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四川盆地下古生界存在页岩气的地球化学依据

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四川 盆地 下古生界 存在 页岩 地球化学 依据
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    3 本 文 为 国 家 科 技 重 大 专 项 课 题 (2008 部 分 成 果 。作 者 简 介 :王 兰 生 ,1959 年 生 ,教 授 级 高 级 工 程 师 ;主 要 从 事 油 气 地 球 化 学 研 究 工 作 。 地 址 : (610051) 四 川 省 成 都 市 府 青路 一 段 1 号 。 电 话 : (028) 86015625。 盆 地 下 古 生 界 存 在 页 岩 气 的 地 球 化 学 依 据 3王 兰 生   邹 春 艳   郑 平   陈 盛 吉   张 琦   许 斌   李 红 卫中 国 石 油 西 南 油 气 田 公 司 勘 探 开 发 研 究 院王 兰 生 等 . 四 川 盆 地 下 古 生 界 存 在 页 岩 气 的 地 球 化 学 依 据 . 天 然 气 工 业 ,2009 ,29 (5) : 要   四 川 盆 地 寒 武 系 底 部 和 志 留 系 底 部 各 存 在 一 套 良 好 的 高 成 熟 度 、 高 有 机 质 丰 度 、 类 型 好 的 烃 源 岩 ,所生 成 的 天 然 气 均 为 腐 泥 型 有 机 质 形 成 的 油 型 气 ,均 可 作 为 页 岩 气 的 勘 探 目 标 。 下 寒 武 统 页 岩 烃 源 岩 以 川 西 南 地 区厚 度 最 大 ,呈 辐 射 状 减 薄 ,其 累 计 厚 度 在 100~ 400 m 之 间 ,有 机 碳 含 量 在 0. 2 %~ 9. 98 %之 间 ,平 均 值 为 0. 97 % ;下志 留 统 页 岩 烃 源 岩 主 要 分 布 在 川 南 、 川 东 地 区 ,累 计 厚 度 在 100~ 700 m 之 间 ,平 均 厚 度 为 203 m ,其 中 黑 色 页 岩 厚度 变 化 在 20~ 120 m 之 间 ,富 含 笔 石 ,有 机 碳 含 量 在 0. 4 %~ 1. 6 %之 间 ,有 机 质 类 型 主 要 为 腐 泥 型 干 酪 根 ,生 烃 能力 强 ,热 演 化 程 度 高 ,已 演 化 至 过 成 熟 阶 段 ,目 前 生 烃 已 近 枯 竭 ,但 也 说 明 它 的 生 烃 能 力 巨 大 ,历 史 上 曾 经 大 量 生 成天 然 气 。 从 其 成 熟 度 、 运 聚 条 件 和 矿 物 成 分 比 较 分 析 后 认 为 :四 川 盆 地 页 岩 气 勘 探 开 发 的 首 选 目 标 应 为 川 南 下 志留 统 页 岩 。关 键 词   四 川 盆 地   寒 武 纪   志 留 纪   页 岩 气   勘 探   目 标10. 3787/ j. 100020976. 2009. 05. 0110   引 言四 川 盆 地 存 在 丰 富 的 泥 页 岩 。 从 传 统 的 石 油 天然 气 地 质 学 角 度 看 ,它 们 是 盆 地 内 良 好 的 烃 源 层 和 盖层 。 但 从 国 内 外 的 勘 探 实 践 看 ,在 适 当 的 地 质 背 景下 ,采 用 合 适 的 钻 采 工 艺 ,页 岩 也 会 成 为 有 效 的 产 层 。就 四 川 盆 地 而 言 ,其 下 古 生 界 寒 武 系 、 下 志 留统 、 奥 陶 系 大 乘 寺 组 以 及 上 三 叠 统 须 家 河 组 等 层 系都 存 在 大 套 页 岩 ,其 中 的 黑 色 页 岩 又 都 有 很 好 的 烃源 岩 。 