四川盆地下寒武统筇竹寺组烃源岩有机质差异富集机制与天然气勘探领域

2021-08-20张本健肖文摇

石油实验地质 2021年4期

杨雨，罗冰, 张本健, 肖笛，肖文摇，曹剑

(1.中国石油西南油气田分公司勘探开发研究院，成都 610041；2.南京大学地球科学与工程学院，南京 210023；3.西南石油大学地球科学与技术学院，成都 610500)

四川盆地中部近年来接连取得勘探突破，在安岳地区发现了万亿立方米级规模储量的震旦系—寒武系特大型气田，这是近年来中国海相油气勘探的亮点，成为了全球古老油气藏的重要勘探目标和经典研究范例[1-3]。研究表明，大气田中的天然气主要来源于下寒武统筇竹寺组[4]，且近期在盆地西部筇竹寺组还获得了页岩气勘探发现[5-6]，这使得该套泥页岩层系受到越来越多石油地质学家的关注。然而，受制于种种因素(如形成时代老、热演化程度高、埋深大导致取心有限等)，筇竹寺组综合研究程度远远低于当前页岩气主力勘探层系志留系龙马溪组，现阶段只在沉积厚度、古地理环境以及成藏贡献等方面取得了一定的认识[4,7-8]，鲜有关于有机质富集机制的对比分析，尤其针对不同区域、不同环境背景下的烃源岩差异性成因认识不清，这在很大程度上限制了古老天然气藏，包括该层系页岩气的勘探开发步伐。本文基于当前川中和川东北2个热点勘探区块，选取GS17井、ZJ2井以及镇巴小洋坝剖面样品，通过地球化学方法，定量评估不同沉积环境下筇竹寺组烃源岩的质量，并从古生产力、氧化还原条件以及陆源输入三方面入手，对比分析有机质差异富集因素及形成机制，探讨天然气勘探领域，以期加深对古老海相烃源岩成因以及天然气富集规律的认识，为该区油气勘探部署提供参考。

1 地质背景

四川盆地是一个四面被造山带围限的菱形叠合盆地，总面积约为18×104km2(图1)，可划分为5个二级构造区域，其中，本文所聚焦的新元古界—下古生界勘探区域主要位于川中平缓带以及川东高陡带(图1)。

图1 四川盆地及周缘下寒武统筇竹寺组沉积期古地理分布及震旦系—寒武系生储盖组合

受新元古代早期超大陆裂解地质背景的影响，四川盆地所属的上扬子板块在该时期整体处于拉张构造环境之下，并一直持续到新元古代晚期[9]。上扬子地区在震旦系灯影组至下寒武统麦地坪组沉积时期发生了以区域性隆升与剥蚀为特征的桐湾运动[10]。具体而言，受桐湾运动Ⅰ幕与Ⅱ幕的影响，灯影组二段与四段顶部发育不整合暴露面[11]，受桐湾运动Ⅲ幕的影响，下寒武统麦地坪组仅在绵阳—安岳地区局部残留[12]。随后受全球海平面快速上升的影响，整个上扬子地区稳定沉积了一套下寒武统的暗色页岩[13]，并不整合覆盖于灯影组碳酸盐岩台地层系之上，仅在局部裂陷以及盆地区域为整合连续沉积，大致可划分出浅水陆棚、深水陆棚以及斜坡—盆地3个沉积相区[7](图1)。已有研究表明，盆地中部德阳—安岳地区在晚震旦世—早寒武世发育大型拉张裂陷槽，内部充填上百甚至上千米巨厚的深水陆棚相泥页岩，成为盆地范围内优质烃源岩最为发育的区带[14-15]，直到沧浪铺组沉积期才逐渐填平补齐。

2 样品与方法

四川盆地及周缘地区的下寒武统可进一步划分为纽芬兰统和黔东统，各地区有不同的地层命名方案，本文采用刘忠宝等[6]2016年建立的该套地层对比方案，川西地区GS17井、ZJ2井筇竹寺组与川东北小洋坝剖面水井沱组对应。样品取自盆地西部的GS17井、ZJ2井和盆地东北缘的小洋坝剖面，其中，GS17井和ZJ2井分别采样12件和16件，均位于绵阳—长宁裂陷槽核部，是典型的裂陷槽内深水陆棚烃源岩样品；小洋坝剖面采样11件，是典型的浅水陆棚烃源岩样品(图1a)。以上采样点分别代表不同古地理环境的同时，也代表了目前川中、川东北2个热点勘探区块的主要端元类型。

