蔣 珊 王玉滿 王書彥 彭 平 董大忠,4 吳 偉 李新景 管全中

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事業(yè)部3.中國石油西南油氣田頁巖氣研究院 4.國家能源頁巖氣研發(fā)（實(shí)驗(yàn)）中心

0 引言

下寒武統(tǒng)筇竹寺組是中國頁巖氣有利勘探領(lǐng)域之一。近年來，眾多學(xué)者圍繞下寒武統(tǒng)筇竹寺組頁巖開展了烴源巖評(píng)價(jià)、儲(chǔ)層物性表征、資源潛力分析等研究工作[1-10]。其中主要認(rèn)識(shí)為：四川盆地筇竹寺組富有機(jī)質(zhì)頁巖分布范圍廣，厚度大，具有良好的生烴潛力和頁巖氣資源潛力，頁巖氣遠(yuǎn)景區(qū)主要分布在川中古隆起等構(gòu)造高部位[1,4-7]。目前，四川盆地筇竹寺組已鉆井40余口，僅在川中古隆起和黔北等局部地區(qū)鉆獲頁巖氣，威遠(yuǎn)構(gòu)造筇竹寺組頁巖段鉆井過程中廣泛存在氣測(cè)異常、氣侵、井涌和井噴等不同級(jí)別的氣顯示[1-5]。但四川盆地外圍的鉆探效果并不理想，所鉆井大部分為干井，僅有少數(shù)井為微氣井。

前人對(duì)筇竹寺組頁巖勘探效果差的研究[6-7]發(fā)現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)筇竹寺組頁巖有機(jī)碳含量（TOC）、有效厚度及脆性礦物含量等均已達(dá)到形成頁巖氣地質(zhì)“甜點(diǎn)”的標(biāo)準(zhǔn)，但其孔隙度和含氣性卻明顯差于上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組，且出現(xiàn)了頁巖孔隙度與TOC呈反比、大部分地區(qū)產(chǎn)層段電阻率異常低且不含氣或微含氣的現(xiàn)象，許多學(xué)者[8-10]將筇竹寺組頁巖孔隙度低歸因于埋深大導(dǎo)致的壓實(shí)作用強(qiáng)，含氣性差歸因于排烴作用強(qiáng)導(dǎo)致的頁巖內(nèi)殘余氣量少及構(gòu)造作用強(qiáng)烈導(dǎo)致的頁巖內(nèi)氣體大量散失，壓實(shí)作用、排烴作用和構(gòu)造作用雖然與筇竹寺組頁巖孔隙度低、含氣性差有一定的相關(guān)性，但是不能解釋頁巖孔隙度與TOC成反比及大部分地區(qū)產(chǎn)層出現(xiàn)的電阻率異常低值等現(xiàn)象。根據(jù)中國南方海相頁巖氣最新研究成果[3,9]，筇竹寺組頁巖中出現(xiàn)的電阻率異常低、孔隙度低和含氣性差等主要與有機(jī)質(zhì)石墨化有關(guān)，筇竹寺組有機(jī)質(zhì)石墨化的典型特征是富有機(jī)質(zhì)頁巖段出現(xiàn)電阻率異常低值（測(cè)井電阻率一般低于2 Ω·m）、氣測(cè)無顯示。

有機(jī)質(zhì)石墨化是高—過成熟頁巖氣勘探面臨的主要地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)之一。目前，關(guān)于四川盆地筇竹寺組頁巖有機(jī)質(zhì)石墨化的程度、深度下限及導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)發(fā)生石墨化的主要地質(zhì)原因尚不清楚。因此，筆者以四川盆地中南部筇竹寺組為主要研究對(duì)象，以鉆井資料為基礎(chǔ)，利用激光拉曼和電阻率測(cè)井等技術(shù)手段，對(duì)筇竹寺組有機(jī)質(zhì)石墨化程度和基本特征進(jìn)行研究，在此基礎(chǔ)上預(yù)測(cè)黑色頁巖有機(jī)質(zhì)石墨化的深度下限和分布范圍，以期為頁巖氣戰(zhàn)略選區(qū)提供依據(jù)。

