復(fù)雜構(gòu)造區(qū)頁(yè)巖含氣性與保存條件評(píng)價(jià)*
——以黔西南埡紫羅斷裂帶打屋壩組為例

鄭逢贊 苑 坤, 單俊峰 林 拓 游銘心 牛嘉亮 梁宇濤 唐 玄

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)能源學(xué)院 北京 100083； 2.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局油氣調(diào)查中心 北京 100083；3.中國(guó)石油遼河油田分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院 遼寧盤(pán)錦 124010)

中國(guó)目前已經(jīng)在重慶涪陵及川南地區(qū)下古生界五峰-龍馬溪組海相頁(yè)巖取得了頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)的重大突破[1-2]，但是南方石炭系的頁(yè)巖氣勘探還處于探索階段。據(jù)自然資源部公布的《全國(guó)頁(yè)巖氣資源潛力評(píng)價(jià)》結(jié)果表明，貴州省頁(yè)巖氣地質(zhì)資源量為10.48萬(wàn)億m3[3-4]，其中石炭系頁(yè)巖氣遠(yuǎn)景資源量1.1萬(wàn)億m3，占總資源的10%，具有巨大的資源潛力[2,5]。近年來(lái)，黔西南地區(qū)黔水地1井和黔紫頁(yè)1井在石炭系打屋壩組獲得良好的頁(yè)巖氣顯示，極大地提高了該地區(qū)頁(yè)巖氣勘探信心。然而，該地區(qū)經(jīng)歷了多期次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，多條斷裂在此匯聚，形成埡都-紫云-羅甸斷裂帶(簡(jiǎn)稱埡紫羅斷裂帶)，構(gòu)造條件非常復(fù)雜[6-7]。同時(shí)從沉積條件而言該地區(qū)打屋壩組沉積時(shí)期處于從陸向海快速變化區(qū)帶，縱向和橫向巖性組合方式變化大[1,8-9]。因此，埡紫羅斷裂帶頁(yè)巖含氣性主控因素復(fù)雜，保存條件的評(píng)價(jià)至為關(guān)鍵。

前人對(duì)頁(yè)巖氣保存條件的評(píng)價(jià)主要考慮斷裂、地層剝蝕、地層傾角等指標(biāo)[2,10-16]；也有學(xué)者將壓力、含氣量、測(cè)試產(chǎn)量、頁(yè)巖地球化學(xué)和孔滲參數(shù)作為判識(shí)性指標(biāo)[17-24]。還有觀點(diǎn)認(rèn)為脆性指數(shù)、黏土礦物、頂?shù)装宓暮穸?、地層水水型和?gòu)造形態(tài)以及裂縫間距指數(shù)也影響了頁(yè)巖氣的保存[15-16,25-31]。但上述指標(biāo)要么是頁(yè)巖氣藏的壓力或含氣性等判識(shí)性指標(biāo)，缺乏對(duì)頁(yè)巖含氣性主控因素的研究；要么就是生烴性、儲(chǔ)集性或者構(gòu)造環(huán)境等指標(biāo)，而缺乏對(duì)復(fù)雜構(gòu)造條件下頁(yè)巖氣保存條件評(píng)價(jià)的針對(duì)性。

本文通過(guò)對(duì)黔西南復(fù)雜構(gòu)造區(qū)下石炭統(tǒng)打屋壩組頁(yè)巖氣發(fā)育地質(zhì)特征，包括礦物組成、地球化學(xué)和儲(chǔ)層特征的研究，分析了頁(yè)巖氣的保存條件及其影響因素，建立復(fù)雜構(gòu)造區(qū)頁(yè)巖氣保存條件評(píng)價(jià)方法，對(duì)南方復(fù)雜構(gòu)造區(qū)保存條件評(píng)價(jià)與選區(qū)預(yù)測(cè)均具有參考意義。

