滇東寒武系下統(tǒng)笻竹寺組頁(yè)巖含氣性分析

董云超嚴(yán)　濤劉紅林毛　雨

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院　2.云南煤層氣資源勘查開發(fā)有限公司　3.云南省一四三煤田地質(zhì)勘探隊(duì)）

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滇東寒武系下統(tǒng)笻竹寺組頁(yè)巖含氣性分析

董云超1,2嚴(yán)濤3劉紅林2毛雨2

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院2.云南煤層氣資源勘查開發(fā)有限公司3.云南省一四三煤田地質(zhì)勘探隊(duì)）

摘要寒武系下統(tǒng)笻竹寺組泥頁(yè)巖在滇東地區(qū)分布廣泛，厚度大，為南方海相沉積，有機(jī)質(zhì)豐度較高，主體已經(jīng)進(jìn)入了高—過成熟熱演化階段，有機(jī)質(zhì)類型為Ⅰ型干酪根，生氣量大，脆性礦物含量高，物性條件較好，在調(diào)查井鉆進(jìn)過程中，出現(xiàn)了明顯的氣測(cè)異常顯示，具有良好的頁(yè)巖氣地質(zhì)基礎(chǔ)。含氣量是直接評(píng)價(jià)頁(yè)巖含氣性的重要參數(shù)，通過地質(zhì)資料及泥頁(yè)巖樣品實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，揭示滇東地區(qū)寒武系下統(tǒng)笻竹寺組泥頁(yè)巖含氣情況及其影響因素，結(jié)果表明，含氣量與有機(jī)質(zhì)豐度、孔隙度、埋深存在正相關(guān)關(guān)系，與有機(jī)質(zhì)成熟度相關(guān)性不明顯，并且泥頁(yè)巖層系中的砂巖、碳酸鹽巖夾層仍具一定含氣性，同時(shí)認(rèn)為滇東地區(qū)寒武系下統(tǒng)笻竹寺組具有的頁(yè)巖氣勘探潛力。圖9表3參13

關(guān)鍵詞滇東寒武系笻竹寺組頁(yè)巖氣含氣性

頁(yè)巖氣是賦存于富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖中的天然氣，分為吸附氣、游離氣和溶解氣，鑒于泥頁(yè)巖中流體基本不存在，主要關(guān)注吸附氣和游離氣。含氣性作為影響勘探開發(fā)價(jià)值的關(guān)鍵因素，應(yīng)予重視，本文結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)含氣量測(cè)試結(jié)果及相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)滇東寒武系下統(tǒng)笻竹寺組頁(yè)巖含氣性做相關(guān)分析，揭示影響頁(yè)巖含氣性的相關(guān)因素。

1　地質(zhì)背景

根據(jù)構(gòu)造分區(qū)，滇東地區(qū)位于彌勒-師宗斷裂北西，元謀-綠汁江斷裂以東，滇東北拗褶帶與東川隆褶區(qū)分界以南。寒武系下統(tǒng)笻竹寺組廣泛分布于滇東及滇東北地區(qū)，北起永善肖灘，經(jīng)昆明、東川，南至華寧火特，延綿500余公里，面積約為50000 km2。上部為灰—深灰色泥頁(yè)巖夾薄層粉砂巖、細(xì)砂巖，中下部為黑色泥頁(yè)巖、粉砂巖，局部夾油頁(yè)巖及石煤，是頁(yè)巖氣富集層段[1]。笻竹寺組厚度在67～405 m之間，平均202 m，曲靖馬龍地區(qū)厚402.47 m，南部的華寧厚165.60 m，滇東北永善—巧家地區(qū)金沙廠厚200.00 m，巧家新店子及小河街一帶最薄，厚僅100 m左右[2]。最大厚度出現(xiàn)在會(huì)澤及曲靖兩地，可能是當(dāng)時(shí)的沉積中心（圖1）。

圖　滇東地區(qū)笻竹寺組分布及厚度等值線圖（據(jù)[1,3]改）

笻竹寺組以碎屑巖沉積為主，主要為深灰—黑色泥頁(yè)巖、粉砂巖，偶夾碳酸鹽，多含黃鐵礦，水平層理發(fā)育，為缺氧還原環(huán)境，利于有機(jī)物保存，地層中三葉蟲化石豐富，總體上為水體能量較弱的淺水陸棚沉積[3]。

