四川是目前我國天然氣探明儲量、氣田發現數量和天然氣累計產出數量最多的盆地(戴金星等,2001 ;李德生, 2005)。但由于四川盆地經歷了古生代以來長期的構造演化(金之鈞等, 2006 、2007), 具有從克拉通盆地到前陸盆地復雜的地質條件, 天然氣勘探工作難度大, 目前的探明率仍然不足20 %。

 

  四川盆地古生界泥/頁巖(美國研究者所指的頁巖包括了我國研究者所指的泥巖和頁巖)烴源巖發育, 天然氣資源豐富, 是一個高復雜、高難度、高風險的勘探領域(馬力等, 2004)。美國天然氣勘探程度高、開發技術成熟, 目前已主要在古生界地層中勘探并開發了數量不菲的頁巖氣(Curt is , 2002), 與美國東部頁巖氣發育盆地具有許多地質相似性的四川盆地無疑也是一個頁巖氣勘探開發值得高度重視的領域。

 

  一、頁巖氣地質

 

  許多國外研究者(如Curti s , 2002 ;Matt Mavo r ,2003 等)都對頁巖氣進行了研究, 其基本特征可以歸納為:頁巖氣是在頁巖孔隙和天然裂縫中以游離方式存在、在干酪根和黏土顆粒表面上以吸附狀態存在、甚至在干酪根和瀝青質中以溶解狀態存在的天然氣, 是連續生成的生物化學作用氣、熱裂解作用氣或兩者的混合, 在成藏及分布上具有運移距離短、多種封閉機理、聚集成藏隱蔽、地層飽含氣等地質特殊性(張金川等, 2003)。基于頁巖氣成藏及賦存上的地質特殊性, 頁巖氣又被描述為主體上以吸附和游離狀態同時賦存于暗色泥/頁巖、高碳泥/頁巖及其間夾層狀發育的粉砂質泥巖、泥質粉砂巖、粉砂巖、甚至砂巖中, 以自生自儲為成藏特點的天然氣聚集(張金川等, 2003 、2004)。因此, 自生自儲、吸附作用機理及由此所產生的大規模聚集是頁巖氣的重要地質特點。

 

  (1)在成因來源方面, 頁巖中的天然氣生成具有有機成因的幾乎所有可能, 包括了生物氣、低熟—未熟氣、熱解氣、裂解氣、高—過成熟氣、二次生氣、過渡帶作用氣(生物再作用氣)以及瀝青生氣等多種,覆蓋了生物化學、熱解及裂解等幾乎所有可能的有機生氣作用模式, 它們分別可以在美國不同的頁巖盆地中找到存在實例。

 

  (2)在賦存相態特征上, 頁巖中的天然氣具有幾乎所有可能的存在方式, 主體上包括了游離態(大量存在于頁巖孔隙和裂縫中)、吸附態(大量存在于黏土礦物、有機質、干酪根顆粒及孔隙表面上)、溶解態(微量存在于干酪根、瀝青質、殘留水以及液態原油中)以及其他可能相態, 其中吸附相存在的天然氣(Curtis , 2002)可占天然氣賦存總量的20 %(Barnett Shale)～ 85 %(Lew is Shale)。

 

  (3)在成藏特征方面, 頁巖所生成的天然氣就近聚集, 其成藏機理復雜, 吸附、溶解、活塞式推進、置換式運移均有不同程度發生, 頁巖內聚集的天然氣僅發生了初次運移及有限的二次運移(砂質巖類夾層內), 因此頁巖既是源巖又是儲層和蓋層, 具有典型的“自生自儲”成藏模式和原地性特點。結合天然氣成藏機理序列(張金川等, 2003), 頁巖氣具有從根狀氣(初次運移和聚集成藏的煤層氣和頁巖氣)到根緣氣(與氣源巖緊鄰的致密砂巖底部含氣, 短距離的二次運移)的連續過渡, 即當地層主體為具有生氣能力的泥/頁巖(泥巖多、砂巖少)時, 天然氣主要為多種方式存在的頁巖氣;而當地層以致密砂巖為主(砂巖多、泥巖少)時, 天然氣主要以活塞式整體推進為主要運移及聚集方式。

 

  (4)在成藏分析及勘探地質研究方面, 盡管頁巖氣具有吸附作用機理和自生自儲特點, 二次運移不再成為頁巖氣成藏的主要影響因素和分布預測的主要研究內容, 但頁巖氣分布的隱蔽性特點不可忽視,泥/頁巖發育厚度、有機碳含量、有機質豐度、孔隙度、滲透率、裂縫發育程度、古構造配合以及后期保存條件等, 均是影響頁巖含氣量、天然氣賦存狀態并決定是否具有工業勘探開發價值的主要因素。