1 地質(zhì)背景

黔西南地區(qū)下石炭統(tǒng)打屋壩組自早石炭世沉積以來(lái)經(jīng)歷了多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)[1,5,9,18,30]。該地區(qū)的埡紫羅斷裂帶是上揚(yáng)子板塊南部的一條重要的北西向構(gòu)造帶(圖1a)，長(zhǎng)約400 km、寬10～80 km，是滇黔北部坳陷、黔中隆起、黔南坳陷、黔西南坳陷、黔東隆起與南盤(pán)江坳陷的重要分割性斷裂[5,7,30,32]。研究區(qū)自從泥盆紀(jì)到二疊紀(jì)末以來(lái)經(jīng)歷了伸展-張裂、斷陷、裂谷、減弱-構(gòu)造反轉(zhuǎn)和陸內(nèi)收縮5個(gè)階段[7,32]。淺層構(gòu)造為以晚古生代伸展地塹的控盆斷層為邊界、發(fā)生正反轉(zhuǎn)而形成的扇形背沖結(jié)構(gòu)，因此石炭系地層現(xiàn)今埋藏淺、距離剝蝕區(qū)近[1,3,17]。根據(jù)埡紫羅斷裂段在走向上的構(gòu)造變化，研究區(qū)從北向南可以分為3段，西北段從威寧到六盤(pán)水一帶，發(fā)育4條深部斷層，從碳酸鹽巖臺(tái)地向碳酸鹽巖斜坡過(guò)渡；中段從六枝到關(guān)嶺段發(fā)育2條深部斷層，主要發(fā)育深水陸棚沉積；東南段(紫云段)演變?yōu)?條深部斷層，且正斷層的主體傾向亦由WS傾變換為NE傾[7]，從泥灰?guī)r斜坡向泥頁(yè)巖深水沉積過(guò)渡。區(qū)內(nèi)打屋壩組主要發(fā)育臺(tái)地、斜坡和深水盆地沉積(圖1a)。不同區(qū)域發(fā)育不同的巖性組合，形成復(fù)雜的沉積格局。東南部紫云地區(qū)屬于拉張槽深水臺(tái)盆體系，主要發(fā)育頁(yè)巖和濁積巖；西北部六盤(pán)水和東南部長(zhǎng)順-羅甸地區(qū)屬于斜坡體系[6-7,33]，海侵與海退交互出現(xiàn)，發(fā)育泥巖與泥灰?guī)r的頻繁互層(圖1b)。

圖1 貴州省西南部埡紫羅斷裂帶主要地質(zhì)特征

2 頁(yè)巖氣發(fā)育地質(zhì)特征

2.1 研究區(qū)西北段斜坡地區(qū)

黔水地1井是埡紫羅地區(qū)西北段六盤(pán)水地區(qū)鉆穿打屋壩組的典型鉆井。該井打屋壩組可分為四段(圖2)，從底部開(kāi)始的第一段巖性以深灰色泥巖和泥灰?guī)r為主，泥巖與灰?guī)r局部互層；二段以深灰色泥灰?guī)r和泥巖夾頁(yè)巖為主；三段以泥灰?guī)r夾泥巖、頁(yè)巖為主；四段以泥灰?guī)r、灰?guī)r和生屑灰?guī)r為主。從一段到四段，黏土含量逐漸減少，方解石含量、脆性礦物含量逐漸增加。有機(jī)質(zhì)類型以Ⅲ型、Ⅱ2型為主[32-33]，總有機(jī)碳豐度(TOC)在0.09%～1.70%，平均為0.79%(圖2)。第一段現(xiàn)場(chǎng)解吸含氣量最高達(dá)5 m3/t，但是氣體原始成分中60%以上為空氣(氮?dú)狻醚鯕獯蠹s為4∶1)，巖性疊置關(guān)系較差(泥頁(yè)巖與(泥)灰?guī)r厚度相差較大，單層厚度太厚(大于5 m)或太薄(小于0.5 m))說(shuō)明保存條件較差；第一段上部和第二段(1 600～1 950 m)有機(jī)質(zhì)相對(duì)更加富集，鏡質(zhì)體反射率(Ro)平均為2.19%，泥頁(yè)巖與泥灰?guī)r頻繁互層，泥灰比接近1∶1，單層厚度小于5 m，為較好的巖性疊置段(泥頁(yè)巖與(泥)灰?guī)r厚度相近，單層厚度不大于5 m且不小于0.5 m)，現(xiàn)場(chǎng)解吸含氣量測(cè)試顯示含氣量平均為1.6 m3/t，氣體成分中甲烷含量超過(guò)60%，說(shuō)明保存條件較好(圖2)。氣測(cè)錄井顯示全烴含量為0～63.41%，平均為9.15%(圖2)。

2.2 研究區(qū)中段

從六枝到關(guān)嶺都屬于埡紫羅斷裂的中段，該段北東方向?qū)忧羡晗荩衔鲗?duì)接黔西南坳陷。該段打屋壩組埋藏較深，在裂陷槽內(nèi)埋深超過(guò)6 000 m，斜坡上埋深也超過(guò)3 500 m。以斜坡區(qū)安順1井為例，打屋壩埋深在4 700 m左右，且厚度較薄，不到100 m，且底部頁(yè)巖不發(fā)育。目前在裂陷槽內(nèi)沒(méi)有鉆井，但通過(guò)廣域電磁法解釋結(jié)果顯示裂隙槽內(nèi)關(guān)嶺地區(qū)打屋壩組存在一個(gè)受NW斷裂方向控制的深水沉積中心，頁(yè)巖厚度在450 m左右。斷裂發(fā)育程度不高，構(gòu)造條件發(fā)條件相對(duì)簡(jiǎn)單[7,32]。

