滇東北龍馬溪組頁巖氣成藏條件分析

蔣天國，劉勝彪，孫 雄，毛 林

(云南煤層氣資源勘查開發(fā)有限公司，云南 昆明 650031)

引 言

非常規(guī)油氣藏的勘探開發(fā)正改變著世界能源格局[1]，中國近年來在煤層氣、致密砂巖氣、頁巖氣、天然氣水合物等非常規(guī)能源方面發(fā)展迅速[2-6]。目前，頁巖氣已成為全球研究熱點，中國在頁巖氣研究上加大投入[7-10]。國家“十二五”規(guī)劃明確提出，云南等省市為頁巖氣資源勘探開發(fā)的重點工作目標區(qū)，云南昭通地區(qū)納入國家頁巖氣資源勘探開發(fā)區(qū)。云南省目前僅在滇東北及滇東地區(qū)實施了少量頁巖氣淺井和調查井，未做更為深入的成藏條件研究。針對滇東北地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組，從其沉積演化、源巖空間展布及儲層特征等方面分析頁巖氣成藏條件，為后期全面勘探開發(fā)提供基礎依據(jù)。

1 地質背景

云南省處在特提斯構造域與環(huán)太平洋構造域的交接復合部位，印度板塊與歐亞板塊的碰撞接觸地帶東側，并受到太平洋板塊的影響，因此構造十分復雜[11-12]。滇東北地區(qū)為小江斷裂之東北、彌勒斷裂之北西的云南省東北部地區(qū)，位于揚子地臺西南緣、攀西裂谷(或康滇地軸)主干斷裂—小江斷裂帶東側，大地構造位置屬于揚子準地臺下的滇東臺褶帶，發(fā)育滇東北臺褶束與會澤臺褶束2個三級單元。滇東北地區(qū)巖漿巖由西向東減薄，沿小江斷裂兩側發(fā)育，在鎮(zhèn)雄地區(qū)完全消失。滇東北地區(qū)北部的鹽津縣、威信縣地區(qū)玄武巖分布少，斷裂分布較少，構造相對穩(wěn)定，可作為頁巖氣成藏有利區(qū)來深入研究[13]。從構造展布看，滇東北地區(qū)構造帶主要為3個方向:南北向、北西向和北東向。

南北向構造:小江斷裂帶與昭通—曲靖隱伏斷裂構成的南北構造帶，形成時間較早，多期性活動特征明顯，特別是小江深大斷裂帶控制著滇東北地區(qū)沉積建造、巖漿活動、構造演化及巖相古地理特征。北西向構造:主要為婭都—紫云斷裂帶，由一系列北西向斷裂組成，對古生代地層、二疊紀晚期的峨眉山玄武巖漿噴發(fā)具有明顯控制作用。北東向構造:主要發(fā)育于小江斷裂和昭通—曲靖隱伏斷裂之間，控制著該區(qū)中生代沉積建造和巖相古地理特征。

2 頁巖氣成藏條件分析

2.1 沉積環(huán)境

龍馬溪組在滇東北僅分布于鎮(zhèn)雄—彝良—炎山以北地區(qū)，該區(qū)屬揚子海西南緣，海水由北東方向侵入，早志留世時期海水后撤至昭通、彝良、鎮(zhèn)雄一線以北，在近海平原接受物源沉積[14](圖1)。早志留世龍馬溪期，滇東北地區(qū)主要為滯流還原環(huán)境的淺水陸棚相，沉積物橫向變化大，化石以筆石為主，局部含少量腕足類、三葉蟲和珊瑚。在其北部鹽津、大關一帶為中心的地區(qū)，龍馬溪組中上段巖層碳酸鹽含量增高，出現(xiàn)較多的微晶灰?guī)r、泥灰?guī)r等;南部的鎮(zhèn)雄兩河口一帶出現(xiàn)較多砂質巖石，顯示近岸特點[15-17]。滇東北地區(qū)靜水還原環(huán)境的淺水陸棚相下發(fā)育的龍馬溪組由一套深色的泥頁巖、粉砂質巖夾炭質、砂泥質炭酸鹽巖薄層組成，炭質含量向東增加，由東向南有砂質增多趨勢，水平層理、紋層發(fā)育，普遍含黃鐵礦晶粒，可以為頁巖氣儲集空間提供條件[18]。

圖1 龍馬溪組黑色頁巖厚度及TOC含量等值線

2.2 源巖空間展布規(guī)律

昭通市永善縣黃華鎮(zhèn)殷家灣剖面(ZM)為本次實測完整剖面，其龍馬溪組下段巖性主要為黑色鈣質頁巖、炭質頁巖，富含筆石化石(圖2)，中上段主要為灰綠色鈣質頁巖、粉砂質頁巖。TOC含量在下段最大，且均大于2%，向上逐漸變小，中上段均小于1%。黑色頁巖厚度為80.95 m，其中TOC＞2.0%的厚度為60.99 m，占黑色頁巖厚度的75.34%。

