页岩气成藏过程的阶段划分——以四川盆地宁西地区五峰组—龙马溪组页岩气成藏过程为例

吴建发 吴 娟 刘文平 周 政 罗 超 吴 伟 李小佳 邓 宾

1.中国石油西南油气田公司页岩气研究院 2.“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室·成都理工大学

0 引言

四川盆地及其周缘地区普遍经历了多旋回构造演化过程，使得上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组海相页岩层系具有明显的深埋藏—强隆升剥蚀和多期变形过程。该过程不仅决定着五峰组—龙马溪组页岩层系早期热演化与页岩气生成—吸附等过程，同时也控制着晚期页岩气富集保存条件[1-4]。川南地区已钻井盆地热史模拟揭示五峰组—龙马溪组页岩层系晚三叠世—侏罗纪已普遍进入中—高成熟度阶段，并发生大规模生烃富集作用，晚期多期构造变形作用导致目标层系具有不同的页岩气富集保存条件，从而控制和影响了长宁区块页岩气的分布与富集规律。近期的勘探成果表明，长宁页岩气区块五峰组—龙马溪组产层气体成分自北向南可明显划分为甲烷带和甲烷与氮气混合带，表明区域保存条件从封闭体系向半封闭或开放体系逐渐变化的特征，揭示区域多期构造运动对五峰组—龙马溪组页岩气藏具有重要的影响。前人针对四川盆地五峰组—龙马溪组页岩层系开展了沉积环境、微观孔隙结构等研究，先后形成了中国南方海相页岩气“连续型和构造型甜点”富集模式[5]、“深水陆棚相—保存条件组成的二元富集”规律[6]、优质页岩“建造—改造”有机组合[7]等系统性认识，同时“沉积是基础、保存是关键、压裂是核心”已得到业界的普遍认同[8]，但是目前对于川南地区目标层系中页岩气多期活动和富集成藏规律与区域深埋藏—强隆升剥蚀作用过程具有何种相关性及其耦合机制等方面的研究则相对薄弱。为此，笔者以川南长宁页岩气区块西部（以下简称宁西地区）典型钻井为剖析对象，运用流体包裹体、低温热年代学、盆地热史模拟等研究手段，研究五峰组—龙马溪组生烃动力学及其压力体系变化特征，揭示晚中—新生代强隆升与五峰组—龙马溪组页岩气破坏的耦合性过程及其特征，以期为四川盆地页岩气的进一步勘探开发提供技术支撑。

1 区域构造的多期性

图1 四川盆地南部地区五峰组—龙马溪组页岩气勘探区块分布图

四川盆地南部为特提斯—喜马拉雅构造域和滨太平洋构造域的交接转换部位，是四川盆地周缘山系地貌梯度最缓的区域，其西邻南北向大凉山走滑逆冲盆山体系，南接北东—南西向大娄山盆山体系（图1）。川南地区沉积盖层可大致分为震旦系—中三叠统被动大陆边缘海相沉积地层和上三叠统—新生界陆相地层。晚三叠世，伴随着扬子板块西缘由北向南的扩展造山运动，盆地西南缘发育大规模左旋逆冲推覆构造与陆相前陆盆地；同时受扬子板块雪峰陆内构造印支—燕山期SE—NW向扩展冲断变形过程控制[9]，川南地区形成区域典型的北东向、东西向和近南北向宽缓叠加—复合构造[10-11]。新生代受印度—亚洲大陆碰撞影响，青藏高原东南缘强烈左旋逆冲走滑和川滇地块SE向扩展挤出变形对川西南地区乃至扬子板块西缘地区产生了广泛的作用和影响，川西南地区发生快速抬升剥蚀作用过程，导致区域晚白垩世—新生代沉积地层发生大规模剥蚀，仅川西南部分地区残存新生代层系[12-13]。因此，长宁页岩气区块以典型的东西走向和北西走向构造为主，向西至宁西地区逐渐转发生构造转换、以北西走向和北东走向构造为主要特征，揭示出新生代构造变形晚期叠加作用逐渐增强[10-11]。

