貴州下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖氣成藏條件分析

張鵬，張金川，劉鴻，黃宇琪，呂艷南

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貴州下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖氣成藏條件分析

張鵬1, 2，張金川1，劉鴻2，黃宇琪2，呂艷南1

(1. 中國地質(zhì)大學(北京) 能源學院，北京，100083；2. 六盤水師范學院礦業(yè)工程系，貴州六盤水，553004)

針對貴州地區(qū)頁巖氣成藏條件復雜的問題，從鉆井、巖芯、露頭樣品等實驗測試資料出發(fā)，以下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖為研究對象，對貴州地區(qū)龍馬溪組海相頁巖氣成藏條件進行研究。研究結(jié)果表明：貴州地區(qū)龍馬溪組潛質(zhì)頁巖主要形成于深水陸棚沉積環(huán)境，其特點為潛質(zhì)頁巖厚度大，有機碳質(zhì)量分數(shù)高(潛質(zhì)頁巖段平均(TOC)＞4%)，有機質(zhì)類型為Ⅰ型和Ⅱ1型，有機質(zhì)熱演化程度處于成熟—過成熟階段，頁巖中脆性礦物質(zhì)量分數(shù)高，孔隙度中等，含氣量高。通過與成功勘探開發(fā)頁巖氣的北美以及四川盆地的成藏條件相比，認為貴州地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組具有良好的頁巖氣成藏條件，且龍馬溪底部炭質(zhì)頁巖段是頁巖勘探的目標層系，并預測了其頁巖氣富集有利區(qū)。

頁巖氣；成藏條件；潛質(zhì)頁巖；有利區(qū)

頁巖氣作為一種新型的天然氣體資源，在成藏機理上具有吸附、游離、溶解等多重特征，具有自生、自儲、自保的特點，為一種典型的低豐度、大規(guī)模分布式非常規(guī)天然氣資源[1?3]，是現(xiàn)代油氣勘探的重要領(lǐng)域。貴州省發(fā)育多套含氣頁巖層系，厚度大、范圍廣，具有形成大規(guī)模頁巖氣藏的基本地質(zhì)基礎(chǔ)[4?6]。2011年全國頁巖氣資源潛力評價結(jié)果表明，貴州省頁巖氣地質(zhì)資源量約為10.48萬億m3，位列全國第4，頁巖氣資源豐富，是我國重要的頁巖氣遠景區(qū)。初步研究表明貴州省地質(zhì)條件與美國部分頁巖氣富集盆地具有一定的相似性[7?9]，位于具有豐富頁巖氣資源潛力的四川盆地的外緣地區(qū)。對貴州省的勘探研究尚處于起步階段，其各含氣頁巖層的分布需要進一步研究，含氣頁巖成藏地質(zhì)特征、頁巖含氣量及其富集條件有待深入研究。因此，開展貴州地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖氣成藏條件研究對貴州省在頁巖氣領(lǐng)域形成突破性進展，改善省內(nèi)“無油少氣”的局面具有重大意義。

1 地質(zhì)概況

貴州在大地構(gòu)造上屬揚子板塊，其區(qū)域地殼主要經(jīng)歷了中晚元古代褶皺基底形成階段、南華紀—侏羅紀蓋層形成階段及侏羅紀之后褶皺造山與疊加改造階段。在基底形成之后的震旦紀至晚三疊世中期，是區(qū)內(nèi)沉積蓋層沉積及伸展構(gòu)造發(fā)育階段，由地殼升降運動導致的沉積間斷和海陸轉(zhuǎn)化事件。在此階段，以加里東中—晚期都勻運動和廣西運動奠定本區(qū)構(gòu)造格架，在此期間發(fā)育的同生大型斷裂系統(tǒng)、大型隆起和拗陷導致貴州北部以外的全省區(qū)域在此時期造陸抬升，形成滇黔古陸的一部分。由于黔中隆起的影響，龍馬溪組主要出露于黔北地區(qū)，即畢節(jié)—遵義—石阡—銅仁一線以北，而貴州中南部龍馬溪組大部分缺失(圖1)。本次研究采集的樣品主要為鉆井樣品(道頁1井、桐頁1井、習頁1井)、實測剖面樣品(騎龍村、務(wù)川、沿河新景、鳳岡永和、道真沙壩)和露頭樣品(燕子口、觀音橋、丁山1井、懷習水桑木、觀音橋、道真巴漁等)，樣品覆蓋貴州整個北部地區(qū)，為了盡量避免露頭和剖面樣品由于不同程度氧化而導致的實驗結(jié)果誤差，在有條件的地方應盡量選取巖層內(nèi)部新鮮樣品。

