黔西地區(qū)打屋壩組富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖地球化學(xué)特征及其意義

陳 榕，苑 坤，張子亞，徐秋楓，盧樹(shù)藩，賀敬博

(1.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局 油氣資源調(diào)查中心，北京 100083；2. 貴州省地質(zhì)調(diào)查院，貴陽(yáng) 550000；3. 自然資源部，北京 100034)

富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖一直是石油天然氣勘探開(kāi)發(fā)領(lǐng)域研究的重點(diǎn)，自美國(guó)大規(guī)模開(kāi)發(fā)頁(yè)巖氣以來(lái)，富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖被賦予了更深的含義，除了作為常規(guī)油氣的源巖，同樣可以作為頁(yè)巖氣的生產(chǎn)儲(chǔ)集層位[1-2]。因此，研究富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖的地球化學(xué)特征，可以為頁(yè)巖氣勘查開(kāi)發(fā)提供參考[3]。目前在頁(yè)巖氣勘查過(guò)程中，有機(jī)質(zhì)豐度、成熟度以及干酪根類型等是評(píng)價(jià)富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖頁(yè)巖氣勘查潛力的主要參數(shù)[2，4-6]。下石炭統(tǒng)打屋壩組是貴州地區(qū)富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖發(fā)育層位之一，前人已針對(duì)頁(yè)巖氣成藏特點(diǎn)對(duì)該區(qū)西部和南部地區(qū)打屋壩組進(jìn)行過(guò)解剖[7-8]。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合近年來(lái)取得的露頭、鉆井?dāng)?shù)據(jù)，進(jìn)一步完善對(duì)黔西地區(qū)打屋壩組地球化學(xué)特征的描述，旨為該區(qū)頁(yè)巖氣有利區(qū)的圈選奠定基礎(chǔ)。

1 地質(zhì)背景

黔西地區(qū)地處上揚(yáng)子滇東—黔西隆起構(gòu)造帶，位于紫水?dāng)嗔褞б晕?，右江盆地以?圖1)。滇東—黔西隆起構(gòu)造帶在滇黔桂地區(qū)屬于相對(duì)穩(wěn)定的一個(gè)構(gòu)造單元，但區(qū)內(nèi)仍分布有多處大型斷裂和各類褶皺帶[9]。黔西地區(qū)發(fā)育4套富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖，分別為下泥盆統(tǒng)、下石炭統(tǒng)、下二疊統(tǒng)和上二疊統(tǒng)。本文所研究的下石炭統(tǒng)在貴州西南部地區(qū)廣泛分布，僅在龍吟、珠東、都格等少部分地區(qū)存在露頭剝蝕的情況。打屋壩組分布于羅甸—紫云—盤縣—水城一帶，出露厚度不一，主要巖性為黑色頁(yè)巖、黑色鈣質(zhì)泥巖夾深灰色泥質(zhì)灰?guī)r，水平紋層發(fā)育[10-11]。隨著相帶的變化，下石炭統(tǒng)向北部威寧和云南宣威地區(qū)相變?yōu)榕f司組[7]，為一套含泥灰?guī)r、灰?guī)r的暗色巖系。為了稱呼上的一致，本文統(tǒng)一使用打屋壩組作為黔西地區(qū)下石炭統(tǒng)富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖層位的名稱。

2 實(shí)驗(yàn)方法

本文共選取黔西地區(qū)水城雙水、普安白沙及盤縣珠東3條剖面69件樣品，通過(guò)頁(yè)巖的有機(jī)質(zhì)豐度、成熟度以及干酪根類型3個(gè)方面，對(duì)黔西地區(qū)下石炭統(tǒng)打屋壩組富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖地球化學(xué)特征進(jìn)行描述，從而刻畫(huà)出該地區(qū)頁(yè)巖氣勘查潛力。有機(jī)質(zhì)豐度是評(píng)價(jià)富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖生烴潛力的一項(xiàng)重要指標(biāo)，對(duì)于頁(yè)巖氣勘查來(lái)說(shuō)，潛質(zhì)頁(yè)巖的有機(jī)質(zhì)豐度是判斷該地區(qū)頁(yè)巖氣潛力的重要因素之一。我國(guó)南方古生界經(jīng)歷了多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，地層時(shí)代較老，在常見(jiàn)的有機(jī)質(zhì)豐度指標(biāo)中(有機(jī)碳含量、氯仿瀝青“A”、總烴含量和巖石熱解生烴潛量)，殘余的氯仿瀝青“A”含量普遍較低，不能準(zhǔn)確反映富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖的生烴能力[12]。因此本文主要采用有機(jī)碳含量(TOC)來(lái)研究打屋壩組有機(jī)質(zhì)豐度。

