黔北正安地區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖氣地質(zhì)特征及有利區(qū)預測

賀永忠， 向坤鵬， 安亞運， 易成興， 楊忠琴， 于寧

(1.貴州省地質(zhì)調(diào)查院，貴陽 550081； 2.貴州理工學院，貴陽 550003)

0 引言

黔北地區(qū)上奧陶統(tǒng)五峰組(O3w)至下志留統(tǒng)龍馬溪組(S1l)整體為一套富有機質(zhì)頁巖沉積，分布較為廣泛。這套地層是否具有頁巖氣勘探前景，關(guān)乎中國南方油氣資源潛力大小和勘查方向。2009年，原國土資源部油氣資源戰(zhàn)略研究中心啟動“中國重點地區(qū)頁巖氣資源潛力及有利區(qū)優(yōu)選”項目，以川渝黔鄂地區(qū)為主，明確了黔北地區(qū)上奧陶統(tǒng)五峰組至下志留統(tǒng)龍馬溪組為頁巖氣勘探目的層； 2012年，貴州省國地資源廳開展的“貴州省頁巖氣資源調(diào)查評價”項目[1]，于道真向斜東翼實施了1口調(diào)查井，在五峰組和龍馬溪組下部獲較好的頁巖氣顯示。通過上述工作，進一步確定了黔北地區(qū)五峰組和龍馬溪組為含頁巖氣目標層位，初步研究其分布范圍、頁巖層的特征參數(shù)和構(gòu)造保存關(guān)系。隨著頁巖氣調(diào)查工作的快速推進，在黔北及周緣地區(qū)該層位中相繼發(fā)現(xiàn)了頁巖氣顯示，但未進行重點區(qū)塊的頁巖氣地質(zhì)調(diào)查工作[2-3]，嚴重制約了對該區(qū)頁巖氣成藏規(guī)律的進一步認識。本文以黔北正安地區(qū)五峰組—龍馬溪組為研究對象，按照1∶5萬區(qū)域地質(zhì)調(diào)查總則、頁巖氣地質(zhì)調(diào)查等相關(guān)技術(shù)要求，應用頁巖氣填圖的新方法和新理論，結(jié)合二維地震、重磁電、頁巖氣調(diào)查井及測試分析等工作手段進行了對比和研究。詳細查明了黔北正安地區(qū)的構(gòu)造特征，對研究區(qū)內(nèi)五峰組—龍馬溪組富有機質(zhì)頁巖的沉積環(huán)境、分布、有機地球化學、巖石礦物學、儲集性能及含氣性等做了系統(tǒng)研究，為深入研究頁巖氣富集成藏規(guī)律提供基礎資料，有望對黔北地區(qū)頁巖氣的進一步勘探提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

黔北正安地區(qū)在大地構(gòu)造上位于上揚子地臺區(qū)，根據(jù)《貴州省區(qū)域地質(zhì)志》[4]的劃分方案，屬上揚子陸塊的黔北隆起區(qū)，震旦紀—早奧陶世時期演變?yōu)楸粍雨懢?，晚奧陶世的都勻運動控制了研究區(qū)南部黔中隆起的形成，受加里東運動的影響，晚奧陶世五峰期至早志留世龍馬溪期，黔北地區(qū)處于局限滯流環(huán)境[4]。受燕山期構(gòu)造旋回疊加改造，形成了以NE—NNE向為主的褶皺，并發(fā)育NE向、近SN向和近EW向3組斷裂，從構(gòu)造線的相互切割和限制關(guān)系來看，NE向斷層形成最早，多為加里東期發(fā)育的壓性斷層，并在燕山期復合，之后發(fā)生左行走滑，對喜馬拉雅期構(gòu)造變形進行了限制。

