美国“ 页岩气革命” 掀起了全球范围内页岩气勘探开发的高潮, 中国的页岩气勘探也正在迅猛发展, 并成为了石油地质学家关注的热点(邹才能等, 2010; 郭旭升等, 2012; 马永生等, 2012)。

北美地区富有机质页岩能够获得重大突破的一个不可忽视的原因是普遍发育较深水沉积相带。美国5大含气页岩盆地(Appalachian、Fort Worth、Michigan、Illinois和San Juan盆地)勘探面积大, 最低不少于38000 km², 但开采区面积小, 仅为盆地面积的5%~10%。尽管开采区面积小, 却处于有利的较深水沉积相带, 可用“ 黑海” 滞留静海模式与沿岸上升洋流模式进行解释(Meyers, 2006), 其开采区有机质丰度高、厚度大。例如, 福特沃斯(Fort Worth)盆地的下石炭统Barnett页岩属于半远洋静水深斜坡— 盆地相(Loucks et al., 2009)的浊流、泥石流、密度流沉积, Sims 2井、Mildred Atlas 1井、Mitchell Energy KathyKeel 3井的总有机碳平均含量(TOC)分别为4.79%、4.77%(Martineau, 2007)与5.2%(Montgomery et al., 2005); 伊利诺斯(Illinois)盆地的上泥盆统New Albany页岩为深水陆棚沉积, 下部50 ft(12.5 m)的350个样品平均TOC达到4%(Stevenson and Dickerson, 1969)。TOC、含气量、产气率随沉积水体变浅而减小或降低。

中上扬子地区主要包括四川盆地及其周边地区(图 1), 与北美相比, 该区下志留统页岩具有更大的面积, 发育广泛分布的深水陆棚相带。截至2009年, 该区经历了6轮次的岩相古地理编图工作(王鸿祯, 1985; 刘宝珺和许效松, 1994; 陈旭等, 2001; 冯增昭等, 2004; 郭英海等, 2004; 梁狄刚等, 2009; 马永生等, 2009; 许效松等, 2009; 郑和荣和胡宗全, 2010; 李一凡等, 2012), 认为下志留统龙马溪组是一个克拉通地块上的受限浅海盆地(王鸿祯, 1985)或半闭塞海湾(李一凡等, 2012)、陆棚相沉积(刘宝珺和许效松, 1994; 郭英海等, 2004; 梁狄刚等, 2009; 马永生等, 2009; 郑和荣等, 2010; )、滞流静水盆地(冯增昭等, 2004), 但是南部的古陆即黔中古陆与江南— 雪峰古陆连通性(王鸿祯, 1985; 刘宝珺和许效松, 1994; 陈旭等, 2001; 马永生等, 2009; 许效松等, 2009; 郑和荣和胡宗全, 2010)、江南— 雪峰古陆范围仍存在争议(刘宝珺和许效松, 1994; 冯增昭等, 2004; 梁狄刚等, 2009; 郑和荣和胡宗全, 2010)。此外, 以往层序地层学研究重点针对常规储集层, 且三级层序与体系域的划分精度不同(马永生等, 2009; 李一凡等, 2012)。近年来, 随着页岩气勘探开发工作的深入, 下志留统页岩气已在川南的威远、长宁、富顺— 永川、涪陵、彭水区块取得多点突破, 多口井试气获得了高产工业气流; 其沉积相与亚相识别(邹才能等, 2010; 李一凡等, 2012; 王玉满等, 2012; 张春明等, 2012)、体系域与准层序划分(李一凡等, 2012)、储集层纳米孔描述(邹才能等, 2010; 王玉满等, 2012; 张春明等, 2012)、有机地化特征(梁狄刚等, 2008; 黄金亮等, 2012; 王社教等, 2012)、页岩气赋存机理(梁狄刚等, 2008; 邹才能等, 2010; 王社教等, 2012; 王玉满等, 2012)及有利勘探区预测(李新景等, 2007; 董大忠等, 2009; 页岩气地质与勘探开发实践丛书编委会, 2009; 郭旭升等, 2012; 马永生等, 2012; 聂海宽等, 2012)等受到空前重视。但是深水陆棚亚相的分布范围没有一个全局认识, 层序划分、沉积相与TOC的相互关系等仍需进一步深化。