2.3 研究區(qū)東南段

研究區(qū)東南段包括深水沉積區(qū)和斜坡沉積區(qū)。

深水沉積區(qū)分布在紫云附近地區(qū)，黔紫頁(yè)1井是該地區(qū)深水沉積區(qū)的典型鉆井，巖性主要以泥灰?guī)r和頁(yè)巖為主，并夾有灰黑色薄層硅質(zhì)巖(圖2)。打屋壩組一段巖性變化較大，上部以泥巖和頁(yè)巖為主；中部以灰?guī)r為主，夾薄層頁(yè)巖；下部主要為泥灰?guī)r與泥巖不等厚互層，其中在巖性疊置段的現(xiàn)場(chǎng)解吸含氣量較高，裂縫與破碎帶十分發(fā)育；二段以泥灰?guī)r與泥巖不等厚互層為主；三段以灰-黑色泥巖和頁(yè)巖為主，泥巖與泥灰?guī)r交替發(fā)育，泥巖與(泥)灰?guī)r比例約為10∶1，巖性疊置關(guān)系差，可見(jiàn)較多高角度剪裂縫；四段泥灰?guī)r與泥巖交替發(fā)育?？傮w上，第一段和第四段灰?guī)r較多，中間二、三段泥質(zhì)含量增高。泥巖段常見(jiàn)有草莓狀黃鐵礦，粒徑在10～20 μm，反映沉積環(huán)境為深水還原沉積環(huán)境。從第一段到四段，方解石含量逐漸增多，黏土礦物和石英含量逐漸減少，黏土礦物中伊/蒙混層含量較高?？紫抖仍?%左右，滲透率在0.4 mD左右。有機(jī)質(zhì)類型均為Ⅱ2型[34-35]，TOC在0.54%～2.64%，平均為1.45%。打屋壩組第一、三段有機(jī)質(zhì)相對(duì)更加富集，TOC大于2%。由圖2可見(jiàn)，Ro平均為3.5%，現(xiàn)場(chǎng)解吸含氣量平均為1.0 m3/t。需要強(qiáng)調(diào)的是，三段含氣組分主要以氮?dú)鉃橹?，氮?dú)夂窟_(dá)到70%、氧氣含量達(dá)10%；一段(2 900～2 980 m)泥頁(yè)巖與(泥)灰?guī)r頻繁互層，巖性疊置關(guān)系好，甲烷含量超過(guò)75%以上。氣測(cè)錄井顯示全烴含量為0.01%～1.97%，平均為0.23%(圖2)。

圖2 研究區(qū)連井柱狀圖(井位見(jiàn)圖1)

東南段斜坡區(qū)主要分布在惠水-長(zhǎng)順以及羅甸附近。長(zhǎng)頁(yè)1井和代頁(yè)1井揭示的打屋壩組屬于斜坡體系沉積(圖2)。長(zhǎng)頁(yè)1井打屋壩組一段以頁(yè)巖為主，內(nèi)部見(jiàn)黃鐵礦團(tuán)塊，常夾有灰黑色泥灰?guī)r結(jié)核；二段以泥灰?guī)r和鈣質(zhì)泥巖為主，水平層理極為發(fā)育；三段以泥巖和泥灰?guī)r為主，黏土礦物含量較高、現(xiàn)場(chǎng)解吸含氣量高，泥巖上下部夾少量泥灰?guī)r條帶，呈漸變接觸關(guān)系；四段以鈣質(zhì)泥巖和薄層狀泥灰?guī)r為主，泥巖內(nèi)見(jiàn)大量腕足、海百合莖化石碎片及星點(diǎn)狀黃鐵礦顆粒。從垂向上，長(zhǎng)英質(zhì)礦物含量自下而上先減少后變化不大，碳酸鹽礦物含量自下而上先減少后增大再減少，黏土礦物含量先增大后減少，其中黏土礦物含量高的部位現(xiàn)場(chǎng)解吸含氣量較高，第二段和第三段屬于較好的巖性疊置段，含氣量在2.5 m3/t左右?？紫抖仍?.4%左右，滲透率在0.005 mD左右。有機(jī)質(zhì)以Ⅱ2型和Ⅲ型為主[32-33]，TOC在0.21%～4.51%，平均為1.79%，三段有機(jī)質(zhì)相對(duì)更加富集。由圖2可見(jiàn)，Ro在2.13%～3.27%，平均為2.66%，總體處于過(guò)成熟階段。代頁(yè)1井打屋壩組一段以泥灰?guī)r為主，并夾有少量薄層狀生屑灰?guī)r和硅質(zhì)巖，發(fā)育水平紋層。巖石中發(fā)育高角度方解石脈及裂縫；二段以鈣質(zhì)泥巖和頁(yè)巖為主；三段以鈣質(zhì)泥巖、頁(yè)巖和泥灰?guī)r為主，夾薄層硅質(zhì)頁(yè)巖，泥灰?guī)r從上向下逐漸減少。頁(yè)巖頁(yè)理極為發(fā)育，黏土礦物含量較高；四段以泥巖和生屑灰?guī)r為主，夾有薄層的硅質(zhì)巖，偶見(jiàn)順層發(fā)育的方解石脈。常見(jiàn)珊瑚、腕足和海百合莖化石，夾少量黃鐵礦條帶，發(fā)育水平紋層。有機(jī)質(zhì)類型I型到III型均有發(fā)育，以II2型為主[32-33]。TOC在0.41%～6.93%，平均為2.19%，第一段和第二段(530～620 m)有機(jī)質(zhì)更加富集。Ro在2.15%～2.66%，平均2.43%，為過(guò)成熟階段。在第一段和第二段泥巖與灰?guī)r頻繁互層、黏土礦物含量高的部位現(xiàn)場(chǎng)解吸含氣量較高，屬于較好的巖性疊置段，最高達(dá)2.5 m3/t(圖2)，甲烷含量在60%以上。氣測(cè)錄井顯示全烴含量為0.33%～19.92%，平均為4.17%。