所有样品均完成了主微量元素与有机碳(TOC)含量的地球化学分析测试。其中，采用Thermo Scientific iCAP 6300 series ICP-OES和Finnigan Element II ICP-MS仪器分别对样品的主量和微量元素含量进行了测试，误差控制在10%以下；有机碳含量测定采用ECS 4024 CHNSO元素分析仪，误差小于5%。实验步骤详见参考文献[16]。

3 烃源岩特征及形成环境

3.1 烃源岩有机碳含量

实验样品均为黑色泥页岩，GS17井筇竹寺组泥页岩TOC含量为0.88%～4.06%，平均1.78%(图2a)；ZJ2井筇竹寺组泥页岩TOC含量为1.86%～5.46%，平均2.93%(图2b)；小洋坝剖面水井沱组泥页岩TOC含量为0.32%～2.13%，平均1.03%(图3)。由此可见，GS17井与ZJ2井泥页岩TOC含量整体高于小洋坝剖面。

图2 四川盆地下寒武统筇竹寺组深水陆棚烃源岩地球化学综合柱状图

图3 四川盆地小洋坝下寒武统水井沱组浅水陆棚烃源岩地球化学综合柱状图

3.2 古生产力

考虑到元素Ba与上升流、表层生产力的良好关联性，以及具有在海水中停留时间长、保存率高(高达30% )的特点[17-18]，Ba成为使用最早且最为广泛的代表古海洋生产力的微量元素之一。此外，Cu也通常与有机金属复合物一起被输送到沉积物中[19-20]，因此也可作为古生产力的有效恢复指标。一般而言，古生产力的恢复指标通常采用Ba/Al和Cu/Al比值[21]，以消除陆源碎屑物质可能带来的误差。

川中GS17井筇竹寺组泥页岩Ba/Al与 Cu/Al值分别在178.5～395.4和5.95～14.05，平均值分别为248.10和7.56；ZJ2井筇竹寺组泥页岩Ba/Al值为175.5～208.1，平均190.64，Cu/Al值为5.39～16.77，平均9.53(图2)。川东北小洋坝剖面水井沱组泥页岩Ba/Al值为61.2～120.7，平均82.03；Cu/Al值为2.85～18.43，平均6.98(图3)。比较发现，川中裂陷槽深水陆棚相区有机质的古生产力整体略高于川东北浅水陆棚相区。

3.3 氧化还原条件

古海水的氧化还原条件可通过氧化还原敏感元素进行定量评价，常见指标包括U/Th和MoEF、UEF(采用富集因子计算得到的Mo、U富集程度指标)等[21-22]。其中，U/Th值<0.125，0.125～0.5，>0.5，分别代表有氧、贫氧以及缺氧环境。GS17井和ZJ2井筇竹寺组泥页岩U/Th值分别为0.69～3.20和1.31～3.62，平均值则分别为1.37和1.99(图2)，表明形成于缺氧环境；小洋坝水井沱组泥页岩U/Th值为0.23～0.88，其中仅2个数据点大于0.5(图3)，平均值0.38，表明总体形成于贫氧环境。

U和Mo元素在还原条件下的富集速率更快，但在富集过程中往往表现出不同的地球化学作用过程。自生U优先富集于Fe2+与Fe3+氧化还原临界面的贫氧环境[23]，而自生Mo的富集相对较晚，需要H2S的参与[24]。与此同时，一定水动力条件下的颗粒搬运、沉积过程可以加速Mo向沉积物的转移，而U不受这一过程的影响[25]。因此，U-Mo协变是一个恢复海底氧化还原状态的重要指标[21]。基于需要消除陆源碎屑输入的影响，通常采用富集因子计算微量元素富集程度[21]，计算公式为：XEF=(X/Al)样品/(X/Al)PAAS[21,26]。GS17井筇竹寺组泥页岩UEF值为5.42～23.96，平均值9.90，MoEF值为13.48～67.74，平均值31.31(图2a)；类似的，ZJ2井筇竹寺组泥页岩UEF值为5.89～18.26，平均值9.11，MoEF值为35.79～133.48，平均值54.81(图2b)。可见，GS17井与ZJ2井的UEF与MoEF值均大于3，表现出强烈的富集特征。然而，小洋坝剖面水井沱组泥页岩UEF值为0.99～6.97，平均值2.13，MoEF值为0.46～9.62，平均值2.78(图3)，整体大于1而小于3，表现为轻微的富集特征，富集程度不及GS17井与ZJ2井。进一步分析如图4所示，小洋坝剖面数据点整体分布于贫氧区域，而GS17井与ZJ2井数据点则分布于缺氧区域，该结果与上述U/Th分析结果一致。综上表明，川西裂陷槽深水陆棚相区泥页岩形成环境较川东北浅水陆棚相区更加缺氧。

