典型盆外改造區(qū)高演化海相頁巖勘探前景分析
——以城口地區(qū)下寒武統(tǒng)頁巖為例

劉斌，葉軍，王勝，李平，余平，程靜

（國投重慶頁巖氣開發(fā)利用有限公司，重慶 400043）

典型盆外改造區(qū)高演化海相頁巖勘探前景分析
——以城口地區(qū)下寒武統(tǒng)頁巖為例

劉斌，葉軍，王勝，李平，余平，程靜

（國投重慶頁巖氣開發(fā)利用有限公司，重慶 400043）

下寒武統(tǒng)海相頁巖是中國南方頁巖氣勘探的主要領(lǐng)域之一。城口地區(qū)位于四川盆地東北部大巴山前緣逆沖推覆構(gòu)造帶，為典型的盆外改造區(qū)。該區(qū)下寒武統(tǒng)頁巖為一套經(jīng)歷了多期強(qiáng)烈構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、高演化、高硅低黏土的深水陸棚相頁巖。在鉆探資料、測(cè)錄井資料、化驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合野外地表地質(zhì)調(diào)查成果，總結(jié)了該套頁巖的含氣地質(zhì)特征，認(rèn)為城口地區(qū)下寒武統(tǒng)頁巖埋深適中、有機(jī)質(zhì)豐富、儲(chǔ)層發(fā)育、地層傾角大、含氣量高、保存條件好，且厚度與有效厚度大，具有良好的勘探前景。

盆外改造區(qū)；高演化；下寒武統(tǒng)；海相頁巖；勘探前景

0 引言

據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球頁巖氣資源量達(dá)187.03× 1012m3，相當(dāng)于致密氣與和煤層氣資源量的總和。而中國頁巖氣資源量為28.00×1012m3，居世界第一，高出美國24.39×1012m3。因此，頁巖氣的商業(yè)化開發(fā)利用，將成為我國常規(guī)油氣的有效補(bǔ)充，對(duì)緩解日益突出的能源供需矛盾、減少我國原油對(duì)外依存度，確保國家能源安全等具有深遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義。

整體上來看，我國的泥頁巖發(fā)育層位多、厚度大、分布廣、面積大，海相地層分布的總面積為455×104km2，海相頁巖氣資源量占頁巖氣總資源量66.7%［1］。中國海相頁巖產(chǎn)于古生界，經(jīng)歷了多期強(qiáng)烈的構(gòu)造演化作用，使海相頁巖最終分布于盆內(nèi)、盆緣、盆外3個(gè)地質(zhì)構(gòu)造單元中。盆內(nèi)、盆緣海相頁巖地質(zhì)條件（構(gòu)造演化、保存條件、地層展布等）和工程建設(shè)條件（地表工程、水源工程、管網(wǎng)建設(shè)等）比盆外優(yōu)越。而盆外頁巖經(jīng)歷了多期強(qiáng)烈的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、目的層直接暴露地表、大氣淡水及地下水活動(dòng)強(qiáng)烈、斷裂大量發(fā)育，常被認(rèn)為是油氣勘探禁區(qū)。目前四川盆地盆內(nèi)與盆緣的頁巖氣勘探已經(jīng)獲得突破，中石化在盆緣焦石壩地區(qū)、中石油在盆內(nèi)威遠(yuǎn)、長寧地區(qū)的志留系龍馬溪組海相頁巖單日井產(chǎn)量均達(dá)10×104m3以上。城口地區(qū)屬盆外頁巖氣勘查區(qū)，為華南板塊與華北板塊的碰撞結(jié)合部位，屬大巴山前推覆構(gòu)造帶。區(qū)域構(gòu)造主要以高幅抬升及強(qiáng)烈擠壓為特點(diǎn)，斷裂錯(cuò)綜復(fù)雜，地層破碎且形變嚴(yán)重，是四川盆地東北部最強(qiáng)烈的改造區(qū)域，加之區(qū)內(nèi)下寒武統(tǒng)海相頁巖演化程度高，所以多數(shù)人認(rèn)為城口地區(qū)頁巖氣勘探前景令人堪憂。城口區(qū)塊是國內(nèi)復(fù)雜山地頁巖氣潛在勘探領(lǐng)域的典型地區(qū)，隨著該區(qū)新一輪的地質(zhì)調(diào)查、參數(shù)井鉆探、地球物理勘探等工作的開展，進(jìn)一步詳細(xì)分析城口區(qū)塊下寒武統(tǒng)頁巖含氣地質(zhì)條件，評(píng)價(jià)其勘探前景，對(duì)深入認(rèn)識(shí)中國盆外改造區(qū)的頁巖氣成藏特征、評(píng)價(jià)勘探潛力，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 區(qū)域概況