2　笻竹寺組泥頁(yè)巖基本特征

2.1有機(jī)質(zhì)類型

滇東地區(qū)笻竹寺組含氣泥頁(yè)巖為下古生界海相沉積，產(chǎn)氣母源主要為藻類等低等水生生物，生烴能力較強(qiáng)。通過干酪根顯微組分鑒定及類型劃分，有機(jī)物顯微組分以腐泥組和殼質(zhì)組為主，為I型干酪根。而美國(guó)幾大頁(yè)巖氣盆地，其有機(jī)質(zhì)類型大部分為Ⅰ型和Ⅱ型干酪根。

2.2有機(jī)質(zhì)豐度

有機(jī)質(zhì)豐度是評(píng)價(jià)烴源巖生烴能力的基礎(chǔ)參數(shù)，一般巖石中有機(jī)質(zhì)豐度越高，生烴能力越強(qiáng)，常以總有機(jī)碳（TOC）為參考指標(biāo)。通過對(duì)滇東笻竹寺組露頭和鉆井巖心樣的TOC含量測(cè)試，發(fā)現(xiàn)笻竹寺組TOC值在0.11%～9.70%之間。其中，黑色富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖段TOC含量基本大于1.0%，平均為2.45%，主要集中在1.0%～4.0%之間，TOC值大于2.0%樣品占了很大比例?？傮w來說，區(qū)內(nèi)黑色泥頁(yè)巖發(fā)育較好，有機(jī)質(zhì)含量較高，為優(yōu)質(zhì)烴源巖。

2.3有機(jī)質(zhì)成熟度

鏡質(zhì)組反射率（Ro）是確定有機(jī)質(zhì)成熟度的有效指標(biāo)，但不適于滇東地區(qū)寒武系烴源巖，因?yàn)楹湎等狈碓从诟叩戎参锏臉?biāo)準(zhǔn)鏡質(zhì)組。為此，國(guó)內(nèi)外專家提出了諸如瀝青、海相鏡狀體等成熟度指標(biāo)[4]，并將這些指標(biāo)通過相應(yīng)公式轉(zhuǎn)換成“等效鏡質(zhì)體反射率”（VRo）。

針對(duì)滇東地區(qū)寒武系笻竹寺組的特性,采用了瀝青反射率（BRo）與海相鏡狀體反射率（MVRo）2類參數(shù)。對(duì)于瀝青,其等效鏡質(zhì)體反射率按劉德漢等提出的公式VRo=0.668BRo+ 0.346進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于海相鏡狀體,其等效鏡質(zhì)體反射率按肖賢明等提出的公式VRo=0.81MVRo+0.18(MVRo>1.50%)進(jìn)行計(jì)算[5]。經(jīng)測(cè)試計(jì)算，滇東地區(qū)寒武系下統(tǒng)笻竹寺組黑色泥頁(yè)巖段等效鏡質(zhì)體反射率在2.30%～3.55%之間，平均值為3.04%，屬于高-過成熟演化階段。中國(guó)南方下古生界頁(yè)巖成熟度高，主體VRo在2.5%～4.0%,但儲(chǔ)層儲(chǔ)集物性良好，只要保存條件較好仍具工業(yè)開發(fā)價(jià)值[6]。

2.4巖石物性特征

通過對(duì)曲靖溫泉、沾益德澤地區(qū)鉆井巖心樣品X衍射實(shí)驗(yàn)表明，寒武系下統(tǒng)笻竹寺組黑色泥頁(yè)巖的礦物成分較復(fù)雜，樣品中含有石英、長(zhǎng)石、方解石、白云石等脆性礦物和伊利石、高嶺石、伊蒙混層等黏土礦物，以石英和黏土礦物為主要礦物組成?？傮w而言，脆性礦物含量基本超過60%，石英含量最高，為27.60%～77.80%，平均為42.02%；其次為黏土礦物，為12.50%～45.00%，平均為30.64%，其中又以伊利石和伊/蒙混層含量最高（圖2，圖3）。

圖2　寒武系下統(tǒng)笻竹寺組礦物含量直方圖

圖3　寒武系下統(tǒng)笻竹寺組黏土礦物含量直方圖

3　含氣性特征

3.1氣測(cè)顯示

在鉆進(jìn)過程中，氣測(cè)異常是地層含氣性的直觀表現(xiàn)，并且氣測(cè)資料具有實(shí)時(shí)、快速和連續(xù)獲取的特點(diǎn)，能夠體現(xiàn)頁(yè)巖儲(chǔ)層含氣性縱向上的精細(xì)變化[7]。滇東地區(qū)多口頁(yè)巖氣井在鉆遇笻竹寺組黑色頁(yè)巖段時(shí)均有良好的氣測(cè)顯示（圖4），組分以甲烷為主。異常段主要為笻竹寺組中下部暗色泥頁(yè)巖，厚約200m左右，巖性主要為黑色泥頁(yè)巖、粉砂質(zhì)頁(yè)巖、粉砂巖等。由于氣測(cè)值受鉆井液性能、鉆速、鉆進(jìn)方式及錄井儀器等因素的影響，故氣測(cè)數(shù)據(jù)只能作為泥頁(yè)巖含氣性的定性-半定量評(píng)價(jià)指標(biāo)[8]。

