川南長寧頁巖氣田五峰-龍馬溪組多期流體活動(dòng)特征

周 政，劉文平，姜 磊，吳 娟，羅 超，吳 偉，鄧 賓

(1.成都理工大學(xué)“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610059;2.中國石油西南油氣田分公司頁巖氣研究院，四川 成都 610056)

川南地區(qū)長寧氣田是我國南方古生界海相頁巖氣勘探開發(fā)最具代表性和示范性的地區(qū)(圖1)。近年來，上奧陶統(tǒng)五峰組-下志留統(tǒng)龍馬溪組黑色頁巖層系頁巖氣勘探取得了重大突破，發(fā)現(xiàn)長寧、焦石壩兩個(gè)千億立方米級(jí)大型氣田，它們代表了我國南方海相頁巖氣勘探最重要的成果與前沿領(lǐng)域。中上揚(yáng)子地區(qū)顯生宙普遍受到印支-燕山-喜馬拉雅期的多期強(qiáng)改造作用，上奧陶統(tǒng)五峰組-下志留統(tǒng)龍馬溪組黑色頁巖層系經(jīng)歷了早期深埋藏(高演化)、后期強(qiáng)隆升-強(qiáng)剝蝕的復(fù)雜作用過程[1-2]，從而使我國南方海相頁巖氣多期流體過程與其成藏富集保存模式等相對復(fù)雜[3-5]。因此，本文基于長寧頁巖氣田鉆井巖心觀察、流體包裹體、埋深沉降史和成藏動(dòng)力學(xué)分析等，揭示長寧頁巖氣田主要產(chǎn)層多期流體活動(dòng)過程特征及其成藏特征，以期為南方頁巖氣成藏過程及其勘探開發(fā)提供參考。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

長寧頁巖氣田位于四川盆地南緣，緊鄰大婁山褶皺帶，為中國南方大陸陸內(nèi)構(gòu)造體系和青藏高原向東擴(kuò)展體系的交接轉(zhuǎn)換部位，其構(gòu)造變形及其相關(guān)斷裂、節(jié)理等破裂構(gòu)造具有明顯的多期性活動(dòng)特征。長寧構(gòu)造總體走向?yàn)镹W-SE向，西至高縣地區(qū)，東至敘永縣，總體上是北翼及東翼陡(40°～60°)，南翼及西翼緩的不對稱單箱型、長軸背斜(圖1)。背斜內(nèi)次級(jí)褶皺和斷裂發(fā)育，存在著不同構(gòu)造形跡的疊加，故產(chǎn)生多高點(diǎn)、多斷裂、多鼻狀構(gòu)造、軸線不銜接、次級(jí)構(gòu)造線方向多異的特點(diǎn)[6-7]。

晚奧陶世-早志留紀(jì)受樂山隆起與黔中古隆起共同作用影響，川南地區(qū)上奧陶統(tǒng)五峰組-下志留統(tǒng)龍馬溪組沉積期區(qū)域?yàn)殛懪锵鄿鞒练e環(huán)境，因而其沉積巨厚的富有機(jī)質(zhì)黑色頁巖層系[8-9]。下志留統(tǒng)龍馬溪組區(qū)域出露完整，巖性為一套黑色筆石頁巖，含較多黃鐵礦結(jié)核及少量粉砂質(zhì)灰?guī)r；上奧陶統(tǒng)五峰組巖性主要為黑色頁巖，區(qū)域巖性較為穩(wěn)定[10]。總體上五峰-龍馬溪組總體頁巖厚度大、富含有機(jī)質(zhì)、演化程度較高，且橫向展布厚度穩(wěn)定。川南地區(qū)五峰-龍馬溪組為一套較穩(wěn)定的泥頁巖層系，以自貢-隆昌-瀘州為沉積中心，最大厚度達(dá)到400～600 m，但其埋深多在3000 m以上[11-12]。

