黔北地區(qū)龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)泥巖儲(chǔ)層特征與勘探前景

秦 川, 余 謙, 劉 偉, 閆劍飛, 張海全, 門玉澎

( 1. 中國地質(zhì)調(diào)查局 成都地質(zhì)調(diào)查中心,四川 成都 610081; 2. 國土資源部沉積盆地與油氣資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610081 )

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黔北地區(qū)龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)泥巖儲(chǔ)層特征與勘探前景

秦 川1,2, 余 謙1,2, 劉 偉1,2, 閆劍飛1,2, 張海全1,2, 門玉澎1,2

( 1. 中國地質(zhì)調(diào)查局 成都地質(zhì)調(diào)查中心,四川 成都 610081; 2. 國土資源部沉積盆地與油氣資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610081 )

利用黏土礦物及全巖X線衍射分析、有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)和顯微組分、鏡質(zhì)體反射率、氣體法—脈沖法孔隙度和滲透率測定、核磁共振孔隙度、氬離子拋光掃描電鏡等方法，測試黔北地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組鉆井和剖面富有機(jī)質(zhì)泥巖段巖石樣品，研究其儲(chǔ)層特征。結(jié)果表明，龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)泥巖巖石類型主要為含粉砂炭質(zhì)泥巖、粉砂質(zhì)炭質(zhì)泥巖，礦物組分中黏土礦物平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為23.5%，脆性礦物以石英為主(占43.9%)。干酪根類型以I型為主，有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)介于2.0%～6.0%，有機(jī)質(zhì)成熟度介于1.51%～2.58%。富有機(jī)質(zhì)泥巖總孔隙度介于2.7%～9.9%，滲透率較低，一般為(0.001～5.960)×10-4μm2。微觀儲(chǔ)集空間以微裂縫、少量殘余粒間孔為主。黔北地區(qū)龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)泥巖具有脆性礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)高、黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)低、有機(jī)質(zhì)豐度和有機(jī)質(zhì)成熟度高、低孔低滲的儲(chǔ)層特征，具備良好的頁巖氣勘探潛力。

富有機(jī)質(zhì)泥巖； 儲(chǔ)層特征； 下志留統(tǒng)； 龍馬溪組； 黔北地區(qū)

0 引言

頁巖氣的勘探開發(fā)是化石能源領(lǐng)域的重大革命，已成為全球非常規(guī)天然氣勘探開發(fā)的熱點(diǎn)方向和現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域[1]。目前，美國、加拿大等已經(jīng)實(shí)現(xiàn)頁巖氣的商業(yè)開發(fā)[2-3]。我國頁巖氣勘探處于快速起步階段，中國南方地區(qū)分布的海相富有機(jī)質(zhì)的黑色頁巖厚度大、埋藏深度小，具有很好的頁巖氣成藏條件[4-6]。

黔北地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組黑色頁巖和上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組暗色泥頁巖分布面積廣泛、厚度較大，具有頁巖氣成藏的基本條件，是最有利的頁巖氣勘探層位，加強(qiáng)這些層位的研究和勘探意義重大[7-9]。張春明等認(rèn)為，泥質(zhì)深水陸棚是形成有效烴源巖的主要相類型，龍馬溪早期欠補(bǔ)償環(huán)境有利于形成有利的烴源巖[10]；王世玉等認(rèn)為，下志留統(tǒng)有效黑色頁巖厚度是龍馬溪組下段深水陸棚沉積段[11]；李俊良等認(rèn)為，龍馬溪組頁泥巖有機(jī)質(zhì)含量高，熱演化程度高，并且含有硅質(zhì)成分[12]；林家善等認(rèn)為，龍馬溪組底部烴源巖處于高有機(jī)物產(chǎn)率、強(qiáng)還原環(huán)境階段[13]；易同生等認(rèn)為，正安—?jiǎng)?wù)川—沿河以北是貴州龍馬溪組頁巖氣保存的有利區(qū)[14]。

近年來，對(duì)黔北地區(qū)龍馬溪組的研究主要集中在沉積環(huán)境、巖相古地理、烴源巖等方面，而對(duì)儲(chǔ)層特征的精細(xì)刻畫相對(duì)缺乏。由于受勘探程度所限，以往的研究主要基于野外露頭觀察及地表樣品分析測試。在黔北地區(qū)區(qū)域構(gòu)造和沉積地層分布特征的基礎(chǔ)上，筆者以黔北地區(qū)唯一一口下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖氣調(diào)查井——道頁1井，以及道真巴漁、沿河新景、務(wù)川北、湄潭抄樂等地表剖面的龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)泥巖為主要研究對(duì)象，進(jìn)行連續(xù)采樣、全巖及黏土礦物X線衍射分析、有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)、鏡質(zhì)體反射率和顯微組分、氬離子拋光掃描電鏡、孔隙度和滲透率、核磁共振孔隙度、含氣性現(xiàn)場解析等測試，研究龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)泥巖儲(chǔ)層的巖石礦物學(xué)特征、有機(jī)地球化學(xué)特征、物性特征、儲(chǔ)集空間類型及特征等，為該地區(qū)頁巖氣資源潛力評(píng)價(jià)提供地質(zhì)依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