研究區(qū)正安一帶地層分區(qū)屬揚子地層區(qū)的黔北地層分區(qū)，區(qū)內(nèi)地層發(fā)育齊全，整體以海相沉積為主。除缺失泥盆系、石炭系沉積記錄外，寒武系至三疊系均有不同程度的分布，巖性主要為碳酸鹽巖，夾黏土巖、砂巖等。自晚奧陶世開始，黔北地區(qū)發(fā)生大規(guī)模海侵，形成缺氧環(huán)境，以懸浮沉積為主，形成上奧陶統(tǒng)五峰組至下志留統(tǒng)龍馬溪組連續(xù)沉積，是區(qū)內(nèi)頁巖氣勘探的主要目標層系，現(xiàn)殘存分布于各次級向斜的周緣(圖1)。20世紀60年代末在黔北、川南地區(qū)開展1∶20萬正安幅、南川幅區(qū)域地質(zhì)調(diào)查及礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查[5-8]，基本查明了區(qū)域地層分布及構(gòu)造變形特征。之后，黔北地區(qū)陸續(xù)開展了多幅1∶5萬區(qū)域地質(zhì)調(diào)查[9-10]項目，對研究區(qū)基礎地質(zhì)做了詳細的研究，進一步細化了區(qū)域地層、古生物、礦產(chǎn)和構(gòu)造變形等特征及規(guī)律研究。隨著非常規(guī)油氣勘探的興起，貴州省于2012—2013年完成了全省頁巖氣資源調(diào)查評價，進一步明確了五峰組—龍馬溪組為黔北地區(qū)頁巖氣的主要目標層系，并對頁巖氣地質(zhì)特征作了初步研究[1]。但限于研究精度的制約，并未對正安一帶五峰組—龍馬溪組頁巖氣地質(zhì)特征做系統(tǒng)總結(jié)，也未進行頁巖氣富集有利區(qū)塊的預測和劃分。

圖1 黔北正安一帶區(qū)域地質(zhì)圖

2 五峰組—龍馬溪組地質(zhì)特征

晚奧陶世五峰組至早志留世龍馬溪組富有機質(zhì)頁巖是中國南方主要頁巖氣勘探的最主要層位之一。在研究區(qū)內(nèi)，五峰組厚度為5～12 m，主要巖性為黑色薄層粉砂質(zhì)碳質(zhì)頁巖(圖2(a))、含粉砂質(zhì)碳質(zhì)頁巖(圖2(b))，含大量筆石化石及黃鐵礦顆粒，發(fā)育水平層理，夾薄層黑色硅質(zhì)頁巖和3～8層黃綠色薄層凝灰?guī)r(圖2(c))。頂部發(fā)育一套分布不穩(wěn)定、產(chǎn)大量赫南特貝的生物碎屑灰?guī)r(圖2(d))[11]，厚0～8 m。其上龍馬溪組主要為一套黑色薄層碳質(zhì)頁巖、含粉砂質(zhì)碳質(zhì)頁巖、含鈣質(zhì)粉砂質(zhì)碳質(zhì)頁巖，產(chǎn)大量筆石化石(圖2(e)和(f))，發(fā)育水平層理，下部間夾2～5層黃綠色薄層凝灰?guī)r，整體厚10～35 m。由下至上，巖石顏色由深逐漸變淺，碳質(zhì)成分及黃鐵礦含量逐漸減少，鈣質(zhì)、砂質(zhì)明顯增加，未見底棲生物化石，整體屬深水陸棚相沉積[12-14]。

(a) 剖面露頭五峰組碳質(zhì)頁巖(b) 斑竹1井巖心中五峰組碳質(zhì)頁巖

(c) 斑竹1井巖心中凝灰?guī)r夾層(d) 觀音橋?qū)由镄蓟規(guī)r

(e) 龍馬溪組筆石頁巖特征(f) 龍馬溪組筆石頁巖特征

圖2 黔北正安地區(qū)五峰組—龍馬溪組典型巖性特征

Fig.2LithologicalcharacteristicsofcarbonaceousshalesinWufeng-LongmaxiFormation

區(qū)域地質(zhì)調(diào)查研究顯示，受南部黔中隆起的影響，五峰組—龍馬溪組富有機質(zhì)頁巖由南向北整體表現(xiàn)出增厚趨勢。在研究區(qū)范圍內(nèi)，正安珍珠、正安城北、格林窩和正安隆興等21個露頭剖面厚度數(shù)據(jù)顯示，五峰組—龍馬溪組富有機質(zhì)頁巖厚度為14.5～55 m，整體也顯示出向北沉積厚度增加的變化規(guī)律。其中斑竹1井鉆探揭示五峰組—龍馬溪組富有機質(zhì)頁巖厚度為31 m，這與地表剖面測量數(shù)據(jù)相當。

