楊躍明 黃 東 楊 光 李育聰 戴鴻鳴 白 蓉

1. 中國石油西南油氣田分公司 2．中國石油西南油氣田分公司勘探開發(fā)研究院 3.西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院

0 引言

頁巖油氣作為一種非常規(guī)資源是目前國內(nèi)外勘探開發(fā)的現(xiàn)實對象之一[1-4]。近年來，中石油、中石化、殼牌等國際能源大公司，相繼在四川盆地侏羅系大安寨段湖相頁巖中探索性地開展油氣勘探工作，見到一定成效。中石化在四川盆地西北部的元壩、東部的涪陵、興隆場等地區(qū)大安寨段獲得工業(yè)頁巖油氣流，中石油在四川盆地中西部的金華地區(qū)以及川中北部的龍崗地區(qū)鉆獲了頁巖油氣流，進一步展現(xiàn)出湖相大安寨段頁巖油氣廣闊的勘探開發(fā)前景。目前已有學(xué)者對四川盆地侏羅系頁巖油氣開展初步探討[5-10]，但總體處于起步階段，對湖相頁巖油氣形成的地質(zhì)條件、資源潛力認識還不夠清晰。按照頁巖油氣研究方法[11-13]，系統(tǒng)開展湖相頁巖地化特征、儲層特征、資源評價等方面的研究，以期為湖相頁巖油氣的形成條件、資源潛力及勘探方向等深入分析奠定基礎(chǔ)，從而有效指導(dǎo)四川盆地侏羅系湖相頁巖油氣的勘探開發(fā)工作。

1 地質(zhì)背景

晚三疊世以后，四川盆地進入侏羅紀(jì)紅色盆地演化階段。此時四川盆地周緣被龍門山古陸、大巴山古陸、康滇古陸所包圍，在此古構(gòu)造——沉積背景下，早侏羅世大安寨時期主要發(fā)育內(nèi)陸淡水湖相沉積。該時期是盆地侏羅系自流井組三次湖侵中規(guī)模最大、范圍最廣的一次。該時期在湖盆四周主要為一套紫紅色、灰綠色泥巖夾粉砂巖或泥灰?guī)r的濱湖相沉積地層，在盆地的西北和東北緣，由于緊鄰古陸剝蝕區(qū)，陸源碎屑豐富，主要為一套含介殼粉砂巖、砂巖的河流相沉積地層。在湖盆中部主要沉積一套褐灰色——黑灰色介屑灰?guī)r和深灰——黑色泥頁巖的淺——半深水湖相沉積地層，由于該沉積相帶遠離物源區(qū)，水體環(huán)境較為安靜，發(fā)育大量淡水介殼類生物，平面上大范圍分布成層穩(wěn)定的介屑灰?guī)r與黑色泥頁巖[4-8]。根據(jù)地層巖性特征、電性特征、旋回特征可進一步將大安寨段自上而下劃分為三個段，分別為大一亞段、大一三亞段和大三亞段，其中大三亞段為湖盆水進擴展期，大一三亞段為最大水進期，大一亞段為湖盆水退萎縮期（圖1），縱向各個亞段呈現(xiàn)較為明顯的非均質(zhì)性；由于湖水水體的變化和湖盆的頻繁振蕩，空間上導(dǎo)致介殼灰?guī)r、頁巖頻繁互層或側(cè)向包裹接觸，為頁巖油氣的生儲組合創(chuàng)造得天獨厚的條件。

2 湖相頁巖油氣形成地質(zhì)條件

2.1 頁巖地球化學(xué)特征

1）頁巖有機碳含量

一般采用有機碳含量（TOC）定量評價烴源巖優(yōu)劣，國內(nèi)外大多數(shù)學(xué)者較為認可的泥質(zhì)烴源巖有機碳含量下限為 0.4%～0.6%[14]，而對于頁巖氣資源，由于其特殊的“自生自儲”成藏機理，通常其有機碳含量下限要求更高。美國從事頁巖氣勘探開發(fā)的石油公司一般將有效頁巖有機碳含量下限值確定為2.0%，四川下古生界頁巖氣的有效頁巖有機碳含量下限值確定為 1.5%[11，15-19]。

有機碳含量（TOC）越高，頁巖生烴潛力越大，吸附油氣含量也越高，因此有機碳含量（TOC）也是頁巖油氣重要的評價指標(biāo)之一。根據(jù)盆地大安寨段618個巖心、野外樣品巖石熱解分析，有機碳含量分布在0.1%～4.27%，平均為1.15%。91.41%的樣品有機碳含量分布在小于2%的范圍內(nèi)，大于2%的樣品僅占9.59%，其中65.96%的樣品分布在0.5%～1.5%之間；26%的樣品有機碳含量高于1.5%，平均有機碳含量為2.6%（圖2）。

