黔西北五峰-龍馬溪組頁巖氣成藏條件綜合評價

張 鵬，黃宇琪，張金川2，魏曉亮2，楊軍偉

(1.六盤水師范學(xué)院 礦業(yè)與土木工程學(xué)院，貴州 六盤水 553004； 2.中國地質(zhì)大學(xué)(北京) 能源學(xué)院，北京 100083)

頁巖氣作為一種重要的非常規(guī)天然氣資源，具有自生自儲、原地聚集成藏的特點[1]，是傳統(tǒng)能源結(jié)構(gòu)的重要補(bǔ)充。國內(nèi)眾多學(xué)者對我國頁巖氣成藏機(jī)理與條件[2]、保存條件[3]和選區(qū)評價[4-5]等進(jìn)行了研究，認(rèn)為我國南方地區(qū)晚奧陶紀(jì)—早志留紀(jì)的五峰-龍馬溪組是頁巖氣勘探的重點層系。全國頁巖氣資源評價項目對貴州省富有機(jī)質(zhì)頁巖層系和頁巖氣成藏參數(shù)進(jìn)行了初步評價，優(yōu)選出頁巖氣勘探開發(fā)重點層系，童川川等[6]研究發(fā)現(xiàn)黔西北地區(qū)五峰-龍馬溪組頁巖分布廣泛且厚度穩(wěn)定；胡晨林和易同生等[7-8]通過對黔西北地區(qū)頁巖地球化學(xué)特征和儲層特征研究，發(fā)現(xiàn)黔西北地區(qū)五峰-龍馬溪組具有較大的頁巖氣資源潛力；雷子慧等[9]通過對正安向斜五峰-龍馬溪組頁巖氣成藏條件發(fā)現(xiàn)，頁巖層系后期的保存條件是影響頁巖氣能否富集的關(guān)鍵因素。

貴州原型盆地經(jīng)過印支期-喜馬拉雅期的構(gòu)造運(yùn)動被強(qiáng)烈改造，頁巖廣泛遭受了強(qiáng)變形與強(qiáng)改造作用，抬升剝蝕、斷裂破碎、沖斷推覆、火山巖漿侵入等作用使頁巖及地層連續(xù)性與完整性遭受了嚴(yán)重破壞，造成貴州省頁巖氣成藏條件的復(fù)雜性。雖然黔西北各套富有機(jī)質(zhì)頁巖具有普遍含氣特征，但由于頁巖氣的保存條件至關(guān)重要，同一層位在不同地區(qū)含氣差異性較大。本文在前人對黔西北頁巖氣富集規(guī)律和成藏條件分析基礎(chǔ)上，結(jié)合黔西北地區(qū)構(gòu)造演化特征，分析了黔西北地區(qū)五峰-龍馬溪組頁巖形成環(huán)境對頁巖氣成藏條件的約束作用，細(xì)化五峰-龍馬溪組頁巖地球化學(xué)、儲層含氣量等成藏參數(shù)，引入分形維數(shù)分析孔隙結(jié)構(gòu)和后期保存條件對頁巖含氣性的影響，以期對黔北頁巖氣資源儲量的精細(xì)評價和后期勘探開發(fā)評價提供理論依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

研究區(qū)位于揚(yáng)子板塊的黔中隆起區(qū)和滇黔北坳陷區(qū)，地理位置上處于赫章縣-鎮(zhèn)寧一線北東側(cè)，貴陽-遵義-綏陽一線北西側(cè)的廣大地區(qū)，震旦系到第四系均有出露，且多為整合接觸。構(gòu)造形式主要有褶皺、斷層、平行不整合、角度不整合等，構(gòu)造行跡展布方向為北東向及近南北向，構(gòu)造樣式以隔槽式褶皺組合為主，部分為穹窿-構(gòu)造盆地及短軸背向斜組合。其中習(xí)頁1井(貴州習(xí)水縣)和桐頁1井(貴州桐梓縣)是針對五峰-龍馬溪組含氣頁巖段分布、頁巖氣地質(zhì)特征及含氣性特征研究的兩口探井，本研究實驗數(shù)據(jù)來自2口鉆井頁巖巖心測試數(shù)據(jù)，排除了風(fēng)化作用等對頁巖物理化學(xué)性質(zhì)的影響。