圖1 貴州地區(qū)構(gòu)造綱要圖

2 頁巖氣成藏條件

頁巖氣藏成藏條件主要受頁巖厚度和分布面積、有機質(zhì)類型和豐度、熱演化程度、頁巖礦物成分、儲集層物性、頁巖含氣性等要素控制[9?11]。據(jù)此對貴州地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖氣成藏條件進行分析，并與北美已實現(xiàn)頁巖氣工業(yè)開采盆地、取得較好勘探開發(fā)結(jié)果的四川盆地頁巖氣成藏條件進行對比，研究貴州地區(qū)頁巖氣成藏條件。

2.1 頁巖展布特征

頁巖氣具有原地成藏的特點，頁巖作為頁巖氣生成和賦存的主體，其厚度和展布是頁巖氣富集的基本條件。黔中隆起北部邊緣由南往北主要發(fā)育潮坪相、淺海陸棚和深水陸棚相，龍馬溪組富有機質(zhì)頁巖主要發(fā)育在陸棚環(huán)境中，其頁巖厚度整體呈現(xiàn)由東南向西北逐漸增大的趨勢，在習水地區(qū)龍馬溪組最厚可達80 m，而在鳳岡—松桃一帶僅有數(shù)m至十余m。龍馬溪組內(nèi)部可劃分為1個完整的三級層序，海侵體系域是由龍馬溪組底部的富含筆石黑色頁巖、粉砂質(zhì)頁巖、粉砂巖所構(gòu)成的向上變細的退積序列，高水位體系域是由鈣質(zhì)頁巖和粉砂質(zhì)頁巖構(gòu)成的向上變粗的進積序列。龍馬溪組從下至上巖石顏色逐漸變淺，粉砂質(zhì)質(zhì)量分數(shù)逐漸增多，有機碳質(zhì)量分數(shù)(TOC)也逐漸降低。龍馬溪組潛質(zhì)頁巖主要位于地層底部，厚度從北往南具遞減的趨勢，如重慶南川三匯潛質(zhì)頁巖厚度為75 m，道真附近厚度為56.4 m，至綏陽僅有7.7 m，至湄潭抄樂并未發(fā)育潛質(zhì)頁巖(圖2)。

圖2 貴州省統(tǒng)龍馬溪組潛質(zhì)頁巖地層柱狀對比圖

2.2 有機碳質(zhì)量分數(shù)

對貴州省20個龍馬溪組地表露頭的有機碳實驗測試發(fā)現(xiàn)整體有機質(zhì)豐度較高。平面上在南川、道真一線及沿河—秀山沉積中心，龍馬溪組泥頁巖有機碳質(zhì)量分數(shù)較高，其中道真忠信及南川黃角塘有機碳質(zhì)量分數(shù)大于5.0%，沿河—秀山地區(qū)有機碳質(zhì)量分數(shù)均大于1.5%，生烴潛力較大。往南至黔中隆起有機碳質(zhì)量分數(shù)明顯降低，正安—德江—印江一線以南泥頁巖有機碳質(zhì)量分數(shù)都小于1.0%(圖3)。

圖3 道頁1井—桐頁1井—習頁1井有機碳質(zhì)量分數(shù)隨深度變化趨勢

通過對桐頁1井、習頁1井和道頁1井龍馬溪組頁巖樣品的有機碳質(zhì)量分數(shù)進行測試發(fā)現(xiàn)，龍馬溪組底部潛質(zhì)頁巖段有機碳質(zhì)量分數(shù)明顯比上部的高。道頁1井龍馬溪組黑色頁巖段有機碳質(zhì)量分數(shù)平均值為1.80%，955 m后潛質(zhì)頁巖段頁巖有機碳質(zhì)量分數(shù)急劇增大，(TOC)平均值為5.00%；習頁1井龍馬溪組頁巖有機碳質(zhì)量分數(shù)最大值為6.73%，最小值為0.26%，平均值為2.89%，650 m后潛質(zhì)頁巖段有機碳質(zhì)量分數(shù)平均值大于4.00%；桐頁1井龍馬溪組頁巖有機碳質(zhì)量分數(shù)具有同樣的變化特征。有機碳質(zhì)量分數(shù)的變化特征受沉積環(huán)境控制，潛質(zhì)頁巖段有機碳質(zhì)量分數(shù)的突變驗證了龍馬溪組海侵體系域密集段的存在。龍馬溪組潛質(zhì)頁巖段有機質(zhì)豐度大(平均(TOC)＞4.00%)，可與北美頁巖氣高產(chǎn)盆地媲美。

