渝东南地区五峰组—龙马溪组页岩气储层流体地球化学特征——以酉参2井为例

黎 琼，欧光习，汪生秀，张 敏，吴 迪

(1. 核工业北京地质研究院，北京 100029； 2. 重庆地质矿产研究院 自然资源部页岩气资源勘查重点实验室，重庆 401120； 3. 重庆地质矿产研究院 页岩气勘探开发国家地方联合工程研究中心，重庆 401120)

0 引 言

近年来，国内外对油气资源需求迅速增加，常规油气早已不能满足需求，非常规油气的勘探与开发日益重要，其中页岩气的勘探开发已成为中国油气勘探的重要领域。2014年中国石油在蜀南地区长宁区块及昭通区块启动了页岩气资源的规模开发，2015年中国石化在重庆涪陵页岩气田进行了页岩气的商业开发。而在与涪陵页岩气田紧邻的渝东南地区也陆续钻探了秀页1井、渝页1井等页岩气井，证明渝东南地区具有丰富的页岩气资源。渝东南地区主要发育下寒武统牛蹄塘组和上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组两套主力烃源岩，其中五峰组—龙马溪组页岩具有厚度大、分布广和生烃能力强等特点。国内众多专家学者对渝东南地区及其邻区五峰组—龙马溪组页岩的沉积环境与地球化学特征[1-5]以及页岩气的地球化学特征[6-7]、成藏保存条件[8-15]和资源潜力[14-16]等开展了很多研究工作，但对五峰组—龙马溪组页岩气的成藏流体特征、成藏期次等未进行过系统的探讨与研究。

流体包裹体是在成岩过程中对古流体的捕获，它保存了大量古流体的地质信息，对流体包裹体的分析研究是研究古流体特征的重要手段[17-18]。油气储层中的流体包裹体特征直接反映油气的成藏流体特征，为油气成藏历史的研究提供可靠依据[19-26]。渝东南地区五峰组—龙马溪组页岩中发育粉砂岩夹层与裂缝脉体。已有学者讨论了页岩裂缝脉体中流体包裹体的特征[27-30]，这些特征主要反映了页岩气成藏期后的构造热液活动。因此，讨论渝东南地区五峰组—龙马溪组粉砂岩夹层与裂缝脉体中的流体包裹体特征，对分析储层中油气的形成与成藏尤为重要。本文在调研渝东南地区页岩气勘探开发成果的基础上，对酉参2井五峰组—龙马溪组页岩进行了有机地球化学特征分析，以及对页岩粉砂岩夹层和裂缝脉体进行了显微岩相学、流体包裹体特征分析，结合酉参2井的埋藏生烃史，深入探讨了页岩气的形成与成藏，以期为渝东南地区页岩气资源潜力评价、勘探与开发提供依据。

1 区域地质概况

渝东南地区地理位置上主要包括重庆市东南部、湖北省西南部和湖南省西北部的部分地区(图1)。研究区位于四川盆地东南部，属于扬子准地台台内坳陷构造单元，位于齐岳山断裂以东所在的湘鄂西断褶带中南段，由一系列被断层切割的NE向复背斜和复向斜相间构成。现今地貌具有NNE向山脉及小型山间盆地相间的特征，地表构造主要为NNE—NE向展布。渝东南地区所处的中上扬子地块是在前震旦纪变质基底上发育的，在之后构造演化过程中主要经历了加里东期、海西期、印支期、燕山期、喜山期等构造运动。加里东期—海西期，研究区以沉积间断与剥蚀为主，缺失泥盆系、石炭系；印支期，区域整体抬升，三叠系地层遭受不同程度的剥蚀，研究区由持续海相沉积转变为陆相沉积；燕山期—喜山期，晚三叠世—早白垩世以陆相碎屑岩沉积为主，晚白垩世以来出现大幅度的抬升和风化剥蚀[31]。

图1 渝东南地区地理位置Fig.1 Location of the Southeastern Chongqing

渝东南地区上奥陶统五峰组为薄层含有机质、砂质水云母页岩，夹黑灰色薄层硅质岩。下志留统龙马溪组以碳质页岩、泥质页岩和粉砂质页岩为主，上部发育粉砂岩夹层和粉砂岩，富含笔石，局部可见放射虫、骨针等硅质生屑。龙马溪组由下往上水体变浅，泥质含量降低，砂质含量增加。五峰组—龙马溪组页岩与下伏临湘组、上覆新滩组呈整合接触。酉参2井位于重庆市酉阳县龚滩镇杨柳村，其构造位置位于龚滩向斜轴部，钻遇地层依次为第四系，下三叠统大冶组，上二叠统长兴组、吴家坪组，中二叠统茅口组、栖霞组、梁山组，中志留统韩家店组，下志留统小河坝组、新滩组、龙马溪组，上奥陶统五峰组、临湘组、宝塔组(表1)，其中宝塔组未钻穿。

