貴州早石炭世巖相古地理演化及頁(yè)巖氣成藏特征

田碩夫, 楊瑞東

(貴州大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，貴陽(yáng) 550025)

貴州早石炭世巖相古地理演化及頁(yè)巖氣成藏特征

田碩夫, 楊瑞東

(貴州大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，貴陽(yáng) 550025)

[摘要]根據(jù)野外剖面層序地層研究和室內(nèi)資料分析，結(jié)合最新鉆井資料、區(qū)域地質(zhì)調(diào)查資料等，并與國(guó)內(nèi)外典型頁(yè)巖氣特征參數(shù)及聚集條件對(duì)比，綜合研究貴州下石炭統(tǒng)頁(yè)巖氣富集條件、優(yōu)選有利地區(qū)。貴州下石炭統(tǒng)發(fā)育4個(gè)層序，以臺(tái)地相石灰?guī)r為主,夾潮坪沼澤潟湖相白云巖和泥頁(yè)巖，惠水、長(zhǎng)順以及六盤(pán)水等地區(qū)下石炭統(tǒng)舊司組(打屋壩組，第2層序)頁(yè)巖、泥巖較發(fā)育。從頁(yè)巖、泥巖的分布、厚度、有機(jī)質(zhì)豐度、有機(jī)質(zhì)類(lèi)型、有機(jī)質(zhì)熱演化程度等特征，并與美國(guó)Barnett頁(yè)巖等五大含氣頁(yè)巖主要評(píng)價(jià)參數(shù)以及涪陵焦石壩頁(yè)巖氣的分布、產(chǎn)出狀態(tài)(游離氣體積分?jǐn)?shù)>50%)等對(duì)比，認(rèn)為黔南、黔西南地區(qū)舊司組具有頁(yè)巖氣聚集發(fā)育的條件，具有很好的勘探前景。其中，黔南最有利的地區(qū)是紫云—惠水一帶，黔西南最有利的地區(qū)位于威寧—水城一帶。該區(qū)頁(yè)巖氣應(yīng)重視保存條件的研究，同時(shí)應(yīng)重視游離氣、夾層氣的貢獻(xiàn)。

[關(guān)鍵詞]貴州；下石炭統(tǒng)；舊司組；巖相古地理；頁(yè)巖氣

頁(yè)巖氣是三大主要非常規(guī)資源之一。頁(yè)巖氣賦存于富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖及其夾層中，主要以吸附或游離狀態(tài)殘留于盆地內(nèi)的泥頁(yè)巖內(nèi)部，成分以甲烷為主[1]。大部分產(chǎn)氣頁(yè)巖分布范圍廣、沉積厚度大，具有開(kāi)采壽命長(zhǎng)和生產(chǎn)周期長(zhǎng)的特點(diǎn)。

自1976年美國(guó)政府組織開(kāi)展“東部頁(yè)巖氣工程”以來(lái)，美國(guó)頁(yè)巖油氣資源開(kāi)發(fā)進(jìn)展迅速。特別是2005年在Barnett頁(yè)巖區(qū)帶上實(shí)現(xiàn)了水平井分段壓裂技術(shù)突破后，美國(guó)頁(yè)巖油氣開(kāi)發(fā)進(jìn)入了大發(fā)展階段：頁(yè)巖氣產(chǎn)量由2006年的約31.1×109m3增至2012年底的超過(guò)230×109m3；頁(yè)巖油的日產(chǎn)量至2012年底超過(guò)200萬(wàn)桶[2]。

近年來(lái)，中國(guó)相繼在南方地區(qū)開(kāi)展了頁(yè)巖氣資源調(diào)查和研究，并取得了一系列成績(jī)，發(fā)現(xiàn)了4套區(qū)域性黑色頁(yè)巖和8套地區(qū)性黑色頁(yè)巖，厚度大、范圍廣、富含有機(jī)質(zhì)[3]。2012年，貴州省也對(duì)全省的頁(yè)巖氣資源開(kāi)展了系統(tǒng)的調(diào)查評(píng)價(jià)，將全省劃分為“黔北、黔西北、黔南、黔西南”4個(gè)評(píng)價(jià)區(qū)，通過(guò)實(shí)施26口頁(yè)巖氣調(diào)查井及大量的野外地質(zhì)考查、取樣、測(cè)試分析等工作，完成了對(duì)古生界7套頁(yè)巖層系的有效評(píng)價(jià)，其中針對(duì)下石炭統(tǒng)實(shí)施了5口頁(yè)巖氣調(diào)查井(黔西南評(píng)價(jià)區(qū)4口、黔南評(píng)價(jià)區(qū)1口)，是中國(guó)南方地區(qū)首次針對(duì)石炭系開(kāi)展的實(shí)質(zhì)性頁(yè)巖氣調(diào)查研究工作。楊瑞東等(2012)提出下石炭統(tǒng)大塘階可能具有巨大的頁(yè)巖氣資源前景[4]。2015年初，貴州省地調(diào)院在長(zhǎng)順一帶實(shí)施了2口下石炭統(tǒng)舊司組(打屋壩組)頁(yè)巖氣調(diào)查井(長(zhǎng)頁(yè)1井，代頁(yè)1井)，初步顯示頁(yè)巖氣儲(chǔ)量豐富。

