2020, Vol. 32
2. 长安大学 地球科学与资源学院, 西安 710064
2. School of Earth Science and Resources, Chang'an University, Xi'an 710064, China
我国页岩气资源量可达上百万亿方，勘探前景巨大，近年来页岩气的相关研究受到很大的关注[1-2]。南方海相古生界和华北地区石炭—二叠系为我国页岩气重点领域，其中下古生界海相页岩(尤其四川盆地)是页岩气重点勘探层位[3-6]。随着四川盆地外围区下古生界页岩气探勘的突破[7-9]，对塔里木、鄂尔多斯、四川等盆地的元古界—寒武系的深层、超深层生烃评价、成藏条件分析也逐渐成为研究热点[10-13]，标志着页岩气勘探领域的不断扩展。北大巴山地区处于我国南方油气区北缘，发育有良好的下古生界海相页岩，具有形成大型油气田良好的物质基础，但是由于该区构造变形强烈，缺乏对区内烃源岩特征的认识，下寒武统一直以来被认为不具有油气勘探价值[14]，直至近年该区的石油地质调查及研究才开始受到关注。
北大巴山地区城—巴断裂两侧城浅1井、城页1井的钻探表明下寒武统鲁家坪组页岩解析气的质量体积为0.045~24 m3/t[14-16]，预示该地区具有页岩油气勘探潜力。地质调查也在该地区发现了油苗、沥青点[17]。因此，亟须进一步了解、评价该地区鲁家坪组烃源岩的勘探潜力。
对北大巴山地区安康、镇巴等地的下寒武统鲁家坪组28个烃源岩样品进行TOC测试，部分样品分析岩石热解、饱和烃气相色谱等，在分析该区鲁家坪组的烃源岩类型、生烃潜力的同时，结合鲁家坪组页岩的厚度分布、储集性能和热演化条件，以期探讨北大巴山地区鲁家坪组在页岩气领域的勘探意义。
1 区域地质背景北大巴山地区在大地构造上位于上扬子板块与华北板块间的南秦岭微地块上，夹持于石泉—安康断裂和城口—房县断裂之间，研究区内主要发育逆冲推覆构造[18]，红椿坝断裂进一步将北大巴山推覆构造分割为紫阳—平利韧性滑脱逆冲推覆带和高滩—兵房街滑脱逆冲推覆带(图 1)。
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下载原图 图 1 北大巴山地区鲁家坪组暗色页岩厚度图(据文献[14]修改) Fig. 1 Contour map of shale thickness of Lujiaping Formation in northern Dabashan area |
鲁家坪组的命名地为紫阳县瓦庙镇鲁家坪村，该组沿大巴山断裂带状出露，主要集中在巴山弧形断裂与月河断裂之间的高滩—兵房街地层小区和紫阳—平利地层小区(图 1)。与相邻的四川盆地及川北米仓山地层小区的牛蹄塘组层位相当[19]。
根据岩性变化，鲁家坪组可分为上段、中段、下段(图 2)。在紫阳县出露的厚度为671.47 m，下段的厚度为177.6 m(1—9层)，岩性为黑色、灰黑色或深灰色板岩夹多层灰岩、泥质灰岩，向上灰岩逐渐增多，且含硅质条带/团块的粉晶灰岩中含Protohertzina，Paramobergella，Anabarites等小壳化石；中段的厚度为288.56 m(10—16层)，岩性为黑灰色薄层-块状硅质岩偶夹灰岩，顶部含薄—中厚层状毒重石矿层；上段的厚度为205.31 m(17—20层)，岩性为黑灰色炭质板岩和钙质板岩、薄层灰岩组成。岚皋县出露的厚度为312 m，上段的厚度为78 m，岩性为炭质粉砂质页岩和炭质页岩；中段的厚度为168 m，以炭质粉砂质页岩为主；下段的厚度为66 m，以炭质页岩为主。城口县出露的厚度为540 m，上段厚度为180 m，岩性为粉砂质页岩层；中段的厚度为192 m，岩性为炭质粉砂质页岩层；下段的厚度为168 m，岩性为炭质页岩层。
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下载原图 图 2 北大巴山地区鲁家坪组岩性剖面及采样位置图 Fig. 2 Lithology profile and sampling location of Lujiaping Formation in northern Dabashan area |
本次研究在重庆市城口县北屏乡、陕西省安康市岚皋县佐龙镇以及紫阳县毛坝镇、麻柳镇等地采集28个鲁家坪组暗色页岩样品(参见图 1—2)，25个样品处于鲁家坪组中段—上段，3个样品处于鲁家坪组下段，具体岩性为炭质板岩、粉砂质页岩、硅质页岩，部分样品的晶粒间被炭质或泥质充填，常见方解石脉。全岩定量检测分析结果表明该组页岩主要由石英、方解石、铁白云石、钾长石、斜长石、黄铁矿和黏土矿物组成(表 1)。