 

  作為天然氣聚集的特殊類型, 吸附作用的存在導致頁巖氣的成藏條件和要求比其他類型氣藏低,即成藏門限(龐雄奇等, 2004)降低, 導致頁巖氣能夠大面積存在和分布。參考前人研究成果(Cui tis ,2002), 頁巖氣成藏需要具備如下主要地質條件:沉積地層以泥/頁巖為主, 單層厚度大于(大于等于10m), 泥質含量高(泥/頁巖地層中的純泥巖厚度大于10 %), 有機質豐度(TOC ≥0 .3 %)及成熟度底限條件要求相對較低(Ro ≥0 .4 %), 孔隙度低(Υ<12 %)等。對于具有工業勘探價值的頁巖氣, 則更要求埋藏深度小(小于3 km)、裂縫發育、吸附氣含量高(大于等于20 %)等, 現今仍然處于生氣作用階段的泥/頁巖具有更好的成藏有利性。

 

  二、四川盆地頁巖氣發育地質背景

 

  四川盆地位于揚子地臺西北緣, 四周被龍門山、米倉山、大巴山等造山帶所圍, 盆地內中、古生界頁巖厚度大而分布廣泛, 在剖面上構成了北西方向地層時代新、埋藏深度大、構造保存條件好而南東方向地層時代老、埋藏深度小、構造破壞強的盆地結構特點。

 

  四川盆地是一個特提斯構造域內長期發育、不斷演進的古生代—中新生代海陸相復雜疊合盆地(劉樹根等, 2004), 大致可以分為從震旦紀到中三疊世的克拉通和晚三疊世以來的前陸盆地兩大演化階段, 克拉通盆地階段又可進一步劃分為早古生代及其以早的克拉通內坳陷和晚古生代以后的克拉通裂陷盆地階段(汪澤成等, 2002 ;魏國齊等, 2005)。在克拉通盆地演化階段, 大型隆坳格局控制形成了分布面積廣、沉積厚度大且以海相碳酸鹽巖和頁巖等為主的下構造層, 一般厚4 ～ 7 km , 最大累計厚度10km , 構成了盆地內天然氣廣泛分布的基礎;前陸盆地演化階段, 盆地沉降—沉積中心由川東轉移至川西并發生了蹺蹺板式的區域構造運動, 打破了長期以來的構造發展格局及演化軌跡, 除盆地西部山前帶(如川西坳陷)地層保存完好并繼續接受上構造層的陸相沉積(最大厚度6 km)以外, 盆地東部地區構造逆沖及回返強烈、沉積蓋層抬升及剝蝕嚴重, 大面積區域內發生構造隆升作用并導致古生界地層淺埋, 沉積環境發生重要改變并形成了現今的盆地構造格局和剖面結構特點。

 

  基于基底及沉積蓋層差異, 可將盆地劃分為北東—南西走向的三大基本單元(圖1)。盆地西部地區(川西)古生界地層埋深較大并以中、新生代前陸盆地發育為特點, 晚三疊世以來陸相碎屑巖發育, 區域構造表現平緩, 泥/頁巖與致密砂巖廣泛互層, 具有典型陸相根緣氣發育地質特點;盆地中部地區(包括川北—川中—川西南)以區域構造隆升為特點, 下構造層埋深較淺而上構造層厚度較薄, 區域構造相對低緩平坦。由于該區長期處于相對抬升部位, 有機質熱演化程度相對較輕, 是油氣同時產出的有利區, 也是頁巖氣和根緣氣(張金川等, 2006)研究值得關注的地區;盆地東部地區(包括川東—川南)以區域構造高幅抬升及強烈擠壓為特點, 古生界地層埋藏淺、變形嚴重、改造強烈, 現今構造形態表現為高陡狀褶皺, 中生界地層部分殘留, 因此大套存在的海相頁巖有利于頁巖氣的發育和勘探研究。

 

  三、四川盆地頁巖氣成藏條件

 

  1 .泥/頁巖的有效性及分布

 

  根據前人研究(黃籍中等, 1995 ;朱光有等,2006), 四川盆地主要發育了六套有效烴源巖層系,自下而上分別是古生界的下寒武統、上奧陶統、下志留統、二疊系及中生界的上三疊統和中下侏羅統。

 