2 宁西地区深埋藏—强隆升作用过程

2.1 磷灰石低温热年代学及其热史模拟

近几十年来，以低温热年代学和热温标法为主的盆地抬升剥蚀与热史过程研究受到越来越多的重视，如：裂变径迹（AFT）法、（U—Th）/He（AHe）法和镜质体发射率Ro等。盆地中有机质埋深生烃温度范围与AFT和AHe体系部分退火温度带（分别为60～110 ℃、40～85 ℃[14]）具有明显一致性，基于矿物中径迹长度和密度与样品抬升剥蚀/热史过程具有一定函数关系（即退火敏感性[15]），因而能够有效量化揭示盆地热史和抬升剥蚀过程[16-17]。由于古生代普遍缺少有效的磷灰石碎屑矿物，因此，在目标钻井周围连续出露的地层剖面选取五峰组—龙马溪组上覆层系（陆相碎屑岩层系）进行磷灰石低温热年代学样品的采样。由于连续地层具有相似的热演化史，因此，可以通过垂直地层厚度和温度差别来标定五峰组—龙马溪组热演化史。宁西地区磷灰石年代学样品采样地层为上三叠统须家河组—中侏罗统遂宁组中厚层中—细粒岩屑砂岩5～7 kg，样品粉碎后通过重液—磁选等传统重矿物分选获得磷灰石单颗粒（通常大于3 000粒），进一步基于外探测器法测量AFT年龄和径迹密度；磷灰石（U—Th）/He年代学定年选取3～5颗几何形态完整的单颗粒分别采用惰性气体脱气法和α因子校正法获得样品AHe年龄[13]。

图2 NX202井须家河组磷灰石低温热年代学及其热史模拟特征图

图3 NX202井沙溪庙组磷灰石低温热年代学及其热史模拟特征图

NX202井上三叠统须家河组AFT年龄为距今23.6±2.0 Ma（图 2-a），径迹长度为 12.2±1.9 µm，单径迹长度具不对称单峰型特征（图2-b），其AHe年龄为距今9.9±5.5 Ma，小于AFT年龄，反映样品抬升冷却过程中依次通过110 ℃、80 ℃温度（即AFT和AHe封闭温度等温面）。NX202井沙溪庙组AFT年龄为距今40.6±4.0 Ma（图3-a），径迹长度为12.3±1.8 µm，径迹长度具不对称单峰型特征（图3-b），其AHe年龄为距今21.8±6.1 Ma。基于上述实测AFT和AHe年代学特征、Ketcham退火模型和HeFTy Beta热史软件[18]进行样品的热演化史模拟（图2-c、3-c），模型边界条件主要为样品地层年龄、磷灰石裂变径迹特征、磷灰石（U—Th）/He年龄特征（图2-d、3-d）、现今地表温度等，使用GOF检验（GOF值）和Kolmogorov—Smirnov检验（K—S值）分别用于验证模拟得到的磷灰石AFT和AHe年龄、裂变径迹长度和与样品测量真实值的拟合度，模拟结果得到磷灰石年龄（即AFT年龄和AHe年龄）的GOF值介于0.6～0.9，K—S值介于0.8～0.9，表明基于年代学数据模拟的热演化史具有极高可信度（图 2、3）。

宁西地区磷灰石样品AFT—AHe联合热史模拟揭示该地区地层样品普遍经历3个热演化阶段：①沉降埋深增温阶段（距今60 Ma前），②低速抬升冷却阶段（距今60～25 Ma），③快速隆升剥露阶段（距今25 Ma～现今）。其中低速抬升冷却退火过程发生于AFT部分退火带，后期样品快速抬升冷却至地表。因此，宁西地区五峰组—龙马溪组页岩层系与上覆陆相层系（即采样层系须家河组—遂宁组）白垩纪—新生代具有一致的抬升冷却与热史过程，其最大埋深都发生于晚白垩世末期，新生代中—晚期发生两阶段性抬升冷却过程，期间古近纪（即60～25 Ma）具低速抬升冷却特征，其抬升温度变化速率介于0.5～0.8 ℃/Myr；距今25 Ma以来抬升温度变化速率为2～3 ℃/Myr。若考虑现今区域地温梯度（25～35℃/km），宁西地区隆升速率介于0.025～0.100 mm/a，地层抬升剥蚀量达2 000 m。

