黔西北五峰-龍馬溪組頁巖氣成藏條件綜合評價

張 鵬，黃宇琪，張金川2，魏曉亮2，楊軍偉

(1.六盤水師范學院 礦業與土木工程學院，貴州 六盤水 553004； 2.中國地質大學(北京) 能源學院，北京 100083)

頁巖氣作為一種重要的非常規天然氣資源，具有自生自儲、原地聚集成藏的特點[1]，是傳統能源結構的重要補充。國內眾多學者對我國頁巖氣成藏機理與條件[2]、保存條件[3]和選區評價[4-5]等進行了研究，認為我國南方地區晚奧陶紀—早志留紀的五峰-龍馬溪組是頁巖氣勘探的重點層系。全國頁巖氣資源評價項目對貴州省富有機質頁巖層系和頁巖氣成藏參數進行了初步評價，優選出頁巖氣勘探開發重點層系，童川川等[6]研究發現黔西北地區五峰-龍馬溪組頁巖分布廣泛且厚度穩定；胡晨林和易同生等[7-8]通過對黔西北地區頁巖地球化學特征和儲層特征研究，發現黔西北地區五峰-龍馬溪組具有較大的頁巖氣資源潛力；雷子慧等[9]通過對正安向斜五峰-龍馬溪組頁巖氣成藏條件發現，頁巖層系后期的保存條件是影響頁巖氣能否富集的關鍵因素。

貴州原型盆地經過印支期-喜馬拉雅期的構造運動被強烈改造，頁巖廣泛遭受了強變形與強改造作用，抬升剝蝕、斷裂破碎、沖斷推覆、火山巖漿侵入等作用使頁巖及地層連續性與完整性遭受了嚴重破壞，造成貴州省頁巖氣成藏條件的復雜性。雖然黔西北各套富有機質頁巖具有普遍含氣特征，但由于頁巖氣的保存條件至關重要，同一層位在不同地區含氣差異性較大。本文在前人對黔西北頁巖氣富集規律和成藏條件分析基礎上，結合黔西北地區構造演化特征，分析了黔西北地區五峰-龍馬溪組頁巖形成環境對頁巖氣成藏條件的約束作用，細化五峰-龍馬溪組頁巖地球化學、儲層含氣量等成藏參數，引入分形維數分析孔隙結構和后期保存條件對頁巖含氣性的影響，以期對黔北頁巖氣資源儲量的精細評價和后期勘探開發評價提供理論依據。

1 地質背景

研究區位于揚子板塊的黔中隆起區和滇黔北坳陷區，地理位置上處于赫章縣-鎮寧一線北東側，貴陽-遵義-綏陽一線北西側的廣大地區，震旦系到第四系均有出露，且多為整合接觸。構造形式主要有褶皺、斷層、平行不整合、角度不整合等，構造行跡展布方向為北東向及近南北向，構造樣式以隔槽式褶皺組合為主，部分為穹窿-構造盆地及短軸背向斜組合。其中習頁1井(貴州習水縣)和桐頁1井(貴州桐梓縣)是針對五峰-龍馬溪組含氣頁巖段分布、頁巖氣地質特征及含氣性特征研究的兩口探井，本研究實驗數據來自2口鉆井頁巖巖心測試數據，排除了風化作用等對頁巖物理化學性質的影響。

2 實驗和測試數據

樣品測試內容包括：頁巖有機地化特征(有機碳含量、鏡質體反射率和干酪根顯微組分)、儲層特征(礦物組成、孔隙類型和低溫N2吸附-脫附)和含氣性特征(現場解析) 3部分。

頁巖有機碳含量(GB/T 19145—2003)采用LECO-CS230碳硫分析儀測定；鏡質體反射率(SY/T 5125—20142)和干酪根顯微組分(SY/T 5124—201)，采用Axio Scope A1顯微光度計測定；頁巖全巖及黏土礦物組成(SY/T 5163—2010)采用荷蘭PANalytical公司的X’Pert Powder X射線衍射儀測定；頁巖孔隙類型(GB/T 16594—2008)采用美國Gatan公司Ilion Ⅱ697型氬離子拋光儀和德國ZEISS公司Merlin Compact場發射掃描電鏡儀器測定；低溫N2吸附(GB/T 19587—2004)采用比表面測定儀Quadrasorb SI測定；頁巖含氣量采用中國地質大學(北京)自主研發的全自動頁巖含氣量解吸儀現場測定(表1)。

