貴州北部龍馬溪組頁(yè)巖特征及頁(yè)巖氣勘探前景

胡晨林，張?jiān)＃踔痉?，李俊杰，張海?/p>

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)，北京 100083)

引 言

研究表明，四川盆地早古生代寒武系牛蹄塘組和下志留統(tǒng)龍馬溪組頁(yè)巖是頁(yè)巖氣有利的勘探層系[1-5]，這2套頁(yè)巖層系主要發(fā)育于深水缺氧環(huán)境，缺氧的海底環(huán)境為有機(jī)質(zhì)的保存提供了良好的條件[6-9]。

以貴州北部地區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖為研究對(duì)象，以沉積學(xué)、石油地質(zhì)學(xué)為理論指導(dǎo)，通過(guò)對(duì)該地區(qū)下古生界龍馬溪組的野外露頭、薄片觀察、全巖X衍射和黏土X衍射等方法，分析頁(yè)巖的宏微觀巖石學(xué)特征、烴源巖特征并對(duì)研究區(qū)頁(yè)巖氣勘探前景進(jìn)行初步評(píng)價(jià)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

研究區(qū)位于四川盆地東南緣，地理位置上主要在貴州北部及重慶東南部。該區(qū)繼承了四川盆地構(gòu)造特征，形成一系列北東—南西向雁列式褶皺[3，10]。奧陶紀(jì)末和志留紀(jì)初經(jīng)歷了2次全球性海侵，研究區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖形成是志留紀(jì)初第1次全球性海侵的沉積響應(yīng)，其形成在受到華南大地構(gòu)造演化制約的同時(shí)，也受到了全球海平面升降的控制[10-11]。

龍馬溪組頁(yè)巖的下覆地層以五峰組硅質(zhì)巖或硅質(zhì)頁(yè)巖為典型標(biāo)志，龍馬溪組則是以厚套黑色頁(yè)巖為主，下部發(fā)育了黑色塊狀頁(yè)巖，富含筆石，上部主要發(fā)育灰色泥巖和灰綠色泥質(zhì)粉砂巖。在研究區(qū)，龍馬溪組頁(yè)巖厚度大，20～200 m不等，有機(jī)質(zhì)含量高，為一套重要的烴源巖層系[8-9]，也是研究區(qū)甚至整個(gè)四川盆地頁(yè)巖氣勘探的主要層段。

2 沉積特征

2.1 礦物學(xué)特征

測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，龍馬溪組頁(yè)巖礦物組分以石英和黏土礦物為主(圖1a)，還含有少量的長(zhǎng)石、方解石、白云石和黃鐵礦(表1)。黏土礦物含量(質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，下同)為18.5% ～53.2%，平均為40.6%;石英含量為25% ～73%，平均為42.6%，多以外源碎屑為主，顆粒粒級(jí)以粉砂級(jí)和黏土級(jí)為主，在頁(yè)巖中呈層狀、漂浮狀分布;碳酸鹽巖含量較少，為3%～18%，平均為4.0%。黏土礦物以伊利石為主，其次為伊蒙混層，以及少量綠泥石(圖1b)。伊利石相對(duì)含量為42% ～72%，伊蒙混層為29% ～46%，綠泥石相對(duì)含量為4% ～22%。研究層段沉積于深水還原環(huán)境，故黃鐵礦含量相對(duì)豐富。

圖1 全巖成分組成及黏土礦物成分組成

表1 重點(diǎn)剖面礦物質(zhì)量百分含量

2.2 巖相特征

一般而言，習(xí)慣上將龍馬溪組頁(yè)巖籠統(tǒng)稱(chēng)為“頁(yè)巖”，事實(shí)上，其有著復(fù)雜的巖石類(lèi)型，根據(jù)頁(yè)巖中各種成分的差異，可識(shí)別出5種巖石類(lèi)型:粉砂質(zhì)頁(yè)巖、鈣質(zhì)頁(yè)巖、黑色頁(yè)巖、炭質(zhì)頁(yè)巖、泥質(zhì)粉砂巖。

