川南大村区块五峰—龙马溪组页岩气成藏条件及勘探前景

赵文峰，龙 潇，王小春，丁飞飞

(1.四川煤田大地投资有限公司，四川 成都 610072；2.四川省煤田地质工程勘察设计研究院，四川 成都 610072；3.页岩气评价与开采四川省重点实验室，四川 成都 610072)

0 引 言

川南地区页岩气资源丰富，勘探突破早，增储上产快，接替区域广。目前，内江威远、宜宾长宁、泸州泸县和大寨(太阳背斜)等区块龙马溪组页岩气勘探工作已全面展开，产能建设工作高效推进，揭示了该区资源、储量的可靠性和大规模工业化开发的现实性(董大忠等，2018；马新华等，2018；谢军，2018；梁兴等，2020；何骁等，2021；杨跃明等，2021)。

大村区块位于川南国家级页岩气试验区东南，该区块以往的研究以上二叠统龙潭组浅层煤炭及煤层气为主，页岩气研究及工作程度非常低。在野外地质调查、二维地震勘探和分析测试等工作的基础上，结合研究区邻井相关资料进行成藏条件分析，为下一步勘探评价工作提供参考与借鉴。

1 地质背景

大村区块位于四川南部泸州古蔺境内。研究区属扬子地层区四川盆地分区泸州小区与黔北川南分区遵义南川小区的结合部位，除缺失泥盆系、石炭系、古近系、新近系外，寒武—侏罗系均有沉积(赵文峰等，2018)。构造上位于扬子海相克拉通裂陷盆地(Z-S)中部，自震旦纪以来经历了克拉通和前陆盆地2个构造演化过程(李洪奎等，2019)。研究区主体构造为古蔺复式背斜和大村向斜，对煤层气、页岩气资源的赋存及分布起着控制作用(图1)。区内断层以地表断层为主，在古蔺复式背斜轴部尤为发育，但未影响到区块内深部龙马溪组地层。

图1 研究区地质简图1-侏罗系；2-三叠系；3-二叠系；4-志留系；5-奥陶系；6-寒武系；7-背斜;8-向斜;9-断层;10-实测剖面;11-二维地震剖面;12-地名;13-研究区Fig. 1 Geological sketch of the study area

研究区目的层五峰—龙马溪组下段为深水陆棚相沉积，岩性以黑色炭质页岩为主，厚70～85 m，该层既是生气层，也是储集层(图2)。

图2 目的层段综合柱状图1-灰色石灰岩；2-灰色泥灰岩；3-黑色硅质页岩；4-灰色介壳灰岩；5-黑色炭质页岩；6-灰黑色页岩；7-深灰色粉砂页岩;8-灰色粉砂岩;9-黑色页岩Fig. 2 Comprehensive histogram of the target interval

2 页岩气成藏条件

2.1 富有机质页岩展布特征

研究区目的层富有机质页岩厚度在20～30 m之间，具有较好的页岩气资源基础。平面上，富有机质页岩在西北方向最厚，往东南方向减薄(图3)。

图3 富有机质页岩厚度等值线图1-剖面点；2-钻井；3-富有机质泥页岩等值线；4-县(市)；5-省界线；6-研究区Fig. 3 Contour map of organic-rich shale thickness

2.2 有机地球化学特征

2.2.1 有机碳(TOC)含量 纵向上龙马溪组页岩的TOC质量分数在0.98%～7.40%之间，平均值为2.48%。其中，富有机质页岩段TOC的质量分数平均值为3.07%，在2.00%～4.00%之间的频率>50%(图4)，具有较好的生气物质基础(殷梅等，2020)。

图4 富有机质页岩段TOC质量分数分布直方图Fig.4 TOC mass fraction distribution histogram of organic-rich shale

垂向上，TOC高值段主要分布于龙马溪组下段，向上呈明显降低的趋势(图2)。平面上，TOC质量分数由东南向西北呈逐渐升高的趋势(图5)。

图5 富有机质页岩段TOC质量分数等值线图1-剖面点；2-钻井；3-富有机质泥页岩等值线；4-县(市)；5-省界线；6-研究区Fig. 5 TOC mass fraction contour map of organic-rich shale

2.2.2 有机质成熟度(Ro) 目的层页岩有机质成熟度Ro值为2.04%～3.05%，平均值为2.54%，处于有机质过成熟阶段。平面上，Ro值由南向北呈逐渐升高的趋势(图6)。

图6 富有机质页岩段Ro等值线图1-剖面点；2-钻井；3-富有机质泥页岩等值线；4-研究区；5-县(市)；6-省界线Fig. 6 Ro contour map of organic-rich shale

