四川盆地湖相页岩气地质特征与资源潜力

李延钧 ，冯媛媛，刘欢，张烈辉，赵圣贤

（1.“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室；2. 西南石油大学资源与环境学院）

0 引言

四川盆地为大型复合含油气盆地，前震旦系变质岩基底上沉积了巨厚震旦系—中三叠统海相碳酸盐岩、泥页岩和上三叠统—始新统陆相碎屑岩。四川盆地下古生界发育筇竹寺组、五峰组、龙马溪组等海相页岩地层，已有学者对其进行了大量研究[1-17]，认为其具有良好的页岩气形成条件，但对盆地湖相页岩的研究则相对较少。笔者在前人研究的基础上，借鉴国内外学者页岩气研究思路和方法，研究四川盆地湖相页岩地质特征，并对其页岩气资源潜力进行评估。

1 研究区地质背景

中三叠世末，印支运动使海水退出了四川盆地，龙门山、大巴山一带褶皱成山，东缘娄山与江南古陆连为一体，盆地进入“环形凹陷”演化阶段，为湖泊环境 ，开始接受陆相沉积。早侏罗世，湖盆中心基本位于川中仪陇—营山一带，自中心向周边依次为半深湖—深湖、浅湖—半深湖、滨浅湖、滨湖、河流相等环境，在盆地北部大巴山一带（属山前坳陷区带）发育了一系列冲积扇体，而盆地西部都江堰以北地区则发育小型三角洲沉积。下侏罗统自流井组页岩主要发育在东岳庙段和大安寨段，大安寨段有利于深色页岩沉积的环境（浅湖—半深湖—深湖区）分布范围最大，资料也较多，以大安寨段为例，绘制了早侏罗世时期该地区沉积相平面图（见图1）。

图1 四川盆地下侏罗统自流井组大安寨段沉积相平面图

早侏罗世时期，四川盆地湖盆中心位置变化不大，但湖盆水体进退变化明显，对应沉积地层岩性的显著变化（见图 2）。珍珠冲段主要为滨浅湖相沉积，岩性主要为紫红色砂质泥岩和灰色石英粉砂岩，厚约 80～200 m。珍珠冲段至东岳庙段沉积期为水进过程，东岳庙段沉积期达到最大水进期，此时的湖面最广，湖水相对最深，盆地中心处于浅湖—半深湖亚相。东岳庙段主要发育一套黑灰色页岩，其底部为褐灰色介壳灰岩和石英粉砂岩，东岳庙段厚度变化较大，盆地中心沉积厚度超过150 m，而周边则减薄至20 m。东岳庙段至马鞍山段沉积期为一次小规模的水退，水体变浅，区域大部分地区为滨浅湖区，马鞍山段厚度分布相对稳定，约60～100 m，主要为紫红色、暗紫红色泥岩及灰色石英粉砂岩。大安寨段沉积早期又开始水进，至中期达到最大水进期，晚期开始水退；中期持续时间较长，水体较深，沉积一套黑色页岩，偶夹介壳条带和薄层介壳灰岩，页岩颜色深、页理发育，富含有机质，沉积厚度为30～50 m，分布范围广，大安寨段下部和上部也发育黑色页岩，但与介壳灰岩互层分布。

图2 四川盆地下侏罗统自流井组地层柱状图

2 湖相页岩地球化学特征

2.1 有机质丰度

一般采用有机碳（TOC）含量定量评价烃源岩优劣，国内外大多数学者较为认可的泥质烃源岩有机碳含量下限为0.4%～0.6%[19]，而对于页岩气资源，由于其特殊的“自生自储”成藏机理，通常其有机碳含量下限要求更高。美国大规模商业开发的 5大含气页岩系统有机碳含量为0.5%～25.0%[20]。Charles Boye等将页岩气资源有机质丰度定为6级[5]：很差，TOC＜0.5%；差，TOC值为0.5%～1.0%；一般，TOC值为1%～2%；好，TOC值2%～4%；很好，TOC值4%～12%；极好，TOC＞12%。Burnaman等也提出，页岩气资源中烃源岩的有机碳含量至少为2%[5]。美国从事页岩气勘探开发的石油公司一般将有效页岩 TOC含量下限值确定为2.0%，这一选值实际上相当于常规评定烃源岩等级时所确定的“好生油岩”标准[5]。

