志留系龍馬溪組頁(yè)巖氣成藏過(guò)程研究

志留系龍馬溪組頁(yè)巖氣成藏過(guò)程研究

隨著油氣開(kāi)發(fā)的成功成功，最豐富的巖石——巖漿巖終于得到了應(yīng)有的重視。長(zhǎng)期以來(lái),頁(yè)巖一直被認(rèn)為是一種蓋層或烴源巖,因此鉆井人員在鉆井過(guò)程中直接穿越頁(yè)巖層段開(kāi)采砂巖或碳酸鹽巖儲(chǔ)層。近年來(lái),隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展,能源需求更趨迫切,地質(zhì)科學(xué)和開(kāi)發(fā)技術(shù)等方面得到很大進(jìn)展,美國(guó)與加拿大的不少公司已把目標(biāo)對(duì)準(zhǔn)頁(yè)巖氣領(lǐng)域,并做了大量的工作。其中,美國(guó)已進(jìn)入頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)的快速發(fā)展階段,而加拿大則處于商業(yè)開(kāi)采的起步階段。2000年美國(guó)頁(yè)巖氣的年產(chǎn)量達(dá)122億m3,而在2007年,僅NewarkEast頁(yè)巖氣田的年產(chǎn)量就達(dá)217億m3,美國(guó)的頁(yè)巖氣總產(chǎn)量接近500億m3,占美國(guó)天然氣總量的8%以上,而中國(guó)同年的天然氣產(chǎn)量也僅為693億m3左右。頁(yè)巖氣是從頁(yè)(泥)巖層中開(kāi)采出來(lái)的天然氣,是一種重要的非常規(guī)天然氣資源,往往分布在盆地內(nèi)厚度較大、分布廣的頁(yè)巖烴源巖地層中。頁(yè)巖氣是指主體位于暗色泥頁(yè)巖或高碳泥頁(yè)巖中,以吸附或游離狀態(tài)為主要存在方式的天然氣聚集。由于大部分產(chǎn)氣頁(yè)巖分布范圍廣、厚度大且普遍含氣,使得頁(yè)巖氣井能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定的產(chǎn)氣,因而頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)具有開(kāi)采壽命長(zhǎng)和生產(chǎn)周期長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn),但頁(yè)巖氣儲(chǔ)集層滲透率低、開(kāi)采難度也較大。2006年初,中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院油氣資源規(guī)劃所組織專(zhuān)家展開(kāi)了頁(yè)巖氣資源調(diào)查研究。資料顯示,四川盆地的兩套頁(yè)巖(寒武系九老洞組與志留的龍門(mén)溪組)地質(zhì)地化參數(shù)與美國(guó)五大頁(yè)巖氣盆地相當(dāng),初步試氣表明,其產(chǎn)能不低于美國(guó)五大盆地頁(yè)巖氣的平均日產(chǎn)量。專(zhuān)家認(rèn)為,上述兩個(gè)地層的頁(yè)巖氣資源潛力應(yīng)該在(6.8~8.4)×1012m3,相當(dāng)于四川盆地的常規(guī)天然氣資源總量。此外,調(diào)查還表明,我國(guó)黑色頁(yè)巖分布十分廣泛,南方、鄂爾多斯、吐哈、茂名、撫順、準(zhǔn)噶爾等地區(qū)的頁(yè)巖和油頁(yè)巖都富含有機(jī)質(zhì),均應(yīng)具有形成頁(yè)巖氣的基礎(chǔ)與條件。因此,中國(guó)頁(yè)巖氣資源量潛力十分巨大,頁(yè)巖氣一旦突破形成產(chǎn)能,必將對(duì)緩解中國(guó)油氣資源接替的壓力產(chǎn)生至關(guān)重要的作用。