上揚(yáng)子區(qū)下寒武統(tǒng)筇竹寺組頁巖氣成藏條件

摘 要

摘要：頁巖氣是未來中國天然氣儲量增長重要的和現(xiàn)實的可接替新領(lǐng)域。利用中國上揚(yáng)子地區(qū)下寒武統(tǒng)筇竹寺組黑色頁巖的地質(zhì)、鉆井氣顯示以及有關(guān)地化分析數(shù)據(jù)，剖析了該區(qū)頁巖氣藏
摘要：頁巖氣是未來中國天然氣儲量增長重要的和現(xiàn)實的可接替新領(lǐng)域。利用中國上揚(yáng)子地區(qū)下寒武統(tǒng)筇竹寺組黑色頁巖的地質(zhì)、鉆井氣顯示以及有關(guān)地化分析數(shù)據(jù)，剖析了該區(qū)頁巖氣藏形成地質(zhì)條件，認(rèn)為上揚(yáng)予區(qū)下寒武統(tǒng)筇竹寺組黑色頁巖發(fā)育且區(qū)域分布穩(wěn)定，并呈現(xiàn)出川南、黔北及湘鄂西3個與“海灣體系”密切相關(guān)的“優(yōu)質(zhì)源巖”分布區(qū)，是頁巖氣成藏最有利的地區(qū)；威遠(yuǎn)及黔西北畢節(jié)-大方一帶在勘探震旦系燈影組氣藏過程中，鉆至下寒武統(tǒng)筇竹寺組頁巖中普遍見氣侵、井涌等不同級別的氣顯示，部分黑色頁巖層段密閉取心測試含有低-中等商業(yè)性吸附氣含量(O.4～0.83m3/t)，尤其是威遠(yuǎn)地區(qū)九老洞組頁巖中含氣顯示分布特點(diǎn)表明其不受氣水邊界及構(gòu)造因素控制，而與有效頁巖分布密切相關(guān)。綜合研究后認(rèn)為川南、黔北可作為中國頁巖氣藏近期突破的重要選區(qū)。
關(guān)鍵詞：中國；上揚(yáng)子地區(qū)；頁巖氣；寒武紀(jì)；成藏條件；取心
0 引言
    筆者闡述的上揚(yáng)子區(qū)范指以四川盆地為主體，并涵蓋滇黔桂及湘鄂西部分地區(qū)。鑒于頁巖氣藏分布不受構(gòu)造因素控制及與有效頁巖分布面積相當(dāng)?shù)奶攸c(diǎn)。依據(jù)上揚(yáng)子區(qū)下寒武統(tǒng)筇竹寺組沉積時期具有相似的大地構(gòu)造條件及相近的古生態(tài)、古氣候和古沉積環(huán)境的石油地質(zhì)條件，以四川盆地及其鄰區(qū)為主體，從下寒武統(tǒng)筇竹寺組對比變化、并依據(jù)早期常規(guī)油氣勘探過程中所取得的地質(zhì)、有機(jī)地球化學(xué)及測錄井顯示等實際資料，結(jié)合北美陸臺頁巖氣的成藏機(jī)制及特點(diǎn)，對比評價本區(qū)筇竹寺組頁巖氣成藏的可能性及其有利地區(qū)的優(yōu)選。
1 地層
    筆者重點(diǎn)簡介四川盆地及其鄰區(qū)下寒武統(tǒng)筇竹寺組，該組由于其區(qū)域上巖性、巖相、層序地層特征、生物群落面貌存在分區(qū)差異，從而造成本區(qū)筇竹寺組命名不一。但由于區(qū)域上相似的古氣候、古環(huán)境等因素控制，故從層序地層總體面貌看來，可比共性仍然突顯。如四川盆地及其鄰區(qū)筇竹寺組巖性明顯具三分性，底部為一套含磷硅質(zhì)條帶白云巖、磷塊巖、砂質(zhì)白云巖及碳質(zhì)頁巖。中下部為黑色頁巖及碳質(zhì)頁巖并見球狀泥灰?guī)r結(jié)核。中部為深灰-灰黑色砂質(zhì)或粉砂質(zhì)頁巖為主，偶夾鈣質(zhì)砂巖、細(xì)砂巖及白云巖。上部為灰-灰黑色砂巖、云質(zhì)粉砂質(zhì)并夾綠-紫紅色粉砂巖、細(xì)砂巖、紫紅色自云巖，俗稱寒武系“下紅層”。本組在區(qū)域上的電性特征是底部含磷段及中下部黑色頁巖段自然伽馬值集中分布于70～150API。