  在古生界, 黑色頁巖分布廣泛(圖2)。下寒武統(筇竹寺和九老洞組等)黑色頁巖全盆發育, 尤其在川北、川東、川南和川西南等地區多見, 川西地區雖然也有較大厚度, 但埋藏深度較大。下寒武統烴源巖有機碳含量為0 .5 %～ 9 .0 %, 平均0 .7 %, 成熟度(Ro )為2 .0 %～ 5 .0 %, 普遍大于2 .5 %, 有效厚度50～ 600 m(黃籍中, 2000 ;戴金星等, 2001 ;徐世琦等,2002 ;馬力等, 2004 ;魏國齊等, 2005 ;李德生, 2005 ;朱光有等, 2006);上奧陶統五峰組黑色頁巖有機碳含量為0 .6 %～ 2 .0 %, 雖然一般厚度不足20 m , 但作為盆地的區域性烴源巖, 其生氣潛力大, 多為好或較好級別的烴源巖(胡書毅等, 2001 ;馬力等, 2004 ;劉若冰等, 2006);下志留統(龍馬溪組)黑色頁巖有機碳含量為0 .5 %～ 4 %, 平均1 .0 %, 目前的Ro 值為2 .0 % ～ 4 .5 %, 一般大于2 .5 %(尹亞輝等,2000), 平均厚度300 m , 主要分布在川東及川南等地區, 其中在川東厚度達500 ～ 1250 m , 是川東石炭系天然氣的主要來源(黃籍中, 2000 ;戴金星等,2001 ;馬力等, 2004 ;王蘭生等, 2004 ;魏國齊等,2005 ;李德生, 2005);二疊系泥/頁巖烴源巖熱演化程度高, Ro 達1 .3 %～ 3 %, 其中下二疊統主要分布在川中、川東、川南及川西南等地區, 有機質類型主要為Ⅲ 型, 有機碳豐度為0 .24 % ～ 1 .76 %, 平均0 .4 %, 厚度100 ～ 350 m(戴金星等, 2001 ;馬力等,2004 ;魏國齊等, 2005 ;朱光有等, 2006 ;馬永生等,2007)。上二疊統主要分布在川東、川南及川西南地區, 有機碳含量為0 .2 %～ 12 .5 %, 平均2 .6 %, 成熟度1 .0 %～ 3 .4 %, 厚度20 ～ 60 m , 局部可達120 m(黃籍中, 2000 ;戴金星等, 2001 ;馬力等2004 ;魏國齊等, 2005)。古生界地層有機質以Ⅰ 型為主, 但成熟度普遍較高, 主體處于高過成熟生氣階段, 有利于頁巖氣藏的形成。其中, 由于上奧陶統厚度較小, 上、下二疊統分別以煤系和碳酸鹽巖烴源巖為主, 泥/頁巖發育厚度較薄, 故形成頁巖氣藏的古生界有利層段主要是下志留和下寒武統, 其次為上奧陶統和上、下二疊統。

 

  上三疊統烴源巖主要分布于川中和川西地區。

 

  川西坳陷上三疊統為海陸交互相暗色泥巖和碳質泥巖, 富含Ⅲ型干酪根的暗色泥巖一般厚300 ～ 1000m , 平均250 m , 最厚可達1400 m , 有機碳含量1 .6 %～ 14 .2 %, 平均1 .95 %, 成熟度為1 .2 %～ 2 .0 %(宋巖等, 2001), 有利于頁巖氣藏的形成。中、下侏羅統以Ⅱ干酪根為主, 有機碳含量變化幅度較大, 生氣能力相對較差, 所生成的烴類只夠滿足飽和儲層巖石的吸附量需要。

 

  區(川西)古生界地層埋深較大并以中、新生代前陸盆地發育為特點, 晚三疊世以來陸相碎屑巖發育, 區域構造表現平緩, 泥/頁巖與致密砂巖廣泛互層, 具有典型陸相根緣氣發育地質特點;盆地中部地區(包括川北—川中—川西南)以區域構造隆升為特點, 下構造層埋深較淺而上構造層厚度較薄, 區域構造相對低緩平坦。由于該區長期處于相對抬升部位, 有機質熱演化程度相對較輕, 是油氣同時產出的有利區, 也是頁巖氣和根緣氣(張金川等, 2006)研究值得關注的地區;盆地東部地區(包括川東—川南)以區域構造高幅抬升及強烈擠壓為特點, 古生界地層埋藏淺、變形嚴重、改造強烈, 現今構造形態表現為高陡狀褶皺, 中生界地層部分殘留, 因此大套存在的海相頁巖有利于頁巖氣的發育和勘探研究。

 

  三、四川盆地頁巖氣成藏條件

 

  1 .泥/頁巖的有效性及分布

 