1南大別晚古盆地四川盆地位于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)西部,北鄰秦嶺褶皺帶,西鄰松潘干孜褶皺帶,東南和西南與滇黔川鄂臺(tái)褶帶相鄰,盆地基底為揚(yáng)子旋回固結(jié)的產(chǎn)物?，F(xiàn)今的四川盆地在地理上,其地貌特征十分清楚,北為米蒼山、大巴山,南為大涼山、婁山,西為龍門(mén)山、鄧味山,東以七峻山為界,盆地面積約18×104km2。四川盆地是一個(gè)中新生代復(fù)合的沉積盆地,自古生代至新生代經(jīng)歷了多次構(gòu)造運(yùn)動(dòng),主要經(jīng)歷持續(xù)拉張、裂谷作用、逆沖推覆作用、剪切和塊斷作用。四川盆地隸屬于揚(yáng)子板塊,其地層屬于中國(guó)華南型,區(qū)域上地層發(fā)育齊全,自前震旦系至第四系均有出露,古生界—新生界沉積蓋層厚度在6~12km,其中,志留系現(xiàn)今殘余厚度變化在0~1200m。2系內(nèi)頁(yè)巖生烴演化四川地區(qū)志留系龍馬溪組自形成以來(lái)經(jīng)歷了多期構(gòu)造變動(dòng),導(dǎo)致龍馬溪組頁(yè)巖發(fā)生多次生烴演化,并為頁(yè)巖氣的成藏提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。研究表明,四川地區(qū)志留系的演化大致可以劃分為5個(gè)構(gòu)造-埋藏階段(圖1):(1)龍溪組埋深加里東期為志留系龍馬溪組頁(yè)巖氣儲(chǔ)層形成階段,研究表明,志留系原始沉積厚度約1250m,而龍馬溪組的埋藏深度主要取決于志留系的沉積厚度,有機(jī)質(zhì)受熱溫度較低,烴源巖未達(dá)生烴門(mén)限(Ro<0.5%)。志留紀(jì)末(距今約400萬(wàn)年),加里東運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致區(qū)域性的不均一抬升,遭受剝蝕而普遍缺失上志留統(tǒng)的沉積。(2)早二疊世之期受加里東運(yùn)動(dòng)與泥盆紀(jì)末的柳江運(yùn)動(dòng),四川地塊整體處于持續(xù)抬升階段,早石炭世中期中國(guó)南方地區(qū)開(kāi)始海侵,海平面上升,志留系埋深加大,但該期沉積量小,不足200m,而石炭紀(jì)末的云南運(yùn)動(dòng)又使研究區(qū)大部分地區(qū)抬升剝蝕,石炭紀(jì)沉積剝蝕殆盡,導(dǎo)致本區(qū)的石炭系缺失。早二疊世初,研究區(qū)開(kāi)始沉降,經(jīng)歷了早二疊世棲霞期海侵,四川地區(qū)及周緣形成巨型的碳酸鹽巖緩坡。早二疊世末的東吳運(yùn)動(dòng)造成云開(kāi)古陸、川顛古陸相繼隆起,本區(qū)被抬升剝蝕了數(shù)百米。晚二疊世末期到早三疊世又經(jīng)歷了一次海侵、海退,本區(qū)二疊系殘余沉積厚度大于1000m。(3)印支運(yùn)動(dòng)與空間早三疊世,本區(qū)接受了厚達(dá)3000m沉積,而中—晚三疊世的印支運(yùn)動(dòng)使華南大地全面隆升,基本結(jié)束了本區(qū)的海相地層發(fā)育歷史。隨后的早、中侏羅世,本地區(qū)發(fā)育上千米厚的前陸盆地沉積,龍馬溪組被繼續(xù)深埋,最大埋深可超過(guò)5000m。(4)上白堊統(tǒng)—燕山期—喜馬拉雅早期。燕山運(yùn)動(dòng)對(duì)整個(gè)南方構(gòu)造格局進(jìn)行了褶斷改造及大規(guī)模隆升剝蝕,但是由于四川盆地處于剛性的川中陸核及陸殼基底以及其構(gòu)造位置處于太平洋板塊及雅魯藏布江洋殼俯沖影響的“末端”,因此延續(xù)了印支-燕山期壓性構(gòu)造環(huán)境,形成了上白堊統(tǒng)—古近系坳陷型沉積,志留系繼續(xù)深埋。