四川盆地湖相页岩纵向上主要分布于自流井组东岳庙段和大安寨段，由于大安寨段资料相对丰富，笔者对其进行重点阐述。选取 400个样品进行有机碳含量（见图3）和岩石热解分析，结合大安寨段沉积环境，绘制了盆地有机碳含量等值线图（见图4）。大安寨段沉积期，湖盆中心，即半深湖—深湖区主要分布于西充—仪陇—营山—达州一带，该区带内黑色页岩有机碳含量一般大于2.0%，满足国外页岩气有机碳评价下限标准；浅湖—半深湖、滨湖—浅湖相虽然有机碳含量相对稍低，但一般也大于1.0%，更为关键的是：在这两个亚相内，页岩地层有其独特的岩性组合特点，即页岩中夹薄层介壳灰岩，或页岩与介壳灰岩略等厚互层，而介壳灰岩本身可以作为裂缝性储集层，这种岩性组合关系可认为是介于页岩气资源与裂缝型气藏之间的一种过渡形态，所以在考虑有机碳丰度下限时，不能照搬国外的标准，笔者认为在这两种沉积亚相中TOC＞1.0%的区域应具有形成页岩气资源的可能。

图3 四川盆地下侏罗统自流井组TOC含量柱状图

图4 四川盆地下侏罗统自流井组大安寨段页岩TOC等值线和Ro等值线图

2.2 有机质类型

西充、仪陇、平昌、龙岗地区处于湖盆中心，取该区7口井大安寨段30个样品进行干酪根显微组分分析，结果表明，湖盆中心大安寨段页岩有机质主要为Ⅱ1—Ⅱ2型（见表1）；生物标志化合物图谱显示大安寨段页岩生物标志化合物中C20、C21、C23三环萜构成“山”字形，以C21三环萜为主峰，表明其母质来源于浮游生物或藻类。C27、C28、C29规则甾烷呈不对称“V”字型特征，且C27规则甾烷含量较高，一般为偏腐泥型母质类型。

表1 湖盆中心大安寨段30个样品页岩干酪根显微组分

梁平及周边地区属于浅湖—半深湖区，高等植物输入增多，分析该区自流井组干酪根镜检结果和岩石热解参数发现，自流井组页岩属于Ⅱ型有机质，以Ⅱ2型为主，并含一定量的Ⅱ1型和Ⅲ型有机质（见图5）。

图5 梁平地区自流井组有机质类型图

由上述可知，自流井组页岩有机质类型与沉积环境较为吻合，各个亚相有机质都表现为混源特征，主要为浮游生物和陆地高等植物交叉混合，且由滨浅湖向深湖方向偏腐泥型有机质增多。

Burnaman等研究表明，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型有机质均能形成页岩气，但以Ⅱ型为主，Ⅰ型有机质只有当Ro＞1.4%时才可能成为好的气源岩，而Ⅱ型和Ⅲ型有机质则需要较高的氢指数才能保证有足够数量的天然气生成[21]。

2.3 成熟度

以大安寨段页岩20个样品镜质体反射率（Ro）实测值为基础，参考前人研究成果，绘制了四川盆地（页岩主要分布区）下侏罗统自流井组大安寨段页岩Ro等值线图（见图4），由图可见大安寨段页岩主要发育区Ro值一般为 1.05%～1.82%。从 Ro等值线分布趋势来看，有效页岩发育的区域都达到了Ro＞1.1%的热成因气下限，并且向西北、东北方向Ro值呈增大趋势，阆中—仪陇—大竹—忠县以北地区Ro＞1.3%，完全进入热成因生气阶段。上述Ro值分布趋势与该区域的构造演化密切相关：印支晚幕构造运动使龙门山、大巴山一带褶皱成山；中侏罗世受康滇古陆、江南古陆抬升的影响，雅安、重庆、泸州等地在早侏罗世局部隆起或鼻突的基础上，形成大面积隆起，凹陷中心分布在川中东北部地区；晚侏罗世受北西、南东向推覆挤压作用，龙门山再次活跃抬升，凹陷移至大巴山、米仓山前；白垩纪—第三纪东升西降转移期，盆地定型，凹陷中心转移至川西地区。大安寨段页岩埋藏过程受到这些构造作用的影响，埋深发生相应改变，因而成熟度总体上表现出盆地西北、东北高的特点。

综合上述 3方面地球化学研究成果，四川盆地湖相页岩有机质丰度达到了好烃源岩条件、有机质类型较为合适、页岩成熟度处于理想的生气窗内，具有较强的生气能力，形成页岩气资源的潜力较大。不排除局部由于相带变化，有机质类型发生改变，成熟度稍低，形成页岩油的情况，但总体上以生气为主。

