黔西北區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖氣聚集條件

劉 沖，張金川，唐 玄，王中鵬，陳 前

(中國地質(zhì)大學，北京 100083)

引 言

國際上，頁巖氣地質(zhì)研究熱潮已經(jīng)興起，頁巖氣已經(jīng)成為能源的新寵。頁巖氣是指主體以吸附和游離狀態(tài)賦存在暗色泥頁巖或高炭泥頁巖中的天然氣聚集[1]。頁巖氣復雜的生成機制、賦存相態(tài)、聚集機理和富集條件等，使其具有明顯的地質(zhì)特殊性[1-2]。

黔西北地區(qū)基本屬于油氣空白區(qū)，除部分固體礦產(chǎn)井鉆探到頁巖目的層位外，只有少量的常規(guī)油氣井，該地區(qū)富含有機質(zhì)頁巖，與美國主要產(chǎn)氣頁巖相比，具有埋深適中、有機碳含量適中、熱演化程度高、含氣量高等特點[3-13]，黔西北地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖氣資源潛力值得期待。

1 區(qū)域構(gòu)造沉積背景

貴州境內(nèi)地殼的大地構(gòu)造格架按基底性質(zhì)差異劃分為揚子陸塊和華南褶皺系2個一級構(gòu)造單元，黔西北區(qū)位于黔中隆起區(qū)和滇黔北坳陷區(qū)，在大地構(gòu)造上屬于揚子板塊。黔中隆起位于貴州中部，北接滇黔北部凹陷，南鄰黔南坳陷，西南為滇東隆起，東北是武陵坳陷[3]。

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，是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陸棚海局限盆地，隆起邊緣主要為淺海陸棚、深水陸棚，向中部過渡為陸棚海局限盆地，地層厚度由南往北逐漸增厚。總體來說，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。

2 龍馬溪組有效泥頁巖空間分布

龍馬溪組泥頁巖主要分布在遵義—畢節(jié)以北地區(qū)，從北向南厚度減薄。北部赤水地區(qū)龍馬溪組泥頁巖最發(fā)育，厚度達50 m，近東西向展布，與上覆新灘組、下伏五峰組均為連續(xù)整合接觸。其中習水縣境內(nèi)習頁1井鉆遇龍馬溪地層210.93 m，頂部灰黑色砂質(zhì)頁巖與灰色灰?guī)r條帶互層，部分灰?guī)r中可見生物化石，部分灰?guī)r中有裂隙，內(nèi)有方解石和石英充填;中段黑色粉砂質(zhì)、鈣質(zhì)頁巖，層理清晰，富含筆石綱化石;底部灰黑色粉砂質(zhì)、炭質(zhì)頁巖，層理清晰，炭質(zhì)頁巖較黑、輕，染手，泥頁巖厚度約為24 m。桐梓縣桐頁1井鉆遇龍馬溪地層182.95 m，上部為深灰色粉砂巖及粉砂質(zhì)泥巖，下部為淺灰—灰黑色頁巖，灰黑色砂質(zhì)頁巖、黑色炭質(zhì)頁巖，泥頁巖厚度約為19 m。

龍馬溪組埋深主體位于1 000～3 000 m，其中習頁1井于井深433.19 m處進入下志留統(tǒng)龍馬溪組，644.12 m處進入上奧陶統(tǒng)五峰組;桐頁1井于井深477.7 m處進入下志留統(tǒng)龍馬溪組，660.15 m處進入上奧陶統(tǒng)五峰組，埋藏深度適中。

3 龍馬溪組頁巖氣聚集條件

3.1 龍馬溪組泥頁巖有機質(zhì)豐度和成熟度

龍馬溪組泥頁巖有機碳含量為1.5%～3.5%，半數(shù)以上樣品大于1.5%。習頁1井龍馬溪組泥頁巖有機碳含量為0.34%～6.73%，變化幅度較大，平均值為1.53%(表1)。研究表明，習頁1井龍馬溪組有機碳含量高的層段集中在620～644 m處的炭質(zhì)頁巖，越接近地層底部，有機碳含量越高。平面上，有機碳含量分布呈南部低、北部高的趨勢，高有機碳含量主要位于北部習水縣、桐梓縣地區(qū)，有機碳含量均超過2.0%，部分地區(qū)峰值超過3.5%。

表1 黔西北地區(qū)有機地球化學參數(shù)

龍馬溪組泥頁巖總體演化程度較高，全區(qū)未見成熟度小于2%的區(qū)域，主體位于2.0% ～3.0%。習頁1井龍馬溪組泥頁巖有機質(zhì)成熟度為2.58%～3.96%，平均值為3.31%，普遍較大(表1)。平面上，有機質(zhì)成熟度整體從黔西北區(qū)南部向北部逐漸增大，在習水縣附近達到最高，約為3.2%。

黔西北地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組海相成因泥頁巖有機質(zhì)成熟度普遍大于2.0%，已進入高成熟—過成熟階段，處于成熟晚期生氣狀態(tài)。

3.2 龍馬溪組泥頁巖儲滲條件

區(qū)域調(diào)查和地質(zhì)鉆井表明，泥頁巖結(jié)構(gòu)致密，孔隙發(fā)育較差。龍馬溪組泥頁巖樣品有效孔隙度為0.6% ～4.4%，平均為1.78%;滲透率為0.006 6×10-3～0.109 8×10-3μm2，平均為 0.037 8×10-3μm2(表2)。與北美商業(yè)開采的頁巖氣孔隙度(2% ～10%)、滲透率(1×10-13～10×10-7μm2)值相比，孔隙度較大，滲透率較高。

