川西坳陷中江斜坡大安寨段陸相頁巖油氣地質(zhì)特征

李強 楊映濤 顏學(xué)梅 王玲輝 卓俊馳

（中國石化西南油氣分公司勘探開發(fā)研究院，四川成都610041）

0 引言

隨著中國石油化工股份有限公司（以下簡稱中國石化）川西探區(qū)陸相常規(guī)油氣藏勘探開發(fā)的不斷推進，勘探目標越來越復(fù)雜、隱蔽，要保證天然氣產(chǎn)量的穩(wěn)產(chǎn)、增儲難度不斷加大。陸相頁巖油氣是源巖油氣重要的組成類型之一［1］，作為一種非常規(guī)油氣資源也是目前中國石化川西探區(qū)重要的突破目標之一。1997年，中國石化在川西坳陷中江斜坡回龍場鼻狀構(gòu)造高點上鉆探的HL2井在下侏羅統(tǒng)自流井組大安寨段頁巖＋介屑灰?guī)r測試獲得工業(yè)油氣流，發(fā)現(xiàn)了該區(qū)大安寨段油氣藏。近年來，多口探井在大安寨段測試獲得良好的油氣成果，其中HL6H井測試取得20.24×104m3／d的工業(yè)產(chǎn)能，證實了研究區(qū)侏羅系自流井組大安寨段具有良好的油氣勘探潛力。筆者根據(jù)鉆井、頁巖地球化學(xué)實驗等資料探討了川西坳陷中江斜坡自流井組大安寨段頁巖油氣形成的地質(zhì)特征，優(yōu)質(zhì)頁巖測井特征及展布，以及頁巖油氣勘探潛力，以期為支撐研究區(qū)陸相頁巖油氣勘探提供參考。

1 沉積背景及頁巖平面展布特征

研究區(qū)位于四川盆地西部、川西坳陷中江斜坡地區(qū)，東臨川中古隆起，西臨成都凹陷，南接龍泉山構(gòu)造帶，北接梓潼凹陷。四川盆地早侏羅世大安寨時期主要發(fā)育內(nèi)陸大型淡水湖泊沉積，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［2］，從盆地周緣向中部逐漸演化為淺湖—半深湖亞相沉積。川西坳陷下侏羅統(tǒng)具有同期異相性，主要以文星—東泰—金堂為界，龍門山前帶至成都凹陷區(qū)為白田壩組相區(qū)，主要為三角洲—濱淺湖沉積，到川西坳陷中江斜坡則變?yōu)樽粤骶M相區(qū)。從該地區(qū)開始往盆地中心，由于相對遠離物源區(qū)，為較為安靜的水體環(huán)境，為大型內(nèi)陸湖泊相沉積環(huán)境，尤其是在自流井組大安寨段沉積時期，是侏羅系烴源巖發(fā)育的重要層位，此時中江斜坡主要為淺湖灘沉積，局部發(fā)育半深湖沉積，主要發(fā)育灰色—黑灰色介屑灰?guī)r和深灰—黑色泥頁巖（圖1）。

圖1川西坳陷中部下侏羅統(tǒng)沉積相圖

研究區(qū)大安寨段（J1z4）厚度為46～67 m，自下而上進一步可劃分為大三亞段、大二亞段及大一亞段，各亞段表現(xiàn)為明顯的非均質(zhì)性。下部大三亞段以薄層介屑灰?guī)r與暗色泥頁巖薄互層為主；大二亞段底部為厚層灰?guī)r夾泥頁巖，向上漸變?yōu)槠矫娣€(wěn)定發(fā)育的厚層暗色泥頁巖；大一亞段為中厚層灰?guī)r夾薄層暗色泥頁巖。實鉆證實大安寨段暗色泥頁巖厚度橫向分布廣泛且厚度較大，合興場、中江以東地區(qū)厚度在20 m以上，回龍場以東地區(qū)厚度可超過30 m（圖2），空間上暗色泥頁巖的廣泛分布為頁巖油氣的生儲組合提供了良好的物質(zhì)基礎(chǔ)。

圖2川西坳陷中江斜坡大安寨段暗色泥頁巖厚度分布圖

2 大安寨段頁巖油氣地質(zhì)特征

為明確川西坳陷中江斜坡大安寨段陸相頁巖油氣資源潛力，筆者基于研究區(qū)現(xiàn)有的實驗分析數(shù)據(jù)，結(jié)合四川盆地侏羅系大安寨段的相關(guān)資料，重點開展了頁巖地球化學(xué)特征、頁巖儲層特征、頁巖工程物理特征、頁巖含氣量特征，以及頁巖埋藏深度與地層壓力特征等頁巖油氣地質(zhì)特征分析。

