川西-川北地区T3x5页岩气成藏地质条件

陈 刚, 徐双辉, 陈洪德, 林良彪, 邓虎成

(油气藏地质及开发工程国家重点实验室(成都理工大学),成都 610059)

页岩气是指主体位于高碳质泥页岩(也包括存在于泥页岩夹层中的粉砂质泥岩、粉砂岩、泥质粉砂岩等)中，以吸附态或游离态赋存的天然气聚集。其具有自生自储、吸附成藏、隐蔽聚集等特点[1-4]，是当前极其重要的非常规天然气资源之一。资料显示，全世界页岩气资源储量约为456×1012m3，主要分布在北美、中亚、中国、拉美、中东、北非和俄罗斯等地[5-7]。其中美国页岩气商业性开发已获巨大成功，早在2009年美国就超过俄罗斯成为世界第一大天然气生产国，2010年其页岩气产量达到137.8×109m3，约占美国天然气总产量的23%，相当于中国天然气年产量。据美国能源信息署(AEO)2012年发布的消息，美国待发现的页岩气技术可采资源量为13.6×1012m3，认为美国2021年将成为天然气净出口国[8-13]。中国涉足该领域较晚，目前尚处于探索起步阶段。初步研究表明，中国页岩气资源十分丰富，估算资源量为23.5×1012～100×1012m3 [14，15]，相当于全球页岩气资源量的5%～20%;主要分布在四川、鄂尔多斯、渤海湾、松辽、江汉、吐哈、塔里木和准噶尔等含油气盆地；此外，在中国海相页岩地层、海陆交互相页岩地层及陆相地层中也有较广泛分布[16,17]。

页岩气是未来石油天然气能源的重要接替者之一，笔者在参考总结美国页岩气发育条件基础上，通过露头剖面实测、测井解释、矿物分析等手段对川西-川北地区上三叠统须家河组第五段(简称“须五段”，T3x5)的页岩气成藏地质条件作了详细分析，并对其页岩气有利勘探区块进行了初步评价优选。希望能为中国页岩气的研究和勘探开发提供理论依据。

1 页岩气形成机理分析

野外剖面及岩心观察表明，页岩一般包括沥青质或富含有机质的暗色、黑色泥页岩类，如四川盆地须五段(图1)。宏观上，泥页岩一般与灰色砂岩、粉砂岩互层或夹层，局部间夹煤层；微观上，赋存于其中的天然气存在多种形态，包括游离态、吸附态、溶解态以及其他可能相态等，但以前两者为主。基于上述特征，页岩气形成机理与煤层气形成过程极为相似，属典型的原位“滞留成藏”，连续型分布。成藏过程中先通过生物化学作用、热解作用或者两者混合作用[18]，吸附在页岩内部的黏土矿物、有机质、干酪根颗粒及孔隙表面；吸附饱和之后，通过解吸、扩散等作用逐渐溶解于基质和泥页岩孔缝中，形成吸附态、游离态等原位饱和聚集，局部二次运移形成气藏(图2)[3,19-21]。

图1 T3x5泥页岩野外及岩心照片Fig.1 The photos of shale from core and field in T3x5

图2 页岩气形成机理模式图Fig.2 Formation mechanism model of shale gas(据参考文献[20]修改)

研究认为吸附态页岩气占天然气赋存总量的20%(Barnet页岩)到85%(Lewis页岩)[19-21]，Barnett页岩和Lewis页岩是当前美国页岩气产出的主力层位[22,23]。美国是全球页岩气发现最早、开发最成功的国家，其商业性开采的页岩气主要产自5个盆地的页岩层，分别是福特沃斯盆地的Barnett页岩、圣胡安盆地的Lewis页岩、密歇根盆地的Antrim页岩、阿巴拉契亚盆地的Ohio页岩和伊利诺斯盆地的New Albany页岩(表1)。其成功的勘探开发实践表明，美国工业页岩气除了拥有丰富的气源物质聚集基础外，其生烃条件还必须要达到或超过一定标准，这其中包括发育成熟的富有机质黑色泥页岩、有效厚度>30 m、镜质体反射率(Ro)为1.1%～2.0%、TOC质量分数(wTOC)>2.0%、埋深<2 km、干酪根类型以Ⅱ型为主、脆性矿物(石英)含量较高等岩气成藏条件(表1)。