本文根據(jù)區(qū)域地質(zhì)調(diào)查等分析資料，利用野外地質(zhì)調(diào)查、層序地層學(xué)、分析測(cè)試等方法，結(jié)合最新鉆井資料及含氣量現(xiàn)場(chǎng)解析數(shù)據(jù)，研究早石炭世巖相古地理演化及頁(yè)巖氣成藏條件，并優(yōu)選有利區(qū)，為該區(qū)石炭系頁(yè)巖氣勘探確定方向。

1區(qū)域地質(zhì)背景

研究區(qū)地處揚(yáng)子地區(qū)西南部，貴州境內(nèi)紫云—埡都斷裂的西南側(cè)以及由紫云—埡都斷裂和清鎮(zhèn)—貴陽(yáng)斷裂圍成區(qū)域的中南部，包括整個(gè)黔西南地區(qū)和黔南分區(qū)的大部。

1.1古斷裂

研究區(qū)主要受貴州西部的埡都—紫云斷裂帶以及中部的盤(pán)縣(清鎮(zhèn))—貴陽(yáng)斷裂帶控制(圖1)。北西向埡都—紫云斷裂帶位于貴州西南部，由多條比較密集的斷裂組成。該斷裂帶在貴州省內(nèi)全長(zhǎng)>300 km，現(xiàn)已證實(shí)其形成于加里東晚期(奧陶紀(jì)與志留紀(jì))，發(fā)育于海西期。區(qū)內(nèi)泥盆—石炭系相帶呈北西向展布，受該斷裂帶控制，埡都—紫云斷裂東北側(cè)的黔西北地區(qū)則缺失奧陶系、志留系、泥盆系以及石炭系大多層系；盤(pán)縣(清鎮(zhèn))—貴陽(yáng)斷裂帶基本呈東西向延伸，起著樞紐軸的作用，控制了泥盆—石炭紀(jì)上揚(yáng)子古陸及其海陸邊界；北東東向斷裂帶為一組隱伏斷裂，在早石炭世晚期—早二疊世與埡都—紫云斷裂共同控制了盆地相及臺(tái)緣相的展布[5]。綜上所述，同生斷裂對(duì)研究區(qū)的古地理演化起著控盆控相作用。

圖1　貴州古斷裂示意圖Fig.1　Sketch map of the syngenetic faults of the late Paleozoic in Guizhou

1.2巖相古地理及演化

晚古生代的構(gòu)造、古地理背景基本上都是在加里東運(yùn)動(dòng)基礎(chǔ)上發(fā)展演化的[5]。加里東運(yùn)動(dòng)基本上結(jié)束了本研究區(qū)惠水乃至南盤(pán)江大部分地區(qū)早古生代的沉積歷史。進(jìn)入早泥盆世，有2條同生斷裂控制著研究區(qū)的沉積分布格局及演化，即北西向的埡都—紫云斷裂和北東東向的盤(pán)縣(清鎮(zhèn))—貴陽(yáng)斷裂。埡都—紫云斷裂以東、清鎮(zhèn)—貴陽(yáng)斷裂以北為陸地或(局部)物源區(qū)，埡都—紫云斷裂西側(cè)、清鎮(zhèn)—貴陽(yáng)斷裂以南則為主要沉積區(qū)。自陸地向海依次發(fā)育陸地(沖積相)、河湖相、濱岸潮坪相及深水陸棚相等沉積，沉積區(qū)北部是泥頁(yè)巖發(fā)育的重要地區(qū)之一，南部貞豐地區(qū)是深水沉積區(qū)(圖2-A)。

中泥盆世惠水地區(qū)海陸交互，向南、向西南(六盤(pán)水)方向石灰?guī)r沉積增多；晚泥盆世海侵規(guī)模有所擴(kuò)大，但南部陸源區(qū)沉積速率更快，導(dǎo)致惠水等北部沉積區(qū)廣泛發(fā)育白云巖蒸發(fā)潮坪潟湖臺(tái)地沉積。

圖2　貴州晚泥盆世-早石炭世巖相古地理圖Fig.2　Map showing lithofacies and paleogeography from the D3-C1 in Guizhou(據(jù)桑惕等修改，1992)(A)晚泥盆世錫礦山期; (B)早石炭世巖關(guān)期; (C)早石炭世大塘期; (D)早石炭世德塢期

石炭紀(jì)基本繼承了泥盆紀(jì)古地理格局。所以，早石炭世巖關(guān)期就連沉積范圍也與泥盆紀(jì)相同，只是由于海侵水體加深，石灰?guī)r臺(tái)地取代了白云巖蒸發(fā)臺(tái)地，構(gòu)成了很好的頁(yè)巖氣底板條件(圖2-B)。

到了早石炭世大塘期，研究區(qū)發(fā)生了一次規(guī)模較大的海侵，并且物源供給也大為增加，因而在碎屑巖區(qū)規(guī)模擴(kuò)大的表象下，掩蓋著海水相對(duì)變深、沉積范圍擴(kuò)大的實(shí)質(zhì)，甚至與廣海也聯(lián)系了起來(lái)(圖2-C)。