图4 四川盆地及周缘下寒武统筇竹寺组烃源岩U-Mo协变关系底图修改自文献[26]。

3.4 陆源输入

已有研究表明，Al主要来源于铝硅酸盐黏土矿物[22]，且在成岩过程中相对稳定，从而常常被用来指示陆源输入[21]。如图2和图3所示，GS17井与ZJ2井筇竹寺组泥页岩Al含量分别为2.21%～5.38%和4.60%～8.64%，平均值分别为4.63%和5.89%；小洋坝剖面水井沱组泥页岩Al含量为1.03%～9.40%，平均值5.96%。比较发现，小洋坝剖面泥页岩Al含量变化范围明显较GS17井和ZJ2井更大，暗示浅水陆棚区域受海平面升降变化引起的风化作用以及陆源输入影响更大。与此同时，小洋坝剖面Al含量较GS17井与ZJ2井更高，表明川东北浅水陆棚相区陆源输入较川西裂陷槽深水陆棚相区整体更强。

4 有机质富集规律

有机质的富集受沉积环境的控制，主要包括古生产力、氧化还原环境、陆源碎屑输入以及沉积速率等因素。结合本次分析结果发现，GS17井筇竹寺组泥页岩古生产力指标Ba/Al、Cu/Al与有机质含量的相关系数分别为0.177和0.013，指示这两者之间关联度较低；且陆源碎屑输入指标与有机质含量相关系数仅为0.005，表明两者几乎不存在相关性(图5a,b,f)。但是，3个氧化还原指标(U/Th、UEF和MoEF)则与有机质含量之间具有较高的关联度，相关系数分别为0.809，0.858，0.839(图5c-e)。类似地，ZJ2井筇竹寺组泥页岩古生产力指标Ba/Al、Cu/Al与有机质含量相关系数分别为0.040和0.014，指示关联度较低(图6a, b)；陆源碎屑输入指标与有机质含量相关系数为0.368，具有一定的正相关性(图6f)；而氧化还原指标(U/Th、UEF和MoEF)与有机质含量相关系数分别达到0.588，0.624，0.684，表明具有强烈的正相关性(图6c-e)。

图5 四川盆地GS17井下寒武统筇竹寺组TOC含量与古生产力(a, b)、氧化还原条件(c-e)、陆源输入(f)的相关性

图6 四川盆地ZJ2井下寒武统筇竹寺组TOC含量与古生产力(a, b)、氧化还原条件(c-e)、陆源输入(f)的相关性

相比而言，小洋坝剖面水井沱组泥页岩古生产力指标Ba/Al、Cu/Al与有机质含量相关系数分别仅为0.039和0.002，指示相关性较差(图7a, b)；陆源碎屑输入指标(Al)与有机质含量相关系数为0.220，以具一定的负相关性为特征(图7f)；而氧化还原指标(U/Th、UEF和MoEF)与有机质含量相关系数分别为0.260，0.212，0.399，具有相对较好的正相关特征(图7c-e)。

图7 四川盆地小洋坝下寒武统水井沱组TOC含量与古生产力(a, b)、氧化还原条件(c-e)、陆源输入(f)的相关性

对比发现，GS17井与ZJ2井有机质的富集与氧化还原条件关系密切，而受古生产力与陆源输入的影响相对较小，这表明裂陷槽深水陆棚相区沉积水底缺氧环境是有机质保存与富集的关键。小洋坝剖面有机质富集因素与GS17井、ZJ2井有所不同，除了受古生产力影响较小外，氧化还原环境与陆源输入对有机质的富集都具有一定的影响。具体而言，小洋坝剖面所处的浅水陆棚相区沉积水底以贫氧环境为主，有利于有机质的保存，对于有机质的富集具有建设性作用。但其氧化还原参数与TOC的正相关系数明显低于GS17井与ZJ2井，暗示了裂陷槽内深水陆棚环境下缺氧环境较浅水陆棚环境下贫氧环境更有利于有机质的保存，不同沉积相带与环境下的缺氧程度差异可能是导致相关系数差异性的主要原因。

需要注意的是陆源碎屑输入对有机质的富集既有有利的一面，也有不利的一面。不利的方面表现在陆源输入不仅会破坏水体分层以及低氧环境的形成，还会稀释原始生产力；有利的方面则表现为陆源碎屑中具有较大表面积的黏土矿物往往吸附有机质，从而以更快的速度穿过表层水体并沉积，该过程很大程度减小了有机质沉积过程中的分解与破坏，有利于有机质的快速埋藏与保存。已有研究表明，陆源碎屑的输入量与沉积速率(SR)呈正相关，即陆源碎屑输入越多，沉积速率越快；在可容空间充足的情况下，浮游生物沉积物(有机质)的沉积速率极慢，仅大约1～20 m/Ma，而富黏土碎屑的沉积速率可达到103～104m/Ma[27]。然而，沉积速率与TOC含量之间并非线性关系，具体而言，当沉积速率小于临界值(大约32 m/Ma)时，沉积物快速通过具有强有机降解作用的表层水体，从而 TOC与沉积速率正相关；当沉积速率大于临界值时，碎屑物质将对有机质产生稀释效应，从而TOC与沉积速率负相关。由此分析推断，小洋坝剖面水井沱组沉积期陆源输入较强，对有机质具有稀释作用，从而造成陆源输入与有机质含量呈负相关性特征，这很可能与该区域距离滨岸相较近有关(图1)。