图1

Fig.1

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	图1 中上扬子区地理位置及野外露头剖面和井位的分布Fig.1 Geographic location of the Middle-Upper Yangtze area and distribution of outcrops and wells

为此, 利用16条实测露头剖面、40条观察露头剖面、3口井岩心描述、33口井数据、699件样品与19 943件次实验测试数据, 开展了大量野外数据与实验数据的统计工作; 按照层序地层学方法、沉积相分析方法、优势相方法、页岩气地质综合方法, 确定深水陆棚分布相与富有机质页岩厚度, 明确下志留统页岩气的勘探方向, 具有重要意义。

海侵体系域尤其是凝缩段与富有机质页岩具有密切关系, 并控制了富有机质页岩的形成与分布。通过层序地层学分析, 可以确定富有机质页岩在层序结构中的发育位置及赋存的体系域类型; 同时, 依据年代框架内的层序对比, 建立等时关系以预测富有机质页岩在该区的厚度变化与分布形态, 类似的例子是由Hammes等(2011)对路易斯安那州上侏罗统Haynesville 页岩所作的层序分析。

按照经典层序地层学理论与方法, 在陆架沉积背景下, 开展下志留统龙马溪组层序地层学研究工作。以往多数学者将下志留统龙马溪组仅当作一个三级层序(马永生等, 2009; 李一凡等, 2012), 但事实上应由2个三级层序即SQ1与SQ2组成。

根据厚度快速变薄、岩性岩相突变、水深快速加深或变浅、红色标志层、进退积转变、测井曲线跳跃突变或包络形态明显变化、地震剖面上超与下超等标志, 在等时框架内自下而上可识别出下志留统龙马溪组的2个三级层序即SQ1与SQ2(图 2), 并且下部层序(SQ1)的海侵体系域(TST)发育富有机质页岩且试获高产工业气流(郭旭升等, 2012; 黄金亮等, 2012; 聂海宽等, 2012; 王玉满等, 2012)。其中, SQ1底界面的上、下岩性岩相突变且测井曲线跳跃突变, 在过焦页1井的地震剖面表现为强相轴、上下层呈整一关系; 该界面之下为上奥陶统五峰组互层黑色硅质岩与碳质页岩, 产双排笔石; 界面之上为龙马溪组下部的黑色碳质页岩夹少量硅质岩, 产单排笔石。SQ2底界面出现岩性岩相突变、

图2

Fig.2

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	图2 焦页1井岩性、测井、沉积相与层序划分综合柱状图Fig.2 Comprehensive column of lithology, well logging, sedimentary facies and sequence division in Well Jiaoye 1

水深快速变浅、测井曲线明显变化等标志, 由向上呈漏斗型形态转变为钟型形态; 在过焦页1井的地震剖面上SQ2的顶界面为强相轴, 底界面为弱同相轴但局部为强相轴, 上下层均呈整一关系; 该界面之下为龙马溪组下部的黑色或灰色页岩, 界面之上为龙马溪组中部的灰绿色粉砂质页岩或粉砂岩, 水深变浅。每个层序又细分为2个体系域即TST与HST, 具有二元结构, 未识别出低位体系域(LST)。

涪陵地区焦页1井的下部层序(SQ1)属于黑色富泥沉积(图 2), 其海侵体系域(TST)厚度38 m, 由5个准层序构成的向上变深至凝缩段的退积序列, 测井曲线包络形态为钟型, 实验测定TOC平均3.5%(对应GR值大于180 API), 现场解析含气量大于4.2 m³/t。类似地, 王玉满等(2012)统计了下寒武统露头剖面, 发现页岩中的自然伽马值与TOC具有较好的正相关关系。焦页1井下部层序的HST厚度达51 m, 由7个准层序构成的向上变浅的退积序列, 测井曲线包络形态为大平直锯齿型, 实验测定TOC平均1.67%(对应GR值160 API), 同样为富有机质页岩。上部层序(SQ2)为灰绿色富粉砂质页岩, TST厚度96 m, 由9个准层序叠加组成的向上变浅的弱进积或加积沉积, GR值低(120 API)说明TOC值也低, 同时具低的气测异常; HST厚度34 m, 由5个准层序构成的向上变浅的进积沉积, 没有实验测定的TOC值, 但对应GR值为130 API。