1 有機(jī)質(zhì)石墨化研究現(xiàn)狀

1.1 理論認(rèn)識(shí)

石墨化廣義上是指固體碳經(jīng)過高溫處理后碳的亂層結(jié)構(gòu)部分或全部轉(zhuǎn)變?yōu)槭Y(jié)構(gòu)的結(jié)晶化過程[11]。有機(jī)質(zhì)石墨化是變質(zhì)作用的延續(xù)，在烴源巖熱演化進(jìn)程中，干酪根不斷裂解，含氧官能團(tuán)和脂族結(jié)構(gòu)不斷脫落，芳香結(jié)構(gòu)不斷發(fā)生縮合，逐漸轉(zhuǎn)變成低氫量的碳質(zhì)殘余物，分子排列的有序化增強(qiáng)，最終轉(zhuǎn)化為石墨[3,12-14]。熱演化程度高的頁巖中會(huì)出現(xiàn)有機(jī)質(zhì)石墨化現(xiàn)象，分散烴裂解消失，固體有機(jī)質(zhì)基本停止生氣，導(dǎo)致頁巖生烴能力衰竭，使頁巖孔隙度降低，微孔體積減小，吸附能力降低，從而對(duì)頁巖生烴潛力、儲(chǔ)層物性和含氣性造成影響[3,8-9]。

1.2 研究方法

目前用于研究有機(jī)質(zhì)石墨化的方法主要有電阻率測(cè)井、高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）、電子能量損失譜（EELS）、紅外光譜儀（FTIR）和激光拉曼光譜（LRS）等[15-25]。各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)見表1。綜合考慮各方法的優(yōu)缺點(diǎn)、實(shí)驗(yàn)條件及資料現(xiàn)狀，筆者擬采用電阻率測(cè)井和激光拉曼光譜等方法相結(jié)合分析研究區(qū)的有機(jī)質(zhì)石墨化現(xiàn)象。

2 筇竹寺組有機(jī)質(zhì)石墨化特征

針對(duì)四川盆地筇竹寺組有機(jī)質(zhì)石墨化評(píng)價(jià)關(guān)鍵問題和研究現(xiàn)狀，筆者以川中古隆起及周緣為重點(diǎn)區(qū)塊，依據(jù)W201、N206和GS17等3口評(píng)價(jià)井（圖1）的資料，利用激光拉曼光譜法和電阻率測(cè)井對(duì)筇竹寺組有機(jī)質(zhì)石墨化特征進(jìn)行表征。

2.1 激光拉曼光譜特征

激光拉曼光譜是一種非彈性散射光譜，能夠反映含碳物質(zhì)向石墨轉(zhuǎn)變過程中結(jié)構(gòu)的變化，固體有機(jī)質(zhì)拉曼光譜一般出現(xiàn)D峰（無序峰，拉曼位移為1 250～1 450 cm－1）和G峰（石墨峰，拉曼位移為1 500～1 650 cm－1），兩個(gè)峰的峰間距、峰高比等參數(shù)隨著熱成熟度增高發(fā)生有序變化[21-25]。另外，進(jìn)入石墨化階段的高—過成熟烴源巖在拉曼光譜2 700 cm－1附近普遍出現(xiàn)二階拉曼峰——G'峰，該峰幅度與三維石墨的發(fā)育程度有關(guān)，可以作為石墨出現(xiàn)和石墨化程度的判別標(biāo)志[22]。劉德漢等[23]學(xué)者提出了利用峰間距、峰高比等參數(shù)計(jì)算頁巖有機(jī)質(zhì)成熟度（Ro）的相應(yīng)方法，并廣泛用于高—過成熟烴源巖評(píng)

價(jià)（如Ro檢測(cè)、固體有機(jī)質(zhì)石墨化程度測(cè)定等）。3口評(píng)價(jià)井Ro數(shù)據(jù)主要依據(jù)激光拉曼法測(cè)得，如圖2、表2所示。

