貴州黔北地區(qū)頁巖氣成藏條件與勘探前景

李俊良，謝瑞永，游君君，王麗芳

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)資源學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.中海石油(中國)有限公司湛江分公司研究院，廣東 湛江 524057)

1 區(qū)域構(gòu)造沉積背景

1.1 構(gòu)造特征與演化史

貴州境內(nèi)地殼的大地構(gòu)造格架，按基底性質(zhì)的差異劃分為揚子陸塊和華南褶皺系兩個一級構(gòu)造單元，按蓋層性質(zhì)和構(gòu)造運動的不同進一步劃分為若干次級構(gòu)造單元(徐彬彬，2003)。揚子陸塊占據(jù)了貴州的大部，其基底為前南華-震旦系[1]。

貴州黔北地區(qū)屬于揚子地塊大地構(gòu)造單元，與華北地塊和華南造山帶相鄰(圖1)[2]。揚子地塊從晚太古代開始發(fā)育，經(jīng)晉寧運動形成了基底，以后發(fā)育了很厚的晚元古代至三疊紀(jì)以海相為主的蓋層及侏羅紀(jì)之后的陸相蓋層。晚二疊世在西南部有裂谷活動，中生代以來有較強的構(gòu)造變形和巖漿活動。晚元古代時，揚子地塊位于北半球低緯度地區(qū)；古生代時，也基本上位于低緯度地區(qū)，先在北緯，后在南緯；晚二疊世時，在赤道附近，然后向北漂移，于晚二疊世與華北地塊碰撞(Mao et al.，2002；陳蘭，2006)。

圖1 研究區(qū)大地構(gòu)造單元示意圖(據(jù)Mao et al，2002；陳蘭，2006；楊劍，2009；略有修改)

貴州黔北地區(qū)，區(qū)域上屬上揚子準(zhǔn)地臺東部。貴州地殼在已知約1400Ma的地質(zhì)歷史時期中，其構(gòu)造發(fā)展演化大致可分為：武陵期-雪峰期(Pt2-Pt3)的基底形成階段；南華期(Nh)的冰期、間冰期階段；加里東期(Z-S)的被動陸緣-穩(wěn)定臺地階段；海西期(D-P)的陸內(nèi)張裂-臺地階段；印支期(T1-T2) 的穩(wěn)定臺地階段；燕山期(T3-K1)的陸內(nèi)河湖沉積階段；喜山期(K2以來)的山間斷陷整體隆升階段等等7個階段(表1)[2]。中元古代與晚元古代早期揚子準(zhǔn)地臺武陵運動形成揚子準(zhǔn)地臺第一個褶皺基底，其上不整合覆蓋晚元古代早期的板溪群、下江群、丹洲群。由變復(fù)理石碎屑巖和中酸性火山碎屑復(fù)理石組成，屬于陸間裂谷淺槽盆地沉積。雪峰運動隆起、掀斜、變質(zhì)，形成揚子準(zhǔn)地臺第二個褶皺基底。但雪峰運動之后二者發(fā)生了明顯的變化。揚子準(zhǔn)地臺進入蓋層沉積(陳蘭，2006)。加里東構(gòu)造階段經(jīng)過一段穩(wěn)定時期之后，貴州古構(gòu)造應(yīng)力方向主要為南北向擠壓，在地臺內(nèi)部發(fā)生了巖石圈的上隆作用，由此產(chǎn)生東西向褶皺-黔中隆起，繼而出現(xiàn)了北西向為主的裂陷帶，以致發(fā)展成廣囊的擴張海盆，并有大規(guī)模的玄武巖噴發(fā)?！扒新∑稹苯?jīng)歷了南華紀(jì)晚期雛形出現(xiàn)、震旦紀(jì)-奧陶紀(jì)水下發(fā)展、奧陶紀(jì)末期至早志留世古陸發(fā)展直到志留紀(jì)晚期的消亡[3]。晚二疊世，東西向斷裂—納雍-甕安斷裂，北東、北西向的一對共軛剪切斷裂，即師宗-貴陽斷裂、紫云-水城斷裂，這些斷裂斷續(xù)活動，在南部形成了幾個數(shù)千米的坳陷中心，即黔中斷裂(納雍-甕安斷裂)以北為隆起區(qū)，以南為坳陷區(qū)。具有劃時代意義的印支運動使這一再生地槽的發(fā)展受到夭折。燕山運動和喜馬拉雅運動使其相繼發(fā)生褶皺斷裂，近期仍處于不斷隆升的構(gòu)造環(huán)境。