圖1 川南長寧氣田區(qū)域地質(zhì)特征和部分井位分布位置圖

2 五峰-龍馬溪組多期流體活動(dòng)特征

2.1 五峰-龍馬溪組巖心裂縫發(fā)育特征

N201井位于長寧氣田核心區(qū)(圖1)，井深2560 m，該井在五峰-龍馬溪組取芯約45.08 m。其中2524.08 ～ 2519.83 m為龍馬溪組黑色炭質(zhì)頁巖，順層方解石脈發(fā)育、且層面上常見擦痕，脈寬最大可以達(dá)到6.0 cm，脈體多具剪張性裂縫特征(圖2-N201)。寧209井位于長寧氣田西南，井深3202 m，五峰-龍馬溪組取芯約145.34 m，五峰組為含筆石黑色碳質(zhì)頁巖，巖心常見方解石脈順層充填、部分雁列狀排列，具剪張性脈體特征(圖2-N209)，脈寬在0.1～4.5 cm不等。需要指出的是，鉆井巖心五峰-龍馬溪組發(fā)育黃鐵礦結(jié)核與黃鐵礦層，部分層段巖心破碎，其破裂面常見方解石擦痕，多具順層滑動(dòng)特征。通過對寧201井、209井巖心觀察表明五峰-龍馬溪組裂縫形式多樣，有斜交縫、平行層面的水平縫、垂直于層面的高角度縫和成X形的X節(jié)理縫，且方解石順層脈且常與層面上擦痕共生。

圖2 長寧頁巖氣田N201和N209井五峰-龍馬溪組巖心脈體特征

2.2 五峰-龍馬溪組流體包裹體特征

礦物包裹體是油氣流體流動(dòng)富集過程的原始樣品，有效地測定各期礦物流體包裹體的均一溫度、冰點(diǎn)溫度和鹽度等信息，能夠?yàn)轫搸r氣成藏過程中流體活動(dòng)富集等提供重要數(shù)據(jù)?；谏鲜鰩r心觀察取樣，共采集7個(gè)樣品進(jìn)行包裹體觀察與均一溫度、鹽度等測試。在成都理工大學(xué)“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室對脈體包體成分激光拉曼探針(RAMANOR-U1000，SX-02)分析。獲得流體包裹體鹽度、均一溫度等，進(jìn)一步通過經(jīng)驗(yàn)公式(據(jù)邵潔漣等、劉斌等)：P = P0×t1/t0式中：P0=(219+2620×N)1.01325×105;t0=374+920×N; 式中P為捕獲壓力(Pa);t1為捕獲溫度即均一溫度(℃);t0為初始溫度(℃);N為鹽度(wt%)，通過逐步計(jì)算得到流體捕獲壓力P。

N201井方解石脈中常見黑色有機(jī)質(zhì)、含烴類包裹體，表明裂縫早期被有機(jī)質(zhì)充填，后期流體進(jìn)入沉淀方解石、同時(shí)捕獲烴類包裹體，但其包裹體普遍小于3 um，因而難以測量獲得有效包裹體信息。需要指出的是，五峰組-龍馬溪組脈體方解石礦物中捕獲烴類包裹體表明其發(fā)生明顯的油氣運(yùn)移聚集等活動(dòng)。N209井方解石脈中發(fā)育大量流體包裹體，呈群簇狀分布，常見烴類包裹體和單一液相包裹體伴生(圖3)。五峰-龍馬溪組樣品包裹體均一溫度測試數(shù)據(jù)如下：128～143℃，均值135℃；141～144℃，均值142℃；159～171℃，均值166℃，通過統(tǒng)計(jì)表明包裹體均一溫度成雙峰值分布特征，峰值主要約為135℃和165℃(圖4)，其相對捕獲壓力值分別為36～39 MPa和45～47 MPa。根據(jù)包裹體均一溫度-鹽度對比特征顯示，包裹體明顯可以分為鹽度和均一溫度相對富集變化的三個(gè)區(qū)域，揭示出可能為三期不同流體活動(dòng)過程流體被方解石包裹體捕獲形成。

圖3 長寧頁巖氣田N201井、N209井鏡下包裹體照片

圖4 長寧頁巖氣田N209包裹體均一溫度直方圖(A)和均一溫度-鹽度交匯圖(B)