表1 有機(jī)質(zhì)石墨化主要研究方法統(tǒng)計(jì)表

圖1 川中古隆起及周緣筇竹寺組構(gòu)造及非石墨化區(qū)預(yù)測(cè)圖

W201井位于川中古隆起威遠(yuǎn)背斜高部位（圖1），筇竹寺組頁巖段介于井深2 640～2 820 m。激光拉曼檢測(cè)結(jié)果（表2）顯示，W201井筇竹寺組頁巖熱演化程度較低，Ro介于2.19%～3.04%，平均值為2.62%；D峰和G峰的峰間距小，介于249.50～265.31，峰高比介于0.71～0.82，在2 700 cm－1附近未出現(xiàn)二階拉曼峰（G'峰）（圖2-a）。表明W201井筇竹寺組頁巖中的有機(jī)質(zhì)尚處于完全無序狀態(tài)，沒有發(fā)生石墨化。

GS17井位于川中古隆起中間、威遠(yuǎn)構(gòu)造與磨溪構(gòu)造之間的早寒武世拉張槽內(nèi)（圖1），筇竹寺組頁巖段介于井深4 825～5 320 m，其中井深5 200～5 320 m頁巖段巖樣Ro介于3.49%～3.60%，平均值為3.55%（表2），D峰和G峰的峰間距大，介于273.70～275.79，峰高比介于0.68～0.70，能觀察到明顯的二階拉曼峰，在2 691.79 cm－1位置出現(xiàn)了低幅度的G'峰（圖2-b），說明GS17井筇竹寺組下部已經(jīng)出現(xiàn)有機(jī)質(zhì)石墨化，并處于石墨化作用早期階段。

N206井位于四川盆地南緣、早寒武世內(nèi)裂陷區(qū)南端（圖1），筇竹寺組頁巖段介于井深1 680～1 890 m。激光拉曼檢測(cè)結(jié)果（表2）顯示，該井筇竹寺組頁巖Ro介于3.74%～4.09%，平均值為3.92%，D峰和G峰的峰間距較小，介于163.22～261.21，峰高比大，介于0.84～1.15，能觀察到明顯的二階拉曼峰，在2 711.83 cm－1位置出現(xiàn)了高幅度的G'峰（圖2-c），明顯高于GS17井，表明形成了較多石墨，出現(xiàn)了嚴(yán)重的有機(jī)質(zhì)石墨化現(xiàn)象，石墨化程度遠(yuǎn)高于GS17井。

上述3口井的頁巖有機(jī)質(zhì)拉曼光譜特征可知，3個(gè)地區(qū)的熱演化程度N206井區(qū)最高，GS17井區(qū)次之，W201井區(qū)最低。相應(yīng)地，有機(jī)質(zhì)石墨化程度為N206井區(qū)最高，GS17井區(qū)次之，W201井區(qū)未石墨化。

2.2 電性特征

電阻率測(cè)井響應(yīng)分析是表征高—過成熟頁巖有機(jī)質(zhì)石墨化特征的重要方法[3,9,15]。這為筆者開展川中古隆起及周緣筇竹寺組頁巖有機(jī)質(zhì)石墨化程度和深度下限研究提供了重要手段。筆者依據(jù)W201、N206和GS17等3口井的測(cè)井資料和Ro數(shù)據(jù)，繪制了筇竹寺組頁巖電阻率測(cè)井響應(yīng)與GR、TOC等關(guān)鍵參數(shù)關(guān)系圖（圖3～5），對(duì)比分析不同探區(qū)筇竹寺組有機(jī)質(zhì)石墨化程度。

石墨為導(dǎo)電性極強(qiáng)的礦物，常溫下電阻率（Rt）為8×10－6～13×10－6Ω·m。富有機(jī)質(zhì)頁巖段中有機(jī)質(zhì)多呈層狀分布，若有機(jī)質(zhì)發(fā)生了石墨化作用，會(huì)使頁巖具有良好的導(dǎo)電性，電阻率將大大降低。前人研究確定了富有機(jī)質(zhì)頁巖石墨化階段劃分標(biāo)準(zhǔn)為：Rt＜2 Ω ·m，有機(jī)質(zhì)嚴(yán)重石墨化，處于生氣衰竭階段；Rt介于2～10 Ω·m，有機(jī)質(zhì)弱石墨化，處于有效生氣窗下限階段；Rt＞10 Ω·m，有機(jī)質(zhì)未石墨化，處于有效生氣窗內(nèi)[3]。