    為了進(jìn)一步闡明四川盆地及其周緣下寒武統(tǒng)筇竹寺組地層厚度及巖性變化，筆者引用西南石油綜合研究大隊(1970)所編制的“四川及其鄰區(qū)寒武系對比簡圖”，重點(diǎn)闡述下寒武統(tǒng)筇竹寺組厚度及巖性變化。該圖從云南東部開始到普格大槽河-川西雷波-峨眉-川北廣元-勉縣大河壩-南江楊壩-鎮(zhèn)巴河坪-城口石溪河-湖北宜昌石牌-咸2井-川東秀山-開陽用沙壩-遵義金頂山-湄潭。該對比剖面以四川為核心，橫跨云南、四川、湖北和貴州四省區(qū)，共計15條對比剖面，基本上把四川盆地及其周緣寒武系變化得到清楚展示。尤為可貴的是：該對比剖面十分清楚的從沉積巖性及厚度上展示了下寒武統(tǒng)筇竹寺組沉積時期，川北(廣元-南江)深水陸棚沉積相帶、川東-鄂西(城口-咸豐-秀山)深水陸棚沉積相帶的沉積特點(diǎn)[1]。各剖面下寒武統(tǒng)筇竹寺組厚度、黑色頁巖和碳質(zhì)頁巖厚度統(tǒng)計表明，四川盆地及其周緣下寒武統(tǒng)筇竹寺組雖然巖性、巖相及其厚度均有較大變化，但依據(jù)古生物區(qū)系變化、巖性巖相特征仍基本可以對比。尤其與川南地區(qū)下寒武統(tǒng)九老洞組變化相聯(lián)系，從中可以揭示出盆地周緣下寒武統(tǒng)筇竹寺組變化呈現(xiàn)如下規(guī)律。
1.1 川北廣元田壩-南江沙灘一帶筇竹寺組具深水陸棚沉積特點(diǎn)
    川北廣元田壩筇竹寺組(未見底)地層剖面厚達(dá)1125m，其中含瀝青黑色頁巖厚達(dá)100m。1966年在廣元田壩構(gòu)造田1井331.02～335.50m井段鉆進(jìn)中，泥漿槽面撈輕質(zhì)油約30L，并伴有少量天然氣，點(diǎn)火見橙黃色火焰，高1.5m。因該井系大瀝青脈(寬8m)附近開鉆，推測可能屬瀝青封堵油氣藏。與之相鄰的勉縣大河壩筇竹寺組厚600m，黑色頁巖50m。南江沙灘剖面筇竹寺組厚500m，黑色頁巖75m。梁狄剛(2008)等對此剖面進(jìn)行了連續(xù)取樣并采用地球化學(xué)法標(biāo)定，該剖面泥頁巖TOC含量大于0.5%的連續(xù)厚度為90m；TOC＞1.0%的泥頁巖連續(xù)厚達(dá)60m；尤為重要的是該剖面下部T0C＞2.0%連續(xù)分布的泥頁巖厚達(dá)44m[2]，這是頁巖氣成藏的物質(zhì)基礎(chǔ)。該區(qū)筇竹寺組沉積厚度大，且細(xì)粒沉積發(fā)育，有機(jī)物質(zhì)豐富，表明其應(yīng)屬深水陸棚沉積。
1.2 川東-鄂西下寒武統(tǒng)石牌組及水并沱組具相似的沉積環(huán)境和條件
    川東北城口石溪剖面相當(dāng)于下寒武統(tǒng)筇竹寺組的石牌組+水井沱組厚775m(石牌組厚250m，水井沱組厚525m)，其中黑色頁巖累計厚度475m(石牌組厚100m，水井沱組厚375m)。鄂西咸豐咸2井剖面，下寒武統(tǒng)石牌組+水井沱組厚1075m，其中石牌組厚575m，黑色頁巖厚200m；水井沱組厚500m，黑色頁巖厚350m。由此可見，鄂西咸豐咸2井剖面與川東北城口石溪河剖面相似，不僅下寒武統(tǒng)石牌組和水井沱組厚度大，且其中的富含有機(jī)質(zhì)黑色頁巖也十分發(fā)育，由此表明，川東-鄂西地區(qū)下寒武統(tǒng)沉積時期具有相似的深水沉積環(huán)境。
