黔西南區舊司組頁巖氣儲存特征及有利區優選

張本杰 秦 琴 明方平 劉 甲 張 偉 郭 斌

（貴州煤礦地質工程咨詢與地質環境監測中心，貴州 貴陽 550081）

0 引言

作為烴類氣體的頁巖氣，用途十分廣泛。頁巖氣是充填于頁巖裂隙、微細孔隙及層面內的天然氣。裂縫的發育程度是頁巖氣運移聚集、經濟開采的主要控制因素之一［1］。貴州省黔西南區下石炭統舊司組（C1j）黑色頁巖層位和厚度分布較穩定，有機質含量較高，分布范圍廣，總面積34 722 km2，微孔隙及微裂縫較發育，儲存條件較好，頁巖氣資源豐富，具勘探潛力，是本區最佳含氣頁巖層系。

1 地質背景

黔西南區下石炭統分為湯粑溝組（C1t）、舊司組（C1j）、上司組（C1s）。

湯粑溝組（C1t）為灰、深灰色中—厚層狀灰巖、燧石灰巖夾硅質灰巖及薄層黑色泥頁巖。組厚100～300 m。

舊司組（C1j）為灰、深灰、灰黑色中—厚層狀灰巖、泥灰巖、白云質灰巖、泥質粉砂巖、粉砂質泥巖、泥巖、頁巖，頁巖水平層理發育，含鐵錳質結核，北西部下部夾1～7層薄煤層。組厚0～992 m，一般300～400 m。南部、北東方向變薄至尖滅。

上司組（C1s）為淺灰、灰、深灰中—厚層狀白云巖、灰質白云巖、白云質灰巖、灰巖夾砂泥巖及黑色泥頁巖。組厚50～350 m。

區域構造屬上揚子陸塊畢節弧形構造區、六盤水復雜變形區、普安山字形構造區、黔西南渦輪構造區和黔南弧形構造區。褶皺以北西向展布為主，北東向、東西向、南北向次之，背、向斜一般寬闊舒緩；斷裂呈北東向、北西向展布為主，走向斷層較發育［2］。威寧北西及南東、水城以南、晴隆以北、興仁以東構造相對較簡單，無斷距50 m以上斷層（圖1）。

2 頁巖氣儲存特征

2.1 頁巖儲層及展布

北西部舊司組（C1j）為海陸交互相—淺海相沉積，其余地區為淺海相沉積。

深色頁巖在北西部及中部位于舊司組（C1j）下部，南部位于舊司組（C1j）上部，頁巖單層厚10～60 m，沉積連續厚度50～119 m，泥地比為40%～78%，泥地比等值線與頁巖厚度變化趨勢相同。主要分布于北西部和中部，北西部厚，西部及南部薄。

圖1 黔西南區構造分布圖

2.2 頁巖有機質及熱演化特征

2.2.1 有機質豐度及類型

頁巖有機碳含量（TOC）為0.46%～5.76%，一般為0.82%～2.42%，平均為1.33%，總體上有機質豐度中等，頁巖生烴能力較強。平面上，威寧—水城—晴隆一線TOC大于1.50%，往兩側逐漸減少。縱向上，隨著深度增加TOC具增大趨勢。晴頁2井730.30～733.55 m處TOC值高達4.44%～5.76%。

有機質顯微組分以殼質組為主，腐泥組和鏡質組其次，惰質組較少。干酪根指數TI值在-13～84之間，有機質類型以Ⅱ1型和Ⅱ2型為主，少有Ⅲ型和Ⅰ型。

2.2.2 熱演化程度

有機質成熟度（Ro）為1.11%～4.87%，一般為2.13%～3.11%，平均為2.71%，總體熱演化程度高，處于過成熟早期生干氣階段。平面上，Ro為1.11%～2.0%分布在西部及南部，Ro為2.0%～3.0%主要分布在北西部及中部，Ro大于3.0%分布在中南部。縱向上，據威頁1井和晴頁2井樣品測試結果，Ro隨深度增加有增大趨勢（圖2），晴頁2井716～733 m處Ro值高達4.49%～4.87%。

據白兆華等，含氣頁巖的熱成熟度越高頁巖中賦存的氣體也越多，表明其熱成熟度越高生氣量越大［3］。

圖2 舊司組Ro隨深度變化圖

2.3 礦物成分與巖石力學特征

2.3.1 礦物成分

礦物成分以石英為主（最高達66.37%，平均為41.62%），其次為黏土礦物、碳酸鹽巖、長石、鐵礦物、石膏（表1）。

表1 舊司組頁巖礦物特征表

碳酸鹽巖主要為方解石、白云石；鐵礦物主要為黃鐵礦、菱鐵礦；黏土礦物以伊利石為主，高嶺石、蒙脫石次之，綠泥石較少。

平面上，脆性礦物在中部區域含量高，黏土礦物含量低。縱向上，北西部、中部脆性礦物與TOC呈正相關，在南部隨深度增加呈減少趨勢。

總體上，頁巖砂質脆性礦物和自生脆性礦物含量較高（平均60.28%），石英和長石總量平均45.55%，碳酸鹽巖最高達90.6%，平均14.73%。頁巖脆性較強，易形成裂隙，具有較好的破裂潛力，對頁巖氣商業開采有利。