地表地質(zhì)調(diào)查顯示，五峰組—龍馬溪組富有機質(zhì)頁巖在研究區(qū)主要殘存于安場向斜、斑竹向斜、泥高向斜等次級向斜中。根據(jù)地表調(diào)查獲得的各地層產(chǎn)狀、厚度參數(shù)和鉆井數(shù)據(jù)，結(jié)合二維地震測量資料推斷，研究區(qū)五峰組—龍馬溪組富有機質(zhì)頁巖的埋深為0～3 200 m(圖3)，其中以安場向斜一帶埋深和厚度為最大。

圖3 研究區(qū)五峰組—龍馬溪組底界埋藏深度預測

Fig.3PredictionmapofburialdepthsofthebottomboundaryofWufeng-LongmaxiFormationinthestudyarea

3 五峰組—龍馬溪組有機地球化學特征

3.1 有機質(zhì)類型

巖石的有機質(zhì)類型決定頁巖的生氣能力[15]。研究表明，黔北及黔西北地區(qū)五峰組—龍馬溪組以Ⅰ型有機質(zhì)為主，并開始出現(xiàn)Ⅱ1型有機質(zhì)[14]。本次對34件斑竹1井鉆井巖心樣和地表巖石樣進行分析，結(jié)果顯示： 腐泥組以無定形體為主，殼質(zhì)組不含樹脂體和菌孢體，鏡質(zhì)組主要為無結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體，惰性組見少量絲質(zhì)體，類型指數(shù)為71.8～93.0，以Ⅰ型干酪根為主，僅2件樣品為Ⅱ1型(表1)。整體與前人研究一致。參考北美頁巖氣開發(fā)主力產(chǎn)氣層干酪根類型研究結(jié)果[16]，黔北正安地區(qū)五峰組—龍馬溪組富有機質(zhì)頁巖具有較好的生烴潛力。

表1 斑竹1井干酪根顯微組分及類型統(tǒng)計

(續(xù)表)

3.2 有機質(zhì)豐度

有機質(zhì)豐度是頁巖氣形成的最重要的關(guān)鍵參數(shù)之一[15]，有機質(zhì)含量常與頁巖的生氣率、吸附氣量和總含氣成正比。通過對地表和斑竹1井巖心共310件樣品的測試分析統(tǒng)計(圖4)，僅少部分樣品TOC含量小于1%，多數(shù)為2.0%～3.0%，含量大于2%的樣品比例超過50%，TOC含量整體較高； 五峰組與龍馬溪組TOC含量大于2.0%的樣品占比分別為59.5%、39.4%，指示五峰組富有機質(zhì)頁巖優(yōu)于龍馬溪組富有機質(zhì)頁巖。

圖4 黔北正安地區(qū)五峰組—龍馬溪組有機碳含量頻率分布

Fig.4FrequencydistributionoforganiccarboncontentsofWufeng-LongmaxiFormationinZheng’anareaofNorthernGuizhou

3.3 有機質(zhì)成熟度

通過對正安地區(qū)五峰組—龍馬溪組59件頁巖樣品分析，表明有機質(zhì)鏡質(zhì)體反射率為1.82%～2.23%，平均為2.08%，達到高—過成熟階段，但有機質(zhì)演化程度均低于2.5%，處于濕氣—干氣階段，是形成頁巖氣理想的熱演化階段。整體與安頁1井[17]、黔西北地區(qū)[14]和川東南地區(qū)有機質(zhì)成熟度一致[18]。

4 儲集物性特征

4.1 巖石學特征

五峰組典型樣品薄片鑒定結(jié)果顯示： 碎屑礦物含量為51%～77%(長石+石英)； 自生礦物主要為方解石、少量白云石及黃鐵礦，含量為4%～20%； 黏土礦物含量為22%～34%，以伊利石為主，其次為綠泥石。龍馬溪組碎屑礦物含量為47.7%～77.6%； 自生礦物主要是方解石和黃鐵礦，含量為0%～10%； 黏土礦物平均含量為22.4%～35.6%，以伊利石為主，其次為綠泥石?？傊?，五峰組—龍馬溪組頁巖脆性礦物含量較高，均大于50%，有利于粒間孔和粒內(nèi)孔的發(fā)育，有利于壓裂改造。