早石炭世德塢期(圖2-D)及晚石炭世，除貞豐等地區(qū)外，大部分地區(qū)已演化為石灰?guī)r臺(tái)地, 這是很好的頁(yè)巖氣頂板(蓋層)條件。

從圖2也可以明顯看出，北部包括江南山地仍是主要的物源區(qū)，由(西)北向南，逐漸由殘積相(沖積相)、河流湖泊相漸變?yōu)槌逼簼暫?，再變?yōu)樯季徠聻?、深水陸棚相。但?xì)粒泥頁(yè)巖富集中心已位于惠水及六盤(pán)水一帶(圖3)。這種古地理、沉積相分布格局對(duì)本文的頁(yè)巖氣選區(qū)特別重要。

綜上所述，研究區(qū)泥巖、頁(yè)巖主要發(fā)育在早石炭世大塘期，富集在惠水—長(zhǎng)順、六盤(pán)水—威寧一帶。晚泥盆世、早石炭世巖關(guān)期主要發(fā)育碳酸鹽巖，是很好的底板條件；早石炭世德塢期發(fā)育碳酸鹽巖，有很好的頂板條件，可作為蓋層。所以說(shuō)，在巖相古地理演化條件上，大塘期頁(yè)巖氣發(fā)育具有良好的巖性條件和頂、底板條件。

2頁(yè)巖氣成藏特征

研究表明，頁(yè)巖氣成藏主要受頁(yè)巖厚度、有機(jī)質(zhì)豐度及類(lèi)型、熱演化程度、頁(yè)巖儲(chǔ)滲條件、含氣性等多種因素的控制[6]。美國(guó)五大含氣頁(yè)巖成藏，Barnett頁(yè)巖最為典型(表1)。Barnett頁(yè)巖是在美國(guó)德克薩斯州福特沃斯盆地發(fā)育的一套密西西比系黑色頁(yè)巖，面積約13×103km2，是福特沃斯盆地的主力烴源巖[7]。Barnett頁(yè)巖的地質(zhì)儲(chǔ)量為(1.53～5.72)×1012m3，技術(shù)可采儲(chǔ)量為(96.278～283.170)×109m3。Barnett頁(yè)巖是目前世界上開(kāi)發(fā)最成功的頁(yè)巖氣產(chǎn)區(qū)，其主要的參數(shù)指標(biāo)可作為我們?cè)u(píng)價(jià)研究區(qū)的主要參考指標(biāo)。

圖3　貴州省下石炭統(tǒng)層序地層劃分對(duì)比圖Fig.3　Correlation of sequence stratigraphy in GuizhouOP.開(kāi)闊臺(tái)地; RP.局限臺(tái)地; ES.河口灣; HST.高位體系域; TST.海侵體系域; CS.凝縮層

2.1泥頁(yè)巖(烴源巖)特征

作為頁(yè)巖氣生成和賦存的主體，一定的含氣泥頁(yè)巖厚度是形成頁(yè)巖氣富集區(qū)的基本條件，也是頁(yè)巖氣資源豐度高低的重要因素[14]。美國(guó)進(jìn)入大規(guī)模商業(yè)開(kāi)發(fā)的五大含氣頁(yè)巖系統(tǒng)毛厚度為31～579 m(頁(yè)巖凈厚度9～91 m)，其中頁(yè)巖氣單井產(chǎn)量和年產(chǎn)量較高的Barnett頁(yè)巖系統(tǒng)毛厚度為61～300 m(凈厚度15～60 m)。富含有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖的厚度越大越好，保證一定規(guī)模的頁(yè)巖氣資源量和壓裂改造的需要。

研究區(qū)的大塘階自下而上分為湯粑溝組(C1t)、舊司組(C1j)、上司組(C1s)，均為整合接觸(圖3)。

舊司組頁(yè)巖層系主要發(fā)育于黔西南地區(qū)西北部、東南部及黔南南部，巖性主要為黑色、灰黑色頁(yè)巖、泥頁(yè)巖、泥巖，夾黑色泥質(zhì)灰?guī)r(圖3)、含泥灰?guī)r和少量砂巖，頁(yè)巖水平層理發(fā)育。根據(jù)巖性、巖相分為2段，厚度一般為300～400 m。大部分區(qū)域泥頁(yè)巖沉積厚度為50～185.5 m，一般厚度>100 m，且潛質(zhì)頁(yè)巖厚度>40 m。在黔南，舊司組頁(yè)巖層系上部、底部均夾黑色泥質(zhì)灰?guī)r(圖4-A,B,C,D)，黑色泥頁(yè)巖富集有機(jī)質(zhì)，層面、節(jié)理面上往往呈石煤特征(圖4-C)，風(fēng)化后類(lèi)似油頁(yè)巖風(fēng)化產(chǎn)物(圖3-F)。而安順楊武舊司組頁(yè)巖層系葉片狀結(jié)構(gòu)發(fā)育，頁(yè)巖風(fēng)化成黃褐色葉片(圖4-E)。黔南地區(qū)舊司組烴源巖不僅是黑色泥頁(yè)巖，黑色泥質(zhì)灰?guī)r也應(yīng)該是重要的烴源巖，在評(píng)價(jià)時(shí)應(yīng)該給予考慮。

