摘 要

摘　要：近期在四川盆地東部地區萬縣向斜南段，于下侏羅統自流井組大安寨段湖相黑色頁巖夾薄層介殼灰巖組合中，有多口井鉆獲中、高產油氣流。為證實大安寨段具備良好的頁巖氣(油)

摘　要：近期在四川盆地東部地區萬縣向斜南段，于下侏羅統自流井組大安寨段湖相黑色頁巖夾薄層介殼灰巖組合中，有多口井鉆獲中、高產油氣流。為證實大安寨段具備良好的頁巖氣(油)成藏條件和勘探潛力，首先分析了其油氣地質特征：①大安寨段為淡水湖泊沉積體系，發育有濱湖、淺湖、湖坡和深  半深湖4種亞相，對應完整的湖侵  湖退旋回過程，可劃分為低位、湖侵、早期高位和晚期高位4個沉積體系域；②穿越各亞相帶的等時地層格架控制了大安寨段自生、自儲、自蓋頁巖氣(油)成藏組合條件；③以湖侵體系域的凝縮段和早期高位體系域中偏向深湖一側的淺湖灘緣、湖坡和半深湖亞相為有利頁巖氣(油)儲集相帶，儲層并非為單一的巖石類型，而是碳質頁巖與泥質介殼灰巖的薄互層組合體。在此基礎上，以有機質豐度、成熟度、厚度、埋藏深度及脆度為頁巖氣(油)的五度評價標準，結合該區頁巖的成分特征和裂縫發育狀況對大安寨段頁巖氣(油)的成藏地質條件進行了深入分析。結論認為：川東地區大安寨段具備優越的頁巖氣(油)成藏地質條件，可列為四川盆地非常規能源規劃的主要目標和有利勘探區之一。

關鍵詞：四川盆地東部  早侏羅世  大安寨期  頁巖氣(油)  沉積  地層層序  儲集空間  油氣藏形成  有利勘探區

Forming conditions of shale gas(oil)plays in the Lower Jurassic Da¢anzhai member in the eastern Sichuan Basin

Abstract：Recently'moderate to high rate of oil／gas flows were tested in several wells in the Datanzhai member black shale with thin　shelly limestone interbeds of lake facies of the Lower Jurassic Ziliujing Fm in the southern part of Wanxian syncline in the eastcrn Sichuan Basin.In order to investigate the accumulation conditions and potentials of shale gas／oil in the Da¢anzhai member，this paper analyzed its petroleum geologic conditions as follows．First，the Da¢anzhai member was deposited in a fresh lake environmcnt．Four subfaeies were identified，including lakeshore，shallow lake，slope and deep to semi-deep lake．They correspond to a complete lake transgressive-retrogressive cycle consisting of four sedimentary system tracts，namely lowstand system tract，transgressive system tract，early highstand system tract and late highstand system tract．Second，the isochronal stratigraphic framework crossing each subfacies zones controls the conditions of indigenous shale gas／oil accumulation in the Da 7 anzhai member．Third，the condensed section in the lake transgressive system tract and the shallow lake beach margin，slope and semi-deep lake subfacies in the earlv highstand system tract are favorable shale gas／oil reservoir facies belts．The reservoirs are combinations of carbonaceous shale and argillaceous shelly limestone interbeds instead of a single rock type．Based on these understandings，five criteria including TOC，thermal maturitv，shale thickness，burial depth and shale brittleness，in combination with shale composition and fracture development，were used to evaluate the Da¢anzhai shale gas／oil plays．In conclusion，the Da¢anzhai member is believed to have favorable geologic conditions for shale gas／oil accumulation in the eastern Sichuan Basin，thus can be taken as one of the primary exploration targets for unconventional hydrocarbon resources．

Keywords：eastern Sichuan Basin，Early Jurassic，Da¢anzhai member，shale gas／oil，sedimentary sequence，reservoir space，oil／gas reservoir formation，favorable exploration zone

