黔北正安龍馬溪組頁巖氣地質(zhì)特征及潛力分析

鄧 蘭 曾家瑤 石富倫

（1.貴州省煤層氣頁巖氣工程技術(shù)研究中心，貴州 貴陽 550008；2.貴州省煤田地質(zhì)局，貴州 貴陽 550008）

0 引言

頁巖氣是以吸附、游離狀態(tài)殘留在頁巖中的一種非常規(guī)天然氣，近年來受到人們的廣泛關(guān)注。據(jù)國土資源部2011年公布的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，我國頁巖氣可采資源量達25×1012m3［1］。貴州省頁巖氣資源豐富，地質(zhì)資源量為13.54×1012m3，居全國第四［2］。貴州省共發(fā)育7套含氣頁巖層系，按時代從老到新依次是下寒武統(tǒng)牛蹄塘組、變馬沖組，下志留統(tǒng)龍馬溪組、中泥盆統(tǒng)火烘組、下石炭統(tǒng)打屋壩組／舊司組、下二疊統(tǒng)梁山組、上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M。貴州省內(nèi)7套含氣頁巖層系除上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M為海陸過渡相沉積外，其余6套為海相沉積。本次研究以貴州正安區(qū)塊下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖為研究重點，在對頁巖氣參數(shù)井安頁1井進行樣品測試分析的基礎上，探討研究區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖氣的地質(zhì)特征，并進一步分析該組頁巖氣的資源潛力。

1 地質(zhì)背景

正安區(qū)塊位于貴州省正安縣北部、務川縣西部和道真縣南部，面積約為695 km2。研究區(qū)所屬正安地區(qū)構(gòu)造上屬于上揚子地臺川黔南北向構(gòu)造帶、北北東向構(gòu)造帶和北東向構(gòu)造帶的交匯地帶，區(qū)內(nèi)斷層、褶皺發(fā)育，構(gòu)造復雜。構(gòu)造演化過程經(jīng)歷了雪峰運動時期（Z）、早—中加里東時期（∈-O）、晚加里東時期（S）、海西期（D-C）、印支期（P-T）、燕山期（J-K）和喜山期（Q）。區(qū)內(nèi)地層歸屬于上揚子川南—黔北地層分區(qū)，發(fā)育較完整，由新到老主要發(fā)育有第四系、三疊系中下統(tǒng)、二疊系、志留系下統(tǒng)、奧陶系和寒武系上統(tǒng)。下志留統(tǒng)自下而上包括龍馬溪組、石牛欄組和韓家店組，其中頁巖最為發(fā)育的是龍馬溪組。

2 龍馬溪組頁巖氣地質(zhì)特征

2.1 龍馬溪組頁巖分布特征

2.1.1 頁巖厚度

通過頁巖厚度及其分布范圍可判斷頁巖氣藏的邊界，頁巖厚度在一定程度上控制著頁巖氣藏的規(guī)模及經(jīng)濟效益［3］。區(qū)內(nèi)龍馬溪組地層厚度為140～384 m，以黑色炭質(zhì)頁巖、灰色、灰綠色含鈣質(zhì)頁巖、含炭質(zhì)粉砂質(zhì)泥巖為主，黃鐵礦和有機質(zhì)富集。龍馬溪組頁巖厚0～40 m，其中優(yōu)質(zhì)頁巖厚14～25 m，主要分布在安場向斜和斑竹向斜，具有由南向北厚度逐漸增加的趨勢（圖1）。

圖1 龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖厚度及埋深預測等值線圖

2.1.2 頁巖埋深

埋深不是控制頁巖氣成藏的決定性因素，但其關(guān)系著頁巖氣藏勘探開發(fā)的難度和經(jīng)濟效益［4］。區(qū)內(nèi)下志留統(tǒng)龍馬溪組黑色頁巖埋深在0～3 500 m，其中安場向斜中心埋深最深，約為3 500 m，斑竹向斜中心埋深在2 000 m左右（圖1）。根據(jù)國土資源部油氣中心限定的有利頁巖氣發(fā)育的埋深界限（小于4 500 m）來看，區(qū)塊均處于可勘探范圍。

2.2 龍馬溪組頁巖地球化學特征

2.2.1 有機質(zhì)類型

安頁1井龍馬溪組黑色頁巖樣品顯微組分主要為腐泥組、鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組，缺乏殼質(zhì)組。其中腐泥組以分散狀礦物瀝青質(zhì)為主，有機質(zhì)類型指數(shù)在74～93，平均為85.5，干酪根類型為Ⅰ型和Ⅱ1型（表1）。