黔西南地區(qū)舊司組分布比較廣泛，為海陸交互相—淺海相沉積。整體上，黔西南的西北部威寧—六盤(pán)水黑色頁(yè)巖厚度較大，一般厚度>100 m，沉積中心在威寧一帶，沉積厚度最高可達(dá)到據(jù)Curtis(2002),并將英制單位換算成SI制單位。

表1　美國(guó)巴尼特等五大含氣頁(yè)巖主要參數(shù)

圖4　貴州石炭系舊司組泥頁(yè)巖特征Fig.4　Characteristics of source rock of the Jiusi Formation in Anshunchang, Guizhou(A)龍里舊司組碳質(zhì)頁(yè)巖與碳質(zhì)灰?guī)r互層; (B)惠水舊司組碳質(zhì)頁(yè)巖中黑色碳質(zhì)灰?guī)r; (C)惠水舊司組黑色碳質(zhì)頁(yè)巖; (D)惠水舊司組上部黑色泥頁(yè)巖中夾薄層灰?guī)r; (E)安順楊武舊司組黑色碳質(zhì)頁(yè)巖，風(fēng)化呈葉片狀; (F)惠水舊司組碳質(zhì)泥頁(yè)巖風(fēng)化，呈油砂狀; (G)惠水?dāng)嗌寂f司組頁(yè)巖中灰?guī)r夾層; (H)惠水?dāng)嗌寂f司組頁(yè)巖中發(fā)育大量節(jié)理

185 m，沿北東、南西向頁(yè)巖厚度逐漸變??；中北部，六盤(pán)水—普安—紫云一帶厚度>50 m；西部、西南部、東南部頁(yè)巖厚度<50 m，一般為30 m。

黔南地區(qū)舊司組分布較局限，僅中南部惠水-紫云一帶有分布，潮坪-潟湖相沉積為主。整體上惠水-紫云一帶泥頁(yè)巖厚度較大，一般厚度>100 m，沉積中心在長(zhǎng)順—惠水一帶，最高可達(dá)到200 m以上，沿南西向逐漸變薄至50 m(圖5)。

2.2有機(jī)地球化學(xué)特征

2.2.1有機(jī)質(zhì)豐度及類(lèi)型

含氣頁(yè)巖的有機(jī)質(zhì)豐度(有機(jī)碳含量)，不但決定頁(yè)巖氣的生成量，而且影響頁(yè)巖氣的賦存和富集，進(jìn)而影響頁(yè)巖氣的資源豐度[14]。

美國(guó)大規(guī)模商業(yè)開(kāi)發(fā)的五大含氣頁(yè)巖系統(tǒng)有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)(wTOC)為0.5%～2.5%，其中頁(yè)巖氣單井產(chǎn)量和年產(chǎn)量較高的Barnett頁(yè)巖系統(tǒng)wTOC為2.0%～7.0%。頁(yè)巖氣有利發(fā)育區(qū)的wTOC>1.0%為宜(圖6)。

研究區(qū)下石炭統(tǒng)舊司組富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖的有機(jī)質(zhì)類(lèi)型主要以Ⅱ1型和Ⅱ2型為主，偶見(jiàn)Ⅲ型和Ⅰ型。wTOC普遍大于1.0%，多數(shù)分布在1.0%～2.0%范圍內(nèi)，有23.8%的樣品wTOC>2.0%，最高達(dá)2.83%。

秦文等(2014)對(duì)黔西南地區(qū)舊司組205塊露頭樣品及巖心樣品的有機(jī)碳進(jìn)行測(cè)試，wTOC為0.05%～5.76%，平均為1.25%，主體分布在0.80%～1.50%。有39.51%的樣品在1.00%～2.00%?？v向上，威寧龍街1701孔資料顯示，舊司組上段wTOC為0.73%～1.91%，平均為1.34%；下段wTOC為1.39%～3.02%，平均為2.11%?？梢?jiàn)，舊司組下段的TOC含量比上段高。平面上，研究區(qū)內(nèi)以威寧—水城—晴隆為軸線(xiàn)，往兩側(cè)TOC逐漸減少；威寧、水城一帶為高值區(qū)，wTOC>1.50%；威寧龍街周邊地區(qū)wTOC>2.00%，生烴強(qiáng)度中等[8]。

圖5　貴州下石炭統(tǒng)舊司組烴源巖厚度等值線(xiàn)圖Fig.5　Thickness contour map for the Jiusi Formation black shale in Guizhou

圖6　有機(jī)碳含量與頁(yè)巖氣含量關(guān)系Fig.6　Relationship between the TOC and shale gas content(A)美國(guó)有機(jī)碳含量與頁(yè)巖氣含量關(guān)系; (B)加拿大有機(jī)碳含量與頁(yè)巖吸附氣含量關(guān)系

黔南地區(qū)舊司組泥頁(yè)巖有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)普遍大于1.5%，往南東有機(jī)碳含量增高，wTOC平均為2%左右。長(zhǎng)順地區(qū)的2口調(diào)查井長(zhǎng)頁(yè)1井和代頁(yè)1井資料顯示，wTOC為0.69%～2.72%及0.41%～6.93%，平均為1.81%及2.19%，生烴強(qiáng)度較大。