城口地區(qū)位于重慶市北緣，該區(qū)被城巴斷裂分為了南北兩部分，南邊為華南板塊揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)的北部邊緣，北邊為華北板塊秦嶺地槽褶皺系的南緣。地表主要出露南華系、震旦系、寒武系、奧陶系、志留系、二疊系、三疊系、第四系地層。地貌以高山河谷、中山等為主，山脈呈北西—南東方向排列，懸崖峭壁隨處可見，平地較少，溝壑縱橫，河谷較多，水資源豐富。

2 構(gòu)造與地層特征

研究區(qū)屬大巴山逆沖推覆構(gòu)造帶，該構(gòu)造帶是印支期與燕山期兩期逆沖推覆構(gòu)造的復(fù)合產(chǎn)物。區(qū)內(nèi)構(gòu)造復(fù)雜，斷層十分發(fā)育，以逆沖、逆掩推覆走滑斷層為主，既有高陡近直立產(chǎn)狀斷層，也有平緩近水平產(chǎn)狀斷層。據(jù)參數(shù)1井巖心產(chǎn)狀觀測(cè)，中淺部地層由于受強(qiáng)烈構(gòu)造應(yīng)力作用的影響，地層產(chǎn)狀變化大，以60～80°大傾角為主，露頭發(fā)育有膝褶，尖棱褶皺，傾豎褶皺，平臥褶皺等多種構(gòu)造樣式（見圖1）。派生的小斷裂眾多，斷層走向與地層走向基本一致，斷裂縱橫交錯(cuò)，野外觀測(cè)斷裂密度為14條/100 km2。地層較破碎，產(chǎn)狀混亂，常出現(xiàn)地層倒轉(zhuǎn)現(xiàn)象。由于復(fù)雜強(qiáng)烈的構(gòu)造作用，研究區(qū)地層為沉積-構(gòu)造型非史密斯地層，水井沱組標(biāo)準(zhǔn)地層剖面難以建立，橫向上地層對(duì)比難度大。該區(qū)下寒武統(tǒng)水井沱組為一套深水陸棚相地層，沉積穩(wěn)定，埋深為0～4 000 m，厚度為300～1 300 m。

3 頁巖的油氣地質(zhì)特征

該區(qū)下寒武統(tǒng)廣泛發(fā)育海相頁巖，分布面積廣、厚度大、TOC高、有機(jī)質(zhì)類型好、頁巖含氣量豐富，具有良好的頁巖氣形成條件。筆者在利用X衍射、掃描電鏡、薄片觀察、巖心解吸、等溫吸附等測(cè)試手段的基礎(chǔ)上，結(jié)合鉆井、巖心、野外露頭、測(cè)井等成果，總結(jié)了頁巖的地質(zhì)特征。