综上，虽然GS17井、ZJ2井筇竹寺组与小洋坝水井沱组有机质富集均受古生产力影响较小，但筇竹寺组有机质古生产力水平大于水井沱组，加之沉积水体更为还原，以缺氧环境为特征，以及适量的陆源输入，导致裂陷槽深水陆棚相区泥页岩有机质较浅水陆棚相区更加富集。

5 天然气勘探领域

基于上述分析表明，四川盆地及周缘筇竹寺组沉积期不同沉积相带背景下有机质富集程度具有差异性，表现为深水陆棚相区泥页岩有机质较浅水陆棚相区更为富集，且这很大程度决定于深水陆棚沉积水体的缺氧环境。这意味着相对深水沉积环境具有更好的有机质富集条件，从而有利于优质烃源岩的形成。该规律在整个四川盆地及周缘可能具有普遍性意义。

针对筇竹寺组页岩气勘探方向，以上扬子地区筇竹寺组沉积相为基础(图1，图8)，可以预测盆地范围内优质页岩气勘探区主要分布在绵阳—长宁裂陷槽区域，而盆地周缘东南方向的深水陆棚以及斜坡—盆地相区也是极为有利的勘探区带。

针对震旦系—寒武系常规天然气藏的勘探方向，鉴于近期在川东北WT1井勘探效果一般，结合本次烃源岩对比结果，拟从烃源岩、储层以及生储盖组合三方面对川西、川东北震旦系—寒武系天然气成藏因素进行对比分析。(1)烃源岩方面，川西绵阳—长宁凹陷烃源岩累计厚度达到上千米，加之沉积基底长期处于深水缺氧环境，有利于优质烃源岩的形成。相比而言，川东北烃源岩沉积厚度薄，且有机质富集程度相对较低，从而该区域烃源岩质量整体不如川西地区(图8)。(2)储层方面，川西拉张裂陷槽中心与两侧的差异升降导致沉积分异十分突出，除了槽内沉积厚度巨大的优质烃源岩外，台缘带浅水区域高能水体环境有利于厚层高孔渗碳酸盐岩的沉积[28]。与此同时，裂陷槽演化过程中伴随大量建设性成岩作用的改造，比如热液随深部断裂上涌发生热液云化、溶蚀作用[29]，台缘带差异隆升遭受暴露并演化为岩溶高地与斜坡，成为岩溶作用最为有利的改造区[30]，这些很大程度上均促进了优质储层的形成。相比而言，川东北缺乏槽内槽缘沉积分异机制，灯影组以相对平坦的台内沉积环境为特征，储集岩规模、质量显然很难优于台缘带。(3)生储盖组合方面，川西裂陷槽及其周缘，陡山沱组烃源岩、灯影组储层以及筇竹寺组盖层自下而上依次发育，形成了典型的三明治结构。此外，凹陷中心巨厚的筇竹寺组烃源岩可向两侧的灯影组储集岩进行大面积的侧向供烃，进而形成了“下生上储”与“上生下储”的双供烃模式，这样的生储盖时空分布与匹配关系，为该区域大型气藏的形成提供了良好的条件。相比而言，川东北虽然也具有类似的三明治结构以及“下生上储”供烃模式，但缺乏筇竹寺组“上生下储”侧向供烃模式，烃源总量也大大减少(图8)。因此，川中拉张裂陷槽两侧的台缘带隆起区依然是震旦系—寒武系常规天然气勘探的最有利区带。

图8 四川盆地震旦系—寒武系天然气成藏模式与有利勘探区

综上，可以推测震旦系—寒武系常规天然气最有利的勘探区分布于拉张裂陷槽两侧的台缘带，结合目前勘探现状，可继续以磨溪—高石梯地区为中心，沿着台缘带展布方向，继续向南、北拓展；而针对川东北的下一步勘探部署则需谨慎。非常规天然气有利勘探区分布在绵阳—长宁裂陷槽区域，而在盆地周缘东南方向的深水陆棚以及斜坡—盆地相区值得加以重视。