2.3 有機質(zhì)類型和成熟度

美國主要頁巖氣盆地勘探開發(fā)實際資料表明，產(chǎn)氣頁巖中的干酪根以Ⅰ型和Ⅱ型為主(表1)，只有少部分為Ⅲ型。當鏡質(zhì)體反射率o＞l.4%時，Ⅰ和Ⅱ1型干酪根則成為好的氣源巖，因為原油開始被裂解為濕氣；當o＞2.0%時，凝析氣已幾乎完全裂解為干氣。Ⅱ1和Ⅲ型干酪根需要較高的氫指數(shù)(IH)才能形成高豐度天然氣[11?15]。貴州地區(qū)龍馬溪組干酪根顯微組分中以腐泥組和殼質(zhì)組相對質(zhì)量分數(shù)較高，其中腐泥組中腐泥無定形體相對質(zhì)量分數(shù)為39%~67%，殼質(zhì)組中腐殖無定型體相對質(zhì)量分數(shù)為33%~59%；干酪根類型指數(shù)為67~81，干酪根類型以Ⅰ型和Ⅱ1型為主。龍馬溪組有機質(zhì)成熟度研究區(qū)南部向北部泥頁巖成熟度逐漸增大，熱成熟度分布在1.50%~3.39%之間，最高值出現(xiàn)在龔灘地區(qū)，成熟度高達3.39%；最低值出現(xiàn)在務(wù)川豐樂地區(qū)，成熟度為1.50%。黔中隆起帶龍馬溪組沉積較薄，泥頁巖的成熟度較低，o普遍低于1.5%，遠離隆起帶的南川—道真—習水地區(qū)龍馬溪組沉積較厚，為龍馬溪期黔北地區(qū)的1個沉積沉降中心，泥頁巖的成熟度較高，o普遍大于2.5%，習水地區(qū)o可達3.3%以上，處于過成熟晚期。

表1 龍馬溪組頁巖含氣量

2.4 巖石礦物學特征

頁巖的巖石礦物特征是對沉積環(huán)境的直接反映，石英和黏土等礦物質(zhì)量分數(shù)是影響頁巖含氣量的主控因素之一。頁巖脆性礦物質(zhì)量分數(shù)是影響頁巖基質(zhì)孔隙和微裂縫發(fā)育程度、含氣量及壓裂改造方式等的重要因素，巖石脆性越強，在人工壓裂外力作用下越易形成天然裂縫和誘導裂縫，有利于頁巖氣開采。貴州省志留系龍馬溪組頁巖礦物組成以石英和黏土礦物為主，次為自生脆性礦物(碳酸鹽巖礦物、黃鐵礦等)。石英、長石質(zhì)量分數(shù)為24.3%~75.5%，平均為49.6%；黏土礦物平均為40.8%，且以伊利石和伊蒙混層為主(質(zhì)量分數(shù)為22.2%~63.4%)，含少量的高嶺石和綠泥石；碳酸鹽礦物質(zhì)量分數(shù)較低，為0~44.8%，平均為9.4%。龍馬溪組含氣頁巖脆性礦物質(zhì)量分數(shù)較高，具有較好的脆性。

通過對習頁1井11塊巖心樣品礦物分析發(fā)現(xiàn)，五峰—龍馬溪組頁巖以石英(33.2%~69.9%)和黏土礦物(15.4%~40.1%)為主，2種礦物由底到頂呈現(xiàn)規(guī)律性變化，即由底部到頂石英質(zhì)量分數(shù)逐漸減少(從69.9%減少到38.9%)，黏土礦物逐漸增加(從18.8%增加到40.1%)。從習頁1井五峰—龍馬溪組(TOC)與黏土礦物和石英關(guān)系圖可以看出：黏土礦物質(zhì)量分數(shù)與(TOC)呈明顯負相關(guān)關(guān)系(圖4(a))，而自生石英卻與(TOC)呈明顯正相關(guān)關(guān)系(圖4(b))。在通常情況下，黏土礦物質(zhì)量分數(shù)的增加能夠增加黏土礦物晶間孔、收縮縫等儲集空間，且能夠明顯增大頁巖的比表面積，有利于有機質(zhì)的吸附，石英則具有較大的比表面積，不利于有機質(zhì)的吸附。造成這種現(xiàn)象的原因主要是習頁1井富有機質(zhì)頁巖發(fā)育在深水陸棚環(huán)境中，在深水陸棚沉積環(huán)境中，缺氧的還原環(huán)境和緩慢的沉積速率有利于有機質(zhì)的保存；由于深水陸棚區(qū)距離物源較遠，不利于陸源碎屑礦物和黏土礦物的沉積，富有機質(zhì)頁巖主要由海水中緩慢沉降的自生硅生物沉積形成，因此，深水陸棚區(qū)富有機質(zhì)頁巖有機質(zhì)和自生石英相對富集，而黏土礦物質(zhì)量分數(shù)較低。