表2 習頁1井有效孔隙度和滲透率隨深度變化數(shù)據(jù)

掃描電鏡表明，龍馬溪組泥頁巖內(nèi)部存在大量微孔隙和微裂縫，顆粒表面存在大量溶蝕孔(圖1)。膠結(jié)物以伊利石、綠泥石和伊蒙混層礦物為主，孔隙中充填有大量的黏土礦物和有機質(zhì)。有機孔多呈凹坑狀、網(wǎng)狀、蜂窩狀，內(nèi)部具有一定的連通性，有效地改善了泥頁巖的儲集物性，有利于頁巖氣的運移和賦存。

圖1 習頁1井下志留統(tǒng)龍馬溪組泥頁巖孔縫發(fā)育特征

3.3 龍馬溪組泥頁巖礦物含量

頁巖的開采主要采用大型水力壓裂，因此頁巖的脆性和硬度對頁巖氣的開采具有重要意義。龍馬溪組泥頁巖礦物組成中，脆性礦物含量較高，石英含量為37% ～52%，石英、長石總量的平均值約為50%，方解石和白云石總量平均值為12%～23%，最高含量可達80%以上(表3)。與美國商業(yè)開采頁巖氣石英含量(27% ～48%)相比，黔西北地區(qū)泥頁巖具有更好的脆性和更大的硬度，水力壓裂容易產(chǎn)生大的裂縫網(wǎng)絡(luò)，有利于商業(yè)開采。

3.4 龍馬溪組泥頁巖含氣性

習頁1井龍馬溪組現(xiàn)場共完成了22塊樣品的解吸實驗。22塊樣品中的含氣量呈整體上升的趨勢，隨著深度的增加，解吸氣量總體趨勢逐漸增加，644 m時達到峰值4 892 mL，即解吸氣量最高段位于龍馬溪組底部。

表3 黔西北區(qū)頁巖全巖定量分析結(jié)果

通過計算得到，習頁1井下志留統(tǒng)龍馬溪組富有機質(zhì)泥頁巖樣品的解吸氣含氣量大致為0.629～2.814 m3/t，通過直線趨勢擬合法對損失氣量做線性回歸分析，最終計算頁巖總含氣量為0.741～3.318 m3/t，再考慮到裝罐時間較長、損失氣量較多、解吸實驗未完全完成等原因，參考已有的解吸曲線，推測頁巖含氣量應(yīng)為1.0～4.0 m3/t。習頁1井現(xiàn)場解吸氣樣解吸氣組分均以CH4為主，平均含量約為86.15%，此外解吸氣內(nèi)還有微量C2H6及混入的少量O2和N2，完全符合工業(yè)開采標準。

4 龍馬溪組頁巖氣聚集條件討論

與美國主要含氣頁巖相比，黔西北地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組泥頁巖具有埋深適中、凈厚度大、有機碳含量適中、熱演化程度高、孔隙度大、吸附氣含量適中、含氣量高等特點，頁巖氣聚集條件總體較為優(yōu)越，具有良好的勘探潛力(表4)。

綜合泥頁巖分布、有機地球化學指標和含氣性等因素，海相頁巖氣有利區(qū)優(yōu)選標準要求泥頁巖厚度穩(wěn)定且單層厚度不小于10 m，埋深為300～4 500 m，有機碳含量不小于1.5%，成熟度不低于1.2%，總含氣量大于0.5 m3/t，地形高差較小并且具有中等—好的保存條件。綜合黔西北地區(qū)泥頁巖分布、泥頁巖有機地球化學指標和含氣性等因素，優(yōu)選有利區(qū)為赤水市—習水縣—桐梓縣—仁懷市地區(qū)(圖2)。該地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組泥頁巖厚度為10～50 m，赤水市附近達到50 m;有機碳含量普遍大于2.0%，桐梓縣以北高達3.5%;成熟度為2.2%～3.2%;習頁1井解析實驗顯示泥頁巖含氣量高，資源前景良好。

表4 中美含氣頁巖特征對比

圖2 黔西北地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖氣有利區(qū)預測

5 結(jié)論

(1)黔西北地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組泥頁巖層系空間分布受構(gòu)造及古地理影響明顯，僅在北部分布，厚度為10～50 m，凈厚度大，從北向南逐漸減薄。

(2)黔西北地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組海相泥頁巖有機碳含量為1.5% ～3.5%，習頁1井龍馬溪組有機碳含量高的層段集中在620～644 m處的炭質(zhì)頁巖，越接近地層底部，有機碳含量越高。有機質(zhì)成熟度偏高，普遍大于2.0%，整體進入成熟和過成熟階段，處于成熟晚期生氣狀態(tài)。

(3)黔西北地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組泥頁巖有效孔隙度和滲透率分別為1.78%和0.037 8×10-3μm2，發(fā)育大量有機孔、溶蝕孔和微裂縫，有效地改善了儲集物性;碎屑礦物如石英、長石等含量較高，水力壓裂容易產(chǎn)生大的裂縫網(wǎng)絡(luò)，有利于商業(yè)開采。

(4)黔西北地區(qū)習頁1井下志留統(tǒng)龍馬溪組泥頁巖現(xiàn)場解析實驗表明，龍馬溪組富含有機質(zhì)泥頁巖，含氣性高，推測含氣量為1.0～4.0 m3/t，而且其中甲烷含量較高，具有良好的勘探潛力。

(5)綜合泥頁巖厚度、埋深、有機碳含量、有機質(zhì)成熟度及含氣性等因素，優(yōu)選出赤水市—習水縣—桐梓縣—仁懷市地區(qū)為頁巖氣發(fā)育有利區(qū)。

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