2.1 頁巖地球化學(xué)特征

1）頁巖有機碳含量及平面展布

有機碳含量（TOC）是定量評價烴源巖的重要參數(shù)，國內(nèi)外學(xué)者認可的泥質(zhì)烴源巖TOC下限為0.4%～0.6%［3］，而對于頁巖油氣，由于其“自生自儲”的成藏特點，對其TOC下限的要求更高，陸相頁巖TOC通常大于1.0%就被認為是有利頁巖［4］。TOC的高低直接影響了頁巖生烴潛力及其吸附油氣含量的高低，因此TOC是頁巖油氣重要的評價指標。四川盆地自流井組大安寨段TOC主要分布在0.1%～4.3%，平均為1.15%［2］2。本次研究收集到研究區(qū)大安寨段114個TOC數(shù)據(jù)，TOC分布在0.22%～2.66%，平均值為1.12%，基本與四川盆地自流井組大安寨段TOC相當(dāng)。從研究區(qū)TOC分布頻率直方圖來看（圖3），TOC分布在0.6%～1.0%的中等烴源巖占總樣品數(shù)的39.8%，TOC分布在1%以上的樣品占總樣品數(shù)的32.8%。根據(jù)頁巖評價標準判定，研究區(qū)大安寨段頁巖TOC總體為中等—好。

圖3研究區(qū)侏羅系自流井組大安寨段TOC分布頻率直方圖

TOC平面分布特征對研究區(qū)頁巖油氣有利區(qū)預(yù)測、資源評價及潛力分析至關(guān)重要。由于研究區(qū)頁巖TOC實驗分析樣品相對有限、分布不均，較難直接開展TOC平面展布預(yù)測，因此本次研究開展了頁巖TOC測井評價工作。前人在TOC測井預(yù)測方面方法較多，例如體積密度法、自然伽馬能譜法、△lgR法等［3，5-6］，而針對研究區(qū)大安寨段頁巖TOC數(shù)據(jù)分散不均的情況，利用這樣一些單線性預(yù)測方法難以準確預(yù)測研究區(qū)TOC分布。因而，本次主要采用多元線性回歸的方法進行預(yù)測［7］，利用研究區(qū)大安寨段TOC樣本點與測井曲線進行交會分析，最終選取自然伽馬（GR）、補償聲波（AC）、深側(cè)向電阻率對數(shù)值（LGRD）與TOC建立多元線性回歸分析（圖4），建立了研究區(qū)大安寨段TOC測井多元回歸預(yù)測模型：

TOC測井多元回歸預(yù)測模型回判精度達到0.719 7，模型精度可靠（圖5）。利用該模型對研究區(qū)30口單井進行TOC測井評價，大安寨段泥頁巖TOC平面分布呈現(xiàn)西低東高的特征，大部分地區(qū)TOC大于1.0%，中江—回龍場以東地區(qū)TOC相對較高，在1.2%以上（圖6）。

2）頁巖有機質(zhì)類型

圖4測井曲線與TOC交會圖

圖5 TOC預(yù)測模型回判結(jié)果交會圖

圖6研究區(qū)TOC等值線、地層壓力系數(shù)、頁巖油氣綜合評價圖

有機質(zhì)類型是確定烴源巖生烴特性的重要參數(shù)，主要通過有機質(zhì)干酪根類型來決定生油或者是生氣。筆者共收集了研究區(qū)大安寨段7個干酪根顯微組分數(shù)據(jù)，樣品大部分以鏡質(zhì)組＋惰質(zhì)組為主，腐泥組含量較低，殼質(zhì)組含量最低（表1），有機質(zhì)類型主要以Ⅲ型為主，有少量的Ⅱ2型。巖石熱解參數(shù)也是用來劃分泥頁巖有機質(zhì)類型的重要指標之一［8］。從巖石熱解實驗資料有機質(zhì)類型Tmax-HI判別圖分析（圖7）可知，研究區(qū)干酪根總體為Ⅲ型，含一定量的Ⅱ2型，與干酪根顯微組分數(shù)據(jù)結(jié)果基本一致。說明研究區(qū)頁巖主要以生氣為主，同時具備生油潛力。