2.2.2有機(jī)質(zhì)成熟度

研究區(qū)內(nèi)有機(jī)質(zhì)成熟度總體演化程度較高，全區(qū)有機(jī)質(zhì)成熟度(Ro)為1.0%～4.0%，主體在2.0%～3.0%，平面上由北東往南西成熟度增大。

據(jù)張本杰等研究[9]，黔西南地區(qū)Ro為1.11%～4.87%，一般為2.13%～3.11%，平均為2.71%，總體熱演化程度高，處于過(guò)成熟早期生干氣階段。據(jù)威頁(yè)1井和晴頁(yè)2井樣品測(cè)試結(jié)果，Ro隨深度增加有增大趨勢(shì)，晴頁(yè)2井深度716～733 m處Ro值高達(dá)4.49%～4.87%。

黔南地區(qū)，Ro一般為1.3%～3.5%，有機(jī)質(zhì)成熟度適中，處于有機(jī)質(zhì)熱演化高成熟階段。據(jù)長(zhǎng)頁(yè)1井和代頁(yè)1井的調(diào)查結(jié)果，Ro最小值為2.13%～2.19%，最大值為2.66%～3.27%，平均為2.47%～2.66%。

在常規(guī)油氣的勘探過(guò)程中，熱演化程度通常作為烴源巖評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)。一般說(shuō)來(lái)，Ro在0.6%～1.6%時(shí)烴源巖達(dá)到成熟或高成熟，處于烴類(lèi)大規(guī)模生成窗，有利于油氣的勘探。頁(yè)巖氣是連續(xù)生成的生物氣、熱成因氣，可以把頁(yè)巖氣認(rèn)為是烴源巖中未排出的殘留氣[10]，換句話(huà)說(shuō)，生氣量較小、能夠滿(mǎn)足泥頁(yè)巖的儲(chǔ)集就可以形成頁(yè)巖氣藏，因此，熱演化程度范圍可以適當(dāng)放寬。

美國(guó)大規(guī)模商業(yè)開(kāi)發(fā)的五大含氣頁(yè)巖系統(tǒng)Ro=0.4%～2.2%(目前勘探開(kāi)發(fā)的Haynesville頁(yè)巖、Fayetteville頁(yè)巖、Marcellus頁(yè)巖Ro=0.6%～3.0%)，其中頁(yè)巖氣單井產(chǎn)量和年產(chǎn)量較高的Barnett頁(yè)巖系統(tǒng)Ro=1.1%～2.2%。另外，國(guó)外的初步研究結(jié)果表明，泥頁(yè)巖的含氣量(主要是吸附氣)與鏡煤反射率關(guān)系不明顯。參考國(guó)外含氣頁(yè)巖熱演化特征，考慮到中國(guó)泥頁(yè)巖熱演化程度特點(diǎn)，頁(yè)巖氣有利發(fā)育區(qū)Ro=1.0%～3.0%為宜。若再考慮中國(guó)油氣勘探實(shí)踐，只要曾生成過(guò)油氣并能保存到今天的烴源巖，其Ro值的問(wèn)題完全可以忽略。如四川盆地安岳氣田三級(jí)儲(chǔ)量已達(dá)萬(wàn)億立方米，其烴源巖主要為下寒武統(tǒng)烴源巖[11]；涪陵礁石壩頁(yè)巖氣田以及長(zhǎng)寧頁(yè)巖氣田烴源巖均為上奧陶統(tǒng)五峰組及下志留統(tǒng)龍馬溪組碳質(zhì)頁(yè)巖。所以，研究區(qū)石炭系烴源巖的成熟度不是主要考慮的參數(shù)，而烴源巖的有機(jī)質(zhì)豐度及有機(jī)質(zhì)類(lèi)型則是烴源巖重要參數(shù)，此外，保存條件也是關(guān)鍵參數(shù)。

2.3泥頁(yè)巖礦物成分特征

脆性礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)直接決定后期頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)儲(chǔ)層改造效果[12-14]，脆性礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般>40%、黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)<30%才具備商業(yè)開(kāi)發(fā)價(jià)值[15,16]。舊司組泥頁(yè)巖在貴州省境內(nèi)分布較局限，且隨沉積環(huán)境的變化，黔西南和黔南巖相差異較大。

黔西南舊司組泥頁(yè)巖礦物成分以石英為主，石英的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高達(dá)66.37%，平均為41.62%；其次為黏土礦物、碳酸鹽巖、長(zhǎng)石、鐵礦物、石膏等(表2)。

表2　舊司組頁(yè)巖的主要礦物及含量(w/%)

據(jù)張本杰等(2014)。

碳酸鹽巖主要為方解石、白云石；鐵礦物主要為黃鐵礦、菱鐵礦；黏土礦物以伊利石為主，高嶺石、蒙脫石次之，綠泥石較少。頁(yè)巖砂質(zhì)脆性礦物和自生脆性礦物含量較高，平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60.28%[9]。