2 有机地球化学特征

有机质丰度、类型和成熟度是油气生成与富集成藏的基础，不仅是常规油气勘探中的重要烃源岩评价指标，也是页岩气勘探中烃源岩评价的重要参数。其中，有机质丰度是评价页岩生烃潜力的重要指标，有机质成熟度可厘定页岩所处的生烃阶段。渝东南地区五峰组—龙马溪组富有机质页岩中富含笔石，笔石的最大镜质体反射率随深度的增加而增加，其最大镜质体反射率可作为评价有机质成熟度的参数[32-33]。

选取酉参2井五峰组、龙马溪组样品进行实验。五峰组—龙马溪组烃源岩总有机碳为0.30%～2.78%，平均值为1.49%(图2)。五峰组—龙马溪组页岩的笔石表皮体最大镜质体反射率为2.88%～3.60%，通过换算可知等效镜质体反射率为2.17%～2.81%(表2)，平均值为2.38%。实验结果表明五峰组—龙马溪组页岩处在过成熟阶段。

3 显微岩相学与流体包裹体特征

3.1 显微岩相学与油气充注特征

显微岩相学观察(图3)表明，龙马溪组页岩粉砂岩夹层和裂缝脉体中存在两期油气充注过程：第一期为粉砂岩夹层中充填的褐色、深褐色沥青，显示暗褐色的荧光或无荧光；第二期为粉砂岩夹层石英颗粒粒间孔隙中充注的轻质油，显示较强的浅蓝色荧光。五峰组—龙马溪组页岩裂缝脉体主要为方解石脉与石英脉，显微观察发现方解石脉、石英脉晶间裂缝中不含油，无荧光显示。

3.2 流体包裹体显微特征

流体包裹体的形态、分布特征及其与成岩矿物的期次关系，能够反映油气的成熟度和运聚历史等信息，可用来分析油气的成藏过程与运聚期次[20-26]。酉参2井龙马溪组页岩粉砂岩夹层中石英颗粒的粒径较小，未发现典型成岩次生加大边，粒间孔隙中也未发现胶结物充填，因此，无法仅利用显微特征划分成岩期次及厘定油气充注期次。粉砂岩夹层中油气包裹体的发育丰度较高(含油包裹体颗粒指数(GOI)为3%～4%)，包裹体沿切穿石英颗粒的微裂缝成带状、线状分布，主要呈深灰色的气烃包裹体(图4)，含少量褐色、深褐色的液烃包裹体。粉砂岩夹层石英颗粒中与页岩气包裹体共生的含烃盐水包裹体发育较少。

样品编号深度/m层位Rmin/%Rmax/%(Rmax-Rmin)/%测点数等效镜质体反射率/%YC2-42 115龙马溪组1.592.881.29372.17YC2-72 126龙马溪组1.522.971.45442.25YC2-152 177五峰组1.513.001.49552.28YC2-172 180五峰组1.453.602.15412.81

注：Rmin为最小镜质体反射率；Rmax为最大镜质体反射率；等效镜质体反射率计算方法详见文献[33]。

图3 粉砂岩夹层和裂缝脉体中油气充注特征Fig.3 Characteristics of Hydrocarbon Charging in Silty Sandstone Interlayers and Fracture Veins

五峰组—龙马溪组页岩中的裂缝脉体是地质历史时期多期古流体沉淀与结晶发育的结果。裂缝方解石脉/石英脉内油气包裹体发育丰度极高(GOI值约为15%)，主要发育于方解石脉/石英脉充填期间，包裹体成群、成带状分布于方解石、石英矿物内(图5)，以呈深灰色的气烃包裹体为主。裂缝方解石脉/石英脉中与页岩气包裹体共生的含烃盐水包裹体发育较多。方解石脉/石英脉中捕获的油气包裹体多为CH4包裹体，而未发现气液烃包裹体与液烃包裹体，表明油气包裹体被捕获的时间为页岩高成熟—过成熟演化阶段之后，干酪根与液态烃均已裂解为干气。

3.3 页岩气包裹体激光拉曼光谱特征

酉参2井五峰组—龙马溪组页岩裂缝方解石脉/石英脉中天然气包裹体十分发育。激光拉曼测试结果表明，五峰组—龙马溪组方解石脉/石英脉的气包裹体中气体成分均为CH4(图6、7)。气包裹体在显微激光拉曼测试中未检出CO2、N2等其他气体成分，表明脉体里的CH4来源是本层系页岩生气，外来地质流体的影响较小或无影响。