2 實驗和測試數(shù)據(jù)

樣品測試內(nèi)容包括：頁巖有機(jī)地化特征(有機(jī)碳含量、鏡質(zhì)體反射率和干酪根顯微組分)、儲層特征(礦物組成、孔隙類型和低溫N2吸附-脫附)和含氣性特征(現(xiàn)場解析) 3部分。

頁巖有機(jī)碳含量(GB/T 19145—2003)采用LECO-CS230碳硫分析儀測定；鏡質(zhì)體反射率(SY/T 5125—20142)和干酪根顯微組分(SY/T 5124—201)，采用Axio Scope A1顯微光度計測定；頁巖全巖及黏土礦物組成(SY/T 5163—2010)采用荷蘭PANalytical公司的X’Pert Powder X射線衍射儀測定；頁巖孔隙類型(GB/T 16594—2008)采用美國Gatan公司Ilion Ⅱ697型氬離子拋光儀和德國ZEISS公司Merlin Compact場發(fā)射掃描電鏡儀器測定；低溫N2吸附(GB/T 19587—2004)采用比表面測定儀Quadrasorb SI測定；頁巖含氣量采用中國地質(zhì)大學(xué)(北京)自主研發(fā)的全自動頁巖含氣量解吸儀現(xiàn)場測定(表1)。

3 沉積環(huán)境與頁巖厚度

中—晚奧陶世揚(yáng)子陸塊與華夏地塊間的匯聚擠壓和“陸內(nèi)造山”制約了區(qū)內(nèi)沉積相帶的分布，研究區(qū)由南向北依次為濱岸相、潮坪相、淺水陸棚相和深水陸棚相。五峰組和龍馬溪組底部為深水陸棚沉積，巖性主要為深黑色-黑色鈣質(zhì)、碳質(zhì)頁巖，見黃鐵礦和筆石綱化石；龍馬溪組中部為淺水陸棚沉積，巖性主要為灰黑色-黑色粉砂質(zhì)、鈣質(zhì)頁巖，頁巖層理發(fā)育，斷面可見筆石綱化石和雙殼類化石；頂部為泥灰質(zhì)淺水陸棚相沉積，巖性主要為灰黑色砂質(zhì)頁巖與灰色條帶灰?guī)r互層。黔西北五峰-龍馬溪組自下而上相對海平面持續(xù)下降，從深水陸棚相逐漸演化為淺水陸棚相(圖1)。

圖1 黔西北五峰組-龍馬溪組沉積相及頁巖厚度圖

五峰-龍馬溪組主要出露于黔西北地區(qū)，即畢節(jié)-遵義-石阡-銅仁一線以北，頁巖厚度由北向南變薄，其中尤以騎龍村和韓家店地區(qū)厚度最大，超過40 m，騎龍村附近最厚可達(dá)50 m，遵義地區(qū)完全消失(圖1)。

4 頁巖地球化學(xué)特征

4.1 有機(jī)碳含量

通過對兩口鉆井有機(jī)碳含量和常微量元素綜合分析發(fā)現(xiàn)，五峰-龍馬溪組頁巖沉積環(huán)境變化具有明顯的階段性：五峰組為還原環(huán)境階段(V/(V+Ni)>0.54，Ni/Co>7，V/Cr>4.25)，TOC含量最高可達(dá)4.95%；五峰組頂部則出現(xiàn)短暫的氧化環(huán)境，沉積了一套以殼相化石為主的碳酸鹽巖層，TOC含量0.97%；龍馬溪組底部為還原環(huán)境，TOC含量為4.15%～6.29%；龍馬溪組中上部V/(V+Ni)、Ni/Co和V/Cr值異常波動，指示還原-氧化環(huán)境波動，TOC含量0.38%～0.54%。五峰-龍馬溪組TOC的階段性特征與構(gòu)造-沉積環(huán)境演化相對應(yīng)，海洋藻類有機(jī)碳的13Corg值通常是-20‰～-22‰[10-12]，黔西北五峰-龍馬溪組有機(jī)質(zhì)的13Corg值普遍低于-28‰，出現(xiàn)明顯的負(fù)漂移，反映了五峰-龍馬溪組為普遍缺氧的沉積環(huán)境，有利于有機(jī)質(zhì)的保存(圖2)。

