秦 川, 余 謙, 劉 偉, 閆劍飛, 張海全, 門玉澎

( 1. 中國地質調查局 成都地質調查中心,四川 成都 610081; 2. 國土資源部沉積盆地與油氣資源重點實驗室,四川 成都 610081 )

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黔北地區龍馬溪組富有機質泥巖儲層特征與勘探前景

秦 川1,2, 余 謙1,2, 劉 偉1,2, 閆劍飛1,2, 張海全1,2, 門玉澎1,2

( 1. 中國地質調查局 成都地質調查中心,四川 成都 610081; 2. 國土資源部沉積盆地與油氣資源重點實驗室,四川 成都 610081 )

利用黏土礦物及全巖X線衍射分析、有機碳質量分數和顯微組分、鏡質體反射率、氣體法—脈沖法孔隙度和滲透率測定、核磁共振孔隙度、氬離子拋光掃描電鏡等方法，測試黔北地區下志留統龍馬溪組鉆井和剖面富有機質泥巖段巖石樣品，研究其儲層特征。結果表明，龍馬溪組富有機質泥巖巖石類型主要為含粉砂炭質泥巖、粉砂質炭質泥巖，礦物組分中黏土礦物平均質量分數為23.5%，脆性礦物以石英為主(占43.9%)。干酪根類型以I型為主，有機碳質量分數介于2.0%～6.0%，有機質成熟度介于1.51%～2.58%。富有機質泥巖總孔隙度介于2.7%～9.9%，滲透率較低，一般為(0.001～5.960)×10-4μm2。微觀儲集空間以微裂縫、少量殘余粒間孔為主。黔北地區龍馬溪組富有機質泥巖具有脆性礦物質量分數高、黏土礦物質量分數低、有機質豐度和有機質成熟度高、低孔低滲的儲層特征，具備良好的頁巖氣勘探潛力。

富有機質泥巖； 儲層特征； 下志留統； 龍馬溪組； 黔北地區

0 引言

頁巖氣的勘探開發是化石能源領域的重大革命，已成為全球非常規天然氣勘探開發的熱點方向和現實領域[1]。目前，美國、加拿大等已經實現頁巖氣的商業開發[2-3]。我國頁巖氣勘探處于快速起步階段，中國南方地區分布的海相富有機質的黑色頁巖厚度大、埋藏深度小，具有很好的頁巖氣成藏條件[4-6]。

黔北地區下寒武統牛蹄塘組黑色頁巖和上奧陶統五峰組—下志留統龍馬溪組暗色泥頁巖分布面積廣泛、厚度較大，具有頁巖氣成藏的基本條件，是最有利的頁巖氣勘探層位，加強這些層位的研究和勘探意義重大[7-9]。張春明等認為，泥質深水陸棚是形成有效烴源巖的主要相類型，龍馬溪早期欠補償環境有利于形成有利的烴源巖[10]；王世玉等認為，下志留統有效黑色頁巖厚度是龍馬溪組下段深水陸棚沉積段[11]；李俊良等認為，龍馬溪組頁泥巖有機質含量高，熱演化程度高，并且含有硅質成分[12]；林家善等認為，龍馬溪組底部烴源巖處于高有機物產率、強還原環境階段[13]；易同生等認為，正安—務川—沿河以北是貴州龍馬溪組頁巖氣保存的有利區[14]。

近年來，對黔北地區龍馬溪組的研究主要集中在沉積環境、巖相古地理、烴源巖等方面，而對儲層特征的精細刻畫相對缺乏。由于受勘探程度所限，以往的研究主要基于野外露頭觀察及地表樣品分析測試。在黔北地區區域構造和沉積地層分布特征的基礎上，筆者以黔北地區唯一一口下志留統龍馬溪組頁巖氣調查井——道頁1井，以及道真巴漁、沿河新景、務川北、湄潭抄樂等地表剖面的龍馬溪組富有機質泥巖為主要研究對象，進行連續采樣、全巖及黏土礦物X線衍射分析、有機碳質量分數、鏡質體反射率和顯微組分、氬離子拋光掃描電鏡、孔隙度和滲透率、核磁共振孔隙度、含氣性現場解析等測試，研究龍馬溪組富有機質泥巖儲層的巖石礦物學特征、有機地球化學特征、物性特征、儲集空間類型及特征等，為該地區頁巖氣資源潛力評價提供地質依據。

