云南永善-大關地區(qū)五峰-龍馬溪組頁巖氣聚集條件及有利區(qū)預測

姜生玲，周慶華，彭傳圣，李彥舉，楊日麗，朱秀蘭，巢皓文

(1.隴東學院能源工程學院，甘肅慶陽 745000；2.中國華電集團清潔能源有限公司，北京 100160)

0 引言

近年來，上奧陶統(tǒng)五峰組-下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖氣勘探在四川盆地取得了重大突破，尤以川東南涪陵的焦石壩和平橋氣田尤為突出(郭旭升等，2017；郭旭升，2019)，2017年，涪陵氣田頁巖氣產(chǎn)量占我國南方海相頁巖氣總產(chǎn)量的66.5%。此外，川南的長寧-威遠、云南的昭通氣田亦取得了重要突破(馬新華和謝軍，2018；董大忠等，2018；王鵬萬等，2018)，表明我國中上揚子地區(qū)五峰-龍馬溪組頁巖氣具有較大資源潛力和勘探前景。云南五峰-龍馬溪組頁巖氣勘探及研究工作相對薄弱，據(jù)原國土資源部2012年評價結(jié)果，云南省頁巖氣地質(zhì)資源量2.14×1012m3(張大偉等，2012)，勘探區(qū)域主要集中在位于四川盆地南緣的昭通示范區(qū)，截止2018年2月，投產(chǎn)57口井，累計產(chǎn)氣13.11億方。隨著四川盆地周緣頁巖氣勘探工作的不斷推進，滇東北地區(qū)實施了少量地質(zhì)調(diào)查井(趙瞻等，2017；王正江等，2018)，用以查明頁巖氣發(fā)育地質(zhì)條件，但相關研究仍處于初步評價階段。永善-大關地區(qū)為探礦權(quán)空白區(qū)，緊鄰昭通示范區(qū)，未展開深入的頁巖氣聚集條件研究，本文依托野外實測剖面、鉆井以及實驗測試分析數(shù)據(jù)，探討該區(qū)五峰-龍馬溪組頁巖氣聚集條件，以期為下一步勘探方向的選擇提供依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

永善-大關地區(qū)位于云南省東北部，構(gòu)造位置上位于四川盆地西南緣滇東北沖斷褶皺帶，受印度板塊與歐亞板塊碰撞帶及太平洋板塊的影響(蔣天國等，2016),滇東北地區(qū)構(gòu)造強烈，發(fā)育一系列北東向、近南北向和北西走向的大型走滑斷層和逆斷層(何江林等，2017；王正江等，2018)。研究區(qū)位于近南北走向的大型走滑斷裂峨邊-馬頸子斷裂以東，北西走向的系列逆斷層中村-中合斷裂以西，面積約2600 km2。區(qū)內(nèi)構(gòu)造體系主要以北東向為主，涵蓋黃泥坡背斜、新昌向斜、高橋復向斜和大關背斜，斷裂不甚發(fā)育(圖1)。區(qū)內(nèi)震旦系至新生界地層發(fā)育齊全，鄰區(qū)多口井鉆探證實五峰-龍馬溪組頁巖厚度較大、分布穩(wěn)定，具有一定的頁巖氣資源潛力。

圖1 研究區(qū)構(gòu)造位置及構(gòu)造綱要圖Fig.1 Sketch showing geological structures of study area1-地名；2-研究區(qū)；3-省界；4-背斜；5-向斜；6-斷裂1-place name；2-study area；3-provincial boundary；4-anticline；5-syncline；6-fault

2 頁巖分布

晚奧陶世-早志留世龍馬溪組沉積期，是上揚子地區(qū)盆山構(gòu)造格局發(fā)生重大轉(zhuǎn)變期，隆起范圍擴大，沉積區(qū)域縮小，川南、滇東北地區(qū)表現(xiàn)為由克拉通盆地轉(zhuǎn)化為古隆起帶所包圍局限淺海深水盆地，沉積了一套穩(wěn)定的深水陸棚相黑色頁巖(牟傳龍等，2015；于璐，2016)。永善-大關地區(qū)主體處于深水陸棚沉積環(huán)境，南東向北西方向由淺水陸棚向深水陸棚過渡(圖2)。