總體上，四川盆地大安寨段頁巖有機碳含量具有呈環(huán)帶狀圍繞湖盆沉積中心分布的特征，其中湖盆中心主要分布在射洪——蓬溪——南充——蓬安——儀隴——南部——鹽亭一帶，有機碳含量普遍大于1.8%[20]（圖3）。從頁巖巖心實測結(jié)果分析可見，川中大安寨段湖相頁巖烴源巖有機碳含量較高，為形成頁巖油氣提供良好的物質(zhì)基礎(chǔ)。

2）頁巖有機質(zhì)類型

有機質(zhì)類型是評價烴源巖生烴潛力的重要參數(shù)之一，評價干酪根母質(zhì)類型有兩種方法：有機地球化學(xué)與有機巖石學(xué)方法。樣品分析表明，大安寨段烴源巖有機質(zhì)以殼質(zhì)組為主，含量介于60%～80%，并以腐殖無定形體為主；其次是腐泥組和鏡質(zhì)組，含量一般在20%左右；惰質(zhì)組含量相對較低，一般不到10%。通過類型指數(shù)計算，有機質(zhì)類型主要為Ⅱ2型和Ⅱ1型，極少量Ⅲ型有機質(zhì)。從巖石熱解參數(shù)Tmax——HI關(guān)系圖版上分析，干酪根總體為Ⅱ型， 以Ⅱ1以及Ⅱ2型為主，從H/C——O/C的范氏圖分析，干酪根類型與巖石熱解參數(shù)得出的結(jié)論一致。此外，隨著有機碳含量的增高，有機質(zhì)類型逐漸變好，由Ⅱ2型向Ⅱ1型過渡（圖4）。

圖1 四川盆地侏羅系大安寨段綜合柱狀圖

3）頁巖有機質(zhì)成熟度

有機質(zhì)成熟度是衡量有機質(zhì)向烴類轉(zhuǎn)化程度的參數(shù)，烴源巖的有機質(zhì)成熟度直接關(guān)系到烴源巖的實際生烴能力，是評價某個地區(qū)或某一烴源巖系生烴量及資源前景的重要依據(jù)，是判斷有效油氣源巖的基本參數(shù)之一。根據(jù)北美頁巖油勘探經(jīng)驗，一般認為頁巖有機質(zhì)成熟度范圍在0.7%～1.1%的具有較好的頁巖油勘探開發(fā)潛力，大于1.3%具有較好的頁巖氣勘探開發(fā)潛力。總體看來盆地大安寨段頁巖有機質(zhì)成熟度主要分布在0.9%～1.5%之間（圖5），自南往北隨著埋藏深度的增加大安寨段頁巖有機質(zhì)成熟度不斷增加，絕大部分地區(qū)處于生油高峰期，為頁巖油的形成創(chuàng)造了條件；川北地區(qū)大巴山前緣的儀隴——達州——通江一帶有機質(zhì)成熟度一般大于1.3%，有機質(zhì)熱演化程度較高，處于生氣階段，有利于頁巖氣的形成。

圖2 四川盆地侏羅系大安寨段有機碳含量頻率直方圖

2.2 頁巖儲集性能

1）頁巖巖石類型特征

一般認為頁巖為“細粒碎屑沉積”，其礦物組成主要為黏土、石英和有機質(zhì)等，雖然為細粒碎屑沉積巖，但它在礦物組成、頁巖結(jié)構(gòu)及構(gòu)造上卻存在多樣性。美國產(chǎn)氣量最大的福特沃斯盆地的Barnett組頁巖與其他幾大頁巖有所差別，它是一個復(fù)合體，主要有由硅質(zhì)頁巖、石灰?guī)r和少量白云巖組成。硅質(zhì)含量占體積的35%～50%，含量相對較多，而黏土礦物含量較少（一般小于35%）。美國其他主要頁巖中的硅質(zhì)含量相對較少，黏土礦物含量較多。