2.2.1 黑色頁(yè)巖

黑色頁(yè)巖多呈黑色、灰黑色，硬度小，且多成薄層狀，主要發(fā)育水平層理，富含筆石(圖2a)。頁(yè)巖中礦物成分主要為黏土礦物，在黏土礦物中漂浮一些石英、長(zhǎng)石顆粒(圖3a)，顆粒粒度一般為粉砂級(jí)或黏土級(jí)。該類(lèi)頁(yè)巖含有較多的黃鐵礦，陸源物質(zhì)較少，顏色較深表明其具有較高TOC含量，這些特征均表明黑色頁(yè)巖沉積于安靜的深水環(huán)境，水體底部缺氧而降低了有機(jī)質(zhì)的氧化量，為有機(jī)質(zhì)的保存提供了良好的條件。

2.2.2 粉砂質(zhì)頁(yè)巖

粉砂質(zhì)頁(yè)巖多呈灰黑色或深灰色，發(fā)育水平層理、塊狀層理(圖2b)。粉砂含量較高，以石英為主，含量為30% ～40%，分選中等，此外還可見(jiàn)少量長(zhǎng)石。暗色層主要為黏土層，亮色層主要為粉砂層，暗色層中有機(jī)質(zhì)與黏土礦物混雜(圖3b、c)。

圖2 龍馬溪組頁(yè)巖露頭特征

2.2.3 炭質(zhì)頁(yè)巖

炭質(zhì)頁(yè)巖多呈黑色，染手(圖2c、d)，含有較高的碳化有機(jī)質(zhì)，可高達(dá)15%。露頭觀察表現(xiàn)為風(fēng)化強(qiáng)烈，薄層的頁(yè)理極為發(fā)育。粉砂含量較少，一般小于20%(圖3d)。

2.2.4 鈣質(zhì)頁(yè)巖

鈣質(zhì)頁(yè)巖中碳酸鈣含量為25% ～50%，多呈紋層狀。暗色層為含有機(jī)質(zhì)的黏土層，亮色層為鈣質(zhì)層或鈣質(zhì)含量較高的黏土層(圖2e、3e)。

2.2.5 泥質(zhì)粉砂巖

露頭觀察中，泥質(zhì)粉砂巖多呈淺灰色或灰綠色，指示其處于半氧化半還原環(huán)境，主要發(fā)育透鏡狀層理和交錯(cuò)層理(圖2f)。代表了龍馬溪組晚期水體變淺，陸源碎屑輸入增強(qiáng)。碎屑顆粒占75%，以石英為主，呈線接觸或凹凸接觸，顆粒分選較差，磨圓次圓—次棱角，可見(jiàn)邊緣溶蝕現(xiàn)象;含少量長(zhǎng)石，見(jiàn)聚片雙晶結(jié)構(gòu)，部分絹云母化;此外含少量黏土礦物和云母(圖3f)。發(fā)育透鏡狀層理、水平層理、交錯(cuò)層理。代表了龍馬溪組晚期水體變淺，陸源碎屑輸入增強(qiáng)。

圖3 不同巖相微觀特征

3 烴源巖特征

對(duì)研究區(qū)野外黑色頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)顯微組分測(cè)試結(jié)果顯示，有機(jī)質(zhì)顯微組分主要為瀝青質(zhì)，多為塊狀、條狀瀝青，少量碎屑狀瀝青。無(wú)論是何種類(lèi)型干酪根，在熱演化程度較高時(shí)，都可以生成大量天然氣，因此，頁(yè)巖中有機(jī)質(zhì)只要達(dá)到足夠的熱演化程度就可以生成頁(yè)巖氣。研究區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖地面樣品的 Ro值約為1.55% ～3.20%，平均為1.87%，均達(dá)到了成熟—過(guò)成熟階段，這與美國(guó)頁(yè)巖氣盆地的0.4%～2.0%相比高出很多。有機(jī)質(zhì)含量不僅是影響頁(yè)巖生烴量的主要因素，也是影響其吸附氣量的重要因素。美國(guó)頁(yè)巖氣盆地產(chǎn)氣頁(yè)巖的總有機(jī)碳含量的下限為0.5%，因此一般將0.5%作為頁(yè)巖生成頁(yè)巖氣的有機(jī)碳含量下限條件[12]。研究區(qū)頁(yè)巖露頭的顏色以黑色為主，具有較高的TOC含量，達(dá)到了頁(yè)巖氣生成的條件。