    值得提出的是，梁狄剛等(2008)對川東秀山溶溪、黔東北松桃盤石和湘西吉首默戎等下寒武統(tǒng)水井沱剖面泥頁巖的TOC含量進(jìn)行了標(biāo)定，其結(jié)果是：秀山溶溪水井沱組厚428 m，有機(jī)碳含量分布范圍在0.63%～8.77%之間，其中TOC＞0.5%的泥頁巖厚度100～200m；TOC＞2.0%的厚度20m。黔東北松桃盤石水井沱組厚325m，泥頁巖中TOC含量分布在0.5%～13.5%之間，其中TOC＞0.5%的泥頁巖厚120～140m；TOC＞1.0%的泥頁巖厚度120m；TOC＞2.0%的泥頁巖厚50m。與之相鄰的湘西吉首默戎水井沱組厚225m，泥頁巖中TOC含量分布于0.63%～7.95%之間，其中TOC＞0.5%的泥頁巖厚195m；TOC＞1.0%的泥頁巖厚170m；TOC＞2.0%的泥頁巖厚40m。這些資料不僅標(biāo)明該區(qū)下寒武統(tǒng)水井沱組沉積時泥頁巖相對較發(fā)育，且其有機(jī)物源豐富，沉積環(huán)境及保存條件較好，水體較深，為川東-鄂西下寒武統(tǒng)的深水陸棚沉積環(huán)境提供了有力佐證。
2 筇竹寺組頁巖有機(jī)質(zhì)豐度及其有效厚度分布
    根據(jù)R.L.Gareth等(2008)[3]對加拿大不列顛哥倫比亞省下白堊統(tǒng)Buckinghorse組及與其相當(dāng)?shù)捻搸r氣成藏機(jī)理研究中，提出頁巖中的含氣量(包括吸附氣及游離氣)與其TOC(%)含量呈正相關(guān)。研究表明：影響頁巖氣成藏因素很多，但其TOC含量應(yīng)是控制頁巖對甲烷吸附能力的地質(zhì)主控因素。
    筆者在研究上揚(yáng)子區(qū)下寒武統(tǒng)筇竹寺組頁巖氣成藏條件分析時，首先根據(jù)黃籍中等(2006)[4]、梁狄剛等(2008)[2]和黃先平、王世謙等(2002)對筇竹寺組頁巖有機(jī)質(zhì)豐度及其熱成熟度的研究資料，結(jié)合美國從事頁巖氣勘探開發(fā)油公司所確定有效頁巖有機(jī)質(zhì)豐度下限值等資料，并結(jié)合中國海、陸相源巖有機(jī)質(zhì)豐度分布的實際，進(jìn)行了上揚(yáng)子區(qū)下寒武統(tǒng)筇竹寺組頁巖有效厚度分布研究。
2.1 頁巖氣成藏有效頁巖有機(jī)質(zhì)豐度下限值的確定
據(jù)Charles Boyer等(2006)[5]把源巖有機(jī)質(zhì)豐度定為6級，即TOC＜0.5%為很差；0.5%～1%為差；1%～2%為一般；2%～4%為好；4%～12%為很好；TOC＞12%為極好。美國從事頁巖氣藏勘探開發(fā)的油公司一般將有效頁巖TOC含量下限值確定為2.0%。筆者采用這一下限值，并依據(jù)上揚(yáng)子區(qū)下寒武統(tǒng)筇竹寺組頁巖TOC含量實測標(biāo)定資料及相應(yīng)厚度分布，編制了該區(qū)筇竹寺組頁巖TOC≥2.0%的頁巖厚度分布圖(見圖1)。
 

2.2 上揚(yáng)子區(qū)下寒武統(tǒng)筇竹寺組頁巖的分布特點(diǎn)