1　地質概況

四川盆地東部地區(以下簡稱川東地區)構造位置隸屬于川東高陡構造帶^[1]，發育一系列北東西南向延伸和隔擋式分布的大型復背斜和復向斜(圖1)。背斜核部主要出露下三疊統嘉陵江組，背斜兩翼至向斜核部依次出露中三疊統雷口坡組，上三疊統須家河組，下侏羅統自流井組，中侏羅統新田溝組、沙溪廟組及上侏羅統遂寧組和蓬萊鎮組等地層。順背斜核部走向，發育有多條疊瓦狀分布的逆斷層，斷面傾北西，被斷層切割的斷背斜南東翼陡，北西翼緩。川東地區是四川盆地最重要的滅然氣產地之一，從石炭系黃龍組至三疊系須家河組，于海相的碳酸鹽巖和陸相的碎屑巖地層中，發育有多套含氣層系和眾多大、中型氣陽，已開發氣田多位于高陡背斜構造帶^[1-5]，而近期在梁甲與萬州交界處的拔山寺向斜南段，于下侏羅統自流井組大安寨段湖相黑色頁巖夾薄層介殼灰巖組合中，有多口鉆井鉆獲中、高產油氣流，是繼川中和川北地區之后，在川東地區大安寨段非常規油氣藏勘探取得的重大進展，不僅顯示了川東地區大安寨段具備良好的貞巖氣(油)成藏條件和勘探潛力^[6-10]，同時開拓了該地區高陡構造帶向斜構造部位非常規油氣藏勘探的新領域。

 

2　大安寨段油氣地質特征

2．1　地層特征

下侏羅統自流井組大安寨段在川東地區分布較廣泛，層位、巖性和厚度都很穩定，以梁平縣福祿鎮剖面為例(圖2)，其底與自流井組馬鞍山段為連續沉積關系，頂與中侏羅統新田溝組為有早期暴露作用的侵蝕沖刷接觸關系，自下而上被劃分為大三、大二、大一亞段和過渡層4個亞段及l9個小層，各小層巖性、沉積相和暗色頁巖及介殼灰巖的發育特征簡要綜合于圖2中。從圖2可看出，大安寨段為一個完整的區域性湖侵—湖退沉積旋回，暗色頁巖除了在大三、大一亞段呈夾層分布，大套暗色頁巖主要發育在大二亞段，并以其層位穩定和富含有機質為顯著特征^[11-12]。

 

2．2　沉積—層序特征

大安寨段沉積發育在馬鞍山段淤塞湖泊的基礎上，為一個以穩定構造坳陷、沉降為背景的淡水湖沉積體系(圖3)，雖然繼承了前期湖盆范圍和古地理面貌。但以大安寨期湖侵更廣、水體相對較深，并以廣泛發育淡水雙殼類生物和沉積大規模的介殼(或介屑)灘為重要特征。

 

按照巖性組合、原生沉積構造和剖面結構特征，大安寨段可劃分為4個沉積亞相和眾多微相類型(表1)，有關各沉積啞相和微相特征在以往的研究中已有較為詳細的描述^[11-13]，筆者不再贅述。

 

平面上，圍繞湖盆沉降～沉積中心，濱湖、淺湖、湖坡和深一半深湖4個亞相，由湖盆中心向周緣依次作厚度趨于減薄的環帶狀分布(圖3)，巖性組合由半深湖亞相的黑色頁巖為主，逐漸相變為以湖坡亞相的黑色頁巖與介殼灰巖不等厚互層組合、淺湖亞相的厚層塊狀介殼或介屑灰巖夾深灰色一灰黑色泥巖組合為主，至濱湖亞相為灰綠、紫紅等雜色鈣質泥巖夾粉—細粒砂巖組合。垂向上，對應大安寨段經歷的濱湖、淺湖、湖坡、深—半深湖，折回湖坡、淺湖、濱湖和暴露狀態的完整湖侵湖退旋回過程，可劃分為低位(LST)、湖侵和凝縮段(TST+CS)、早期高位(EHST)、和晚期高位(LHST)4個沉積體系域(圖2、3)，在穿越濱湖、淺湖、湖坡、深—半深湖各亞相帶的地層格架中(圖4)，控制了各沉積體系域特定的巖性～巖相組合、分布范圍、相變規律及自生、自儲、自蓋組合特征^[11-13]和灘緣及湖坡有利儲集相帶。