3 含氣性影響因素分析

頁(yè)巖的含氣性是頁(yè)巖氣資源量評(píng)價(jià)的關(guān)鍵參數(shù)，只有對(duì)頁(yè)巖含氣性的主要影響因素進(jìn)行正確的認(rèn)識(shí)，才能為后續(xù)的頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)指明方向。上文闡述了不同層段和地區(qū)現(xiàn)場(chǎng)解吸含氣量的差異性，而現(xiàn)場(chǎng)含氣量既包括游離氣量，也包括吸附氣量。影響游離氣量的因素包括頁(yè)巖孔隙度、保存條件；影響頁(yè)巖吸附/解吸特征的因素包括礦物組成特征、地球化學(xué)特征(有機(jī)質(zhì)豐度)、儲(chǔ)層物性特征等?？紤]到研究區(qū)內(nèi)含氣量的數(shù)據(jù)較少，從總體來(lái)看，含氣量與全烴含量?jī)烧叩内厔?shì)具有良好的一致性(圖2)，因此下面研究中采用全烴含量代替含氣量進(jìn)行含氣性影響因素的分析。

3.1 儲(chǔ)層物性特征

頁(yè)巖氣主要以吸附態(tài)和游離態(tài)賦存于泥頁(yè)巖地層中，孔隙度和滲透率影響著吸附氣與游離氣的比例[34]。對(duì)游離氣而言，基質(zhì)孔隙和微裂縫是其主要的儲(chǔ)集空間，孔隙度控制著頁(yè)巖的儲(chǔ)氣能力[35]。在本研究區(qū)內(nèi)，以1 m為取樣間隔對(duì)打屋壩組測(cè)井和錄井的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，如全烴含量、TOC、孔隙度等，在巖性疊置段(圖2紅框)和非巖性疊置段內(nèi)采取泥巖和頁(yè)巖樣品進(jìn)行礦物組成、Ro等實(shí)驗(yàn)測(cè)試。研究發(fā)現(xiàn)，全烴含量的大小與孔隙度幾乎沒(méi)有相關(guān)性(圖3)，因?yàn)樵谘芯繀^(qū)內(nèi)強(qiáng)烈的構(gòu)造作用破壞了頁(yè)巖氣的保存條件，原始含氣量發(fā)生劇烈改變，在巖性疊置關(guān)系較好的區(qū)域有利于保存頁(yè)巖氣，含氣量也相對(duì)較高，顯示孔隙度對(duì)復(fù)雜構(gòu)造區(qū)頁(yè)巖含氣量的影響較弱，但是在孔隙度相近的情況下巖性疊置段(泥頁(yè)巖與灰?guī)r、泥灰?guī)r頻繁互層疊置，泥灰比約為1∶1，單層厚度不大于5 m，圖2紅框處)的全烴含量明顯比非巖性疊置段的全烴含量要高(圖3)，這說(shuō)明了本地區(qū)泥頁(yè)巖與(泥)灰?guī)r頻繁互層組成的保存條件是頁(yè)巖氣全烴含量的主要影響因素。

圖3 黔紫頁(yè)1井全烴含量與孔隙度的相關(guān)性

3.2 礦物組成特征

研究區(qū)頁(yè)巖主要礦物成分有石英、長(zhǎng)石、黏土礦物和碳酸鹽礦物。黏土礦物與石英、長(zhǎng)石、碳酸鹽礦物相比有較多的微孔隙和較大的表面積，對(duì)氣體有較強(qiáng)的吸附能力[27,35-36]。通過(guò)對(duì)黔水地1井、黔紫頁(yè)1井、長(zhǎng)頁(yè)1井、代頁(yè)1井打屋壩組主要含氣段的全烴含量與礦物組成之間的相關(guān)性分析，從圖4a、b可以看出，頁(yè)巖氣藏經(jīng)歷了復(fù)雜的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)破壞后，石英、黏土礦物與全烴含量的相關(guān)性較差，從整體趨勢(shì)來(lái)看，在礦物組成相近的情況下，巖性疊置段明顯比非巖性疊置段的全烴含量高，這可能意味著泥頁(yè)巖與(泥)灰?guī)r頻繁互層組成的保存條件可能是黔西南打屋壩組頁(yè)巖氣全烴含量的主要控制因素。

