黔西北燕子口地區五峰-龍馬溪組頁巖氣源巖評價

蘭葉芳，任傳建，黃 喻，陳 豪，任戍明

(1. 貴州工程應用技術學院(礦業工程學院)， 貴州 畢節 551700； 2. 成都理工大學 管理科學學院， 四川 成都 610059)

上奧陶統五峰組-下志留統龍馬溪組富有機質黑色頁巖在黔西北地區廣泛發育，頁巖氣資源潛力巨大(李雙建等，2009；Liuetal., 2016)。近年來的油氣勘探表明，該套地層是我國南方海相頁巖氣勘探的主力烴源巖層位之一(張金川等， 2008； 邱振等， 2020)，以四川盆地及其周緣為研究重點，在儲層特征、成藏基本條件、勘探評價、高產主控因素等方面取得了較大進展(Wangetal., 2008； 郭旭升， 2014； 馬永生等， 2018； 梁峰等， 2019)。由于儲氣的復雜性，烴源巖評價對于頁巖氣的勘探和開發至關重要(Panetal., 2015)，而對頁巖氣氣藏的評估是一項綜合性的工作，依賴于基礎地質、地球化學、地球物理和先進的工程技術(Zhaietal., 2019)，其中地質和地球化學分析是頁巖氣源巖評價最基礎而又重要的方法(Chenetal., 2011； 鄒才能等， 2013)。目前，頁巖氣商業勘探開發較為成功的北美地區，已有的研究采用的評價參數主要包括總有機碳含量(TOC)和熱成熟度、含氣量以及礦物組成、孔隙度、滲透率和地層厚度等定性數據(Rimmer, 2004；Montgomeryetal., 2005；Ross and Bustin, 2007； Mastalerzetal., 2018)。國內的研究和勘探開發實踐中，這些關鍵評價指標已成功應用在涪陵氣田(方棟梁等， 2020)、四川盆地(Chenetal., 2011； Lietal., 2013； Panetal., 2015)、黔北等地區頁巖氣勘探的評估和“甜點”預測(Tengeretal., 2006； 史樹勇等， 2019)中。黔西北地區的頁巖氣勘探主要集中在遵義仁懷-習水地區以及務川-正安-道真一帶(郭世釗等， 2016)，在龍馬溪組頁巖沉積、有機地球化學、儲集性與含氣性以及頁巖氣保存條件等方面均取得了諸多認識(趙磊等， 2015； 梁興等， 2020)，研究程度較高，而畢節地區前期雖然進行了區域性的頁巖氣地質資源勘查和地質基礎研究，顯示其具有頁巖氣資源潛力，但總體研究程度較低。隨著頁巖氣勘探的不斷推進，開展畢節地區頁巖氣源巖評價，有助于更好指導區內的頁巖氣勘探。因而，本文以黔西北畢節燕子口地區五峰-龍馬溪組頁巖為研究對象，通過區域地層厚度和埋深、露頭剖面的觀測、巖性組成和礦物學特征研究以及總有機碳含量、等效鏡質體反射率等有機地球化學參數的獲取，分析其源巖性質，欲為進一步評估該地區頁巖氣潛力提供基礎資料和理論支持。

1 區域地質背景

研究區位于貴州西北部，與四川盆地毗鄰，構造位置屬于揚子板塊西南緣的黔北斜坡(圖1a)。自奧陶紀以來，黔西北地區經歷了多期構造運動，其中奧陶紀末的都勻運動和志留紀末的廣西運動控制了本區大型隆坳構造沉積格局，形成了對油氣成藏具有重大意義的黔中古隆起(王津義等，2007)。晚奧陶世五峰期-早志留世初期，由于地殼抬升，黔中古陸擴大并與滇東古陸相連，僅黔北為海水淹沒，形成了低能、缺氧的局限海環境，在黔中隆起以北的黔北斜坡和武陵坳陷沉積上奧陶統五峰組-下志留統龍馬溪組地層(圖1b)。五峰組以深水陸棚相黑色碳質泥頁巖為主，地層厚度一般為5～8 m，向北略有增厚，而在五峰組沉積末期，赫南特冰期導致海平面大幅下降，沉積了觀音橋段淺水陸棚相地層(張鵬， 2015)；隨著黔中隆起的隆升，龍馬溪組沉積中心北移，越靠近川南地區，沉積厚度逐漸增大(楊瑞東等， 2012)，而志留紀浮游植物的繁盛為富有機質黑色泥頁巖發育提供了重要的物源條件。