    由圖可知，上揚(yáng)子區(qū)筇竹寺組TOC＞2.0%以上的黑色頁巖厚度分布呈現(xiàn)3個高值區(qū)：即第一高值區(qū)分布于川南瀘州-宜賓-珙縣一帶。該區(qū)九老洞組(相當(dāng)于筇竹寺組)TOC＞2.0%以上的黑色頁巖累計厚度一般60～80m，且表現(xiàn)出由北向南有增厚趨勢；第二高值區(qū)分布于黔中-麻江-甕安一帶，TOC＞2.0%以上黑色頁巖累計厚度80～100m(甕安朵頂觀剖面牛蹄塘組黑色頁巖TOC＞2.0%以上累計厚度達(dá)105m)；第三高值區(qū)分布于湘鄂西的咸豐-巫山-城口一帶，TOC＞2.0%以上黑色頁巖累計厚度60～80m。值得提出的是，上揚(yáng)子區(qū)下寒武統(tǒng)筇竹寺組TOC＞2.0%以上的黑色頁巖厚度分布3個高值區(qū)與中國南方早寒武世的“海灣體系”分布相吻合，從而表明“海灣體系”是上揚(yáng)子區(qū)海相優(yōu)質(zhì)烴源巖發(fā)育的有利區(qū)。
3 威遠(yuǎn)氣田筇竹寺組頁巖層段氣顯示
    威遠(yuǎn)氣田是20世紀(jì)60年代發(fā)現(xiàn)的氣田，主要產(chǎn)層為震旦系燈影組，氣源為下寒武統(tǒng)九老洞組黑色頁巖。據(jù)統(tǒng)計，目前氣田已有鉆井157口，其中107口井鉆穿下寒武統(tǒng)九老洞組。經(jīng)逐井復(fù)查，鉆穿九老洞組的107口井中，有29口井的50個頁巖井段出現(xiàn)過氣測異常、氣侵、井涌等不同級別的天然氣顯示。據(jù)不完全統(tǒng)計，顯示井占鉆穿九老洞組總井?dāng)?shù)的27.1%，表明頁巖井段中不同級別的氣顯示比較普遍。
3.1 威遠(yuǎn)構(gòu)造九老洞組(相當(dāng)手筇竹寺組)頁巖系統(tǒng)中的氣顯示
    根據(jù)氣顯示的層段分布、巖性及其顯示井段厚度等資料分析，在威遠(yuǎn)地區(qū)，一般頁巖井段的氣顯示層段為2～3段，個別多達(dá)5段(如威13井)；從氣顯示層段的巖性看來，既有黑色頁巖、碳質(zhì)頁巖，又有含粉砂質(zhì)頁巖及粉砂質(zhì)頁巖，故筆者援引了J.B.Curtis等(2002)[6]稱其為“頁巖系統(tǒng)”(包括黑色頁巖及其夾層粉砂質(zhì)頁巖)。
    從氣顯示的級別分析，顯然是氣顯示級別越高，其頁巖系統(tǒng)的裂縫愈發(fā)育。井涌級及井噴級的顯示井段，一般屬頁巖中裂縫及微裂縫發(fā)育段。如威遠(yuǎn)地區(qū)威5井(靠近威遠(yuǎn)構(gòu)造軸部)，在九老洞組下部(2797.4～2797.6m)黑色碳質(zhì)頁巖中，裂縫發(fā)育，見它形晶白云石和石英，鉆井放空0.2m，微漏后井噴，噴高15～22m，中途測試，日產(chǎn)氣2.46m3。黔西北大方構(gòu)造方深1井，下寒武統(tǒng)牛蹄塘組(相當(dāng)于筇竹寺組)，TOC含量為3%～8.02%，累計厚度70m，埋深1800m，1975年該井鉆至牛蹄塘組1723.4～1726.7m井段的黑色頁巖中發(fā)現(xiàn)氣測異常，泥漿槽面出現(xiàn)大量雨狀氣泡，燃之呈藍(lán)色火焰，甲烷含量38%，電測解為氣層。
    綜合上述資料，筆者認(rèn)為，上述兩個地區(qū)，特別是威遠(yuǎn)地區(qū)，在九老洞組頁巖系統(tǒng)中具氣測異常、氣侵、井涌和井噴等不同顯示級別的井竟達(dá)29口，如此頻繁的氣測異常顯示顯然與頁巖系統(tǒng)本身的含氣性有關(guān)。即氣源系來自黑色頁巖的自生、自儲和自蓋。并以吸附態(tài)和游離態(tài)賦存于頁巖系統(tǒng)中，其已具備頁巖氣藏的基本特點(diǎn)。
3.2 威遠(yuǎn)氣田下寒武統(tǒng)九老洞組頁巖井段氣顯示的平面分布