表1 龍馬溪組頁巖干酪根顯微組分及類型統(tǒng)計表

2.2.2 有機質(zhì)豐度

有機碳（TOC）含量不僅在一定程度上控制著頁巖裂縫的發(fā)育程度，而且控制著頁巖的含氣量，TOC含量越高，頁巖吸附天然氣的能力越強［5］12。對安頁1井目的層段龍馬溪組頁巖地球化學實驗分析表明，TOC含量分布范圍在3.5%～5.4%，平均值為4.5%，變化幅度較小?？v向上，龍馬溪組下部TOC含量整體高于上部。通過對正安區(qū)塊及周邊地區(qū)49個野外露頭樣品和80個巖心樣品的TOC含量統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，TOC含量大于2%的樣品比例超過70%，TOC含量大于5%的樣品比例也超過20%。區(qū)內(nèi)由南向北TOC值呈逐漸增加的趨勢，其中安場向斜范圍內(nèi)TOC含量大于3.5%，斑竹向斜范圍內(nèi)TOC含量在2.5%～3.5%（圖2）。由此可見，區(qū)塊內(nèi)龍馬溪組頁巖TOC含量較高且分布穩(wěn)定，為頁巖氣形成和富集提供了有利條件。

圖2 龍馬溪組黑色頁巖TOC含量及成熟度預測等值線圖

2.2.3 有機質(zhì)成熟度

有機質(zhì)成熟度越高越有利于頁巖氣成藏。隨著有機質(zhì)成熟度的增高，頁巖中有機質(zhì)更多地轉(zhuǎn)化為烴類，硅質(zhì)礦物含量相對上升，頁巖脆性也隨之增強，更易形成裂縫［5］12。通過對正安區(qū)塊及周邊地區(qū)34個樣品的鏡質(zhì)體反射率（Ro）統(tǒng)計得出，龍馬溪組黑色頁巖Ro分布范圍在1.924%～2.146%（表2）。其中安場向斜Ro在2.0%～2.1%，斑竹向斜Ro在1.9%～2.0%，Ro值從南向北逐步增加（圖2）。龍馬溪組黑色頁巖處于高—過成熟階段，生氣能力較強，具有較好的頁巖氣資源開發(fā)前景。

表2 龍馬溪組頁巖Ro統(tǒng)計表

2.3 龍馬溪組頁巖儲層物性特征

2.3.1 礦物成分

頁巖所含的脆性和硬性礦物對頁巖氣的開采十分重要，脆性礦物含量較高，控制著頁巖造縫能力［6］。脆性大的巖石，裂縫更為發(fā)育且易于進行水力壓裂，從而降低頁巖氣開發(fā)的難度并提高采收率［7］。通過X-衍射對安頁1井龍馬溪組頁巖進行全巖檢測，結(jié)果顯示，龍馬溪組黑色頁巖脆性礦物以石英為主（含量為32%～65%），黏土礦物含量為22%～54%，其次為碳酸鹽巖，含量為2%～11%。部分樣品含少量黃鐵礦。區(qū)內(nèi)下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖總體脆性礦物含量高，裂縫發(fā)育，有利于儲層改造。

2.3.2 孔滲特征

含氣頁巖通常較為致密，主要的孔隙類型有微裂縫和粒間孔隙?？紫稙橛坞x氣的儲集場所，孔隙體積越大，游離氣含量越高。在安頁1井及周邊道頁1井的基礎上，利用脈沖法對龍馬溪組頁巖孔—滲物性開展分析測試。結(jié)果表明，正安區(qū)塊龍馬溪組頁巖孔隙度（?）介于0.84%～1.76%，平均為1.28%；滲透率（k）為0.000 1～0.028 3 mD，平均為0.009 7 mD（表3）。龍馬溪組巖心孔隙度和滲透率分布頻率見圖3，孔隙度以1%＜?≤1.5%為主要分布區(qū)間，累計可達總體的77.78%（圖3a）；滲透率以0＜k≤0.01 mD區(qū)間為主（圖3b），占總體的66.67%。結(jié)果顯示，龍馬溪組頁巖儲層普遍具有超低孔、超低滲特征。據(jù)琚宜文等研究表明，盡管頁巖氣儲層低孔、超低滲，但仍具備一定的頁巖氣儲集條件［8］。龍馬溪組掃描電鏡測試樣品3個，孔隙類型主要包括有機質(zhì)孔、礦物粒間微孔、晶間孔、次生溶蝕孔縫等，具良好的儲集空間（圖4）。

表3 龍馬溪組脈沖法測定孔—滲物性結(jié)果統(tǒng)計表

圖3 龍馬溪組巖心孔隙度與滲透率分布直方圖

2.4 龍馬溪組頁巖含氣性特征

圖4 正安區(qū)塊下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖顯微結(jié)構(gòu)特征圖

頁巖含氣量是指每噸頁巖所含的天然氣總量。含氣量可分解為吸附、游離及較小的溶解含氣量，其大小直接影響著頁巖氣藏的經(jīng)濟可采價值。安頁1井鉆遇龍馬溪組高含氣碳質(zhì)頁巖累計厚19.50 m，全烴異常最高7.56%。巖心現(xiàn)場浸水試驗，氣泡逸出劇烈，氣泡連續(xù)濃密，解析氣可燃，火焰呈淡藍色。采用與涪陵焦石壩頁巖氣田同樣的解析儀和方法對13塊巖心樣品進行含氣量解析，現(xiàn)場解析氣量分布在2.177～6.227 m3／t（不含殘余氣）。根據(jù)實驗測試得出，區(qū)塊內(nèi)黑色頁巖具有良好的含氣性。龍馬溪組解析氣量普遍大于3.0 m3／t，最高大于6.0 m3／t，遠超出最低的工業(yè)標準，具有良好的頁巖氣資源前景。