2.2 宁西地区埋藏热演化史与生烃史

基于一维BasinMod盆地模拟软件，应用宁西地区NX202井实钻地层厚度—深度、钻井热流值、岩石热导率、页岩TOC、干酪根类型、生烃潜力系数等数据，进行NX202井五峰组—龙马溪组定量模拟，以揭示宁西地区五峰组—龙马溪组热演化史和生烃史过程（图4）。由于川南地区显生宙经历多期抬升剥蚀过程，基于早期研究成果厘定抬升古剥蚀量分别为：加里东期（200 m）、海西期（150 m）和印支期（200 m）[19-21]，而燕山期—喜马拉雅期抬升剥蚀量基于前述磷灰石低温热年代学热史模拟相关数据来进一步确定。基于钻井实测孔隙度、温度和热流值等数据为基础，采用指数压实模型模拟地层压实过程、瞬时热流模型模拟热史演化过程（图4-a、b）、Easy%Ro模型模拟生烃史过程（图4-c）、孔隙饱和度法（临界含烃饱和度值取为10%）模拟目标层系排烃史。

基于埋深沉降史模拟曲线特征，宁西地区五峰组—龙马溪组沉积建造过程具典型3阶段的多旋回盆地沉积演化特征（图4-a）。①古生代初始沉积建造阶段：五峰组—龙马溪组沉积快速埋藏阶段，速率达到200 m/Myr，随后加里东期缓慢抬升。②二叠纪—白垩纪快速沉积建造阶段：中—晚二叠世其沉降速率达到最大，超过800 m/Myr；中—晚侏罗世持续深埋藏阶段沉积速率仍然较高，介于200～300 m/Myr，至晚白垩世其埋深达7 000 m。③新生代抬升改造阶段：古近纪和新近纪两阶段抬升剥蚀过程，导致NX202井现今五峰组底界埋深为-3 950.0 m。晚二叠世峨眉山地幔柱形成演化过程使川南—川西南区域热流值与地温场明显增大（热流值介于60～80 mW/m2），除此之外，川南地区显生宙具有较稳定的大地热流值（60～65 mW/m2）[22]和地温场。基于此，宁西地区五峰组—龙马溪组热生烃史模拟揭示早志留世末期埋深增温进入低成熟阶段（Ro=0.5%～0.7%），加里东构造运动导致五峰组—龙马溪组在古生界早期热演化速率降低；晚二叠世末期（距今250 Ma），五峰组—龙马溪组埋深增温以热降解生油为主、进入中等成熟热演化阶段（Ro=0.7%～1.3%），并持续至晚三叠世；随后早—中侏罗世五峰组—龙马溪组以热裂解生湿气为主、进入高成熟热演化阶段（Ro=1.3%～2.0%），晚侏罗世（距今160 Ma）—白垩纪五峰组—龙马溪组深埋藏阶段发生大规模深部高温裂解生气，进入过成熟热演化阶段（Ro＞2.0%），Ro普遍超过2.5%；新生代受控于抬升剥蚀作用，五峰组—龙马溪组埋深增温过程停止，热成熟度基本不变，保持Ro＞2.5%。

宁西地区五峰组—龙马溪组生烃史及其地层压力演化模拟表明：五峰组—龙马溪组早期具有低速率生气，生气速率介于0.1～0.2 mg/(g·Myr)（图4-c），持续低速生烃过程导致地层压力以常压为主，模拟压力系数γ=1.0（图4-d））；晚侏罗世五峰组—龙马溪组（热演化进入深部高温生气阶段）生气速度达到高峰，约2.0 mg/(g·Myr)（图4-c），地层压力具异常超压特征（γ＞2.0）；随后白垩纪发生持续深埋藏增温过程，五峰组—龙马溪组地层压力持续保持其最大压力特征（图4-d）。由于最大地层压力系数（γmax=2.2）已经接近于岩石破裂压力，推测五峰组—龙马溪组在白垩纪发生动态破裂—压力释压—超压再次聚集的多幕特征，这与钻井岩心中常见的顺层破裂脉体特征相一致；新生代宁西地区发生快速抬升剥蚀作用，由于断裂活动导致保存条件破坏，NX202井五峰组—龙马溪组页岩气超压系统被破坏，现今实测地层压力为43.7 MPa、压力系数变为常压（图4-d）。