圖1 城口地區(qū)野外露頭構(gòu)造樣式及特征

3.1 地球化學(xué)特征

該區(qū)水井沱組15個(gè)地表露頭樣品TOC為0.67%～8.75%，平均為2.80%。參數(shù)1井水井沱組28個(gè)井下巖心樣品TOC為0.39%～41.30%，平均為6.03%，越往中下部TOC越高(見圖2)，中下部硅質(zhì)泥頁巖中有35%的樣品TOC大于10.00%。有機(jī)質(zhì)類型以Ⅰ型為主，部分Ⅲ型，腐泥組體積分?jǐn)?shù)達(dá)75%～98%。寒武系海相地層中鏡質(zhì)體的體積分?jǐn)?shù)極少，所以有機(jī)質(zhì)成熟度根據(jù)瀝青反射率Rb和鏡質(zhì)組反射率Ro之間的換算關(guān)系式（Ro=0.618Rb+0.4）得出，水井沱組成熟度一般在2.1%～2.3%，熱演化程度已經(jīng)普遍達(dá)到了高—過成熟階段。由于地層傾角大，成熟度在縱向上的變化不明顯。

圖2 參數(shù)1井下寒武統(tǒng)水井沱組頁巖TOC隨深度變化

3.2 頁巖的儲(chǔ)層特征

烴類氣體在頁巖層中生成后，會(huì)在頁巖自身儲(chǔ)集成藏，屬于“連續(xù)型”聚集［2］。天然氣在頁巖儲(chǔ)層中主要以3種賦存狀態(tài)存在：以游離態(tài)賦存于孔隙或裂縫中；以吸附態(tài)賦存于有機(jī)質(zhì)、黏土礦物表面；以溶解態(tài)賦存于干酪根、瀝青、殘留水和液體烴中。對(duì)已開發(fā)的頁巖氣研究得出，吸附態(tài)的天然氣量可占天然氣總量的20%～85%，由于溫度、壓力、物性的影響，吸附氣解吸逃逸速度慢，故頁巖儲(chǔ)層中吸附氣含量是氣藏后期穩(wěn)產(chǎn)的關(guān)鍵參數(shù)。

3.2.1 頁巖儲(chǔ)層巖石學(xué)特征

水井沱組巖石以炭質(zhì)頁巖、硅質(zhì)頁巖、硅質(zhì)巖、白云巖、泥質(zhì)粉砂巖為主。通過對(duì)19個(gè)井下巖心樣品與15個(gè)地表巖石樣品進(jìn)行X衍射分析，主要礦物中黏土平均體積分?jǐn)?shù)為13.9%，石英平均體積分?jǐn)?shù)為51.0%，長石平均體積分?jǐn)?shù)為10.0%，碳酸鹽巖平均體積分?jǐn)?shù)為20.1%，黃鐵礦平均體積分?jǐn)?shù)3.9%，為一套低黏土高硅質(zhì)頁巖。不同區(qū)域的水井沱組巖石礦物組成差異較大（見圖3），如參數(shù)1井黏土礦物平均體積分?jǐn)?shù)僅2.9%，而嵐溪鄉(xiāng)地表樣品黏土礦物平均體積分?jǐn)?shù)為33.5%。城口地區(qū)水井沱組與威遠(yuǎn)地區(qū)下寒武統(tǒng)筇竹寺組（石英體積分?jǐn)?shù)30.8%～43.6%，平均為30.7%；黏土礦物體積分?jǐn)?shù)為17.1%～45.4%，平均為34.01%）巖石礦物組成差異較大，前者的黏土礦物體積分?jǐn)?shù)明顯偏低。儲(chǔ)層孔隙度為1.2%～17.6%，平均為4.4%；滲透率為0.003 2×10-3～0.068 0×10-3μm2，平均為0.014 0× 10-3μm2，物性較好。通過掃描電鏡觀察，儲(chǔ)層空間主要有粒內(nèi)溶孔、粒間溶孔、有機(jī)質(zhì)孔、微裂縫、晶間孔，孔隙直徑一般小于5 μm。