2.5 龍馬溪組頁巖蓋層特征

下志留統(tǒng)龍馬溪組的黑色碳質(zhì)頁巖為自生、自儲、自蓋的生儲蓋組合。龍馬溪組黑色碳質(zhì)頁巖厚度較大，有機質(zhì)豐度高，且進入成熟生氣階段，巖心裂縫、微裂縫發(fā)育，氣測顯示較高，測井物性較好，是優(yōu)質(zhì)的烴源巖，也是良好的儲集層，而且頁巖自身獨特的成藏特點也使其不依賴蓋層，因此龍馬溪組黑色碳質(zhì)頁巖作為生氣層的同時，也是聚集和保存氣的儲層和蓋層。

3 龍馬溪組頁巖氣資源潛力分析

3.1 資源潛力

區(qū)塊內(nèi)龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖TOC含量較高，有機質(zhì)成熟度適中，厚度較大，含氣量較高，頁巖氣資源潛力較大。選取《全國頁巖氣資源潛力調(diào)查評價及有利區(qū)優(yōu)選》中的概率體積法對龍馬溪組頁巖氣資源量進行計算，計算參數(shù)主要包括有效頁巖分布面積、有效頁巖厚度、巖石密度和含氣量等。其中有效頁巖厚度主要根據(jù)面積概率取值，有效頁巖分布面積、頁巖的含氣量都采用與TOC含量的關(guān)系取值。評價參數(shù)條件概率賦值時，充分考慮實際地質(zhì)意義和合理性范圍，并對參數(shù)進行條件概率賦值。條件概率數(shù)值越小，表明把握程度（可信度）越低，其相應的數(shù)據(jù)取值結(jié)果可能越大。計算結(jié)果顯示，龍馬溪組頁巖氣P50資源量為445.88×108m3。

3.2 有利區(qū)預測

根據(jù)正安區(qū)塊資料的實際情況，結(jié)合國外頁巖氣勘探開發(fā)經(jīng)驗［9］，針對頁巖層厚度、頁巖埋深、有機質(zhì)豐度、熱演化程度、保存條件及地形條件等關(guān)鍵因素優(yōu)選出頁巖氣有利發(fā)育區(qū)。而有機質(zhì)類型、礦物成分及含氣量等變化不大，因此在對有利區(qū)預測時未作考慮。正安區(qū)塊下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖氣勘探有利區(qū)劃分為兩個級別（圖5）。Ⅰ類有利區(qū)為安場向斜，其優(yōu)質(zhì)頁巖埋深小于3 500 m，厚度為18～25 m，TOC含量大于3.5%，Ro為2.0%～2.1%，面積為100 km2；Ⅱ類有利區(qū)為斑竹向斜，其優(yōu)質(zhì)頁巖埋深小于2 000 m，厚度為14～17 m，TOC含量為2.5%～3.5%，Ro為1.9%～2.0%，面積為94 km2。

圖5 正安區(qū)塊下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖氣有利發(fā)育區(qū)預測圖

4 結(jié)論

1）正安區(qū)塊下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖具有南薄北厚的分布特點，主要以黑色炭質(zhì)頁巖和灰色、灰綠色含鈣質(zhì)頁巖為主，優(yōu)質(zhì)頁巖厚14～25 m，埋深在0～3 500 m，相對較淺。有機質(zhì)類型以Ⅰ型和Ⅱ1型為主，TOC含量普遍大于2.5%，且底部高于上部，屬于好—很好烴源巖，Ro介于1.924%～2.146%，處于高—過成熟階段，具有較高的生烴潛力。

2）正安區(qū)塊下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖總體脆性礦物含量高，以石英為主（32%～65%），超低孔、超低滲和多類型微孔隙、微裂縫的儲層特征為頁巖氣提供了良好的儲集空間。龍馬溪組頁巖具有良好的含氣性，解析氣量普遍大于3.0 m3／t，最高大于6.0 m3／t，且作為生氣層的同時，也是聚集和保存氣的儲層和蓋層，具有良好的頁巖氣資源前景。

3）正安區(qū)塊下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖氣P50資源量為445.88×108m3，資源潛力較大。Ⅰ類有利區(qū)安場向斜下志留統(tǒng)龍馬溪組富有機質(zhì)頁巖，擁有優(yōu)越的地質(zhì)條件，且安頁1井錄井氣測顯示和試氣效果明顯，因此可作為下一步頁巖氣重點勘探開發(fā)的目標區(qū)域。