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下载CSV 表 1 北大巴山地区鲁家坪组暗色页岩全岩定量检测 Table 1 Quantitative detection of whole rock of source rock of Lujiaping Formation in northern Dabashan area |
所采集样品均在长江大学地球化学实验室完成地球化学化验分析。对28个样品做了TOC测试(参见图 2)，其中部分样品做了岩石热解(Rock-Eval)、氯仿沥青“A”和RO等测试(表 2)。地球化学化验分析都是在温度为25℃，湿度为50%RH的条件下进行的。
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下载CSV 表 2 北大巴山地区鲁家坪组烃源岩有机质丰度及成熟度 Table 2 Organic matter abundance and maturity test data of source rock of Lujiaping Formation in northern Dabashan area |
本次岩石热解测试是采用OGE-VI油气显示评价仪检测，检测标准为GB/T18602—2012；Ro测定是采用显微镜光度计(MPV-3)进行检测，检测标准为SY/T 5124—2012；氯仿沥青“A”和族组分测定均采用AE240分析仪，检测标准分别为SY/T5118— 2005，SY/T5119—2016。
3 烃源岩生烃潜力评价 3.1 有机质丰度评价我国中、西部盆地下寒武统、中上奥陶统、志留系海相烃源岩有机质成熟度较高，残余TOC相对较低，海相泥质烃源岩TOC质量分数标准下限为0.05%~0.50%[20-25]。
TOC测试采用CS-30碳硫分析仪进行，检测标准为GB/T19145—2003。28个测试样品的TOC质量分数为0.182%~9.063%(图 2)，平均值为3.21%。其中TOC质量分数> 5%的样品占比为21.4%，TOC质量分数为2%~5%的样品占比为39.3%，TOC质量分数为1%~2%的样品占比为17.9%，TOC质量分数＜1%的样品占比仅为21.4%。将近80%的样品TOC值达到有效烃源岩标准[21]，96.4%的样品均达到高成熟烃源岩TOC质量分数的门槛值0.3%[20]。
3.2 有机质类型评价 3.2.1 干酪根显微组分分析北大巴山地区鲁家坪组属于深水陆棚相，发育水平层理、块状层理。发育炭质页岩、粉砂质页岩、硅质及钙质泥页岩(图 3)，炭质板岩中含浸染状、结核状黄铁矿。烃源岩中有机质炭化严重，荧光显微镜下干酪根有机显微组分呈黑色，且不显荧光，无固定的外形轮廓，呈棉絮状(图 4)；组分以腐泥组分为主，含少量的镜质组和惰质组。
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下载原图 图 3 北大巴山地区鲁家坪组烃源岩野外剖面照片 (a)岚皋县佐龙镇，a152样品，鲁家坪组中段，炭质板岩；(b)城口县北屏乡，a196样品，鲁家坪组下段，灰黑色炭质硅质板岩；(c)紫阳县毛坝镇，a80样品，鲁家坪组中段，含炭硅质板岩 Fig. 3 Photos of source rock of Lujiaping Formation in northern Dabashan area |
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下载原图 图 4 北大巴山地区鲁家坪组烃源岩干酪根显微照片 (a)紫阳县毛坝镇，a39号样品，鲁家坪组上段，黑灰色炭质板岩，单偏光；(b)紫阳县毛坝镇，a64号样品，鲁家坪组中段，黑灰色薄层硅质岩，单偏光；(c)岚皋县佐龙镇，a148号样品，鲁家坪组中段，炭质粉砂质页岩，单偏光 Fig. 4 Micrograph of kerogen of source rock of Lujiaping Formation in northern Dabashan area |
3个样品的饱和烃气相色谱分析采用安捷伦5975气相色谱仪，检测标准为DZ51—1987；a39号样品和a64号样品的m/z191和m/z217色谱质谱分析采用安捷伦气质联用仪，检测标准为GB/T18606—2017。