昭通市鹽津縣豆沙關鎮(zhèn)柿子鄉(xiāng)剖面(ZY)見底未見頂，其龍馬溪組下段巖性主要為中—厚層黑色頁巖(圖2c)，中上段主要為厚層黑色泥灰?guī)r(圖2d)。下段黑色頁巖TOC含量普遍較上段高，在鈣質頁巖段向上TOC含量逐漸減小。黑色頁巖厚度為41.45 m，其中TOC＞2.0%的厚度為20.30 m，占黑色頁巖厚度的48.97%。

圖2 露頭剖面特征

滇東北龍馬溪組厚度總體趨勢為自南東向北西增厚，在威信一帶黑色頁巖最薄，在鹽津一帶最厚，可達140 m(圖1)。樣品采自露頭剖面，因TOC含量受風化作用影響，需要對TOC含量進行校正。參考前人對西寧盆地油頁巖、羌塘盆地泥巖、沁水盆地泥巖、川西北中壩地區(qū)中三疊統(tǒng)、蘇皖地區(qū)寒武系—下三疊統(tǒng)等地表風化樣TOC校正系數(shù)[19-20]，本次 TOC 校正系數(shù)采用 2.0，后文 TOC皆為校正后數(shù)值。樣品TOC含量為0.32%～5.04%，TOC＞2.0%樣品占總樣品個數(shù)的34.8%，TOC＞3.0%樣品占總樣品個數(shù)的17.4%。

滇東北龍馬溪組黑色頁巖主要發(fā)育在其下段，且TOC含量在下段最大，黑色頁巖中TOC＞2.0%的平均占黑色頁巖總厚度的62.16%。TOC含量由西南向北東方向增大，在鹽津縣西北、威信縣以北地區(qū)TOC含量高，普遍大于2%，有利于頁巖氣成藏。

2.3 源巖儲層特征

滇東北地區(qū)龍馬溪組下段主要為黑色鈣質頁巖、炭質頁巖，富含筆石化石，筆石多為細長形態(tài)，分布密集，可見彎曲耙筆石;中上段主要為灰綠色鈣質頁巖、粉砂質頁巖、灰黑色泥灰?guī)r，筆石化石含量漸少，分布稀疏，筆石形態(tài)長短不一。選取實測完整剖面(ZM)對龍馬溪組頁巖儲層特征進行詳細研究。

2.3.1 礦物組成

研究表明，滇東北龍馬溪組頁巖中黏土礦物及石英占主體，黏土礦物平均含量為39.51%(22.10% ～58.30%)，石英平均含量為28.51%(21.80%～40.20%)，且縱向分布較均勻，方解石、白云石含量次之，分別平均為 16.39%、8.04%。黏土礦物成分主要為伊蒙混層，平均為50.5%，伊利石、高嶺石次之，分別平均為30.0%、14.5%，綠泥石最低，平均為5.0%。

對ZM剖面下段22個TOC＞2%的頁巖樣品進行全巖X衍射分析表明，黏土礦物質量分數(shù)平均值為39.51%，脆性礦物(石英+長石+黃鐵礦)平均質量分數(shù)為36.07%，碳酸鹽礦物(方解石+白云石)平均質量分數(shù)為24.42%。剖面由底到頂，黏土礦物、碳酸鹽巖含量總體降低，石英含量逐漸增加，黃鐵礦含量逐漸減少，明顯分為A、B 2段。B段與A段相比較而言，TOC、黏土礦物、碳酸鹽巖及黃鐵礦含量呈降低趨勢，但石英含量相對增大(圖3)，且A段TOC平均大于2%。

圖3 ZM剖面龍馬溪組綜合分析柱狀圖

頁巖中礦物含量對頁巖力學性質、儲層物性和含氣量等均有重要影響。滇東北地區(qū)龍馬溪組頁巖脆性礦物較高，鈣質頁巖分布較多，缺乏蒙脫石等膨脹性黏土礦物，對后期人工壓裂造縫有利。

2.3.2 孔隙分布特征

根據(jù)壓汞實驗分析認為龍馬溪組頁巖氣儲層儲集空間由超大孔、大孔、中孔、過渡孔和微孔5種類型組成，過渡孔及微孔是龍馬溪組頁巖孔隙主要組成部分(圖4)。各樣品進退汞曲線及階段進汞量曲線差別很大(圖5)，基本可以分為3種類型。ZM-1、ZM-2屬于第1類，該類曲線有寬大的滯后環(huán)，進汞量與退汞量相差大，并且退汞曲線有所上凸或有所下凹;表明在測試孔徑范圍內，樣品的孔隙多為開放孔，孔隙之間有很好的連通性(退汞曲線初始為上凸或水平，表明這階段以開放孔、平行板狀孔為主)，這種孔隙結構有利于頁巖氣的解吸、擴散和滲透。ZM-12、ZM-15屬于第2類，該類曲線有較寬的滯后環(huán)，進汞量與退汞量相差較大;表明在所測的孔徑范圍內，樣品的孔隙中較多開放孔，孔隙之間有較好連通性，這種孔隙結構對頁巖氣的解吸、擴散和滲流較為有利。ZM-8、ZM-19、ZM-23屬于第3類，該類曲線的滯后環(huán)較窄，進汞量和退汞量相差較小;表明在所測試的孔徑范圍內，樣品中開放的孔隙較少，孔隙之間的連通性較差，這種孔隙結構對頁巖氣的解吸、擴散和滲流較為不利。從底到頂，龍馬溪組頁巖孔隙開放性依次變差，頁巖氣的解吸、擴散和滲透性能逐漸變差，表明龍馬溪組下段可以作為有利開發(fā)層段考慮。