圖4 黔水地1井全烴含量與礦物組成相關(guān)性

3.3 地球化學(xué)特征

海相頁(yè)巖中，一般有機(jī)質(zhì)豐度與含氣量往往具有較好的線性相關(guān)性，有機(jī)碳含量(TOC)控制著頁(yè)巖的含氣量和物理化學(xué)性質(zhì)，吸附氣主要賦存在有機(jī)質(zhì)孔隙的表面，少量吸附在礦物的孔隙和裂縫的表面，通常有機(jī)碳含量與吸附氣量呈正相關(guān)關(guān)系[6,14]。通過(guò)對(duì)重點(diǎn)鉆井全烴含量與TOC相關(guān)性分析(圖5)，非巖性疊置段和部分巖性疊置段的全烴含量與TOC具有總體上的正相關(guān)性，說(shuō)明這部分頁(yè)巖氣主要受頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)的吸附作用控制，這與現(xiàn)在很多頁(yè)巖氣富集區(qū)有機(jī)碳豐度與含氣量之間良好的正相關(guān)性是一致的[6,14]。而在巖性疊置段頁(yè)巖全烴含量整體與有機(jī)碳豐度間關(guān)系并不明顯，但巖性疊置段的全烴含量比非巖性疊置段高，灰色陰影部分頁(yè)巖氣遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于全烴含量與TOC相關(guān)性的趨勢(shì)線(圖5)，游離氣通常賦存在礦物的孔隙和裂縫中，與TOC相關(guān)性很差，說(shuō)明這部分頁(yè)巖氣可能是游離氣，其含氣性主要受到巖性疊置段保存條件的控制。本地區(qū)打屋壩頁(yè)巖的含氣性也不是直接受有機(jī)質(zhì)吸附作用決定，含氣性的控制因素比較復(fù)雜。

圖5 全烴含量與TOC相關(guān)性

4 保存條件影響因素分析

黔西南埡紫羅斷裂帶屬于構(gòu)造強(qiáng)烈改造區(qū)域，其頁(yè)巖氣保存條件應(yīng)該考慮不同期次構(gòu)造作用影響、斷裂和裂縫的發(fā)育情況、抬升剝蝕、構(gòu)造變形條件等構(gòu)造因素。后期的復(fù)雜構(gòu)造變動(dòng)對(duì)頁(yè)巖氣的富集常表現(xiàn)為負(fù)面作用，必須尋找抵抗構(gòu)造破壞作用的特殊巖性組合區(qū)，例如致密地層與高生氣層的頻繁疊置區(qū)域等。

4.1 巖性疊置指數(shù)

對(duì)于黔紫頁(yè)1井，打屋壩組上部(2 680～2 900 m)泥頁(yè)巖段厚度大，含烴量低；而下部(2 900～2 980 m)有灰?guī)r、泥灰?guī)r夾層的頁(yè)巖具有相對(duì)高的含烴量，全烴含量與有機(jī)質(zhì)豐度相關(guān)性較好，表現(xiàn)出(泥)灰?guī)r夾層保存條件及有機(jī)質(zhì)對(duì)甲烷吸附的聯(lián)合控制作用(圖6a)。

背斜核部的黔水地1井氣測(cè)錄井和現(xiàn)場(chǎng)解吸氣資料顯示，在非巖性疊置段全烴含量與TOC相關(guān)性很差，在TOC相近的情況下，巖性疊置段位置的頁(yè)巖氣具有良好的保存條件，全烴含量明顯高于非巖性疊置段的全烴含量(圖5a)，在第一段下部、第三段和第四段富含有機(jī)質(zhì)泥巖段含烴量很低甚至不含烴(圖6b)，說(shuō)明(泥)灰?guī)r夾層泥巖頻繁互層的疊置關(guān)系是保存條件的主控因素。

針對(duì)巖性疊置地區(qū)，提出了量化參數(shù)——巖性疊置指數(shù)。依據(jù)不同區(qū)域打屋壩組巖性組合特征及其含氣性分析(圖2、6)，當(dāng)泥頁(yè)巖與泥灰?guī)r厚度相近，單層厚度不大于5 m且不小于0.5 m時(shí)，這種巖性疊置關(guān)系最有利于保存頁(yè)巖氣。巖性疊置指數(shù)賦值方法為：①泥巖與(泥)灰?guī)r厚度比為1∶1，單層層厚大于0.5 m且小于5 m，巖性疊置指數(shù)為0.80～1.00，評(píng)價(jià)參數(shù)為好；②泥巖與(泥)灰?guī)r厚度比大于或小于1∶1，單層層厚大于0.5 m且小于5 m，巖性疊置指數(shù)為0.60～0.79，評(píng)價(jià)參數(shù)為較好；③泥巖與(泥)灰?guī)r厚度比為1∶1，單層層厚小于0.5 m但大于0.2 m，或大于5 m但小于10 m，巖性疊置指數(shù)為0.40～0.59，評(píng)價(jià)參數(shù)為較差；④泥巖與(泥)灰?guī)r厚度比大于或小于1∶1，單層層厚小于0.5 m但大于0.2 m，或大于5 m但小于10 m，巖性疊置指數(shù)為0.20～0.39，評(píng)價(jià)參數(shù)為差；⑤泥巖與(泥)灰?guī)r厚度比等于、大于或小于1∶1，單層層厚小于0.2 m或大于10 m，巖性疊置指數(shù)為0～0.19，評(píng)價(jià)參數(shù)為極差。