圖 1 貴州及其周緣構造分區(a)和黔西北地區地質簡圖(b)[據郭世釗等(2016)、Liu 等(2016)修改]

2 樣品和分析測試方法

研究區內目前尚無鉆井，因而本文分析樣品采集于黔西北燕子口鎮的下水野外露頭剖面(圖2)。該剖面奧陶系-下志留統出露良好，地層界線清晰。五峰組下伏地層為上奧陶統澗草溝組，主要為深灰色薄-中厚層瘤狀灰巖、粘土質灰巖；五峰組下部為黑色碳質頁巖夾極薄層黃鐵礦，富含筆石化石(圖3a)，其上部則發育80 cm左右的深灰色生物碎屑灰巖(圖3b)，屬介殼相沉積，稱之為觀音橋段；龍馬溪組宏觀上由下至上巖石顏色逐漸變淺，碳質逐漸減少，鈣質逐漸增多，下部為筆石含量豐富的黑色頁巖，圓球狀黃鐵礦分布其中，微細層理發育(圖3c、3d)，而中上部則為灰色、灰黃色泥巖、鈣質和/或粉砂質泥巖、泥灰巖以及泥質粉砂巖等組成(圖3e、3f)；龍馬溪組上覆地層為下志留統石牛欄組灰色粘土質灰巖、生物碎屑灰巖。樣品采集位置和分布情況如圖4所示，總體而言五峰組和龍馬溪組黑色頁巖段采樣密集，而其余層段采集相對稀疏。

所進行的分析則包括薄片鑒定、陰極發光分析、掃描電子顯微鏡分析(含能譜分析)、全巖和粘土礦物X射線衍射分析、殘余總有機碳分析、鏡質體反射率分析、比表面積和物性分析。薄片鑒定和陰極發光分析在成都理工大學油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室進行，其余的各項分析在中國石油化工股份有限公司石油勘探開發研究院無錫石油地質研究所實驗研究中心完成。需要說明的是，鏡質體反射率是反映熱成熟度的重要指標，但是下古生界頁巖中缺乏來源于高等植物的標準鏡質組，不存在真正意義上的鏡質體(余川， 2012)，因此本文采用換算的等效鏡質體反射率來表征頁巖有機質成熟度。劉祖發等(1999)結合天然剖面和熱模擬實驗建立了早古生代類鏡質體(或稱之為鏡狀體)反射率(Rom)與等效鏡質體反射率(Ro)之間的換算公式：Ro=1.26Rom+0.21(Rom<0.75%)，Ro=0.28Rom+1.03(0.75%1.5%)。使用上述公式，將類鏡質體(鏡狀體)反射率(Rom)轉換為等效鏡質體反射率(Ro)，以供評估源巖和儲層時使用。

3 礦物學特征和巖性組成

五峰組-龍馬溪組巖石主要由粘土礦物、石英和碳酸鹽礦物組成(表1、圖5)，其次含有長石、黃鐵礦以及菱鐵礦和極少量的石膏等礦物。粘土礦物含量為22.6%～50.8%(平均值41%)，主要由伊利石和伊/蒙混層組成，綠泥石和高嶺石相對少見(表1)。其中，伊利石在粘土礦物中的相對含量為22%～31%，伊/蒙混層為64%～71%，綠泥石3%～6%，石英含量為21%～41%，平均值29%。碳酸鹽礦物主要包括方解石和白云石，方解石平均含量16.6%，最小值出現在五峰組頁巖段頂部(0.4%)，最大值出現在該地層段底部(31.7%)；白云石含量為0.1%～13.3%，平均值4.7%。除此之外，長石總量(鉀長石+斜長石)為2%～10.7%，平均值5.3%。總體而言，龍馬溪組自下而上具有石英、長石和粘土礦物含量增加、碳酸鹽礦物含量降低的總體趨勢(圖5)。