黔南地區(qū)舊司組泥頁(yè)巖礦物組成以黏土礦物和石英為主，黏土礦物的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為52%，石英的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為37.8%，兼有少量長(zhǎng)石、碳酸鹽巖和黃鐵礦等。黏土礦物主要為伊蒙混層和伊利石，伊蒙混層平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80.4%，伊利石平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%，部分樣品還含有一定量的高嶺石和綠泥石。據(jù)長(zhǎng)頁(yè)1井資料，頁(yè)巖中脆性礦物平均總質(zhì)量分?jǐn)?shù)為31.7%。這與黔西南舊司組泥頁(yè)巖礦物組成有較大區(qū)別。

2.4含氣性

通過(guò)對(duì)長(zhǎng)頁(yè)1井、晴頁(yè)2井的現(xiàn)場(chǎng)解吸數(shù)據(jù)分析，舊司組潛在頁(yè)巖含氣量在0.5～1 km深度內(nèi)為0.5～2.4 m3/t。黔西南總含氣量為0.12～2.94 m3/t，一般為0.5～2.1 m3/t，平均為0.99 m3/t；威寧以北及晴隆北西較高，水城以西及以北較低?？v向上隨深度增加有增高趨勢(shì)，晴頁(yè)2井在719.34～731.81 m深度總含氣量高達(dá)2.08～2.35 m3/t。儲(chǔ)集方式以吸附氣為主，占總含氣量的62%～95%；游離氣次之。黔南總含氣量為0.9～2.84 m3/t，平均為1.5 m3/t。長(zhǎng)頁(yè)1井在700～930 m深度的含氣量>1.2 m3/t，儲(chǔ)集方式主要為游離氣。

貴州水城縣打水井時(shí)鉆遇巖層出氣，日產(chǎn)氣(60～80)×103m3，證明水城一帶舊司組頁(yè)巖氣以游離氣為主?；菟?dāng)嗌家粠Ц咚俟匪淼谰蜻M(jìn)至舊司組頁(yè)巖時(shí)自燃，說(shuō)明舊司組頁(yè)巖氣也以游離氣為主。其與舊司組地層結(jié)構(gòu)、構(gòu)造發(fā)育等密切相關(guān)。

根據(jù)中國(guó)頁(yè)巖氣及美國(guó)頁(yè)巖氣勘探成果，四川涪陵焦石壩頁(yè)巖氣田及美國(guó)Barnett頁(yè)巖氣田儲(chǔ)集方式以游離氣為主，涪陵頁(yè)巖氣田焦石壩區(qū)塊頁(yè)巖氣探明儲(chǔ)量達(dá)千億立方米，其游離氣與吸附氣的比例為6∶4，游離氣占主(表3)。同樣，美國(guó)巴肯頁(yè)巖氣也主要是游離氣，產(chǎn)量高，產(chǎn)能穩(wěn)。因此，貴州下石炭統(tǒng)舊司組頁(yè)巖氣要圍繞游離氣進(jìn)行勘探。

2.5頁(yè)巖層系中的夾層

頁(yè)巖層系中的夾層對(duì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)集有很大影響。如美國(guó)Barnett頁(yè)巖氣儲(chǔ)層主要是上下2套據(jù)李軍等(2015)。

表3　焦頁(yè)1井頁(yè)巖氣綜合解釋

頁(yè)巖之間的碳酸鹽巖和碎屑巖儲(chǔ)層。因此，不僅要重視頁(yè)巖儲(chǔ)集性能，還要重視頁(yè)巖層中夾層的儲(chǔ)集情況。貴州下石炭統(tǒng)舊司組頁(yè)巖上部和下部均普遍發(fā)育灰?guī)r夾層(圖4-G)，其對(duì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)集影響很大，應(yīng)該加強(qiáng)研究。

2.6頁(yè)巖層系中的節(jié)理發(fā)育程度

在惠水?dāng)嗌寂f司組頁(yè)巖中，受到斷杉斷裂的影響，石炭系產(chǎn)狀變化很大，產(chǎn)狀較陡，節(jié)理發(fā)育，頁(yè)巖受到構(gòu)造作用，節(jié)理面上發(fā)育鏡煤狀光面(圖4-H)，節(jié)理強(qiáng)烈發(fā)育，以及黑色灰?guī)r夾層的存在，可能是惠水?dāng)嗌几咚俟匪淼谰蜻M(jìn)至舊司組頁(yè)巖時(shí)產(chǎn)生自燃的原因。說(shuō)明頁(yè)巖氣在節(jié)理發(fā)育，或者灰?guī)r夾層發(fā)育的頁(yè)巖段，頁(yè)巖氣儲(chǔ)集較好，有大量的游離氣存在。水城附近的水1井產(chǎn)氣量大，也可能與水城附近北北西向的斷裂發(fā)育有關(guān)。因此，在貴州石炭系頁(yè)巖氣勘探和評(píng)價(jià)中，要重視構(gòu)造和節(jié)理對(duì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)集的影響。

3勘探遠(yuǎn)景及有利區(qū)

