四川长宁地区龙马溪组-五峰组页岩有机质热演化史

张家浩, 聂 舟, 井 翠, 陈义才, 康 宇, 彭文秋

(1.四川长宁天然气开发有限责任公司，成都 610000; 2.油气藏地质及开发工程国家重点实验室(成都理工大学),成都610059)

页岩气藏是典型的自生自储的内源型气藏，其有机质生烃演化过程与页岩气富集成藏具有密切关系。四川盆地长宁地区五峰组-龙马溪组受晚二叠世火山活动及喜马拉雅期构造抬升作用的影响显著，古、今地温场和地层剥蚀厚度具有较大的差异。前人对长宁地区五峰组-龙马溪组页岩的有机地球化学特征、页岩储集特征及页岩气保存条件等方面进行了比较系统的研究，但是关于页岩生烃演化过程研究相对薄弱[1-3]。为了进一步明确长宁地区五峰组-龙马溪组页岩气的成藏演化规律，本文在15口钻井及两个露头剖面共93个页岩样品的沥青反射率测定基础上，采用盆地数值模拟软件恢复不同构造部位的埋藏史和热演化史，明确页岩生油、生气的演化阶段。

1 地质概况

长宁地区处于宜宾市长宁县、高县、珙县、江安县、珙县、泸州及叙永县等境内，地质构造位于四川盆地东南缘的川南低陡断褶带、川西南低缓断褶带、黔西北宽缓褶皱带交汇部位，面积近2.1×104km2(图1)[4]。长宁地区是中国石油天然气股份有限公司在四川盆地的三大页岩气示范区之一，其主力勘探开发层位为下志留统龙马溪组第一段下亚段(龙一1)-五峰组，页岩厚度一般为40～50 m，岩性为碳质页岩和黑色页岩，页岩总有机碳质量分数(wTOC)平均为3.0%～4.5%。龙马溪组第一段上亚段(龙一2)厚度为120～150 m，岩性为灰色页岩及粉砂质，页岩总有机碳质量分数一般低于2%。

图1 研究区位置图Fig.1 The tectonic location of the study area

研究区内共发育11个局部构造，包括东部的高木顶构造、长宁背斜、建武向斜、叙永向斜，西部的天宫塘构造、楼东构造，中部的双龙向斜、双河坝构造、贾村溪构造、灯杆坝向斜、罗场向斜。

根据长宁地区二维地震解释成果和钻井资料，大部分地区龙一1-五峰组的埋藏深度在1.5～4.5 km。在长宁背斜核部，受喜马拉雅期构造运动的影响，出露寒武系及奥陶系；其余大部分地区出露三叠系、二叠系及侏罗系。

2 页岩有机质热演化程度

长宁地区龙一1-五峰组页岩有机显微组分主要有腐泥无定形有机质、沥青，其次是动物有机碎屑以及镜状体(vitrinite-like maceral)。海相页岩中镜状体的形态、光性特征与来源于陆源高等植物的镜质体很相似，其成因与藻类、菌类及节肢动物经凝胶化作用有关[5-7]。在海相腐泥型烃源岩中，无定形有机显微组分是干酪根的重要组成部分，主要来源于藻类体；动物有机碎屑来源于笔石表皮体、虫颚体和几丁虫。

地层中固体沥青的成因复杂，如沉积有机质和原油生物降解、热裂解，原油在运移过程中的分馏作用与脱气作用、水洗与氧化作用等。烃源岩中固体沥青按照来源可划分为原地沥青、异地沥青及再循环沥青。其中原地沥青为烃源岩自身有机质裂解形成，又可进一步划分为前油沥青、后油沥青和表生沥青[8]。一般而言，泥质烃源岩的固体沥青主要是原地沥青，异地沥青主要分布在断层附近，而再循环沥青相对含量很低。

近十几年以来，学者对海相页岩高-过成熟有机质提出了多种表征指标，如沥青反射率、镜状体反射率、笔石和几丁虫反射率等[9-10]，其中沥青反射率在高-过成熟烃源岩中应用广泛。长宁地区龙一1-五峰组页岩干酪根裂解的沥青和原油裂解的沥青充填于孔隙、裂缝或者分散在黏土矿物之间，在反射白光及反射荧光下观察皆呈均一结构，多数呈不规则状及似圆状，颜色为浅灰白色，与笔石等动物有机碎屑及藻类体等腐泥显微组分有明显的区别(图2)。

图2 页岩薄片沥青反射光微观特征Fig.2 Microscopic characteristics of reflected light of bitumen from shale thin section (A)N213井，龙一1，深度2 571.75 m; (B)Y202井，五峰组，深度3 516.84 m