4.2 孔隙度與滲透率

斑竹1井測試數(shù)據(jù)顯示： 五峰組—龍馬溪組巖石孔隙度為2.03%～3.89%，平均為2.80%； 滲透率一般為0.35×10-5～1.86×10-5μm2，平均為0.91×10-5μm2，總體表現(xiàn)為低孔、低滲的特征。五峰組孔隙度與滲透率總體表現(xiàn)為向上增大，與頁巖中脆性礦物含量成正比； 而龍馬溪組孔隙度與滲透率則向上減小，與頁巖中鈣質(zhì)含量增高有關(guān)。其孔滲條件與涪陵地區(qū)焦頁X井的孔滲條件相當[19-21]。

4.3 孔隙類型

斑竹1井樣品測試分析數(shù)據(jù)顯示： 五峰組—龍馬溪組富有機質(zhì)頁巖主要發(fā)育粒內(nèi)孔、粒間孔、裂縫和有機質(zhì)孔4種孔隙類型(圖5)，而粒間(晶間)微孔、黏土礦物層間微孔縫均較為發(fā)育，但微裂縫總體不發(fā)育，缺乏較好的滲流通道。

(a) 微孔(b) 粒緣縫(c) 泥質(zhì)碎片間微孔

(d) 微裂縫(e) 黃鐵礦晶間微孔(f) 粒內(nèi)微孔

圖5 斑竹1井五峰組—龍馬溪組孔隙類型典型圖片

Fig.5PoretypesofWufeng-LongmaxiFormationinWellBanzhu1

5 含氣性特征

對斑竹1井五峰組—龍馬溪組45件巖心進行現(xiàn)場解析，其中五峰組10件，龍馬溪組第一段13件，龍馬溪組第二段17件，新灘組5件。結(jié)果顯示： 五峰組含氣量為0.6～2.88 m3/t，平均值1.8 m3/t，從下往上含氣量逐漸增加，中上部含氣量均大于1.5 m3/t，巖心浸泡過程中氣泡逸出密度大(圖6(a))，解析氣點火呈藍色火焰(圖6(b))； 龍馬溪組第一段含氣量為0.2～0.8 m3/t，平均值0.53 m3/t，向上含氣量逐漸減少； 龍馬溪組第二段含氣量為0.1～0.3 m3/t，平均值0.12 m3/t，向上含氣量減少； 新灘組顯示微弱含氣，均小于0.1 m3/t； 在五峰組和龍馬溪組一段下部(井深1 114.36～1 120.13 m)含氣量較好，為0.5～2.88 m3/t，平均1.27 m3/t。通過對斑竹1井巖心樣品解析氣體的測試分析，表明五峰組以CH4為主，次為N2，少量為乙烷—己烷，CH4平均含量為76.38%，N2平均含量為22.40%； 龍馬溪組以CH4和N2為主，少量為乙烷—己烷，CH4平均含量52%，N2平均含量46.3%； 五峰組氣體組分CH4含量優(yōu)于龍馬溪組。結(jié)合現(xiàn)場解析獲取的參數(shù)，有效地反映頁巖氣資源富集程度(圖7)，對頁巖氣產(chǎn)能預測具有重要意義[22-23]。

(a) 五峰組1 119.3 m頁巖解析氣泡(b) 龍馬溪組1 112.25 m頁巖解析點火

圖6 斑竹1井現(xiàn)場解析及點火特征

Fig.6FieldanalysisandignitioncharacteristicsofsamplesfromWellBanzhu1

圖7 斑竹1井五峰組—龍馬溪組頁巖氣綜合柱狀圖

Fig.7ComprehensivecolumnofshalegasinWufeng-LongmaxiFormationofWellBanzhu1

6 有利區(qū)預測

參考海相頁巖氣有利區(qū)優(yōu)選的主要指標[24]： ①頁巖面積下限200～500 km2； ②頁巖厚度不小于10 m； ③有機碳(TOC)含量平均不小于2.0%； ④成熟度(Ro)Ⅰ型干酪根不小于1.2%，Ⅱ型干酪根不小于0.7%； ⑤埋深300～500 m； ⑥總含氣量大于0.5 m3/t，保存條件中等，地表高差較小，進行研究區(qū)有利區(qū)優(yōu)選。