 

2．3　儲層巖石學特征

大安寨段主體以石灰巖和頁巖為主，部分為過渡類型的泥質灰巖和鈣質泥巖，少量為粉一細粒砂巖。從孔、滲性統計結果(表2)，可以看出，大安寨段砂巖的平均孔隙度相對較高，為2.47％，但滲透率最低為0.327mD，石灰巖孔隙度和滲透率都為最低，平均值分別為1.14％和0.352mD，而泥頁巖的平均孔隙度居中，為1.9％，平均滲透率則高達l.76mD。由此可以看出，大安寨段中最有利儲層發育的巖性并非為石灰巖和砂巖，近期的勘探實踐也證明了大安寨段儲層的發育特征，表現出有悖于常規石油地質理論的3大特點：①介殼灰巖的物性有隨石灰巖中泥質含量增加，孔隙度雖然變化不大，而滲透率卻趨于上升的特點，原因可能在于介殼灰巖中的泥質在成巖過程中具有收縮作用，有利于粒緣和粒間成巖收縮縫的發育；②大安寨段儲層并非為單一巖石類型，而是各類石灰巖，特別是泥質介殼灰巖與碳質頁巖的不等厚互層組合體，無論是在剖面上還是平面上(圖2、3)，都位于偏向半深湖一側的介殼灘灘緣和湖坡帶，具有較穩定的層位和較大分布范圍；③介殼灰巖與碳質頁巖互層組合體中，滲透率隨著頁巖夾層增多加厚而趨于降低，說明組合體中頁巖夾層過多也不利于儲層發育。

 

2．4　儲集空間類型

根據地表露頭、巖心、薄片和掃描電鏡的觀察和描述結果，發現大安寨段微米級以上的原生孔隙大部分已消失，無疑與大安寨段經歷了強烈的壓實、壓溶和新生變形作用有關。就宏觀的儲集空間類型而言，主體以裂縫為主，含少量微米毫米級的溶蝕孔、洞、縫和重結晶形成的晶間微孔。

2．4．1裂縫

大安寨段各類巖石中的裂縫較發育，具有多期次多成因的特點^[14-19]，不僅是最重要的儲集空間，而且還是油氣運移的通道^[16-17]。因此，對大安寨段裂縫的研究成為重點。裂縫類型包括成巖壓裂縫(圖5-a)、構造裂縫(圖5-b、c)和溶蝕縫(圖5-d)3種基本類型，以及由此3種基本類型疊加改造形成的4種復合類型，包括有：①成巖壓裂縫疊加構造縫復合型(圖5-e)；②成巖壓裂縫疊加后期溶蝕縫復合型(圖5-a)；③構造裂縫疊加后期溶蝕縫復合型(圖5-c)；④成巖裂縫疊加構造裂縫再疊加后期溶蝕縫復合型(圖5-f)。在此3個基本類型和4個復合類型中，以①型、③型和④型的復合類型最常見，往往為主要的油氣運移通道和儲集空間，也是大安寨段儲層最重要的儲集空間類型。此外，在泥質介殼灰巖中由成巖期泥質收縮形成的粒緣和粒間、粒內收縮縫(圖5-g和5-h)，由壓溶形成的縫合線(圖5-i)也很發育，此幾類裂縫對改善儲層的孔、滲性也有一定的貢獻。

 

2．4．2溶蝕孔、洞和溶蝕微孔

該區大安寨段由溶蝕形成的溶孔也較為發育，為次重要儲集空間類型，主要發育在各類石灰巖中。溶孔和溶洞是在早期孔隙和裂縫的基礎上，在埋藏成巖過程中經深部熱液溶蝕擴大而成^[18-19]，孔徑介于0.0l～2mm的為溶孔(圖5-j)，大于2mm為的溶洞，個別可超過10mm，環邊生長有方解石晶簇的為晶洞。溶孔、溶洞和晶洞數量很少，但在各層段均有分布，分布在裂縫較發育的介殼灰巖和含介殼泥頁巖中(圖5-a、d、f、h)，常伴生豐富的粒緣微溶縫和微溶孔(圖5-k)。