圖4　滇東沾益德澤地區(qū)氣測(cè)異常柱狀圖

3.2含氣量測(cè)試

含氣性可通過含氣量來定量表征，一般使用解吸法和等溫吸附法測(cè)定含氣量。解吸法是直接測(cè)試含氣量的方法，根據(jù)其測(cè)定的程序，可將含氣量分為損失氣量（提鉆至裝入解吸罐前逸散氣量）、解吸氣量（裝入解吸罐后解吸出的氣量）和殘余氣量（解吸結(jié)束后仍留在樣品中的氣體）?？偤瑲饬考礊閾p失氣+解吸氣+殘余氣，其中，解吸氣和殘余氣均為實(shí)測(cè)參數(shù)，損失氣則根據(jù)初始解吸數(shù)據(jù)，利用最小二乘法直線回歸推算或者圖解法求取。

等溫吸附法是通過對(duì)樣品的等溫吸附實(shí)驗(yàn)來模擬吸附過程，將結(jié)果與Langmuir方程V=VL*P/（P+PL）擬合，利用頁(yè)巖儲(chǔ)層溫度和壓力，結(jié)合等溫吸附曲線計(jì)算出頁(yè)巖的吸附氣量，再根據(jù)含氣飽和度和有效孔隙度計(jì)算游離氣量，溶解氣一般忽略不計(jì)，總含氣量就是吸附氣和游離氣之和，是間接測(cè)試含氣量的方法。但等溫吸附實(shí)驗(yàn)是反映泥頁(yè)巖對(duì)甲烷的最大吸附能力，其結(jié)果往往較實(shí)際含氣量大很多，因此一般不用，只有缺少解吸數(shù)據(jù)時(shí)才用來定性地比較不同泥頁(yè)巖含氣量的大小[9]。據(jù)所采8件樣品等溫吸附實(shí)驗(yàn)，在相應(yīng)的地層溫壓條件下，其吸附氣量已遠(yuǎn)超過了實(shí)測(cè)總含氣量。

因此，本次分析均采用解吸法取得的含氣量數(shù)據(jù)。測(cè)試過程中，采用繩索取心，縮短取心時(shí)間，整個(gè)解吸過程解吸罐均處于恒溫水浴箱內(nèi)，在剔除解吸初期不穩(wěn)定點(diǎn)后，利用直線回歸法計(jì)算損失氣量。經(jīng)測(cè)試，如表1所示，滇東地區(qū)施工鉆井巖心樣品含氣量在0.06～1.45m3/t之間，平均為0.58m3/t。

表1　滇東地區(qū)各調(diào)查井笻竹寺組含氣量

3.3含氣性對(duì)比分析

頁(yè)巖氣藏的形成受控于多種因素,含氣性作為頁(yè)巖氣勘探開發(fā)研究的關(guān)鍵要素,也應(yīng)該與其他要素一起做綜合分析和信息疊加，即應(yīng)當(dāng)在其他地質(zhì)因素達(dá)到頁(yè)巖氣有利區(qū)選區(qū)下限的情況下再分析頁(yè)巖氣的含氣性。

美國(guó)是最早研究、勘探、投產(chǎn)頁(yè)巖氣并取得成功的國(guó)家，在分析方面也可參考美國(guó)各產(chǎn)氣盆地的主要特征（表2）。美國(guó)五大產(chǎn)氣盆地頁(yè)巖埋深范圍較大，從幾十米到幾千米均有，干酪根以Ⅰ、Ⅱ型為主，TOC最低的為密執(zhí)根盆地的0.3%，石英含量均較高。對(duì)比滇東地區(qū)調(diào)查井?dāng)?shù)據(jù)，與美國(guó)五大頁(yè)巖氣盆地具有相似的地質(zhì)特征，部分條件甚至更優(yōu)，僅含氣量稍低，在美國(guó)五大產(chǎn)氣盆地中圣胡安盆地Lewis頁(yè)巖含氣量最低，在0.37～1.27m3/t之間[10]，與滇東地區(qū)相近。國(guó)內(nèi)，國(guó)土資源部編制了《頁(yè)巖氣資源潛力評(píng)價(jià)與有利區(qū)優(yōu)選方法》（暫行稿），劃定頁(yè)巖氣選區(qū)有利區(qū)的含氣量最低指標(biāo)為0.50 m3/t[11]。