五峰-龍馬溪組頁巖主體埋深4000 m以淺，介于1000～3000 m之間，位于研究區(qū)東北側(cè)的新地2井揭示五峰組底界埋深2081.84 m(楊平等，2019；張娣等，2020)，云大地3井1815.62 m(楊平等，2019)。五峰-龍馬溪組巖性變化較大，五峰組以黑色鈣質(zhì)碳質(zhì)頁巖為主，夾薄層黑色硅質(zhì)巖，筆石稀少；龍馬溪組下部主要為黑色鈣質(zhì)、碳質(zhì)頁巖，筆石豐富，上部以灰綠色鈣質(zhì)、粉砂質(zhì)頁巖為主，筆石含量逐漸減少。五峰-龍馬溪組頁巖厚度介于40～120 m之間，厚度變化較大，平面上，自南西向北東方向呈逐漸增大趨勢，位于研究區(qū)西南部的云永地3井揭示五峰-龍馬溪組暗色頁巖厚度52 m，位于東北側(cè)的新地2井揭示暗色頁巖厚度162 m。

圖2 研究區(qū)五峰-龍馬溪組頁巖厚度分布圖Fig.2 Contours of shale thickness of Wufeng-Longmaxi Formation in Yongshan-Daguan area1-地名；2-研究區(qū)；3-省界；4-井位；5-剖面點；6-深水陸棚;7-淺水陸棚;8-厚度等值線(m)1-place name；2-study area；3-provincial boundary；4-well location；5-section position；6-deep-water shelf；7-shallow-water shelf；8-thickness contour(m)

3 頁巖氣聚集條件

3.1 有機地球化學特征

有機質(zhì)豐度是判斷泥頁巖生烴能力最基礎的指標，氯仿瀝青“A”和生烴潛量(S1+S2)受風化作用和有機質(zhì)熱演化程度影響較大(梁狄剛等，2008；楊平等，2012；謝龍等，2016)，因此，有機碳含量(TOC)是評價泥頁巖生氣能力最重要最有效的指標(姜生玲等，2018a)。平面上，五峰-龍馬溪組富有機質(zhì)頁巖平均有機碳含量主體分布在1.0%～3.0%之間，高值區(qū)分布于研究區(qū)北側(cè)永善-雷波以北區(qū)域，可達4.0%以上，整體上和沉積環(huán)境一致，自南東向北西方向，由淺水陸棚向深水陸棚過渡變化，有機碳含量亦呈現(xiàn)逐漸增大趨勢(圖3)?？v向上，五峰-龍馬溪組下部黑色碳質(zhì)頁巖有機碳含量明顯高于上部，新地2井和云大地3井均揭示有機碳含量大于2.0%的頁巖段位于五峰-龍馬溪組下部，厚度分別為70 m和40 m(楊平等，2019)，五峰-龍馬溪組下部黑色泥頁巖是研究區(qū)頁巖氣勘探開發(fā)有利層段。

我國南方海相頁巖熱演化程度均較高(李延鈞等，2013)。研究表明，當有機質(zhì)鏡質(zhì)體反射率(Ro)超過3.0%時，頁巖開始逐漸石墨化而產(chǎn)生焦瀝青基質(zhì)(Pollastro et al.,2007；李登華等，2009)，從而逐步降低或失去生烴能力(姜生玲等，2018b)。永善-大關及其周邊地區(qū)五峰-龍馬溪組頁巖平均鏡質(zhì)體反射率(Ro)介于2.57%～3.13%之間(圖3)，處于高-過成熟階段，以生干氣為主。平面上、縱向上變化均較小，分布均比較穩(wěn)定。

圖3 研究區(qū)五峰-龍馬溪組頁巖有機地球化學特征分布圖Fig.3 Organic geochemical characteristics of Wufeng-Longmaxi Formation in Yongshan-Daguan area1-地名；2-研究區(qū)；3-省界；4-井位；5-剖面點；6-深水陸棚;7-淺水陸棚;8-TOC(%);9-Ro(%)1-place name；2-study area；3-provincial boundary；4-well location；5-section position；6-deep-water shelf；7-shallow-water shelf；8-TOC(%);9-Ro(%)

3.2 儲層特征

X衍射全巖礦物實驗結(jié)果表明，永善-大關地區(qū)五峰-龍馬溪組頁巖礦物組分主要以脆性礦物為主，石英、長石、碳酸鹽巖礦物總含量介于35.8%～92.0%之間，平均62.2%，其中，石英+長石+黃鐵礦等自生礦物介于14%～63%之間，平均36.4%；碳酸鹽巖類礦物介于3.6%～77%，平均25.8%；粘土礦物含量和自生礦物含量相當，介于8.0%～64.2%之間，平均37.6%(圖4)，野外露頭實驗測試結(jié)果與已鉆新地2井和云大地3井評價結(jié)果基本相當。總體上，脆性礦物較發(fā)育，基本能夠達到對孔隙的支撐和外力作用下形成裂縫(Bowker,2007)。