图4 宁西NX202井埋深热史与生烃史综合模拟图

3 宁西地区五峰组—龙马溪组多期流体活动特征

NX202井取心段岩心常见顺层和不同倾角展布的剪节理方解石脉体（图5-a、b），揭示宁西地区多次构造变形导致五峰组—龙马溪组中方解石流体充填。方解石脉体薄片下阴极光特征具有明显的亮红色—暗红色（图5-c、d），脉体中星散状、群状或带状包裹体常见，包裹体以椭圆状、次圆状和不规则形状为主，大小从3 µm到15 µm不等、多介于5～10 µm（图5-e、f）。根据其成分相态特征，包裹体类型可大致划分为气—液两相盐水包裹体和气相烃类包裹体，盐水包裹体常与沥青共生，或与烃类包裹体共生，且烃类包裹体通常具有黄色和蓝色荧光特征（图5-g、h），揭示出不同成熟度烃类包裹体被方解石脉体捕获特性。由于气液两相烃类包裹体和气相烃类包裹体常常混生（图5-e、f），表明方解石包裹体形成环境为饱和甲烷状态下两相不混溶系统。因此，可以通过盐水包裹体均一温度来代表五峰组—龙马溪组页岩气甲烷包裹体的捕获温度—压力环境。

通过对包裹体薄片进行阴极发光、荧光观察和冷热台测温等综合分析，NX202井五峰组—龙马溪组方解石脉体具有两期流体包裹体特征，代表目标层系页岩气两期活动富集过程：第一期与沥青同期的盐水包裹体，均一温度介于105.7～141.5 ℃（图5-f、6-a），冰点温度介于-15.4～-6.2 ℃，盐度介于9.5%～19.0%（图6-b）；第二期与气态包裹体共生的盐水包裹体，均一温度介于125.9～182.4 ℃（图5-e、6-a），冰点温度介于-8.5～-4.2 ℃，盐度介于6.7%～12.3%。盐水包裹体均一温度双峰值分布特征明显，且第一期和第二期峰值温度具重叠特征（图6-a），第一期均一温度峰值带介于120～140 ℃，第二期均一温度峰值带介于160～180 ℃，它们分别代表五峰组—龙马溪组第一期生油高峰期和第二期生气高峰期的流体充注活动过程。

图5 NX202井龙马溪组页岩方解石脉体及包裹体微观特征照片

4 宁西地区页岩气成藏阶段划分

脉体包裹体捕获保存了页岩生烃富集过程中的原始环境信息，因此，通过脉体包裹体可以跟踪不同构造期地层古温压环境、盐度和同位素等信息。五峰组—龙马溪组页岩层系中流体包裹体均一温度呈双峰值分布，主要分布范围分别介于120～140 ℃和160～180 ℃。结合包裹体荧光特性、流体多期次性和NX202井埋深史、生烃史等分析，包裹体中流体充注时间集中于三叠纪（距今250～190 Ma）和早—中侏罗世（距今185～165 Ma）两个时期，由于流体包裹体分别与沥青包裹体和气态烃类包裹体混生，因此它们分别代表了五峰组—龙马溪组油和气流体富集活动过程（图7）。

图6 NX202井包裹体均一温度及其与盐度相关性对比图

结合宁西地区五峰组—龙马溪组埋深热演化史、生烃史和流体活动史、压力体系变化特征等，五峰组—龙马溪组页岩气成藏过程可划分为4个阶段：早期常压低速率生气阶段、早期高压富集阶段、深埋藏高压保持阶段和晚期调整/破坏阶段（图7）。①早期常压低速率生气阶段（早志留世—二叠纪），五峰组—龙马溪组黑色页岩层系以低沉降速率、低热成熟度、低生气速率和页岩气常压富集为典型特征；②高压富集阶段（晚二叠世—早中侏罗世），五峰组—龙马溪组以高沉降速率、中—高热成熟度、低生气速率和页岩气高压富集为特征，页岩层系烃类流体活动强烈、多种相态的包裹体发育富集；③深埋藏高压保持阶段（晚侏罗世—白垩纪），五峰组—龙马溪组进入深埋藏高压保持阶段，以中—高沉降速率、过成熟度热演化、高生气速率和页岩气超压富集为典型特征，该阶段页岩层系发生深埋增温、高温裂解生气作用，因而有效维持高压/超压特征（具有较佳页岩气自封闭性）；④晚期调整/破坏阶段（新生代至今），新生代快速抬升剥蚀过程导致五峰组—龙马溪组页岩气超压体系动态调整为主，压力体系动态调整为常压。