2.2.3 干酪根类型 目的层干酪根组分以腐泥组为主，质量分数在92.0%～98.0%之间，平均值为94.5%，成分主要为无定型体；镜质组次之，质量分数在2.0%～8.0%之间，平均值为5.5%；少量无壳质组和惰质组。样品类型指数TI分布范围为86～96，平均值为90；有机质类型全为腐泥型Ι型。

图7 目的层富有机质页岩矿物组成1-石英；2-钾长石+斜长石；3-方解石+白云石；4-黄铁矿；5-菱铁矿；6-黏土Fig. 7 Mineral composition of organic-rich shale in the target interval

2.3 储层物性特征

2.3.1 矿物组成 根据全岩X射线衍射分析，目的层富有机质页岩矿物组分以石英和黏土矿物为主，含少量碳酸盐、长石、黄铁矿、菱铁矿(图7)。脆性矿物指数为59.0%～77.5%，平均值为67.7%，较同位于盆缘的焦石坝、平桥、丁山等区块稍高(孙小琴，2020；舒志国等，2021)，有利于页岩储层的后期压裂改造。

2.3.2 储层物性 五峰—龙马溪组露头样品孔隙度介于1.50%～8.34%之间，平均值为3.34%；渗透率为(2.70～1.08)×10-3μm2，平均值为0.05×10-3μm2。具有较好的页岩气储集渗透能力。

2.3.3 孔隙类型 根据扫描电镜图，可识别出粒间孔(图8a、e)、粒内孔(图8d、f)、溶蚀孔(图8b、g)和微裂缝(图8c、h、i)四大类，其中粒间孔、粒内孔及溶蚀孔最为发育。

图8 研究区发育的主要孔隙类型(a)棱角状有机质发育有机质孔和粒间孔(3 000×);(b)钠长石发育的粒间孔及溶蚀孔(3 000×);(c)阶梯状断口的方解石和片状黏土矿物层间缝结构(3 500×);(d)填隙状有机质孔隙发育且部分孔隙相互连通(48 000×);(e)微晶石英粒间孔被黏土矿物及有机质充填(16 000×);(f)充填于草莓状黄铁矿粒间孔、晶间孔的有机质发育孔隙(29 690×);(g)方解石发育溶蚀孔及粒内裂隙(2 400×);(h)棱角状石膏集合体发育层间缝结构(1 100×);(i)竹节状有机质发育裂隙及粒缘缝(2 000×)Fig. 8 Main pore types of the study area(a) Organic pores and intergranular pores developed in angular organic matter (3 000×);(b) Intergranular and dissolution pores developed in albite (3 000×);(c) Interlamellar structure of calcite and flake clay minerals with stepped fracture (3 500×);(d) Interstitial organic pores developed and some of the pores connected (48 000×);(e) Microcrystalline quartz intergranular pores filled with clay minerals and organic matter (16 000×);(f) Intergranular pores and intergranular pores of pyrite framboid filled with organic matter pores (29 690×);(g) Dissolution pores and intergranular fractures developed in calcite (2 400×);(h) Interlamellar structure developed in angular gypsum aggregate (1 100×);(i) Fractures and grain margin fractures in bamboo organic matter (2 000×)

2.3.4 孔隙结构特征 通过液氮-压汞联合表征(Sing，1985；金武军等，2016)发现，研究区页岩孔体积峰值均集中在孔径约80 nm的孔隙，也有较小介孔共同贡献孔体积，但比表面积却有所不同，孔径<10 nm的孔隙贡献了90%以上的比表面积(图9)，为甲烷提供了大量的吸附点位。

图9 液氮-压汞实验对孔径的联合表征Fig.9 Joint characterization of pore size by liquid nitrogen-mercury injection experiment

2.4 含气性特征

2.4.1 等温吸附 研究区页岩的饱和吸附含气量(VL)平均值为4.50 m3/t。其中，DXC剖面页岩饱和吸附气量较低，仅为2.61 m3/t，为5条剖面中最低，说明该区页岩吸附能力较差；RHC剖面页岩的饱和吸附气量较高，达6.07 m3/t，页岩吸附能力好(图10)。说明研究区页岩的含气量整体较高，推测在地下条件较好的情况下能聚集足够多的页岩气。

图10 页岩等温吸附曲线图Fig.10 Isothermal adsorption curve of shale

2.4.2 含气量 距离研究区5 km的石地1井，所处构造位置与大村向斜构造条件相似，该井揭露富有机质页岩井深2 495～2 517 m，现场解吸总含气量为1.17～3.09 m3/t，平均值为2.43 m3/t。其中，总含气量>1.0 m3/t的页岩厚21.55 m；总含气量>2.0 m3/t的页岩厚18.22 m。根据区内龙马溪组页岩含气量(y)与埋深(x)的关系:y=0.001 5x-0.945 5(R=0.88)，预测研究区埋深1 500～3 000 m范围内的含气量介于1.30～3.55 m3/t之间。