滇東地區(qū)笻竹寺組頁(yè)巖氣調(diào)查井含氣量測(cè)試結(jié)果均較低，平均含氣量?jī)H達(dá)到有利區(qū)選區(qū)指標(biāo)下限，但調(diào)查井一般選擇在笻竹寺組埋深較淺區(qū)域施工，所采樣品含氣性受構(gòu)造及風(fēng)化影響較大，保存條件一般較差，而且樣品數(shù)量及分析數(shù)據(jù)較少，具有一定局限性，地層實(shí)際含氣性應(yīng)優(yōu)于測(cè)試結(jié)果。因此，滇東地區(qū)笻竹寺組泥頁(yè)巖應(yīng)加強(qiáng)地質(zhì)研究，綜合分析各種地質(zhì)條件及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后，篩選出有利區(qū)塊。

表2　美國(guó)五大頁(yè)巖氣盆地與滇東地區(qū)地質(zhì)特征對(duì)比表

表3　頁(yè)巖氣有利區(qū)參考標(biāo)準(zhǔn)

4　含氣性影響因素分析

頁(yè)巖含氣性受控于多種地質(zhì)條件，包括TOC、成熟度、孔裂隙、厚度和礦物組成等內(nèi)部因素，同時(shí)也與埋深、地層壓力、溫度等外部因素相關(guān)[12]，圖5取較易獲取的TOC、孔隙度及埋深三項(xiàng)基本參數(shù)，結(jié)合鉆井氣測(cè)數(shù)據(jù)及巖性條件，通過縱向曲線圖，對(duì)比其與含氣量的變化關(guān)系，除少數(shù)幾個(gè)異常點(diǎn)外（孔隙度較大）,含氣量與有機(jī)碳含量及孔隙度基本成正相關(guān)關(guān)系，而且含氣量總體變化情況能夠與氣測(cè)異常數(shù)據(jù)相吻合，圖中還顯示出如果泥頁(yè)巖孔隙度過高、裂隙發(fā)育,孔隙度與含氣量的相關(guān)性將降低。

圖5　曲地5井含氣量測(cè)試情況與相關(guān)參數(shù)關(guān)系圖

4.1含氣量與有機(jī)質(zhì)豐度

有機(jī)質(zhì)作為生烴母質(zhì)，TOC越高生烴能力越強(qiáng)，同時(shí)有機(jī)碳含量亦是影響頁(yè)巖吸附氣能力主要因素之一[13]。為了減小大氣對(duì)地層含氣性的影響，特選取了埋深較深的沾益德澤曲地5井進(jìn)行分析，如圖6所示，含氣量與TOC呈一定的線性關(guān)系，含氣量隨TOC值增加而升高。

圖6　含氣量與TOC關(guān)系圖

4.2含氣量與孔隙度

頁(yè)巖儲(chǔ)層具有低孔低滲性，其儲(chǔ)集空間以納米級(jí)孔隙為主，孔裂隙發(fā)育程度直接影響儲(chǔ)層的含氣性能。經(jīng)樣品測(cè)試，滇東地區(qū)寒武系笻竹寺組黑色泥頁(yè)巖孔隙度在1.20%～6.07%之間，平均為3.28%。據(jù)圖7顯示，孔隙度與含氣量表現(xiàn)出一定的正相關(guān)關(guān)系。圖5顯示，部分樣品孔隙度雖很高，其含氣量并不突出，通過對(duì)樣品巖性的觀察發(fā)現(xiàn)，這樣的異常點(diǎn)，所在巖層通常受到應(yīng)力作用，斜交及垂直于層面的裂隙發(fā)育，一定程度上破壞了其儲(chǔ)氣性能。

圖7　孔隙度與含氣量關(guān)系圖

4.3含氣量與埋深

滇東地區(qū)以笻竹寺組為目的層的調(diào)查井中，黑色泥頁(yè)巖埋深在100～1300 m之間，據(jù)表1，淺井(曲地6井、曲地7井)黑色泥頁(yè)巖的平均含氣量明顯低于中深井（曲地1井、曲地5井）的平均含氣量（ZK2井只選擇性地采取含氣性較好的3個(gè)樣品解吸測(cè)試，不具代表性）。根據(jù)曲地1、曲地5井解吸測(cè)試含氣量數(shù)據(jù)，剔除受地層擠壓影響，裂隙發(fā)育、孔隙度較大而含氣量并不高的個(gè)別樣品，作埋深與含氣量關(guān)系散點(diǎn)圖（圖8、圖9），可以看出，隨埋深增加含氣量呈增大趨勢(shì)。也進(jìn)一步說明，研究區(qū)內(nèi)調(diào)查井較淺也是影響樣品含氣量測(cè)試結(jié)果偏低的原因。