  根據前人研究(黃籍中等, 1995 ;朱光有等,2006), 四川盆地主要發育了六套有效烴源巖層系,自下而上分別是古生界的下寒武統、上奧陶統、下志留統、二疊系及中生界的上三疊統和中下侏羅統。

 

  在古生界, 黑色頁巖分布廣泛。下寒武統(筇竹寺和九老洞組等)黑色頁巖全盆發育, 尤其在川北、川東、川南和川西南等地區多見, 川西地區雖然也有較大厚度, 但埋藏深度較大。下寒武統烴源巖有機碳含量為0 .5 %～ 9 .0 %, 平均0 .7 %, 成熟度(Ro )為2 .0 %～ 5 .0 %, 普遍大于2 .5 %, 有效厚度50～ 600 m(黃籍中, 2000 ;戴金星等, 2001 ;徐世琦等,2002 ;馬力等, 2004 ;魏國齊等, 2005 ;李德生, 2005 ;朱光有等, 2006);上奧陶統五峰組黑色頁巖有機碳含量為0 .6 %～ 2 .0 %, 雖然一般厚度不足20 m , 但作為盆地的區域性烴源巖, 其生氣潛力大, 多為好或較好級別的烴源巖(胡書毅等, 2001 ;馬力等, 2004 ;劉若冰等, 2006);下志留統(龍馬溪組)黑色頁巖有機碳含量為0 .5 %～ 4 %, 平均1 .0 %, 目前的Ro 值為2 .0 % ～ 4 .5 %, 一般大于2 .5 %(尹亞輝等,2000), 平均厚度300 m , 主要分布在川東及川南等地區, 其中在川東厚度達500 ～ 1250 m , 是川東石炭系天然氣的主要來源(黃籍中, 2000 ;戴金星等,2001 ;馬力等, 2004 ;王蘭生等, 2004 ;魏國齊等,2005 ;李德生, 2005);二疊系泥/頁巖烴源巖熱演化程度高, Ro 達1 .3 %～ 3 %, 其中下二疊統主要分布在川中、川東、川南及川西南等地區, 有機質類型主要為Ⅲ 型, 有機碳豐度為0 .24 % ～ 1 .76 %, 平均0 .4 %, 厚度100 ～ 350 m(戴金星等, 2001 ;馬力等,2004 ;魏國齊等, 2005 ;朱光有等, 2006 ;馬永生等,2007)。上二疊統主要分布在川東、川南及川西南地區, 有機碳含量為0 .2 %～ 12 .5 %, 平均2 .6 %, 成熟度1 .0 %～ 3 .4 %, 厚度20 ～ 60 m , 局部可達120 m(黃籍中, 2000 ;戴金星等, 2001 ;馬力等2004 ;魏國齊等, 2005)。古生界地層有機質以Ⅰ 型為主, 但成熟度普遍較高, 主體處于高過成熟生氣階段, 有利于頁巖氣藏的形成。其中, 由于上奧陶統厚度較小, 上、下二疊統分別以煤系和碳酸鹽巖烴源巖為主, 泥/頁巖發育厚度較薄, 故形成頁巖氣藏的古生界有利層段主要是下志留和下寒武統, 其次為上奧陶統和上、下二疊統。

 

  上三疊統烴源巖主要分布于川中和川西地區。

 

  川西坳陷上三疊統為海陸交互相暗色泥巖和碳質泥巖, 富含Ⅲ型干酪根的暗色泥巖一般厚300 ～ 1000m , 平均250 m , 最厚可達1400 m , 有機碳含量1 .6 %～ 14 .2 %, 平均1 .95 %, 成熟度為1 .2 %～ 2 .0 %(宋巖等, 2001), 有利于頁巖氣藏的形成。中、下侏羅統以Ⅱ干酪根為主, 有機碳含量變化幅度較大, 生氣能力相對較差, 所生成的烴類只夠滿足飽和儲層巖石的吸附量需要。

 

  四、頁巖氣勘探地質討論

 

  1 .頁巖氣發育有利區

 

  四川盆地與美國東部地區頁巖氣發育盆地具有相似的地質條件, 均是古生代海相沉積背景下形成的富含有機碳頁巖, 后期大幅度的構造抬升和強烈的地質改造程度也大致相當, 富含腐殖型干酪根的泥/頁巖直接產氣及高演化程度下的原油裂解氣導致盆地具有頁巖氣勘探的良好前景。整體分析, 四川盆地東部和南部以下寒武統和下志留統頁巖為主, 層位老但埋深淺, 是現今工業技術和經濟背景條件下開展頁巖氣勘探研究的重點目標。

 