圖4 研究區(qū)五峰-龍馬溪組泥頁巖礦物組成三角圖Fig.4 Triangle diagram showing mineral composition of Wufeng-Longmaxi Formation shale in study area

五峰-龍馬溪組頁巖主要發(fā)育微米-納米級無機孔(粒內(nèi)孔、晶間孔、粒間孔)、有機孔和微裂縫。綜合野外露頭實驗和新地2井、云大地3井(楊平等，2019)實驗結(jié)果，平均孔隙度1.54%～5.07%，平均滲透率小于0.02 mD，屬于典型的低孔超低滲頁巖儲層。

3.3 頁巖含氣性

通過等溫吸附實驗測試所得的Langmuir體積反映的是泥頁巖的最大吸附能力，將Langmuir體積轉(zhuǎn)化為實際埋深條件下的最大吸附氣含量來評價泥頁巖的吸附能力。在恒溫30℃、甲烷體積分數(shù)為99.99%的實驗環(huán)境下測得五峰-龍馬溪組Langmuir體積介于1.25～3.51 m3/t之間，平均2.16 m3/t。根據(jù)Langmuir方程V=VL*P/(PL+P)將Langmuir體積轉(zhuǎn)化為實際埋深條件下的最大吸附氣量，結(jié)果顯示五峰-龍馬溪組泥頁巖最大吸附氣含量介于1.12～3.31 m3/t之間，平均2.12 m3/t，表明永善-大關地區(qū)五峰-龍馬溪組泥頁巖具有較強的吸附能力。

永善-大關地區(qū)勘探、研究程度低，無準確的游離氣含量實驗數(shù)據(jù)，論文主要通過公式(1)理論計算吸游比來間接計算游離氣百分含量。理論計算結(jié)果顯示游離氣平均百分含量為58.8%，表明游離氣含量略占優(yōu)勢。

(1)

上式中，ρ為頁巖巖石密度，g/cm3；Gsc為吸附氣含量，m3/t；φg為含氣頁巖孔隙度，%；Sg為含氣飽和度，%；Bg為體積系數(shù)，無量綱。

綜合永善-大關地區(qū)已鉆新地2井、新地1井和永大地3井等鉆井資料，最大現(xiàn)場解析含氣量分別為3.38 m3/t、1.4 m3/t、1.9 m3/t(何江林等，2017；楊平等，2019)?？傮w上，五峰-龍馬溪組泥頁巖含氣量較高，具備頁巖氣富集成藏的基本條件。

4 有利區(qū)分布及資源潛力

4.1 有利區(qū)分布

勘探程度較低的區(qū)域，頁巖氣有利區(qū)優(yōu)選多采用多因素疊合法(聶海寬等，2009；張金川等，2012)。該方法是將影響頁巖氣聚集的各關鍵評價指標在平面分布圖上進行疊合，并根據(jù)各關鍵指標下限值綜合圈定頁巖氣發(fā)育有利區(qū)?？碧綄嵺`表明，頁巖氣發(fā)育有利區(qū)具備較高的有機碳含量、較大的頁巖厚度、適當?shù)臒岢墒於群吐癫厣疃?。永?大關地區(qū)五峰-龍馬溪組泥頁巖具有厚度大、有機碳含量適中、熱演化程度高的特點，具備一定范圍的埋深適中、構(gòu)造穩(wěn)定區(qū)，且該區(qū)屬于礦權(quán)空白區(qū)，勘探程度低，綜合低勘探程度海相頁巖氣有利區(qū)優(yōu)選指標(李玉喜等，2012)，確定富有機質(zhì)頁巖厚度大于30 m、有機碳含量大于2.0%、埋深介于1000～3500 m之間、含氣量大于0.5 m3/t、構(gòu)造簡單，遠離斷層200 m作為有利區(qū)優(yōu)選關鍵指標下限標準。采用多因素疊合綜合優(yōu)選永善-大關地區(qū)五峰-龍馬溪組頁巖氣發(fā)育有利區(qū)為高橋-新場-天寧寺-木桿向斜所圍區(qū)域(圖5)，面積480.58 km2，有利區(qū)內(nèi)有機碳含量普遍大于2.0%，富有機質(zhì)頁巖厚度介于40～80 m之間，目的層埋深主體分布在1500～3000 m之間，木桿向斜區(qū)現(xiàn)場解析含氣量基本高于0.5 m3/t。

