2012年2月PETROLEUM EXPLORATION AND DEVELOPMENT Vol.39 No.1 69 文章编号：1000-0747(2012)01-0069-07
黄金亮1，邹才能1，李建忠1，董大忠1，王社教1，王世谦2，程克明1
（1. 中国石油勘探开发研究院；2. 中国石油西南油气田公司）
基金项目：国家科技重大专项“大型油气田及煤层气开发”（2011ZX05018-001）;
中国石油勘探开发研究院中青年创新基金项目（2010-B-16-09）
摘要：利用四川盆地南部地区最新钻探的井下资料、周边露头地质调查资料及大量样品的分析测试结果，从富有机质页岩区域展布、地球化学特征、岩石储集特征、含气性等方面研究川南地区下寒筇竹寺组页岩气形成条件与资源前景。研究区筇竹寺组有机质含量高（TOC值为0.55%～25.70%，平均值大于2%），页岩有效厚度大（黑页岩厚60～300 m），脆性矿物含量较高（大于40%），页岩中发育丰富的纳米—微米级孔隙和微裂缝，含气量高（页岩含气量0.27～6.02 m3/t，平均1.90 m3/t），有利于 页岩气的形成与富集。钻井过程中筇竹寺组气显示频繁并获得了工业性突破，是目前中国最有利的页岩气勘探开发层系之一，综合对比研究认为威远、叙永—筠连地区是研究区内筇竹寺组页岩气勘探开发最有利的地区。图4参23
关键词：四川盆地南部；下寒；筇竹寺组；页岩气；形成条件；资源前景
中图分类号：TE122.1 文献标识码：A
Shale gas generation and potential of the Lower Cambrian Qiongzhusi
Formation in Southern Sichuan Basin, China
Huang Jinliang1, Zou Caineng1, Li Jianzhong1, Dong Dazhong1, Wang Shejiao1, Wang Shiqian2, Cheng Keming1
(1. PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration & Development, Beijing 100083, China;
中国第四军医大学
2. PetroChina Southwest Oil & Gas field Company, Chengdu 610051, China)
Abstract:According to the latest drilling data, the geologic survey of surrounding outcrops and the lab
oratory test results of rock samples, this paper studies the regional distribution, geochemical and reservoir characteristics and gas concentration of organic-rich shales to reveal the shale gas generation and potential of the Lower Cambrian Qiongzhusi Formation of the Southern Sichuan Basin. The study area features high organic content (with TOC between 0.55% and 25.7%, average of more than 2%), great net shale thickness (of 60—300 m), high brittle mineral content (over 40%), abundant micro- and nanometer-sized pores and micro-fractures, and high gas content
(0.27—6.02 m3/t, average of 1.90 m3/t), which is in favor of the generation and accumulation of shale gas. The Lower Cambrian
Qiongzhusi Formation is one of the most favorable strata which has frequent gas show and industrialization breakthrough during drilling, and the Weiyuan and Xunyong-Junlian areas are two most realistic and favorable targets for shale gas exploration and development.
Key words:Southern Sichuan Basin; Lower Cambrian; Qiongzhusi Formation; shale gas; accumulation; resource potential