3長寧頁巖氣田五峰-龍馬溪組埋深沉降熱史過程特征

基于一維盆地模擬數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用美國Platte River公司的BasinMod盆地模擬軟件和IES公司的PetroMod含油氣系統(tǒng)模擬軟件，對目標(biāo)區(qū)的成藏動(dòng)力學(xué)過程進(jìn)行模擬，結(jié)合流體包裹體分析測試結(jié)果，研究關(guān)鍵鉆井的流體演化歷史。對長寧頁巖氣田鉆井進(jìn)行埋藏史模擬時(shí)，鉆井地層分層和深度、砂泥巖和灰?guī)r含量，地溫梯度和熱流值等數(shù)據(jù)主要基于實(shí)鉆資料，剝蝕量計(jì)算參考區(qū)域地層厚度及磷灰石裂變徑跡熱史模擬資料等[13-15]。

埋深沉降史模擬表明長寧氣田區(qū)五峰-龍馬溪組志留紀(jì)后快速埋藏階段，沉積速率最大達(dá)到250 m/my；加里東構(gòu)造運(yùn)動(dòng)期，由于地層整體抬升剝蝕，沉積沉降速率迅速降低；二疊紀(jì)以后，重新進(jìn)入沉積沉降階段；中-晚二疊世之間，峨眉山地幔柱上升(259Ma左右)造成地殼快速差異抬升，東吳運(yùn)動(dòng)使得該區(qū)沉積沉降速率達(dá)到最低值，茅口組地層部分缺失；隨后地層重新進(jìn)入沉降階段，地層沉積沉降速率達(dá)到最大、速率超過800 m/my；三疊紀(jì)后，受印支運(yùn)動(dòng)影響該區(qū)又經(jīng)歷了抬升階段，造成雷口坡組地層被剝蝕；此后沉積的上三疊統(tǒng)到白堊系地層，在喜山運(yùn)動(dòng)中被剝蝕殆盡，沉積沉降速率又重新回到低點(diǎn)。長寧頁巖氣田地溫及熱成熟演化史揭示，五峰-龍馬溪組在早志留世末期(約435 Ma左右)開始進(jìn)入低成熟階段(Ro=0.5%～0.7%)，但受控于加里東構(gòu)造運(yùn)動(dòng)其烴源巖熱演化速率較慢；晚二疊世末期(259 Ma左右)五峰-龍馬溪組開始進(jìn)入中等成熟階段(Ro=0.7%～1.3%)，并持續(xù)到早侏羅世(190Ma左右)；早侏羅世開始，五峰-龍馬溪組逐漸進(jìn)入高成熟階段(Ro=1.3%～2.0%)；到白堊系開始沉積時(shí)，由于地層進(jìn)入深埋藏階段五峰-龍馬溪組快速進(jìn)入過成熟階段(Ro>2.0%)，成熟度達(dá)到2.5%以上；至晚白堊世埋深增溫過程停止，五峰-龍馬溪組黑色頁巖層系熱成熟度未持續(xù)增大、至今仍保持在2.5%以上(圖5)。

圖5 長寧頁巖氣田埋藏史模擬及包裹體捕獲時(shí)間圖

4 長寧頁巖氣田多期流體活動(dòng)過程與特征

包裹體測溫?cái)?shù)據(jù)顯示，N209井均一溫度分布為主要在128～143℃，均值 135℃； 141～144℃，均值 142℃，捕獲壓力為36～39 MPa； 159～171℃，均值 166℃，捕獲壓力為45～47 MPa。利用流體包裹體均一溫度的測試結(jié)果，結(jié)合五峰-龍馬溪組埋藏-熱演化史圖上，能夠定性-半定量厘定多期流體包裹體具體捕獲時(shí)間，有效確定頁巖氣烴類油氣進(jìn)入目標(biāo)層系關(guān)鍵時(shí)間。由流體充注史圖(圖5)揭示，長寧氣田N201井流體充注時(shí)間集中于三疊紀(jì)-早侏羅世(250～195 Ma)和早-中侏羅世(185～160 Ma)兩個(gè)時(shí)期，結(jié)合五峰-龍馬溪組熱成熟演化史分析表明它們分別長寧氣田油和氣的關(guān)鍵充注時(shí)間。