圖2 習(xí)頁1井五峰-龍馬溪組頁巖地球化學(xué)評價圖

4.2 有機(jī)質(zhì)類型和成熟度

五峰-龍馬溪組缺少陸源碎屑和高等植物輸入，古生物以甲藻與浮游綠藻占優(yōu)勢[12]，干酪根顯微組分主要以分散狀腐泥組(39%～67%)和塊狀瀝青組(4%～28%)為主，缺少殼質(zhì)組、鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組。干酪根類型指數(shù)為67～81，以Ⅰ型和Ⅱ1型為主。頁巖樣品有機(jī)質(zhì)成熟度分布范圍在1.83%～3.96%，平均值為2.66%。

5 頁巖儲層特征

5.1 礦物組成

黔西北五峰-龍馬溪組礦物成分以黏土礦物和石英為主，平均含量分別為42.6%和27.9%；其次為碳酸鹽巖礦物，平均含量19.7%，還有少量的長石、石膏和黃鐵礦等礦物(圖3(a))。黏土礦物主要為伊利石(32%～76%))、高嶺石(3%～17%)、綠泥石(5%～28%)和伊/蒙混層(8%～37%)，伊/蒙混層中，伊利石層含量占85%以上。五峰組和龍溪組底部頁巖中石英含量高達(dá)60%～70%，且石英含量與頁巖中TOC含量呈正相關(guān)關(guān)系(圖3(b))，黏土礦物與頁巖中TOC含量呈先正后負(fù)的關(guān)系(圖3(c))，說明五峰組和龍馬溪組底部在缺少陸源碎屑輸入的情況下，頁巖中的硅質(zhì)多為生物成因。隨著海平面逐漸下降，龍馬溪組中上部石英多為陸源碎屑輸入，龍馬溪組中上部黏土礦物和TOC含量正相關(guān)。黏土礦物和碎屑礦物呈此消彼長的趨勢，底部石英含量高，向上逐漸減少。

圖3 桐頁1井頁巖礦物組成特征

5.2 力學(xué)特性

采用Rickman等[13]建立的彈性參數(shù)脆性指數(shù)BI(E—楊氏模量，v—泊松比)綜合表征研究區(qū)頁巖的脆性水平，即：

計算發(fā)現(xiàn)，7個樣品頁巖脆性指數(shù)分布范圍29%～73%，平均50%，說明頁巖脆性強(qiáng)，后期水力壓裂容易形成誘導(dǎo)裂縫網(wǎng)絡(luò)。一般來說，黏土礦物和有機(jī)質(zhì)有微孔發(fā)育并具有較大的比表面積，對氣體的吸附能力強(qiáng)，而石英和長石等碎屑礦物含量的增加，有利于天然裂縫的形成，為游離氣提供儲集空間，提高泥頁巖的儲集和滲流性能，因此在評價研究區(qū)頁巖儲層的力學(xué)特征時，須綜合考慮黏土礦物、含水飽和度、石英及碳酸鹽含量之間的平衡關(guān)系。