生物标志化合物是未遭生物降解，能保留生物来源信息的有机物。只有在生物降解程度不明显时，各生物标志物参数才是有效的[26-27]。在本次样品的饱和烃中检出了有完整碳数的正构烷烃(C15—C33)以及姥鲛烷(Pr)和植烷(Ph)(图 5)；萜烷类本次检出了三环萜烷、四环萜烷，以及五环三萜烷等萜烷类，其中包含伽马蜡烷(图 6)，且帖烷类相对含量具有五环三萜烷>三环萜烷>四环萜烷的特征；甾烷类检出孕甾烷、升孕甾烷、规则甾烷、重排甾烷，未检出4-甲基甾烷等甾烷类化合物(图 7)，表明样品受到生物降解作用不强[26]，生物标志化合物数据仍可作为有机质来源、热演化阶段的佐证。
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下载原图 图 5 北大巴山地区鲁家坪组烃源岩饱和烃质量色谱图 Fig. 5 Gas chromatography of saturated hydrocarbon M/z85 of source rocks of Lujiaping Formation in northern Dabashan area |
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下载原图 图 6 北大巴山地区鲁家坪组烃源岩萜烷质量色谱图 Fig. 6 Gas chromatography of saturated hydrocarbon M/z191 of source rock of Lujiaping Formation in northern Dabashan area |
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下载原图 图 7 北大巴山地区鲁家坪烃源岩组甾烷质量色谱图 Fig. 7 Gas chromatography of saturated hydrocarbon M/z217 of source rock of Lujiaping Formation in northern Dabashan area |
生物标志化合物揭示有机质来源的证据有：北大巴山地区鲁家坪组烃源岩正构烷烃m/z85气相色谱图呈前单峰型(参见图 5)，主峰碳为C16~C19，以轻烃为主，w(nC21-)/w(nC22+)为5.99~6.30(表 3)，远> 1，反映了有机质来源为水生低等菌、藻类[28]；样品中检出的C27~C29规则甾烷，含量较高的三环萜烷，也反映有机质来源于低等水生藻类[28]。2个样品的碳同位素值较低，δ13CPDB为-32.4‰~-30.28‰，＜28‰(表 3)，反映了海相浮游藻类有机质来源[28]。
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下载CSV 表 3 北大巴山地区鲁家坪组烃源岩生物标志化合物参数 Table 3 Parameters of biomarkers of source rock of Lujiaping Formation in northern Dabashan area |
姥鲛烷/植烷w(Pr)/w(Ph)为1.47~1.73，平均为1.61(表 3)，较北大巴山紫阳地区鲁家坪组中段硅质岩中的w(Pr)/w(Ph)偏高[29]，因此，排除高成熟度导致的w(Pr)/w(Ph)增高原因后，可能反映弱还原环境[28]，w(伽马蜡烷)/w(αβC30藿烷)为0.12~0.13，＜0.2，显示沉积环境为淡水环境[28]。w(Pr/w(nC17为(0.69~0.93)%，平均为0.76%，分布于0.5%~ 1%之间；w(Ph)/w(nC18)为0.69%~0.81%，平均为0.75%，分布于0.6%~1%之间；显示有机质来源于海相、盐湖环境以及混合相环境(图 8)。规则甾烷含量C27 > C28＜C29，C27/C29≈1(图 9)，显示为河口或近岸半深水环境[28]。
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下载原图 图 8 北大巴山地区鲁家坪组烃源岩Pr/nC17与Ph/nC18交会图 Fig. 8 Cross plot of Intersection map of Pr/nC17 vs Ph/nC18 of Lujiaping Formation source rock in northern Dabashan area |
