高[3]。
四川盆地下寒武統(tǒng)存在豐富的頁巖烴源巖，以川西南地區(qū)厚度最大，呈輻射狀減薄，其累計(jì)厚度一般在100～400m之間(見圖1)。
 

盆地內(nèi)寒武系有機(jī)碳含量一般在0.2%～9.98%之間，159個(gè)樣品的有機(jī)碳含量平均值為0.97%(圖2)。有機(jī)質(zhì)成分以腐泥組為主(占95%以上)，無定形，掃描電鏡下為松軟的絮狀體，干酪根碳同位素一般為-27‰～-31‰，氯仿瀝青“A”中飽和烴含量高(40%～60%)，芳烴含量低(11%～15%)，瀝青質(zhì)含量低(3%～15%)，飽芳比高(3～5)。表明原始有機(jī)物主要為盆地相中的低等水生生物，按Tissot等(1984)的分類屬生烴能力極強(qiáng)的腐泥型于酪根。
 

四川盆地下寒武統(tǒng)頁巖總體熱演化程度高，除廣元礦山梁地區(qū)成熟度較低(Ro=0.59%)外，盆地內(nèi)其他地區(qū)均已達(dá)過成熟階段。其中又以大巴山前緣和樂山龍女寺古隆起相對略低(Ro為2.48%～3.5%)，宜賓地區(qū)、盆地北部及川湘凹陷帶相對較高(Ro在4.0%以上)，總體展布格局是由樂山-龍女寺古隆起向四周成熟度逐漸增高(圖3)。寒武系成熟度的這種展布特點(diǎn)與區(qū)域性的古隆起和凹陷帶的繼承性發(fā)展、古斷裂的活動(dòng)密切相關(guān)，它們是控制寒武系熱演化的重要因素。
 

根據(jù)高科1井的沉積埋藏史圖(圖4)可見，樂山-龍女寺古隆起區(qū)下寒武統(tǒng)源巖經(jīng)歷了埋藏-抬升(剝蝕)-再埋藏-再抬升的演化過程。其有機(jī)質(zhì)生烴史可分為三期：第一期為初始生烴階段：高科1井下寒武統(tǒng)源巖在志留紀(jì)末R。值已達(dá)0.7%，處于未成熟一低成熟生烴期；第二期為生烴停滯階段，由于加里東運(yùn)動(dòng)的抬升作用，該井下寒武統(tǒng)源巖埋深變淺并遭受剝蝕，古地溫降低，有機(jī)質(zhì)進(jìn)入生烴滯流階段；第三期為“二次生烴”階段：從二疊系開始至二疊系末，下寒武統(tǒng)源巖埋藏深度及其所具有的古地溫已超過了初始生烴階段，源巖進(jìn)入了二次生烴階段。此時(shí)，高科1井毛。源巖Ro值已達(dá)0.71%，有機(jī)質(zhì)開始繼續(xù)生烴。印支末期，高科1井源巖Ro值已達(dá)0.97%而進(jìn)入生烴高峰。燕山期該井源巖Ro值已達(dá)2.23%，有機(jī)質(zhì)大量生成濕氣及油裂解氣。喜山期，該區(qū)源巖進(jìn)入過成熟末期，現(xiàn)今實(shí)測最高Ro值已達(dá)3.75%，表明該區(qū)下寒武統(tǒng)源巖目前生烴已近枯竭，但也說明它的生烴能力巨大，歷史上曾經(jīng)大量生烴(表1)。
 
2 四川盆地志留系頁巖地球化學(xué)特征
在四川盆地下志留統(tǒng)龍馬溪組下部也存在一套烴源巖。并且與寒武系九老洞組一樣呈現(xiàn)出有機(jī)碳豐度高，類型好，有機(jī)質(zhì)成熟度高的特點(diǎn)[4]。只是在樂山-龍女寺古隆起頂部志留系下統(tǒng)缺失，烴源巖主要分布在川南、川東地區(qū)，累計(jì)厚度在100～700m之間，平均厚度203m(圖5)，其中黑色頁巖厚度變化于20～120m之間。
 

四川盆地下志留統(tǒng)泥質(zhì)烴源巖富含筆石，有機(jī)碳含量一般介于0.4%～1.6%之間，在川南、川東和川東北地區(qū)較高，普遍大于1%(圖6)。干酪根δ13C為-30‰左右，鏡下有機(jī)質(zhì)呈無定型，表明有機(jī)質(zhì)類型主要為腐泥型，生烴能力強(qiáng)。
 