2.3.2 巖石力學

自然狀態下，頁巖抗壓強度為11.30～55.70 MPa，平均31.90 MPa；抗拉強度為3.20～24.37 MPa，平均7.41 MPa；彈性模量Et為（21.4～29）×103MPa，平均23.58×103MPa；泊松比為0.19～0.26，平均0.24；含水率為0.58%～1.61%，平均0.94%。飽和狀態下抗壓、抗拉強度降低28%～69%，說明水介質對頁巖強度有一定“軟化作用”，孔隙率越高，含水率越高，影響越大。從泊松比可看出，頁巖受擠壓后的膨脹率較低，較利于頁巖氣儲層壓裂改造。

2.4 儲滲與保存特征

2.4.1 儲滲

頁巖密度為2.05～2.72 g／cm3，平均2.61 g／cm3。孔隙度為1.67%～3.76%，平均2.69%，孔隙度低；滲透率為0.001 3～0.190 0 mD，平均0.019 1 mD，滲透率特低。

據晴頁2井樣品測試成果，縱向上孔隙度隨深度增加呈起伏之勢，滲透率隨深度增加而呈增大之勢（圖3）。儲集層總體致密，但仍具備較好的儲集條件［4］。頁巖儲層屬特低滲—致密儲層，具備一定的儲集能力［5］。

圖3 晴頁2井孔隙度、滲透率隨深度變化圖

孔隙結構和類型：頁巖BET比表面9.589 m2／g，BJH總孔體積為0.030 mL／g，BJH平均孔徑13.251 nm。以中孔孔隙為主，微孔、中孔和宏孔體積分別占總孔體積的10.09%、77.93%和11.98%。孔隙以溶蝕孔、有機孔、晶內孔、晶內微孔縫為主。QXN?WZ-60樣溶蝕孔孔徑300～8 000 nm，QY2-44樣有機孔中發育微孔隙多個，孔徑10～30 nm（圖4）。

孔喉：孔喉半徑為23.79～127.51 nm，平均64.07 nm。據QY2-41核磁共振測試成果：孔喉半徑30～125 nm分布頻率占10%～15%。

裂縫特征：宏觀裂縫較發育，主要為構造裂縫和成巖層間裂縫。裂縫以高角度裂隙為主，少量低角度裂縫，局部見高角度裂縫相切。裂縫大多被方解石充填，偶爾有少量黃鐵礦。微裂縫也較發育，多呈明顯鋸齒狀。QXNWZ-60樣裂縫長大于80μm、寬0.3～1 μm，QY2-44樣微裂縫長大于40 μm、寬0.4～1.6 μm。

圖4 舊司組頁巖孔隙發育特征圖

頁巖（泥巖）中蘊含著豐富的微孔隙、微裂隙，這些微孔隙與微裂隙是頁巖氣重要的儲存空間與流通通道［6］。

2.4.2 保存條件

區內以低中山地貌為主，其次為中山，僅北西部、中部局部為高中山，大部分地形高差較小。烴源巖埋深200～4 000 m。

上覆蓋層為下石炭統上司組灰巖夾砂巖、砂泥巖，中二疊統梁山組石英砂巖、砂泥巖，上二疊統龍潭組砂巖、砂泥巖，保存條件較好。

2.5 含氣性特征

總含氣量為 0.12～2.94 m3／t，一般為 0.5～2.1 m3／t，平均為0.99 m3／t，威寧以北及晴隆北西高，水城以西及以北低；縱向上隨深度增加有增高趨勢，晴頁2井719.34～731.81 m處總含氣量高達2.08～2.35 m3／t。

儲集方式以吸附氣為主，占總含氣量的62%～95%，游離氣次之。氣體組分以CH4（占52%～91%）為主，其余為C2H6及混入的N2和CO2。據氣體同位素測定結果：δC13值為-34.8‰～-15.1‰，北西部及中部為油型裂解氣成因，南部為無機氣和煤層氣成因。