1 地質背景

文中黔北地區指遵義斷裂以東、貴陽—鎮遠斷裂以北的貴州省行政區范圍，面積約為4.9×104km2(見圖1)。在大地構造上位于上揚子地臺區，其構造演化與揚子地臺的區域構造演化具有相似性[15]。揚子地臺的演化過程經歷多期構造運動的疊加。由于受不同時期構造長期的相互干擾和疊加，形成研究區褶皺和斷層發育、組合形態復雜的構造景觀[16-17]。

圖1 黔北地區主要斷裂分布及龍馬溪期沉積相展布Fig.1 Faults distribution and sedimentary facies between Longmaxi stage in northern Guizhou

晚奧陶—早志留世龍馬溪期，黔北遵義—石阡—銅仁一線之南地區隆升為陸，無龍馬溪組沉積，可見石牛欄組與寶塔組平行不整合接觸(如石阡本莊)。隆起北部邊緣發育潮坪相沉積，向北部過渡為陸棚沉積區，黔北地區自南向北水體加深，地層厚度、富有機質巖性段(w(TOC)>1.5%)厚度也由南往北逐漸增厚(見圖2)。現今黔北地區寬緩背斜構造在地表以出露寒武系地層為主，大部分地區龍馬溪組已剝蝕殆盡，僅在二疊—三疊系覆蓋區有龍馬溪組地層保留，呈北東—南西向條帶狀，沿向斜翼部分布。下志留統龍馬溪組富有機質泥頁巖主要發育于深水陸棚相區，縱向上位于龍馬溪組下部。

2 儲層特征

2.1 巖石類型和礦物組成

黔北地區龍馬溪組富有機質泥巖巖石類型主要為含粉砂炭質泥巖、粉砂質炭質泥巖、含鈣—鈣質粉砂質碳質泥巖(見圖3)。富有機質泥巖段脆性礦物總體質量分數為52.0%～82.0%(碎屑礦物與自生脆性礦物質量分數之和)(見圖4)。其中，脆性礦物以石英為主，占43.9%；次之為鉀長石和斜長石(平均為19.4%)、方解石和白云石(平均為10.1%)；黃鐵礦質量分數為1.1%。黏土礦物質量分數為15.0%～46.0%，平均為23.5%，主要為伊利石組成，伊/蒙混層、高嶺石和綠泥石質量分數較低(見圖5)。

圖2 道頁1井—綏陽—湄潭抄樂龍馬溪組沉積相剖面

圖3 黔北地區龍馬溪組富有機質泥巖顯微特征

圖4 黔北地區龍馬溪組富有機質泥巖全巖礦物組成直方圖Fig.4 Histogram of mineral contents of organic-rich mudstone of Longmaxi formation in northern Guizhou

圖5 黔北地區龍馬溪組富有機質泥巖黏土礦物組成直方圖

在區域上，南部越靠近黔中古隆起邊緣，碎屑礦物、自生脆性礦物質量分數越高、粒度越大；縱向上越往上部，碳質質量分數越低，碎屑礦物、自生脆性礦物質量分數越高、粒度越大。巖石礦物學分布差異是沉積環境的響應，表現為由南至北沉積水體加深，陸源碎屑補給減弱。

2.2 有機地球化學特征

龍馬溪組富有機質泥巖干酪根顯微組分主要為腐泥無定形體及腐泥碎屑體。其中腐泥無定形體質量分數為27.0%～87.0%，平均為55.7%；腐泥碎屑體質量分數為4.0%～71.0%，平均為38.8%。樣品中含少量的無結構鏡質體和絲質體。干酪根類型指數為75～98，以Ⅰ型為主，Ⅱ1型次之。

龍馬溪組富有機質泥巖段有機質豐度較高，有機碳質量分數介于2.0%～6.0%，平均為3.5%。道頁1井15個樣品測試結果表明，有機碳質量分數最大為5.9%，其中w(TOC)大于1.5%的富有機質泥巖段鉆厚達27 m，Ro介于1.51%～2.18%，平均為1.79%，干酪根處于高成熟—過成熟早期演化階段。道真巴漁剖面24個樣品測試結果表明，有機質成熟度介于1.87%～2.58%，平均為2.21%。

