川南长宁页岩气田五峰-龙马溪组多期流体活动特征

周 政，刘文平，姜 磊，吴 娟，罗 超，吴 伟，邓 宾

(1.成都理工大学“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室，四川 成都 610059;2.中国石油西南油气田分公司页岩气研究院，四川 成都 610056)

川南地区长宁气田是我国南方古生界海相页岩气勘探开发最具代表性和示范性的地区(图1)。近年来，上奥陶统五峰组-下志留统龙马溪组黑色页岩层系页岩气勘探取得了重大突破，发现长宁、焦石坝两个千亿立方米级大型气田，它们代表了我国南方海相页岩气勘探最重要的成果与前沿领域。中上扬子地区显生宙普遍受到印支-燕山-喜马拉雅期的多期强改造作用，上奥陶统五峰组-下志留统龙马溪组黑色页岩层系经历了早期深埋藏(高演化)、后期强隆升-强剥蚀的复杂作用过程[1-2]，从而使我国南方海相页岩气多期流体过程与其成藏富集保存模式等相对复杂[3-5]。因此，本文基于长宁页岩气田钻井岩心观察、流体包裹体、埋深沉降史和成藏动力学分析等，揭示长宁页岩气田主要产层多期流体活动过程特征及其成藏特征，以期为南方页岩气成藏过程及其勘探开发提供参考。

1 区域地质背景

长宁页岩气田位于四川盆地南缘，紧邻大娄山褶皱带，为中国南方大陆陆内构造体系和青藏高原向东扩展体系的交接转换部位，其构造变形及其相关断裂、节理等破裂构造具有明显的多期性活动特征。长宁构造总体走向为NW-SE向，西至高县地区，东至叙永县，总体上是北翼及东翼陡(40°～60°)，南翼及西翼缓的不对称单箱型、长轴背斜(图1)。背斜内次级褶皱和断裂发育，存在着不同构造形迹的叠加，故产生多高点、多断裂、多鼻状构造、轴线不衔接、次级构造线方向多异的特点[6-7]。

晚奥陶世-早志留纪受乐山隆起与黔中古隆起共同作用影响，川南地区上奥陶统五峰组-下志留统龙马溪组沉积期区域为陆棚相滞流沉积环境，因而其沉积巨厚的富有机质黑色页岩层系[8-9]。下志留统龙马溪组区域出露完整，岩性为一套黑色笔石页岩，含较多黄铁矿结核及少量粉砂质灰岩；上奥陶统五峰组岩性主要为黑色页岩，区域岩性较为稳定[10]。总体上五峰-龙马溪组总体页岩厚度大、富含有机质、演化程度较高，且横向展布厚度稳定。川南地区五峰-龙马溪组为一套较稳定的泥页岩层系，以自贡-隆昌-泸州为沉积中心，最大厚度达到400～600 m，但其埋深多在3000 m以上[11-12]。

图1 川南长宁气田区域地质特征和部分井位分布位置图

2 五峰-龙马溪组多期流体活动特征

2.1 五峰-龙马溪组岩心裂缝发育特征

N201井位于长宁气田核心区(图1)，井深2560 m，该井在五峰-龙马溪组取芯约45.08 m。其中2524.08 ～ 2519.83 m为龙马溪组黑色炭质页岩，顺层方解石脉发育、且层面上常见擦痕，脉宽最大可以达到6.0 cm，脉体多具剪张性裂缝特征(图2-N201)。宁209井位于长宁气田西南，井深3202 m，五峰-龙马溪组取芯约145.34 m，五峰组为含笔石黑色碳质页岩，岩心常见方解石脉顺层充填、部分雁列状排列，具剪张性脉体特征(图2-N209)，脉宽在0.1～4.5 cm不等。需要指出的是，钻井岩心五峰-龙马溪组发育黄铁矿结核与黄铁矿层，部分层段岩心破碎，其破裂面常见方解石擦痕，多具顺层滑动特征。通过对宁201井、209井岩心观察表明五峰-龙马溪组裂缝形式多样，有斜交缝、平行层面的水平缝、垂直于层面的高角度缝和成X形的X节理缝，且方解石顺层脉且常与层面上擦痕共生。