2 成藏地质条件

页岩气形成机理、赋存状态及其典型的“自生自储”成藏模式和原地性特点决定了其能够大面积存在和分布，因此页岩气的成藏条件和要求比其他类型气藏低，即成藏门限[24]相对常规天然气来说有所降低。对比美国页岩气发育条件(表1)，参照国土资源部油气中心2013年全国页岩气潜力调查优选标准，笔者认为页岩气的主要成藏条件应该满足表2中的参数。

表1 美国五大盆地和川西-川北地区T3x5页岩气藏主要地质特征对比Table 1 Comparison of the main geological characteristics of shale gas in five main basins of U.S. with that in T3x5 of West Sichuan-North Sichuan

国外数据来自参考文献[2, 3, 7, 9, 13, 19, 20]。

图3 川西-川北地区T3x5岩相古地理图Fig.3 The lithofacies palaeogeography of T3x5 in West Sichuan-North Sichuan

参数满足条件沉积环境较快的沉积条件和封闭性较好的还原环境,如滨浅湖有效厚度单层泥页岩厚度≥10 m;或泥地比>60%,单层泥岩厚度>6 m,累计厚度≥30 m埋藏深度300～4 500 mTOC平均质量分数≥2%RoⅠ型干酪根Ro≥1.2%;Ⅱ型干酪根Ro≥1.0%;Ⅲ型干酪根Ro≥0.7%地表条件地形高差较小,如平原、丘陵、低山、中山、沙漠等保存条件现今未严重剥蚀

国外数据来自参考文巨大，是现今工业技术和经济背景条件下国内开展页岩气勘探研究的重点层位之一。

2.1 沉积环境

烃源岩的时空分布与构造活动状况关系十分密切，稳定的构造环境有利于“世界级”烃源岩的沉积，因此沉积环境是页岩气能否形成气藏的一个关键条件[25]。沉积环境是形成沉积岩特征的决定因素，而沉积岩特征是沉积环境的物质表现，前者是后者的基本原因，后者是前者的必然结果。黑色页岩的形成得益于沉积较快和封闭性较好的还原环境。其一方面是富含有机质页岩在被氧化破坏之前经快速沉积而大量沉积下来；同时由于环境封闭缺氧，抑制了微生物的活动，从而使有机质的被破坏程度大为降低[1,16,17,20]。

沉积相是沉积环境及在该环境中形成的沉积岩(物)特征的综合响应。川西-川北地区须五段沉积期总体上为前三角洲-滨浅湖沉积，局部以发育带状分布的三角洲前缘沉积为特征(图3)，呈现出构造相对稳定、湖平面缓慢上升的特征。而在三角洲前缘亚相中，泥页岩则主要分布于水下分流间湾；滨浅湖亚相中，以深灰色、灰黑色厚层泥页岩为主，夹单层较薄透镜状砂岩：均为页岩气藏提供了坚实的物质基础。

2.2 有效厚度及埋深

纵观国外页岩气勘探实践，富有机质泥页岩的有效厚度是保证足够储集空间及丰富储量的前提条件。一般而言，泥页岩的有效厚度越大，其封盖能力就越强，越有利于气体的保存,即有利于页岩气成藏；反之，不但不利于气体成藏，也增加了其开发成本[17]。同样，页岩埋藏深度太大亦不利于页岩气的开发和勘探。

统计川西-川北地区45口井的结果表明，研究区T3x5厚层页岩比较发育，埋深>3.5 km的有效页岩分布较广，在川西南部的大部分地区均有分布，有效页岩总厚度局部可达600～700 m；在盐亭、郫县等地区，有效页岩总厚度相对较薄，一般为200～350 m。埋深>4.1 km的元坝地区有效页岩分布范围在22～70 m之间;而埋深<2 km的广安地区，其有效页岩总厚度为50 m左右；其余地区与埋深>3.5 km的分布范围大致相似，有效页岩厚度为200～396 m(表3)。