2．4．3晶間孔

晶間孔是指重結晶形成的晶體之間的孔隙(圖5-1)，此類孔隙連通性差，但仍屬于有效儲集空間；孔隙仍可繼續發育。該區大安寨段溶蝕作用比較發育，溶蝕孔作為重要的儲集空間主要發育在介殼灰巖、含介殼泥巖以及重結晶灰巖中。

圖6為綜合上述各項儲集空間特征的儲層地質模型^[19]，從中不難確定，對大安寨段儲層貢獻最大的無疑是各類裂縫及沿裂縫溶蝕形成的各類溶縫、溶孔和溶洞，其次為晶間孔，溶蝕微孔和微縫雖然很小，但數量眾多，其貢獻也不容忽視。

 

2．5　儲層物性特征

159個大安寨段儲層樣品的物性實測結果，孔隙度變化范圍為0.02％～5.92％，平均值為l.47％。其中樣品的46％小于1％，26％為l％～2％，僅28％大于2％；滲透率變化范圍為0.057～12.3mD，平均值為0.67mD，其中樣品的30％小于0.1mD，60％介于0.1～1.0mD，僅l0％大于1.0mD。上述孔隙度、滲透率特征表明大安寨段儲層具有特低孔隙度一特低滲透率性質。結合鑄體薄片及掃描電鏡鑒定結果，以及少量孔隙與裂縫共生，巖石物性以頁巖為較好和儲層為碳質頁巖與泥質介殼灰巖薄互層組合體的非常規特點，可確定其內為典型的致密油或頁巖氣儲層。

3　頁巖氣成藏地質條件

頁巖氣是以吸附和游離狀態賦存于具有生烴能力的泥、頁巖地層中的天然氣，儲層往往為富含有機質的暗色高碳泥頁巖，具有集烴源巖、儲集巖、蓋層為一體、隱蔽聚集、吸附成藏等獨立含油氣系統的特點。因此，影響頁巖氣成藏的因素主要包括如下幾個方面：①有機質豐度和成熟度；②頁巖性質、頁巖厚度與埋藏深度；③頁巖礦物成分、脆度及裂縫發育狀況。根據頁巖氣成藏機理^[20-25]，結合大安寨段頁巖地質特點對其頁巖氣成藏潛力進行綜合評價。

3．1　有機質類型、豐度和成熟度

綜合60件頁巖樣品有機碳含量分析資料的結果表明，大安寨段頁巖有機質類型較好，以轉化率較高的腐泥型和偏腐泥混合型為主，TOC介于0.16％～2.16％，平均為0.78％。按照烴源巖行業劃分標準，有40％的樣品低于泥巖烴源巖的下限值(0.5％)，其余部分大多數屬于TOC介于l.0％～2.0％的中等一好的烴源巖，其中以大二亞段的平均TOC為最高，可達1.7％，生烴能力最強，此特征與大二亞段主體為富有機質的深—半深湖相沉積特征相吻合。需指出的是，與頁巖薄互層的40件介殼灰巖樣品，有37件的TOC高于石灰巖烴源巖的下限值(0.1％)，其中24件的TOC大于0.25％，屬于最好的碳酸鹽巖烴源巖。由此可見，在大安寨段頁巖與介殼灰巖薄互層組合體中，石灰巖的生烴潛力也不容忽視。

大安寨頁巖17個樣品的鏡質體反射率測量結果，R。值變化范圍為1.1％～l.46％，平均值為l.2％，有機質熱演化程度適中，基本上都進入了成熟高熟階段，滿足頁巖氣(油)成藏所需條件。