圖3 城口地區(qū)水井沱組頁巖礦物組分三角圖

3.2.2 頁巖的吸附能力與吸附氣量

頁巖的吸附能力往往是通過等溫吸附實(shí)驗(yàn)得到，它通常受到多種因素的影響，如：TOC、礦物成分、孔隙結(jié)構(gòu)以及體積、溫度和壓力等。其他地區(qū)關(guān)于頁巖氣的研究發(fā)現(xiàn)，吸附的甲烷與TOC有很好的相關(guān)性［3］。通過將城口地區(qū)下寒武統(tǒng)水井沱組5個(gè)頁巖樣品的TOC與甲烷吸附量進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明：研究區(qū)水井沱組頁巖TOC與甲烷吸附量相關(guān)性不強(qiáng)，吸附能力總體比渝東地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖弱 （見圖4），這可能由于城口地區(qū)下寒武統(tǒng)頁巖礦物組成中的富硅現(xiàn)象造成［4］。

圖4 TOC與吸附能力對(duì)比

頁巖的吸附能力只是在封閉、指定的溫度及壓力條件下，頁巖吸附甲烷達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)含氣量大小的反映。實(shí)際上，頁巖的吸附能力強(qiáng)并不表明其在地下的吸附氣量就高，因?yàn)樵诼L的埋藏演化史中，含氣地質(zhì)系統(tǒng)并不是理想狀態(tài)下的封閉系統(tǒng)，頁巖的吸附氣量隨著溫度、壓力、成巖變化、構(gòu)造演化、地下水等因素而變化。

一般來講，頁巖的溫度越高，吸附能力越弱，壓力越高，吸附能力越強(qiáng)。通過水井沱組井下巖心解吸實(shí)驗(yàn)獲得了頁巖30，60，90℃的解吸氣量。結(jié)合地溫梯度，這3個(gè)溫度得到的解吸氣量分別對(duì)應(yīng)的是同一套頁巖分別在埋深1 000，3 000，4 000 m時(shí)的解吸氣量。巖心加熱過程中收集的剩余少量游離氣與吸附氣共同組成解吸氣。頁巖加熱到30℃狀態(tài)下收集的解吸氣含游離氣與吸附氣。60℃狀態(tài)下收集的解吸氣中，游離氣含量極少。90℃狀態(tài)下收集的解吸氣中應(yīng)幾乎全為吸附氣。所以同一塊頁巖樣品90℃的解吸氣量減去30℃的解吸氣量就等于頁巖吸附氣量的絕大部分。統(tǒng)計(jì)表明，頁巖的有機(jī)碳與吸附氣量相關(guān)性不高（見圖5），同樣頁巖的TOC與解吸氣總量相關(guān)性也不高（見圖6）。但解吸氣總量大于0.5 m3/t，頁巖的TOC則要求大于1.0%，說明了TOC是頁巖總含氣量高低的基礎(chǔ)，而成巖作用（硅化、溶蝕、蝕變、鈣化等）、構(gòu)造作用、熱演化作用對(duì)含氣頁巖進(jìn)行了進(jìn)一步改造。

圖5 城口地區(qū)下寒武統(tǒng)頁巖TOC與吸附氣量的關(guān)系

圖6 城口地區(qū)下寒武統(tǒng)頁巖TOC與總含氣量的關(guān)系

區(qū)內(nèi)水井沱組頁巖埋深在1 000 m以深總含氣量明顯變好（見圖7）。李玉喜等人指出，頁巖地層處于正常流體壓力狀態(tài)下，在1 150 m以淺，特別是在700 m以淺，頁巖氣中的吸附氣含量隨著深度增加而明顯增加。在1 150 m以深，吸附氣含量增加緩慢，在2 000 m以深，吸附氣含量增加不明顯。而游離氣卻隨著埋深的增加表現(xiàn)出平穩(wěn)增加的趨勢(shì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果也顯示出，埋深達(dá)到2 800 m左右，游離氣達(dá)到吸附氣量2倍以上［5］。Rick等人也指出，低壓時(shí)頁巖氣以吸附氣為主，高壓時(shí)游離氣占主體，游離氣體積分?jǐn)?shù)可高達(dá)80%［6］。據(jù)此推斷，深部游離氣含量逐漸增加，水井沱組泥頁巖層間蓋層的增多增厚，是導(dǎo)致埋深在1 000 m以深的頁巖含氣性變好的主要因素。