文中黔北地區(qū)指遵義斷裂以東、貴陽—鎮(zhèn)遠(yuǎn)斷裂以北的貴州省行政區(qū)范圍，面積約為4.9×104km2(見圖1)。在大地構(gòu)造上位于上揚(yáng)子地臺(tái)區(qū)，其構(gòu)造演化與揚(yáng)子地臺(tái)的區(qū)域構(gòu)造演化具有相似性[15]。揚(yáng)子地臺(tái)的演化過程經(jīng)歷多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的疊加。由于受不同時(shí)期構(gòu)造長期的相互干擾和疊加，形成研究區(qū)褶皺和斷層發(fā)育、組合形態(tài)復(fù)雜的構(gòu)造景觀[16-17]。

圖1 黔北地區(qū)主要斷裂分布及龍馬溪期沉積相展布Fig.1 Faults distribution and sedimentary facies between Longmaxi stage in northern Guizhou

晚奧陶—早志留世龍馬溪期，黔北遵義—石阡—銅仁一線之南地區(qū)隆升為陸，無龍馬溪組沉積，可見石牛欄組與寶塔組平行不整合接觸(如石阡本莊)。隆起北部邊緣發(fā)育潮坪相沉積，向北部過渡為陸棚沉積區(qū)，黔北地區(qū)自南向北水體加深，地層厚度、富有機(jī)質(zhì)巖性段(w(TOC)>1.5%)厚度也由南往北逐漸增厚(見圖2)?，F(xiàn)今黔北地區(qū)寬緩背斜構(gòu)造在地表以出露寒武系地層為主，大部分地區(qū)龍馬溪組已剝蝕殆盡，僅在二疊—三疊系覆蓋區(qū)有龍馬溪組地層保留，呈北東—南西向條帶狀，沿向斜翼部分布。下志留統(tǒng)龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)泥頁巖主要發(fā)育于深水陸棚相區(qū)，縱向上位于龍馬溪組下部。

2 儲(chǔ)層特征

2.1 巖石類型和礦物組成

黔北地區(qū)龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)泥巖巖石類型主要為含粉砂炭質(zhì)泥巖、粉砂質(zhì)炭質(zhì)泥巖、含鈣—鈣質(zhì)粉砂質(zhì)碳質(zhì)泥巖(見圖3)。富有機(jī)質(zhì)泥巖段脆性礦物總體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為52.0%～82.0%(碎屑礦物與自生脆性礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)之和)(見圖4)。其中，脆性礦物以石英為主，占43.9%；次之為鉀長石和斜長石(平均為19.4%)、方解石和白云石(平均為10.1%)；黃鐵礦質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.1%。黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15.0%～46.0%，平均為23.5%，主要為伊利石組成，伊/蒙混層、高嶺石和綠泥石質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低(見圖5)。

圖2 道頁1井—綏陽—湄潭抄樂龍馬溪組沉積相剖面

圖3 黔北地區(qū)龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)泥巖顯微特征

圖4 黔北地區(qū)龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)泥巖全巖礦物組成直方圖Fig.4 Histogram of mineral contents of organic-rich mudstone of Longmaxi formation in northern Guizhou

圖5 黔北地區(qū)龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)泥巖黏土礦物組成直方圖

在區(qū)域上，南部越靠近黔中古隆起邊緣，碎屑礦物、自生脆性礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高、粒度越大；縱向上越往上部，碳質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)越低，碎屑礦物、自生脆性礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高、粒度越大。巖石礦物學(xué)分布差異是沉積環(huán)境的響應(yīng)，表現(xiàn)為由南至北沉積水體加深，陸源碎屑補(bǔ)給減弱。

2.2 有機(jī)地球化學(xué)特征

龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)泥巖干酪根顯微組分主要為腐泥無定形體及腐泥碎屑體。其中腐泥無定形體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為27.0%～87.0%，平均為55.7%；腐泥碎屑體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.0%～71.0%，平均為38.8%。樣品中含少量的無結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體和絲質(zhì)體。干酪根類型指數(shù)為75～98，以Ⅰ型為主，Ⅱ1型次之。

龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)泥巖段有機(jī)質(zhì)豐度較高，有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)介于2.0%～6.0%，平均為3.5%。道頁1井15個(gè)樣品測試結(jié)果表明，有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大為5.9%，其中w(TOC)大于1.5%的富有機(jī)質(zhì)泥巖段鉆厚達(dá)27 m，Ro介于1.51%～2.18%，平均為1.79%，干酪根處于高成熟—過成熟早期演化階段。道真巴漁剖面24個(gè)樣品測試結(jié)果表明，有機(jī)質(zhì)成熟度介于1.87%～2.58%，平均為2.21%。

在區(qū)域上，龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)泥巖有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)、有機(jī)質(zhì)成熟度的變化主要體現(xiàn)在南北向的差異。在道真、沿河地區(qū)，龍馬溪組沉積較厚，為龍馬溪期黔北地區(qū)的一個(gè)沉積沉降中心，有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)、有機(jī)質(zhì)成熟度普遍較高。往南靠近黔中隆起帶，龍馬溪組沉積相對(duì)減薄，有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)、有機(jī)質(zhì)成熟度明顯降低(見圖6)。

2.3 孔隙度和滲透率

利用氣體法對(duì)道真巴漁剖面巖石樣品進(jìn)行孔隙度、滲透率測定，龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)泥巖總孔隙度介于2.7%～9.9%；滲透率較低，一般為(0.10～0.91)×10-6μm2。利用脈沖法測試孔隙度、滲透率，道頁1井龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)泥巖有效孔隙度介于0.67%～1.76%，平均有效孔隙度為1.27%；滲透率介于(0.004 9～0.691 2)×10-3μm2，平均滲透率為0.152 8×10-3μm2(見表1)。利用核磁共振測試孔隙度，道頁1井龍馬溪組總孔隙度為3.92%～7.62%。

2.4 儲(chǔ)集空間類型、特征及其形成主控因素

將氬離子拋光掃描電子顯微鏡技術(shù)用于納米級(jí)孔隙(直徑<10.0 μm)研究，精確刻畫頁巖的孔隙類型、結(jié)構(gòu)和大小[18]。黔北地區(qū)龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)泥巖結(jié)構(gòu)致密，微孔隙總體不發(fā)育，可劃分為粒內(nèi)孔、粒間孔、有機(jī)質(zhì)孔和裂縫等四種類型[18]。

2.4.1 粒內(nèi)孔

粒內(nèi)孔的發(fā)育程度取決于礦物的穩(wěn)定性，長石和方解石等不穩(wěn)定礦物較易溶蝕而形成粒內(nèi)孔，黃鐵礦也存在溶蝕現(xiàn)象。粒內(nèi)孔在黔北地區(qū)龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)泥巖中發(fā)育較少，掃描電鏡下可見黃鐵礦單晶或草莓狀黃鐵礦部分溶蝕而形成粒內(nèi)溶孔(見圖7(a))。粒內(nèi)孔形態(tài)多為多邊形狀或槽狀，孔徑大小不一，直徑一般為0.1～5.0 μm，連通性較差。

圖6 黔北地區(qū)龍馬溪組有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)及有機(jī)質(zhì)成熟度Fig.6 Distribution of total organic carbon and organic material maturity of Longmaxi formation in northern Guizhou

剖面樣品號(hào)總孔隙度/%滲透率/10-3μm2備注鉆井樣品號(hào)有效孔隙度/%滲透率/10-3μm2備注DZP4-CH34.4<0.04×10-3DY1-10.670.0065DZP10-CH45.20.91×10-3DY1-31.350.0049道真巴漁剖面DZP10-CH59.90.67×10-3氣體法道頁1井DY1-41.040.0067脈沖法DZP10-CH65.20.10×10-3DY1-61.460.5960DZP12CH75.0<0.04×10-3DY1-131.760.0283DZP16-CH82.7<0.04×10-3DY1-231.270.6912

2.4.2 粒間孔

粒間孔為同種或不同種顆粒、晶體或化石間孔隙。黔北地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)泥巖粒間(晶間)孔隙主要由同種或多種晶粒、礦物相互支撐而形成[18]。其中，粉砂顆粒之間或粉砂顆粒與黏土礦物之間微孔隙較為發(fā)育，但多被有機(jī)質(zhì)、泥質(zhì)充填，僅殘余部分粒間微孔隙，或僅殘余繞顆粒邊緣分布的微孔隙(見圖7(b-d))。粒間孔直徑一般為0.1～2.0 μm，比粒內(nèi)孔的孔徑更小，但更具規(guī)模，連通性差。粒間孔的形態(tài)多呈不規(guī)則狀、孔喉狀或槽狀。

2.4.3 有機(jī)質(zhì)孔

龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)泥巖中有機(jī)質(zhì)結(jié)構(gòu)致密，有機(jī)孔(有機(jī)質(zhì)內(nèi)孔)總體不發(fā)育，對(duì)黔北地區(qū)龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)泥巖的總孔隙度貢獻(xiàn)較小。有機(jī)孔孔徑相對(duì)較小，主要為納米級(jí)的孔隙，孔徑介于1～200 nm。有機(jī)孔形態(tài)多為不規(guī)則狀、不規(guī)則的橢球狀、似蜂窩狀(見圖7(e))。

