黔西北下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁(yè)巖氣成藏條件與有利勘探區(qū)預(yù)測(cè)

呂艷南，張金川，張 鵬，黃宇琪，尉菲菲，鄧恩德

（1 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）頁(yè)巖氣勘查與評(píng)價(jià)國(guó)土資源部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

（ 2 國(guó)土資源部 海洋油氣資源與環(huán)境地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

隨著北美頁(yè)巖氣勘探開發(fā)的快速發(fā)展，中國(guó)頁(yè)巖氣資源的戰(zhàn)略地位越來越受到重視［1-4］。目前，我國(guó)頁(yè)巖氣開始進(jìn)入規(guī)?；_發(fā)的初期階段，除四川盆地下志留統(tǒng)龍馬溪組頁(yè)巖的突破之外，其他地區(qū)海相地層的頁(yè)巖氣尚未形成工業(yè)產(chǎn)能。

在貴州地區(qū)，發(fā)育有多套含氣頁(yè)巖層系，厚度大、分布廣，具有形成大規(guī)模頁(yè)巖氣資源的基礎(chǔ)地質(zhì)條件［5-11］，其中下古生界海相富有機(jī)質(zhì)的頁(yè)巖集中分布在黔西北地區(qū)。

黔西北地區(qū)屬于油氣空白區(qū)，頁(yè)巖氣勘探的可用資料較少，且由于區(qū)內(nèi)構(gòu)造的多旋回性，造成了富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖段發(fā)育的地質(zhì)條件較為復(fù)雜，其中含氣頁(yè)巖發(fā)育的地質(zhì)特征、含氣量以及頁(yè)巖氣富集規(guī)律尚不明確。本文利用野外露頭調(diào)查、老井復(fù)查和分析測(cè)試等方法，結(jié)合最新頁(yè)巖氣井勘探成果資料及含氣量現(xiàn)場(chǎng)解吸數(shù)據(jù)，進(jìn)行了黔西北下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁(yè)巖氣形成與富集條件的研究，并優(yōu)選出具有頁(yè)巖氣勘探潛力的有利區(qū)，這對(duì)上揚(yáng)子區(qū)下寒武統(tǒng)海相頁(yè)巖氣的勘探可能具有一定的指導(dǎo)意義。

1 研究區(qū)地質(zhì)背景

黔西北地區(qū)在大地構(gòu)造上屬于上揚(yáng)子板塊，主體包括黔中隆起和滇黔北部坳陷，面積約40 000 km2（圖1）。其中，黔中隆起是在上揚(yáng)子板塊中的一個(gè)東西向展布的早古生代隆起帶，位于貴州中西部赫章、大方、織金、修文、開陽(yáng)一帶，其南部和北部緊鄰黔南坳陷和滇黔北部坳陷，東北部接武陵坳陷，西南部被埡都—紫云斷裂所走滑錯(cuò)斷［9］（圖1）。黔西北地區(qū)褶皺和斷層比較發(fā)育，主要以北北東及北東方向的褶曲、壓性斷層、以及與它們有成因聯(lián)系的扭性斷層和張性斷層為主，這些構(gòu)造對(duì)研究區(qū)的沉積起到了一定的控制作用。在早寒武世牛蹄塘早期，隨著海平面的上升，沉積水體較深，主要為深水陸棚沉積環(huán)境，由于在缺氧環(huán)境下，并受陸源的影響，沉積了一套灰黑色—黑色含粉砂—粉砂質(zhì)碳質(zhì)泥巖、頁(yè)巖；隨著牛蹄塘后期相對(duì)海平面的逐漸下降，在牛蹄塘組的上部沉積了一套粉砂質(zhì)頁(yè)巖、含鈣粉砂質(zhì)頁(yè)巖和灰綠色粉砂質(zhì)頁(yè)巖。