到古近紀(jì)末,本區(qū)龍馬溪組的最大埋深可超過(guò)7000m。(5)地表露頭沉積相四川地區(qū)處于總體擠壓環(huán)境,地殼以收縮為主,改造了燕山期形成的構(gòu)造格局,整個(gè)四川盆地開(kāi)始較大規(guī)模迅速抬升剝蝕,導(dǎo)致志留系埋藏變淺,不少地區(qū)甚至出露地表。3龍溪群龍巖的氣藏特征3.1色頁(yè)巖主要集中在其下—龍馬溪組頁(yè)巖儲(chǔ)層特征頁(yè)巖氣儲(chǔ)層多為黑色、高碳的頁(yè)巖,四川地區(qū)志留系的厚度雖然較大,但黑色頁(yè)巖主要集中在其下部——龍馬溪組。研究表明,龍馬溪組主要分布在川東南、川東北、鄂西渝東、中揚(yáng)子區(qū),受局部地質(zhì)背景的控制,具有一定的沉積分異性,厚度在20~800m之間變化,一般厚200m(圖2)。3.1.1龍溪質(zhì)頁(yè)巖巖石學(xué)特征龍馬溪組的黑-灰黑色頁(yè)巖為志留系底部主要烴源巖,與下伏上奧陶統(tǒng)呈整合接觸。野外露頭與鉆井資料研究表明,龍馬溪組主要具有如下特征:(1)由黑色、灰黑色及深灰色頁(yè)巖、砂質(zhì)頁(yè)巖組成,向上粉砂質(zhì)逐漸增多,碳質(zhì)逐漸減少,顏色也由黑色逐漸變灰,頂部有薄層狀或透鏡狀的灰?guī)r夾層;(2)整個(gè)龍馬溪組均含有筆石,下部含非常豐富的筆石化石,向上筆石化石逐漸減少,另外還可見(jiàn)三葉蟲(chóng)、腕足等化石,該組中還普遍見(jiàn)有分散狀黃鐵礦晶粒;(3)本組中發(fā)育水平層理及斷續(xù)的水平層理,水平波狀層理;(4)沉積環(huán)境為深水陸棚與淺水陸棚為主,深水陸棚中又可進(jìn)一步劃分為:泥質(zhì)深水陸棚、陸棚邊緣滯水盆地、濁流等沉積類(lèi)型;而淺水陸棚又可進(jìn)一步劃分為:泥質(zhì)淺水陸棚、砂泥質(zhì)淺水陸棚、灰質(zhì)淺水陸棚等沉積類(lèi)型。3.1.2干u3000-3.4%,比色長(zhǎng)在20s-20c、20.2.3對(duì)研究區(qū)龍馬溪組黑色頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)類(lèi)型研究表明,四川地區(qū)有機(jī)質(zhì)含量為1.2%~5.6%,平均達(dá)3.1%;而有機(jī)質(zhì)中藻類(lèi)-無(wú)定形組為58.9%~78.3%,平均為71.2%;動(dòng)物有機(jī)碎屑組為7.5%~26.4%,平均值為15.9%;次生組為11.2%~14.8%,平均為12.7%。干酪根碳同位素δ13C測(cè)試,其值介于-2.91%~-2.98%(表1),有機(jī)質(zhì)類(lèi)型為Ⅰ型(腐泥型)。就研究區(qū)龍馬溪組70個(gè)樣品的有機(jī)碳含量測(cè)試,發(fā)現(xiàn)其有機(jī)碳含量變化較大,分布在0.1%~5.6%之間,平均1.96%;大于1%的超過(guò)了70%,而大于2%者則超過(guò)40%,平均為3.38%(圖3);更有學(xué)者認(rèn)為,其有機(jī)碳含量最高可超過(guò)8.5%。研究表明,四川地區(qū)現(xiàn)今龍馬溪組黑色頁(yè)巖埋藏深度變化較大,最大埋深超過(guò)5000m,而有機(jī)質(zhì)的成熟度(Ro)介于2.2%~4.0%,已達(dá)高-過(guò)成熟階段(圖4)。3.2頁(yè)巖氣成藏階段頁(yè)巖是一種特殊的儲(chǔ)集巖,呈低孔、特低滲的物性特征,而頁(yè)巖氣主要以吸附或游離態(tài)存在于頁(yè)巖中。