成熟度是表征有機(jī)質(zhì)生烴能力的重要參數(shù)[13]，測(cè)量成熟度的有效方法有鏡質(zhì)體反射率、巖石熱解峰溫、可溶有機(jī)質(zhì)參數(shù)等方法。目前應(yīng)用最廣泛的方法為鏡質(zhì)體反射率法，因此本文也采用鏡質(zhì)體反射率法(Ro)來(lái)判斷打屋壩組富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖成熟度。在評(píng)價(jià)富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖演化時(shí)，可將其成熟度劃分為未成熟(Ro<0.6%)、成熟(0.6%≤Ro<1.3%)、高成熟(1.3%≤Ro<2%)、過(guò)成熟早期(2%≤Ro<3%)和過(guò)成熟晚期(Ro≥3%)。

圖1 黔西地區(qū)構(gòu)造綱要及下石炭統(tǒng)打屋壩組分布

3 打屋壩組地球化學(xué)特征

3.1 有機(jī)質(zhì)豐度

本次有機(jī)碳含量測(cè)試樣品共69件，從整體測(cè)試分析數(shù)據(jù)來(lái)看，研究區(qū)打屋壩組TOC大部分小于2%(圖2)。其中水城雙水地區(qū)TOC一般小于1.0%，大部分分布在0.5%～1.0%之間，TOC是3個(gè)地區(qū)中最低的；普安白沙TOC一般大于1.0%，相比水城地區(qū)TOC數(shù)值要高；盤縣珠東地區(qū)TOC一般小于1.0%，48%的樣品TOC小于0.5%，平均值為0.68%。從全部測(cè)試結(jié)果來(lái)看，37.68%的樣品TOC位于0.5%～1%之間，23.19%的樣品TOC位于1%～2%之間，僅5.8%的樣品TOC大于2.0%，最高可達(dá)3.55%。

圖2 黔西地區(qū)下石炭統(tǒng)打屋壩組樣品TOC分布情況

從研究區(qū)打屋壩組頁(yè)巖有機(jī)碳含量對(duì)比圖(圖3)可以看出，往南東方向有機(jī)碳含量有增高趨勢(shì)；普遍來(lái)說(shuō)，下部有機(jī)碳含量高于上部，其原因主要?dú)w結(jié)于往南東方向水體變深，且早石炭世該區(qū)處于海侵體系域，大量的富有機(jī)質(zhì)細(xì)粒沉積物沉積在深水區(qū)。研究區(qū)打屋壩組目標(biāo)層系平均有機(jī)碳含量普遍大于0.6%(圖3)，多數(shù)分布在0.6%～3.0%范圍內(nèi)，唯有水城雙水地區(qū)TOC較低。研究結(jié)果表明，黔西地區(qū)打屋壩組有機(jī)碳含量總體較高，具有較好的頁(yè)巖氣勘查潛力。