0 引言
随着北美页岩气工业的快速发展，中国页岩气资源的战略地位逐渐为人们所重视。中国南方古生界发育震旦系、寒武系、志留系、二叠系等多套海相黑页岩，厚度大且分布稳定，有机质丰度和热演化程度均较高，具备形成页岩气的有利地质条件。随着四川盆地威远地区在寒武系和志留系页岩中获得商业性气流，中国页岩气开发实现了历史性突破[1]，四川盆地南部地区已经成为中国海相页岩气勘探开发最具潜力的地区。本文以四川盆地南部及其周边区域地质调查资料、最新钻探的井下资料分析结果为基础，对四川盆地南部地区下寒筇竹寺组页岩气形成条件与页岩气资源前景进行了分析，并对四川盆地页岩气勘探开发的潜力地区进行了预测。
1 川南地区筇竹寺组页岩气形成条件
在美国典型页岩气盆地中，页岩气藏的形成主要受页岩的有效厚度、有机碳含量、有机质成熟度、页岩含气量、脆性矿物发育程度等多种因素控制[2-9]，本文将从上述几个方面对研究区内页岩气的形成条件进行论述。
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Vol. 39 No.1
1.1 页岩区域展布特点
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震旦纪末，四川盆地基底因桐弯运动而抬升，灯影组顶部广遭剥蚀，寒武系以区域不整合接触沉积于其上[8]。早寒武世沉积的筇竹寺组除在盆地西南部边缘的雅安—天泉—大邑一带因剥蚀而缺失外，其余地区发育较全[10]。盆地南部的筇竹寺组是一套相对缺氧、静水环境的深水陆棚相沉积，黑页岩及深灰含砂质页岩发育，浮游生物红藻、褐藻繁茂；下部为深灰
—黑炭质页岩及深灰、灰粉砂质页岩和粉砂岩，向上颜逐渐变浅，为灰、灰绿含钙质细砂岩、粉砂岩，顶部为黄绿页岩，偶夹白云岩[11]。
山西大同大学学报根据区内钻井统计，筇竹寺组页岩呈由北向南逐渐增厚的趋势，厚250～600 m ，其中长宁构造页岩厚度最大，达650 m 。筇竹寺组底部黑页岩厚度分布基本上与地层分布趋势一致，厚60～300 m （见图1），表明黑页岩的发育与沉积相密切相关。
图1 川南地区筇竹寺组黑页岩厚度分布图
1.2 有机碳含量及有机质类型
页岩有机质含量是评价页岩气是否具有开采价值的重要指标之一，目前商业性页岩气开发的TOC 值下限一般为2.0%，但也有部分学者认为在热演化程度高的地区可以适当降至1.0%[1-7]。四川盆地筇竹寺组已被证实为盆地主力烃源岩层系之一，TOC 值为0.5%～25.7%[1,11-15]。富有机碳页岩主要发育在筇竹寺组的下部，TOC 值一般大于2%，向上随着粉砂质、钙质的增加，TOC 值有所降低[12]。据研究区周边露头筇竹寺组页岩249块样品分析，TOC 值最高为17.93%，平均为3%，TOC 值大于2%的样品占54%。威远地区井下36块样品中，TOC 值最高为6.46%，平均为2.06%，TOC 值大于2%的样品占53%（见图2）。
有机质类型不仅影响页岩生气能力，同样也影响
页岩的含气量[6-7]。筇竹寺组黑页岩显微组分以腐泥型为主（占95%以上），少量为腐殖型，有机质为无定形体（95%），母质为低等水生生物；干酪根为絮状体，干酪根δ13C 值为−32.92‰～−29.82‰，平均为−30.88‰，成烃潜力大[15]。威远地区筇竹寺组页岩样品的有机显微组分中，腐泥质组分含量为72.0%～78.4%，属典型的腐泥型干酪根。 1.3 热演化程度
成熟度对页岩气形成的影响复杂，尚需深入研究。当页岩过成熟时，生气潜力逐渐降低，但页岩微孔隙随成熟度增加而增加，吸附能力增强，页岩含气量相应增加。从美国页岩气开发实践来看，近年来商业性开发的页岩层系R o 值为1.1%～3.0%[1-2]，但对成熟度上限仍未有统一的认识。
2012年2月 黄金亮 等：川南下寒筇竹寺组页岩气形成条件及资源潜力 71
图2 川南地区筇竹寺组页岩TOC 分布图
前人对四川盆地寒武系筇竹寺组页岩热演化程度的研究表明[1,14-17]，筇竹寺组页岩等效镜质体反射率 （R oe ）一般大于 2.5%，平均为 3.5%；横向上的展布特点与区域性古隆起和凹陷带继承性发展、古断裂的活动密切相关，呈现由乐山—龙女寺古隆起向四周逐渐增高的趋势。研究区内不同地区
页岩成熟度实测数据也表明，古隆起对筇竹寺组页岩热演化具有重要影响，如威远地区筇竹寺组4块井下样品R oe 值为2.68%～2.80%，泸州地区井下样品R oe 平均值为3.2%，峨眉麦地坪、乐山范店乡10块露头样品R oe 值为3.0%～4.0%，平均为 3.34%，研究区内筇竹寺组页岩热演化处于过成熟阶段。 1.4 页岩储集层特征
1.4.1 裂缝发育程度
筇竹寺组页岩中裂缝发育，在岩心中能够观察到裂缝数量众多并聚集了一定数量天然气。如威5井在 2 783.20～2 799.85 m 黑炭质页岩段取心7.455 m ，有309处冒气，其中2 795.00～2 798.00 m 炭质页岩层间缝发育，孔隙洞缝率达 1.22%～3.34%；威22井 2 986.82～2 989.00 m 黑砂质页岩岩心上见大量层间缝，2 988.5～2 989.0 m 为深灰石英粉砂岩，在0.17 m 的岩心上见139条裂缝，以斜交小裂缝为主，多为白云石充填，局部沿裂缝见白云石晶洞，直径达0.5～3.0 mm 。在钻遇筇竹寺组时，常发生蹩跳钻、放空、井漏等现象，岩屑中常见方解石、白云石或石英次生矿物。 1.4.2 矿物组成