圖3 四川盆地川中地區(qū)侏羅系大安寨段有機碳含量平面分布圖

四川盆地侏羅系大安寨段頁巖以黑色、灰黑色頁巖與生物介殼灰?guī)r不等厚互層為主，普遍含豐富的瓣鰓、介形蟲、葉肢介等水生生物化石及陸源高等植物化石碎片，黃鐵礦呈分散狀分布。頁巖顏色有黑色、灰色、綠色、紫紅色和雜色等，其中黑色頁巖在顯微鏡下為顯微鱗片結(jié)構(gòu)，微層構(gòu)造，主要礦物為黏土、石英，少量方解石、氧化鐵、炭屑和黃鐵礦。黏土大部分水云母化，水云母呈鱗片狀，定向分布具微層狀構(gòu)造，陸源碎屑石英和長石呈星點分布。在野外剖面常見到頁巖呈片狀分布，巖心擱置一段時間后頁巖呈千層餅狀（圖6）。平面上，總體具有由南向北頁巖顏色不斷加深、厚度增大，有機碳含量增加的特征。

圖4 四川盆地侏羅系大安寨段頁巖有機質(zhì)類型判識圖

圖5 四川盆地侏羅系大安寨段頁巖有機質(zhì)熱演化程度與埋深關(guān)系圖

2）頁巖巖石礦物學(xué)特征

頁巖中礦物組分大類可分為三類：黏土礦物、碳酸鹽巖類、其他礦物，其中黏土礦物主要為伊利石、綠泥石、蒙脫石、伊蒙混層等；碳酸鹽巖類礦物主要為方解石、白云石；其他礦物為石英、正長石、斜長石、黃鐵礦等。各種礦物組分對頁巖氣藏的形成、儲層物性、開采性具有重要的影響，其中硅質(zhì)含量（包括石英、長石類）影響頁巖的脆性及裂縫發(fā)育，對頁巖氣層的識別和商業(yè)化開采十分重要，而黏土礦物對頁巖氣具有良好的吸附能力，進而影響頁巖的含氣量，同時黏土礦物表面含有水分子，對頁巖含水飽和度也有影響。長石易于形成溶蝕孔，是頁巖中儲集空間的一種重要形式。

根據(jù)18口井及5條野外剖面141個樣品， X衍射全巖分析表明，黏土含量平均為36.6%，石英平均含量為38.6%，方解石平均含量為16.7%，斜長石平均含量為4.2%，白云石平均含量為2.1%，黃鐵礦平均含量為0.9%，菱鐵礦平均含量為0.7%，赤鐵礦平均含量為0.1%，正長石平均含量為0.1%（圖7）。黏土礦物含量介于10.77%～62.40%；脆性礦物含量介于37.60%～89.17%，平均值為63.40%。

3）頁巖物性特征

孔隙度是評價儲層物性的重要參數(shù)之一。四川盆地侏羅系大安寨段半個多世紀(jì)的勘探開發(fā)對象主要為介殼灰?guī)r，前人普遍認為介殼灰?guī)r是主要的儲集巖，對頁巖的研究和認識程度較低。頁巖儲層要滿足一定的物性條件，美國頁巖儲層孔隙度一般在3%～5%，高者介于10%～15%，長寧地區(qū)孔隙度一般在1.55%～10.27%之間。

從新取心井南充7、南充8井，頁巖樣品物性分析（圖8），酒精法孔隙度最大值8.12%，最小值1.22%；氦氣法孔隙度最大值6.10%，最小值1.36%，滲透率最大值0.494 mD，最小值0.000 292 mD。

圖6 四川盆地侏羅系大安寨段湖相頁巖巖心照片

圖7 四川盆地侏羅系頁巖全巖礦物分析直方圖

根據(jù)108個頁巖物性分析，酒精孔隙度介于0.35～13.65%，平均孔隙度為5.8%，孔隙度主要集中分布在4～9%之間。39個頁巖氦氣孔隙度介于0.64～7.32%，平均孔隙度為3.8%，孔隙度主要集中分布在3～6%之間（圖9）。與北美商業(yè)開釆的頁巖氣孔隙度和滲透率相比，區(qū)內(nèi)大安寨段頁巖物性總體較好，是目前已發(fā)現(xiàn)大安寨段物性最好的儲層，頁巖中發(fā)育的頁理、裂縫及后期人工壓裂造縫可大幅改善頁巖儲集層的物性，使其具備開采價值。

