四川長寧地區(qū)龍馬溪組-五峰組頁巖有機質熱演化史

張家浩, 聶 舟, 井 翠, 陳義才, 康 宇, 彭文秋

(1.四川長寧天然氣開發(fā)有限責任公司，成都 610000; 2.油氣藏地質及開發(fā)工程國家重點實驗室(成都理工大學),成都610059)

頁巖氣藏是典型的自生自儲的內(nèi)源型氣藏，其有機質生烴演化過程與頁巖氣富集成藏具有密切關系。四川盆地長寧地區(qū)五峰組-龍馬溪組受晚二疊世火山活動及喜馬拉雅期構造抬升作用的影響顯著，古、今地溫場和地層剝蝕厚度具有較大的差異。前人對長寧地區(qū)五峰組-龍馬溪組頁巖的有機地球化學特征、頁巖儲集特征及頁巖氣保存條件等方面進行了比較系統(tǒng)的研究，但是關于頁巖生烴演化過程研究相對薄弱[1-3]。為了進一步明確長寧地區(qū)五峰組-龍馬溪組頁巖氣的成藏演化規(guī)律，本文在15口鉆井及兩個露頭剖面共93個頁巖樣品的瀝青反射率測定基礎上，采用盆地數(shù)值模擬軟件恢復不同構造部位的埋藏史和熱演化史，明確頁巖生油、生氣的演化階段。

1 地質概況

長寧地區(qū)處于宜賓市長寧縣、高縣、珙縣、江安縣、珙縣、瀘州及敘永縣等境內(nèi)，地質構造位于四川盆地東南緣的川南低陡斷褶帶、川西南低緩斷褶帶、黔西北寬緩褶皺帶交匯部位，面積近2.1×104km2(圖1)[4]。長寧地區(qū)是中國石油天然氣股份有限公司在四川盆地的三大頁巖氣示范區(qū)之一，其主力勘探開發(fā)層位為下志留統(tǒng)龍馬溪組第一段下亞段(龍一1)-五峰組，頁巖厚度一般為40～50 m，巖性為碳質頁巖和黑色頁巖，頁巖總有機碳質量分數(shù)(wTOC)平均為3.0%～4.5%。龍馬溪組第一段上亞段(龍一2)厚度為120～150 m，巖性為灰色頁巖及粉砂質，頁巖總有機碳質量分數(shù)一般低于2%。

圖1 研究區(qū)位置圖Fig.1 The tectonic location of the study area

研究區(qū)內(nèi)共發(fā)育11個局部構造，包括東部的高木頂構造、長寧背斜、建武向斜、敘永向斜，西部的天宮塘構造、樓東構造，中部的雙龍向斜、雙河壩構造、賈村溪構造、燈桿壩向斜、羅場向斜。

根據(jù)長寧地區(qū)二維地震解釋成果和鉆井資料，大部分地區(qū)龍一1-五峰組的埋藏深度在1.5～4.5 km。在長寧背斜核部，受喜馬拉雅期構造運動的影響，出露寒武系及奧陶系；其余大部分地區(qū)出露三疊系、二疊系及侏羅系。

2 頁巖有機質熱演化程度

長寧地區(qū)龍一1-五峰組頁巖有機顯微組分主要有腐泥無定形有機質、瀝青，其次是動物有機碎屑以及鏡狀體(vitrinite-like maceral)。海相頁巖中鏡狀體的形態(tài)、光性特征與來源于陸源高等植物的鏡質體很相似，其成因與藻類、菌類及節(jié)肢動物經(jīng)凝膠化作用有關[5-7]。在海相腐泥型烴源巖中，無定形有機顯微組分是干酪根的重要組成部分，主要來源于藻類體；動物有機碎屑來源于筆石表皮體、蟲顎體和幾丁蟲。

地層中固體瀝青的成因復雜，如沉積有機質和原油生物降解、熱裂解，原油在運移過程中的分餾作用與脫氣作用、水洗與氧化作用等。烴源巖中固體瀝青按照來源可劃分為原地瀝青、異地瀝青及再循環(huán)瀝青。其中原地瀝青為烴源巖自身有機質裂解形成，又可進一步劃分為前油瀝青、后油瀝青和表生瀝青[8]。一般而言，泥質烴源巖的固體瀝青主要是原地瀝青，異地瀝青主要分布在斷層附近，而再循環(huán)瀝青相對含量很低。