    威遠(yuǎn)氣田位于威遠(yuǎn)縣、資中縣和榮縣之間，四川盆地中央隆起帶西南部，是盆地內(nèi)最大的背斜構(gòu)造。以震旦系頂面計算，閉合面積為850km2。
前已述及，威遠(yuǎn)氣田鉆穿下寒武統(tǒng)九老洞組的107口井中，有29口井在九老洞組頁巖中的不同井段出現(xiàn)了不同級別的天然氣顯示，筆者將這些顯示井分別標(biāo)注在威遠(yuǎn)氣田震旦系頂面構(gòu)造圖上(圖2)。由圖可見，九老洞組頁巖氣顯示井的平面分布及顯示特點(diǎn)與下伏震旦系氣井的分布控制因素完全不同。九老洞組頁巖中的氣顯示井不僅在構(gòu)造的軸部、翼部及氣水邊界內(nèi)有分布，尤其值得注意的是在該氣田氣水邊界外的東、西、南、北各個方向均有顯示井分布。如威遠(yuǎn)構(gòu)造西南的威18井已遠(yuǎn)離威遠(yuǎn)氣田的氣水邊界達(dá)16km，但在九老洞組的中部和下部還是出現(xiàn)了3個強(qiáng)烈的氣顯示井段(兩個氣顯示段達(dá)井涌、1段為氣侵)。其中3361.5～3363.5m顯示段，在鉆井過程中放空0.3m，并發(fā)生井涌。氣測全烴由55%增至100%，泥漿噴出轉(zhuǎn)盤面0.5m，氣侵、井涌猛烈，且持續(xù)井涌時間長達(dá)2a。
 

    由圖2還可見到，在威遠(yuǎn)氣田東部的威4井，已離氣水邊界8.4km，在九老洞組中下部3048～3103.25m和3156～3163.7m見兩段氣侵顯示，在井深1686.25m的下志留統(tǒng)龍馬溪組筆石頁巖中也出現(xiàn)了氣測異常。
    威遠(yuǎn)氣田北部遠(yuǎn)離氣水邊界5km的威15井在九老洞組2999.5～3068m井段出現(xiàn)氣測異常。在威遠(yuǎn)氣田南部氣水邊界2km以外的威14井九老洞組中下部的2839.5～2858m井段也出現(xiàn)氣侵。
    綜上所述，威遠(yuǎn)地區(qū)下寒武統(tǒng)九老洞組頁巖氣顯示的平面分布特點(diǎn)是不受構(gòu)造及氣水邊界控制。研究認(rèn)為，這種普遍而強(qiáng)烈的氣顯示與該區(qū)下寒武統(tǒng)九老洞組頁巖的有效分布范圍密切相關(guān)，這正是頁巖氣藏的形成分布重要特點(diǎn)之一。而氣顯示強(qiáng)烈程度與頁巖系統(tǒng)的巖性組成、天然裂縫發(fā)育程度、基質(zhì)孔隙及地下頁巖潛能緊密相關(guān)。威4井下志留統(tǒng)龍馬溪組筆石頁巖系統(tǒng)中亦出現(xiàn)良好的氣測異常的事實，不僅說明其不受威遠(yuǎn)構(gòu)造控制，同時還揭示出該區(qū)東南部下志留統(tǒng)龍馬溪組殘留厚度較大的地區(qū)，亦可能是龍馬溪組頁巖氣藏有利富集區(qū)(志留系龍馬溪組頁巖氣的成藏條件另有專文論述)。
4 結(jié)論
    上揚(yáng)子區(qū)下寒武統(tǒng)筇竹寺組下部黑色頁巖有機(jī)質(zhì)豐度高(TOC含量分布于2%～23%之間)，TOC＞2.0%的黑色頁巖累積厚度80～100m，并在川南、黔北和湘鄂西出現(xiàn)與筇竹寺期“海灣體系，，密切相關(guān)的3個頁巖厚度高值區(qū)。這3個地區(qū)是頁巖氣成藏最有利地區(qū)。