表1黔北地區(qū)構(gòu)造演化劃分簡表

1.2 沉積背景

黔北地區(qū)主要發(fā)育有下寒武統(tǒng)牛蹄塘組、上奧陶統(tǒng)五峰組-下志留統(tǒng)龍馬溪組兩套海相黑色炭質(zhì)頁巖，其北部的松林地區(qū)實測剖面表明，牛蹄塘組上部為黑色炭質(zhì)頁巖夾綠色砂質(zhì)頁巖，中部見一套厚黑色粗晶灰?guī)r，下部為黑色炭質(zhì)頁巖，底部為黑色含磷白云巖、硅質(zhì)巖及磷塊巖，因此認(rèn)為該區(qū)域內(nèi)牛蹄塘組主要由黑色炭質(zhì)頁巖組成，為區(qū)內(nèi)最主要的富有機質(zhì)頁巖發(fā)育層位。早寒武世牛蹄塘期，隨著海平面的上升，上揚子地區(qū)造成缺氧環(huán)境，區(qū)內(nèi)沉積環(huán)境主要為深水陸棚沉積(圖2)[4]。晚奧陶世五峰期，康滇古陸及黔中隆起、川中古隆起等較前期擴大，中上揚子海域被古隆起圍限，為一局限海盆，海域面積縮小。局限淺海相帶幾乎遍及整個中上揚子沉積區(qū)，沉積的黑色巖系厚度薄且分布穩(wěn)定，生物以筆石占絕對優(yōu)勢，是揚子地區(qū)重要的生油巖系，區(qū)內(nèi)本組厚約0～8m，巖性單一，變化不大，巖性主要為黑色炭質(zhì)頁巖、含粉砂質(zhì)頁巖及硅質(zhì)頁巖。早志留世龍馬溪期是繼晚奧陶世以來中上揚子地區(qū)盆山格局發(fā)生重大轉(zhuǎn)變的時期，該時期陸塊邊緣處于擠壓、褶皺造山過程，為形成古隆起的高峰階段。除邊緣的川西-滇中古陸、漢南古陸擴大以外，川中隆起的范圍不斷擴大，揚子南緣的黔中隆起、武陵隆起、雪峰隆起和苗嶺隆起基本相連形成了滇黔桂大的隆起帶。中上揚子克拉通轉(zhuǎn)為由古隆起帶包圍的一個局限淺海深水盆地，隆起邊緣主要發(fā)育潮坪-瀉湖相、向中部過渡為局限淺海陸架，地層厚度也由南往北逐漸增厚?？傮w來說下志留統(tǒng)龍馬溪組主要為一套淺海相的細碎屑巖。巖性主要為灰色薄層狀含云母片鈣質(zhì)粉砂巖、鈣質(zhì)砂巖夾灰綠、灰黑色頁巖、炭質(zhì)泥頁巖，下部多為黑色筆石炭質(zhì)頁巖。沉積環(huán)境主要為深水陸棚沉積，部分為淺水陸棚沉積(圖3)[5]。

圖2 四川盆地筇竹寺期沉積巖相古地理圖

圖3 川東南-黔北地區(qū)早志留世龍馬溪早期古地理圖

2 黔北地區(qū)頁巖氣成藏條件分析

控制頁巖氣成藏的主要因素有優(yōu)質(zhì)泥頁巖厚度和分布面積、有機質(zhì)豐度、有機質(zhì)成熟度、巖石礦物成分及溫度與壓力等，本文結(jié)合黔北地區(qū)的地質(zhì)特征，進而論述該地區(qū)的成藏條件。

2.1 黔北地區(qū)泥頁巖展布特征

2.1.1 下寒武牛蹄塘組泥頁巖展布特征

根據(jù)以往的研究，寒武系地層在上揚子地區(qū)分布廣泛(馬力等，2004)，其中烴源巖主要發(fā)育下寒武統(tǒng)，層位穩(wěn)定，在四川盆地為筇竹寺組，貴州地區(qū)為牛蹄塘組，是一套黑色泥巖、頁巖和灰色粉砂質(zhì)泥巖沉積。

黔西北地區(qū)牛蹄塘組烴源巖出露較廣泛，烴源巖樣品的剖面也較多，很好地揭示了寒武系烴源巖的分布情況。其中金沙縣巖孔鎮(zhèn)剖面揭示的牛蹄塘組地層厚125.3m，其中下段黑色泥巖的厚度為48m，上段底部為16m黃綠色粉砂質(zhì)泥巖，中間為11.2m的黑色泥巖，之上為7m黑色泥巖夾粉砂質(zhì)條帶地層，上部為灰綠色和夾灰綠色粉砂巖。因此，該剖面處牛蹄塘組烴源巖的厚度應(yīng)該在60～65m。遵義市北松林鎮(zhèn)附近下寒武統(tǒng)牛蹄塘組地層出露不齊全，其中底部地層被覆蓋。根據(jù)區(qū)測剖面資料，松林、廟子灣一帶牛蹄塘組厚142～148m左右，其中下段黑色泥巖的厚度為38～50m左右，上段為青灰色(深灰色)、灰色、灰綠色粉砂質(zhì)泥巖，在其底部夾少量黑色泥巖。因此，該處烴源巖的真正厚度應(yīng)該為40～50m左右。