脆性矿物含量是影响页岩基质孔隙度和微裂缝发育程度、含气性及压裂改造方式的重要因素
[1,5,7]
。石英
李真案
或长石等脆性矿物富集的页岩产生诱导裂缝的能力强，增产效果明显。具备商业开发条件的页岩，其脆性矿物含量一般高于40%，黏土矿物含量小于30%。
对研究区内筇竹寺组井下页岩样品测试后发现，其脆性矿物含量相对较高，达40%以上，黏土矿物以伊利石为主。威远地区筇竹寺组石英含量为30.8%～
43.6%，平均为30.7%；黏土矿物含量为17.1%～45.4%，平均为34.01%。威001-2井筇竹寺组页岩中石英和长石的含量占全岩矿物的2/3，黏土矿物以伊利石为主，含少量绿泥石和云母。
1.4.3 页岩孔渗特征
岩石孔隙是油气储存的主要空间，是评价储集层特征的关键参数。页岩储集层发育基质晶间孔、粒间孔、溶蚀孔以及有机质纳米孔等4种孔隙类型[18-19]。中国在对四川盆地下古生界页岩储集层研究中，首次发现筇竹寺组和下志留统龙马溪组页岩中发育大量纳米—微米级孔隙[1]，与北美商业性开发的页岩具有相似的特征。筇竹寺组页岩中基质孔隙以纳米—微米级孔隙为主，孔隙直径一般小于2 μm ，以0.1～1.0 μm 孔隙为主，部分小于0.1 μm ；有机质纳米孔发育且形态多样，孔隙形态以圆形或椭圆形、不规则多边形、复杂网状及线状或串珠状为主，孔隙直径5～750 nm ，平均100 nm 。有机质纳米孔对增加页岩储集层孔隙度、改善渗透性与孔隙网络体系的连通性具有重要作用，为页岩气高产提供了潜在的流动通道[20]。
页岩储集层为特低孔渗储集层，目前对四川盆地筇竹寺组页岩储集层的孔、渗测试数据不多。威远地区几口新钻井筇竹寺组页岩孔隙度实测值为0.82%～4.86%，平均为2.44%，孔隙度大于2%的样品占68%。其中2010年钻探的一口先导试验井筇竹寺组页岩22块样品孔隙度为0.82%～4.68%，平均为2.27%；渗透率为0.006×10−3～0.158×10−3 μm 2，
平均为0.046×10−3 μm 2。据此推断，研究区内筇竹寺组页岩具备很好的储集能力。 1.5 页岩含气性特征 1.5.1 钻井气测显示情况
复查研究区内钻穿寒武系的老井发现，钻遇筇竹寺组黑页岩时气测显示普遍而强烈。威远地区钻穿筇竹寺组的107口井中，页岩中见气测异常、气侵、井涌、井喷等不同级别气显示的井共有32口56个页岩段，约占钻遇井的30%；长宁、资阳地区9口井16
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个页岩段出现井漏与气测异常等不同气显示现象。其中威远构造威5井钻至筇竹寺组2 797.4～2 797.6 m井段的黑炭质页岩时，放空0.2 m并出现强烈井喷，喷高15～22 m，裸眼测试获日产气2.46×104 m3，酸化后日产气1.35×104m3，天然气中CH4占86.5%，N2占7.64%，含少量CO2和微量C2H6、C3H8和H2；威远地区新钻探的先导试验井在筇竹寺组页岩下部高有机碳页岩段中测试日产天然气上万立方米。
1.5.2 页岩含气量
页岩含气量是评价页岩气资源潜力与衡量页岩气目标区是否具有经济开采价值的重要指标。钻井气测显示只能定性判断页岩中是否存在天然气，而通过现场密闭取心测试岩心含气量，能够方便、快捷地获得页岩含气量数据。目前国内外测量页岩含气量的方法主要有美国联邦矿物局直接法（USBM直接法）、改进的直接法、史密斯-威廉斯法和曲线拟合法，其测试过程及主要步骤如下：将钻井过程中获得的页岩岩样密闭保存于金属解析罐内，利用水浴加热至储集层温度，进行解析测试分析；测定解析气体的体积与组分，并建立其与时间的关系，直至页岩中释放气体的速率接近零；开罐将页岩放入密闭容器中，测量释放残留气体积；估算页岩从井底到放入解析罐过程中的损失气量，将解析气体积与残留气及取样过程中损失气量相加，得到页岩总含气量。
北美商业开发的页岩含气量为0.44～9.91 m3/t，一般认为商业性页岩气开发的页岩含气量下限为2.0 m3/t，而近年来大规模开发的阿科马盆地Fayetteville页岩、阿帕拉契亚盆地Marcellus页岩含气量分别为 1.70～6.23 m3/t、1.70～2.83 m3/t[1-2,7]。美国岩心公司及威德福公司岩心实验室采用USBM直接法测试了威远地区新钻井筇竹寺组49块页岩含气量，为0.27～6.02 m3/t，平均为1.90 m3/t。川南地区筇竹寺组页岩含气量与TOC 值存在一定相关性（见图3），但同时也受其他因素影响，这一问题值得深入研究。利用气相谱法对页岩中解析气进行组分分析，结果表明气体相对密度为0.58～0.61，以CH4为主，占93.6%～95.8%，CO2含量为2.00%～4.48%，N2含量为1.60%～1.85%，C2H6含量为0.