通过长宁地区15口钻井及长宁双河与筠连双腾2个露头剖面龙一1-五峰组共计93个页岩样品的全岩光片及干酪根薄片观察发现，页岩干酪根裂解的沥青与原油裂解的沥青比较难以区分。两者在高-过成熟阶段的反射率略有差异，干酪根裂解的沥青反射率略高于原油裂解的沥青反射率。根据长宁地区龙一1-五峰组页岩薄片 1 700余个沥青的反射率(Rob)测定结果，页岩沥青反射率为2.15%～4.57%，平均值为2.94%，分布高峰在2.75%～3.0%之间(图3-A)。

采用H.Jacob[11]的经验公式，对长宁地区龙一1-五峰组页岩沥青的等效镜质体反射率(Ro)进行换算，结果表明页岩沥青的等效镜质体反射率为2.06%～2.77%，平均值为2.41%。从页岩沥青的等效镜质体反射率等值线平面分布特征可见(图3-B)：长宁地区龙一1-五峰组页岩有机质总体上处于过成熟阶段；在环长宁背斜剥蚀区、天宫堂构造及筠连西侧一带成熟度相对较低，等效镜质体反射率为2.0%～2.4%； 在长宁背斜东北地区成熟度较高，等效镜质体反射率为2.6%～3.0%；其余地区等效镜质体反射率为2.4%～2.6%。

图3 龙一1-五峰组页岩沥青反射率直方图与等效镜质体反射率等值线图Fig.3 Bitumen reflectance histogram and equivalent vitrinite reflectance contour map of Longmaxi-1 and Wufeng Formation shale

3 有机质热演化史恢复

古埋深和古地温是恢复页岩有机质热演化过程的基础。根据长宁地区钻井地层分层数据、岩性录井资料，应用PeroMod盆地数值模拟软件，在恢复五峰组及以上地层古埋深与古热流基础上，采用J.J.Sweeney等[12]提出的EASY%方法恢复长宁地区20口完钻评价井和24口人工虚拟井龙一1-五峰组有机质热演化史。

3.1 关键参数

有机质热演化史模拟恢复涉及的地质参数有：古水深、地层现今厚度、地层剥蚀厚度、地表古地温、古热流及古地温梯度、地层岩性、岩石密度及热导率、地层压实曲线等，其中关键参数有地层剥蚀厚度、古热流及古地温梯度。

3.1.1 地层剥蚀厚度

四川盆地多次构造运动使沉积岩系遭受了多次的抬升和剥蚀，因而各地质时期的沉积厚度与现今的残存厚度有较大差别。大幅度的地层剥蚀对烃源岩埋藏过程中的有机质热演化以及孔隙压实作用产生重要影响。长宁地区龙马溪组之上的地层剥蚀主要发生在燕山晚期-喜马拉雅期，其次为海西期及印支期、燕山早-中期。根据前人研究结果[13-15]，海西期遭受构造抬升的地层剥蚀厚度为260～450 m，印支早期剥蚀厚度为100～500 m，印支中-晚幕表现为盆地西部边缘的龙门山地区强烈的褶皱剥蚀，其余广大地区的剥蚀厚度多数在200 m左右。

本文在前人成果基础上，重点对长宁地区喜马拉雅期地层剥蚀厚度采用厚度趋势法进行综合分析。地层厚度趋势法是根据地层厚度受沉积环境、构造演化、物源以及古气候等因素控制，在一定空间范围内沉积速率与地层原始厚度的分布相对稳定的变化趋势，通过地层厚度盆地原型中心向边缘渐变趋势则可估算出地层剥蚀厚度[16]。

根据长宁地区钻井地层厚度趋势法估算(图4)，长宁背斜核部在喜马拉雅期地层剥蚀厚度可达4.5～5.5 km，从背斜核部向东西和南北方向，地层剥蚀厚度具有逐渐降低趋势，其中在长宁背斜南北两翼的地层剥蚀厚度一般为1～2.5 km，东西两侧的地层剥蚀厚度和西部天宫堂构造带的地层剥蚀厚度为1.5～3 km。

图4 喜马拉雅期地层剥蚀厚度连井剖面对比图Fig.4 The correlation of denudation thickness in Himalayan period

3.1.2 古热流及古地温梯度

地温场是控制烃源岩有机质成烃演化的关键参数之一。徐明等[17]通过9口井稳态测温和297块岩石样品热导率，计算出四川盆地现今的大地热流为35.4～68.8 mW/m2，川西南地区平均为56.2 mW/m2。朱传庆等[18]利用石油钻井的系统镜质体反射率资料对古热流进行了恢复，加里东期之前热流值较低，海西期热流开始逐渐增大，距今259 Ma前左右盆地热流值达到最高，多数地区古热流在60～80 mW/m2。王一刚等[19]对四川盆地典型井的不同期次包裹体均一温度进行了系统研究，估算了志留系在石炭纪-中三叠世期间的地温梯度为52～45℃/km，到晚三叠世-第四纪期间地温梯度降低至42～34℃/km。

