从优质烃源岩到储层：构造—沉积分异格局下的四川盆地中西部下寒武统页岩气勘探前景

2021-06-13李香华徐剑良韩友平李郭琴寇一龙

天然气工业 2021年5期

梁霄李香华徐剑良何嘉韩友平崔健李郭琴寇一龙

1.中国石油集团川庆钻探工程有限公司地质勘探开发研究院 2.“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室·成都理工大学 3.中国石油集团东方地球物理勘探公司西南物探研究院

0 引言

页岩气概念、勘探开发理论与技术引入我国后逐渐被我国业界关注、了解和吸收[1-6]。页岩气勘探开发完善和建立了“连续性油气聚集理论”，对经典石油地质学理论产生了重大革新与突破[7]。经历2005—2009年选区选层优化与2010—2012年的全面钻探两阶段后，将上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组作为优先目的层系。2014年后中国石化与中国石油实现了渝东南地区涪陵页岩气田焦石坝区块与川南地区威远—长宁区块五峰组—龙马溪组页岩气的勘探开发突破[8-10]。与龙马溪组页岩气研究思路相似，四川盆地（上扬子地区）下寒武统页岩气评价仍以岩心、野外露头为基础，采用矿物学分析、等温吸附等实验方法，在沉积（岩相）、生物地层、储层孔隙结构与含气性等特征上已经取得了一定成果[11-17]。然而，目前四川盆地下寒武统筇竹寺组页岩气开发效果并不理想，其中作为评价重点的威远地区最新多口钻井压裂效果较差，产气量低（金页1井日产气量为0.5×104m3，威207井日产气量为0.2×104m3）。已有研究提出有机质石墨化及储层变差是造成四川盆地筇竹寺组页岩气勘探开发效果不佳的主要原因[18-19]。目前，在四川盆地中西部地区下寒武统页岩气研究中，相对缺乏对埃迪卡拉系（相当于震旦系）—寒武系界面（Ediacaran—Cambrian，以下简称E—C界面）这一全球重要构造—沉积转换期认识的应用，导致了四川盆地中西部地区下寒武统地层划分比对仍存在困难，加之下寒武统普遍具有高热演化过程的认识，制约了对下寒武统富有机质黑色页岩生气条件的评价和页岩气聚集条件的研究。为此，笔者在梳理全球下寒武统地层与时间框架的基础上，系统分析了四川盆地震旦系—寒武系界面的差异性特征与下寒武统麦地坪组沉积—岩性特征，研究了下寒武统黑色页岩的展布与有机地球化学差异性，并进一步精细解析构造演化对页岩生排烃过程和页岩气富集的影响，以期为四川盆地下寒武统页岩气勘探与开发的重要科学问题与应用难题的解决提供思路。

1 前寒武纪四川盆地地质背景

作为四川盆地常规油气藏的重要烃源岩层系，下寒武统富有机质黑色泥页岩不仅是威远气田震旦系气藏和安岳气田上震旦统灯影组—下寒武统龙王庙组气藏的主力烃源岩[20-21]，同时证实为川西北青林口—天井山—长江沟地区现存大量古油藏的主要母源[22]。四川盆地克拉通形成前具有晚元古代超级大陆与多幕拉张构造背景。拉张作用至震旦纪早期仍然存在，南华纪冰期后，气候转暖，扬子地块进入裂谷充填阶段，发育海侵序列的上震旦统陡山沱组（Z2d）海相碎屑岩—碳酸盐岩沉积与上震旦统灯影组（Z2dn）碳酸盐岩台地和碳硅质细碎屑岩沉积组合[23-24]。四川海相克拉通在晚震旦世完成定型[25]。