近十幾年以來，學者對海相頁巖高-過成熟有機質提出了多種表征指標，如瀝青反射率、鏡狀體反射率、筆石和幾丁蟲反射率等[9-10]，其中瀝青反射率在高-過成熟烴源巖中應用廣泛。長寧地區(qū)龍一1-五峰組頁巖干酪根裂解的瀝青和原油裂解的瀝青充填于孔隙、裂縫或者分散在黏土礦物之間，在反射白光及反射熒光下觀察皆呈均一結構，多數(shù)呈不規(guī)則狀及似圓狀，顏色為淺灰白色，與筆石等動物有機碎屑及藻類體等腐泥顯微組分有明顯的區(qū)別(圖2)。

圖2 頁巖薄片瀝青反射光微觀特征Fig.2 Microscopic characteristics of reflected light of bitumen from shale thin section (A)N213井，龍一1，深度2 571.75 m; (B)Y202井，五峰組，深度3 516.84 m

通過長寧地區(qū)15口鉆井及長寧雙河與筠連雙騰2個露頭剖面龍一1-五峰組共計93個頁巖樣品的全巖光片及干酪根薄片觀察發(fā)現(xiàn)，頁巖干酪根裂解的瀝青與原油裂解的瀝青比較難以區(qū)分。兩者在高-過成熟階段的反射率略有差異，干酪根裂解的瀝青反射率略高于原油裂解的瀝青反射率。根據(jù)長寧地區(qū)龍一1-五峰組頁巖薄片 1 700余個瀝青的反射率(Rob)測定結果，頁巖瀝青反射率為2.15%～4.57%，平均值為2.94%，分布高峰在2.75%～3.0%之間(圖3-A)。

采用H.Jacob[11]的經(jīng)驗公式，對長寧地區(qū)龍一1-五峰組頁巖瀝青的等效鏡質體反射率(Ro)進行換算，結果表明頁巖瀝青的等效鏡質體反射率為2.06%～2.77%，平均值為2.41%。從頁巖瀝青的等效鏡質體反射率等值線平面分布特征可見(圖3-B)：長寧地區(qū)龍一1-五峰組頁巖有機質總體上處于過成熟階段；在環(huán)長寧背斜剝蝕區(qū)、天宮堂構造及筠連西側一帶成熟度相對較低，等效鏡質體反射率為2.0%～2.4%； 在長寧背斜東北地區(qū)成熟度較高，等效鏡質體反射率為2.6%～3.0%；其余地區(qū)等效鏡質體反射率為2.4%～2.6%。

圖3 龍一1-五峰組頁巖瀝青反射率直方圖與等效鏡質體反射率等值線圖Fig.3 Bitumen reflectance histogram and equivalent vitrinite reflectance contour map of Longmaxi-1 and Wufeng Formation shale

3 有機質熱演化史恢復

古埋深和古地溫是恢復頁巖有機質熱演化過程的基礎。根據(jù)長寧地區(qū)鉆井地層分層數(shù)據(jù)、巖性錄井資料，應用PeroMod盆地數(shù)值模擬軟件，在恢復五峰組及以上地層古埋深與古熱流基礎上，采用J.J.Sweeney等[12]提出的EASY%方法恢復長寧地區(qū)20口完鉆評價井和24口人工虛擬井龍一1-五峰組有機質熱演化史。

3.1 關鍵參數(shù)

有機質熱演化史模擬恢復涉及的地質參數(shù)有：古水深、地層現(xiàn)今厚度、地層剝蝕厚度、地表古地溫、古熱流及古地溫梯度、地層巖性、巖石密度及熱導率、地層壓實曲線等，其中關鍵參數(shù)有地層剝蝕厚度、古熱流及古地溫梯度。