但 从 美 国 地 岩 存 在的 地 质 背 景 [1 ,2 ]可 以 看 出 ,页 岩 气 的 存 在 需 要 两 个 基本 的 地 质 条 件 : ① 页 岩 本 身 应 当 是 良 好 的 烃 源 岩 ,并达 到 生 气 阶 段 ,具 备 强 大 的 生 气 能 力 ,这 可 以 看 成 是页 岩 气 勘 探 开 发 的 地 质 基 础 ; ② 产 气 页 岩 夹 于 两 套碳 酸 盐 岩 硬 岩 层 之 间 ,这 可 以 看 成 是 页 岩 气 开 采 技术 的 工 艺 要 求 。 依 此 衡 量 ,奥 陶 系 大 乘 寺 组 页 岩 不满 足 第 1 个 条 件 ,而 上 三 叠 统 须 家 河 组 页 岩 不 满 足第 2 个 条 件 。 所 以 认 为 四 川 盆 地 页 岩 气 勘 探 的 主 要领 域 首 先 应 在 寒 武 系 和 志 留 系 的 页 岩 中 选 择 。 笔 者将 通 过 四 川 盆 地 寒 武 系 和 志 留 系 页 岩 的 地 球 化 学 特征 对 比 ,提 出 四 川 盆 地 页 岩 气 勘 探 开 发 的 首 选 层 系 。1   四 川 盆 地 寒 武 系 页 岩 地 球 化 学 特 征四 川 盆 地 寒 武 系 页 岩 的 地 球 化 学 基 本 特 征 是 厚度 大 ,有 机 碳 含 量 高 ,类 型 好 ,有 机 质 热 演 化 程 度 高 [3 ] 。四 川 盆 地 下 寒 武 统 存 在 丰 富 的 页 岩 烃 源 岩 ,以川 西 南 地 区 厚 度 最 大 ,呈 辐 射 状 减 薄 ,其 累 计 厚 度 一般 在 100~ 400 m 之 间 (见 图 1) 。图 1   四 川 盆 地 寒 武 系 烃 源 岩 厚 度 图盆 地 内 寒 武 系 有 机 碳 含 量 一 般 在 0. 2 %~9. 98 %之 间 , 159 个 样 品 的 有 机 碳 含 量 平 均 值 为·95·第 29 卷 第 5 期                                 天   然   气   工   业                             地 质 与 勘 探0. 97 %(图 2) 。 有 机 质 成 分 以 腐 泥 组 为 主 (占 95 %以 上 ) ,无 定 形 ,扫 描 电 镜 下 为 松 软 的 絮 状 体 ,干 酪 根碳 同 位 素 一 般 为 - 27 ‰ ~ - 31 ‰ ,氯 仿 沥 青 “ A” 中 饱和 烃 含 量 高 ( 40 %~ 60 %) ,芳 烃 含 量 低 ( 11 %~15 %) ,沥 青 质 含 量 低 (3 %~ 15 %) ,饱 芳 比 高 (3~5) 。 表 明 原 始 有 机 物 主 要 为 盆 地 相 中 的 低 等 水 生 生物 ,按 (1984) 的 分 类 属 生 烃 能 力 极 强 的 腐泥 型 干 酪 根 。图 2   四 川 盆 地 寒 武 系 烃 源 岩 有 机 碳 含 量 等 值 线 图四 川 盆 地 下 寒 武 统 页 岩 总 体 热 演 化 程 度 高 ,除广 元 矿 山 梁 地 区 成 熟 度 较 低 ( 0. 59 %) 外 ,盆 地内 其 他 地 区 均 已 达 过 成 熟 阶 段 。 其 中 又 以 大 巴 山 前缘 和 乐 山 龙 女 寺 古 隆 起 相 对 略 低 ( 2. 48 %~3. 5 %) ,宜 宾 地 区 、 盆 地 北 部 及 川 湘 凹 陷 带 相 对 较 高( 4. 0 %以 上 ) ,总 体 展 布 格 局 是 由 乐 山 — 龙 女寺 古 隆 起 向 四 周 成 熟 度 逐 渐 增 高 (图 3) 。 寒 武 系 成熟 度 的 这 种 展 布 特 点 与 区 域 性 的 古 隆 起 和 凹 陷 带 的图 3   四 川 盆 地 寒 武 系 烃 源 岩 成 熟 度 ( 值 线 图继 承 性 发 展 、 古 断 裂 的 活 动 密 切 相 关 ,它 们 是 控 制 寒武 系 热 演 化 的 重 要 因 素 。