四川盆地石柱地區(qū)自流井組頁巖氣成藏條件與勘探前景

王 登，余江浩，趙雪松，陳 威，黃佳琪，徐 聰

（1.湖北省地質調查院，武漢 430034；2.湖北省地質局第四地質大隊，湖北咸寧 437100）

0 引言

頁巖氣是指以吸附、游離或溶解狀態(tài)賦存于泥頁巖中的一種非常規(guī)天然氣［1-4］。截至2017 年，陸續(xù)在揚子地區(qū)陡山沱組、牛蹄塘組、龍馬溪組、大隆組等海相地層中發(fā)現(xiàn)頁巖氣，并在重慶涪陵、四川長寧—威遠等地獲得勘探突破，僅涪陵地區(qū)累計生產(chǎn)頁巖氣超過50 億m3。湖相頁巖氣的勘探潛力同樣巨大，也是非常值得關注的重要領域。已有研究成果顯示，四川盆地下侏羅統(tǒng)自流井組暗色泥頁巖發(fā)育，具備頁巖氣形成的基礎條件［5-7］。郭彤樓等［8］對四川盆地元壩地區(qū)自流井組頁巖氣成藏條件進行了分析，認為該地區(qū)具備頁巖氣形成和勘探的基本條件，是頁巖氣勘探的有利層系；王良軍等［9］分析了四川盆地涪陵地區(qū)自流井組不同層段泥頁巖的沉積相分布、地球化學特征、儲層特征、保存條件等，認為東岳廟段和大安寨段成藏條件良好，為有利的勘探層位；周德華等［10］初次建立了頁巖氣“甜點”評價體系，并應用該評價體系對四川盆地侏羅系“甜點”分布規(guī)律進行了預測，部署的評價井取得了良好的勘探效果。

21 世紀初以來，中國石化江漢油田分公司在石柱地區(qū)部署了一系列頁巖氣資料井和探井，如建111 井、建頁HF-1 井等，主要勘探目的層為下侏羅統(tǒng)自流井組，多口井見到良好的頁巖氣顯示，其中建頁HF-1 井獲得工業(yè)氣流，日產(chǎn)氣約12 萬m3，預示著該地區(qū)具有較好的勘探前景?？傮w上，石柱地區(qū)頁巖氣勘探程度尚較低，現(xiàn)有研究主要集中于沉積、儲層等方面［11-13］，而頁巖氣成藏特征方面的研究還不夠深入。本次研究以野外調查為基礎，結合最新的鉆井資料，對研究區(qū)自流井組東岳廟段頁巖氣成藏條件進行綜合分析，以期為下一步的頁巖氣勘探部署提供參考。

1 地質背景

石柱地區(qū)位于四川盆地東部，行政區(qū)劃上包括湖北省利川市和重慶市石柱縣，面積約為2.65 萬km2。構造上位于中上揚子地臺石柱復向斜區(qū)，東臨齊岳山復背斜，西臨方斗山復背斜，主要由北東—南西向展布的褶皺和斷裂組成，其中齊岳山斷裂（F1）、方斗山斷裂（F2）為區(qū)域性大斷裂，前者也是四川盆地東部邊界（圖1）。

圖1 四川盆地石柱地區(qū)地質簡圖Fig.1 Geological map of Shizhu area in Sichuan Basin

研究區(qū)地表主要出露中、新生代地層，包括下三疊統(tǒng)大冶組、嘉陵江組、巴東組、須家河組，侏羅系自流井組、千佛崖組、沙溪廟組、遂寧組等。其中，下侏羅統(tǒng)自流井組為一套陸相碎屑巖沉積［14］，其在石柱地區(qū)沉積厚度多為600～640 m，自上而下可分為5 段，分別為大安寨段、馬鞍山段、東岳廟段、珍珠沖段和涼高山段（圖2）。本次研究涉及到的謀道剖面、魚池壩剖面分別位于石柱復向斜東西兩翼，地層出露情況較好；鉆井多位于建南—黃水壩一帶，其中2012 年鉆探的建頁HF-1 井為評價井，在東岳廟段鉆遇了一套厚度較大的灰黑色泥頁巖，累計連續(xù)取心85 m。