3.1.1 地層剝蝕厚度

四川盆地多次構造運動使沉積巖系遭受了多次的抬升和剝蝕，因而各地質時期的沉積厚度與現(xiàn)今的殘存厚度有較大差別。大幅度的地層剝蝕對烴源巖埋藏過程中的有機質熱演化以及孔隙壓實作用產(chǎn)生重要影響。長寧地區(qū)龍馬溪組之上的地層剝蝕主要發(fā)生在燕山晚期-喜馬拉雅期，其次為海西期及印支期、燕山早-中期。根據(jù)前人研究結果[13-15]，海西期遭受構造抬升的地層剝蝕厚度為260～450 m，印支早期剝蝕厚度為100～500 m，印支中-晚幕表現(xiàn)為盆地西部邊緣的龍門山地區(qū)強烈的褶皺剝蝕，其余廣大地區(qū)的剝蝕厚度多數(shù)在200 m左右。

本文在前人成果基礎上，重點對長寧地區(qū)喜馬拉雅期地層剝蝕厚度采用厚度趨勢法進行綜合分析。地層厚度趨勢法是根據(jù)地層厚度受沉積環(huán)境、構造演化、物源以及古氣候等因素控制，在一定空間范圍內(nèi)沉積速率與地層原始厚度的分布相對穩(wěn)定的變化趨勢，通過地層厚度盆地原型中心向邊緣漸變趨勢則可估算出地層剝蝕厚度[16]。

根據(jù)長寧地區(qū)鉆井地層厚度趨勢法估算(圖4)，長寧背斜核部在喜馬拉雅期地層剝蝕厚度可達4.5～5.5 km，從背斜核部向東西和南北方向，地層剝蝕厚度具有逐漸降低趨勢，其中在長寧背斜南北兩翼的地層剝蝕厚度一般為1～2.5 km，東西兩側的地層剝蝕厚度和西部天宮堂構造帶的地層剝蝕厚度為1.5～3 km。

圖4 喜馬拉雅期地層剝蝕厚度連井剖面對比圖Fig.4 The correlation of denudation thickness in Himalayan period

3.1.2 古熱流及古地溫梯度

地溫場是控制烴源巖有機質成烴演化的關鍵參數(shù)之一。徐明等[17]通過9口井穩(wěn)態(tài)測溫和297塊巖石樣品熱導率，計算出四川盆地現(xiàn)今的大地熱流為35.4～68.8 mW/m2，川西南地區(qū)平均為56.2 mW/m2。朱傳慶等[18]利用石油鉆井的系統(tǒng)鏡質體反射率資料對古熱流進行了恢復，加里東期之前熱流值較低，海西期熱流開始逐漸增大，距今259 Ma前左右盆地熱流值達到最高，多數(shù)地區(qū)古熱流在60～80 mW/m2。王一剛等[19]對四川盆地典型井的不同期次包裹體均一溫度進行了系統(tǒng)研究，估算了志留系在石炭紀-中三疊世期間的地溫梯度為52～45℃/km，到晚三疊世-第四紀期間地溫梯度降低至42～34℃/km。

綜合前人研究成果，長寧地區(qū)龍馬溪組頁巖經(jīng)歷的古地溫梯度總體上是由地殼深部巖漿活動與區(qū)域構造作用控制。在晚二疊世和印支期，由于玄武巖漿溢流和大陸裂谷發(fā)育,深部熱力作用較強烈，盆地西南地區(qū)具有較高的古地溫梯度，平均值在35～45℃/km；中三疊世末及以后，四川盆地大部分地區(qū)擠壓作用主要表現(xiàn)為殼內(nèi)的滑脫推覆，深部熱作用弱，古地溫梯度逐漸降低，平均值為25～35℃/km。

3.2 模擬計算結果

長寧地區(qū)在中晚二疊世埋藏深度雖然較小，但是古熱流較高，通過PeroMod軟件熱史恢復計算的古地溫為70～100℃；在二疊紀之后古熱流逐漸降低，埋藏深度不斷增加，到白堊紀末期經(jīng)歷的最大埋藏深度可達5～6 km，古地溫到達200～230℃。