3.3 頁巖的測(cè)井響應(yīng)特征

利用測(cè)井曲線形態(tài)和測(cè)井曲線相對(duì)大小可以快速而直觀地識(shí)別頁巖氣儲(chǔ)集層。水井沱組中頁巖氣儲(chǔ)集層在常規(guī)測(cè)井曲線上有明顯的特征響應(yīng)。頂部含粉砂頁巖具有中等自然伽馬（110 API）、低密度（2.61 g/cm3）、高聲波時(shí)差（60 μs/ft，1 ft=30.48 cm）特征；上部及中部含粉砂炭硅質(zhì)頁巖具有低自然伽馬（30 API）、中密度（2.63 g/cm3）、低聲波時(shí)差（50 μs/ft）特征；下部高硅質(zhì)頁巖具有高自然伽馬（400 API）、高密度（2.67 g/cm3）、中聲波時(shí)差（55 μs/ft）特征。高自然伽馬（300～1 400 API）、高電阻率（6 000～30 000 Ω·m）是研究區(qū)含氣頁巖測(cè)井響應(yīng)的主要特點(diǎn)，其對(duì)應(yīng)的錄井顯示也較好。Belk-nap等人分析了200塊不同類型的黏土巖的放射性元素，得出其平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為鉀2%、鈾6×10-6、釷12×10-6。而下寒武統(tǒng)水井沱組7塊井下頁巖樣品微量元素分析，鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.1%～11.1%，平均2.7%；鈾質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.1×10-6～59.6×10-6，平均24.1×10-6；釷質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.40×10-6～3.60×10-6，平均1.62×10-6。故高鈾質(zhì)量分?jǐn)?shù)是自然伽馬值偏高的根本原因。而富含有機(jī)質(zhì)與硅質(zhì)、低黏土礦物、高熱演化是頁巖電阻值偏高的原因［7-8］。

圖7 參數(shù)1井水井沱組頁巖總含氣量隨深度的變化

3.4 有效頁巖厚度

泥頁巖層系厚度可通過露頭調(diào)查、鉆探、地震及測(cè)井等手段獲得。在符合資源量起算提交的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步綜合分析確定含氣泥頁巖層系厚度，即有效厚度。頁巖的有效厚度是評(píng)價(jià)頁巖氣區(qū)塊資源豐度的關(guān)鍵參數(shù)，主要依據(jù)鉆井、測(cè)井、錄井、巖心測(cè)試、實(shí)驗(yàn)分析等各類資料來確定［9］。

參照國土資源部《頁巖氣資源評(píng)價(jià)及選區(qū)規(guī)程（試行）》中相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合城口地區(qū)水井沱組頁巖特點(diǎn)，制定了適合本區(qū)的有效頁巖厚度劃分標(biāo)準(zhǔn)：1）頁巖連續(xù)厚度大于30m且單層顯示厚度大于3m；2）埋深1 000～4 500 m；3）TOC大于2.0%；4）脆性礦物體積分?jǐn)?shù)大于40%；5）總含氣量大于1 m3/t；6）孔隙度大于2%。按照這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，劃分了參數(shù)1井水井沱組有效頁巖厚度為84 m，總計(jì)15層，單層最大厚度為13 m，平均5 m。

4 勘探前景分析

城口地區(qū)下寒武統(tǒng)頁巖地球化學(xué)與四川盆地內(nèi)部下寒武統(tǒng)頁巖地球化學(xué)指標(biāo)相似，但地質(zhì)、構(gòu)造條件卻有較大差別，均為深水陸棚沉積背景下形成的一套富含有機(jī)質(zhì)的頁巖。但城口地區(qū)處于板塊碰撞帶，后期大幅度的構(gòu)造抬升和強(qiáng)烈的地質(zhì)改造程度，使該地區(qū)頁巖不可能整體富氣［10-15］。通過以上頁巖油氣地質(zhì)條件分析，結(jié)合鉆井、物探、測(cè)井成果，指出了城口地區(qū)下寒武系水井沱組頁巖勘探前景：