2.3 有机碳含量

页岩有机碳含量是评价页岩气是否具有开采价值的又一个重要参数。美国五大盆地页岩气开发层位的TOC质量分数一般在1.5%～20%，故目前较普遍的观点是商业性页岩气开发的wTOC值下限一般为2%；但也有部分学者认为在热演化程度高的地区wTOC值在0.5%以上就是有潜力的源岩[4,26-29]。利用川西-川北地区地化参数实测数据和测井解释结果[30]，对研究区T3x5编制了富有机质泥页岩的TOC含量平面分布图(图4)。

研究区T3x5的wTOC为0.7%～6.7%，平均值>2%。其中wTOC>2%的分布区域主要有2个，其一是在川西北至川西中段的平昌、阆中至盐亭、德阳、成都、大邑区域，呈条带状分布，该区域分布面积最大；其二是研究区南部的广安至遂宁区域。而盆地北部边缘有机碳含量偏低，wTOC<1%。总体来看，川西-川北地区T3x5泥页岩有机碳含量富集程度较高。

表3 川西-川北地区45口井T3x5泥页岩厚度及埋深统计Table 3 Statistics of the depth and thickness of shale from 45 wells in T3x5 of West Sichuan-North Sichuan

图4 川西-川北地区T3x5富有机质泥页岩TOC质量分数分布图Fig.4 The TOC distribution of the shale rich in organic mass in T3x5 of West Sichuan-North Sichuan

2.4 干酪根类型和成熟度

2.4.1 干酪根类型

沉积岩中的沉积有机质经历了复杂的化学及生物化学变化，通过腐泥化及腐殖化过程形成干酪根。上述成藏条件、沉积环境同样影响干酪根的形成，不同的沉积环境中可形成不同组成和类型的干酪根，其成油性质和生气潜能也会有显著差别。一般来说干酪根可分为3种类型，即Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型。不同类型的干酪根不仅影响页岩生气能力和含气量，也决定了所产油气的质量。因此，研究干酪根类型是油气地球化学的一项重要内容，也是评价干酪根生油和生气潜力的基础和前提[4,16,20,31]。

结合前人研究成果，笔者对研究区T3x5泥页岩有机质类型及含量进行了测试、鉴定和分析。结果表明，须五段腐泥组的质量分数为25%～66%，平均为45.8%；壳质组的质量分数为1%～4%，平均为1.7%；镜质组的质量分数为13%～38%，平均为25.5%；惰质组的质量分数为19%～41%，平均为25.7%。主要表现为以Ⅲ型干酪根为主，少量Ⅱ2型(表4)。有机质类型平面上基本以Ⅲ型干酪根分布为主，仅成都至遂宁、南充、营山地区分布Ⅱ2型干酪根，Ⅱ1型和Ⅰ型干酪根类型少见(图5)。

2.4.2 热成熟度

表4 川西—川北地区T3x5泥页岩有机质显微组成分析表Table 4 The analysis of microscopic organic composition of the shale in T3x5 of West Sichuan-North Sichuan

图5 川西-川北地区T3x5富有机质泥页岩有机质类型分布图Fig.5 The kerogen type distribution of the shale rich in organic mass in T3x5 of West Sichuan-North Sichuan

泥页岩中有机碳含量和干酪根类型是油气生成的物质基础，而有机质热成熟度则是油气生成的关键。泥页岩中的天然气在成藏过程中要大量生烃和排烃，其有机质干酪根必须达到相当的成熟度[20]。根据研究区实测和测井解释镜质体反射率(Ro)结果[30]编制了须五段Ro分布图(图6)。须五段富有机质泥页岩热演化随着埋深增大而增高，总体上为西北高东南低的趋势，普遍在1.0%以上，部分地区已经超过1.5%；在元坝是演化最高的区域，最高达到了2.0%；而大邑至德阳区域也超过了1.4%；东南面的广安至渠县以东热演化程度低，多数地区演化程度还不到0.6%(图6)。