3 沉積環境與頁巖厚度

中—晚奧陶世揚子陸塊與華夏地塊間的匯聚擠壓和“陸內造山”制約了區內沉積相帶的分布，研究區由南向北依次為濱岸相、潮坪相、淺水陸棚相和深水陸棚相。五峰組和龍馬溪組底部為深水陸棚沉積，巖性主要為深黑色-黑色鈣質、碳質頁巖，見黃鐵礦和筆石綱化石；龍馬溪組中部為淺水陸棚沉積，巖性主要為灰黑色-黑色粉砂質、鈣質頁巖，頁巖層理發育，斷面可見筆石綱化石和雙殼類化石；頂部為泥灰質淺水陸棚相沉積，巖性主要為灰黑色砂質頁巖與灰色條帶灰巖互層。黔西北五峰-龍馬溪組自下而上相對海平面持續下降，從深水陸棚相逐漸演化為淺水陸棚相(圖1)。

圖1 黔西北五峰組-龍馬溪組沉積相及頁巖厚度圖

五峰-龍馬溪組主要出露于黔西北地區，即畢節-遵義-石阡-銅仁一線以北，頁巖厚度由北向南變薄，其中尤以騎龍村和韓家店地區厚度最大，超過40 m，騎龍村附近最厚可達50 m，遵義地區完全消失(圖1)。

4 頁巖地球化學特征

4.1 有機碳含量

通過對兩口鉆井有機碳含量和常微量元素綜合分析發現，五峰-龍馬溪組頁巖沉積環境變化具有明顯的階段性：五峰組為還原環境階段(V/(V+Ni)>0.54，Ni/Co>7，V/Cr>4.25)，TOC含量最高可達4.95%；五峰組頂部則出現短暫的氧化環境，沉積了一套以殼相化石為主的碳酸鹽巖層，TOC含量0.97%；龍馬溪組底部為還原環境，TOC含量為4.15%～6.29%；龍馬溪組中上部V/(V+Ni)、Ni/Co和V/Cr值異常波動，指示還原-氧化環境波動，TOC含量0.38%～0.54%。五峰-龍馬溪組TOC的階段性特征與構造-沉積環境演化相對應，海洋藻類有機碳的13Corg值通常是-20‰～-22‰[10-12]，黔西北五峰-龍馬溪組有機質的13Corg值普遍低于-28‰，出現明顯的負漂移，反映了五峰-龍馬溪組為普遍缺氧的沉積環境，有利于有機質的保存(圖2)。

圖2 習頁1井五峰-龍馬溪組頁巖地球化學評價圖

4.2 有機質類型和成熟度

五峰-龍馬溪組缺少陸源碎屑和高等植物輸入，古生物以甲藻與浮游綠藻占優勢[12]，干酪根顯微組分主要以分散狀腐泥組(39%～67%)和塊狀瀝青組(4%～28%)為主，缺少殼質組、鏡質組和惰質組。干酪根類型指數為67～81，以Ⅰ型和Ⅱ1型為主。頁巖樣品有機質成熟度分布范圍在1.83%～3.96%，平均值為2.66%。

5 頁巖儲層特征

5.1 礦物組成

黔西北五峰-龍馬溪組礦物成分以黏土礦物和石英為主，平均含量分別為42.6%和27.9%；其次為碳酸鹽巖礦物，平均含量19.7%，還有少量的長石、石膏和黃鐵礦等礦物(圖3(a))。黏土礦物主要為伊利石(32%～76%))、高嶺石(3%～17%)、綠泥石(5%～28%)和伊/蒙混層(8%～37%)，伊/蒙混層中，伊利石層含量占85%以上。五峰組和龍溪組底部頁巖中石英含量高達60%～70%，且石英含量與頁巖中TOC含量呈正相關關系(圖3(b))，黏土礦物與頁巖中TOC含量呈先正后負的關系(圖3(c))，說明五峰組和龍馬溪組底部在缺少陸源碎屑輸入的情況下，頁巖中的硅質多為生物成因。隨著海平面逐漸下降，龍馬溪組中上部石英多為陸源碎屑輸入，龍馬溪組中上部黏土礦物和TOC含量正相關。黏土礦物和碎屑礦物呈此消彼長的趨勢，底部石英含量高，向上逐漸減少。