3．2　頁巖類型、厚度和埋藏深度

大安寨段頁巖類型豐富，而具備成藏條件的頁巖主體為半深湖—湖坡相的薄層狀暗色碳質頁巖，頁巖中往往含介殼條帶或夾有薄層狀黑色碳泥質介殼灰巖(圖7)，而淺湖、濱湖相的灰色和雜色頁巖、粉砂質頁巖、鈣質頁巖等不具備頁巖氣成藏條件。碳質頁巖厚度對頁巖氣的勘探開發具有重要意義，特點為：①大一亞段碳質頁巖主要出現在下部，為與薄層碳泥質介殼灰巖互層組合，碳質頁巖的累計厚度為8～12m；②大二亞段由大套碳質頁巖夾泥質介殼灰巖條帶或薄層組成，單層頁巖的厚度一般不超過2m，累計厚度為30～50m；③大三亞段碳質頁巖出現在上部，也為與薄層碳泥質介殼灰巖互層組合，碳質頁巖的累計厚度很小，僅為2～5m。需指出的是，大安寨段碳質頁巖的發育不僅具有從大三亞段上部經大二亞段至大一亞段下部的連續沉積特點(圖2)，而且40～60m的總累計厚度在湖坡和半深湖亞相區(圖3、4)范圍內的分布非常穩定，對照美國密執安盆地Antrim頁巖氣藏最小頁巖厚度僅為9.1m，特沃斯盆地Barnett頁巖氣藏30.5m的頁巖厚度已被證明具有商業開采價值的現狀^[21]，該區大安寨碳質頁巖的厚度已完全具備形成頁巖氣藏的條件。

 

頁巖深度雖然不是發育頁巖氣藏的決定因素，如美國已發現的頁巖氣藏分布在76～3658m的埋深范圍內，但埋藏深度直接決定了頁巖氣藏的勘探開發成本，從而決定了相關的商業價值。根據近期川東地區大安寨段頁巖氣(油)勘探資料，已鉆獲商業油氣流的大安寨段埋藏深度都介于2180～2720m，符合商業開發的埋深要求。

3．3　脆性礦物含量和頁巖脆度

3．3．1頁巖脆性礦物組成特征

由于頁巖發育裂縫的內因取決于頁巖的脆度，而頁巖脆度取決于脆性礦物含量和組成特征。因此，頁巖中脆性礦物含量和組成特征在很大程度上影響著頁巖氣藏的產能，如Fort Worth盆地Barnett頁巖硅質脆性礦物為40％～60％，比富含黏土的頁巖更易壓裂，在同等情況下可采出更多天然氣[^26]。大安寨段頁巖脆性礦物含量較高，平均值可達60.4％，主要由石英、方解石組成，其次為少量的斜長石、白云石、菱鐵礦和黃鐵礦(圖8)。正因為頁巖中含有高比例的脆性礦物，微裂縫往往也非常發育，致使川東地區大安寨段頁巖具有易破碎和產生裂縫的性質，具備易于進行頁巖氣(油)藏工藝改造的開發條件。

 

3．3．2頁巖的巖石力學性質

頁巖發育裂縫的外因主要與生烴過程、地層孔隙壓力、各向異性的水平壓力、斷層與褶皺等構造作用有關^[27]。據巖石力學分析結果，7件大安寨段頁巖樣品的單軸抗壓強度為ll.32～52.59MPa，平均為29.57MPa；彈性模量介于0.35～3.18GPa，平均為l.24GPa。6件含泥質介殼灰巖的單軸抗壓強度為30.32～51.41MPa，平均為39.97MPa；彈性模量為0.93～5.93GPa，平均為l.57GPa。2件塊狀介殼灰巖的單軸抗壓強度為l02.12～l03.0MPa，平均為l02.56MPa；彈性模量為5.29～5.93GPa，平均為5.6lGPa。