圖 2 燕子口地區地質構造簡圖及下水剖面位置[據貴州108地質隊(1976)修改繪制(1)貴州108地質隊. 1976. 畢節幅G-48-10 1∶20萬區域地質測量報告.]

頁巖中脆性礦物主要包括石英、長石、碳酸鹽礦物以及黃鐵礦等，其含量高低直接影響到頁巖壓裂效果(史樹勇等，2019)。脆性指數是評價頁巖可壓裂性的重要參數，根據陳吉等(2013)總結的南方下古生界頁巖脆性指數計算公式：脆性指數=(石英+長石+方解石+白云石)/(石英+長石+方解石+白云石+粘土礦物)×100%，下水剖面五峰-龍馬溪組頁巖的脆性指數為47.3%～76.8%，平均值為57.8%，較高的脆性指數顯示優良的壓裂性能。

圖 3 下水剖面五峰組-龍馬溪組野外宏觀特征

通過對露頭樣品的詳細觀察，對薄片以及掃描電鏡進行分析，發現五峰組-龍馬溪組發育頁巖、泥巖、泥灰巖、粉砂巖等巖石類型。剖面從下至上，陸源粉砂增加，巖石顏色變淺。頁巖中發育紋層及頁理構造，高有機質含量層段主要分布在五峰組-龍馬溪組下段，是本文重點研究對象。根據主要礦物組成和混入物的化學成分等可將頁巖進一步細分為粘土頁巖、粉砂質頁巖和鈣質頁巖。

圖 4 實測下水剖面五峰-龍馬溪組剖面柱狀圖

表 1 五峰-龍馬溪組全巖和粘土礦物X射線衍射(XRD)分析結果

圖 5 五峰-龍馬溪組全巖礦物組成分布直方圖

粘土頁巖因含較多的有機質而呈黑色-灰黑色，又可稱為黑色頁巖，其中粘土礦物占主導，少量粉砂質陸源石英和長石呈漂浮狀分布在粘土礦物間(圖6a)，黑色頁巖中筆石化石保存良好(圖6b)，并含有黃鐵礦(圖6c)。粘土頁巖沉積在深水環境中，水動力條件較弱，陸源輸入有限。

粉砂質頁巖為灰黑色，層狀。淺色紋層主要是石英和長石，深色紋層主要是富含有機質的粘土礦物，常含有碳酸鹽礦物。碎屑顆粒浮在粘土礦物之間(圖6d)。

鈣質頁巖主要發育水平層理，方解石含量約占20%～40%。碳酸鹽礦物(方解石和白云石)顯示橘紅色的陰極發光，而粘土礦物和石英不具陰極發光，陸源長石顆粒為淡藍色陰極發光特征(圖6e、6f)。

4 有機地球化學特征

4.1 有機質類型和豐度

前人已對黔西北及鄰近地區五峰-龍馬溪組有機質類型進行了大量研究。在川東南-黔西北地區，龍馬溪組頁巖樣品中總有機質的碳同位素值(δ13C)處于-31‰～-28‰區間(周傳祎， 2008； 鄭益軍， 2017)，從這個角度來看，有機質類型是Ⅰ型(腐泥型)。此外，盡管顯微組分之間存在差異，但其他研究也證明了研究區富有機質頁巖的有機質類型以Ⅰ型-Ⅱ1型為主(楊瑞東等， 2012； 邢雅文， 2013； 楊光慶， 2013； 張鵬等， 2016)。有機物的來源主要由藻類、浮游動物和真菌組成，形成了大部分非晶態的有機化學物質。由于奧陶紀-志留紀沒有演化出陸地上的高等植物，因此頁巖中的有機物主要由浮游生物控制。這也許可以更好地解釋有機物主要由Ⅰ型油質干酪根和Ⅱ1型所主導，具有很強的生烴能力。