張金川等認(rèn)為,頁(yè)巖氣的成藏至少分為兩個(gè)階段:天然氣的生成與吸附階段和天然氣的造隙及排出、儲(chǔ)層改造成藏階段。四川地區(qū)的龍馬溪組頁(yè)巖的有機(jī)質(zhì)含量高,對(duì)天然氣具有一定的吸附能力,等溫吸附實(shí)驗(yàn)顯示,由于有機(jī)質(zhì)含量(TOC)的差異,導(dǎo)致吸附能力明顯有別,最高吸附量可達(dá)1m3/t(圖5)。3.3頁(yè)巖氣初次成藏階段在區(qū)域構(gòu)造作用的控制下,四川地區(qū)的志留系龍馬溪組烴源巖發(fā)生了階段性的成烴演化,為頁(yè)巖氣的成藏提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。研究表明,龍馬溪組有機(jī)質(zhì)大約在晚二疊世進(jìn)入生烴門(mén)限,一直延續(xù)到中三疊世末,主要以生油為主;從晚三疊世到侏羅紀(jì)末,主要以生濕氣為主,應(yīng)該是本區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖氣初次成藏階段;而此后直到古近紀(jì),龍馬溪組烴源巖演化進(jìn)入高-過(guò)成熟階段,主要以生干氣與裂解氣為主,大量形成的天然氣的排除增加了頁(yè)巖的裂縫,導(dǎo)致吸附氣與裂縫游離氣共生,是本區(qū)頁(yè)巖氣成藏的主要時(shí)期(圖4),多數(shù)地區(qū)埋藏深度適中(1000~3000m),勘探實(shí)踐也證明其有良好的頁(yè)巖氣顯示,特別是川南的瀘州地區(qū),龍馬溪組厚度大,埋藏適中,更是有可能取得頁(yè)巖氣突破的重要地區(qū)。4地質(zhì)要素配比分析及勘探方向目前,對(duì)我國(guó)頁(yè)巖氣資源潛力的系統(tǒng)評(píng)價(jià)還不多見(jiàn)。據(jù)王社教等對(duì)上揚(yáng)子地區(qū)的四川盆地及鄰區(qū)志留系龍馬溪組頁(yè)巖氣資源量估算為(4.0~12.4)×1012m3,可見(jiàn)四川地區(qū)頁(yè)巖氣資源量很大,研究與勘探開(kāi)發(fā)的意義重大。我國(guó)頁(yè)巖氣勘探區(qū)優(yōu)選評(píng)價(jià)方面,主要是通過(guò)與美國(guó)五大開(kāi)發(fā)成功的含氣頁(yè)巖進(jìn)行地質(zhì)要素比照分析,初步結(jié)論認(rèn)為,我國(guó)頁(yè)巖氣資源分布極為廣泛;我國(guó)南方海相地層發(fā)育區(qū)具有優(yōu)越的頁(yè)巖氣成藏地質(zhì)條件和豐富的頁(yè)巖氣資源,有望成為我國(guó)油氣資源的重要戰(zhàn)略接替新領(lǐng)域。所以,四川地區(qū)最值得首先關(guān)注。就近期勘探首選目標(biāo)的選擇上,可以從頁(yè)巖氣成藏的條件機(jī)理以及勘探開(kāi)發(fā)等不同角度,對(duì)四川地區(qū)頁(yè)巖氣成藏的物質(zhì)基礎(chǔ)、地質(zhì)條件、勘探油氣顯示以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果等方面有針對(duì)性研究。已有部分學(xué)者做了大量的研究工作,取得許多成果,但由于不同的研究者對(duì)于關(guān)鍵要素的選擇分析不盡相同,所以在近期勘探首選目標(biāo)區(qū)上出現(xiàn)了一些分歧。綜合研究來(lái)看,將四川地區(qū)的威遠(yuǎn)、瀘州、宜賓和自貢區(qū)域的龍馬溪組作為未來(lái)勘探開(kāi)發(fā)首選區(qū)及層位較為可行,并且隨著儲(chǔ)層特征研究的深入和開(kāi)發(fā)技術(shù)的發(fā)展,資源量估算值可能會(huì)更大;總之,