3 页岩储集层发育特征

3.1 页岩储集层分布

自流井组黑色页岩主要发育在东岳庙段及大安寨段，总厚度为40～150 m，平均90 m左右[22]，总体上从湖盆边缘向中心呈增加趋势，其中东岳庙段厚度变化较大，推测盆地中心超过150 m，而周边减薄到20 m；大安寨段厚度较稳定，纯页岩厚度约为30～50 m（见图6、图7）。

图6 四川盆地自流井组湖相页岩厚度等值线图

3.2 储集层物性及矿物组成

根据大安寨段实测 50组 X-衍射全岩矿物分析数据，取各地区平均值（见图8），可见页岩中主要含有石英、长石、黏土、方解石、白云石及黄铁矿等矿物，从巴中到梁平，即盆地由北向南，石英含量减少，黏土含量增加，这可能是由于大安寨段沉积时期物源主要来自大巴山和龙门山地区。实测物性分析数据表明，页岩平均孔隙度为1%～5%，渗透率主要为0.001×10−3～0.100×10−3μm2，为典型的致密储集层，但页岩中发育的页理、裂缝及后期人工压裂造缝可大幅改善页岩储集层的物性，使其具备开采价值。

3.3 页岩储集层发育模式

张金川等[16]研究表明，美国页岩气开发较成功的盆地其页岩岩性主要为沥青质或富含有机质的暗色、黑色泥页岩和高炭泥页岩类，黏土矿物含量一般为30%～50%、粉砂质（石英颗粒）含量一般为15%～25%、有机质含量一般为4%～30%。但这些是针对海相页岩的研究结论，四川盆地湖相页岩中还包括较多的灰质成分（方解石），自流井组岩心观察发现，页岩中夹有较细的灰质条带及极细的灰质纹层，现场含气性试验也发现这些岩性过渡区赋存大量气体，说明发育灰质条带或灰质夹层的页岩地层具有形成页岩气资源的良好潜力，而且灰质成分的混入增大了页岩的脆性，有利于页岩储集层的后期改造。结合沉积环境及其他实际地质资料，笔者总结出湖相页岩储集层的3种发育模式：①纯页岩。主要发育在深湖区，页岩颜色较深，一般为黑—深黑色，页理发育，该模式页岩储集层的基本特征与国外富气页岩类似，能够形成较为有利的页岩气资源。②页岩夹灰质条带。主要发育在半深湖区，页岩颜色也较深，页理发育—较发育。介壳灰岩为极薄的条带。③页岩夹薄—中层介壳灰岩。沉积环境为浅湖与半深湖过渡区，页岩中夹薄—中层含泥质不等的介屑灰岩，再往滨浅湖方向，灰岩成分增加。

较纯的介壳灰岩孔隙度很低，约为 1.66%，但泥质介壳灰岩孔隙度略有提高，平均为2.75%。尽管介壳灰岩孔隙度低于页岩，但页岩中碳酸盐岩类矿物的发育很大程度上提高了整个页岩层段的脆性，有利于改善页岩气储集层的经济可采性。

4 资源潜力估算

容积法是页岩气资源量评价常用方法，其评价基础是页岩气的蕴藏方式。页岩气蕴藏在页岩的基质孔隙空间、裂缝内或吸附在有机物及黏土颗粒表面。因此，容积法估算的是页岩孔隙、裂缝空间内的游离气与有机物和黏土颗粒表面的吸附气体积的总和。利用体积法计算页岩气资源量的公式如下[17]：

图7 四川盆地下侏罗统自流井组连井地层对比

图8 四川盆地自流井组大安寨段页岩矿物组成

式中 Gt——页岩气总资源量，m3；Gf——游离气总资源量，m3；Ga——吸附气总资源量，m3；S——页岩含气面积，m2；h——有效页岩厚度，m；φg——含气页岩孔隙度，%；Sg——页岩含气饱和度，%；ρ——页岩岩石密度，t/m3；Gf——吸附气含量，m3/t。

四川盆地湖相页岩发育面积约为7.8×104km2，页岩厚度为40～150 m，TOC值大于1.0%，其中TOC值大于2.0%的页岩约占15%，其孔隙度为1%～5%，计算出研究区湖相页岩气资源量为 3.8×1012～8.7×1012m3，资源丰度约为 0.44×108～1.10×108m3/km2。