(a) 黏土礦物與有機碳質(zhì)量分數(shù)負相關(guān)；(b)石英與有機碳質(zhì)量分數(shù)正相關(guān)

2.5 儲集物性

在頁巖氣勘探中，孔隙度是確定游離氣質(zhì)量分數(shù)和評價頁巖滲透性的重要參數(shù)。所取巖芯和露頭樣品的測試結(jié)果表明：龍馬溪組孔隙度分布比較分散，峰值區(qū)間為0.77%~11.9%，平均為6.99%，相對于美國五大含氣頁巖孔隙度(3%~14%)，其孔隙度屬中等；滲透率分布區(qū)間為0.001 4~0.52 mD，峰值區(qū)間為0~ 0.1 mD。貴州省富有機質(zhì)頁巖層系孔滲間普遍具有一定的相關(guān)性，表明頁巖中孔隙相對發(fā)育較好，以孔隙型、孔隙?裂縫型儲集空間為主(圖5)。

圖5 貴州龍馬溪組孔滲關(guān)系

2.6 含氣量

頁巖含氣量是指導頁巖氣勘探和資源可采性評價的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)之一，解析法是獲取含氣量的最直接方法，它能夠在模擬地層實際條件下反映樣品的含氣量，被用于作為樣品質(zhì)量分數(shù)測量的基本方法。北美地區(qū)商業(yè)開發(fā)的頁巖含氣量為0.44~9. 91 m3/t，一般認為商業(yè)性頁巖氣開發(fā)的頁巖含氣量下限為1.10 m3/t。通過對道頁1井6塊樣品現(xiàn)場解吸分析，4件有效數(shù)據(jù)計算總含氣量為1.84~2.69 m3/t(表1)；習頁1井24塊解吸樣品最終計算頁巖總含氣量在1.0~4.0 m3/t之間，完全符合工業(yè)開采標準。

表2所示為美國主要頁巖氣富集盆地及鄰近的四川盆地頁巖氣成藏條件主要參數(shù)對比。由表2可以發(fā)現(xiàn)：貴州地區(qū)龍馬溪組頁巖和四川盆地頁巖氣潛力層系均具有以Ⅰ型干酪根為主、成熟度較高的特點；與四川盆地相比，貴州地區(qū)龍馬溪組頁巖有機質(zhì)豐度更高，儲層孔隙度較大，均是頁巖氣富集成藏的有利條件；貴州地區(qū)龍馬溪組頁巖含氣量雖變化幅度較大，但底部潛質(zhì)頁巖段現(xiàn)場解析實驗結(jié)果均較理想，這進一步表明研究區(qū)龍馬溪組泥頁巖具備較大的頁巖氣資源潛力和較高的研究價值。

表2 頁巖氣藏盆地地質(zhì)條件

3 有利區(qū)

貴州省境內(nèi)龍馬溪組雖發(fā)育面積較小，但其成藏地質(zhì)條件較好，埋深主體在1~3 km之間，已實施鉆井的現(xiàn)場解析含氣量實驗結(jié)果也較為理想，因此，認為其仍然具有較好的勘探開發(fā)價值。通過對其成藏條件進行綜合分析評價，確定了有利區(qū)劃分標準(表3)，根據(jù)劃分標準繪制貴州省龍馬溪組頁巖綜合評價圖(圖6)，認為龍馬溪組頁巖氣勘探有利區(qū)主要分布在習水、桐梓、道真等地區(qū)。

表3 貴州省龍馬溪組海相頁巖有利區(qū)優(yōu)選標準

圖6 龍馬溪組富有機質(zhì)頁巖綜合評價

習水有利區(qū)主要分布在習水縣，地層厚度為20~50 m，地層厚度由南向北增大，有機碳質(zhì)量分數(shù)較高，普遍大于2.5%，具有良好的生烴潛力。o為2.8%~3.2%，處于熱演化中晚期，地貌以中低山為主。頁巖氣地質(zhì)調(diào)查井習頁1井的現(xiàn)場解吸實驗結(jié)果表明，頁巖含氣量可達2.9 m3/t，含氣量高。有利區(qū)除上覆地層發(fā)育層間斷層外，潛質(zhì)頁巖總體發(fā)育較好，具備較好的保存條件，具有較好的頁巖氣勘探潛力。