圖2 頁巖樣品拉曼光譜特征圖

表2 筇竹寺組頁巖樣品激光拉曼光譜特征參數(shù)表

圖3 筇竹寺組石墨化作用綜合解釋圖

圖4 四川盆地龍馬溪組、筇竹寺組頁巖Rt與GR、TOC關(guān)系圖

W201井筇竹寺組厚約190 m，下部主要巖性為黑色頁巖、粉砂質(zhì)頁巖和粉砂巖，向上變?yōu)楹谏搸r和粉砂質(zhì)頁巖互層（圖3-a）。電性特征自然伽馬和電阻率曲線總體上呈現(xiàn)扁平狀特征，GR介于80～400 API，Rt介于515～20 000 Ω·m，TOC介于0.1%～3.9%。其中，富有機(jī)質(zhì)頁巖（TOC＞2%）[2]段為井段2 660～2 696 m、2 775～2 824 m，TOC介于0.8%～3.9%，GR介于160～400 API，Rt介于395～1 500 Ω·m，其中井段2 775～2 824 m電阻率曲線呈鋸齒狀；貧有機(jī)質(zhì)頁巖（TOC＜2%）[2]段為井段2 630～2 660 m、2 696～2 775 m，TOC＜1.5%，GR介于80～220 API，Rt介于515～20 000 Ω·m。該井富有機(jī)質(zhì)頁巖段和貧有機(jī)質(zhì)頁巖段的Rt＞10 Ω·m，GR、TOC與Rt之間無相關(guān)性（圖4-a、4-b），表明該井區(qū)筇竹寺組尚未發(fā)生有機(jī)質(zhì)石墨化。

圖5 四川盆地筇竹寺組頁巖Rt與GR、TOC關(guān)系圖

N206井筇竹寺組厚度約210 m，底部主要巖性為黑色頁巖和碳質(zhì)頁巖，向上逐漸演變?yōu)榛液谏搸r和粉砂質(zhì)頁巖（圖3-b）。電性特征自然伽馬曲線呈現(xiàn)上低下高的鐘形，介于80～400 API；電阻率曲線呈現(xiàn)上高下低的漏斗形，介于0.1～1000 Ω·m。其中，貧有機(jī)質(zhì)頁巖段為井段1 685～1 840 m，TOC＜1.0%，GR介于80～160 API，曲線呈扁平狀，Rt＞100 Ω·m，呈平緩的中高阻特征；富有機(jī)質(zhì)頁巖段為井段1 840～1 887 m，TOC＞2.0%，最大值超過6.0%，GR介于180～400 API，Rt則迅速降低，由100 Ω·m降至1 Ω·m，該井段絕大部分Rt＜10 Ω·m。明顯不同于W201井，該井貧有機(jī)質(zhì)頁巖段電阻率曲線顯中高阻特征，富有機(jī)質(zhì)頁巖段電阻率曲線出現(xiàn)超低阻特征且Rt與GR、TOC有良好的負(fù)相關(guān)性（圖5-a、5-b），兩者Rt相差3～4個(gè)數(shù)量級(jí)。該井富有機(jī)質(zhì)頁巖段具有良好導(dǎo)電性，導(dǎo)電能力主要與有機(jī)質(zhì)豐度有關(guān)，表明該井區(qū)有機(jī)質(zhì)發(fā)生了嚴(yán)重石墨化。