4 頁(yè)巖氣勘探前景

龍馬溪組頁(yè)巖主要為一套硅質(zhì)碎屑細(xì)粒沉積，沉積于深水陸棚環(huán)境，為海侵體系域產(chǎn)物[10]，這種穩(wěn)定的深水沉積環(huán)境使得龍馬溪組頁(yè)巖厚度較大，平面分布穩(wěn)定，黑色頁(yè)巖厚度約20～120 m。同時(shí)，海平面的上升和氣候暖濕使得海洋原始生產(chǎn)力較高，同時(shí)底部的缺氧環(huán)境為有機(jī)質(zhì)的保存提供了必要條件，TOC含量較高。同時(shí)研究表明，龍馬溪組頁(yè)巖含氣量高，含氣量與TOC含量有著密切關(guān)系(圖4)。

龍馬溪組頁(yè)巖與美國(guó)Barnett頁(yè)巖對(duì)比分析表明，這2套富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖厚度均較大，分別為15～61 m和20～200 m。有機(jī)質(zhì)類(lèi)型主要為Ⅰ—Ⅱ1型。就TOC含量而言，龍馬溪組頁(yè)巖TOC值一般介于0.80% ～5.75%，均值約為2%，略低于美國(guó)Barnett頁(yè)巖的3% ～13%。同時(shí)，龍馬溪組頁(yè)巖埋藏厚度較大，Ro較高，多處于過(guò)成熟階段，而美國(guó)Barnett頁(yè)巖則主要處于成熟階段[14-16]。就頁(yè)巖儲(chǔ)層而言，二者脆性礦物均以石英為主，含量均很高。不同的是龍馬溪組頁(yè)巖中石英為陸源成因，而美國(guó)Barnett頁(yè)巖除陸源石英外還存在生物成因及自生成因石英[10，16]。

目前，在四川盆地多個(gè)區(qū)塊完成了多口頁(yè)巖氣勘探井，獲取了大量的基礎(chǔ)資料。同時(shí)，頁(yè)巖水平壓裂井的實(shí)施使得頁(yè)巖氣實(shí)現(xiàn)了工業(yè)開(kāi)采。龍馬溪組頁(yè)巖在四川盆地相對(duì)穩(wěn)定，因此對(duì)于研究區(qū)而言，頁(yè)巖氣的勘探開(kāi)發(fā)具有較高的潛力。

圖4 頁(yè)巖等溫吸附結(jié)果及含氣量與TOC關(guān)系(據(jù)文獻(xiàn)[13])

5 結(jié)論

(1)四川盆地下古生界龍馬溪組頁(yè)巖厚度較大，礦物組分主要為陸源石英和黏土礦物，巖石類(lèi)型主要包括黑色頁(yè)巖、粉砂質(zhì)頁(yè)巖、炭質(zhì)頁(yè)巖、鈣質(zhì)頁(yè)巖和泥質(zhì)粉砂巖。其中黑色頁(yè)巖和炭質(zhì)頁(yè)巖主要發(fā)育在龍馬溪組頁(yè)巖下部，而粉砂質(zhì)頁(yè)巖、鈣質(zhì)頁(yè)巖和泥質(zhì)粉砂巖主要發(fā)育在中上部。

(2)龍馬溪組頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)類(lèi)型以Ⅰ—Ⅱ型為主，Ro平均為1.87%，多處于成熟—過(guò)成熟階段。具有高TOC含量和高含氣量，且二者具有較好的正相關(guān)性。與美國(guó)Barnett頁(yè)巖相比，二者在頁(yè)巖發(fā)育環(huán)境、頁(yè)巖厚度、有機(jī)質(zhì)類(lèi)型及TOC含量等方面具有一定的相似性。

(3)龍馬溪組頁(yè)巖沉積環(huán)境穩(wěn)定，頁(yè)巖發(fā)育厚度大且分布穩(wěn)定，烴源巖品質(zhì)好，脆性礦物含量較高，具備頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)的基本參數(shù)要求。目前在四川盆地多口井已實(shí)現(xiàn)頁(yè)巖氣的工業(yè)開(kāi)采，研究區(qū)頁(yè)巖氣具備較大的勘探潛力。

[1]鄒才能，董大忠，王社教，等.中國(guó)頁(yè)巖氣形成機(jī)理、地質(zhì)特征及資源潛力[J].石油勘探與開(kāi)發(fā)，2010，37(6):641-654.