上扬子地区灯影组现今残留厚度介于600～1 000 m，自下而上可分为四段。灯三段与灯四段沉积期，上扬子地区及周缘开始出现较明显的古地理分异[26]。受晚震旦世桐湾运动Ⅰ幕与Ⅱ幕的影响，灯三段与下部灯二段、下寒武统与灯四段呈平行不整合接触。灯三段厚度分布不稳定，部分地区仅残余很薄的黑色泥页岩。灯三期是否具有拉张仍有争议，针对区内灯三段黑色泥岩的局部出现，一种观点认为灯三段仅为局限海盆、台盆[27-28]，或者深水陆棚沉积[29]。另一观点认为初始拉张开始于灯三期，受拉张作用形成成都—泸州裂陷槽[30-31]，或绵竹—长宁克拉通内裂陷[32]。主流观点认为，四川盆地西部所在的上扬子地区大规模拉张初始于早寒武世，以形成绵阳—长宁拉张槽为主要特征（图1），并作为兴凯地裂运动Ⅱ幕的主要标志[20]。震旦纪—寒武纪是全球生物、海洋与地球化学环境显著变化的重要时期。自晚震旦世灯影期拉张孕育阶段开始，绵阳—长宁拉张槽经历了麦地坪组沉积期的拉张初始阶段，筇竹寺组沉积期的拉张高峰阶段、下寒武统沧浪铺组沉积期的拉张衰弱阶段后，在龙王庙组沉积时，拉张作用逐渐消亡，四川盆地逐渐转入弱挤压状态[33]。

图1 四川盆地数字高程及区域地质简图

2 地层与时间框架

2.1 下寒武统的地层与时间框架

对于寒武系，全球普遍采用3分方案。依据已建立且逐步成熟的同位素年代学方法，寒武纪3个世的时限得到初步年龄控制[34]。1992年，加拿大纽芬兰岛幸运角剖面的遗迹化石Treptichnus pedum首次出现点位作为寒武系底界的标志[35]。此后，多位学者提出寒武系的统一级划分需考虑所有可能的划分标准并建立寒武系统一级界线，提出了多个统级界线的参考点位[36-38]。2004年底，彭善池[39]以华南板块寒武系年代地层框架为基础，提出的4统10阶方案成为全球寒武纪年代地层划分方案[40]。4统10阶自下而上为纽芬兰统（含辛运阶、第二阶）、第二统（含第三阶、第四阶）、苗岭统（含乌溜阶、鼓山阶和古丈阶）、芙蓉统（含排碧阶、江山阶和第十阶）。

四川盆地中西部地区下寒武统自下而上划分为麦地坪组、筇竹寺组、沧浪铺组与龙王庙组。与全球寒武纪年代地层划分方案的4统10阶对比，国内传统划分的下寒武统下部相当于纽芬兰统，中寒武统相当于苗岭统，上寒武统相当于芙蓉统[41-43]。全球寒武纪年代地层划分方案中，除纽芬兰统第一阶（幸运阶）外，第二阶、三阶和四阶划分标准仍未确定。长期以来，这一段相当于传统下寒武统地层的划分和全球对比不仅引起学术界长期困扰，并对中国四川盆地下寒武统页岩气勘探开发产生严重制约。参照四川盆地下寒武统划分与全球寒武纪年代地层对比，四川盆地麦地坪组（下寒武统底部）大致对应的国际年代地层单位为纽芬兰统幸运阶与第二阶，筇竹寺组大致对应第三阶（图2）。四川盆地内麦地坪组内部岩性段的划分及其与筇竹寺组的界限厘定可以参考国际地层学界对纽芬兰统内部的划分依据以及寒武系第二阶与第三阶界限的厘定。

图2 四川盆地及周缘下寒武统的地层与时间框架厘定图

2.2 四川盆地E—C界面差异性与麦地坪组沉积—岩性特征

2.2.1 深水相—过渡相区E—C界面特征

以峨眉高桥剖面与云南中谊村剖面为重要参照，四川盆地麦地坪组并非完整发育，更多区域是以筇竹寺组直接不整合于灯影组之上。在四川盆地及周缘地区，寒武系底部一般发育含硅质、磷质岩层，厚度从厘米级至百米级不等，绝大部分地区硅/磷质层段与其下伏灯影组微生物白云岩和上覆的黑色页岩地层之间均呈平行不整合关系接触，上下均有地层缺失。目前国际寒武系底界以寒武系碳同位素漂移事件（Basal Cambrian Carbon isotope Excursion，以下简称BACE事件）作为经典化学地层识别标志[44]。在四川盆地南缘滇东地区和四川盆地西部等地区，BACE事件一般位于白云岩层内[45]。然而在野外，这类具有深水连续沉积特点的E—C界线不易识别。