5 结论

从页岩地球化学特征来看，四川盆地自流井组湖相页岩 TOC值一般大于 1.0%；有机质类型为Ⅱ1—Ⅲ型，湖盆中心主要为Ⅱ1型；Ro值为 1.05%～1.82%，有机质处于生气窗内，形成页岩气资源的潜力较大。自流井组湖相页岩厚度较大，分布面积广，平均孔隙度为 1%～5%，渗透率主要为 0.001×10−3～0.100×10−3μm2。页岩中石英含量较高，利于页岩改造；页岩中发育的灰质条带、介壳灰岩可进一步提高页岩储集层的被改造能力，对生产有利。相对于海相页岩，湖相页岩地层组合有其独特之处，可总结为 3种模式：纯页岩、页岩夹灰质条带、页岩夹薄—中层介壳灰岩，各岩性组合形成页岩气资源的条件不同，湖相页岩气地质选区以及资源潜力评价不同于海相页岩气。根据上述研究成果，利用容积法计算得出四川盆地自流井组湖相页岩气资源量约为 3.8×1012～8.7×1012m3。

[1] 张金川, 聂海宽, 徐波, 等. 四川盆地页岩气成藏地质条件[J]. 天然气工业, 2008, 28(2): 151-156.Zhang Jinchuan, Nie Haikuan, Xu Bo, et al. Geological condition of shale gas accumulation in Sichuan Basin[J]. Natural Gas Industry,2008, 28(2): 151-156.

[2] 黄金亮, 邹才能, 李建忠, 等. 川南下寒武统筇竹寺组页岩气形成条件及资源潜力[J]. 石油勘探与开发, 2012, 39(1): 69-75.Huang Jinliang, Zou Caineng, Li Jianzhong, et al. Shale gas generation and potential of the Lower Cambrian Qiongzhusi Formation in Southern Sichuan Basin, China[J]. Petroleum Exploration and Development, 2012, 39(1): 69-75.

[3] 黄昌武. 中国首个页岩气合作开发项目开钻[J]. 石油勘探与开发,2011, 38(1): 96.Huang Changwu. Chinese first shale gas cooperation development project spuds in[J]. Petroleum Exploration and Development, 2011, 38(1): 96.

[4] 蒲泊伶, 蒋有录, 王毅. 四川盆地下志留统龙马溪组页岩气成藏条件及有利地区分析[J]. 石油学报, 2010, 31(2): 225-230.Pu Boling, Jiang Youlu, Wang Yi. Reservoir forming conditions and favorable exploration zones of shale gas in Lower Silurian Longmaxi formation of Sichuan Basin[J]. Acta Petrolei Sinica, 2010, 31(2):225-230.

[5] 李世臻, 乔德武, 冯志刚, 等. 世界页岩气勘探开发现状及对中国的启示[J]. 地质通报, 2010, 29(6): 918-924.Li Shizhen, Qiao Dewu, Feng Zhigang, et al. The status of worldwide shale gas exploration and its suggestion for China[J]. Geological Bulletin of China, 2010, 29(6): 918-924.

[6] 卢双舫, 黄文彪, 陈方文, 等. 页岩油气资源分级评价标准探讨[J]. 石油勘探与开发, 2012, 39(2): 249-256.Lu Shuangfang, Huang Wenbiao, Chen Fangwen, et al. Classification and evaluation criteria of shale oil and gas resources: Discussion and application[J]. Petroleum Exploration and Development, 2012, 39(2):249-256.

[7] 梁超, 姜在兴, 杨镱婷, 等. 四川盆地五峰组—龙马溪组页岩岩相及储集空间特征[J]. 石油勘探与开发, 2012, 39(6): 691-698.Liang Chao, Jiang Zaixing, Yang Yiting, et al. Characteristics of shale lithofacies and reservoir space of the Wufeng–Longmaxi Formation, Sichuan Basin[J]. Petroleum Exploration and Development,2012, 39(6): 691-698.

[8] 张雪芬, 陆现彩, 张林晔. 页岩气的赋存形式研究及其石油地质意义[J]. 地球科学进展, 2010, 25(6): 597-604.Zhang Xuefen, Lu Xiancai, Zhang Linye. Occurrences of shale gas and their petroleum geological significance[J]. Advances in Earth Science, 2010, 25(6): 597-604.