圖3 桐頁1井頁巖礦物組成特征

5.2 力學特性

采用Rickman等[13]建立的彈性參數脆性指數BI(E—楊氏模量，v—泊松比)綜合表征研究區頁巖的脆性水平，即：

計算發現，7個樣品頁巖脆性指數分布范圍29%～73%，平均50%，說明頁巖脆性強，后期水力壓裂容易形成誘導裂縫網絡。一般來說，黏土礦物和有機質有微孔發育并具有較大的比表面積，對氣體的吸附能力強，而石英和長石等碎屑礦物含量的增加，有利于天然裂縫的形成，為游離氣提供儲集空間，提高泥頁巖的儲集和滲流性能，因此在評價研究區頁巖儲層的力學特征時，須綜合考慮黏土礦物、含水飽和度、石英及碳酸鹽含量之間的平衡關系。

5.3 儲集空間類型

結合前人[14]對孔隙的劃分方案，研究區內頁巖孔隙主要為粒內孔、粒間孔、微裂縫和有機質孔4種類型，粒內孔主要形成于礦物顆粒內部，多為草莓狀黃鐵礦晶間孔、溶蝕孔和片狀黏土礦物粒內孔等，形狀多不規則；粒間孔多為原生孔隙，呈多角形和拉長型，主要發育在礦物顆粒接觸處，本次實驗見伊/蒙混層礦物聚合體中的粒間孔和礦物顆粒接觸晶間孔 (圖4(a)、4(b))，其中黏土礦物粒內孔較發育，可見一定數量的溶蝕孔(圖4(c)、4(d)、4(e))。研究區有機質孔隙較發育，從上部到底部，有機孔的數量逐漸增加(圖4(e))。五峰-龍馬溪組頁巖樣品中微裂縫主要為黏土礦物成巖轉化過程中伴隨體積縮小形成的收縮縫和構造作用產生的微裂縫(圖4(b)、4(f))。利用研究區大量實驗數據，回歸孔隙度的計算公式為：

Φ=ρ×A黏土礦物×V黏土礦物+ρ×A有機質×V有機質+ρ×A脆性礦物×V脆性礦物。

其中，Φ為頁巖孔隙度，A代表礦物百分含量，V表示單位頁巖單位質量孔隙體積。計算發現，研究區有機質孔隙占60%以上，其次為黏土礦物層間孔和脆性礦物粒間孔，這與五峰-龍馬溪組頁巖的高有機質含量和高過熱成熟度有關。

圖4 黔西北五峰-龍馬溪組頁巖孔隙類型

5.4 孔隙形態

由于頁巖孔隙形態多樣、孔徑分布范圍廣、孔吼細小，造成了頁巖孔隙結構的復雜性，前人常用分形理論來表征頁巖孔隙的復雜性[15-16]。通過低溫氮氣吸附-脫附實驗，測得研究區五峰-龍馬溪組比表面積為10.735～24.646 m2/g，平均17.746 m2/g；孔徑5.45～8.03 nm，平均6.49 nm。由頁巖吸附-脫附曲線形態發現(圖5)，曲線斜率變化較大且有明顯拐點，頁巖樣品在低壓區(P/P0<0.6)氣體吸附量較小，隨相對壓力的增大，吸附量增大、速率增加。通過與IUPAC等溫線分類標準對比發現，頁巖吸附曲線出現H3型滯后環，屬于Ⅳ型等溫線，反應由于頁巖中黏土礦物所占比例高，片狀顆粒較多，頁巖孔隙類型多為中孔，孔隙形態多為狹縫型，其次發育少部分楔形及墨水瓶型孔隙[15-17]。部分樣品的吸附-脫附曲線出現低壓區不閉合的現象(圖5)，是由于頁巖發生膨潤現象造成的。