根 据 高 科 1 井 的 沉 积 埋 藏 史 图 (图 4) 可 见 ,乐山 — 龙 女 寺 古 隆 起 区 下 寒 武 统 源 岩 经 历 了 埋 藏 — 抬升 (剥 蚀 ) — 再 埋 藏 — 再 抬 升 的 演 化 过 程 。 其 有 机 质生 烃 史 可 分 为 三 期 :第 一 期 为 初 始 生 烃 阶 段 :高 科 1井 下 寒 武 统 源 岩 在 志 留 纪 末 已 达 0. 7 % ,处 于未 成 熟 — 低 成 熟 生 烃 期 ;第 二 期 为 生 烃 停 滞 阶 段 ,由于 加 里 东 运 动 的 抬 升 作 用 ,该 井 下 寒 武 统 源 岩 埋 深变 浅 并 遭 受 剥 蚀 ,古 地 温 降 低 ,有 机 质 进 入 生 烃 滞 流阶 段 ;第 三 期 为 “ 二 次 生 烃 ” 阶 段 :从 二 叠 系 开 始 至 二叠 系 末 ,下 寒 武 统 源 岩 埋 藏 深 度 及 其 所 具 有 的 古 地温 已 超 过 了 初 始 生 烃 阶 段 ,源 岩 进 入 了 二 次 生 烃 阶段 。 此 时 ,高 科 1 井 源 岩 已 达 0. 71 % ,有机 质 开 始 继 续 生 烃 。 印 支 末 期 ,高 科 1 井 源 岩 已 达 0. 97 %而 进 入 生 烃 高 峰 。 燕 山 期 该 井 源 岩 已 达 2. 23 % ,有 机 质 大 量 生 成 湿 气 及 油 裂解 气 。 喜 山 期 ,该 区 源 岩 进 入 过 成 熟 末 期 ,现 今 实 测最 高 已 达 3. 75 % ,表 明 该 区 下 寒 武 统 源 岩 目 前生 烃 已 近 枯 竭 ,但 也 说 明 它 的 生 烃 能 力 巨 大 ,历 史 上曾 经 大 量 生 烃 (表 1) 。图 4   高 科 1 井 沉 积 埋 藏 史 图表 1   高 科 1 井 各 地 质 时 期 末 下 寒 武 统 有 机 质 化 数 据 表   地 质 时 期 末 + 3末 O 末 S 末 D 末 C 末 J 1 末 J 3 末T T I 0. 11 0. 23 0. 79 1. 58 3. 36 4. 27 4. 66 4. 86 4. 96 6. 84 23. 86 38. 18 2 018. 22 %) 0. 34 0. 39 0. 50 0. 57 0. 70 0. 70 0. 71 0. 75 0. 97 1. 05 2. 23·06·地 质 与 勘 探                             天   然   气   工   业                                   2009 年 5 月2   四 川 盆 地 志 留 系 页 岩 地 球 化 学 特 征在 四 川 盆 地 下 志 留 统 龙 马 溪 组 下 部 也 存 在 一 套烃 源 岩 。 并 且 与 寒 武 系 九 老 洞 组 一 样 呈 现 出 有 机 碳丰 度 高 ,类 型 好 ,有 机 质 成 熟 度 高 的 特 点 [4 ] 。 只 是 在乐 山 — 龙 女 寺 古 隆 起 顶 部 志 留 系 下 统 缺 失 ,烃 源 岩主 要 分 布 在 川 南 、 川 东 地 区 ,累 计 厚 度 在 100~ 700m 之 间 ,平 均 厚 度 203 m (图 5) ,其 中 黑 色 页 岩 厚 度变 化 于 20~ 120 m 之 间 。图 5   四 川 盆 地 志 留 系 烃 源 岩 厚 度 图四 川 盆 地 下 志 留 统 泥 质 烃 源 岩 富 含 笔 石 ,有 机碳 含 量 一 般 介 于 0. 4 %~ 1. 6 %之 间 ,在 川 南 、 川 东 和川 东 北 地 区 较 高 ,普 遍 大 于 1 %(图 6) 。 