结合焦页1井的层序分析, 下部层序SQ1或第1个层序发育的黑色页岩厚度为35~89 m, 而TST均为富有机质页岩, 其厚度多在30~38 m; TST为最佳的勘探目的层。

为追踪等时框架内的下部层序、体系域的厚度与富有机质页岩变化, 编制了近东西方向层序对比图(图 3)。由图3可见, SQ1、SQ2层序均分布较稳定、可对比性好。其中SQ1厚度变化大, 呈“ W” 形态, 连通性好, 最厚者阳63井达360 m, 最薄者华蓥溪口剖面为30 m。SQ2厚度变化相对小, 分布稳定且连通, 呈板状形态, 最厚者阳63井达260 m, 最薄者华蓥溪口剖面为50 m。SQ1内的TST连通性极好, 均为富有机质页岩, 但厚度变化快, 一般为38~60 m, 最厚者阳63井达200 m, 最薄者华蓥溪口剖面为20 m。此外, SQ1、SQ2层序向东、向西分别向江南— 雪峰古陆和川中古陆发生了超覆。从SQ1内的TST来看, 上超现象也比较明显; 例如威201-H1井向西对着川中古陆发生了上超, 而阳63井向东、焦页1井向西往华蓥溪口发生了上超并使TST快速变薄; 从上超关系看, 当时的华蓥可能是水下隆起。同时, 各层序内的HST均向古陆超覆在其下的TST上, 又向海或深水陆棚方向发生进积并下超在TST上。值得一提的是, 尽管SQ1比SQ2的水体要深, 但由于均衡沉降, 加上SQ1富泥悬浮沉积的沉积速度小于SQ2富砂堆积的沉积速度, 所以, SQ2厚度大且分布更稳定。

图3

Fig.3

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	图3 中上扬子地区近东西向威201井— 彭页1井下志留统层序对比剖面Fig.3 Comparison profile of sequences in the Lower Silurian from Well Wei 201 to Well Pengye 1 in near west-east direction of Middle-Upper Yangtze area

龙马溪组下部层序至上部层序具有从深水陆棚相黑色页岩向中— 浅水陆棚相灰绿色沙纹层理粉砂质页岩的岩相响应; 这些岩相的发育受海平面升降、古陆、海底地形、物源供给的影响, 进而导致岩相类型的复杂化。

基于矿物学、结构、组构和生物群分析, 龙马溪组岩相包括均质的碳质或硅质或钙质页岩、纹层状页岩、生物扰动粉砂质页岩和沙纹层理的粉砂质页岩(图 4), 以及块状砂岩或介壳灰岩薄夹层。

图4

Fig.4

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	图4 中上扬子地区下志留统不同类型页岩照片 A— 笔石碳质页岩, 彭页1井, 2050 m, 下志留统龙马溪组(S1l); B— 纹层状粉砂质页岩, 浅色者为交代成因的黄铁矿, 彭页1井, 2041 m, S1l; C— 硅质页岩中的三期裂隙, 充填石英、方解石, 单偏光10× , 上奥陶统五峰组, 彭页1井; D— 碳质页岩中的有机质纳米孔, 兴文县麒麟S1l井; E— 粉砂质页岩, 方解石含量10%, 单偏光10× , S1l, 彭页1井; F— 粉砂质页岩中黄铁矿的电子显微镜照片, 黄铁矿晶间孔, 氩离子抛光与电镜扫描, 綦江县安稳S1l井Fig.4 Photos showing various types of shales of the Lower Silurian in Middle-Upper Yangtze area