  (1)川東地區古生代長期處于沉降—沉積中心,烴源巖發育層數多且質量好, 厚度大且埋藏淺, 構成了四川盆地頁巖氣勘探的主體方向。古生界主要發育了寒武、奧陶、志留及二疊系深灰—黑色頁巖, 其中的下志留統頁巖烴源巖厚度100 ～ 700 m , 平均400 m , 最大823 m , 有機碳含量0 .2 %～ 3 .13 %, Ro為2 .2 %～ 4 .0 %(劉若冰等, 2006), 可作為頁巖氣勘探的主要目標。其次, 下寒武統黑色泥/頁巖有機碳含量1 %～ 3 %, 平均厚度大于200 m , 成熟度一般在3 .5 以上;上二疊統頁巖厚度20 ～ 120 m , 平均60 m ,有機碳含量高達3 % ～ 7 .54 %, 成熟度1 .6 % ～3 .1 %(王蘭生等, 2004), 也是潛力良好的頁巖氣目的層。

 

  (2)川中地區下侏羅統泥巖有機碳含量0 .07 %～ 4 .51 %, 平均1 .19 %, 成熟度Ro 為0 .70 % ～1 .12 %(陳盛吉等, 2005), Ⅱ型為主的干酪根影響了天然氣的大量生成;上三疊統富含Ⅲ型干酪根的泥巖有機碳含量0 .5 %～ 1 .5 %, 平均1 .14 %(陳義才等, 2005), 平均厚度20 ～ 350 m , 分布穩定, Ⅲ型干酪根構建了頁巖氣的良好基礎;古生界主體發育了下寒武統的筇竹寺組和下志留統的龍馬溪組頁巖烴源巖, 龍馬溪組厚度可達1000 m , 有機碳含量為1 .0 %～ 4 .9 %。筇竹寺組厚度數百米, 尤其在川中南部可達200 ～ 400 m , 有機碳含量0 .20 % ～9 .98 %, 平均0 .97 %。由于埋藏深度原因, 該區下志留統(龍馬溪組)頁巖氣成藏條件優于下寒武統。此外, 川中南部地區(川南)的上、下二疊統頁巖也值得關注。

 

  (3)川西地區整體屬于前陸坳陷, 三疊及二疊系泥質氣源巖與大套致密砂巖頻繁互層, 更顯示了根緣氣發育的優越性。該區古生界地層埋深普遍偏大, 局部淺埋地區也顯示了優良的生氣能力, 如上二疊統泥質烴源巖厚度25 ～ 100 m , 有機碳含量0 .5 %～ 1 .5 %;下二疊統頁巖厚度10 m , 有機碳含量為1 %～ 2 %(張永剛等, 2007), 具有良好的生氣能力。

 

  因此, 局部埋藏相對較淺的高碳泥/頁巖是頁巖氣勘探的潛在領域。

 

  (4)除上述主要層位以外, 上奧陶統、二疊系及其他具有較高有機碳含量、一定的連續厚度及較淺埋藏深度的泥/頁巖段均應視為頁巖氣勘探的考慮目標。此外, 四川盆地圍緣抬升較高, 古生界泥/頁巖氣源巖廣泛出露或近地表發育, 也可作為頁巖氣勘探的潛在領域。

 

  2 .頁巖氣勘探思考

 

  四川盆地頁巖氣的勘探將是中國南方油氣勘探的一個重要步驟和方向, 對豐富和發展中國的天然氣地質理論極具重要意義。四川盆地具有與美國盆地相似的地質條件和構造演化特點, 泥/頁巖不僅是盆地內常規氣藏的烴源巖, 而且還具備了頁巖氣成藏的地質條件(劉麗芳等, 2005)。四川盆地具有發育頁巖氣的良好地質條件, 按照構造演化及地層發育特點, 大致可分為三個基本層次, 即川東、川南及川西南工業性頁巖氣成藏條件最好, 川中及部分盆地圍緣相對較差, 川西主體宜進行根緣氣勘探。

 

  按照常規勘探思路, 四川盆地已經發現了一大批天然氣田, 但結合盆地頁巖發育地質特點及美國頁巖氣勘探經驗, 四川盆地具有以下寒武和下志留統為主形成區域性頁巖氣發育的良好地質條件, 平面上側重于盆地的東半部, 包括川東、川中、川南、川西南等。勘探過程中宜與常規天然氣勘探研究相結合, 重視經濟深度范圍內的吸附及游離含氣量變化,重點通過頁巖有機碳含量、綜合含氣量、裂縫發育、埋藏深度及勘探有利性等方面研究, 將游離與吸附、裂縫與圈閉、含氣量與埋藏深度等因素結合分析, 指導頁巖氣勘探快速起步和高速發展。