下寒武统底界一系列年龄在四川盆地边缘斜坡过渡相区E—C界线剖面上研究较多，反映出震旦系—寒武系过渡地层中存在的硅质岩段（如绵阳—长宁拉张槽内麦地坪组）是穿时的。一系列关键年龄包括峨眉麦地坪剖面九老洞组底部火山灰层锆石U—Pb年龄为距今526.2±1.9 Ma[46]；湖北三峡岩家河剖面水井沱组底部锆石U—Pb年龄为距今526.4±5.4 Ma[47]；贵州松林中南剖面牛蹄塘组底硅质岩底锆石U—Pb年龄为距今532.3±0.7 Ma[48]等。深水相—过渡相区寒武系与其下伏震旦系为连续沉积，发育一套硅质岩与黑色页岩构成的沉积序列。在实际中常将部分地区灯影组顶部—寒武系底部仅有几厘米至几米的硅质、磷质地层归入麦地坪组。浅水相（边缘相）下寒武统底部则与灯影组顶部呈不整合接触，灯影组顶部常具有典型的岩溶垮塌与沥青角砾特征。但由于缺少生物标志化石和碳酸盐岩，浅水相—过渡相区的生物地层和碳同位素化学地层均无法应用，增大了绵阳—长宁拉张槽西侧麦地坪组划分难度。实际研究发现在具有明显穿时岩石地层体（硅质岩）的过渡相区和深水盆地相区（拉张槽相区），硅质岩厚度和下伏地层仍有明显差异。过渡相区（近深水拉张槽相区）硅质岩层下部有类似灯影组的块状白云岩段存在（图3-a、b），深水相区下寒武统底部硅质岩与黑色页岩呈连续互层分布（广元羊木坝剖面）。

2.2.2 四川盆地中西部麦地坪组特征

刘树根等[49]发现并提出绵阳—长宁拉张槽后使得拉张槽内部新发现的麦地坪组得到了进一步深入研究。麦地坪组并非纯黑色岩系，下部岩性由灯影组顶部角砾云岩（图3-b）过渡为底部灰色—深灰色中厚层球粒胶磷矿细晶云岩夹硅质条带云岩（图3-c），中上部岩性以碳质页岩夹硅质页岩（图3-e）、微晶云岩、砂屑状胶磷矿与硅质条带互层为主，胶磷矿局部富集形成磷块岩（图3-f）。拉张槽内部麦地坪组与拉张槽西侧（川西南地区以及峨眉高桥剖面）地层对比具有明显的沉积—构造差异。根据资4井、金石1井及高石17井以及汉旺清平剖面麦地坪组岩石薄片观察，识别出一套浊流（碎屑流）钙屑（磷屑）砂岩，部分研究将白云质碎屑流简单鉴定为颗粒云岩[28]。最新研究在资4井麦地坪组顶部识别出的波屑凝灰岩与棱角状磷块岩混积沉积[49]，在川西地区（拉张槽北段）汉旺清平剖面识别出浊积岩（图3-d）和碎屑流沉积（图3-g），碎屑成分为泥晶白云质和磷质[50]。白云质岩屑碎屑岩的发现可作为绵阳—长宁拉张槽拉张早期沉积记录的关键证据。

图3 川西地区汉旺清平剖面麦地坪组岩石学特征图

3 下寒武统展布规律与有机地球化学特征

3.1 下寒武统厚度特征

利用川西地区高精度联片三维地震资料以及部分二维地震数据，综合钻井和野外露头资料，编制川西地区（绵阳—长宁张槽北段）下寒武统地层厚度分布图（图4）。从图4中可以看出，四川盆地中西部下寒武统展布受构造—沉积分异格局控制，绵阳—长宁拉张槽北段东侧陡坎间距相对宽阔，射洪—蓬溪一线以南筇竹寺组厚度分异较小，下寒武统厚度介于200～300 m。其中，高石17井对揭示绵阳—长宁拉张槽内部下寒武统黑色泥页质（烃源岩）发育情况起到了重要作用，该井的过井地震剖面典型特征展示出拉张槽内部下寒武统厚度较两侧明显增大（图5）。