圖8 南充7、南充8井大安寨段頁巖巖心孔隙度分布直方圖

圖9 四川盆地侏羅系大安寨段頁巖巖心物性直方圖

4）儲集空間類型

頁巖作為儲集層，具有多種儲集空間類型。根據(jù)巖心、野外觀察以及鏡下薄片、場發(fā)射、掃描電鏡等手段綜合分析，大安寨段頁巖微米級以上的原生孔隙大部分已消失。宏觀儲集空間，主要以裂縫為主，含少量溶蝕孔、洞；微觀儲集空間尺度較小，主要為微米——納米級孔隙。從巖心掃描電鏡分析結(jié)果可以看出，四川盆地中部地區(qū)大安寨段泥頁巖微孔隙發(fā)育，按成因可將基質(zhì)孔隙區(qū)分為有機質(zhì)孔、次生溶蝕孔、晶間孔、礦物鑄模孔以及黏土礦物間微孔等類型，總體看來無機孔的發(fā)育程度要高于有機孔（表1），這可能與區(qū)內(nèi)大安寨段頁巖的有機質(zhì)熱演化程度低有關(guān)。

2.3 頁巖地層壓力特征

異常高壓有利于頁巖油氣的產(chǎn)岀。海相頁巖氣勘探開發(fā)實踐揭示，頁巖氣產(chǎn)量與地層壓力呈正相關(guān)關(guān)系，地層壓力系數(shù)越高，頁巖氣產(chǎn)量越高。根據(jù)區(qū)內(nèi)鉆井資料分析，盆地大安寨段地層壓力系數(shù)具有由南向北增高的趨勢，地層壓力系數(shù)高值區(qū)主要分布在川中北部的鹽亭——西充——蓬安以北的淺湖和半深湖地區(qū)，地層壓力系數(shù)普遍大于1.2（圖10），異常高壓有助于天然氣和原油的流動，有利于油氣的產(chǎn)出，為油氣的穩(wěn)產(chǎn)提供條件。

2.4 頁巖埋藏深度及保存條件

頁巖油氣埋藏過深，開采成本過高，使頁巖油氣開采失去經(jīng)濟價值。目前頁巖氣單井產(chǎn)量和年產(chǎn)量較高的Barett頁巖普遍埋藏深度為1891～2591 m；加拿大核心頁巖氣開采區(qū)深度一般在1220～5000 m之間?？傮w而言，美國商業(yè)性開采的頁巖氣主要產(chǎn)自7個盆地中的9套頁巖層，約三分之二在800～3 200 m之間。目前我國頁巖氣已經(jīng)成功實現(xiàn)3 500m以淺的商業(yè)化勘探與開發(fā)，埋深在3 500～4 500 m的頁巖氣正在攻關(guān)突破階段。

雖然埋藏深度不是發(fā)育頁巖油氣的決定因素，但埋藏深度直接決定頁巖油氣的勘探開發(fā)成本，從而決定油氣藏的商業(yè)價值。與海相頁巖氣相比，川中地區(qū)侏羅系大安寨段頁巖埋深深度較淺，大安寨段頁巖埋藏深度具有南淺北深的特征，總體看來大安寨段湖相頁巖埋藏深度淺于4 000 m，普遍在1500～2 500 m之間，不超過3 000 m（圖11），因此勘探開發(fā)成本較低，為商業(yè)開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

雖然埋藏深度淺，但是大安寨段頁巖保存條件好，一方面從目前的鉆井揭示，大安寨段普遍具有異常高壓特征，此外由于介殼灰?guī)r致密化程度高，很好地將頁巖進行夾持（圖12），能有效形成頂、底板，為大安寨段頁巖油氣的保存創(chuàng)造了天然屏障。

3 湖相頁巖油氣資源評價

前人對四川盆地侏羅系湖相頁巖油氣的資源量進行了估算，據(jù)韓克猷等（2015）研究表明，大安寨段泥頁巖有機碳含量大于1.5%的分布面積為26 000 km2，采用容積法估算頁巖油地質(zhì)資源量為84×108t，技術(shù)可采資源量為4.2×108t；李延鈞（2013）[21-24]利用容積法計算四川盆地自流井組湖相頁巖氣資源量介于3.8×1012～8.7×1012m3。

表1 四川盆地侏羅系大安寨段頁巖儲集空間特征表

在國內(nèi)頁巖油氣資源評價方法調(diào)研的基礎(chǔ)上，結(jié)合近年來盆地侏羅系大安寨段湖相頁巖的資料現(xiàn)狀，采用氯仿瀝青“A”分析結(jié)果、頁巖巖石熱解資料、頁巖熱模擬資料和現(xiàn)場含氣量測定等資料，系統(tǒng)開展湖相頁巖油氣資源量的計算。此次計算范圍結(jié)合前期試油結(jié)果確定，對有效頁巖為有機碳含量大于1.5%的范圍進行計算，其中頁巖油采用生烴模擬法、熱解法（S1）、氯仿瀝青“A”進行計算；頁巖氣采用生烴模擬法、含氣量法進行計算（表2）。計算結(jié)果表明，頁巖油資源量三種方法計算結(jié)果在32.03～97.65×108t之間，平均為70×108t，頁巖氣資源量兩種方法計算結(jié)果在1.99～4.95×1012m3之間，平均為3.5×1012m3。