图2 长宁页岩气田N201和N209井五峰-龙马溪组岩心脉体特征

2.2 五峰-龙马溪组流体包裹体特征

矿物包裹体是油气流体流动富集过程的原始样品，有效地测定各期矿物流体包裹体的均一温度、冰点温度和盐度等信息，能够为页岩气成藏过程中流体活动富集等提供重要数据。基于上述岩心观察取样，共采集7个样品进行包裹体观察与均一温度、盐度等测试。在成都理工大学“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室对脉体包体成分激光拉曼探针(RAMANOR-U1000，SX-02)分析。获得流体包裹体盐度、均一温度等，进一步通过经验公式(据邵洁涟等、刘斌等)：P = P0×t1/t0式中：P0=(219+2620×N)1.01325×105;t0=374+920×N; 式中P为捕获压力(Pa);t1为捕获温度即均一温度(℃);t0为初始温度(℃);N为盐度(wt%)，通过逐步计算得到流体捕获压力P。

N201井方解石脉中常见黑色有机质、含烃类包裹体，表明裂缝早期被有机质充填，后期流体进入沉淀方解石、同时捕获烃类包裹体，但其包裹体普遍小于3 um，因而难以测量获得有效包裹体信息。需要指出的是，五峰组-龙马溪组脉体方解石矿物中捕获烃类包裹体表明其发生明显的油气运移聚集等活动。N209井方解石脉中发育大量流体包裹体，呈群簇状分布，常见烃类包裹体和单一液相包裹体伴生(图3)。五峰-龙马溪组样品包裹体均一温度测试数据如下：128～143℃，均值135℃；141～144℃，均值142℃；159～171℃，均值166℃，通过统计表明包裹体均一温度成双峰值分布特征，峰值主要约为135℃和165℃(图4)，其相对捕获压力值分别为36～39 MPa和45～47 MPa。根据包裹体均一温度-盐度对比特征显示，包裹体明显可以分为盐度和均一温度相对富集变化的三个区域，揭示出可能为三期不同流体活动过程流体被方解石包裹体捕获形成。

图3 长宁页岩气田N201井、N209井镜下包裹体照片

图4 长宁页岩气田N209包裹体均一温度直方图(A)和均一温度-盐度交汇图(B)

3长宁页岩气田五峰-龙马溪组埋深沉降热史过程特征

基于一维盆地模拟数学模型，运用美国Platte River公司的BasinMod盆地模拟软件和IES公司的PetroMod含油气系统模拟软件，对目标区的成藏动力学过程进行模拟，结合流体包裹体分析测试结果，研究关键钻井的流体演化历史。对长宁页岩气田钻井进行埋藏史模拟时，钻井地层分层和深度、砂泥岩和灰岩含量，地温梯度和热流值等数据主要基于实钻资料，剥蚀量计算参考区域地层厚度及磷灰石裂变径迹热史模拟资料等[13-15]。

埋深沉降史模拟表明长宁气田区五峰-龙马溪组志留纪后快速埋藏阶段，沉积速率最大达到250 m/my；加里东构造运动期，由于地层整体抬升剥蚀，沉积沉降速率迅速降低；二叠纪以后，重新进入沉积沉降阶段；中-晚二叠世之间，峨眉山地幔柱上升(259Ma左右)造成地壳快速差异抬升，东吴运动使得该区沉积沉降速率达到最低值，茅口组地层部分缺失；随后地层重新进入沉降阶段，地层沉积沉降速率达到最大、速率超过800 m/my；三叠纪后，受印支运动影响该区又经历了抬升阶段，造成雷口坡组地层被剥蚀；此后沉积的上三叠统到白垩系地层，在喜山运动中被剥蚀殆尽，沉积沉降速率又重新回到低点。长宁页岩气田地温及热成熟演化史揭示，五峰-龙马溪组在早志留世末期(约435 Ma左右)开始进入低成熟阶段(Ro=0.5%～0.7%)，但受控于加里东构造运动其烃源岩热演化速率较慢；晚二叠世末期(259 Ma左右)五峰-龙马溪组开始进入中等成熟阶段(Ro=0.7%～1.3%)，并持续到早侏罗世(190Ma左右)；早侏罗世开始，五峰-龙马溪组逐渐进入高成熟阶段(Ro=1.3%～2.0%)；到白垩系开始沉积时，由于地层进入深埋藏阶段五峰-龙马溪组快速进入过成熟阶段(Ro>2.0%)，成熟度达到2.5%以上；至晚白垩世埋深增温过程停止，五峰-龙马溪组黑色页岩层系热成熟度未持续增大、至今仍保持在2.5%以上(图5)。