表1

Table1

表1(Table1)

表1 中上扬子地区下志留统页岩X衍射分析数据 Table1 Data of X-ray diffraction analysis of shales of the Lower Silurian in Middle-Upper Yangtze area 剖面或井名 岩性 全岩组分/% 黏土矿物相对含量/% 石英 长石 方解石 黏土总量 伊利石 高岭石 绿泥石 伊— 蒙间层 重庆武隆江口 硅质页岩 63.0 5.0 - 32.0 65 2 33 重庆南川三泉 碳质页岩 37.0 9.0 3.0 51.0 63 4 12 21 焦页1井 碳质页岩 38.0 8.8 7.1 38.6 - - - - 重庆綦江安稳 钙质页岩 38.0 19.0 6.0 30.0 53 3 8 36 兴文县晏阳镇 纹层状页岩 17.4 6.0 43.8 26.4 78 6 16 - 焦页1井 粉砂质页岩 29.7 7.5 0 60.9 - - -

表1 中上扬子地区下志留统页岩X衍射分析数据 Table1 Data of X-ray diffraction analysis of shales of the Lower Silurian in Middle-Upper Yangtze area

从矿物学来说, 龙马溪组岩相的物质组成包括黏土、陆源长石与石英、方解石胶结物、碳酸盐生物碎屑和方解石晶体碎屑。陆源粉砂和碳酸盐矿物的含量因物源的远近而变化, 越接近硅质碎屑物源的井, 陆源粉砂含量越高, 例如威远201井; 而越远离的井, 泥质、硅质和钙质的含量越高, 例如焦页1井、彭页1井(图 3)。龙马溪组页岩的成分含量变化较大, X衍射分析表明页岩黏土矿物主要由伊利石、伊-蒙间层矿物构成, 同时含少量绿泥石、高岭石(表 1); 碳酸盐矿物以方解石为主, 但同时含有白云石、硬石膏和菱铁矿。碳酸盐碎屑主要是钙质生物碎屑、碎屑方解石。大多数硅质碎屑矿物是石英, 少部分是长石; 但粉砂级到砂级石英可能是通过风化、或浊流(张春明等, 2012)输入盆地的, 也可能是通过浮游生物循环而原地形成的或有机成因的, 这类似于北美页岩(Stow, 1981)。其他矿物相还有交代方解石。黄铁矿有时以交代形式出现于裂缝中或散布在整个基质中, 包括结核、草莓状、串珠状等。从生物群来说, 页岩中富含笔石、软体动物、双壳类、少量的放射虫等化石。下面结合岩石的结构、组构要素, 阐述主要类型的岩相特征。

均质的碳质或硅质或钙质页岩是有机质最为丰富的岩相(图 4-A), TOC含量在2.3%~4.5%之间 (图 2)。在黏土含量偏高时该岩相易剥裂, 而在碳酸盐含量高时该岩相更多地表现为块状, 常见到在现今断层与构造高地发育大中型裂缝以及显微镜下充填了石英与方解石的网状裂缝(图 4-C); 有时, 在下志留统下部层序中会见到黑色碳质页岩夹数层几厘米厚的斑脱岩。虽然肉眼观察页岩似乎是均质的, 但薄片分析发现, 它含有粉砂级的陆源碎屑、球状粒、笔石化石或碎片(图 4-A)。球状粒的形状和大小各不相同, 其中大部分基质都是由5~60, μ m的球状粒构成, 均是无内部结构的通过絮凝作用而沉降到海底的黑色圆形黏土絮凝物(Bennett et al., 1991)或者 “ 海下雪花” (Lynne and Ibach, 1982)。有机质及内部的纳米孔呈分散状见于黏土基质内的陆源碎屑和碳酸盐颗粒之间(图 4-D)。这个岩相中黏土含量一般较高(表 1), 笔石丰富, 但双壳类、腕足类和菊石类比较少见。还可见交代成因的黄铁矿, 氩离子抛光与扫描电镜下可观察到纳米晶间孔(图 4-F)。该岩相形成于深水陆棚、半深海— 深海环境, 少量出现在中陆棚环境。