GS17井筇竹寺組厚度500 m，底部巖性主要為碳質(zhì)頁巖和砂質(zhì)頁巖互層，向上變?yōu)榉凵百|(zhì)頁巖、碳質(zhì)頁巖和黑色頁巖。電性特征電阻率測(cè)井曲線呈現(xiàn)上部（5 200 m以淺）Rt＞10 Ω·m、下部（5 200 m以深）Rt＜10 Ω·m兩段式特征，GR介于50～300 API，Rt介于1～75 410 Ω·m；TOC介于0.4%～5.0%（圖3-c）。其中，貧有機(jī)質(zhì)頁巖段為井段4 825～4 960 m、5 090～5 200 m，TOC＜1.0%，GR介于50～140 API，Rt介于20～75 410 Ω·m。富有機(jī)質(zhì)頁巖段為井段4 960～5 090 m、5 200～5 320 m，上部井段4 960～5 090 m的TOC介于1.0%～4.0%，GR介于90～270 API，Rt介于20～30 Ω·m，氣測(cè)異常；下部井段5 200～5 320 m的TOC介于3.0%～5.0%，GR介于 90～ 300 API，Rt介于 1～ 10 Ω·m，氣測(cè)無顯示。從電性和氣測(cè)資料看，該井貧有機(jī)質(zhì)頁巖段和富有機(jī)質(zhì)頁巖上部井段（井深4 960～5 090 m）顯示出中高阻特征，Rt與GR、TOC關(guān)系沒有明顯相關(guān)性，與JY1井龍馬溪組相似[26-27]（圖4-a、4-b），說明該井5 200 m以淺黑色頁巖中有機(jī)質(zhì)尚未發(fā)生有機(jī)質(zhì)石墨化。富有機(jī)質(zhì)頁巖下部井段（井深5 200～5 320 m），Rt與GR、TOC之間呈現(xiàn)明顯負(fù)相關(guān)性（圖5-a、5-b），表明該井5 200 m以深有機(jī)質(zhì)結(jié)構(gòu)已發(fā)生明顯變化并具有導(dǎo)電性，出現(xiàn)了有機(jī)質(zhì)石墨化特征，但石墨化程度較N206井區(qū)弱。

從上述3口井電性特征看，有機(jī)質(zhì)石墨化程度N206井區(qū)最高，GS17井區(qū)次之，W201井區(qū)未石墨化，與激光拉曼分析結(jié)果一致。GS17井是揭示川中古隆起下古生界頁巖有機(jī)質(zhì)石墨化的一口關(guān)鍵井，埋深5 200 m是磨溪—高石梯地區(qū)頁巖有機(jī)質(zhì)發(fā)生石墨化的深度門限，GS17井正好跨越該深度門限。

3 有機(jī)質(zhì)石墨化分布范圍預(yù)測(cè)

綜上可知，川中古隆起及周緣筇竹寺組頁巖出現(xiàn)了有機(jī)質(zhì)石墨化特征，但是由于各個(gè)區(qū)塊經(jīng)歷的古地史、現(xiàn)今埋深和熱演化等不同，導(dǎo)致不同區(qū)塊筇竹寺組有機(jī)質(zhì)石墨化深度下限差異較大。為有效預(yù)測(cè)筇竹寺組頁巖有機(jī)質(zhì)石墨化區(qū)的分布范圍，筆者統(tǒng)計(jì)了威遠(yuǎn)—資陽、磨溪—高石梯及周邊地區(qū)13口井富有機(jī)質(zhì)頁巖的電阻率及其埋深（表3），建立了相應(yīng)的深度與電阻率關(guān)系圖（圖6），確定川中古隆起及周緣頁巖有機(jī)質(zhì)石墨化深度界限，并以此為據(jù)預(yù)測(cè)了筇竹寺組頁巖有機(jī)質(zhì)石墨化區(qū)的分布（圖1）。