研究區(qū)主要發(fā)育安場向斜、斑竹向斜和泥高向斜，其中，安場向斜呈近NNE向展布，兩翼巖層近于對稱，產(chǎn)狀25°～35°，向斜內(nèi)發(fā)育下志留統(tǒng)—中三疊統(tǒng)，內(nèi)部褶皺、斷層不發(fā)育，向斜保存完整，對頁巖氣保存有利； 斑竹向斜呈近SN向展布，兩翼巖層東緩西陡，傾角分別為8°～15°、55°～65°，向斜內(nèi)分布下志留統(tǒng)—下三疊統(tǒng)地層，并發(fā)育有NNE向和NW向2組斷層，向斜保存不完整，對頁巖氣保存有一定影響； 泥高向斜呈近SN向展布， 兩翼巖層東陡西緩，傾角分別為45°～55°、15°～25°，向斜內(nèi)分布下志留統(tǒng)—下三疊統(tǒng)地層，并發(fā)育有NNE向和NW向2組斷層，向斜保存不完整，對頁巖氣保存有一定影響。

研究區(qū)五峰組—龍馬溪組富有機質(zhì)頁巖屬深水陸棚相沉積，呈近EW向展布，富有機質(zhì)頁巖有效厚度10～25 m，埋深500～3 200 m，總有機碳(TOC)含量1%～4.5%，成熟度(Ro)1.82%～2.23%，含氣性平均為1.27 m3/t，構(gòu)造保存為向斜構(gòu)造圈閉。通過對黔北正安地區(qū)五峰組—龍馬溪組分布區(qū)域進行分析和評價，共圈出了3個頁巖氣聚集有利區(qū)，分別為安場區(qū)塊(Ⅰ)、斑竹區(qū)塊(Ⅱ)和泥高區(qū)塊(Ⅲ)(圖8)，每個有利區(qū)塊主要頁巖氣參數(shù)見表2。

圖8 研究區(qū)五峰組—龍馬溪組有利區(qū)分布

Fig.8FavorableareasdistributionofofWufeng-LongmaxiFormationinstudyarea

表2 黔北正安地區(qū)頁巖氣聚集有利區(qū)優(yōu)選

7 結(jié)論

(1)黔北正安地區(qū)五峰組—龍馬溪組富有機質(zhì)頁巖沉積于深水陸棚沉積環(huán)境，富有機質(zhì)頁巖厚度14.5～55 m，為頁巖氣生成提供了物質(zhì)基礎。主要殘存于安場向斜、斑竹向斜和泥高向斜，埋深為0～3 200 m。

(2)五峰組—龍馬溪組富有機質(zhì)頁巖有機質(zhì)類型以Ⅰ型干酪根為主； 有機碳(TOC)含量較高(1.0%～4.0%)； 成熟度(Ro)較為適中，為1.82%～2.23%； 脆性礦物含量高，一般大于50%； 孔隙度2.03%～3.89%，微裂隙、孔隙相對不發(fā)育； 滲透率0.35×10-5～1.86×10-5μm2，具明顯低孔、低滲的特征。斑竹1井揭示了五峰組—龍馬溪組下部富有機質(zhì)頁巖含氣量為0.5～2.88 m3/t，平均為1.27 m3/t，氣體成分以甲烷為主，頁巖氣勘探前景較好。

(3)通過對五峰組—龍馬溪組富有機質(zhì)頁巖的分布、有機碳含量、成熟度、厚度、埋深、含氣性及構(gòu)造保存條件等指標進行綜合分析和評價，共圈出頁巖氣聚集有利區(qū)3個，分別為安場區(qū)塊、斑竹區(qū)塊和泥高區(qū)塊，這為下一步頁巖氣勘探指明了方向。