干 酪 根 δ 13 30 ‰ 左 右 ,镜 下 有 机 质 呈 无 定 型 ,表 明 有 机 质 类型 主 要 为 腐 泥 型 ,生 烃 能 力 强 。图 6   四 川 盆 地 志 留 系 烃 源 岩 有 机 碳 含 量 等 值 线 图四 川 盆 地 下 志 留 统 泥 质 烃 源 岩 为 2. 2 %~4. 0 % ,已 演 化 至 过 成 熟 阶 段 。 川 南 地 区 成 熟 度 较低 ,普 遍 小 于 2. 8 % (图 7) 。 晚 二 叠 世 末 ,志 留 系 源岩 演 化 至 0. 9 % ,开 始 进 入 成 油 期 。 三 叠 纪 之后 ,由 于 沉 积 速 度 加 快 ,志 留 系 埋 藏 速 率 也 相 应 加快 ,志 留 系 烃 源 岩 在 压 力 和 温 度 作 用 下 ,热 演 化 加速 。 到 中 三 叠 世 末 时 ,很 多 地 区 的 已 迅 速 演 化至 1. 3 %。 志 留 系 烃 源 岩 生 成 大 量 的 液 态 烃 。 中 侏罗 世 后 ,沉 积 作 用 仍 然 快 速 进 行 ,志 留 系 地 层 仍 处 于快 速 埋 藏 状 态 , 从 1. 3 %迅 速 演 化 至 2. 2 % ,有机 质 演 化 至 高 成 熟 期 ,处 于 湿 气 转 化 阶 段 。 从 白 垩系 开 始 ,大 部 分 地 区 的 志 留 系 烃 源 岩 有 机 质 都超 过 了 3 % ,进 入 过 成 熟 期 ,主 要 形 成 干 气 。图 7   四 川 盆 地 志 留 系 烃 源 岩 成 熟 度 值 线 图3   页 岩 气 勘 探 开 发 前 景 比 较上 述 资 料 表 明 ,四 川 盆 地 寒 武 系 底 部 和 志 留 系底 部 各 存 在 一 套 良 好 的 高 成 熟 度 、 高 有 机 质 丰 度 的烃 源 岩 ,所 生 成 的 天 然 气 均 为 腐 泥 型 有 机 质 形 成 的油 型 气 ,它 们 都 可 以 作 为 页 岩 气 的 勘 探 目 标 。但 比 较 四 川 盆 地 寒 武 系 和 志 留 系 页 岩 ,笔 者 认为 ,四 川 盆 地 页 岩 气 勘 探 开 发 的 首 选 目 标 应 为 川 南志 留 系 ,理 由 如 下 : ① 尽 管 寒 武 系 和 志 留 系 烃 源 岩 都有 较 高 的 有 机 碳 丰 度 和 较 好 的 有 机 质 类 型 ,但 志 留系 烃 源 岩 的 成 熟 度 略 低 于 寒 武 系 。 ② 运 聚 条 件 不同 ,志 留 系 烃 源 岩 在 川 南 地 区 生 烃 强 度 大 于 川 东 地区 ,但 在 川 东 地 区 ,石 炭 系 直 接 覆 盖 在 志 留 系 之 上 ,由 于 石 炭 系 有 较 好 的 渗 储 条 件 ,所 以 形 成 大 中 型 气田 [5 ] ,而 川 南 地 区 虽 处 生 烃 凹 陷 ,但 由 于 石 炭 系 缺失 ,所 以 二 叠 系 直 接 覆 盖 在 志 留 系 之 上 ,而 二 叠 系 孔隙 不 发 育 ,渗 储 空 间 主 要 为 裂 缝 。 已 有 的 研 究 表 明 ,二 叠 系 甚 至 三 叠 系 嘉 陵 江 组 都 有 天 然 气 来 自 志 留系 ,但 没 有 形 成 向 石 炭 系 那 样 的 大 气 田 。 显 然 川 南地 区 志 留 系 排 烃 程 度 没 有 川 东 地 区 高 ,换 句 话 说 ,滞留 在 川 南 志 留 系 中 的 天 然 气 应 当 较 多 。 据 不 完 全 统计 ,川 南 地 区 钻 遇 志 留 系 有 气 显 示 的 井 有 8 口 ,也 说明 这 一 现 象 。 