自上而下依次為分別為涼高山段、大安寨段、馬鞍山段、東岳廟段和珍珠沖段。涼高山段以灰黑色頁巖、灰色石英砂巖及灰綠色泥巖互層為特征；大安寨組以灰黑色頁巖夾灰色介殼灰?guī)r為特征；馬鞍山組以紫紅色泥巖、紫紅色粉砂巖為主；其中本研究的目標層段東岳廟段頂部以灰色泥巖為主，夾薄層介殼灰?guī)r或泥灰?guī)r，中部為深灰色含灰泥巖和黑色頁巖為主，下部為深灰色、黑色頁巖夾介殼灰?guī)r；珍珠沖段以淺灰色、灰色中粒石英砂巖、深灰色泥質粉砂巖夾深灰色砂質泥巖、砂質頁巖為主。

圖2 石柱地區(qū)地層綜合柱狀圖Fig.2 Stratigraphic column of Shizhu area

2 頁巖氣成藏條件

2.1 泥頁巖厚度及分布特征

早侏羅世—中侏羅世早期，由于印支運動的影響，四川盆地由三疊紀的前陸盆地演變?yōu)檗窒菖璧?，形成了大面積的湖泊環(huán)境［8-9，14］。下侏羅統(tǒng)自流井組東岳廟段的沉積為繼承性發(fā)育于珍珠沖段之上，相對于珍珠沖段沉積時期，其湖侵作用得到了進一步增強，水體范圍明顯擴大，石柱地區(qū)主體為半深湖亞相沉積（圖3），形成了一套分布范圍廣、厚度大的黑色泥頁巖系，厚度約為110～162 m，巖性頂部以灰色泥巖為主，夾薄層介殼灰?guī)r或泥灰?guī)r，中部以深灰色含灰泥巖和灰黑色頁巖為主，底部為深灰色—灰黑色泥頁巖夾介殼灰?guī)r。

圖3 石柱地區(qū)自流井組東岳廟段沉積相與泥巖厚度分布Fig.3 Sedimentary facies and mudstone distribution of Dongyuemiao member of Ziliujing Formation in Shizhu area

據(jù)露頭剖面、鉆井資料統(tǒng)計，石柱地區(qū)東岳廟段暗色泥頁巖厚度多為30～95 m，占地層總厚度的65%～85%（圖4），從石柱—箭竹溪—謀道鎮(zhèn)一帶往建南鎮(zhèn)方向，沉積厚度逐漸增大，在建南鎮(zhèn)附近泥頁巖厚度可達90 m 以上。其中，建35-3 井鉆遇的東岳廟段泥頁巖厚度為75.6 m，占地層厚度的74.1%；建111 井和建頁HF-1 井鉆遇泥頁巖厚度分別為93.6 m 和106.8 m，分別占地層厚度的78.3%和85.4%。整體上，石柱地區(qū)東岳廟段泥頁巖厚度較大，沉積中心位于建南—臨溪場一帶。

圖4 石柱地區(qū)自流井組東岳廟段地層對比剖面Fig.4 Stratigraphic correlation profile of Dongyuemiao member of Ziliujing Formation in Shizhu area

2.2 有機化學特征

2.2.1 有機質豐度

無論是生物成因還是熱成因頁巖氣，擁有足夠數(shù)量的有機質是形成頁巖氣藏的物質基礎［17-19］。同時，有機質含量也是影響其吸附氣量的重要因素［18-19］。石柱地區(qū)自流井組東岳廟段144 個泥頁巖樣品分析數(shù)據(jù)表明（表1），TOC 質量分數(shù)為0.49%～2.02%，平均為1.08%。以建頁HF-1 井為例，其TOC質量分數(shù)為0.19%～2.87%，平均為1.05%，大于1%的樣品占總樣品數(shù)的45.6%；生烴潛量（S1+S2）為0.09～8.13 mg/g，平均為1.51 mg/g，主要分布在1.0～6.0 mg/g；氯仿瀝青“A”為0.011%～0.466%，平均為0.176%，主要分布區(qū)間為0.1%～0.3%。由此可見，石柱地區(qū)自流井組東岳廟段泥頁巖有機質豐度較高，具有較好的生烴能力，達到了“好烴源巖”標準。

表1 石柱地區(qū)自流井組東岳廟段有機質豐度數(shù)據(jù)Table 1 Organic matter abundance of shale of Dongyuemiao member of Ziliujing Formation in Shizhu area

縱向上，石柱地區(qū)東岳廟段泥頁巖有機質豐度的高值主要分布在中、下部，且從下到上具有逐漸降低的趨勢（圖4），TOC 質量分數(shù)大于1%的泥頁巖厚度為32～52 m，如建32-3 井為36 m，建111 井和建頁HF-1 井分別為40 m 和44.5 m。平面上，東岳廟段TOC 質量分數(shù)多為1.0%左右［圖5（a）］，從茶園坪—黃水壩—帶往建南方向略有增大趨勢，其中建111 井的TOC 質量分數(shù)平均值為1.02%，建1井的平均值為1.25%。