2.3.3 孔隙結構特征

天然裂隙和孔隙度是頁巖儲層的重要參數(shù)，天然裂隙的發(fā)育直接影響到頁巖儲層滲透的大小和方向[21-22]。通過鏡下觀察，滇東北地區(qū)富有機質泥頁巖發(fā)育豐富的孔裂隙，主要孔隙為粒內孔(脆性礦物、黏土礦物)、粒內溶蝕孔、晶間孔和粒間孔等類型。

圖4 ZM剖面龍馬溪組頁巖壓汞階段注入量與孔徑關系

圖5 ZM剖面龍馬溪組頁巖進退汞量與孔徑關系

粒間孔通常發(fā)育于礦物顆粒接觸處，多呈多角形和拉長型，多數(shù)為原生孔隙，呈分散狀分布于基質中。分析認為，多角形孔多為軟硬顆粒間經(jīng)壓實膠結后剩余的孔隙空間;線型孔多與層狀黏土礦物有關[23-26]。圖6a中礦物團粒堆積于溶蝕孔內，粒間孔極為發(fā)育，表面多見納米孔，其右下方可見黏土礦物成巖作用形成的成巖收縮孔，具有代表性。粒內孔發(fā)育在顆粒的內部，大多數(shù)是成巖改造形成的，部分是原生的。圖6b在石英晶體集中發(fā)育處形成，多見于石英晶體、黃鐵礦晶體等礦物晶體間，以納米孔為主，邊緣多見粒內孔及溶蝕孔裂縫。圖6c中發(fā)育不同尺度粒內溶蝕孔，多為納米級，基本以某一點為中心呈串珠彎曲狀發(fā)育，孔隙連通性較好，比表面積大。一般形成于重結晶作用過程中，孔隙比較規(guī)則，形狀受礦物結晶習性制約，常呈網(wǎng)格狀、長條狀、葉片狀與縫隙狀。研究區(qū)黑色頁巖黃鐵礦及石英礦物發(fā)育晶間孔較多。圖6d中破碎顆粒表面發(fā)育有大量石英晶體，石英晶體比較集中，晶體間存在大量的孔隙。

圖6 ZM-15樣品掃描電鏡下孔隙觀測照片

2.4 有利區(qū)初步預測

黑色頁巖厚度對有利區(qū)優(yōu)選有著重要的影響，一般黑色頁巖厚度越大越好。滇東北地區(qū)龍馬溪組黑色頁巖厚度在威信縣及鹽津縣均大于30 m;TOC含量由南西向北東逐漸增大，在威信縣及鹽津縣均大于2%;從實測剖面看，滇東北地區(qū)龍馬溪組在威信縣地區(qū)遭受剝蝕程度較大，在鹽津縣地區(qū)受剝蝕程度小，且斷裂發(fā)育少，構造相對穩(wěn)定。因此，鹽津縣地區(qū)為優(yōu)選有利區(qū)，威信縣地區(qū)次之。

3 結論

(1)龍馬溪組在滇東北僅發(fā)育在昭通以北地區(qū)，自南東向北西逐漸增厚。黑色頁巖厚度為20～120 m，其中TOC＞2.0%的層段厚度為20～60 m，平均占黑色頁巖厚度的62.16%。在威信地區(qū)發(fā)育黑色頁巖最薄，鹽津地區(qū)最厚。TOC由南西向北東方向增高，在鹽津、威信地區(qū)普遍大于2%。建議以鹽津縣地區(qū)為勘探開發(fā)重點，威信地區(qū)次之。

(2)滇東北龍馬溪組下段巖性主要為黑色鈣質頁巖、炭質頁巖，富含筆石化石;中上段主要為灰綠色鈣質頁巖、粉砂質頁巖、灰黑色泥灰?guī)r，筆石化石含量漸少，分布稀疏。

(3)由底到頂，滇東北龍馬溪組頁巖中黏土礦物、碳酸鹽巖含量總體降低，石英含量逐漸增加，黃鐵礦含量逐漸減少，且TOC在其下段最大。

(4)過渡孔及微孔是組成滇東北龍馬溪組頁巖孔隙的主要部分，主要發(fā)育粒內孔、粒內溶蝕孔、晶間孔和粒間孔等類型。從底到頂，龍馬溪組頁巖孔隙開放性依次變差，頁巖氣的解吸、擴散和滲透性能逐漸變差，可以將龍馬溪組下段作為開發(fā)有利層段。

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