寒 武 系 生 烃 条 件 最 好 的 地 区 是 川 西 南地 区 ,而 它 受 乐 山 龙 女 寺 古 隆 起 的 影 响 较 大 ,具 备 向震 旦 系 输 气 的 条 件 ,也 就 是 说 它 自 身 滞 留 天 然 气 的·16·第 29 卷 第 5 期                                 天   然   气   工   业                             地 质 与 勘 探条 件 不 如 川 南 志 留 系 。 ③ 矿 物 成 分 不 同 。 从 表 2 可见 ,威 远 地 区 寒 武 系 页 岩 的 石 英 含 量 与 志 留 系 差 不多 ,但 黏 土 含 量 低 于 志 留 系 的 页 岩 ,而 黏 土 与 吸 附 气的 多 少 有 关 ,石 英 则 与 造 缝 能 力 相 关 。表 2   威 远 地 区 寒 武 系 页 岩 与 志 留 系 样 品 矿 物 平 均 含 量 比 较 表    井 号  层位  样 品个 数矿 物 平 均 含 量 (质 量 分 数 , %)黏 土总 量 石 英 斜 长 石 方 解 石 白 云 石 石 膏 方 沸 石 正 长 石 菱 铁 矿无 水芒 硝 黄 铁 矿  威 00122 井  130 15. 8 58. 6 23 2. 62 4. 5 少 见 少 见 少 见 少 见 少 见 少 见  威 0012  86 19. 2 68. 1 19 3. 13 5. 5 少 见 少 见 少 见 少 见 少 见 少 见  威 92 井    9 20. 6 59. 6 25 3. 76 8. 9 少 见 少 见 少 见 少 见 少 见 少 见  威 92 井  S    9 30. 4 65. 3 少 见 16. 2 3. 7 少 见 少 见 少 见 少 见 少 见 少 见  威 寒 103 井  S    8 40. 8 45. 1 少 见 7. 16 2 少 见 少 见 少 见 少 见 少 见 少 见  威 寒 104 井  S  32 26. 5 76. 2 9. 1 4. 35 3. 6 少 见 少 见 少 见 少 见 少 见 少 见  威 寒 105 井  S  15 39. 1 59. 1 少 见 9. 41 7. 6 少 见 少 见 少 见 少 见 少 见 少 见4   结 论四 川 盆 地 寒 武 系 底 部 和 志 留 系 底 部 各 存 在 一 套良 好 的 高 成 熟 度 、 高 有 机 质 丰 度 的 烃 源 岩 ,所 生 成 的天 然 气 均 为 腐 泥 型 有 机 质 形 成 的 油 型 气 ,它 们 都 可以 作 为 页 岩 气 的 勘 探 目 标 。 但 从 其 成 熟 度 、 运 聚 条件 和 矿 物 成 分 比 较 ,认 为 四 川 盆 地 页 岩 气 勘 探 开 发的 首 选 目 标 应 为 川 南 志 留 系 。参   考   文   献[1 ] 张 林 晔 ,李 政 ,朱 日 房 . 页 岩 气 的 形 成 与 开 发 [J ]. 天 然 气工 业 ,2009 ,29 (1) :1242128.[2 ] 张 金 川 ,金 之 钧 ,袁 明 生 . 页 岩 气 成 藏 机 理 和 分 布 [J ]. 天然 气 工 业 ,2004 ,24 (7) :15218.[3 ] 冉 隆 辉 ,谢 姚 祥 ,王 兰 生 . 从 四 川 盆 地 解 读 中 国 南 方 海 相碳 酸 盐 岩 油 气 勘 探 [J ]. 石 油 与 天 然 气 地 质 ,2006 ,27 (3) :13218.[4 ] 王 兰 生 ,陈 盛 吉 ,杨 家 静 . 川 东 石 炭 系 天 然 气 成 藏 的 地 球化 学 模 式 [J ]. 天 然 气 工 业 ,2002 ,22 (增 刊 ) :1202124.[5 ] 王 兰 生 ,李 宗 银 ,沈 平 . 四 川 盆 地 东 部 大 中 型 气 藏 成 烃 条件 分 析 [J ] 气 地 球 科 学 ,2004 ,15 (6) :529.