图4 构造—沉积分异格局下的四川盆地中西部下寒武统厚度图

图5 拉张槽过高石17井地震剖面图

拉张槽内也是下寒武统富有机质黑色泥页岩（烃源岩）厚度最大的区域。高石17井与资4井均证实绵阳—长宁拉张槽内部麦地坪组—筇竹寺组黑色岩系。其中高石17井麦地坪组厚度为177 m，筇竹寺组厚度为506 m；资4井麦地坪组与筇竹寺组厚度分别为205 m、431 m，两口井富有机质黑色泥页岩厚度均超过400 m。川西地区处于绵阳—长宁拉张槽北段中心，下寒武统厚度更大，发育厚度近1 000 m的海相碎屑岩地层，是四川盆地麦地坪组—筇竹寺组黑色富有机质泥页岩的沉积中心。拉张槽北段汉旺清平剖面实测麦地坪组发育厚度达294 m，富有机质黑色泥页岩厚度约150 m。

3.2 下寒武统黑色页岩有机地球化学特征

与五峰组—龙马溪组页岩相比，下寒武统富有机质黑色泥页岩时代更为古老、现今埋藏深度更大，泥页岩热演化程度明显偏高。从烃源岩到储层的转变对四川盆地下寒武统黑色页岩含气性评价影响深远，代表从烃类物质的生成到热降解产生气体的过程。其中，总有机碳含量（TOC）与有机质热演化成熟度（Ro）是评价黑色页岩品质与含气性指标的关键地球化学参数。位于拉张槽中段西侧威远地区的威207井筇竹寺组44个泥页岩样品底部TOC＞3%，中上部TOC介于0.5%～1.5%，TOC平均值为1.3%。拉张槽内部钻井及露头样品有机地球化学统计数据显示：①位于绵阳—长宁拉张槽内部的资4井、高石17井以及汉旺清平剖面富有机质黑色泥页岩有机质丰度高，TOC＞2.0%，其中近底部局部黑色碳质泥页岩TOC介于4.0%～12.0%；②有机质热演化成熟度高，Ro＞2.0%，对应埋深史具有拉张槽中段往北段成熟度增加的特点，四川盆地北缘沥青质Ro局部可达3.0%～3.5%[51]。

笔者选取绵阳—长宁拉张槽北段东侧（川中古隆起北斜坡）川深1井2个超深层（埋深约为8 000 m）下寒武统黑色页岩样品（样品编号CS1-8140与CS1-7894）和3个露头样品下寒武统黑色页岩样品（样品编号QP-5、QP-6、YB-25）进行有机地球化学分析。实验结果表明，超深层样品具有相当量的可溶抽提物，显示出其成熟度较为适中。饱和烃全离子流图显示，2个超深层页岩样品仍具备较完整的正构烷烃分布（图6-a、b），也表明其相较于露头剖面样品（图6-c～e）免于遭受较强的生物降解、水洗作用或流体活动。根据生源与成熟度的生物标志物参数特征，甾烷源自真核生物体内的甾醇。C27—C29甾烷在整个生油窗内很稳定，可以有效地区分相同源岩不同有机相的原油[52]，并被广泛用于研究烃源岩与原油及沥青的亲缘关系。而在热成熟作用的影响下C27—C29甾烷的分布由低熟阶段的“V”字形分布转变为高演化阶段（1.74%≤Ro≤2.86%）的“L”字形分布[53]。川深1等井下寒武统泥页岩抽提物中C27—C29规则甾烷分布具有典型的介于“V”与“L”字形特征，显示出中等成熟度特征（图6）。