沙纹层理的粉砂质页岩特别发育, 可见毫米级至厘米级的粉砂质纹层(图 4-B, 4-F), 同样由平行层面且排列成行的陆源粉砂、球状粒、方解石晶体碎屑以及少量的黏土层构成, 且以陆源粉砂、黏土层为主。在半深— 深海区域, 例如川北的桥亭— 沙滩, 该岩相尤为发育, 具有浊流沉积特征及后来交代成因的黄铁矿层(图 4-B)。这个岩相的TOC为1.0%左右, 主要形成于浅水陆棚亚环境与半深海环境, 少量形成于中陆棚亚环境。

北美勘探开发经验表明, 较深水沉积相、缺氧滞流环境是页岩气富集的重要条件(Stevenson and Dickerson, 1969; Montgomery et al., 2005; Meyers, 2006; Martineau, 2007; Robert and Stephen, 2007; 王玉满等, 2012)。目前年产量最高的福特沃斯盆地Newark East气田的下石炭统Barnett页岩位于最有利的相带, 即半远洋一深海相(Robert and Stephen, 2007)。比对北美主要页岩勘探实践, 中上扬子地区的深水陆棚相、中陆棚相等较深水沉积对页岩气勘探具有重要意义。

近几年, 国内针对中上扬子地区下志留统龙马溪组沉积相开展卓有成效的研究工作(邹才能等, 2010; 李一凡等, 2012; 王玉满等, 2012; 张春明等, 2012), 不过, 这些研究均是以龙马溪组为编图单元开展的; 资料的增多与认识的深入使沉积亚相的细划与分布均发生了新的变化(梁狄刚等, 2009; 马永生等, 2009; 郑和荣等, 2010; 张春明等, 2012)。

表2

Table2

表2(Table2)

表2 中上扬子地区下志留统沉积亚相特征 Table2 Characteristics of sedimentary sub-facies of the Lower Silurian in Middle-Upper Yangtze area 沉积亚相 岩性 颜色 结构构造 化石 测井特征 地震特征 深水陆棚 碳质页岩、硅质页岩、硅质岩、笔石页岩 黑色、灰黑色 均一、极少量粉砂质纹层 放射虫, 硅质海绵骨针、叉笔石与直笔石 锯齿状的平直基线型 强振幅连续结构、平行反射 中陆棚 页岩、粉砂质页岩夹碳质页岩 深灰色夹灰黑色 较多纹层 尖、锯笔石较多, 半耙笔石少量, 腕足 漏斗型、平直基线型 中振幅中连续结构、平行反射 浅水陆棚 粉砂岩、粉砂质页岩, 钙质页岩, 钙质、粉砂质增多 灰绿色夹深灰色 砂质团块、水平层理、沙纹层理 腕足、珊瑚, 螺旋笔石, 笔石个体变长且量少 漏斗型、钟型 中振幅弱连续结构、弱平行反射 滨岸 砂岩夹页岩 灰绿色、杂色 低角度交错层理、冲洗层理 化石为碎片且量少 钟型, 少量漏斗型 / 潟湖 碳质页岩、笔石页岩 灰黑、深灰色 纹层、水平层理 锯笔石较多, 无螺旋笔石 平直基线型 /

表2 中上扬子地区下志留统沉积亚相特征 Table2 Characteristics of sedimentary sub-facies of the Lower Silurian in Middle-Upper Yangtze area

根据颜色、岩性、结构、沉积构造、化石生态、测井与地震等沉积相标志, 认为研究区发育深水陆棚相、中陆棚相、浅水陆棚相、滨岸相和潟湖相等亚相类型(表 2), 并进一步明确了中上扬子地区沉积相的平面分布。