黔西南地區(qū)打屋壩組頁(yè)巖氣頂板為南丹組灰?guī)r，底板為睦化組灰?guī)r[37]。打屋壩組內(nèi)多個(gè)層段泥巖與(泥)灰?guī)r以不同比例交互疊置沉積：既有泥巖與(泥)灰?guī)r的厚度相近的“千層餅”式等厚疊置，也有不等厚疊置。打屋壩組一段作為主要含氣層段，以埡紫羅斷裂帶東南段深水沉積地區(qū)和斜坡地區(qū)為例，高含氣段泥巖與(泥)灰?guī)r單層厚度近似，累計(jì)厚度也接近于1∶1；單層層厚不大于5 m且不小于0.5 m。紫云地區(qū)泥巖與(泥)灰?guī)r的疊置關(guān)系對(duì)本區(qū)頁(yè)巖氣的保存發(fā)揮關(guān)鍵作用(圖6a)，形成了良好的封閉條件,同時(shí)也構(gòu)成了現(xiàn)在主要的含氣層段。

打屋壩組二段作為次要含氣層段，巖性主要以泥巖為主，夾有少量的(泥)灰?guī)r。西北段斜坡區(qū)較好的泥灰比(1.11∶1)和單層厚度有利于封存頁(yè)巖氣(圖6b)。在東南段紫云地區(qū)泥灰比小(0.71∶1)，惠水―代化地區(qū)泥頁(yè)巖通常厚度過(guò)大，不能與(泥)灰?guī)r形成良好的巖性疊置組合。在斷裂較發(fā)育區(qū)難以形成有效的封閉。研究區(qū)內(nèi)打屋壩組三段巖性以泥灰?guī)r為主巖性比較單一，無(wú)法形成(泥)灰?guī)r夾泥巖的夾層保存頁(yè)巖氣。打屋壩組四段除東南段深水沉積地區(qū)以泥巖為主外，其他地區(qū)以(泥)灰?guī)r為主，巖性單一，巖性疊置關(guān)系差。

圖6 打屋壩組綜合柱狀圖與頁(yè)巖氣組分特征

4.2 斷裂密度指數(shù)

本地區(qū)斷裂十分發(fā)育，斷裂對(duì)頁(yè)巖氣的保存條件的影響是十分重要的。斷裂的破壞作用，與斷裂的密度、大小、性質(zhì)、活動(dòng)性、活動(dòng)期次和兩盤(pán)巖性對(duì)置等相關(guān)，由于本地區(qū)研究程度較低，缺乏斷裂活動(dòng)性資料，因此僅從斷裂密度角度來(lái)考察斷裂帶對(duì)保存條件的影響。盡管利用斷裂密度評(píng)價(jià)具有不確定性，但是也是一個(gè)有用的指標(biāo)。將每平方千米內(nèi)斷裂延伸長(zhǎng)度定義為斷裂密度[6]，斷裂密度可以表征地層破碎程度，斷裂密度越大、地層越破碎，裂隙越發(fā)育，對(duì)頁(yè)巖氣保存越不利。以黔西南地區(qū)斷裂分布圖為基礎(chǔ)，以固定間距(20 km×20 km)進(jìn)行網(wǎng)格劃分(圖1研究區(qū)網(wǎng)格)，統(tǒng)計(jì)各單元內(nèi)斷裂長(zhǎng)度，利用公式(1)計(jì)算斷裂密度。

(1)

式(1)中：ρ為斷裂密度；L為單元格內(nèi)斷裂的總長(zhǎng)度，km；S為單元格的面積，km2。

根據(jù)全區(qū)斷裂密度最小值和最大值，對(duì)全區(qū)網(wǎng)格內(nèi)斷裂密度進(jìn)行歸一化處理，繪制斷裂密度等值線圖，用以表征地層脆性變形特征。令斷裂密度最小值為1，最大值為0；密度越小，歸一化后值越大，相應(yīng)保存條件越好。