4 湖相頁巖油氣勘探有利區(qū)

在國內(nèi)外頁巖油氣有利區(qū)評價指標(biāo)調(diào)研分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合盆地侏羅系大安寨段湖相頁巖的地質(zhì)特征，選取有機碳含量（TOC）＞1.5%，厚度＞10 m，頁巖熱解參數(shù)（S1）＞2 mg/g，熱演化程度（Ro）＞1.1%，地層壓力系數(shù)＞1.1，埋藏深度介于1 800 m～3000 m之間，且位于淺湖、半深湖沉積相帶，優(yōu)選出射洪——遂寧——南充——蓬安——儀隴——南部的頁巖油氣勘探有利區(qū)近1×104km2，其中包含公山廟、龍崗、蓮池、八角場、營山、金華等有利構(gòu)造。

圖10 四川盆地川中地區(qū)侏羅系大安寨段地層壓力系數(shù)分布圖

圖11 四川盆地川中地區(qū)侏羅系大安寨段頂界埋藏深度圖

圖12 四川盆地川中地區(qū)大安寨段沉積相大剖面圖

表2 四川盆地川中地區(qū)大安寨段湖相頁巖油氣資源量統(tǒng)計表

根據(jù)熱演化程度差異，大安寨段湖相頁巖勘探開發(fā)對象可劃分為頁巖油、頁巖油氣、頁巖氣三大類。其中第一類為頁巖油，可將其與介殼灰?guī)r致密油一起考慮，進行整體勘探部署，平面上主要分布在遂寧——南充地區(qū)，該區(qū)頁巖有機質(zhì)碳含量普遍大于1.5%，有機質(zhì)熱演化程度介于在0.8%～1.1%；第二類為頁巖油氣，平面上主要分布在南充——儀隴地區(qū)，該區(qū)有機碳含量普遍大于1.5%，有機質(zhì)熱演化程度介于1.1～1.3%，處于生油氣高峰期；第三類為頁巖氣，平面上主要分布在儀隴——平昌地區(qū)，該區(qū)有機碳含量普遍大于1.5%，有機質(zhì)熱演化程度大于1.3%，處于生氣高峰期（圖13）。根據(jù)湖相頁巖油氣地質(zhì)條件分析，結(jié)合目前鉆井、測井、三維地震資料情況，建議在公山廟、龍崗地區(qū)開辟湖相頁巖油氣先導(dǎo)試驗區(qū)，為湖相頁巖油氣規(guī)模效益開發(fā)奠定基礎(chǔ)。

5 結(jié)論

1）大安寨段湖相頁巖主要發(fā)育在大一三亞段淺湖、半深湖泥，有機碳含量平均為1.15%，有機質(zhì)類型均以Ⅱ型為主，鏡質(zhì)體反射率介于0.8%～1.4%，處于成熟——高成熟階段，頁巖生烴能力強，具備形成頁巖油氣的物質(zhì)基礎(chǔ)。

圖13 四川盆地侏羅系大安寨段湖相頁巖油氣分布模式及有利區(qū)示意圖

2）大安寨段頁巖以黑色、灰黑色頁巖與生物介殼灰?guī)r不等厚互層為主，脆性礦物平均含量為63.4%，含量較高；頁巖孔隙度平均為5.92%，儲集條件好，儲層發(fā)育微米——納米級孔隙，具備儲集頁巖油氣的儲集空間，有利于頁巖儲層的改造。

3）大安寨段湖相頁巖油氣具有埋藏淺、保存條件好、地層壓力系數(shù)高等優(yōu)越條件，按照有機碳含量大于1.5%的范圍，計算頁巖油資源量為70×108t，頁巖氣的資源量為3.5×1012m3。結(jié)合大安寨段頁巖油氣評價指標(biāo)，優(yōu)選出射洪——遂寧——南充——蓬安——儀隴——南部頁巖油氣勘探有利區(qū)近1×104km2，建議在公山廟、龍崗地區(qū)開展先導(dǎo)試驗工作。