4.2 沉积相平面分布

龙马溪组下部层序(SQ1)TST发育富有机质页岩, 目前页岩气产层均发育于该TST内。通过制图与综合分析认为, 下部层序(SQ1)内的TST时期沉积格局呈现出“ 北面向次深海敞开、东西南三面受古陆围限、陆架广布” 的沉积格局(图 5)。此时期深水陆棚相的广泛发育是一大特色, 西面发育川中古陆, 东面出现江南— 雪峰古陆, 南面为黔中古陆, 3个古陆相互不连并向海输送陆源碎屑, 形成了相对平坦但有起伏的陆架环境。图5中的深水陆棚相边界与不少学者的认识(马永生等, 2009; 梁狄刚等, 2009; 张春明等, 2012)有所差别, 与梁狄刚等(2009)的认识也有所不同; 3个古陆是互不相连(王鸿祯, 1985; 刘宝珺和许效松, 1994; 陈旭等, 2001; 许效松等, 2009),

图5

Fig.5

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	图5 中上扬子地区下志留统龙马溪组下部层序SQ1中TST沉积时期沉积相Fig.5 Sedimentary facies of the depositional period of TST in the lower sequence SQ1 of the Lower Silurian Longmaxi Formation in Middle-Upper Yangtze area

但也有学者认为江南— 雪峰古陆与黔中古陆是相连的(梁狄刚等, 2009; 马永生等, 2009; 郑和荣和胡宗全, 2010)。中上扬子地区龙马溪组以陆架为主, 并占据了大部分的区域; 深水陆棚相沿宜宾— 林1井— 观音桥— 彭水— 建始— 安康一带分布, 东西宽约150 km, 面积达255000 km², 平均厚度35 m; TOC含量和厚度大于北美具商业开采价值的页岩气层的TOC含量下限(2.0%)、厚度下限(30 m)标准。另外, 此时期川中的威远与中上扬子地区以东的当阳还出现了潟湖相滞流黑色页岩。

4.3 沉积演化

受海平面下降的影响从下部层序至上部层序发生沉积水体变浅的演变。

纵向上, 自下而上无论焦页1井、彭页1井, 还是河页1井均表现为由SQ1至SQ2从深水陆棚相变为中— 浅水陆棚相(图 2, 图3), 水体变浅, 沉积序列从退积转变为进积, 岩性上由黑色碳质页岩向上演变为粉砂增多的灰色或灰绿色粉砂质页岩, 上部明显受陆源碎屑注入的影响。

平面上, SQ1内的TST深水陆棚相连通性好、分布广泛、向古陆延伸的范围达到最大(图 5); 至SQ1内的HST沉积时期, 深水陆棚相有所收缩, 分布范围变小(图 6)。SQ2内的TST中陆棚分布范围明显变窄(图 3), 向北逐渐退出中上扬子地区; 至SQ2内的HST时期, 深水陆棚向北彻底退出中上扬子地区, 以浅水陆棚相与中陆棚相为主(图 3)。

图6

Fig.6

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图6 中上扬子地区下志留统龙马溪组下部层序SQ1中HST沉积时期沉积相平面图Fig.6 Sedimentary facies of the depositional period of HST in the lower sequence SQ1 of the Lower Silurian Longmaxi Formation in Middle-Upper Yangtze area

4.4 沉积相对富有机质页岩的影响

沉积相与TOC具有密切关系。受TST及沉积相的控制, 龙马溪组高TOC页岩或富有机质页岩发育于深水陆棚相、中陆棚相、潟湖相中。深水陆棚亚相的极慢沉积速度、缺氧事件可能是造成TOC含量高的原因(Curtis, 2002)。

表3

Table3

表3(Table3)