綜合上述分析，黔西南地區(qū)下石炭統(tǒng)舊司組在威寧—水城一帶頁(yè)巖厚度>100 m；有機(jī)碳含量高，平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)2.11%；脆性礦物含量高，裂縫、節(jié)理發(fā)育；通過(guò)晴頁(yè)2井鉆探施工獲取了該目標(biāo)層系含氣性關(guān)鍵性參數(shù)，含氣性顯示良好，水城、惠水等地頁(yè)巖氣儲(chǔ)集方式以游離氣為主，有利于頁(yè)巖氣的開(kāi)發(fā)：因此認(rèn)為黔西南舊司組頁(yè)巖氣聚集發(fā)育的最有利區(qū)為威寧—水城一帶(圖5)。

黔南地區(qū)舊司組(打屋壩組)在惠水—紫云一帶頁(yè)巖凈厚度>100 m；有機(jī)碳含量較高，平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)1.69%；另外通過(guò)長(zhǎng)頁(yè)1井鉆探施工獲取了該目標(biāo)層系含氣性關(guān)鍵性參數(shù)，含氣性顯示好，儲(chǔ)集方式以游離氣為主；構(gòu)造作用強(qiáng)烈，頁(yè)巖節(jié)理強(qiáng)烈發(fā)育；頁(yè)巖段內(nèi)有灰?guī)r夾層：因此認(rèn)為黔南舊司組(打屋壩組)頁(yè)巖氣聚集發(fā)育的最有利區(qū)為惠水-紫云-長(zhǎng)順一帶(圖5)。

4結(jié) 論

a.貴州下石炭統(tǒng)發(fā)育4個(gè)層序，以臺(tái)地相石灰?guī)r為主夾潮坪沼澤潟湖相白云巖和泥頁(yè)巖，惠水、長(zhǎng)順以及六盤(pán)水等地區(qū)舊司組(打屋壩組，第2層序)頁(yè)巖、泥巖較為發(fā)育。

b.舊司組具有頁(yè)巖氣聚集發(fā)育的條件，有很好的勘探前景。

c.黔南地區(qū)最有利區(qū)有惠水—紫云地區(qū)，黔西南地區(qū)最有利區(qū)位于威寧—水城地區(qū)。

d.黔南、黔西南地區(qū)頁(yè)巖氣勘探生產(chǎn)應(yīng)重視保存條件的研究，要重視頁(yè)巖層系中夾層游離氣的貢獻(xiàn)。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 國(guó)家能源局.頁(yè)巖氣發(fā)展規(guī)劃(2011-2015年) [Z].2012-03-16.

National Energy Board of China. Shale Gas Development Plan (2011-2015) [Z]. 2012-03-16. (In Chinese)

[2] 侯明揚(yáng),楊國(guó)豐.美國(guó)頁(yè)巖油氣資源開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀及未來(lái)展望[J].國(guó)際石油經(jīng)濟(jì),2014(8):63-68.

Hou M Y, Yang G F. Current status and future prospects of the development of American shale oil and gas resources[J]. International Petroleum Economics, 2014(8): 63-68. (In Chinese)

[3] 陳洪德,倪新鋒,劉文均,等.中國(guó)南方盆地覆蓋類(lèi)型及油氣成藏[J].石油學(xué)報(bào),2008,29(3):317-323.

Chen H D, Ni X F, Liu W J,etal. Overlay relationship of basins and hydrocarbon accumulation in South China[J] . Acta Petrol Ei Sinica, 2008, 29(3): 317-323. (In Chinese)

[4] 楊瑞東,程偉,周汝賢.貴州頁(yè)巖氣成藏條件及勘探遠(yuǎn)景分析[J].天然氣地球科學(xué)，2012,23(2):340-347.

Yang R D, Cheng W, Zhou R X. Characteristics of organic-rich shale and exploration area of shale gas in Guizhou Province[J]. Natural Gas Geoscience, 2012, 23(2): 340-347. (In Chinese)

[5] 桑惕,王立亭,朱靄林.貴州巖相古地理圖集[M].北京：地質(zhì)出版社，1992.

Sang T, Wang L T, Zhu A L. Atlas of the Palaeogeography of Guizhou[M]. Beijing: Geological Publishing House, 1992. (In Chinese)

[6] 張金川,金之鈞,袁明生.頁(yè)巖氣成藏機(jī)理和分布[J].天然氣工業(yè),2004,24(7):15-18.

Zhang J C, Jin Z J, Yuan M S. Reservoiring mechanism of shale gas and its distribution[J]. Natural Gas Industry, 2004, 24(7): 15-18. (In Chinese)

[7] Redden J. Barnett shale gas production rises despite lower rig count [J]. World Oil, 2012, 233(2): 82-89.

[8] 秦文,唐顯貴,秦琴,等.黔西南區(qū)舊司組黑色頁(yè)巖地球化學(xué)及儲(chǔ)層特征分析[J].斷塊油氣田,2014,21(2):181-186.

Qin W, Tang X G, Qin Q,etal. Analysis on reservoir characteristics and geochemistry of Jiusi Formation potential shale in southwestern Guizhou[J]. Fault Block Oil & Gas Field, 2014, 21(2): 181-186. (In Chinese)

[9] 張本杰,秦琴,明方平,等.黔西南區(qū)舊司組頁(yè)巖氣儲(chǔ)存特征及有利區(qū)優(yōu)選[J].天然氣技術(shù)與經(jīng)濟(jì),2014,8(3):7-13.