图6 川西—川北地区下寒武统黑色页岩抽提物饱和烃气相色谱—质谱图

TT23（C23三环萜烷）与TT24（C24三环萜烷）具有较强的抗热降解的能力。在生油窗内，TT23/H30（C23三环萜烷与C30藿烷的比值）常被用作生源参数，强烈的热成熟作用会使抽提物中的TT23/H30值升高。除川深1井外，汉旺清平剖面底部与南江杨坝剖面下寒武统黑色页岩TT23/H30值局部较高，表明四川盆地下寒武统存在差异性（垂侧向）热成熟作用。在甾烷生物标志物特征中，S21（孕甾烷）及S22（升孕甾烷）的先体被认为是荷尔蒙、孕烷醇及孕烷酮类化合物[54]，两者一部分源自束缚在干酪根中前体的释放，另一部分则可能是规则甾烷在热演化过程中因侧链断裂形成。S21在低熟阶段（Ro＜0.42%）时含量不高，在进入成熟阶段（Ro＞0.42%）开始大量生成[55]。在m/z＝217烃离子搜索中，麦地坪组—筇竹寺组S21与S22相对丰度较高，代表了下寒武统黑色页岩已经历大量生烃。相较于汉旺清平与南江杨坝等露头剖面的S21相对于规则甾烷的绝对优势，川深1井S21与S22丰度相较于规则甾烷丰度很低，反映绵阳—长宁拉张槽北段东侧存在热成熟度相对低值区。

黑色泥页岩抽提物中大部分反映成熟度的生物标志物异构化指数的适用范围都在生油窗内甚至更早，因为这些参数在较高演化阶段都接近或已达平衡值。C29规则甾烷所具有两类异构化指数C29αα20S/（20S ＋ 20R）与 C29ββ/（αα＋ββ）是判别成熟度的最重要参数。C29规则甾烷在C14、C17位上的异构化作用构成第一类异构化指数C29ββ/（αα＋ββ）逐步从0增至0.7，介于0.67～0.71，达到平衡。C29规则甾烷在C20位上的异构化作用则使得第二类异构化指数C29αα20S/（20S＋20R）值从0增至0.5，介于0.52～0.55，达到平衡值。川深1井2个不同深度的超深层样品C29αα20S/（20S＋20R）值与C29ββ/（αα＋ββ）值分别介于0.37～0.42、0.36～0.41，表明下寒武统远没有达到异构化作用的平衡值。结合川北地区米仓山郭家坝组干酪根催化加氢结果进行比对[51]，几个关键的成熟度参数H3122S/（22S＋ 22R）值为0.60，但 C29αα20S/（20S＋ 20R）值为 0.46，C29ββ/（αα＋ββ）为 0.31，也并未达到平衡值（表1）。

表1 研究区下寒武统黑色页岩生物标志化合物特征参数表

四川盆地下寒武统富有机质泥页岩有机地球化学比对显示，四川盆地西北部部分区域下寒武统富有机质泥页岩并未达过成熟演化阶段。构造演化带来的热作用在很大程度上控制着富有机质页岩生排烃过程。热作用程度最终对泥页岩的含气性产生影响，具体表现在泥页岩的生烃能力、吸附能力、有机质孔隙发育等方面，控制着富有机质黑色页岩中页岩气的富集。以川深1井为代表，四川盆地中西部部分区域筇竹寺组主生烃期前（中）稳定的构造背景与成岩—埋藏作用（超深埋藏过程）可能对下寒武统古老富有机质黑色泥页岩产生显著的生烃抑制作用。

4 下寒武统黑色页岩埋藏史与页岩气保存条件

四川盆地及周缘地区下寒武统泥页岩经历了更复杂的构造演化过程。深埋藏、强隆升、强剥蚀、强变形作用是影响下寒武统页岩气富集的关键构造因素[56-57]。四川盆地下寒武统沉积埋藏史和热史的演化过程（尤其是受绵阳—长宁拉张槽控制的四川盆地中西部地区）对页岩含气性富集具有较大影响。根据四川盆地川中古隆起区和绵阳—长宁拉张槽北段（川西北地区）的温度测试数据分析，川西北地区相较于川中、川南地区具有更低的热演化过程，双探6井（井深7 500 m地层温度为170 ℃）、川深1井（井深8 200 m地层温度为190 ℃）、龙004X2井（井深6 200 m地层温度为150 ℃）等井揭示绵阳—长宁拉张槽北段现今地温梯度介于2.0～2.2 ℃/100 m。相关文献[58]指出川西北地区热流值介于48～57 mW/m2，明显低于川中地区的热流值（60～65 mW/m2）。四川盆地中西部现今热体制可能受到基底埋深的控制，位于乐山—龙女寺古隆起的川中地区基底埋藏较浅，相较于川中地区，川西地区热演化程度普遍较低。上述研究结果与现今四川盆地下寒武统黑色页岩成熟度值是吻合的。