圖3 黔西地區(qū)下石炭統(tǒng)打屋壩組有機(jī)碳含量對(duì)比剖面、鉆井位置見(jiàn)圖1。

3.2 干酪根有機(jī)組分

通過(guò)對(duì)樣品進(jìn)行干酪根抽提和觀察，打屋壩組干酪根有機(jī)顯微組分主要為殼質(zhì)組腐殖無(wú)定形體與鏡質(zhì)組正常鏡質(zhì)體。水城雙水地區(qū)惰質(zhì)組含量明顯較白沙地區(qū)高，未發(fā)現(xiàn)腐泥組成分。水城地區(qū)干酪根類型指數(shù)為-49.5～3.0，干酪根類型以Ⅲ型為主，少量Ⅱ2型。普安白沙地區(qū)殼質(zhì)組腐殖無(wú)定形體相對(duì)豐度為72%～80%，平均為76%；鏡質(zhì)組正常鏡質(zhì)體相對(duì)豐度為17%～20%，平均為18.5%；惰質(zhì)組絲質(zhì)體相對(duì)豐度為3%～8%，平均為5.5%；干酪根呈黃褐色—黑色，無(wú)熒光(圖4)；干酪根類型指數(shù)為13.0～24.3，類型屬Ⅱ2型。盤縣地區(qū)干酪根指數(shù)為33.5～82.5，干酪根類型以Ⅱ1型為主，少量Ⅱ2型。

3.3 有機(jī)質(zhì)成熟度

對(duì)水城雙水、普安白沙、盤縣珠東3條剖面地表露頭57個(gè)富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖樣品成熟度進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明，盤縣珠東地區(qū)有機(jī)質(zhì)成熟度最高，Ro為2.1%～3.18%，所有樣品均為過(guò)成熟階段；水城地區(qū)有機(jī)質(zhì)成熟度Ro為1.56%～1.88%，平均為1.68%，自上而下逐漸增加處于高成熟演化階段；普安地區(qū)總體處于成熟演化階段，Ro為0.98%～1.15%，平均為1.08%，相比水城地區(qū)成熟度低一些。從整體來(lái)看，處于成熟階段的樣品占全部樣品的22.41%，39.66%的樣品屬于高成熟階段，31.03%的樣品處于過(guò)成熟階段早期，處于過(guò)成熟階段晚期的樣品占5.17%(圖5)?？梢钥闯?，黔西地區(qū)打屋壩組富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖演化相對(duì)較高，主要處于高成熟和過(guò)成熟階段早期。

4 討論

有機(jī)碳含量、干酪根類型、有機(jī)質(zhì)成熟度是評(píng)價(jià)烴源巖生烴能力的關(guān)鍵部分，在頁(yè)巖氣勘查方面，他們也是評(píng)價(jià)富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖是否具有頁(yè)巖氣勘查潛力的重要參數(shù)。目前業(yè)界對(duì)于富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖TOC需要達(dá)到多少才具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值尚無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。SCHMOKER[14]和BOWKER[15]分別認(rèn)為具有頁(yè)巖氣潛質(zhì)的頁(yè)巖，其TOC至少應(yīng)該大于2%或者2.5%～3%。由于美國(guó)主要頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)區(qū)TOC普遍偏高，如Barnett頁(yè)巖TOC為3%～13%[16]，因此美國(guó)認(rèn)定的對(duì)頁(yè)巖油氣潛質(zhì)頁(yè)巖的TOC下限值也較高。聶海寬等[17]對(duì)比了Barnett頁(yè)巖和我國(guó)南方地質(zhì)條件特征，認(rèn)為具有工業(yè)價(jià)值的潛力頁(yè)巖TOC平均含量應(yīng)大于1%。張衛(wèi)東等[18]的觀點(diǎn)則認(rèn)為，具有工業(yè)開(kāi)采潛力的頁(yè)巖TOC下限值為2%。周德華和焦方正[19]對(duì)四川盆地建南地區(qū)侏羅系頁(yè)巖氣甜點(diǎn)評(píng)價(jià)時(shí)認(rèn)為，TOC平均含量的下限值為1%。

圖4 黔西普安白沙地區(qū)下石炭統(tǒng)打屋壩組干酪根顯微特征

圖5 黔西地區(qū)下石炭統(tǒng)打屋壩組主要采樣點(diǎn)Ro頻率分布

根據(jù)以往研究資料，打屋壩組TOC含量在0.45%～2.74%之間，平均1.41%，整體較高。在平面上，黔西地區(qū)打屋壩組TOC分布呈北西—南東向線型，威寧—六盤水一帶TOC較高，同時(shí)往北東和南西方向有機(jī)碳含量逐漸降低；局部地區(qū)出現(xiàn)高值區(qū)，威寧地區(qū)TOC含量最高可達(dá)到2%以上，普安龍吟、六枝一帶有機(jī)碳含量則普遍大于1.0%；整體TOC分布特征與埡紫羅斷裂帶走向一致(圖6)。對(duì)于埡紫羅斷裂帶與富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖有機(jī)碳含量之間的關(guān)系有待進(jìn)一步探討。