由圖7可見(jiàn)，代頁(yè)1井、長(zhǎng)頁(yè)1井?dāng)嗔衙芏戎笖?shù)較大，說(shuō)明斷裂對(duì)南段斜坡區(qū)長(zhǎng)順-羅甸地區(qū)頁(yè)巖氣的保存影響較小，其次為南段紫云地區(qū)。而黔水地1井地區(qū)斷裂密度指數(shù)最小，說(shuō)明斷裂對(duì)西北段斜坡區(qū)六盤(pán)水地區(qū)頁(yè)巖氣的保存影響較大。

圖7 黔西南地區(qū)斷裂密度指數(shù)等值線

4.3 斷層-剝蝕距離指數(shù)

構(gòu)造抬升和剝蝕對(duì)地層的保存和影響自然非常顯著。目的層靠近剝蝕區(qū)的距離對(duì)頁(yè)巖氣保存條件影響顯著，距剝蝕區(qū)越遠(yuǎn)對(duì)頁(yè)巖氣保存越有利[14-15]。以目的層下石炭統(tǒng)打屋壩組為評(píng)價(jià)對(duì)象，將地質(zhì)圖中所指示的地層出露情況按照年代分類，從而得到三類地層出露范圍：目的層埋藏區(qū)(年代晚于目的層的沉積巖發(fā)育區(qū))、出露區(qū)、剝蝕區(qū)(年代早于目的層的沉積巖發(fā)育區(qū))。按照以下原則對(duì)研究區(qū)斷層-剝蝕距離指數(shù)賦值：①距離斷裂和剝蝕區(qū)大于4 km時(shí)，斷層-剝蝕距離指數(shù)為1；②距離斷裂和剝蝕區(qū)2～4 km時(shí)，斷層-剝蝕距離指數(shù)為0.6；③距離斷裂和剝蝕區(qū)小于2 km時(shí)，斷層-剝蝕距離指數(shù)為0.2；④距離斷裂和剝蝕區(qū)小于1 km時(shí)，斷層-剝蝕距離指數(shù)為0.1；⑤距離斷裂和剝蝕區(qū)小于1 km時(shí)，斷層-剝蝕距離指數(shù)為0。繪制斷層-剝蝕距離指數(shù)等值線圖，用以表征地層距離斷層或剝蝕區(qū)的情況。從圖8可知，研究區(qū)大部分地區(qū)打屋壩組沒(méi)有出露，黔水地1井、黔紫頁(yè)1井的地層覆蓋情況相對(duì)較好，而長(zhǎng)頁(yè)1井和代頁(yè)1井比較靠近剝蝕區(qū)。

圖8 黔西南地區(qū)斷層-剝蝕距離指數(shù)等值線

4.4 黏土礦物指數(shù)

長(zhǎng)頁(yè)1井和代頁(yè)1井總體全烴含量與TOC關(guān)系不明顯(圖5c、d)，說(shuō)明在本區(qū)這樣的構(gòu)造復(fù)雜區(qū)，單靠有機(jī)質(zhì)的吸附作用也很難發(fā)揮關(guān)鍵性作用。其中伊黏土礦物中伊利石和伊蒙混層占85%以上，表明研究區(qū)已經(jīng)達(dá)到晚期成巖階段[38]，在過(guò)成熟度階段，有機(jī)孔的數(shù)量可能會(huì)急劇減少，造成打屋壩組頁(yè)巖的孔隙主要以無(wú)機(jī)孔隙為主，頁(yè)巖氣主要賦存在黏土礦物形成的無(wú)機(jī)孔隙中。

前文指出在巖性疊置區(qū)，黏土礦物顯示出對(duì)含氣性具有較為重要的影響因素(圖4b)。其原因可能在于黏土礦物具有較大的比表面積，提供的氣體吸附點(diǎn)位也比較多，同時(shí)也會(huì)形成大量無(wú)機(jī)孔隙，主要是微孔，用來(lái)儲(chǔ)集游離氣[27]。在礦物組成相近的條件下，當(dāng)黏土礦物含量為10%～30%時(shí)，有利于氣體的吸附，含量過(guò)高或過(guò)低則不利于頁(yè)巖氣的吸附(圖4b)。本研究區(qū)黏土礦物主要是伊利石和伊蒙混層，頁(yè)巖儲(chǔ)層主要由微納米孔隙所組成，表現(xiàn)出良好的多孔性和孔隙連通性，具有較大的比表面積[27,35-36]。按照以下原則對(duì)研究區(qū)黏土礦物指數(shù)賦值：①黏土礦物含量>60%，黏土礦物指數(shù)為0～0.19；②黏土礦物含量45.1%～60%，黏土礦物指數(shù)為0.60～0.79；③黏土礦物含量為30.1%～45%，黏土礦物指數(shù)為0.4～0.59；④黏土礦物含量10%～30%，黏土礦物指數(shù)為0.80～1.00；⑤黏土礦物含量<10%，黏土礦物指數(shù)為0.2～0.39。