表3 川中古隆起及周緣井下筇竹寺組富有機(jī)質(zhì)頁巖段電性參數(shù)表

圖6 川中古隆起及周緣筇竹寺組富有機(jī)質(zhì)頁巖段深度與電阻率關(guān)系圖

威遠(yuǎn)—資陽及周邊地區(qū)筇竹寺組頁巖現(xiàn)今埋深介于2 600～5 000 m，其中，埋深超過3 900 m頁巖開始出現(xiàn)低阻，4 500 m以深普遍為低阻特征。如Z1井區(qū)，高自然伽馬段頁巖深度介于3 916～3 931 m，GR介于173～188 API，Rt出現(xiàn)異常低值（2～4 Ω·m）；GS1井和WS1井區(qū)高自然伽馬段深度介于4 500～4 600 m，GR介于165～200 API，Rt中值分別為7 Ω·m、4 Ω·m（表3、圖6）。根據(jù)海相頁巖有機(jī)質(zhì)石墨化標(biāo)準(zhǔn)（富有機(jī)質(zhì)頁巖Rt＜10 Ω·m、貧富有機(jī)質(zhì)頁巖段Rt相差2個(gè)數(shù)量級(jí)[3]），威遠(yuǎn)—資陽地區(qū)有機(jī)質(zhì)石墨化深度門限變化大，介于4 000～4 600 m。

磨溪—高石梯地區(qū)筇竹寺組頁巖埋深5 200 m以下出現(xiàn)超低電阻異常特征（表3、圖6）。除GS17井外，NJ井區(qū)高自然伽馬段深度接近5 200 m，GR介于3 958～4 896 API，Rt出現(xiàn)低值（7～12 Ω·m），P1井高伽馬段深度超過5 400 m，出現(xiàn)了超低電阻，Rt介于0～2 Ω·m，說明磨溪—高石梯地區(qū)有機(jī)質(zhì)石墨化深度下限較深且穩(wěn)定，位于5 200 m深度附近。

為預(yù)測(cè)有機(jī)質(zhì)石墨化區(qū)分布，以威遠(yuǎn)—資陽地區(qū)4 000 m、磨溪—龍女寺地區(qū)5 200 m作為筇竹寺組頁巖有機(jī)質(zhì)石墨化深度下限，結(jié)合川中古隆起及其周邊地區(qū)的構(gòu)造演化和測(cè)井資料，編制了四川盆地筇竹寺組頁巖有機(jī)質(zhì)石墨化區(qū)和非石墨化區(qū)分布圖（圖1）。在四川盆地筇竹寺組頁巖分布區(qū)，主體為有機(jī)質(zhì)石墨化區(qū)，威遠(yuǎn)—資陽、磨溪—高石梯地區(qū)為非石墨化區(qū)，其中威遠(yuǎn)—資陽地區(qū)非石墨化區(qū)主要分布于構(gòu)造高部位，面積約7 300 km2，磨溪—高石梯地區(qū)非石墨化區(qū)同樣分布于現(xiàn)今構(gòu)造主體區(qū)，面積約為7 400 km2。與盆地內(nèi)五峰組—龍馬溪組頁巖對(duì)比，這兩個(gè)非石墨化區(qū)可能是筇竹寺組頁巖氣勘探遠(yuǎn)景區(qū)或有利區(qū)帶。

4 結(jié)論

1）川中古隆起構(gòu)造高部位W201井激光拉曼光譜未出現(xiàn)二階拉曼峰（G'峰），頁巖電阻率顯正常扁平狀特征，尚未發(fā)生有機(jī)質(zhì)石墨化作用。

2）早寒武世內(nèi)裂陷區(qū)GS17井電阻率測(cè)井曲線5 200 m以深為低阻特征，激光拉曼光譜出現(xiàn)低幅度G'峰，Ro超過3.5%，顯示5 200 m以深出現(xiàn)有機(jī)質(zhì)石墨化特征，但石墨化程度較長寧地區(qū)弱。

3）威遠(yuǎn)—資陽地區(qū)有機(jī)質(zhì)石墨化深度門限變化大，介于4 000～4 600 m；磨溪—高石梯地區(qū)有機(jī)質(zhì)石墨化的深度下限深且穩(wěn)定，位于5 200 m附近。

4）四川盆地筇竹寺組頁巖分布區(qū)主體為有機(jī)質(zhì)石墨化區(qū)，僅在威遠(yuǎn)—資陽、磨溪—高石梯等地區(qū)的主體構(gòu)造部位出現(xiàn)兩塊非石墨區(qū)，即筇竹寺組頁巖氣勘探遠(yuǎn)景區(qū)，總面積約為14 700 km2。