圖 6 五峰-龍馬溪組頁巖的微觀特征

有機質豐度是指單位質量巖石內所含有機質的數量。同等或類似的地質條件下，有機質含量越高，巖石的生烴能力越強。目前常用氯仿瀝青“A”、總烴(HC)和生烴潛量(S1+S2)、總有機碳含量(TOC)等反映巖石中的有機質豐度。由于黔西北地區五峰-龍馬溪組頁巖成熟度高，受生烴和排烴影響，前幾個指標難以準確指示其生烴能力(余川， 2012)，因而選擇能夠近似代表巖石原始有機質豐度的TOC作為評價烴源巖及其生烴能力的有效指標。

通過實驗分析，燕子口下水剖面五峰-龍馬溪組下段TOC平均值為2.56%，顯示出較高的有機質豐度(表2)。根據高成熟地區海相烴源巖有機碳豐度評價標準(戴鴻鳴等， 2008)，其烴源巖級別高，具有相對較好的生烴能力。但是，TOC縱向分布不均，具體表現為五峰組和龍馬溪組底部富筆石頁巖段TOC集中在2%～5%之間，而龍馬溪組由下至上TOC呈現出逐漸變小的趨勢，由底部的5.2%(XS10)減小至0.38%(XS28)，與野外觀察到的巖石顏色逐漸變淺的特征相吻合。TOC的這種縱向變化與總有機硫以及干酪根的富集程度相一致(圖7)。總體上，具備良好生烴潛力(TOC大于2%)的黑色頁巖主要分布在五峰組和龍馬溪組下段的中下部地層(圖7)，屬于好的烴源巖。同處黔北斜坡的習水吼灘剖面以及丁山1井的有機質豐度表現出同樣的變化規律(余川， 2012)，而位于黔中地區的習頁1井和桐頁1井的高TOC也主要集中在龍馬溪組下段，如習頁1井在井深630～650 m之間的TOC平均值為3.84%，而在小于630米的上部地層其TOC均小于1%(薛志鵬， 2016)。區域上TOC的這種縱向變化規律主要是由于龍馬溪組早期為低能的強還原環境，而隨著海平面的有所下降，龍馬溪晚期沉積環境也逐漸趨于氧化(戎嘉余等， 2011)。

表 2 五峰-龍馬溪組有機地球化學參數

圖 7 下水剖面五峰-龍馬溪組總有機碳、總有機硫和干酪根富集程度的縱向變化圖

4.2 有機質成熟度

研究區上奧陶統五峰組-下志留統龍馬溪組頁巖在沉積后經歷了加里東、海西、印支、燕山-喜山運動等多期構造運動的改造，熱演化史復雜，頁巖熱演化程度普遍偏高。分析結果顯示，下水剖面五峰組-龍馬溪組頁巖等效鏡質體反射率縱向變化不大，均在2.5%左右(表2)，根據中國南方黑色頁巖成熟階段劃分標準(聶海寬等，2012)，屬于過成熟早期的干氣階段(圖8)，烴源巖主要產生干氣(甲烷)并伴有少量的凝析氣(Chenetal., 2011)。馮常茂等(2008)根據均一法測溫和激光拉曼探針技術對黔中隆起及其周緣地區震旦系-志留系含油氣流體包裹體研究也表明，該區具明顯干氣特征，烴類成分以CH4為主，大量的氣體可能主要是由熱成熟區的原油二次裂解產生的(Hunt, 1996； Mastalerzetal., 2013)，這類似于多產的Barnett頁巖，其氣源也被認為是由石油和瀝青的二次裂解形成(Montgomeryetal.， 2005)。 因此，盡管較高的熱成熟度，古藺—敘永一線以南和黔中隆起以北的地區(包含研究區)五峰-龍馬溪組頁巖仍然具備較大的生烴潛力。