表1大安寨段J1z4層位干酪根顯微組分數(shù)據(jù)表

圖7大安寨段頁巖有機質(zhì)類型Tmax-HI判別圖

3）頁巖有機質(zhì)成熟度

頁巖有機質(zhì)成熟度是確定有機質(zhì)生氣量的重要指標，一般來說，頁巖有機質(zhì)成熟度高，產(chǎn)氣量和含氣量越高［9］。筆者收集了研究區(qū)大安寨段29個鏡質(zhì)體反射率值（Ro）數(shù)據(jù)，主要分布在0.80%～1.52%，平均值為1.13%，有機質(zhì)最大熱解溫度Tmax值分布在382～501℃，平均為450℃，表明研究區(qū)的頁巖處于成熟“凝析油氣”階段。結(jié)合頁巖有機質(zhì)類型分析，研究區(qū)大安寨段頁巖生烴主要以濕氣、晚熟油為主。

綜合研究區(qū)頁巖TOC、有機質(zhì)類型及有機質(zhì)成熟度特征分析認為，川西坳陷中江斜坡自流井組大安寨段頁巖TOC部分達到了好烴源巖的條件、有機質(zhì)類型較好、頁巖有機質(zhì)成熟度達到了生烴門限，具有較好的生油氣能力。因此研究區(qū)具備形成一定頁巖油氣資源的潛力。

2.2 頁巖儲層特征

四川盆地侏羅系自流井組大安寨段勘探前期主要以介屑灰?guī)r為主要目標，研究工作也主要圍繞介屑灰?guī)r開展，而較為缺乏對大安寨段當(dāng)中的頁巖進行研究。隨著近年來陸相頁巖油氣勘探研究工作的加大，頁巖儲集性能特征越來越受到科研人員的重視［10］。研究區(qū)大安寨段巖性以黑色、灰黑色頁巖以及介屑灰?guī)r不等厚互層為主，頁巖以厚層、中層狀為主，頁理較為發(fā)育，見方解石脈、灰質(zhì)條帶、團塊，黃鐵礦斑塊發(fā)育。介屑灰?guī)r中以雙殼類、瓣鰓類、藻類、介形類、腕足類等生物碎屑為特征。

通過分析研究區(qū)45個頁巖實驗物性資料可知，其孔隙度最大值為6.62%，最小值為0.75%，主要分布在2%～4%，平均值為3.25%。根據(jù)研究區(qū)65個介屑灰?guī)r實驗物性資料可知，其孔隙度最大值為4.19%，最小值為0.71%，主要分布在1%～3%，平均值為1.68%（圖8）。頁巖物性整體好于介屑灰?guī)r，為后期頁巖儲層壓裂改造提供了有利的條件。

圖8大安寨段頁巖、介屑灰?guī)r孔隙度分布直方圖

2.3 頁巖工程物理特征

針對頁巖工程物理特征，可壓性分析主要采用X射線衍射全巖礦物分析法確定頁巖的脆性礦物含量來判斷頁巖儲層的壓裂改造性能。頁巖中主要的脆性礦物為硅質(zhì)礦物，包括長石、石英、方解石等。根據(jù)研究區(qū)53個頁巖樣品的X射線衍射全巖礦物分析結(jié)果表明，黏土礦物含量平均值為40.0%，石英含量平均值為35.9%，方解石含量平均值為19.1%，斜長石含量平均值為2.0%，白云石含量平均值為1.2%，黃鐵礦含量平均值為1.4%。與四川盆地大安寨段頁巖巖石礦物含量對比可知（圖9），研究區(qū)大安寨段頁巖礦物含量與四川盆地基本相當(dāng)。研究區(qū)脆性礦物含量介于35%～95%，平均值為60%，較高的脆性礦物含量有利于儲層的壓裂改造。

圖9川西坳陷中江斜坡與四川盆地大安寨段頁巖巖石礦物對比分析直方圖

2.4 頁巖含氣量特征

頁巖含氣量特征是頁巖油氣潛力分析的關(guān)鍵參數(shù)，對頁巖油氣資源儲量預(yù)測具有重要意義［11］。根據(jù)研究區(qū)YT2井大安寨段頁巖實測含氣量隨深度變化圖（圖10）表明，大一亞段（3 080～3 090 m）頁巖實測含氣量相對較低，介于0.17～0.41 m3／t，平均值為0.25 m3／t；大二段頂部（3 099.5～3 113.3 m）頁巖實測含氣量最高，介于0.21～1.00 m3／t，平均值為0.56 m3／t；大二段下部到大三亞段（3 113.5～3 144.6 m）頁巖實測含氣量有逐漸下降的特征，介于0.12～0.45 m3／t，平均值為0.27 m3／t。總體來看，大安寨段頁巖含氣量一般，大二段頂部相對較高，具備一定的勘探潛力。