圖1 研究區(qū)構(gòu)造位置圖（據(jù)文獻(xiàn)［11］，有修改）

2 頁(yè)巖氣成藏條件

2.1 泥頁(yè)巖厚度與分布特征

泥頁(yè)巖的有效厚度和分布面積主要受沉積環(huán)境的變遷所控制［10］。研究區(qū)的沉積相類型為淺水陸棚相和深水陸棚相（圖2），構(gòu)造—沉積中心位于黔西—修文一帶。其中淺水陸棚相分布于研究區(qū)的西北部，深水陸棚相分布于研究區(qū)的東南部，均呈北西—南東走向展布。研究區(qū)內(nèi)的牛蹄塘組黑色富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖段最厚達(dá)69.3m（開陽(yáng)縣茅坡露頭），由沉積中心向北、向西南逐漸減薄，至西北部的習(xí)水地區(qū)消失。受基底構(gòu)造控制，牛蹄塘組頁(yè)巖除在金沙縣巖孔、松林鄉(xiāng)中南、仁懷市大灣等部分地區(qū)出露地表外，其余皆埋藏于地下，埋深由西北向東南方向逐漸變淺，在畢節(jié)—仁懷—桐梓—新站一線最深，可達(dá)到5000m左右，在金沙—息烽一帶埋深為1000～3000m。整體上，牛蹄塘組的地層展布受后期構(gòu)造影響，主要表現(xiàn)為在靠近黔中隆起區(qū)域，埋深變小，且埋藏深度差異較大。

圖2 黔西北下寒武統(tǒng)牛蹄塘組黑色富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖展布圖

本次研究在露頭觀察、剖面測(cè)量和鉆井資料分析的基礎(chǔ)上，選取了一條北西—南東向剖面進(jìn)行地層對(duì)比（圖3）。從圖上可以看出：縱向上，由于震旦紀(jì)末期大規(guī)?？焖俸Ｇ?，導(dǎo)致了牛蹄塘組底部的深水陸棚相富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖直接覆蓋在燈影組白云巖之上，隨著海平面的下降，巖性以淺水陸棚相的粉砂質(zhì)泥頁(yè)巖為主，呈現(xiàn)逆粒序、顏色向上變淺、碳質(zhì)含量降低的特征；平面上，研究區(qū)內(nèi)牛蹄塘組富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖在方深1井附近的厚度相對(duì)較薄，向東南部逐漸變厚，在開陽(yáng)縣茅坡附近沉積厚度最大，最厚可達(dá)69.3 m；金沙縣境內(nèi)的仁頁(yè)2井揭示了牛蹄塘組底部的富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖為黑色碳質(zhì)頁(yè)巖，厚度為41.1 m，具備頁(yè)巖氣商業(yè)開采厚度（>30 m）的條件［11］。

圖3 貴州省下寒武統(tǒng)牛蹄塘組黑色富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖地層柱狀對(duì)比圖

2.2 有機(jī)地球化學(xué)特征

據(jù)北美頁(yè)巖氣勘探的經(jīng)驗(yàn)，生氣泥頁(yè)巖的主要有機(jī)質(zhì)類型是I型和II型干酪根［12］。有機(jī)碳含量不僅對(duì)泥頁(yè)巖的生烴能力、裂縫的發(fā)育程度和吸附能力等起到控制作用，而且在一定程度上對(duì)富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖的含氣量也起到了控制作用［13-14］。

據(jù)研究區(qū)周邊14個(gè)露頭剖面點(diǎn)和鉆井巖心的有機(jī)質(zhì)類型測(cè)試分析，表明牛蹄塘組干酪根的顯微組分主要為腐泥組和瀝青組，缺乏鏡質(zhì)組、惰質(zhì)組和殼質(zhì)組，有機(jī)質(zhì)類型主要為Ⅰ型；有機(jī)碳含量普遍大于1%，多數(shù)分布在2%～6%（圖4a），其中，10個(gè)采樣地點(diǎn)的有機(jī)碳含量大于4%，這說明了牛蹄塘組頁(yè)巖具有較強(qiáng)的生烴潛力?？v向上，據(jù)仁頁(yè)1井48塊牛蹄塘組頁(yè)巖樣品的測(cè)試結(jié)果（圖4b），有機(jī)碳含量分布在0.25%～10.8%，平均值為4.68%，其中在牛蹄塘組底部（埋深1 323～1 347 m）的TOC值都大于4%，說明該段地層是頁(yè)巖氣勘探的有利層段。平面上，高有機(jī)碳含量（大于6%）的區(qū)域主要位于富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖的沉積中心，即黔西—金沙—息烽地區(qū)，呈現(xiàn)以高值點(diǎn)為核心、向四周呈環(huán)狀逐漸降低的特征（圖5）。

圖4 黔西北下寒武統(tǒng)牛蹄塘組實(shí)測(cè)樣品有機(jī)碳含量分布圖

圖5 黔西北下寒武統(tǒng)牛蹄塘組富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖有機(jī)碳含量等值線圖