四川盆地下志留統(tǒng)泥質(zhì)烴源巖Ro值為2.2%～4.0%，已演化至過成熟階段。川南地區(qū)成熟度較低，普遍小于2.8%(圖7)。晚二疊世末，志留系源巖Ro值演化至0.9%，開始進(jìn)入成油期。三疊紀(jì)之后，由于沉積速度加快，志留系埋藏速率也相應(yīng)加快，志留系烴源巖在壓力和溫度作用下，熱演化加速。到中三疊世末時(shí)，很多地區(qū)的Ro值已迅速演化至1.3%。志留系烴源巖生成大量的液態(tài)烴。中侏羅世后，沉積作用仍然快速進(jìn)行，志留系地層仍處于快速埋藏狀態(tài)，Ro值從1.3%迅速演化至2.2%，有機(jī)質(zhì)演化至高成熟期，處于濕氣轉(zhuǎn)化階段。從白堊系開始，大部分地區(qū)的志留系烴源巖有機(jī)質(zhì)R。值都超過了3%，進(jìn)入過成熟期，主要形成干氣。
 

3 頁巖氣勘探開發(fā)前景比較
上述資料表明，四川盆地寒武系底部和志留系底部各存在一套良好的高成熟度、高有機(jī)質(zhì)豐度的烴源巖，所生成的天然氣均為腐泥型有機(jī)質(zhì)形成的油型氣，它們都可以作為頁巖氣的勘探目標(biāo)。
但比較四川盆地寒武系和志留系頁巖，筆者認(rèn)為，四川盆地頁巖氣勘探開發(fā)的首選目標(biāo)應(yīng)為川南志留系，理由如下：①盡管寒武系和志留系烴源巖都有較高的有機(jī)碳豐度和較好的有機(jī)質(zhì)類型，但志留系烴源巖的成熟度略低于寒武系。②運(yùn)聚條件不同，志留系烴源巖在川南地區(qū)生烴強(qiáng)度大于川東地區(qū)，但在川東地區(qū)，石炭系直接覆蓋在志留系之上，由于石炭系有較好的滲儲條件，所以形成大中型氣田[5]，而川南地區(qū)雖處生烴凹陷，但由于石炭系缺失，所以二疊系直接覆蓋在志留系之上，而二疊系孔隙不發(fā)育，滲儲空間主要為裂縫。已有的研究表明，二疊系甚至三疊系嘉陵江組都有天然氣來自志留系，但沒有形成向石炭系那樣的大氣田。顯然川南地區(qū)志留系排烴程度沒有川東地區(qū)高，換句話說，滯留在川南志留系中的天然氣應(yīng)當(dāng)較多。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，川南地區(qū)鉆遇志留系有氣顯示的井有8口，也說明這一現(xiàn)象。寒武系生烴條件最好的地區(qū)是川西南地區(qū)，而它受樂山龍女寺古隆起的影響較大，具備向震旦系輸氣的條件，也就是說它自身滯留天然氣的條件不如川南志留系。③礦物成分不同。從表2可見，威遠(yuǎn)地區(qū)寒武系頁巖的石英含量與志留系差不多，但黏土含量低于志留系的頁巖，而黏土與吸附氣的多少有關(guān)，石英則與造縫能力相關(guān)。
 
4 結(jié)論
四川盆地寒武系底部和志留系底部各存在一套良好的高成熟度、高有機(jī)質(zhì)豐度的烴源巖，所生成的天然氣均為腐泥型有機(jī)質(zhì)形成的油型氣，它們都可以作為頁巖氣的勘探目標(biāo)。但從其成熟度、運(yùn)聚條件和礦物成分比較，認(rèn)為四川盆地頁巖氣勘探開發(fā)的首選目標(biāo)應(yīng)為川南志留系。
參考文獻(xiàn)
[1] 張林嘩，李政，朱日房.頁巖氣的形成與開發(fā)[J].天然氣工業(yè)，2009，29(1)：124-128.
[2] 張金川，金之鈞，袁明生.頁巖氣成藏機(jī)理和分布[J].天然氣工業(yè)，2004，24(7)：15-18.
[3] 冉隆輝，謝姚祥，王蘭生.從四川盆地解讀中國南方海相碳酸鹽巖油氣勘探[J].石油與天然氣地質(zhì)，2006，27(3)：13-18.
[4] 王蘭生，陳盛吉，楊家靜.川東石炭系天然氣成藏的地球化學(xué)模式[J].天然氣工業(yè)，2002，22(增刊)：120-124.
[5] 王蘭生，李宗銀，沈平.四川盆地東部大中型氣藏成烴條件分析[J].天然氣地球科學(xué)，2004，15(6)：5-9.
　
(本文作者：王蘭生 鄒春艷 鄭平 陳盛吉 張琦 許斌 李紅衛(wèi) 中國石油西南油氣田公司勘探開發(fā)研究院)