3.4 流体包裹体均一温度特征

酉参2井五峰组—龙马溪组粉砂岩夹层中的流体包裹体均一温度代表了油气被捕获时的温度。龙马溪组粉砂岩夹层的石英颗粒中，与液烃包裹体、页岩气包裹体共生的含烃盐水包裹体发育较少，其均一温度为103 ℃～149 ℃(表3)，存在两个高峰，分别为110 ℃～120 ℃和140 ℃～150 ℃ (图8)。实验表明五峰组—龙马溪组粉砂岩夹层中记录了两期油气充注过程：第一期油气充注均一温度主要为110 ℃～120 ℃；第二期油气充注均一温度主要为140 ℃～150 ℃。

图4 粉砂岩夹层中油气包裹体的镜下特征Fig.4 Microscopic Characteristics of Hydrocarbon Inclusions in Silty Sandstone Interlayers

图5 裂缝脉体中油气包裹体的镜下特征Fig.5 Microscopic Characteristics of Hydrocarbon Inclusions in Fracture Veins

五峰组—龙马溪组裂缝方解石脉/石英脉由多期脉体组成，方解石脉/石英脉中流体包裹体的均一温度代表了脉体形成过程中以及脉体形成后古流体的温度。方解石脉/石英脉中与页岩气包裹体共生的含烃盐水包裹体发育较多，其均一温度为103 ℃～193 ℃(表3)，也存在两个高峰，分别为130 ℃～160 ℃和170 ℃～180 ℃ (图9)。

图6 方解石脉页岩气包裹体激光拉曼光谱Fig.6 Laser Raman Spectra of Shale Gas Inclusions in Calcite Veins

图7 石英脉页岩气包裹体激光拉曼光谱Fig.7 Laser Raman Spectra of Shale Gas Inclusions in Quartzs Veins

表3 含烃盐水包裹体均一温度

注： 113(2)表示存在2个113 ℃均一温度的含烃盐水包裹体，其他依此类推。

图8 粉砂岩夹层含烃盐水包裹体均一温度分布Fig.8 Distribution of Homogenization Temperatures of Hydrocarbon-bearing Saline Inclusions in Silty Sandstone Interlayers

4 储层流体历史综合分析

4.1 页岩埋藏生烃史

利用盆地模拟软件Petromod-1D，选用古热流法，采用Sweeney等提出的EASY%Ro有机质热演化动力学模型[34]，参考前人对邻区鄂西—渝东、渝东南等地区的地层剥蚀厚度、大地热流值等研究成果[35-38]，并利用酉参2井龙马溪组—五峰组页岩的等效镜质体反射率拟合校正，初步恢复了酉参2井的埋藏生烃史(图10)。

从恢复的酉参2井埋藏生烃史(图10)可以看出：五峰组—龙马溪组页岩在早泥盆世进入低成熟阶段；海西期发生抬升剥蚀，页岩埋藏深度变浅，早二叠世早期地层开始重新埋深，至晚二叠世末期页岩进入成熟阶段；在中三叠世末期，印支运动导致地层发生第二次抬升剥蚀，之后地层持续沉降，下侏罗统五峰组—龙马溪组页岩进入高成熟阶段；地层继续沉降，中侏罗世页岩进入过成熟阶段，此阶段为干气阶段。

4.2 储层流体活动期次

页岩在生烃过程中不断生成油气。页岩气具有自生自储的特征，早期生成的页岩气主要以吸附气的形式储存在页岩层系中。随着页岩成熟度的增加以及页岩气产量的增加，页岩气主要以游离气的形式储存在页岩层系及其裂缝中，并随着页岩层系压力的增加，游离气不断向周边粉砂岩夹层及其他层位扩散。因此五峰组—龙马溪组粉砂岩夹层中可能存在多期油气充注过程，页岩层系中丰富的游离气有利于方解石脉/石英脉中气包裹体的发育。

从图10可以看出，五峰组—龙马溪组页岩粉砂岩夹层中记录了两期油气充注过程：第一期油气充注时间为早三叠世，页岩处在低成熟—成熟阶段，形成少量低成熟—成熟油气；第二期油气充注时间为早侏罗世，页岩处在成熟阶段，处于生烃高峰。在实际地质过程中，储层中的烃类流体包裹体未记录整个油气成藏过程，更多记录了油气充注的早期过程[39]。在页岩早—中期生烃时，生成的页岩油气运移至粉砂岩夹层，此时比较容易形成油气包裹体与含烃盐水包裹体。早—中期油气充注后，页岩层系中的水逐渐被完全驱替，粉砂岩的成岩作用受到抑制，而流体包裹体的形成与成岩作用息息相关，成岩作用的抑制会导致流体包裹体难以形成。在五峰组—龙马溪组页岩达到高成熟—过成熟阶段时，粉砂岩夹层中即使有页岩油气的持续充注，也很难形成包裹体。而粉砂岩夹层中的石英颗粒粒径很小，也阻碍了流体包裹体的发育。因此，粉砂岩夹层中的两期油气充注均来源于页岩层系早—中期生烃，即页岩在低成熟—成熟阶段生成的页岩油气运移至粉砂岩夹层中，形成共生的油气包裹体与含烃盐水包裹体，其均一温度反映的是早—中期油气充注时的古流体温度。