    威遠(yuǎn)構(gòu)造下寒武統(tǒng)九老洞組黑色頁巖井段中廣泛的氣測異常、氣侵、井涌和井噴等不同級別的氣顯示表明，除這些頁巖層段具較發(fā)育的天然裂縫之外，該頁巖系統(tǒng)中含有一定數(shù)量的以吸附(游離)相態(tài)賦存的天然氣。如威-01-2井九老洞組3140.19～3306.58m3筒密閉取心(巖性為含粉砂質(zhì)黑色頁巖)的吸附氣量測定中，3筒巖心分為13次含氣量測定，測試平均結(jié)果分別為0.43m3/t(3次)、0.83m3/t(5次)和0.40m3/t(5次)。由此看來，威遠(yuǎn)地區(qū)下寒武統(tǒng)九老洞組下部含粉砂質(zhì)黑色頁巖中含有一定數(shù)量的頁巖吸附氣，這已是不爭的事實。
    威遠(yuǎn)地區(qū)下寒武統(tǒng)九老洞組頁巖層段氣顯示平面分布特點(diǎn)表明：該區(qū)不僅在震旦系燈影組頂面構(gòu)造及其氣水界面內(nèi)的探井有顯示，在構(gòu)造邊界外2～18km距離仍有顯示，且其顯示的級別并不因為距氣水邊界遠(yuǎn)而降低。事實說明，該區(qū)頁巖中的氣顯示并不受構(gòu)造因素控制，而與其有效頁巖分布相關(guān)。事實再次表明，這正是頁巖氣藏的重要成藏特點(diǎn)之一。
綜上所述，中國上揚(yáng)子區(qū)下寒武統(tǒng)筇竹寺組下部黑色頁巖及碳質(zhì)頁巖具備形成頁巖氣藏的地質(zhì)-地球化學(xué)條件，當(dāng)務(wù)之急是選擇經(jīng)濟(jì)效益和技術(shù)條件更有利地區(qū)進(jìn)行先導(dǎo)試驗，以期盡快在該領(lǐng)域獲得新的突破。
 
    在成文過程中，還參考了以下資料：王世謙等，《主要含油氣盆地資源評價附件之11——四川盆地油氣資源評價》，中國石油西南油氣田公司，2002；《四川盆地及其鄰區(qū)寒武系綜合評價》，中國石化西南分公司石油地質(zhì)綜合研究大隊，1970。
參考文獻(xiàn)
[1] 梁狄剛.我國南方海相烴源巖發(fā)育的控制因素[G].第十一屆全國有機(jī)地球化學(xué)學(xué)術(shù)會議論文摘要匯編，[出版地不詳]：[出版者不詳]，2007：2-3.
[2] 梁狄剛，郭彤樓，陳建平，等.中國南方海相生烴成藏研究的若干進(jìn)展(一)：南方四套區(qū)域性海相烴源巖的分布[J].海相油氣地質(zhì)，2008，13(3)：1-16.
[3] GARETH R L，MARC BUSTIN R. Lower Cretaceous gas shales in northeastern British Columbia，Part Ⅰ：Geological controls on methane sorption capacity [J]. Bulletin of Canadian Petroleum Geology，2008，56(1)：1-21.
[4] 黃籍中，陳盛吉，宋家榮，等.四川盆地?zé)N源巖體系與大中型氣田形成[J].中國科學(xué)：D 輯地球科學(xué)，2006，26(6)：504-510.
[5] CHARLES BOYER，JOHN KIESCHNICK，ROBERTO SUSREZ-RIVERA，等.頁巖氣藏的開發(fā)[J].油田新技術(shù)(斯倫貝謝公司)，2006年秋季刊：18-31.
[6] CURTIS J B. Fractured shale-gas systems [J]. AAPG，2002，86(11)：1921-1938.
　
(本文作者：程克明1 王世謙2 董大忠1 黃金亮1 李新景1 1.中國石油勘探開發(fā)研究院；2.中國石油西南油氣田公司勘探開發(fā)研究院)