19%～0.21%，含微量He、H2，不含H2S。需要指出的是，威001-2井中筇竹寺组页岩气含量测试结果（0.23～1.03 m3/t，平均0.58 m3/t）与其他两口井相比明显偏低，主要原因在于测试岩样为粉砂质页岩，其TOC值偏低（0.33%～1.93%，平均0.99%）。先导试验井已在筇竹寺组获得工业性突破，其含气量最低为0.85 m3/t，最高为4.83 m3/t，平均为2.10 m3/t（见图3b），因此，与北美商业性开发的页岩气相比，筇竹寺组页岩含气量达到了页岩气开发下限，具备商业性开发价值。
图3 川南地区筇竹寺组页岩含气量
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2 川南地区筇竹寺组页岩气资源前景与有利区
2.1 筇竹寺组页岩埋深
页岩气勘探开发成本受页岩埋深影响较大，从美国页岩气的勘探开发实践来看，页岩埋深一般为180～
3 600 m [1-2,21]。随着技术进步与推广应用，页岩气开采深度不断增大，Delaware 盆地Barnett 页岩区最深已达
4 000～6 000 m [21]。川南地区筇竹寺组埋深为1 200～ 6 000 m （见图4），东南部泸州—赤水地区筇竹寺组现今顶界埋深6 000 m ，是明显的深凹区；老龙1井、威远和叙永—筠连地区筇竹寺组现今顶界埋深在3 000 m 以浅。
图4 川南地区筇竹寺组页岩气综合评价图
建设项目环境保护分类管理名录2.2 筇竹寺组页岩气资源量
由于中国页岩气的勘探开发尚处于起步阶段，可用于评价资源潜力的资料非常有限。2007—2008年 中国石油天然气集团公司与美国新田公司联合评价 研究区寒武系页岩气资源量，结果为7.14×1012～14.6× 1012 m 3，与盆地内常规油气资源量相当[22]，董大忠等初步估算川南筇竹寺组页岩气资源丰度为0.74×108～1.52×108 m 3/km 2，页岩气资源量为 4.13×1012～8.48× 1012 m 3[15]。本文从筇竹寺组页岩区域展布出发，利 用实测页岩含气量数据，采用体积法估算筇竹寺组 不同埋深下的页岩气资源量。初步估算结果为：研究区页岩气资源量为6.105×1012～13.124×1012 m 3，埋深大于 3 600 m 的页岩气资源量为 3.722×1012～8.002×1012 m 3，占总资源量的61.0%；埋深小于3 600 m 的页岩气资源量为2.383×1012～5.122×1012 m 3，占总资源量的39.0%。
2.3 页岩气勘探开发有利区
根据美国页岩气勘探开发的成功经验，页岩气勘探开发有利区的选择应在综合考虑地质（如页岩含气量、含气范围、目的层深度等）、工程(如气层压力、渗透率、裂缝分布、气体组成、含气饱和度等）和经济（如地面设施、天然气管道、气价、接近天然气市场的程度、投资费用、环境费用等）等各种因素的基础上开展。综合上述条件，认为威远、筠连—叙永两个地区是区内寒武系页岩气勘探开发最
有利的区带（见图4）。 2.3.1 威远地区
威远地区筇竹寺组页岩为一套海相浅水陆棚沉积，分布稳定，是威远气田的烃源岩层。页岩层厚250～350 m ，TOC 值为0.34%～3.0%；下部高有机碳黑页岩段厚20～80 m ，TOC 值平均为2.83%；页岩热演化程度高，已进入过成熟阶段（R o >3.0%）。威远地区筇
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