四川盆地下古生界存在页岩气的地球化学依据_工程实践

摘要

摘要：四川盆地寒武系底部和志留系底部各存在一套良好的高成熟度、高有机质丰度、类型好的烃源岩，所生成的天然气均为腐泥型有机质形成的油型气，均可作为页岩气的勘探目标。下寒

摘要：四川盆地寒武系底部和志留系底部各存在一套良好的高成熟度、高有机质丰度、类型好的烃源岩，所生成的天然气均为腐泥型有机质形成的油型气，均可作为页岩气的勘探目标。下寒武统页岩烃源岩以川西南地区厚度最大，呈辐射状减薄，其累计厚度在100～400m之间，有机碳含量在0.2%～9.98%之间，平均值为0.97%；下志留统页岩烃源岩主要分布在川南、川东地区，累计厚度在100～700m之间，平均厚度为203m，其中黑色页岩厚度变化在20～120m之间，富含笔石，有机碳含量在0.4%～1.6%之间，有机质类型主要为腐泥型干酪根，生烃能力强，热演化程度高，已演化至过成熟阶段，目前生烃已近枯竭，但也说明它的生烃能力巨大，历史上曾经大量生成天然气。从其成熟度、运聚条件和矿物成分比较分析后认为：四川盆地页岩气勘探开发的首选目标应为川南下志留统页岩。

关键词：四川盆地；寒武纪；志留纪；页岩气；勘探；目标

0 引言

四川盆地存在丰富的泥页岩。从传统的石油天然气地质学角度看，它们是盆地内良好的烃源层和盖层。但从国内外的勘探实践看，在适当的地质背景下，采用合适的钻采工艺，页岩也会成为有效的产层。

就四川盆地而言，其下古生界寒武系、下志留统、奥陶系大乘寺组以及上三叠统须家河组等层系都存在大套页岩，其中的黑色页岩又都有很好的烃源岩。但从美国Fort worth盆地Barnett页岩存在的地质背景^[1、2]可以看出，页岩气的存在需要两个基本的地质条件：①页岩本身应当是良好的烃源岩，并达到生气阶段，具备强大的生气能力，这可以看成是页岩气勘探开发的地质基础；②产气页岩夹于两套碳酸盐岩硬岩层之间，这可以看成是页岩气开采技术的工艺要求。依此衡量，奥陶系大乘寺组页岩不满足第1个条件，而上三叠统须家河组页岩不满足第2个条件。所以认为四川盆地页岩气勘探的主要领域首先应在寒武系和志留系的页岩中选择。笔者将通过四川盆地寒武系和志留系页岩的地球化学特征对比，提出四川盆地页岩气勘探开发的首选层系。

1 四川盆地寒武系页岩地球化学特征

四川盆地寒武系页岩的地球化学基本特征是厚度大，有机碳含量高，类型好，有机质热演化程度高^[3]。

四川盆地下寒武统存在丰富的页岩烃源岩，以川西南地区厚度最大，呈辐射状减薄，其累计厚度一般在100～400m之间(见图1)。

盆地内寒武系有机碳含量一般在0.2%～9.98%之间，159个样品的有机碳含量平均值为0.97%(图2)。有机质成分以腐泥组为主(占95%以上)，无定形，扫描电镜下为松软的絮状体，干酪根碳同位素一般为-27‰～-31‰，氯仿沥青“A”中饱和烃含量高(40%～60%)，芳烃含量低(11%～15%)，沥青质含量低(3%～15%)，饱芳比高(3～5)。表明原始有机物主要为盆地相中的低等水生生物，按Tissot等(1984)的分类属生烃能力极强的腐泥型于酪根。

四川盆地下寒武统页岩总体热演化程度高，除广元矿山梁地区成熟度较低(R_o=0.59%)外，盆地内其他地区均已达过成熟阶段。其中又以大巴山前缘和乐山龙女寺古隆起相对略低(R_o为2.48%～3.5%)，宜宾地区、盆地北部及川湘凹陷带相对较高(R_o在4.0%以上)，总体展布格局是由乐山-龙女寺古隆起向四周成熟度逐渐增高(图3)。寒武系成熟度的这种展布特点与区域性的古隆起和凹陷带的继承性发展、古断裂的活动密切相关，它们是控制寒武系热演化的重要因素。