富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖成熟度是常規(guī)烴源巖評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)，也是頁(yè)巖氣潛力評(píng)價(jià)中的重要指標(biāo)。美國(guó)重點(diǎn)頁(yè)巖層系富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖的成熟度差異較大(如Antrim頁(yè)巖Ro在0.4%～0.6%[20]，Lewis頁(yè)巖Ro在1.6～1.88[13]，Barnett頁(yè)巖Ro在1.6%～2.27%[21])，使得美國(guó)在非常規(guī)油氣勘探開(kāi)發(fā)領(lǐng)域整體呈現(xiàn)頁(yè)巖氣和頁(yè)巖油并重的局面。我國(guó)海相頁(yè)巖成熟度相對(duì)偏高，Ro普遍在2%～5%[1]，較高的成熟度使得我國(guó)南方古生界非常規(guī)油氣資源勘查偏重于頁(yè)巖氣。

圖6 黔西地區(qū)下石炭統(tǒng)打屋壩組有機(jī)碳含量與成熟度分布

從富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖成熟度來(lái)看，打屋壩組總體演化程度較高，整個(gè)黔西地區(qū)打屋壩組的Ro為1.0%～4.0%，主體分布在1.0%～3.0%之間，成熟度由北東往南西增大，但在水城北部下石炭統(tǒng)沉積區(qū)有機(jī)質(zhì)成熟度Ro普遍大于2.0%(圖6)。本次重點(diǎn)采集樣品的3條剖面有機(jī)質(zhì)成熟度一般較前人測(cè)試結(jié)果偏低，可能與地層埋深及有機(jī)質(zhì)后期演化有關(guān)。在平面上，打屋壩組有機(jī)質(zhì)成熟度以普安地區(qū)為中心，Ro達(dá)到3.0%以上，向四周減小，向西至盤縣一帶有機(jī)質(zhì)成熟度Ro<2.0%，低值區(qū)主要分布在龍吟、水城、都格所限定的三角區(qū)域(圖6)。北部有機(jī)質(zhì)成熟度則以威寧為中心，向外圍逐漸減小。

黔西地區(qū)六盤水水城地區(qū)打屋壩組TOC在0.5%～1.0%，Ro在1.3%～2.3%，盡管TOC較低，但Ro較為適中。普安—晴隆地區(qū)打屋壩組TOC在0.95%～1.95%，Ro在1.1%～3.5%，TOC和Ro都比較理想。盤縣珠東地區(qū)TOC平均值是0.68%，Ro平均值是2.43%，TOC偏低且Ro偏高。從富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖有機(jī)地化特征組合來(lái)看，六盤水水城地區(qū)和普安—晴隆地區(qū)屬于下石炭統(tǒng)打屋壩組頁(yè)巖氣潛力地區(qū)。

5 結(jié)論

(1)黔西地區(qū)下石炭統(tǒng)打屋壩組富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖有機(jī)碳含量普遍大于0.5%，大部分在1.0%～3.0%范圍內(nèi)；干酪根類型主要為Ⅱ2型、Ⅲ型，偶爾可以見(jiàn)到Ⅱ1型。

(2)黔西地區(qū)打屋壩組有機(jī)質(zhì)成熟度Ro通常大于0.6%，大多數(shù)樣品Ro在1.3%～3.0%之間，處于高成熟和過(guò)成熟階段。

(3)黔西六盤水水城地區(qū)和普安—晴隆地區(qū)打屋壩組有機(jī)地化條件較好，具有較好的頁(yè)巖氣勘查潛力。

致謝：本文在野外樣品采集、露頭觀察及數(shù)據(jù)分析測(cè)試方面受到貴州省地質(zhì)調(diào)查院陳厚國(guó)、賀永忠、安亞運(yùn)、符宏斌等的大力支持與幫助，在此致以衷心感謝！