在區域上，龍馬溪組富有機質泥巖有機碳質量分數、有機質成熟度的變化主要體現在南北向的差異。在道真、沿河地區，龍馬溪組沉積較厚，為龍馬溪期黔北地區的一個沉積沉降中心，有機碳質量分數、有機質成熟度普遍較高。往南靠近黔中隆起帶，龍馬溪組沉積相對減薄，有機碳質量分數、有機質成熟度明顯降低(見圖6)。

2.3 孔隙度和滲透率

利用氣體法對道真巴漁剖面巖石樣品進行孔隙度、滲透率測定，龍馬溪組富有機質泥巖總孔隙度介于2.7%～9.9%；滲透率較低，一般為(0.10～0.91)×10-6μm2。利用脈沖法測試孔隙度、滲透率，道頁1井龍馬溪組富有機質泥巖有效孔隙度介于0.67%～1.76%，平均有效孔隙度為1.27%；滲透率介于(0.004 9～0.691 2)×10-3μm2，平均滲透率為0.152 8×10-3μm2(見表1)。利用核磁共振測試孔隙度，道頁1井龍馬溪組總孔隙度為3.92%～7.62%。

2.4 儲集空間類型、特征及其形成主控因素

將氬離子拋光掃描電子顯微鏡技術用于納米級孔隙(直徑<10.0 μm)研究，精確刻畫頁巖的孔隙類型、結構和大小[18]。黔北地區龍馬溪組富有機質泥巖結構致密，微孔隙總體不發育，可劃分為粒內孔、粒間孔、有機質孔和裂縫等四種類型[18]。

2.4.1 粒內孔

粒內孔的發育程度取決于礦物的穩定性，長石和方解石等不穩定礦物較易溶蝕而形成粒內孔，黃鐵礦也存在溶蝕現象。粒內孔在黔北地區龍馬溪組富有機質泥巖中發育較少，掃描電鏡下可見黃鐵礦單晶或草莓狀黃鐵礦部分溶蝕而形成粒內溶孔(見圖7(a))。粒內孔形態多為多邊形狀或槽狀，孔徑大小不一，直徑一般為0.1～5.0 μm，連通性較差。

圖6 黔北地區龍馬溪組有機碳質量分數及有機質成熟度Fig.6 Distribution of total organic carbon and organic material maturity of Longmaxi formation in northern Guizhou

剖面樣品號總孔隙度/%滲透率/10-3μm2備注鉆井樣品號有效孔隙度/%滲透率/10-3μm2備注DZP4-CH34.4<0.04×10-3DY1-10.670.0065DZP10-CH45.20.91×10-3DY1-31.350.0049道真巴漁剖面DZP10-CH59.90.67×10-3氣體法道頁1井DY1-41.040.0067脈沖法DZP10-CH65.20.10×10-3DY1-61.460.5960DZP12CH75.0<0.04×10-3DY1-131.760.0283DZP16-CH82.7<0.04×10-3DY1-231.270.6912

2.4.2 粒間孔

粒間孔為同種或不同種顆粒、晶體或化石間孔隙。黔北地區下志留統龍馬溪組富有機質泥巖粒間(晶間)孔隙主要由同種或多種晶粒、礦物相互支撐而形成[18]。其中，粉砂顆粒之間或粉砂顆粒與黏土礦物之間微孔隙較為發育，但多被有機質、泥質充填，僅殘余部分粒間微孔隙，或僅殘余繞顆粒邊緣分布的微孔隙(見圖7(b-d))。粒間孔直徑一般為0.1～2.0 μm，比粒內孔的孔徑更小，但更具規模，連通性差。粒間孔的形態多呈不規則狀、孔喉狀或槽狀。

2.4.3 有機質孔

龍馬溪組富有機質泥巖中有機質結構致密，有機孔(有機質內孔)總體不發育，對黔北地區龍馬溪組富有機質泥巖的總孔隙度貢獻較小。有機孔孔徑相對較小，主要為納米級的孔隙，孔徑介于1～200 nm。有機孔形態多為不規則狀、不規則的橢球狀、似蜂窩狀(見圖7(e))。