图7 宁西地区五峰组—龙马溪组页岩气成藏关键事件及其演化图

需要指出的是，流体包裹体中与沥青伴生的盐水包裹体均一温度介于100～140 ℃，捕获压力介于120～150 MPa、压力系数介于1.5～2.0，具有明显的超压流体系统特征，与埋深沉降史模拟地层压力系数大致相当（图4-d）；与烃类包裹体伴生的盐水包裹体均一温度变化范围较大，其捕获压力系数介于2.0～3.5，具明显超高压流体系统特征，略高于埋深沉降史模拟地层压力系数。普遍表明宁西地区五峰组—龙马溪组页岩层系在早期生烃演化过程中，虽然受到海西运动和印支期运动发生不同程度的构造变形与抬升剥蚀作用（图4-a），但其流体体系仍然具有较好的常压—超压保存条件。中晚侏罗世—白垩纪持续深埋藏作用过程中，宁西地区受盆缘构造变形影响作用相对较弱，因此五峰组—龙马溪组页岩层系以持续埋深增温、高温裂解生气为主，早期高压保存条件能够得以保持、其流体压力系统可能持续增压（图4-d）。与之相似的是，川南地区五峰组—龙马溪组流体包裹体、热演化史等研究普遍揭示目标层系具有中生代深埋藏增温与页岩气超压形成过程，如：威远地区[23-24]、泸州地区[25]。因此页岩气侏罗纪—白垩纪高压—超高压成藏富集后的晚期构造抬升剥蚀作用是川南地区五峰组—龙马溪组页岩层系勘探选区的关键因素之一。

新生代受大凉山构造带逆冲走滑构造变形作用影响，宁西地区发生较强的抬升剥蚀与构造变形作用，上覆陆相层系滑脱变形强烈导致其保存条件调整破坏，浅表大气淡水低盐度流体对五峰组—龙马溪组流体体系发生一定影响，导致晚期流体包裹体中具有一定的浅表低盐度和深部高盐度流体混染特征（图5-b），体现出晚期构造抬升作用对宁西地区晚期保存条件的破坏性。总体上，宁西地区五峰组—龙马溪组页岩气成藏破坏过程具有明显的早期高压富集—深埋藏超高压保持—新生代构造隆升调整或破坏的多期性特征。需要指出的是，长宁页岩气田与宁西地区总体上具有相似的页岩气早期建造条件、中期高压—超高压页岩气富集和后期抬升剥蚀特征[1]，但其页岩气勘探结果的差异表明，宁西地区可能更多受控于新生代较强的叠加构造变形与抬升剥蚀作用。因此，页岩气超压系统形成后期是否能够有效保存是川南地区五峰组—龙马溪组页岩气藏富集演化过程的关键，而晚期构造抬升剥蚀对于页岩气富集保存具有至关重要的控制影响性，如：前述长宁、昭通页岩气田自北向南呈甲烷带和甲烷与氮气混合带[26]，表明其抬升剥蚀作用控制着区域保存条件从封闭体系向半封闭或开放体系逐渐变化。

5 结论

1）宁西地区磷灰石样品AFT年龄为距今20～40 Ma、AHe年龄为距今10～20 Ma，低温热年代学特征和热模拟揭示宁西地区新生代地表剥蚀量约为2 000 m。

2）早志留世—晚三叠世、早—中侏罗世和晚侏罗世—白垩纪宁西地区五峰组—龙马溪组页岩层系经历了低—中等成熟度、高成熟度和过成熟度热演化3个阶段，其油气富集活动主要发生于三叠纪和早—中侏罗世，包裹体均一温度峰值温度分别介于120～140 ℃和160～180 ℃。

3）宁西地区五峰组—龙马溪组页岩气具有“早期常压低速率生气、早期高压富集、深埋藏超高压保持、晚期构造隆升调整/破坏”多阶段特征，页岩气早期超压成藏富集后的晚期构造抬升剥蚀作用是川南地区五峰组—龙马溪组页岩层系勘探选区的关键因素之一。