图5 长宁页岩气田埋藏史模拟及包裹体捕获时间图

4 长宁页岩气田多期流体活动过程与特征

包裹体测温数据显示，N209井均一温度分布为主要在128～143℃，均值 135℃； 141～144℃，均值 142℃，捕获压力为36～39 MPa； 159～171℃，均值 166℃，捕获压力为45～47 MPa。利用流体包裹体均一温度的测试结果，结合五峰-龙马溪组埋藏-热演化史图上，能够定性-半定量厘定多期流体包裹体具体捕获时间，有效确定页岩气烃类油气进入目标层系关键时间。由流体充注史图(图5)揭示，长宁气田N201井流体充注时间集中于三叠纪-早侏罗世(250～195 Ma)和早-中侏罗世(185～160 Ma)两个时期，结合五峰-龙马溪组热成熟演化史分析表明它们分别长宁气田油和气的关键充注时间。

通过对比长宁气田包裹体均一温度、冰点温度和盐度协和图版分析，五峰组-龙马溪组流体温度-盐度分布范围成明显三个区带，说明具有三类流体来源及其活动属性特征。均一温度120～150℃内流体具有明显的高盐度(即20%～35%)和低盐度(约5%)特征，表明可能含有高盐度和低盐度流体(可能受淡水流体混合作用影响)混染效应，而明显区别与较高均一温度-盐度流体。因此推测其浅表大气淡水流体混合活动作用可能与早期印支期构造变形和抬升剥蚀作用相关，晚三叠世构造可能导致部分断层出露地表，从而部分与浅表大气淡水构造联通混染相关。但由于后期川南地区持续埋深过程，尤其是其上覆沉积充填厚度超过3000 m的陆相地层为后期埋藏增温，五峰-龙马溪组进入高成熟演化阶段发生大规模持续生烃和页岩气富集过程提供了有效的保存条件。

前人对川南地区页岩气保存条件研究表明，构造作用(如断层、节理等)会改变页岩气的富集状态，从而导致页岩气发生大规模逸散现象；通常构造作用强度大的地区，页岩气保存条件都被严重破坏，实际开发过程中构造作用强度较弱区域常常为页岩气主力产区。基于长宁地区及周边区域地质背景，结合钻井岩心观察及包裹体观测，从不同尺度观察，可以得到多期构造过程与流体活动具有较强相关性。从N201-209井的岩心观察结果来看，脉体多为顺层发育、剪张性裂缝发育，多具明显的顺层滑动特征。长宁背斜核部N206井裂缝系统多为张性，且具有明显的多期性，表明N206井和N201-209井都明显受到多期构造运动影响。但实际生产资料中，N201-209井为较好的生产井，而宁206井几乎不产气，揭示出多期活动与页岩气保存富集具有一定的成因联系。

5 结论

(1)长宁页岩气田钻井岩心观察表明上奥陶统五峰-下志留统龙马溪组普遍发育顺层和微切层方解石脉体，流体包裹体多呈群簇状分布，常见烃类包裹体和单一液相包裹体伴生，包裹体均一温度呈双峰值分布特征，范围分别为130～150℃和160～170℃，相应的捕获压力分别为36～39 MPa和45～47 MPa。

(2)五峰-龙马溪组埋深热演化史过程可大致分为：中志留纪-中二叠世低成熟度热演化阶段、晚二叠世-晚三叠世中等成熟度阶段、早侏罗世-早白垩世高成熟度阶段和早白垩世以来过成熟度演化阶段。长宁气田流体充注时间主要集中于三叠纪-早侏罗世(250-195 Ma)和早-中侏罗世(185-160 Ma)两个时期，它们分别代表长宁气田五峰-龙马溪组目标层系的油和气的关键充注时间。

(3)流体包裹体均一温度和盐度分布图揭示出流体活动明显多期性特征，尤其较低均一温度流体可能含有高盐度和低盐度流体(可能受早期淡水流体混合作用影响)混染特征，揭示出川南地区下古生界页岩层系富集成藏过程中流体特征差异性。