1）整體有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)高、類型好、成熟度適中，特別是水井沱組下部高有機(jī)碳含硅頁巖具有良好的生烴基礎(chǔ)。

2）頁巖脆性礦物體積分?jǐn)?shù)高、網(wǎng)狀裂縫極為發(fā)育、物性較好、儲(chǔ)集空間多樣是良好的儲(chǔ)層。

3）頁巖厚度大，頁巖之間能形成良好的層間蓋層。由于擠壓應(yīng)力作用，斷層皆為緊閉性逆斷層，頁巖內(nèi)部常見鏡面擦痕，斷層的連通性差。

4）頁巖吸附能力強(qiáng)，且吸附氣含量高，具有良好的頁巖氣富集條件。

5）地層傾角大，使頁巖視厚度大（視厚度為真厚度的2倍以上）。直井鉆探能夠揭示頁巖的厚度達(dá)千米以上，替代了水平井鉆探，節(jié)約了鉆探成本。經(jīng)地表勘察，沿河灘分布40余處可建井場(chǎng)（水井沱組），該地區(qū)具有良好的工程施工條件。

5 結(jié)束語

城口地區(qū)3口參數(shù)井鉆井揭示下寒武統(tǒng)頁巖顯示情況良好，且單井揭示了258 m的含氣頁巖，說明了城口地區(qū)下寒武統(tǒng)頁巖氣資源潛力巨大。但強(qiáng)烈復(fù)雜的構(gòu)造演化，使得橫向上地層對(duì)比困難；井區(qū)之間構(gòu)造地質(zhì)特征差異較大，高傾角地層物探成像難等，導(dǎo)致了城口地區(qū)頁巖氣勘探難度較大。因此，頁巖氣地質(zhì)資源的商業(yè)利用轉(zhuǎn)化，依托于勘探開發(fā)技術(shù)的創(chuàng)新與應(yīng)用。

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（編輯 趙旭亞）

Exploration prospect of high evolution marine facies shale in typical transformation zone of outside basin:Taking Lower Cambrian shale in Chengkou Area as an example

Liu Bin,Ye Jun,Wang Sheng,Li Ping,Yu Ping,Cheng Jing
(SDIC Chongqing Shale Gas Development and Utilization Company Limited,Chongqing 400043,China)

Lower Cambrian marine facies shale is one of the main areas for shale gas exploration in the south China.Chengkou Area is located in thrust nappe structures tectonic belt of northeast Sichuan Basin and it is the typical transformation zone of outside basin.Lower Cambrian shale is an experienced multi-period tectonic movement,high evolution,high silicon and low clay deep shelf facies shale.Based on the data of drilling,logging and testing and combining with geologic survey,the geological features of shale gas are summarized.Shale gas of this area has the characteristics of moderate depth,rich organic matter,reservoir development,high dip angle,high gas content,good preservation conditions and large thickness.It has good exploration prospects.

transformation zone of outside basin;high evolution;Lower Cambrian;marine facies shale;exploration prospects

TE122

：A

10.6056/dkyqt201501009

2014-11-01；改回日期：2014-12-10。

劉斌，男，1982年生，工程師，現(xiàn)從事天然氣地質(zhì)綜合研究。E-mail：liubin_sdic@sina.com。

劉斌，葉軍，王勝，等.典型盆外改造區(qū)高演化海相頁巖勘探前景分析：以城口地區(qū)下寒武統(tǒng)頁巖為例［J］.斷塊油氣田，2015，22（1）：42-46.

Liu Bin，Ye Jun，Wang Sheng，et al.Exploration prospect of high evolution marine facies shale in typical transformation zone of outside basin: Taking Lower Cambrian shale in Chengkou Area as an example［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2015，22（1）：42-46.