黔東北松桃下寒武統(tǒng)泥質(zhì)烴源巖也非常發(fā)育。據(jù)區(qū)測地層資料，松桃縣盤石剖面下寒武統(tǒng)牛蹄塘組地層厚度為325m，其中黑色碳質(zhì)泥巖厚度達到123m，另外還有47m黑色泥巖夾深灰色粉砂巖、淺灰色薄層石英粉砂巖的地層。目前從剖面上采集到的樣品具有高有機質(zhì)豐度的烴源巖厚度已經(jīng)達到50m左右，推測其厚度應(yīng)該在120～140m。秀山溶溪剖面寒武系水井沱組地層厚達428m，其中下部深灰色～黑色泥巖厚76m，中部深灰色～黑色泥巖厚15m左右，上部黑色碳質(zhì)泥巖厚111m，累計深灰色、黑色泥巖厚度達到202m。目前從該剖面上采集到的樣品具有高有機質(zhì)豐度的烴源巖的厚度已經(jīng)達到20m左右，高有機質(zhì)豐度烴源巖究竟有多厚難以確定，推測應(yīng)該在100～200m之間[6]。

關(guān)于其平面展布特征以往的研究也曾多次編制過下寒武統(tǒng)烴源巖的平面分布。如西南油氣田公司第三次油氣資源評價(2004)以及馬力等(2004)資料，他們認(rèn)為寒武系泥質(zhì)烴源巖的主要分布區(qū)域在樂山龍女寺古隆起南北兩側(cè)斜坡及川東斜坡地區(qū)。而梁狄剛等(2008)根據(jù)不同地區(qū)剖面和探井、淺井大量樣品有機碳含量的標(biāo)定可以看出，上揚子地區(qū)下寒武統(tǒng)泥質(zhì)烴源巖非常發(fā)育，尤其在川東-鄂西、川南-黔北-黔中一帶，高有機質(zhì)豐度的泥質(zhì)烴源巖具有相當(dāng)大的厚度。認(rèn)為黔東北-黔中厚30～150m；黔西北厚30～100m[6](圖4)。

圖4 上揚子地區(qū)下寒武統(tǒng)泥質(zhì)烴源巖厚度等值線圖

2.1.2 上奧陶統(tǒng)-下志留統(tǒng)烴源巖的分布

上奧陶統(tǒng)五峰組和下志留統(tǒng)龍馬溪組地層在上揚子地區(qū)基本上為連續(xù)沉積，可以作為一套烴源巖層系。該套地層在上揚子地區(qū)是非常重要的一套烴源巖，但是由于盆地中揭示該套烴源巖的探井很少。其中黔西北地區(qū)的丁山1井1375～1523m井段揭露上奧陶統(tǒng)五峰組地層3m、志留系龍馬溪組地層145m。綦江觀音橋剖面與丁山1井比較相似，高豐度烴源巖在剖面底部發(fā)育，揭示烴源巖總厚90m。南川三泉剖面龍馬溪組烴源巖有機質(zhì)豐度大于0.5%的厚度為80m左右。習(xí)水良村淺5井揭示上奧陶統(tǒng)五峰組-志留系龍馬溪組地層約80m左右(梁狄剛等，2008)。

總之黔北地區(qū)上奧陶統(tǒng)五峰組-下志留統(tǒng)龍馬溪組烴源巖也是該地區(qū)非常重要的一套烴源巖，趙宗舉等(2001)和全國第三次油氣資源評價(2004)認(rèn)為該地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組地層厚度在600～700m以上。

總體上呈現(xiàn)由西向東逐漸增厚(圖5)，巫溪向南至利川毛壩烴源巖的厚度在55～60m；至石柱漆遼地區(qū)加厚至120m；由此再向西南厚度雖然變化不明顯，但好烴源巖明顯減薄，南川地區(qū)則基本上沒有烴源巖分布，在黔西北習(xí)水又出現(xiàn)好烴源巖[6]。

圖5 上揚子地區(qū)上奧陶統(tǒng)五峰組-下志留統(tǒng)龍馬溪組烴源巖厚度等值線圖

2.2 有機質(zhì)豐度和類型

黔北地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁巖有機碳含量較高，其中遵義黃家灣剖面，最大有機碳含量達到7.91%，遵義松林地區(qū)有機碳含量最低為0.8%，最高達6.73%，一般都大于3.5%；推測黔北地區(qū)有機碳含量一般位于2.5%～4.0%之間，并且從西北往東南，有機碳含量增大，有機質(zhì)類型以腐泥型(Ⅰ)為主，次為腐殖腐泥型(Ⅱ1)；