長寧地區(qū)龍一1-五峰組有機質在泥盆紀-早石炭世期間有機質熱演化處于未成熟階段(Ro<0.55%)，晚石炭世-早二疊世進入低成熟階段(Ro=0.55%～0.7%)。大量生油階段(Ro=0.7%～1.0%)主要發(fā)生在中晚二疊世-晚三疊世；生油晚期和濕氣階段(Ro=1.0%～2.0%)主要在侏羅紀-早白堊世。晚白堊世進入過成熟階段(Ro>2.0%)；古近紀以來，隨著上覆地層大幅度剝蝕和地層溫度降低，有機質熱演化趨于終止(圖5)。

圖5 N201井龍一1-五峰組埋藏史與熱演化史恢復圖Fig.5 The burial and thermal evolution history of Longmaxi-1 and Wufeng Formation of Well N201

長寧地區(qū)在同一地質時期受埋藏深度及熱流變化的影響，龍一1-五峰組頁巖有機質熱演化程度在平面上存在一定差異。石炭紀末期，在水富及其以西地區(qū)，除了Nx202及Y201井區(qū)進入生烴門限外，大部分地區(qū)處于未成熟階段；研究區(qū)中東部整體上進入低成熟階段(圖6-A)。

圖6 龍一1-五峰組頁巖在典型時間的有機質成熟度(Ro)等值線分布圖Fig.6 The Contour map of organic matter maturity of Longmaxi-1 and Wufeng Formation shale at typical time

二疊紀末期，龍一1-五峰組在研究區(qū)西部和東部地區(qū)的Ro一般在0.7%～1.0%，處于大量生油階段；研究區(qū)中部的Ro已經(jīng)增加到1.0%～1.3%，進入生油高峰之后的輕質油演化階段(圖6-B)。中三疊世末期，龍一1-五峰組在研究區(qū)西部的Ro一般在0.7%～1.0%，仍處于大量生油階段；研究區(qū)中部和東部大范圍的Ro在1.0%～1.25%，進入輕質油演化階段(圖6-C)。晚三疊世末期，研究區(qū)西部大部分地區(qū)龍一1-五峰組的Ro一般在1.0%～1.25%，中部和東部大范圍的Ro在1.25%～1.5%，整體上處于輕質油和凝析油氣演化階段(圖6-D)。

侏羅紀末期，研究區(qū)東部龍一1-五峰組熱演化程度較高，大部分地區(qū)的Ro在1.75%～2.25%；西部的成熟度相對較低，Ro在1.25%～1.5%；中部地區(qū)的Ro在1.5%～1.75%：整體上處于凝析油氣、濕氣演化階段(圖6-E)。

早白堊世末期，研究區(qū)西部的水富以西及高縣以南地區(qū)，龍一1-五峰組的Ro在1.75%～2.0%；中東部地區(qū)除了興文以南的Ro在1.75%～2.0%，大部分地區(qū)的Ro在2.0%～2.5%。因此，長寧地區(qū)龍一1-五峰組到早白堊世末期，在局部地區(qū)處于濕氣演化階段外，整體上進入過成熟干氣演化階段(圖6-F)。

4 結 論

a.四川盆地長寧地區(qū)龍一1-五峰組頁巖有機質現(xiàn)今熱演化程度總體上處于過成熟階段，其中在環(huán)長寧背斜剝蝕區(qū)、天宮堂構造及筠連西側一帶等效Ro在2.0%～2.4%；在長寧背斜東北地區(qū)等效Ro在2.6%～3.0%。

b.龍一1-五峰組頁巖在中晚二疊世期間埋藏深度雖然較小，但是古熱流較高，古地溫為70～100℃；在二疊紀之后古熱流逐漸降低，埋藏深度不斷增加，白堊紀末期最大埋藏深度可達5～6 km，古地溫到達200～230℃。

c.龍一1-五峰組頁巖有機質在中二疊世-早三疊世達到生油高峰，侏羅紀-早白堊世進入大量生氣期，晚白堊世之后生烴趨于停止。

d.長寧地區(qū)龍一1-五峰組頁巖有機質大量生氣的地質時間較早，加之喜馬拉雅期構造抬升幅度較大，保存條件對頁巖氣富集具有重要影響。