2.2.2 有機質類型

建頁HF-1 井自流井組東岳廟段有機質類型以腐泥型為主，體積分數(shù)為54.1%～78.3%，平均為70.7%；其次為鏡質組，體積分數(shù)為21.7%～44.7%，平均為29.1%；少量惰質組、殼質組，體積分數(shù)多小于1.0%。干酪根類型指數(shù)為20.7～61.5，主要為Ⅱ1型，少量Ⅱ2型，分別占樣品總數(shù)的87.5%和12.5%。HI為58.3～157.1 mg/g，平均為101.4；D為6.23%～16.10%，平均為10.4。上述參數(shù)均表明東岳廟段主要為Ⅱ1型，少量為Ⅱ2型。

2.2.3 成熟度

有機質豐度和類型決定了油氣生成的物質基礎，而有機質的成熟度則是油氣生成的關鍵［15-16］。建頁HF-1 井自流井組東岳廟段泥頁巖Ro值為1.01%～1.44%，平均為1.27%；巖石熱解最高峰溫（Tmax）值為419～482 ℃，平均為460 ℃；二者均表明建頁HF-1 井自流井組東岳廟段泥頁巖處于成熟階段。建111 井和建35-2 井的巖心分析資料顯示，其東岳廟段Ro值為0.84%～1.44%，平均為1.01%［圖5（b）］。由此可見，石柱地區(qū)東岳廟段泥頁巖處于成熟階段，為生油氣高峰期。

2.3 儲層特征

2.3.1 礦物組成

脆性礦物含量是影響頁巖基質孔隙和微裂縫發(fā)育程度、含氣性及壓裂改造方式的重要因素［17-19］。建頁HF-1 井自流井組東岳廟段48 個樣品的X 射線衍射分析結果表明，石英質量分數(shù)為15.5%～66.8%，平均為41.8%；長石質量分數(shù)為1.7%～12.5%，平均為4.8%；方解石質量分數(shù)為0～56.4%，平均為13.5%；黏土礦物質量分數(shù)為17.1%～56.2%，平均為39.1%，并含少量黃鐵礦等。黏土礦物中以伊蒙混層和伊利石為主，相對質量分數(shù)分別為21%～41%和20%～43%，高嶺石相對質量分數(shù)為13%～31%，綠泥石相對質量分數(shù)為11%～27%?？傮w上，東岳廟段礦物成分以石英和黏土為主，同時脆性礦物含量較高，質量分數(shù)為43.6%～81.5%，平均為58.8%，與北美Barnett 頁巖相當，具有較好的壓裂改造潛力。

2.3.2 儲層物性

49 個樣品的物性分析結果表明，建頁HF-1 井自流井組東岳廟段孔隙度為0.52%～6.85%，平均為2.17%，孔隙度大于2%的樣品占總樣品數(shù)的53.15%，高峰為1%～3%，占樣品總數(shù)的69.38%；滲透率為0.005～3.460 mD，平均為0.34 mD，滲透率大于0.01 mD 的樣品數(shù)占總樣品數(shù)的89.7%，高峰為0.01～0.10 mD，占樣品總數(shù)的55.1%?？傮w上，石柱地區(qū)自流井組東岳廟段泥頁巖屬于“低孔—特低孔、特低滲型”儲層。

2.3.3 孔隙類型

石柱地區(qū)自流井組東岳廟段泥頁巖中可識別出多種孔隙類型。有機質孔隙相對較發(fā)育，呈氣泡狀、斑點狀分布于有機質內部［圖6（a），（b）］，孔徑為55～120 nm。粒內孔隙多為石英、長石溶孔，孔徑為130～260 nm，個別可達800 nm［圖6（c），（d）］。微裂縫主要發(fā)育于有機質內部或泥質層界面，裂縫一般寬約25～50 nm，最大縫寬約為100～200 nm［圖6（e），（f）］。粒間孔隙分布在顆粒邊緣，為顆粒間或顆粒與黏土間孔隙，孔徑為30～200 nm。巖心上局部可見裂縫發(fā)育，角度約為65°～72°，最長縫可達1.4～2.1 m，縫寬0.3～0.5 cm，但多被方解石半充填或完全充填，偶極聲波測井可見快慢橫波時差的差異明顯，微電阻率成像測井也可見明顯的裂縫響應。已有研究結果表明［22-23］，在生油階段，隨著可溶有機質的大量生成，其會堵塞孔隙吼道，抑制低成熟頁巖孔隙的發(fā)育及氣體吸附能力，而東岳廟段處于生油高峰期，可溶有機質的生成同樣會導致其物性變差。