综合前人研究成果，长宁地区龙马溪组页岩经历的古地温梯度总体上是由地壳深部岩浆活动与区域构造作用控制。在晚二叠世和印支期，由于玄武岩浆溢流和大陆裂谷发育,深部热力作用较强烈，盆地西南地区具有较高的古地温梯度，平均值在35～45℃/km；中三叠世末及以后，四川盆地大部分地区挤压作用主要表现为壳内的滑脱推覆，深部热作用弱，古地温梯度逐渐降低，平均值为25～35℃/km。

3.2 模拟计算结果

长宁地区在中晚二叠世埋藏深度虽然较小，但是古热流较高，通过PeroMod软件热史恢复计算的古地温为70～100℃；在二叠纪之后古热流逐渐降低，埋藏深度不断增加，到白垩纪末期经历的最大埋藏深度可达5～6 km，古地温到达200～230℃。

长宁地区龙一1-五峰组有机质在泥盆纪-早石炭世期间有机质热演化处于未成熟阶段(Ro<0.55%)，晚石炭世-早二叠世进入低成熟阶段(Ro=0.55%～0.7%)。大量生油阶段(Ro=0.7%～1.0%)主要发生在中晚二叠世-晚三叠世；生油晚期和湿气阶段(Ro=1.0%～2.0%)主要在侏罗纪-早白垩世。晚白垩世进入过成熟阶段(Ro>2.0%)；古近纪以来，随着上覆地层大幅度剥蚀和地层温度降低，有机质热演化趋于终止(图5)。

图5 N201井龙一1-五峰组埋藏史与热演化史恢复图Fig.5 The burial and thermal evolution history of Longmaxi-1 and Wufeng Formation of Well N201

长宁地区在同一地质时期受埋藏深度及热流变化的影响，龙一1-五峰组页岩有机质热演化程度在平面上存在一定差异。石炭纪末期，在水富及其以西地区，除了Nx202及Y201井区进入生烃门限外，大部分地区处于未成熟阶段；研究区中东部整体上进入低成熟阶段(图6-A)。

图6 龙一1-五峰组页岩在典型时间的有机质成熟度(Ro)等值线分布图Fig.6 The Contour map of organic matter maturity of Longmaxi-1 and Wufeng Formation shale at typical time

二叠纪末期，龙一1-五峰组在研究区西部和东部地区的Ro一般在0.7%～1.0%，处于大量生油阶段；研究区中部的Ro已经增加到1.0%～1.3%，进入生油高峰之后的轻质油演化阶段(图6-B)。中三叠世末期，龙一1-五峰组在研究区西部的Ro一般在0.7%～1.0%，仍处于大量生油阶段；研究区中部和东部大范围的Ro在1.0%～1.25%，进入轻质油演化阶段(图6-C)。晚三叠世末期，研究区西部大部分地区龙一1-五峰组的Ro一般在1.0%～1.25%，中部和东部大范围的Ro在1.25%～1.5%，整体上处于轻质油和凝析油气演化阶段(图6-D)。

侏罗纪末期，研究区东部龙一1-五峰组热演化程度较高，大部分地区的Ro在1.75%～2.25%；西部的成熟度相对较低，Ro在1.25%～1.5%；中部地区的Ro在1.5%～1.75%：整体上处于凝析油气、湿气演化阶段(图6-E)。

早白垩世末期，研究区西部的水富以西及高县以南地区，龙一1-五峰组的Ro在1.75%～2.0%；中东部地区除了兴文以南的Ro在1.75%～2.0%，大部分地区的Ro在2.0%～2.5%。因此，长宁地区龙一1-五峰组到早白垩世末期，在局部地区处于湿气演化阶段外，整体上进入过成熟干气演化阶段(图6-F)。

4 结 论

a.四川盆地长宁地区龙一1-五峰组页岩有机质现今热演化程度总体上处于过成熟阶段，其中在环长宁背斜剥蚀区、天宫堂构造及筠连西侧一带等效Ro在2.0%～2.4%；在长宁背斜东北地区等效Ro在2.6%～3.0%。

b.龙一1-五峰组页岩在中晚二叠世期间埋藏深度虽然较小，但是古热流较高，古地温为70～100℃；在二叠纪之后古热流逐渐降低，埋藏深度不断增加，白垩纪末期最大埋藏深度可达5～6 km，古地温到达200～230℃。

c.龙一1-五峰组页岩有机质在中二叠世-早三叠世达到生油高峰，侏罗纪-早白垩世进入大量生气期，晚白垩世之后生烃趋于停止。

d.长宁地区龙一1-五峰组页岩有机质大量生气的地质时间较早，加之喜马拉雅期构造抬升幅度较大，保存条件对页岩气富集具有重要影响。