2.5 頁巖埋藏深度及地層壓力特征

埋深是頁巖氣商業(yè)開發(fā)的重要參數(shù)，一般要求埋深小于4 000 m［12］。研究區(qū)自流井組大安寨段埋藏深度較淺，介于2 500～3 200 m，相應(yīng)勘探開發(fā)成本較低，有利于后期有效的商業(yè)開發(fā)。雖然埋藏深度較淺，但是其頂板為千佛崖組泥巖、粉砂巖，厚度30～50 m；底板為馬鞍山段泥頁巖、粉砂巖，夾薄層細砂巖，厚80～100 m，對頁巖油氣層具有良好的封隔保存作用。

圖10 YT2井大安寨段頁巖實測含氣量隨深度變化圖

地層壓力系數(shù)是反映頁巖油氣保存條件的綜合指標，影響著吸附氣和游離氣的含量［13］。頁巖生烴造成孔隙壓力增大而形成異常高壓，在異常壓力和烴濃度差的作用下，烴類的運移總是指向外面，如果氣藏封閉性不好，頁巖油氣排出過快會造成壓力大幅度降低，甚至形成低壓，反之則會保持較高的地層壓力［14］。研究區(qū)地層壓力系數(shù)普遍大于1.4，研究區(qū)西南部由于構(gòu)造形變較強，斷裂復(fù)雜，大安寨段保存條件相對較差，地層壓力系數(shù)一般低于1.4。研究區(qū)主體部位中江—回龍場、福興、合興場—新盛地區(qū)大安寨段地層壓力系數(shù)為1.4～1.8，研究區(qū)中部永太地區(qū)由于位于較深的凹陷中，缺乏斷裂，大安寨段地層壓力系數(shù)最高能大于1.8（圖6）?？傮w來說，研究區(qū)大安寨段的異常高壓有利于頁巖油氣的產(chǎn)出及流動，為頁巖油氣的穩(wěn)產(chǎn)提供了較好的條件。

3 頁巖油氣勘探開發(fā)潛力分析

結(jié)合以上綜合分析川西坳陷中江斜坡自流井組大安寨段頁巖分布特征、頁巖地球化學(xué)特征、頁巖儲層特征、頁巖工程物理特征、頁巖埋藏深度及地層壓力特征等研究成果，參考頁巖厚度、TOC、有機質(zhì)成熟度、埋藏深度、地層壓力系數(shù)等多項評價參數(shù)［15］。以富有機質(zhì)泥頁巖厚度大于20 m、TOC大于1.0%、Ro大于0.7%、壓力系數(shù)大于1.4作為有利區(qū)優(yōu)選標準，同時避開斷裂發(fā)育的南北向斷裂區(qū)，最終確定研究區(qū)東部—東南部為頁巖油氣有利目標區(qū)，主要位于福興、回龍場、永太地區(qū)（圖6）。

川西坳陷中江斜坡自流井組大安寨段頁巖油氣勘探才剛剛起步，相信通過地質(zhì)、工程的聯(lián)合創(chuàng)新攻關(guān)，該地區(qū)陸相頁巖油氣會成為未來陸相油氣勘探、天然氣增儲上產(chǎn)的新領(lǐng)域。

4 結(jié)論

1）大安寨段暗色泥頁巖發(fā)育，橫向分布廣泛且厚度較大，合興場、中江以東地區(qū)厚度在20 m以上，回龍場以東地區(qū)厚度可超過30 m。

2）大安寨段頁巖TOC平均值為1.12%，平面分布呈現(xiàn)西低東高的特征，有機質(zhì)類型為Ⅲ型和Ⅱ2型，Ro平均值為1.13%，演化程度適中，表明具有良好的生烴潛力。頁巖儲層孔隙度平均值為3.25%，脆性礦物含量平均為60%，有利于頁巖儲層的壓裂改造。大安寨段良好的埋藏深度以及異常高壓有利于頁巖油氣的保存和產(chǎn)出，為頁巖油氣的穩(wěn)產(chǎn)提供了較好的條件。

3）綜合考慮大安寨段頁巖分布、地球化學(xué)、儲層特征、頁巖工程物理、埋深以及地壓特征，確定研究區(qū)東部—東南部為頁巖油氣有利目標區(qū)，主要位于福興、回龍場、永太地區(qū)。