2.5 保存条件

2.5.1 构造 根据二维地震勘探资料，古蔺复式背斜西翼和大村向斜形态相对完整(图11)，由东向西，构造挤压应力逐渐减小，构造变形程度逐渐减弱，根据平衡剖面恢复成果，大村向斜缩短率为10.2%，古蔺复式背斜西翼(石屏单斜)缩短率为8.4%。

图11 二维地震DZX2解释成果剖面图Fig.11 Section of interpretation result of two-dimensional seismic DZX2

根据构造演化分析成果，研究区背斜轴部发育的断裂主要在燕山晚期初始形成，这些断裂在初始形成时虽切穿了龙马溪组，但并未至三叠系层位，保存条件未受明显影响，仅在喜山期地层强烈抬升，背斜轴部龙马溪组及以上地层被剥蚀，龙马溪组地层露头附近保存条件受到一定的影响。其他区域断裂不甚发育，上覆地层未被明显破坏，具有利于页岩气保存的构造条件。

2.5.2 埋深 目的层埋深为0～3 000 m，石屏—大村整体呈深—浅—深的趋势(图12)。石屏单斜由南东至北西页岩埋深逐渐增加，大村向斜由其两翼至核部页岩埋深逐渐增加，核部深处达3 200 m。绝大部分区域(约90%)埋深为1 500～3 000 m，为现今页岩气集中勘探开发的深度区间。

2.5.3 顶底板条件 目的层底板临湘组—宝塔组灰岩分布稳定，岩性致密，厚度大，具有较好的封闭性(梁兴等，2021)；顶板为龙马溪组上段粉砂质页岩、泥质粉砂岩及泥灰岩互层，是一套很好的封盖层。

3 勘探前景

图12 石屏—大材地区埋深等值线(预测)1-龙马溪剥蚀线；2-埋深等值线；3-背斜；4-地名；5-研究区Fig. 12 Buried depth isoline (prediction) of Shiping-Dacun area

川南地区已成为我国目前最大的页岩气生产基地。距研究区120 km北西方向的长宁国家级页岩气示范区长宁区块于2010年取得突破，截至2020年5月，日产气量突破1 500万m3，累计生产页岩气达100亿m3，成为中石油首个百亿方页岩气田。距研究区60 km以西的昭通国家级页岩气示范区太阳—大寨区块已提交页岩气地质储量1 887.94亿m3，推动建设浅层页岩气12亿m3产能。

表1 研究区主要地质参数对比Table 1 Comparison of main geological parameters in the study area

通过对比可见，研究区的储层厚度、有机碳含量、脆性矿物等主要静态地质参数较之建产的长宁、太阳区块具有一定的类似性和可比性。总体认为，研究区具有较好的勘探开发潜力。其中，古蔺复式背斜西翼(石屏单斜区)1 500 m以深为最有利区，面积为25 km2，wTOC>3.5%，储层连续厚度在25～30 m之间，Ro值在2.5%～3.0%之间，距离露头超过5 km，构造变形相对较弱，地层倾角较小，在10°～15°之间，保存条件相对较好，估算页岩气资源量为100亿m3；大村向斜区域为较有利区，面积为70 km2，wTOC在2.0%～3.0%之间，储层连续厚度在20～25 m之间，Ro值在2.0%～2.5%之间，埋深在1 000～3 000 m之间，距露头2～3 km，地层倾角相对较大(>25°)，构造变形较强，保存条件一般，估算页岩气资源量为250亿m3。

综上，石屏单斜深部靠近四川盆地内部区域为下一步勘探评价的最有利区，因此建议在古蔺复式背斜西翼(石屏单斜)实施先导试验井，落实目的层段含气性及产气、产水指标。

4 结 论

(1)研究区龙马溪组页岩厚度分布稳定、TOC质量分数高，含气性好，成烃控储好，具有形成气藏的物质基础。

(2)富有机质页岩以粒间孔、粒内孔及溶蚀孔最为发育，连通性较好；孔径<10 nm的孔隙贡献了90%以上的比表面积，为甲烷提供了大量的吸附点位；脆性矿物指数平均值>60%，易于体积压裂改造。

(3)研究区构造形态相对完整，龙马溪组顶底板封隔性好，埋深适中(<3 km)，在露头附近保存条件较差，往深部保存条件变好。

(4)研究区静态地质参数与建产的长宁、太阳区块有一定的相似性，具有一定的勘探开发前景。