桐梓有利區(qū)主要分布在桐梓縣，地層厚度為15~45 m，地層厚度由南向北增大，有機碳質(zhì)量分數(shù)較高，普遍大于2.5%，具有良好的生烴潛力。o為2.6%~3.4%，處于熱演化中晚期，地貌以中低山為主。頁巖氣地質(zhì)調(diào)查井桐頁1井的現(xiàn)場解吸實驗結(jié)果表明，頁巖含氣量在0.5~2.0 m3/t之間。有利區(qū)除上覆地層發(fā)育層間斷層外，潛質(zhì)頁巖總體發(fā)育較好，具備較好的保存條件，具有較好的頁巖氣勘探潛力。

道真玉溪有利區(qū)主要分布于道真向斜及其周邊多個小型向斜構(gòu)造。地表出露二疊—三疊系地層，龍馬溪組潛質(zhì)頁巖厚度較大，為50~90 m，平均約為65 m，呈現(xiàn)向北地層厚度增大的趨勢；有機碳質(zhì)量分數(shù)以忠信、巴漁地區(qū)最大，可達6.5%，平均大于1.5%，o為2.5%~3.5%。地勢呈現(xiàn)北緩南陡，地層埋深小于 1.5 km。斷裂不發(fā)育，保存條件較好，道頁1井的含氣潛力較大。總體表明該地區(qū)具有較大的頁巖氣勘探潛力。

4 結(jié)論

1) 貴州地區(qū)龍馬溪組潛質(zhì)頁巖主要形成于深水陸棚沉積環(huán)境，位于龍馬溪組地層底部，在習水地區(qū)最后可達80 m，巖性以炭質(zhì)頁巖和硅質(zhì)頁巖為主，分布穩(wěn)定，分布面積廣。

2) 潛質(zhì)頁巖段有機質(zhì)類型以I型為主，有機碳質(zhì)量分數(shù)多大于1.5%，且越接近龍馬溪組底部有機碳質(zhì)量分數(shù)越高；熱成熟度分布在1.5%~3.39%之間，處于成熟—過成熟階段，石英、長石質(zhì)量分數(shù)為24.3%~ 75.5%，平均為49.6%；黏土礦物平均為40.8%，脆性礦物質(zhì)量分數(shù)高；孔隙度在0.77%~11.9%之間，現(xiàn)場解析含氣量在0.04~3.06 m3/t之間。通過和北美主要盆地、四川盆地頁巖氣成藏條件對比認為貴州地區(qū)龍馬溪組具有良好的頁巖氣成藏條件。

3) 通過有利區(qū)評價參數(shù)分析，認為龍馬溪組頁巖氣勘探有利區(qū)分布范圍較局限，主要分布在習水、桐梓、道真等地區(qū)。

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Accumulation conditions of shale gas from Lower Silurian Longmaxi Formation in Guizhou

ZHANG Peng1, 2, ZHANG Jinchuan1, LIU Hong2, HUANG Yuqi2, Lü Yannan1

(1. School of Energy Resources, China University of Geosciences, Beijing 100083, China; 2. Department of Mining Engineering, Liupanshui Normal University, Liupanshui 553004, China)

With the Lower Silurian Longmaxi Formation shales being the research object, the accumulation conditions of marine shale gas of Longmaxi Formation in Guizhou were studied based on the results of drilling, experimental test results of core samples and outcrops given to the complexity for shale gas accumulation conditions of Guizhou. The results show that Longmaxi Formation black shales in this region are mainly formed in shelf sedimentary facies, with the features of having great organic-rich shale thickness, and high organic mass fraction (the potential of shale section average(TOC)＞4%); organic matters are of type I and II1; organic matter thermal evolution level is in high-over; the shales are rich in brittle mineral, and have medium porosityand high gas content. Compared with the shales in North America which is explored and developed successfully. The Lower Silurian Longmaxi Formation has good accumulation conditions for shale gas. Therefore, the bottom of Longmaxi Formation is considered as the protential target for shale gas exploration, and the favorable areas of shale gas enrichment are also predicted.

shale gas; accumulation condition; potential of shale section; favorable areas

10.11817/j.issn.1672-7207.2016.09.024

TE122

A

1672?7207(2016)09?3085?08

2015?09?23；

2015?11?27

六盤水師范學院搞高層次人才科研啟動基金資助項目(LPSSYKYJJ201505)；國家自然科學基金資助項目(41272167) (Project(LPSSYKYJJ201505) supported by the Research Foundation for Talented Scholars of Liupanshui Normal University; Project(41272167) supported by the National Natural Science Foundation of China)

張金川，博士，教授，從事頁巖油氣研究；E-mail: zhangjc@edu.com.cn

(編輯 劉錦偉)