圖8　埋深與含氣量關(guān)系圖（曲地5井）

圖9　埋深與含氣量關(guān)系圖（曲地1井）

4.4含氣量與有機(jī)質(zhì)成熟度

有機(jī)質(zhì)并不是在整個(gè)沉積過程均產(chǎn)生油氣，要達(dá)到一定變質(zhì)程度才能熱解或裂解生烴。滇東寒武系笻竹寺組黑色泥頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)類型屬于Ⅰ型干酪根，當(dāng)Ro≧1.3%達(dá)到生氣窗，生成干氣的鏡質(zhì)組反射率上限值為3.0%，而所生成干氣的保存上限值4.6%[10]，通過測(cè)試分析，區(qū)內(nèi)泥頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)成熟度與含氣量之間相關(guān)系數(shù)不大，且等效鏡質(zhì)組反射率在2.30%～3.55%之間，未超過干氣保存上限，只要儲(chǔ)存條件較好即可富集成藏。

4.5其他

含氣泥頁(yè)巖地層是一套富有機(jī)質(zhì)沉積巖系，除泥頁(yè)巖以外，由于沉積壞境及物源條件的變化，還發(fā)育砂巖或碳酸鹽巖，其有機(jī)質(zhì)豐度一般較低，生烴能力較差，但其孔隙系統(tǒng)仍具備儲(chǔ)氣能力，上下富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖所生成的氣體經(jīng)微運(yùn)移作用富集在其中，泥頁(yè)巖則充當(dāng)其蓋層，從而形成有效氣藏。曲地5井14號(hào)、18號(hào)樣品分別為粉砂巖和泥灰?guī)r，TOC值1.53%和1.84%，含氣量卻達(dá)1.22 m3/t和0.96 m3/t，含氣性不差于其上下泥頁(yè)巖。因此，在頁(yè)巖氣勘探中應(yīng)提高對(duì)富有機(jī)質(zhì)沉積巖系中其他巖性的重視，含氣性較好的亦可作為目標(biāo)層。

5　結(jié)論與認(rèn)識(shí)

（1）滇東地區(qū)寒武系下統(tǒng)笻竹寺組為淺海陸棚相沉積環(huán)境，根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料顯示，其中下部為一套暗色富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖，分布范圍及厚度大小應(yīng)作進(jìn)一步的調(diào)查研究，從而為滇東地區(qū)頁(yè)巖氣選區(qū)提供地質(zhì)基礎(chǔ)條件。

（2）笻竹寺組黑色泥頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)為Ⅰ型干酪根，達(dá)到高-過成熟熱演化階段，含氣量在0.06～1.45 m3/t之間，平均0.58 m3/t，但因鉆井為調(diào)查井，笻竹寺組埋深較淺，其數(shù)據(jù)具有一定局限性，地層含氣性應(yīng)優(yōu)于測(cè)試結(jié)果。參考美國(guó)頁(yè)巖氣產(chǎn)區(qū)及國(guó)土資源部的選區(qū)評(píng)價(jià)方法,滇東地區(qū)笻竹寺組泥頁(yè)巖含氣性達(dá)到有利區(qū)下限。

（3）泥頁(yè)巖含氣性影響因素復(fù)雜，包含內(nèi)部因素和外部因素，經(jīng)過實(shí)際對(duì)比分析，含氣性主要與TOC、孔隙度和埋深呈正相關(guān)關(guān)系，與有機(jī)質(zhì)成熟度關(guān)系不明顯。

（4）富有機(jī)質(zhì)沉積巖系中的粉砂巖、碳酸鹽巖具有一定含氣性，在研究和勘探中應(yīng)引起重視。

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（修改回稿日期2015-07-24編輯王曉清）

作者簡(jiǎn)介董云超，男，1986年出生，云南祥云人，工程師；2009年畢業(yè)于中國(guó)地質(zhì)大學(xué)。主要從事煤層氣及頁(yè)巖氣地質(zhì)勘查工作，工作地涉及滇東及黔西地區(qū)。地址：（655000）云南省曲靖市交通路79號(hào)一四三隊(duì)院內(nèi)云南煤層氣公司。電話：13732789400。E-mail: dongyunchao123@163.com