熱演化程度是確定有機(jī)質(zhì)生成油氣的關(guān)鍵指標(biāo)，從北美頁(yè)巖氣開發(fā)實(shí)踐來看，商業(yè)性開發(fā)的頁(yè)巖層系的Ro在1.1%～3.0%的范圍［15］。本文對(duì)研究區(qū)牛蹄塘組頁(yè)巖取樣進(jìn)行Ro測(cè)試，其中，仁頁(yè)1井10塊巖心樣品的成熟度在3.16%～4.26%之間，仁頁(yè)2井的10塊樣品在2.01%～3.11%之間，遵義地區(qū)3塊露頭樣品的成熟度為4.2%～4.23%，織金、清鎮(zhèn)和習(xí)水地區(qū)的41塊露頭樣品的成熟度則在2.57～4.3%之間，這些測(cè)試數(shù)據(jù)說明了下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁(yè)巖的成熟度已達(dá)到過成熟。但美國(guó)的頁(yè)巖氣勘探實(shí)踐表明，美國(guó)產(chǎn)氣區(qū)的頁(yè)巖成熟度普遍大于1.3%［16-17］，甚至在阿巴拉契亞盆地的西弗吉尼亞州南部，頁(yè)巖的成熟度最高達(dá)4%［18］，因此，在頁(yè)巖高成熟度（大于2%）的條件下仍能發(fā)生頁(yè)巖氣的聚集。

2.3 泥頁(yè)巖儲(chǔ)層特征

2.3.1 礦物組成

頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的礦物成分往往會(huì)影響頁(yè)巖的含氣量和壓裂效果［19-20］。在北美商業(yè)開發(fā)中，頁(yè)巖儲(chǔ)層的石英等碎屑礦物含量一般高于40%，而黏土礦物的含量則小于30%。本文通過對(duì)仁頁(yè)1井巖心的巖石礦物分析發(fā)現(xiàn)，牛蹄塘組頁(yè)巖儲(chǔ)層的碎屑礦物含量在50%～69%的范圍，平均61%；黏土礦物含量在15%～40%之間，平均31%，自生脆性礦物（方解石平均占4%，白云石平均占2%，黃鐵礦平均約占3%）含量為5%～16%，平均9%（圖6）。

圖6 黔西北仁頁(yè)1井牛蹄塘組頁(yè)巖礦物組成隨深度變化圖

根據(jù)仁頁(yè)1井的巖心分析測(cè)試資料，所得的牛蹄塘組頁(yè)巖自生脆性礦物含量、黏土礦物含量與有機(jī)碳含量的相關(guān)關(guān)系（圖7），從圖中可以看出自生脆性礦物含量和有機(jī)碳含量呈正相關(guān)（圖7a），而黏土礦物含量與有機(jī)碳含量呈負(fù)相關(guān)（圖7b），這反映了有機(jī)質(zhì)含量是控制黃鐵礦形成的基本因素，而黏土礦物含量高則不利于有機(jī)質(zhì)的富集。這是因?yàn)楹Ｏ嘀凶陨嘈缘V物（尤其是黃鐵礦）的形成往往與強(qiáng)還原環(huán)境對(duì)應(yīng)，硫酸鹽以有機(jī)質(zhì)為還原劑在缺氧環(huán)境下被還原成H2S，最終與活性鐵反應(yīng)形成黃鐵礦而保存于沉積物中；黏土礦物一方面是有機(jī)質(zhì)的吸附劑，對(duì)烴源巖中有機(jī)質(zhì)的富集程度起重要作用，另一方面黏土礦物也是有機(jī)質(zhì)向烴轉(zhuǎn)化過程中的催化劑，對(duì)于研究區(qū)的熱演化程度處于過成熟階段的牛蹄塘組頁(yè)巖來說，黏土礦物的催化作用使得有機(jī)質(zhì)被大量轉(zhuǎn)化，使其吸附作用不明顯，更多地表現(xiàn)為催化作用。

總體而言，研究區(qū)的牛蹄塘組頁(yè)巖儲(chǔ)層的脆性礦物含量較高，而黏土礦物含量相對(duì)較低，具有較好的頁(yè)巖氣壓裂條件，有利于頁(yè)巖氣后期的壓裂開發(fā)。