2.3.4 比表面積

石柱地區(qū)自流井組東岳廟段泥頁巖比表面積為5.32～12.42 m2/g，平均為8.22 m2/g；孔徑為8.90～12.42 nm，平均為11.5 nm。據(jù)Chalemers 等［22］的分類方法（孔徑＞50 nm 為宏孔；孔徑2～50 nm 為中孔，孔徑＜2 nm為小孔），可將研究區(qū)多數(shù)泥頁巖樣品的孔隙體積劃分為“中孔”級別，約占總樣品數(shù)的65.1%，其次為宏孔，約占總樣品數(shù)的31.2%；樣品的比表面積組成中，微孔和中孔的比表面積占總比表面積的98.52%?？傮w上，東岳廟段泥頁巖的比表面積較大，可為頁巖氣提供充足的儲集和吸附空間，中孔和大孔提供了主要的孔隙體積，微孔和中孔提供了主要的比表面積。

2.4 含氣性特征

石柱地區(qū)自流井組東岳廟段泥頁巖中，氣顯示活躍，在建111 井、建深1 井、建頁HF-1 井等多口鉆井中均可見氣顯示，現(xiàn)場解析氣質量體積平均為1.4 m3/t。其中，建111 井在東岳廟段共發(fā)現(xiàn)氣測異常顯示27 m，共2 層，最大單層厚度25 m，測井解釋含氣層厚度42 m，共計5 層，壓裂后測試結果為日均產(chǎn)氣3 164 m3，單日最高產(chǎn)量為6 848 m3；建頁HF-1 井在東岳廟段取心鉆進過程中見到良好的氣顯示，厚度為58.45 m，井段為584.55～643.00 m，氣顯示段的巖心浸水試驗結果顯示，普遍見氣泡逸出，多為針孔串珠狀，氣顯示點平均為15～55點/m，氣顯示主要集中在灰白色介殼體的邊緣縫、介殼富集成層的層面縫以及少量的頁巖層理縫中，水平段測試獲得1.2 萬m3/d 的工業(yè)氣流。

通過選取建頁HF-1 井的3 個頁巖樣品進行了等溫吸附實驗，結果表明，鉆井實測東岳廟段的平均地層壓力為5.56 MPa 時，東岳廟段頁巖的吸附氣質量體積為2.63～3.02 m3/t，平均為2.78 m3/t，顯示了研究區(qū)的泥頁巖具有較強吸附氣體的能力（圖7）。

2.5 保存條件

2.5.1 構造形態(tài)及埋深條件

石柱地區(qū)為一寬緩向斜，地表被侏羅系連片覆蓋，構造變形較弱，地層產(chǎn)狀平緩，傾角為10°～12°?？碧綄嵺`證明，在寬緩構造樣式下，隨著埋深的增加，頁巖氣保存條件越好。因此，向斜核部附近具有較好的保存條件。石柱地區(qū)下侏羅統(tǒng)東岳廟段泥頁巖總體埋藏較淺，石柱北部建南地區(qū)埋深多小于1 000 m，南部地區(qū)埋深約為1 500～2 000 m。其中，建111 井、建頁HF-1 井東岳廟段中下部頁巖氣集中顯示段的埋深均小于700 m，整個石柱地區(qū)埋深均未超過2 500 m。

圖7 建頁HF-1 井泥頁巖等溫吸附氣模擬曲線Fig.7 Isothermal adsorption graph of Dongyuemiao member of Ziliujing Formation in Shizhu area

2.5.2 斷裂及裂縫條件

斷裂和裂縫對頁巖氣保存具有雙重作用。地震資料顯示，石柱地區(qū)斷裂不發(fā)育，無開啟性大斷裂切穿東岳廟段。建111 井、建頁HF-1 井的鉆探結果證實了這一結論，打穿東岳廟段的鉆井大多未發(fā)生泥漿漏失等現(xiàn)象，僅在建頁HF-1 井的深度85.3 m 處發(fā)生了約10.3 m3的泥漿漏失，表明東岳廟段沒有大斷裂或大溶洞發(fā)育，具有較好的保存條件。巖石的脆性礦物質量分數(shù)為50.1%～60.9%，易發(fā)育裂縫，裂縫發(fā)育段的氣測異常明顯，浸水試驗見氣泡從裂縫中冒出，表明東岳廟段的裂縫未與地表連通，且有效改善了頁巖的物性。