[9] 王祥, 刘玉华, 张敏, 等. 页岩气形成条件及成藏影响因素研究[J]. 天然气地球科学, 2010, 21(2): 350-356.Wang Xiang, Liu Yuhua, Zhang Min, et al. Conditions of formation and accumulation for shale gas[J]. Natural Gas Geoscience, 2010,21(2): 350-356.

[10] 页岩气地质与勘探开发实践丛书编委会. 北美地区页岩气勘探开发新进展[M]. 北京: 石油工业出版社, 2009.Editorial Committee of Shale Gas Geology and E&D Applications Series. New progression of shale gas E&P in North America[M].Beijing: Petroleum Industry Press, 2009.

[11] 页岩气地质与勘探开发实践丛书编委会. 中国页岩气地质研究进展[M]. 北京: 石油工业出版社, 2011.Editorial Committee of Shale Gas Geology and E&D Applications Series. Progression of geologic research of shale gas in China[M].Beijing: Petroleum Industry Press, 2011.

[12] 李新景, 吕宗刚, 董大忠, 等. 北美页岩气资源形成的地质条件[J]. 天然气工业, 2009, 29(5): 27-32.Li Xinjing, Lü Zonggang, Dong Dazhong, et al. Geologic controls on accumulation of shale gas in North America[J]. Natural Gas Industry,2009, 29(5): 27-32.

[13] 王社教, 王兰生, 黄金亮, 等. 上扬子区志留系页岩气成藏条件[J]. 天然气工业, 2009, 29(5): 45-50.Wang Shejiao, Wang Lansheng, Huang Jinliang, et al. Accumulation conditions of shale gas reservoirs in Silurian of the Upper Yangtze region[J]. Natural Gas Industry, 2009, 29(5): 45-50.

[14] 聂海宽, 唐玄, 边瑞康. 页岩气成藏控制因素及中国南方页岩气发育有利区预测[J]. 石油学报, 2009, 30(4): 484-491.Nie Haikuan, Tang Xuan, Bian Ruikang. Controlling factors for shale gas accumulation and prediction of potential development area in shale gas reservoir of South China[J]. Acta Petrolei Sinica, 2009,30(4): 484-491.

[15] 陈更生, 董大忠, 王世谦, 等. 页岩气藏形成机理与富集规律初探[J]. 天然气工业, 2009, 29(5): 17-21.Cheng Gengsheng, Dong Dazhong, Wang Shiqian, et al. A preliminary study on accumulation mechanism and enrichment pattern of shale gas[J]. Natural Gas Industry, 2009, 29 (5): 17-21.

[16] 张金川, 金之钧, 袁明生. 页岩气成藏机理和分布[J]. 天然气工业, 2004, 24(7): 15-18.Zhang Jinchuan, Jin Zhijun, Yuan Mingsheng. Reservoiring mechanism of shale gas and its distribution[J]. Natural Gas Industry, 2004, 24(7):15-18.

[17] 李延钧, 刘欢, 刘家霞, 等. 页岩气地质选区及资源潜力评价方法[J]. 西南石油大学学报: 自然科学版, 2011, 33(2): 1-7.Li Yanjun, Liu Huan, Liu Jiaxia, et al. Geological regional selection and an evaluation method of resource potential of shale gas[J].Journal of Southwest Petroleum University: Science & Technology Edition, 2011, 33(2): 1-7.

[18] 马永生, 陈洪德, 王国力, 等. 中国南方层序地层与古地理[M].北京: 科学出版社, 2009.Ma Yongsheng, Chen Hongde, Wang Guoli, et al. The sequence stratigraphy and ancient geography of south China[M]. Beijing:Science Press, 2009.

[19] 卢双舫, 张敏. 油气地球化学[M]. 北京: 石油工业出版社, 2008.Lu Shuangfang, Zhang Min. Petroleum geochemistry[M]. Beijing:Petroleum Industry Press, 2008.

[20] Curtis J B. Fractred shale gas system[J]. AAPG Bulletin, 2002,86(11): 1921-1938.

[21] Burnaman D M, Xia Wenyu, Shelton J. Shale gas play screening and evaluation criteria[J]. China Petroleum Exploration, 2009, 14(3): 51-64.

[22] 陈新军, 包书景, 侯读杰, 等. 页岩气资源评价方法与关键参数探讨[J]. 石油勘探与开发, 2012, 39(5): 566-571.Chen Xinjun, Bao Shujing, Hou Dujie, et al. Methods and key parameters of shale gas resources evaluation[J]. Petroleum Exploration and Development, 2012, 39(5): 566-571.