2.5 脆性矿物含量

泥页岩中的黏土及脆性矿物相对含量的变化影响着泥页岩的岩石力学性质、孔隙结构和吸附气体的性能[32,33]。脆性矿物含量主要是指石英、长石、碳酸盐矿物等，是影响页岩基质孔隙和微裂缝发育程度、含气性及决定压裂改造方式等的重要因素。一方面石英可提高岩石的脆性，使地层更容易产生或诱导裂缝；另一方面碳酸盐矿物的增加，不但降低泥页岩的孔缝，使游离气的储集空间减少，还在埋藏过程中(如方解石)发生胶结作用，进一步降低泥页岩层的孔隙度和渗透率[5,26]。黏土矿物可增加吸附气的含量；但同时高含量的黏土矿物使页岩塑性强，形成平面裂缝为主，不利于页岩气的开采[13]。因此，对页岩气储层的评价，必须在黏土矿物和脆性矿物之间寻找平衡点。川西-川北地区T3x5脆性矿物的质量分数平均约为68.6%，其中石英为53.4%，长石为0.2%，方解石为0.4%，白云石为0.4%，菱铁矿为0.5%(图7)；黏土矿物的质量分数平均约为31.4%，其中以伊利石为主(50.4%)，其次为绿泥石(40.0%)，伊/蒙混层和高岭石分别为0.2%和9.4%(图8)。因此，研究区T3x5岩石脆度较高，适合页岩气的压裂改造和开发。

图6 川西--川北地区T3x5富有机质泥页岩Ro分布图Fig.6 The Ro distribution of the shale rich in organic mass in T3x5 in West Sichuan-North Sichuan

图7 汉深1井--思1井--柘1井T3x5泥页岩矿物含量分布图Fig.7 Mineral content distribution of the shale from Well Hanshen 1-Well Si 1-Well Zhe 1 in T3x5

3 有利勘探区块优选

图8 研究区T3x5黏土矿物含量分布图Fig.8 The distribution of clay minerals content from T3x5 in study area

页岩气有利选区评价应综合考虑地质条件和经济因素。综合上述对川西-川北地区页岩气成藏地质条件分析，对比美国五大盆地工业页岩气勘探开发的成功经验(表1)，认为页岩气勘探开发有利区的选择应在综合考虑选区沉积环境、页岩有效厚度、埋藏深度、有机碳含量、有机质干酪根类型与热演化程度、脆性矿物含量等成藏条件和地面设施建设、天然气管道投资等经济因素的基础上展开[1]。

研究区阆中-德阳-成都-大邑一带T3x5页岩具有形成页岩气的有利地质条件：页岩主要为一套三角洲前缘-滨浅湖沉积，分布稳定；页岩层厚度为55～365 m；埋藏相对较浅，一般为2.0～3.5 km；wTOC值为 2.0%～6.7%，平均值>3%；页岩有机质类型以Ⅲ型干酪根分布为主，热演化程度高，已进入高成熟阶段(1.0%

4 结 语

a.页岩气是典型的原位“滞留成藏”，呈连续型分布，成藏过程中经过吸附、解吸、扩散等作用，拥有多种赋存状态，但主要以游离态和吸附态赋存于泥页岩中。

b.研究区页岩气成藏地质条件较优越，主要表现在沉积环境、有效厚度、埋深、有机碳含量、干酪根类型、成熟度、脆性矿物含量等方面。

c.研究区阆中-德阳-成都-大邑一带T3x5页岩主要为一套前三角洲-滨浅湖沉积，分布稳定；页岩层厚度为55～365 m；埋藏相对较浅，一般为2.0～3.5 km；TOC的质量分数为2%～6.7%，平均值>3%；页岩有机质类型以Ⅲ型干酪根为主，热演化程度高，已进入高成熟阶段(1.0%

图9 川西--川北地区T3x5页岩气有利区优选分布图Fig.9 The preferred distribution of the shale gas favorable blocks in T3x5 of West Sichuan-North Sichuan

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