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下载原图 图 9 北大巴山地区鲁家坪组烃源岩规则甾烷相对含量图 Fig. 9 Regular sterane relative content map of Lujiaping Formation source rock in northern Dabashan area |
综合各类地球化学数据表明，北大巴山地区鲁家坪组有机质类型为Ⅰ型—Ⅱ1型，有机质主要来源于近岸低盐度浅海相环境中的藻、菌类。这种沉积环境特征与扬子地台北缘下寒武统筇竹寺组相似，且都存在Ⅱ1型有机质类型[30-31]。
3.3 有机质成熟度烃源岩Ro鉴测结果(参见表 2)表明，北大巴山地区鲁家坪组检测样品Ro为1.36%~2.56%，平均为1.86%，均> 1.3%，说明该区鲁家坪组烃源岩处于高成熟—过成熟阶段(图 10)[31]。
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下载原图 图 10 北大巴山地区鲁家坪组烃源岩Tmax与Ro交会图 Fig. 10 Cross plot of Tmax vs Ro of source rock of Lujiaping Formation in northern Dabashan area |
岩石热解分析结果(参见表 2)表明样品岩石最高热解峰温(Tmax)为418~530 ℃，平均为460 ℃，说明烃源岩处于高成熟阶段(图 10)[32]。
用生物标志化合物在判别成熟度时存在多解性，须要参考岩石热解和Ro。北大巴山地区鲁家坪组烃源岩生物标志化合物总体反映了有机质处于成熟—高成熟阶段，其证据包括：①奇偶碳优势(OEP)为1.23~1.30，平均为1.26；②碳优势指数(CPI)为1.15~1.20，平均为1.18。正构烷烃碳数奇偶性不明显，应是成熟度较高，导致有机质裂解造成的。③甾萜烷异构化程度w(C29ααα20 S)/ w(20 S+20 R)为0.52~0.55，> 0.42，接近异构化终极比值0.56，反映有机质已过生油高峰[33]；④w(C31霍烷22 S)/w(22 S+22 R)为0.56~0.57，≥ 0.56，反映有机质已达到热平衡；⑤w(孕甾烷+升孕甾烷)/ w(C27规则甾烷)为1.06~1.44，平均为1.19，反映了有机质成熟度较高(表 4)；⑥ w(Ts)/[w(Ts)+ w(Tm)]为0.50~0.52，平均为0.51，显示为成熟阶段(参见表 3)。
3.4 生烃潜力分析热解结果显示：鲁家坪组暗色页岩的热解烃和吸附烃(S1+S2)为0.042 7~0.496 9 mg/g，氯仿沥青“A”为0.001 9%~0.016 4%。该残余生烃潜力值(生烃潜力值)偏低。如果参照陈建平等[34]提出的中国海相烃源岩生烃潜力评价等级划分标准，则鲁家坪组暗色页岩属于非烃源岩(S1+S2＜0.5 mg/g)。实际上鲁家坪组烃源岩热演化程度高，该测量值并不能代表其原始的生烃潜力[34]。
Ⅰ型、Ⅱ型干酪根原始生烃潜力恢复系数较Ⅲ型干酪根高数倍乃至1~2个数量级。程克明等[35]恢复了华北地区寒武系碳酸盐岩烃源岩的生烃潜力，整体上原始生烃潜力为残余生烃潜力值的30倍。如果参考该恢复系数计算，S1+S2达到1.281~14.907 mg/g，研究区鲁家坪组原始生烃潜力可以达到中等—很好。
4 勘探意义分析 4.1 鲁家坪组烃源岩热演化分析晚寒武世时，鲁家坪组烃源岩热演化Ro达到0.55%，进入生烃门限并开始生油，而在中志留世时，鲁家坪组烃源岩热演化Ro达到1.3%，进入生气阶段并迅速达到生气高峰，直到二叠纪大规模生烃结束，生烃开始减缓(图 11)。印支期扬子板块向华北板块俯冲[36]，造成了上扬子板块北缘下寒武统发生大规模区域变质作用，使得鲁家坪组页岩发生变质。因此，鲁家坪组页岩经历了先生气后变质的过程。
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下载原图 图 11 城浅1井鲁家坪组热演化史(据文献[15]修改) Fig. 11 Thermal evolution history of Lujiaping Formation in well Chengqian 1 |