圖5 永善-大關地區(qū)五峰-龍馬溪組頁巖氣發(fā)育有利區(qū)Fig.5 Sketch map showing favorable zone of shale gas in Wufeng-Longmaxi Formation in Yongshan-Daguan area1-地名；2-研究區(qū)；3-省界；4-背斜；5-向斜；6-斷層;7-埋深等值線(m);8-厚度等值線(m)；9-TOC等值線(%);10-有利區(qū)1-place name；2-study area；3-provincial boundary；4-anticline；5-syncline；6-fracture；7-burial depth contour(m)；8-thickness contours(m);9-TOC contour(%);10-favorable zone

4.2 資源潛力

條件概率體積法是目前頁巖氣資源評價最常用的方法(張金川等，2012)?？紤]到永善-大關地區(qū)五峰-龍馬溪組頁巖關鍵參數(shù)的非均質(zhì)性及低勘探程度區(qū)參數(shù)的局限性，采用條件概率體積法對有利區(qū)頁巖氣資源進行初步評價。該方法是在體積法的基礎上通過對關鍵參數(shù)以數(shù)理統(tǒng)計的方法建立參數(shù)分布模型，以概率的形式賦值，并得到不同概率條件下的頁巖氣資源量。條件概率體積法包括面積、厚度、總含氣量及密度四項關鍵參數(shù)，其中面積采用多因素疊合法綜合優(yōu)選的頁巖氣發(fā)育有利區(qū)面積，為480.58 km2；參與計算的頁巖厚度為有機碳含量大于2.0%富有機質(zhì)頁巖厚度，含氣量為現(xiàn)場解析總含氣量，由于頁巖儲層的非均質(zhì)性，富有機質(zhì)頁巖厚度、總含氣量和密度均為系列散點數(shù)據(jù)，其密度函數(shù)遵循數(shù)理統(tǒng)計規(guī)律的正態(tài)分布模型(圖6a)。因此，離散數(shù)據(jù)賦值可通過對密度函數(shù)積分來獲得不同概率條件下的參數(shù)值(圖6b，表1)，關鍵參數(shù)以不同概率的形式賦值之后，多次抽樣(5000次)計算得到永善-大關地區(qū)五峰-龍馬溪組有利區(qū)不同概率條件下的頁巖氣資源量。評價結(jié)果顯示五峰-龍馬溪組有利區(qū)頁巖氣資源量603.0×108～2184.5×108m3(95%～5%概率)，期望值(50%概率)為1256.4×108m3。表明永善-大關地區(qū)五峰-龍馬溪組具有一定的頁巖氣資源潛力。

圖6 五峰-龍馬溪組富有機質(zhì)頁巖厚度概率密度(a)及概率(b)分布圖Fig.6 Distribution of organic-rich shale thickness probability density(a) and probability(b) of Wufeng-Longmaxi Formation

表1 五峰-龍馬溪組有利區(qū)頁巖關鍵參數(shù)賦值及頁巖氣資源評價結(jié)果表

5 結(jié)論

(1)永善-大關地區(qū)五峰-龍馬溪組頁巖發(fā)育于淺水-深水陸棚沉積環(huán)境，厚度大、有機碳含量適中、成熟度高、埋深適中，儲層礦物成分主要以脆性礦物為主，微米-納米級孔縫發(fā)育，表現(xiàn)為低孔特低滲特征，具備頁巖氣生成所需的物質(zhì)基礎和儲集空間。

(2)永善-大關地區(qū)五峰-龍馬溪組頁巖具有較強的吸附能力和較高的含氣量，最大吸附氣量平均2.12 m3/t，游離氣百分含量平均為58.8%，游離氣略占優(yōu)勢；同時，現(xiàn)場解析氣量較高，介于0.5～3.38 m3/t之間。

(3)永善-大關地區(qū)五峰-龍馬溪組頁巖氣具有一定的資源潛力，有利區(qū)主要分布在高橋-新場-天寧寺-木桿向斜所圍區(qū)域，面積480.58 km2，初步評價頁巖氣資源量1256.4×108m3。

[附中文參考文獻]

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