燕山期—喜山期构造抬升过程中，五峰组—龙马溪组产生一系列的构造裂缝，古流体进入裂缝中，裂缝中陆续充填方解石脉/石英脉[28-30]，而页岩层系中赋存有丰富的游离气，因此，在方解石脉/石英脉形成过程中捕获大量的气包裹体与含烃盐水包裹体。随着复杂的地质构造运动，方解石脉/石英脉中形成次生微裂缝，可继续捕获气包裹体。因此，方解石脉/石英脉中流体包裹体的均一温度反映的是方解石脉/石英脉形成过程中以及形成后地层中古流体的温度。五峰组—龙马溪组方解石脉/石英脉中油气包裹体的捕获时间主要为白垩纪，部分为古近纪，两个捕获高峰期分别处在早白垩世与晚白垩世。

4.3 页岩气成藏与保存条件

粉砂岩夹层中记录了页岩早—中期生烃的两期油气充注过程，页岩晚期生烃的油气充注过程未被记录在粉砂岩夹层中。五峰组—龙马溪组裂缝脉体中发育的油气包裹体主要是页岩晚期生烃以及运移充注的结果，而晚期油气成藏对现今气藏意义更为重要。

五峰组—龙马溪组粉砂岩夹层与方解石脉/石英脉中发育的油气包裹体，反映了五峰组—龙马溪组页岩经历了持续的生烃过程，丰富的页岩气包裹体表明页岩层系曾生成大量的页岩气。五峰组—龙马溪组页岩中的成脉古流体主要来源于自身页岩和下伏地层，外来古流体或地表水的影响不明显[30]，且激光拉曼测试裂缝脉体中纯气包裹体的成分主要为CH4，均说明在方解石脉/石英脉形成过程中以及形成后，五峰组—龙马溪组页岩层系在局部区域仍具有良好的保存条件。

不同强度的构造活动对页岩气成藏产生不同的影响。构造活动导致页岩中产生大量微裂缝，同时由于地层温压变化，地层中形成一系列的方解石脉/石英脉，微裂缝的形成有利于页岩气的聚集。但是强的构造运动也将导致断裂的产生，甚至形成与地表沟通的断层，或者导致地层直接出露地表，页岩气会沿着断层与出露位置逸散，均不利于页岩气的储集与成藏。燕山期—喜山期形成的龚滩向斜，虽远离与地表沟通的断层，但向斜两翼地层发生抬升剥蚀，五峰组—龙马溪组沿地层侧向出露地表(图11)。五峰组—龙马溪组页岩层系中的页岩气顺层向上散失，经历较长的地质时间后，页岩层系中的页岩气丰度降低，仅残存部分页岩气。这对页岩气的保存产生不利影响，难以形成商业性页岩气藏。因此，渝东南地区五峰组—龙马溪组页岩虽具有良好的生烃条件，且局部地区具有良好的保存条件，但燕山期—喜山期的构造运动对渝东南地区页岩气成藏与保存影响巨大，在页岩气勘探的过程中需在考虑区域地质构造的基础上讨论页岩气成藏与保存的有效性。

图11 龚滩向斜构造剖面Fig.11 Structural Profile of Gongtan Syncline

5 结 语

(1)渝东南地区五峰组—龙马溪组页岩处于过成熟阶段。早—中期油气充注抑制了粉砂岩夹层的成岩作用，粉砂岩夹层中主要记录了页岩低成熟—成熟阶段的油气充注过程，未记录页岩高成熟—过成熟阶段的油气充注。五峰组—龙马溪组粉砂岩夹层中记录两期油气充注过程：第一期油气充注时间为早三叠世，页岩处在低成熟—成熟阶段；第二期油气充注时间为早侏罗世，页岩处在成熟阶段，页岩进入生烃高峰。

(2)五峰组—龙马溪组方解石脉/石英脉中捕获了大量页岩气包裹体，表明五峰组—龙马溪组页岩产生过大量的页岩气，主要成分为CH4，捕获时间主要为白垩世。

(3)渝东南地区页岩气成藏与保存受燕山期—喜山期构造运动影响较大，五峰组—龙马溪组页岩虽具有良好的生烃条件，局部地区具有良好的保存条件，但在页岩气勘探过程中需在考虑区域地质构造的基础上讨论页岩气成藏与保存的有效性。