3 頁巖氣有利區優選

3.1 優選條件

有利區優選應考慮以下主要條件：① 泥頁巖厚度穩定，海相單層厚度≥10 m，連續厚度≥30 m，連續分布面積≥200 km2；② TOC平均≥1.5%；③ 總含氣量≥0.5 m3／t；④ 埋深300～4 500 m，地形高差較小，保存條件中等～好［7］；⑤ 頁巖硅質含量≥40%，有一定的孔隙度，發育裂隙；⑥ 構造相對簡單，地層橫向產狀無突變，上覆碎屑巖蓋層；⑦ 交通條件較好，地震勘探和鉆探工程相對便利［4］698。

3.2 優選結果

有利區分布在北西部、中部一帶，連續性及含氣性較好，交通方便。據以上優選條件進行疊加優選出4塊有利區（圖5），50%概率條件下有利區地質資源量為0.39×1012m3，若可采系數取0.17，可采總資源量為0.07×1012m3。各區塊面積、資源量、資源豐度見表2。

1）有利區Ⅰ。位于西北部北端，發育龍街向斜，傾角5°～30°，一般10°～20°，僅西南部發育少量斷層，遠離大斷層，分布較穩定，埋深1 000～4 000 m。含氣頁巖厚64～80 m，往南增厚；TOC為1.52%～3.02%，Ro為1.3%～1.74%，頁巖含氣量為1.37～2.94 m3／t。

2）有利區Ⅱ。位于西北部的南部，發育威水背斜，傾角13°～25°，一般15°～18°，斷層稀少，無大斷層，分布穩定，埋深1 000～2 500 m。含氣頁巖厚50～119 m，往北有所增厚；TOC為1.58%～3.0%，Ro為1.5%～3.10%，含氣量為0.53～0.659 m3／t。

3）有利區Ⅲ。位于中部，發育格目底向斜，傾角8°～27°，一般10°～20°，遠離大斷層，分布較穩定，埋深1 000～4 000 m。含氣頁巖厚10～82 m，TOC為1.59%～2.74%，Ro為1.2%～2.43%，含氣量為 0.51～1.03 m3／t。

4）有利區Ⅳ。位于中東部，發育中營向斜，傾角10°～35°，一般15°～22°，遠離大斷層，分布穩定，埋深1 000～ 4 000 m。含氣頁巖厚大于50 m，TOC為1.53%～3.53%，Ro為0.99%～4.51%，含氣量為 1.38～2.35 m3／t。

圖5 黔西南區舊司組頁巖氣有利區分布圖

表2 黔西南區舊司組有利區塊資源量結果表

4 結論

1）下石炭統舊司組是黔西南區重要含氣頁巖層系，頁巖厚度較大，分布最廣，有機質含量較高，有機質類型以Ⅱ1型和Ⅱ2型為主，頁巖生烴能力較強，Ro平均值高，屬早期生干氣階段。

2）頁巖脆性較強，微孔隙、微裂縫較發育，滲透率特低，泊松比不高，儲存條件較好，頁巖氣易壓裂，商業開采有利。

3）縱向上本區頁巖含氣量隨深度、TOC和RO值增加呈增大趨勢。

4）烴源巖厚度、TOC、RO值、儲集和保存、構造與交通等是頁巖氣開發優選的重要條件，根據其條件優選出的4塊有利區具有良好的頁巖氣勘探前景，其中有利區Ⅰ含氣量最好，有利區Ⅱ地質資源量豐度最佳，有利區Ⅳ資源量最大。

5）頁巖氣勘探時，可考慮有利區Ⅰ、Ⅳ優先設計和施工，有利區Ⅱ、Ⅲ次后，遴選核心區，為未來開發奠定基礎。

［1］江懷友，宋新民，安曉璇，等.世界頁巖氣資源與勘探開發技術綜述［J］. 天然氣技術，2008，2（6）：26-30.

［2］唐顯貴，張本杰，高為，等.黔西南地區頁巖氣資源調查評價子項目研究報告［R］.貴州煤礦地質工程咨詢與地質環境監測中心，2013.9.

［3］白兆華，時保宏，左學敏.頁巖氣及其聚集機理研究［J］. 天然氣與石油，2011，29（3）：54-58.

［4］梁興，葉熙，張介輝，等.滇黔北坳陷威信凹陷頁巖氣成藏條件分析與有利區優選［J］.石油勘探與開發，2011，38（6）：693-699.

［5］蔣裕強，董大忠，漆麟，等.頁巖氣儲層的基本特征及其評價［J］. 地質勘探，2010，30（10）：1-6.

［6］魏明強，段永剛，方全堂，等.頁巖氣藏孔滲結構特征和滲流機理研究現狀［J］.油氣藏評價與開發，2011，1（4）：73-77.

［7］國土資源部.頁巖氣資源潛力評價及選區規程（試行）［S］.2012.8.