2.5.3 頂?shù)装鍡l件

頂?shù)装鍡l件是阻礙頁巖氣垂向運移和散失的關鍵因素，也影響著壓裂改造效果［2］。石柱地區(qū)自流井組頂板為千佛崖組，巖性主要為紫紅色、綠黃色泥巖、粉砂巖、細粒石英砂巖，夾介殼灰?guī)r，平均厚度約為160 m，孔隙度為0.51%～3.03%，突破壓力為9.71～11.36 MPa，中值半徑為4.6～6.5 nm，其封蓋性能較好。底板為須家河組，巖性主要為泥質粉砂巖、粉砂巖、細砂巖，夾頁巖和4～6 層煤線，厚度約為211～371 m，孔隙度為1.83%，突破壓力為9.11～9.49 MPa，中值半徑為5.0～6.1 nm。按照鄧德文［23］的蓋層等級劃分標準，石柱地區(qū)自流井組頂?shù)装宓姆馍w性屬于“較好”級別。

3 頁巖氣資源前景

將石柱地區(qū)東岳廟段頁巖與四川盆地龍馬溪組、北美典型含氣頁巖［24］進行比較（表2），結果表明，石柱地區(qū)東岳廟段頁巖的總有機碳含量低于龍馬溪組和北美典型含氣頁巖；干酪根類型與北美頁巖也存在差異，而與四川盆地龍馬溪組頁巖相同；成熟度方面，東岳廟段Ro值與北美地區(qū)較一致，而明顯低于四川盆地龍馬溪組Ro值；含氣量方面，東岳廟段與美國圣胡安Lewis 頁巖相近，而低于其他頁巖。孔隙度方面，東岳廟段與四川盆地龍馬溪組相近，低于北美地區(qū)頁巖。

表2 石柱地區(qū)東岳廟段頁巖與其他頁巖氣系統(tǒng)主要地質參數(shù)對比Table 2 Comparisons of other shale gas with Dongyuemiao member of Ziliujing Formation in Shizhu area

總體上，石柱地區(qū)自流井組東岳廟段泥頁巖厚度大，生烴能力良好，具備形成頁巖氣藏的物質基礎。參考相關頁巖氣資源評價方法，選取泥頁巖厚度，TOC，Ro等參數(shù)，采取疊合法預測石柱地區(qū)頁巖氣勘探有利區(qū)。結果表明，橋頭壩—建南—上水壩一帶為頁巖氣勘探有利區(qū)（圖8），面積約為0.212萬km2，有效泥頁巖厚度平均為51.6 m，巖石密度為2.55 g/m3，頁巖吸附氣質量體積為1.4 m3/t，估算頁巖氣地質資源量為3 905 億m3。

圖8 石柱地區(qū)自流井組東岳廟段頁巖氣有利區(qū)預測Fig.8 Prediction of shale gas of Dongyuemiao member of Ziliujing Formation in Shizhu area

4 結論

（1）石柱地區(qū)自流井組東岳廟段發(fā)育一套半深湖相黑色泥頁巖層系，厚度約為30～95 m，總有機碳含量高，平均質量分數(shù)為1.08%，熱演化程度適中（Ro平均為1.27%），具有良好的生烴能力，具備形成頁巖氣藏的物質基礎。

（2）石柱地區(qū)自流井組東岳廟段頁巖為“低孔-超低滲型”儲層，發(fā)育多種孔隙類型，脆性礦物質量分數(shù)為43.6%～81.5%，平均為58.8%，可壓裂性較好，埋深適中（小于2 500 m），頂?shù)追舛滦院?，保存條件優(yōu)越。

（3）鉆井氣測全烴異常、壓裂測試資料均表明石柱地區(qū)發(fā)育頁巖氣藏，且規(guī)模較大，結合地球化學特征、儲層物性、含氣性及保存條件等方面的測試結果，可綜合認定石柱地區(qū)自流井組東岳廟段頁巖氣成藏條件較好。采用疊合法預測出橋頭壩—建南—上水壩一帶為頁巖氣勘探有利區(qū)，估算其頁巖氣地質資源量為3 905 億m3。