(收 稿 日 期   2009203216   编 辑   韩 晓 渝 )21 世 纪 初 的 美 国 页 岩 气 勘 探 开 发 情 况2000 年 以 来 ,由 于 相 关 勘 探 开 发 技 术 得 到 了 广 泛 应 用 ,页 岩 气 的 年 产 量 和 经 济 、 技 术 可 采 储 量 迅 速 攀 升 。 2000 年 ,美 国 页岩 气 年 产 量 为 122 × 108 2002 年 、 2004 年 页 岩 气 产 量 分 别 占 其 天 然 气 总 产 量 的 3 %和 4 % ;美 国 联 邦 地 质 调 查 局 (究 数 据 表 明 , 地 中 部 页 岩 气 技 术 可 采 储 量 由 390 × 108 1990) 、 840 × 108 1996)提高 到 2004 年 的 7 300 × 108 2004) ,美 国 天 然 气 研 究 所 与 ( )的 研 究数 据 表 明 ,2005 年 页 岩 气 技 术 可 采 储 量 为 11 000 × 108 截 至 2006 年 ,美 国 有 页 岩 气 井 40 000 余 口 ,页 岩 气 年 生 产 量 为 311× 108 占 天 然 气 总 产 量 的 6 %。 2007 年 美 国 页 岩 气 生 产 井 近 42 000 口 ,页 岩 气 年 产 量 为 450 × 108 约 占 美 国 年 天 然 气总 产 量 的 8 % ,参 与 页 岩 气 开 发 的 石 油 企 业 从 2005 年 的 23 家 发 展 到 2007 年 的 64 家 。 根 据 页 岩 气 可 采 资 源 底 数 和 开 采 潜 力 ,页 岩 气 可 能 成 为 继 致 密 砂 岩 气 和 煤 层 气 之 后 的 第 三 种 重 要 资 源 。(谭 蓉 蓉   整 理 自 《 美 国 页 岩 气 快 速 发 展 对 我 们 的 启 示 》 )·26·地 质 与 勘 探                             天   然   气   工   业                                   2009 年 5 月e/ in to be of in is it to in is by of of in so to in is in L be as in of to a by 10. 3787/ j. 100020976. 2009. 05. 010of , 963 , is in on of 1 , 1 , d. , 10051 ,P. R. + 8622828601 5679     of in N G N L I et x an d hw f p d u 610051 , 9 , , 59262 , 5/ 25/ 2009. ( 00020976 ; is a of of in to be as of in in 00 2 400 m 2 % 2 9. 98 % an . 97 % ; in 00 2 700 m an 03 m. is in is 0 2 120 m . 4 % 2 1. 6 % , it to is at it of in of in be as in by on 10. 3787/ j. 100020976. 2009. 05. 011of , 959 , is in on 1 , 1 , d. , 10051 ,P. R. + 8622828601 5625     in N N L I L I . C o. , L t d. , d u 610051 , 2. f d p d u 610051 , 9 , , 63266 , 5/ 25/ 2009. ( 00020976 ; is in It an 31·M E 29 , 5 ,2009                                   5 ,2009  
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