表3 中上扬子地区下志留统页岩岩相、沉积亚相、TOC和数据统计 Table3 Statistics of petrologic facies, sedimentary sub-facies, TOC and Ro of shales in the Lower Silurian of Middle-Upper Yangtze area 剖面或井 岩相 沉积亚相 TOC/% Ro/% 厚度/m 备注 焦页1井 均质硅质页岩 深水陆棚 1~7 2.2~3.06 89 高产工业气 彭页1井 均质碳质页岩 深水陆棚 1.5~3.5 2.6 103 低产工业气 兴山县建阳坪 均质钙质页岩 潟湖 平均2.43 2.1 34 弱— 中等风化 威201井 均质碳质页岩 深水陆棚 2.9 2.2 50 工业气 石柱县漆辽 均质硅质页岩 深水陆棚 平均2.1 3.1 35 中等风化样品 石柱县漆辽 纹层状页岩 中陆棚 0.3~1.6 3.0 83 中等风化 石柱县漆辽 沙纹层理粉砂质页岩 浅水陆棚 0.2~0.3 2.9 77 中等风化

表3 中上扬子地区下志留统页岩岩相、沉积亚相、TOC和数据统计 Table3 Statistics of petrologic facies, sedimentary sub-facies, TOC and Ro of shales in the Lower Silurian of Middle-Upper Yangtze area

在平面上, 中上扬子地区页岩有机碳含量变化较大, 一般介于0.5%~4.0%之间, 最高可达8.0%以上; 深水陆棚相的平均TOC含量多在2.0%以上。在纵向上, 富有机质页岩主要分布在五峰组和龙马溪组下部, 有机碳含量具有自下向上逐渐变低的特点(图 2), 且由深水陆棚相、中陆棚相至浅水陆棚相TOC含量大幅度降低, 但潟湖相是个例外, 其TOC含量高达2.43%(表 3)。黄金亮等(2012)对川南地区龙马溪组15条剖面和13口钻井共530个页岩样品的测试分析表明, 深水陆棚相的TOC含量很高且母质类型也十分有利; TOC含量平均2.52%, 25个样品干酪根碳同位素介于-30.4‰ ~-27.6‰ 之间(平均-29.3‰ ), 反映其母质类型以Ⅰ 型干酪根为主(黄金亮等, 2012)。

页岩气的形成与富集主要决定于富有机质页岩发育、有机地球化学、页岩储集、矿物组成与可压裂性、保存条件等因素, 埋深是经济开发必须考虑的另外一个因素。

首先, 沉积相对富有机质页岩具有决定性的、内在的控制作用, 深水陆棚相的TOC含量最高、次为中陆棚相; 同时, 发育于深水陆棚与中陆棚相中的碳质或硅质页岩是高TOC含量的有利岩相类型。有利深水沉积与岩相类型对页岩气形成具有重要影响。

其次, 除深水沉积与高的TOC含量外, 页岩气的形成还受页岩的有效厚度、 R_O、储集层原始裂缝与含气性因素、脆性矿物发育程度等的影响(Kinley et al., 2008; Loucks et al., 2009)。中上扬子地区 R_O值大于2.0%, 热演化程度较高, 普遍进入过成熟干气阶段, 且存在川东北的宣汉— 石柱、川南的宜宾— 泸州两个地区的两个 R_O值大于3.0%的地区, 处于生气窗内, 有利于页岩气的形成。研究表明, 页岩TOC含量越高, 则有机纳米孔越发育(邹才能等, 2010; 黄金亮等, 2012; 聂海宽等, 2012; 王玉满等, 2012); 同时页岩总含气量也越高(图 2)。由图4可见, 下志留统龙马溪组页岩发育微裂缝、溶孔、粒间孔、有机质纳米孔等多种类型孔隙, 与北美福特沃斯盆地Barnett页岩具有类似的储集空间类型(Loucks et al., 2009; Milner and Mclin, 2010)。脆性矿物石英、长石等含量高(表 1), 可压裂性好。此外, 自西向东大致以邛崃西— 乐山— 威远北— 乐至— 潼南— 重庆北— 石柱北— 忠县— 万县南一线为界, 该线以南及以东地区龙马溪组页岩的埋深小于4000 m, 目前技术经济条件下适应页岩气勘探开发。