5.3 儲集空間類型

結(jié)合前人[14]對孔隙的劃分方案，研究區(qū)內(nèi)頁巖孔隙主要為粒內(nèi)孔、粒間孔、微裂縫和有機(jī)質(zhì)孔4種類型，粒內(nèi)孔主要形成于礦物顆粒內(nèi)部，多為草莓狀黃鐵礦晶間孔、溶蝕孔和片狀黏土礦物粒內(nèi)孔等，形狀多不規(guī)則；粒間孔多為原生孔隙，呈多角形和拉長型，主要發(fā)育在礦物顆粒接觸處，本次實驗見伊/蒙混層礦物聚合體中的粒間孔和礦物顆粒接觸晶間孔 (圖4(a)、4(b))，其中黏土礦物粒內(nèi)孔較發(fā)育，可見一定數(shù)量的溶蝕孔(圖4(c)、4(d)、4(e))。研究區(qū)有機(jī)質(zhì)孔隙較發(fā)育，從上部到底部，有機(jī)孔的數(shù)量逐漸增加(圖4(e))。五峰-龍馬溪組頁巖樣品中微裂縫主要為黏土礦物成巖轉(zhuǎn)化過程中伴隨體積縮小形成的收縮縫和構(gòu)造作用產(chǎn)生的微裂縫(圖4(b)、4(f))。利用研究區(qū)大量實驗數(shù)據(jù)，回歸孔隙度的計算公式為：

Φ=ρ×A黏土礦物×V黏土礦物+ρ×A有機(jī)質(zhì)×V有機(jī)質(zhì)+ρ×A脆性礦物×V脆性礦物。

其中，Φ為頁巖孔隙度，A代表礦物百分含量，V表示單位頁巖單位質(zhì)量孔隙體積。計算發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)有機(jī)質(zhì)孔隙占60%以上，其次為黏土礦物層間孔和脆性礦物粒間孔，這與五峰-龍馬溪組頁巖的高有機(jī)質(zhì)含量和高過熱成熟度有關(guān)。

圖4 黔西北五峰-龍馬溪組頁巖孔隙類型

5.4 孔隙形態(tài)

由于頁巖孔隙形態(tài)多樣、孔徑分布范圍廣、孔吼細(xì)小，造成了頁巖孔隙結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，前人常用分形理論來表征頁巖孔隙的復(fù)雜性[15-16]。通過低溫氮氣吸附-脫附實驗，測得研究區(qū)五峰-龍馬溪組比表面積為10.735～24.646 m2/g，平均17.746 m2/g；孔徑5.45～8.03 nm，平均6.49 nm。由頁巖吸附-脫附曲線形態(tài)發(fā)現(xiàn)(圖5)，曲線斜率變化較大且有明顯拐點，頁巖樣品在低壓區(qū)(P/P0<0.6)氣體吸附量較小，隨相對壓力的增大，吸附量增大、速率增加。通過與IUPAC等溫線分類標(biāo)準(zhǔn)對比發(fā)現(xiàn)，頁巖吸附曲線出現(xiàn)H3型滯后環(huán)，屬于Ⅳ型等溫線，反應(yīng)由于頁巖中黏土礦物所占比例高，片狀顆粒較多，頁巖孔隙類型多為中孔，孔隙形態(tài)多為狹縫型，其次發(fā)育少部分楔形及墨水瓶型孔隙[15-17]。部分樣品的吸附-脫附曲線出現(xiàn)低壓區(qū)不閉合的現(xiàn)象(圖5)，是由于頁巖發(fā)生膨潤現(xiàn)象造成的。

圖5 黔西北五峰-龍馬溪組頁巖低溫N2吸脫附曲線

5.5 孔隙結(jié)構(gòu)