5 儲集空間和儲層性質

5.1 儲集空間類型和特征

薄片和掃描電子顯微鏡圖像(SEM)的分析表明，龍馬溪組頁巖的儲集空間由裂縫、溶蝕孔以及粒間孔和晶間孔等微米-納米級孔隙組成。

圖 8 黔西北地區埋藏-生烴史圖(埋藏史據馮常茂等， 2008)

(1) 裂縫

裂縫是燕子口地區五峰-龍馬溪組頁巖中常見的儲集空間類型，包括層間裂縫、順層裂縫和斜交層理的裂縫(圖9a～9c)。層狀裂縫發生在頁巖內的軟弱界面處，如常發育在粘土層和粉砂質層或鈣質層之間。裂縫可能構成頁巖氣系統中的重要儲集空間和運移路徑，對頁巖氣的產生有重要影響(Galeetal., 2007； Loucksetal., 2012)。

(2) 溶蝕孔

化學不穩定礦物由于后期溶蝕作用而產生的次生溶蝕孔隙是另一重要的儲集空間，最為常見的是碳酸鹽礦物(尤其是白云石)和長石的溶蝕孔隙(圖9d、9e)。

圖 9 五峰-龍馬溪組主要儲集空間類型

(3) 粒間孔

粒間孔發育在粘土礦物、石英、長石和黃鐵礦等礦物之間，也有可能出現在受應力影響的顆粒邊緣。這些顆粒之間孔隙的發育有助于改善頁巖的儲層孔隙度，同時脆性顆粒(石英、長石等)的存在有助于提高頁巖在儲層發育過程中的破裂潛力。一般情況下，隨著埋深加大，壓實作用的增強，粒間孔呈現不斷減少的趨勢，因而觀察到的實際上為殘留的粒間孔(圖9f)。

(4) 晶間孔

晶間孔隙主要存在于粘土礦物和霉球狀黃鐵礦等礦物晶體中。在研究區，五峰-龍馬溪組頁巖中的粘土礦物由伊利石和伊/蒙混層組成(表1)。在伊利石化過程中，可能會形成直徑數微米至數十微米的微孔。粘土礦物中發育的晶間孔隙大小多分布在2～6 μm之間(圖9g、9h)。也有研究認為，黃鐵礦中的晶間孔足夠大，可以儲存氣體分子(Slatt and O’Brien, 2011； Loucksetal., 2012)，而在此次研究的五峰-龍馬溪組頁巖中黃鐵礦相對豐富，存在一定的晶間孔。同時，在龍馬溪組中可見少量的石膏晶間孔隙發育(圖9i)。

5.2 儲層性質

五峰-龍馬溪組下段頁巖孔隙度為8.04%～16.45%(表3)，顯示很高的孔隙度值。但是，由于采集的是露頭樣品，氧化作用會導致孔滲的增大(Liuetal., 2016)，同時部分測試樣品沿層開裂比較明顯，因而導致測試結果比真實值大大偏高。此外，由不穩定礦物(如長石和方解石)溶解而產生的次生孔隙構成了頁巖儲層的儲集空間的一部分(圖9d、9e)，也增加了頁巖的孔隙度。雖然絕對值不可靠，但仍然可顯示該層段頁巖具有相對較好的物性。