2.3.2 儲(chǔ)集物性

孔隙度和滲透率是泥頁(yè)巖儲(chǔ)層最重要的儲(chǔ)集物性參數(shù)，孔隙是頁(yè)巖氣重要的儲(chǔ)存空間，孔隙度是確定游離氣含量的關(guān)鍵參數(shù)［21］。根據(jù)18個(gè)野外露頭樣品的測(cè)試結(jié)果，牛蹄塘組頁(yè)巖儲(chǔ)層孔隙度分布區(qū)間為0.70%～12.9%，平均5.14%；滲透率分布區(qū)間為（0.0031～0.0185）×10-3μm2，平均為0.0114×10-3μm2，這里的孔隙度相對(duì)于美國(guó)五大頁(yè)巖氣盆地的含氣頁(yè)巖孔隙度(3%～14%)而言，屬于中等。

圖7 黔西北仁頁(yè)1井牛蹄塘組頁(yè)巖礦物、有機(jī)碳含量相關(guān)圖

另外，通過對(duì)巖石樣品的掃描電鏡分析，可以看出牛蹄塘組泥頁(yè)巖的微裂縫、微孔隙較為發(fā)育?？紫额愋椭饕辛ｉg孔、粒內(nèi)孔、溶蝕孔、晶間孔和有機(jī)孔（圖8）。通過比表面分析發(fā)現(xiàn)，仁頁(yè)1井牛蹄塘組頁(yè)巖的BET比表面積為3.34～20.01 m2/g，平均值為10.59 m2/g，平均孔直徑在10.02～60.04 nm之間，平均值為31.77 nm；仁頁(yè)2井的牛蹄塘組頁(yè)巖的BET比表面積為0.74～7.07 m2/g，平均值為2.62 m2/g，平均孔直徑在3.2～14.6 nm之間，平均值為7.57 nm（表1）。

圖8 黔西北下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁(yè)巖微觀孔隙發(fā)育特征

表1 黔西北牛蹄塘組頁(yè)巖孔隙參數(shù)特征

2.4 泥頁(yè)巖含氣性

頁(yè)巖含氣量及其變化規(guī)律是頁(yè)巖氣資源量評(píng)價(jià)的主要內(nèi)容，它們從根本上影響著頁(yè)巖氣的可采性［22］，而頁(yè)巖的有機(jī)質(zhì)豐度、熱演化程度、孔隙度、厚度等是含氣量高低的主控因素［23］。頁(yè)巖的含氣量主要包括游離氣含量和吸附氣含量，本文采用了等溫吸附模擬和現(xiàn)場(chǎng)解吸實(shí)驗(yàn)來進(jìn)行黔西北地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組泥頁(yè)巖的含氣性研究。

2.4.1 等溫吸附模擬

易同生等［24］通過對(duì)仁頁(yè)1井5塊樣品的等溫吸附模擬（圖9）計(jì)算得出，仁頁(yè)1井牛蹄塘組頁(yè)巖（30 ℃）等溫飽和吸附氣量在0.64～7.17 m3/t之間，平均為3.05m3/t；Langmuir壓力在1.04～2.48 MPa之間，平均為1.98 MPa，反映了在地下的壓力條件下牛蹄塘組富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖能夠吸附較多的頁(yè)巖氣。通過對(duì)不同樣品的等溫吸附模擬發(fā)現(xiàn)，TOC是控制吸附氣量的主要因素，而且牛蹄塘組黑色頁(yè)巖吸附氣量和TOC之間存在良好的線性關(guān)系，可以建立TOC與吸附氣量(Q吸)的關(guān)系模型，即：Q吸=0.818×TOC×100+0.069。

圖9 黔西北仁頁(yè)1井牛蹄塘組黑色頁(yè)巖段等溫吸附曲線（據(jù)文獻(xiàn)［24］，略有修改）

2.4.2 現(xiàn)場(chǎng)解吸實(shí)驗(yàn)

通過對(duì)研究區(qū)各調(diào)查井進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)解吸實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在牛蹄塘組的中下部富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖段具有較高的含氣量。例如，仁頁(yè)2井42塊樣品的現(xiàn)場(chǎng)解吸實(shí)驗(yàn)表明，隨著埋深的增加，解吸氣體積總體趨勢(shì)逐漸增加（圖10），至埋深921.6 m時(shí)達(dá)到峰值308 ml，含氣量為0.154m3/t；其中，解吸氣量較高的集中段為845.4～921.6m，927.6m深度以下的解吸氣量逐漸減少。由于頁(yè)巖儲(chǔ)層具有較強(qiáng)的非均質(zhì)性，大量的頁(yè)巖氣在現(xiàn)場(chǎng)無法完全解吸釋放，完整的解吸過程通常需持續(xù)數(shù)周至數(shù)月，結(jié)合室內(nèi)脫氣計(jì)算的殘余氣量可以達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)解吸氣量的2～17倍［24］。因此，考慮到裝罐時(shí)間較長(zhǎng)、損失氣量較多、解吸實(shí)驗(yàn)未完全完成等原因，結(jié)合參考已有的解吸曲線作比較，推測(cè)研究區(qū)牛蹄塘組頁(yè)巖含氣量應(yīng)在0.2～2.5m3/t之間，平均為1.3m3/t。