[2]張金川，等.中國(guó)天然氣勘探的兩個(gè)重要領(lǐng)域[J].天然氣工業(yè)，2007，27(11):1-6.

[3]蒲泊伶，蔣有錄，王毅，等.四川盆地下志留統(tǒng)龍馬溪組頁(yè)巖氣成藏條件及有利地區(qū)分析[J].石油學(xué)報(bào)，2010，31(2):225-231.

[4]梁超，姜在興，郭嶺，等.陸棚相黑色泥巖發(fā)育特征、沉積演化及頁(yè)巖氣勘探前景——以甕安永和剖面牛蹄塘組為例[J]. 大慶石油學(xué)報(bào)，2011，35(6):13-22.

[5]張水昌，朱光有.四川盆地海相天然氣富集成藏特征與勘探潛力[J]. 石油學(xué)報(bào)，2006，27(5):1-8.

[6]梁狄剛，郭彤樓，邊立曾，等.南方四套區(qū)域性海相烴源巖的沉積相及發(fā)育的控制因素[J].海相油氣地質(zhì)，2009，(14)2:1-19.

[7]李雙建，肖開(kāi)華，沃玉進(jìn)，等.南方海相上奧陶統(tǒng)—下志留統(tǒng)優(yōu)質(zhì)烴源巖發(fā)育的控制因素[J].沉積學(xué)報(bào)，2008，26(5):872-881.

[8]陳洪德，黃福喜，徐勝林，等.中上揚(yáng)子地區(qū)海相成烴物質(zhì)聚集分布規(guī)律及主控因素[J].成都理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2009，36(6):569-577.

[9]牟傳龍，等.中上揚(yáng)子地區(qū)早古生代烴源巖沉積環(huán)境與油氣勘探[J]. 地質(zhì)學(xué)報(bào)，2011，85(4):526-531.

[10]梁超，姜在興，魏小潔，等.四川盆地五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖巖相及儲(chǔ)集空間特征[J].石油勘探與開(kāi)發(fā)，2012，39(6):691-698.

[11]蘇文博，等.華南五峰組—龍馬溪組黑色巖系時(shí)空展布的主控因素及其啟示[J].地球科學(xué)——中國(guó)地質(zhì)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，32(6):819-827.

[12]張金川，姜生玲，唐玄，等.我國(guó)頁(yè)巖氣富集類(lèi)型及資源特點(diǎn)[J]. 天然氣工業(yè)，2009，29(12):109-117.

[13]Jiang Z X，et al.Lithofacies and sedimentary characteristics of the Silurian Longmaxi Shale in the southeastern Sichuan Basin，China[J].Journal of Palaeogeography，2013，2(3):238-251.

[14]Loucks RG，Ruppel SC.MississipPIan Barnett shale:lithofacies and depositional setting of a deep-water shale-gas succession in the Fort Worth basin，Texas[J].AAPG Bulletin，2007，91(4):579-601.

[15]Scott L Montgomery，Daniel M Jarvie，Kent A Bowker，et al.Missis sipPIan Barnett Shale，F(xiàn)ort Worth basin，north-central Texas:gas-shale play with multi-trillion cubic foot potential[J].AAPG Bulletin，2005，89(2):155-175.

[16]曾祥亮，劉樹(shù)根，等.四川盆地志留系龍馬溪組頁(yè)巖與美國(guó)Fort Worth盆地石炭系Barnett組頁(yè)巖地質(zhì)特征對(duì)比[J]. 地質(zhì)通報(bào)，2011，30(S0):372-384.