表 3 五峰組-龍馬溪組儲層性質參數

頁巖氣主要以吸附態和游離態為主，比表面積是衡量頁巖儲層吸附能力的重要物理參數。比表面積(BET)是指1 g固體所占有的總表面積，比表面積越大吸附能力越強(魏紅霞， 2018)。五峰組-龍馬溪組下段頁巖樣品的BET平均值為20.88 m2/g，其中五峰組BET為23.6～24.9 m2/g(平均值為24.3 m2/g)，龍馬溪組下段BET為13.4 ～22.5 m2/g(平均值為19.5 m2/g)，并且五峰組至龍馬溪組下段，頁巖樣品的總比表面積從下至上逐漸減少，顯示頁巖儲層吸附能力逐漸減弱的特征。總體上，BET與TOC及全巖中的碳酸鹽礦物含量之間均呈現良好的正相關關系(相關系數分別為0.76和0.90，圖10a、10c)，而與粘土礦物含量之間則表現為明顯的負相關性(圖10b)，顯示TOC和碳酸鹽礦物含量在黑色頁巖的BET中起決定性作用。已有的研究表明，TOC對BET的控制作用要強于粘土礦物含量對BET的影響，通常是頁巖中粘土礦物的含量低，TOC相對較高(Ross and Bustin, 2009； 曹曉萌等， 2014)，這與本文研究所得出的TOC和粘土礦物含量之間的負相關性一致(圖10d)。 實際上，TOC隨著碳酸鹽礦物含量尤其是白云石含量的增加而增加(圖10e、10f)，因而燕子口地區白云石的發育程度是TOC高低和BET大小的重要指標。

6 頁巖的有效厚度和埋藏深度

頁巖的厚度是具有商業開發價值的頁巖氣積聚的前提。美國的勘探經驗表明，在滿足總有機碳含量、成熟度和易壓裂礦物含量等方面要求的情況下，能夠滿足頁巖氣勘探要求的黑色頁巖最小厚度大約為30 m(Zhangetal.， 2007； 鄒才能等， 2010)。在研究區域中，五峰組頁巖整體厚度較小，南北及東部均比較薄，多為3～10 m，西部相對較厚，多在10 m以上，以勒地區厚度可達20 m；而龍馬溪組呈現由北向南逐漸減薄直至尖滅的厚度變化規律，在云南和四川丁木坳-大坪一線厚度在250 m以上，向南地層厚度遞減，靠近黔中隆起的常家溝-鸚母嘴-清池一線地層尖滅，相應地龍馬溪組下部黑色富有機質頁巖段也呈現出類似的變化規律(圖11)。富含有機質區域的橫向分布在一定程度上與地層的厚度有關，二者均主要在南北方向上變化(Liangetal.， 2008)。對于埋藏深度而言，研究區下志留統頁巖最大埋深小于4 000 m，部分在1 000 m以下(余川， 2012)，具有相對合適的埋藏深度。因此，從地層埋深以及黑色頁巖的有效厚度角度而言，燕子口地區以北與四川接壤的區域更有利于五峰-龍馬溪組的頁巖氣勘探。

圖 10 BET、TOC與粘土礦物和碳酸鹽礦物含量的相關性圖解

圖 11 燕子口地區及其周緣五峰組(a)和龍馬溪組(b)地層等厚線圖[據貴州省地質局(1979)(3)貴州省地質局. 1979. 區域地質調查報告(威信幅).修改]

7 結論

黔西北燕子口地區五峰組-龍馬溪組下段為富有機質潛力烴源巖層段，有機質類型好(Ⅰ型-Ⅱ1型)，TOC高(主分布區間為2%～4%)，有機質熱演化程度屬于過成熟早期的干氣階段(Ro約為2.5%)，仍具備一定的生烴能力。該套地層以溶蝕孔隙和裂縫為主要的儲集空間，儲層孔隙度高，同時脆性礦物含量高(脆性指數為47.3%～76.8%)，有利于人工裂縫的產生和提高巖石壓裂性能。結合區域埋藏熱史分析和地層的區域展布特征，認為五峰組-龍馬溪組頁巖氣較為有利的勘探潛力區域位于與川東南接壤的燕子口以北地區。