上奧陶統(tǒng)五峰組頁巖有機碳含量為0.29%～4.54%，以大于1.5%為主，有機質(zhì)類型以腐泥型(Ⅰ)為主，次為腐殖腐泥型(Ⅱ1)；

下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖有機碳含量為0.29%～4.8%，但多數(shù)大于1%，平均值達2.11%，有機質(zhì)類型以腐泥型(Ⅰ)或腐泥腐殖型(Ⅱ1)為主。

2.3 有機質(zhì)成熟度及成熟期次

黔北地區(qū)牛蹄塘組黑色泥質(zhì)烴源巖有機質(zhì)熱演化程度總體已達過成熟階段。羊跳寨剖面牛蹄塘組烴源巖干酪根海相鏡質(zhì)體反射率值為2.0%～3.34%，據(jù)王飛宇等(2010)公式換算成等效鏡質(zhì)體反射率為2.05%～3.02%；烴源巖最大熱解峰溫Tmax值為476℃～590℃，平均522℃(n=47)。渣拉溝剖面渣拉溝組烴源巖干酪根海相鏡質(zhì)體反射率值為2.89%～3.96%，其等效鏡質(zhì)體反射率為2.69%～3.47%；烴源巖Tmax值為444℃～591℃，平均527℃(n=83)。朵丁關(guān)剖面牛蹄塘組烴源巖干酪根海相鏡質(zhì)體反射率值為1.95%～2.78%，其等效鏡質(zhì)體反射率為2.02%～2.62%；烴源巖Tmax值為509℃～589℃，平均559℃(n=26)?？傊潞浣y(tǒng)牛蹄塘組頁巖有機質(zhì)成熟度較高，Ro值一般位于2.0%～4.0%之間，處于高成熟-過成熟階段；其于早寒武世開始生烴，中寒武世初主力生油，至晚寒武世進入成熟晚期，至早泥盆世進入過成熟期，現(xiàn)今位于過成熟期。

黔北地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖有機質(zhì)成熟度也較高，Ro值一般位于1.5%～2.5%之間，處于成熟-高成熟階段；下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖于早三疊世開始生烴，晚三疊世進入主力生油期，晚侏羅世末期進入成熟晚期，至早白堊世中期達到高成熟，現(xiàn)今處于高成熟階段。

4 黔北地區(qū)頁巖氣勘探前景

我國石油企業(yè)已經(jīng)開展15口頁巖氣直井壓裂試氣，9口見氣，初步掌握頁巖氣直井壓裂技術(shù)，并證實了我國具有頁巖氣開發(fā)前景。完鉆國內(nèi)第一個頁巖氣水平井——威201-H1。

根據(jù)頁巖氣成藏機理特點和成藏的有利地質(zhì)因素，結(jié)合黔北地區(qū)地質(zhì)特點和現(xiàn)有資料(頁巖地層的壓力、溫度和孔隙度等因素由于缺少相應(yīng)資料未做考慮)，優(yōu)選出有利于頁巖氣成藏的地層主要是下寒武統(tǒng)(∈1n)黑色高碳質(zhì)頁巖系和下志留龍馬溪組黑色泥頁巖(S1l)，這些頁泥巖主要處于還原—強還原性的沉積環(huán)境，具有以下特征:①總有機質(zhì)含量高，普遍TOC≥2%，最大TOC達10%左右;②有機質(zhì)成熟度大，一般處于高成熟—過成熟演化階段，其中的下寒武統(tǒng)(∈1n)黑色高碳質(zhì)頁巖系已經(jīng)進入過成熟階段，對生氣有利，下志留統(tǒng)龍馬溪組(S1l)也處于高成熟階段;③分布面積廣，基本覆蓋了黔北大部分地區(qū)，厚度大(大于50m)，存在比較厚優(yōu)質(zhì)泥頁巖;④頁泥巖與硅質(zhì)巖相伴生，硅質(zhì)相伴的頁巖脆性大，對頁巖氣的開采十分有利，最有可能獲得高產(chǎn)頁巖氣流。

頁巖氣成藏機理特殊，影響頁巖氣成藏主要為生氣能力、儲集氣能力和易開采性三大因素，控制參數(shù)主要有總有機碳含量、有機質(zhì)成熟度、壓力、溫度、頁巖厚度、面積、礦物成分和孔隙度等[7]。

黔北地區(qū)最有利于生成頁巖氣的頁泥巖主要層位是下寒武統(tǒng)牛蹄塘組(∈1n)、下志留統(tǒng)龍馬溪組(S1l)。這兩個巖層系頁泥巖分布面積廣泛，厚度大，有機質(zhì)含量高，熱演化成都高，并且含有硅質(zhì)成分，具有頁巖氣成藏的基本條件，加強這些層位的研究和勘探意義重大。

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