圖10 黔西北仁頁(yè)2井巖心解吸氣量變化趨勢(shì)圖

3 有利區(qū)預(yù)測(cè)與資源潛力分析

針對(duì)目前我國(guó)頁(yè)巖氣勘探開發(fā)的實(shí)際情況，張金川等［25］在大量野外露頭調(diào)查、基礎(chǔ)研究、實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析及評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，從泥頁(yè)巖厚度、有機(jī)質(zhì)豐度、熱成熟度、埋深、總含氣量、地表?xiàng)l件及保存條件等方面提出了頁(yè)巖氣有利區(qū)的優(yōu)選標(biāo)準(zhǔn)，認(rèn)為海相頁(yè)巖發(fā)育層位穩(wěn)定且單層厚度不小于10 m、有機(jī)碳含量平均不小于1.5%、熱成熟度大于1.2%、總含氣量不小于0.5 m3/t、埋深在300～4 500 m、地形高差較小、且具有中等—好的保存條件的區(qū)域是頁(yè)巖氣分布有利區(qū)。本文根據(jù)黔西北地區(qū)牛蹄塘組頁(yè)巖形成的地質(zhì)背景、頁(yè)巖氣的成藏條件及目前的資料現(xiàn)狀，采用綜合信息疊合法，利用地層厚度、有機(jī)碳含量、有機(jī)質(zhì)熱演化程度等參考指標(biāo)，優(yōu)選了金沙—息烽以及仁懷兩個(gè)頁(yè)巖氣發(fā)育有利區(qū)（圖11）。

圖11 黔西北下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁(yè)巖氣有利區(qū)分布圖

（1）金沙—息烽有利區(qū): 該區(qū)為深水陸棚相沉積環(huán)境，沉積了一套以黑色碳質(zhì)頁(yè)巖和灰黑色粉砂質(zhì)頁(yè)巖為主的深水碎屑巖，厚約40～60m，埋深在1 000～3 000 m；有機(jī)碳含量普遍高于5%，具有良好的生烴潛力；頁(yè)巖的有機(jī)質(zhì)成熟度主體分布在2.8%～3.2%之間，處于過成熟中晚期階段；地貌以中低山為主，含氣量平均1.3m3/t；具備一定的保存條件，有利于頁(yè)巖氣的成藏。

（2）仁懷有利區(qū)：該區(qū)為深水—淺水陸棚相沉積區(qū)，富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖厚度約20～40m，埋深在1500～4 500m；有機(jī)碳含量較高，普遍高于4%；成熟度主體分布在3.2%～3.6%之間，處于過成熟晚期階段，雖然生氣能力弱，但高有機(jī)碳含量在適當(dāng)條件下仍可保存大量天然氣；保存條件好，有較好的頁(yè)巖氣勘探潛力。

4 結(jié) 論

（1）黔西北地區(qū)牛蹄塘組底部的富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖主要形成于深水陸棚相沉積環(huán)境，在黔西—修文一帶厚度可達(dá)60 m，巖性以碳質(zhì)頁(yè)巖為主，分布穩(wěn)定、面積廣。

（2）牛蹄塘組底部富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖段有機(jī)質(zhì)類型以I型為主，有機(jī)碳含量多大于2%，且越接近牛蹄塘組底部，有機(jī)碳含量就越高；熱成熟度分布在2.01%～4.56%之間，處于高—過成熟階段；石英、長(zhǎng)石含量為20.4%～72.4%，平均51.2%，黏土礦物含量平均41.9%，脆性礦物含量高；微孔隙、微裂縫發(fā)育，具有良好的頁(yè)巖氣形成與富集條件。

（3）根據(jù)頁(yè)巖氣有利區(qū)的優(yōu)選標(biāo)準(zhǔn)，綜合牛蹄塘組富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖厚度、有機(jī)碳含量、熱演化程度、埋深和含氣量等指標(biāo)，采用綜合信息疊合法優(yōu)選出了金沙—息烽地區(qū)和仁懷地區(qū)這兩個(gè)頁(yè)巖氣勘探有利區(qū)。

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