對比此3組數據，不難看出大安寨段頁巖為一類抗壓性差的塑性巖性，塊狀介殼灰巖為一類抗壓性強的剛性巖性，而含泥質介殼灰巖的巖石力學性質雖然介于二者之間，但更接近于頁巖。由此不難理解為何單一的石灰巖和頁巖層段中不僅成巖壓裂縫較少，而且構造裂縫也相對不發育，而在以不同比例的頁巖與石灰巖互層組合體中，此兩類裂縫卻都較發育，造成這一現象的原因與大安寨段頻繁的、不均一的頁巖與石灰巖互層組合體的抗壓性降低，而剛性有所增強有關，并由不均勻分布的成巖壓裂縫和構造裂縫提供的通道，控制了同構造期和構造期后的溶蝕作用，從而形成非均質性極強的溶蝕孔、洞、縫型非常規儲層。

需指出的是，成巖壓裂縫往往優先選擇在壓實率變化大的介殼灘緣和湖坡相帶頁巖與石灰巖互層組合體中發育，與受到同等外來構造力的作用下，介殼灘緣和湖坡相帶是巖體最易破裂的薄弱部位有關，而構造期的破裂作用和構造期后的溶蝕作用也往往優先選擇在這些薄弱部位疊加進行，由此成就了大安寨段沉積—成巖期、構造期、構造期后的多期次破裂和溶蝕作用依次追蹤和疊加發育的顯著特點。平面上，這一繼承性發展和演化的破裂和溶蝕帶往往位于巖性組合有明顯差別的、偏向深半深湖一側的介殼灘緣和湖坡相帶，形成以多期次破裂和溶蝕為主控因素的非常規儲層最佳發育位置和展布規律。

3．4　成藏條件綜合評價

鑒于目前國內外還沒有形成頁巖氣(油)藏的評價標準，筆者以美國Barnett頁巖和Ohio頁巖氣藏勘探經驗為指導^[28]，結合川東地區大安寨段頁巖TOC較高、類型較好，演化程度適中、累計厚度較大、分布范圍廣而穩定、埋藏深度適中、脆性礦物含量高和具有較好—好的烴源巖性質等特征，與美國眾多頁巖氣盆地和中國南方頁巖氣勘探近期取得突破性進展的志留系龍馬溪組頁巖^[26]各項參數進行對比(表3)，同時考慮川東地區大安寨段頁巖分布而積都超過2000km²，地質歷史中始終深埋地腹而未被剝蝕，地表條件以地形高差相對較小丘陵和中山為主，大、小江河密集分布，水資源豐富及交通便利等相關的輔要條件，對川東地區大安寨段頁巖氣(油)成藏條件和資源潛力進行綜合評價。結果認為：該地區大安寨段頁巖具備非常優越的頁巖氣(油)成藏條件。

 

4　結論

1)川東地區大安寨段為淡水湖泊沉積體系，發育濱湖、淺湖、湖坡和深—半深湖4種亞相，對應完整的湖侵湖退旋回過程，可劃分為低位、湖侵、早期高位和晚期高位4個沉積體系域。

2)穿越各亞相帶的等時地層格架，控制了大安寨段自生、自儲、自蓋的組合特征和展布規律，以湖侵體系域的凝縮段和早期高位體系域中偏向深湖一側的淺湖灘緣、湖坡和半深湖為有利頁巖氣(油)儲集相帶，儲層并非為單一的巖石類型，而是碳質頁巖與泥質介殼灰巖的薄互層組合體。

3)以有機質豐度、成熟度、厚度、埋藏深度及脆度為頁巖氣(油)的五度評價標準，結合頁巖的成分特征和裂縫發育狀況對川東地區大安寨段頁巖氣(油)成藏地質條件進行分析，認為川東地區大安寨段具備優越的頁巖氣(油)成藏地質條件。

4)基于大安寨段頁巖具備形成頁巖氣(油)藏的優越地質條件，而且地腹保存條件、地表地形、水利和交通條件都適合大場面的頁巖氣勘探開發工程，可將其列為四川盆地非常規能源規劃的主要目標和有利勘探區之一。

 

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本文作者：鄭榮才  何龍  梁西文  徐文禮

作者單位：“油氣藏地質及開發工程”目家重點實驗室·成都理工大學

  中國石化江漢油出分公司勘探開發研究院