通過對比長寧氣田包裹體均一溫度、冰點(diǎn)溫度和鹽度協(xié)和圖版分析，五峰組-龍馬溪組流體溫度-鹽度分布范圍成明顯三個(gè)區(qū)帶，說明具有三類流體來源及其活動(dòng)屬性特征。均一溫度120～150℃內(nèi)流體具有明顯的高鹽度(即20%～35%)和低鹽度(約5%)特征，表明可能含有高鹽度和低鹽度流體(可能受淡水流體混合作用影響)混染效應(yīng)，而明顯區(qū)別與較高均一溫度-鹽度流體。因此推測其淺表大氣淡水流體混合活動(dòng)作用可能與早期印支期構(gòu)造變形和抬升剝蝕作用相關(guān)，晚三疊世構(gòu)造可能導(dǎo)致部分?jǐn)鄬映雎兜乇恚瑥亩糠峙c淺表大氣淡水構(gòu)造聯(lián)通混染相關(guān)。但由于后期川南地區(qū)持續(xù)埋深過程，尤其是其上覆沉積充填厚度超過3000 m的陸相地層為后期埋藏增溫，五峰-龍馬溪組進(jìn)入高成熟演化階段發(fā)生大規(guī)模持續(xù)生烴和頁巖氣富集過程提供了有效的保存條件。

前人對川南地區(qū)頁巖氣保存條件研究表明，構(gòu)造作用(如斷層、節(jié)理等)會(huì)改變頁巖氣的富集狀態(tài)，從而導(dǎo)致頁巖氣發(fā)生大規(guī)模逸散現(xiàn)象；通常構(gòu)造作用強(qiáng)度大的地區(qū)，頁巖氣保存條件都被嚴(yán)重破壞，實(shí)際開發(fā)過程中構(gòu)造作用強(qiáng)度較弱區(qū)域常常為頁巖氣主力產(chǎn)區(qū)?；陂L寧地區(qū)及周邊區(qū)域地質(zhì)背景，結(jié)合鉆井巖心觀察及包裹體觀測，從不同尺度觀察，可以得到多期構(gòu)造過程與流體活動(dòng)具有較強(qiáng)相關(guān)性。從N201-209井的巖心觀察結(jié)果來看，脈體多為順層發(fā)育、剪張性裂縫發(fā)育，多具明顯的順層滑動(dòng)特征。長寧背斜核部N206井裂縫系統(tǒng)多為張性，且具有明顯的多期性，表明N206井和N201-209井都明顯受到多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響。但實(shí)際生產(chǎn)資料中，N201-209井為較好的生產(chǎn)井，而寧206井幾乎不產(chǎn)氣，揭示出多期活動(dòng)與頁巖氣保存富集具有一定的成因聯(lián)系。

5 結(jié)論

(1)長寧頁巖氣田鉆井巖心觀察表明上奧陶統(tǒng)五峰-下志留統(tǒng)龍馬溪組普遍發(fā)育順層和微切層方解石脈體，流體包裹體多呈群簇狀分布，常見烴類包裹體和單一液相包裹體伴生，包裹體均一溫度呈雙峰值分布特征，范圍分別為130～150℃和160～170℃，相應(yīng)的捕獲壓力分別為36～39 MPa和45～47 MPa。

(2)五峰-龍馬溪組埋深熱演化史過程可大致分為：中志留紀(jì)-中二疊世低成熟度熱演化階段、晚二疊世-晚三疊世中等成熟度階段、早侏羅世-早白堊世高成熟度階段和早白堊世以來過成熟度演化階段。長寧氣田流體充注時(shí)間主要集中于三疊紀(jì)-早侏羅世(250-195 Ma)和早-中侏羅世(185-160 Ma)兩個(gè)時(shí)期，它們分別代表長寧氣田五峰-龍馬溪組目標(biāo)層系的油和氣的關(guān)鍵充注時(shí)間。

(3)流體包裹體均一溫度和鹽度分布圖揭示出流體活動(dòng)明顯多期性特征，尤其較低均一溫度流體可能含有高鹽度和低鹽度流體(可能受早期淡水流體混合作用影響)混染特征，揭示出川南地區(qū)下古生界頁巖層系富集成藏過程中流體特征差異性。