四川盆地及其周缘地区广泛发育有五峰—龙马溪组优质页岩，该套页岩是我国目前海相页岩气重要的产出层位。近些年来，相继在焦石坝、长宁、威远、丁山、昭通、彭水和正安等地区取得了重要突破。但值得注意的是，不同地区五峰—龙马溪页岩的埋深、烃源岩厚度、热成熟度、页岩气资源量和保存条件存在明显差异，与其所经历的构造演化过程的差异密切相关。四川盆地经历了多期复杂的构造运动，但不同地区构造演化过程对该套页岩埋藏、热演化史及甲烷生成的影响尚不明确，对页岩气保存和差异性富集的影响也需进一步研究。
图1 四川盆地及其周缘地区的地质构造图及代表性模拟井位分布（图片改自Feng et al, 2023, MPG）
针对上述问题，中国科学院广州地球化学研究所有机地球化学国家重点实验室的史树勇博士后在彭平安院士和王云鹏研究员的指导下，采用PetroMod盆地模拟软件建立了四川盆地及周缘7个地区代表性井位（图1）的一维地质模型，具体包括彭水（彭页1井，PY1）、正安（安页1井，AY1）、焦石坝（焦页1井，JY1）、长宁（宁201井，N201）、丁山（丁页1井，DY1）、习水（习科3井，XK3）和威远（威201井，W201）（图2）。另外奥陶—志留纪是全球海相烃源岩形成的重要时期，五峰—龙马溪页岩已经达到了高过成熟阶段（等效镜质体反射率Req > 2.0 %），没有合适的低成熟样品进行生烃热模拟实验研究，也无法用于该套页岩的生气过程以及页岩气资源量的准确评价。本研究我们选取了采自波兰的早志留世低成熟Llandovery海相页岩（Req = 0.44 %），开展了基于干酪根的封闭黄金管生烃热模拟实验研究。由于该页岩的沉积时代、沉积环境和有机质类型和五峰—龙马溪页岩相类似，可以作为替代样品进行了生烃动力学模拟，所获得的动力学参数也可以用于五峰—龙马溪页岩的生气过程和页岩气资源量评价。
图2 四川盆地及其周缘不同地区代表性井位的埋藏史和热演化史模型.（a）彭水地区彭页1井，（b）正安地区安页1井，（c）焦石坝地区焦页1井，（d）长宁地区宁201井, （e）丁山地区丁页1井，（f）习水地区习科3井和（g）威远地区威201井.
图3 四川盆地及其周缘不同地区代表性井位的五峰—龙马溪页岩的埋藏史（a），温度史（b），热成熟度演化史（c）和（d）生甲烷史.
研究结果表明，四川盆地及周缘地区主要经历了4期抬升剥蚀运动和1期与峨眉山玄武岩喷发有关的热异常事件，根据埋藏史的特征可以细分为五个阶段（图2和图3a）：（I）早—中志留世快速埋藏阶段；（II）加里东期抬升剥蚀阶段；（III）二叠—三叠纪连续埋深和剥蚀阶段；（IV）晚三叠世以来的持续埋深阶段；和（V）晚白垩世以来的持续抬升剥蚀阶段。
可以看到：不同地区钻井五峰-龙马溪页岩受构造演化的影响并不相同。威远地区位于川中古隆起的东南缘，在加里东期受到广西运动的影响最为明显，该时期威201井的剥蚀量约为900 m，明显高于其他地区（100–200 m）。五峰—龙马溪页岩的温度史和热成熟度演化史主要受到埋藏过程和古热流的协同演化控制（图3b和c）：在阶段III期间，宁201井和焦页1井的五峰—龙马溪页岩的埋深较大和古热流值较高，导致其热成熟度演化速率明显高于其他地区。威201井在阶段III的古热流最高，由于该阶段页岩的埋藏较浅，古热流对其成熟度演化的影响不明显，其他4口井由于较浅的埋深或较低的古热流，页岩的成熟度在该阶段演化较慢。古热流在阶段IV期间恢复正常（约为55 mW/m2），五峰—龙马溪页岩的成熟度演化主要受到埋深的影响，宁201井、焦页1井和彭页1井在该阶段埋深最大（图3a），导致其页岩现今成熟度高于其他地区（图3c）。甲烷史生成的模拟结果显示（图3d）：宁201井和焦页1井主要存在晚二叠世—早三叠世和中侏罗世—早白垩世2期关键的生甲烷阶段，其它5口井主要存在1期生甲烷阶段，这也主要受控于埋藏和热演化过程差异的影响。宁201井和焦页1井现今生甲烷强度分别为9.96和7.39 × 108 m3/km2，彭页1井为4.41 × 108 m3/km2，而安页1井、丁页1井、习科3井和威201井低于2.73 × 108 m3/km2。
最后，本研究还从构造演化过程差异的角度分析了不同地区五峰—龙马溪页岩气保存和差异性富集的主控因素。相比于盆内地区，位于齐岳山断裂以东地区的彭页1井和安页1井（图1），由于过早地抬升（120–135 Ma，阶段V；图3a），生烃过程结束较早，随后经历了更长时间的抬升和页岩气逸散过程，导致该地区主要以常压气藏为主（压力系数 < 1.2）。这些常压气藏通常位于向斜核部埋深较大的地区，页岩气资源量主要还是受控于埋藏深度。丁页1井和习科3井位于西部靠近齐岳山断裂的地区，也是以常压气藏为主。该地区页岩气的资源量主要受控于与大断裂的距离，离齐岳山断裂较近的丁页1井，页岩气更容易发生垂向和侧向上的逸散。习科3井位于林滩场穹状背斜、断裂不发育的核部地区，即使现今埋深仅有620 m，但页岩的含气量可达2.1–6.0 m3/t。保存条件较好，使得习水地区有望成为继昭通之后下一个浅层页岩气勘探开发的有利区（图1）。威201井也同样位于威远背斜、断裂不发育的核部地区。然而，威201井在广西运动期间剥蚀量较大，龙马溪组的顶部也遭受了严重的剥蚀，直接盖层的封闭能力变差导致生成的烃类物质沿着不整合面发生大规模的逸散。即便该井现今的埋深（1545 m）高于习科3井，其日产气量仅有0.28万方。长宁和焦石坝地区是页岩气勘探开发的主力区，以超压页岩气藏为主（压力系数 > 1.2），烃源岩埋藏深，厚度大，抬升晚和断裂不发育是控制这两个地区页岩气富集成藏的关键要素。
本研究采用生烃动力学与盆地模拟相结合的方法，系统比较了四川盆地及其周缘构造演化对五峰—龙马溪组页岩埋藏、热演化及甲烷生成的影响，研究结果对于四川盆地下一步的页岩气勘探开发具有一定的借鉴意义。
本研究成果近期发布于国际煤地质领域重要期刊《International Journal of Coal Geology》上，研究得到了多圈层作用油气富集理论项目（THEMSIE04010104）和国家自然科学基金（No. 42273053, 42203054）的资助。
论文信息：Shuyong Shi (史树勇), Yunpeng Wang (王云鹏), Chengsheng Chen (陈承声), Jinzhong Liu (刘金钟), Ping’an, Peng(彭平安). Influence of tectonic evolution processes on burial, thermal maturation and gas generation histories of the Wufeng-Longmaxi shale in the Sichuan Basin and adjacent areas. 2024, International Journal of Coal Geology, 295, 104643.
论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S016651622400199X
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