圖7 黔北地區(qū)道頁1井龍馬溪組微觀孔隙特征Fig.7 Micro-characteristics of pores of of DY1 well, Longmaxi formation in northern Guizhou

2.4.4 裂縫

裂縫的形成主要與黏土礦物、硅質(zhì)有關(guān)，在其他礦物中少見。在黏土礦物中，裂縫的形成主要與成巖作用過程中黏土礦物的脫水作用有關(guān)[18]。根據(jù)掃描電鏡及背散射觀察結(jié)果，黔北地區(qū)龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)泥巖中微觀裂縫較為發(fā)育，形成理想的解析—滲流通道。主要為黏土礦物層間微裂縫，黏土礦物以片狀伊利石為主，層間微裂縫寬度通常小于1.0 μm，多被有機(jī)質(zhì)充填，僅在有機(jī)質(zhì)邊緣殘余部分微縫隙(見圖7(f))。脆性礦物與黏土礦物之間可見豐富微裂縫，縫面繞脆性礦物而彎曲，無充填，寬度一般為0.5～5.0 μm。微裂縫是龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)泥巖的主要儲(chǔ)集空間類型。

2.5 含氣性特征

以道頁1井為例，龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)泥巖段含氣性較好，損失氣量和解析氣量為1.32～1.63 m3/t，總含氣量為1.84～2.69 m3/t(見表2)。解析氣體組分以CH4為主，含少量C2～C4氣體及微量CO2、N2。CH4體積分?jǐn)?shù)較高，峰值可達(dá)99.30%。

表2 道頁1井龍馬溪組含氣性特征

3 頁巖氣勘探前景

根據(jù)美國頁巖氣成功開發(fā)實(shí)踐，具有工業(yè)氣流的頁巖氣有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)下限為0.5% ，有機(jī)質(zhì)成熟度下限為1.1%[20-21]，為取得較好壓裂改造效果，脆性礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)通常要大于50%[22]。黔北地區(qū)龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)泥巖段中脆性礦物總體質(zhì)量分?jǐn)?shù)52.0%～82.0%，破裂潛力較好；黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15.0%～46.0%，平均為23.5%；有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0%～6.0%，平均為3.5%；鏡質(zhì)體反射率為1.51%～2.18%，平均為1.79%，與美國含氣頁巖的數(shù)據(jù)相當(dāng)。因此，黔北地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組具備頁巖氣形成的基本地質(zhì)條件，是潛力良好的頁巖氣勘探目的層。

4 結(jié)論

(1)龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)泥巖巖石類型主要為含粉砂伊利石炭質(zhì)泥巖、粉砂質(zhì)伊利石炭質(zhì)泥巖、含鈣—鈣質(zhì)粉砂質(zhì)伊利石碳質(zhì)泥巖，礦物組分中黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15.0%～46.0%，平均為23.5%；脆性礦物以石英為主，次為鉀長石和斜長石、方解石和白云石；黃鐵礦質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低。

(2)龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)泥巖干酪根類型以Ⅰ型為主，Ⅱ1型次之，有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)介于2.0%～6.0%，平均為3.5%，有機(jī)質(zhì)成熟度介于1.51%～2.58%，平均為2.01%，干酪根處于高成熟—過成熟早期演化階段。

(3)龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)泥巖結(jié)構(gòu)致密，總孔隙度介于2.7%～9.9%，滲透率較低，一般為(0.001～5.960)×10-4μm2。微觀儲(chǔ)集空間以微裂縫、少量殘余粒間孔為主，有機(jī)質(zhì)孔和粒內(nèi)孔發(fā)育較差。

(4)黔北地區(qū)龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)泥巖具有脆性礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)高、黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)低、有機(jī)質(zhì)豐度和有機(jī)質(zhì)成熟度高、低孔低滲的儲(chǔ)層特征，具備良好的頁巖氣勘探潛力。

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2016-07-07；編輯：任志平

國土資源部油氣資源戰(zhàn)略研究中心項(xiàng)目( 2009GYXQ15-03)；貴州省地質(zhì)勘查基金項(xiàng)目(GZSYYQZYDC2012-002)；中國地質(zhì)調(diào)查局基礎(chǔ)性公益性地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查項(xiàng)目(DD20160176)

秦 川(1985-)，女，博士，工程師，主要從事石油地質(zhì)學(xué)方面的研究。

TE122.2

A

2095-4107(2016)05-0086-08

DOI 10.3969/j.issn.2095-4107.2016.05.010