Zhang B J, Qin Q, Ming F P,etal. Shale gas reservoir characteristics and favorable zone of the Jiusi Formation in southwestern Guizhou[J]. Natural Gas Technology and Economy, 2014, 8(3): 7-13. (In Chinese)

[10] 姜福杰,龐雄奇,歐陽(yáng)學(xué)成.世界頁(yè)巖氣研究概況及中國(guó)頁(yè)巖氣資源潛力分析[J].地學(xué)前緣,2012,19(2):198-211.

Jiang F J, Pang X Q, Ouyang X S. The main progress and problems of shale gas study and the potential prediction of shale gas exploration[J]. Earth Science Frontiers, 2012, 19(2): 198-211. (In Chinese)

[11] 鄒才能,杜金虎,徐春春,等.四川盆地震旦系-寒武系特大型氣田形成分布、資源潛力及勘探發(fā)現(xiàn)[J].石油勘探與開(kāi)發(fā),2014,41(3):278-293.

Zou C N, Du J H, Xu C C. Formation, distribution, resource potential and discovery of the Sinian-Cambrian giant gas field, Sichuan Basin, SW China[J]. Petroleum Exploration and Development, 2014, 41(3): 278-293. (In Chinese)

[12] 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):641-653.

Zou C N, Dong D Z, Wang S J,etal. Geological characteristics, formation mechanism and resource potential of shale gas in China [J]. Petroleum Exploration and Development, 2010, 37(6): 641-653. (In Chinese)

[13] 李新景,胡素云,程克明.北美裂縫性頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)的啟示[J].石油勘探與開(kāi)發(fā),2007,34(4):392-340.

Li X J, Hu S Y, Cheng K M. Development of fractured shale gas in North American[J]. Petroleum Exploration and Development, 2007, 34(4): 392-340. (In Chinese)

[14] Sondergeld C H, Newsham K E, Comisky J T,etal. Petrophysical considerations in evaluating and producingshale gas resources[J]. SPE Paper, 2010, 131768: 34.

[15] Kinley T J, Cook L W, Breyer J A,etal. Hydrocarbon potential of the Barnett Shale (Mississippian), Delaware Basin, west Texas and southeastern New Mexico[J]. AAPG Bulletin, 2008, 92(8): 967-991.

[16] 久凱,丁文龍,黃文輝,等.渤海灣盆地濟(jì)陽(yáng)拗陷沙三段頁(yè)巖氣地質(zhì)條件分析[J].大慶石油學(xué)院學(xué)報(bào),2012,36(2):65-70.

Jiu K, Ding W L, Huang W H,etal. Analysis of geological condition of the formation of Shahejie shale gas in Jiyang Depression in Bohai Bay Basin[J]. Journal of Daqing Petroleum Institute, 2012, 36(2): 65-70. (In Chinese)

Lithofacies and paleogeography evolution and characteristics of shale gas accumulation in Lower Carboniferous, Guizhou, China

TIAN Shuo-fu, YANG Rui-dong

CollegeofResourcesandEnvironmentEngineering,GuizhouUniversity,Guiyang550025,China

Abstract:Study of shale gas accumulation conditions and selection of favorable area in Lower Carboniferous of Guizhou Province are carried out on the bases of research on field-profile sequence stratigraphy and analysis of laboratory data, combined with the latest drilling data and regional geological survey information. Lower Carboniferous Series in Guizhou can be divided into 4 sequences with dominate limestone interbedded with dolomite and shale. Shale and mudstone develop well in Jiusi Formation (Dawuba Formation, the second sequence) in Huishui, Changshun and Liupanshui areas. Comparison of five evaluation parameters of Barnett shale in United States with shale gas distribution and output status (volume fraction of free gas is >50%) of Fuling shale gas in China, in terms of thickness and distribution of shale, organic carbon abundance, organic carbon type and thermal evolution analysis, it considers that the Jiusi Formation of Lower Carboniferous shale possesses good accumulation condition with very large exploration prospects in southern and southwestern Guizhou. The favorable areas in southern Guizhou mainly distribute in the Ziyun-Huishui area and the favorable areas in southwestern Guizhou mainly distribute in the Weining-Shuicheng area. Attention should be paid to the study of preservation conditions of shale gas and the contribution of free gas and intercalated bedding gas in shale formation.

Key words:Guizhou; Lower Carboniferous; Jiusi Formation; paleogeography; shale gas

DOI:10.3969/j.issn.1671-9727.2016.03.05

[文章編號(hào)]1671-9727(2016)03-0291-09

[收稿日期]2015-05-19。

[基金項(xiàng)目]貴州大學(xué)學(xué)科建設(shè)基金資助項(xiàng)目。

[通信作者]楊瑞東(1963-),男,教授,研究方向：沉積學(xué)與地球化學(xué), E-mail:rdyang@gzu.edu.cn。

[分類(lèi)號(hào)]TE122; P531

[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

[第一作者] 田碩夫(1990-),男,碩士研究生，研究方向：沉積學(xué)與油氣地質(zhì), E-mail:tian_sf@126.com。