根据双鱼石、威远等地区埋藏—热演化特征，四川盆地中西部下寒武统黑色页岩构造—沉积过程具有差异性。中寒武世—早二叠世为稳定沉积阶段，热演化过程也比较稳定；早二叠世—早三叠世，峨眉地裂运动对四川盆地中南部黑色页岩的热作用明显，其中盆地西南部威远—长宁地区热作用最为明显。中晚三叠世后，川西、川北突变型盆山边界条件下龙门山—米仓山—大巴山前缘坳陷的形成导致下寒武统黑色页岩埋藏深度迅速加大（图7），下寒武统黑色页岩经历了快速升温（140～220 ℃）—缓慢升温（220～260 ℃）—降温过程（260～180 ℃）。受低热流值、晚期热流衰退与生烃期超压抑制影响，尽管川西、川北地区黑色页岩普遍已达高—过成熟阶段，但仍存在类似汉旺清平剖面上段及川深1井的成熟度低值区段（域）。

图7 绵阳—长宁拉张槽北段（龙门山—米仓山前缘）下寒武统构造—埋藏史图

对比川西、川北地区，川中古隆起区以南的威远—长宁—渝东南地区二叠纪前为稳定升温—降温过程。受峨眉地裂运动与晚三叠世后强烈的隆升剥蚀影响，四川盆地南部相较于川西北、川北、川东北等地区经历了更高的热历史。威远地区典型钻井热流演化史表明受峨眉地幔柱（峨眉地裂运动）影响在二叠纪前后出现了一个快速升温过程，该期最高热流值可能高达70～110 mW/m2，过渡至川东南地区热流值介于70～90 mW/m2[59]；三叠纪后热流逐渐降低，保持为现今的60 mW/m2左右（地温梯度介于3.0～3.2 ℃/100 m）。威远地区下寒武统黑色页岩埋藏—热演化史恢复表明：石炭纪前，下寒武统黑色泥页岩为中—低成熟度阶段；晚二叠世后，稳定快速的沉降过程使下寒武统埋深快速加大，进入中—高成熟阶段并生成液态烃；印支期前四川盆地西南部—东南部最大埋深约为6 000 m；晚三叠世后快速隆升使区域下寒武统又经历了快速升温（130～210 ℃）—快速降温的过程；受基底高热流值影响，晚侏罗世后下寒武统普遍已进入高成熟度阶段（图8）。

图8 威远地区下寒武统黑色页岩埋藏—热演化史图

埋藏作用与地层温度、压力条件具有直接联系。四川盆地中西部下寒武统富有机质黑色泥页岩在晚三叠世—中侏罗世普遍经历了6～10 km的深埋藏过程。与温度、压力相关的一系列物理过程会压实岩层，产生大量构造缝，改变孔隙与裂缝系统特征；与温度、压力变化密切相关的有机质生排烃流体行为也会对页岩气富集产生至关重要的影响。模拟实验结果认为：页岩最强吸附能力出现在Ro=2.6%时，此时页岩有机质孔发育，且孔表面粗糙，页岩吸附的比表面积达到最大；当泥页岩热演化Ro＞3.5%时，大孔大幅减少，介孔和微孔增加，孔隙总体积减少[60]。黑色页岩保存条件的诸多参数中异常高压的形成主要是由液态烃和气态烃生成时的体积变化导致，晚白垩世后四川盆地中西部中—强隆升作用（1.5～3.0 km）则与压力系数保持密切相关。页岩气现今较高压力系数（超压）往往是代表页岩气富集的最有力证据。因此，在进行下寒武统页岩气勘探选区时应考虑高演化程度对页岩气成藏的影响，在下寒武统整体演化程度高的背景中寻找相对低演化程度的地区，提高评价选区的准确性和科学性。在有效解决大于4 000 m深层工程压裂技术问题的基础上，除了威远构造以东资阳—内江—大足最有利勘探地区以外，川西坳陷北段前陆扩展变形带矿山梁—碾子坝—河湾场地区与米仓山前缘地区也可以作为下一步潜在的勘探有利区。