再次, 勘探实践证明保存条件对页岩气的形成与富集至关重要。在中上扬子地区且处于保存条件优越的四川盆地内部, 钻遇龙马溪组深水陆棚相页岩且TOC含量大于2.0%的探井均获得页岩气工业气流(表 2), 揭示了龙马溪组页岩气良好的勘探前景。例如, 川东南地区的阳深2、阳63、阳9、宫深1、付深1、太15和隆32等7口井发现气测异常20处, 厚度0.5~51.25 m; 阳63井3505~3518.5, m黑色页岩酸化后测试产气3500 m³/d; 隆32井3164.2~3175.2, m黑色碳质页岩未经压裂的常规测试初产气达1948 m³/d; 焦页1HF井下部页岩压裂测试, 最高日产气达到203000 m³; 川南的宁201H、阳101、阳201-H2等多口井均在龙马溪组页岩段测试获得高产气流, 目前威远— 长宁国家页岩气示范区建设已在进行中(黄金亮等, 2012)。但是, 在四川盆地以外的保存条件差的地区, 钻遇龙马溪组页岩段的探井则喜忧参半。例如, 川东的丁山1井、林1井、建深1井、河2井、鱼1井在龙马溪组泥页岩层系仅见气测异常, 河页1井也仅在第8次取心中有17.34, m的岩心冒气泡; 特例是四川盆地外侧靠东部的彭页1井压裂测试最高日产气达到25000 m³; 再向东, 在黔江地区钻探的黔页1井龙马溪组(深度800 m)压裂测试获得日产3000 m³气流。这揭示了在四川盆地保存条件相对有利的向斜带, 可能是未来页岩气勘探前景区; 但仍然要警惕四川盆地近缘地区因保存条件复杂而导致的较大勘探风险。

最后, 中上扬子地区尤其是四川盆地页岩气资源量大(梁狄刚等, 2008; 邹才能等, 2010; 郭旭升等, 2012; 马永生等, 2012), 压力系数高(王玉满等, 2012), 保存条件好(聂海宽等, 2012), 具有巨大的勘探潜力, 是最现实的有利目标区(董大忠等, 2009; 郭旭升等, 2012; 王玉满等, 2012)。然而, 尽管四川盆地内部保存条件好, 龙马溪组页岩埋深却普遍较大, 例如在川西、川东北大部分地区埋深大于4000 m; 相反, 尽管四川盆地近缘因多期次构造运动的叠加改造、断裂的发育导致保存条件变差(郭旭升等, 2012; 马永生等, 2012; 聂海宽等, 2012), 不过埋深却较浅。运用叠合法, 根据上述保存条件、深水陆棚相分布、高TOC条件的综合分析, 认为涪陵— 赤水— 仁怀、威远— 长宁、鄂西渝东为中上扬子地区下志留统页岩气勘探的有利目标区。

中上扬子地区龙马溪组沉积时期, 呈现出“ 北面向次深海敞开、东西南三面受古陆围限、陆架广布” 的沉积格局; 自下往上, 发育5类岩相类型, 包括均质的碳质或硅质或钙质页岩、纹层状页岩、生物扰动粉砂质页岩、沙纹层理粉砂质页岩、块状砂岩或介壳灰岩薄夹层; 可识别出2个三级层序SQ1与SQ2, 它们分布稳定、可对比性好, 其中, 下部层序(SQ1)的海侵体系域(TST)发育的均质的碳质或硅质或钙质页岩有机质含量最为丰富, 形成于深水陆棚、半深海— 深海环境, 为最佳的勘探目的层。根据保存条件、深水陆棚相分布、TOC含量条件的综合分析, 认为涪陵— 赤水— 仁怀、威远— 长宁、鄂西渝东地区为中上扬子地区下志留统页岩气勘探的有利目标区。

致谢 本文得到了中国石油化工股份有限公司科技发展部、油田事业部、石油勘探开发研究院等单位领导的关心与支持; 江汉油田分公司、勘探南方分公司、成都理工大学、中石油勘探开发研究院、中石油西南油气田分公司、中国石油大学、中国地质大学及有关单位提供了大量资料; 中国石油大学(北京)朱筱敏教授提出了宝贵的建议。作者在此表示衷心感谢!