5 保存條件綜合評(píng)價(jià)及其有利區(qū)預(yù)測(cè)

本研究區(qū)頁(yè)巖氣保存條件的主控因素是泥巖與(泥)灰?guī)r頻繁互層的巖性疊置關(guān)系，影響因素還有斷裂密度指數(shù)、地層指數(shù)與以及黏土礦物指數(shù)?？紤]以上因素，利用巖性疊置指數(shù)(x)、斷裂密度指數(shù)(y)、斷層-剝蝕距離指數(shù)(z)和黏土礦物指數(shù)(u)(表1)，結(jié)合層次分析法和加權(quán)求和法對(duì)該地區(qū)的保存條件進(jìn)行定性半定量綜合評(píng)價(jià)[30]，利用公式(2)計(jì)算保存條件指數(shù)(P)，繪制保存條件指數(shù)等值線圖(圖9)。

P=ax+by+cz+du

(2)

式(2)中：P為保存條件指數(shù)；x為巖性疊置指數(shù)；y為斷裂密度指數(shù)；z為斷層-剝蝕距離指數(shù)；u為黏土礦物指數(shù)；a、b、c、d為權(quán)值。

黔水地1井、黔紫頁(yè)1井、長(zhǎng)頁(yè)1井和代頁(yè)1井頁(yè)巖含氣量受到(泥)灰?guī)r夾層的影響較大，對(duì)其巖性疊置指數(shù)權(quán)值a賦值為泥頁(yè)巖與(泥)灰?guī)r的厚度比；在單元格內(nèi)，當(dāng)斷層性質(zhì)為逆斷層時(shí)，斷裂密度指數(shù)的權(quán)值b為1，當(dāng)斷層性質(zhì)為正斷層時(shí)，斷裂密度指數(shù)的權(quán)值b為-1；統(tǒng)計(jì)每個(gè)單元格內(nèi)距離最近斷層或剝蝕區(qū)的距離，并對(duì)距離進(jìn)行歸一化處理，得到處理后的值作為斷層-剝蝕距離指數(shù)的權(quán)值c；長(zhǎng)頁(yè)1井和代頁(yè)1井頁(yè)巖含氣量受到黏土礦物的吸附性影響較大，對(duì)其黏土礦物指數(shù)權(quán)值d賦值為其黏土礦物含量。計(jì)算得到保存條件指數(shù)并對(duì)其進(jìn)行歸一化處理，0～0.19、0.20～0.39、0.40～0.59、0.60～0.79、0.80～1.0分別指示目的層保存條件極差(Ⅴ)、差(Ⅳ)、較差(Ⅲ)、較好(Ⅱ)、好(Ⅰ)5個(gè)等級(jí)。從表1和圖9可知，從保存條件角度來(lái)看，紫云地區(qū)和羅甸地區(qū)為Ⅰ類頁(yè)巖氣保存區(qū)塊，六盤(pán)水地區(qū)和六枝-鎮(zhèn)寧-關(guān)嶺地區(qū)為Ⅱ類頁(yè)巖氣保存區(qū)塊。晴隆-貞豐地區(qū)保存條件結(jié)果顯示也較好，但其大部分地區(qū)屬于臺(tái)地相，有機(jī)質(zhì)豐度低，而且地層埋深超過(guò)4 500 m，因此不作為優(yōu)選對(duì)象。

表1 保存條件評(píng)價(jià)

圖9 黔西南地區(qū)保存條件指數(shù)等值線

6 結(jié)論

1)黔西南地區(qū)埡紫羅斷裂帶經(jīng)歷了多期次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，構(gòu)造條件復(fù)雜，打屋壩組處于從陸向?？焖僮兓瘏^(qū)帶，縱向和橫向巖性組合變化大。埡紫羅斷裂帶頁(yè)巖含氣性主控因素復(fù)雜，保存條件的評(píng)價(jià)至為關(guān)鍵。

2)黔西南埡紫羅斷裂帶打屋壩組頁(yè)巖礦物組成、有機(jī)質(zhì)豐度和孔隙度等單因素對(duì)含氣性的影響不明顯，地質(zhì)過(guò)程和多因素復(fù)合作用控制含氣性，尤其是(泥)灰?guī)r與泥頁(yè)巖頻繁疊置的層段是含氣性的有利層段。

3)綜合利用六盤(pán)水-鎮(zhèn)寧-關(guān)嶺-紫云-羅甸地區(qū)頁(yè)巖的巖性疊置指數(shù)、斷裂密度指數(shù)、斷層-剝蝕距離指數(shù)和黏土礦物指數(shù)，評(píng)價(jià)優(yōu)選出研究區(qū)東南部的紫云、羅甸地區(qū)為Ⅰ類頁(yè)巖氣有利區(qū)塊，六盤(pán)水地區(qū)、六枝-鎮(zhèn)寧-關(guān)嶺地區(qū)為Ⅱ類頁(yè)巖氣有利區(qū)塊。