圖5 黔西北五峰-龍馬溪組頁巖低溫N2吸脫附曲線

5.5 孔隙結構

采用FHH孔隙分形模型[17]，通過研究區頁巖低溫氮氣吸附-脫附實驗結果計算分形維數，通常巖石孔隙分形維數D介于2～3之間，數值接近2則反映孔隙結構簡單、表面規則、均質性較強，而數值接近3則反映孔隙結構復雜、表面不規則、非均質性強、流體流動阻力較強[18]。區內頁巖吸附-脫附曲線滯后環發生在相對壓力為0.5處，對應頁巖樣品孔隙分形維數呈現兩種不同的分形特征，且兩段曲線均有較高的擬合度(圖6)。將相對壓力為0～0.5的一段曲線計算得出的分形維數值記為D1， 相對壓力為0.5～1.0的一段擬合曲線計算得出的分形維數為D2。對五峰-龍馬溪組泥頁巖樣品的分形維數進行計算，D1為2.32～2.63，平均值2.5；D2為2.76～2.91，平均2.84。D1數值接近2.5，大小適中；D2數值均偏大，更接近于3(表2)，表明五峰-龍馬溪組泥頁巖樣品孔隙表面粗糙程度中等，吸附能力中等，孔隙結構比較復雜。

圖6 習頁1井頁巖孔隙分形維數擬合曲線

表2 習頁1井頁巖分形維數擬合

圖7 黔西北五峰-龍馬溪氣體來源

5 含氣性特征

習頁1井頁巖樣品的解吸氣含氣量為0.63～2.81 m3/t，而桐頁1井頁巖樣品的解吸氣含氣量為0.047 5～0.345 m3/t，氣體組分以CH4為主，還有少量的O2和CO2。傳統觀點認為，乙烷的碳同位素最具母質的繼承性，其中油型氣δ13C2<-29‰，煤成氣δ13C2>-28‰，通過分析黔西北地區碳同位素和氫同位素特征發現，五峰-龍馬溪組頁巖氣為油型裂解氣和煤成氣，以油型裂解氣為主(圖7)。習頁1井和桐頁1井的鉆探實踐表明，雖然區內頁巖具有良好的成藏條件，但兩者含氣性差異較大，這主要是由黔西北凹陷的構造樣式不同造成的，桐梓地區地層斷裂和褶皺發育，地層水循環(自由交替帶)深度大(800～1 000 m)，頁巖埋深淺(<2 200 m)，局部甚至暴露地表，因此桐梓地區頁巖氣保存條件相對較差，且桐頁1井緊鄰遵義-貴陽斷裂，導致地下目的層與地表聯通，形成開放系統，天然氣散失，僅獲得較好的氣顯示，但未見工業價值氣流，因此在滿足基本頁巖氣成藏條件的基礎上，頁巖氣保存條件是控制成藏的關鍵因素。

6 結論

1) 黔西北五峰-龍馬溪組古生物以甲藻與浮游綠藻占優勢，有機質類型以I型為主，有機質成熟度2.34%～3.96%，有機碳含量高，表明黔西北五峰-龍馬溪組具有良好的頁巖氣成藏條件。

2) 頁巖孔隙主要為粒間孔、粒內孔、有機質孔和微裂縫，頁巖樣品的分形維數D1為2.3～2.63，平均值為2.495 8，D2為2.76～2.9，平均值為2.8。D1數值接近2.5，大小適中，D2數值均偏大，更接近于3，說明頁巖孔隙表面粗糙程度中等，吸附能力中等，孔隙結構比較復雜，后期需要選擇合適的壓裂方式進行開采。

3) 黔西北地區五峰-龍馬溪組黑色頁巖樣品的解吸氣含氣量為0.05～2.81 m3/t，氣體組分以CH4為主，頁巖氣為油型裂解氣和煤成氣，以油型裂解氣為主。區內頁巖具有良好的成藏條件，但兩者含氣性差異較大，這主要是由構造樣式不同造成的，即保存條件是決定頁巖氣能否富集的關鍵因素。