圖7 黔北地區道頁1井龍馬溪組微觀孔隙特征Fig.7 Micro-characteristics of pores of of DY1 well, Longmaxi formation in northern Guizhou

2.4.4 裂縫

裂縫的形成主要與黏土礦物、硅質有關，在其他礦物中少見。在黏土礦物中，裂縫的形成主要與成巖作用過程中黏土礦物的脫水作用有關[18]。根據掃描電鏡及背散射觀察結果，黔北地區龍馬溪組富有機質泥巖中微觀裂縫較為發育，形成理想的解析—滲流通道。主要為黏土礦物層間微裂縫，黏土礦物以片狀伊利石為主，層間微裂縫寬度通常小于1.0 μm，多被有機質充填，僅在有機質邊緣殘余部分微縫隙(見圖7(f))。脆性礦物與黏土礦物之間可見豐富微裂縫，縫面繞脆性礦物而彎曲，無充填，寬度一般為0.5～5.0 μm。微裂縫是龍馬溪組富有機質泥巖的主要儲集空間類型。

2.5 含氣性特征

以道頁1井為例，龍馬溪組富有機質泥巖段含氣性較好，損失氣量和解析氣量為1.32～1.63 m3/t，總含氣量為1.84～2.69 m3/t(見表2)。解析氣體組分以CH4為主，含少量C2～C4氣體及微量CO2、N2。CH4體積分數較高，峰值可達99.30%。

表2 道頁1井龍馬溪組含氣性特征

3 頁巖氣勘探前景

根據美國頁巖氣成功開發實踐，具有工業氣流的頁巖氣有機碳質量分數下限為0.5% ，有機質成熟度下限為1.1%[20-21]，為取得較好壓裂改造效果，脆性礦物質量分數通常要大于50%[22]。黔北地區龍馬溪組富有機質泥巖段中脆性礦物總體質量分數52.0%～82.0%，破裂潛力較好；黏土礦物質量分數為15.0%～46.0%，平均為23.5%；有機碳質量分數為2.0%～6.0%，平均為3.5%；鏡質體反射率為1.51%～2.18%，平均為1.79%，與美國含氣頁巖的數據相當。因此，黔北地區下志留統龍馬溪組具備頁巖氣形成的基本地質條件，是潛力良好的頁巖氣勘探目的層。

4 結論

(1)龍馬溪組富有機質泥巖巖石類型主要為含粉砂伊利石炭質泥巖、粉砂質伊利石炭質泥巖、含鈣—鈣質粉砂質伊利石碳質泥巖，礦物組分中黏土礦物質量分數為15.0%～46.0%，平均為23.5%；脆性礦物以石英為主，次為鉀長石和斜長石、方解石和白云石；黃鐵礦質量分數較低。

(2)龍馬溪組富有機質泥巖干酪根類型以Ⅰ型為主，Ⅱ1型次之，有機碳質量分數介于2.0%～6.0%，平均為3.5%，有機質成熟度介于1.51%～2.58%，平均為2.01%，干酪根處于高成熟—過成熟早期演化階段。

(3)龍馬溪組富有機質泥巖結構致密，總孔隙度介于2.7%～9.9%，滲透率較低，一般為(0.001～5.960)×10-4μm2。微觀儲集空間以微裂縫、少量殘余粒間孔為主，有機質孔和粒內孔發育較差。

(4)黔北地區龍馬溪組富有機質泥巖具有脆性礦物質量分數高、黏土礦物質量分數低、有機質豐度和有機質成熟度高、低孔低滲的儲層特征，具備良好的頁巖氣勘探潛力。

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2016-07-07；編輯：任志平

國土資源部油氣資源戰略研究中心項目( 2009GYXQ15-03)；貴州省地質勘查基金項目(GZSYYQZYDC2012-002)；中國地質調查局基礎性公益性地質礦產調查項目(DD20160176)

秦 川(1985-)，女，博士，工程師，主要從事石油地質學方面的研究。

TE122.2

A

2095-4107(2016)05-0086-08

DOI 10.3969/j.issn.2095-4107.2016.05.010