根据高科1井的沉积埋藏史图(图4)可见，乐山-龙女寺古隆起区下寒武统源岩经历了埋藏-抬升(剥蚀)-再埋藏-再抬升的演化过程。其有机质生烃史可分为三期：第一期为初始生烃阶段：高科1井下寒武统源岩在志留纪末R。值已达0.7%，处于未成熟一低成熟生烃期；第二期为生烃停滞阶段，由于加里东运动的抬升作用，该井下寒武统源岩埋深变浅并遭受剥蚀，古地温降低，有机质进入生烃滞流阶段；第三期为“二次生烃”阶段：从二叠系开始至二叠系末，下寒武统源岩埋藏深度及其所具有的古地温已超过了初始生烃阶段，源岩进入了二次生烃阶段。此时，高科1井毛。源岩R_o值已达0.71%，有机质开始继续生烃。印支末期，高科1井

源岩R_o值已达0.97%而进入生烃高峰。燕山期该井

源岩R_o值已达2.23%，有机质大量生成湿气及油裂解气。喜山期，该区源岩进入过成熟末期，现今实测最高R_o值已达3.75%，表明该区下寒武统源岩目前生烃已近枯竭，但也说明它的生烃能力巨大，历史上曾经大量生烃(表1)。

2 四川盆地志留系页岩地球化学特征

在四川盆地下志留统龙马溪组下部也存在一套烃源岩。并且与寒武系九老洞组一样呈现出有机碳丰度高，类型好，有机质成熟度高的特点^[4]。只是在乐山-龙女寺古隆起顶部志留系下统缺失，烃源岩主要分布在川南、川东地区，累计厚度在100～700m之间，平均厚度203m(图5)，其中黑色页岩厚度变化于20～120m之间。

四川盆地下志留统泥质烃源岩富含笔石，有机碳含量一般介于0.4%～1.6%之间，在川南、川东和川东北地区较高，普遍大于1%(图6)。干酪根δ¹³C为-30‰左右，镜下有机质呈无定型，表明有机质类型主要为腐泥型，生烃能力强。

四川盆地下志留统泥质烃源岩R_o值为2.2%～4.0%，已演化至过成熟阶段。川南地区成熟度较低，普遍小于2.8%(图7)。晚二叠世末，志留系源岩R_o值演化至0.9%，开始进入成油期。三叠纪之后，由于沉积速度加快，志留系埋藏速率也相应加快，志留系烃源岩在压力和温度作用下，热演化加速。到中三叠世末时，很多地区的R_o值已迅速演化至1.3%。志留系烃源岩生成大量的液态烃。中侏罗世后，沉积作用仍然快速进行，志留系地层仍处于快速埋藏状态，R_o值从1.3%迅速演化至2.2%，有机质演化至高成熟期，处于湿气转化阶段。从白垩系开始，大部分地区的志留系烃源岩有机质R。值都超过了3%，进入过成熟期，主要形成干气。

3 页岩气勘探开发前景比较

上述资料表明，四川盆地寒武系底部和志留系底部各存在一套良好的高成熟度、高有机质丰度的烃源岩，所生成的天然气均为腐泥型有机质形成的油型气，它们都可以作为页岩气的勘探目标。

但比较四川盆地寒武系和志留系页岩，笔者认为，四川盆地页岩气勘探开发的首选目标应为川南志留系，理由如下：①尽管寒武系和志留系烃源岩都有较高的有机碳丰度和较好的有机质类型，但志留系烃源岩的成熟度略低于寒武系。②运聚条件不同，志留系烃源岩在川南地区生烃强度大于川东地区，但在川东地区，石炭系直接覆盖在志留系之上，由于石炭系有较好的渗储条件，所以形成大中型气田^[5]，而川南地区虽处生烃凹陷，但由于石炭系缺失，所以二叠系直接覆盖在志留系之上，而二叠系孔隙不发育，渗储空间主要为裂缝。已有的研究表明，二叠系甚至三叠系嘉陵江组都有天然气来自志留系，但没有形成向石炭系那样的大气田。显然川南地区志留系排烃程度没有川东地区高，换句话说，滞留在川南志留系中的天然气应当较多。据不完全统计，川南地区钻遇志留系有气显示的井有8口，也说明这一现象。寒武系生烃条件最好的地区是川西南地区，而它受乐山龙女寺古隆起的影响较大，具备向震旦系输气的条件，也就是说它自身滞留天然气的条件不如川南志留系。③矿物成分不同。从表2可见，威远地区寒武系页岩的石英含量与志留系差不多，但黏土含量低于志留系的页岩，而黏土与吸附气的多少有关，石英则与造缝能力相关。