采用FHH孔隙分形模型[17]，通過研究區(qū)頁巖低溫氮氣吸附-脫附實驗結(jié)果計算分形維數(shù)，通常巖石孔隙分形維數(shù)D介于2～3之間，數(shù)值接近2則反映孔隙結(jié)構(gòu)簡單、表面規(guī)則、均質(zhì)性較強(qiáng)，而數(shù)值接近3則反映孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜、表面不規(guī)則、非均質(zhì)性強(qiáng)、流體流動阻力較強(qiáng)[18]。區(qū)內(nèi)頁巖吸附-脫附曲線滯后環(huán)發(fā)生在相對壓力為0.5處，對應(yīng)頁巖樣品孔隙分形維數(shù)呈現(xiàn)兩種不同的分形特征，且兩段曲線均有較高的擬合度(圖6)。將相對壓力為0～0.5的一段曲線計算得出的分形維數(shù)值記為D1， 相對壓力為0.5～1.0的一段擬合曲線計算得出的分形維數(shù)為D2。對五峰-龍馬溪組泥頁巖樣品的分形維數(shù)進(jìn)行計算，D1為2.32～2.63，平均值2.5；D2為2.76～2.91，平均2.84。D1數(shù)值接近2.5，大小適中；D2數(shù)值均偏大，更接近于3(表2)，表明五峰-龍馬溪組泥頁巖樣品孔隙表面粗糙程度中等，吸附能力中等，孔隙結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。

圖6 習(xí)頁1井頁巖孔隙分形維數(shù)擬合曲線

表2 習(xí)頁1井頁巖分形維數(shù)擬合

圖7 黔西北五峰-龍馬溪氣體來源

5 含氣性特征

習(xí)頁1井頁巖樣品的解吸氣含氣量為0.63～2.81 m3/t，而桐頁1井頁巖樣品的解吸氣含氣量為0.047 5～0.345 m3/t，氣體組分以CH4為主，還有少量的O2和CO2。傳統(tǒng)觀點認(rèn)為，乙烷的碳同位素最具母質(zhì)的繼承性，其中油型氣δ13C2<-29‰，煤成氣δ13C2>-28‰，通過分析黔西北地區(qū)碳同位素和氫同位素特征發(fā)現(xiàn)，五峰-龍馬溪組頁巖氣為油型裂解氣和煤成氣，以油型裂解氣為主(圖7)。習(xí)頁1井和桐頁1井的鉆探實踐表明，雖然區(qū)內(nèi)頁巖具有良好的成藏條件，但兩者含氣性差異較大，這主要是由黔西北凹陷的構(gòu)造樣式不同造成的，桐梓地區(qū)地層斷裂和褶皺發(fā)育，地層水循環(huán)(自由交替帶)深度大(800～1 000 m)，頁巖埋深淺(<2 200 m)，局部甚至暴露地表，因此桐梓地區(qū)頁巖氣保存條件相對較差，且桐頁1井緊鄰遵義-貴陽斷裂，導(dǎo)致地下目的層與地表聯(lián)通，形成開放系統(tǒng)，天然氣散失，僅獲得較好的氣顯示，但未見工業(yè)價值氣流，因此在滿足基本頁巖氣成藏條件的基礎(chǔ)上，頁巖氣保存條件是控制成藏的關(guān)鍵因素。

6 結(jié)論

1) 黔西北五峰-龍馬溪組古生物以甲藻與浮游綠藻占優(yōu)勢，有機(jī)質(zhì)類型以I型為主，有機(jī)質(zhì)成熟度2.34%～3.96%，有機(jī)碳含量高，表明黔西北五峰-龍馬溪組具有良好的頁巖氣成藏條件。

2) 頁巖孔隙主要為粒間孔、粒內(nèi)孔、有機(jī)質(zhì)孔和微裂縫，頁巖樣品的分形維數(shù)D1為2.3～2.63，平均值為2.495 8，D2為2.76～2.9，平均值為2.8。D1數(shù)值接近2.5，大小適中，D2數(shù)值均偏大，更接近于3，說明頁巖孔隙表面粗糙程度中等，吸附能力中等，孔隙結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，后期需要選擇合適的壓裂方式進(jìn)行開采。

3) 黔西北地區(qū)五峰-龍馬溪組黑色頁巖樣品的解吸氣含氣量為0.05～2.81 m3/t，氣體組分以CH4為主，頁巖氣為油型裂解氣和煤成氣，以油型裂解氣為主。區(qū)內(nèi)頁巖具有良好的成藏條件，但兩者含氣性差異較大，這主要是由構(gòu)造樣式不同造成的，即保存條件是決定頁巖氣能否富集的關(guān)鍵因素。