北大巴山地区鲁家坪组检测样品Ro值均> 1.3% (参见表 2)，表明烃源岩已进入生气阶段；Ro值主要为1.36%~2.56%，部分＜1.75%，平均值为1.86%，＜2%(参见表 2)，表明鲁家坪组烃源岩正处于热裂解生湿气阶段或深部高温生气阶段。其中毛坝镇样品Ro平均值均> 1.36%而＜2%(参见表 2)，表明该位置鲁家坪组烃源岩正处于热裂解生湿气阶段；佐龙镇样品Ro值均> 2%(参见表 2)，表明该位置鲁家坪组烃源岩正处于深部高温生气阶段。
4.2 鲁家坪组暗色页岩储集特征依据宁强、汉中、镇巴、城口等地的钻井数据[16-17, 37]和安康紫阳，汉中洋县、勉县、镇巴等地的露头资料[38]，绘制了北大巴山地区鲁家坪组暗色页岩厚度图(参见图 1)。北大巴山地区鲁家坪组暗色页岩厚度为0~250 m，岚皋一带厚度最大，且自南向北、自东向西厚度逐渐减小，实测北大巴山地区鲁家坪组地层剖面暗色烃源岩的平均厚度为80 m。
北大巴山地区鲁家坪组在露头上岩性主要为硅质板岩、炭质板岩，岩石中的石英、云母、黏土矿物呈似鳞片状，并定向排列。样品整体非常致密，但由于岩石中脆性矿物含量较高(参见表 1)，使其易发育微裂缝(裂隙宽度为0.5~3.0 μm，裂缝长度为5~200 μm)，另外也有一定数量的溶蚀孔隙(直径为2~20 μm)(图 12)，使其具有良好的自生自储条件。
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下载原图 图 12 北大巴山地区鲁家坪组页岩储层特征 (a)紫阳县毛坝镇，a51样品，鲁家坪组上段，中厚层状含炭钙泥质板岩，片丝状黏土矿物充填于泥晶白云石晶体之间，见溶蚀微孔隙，SEM；(b)紫阳县毛坝镇，a73样品，鲁家坪组中段，含炭硅质板岩，片丝状黏土矿物集合体排列具定向性，溶蚀微孔隙发育，SEM；(c)紫阳县毛坝镇，a75样品，鲁家坪组中段，含炭硅质板岩，片丝状黏土矿物集合体呈鳞片状结构，见片丝状黏土矿物层间微缝，SEM Fig. 12 Shale reservoir characteristics of Lujiaping Formation in northern Dabashan area |
前已述及，北大巴山地区鲁家坪组TOC含量高，原始生烃潜力及储集条件良好，具备形成页岩气藏的生、储条件。因此，保存条件是决定该地区是否具有页岩气藏形成的关键。
北大巴山地区出露地层为上元古界—中上志留统，下寒武统鲁家坪组经历了加里东期构造挤压及伴生的基性-超基性侵入、印支期(T)近南北向逆冲推覆挤压、中晚燕山期(J2—K1)的NE—SW向逆冲推覆挤压和伴生的火山活动[图 13(a)—(d)]以及喜山期NNE向的挤压[39-43]形成了北部强改造区、中部弱改造区和南部出露区。强烈的构造活动必然影响下寒武统鲁家坪组原生油气藏保存，导致部分油气藏遭受破坏，但下寒武统鲁家坪组由于自身厚度较大，钙质、硅质泥岩发育，自身可作为盖层，即使上覆地层遭受剥蚀，仍有可能在TOC含量高的暗色泥页岩、或者炭质泥岩层中存在的吸附气藏。有利的吸附气富集区为：①在中部弱改造区，逆冲断层上盘中上寒武统—志留系的地层厚度较大，下寒武统鲁家坪组位于下盘，遭受破坏的程度相对较小，有利于形成吸附型气藏[图 13(e)]；②在北部强改造区，由于断层糜棱岩侧向遮挡作用，有利于在逆冲断层下盘的鲁家坪组形成异常高压吸附型气藏[图 13(f)]。
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下载原图 图 13 北大巴山地区鲁家坪组构造演化及可能的气藏模式 Fig. 13 Structural evolution and possible gas reservoir models of Lujiaping Formation in northern Dabashan area |
(1) 北大巴山地区下寒武统鲁家坪组烃源岩有机质类型主要为Ⅰ型~Ⅱ1型，且丰度高，具有生气潜力，有机质可能来源于低盐度浅水海岸环境中的菌藻类；烃源岩已进入成熟—过成熟阶段，主要处于产湿气或干气阶段；原始生烃潜力较强。
(2) 北大巴山地区鲁家坪组烃源岩经历加里东期、印支期以及燕山期等多期构造运动的改造，原生油气藏遭到一定程度的破坏，但北大巴山地区鲁家坪组有效烃源岩厚度大、储层致密，并具有微米级微裂缝和溶孔，具备生储盖一体的良好条件；在中部弱改造区，鲁家坪组保存条件良好，在北部强改造区，具备断层侧向遮挡作用，有利于形成吸附型气藏和异常高压吸附型气藏，其均为下寒武统页岩气勘探的潜力区。
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