貴州黔北地區頁巖氣成藏條件與勘探前景

李俊良，謝瑞永，游君君，王麗芳

(1.中國地質大學(武漢)資源學院，湖北 武漢 430074；2.中海石油(中國)有限公司湛江分公司研究院，廣東 湛江 524057)

1 區域構造沉積背景

1.1 構造特征與演化史

貴州境內地殼的大地構造格架，按基底性質的差異劃分為揚子陸塊和華南褶皺系兩個一級構造單元，按蓋層性質和構造運動的不同進一步劃分為若干次級構造單元(徐彬彬，2003)。揚子陸塊占據了貴州的大部，其基底為前南華-震旦系[1]。

貴州黔北地區屬于揚子地塊大地構造單元，與華北地塊和華南造山帶相鄰(圖1)[2]。揚子地塊從晚太古代開始發育，經晉寧運動形成了基底，以后發育了很厚的晚元古代至三疊紀以海相為主的蓋層及侏羅紀之后的陸相蓋層。晚二疊世在西南部有裂谷活動，中生代以來有較強的構造變形和巖漿活動。晚元古代時，揚子地塊位于北半球低緯度地區；古生代時，也基本上位于低緯度地區，先在北緯，后在南緯；晚二疊世時，在赤道附近，然后向北漂移，于晚二疊世與華北地塊碰撞(Mao et al.，2002；陳蘭，2006)。

圖1 研究區大地構造單元示意圖(據Mao et al，2002；陳蘭，2006；楊劍，2009；略有修改)

貴州黔北地區，區域上屬上揚子準地臺東部。貴州地殼在已知約1400Ma的地質歷史時期中，其構造發展演化大致可分為：武陵期-雪峰期(Pt2-Pt3)的基底形成階段；南華期(Nh)的冰期、間冰期階段；加里東期(Z-S)的被動陸緣-穩定臺地階段；海西期(D-P)的陸內張裂-臺地階段；印支期(T1-T2) 的穩定臺地階段；燕山期(T3-K1)的陸內河湖沉積階段；喜山期(K2以來)的山間斷陷整體隆升階段等等7個階段(表1)[2]。中元古代與晚元古代早期揚子準地臺武陵運動形成揚子準地臺第一個褶皺基底，其上不整合覆蓋晚元古代早期的板溪群、下江群、丹洲群。由變復理石碎屑巖和中酸性火山碎屑復理石組成，屬于陸間裂谷淺槽盆地沉積。雪峰運動隆起、掀斜、變質，形成揚子準地臺第二個褶皺基底。但雪峰運動之后二者發生了明顯的變化。揚子準地臺進入蓋層沉積(陳蘭，2006)。加里東構造階段經過一段穩定時期之后，貴州古構造應力方向主要為南北向擠壓，在地臺內部發生了巖石圈的上隆作用，由此產生東西向褶皺-黔中隆起，繼而出現了北西向為主的裂陷帶，以致發展成廣囊的擴張海盆，并有大規模的玄武巖噴發。“黔中隆起”經歷了南華紀晚期雛形出現、震旦紀-奧陶紀水下發展、奧陶紀末期至早志留世古陸發展直到志留紀晚期的消亡[3]。晚二疊世，東西向斷裂—納雍-甕安斷裂，北東、北西向的一對共軛剪切斷裂，即師宗-貴陽斷裂、紫云-水城斷裂，這些斷裂斷續活動，在南部形成了幾個數千米的坳陷中心，即黔中斷裂(納雍-甕安斷裂)以北為隆起區，以南為坳陷區。具有劃時代意義的印支運動使這一再生地槽的發展受到夭折。燕山運動和喜馬拉雅運動使其相繼發生褶皺斷裂，近期仍處于不斷隆升的構造環境。

表1黔北地區構造演化劃分簡表

1.2 沉積背景

黔北地區主要發育有下寒武統牛蹄塘組、上奧陶統五峰組-下志留統龍馬溪組兩套海相黑色炭質頁巖，其北部的松林地區實測剖面表明，牛蹄塘組上部為黑色炭質頁巖夾綠色砂質頁巖，中部見一套厚黑色粗晶灰巖，下部為黑色炭質頁巖，底部為黑色含磷白云巖、硅質巖及磷塊巖，因此認為該區域內牛蹄塘組主要由黑色炭質頁巖組成，為區內最主要的富有機質頁巖發育層位。早寒武世牛蹄塘期，隨著海平面的上升，上揚子地區造成缺氧環境，區內沉積環境主要為深水陸棚沉積(圖2)[4]。晚奧陶世五峰期，康滇古陸及黔中隆起、川中古隆起等較前期擴大，中上揚子海域被古隆起圍限，為一局限海盆，海域面積縮小。局限淺海相帶幾乎遍及整個中上揚子沉積區，沉積的黑色巖系厚度薄且分布穩定，生物以筆石占絕對優勢，是揚子地區重要的生油巖系，區內本組厚約0～8m，巖性單一，變化不大，巖性主要為黑色炭質頁巖、含粉砂質頁巖及硅質頁巖。早志留世龍馬溪期是繼晚奧陶世以來中上揚子地區盆山格局發生重大轉變的時期，該時期陸塊邊緣處于擠壓、褶皺造山過程，為形成古隆起的高峰階段。除邊緣的川西-滇中古陸、漢南古陸擴大以外，川中隆起的范圍不斷擴大，揚子南緣的黔中隆起、武陵隆起、雪峰隆起和苗嶺隆起基本相連形成了滇黔桂大的隆起帶。中上揚子克拉通轉為由古隆起帶包圍的一個局限淺海深水盆地，隆起邊緣主要發育潮坪-瀉湖相、向中部過渡為局限淺海陸架，地層厚度也由南往北逐漸增厚。總體來說下志留統龍馬溪組主要為一套淺海相的細碎屑巖。巖性主要為灰色薄層狀含云母片鈣質粉砂巖、鈣質砂巖夾灰綠、灰黑色頁巖、炭質泥頁巖，下部多為黑色筆石炭質頁巖。沉積環境主要為深水陸棚沉積，部分為淺水陸棚沉積(圖3)[5]。

圖2 四川盆地筇竹寺期沉積巖相古地理圖

圖3 川東南-黔北地區早志留世龍馬溪早期古地理圖

2 黔北地區頁巖氣成藏條件分析

控制頁巖氣成藏的主要因素有優質泥頁巖厚度和分布面積、有機質豐度、有機質成熟度、巖石礦物成分及溫度與壓力等，本文結合黔北地區的地質特征，進而論述該地區的成藏條件。

2.1 黔北地區泥頁巖展布特征

2.1.1 下寒武牛蹄塘組泥頁巖展布特征

根據以往的研究，寒武系地層在上揚子地區分布廣泛(馬力等，2004)，其中烴源巖主要發育下寒武統，層位穩定，在四川盆地為筇竹寺組，貴州地區為牛蹄塘組，是一套黑色泥巖、頁巖和灰色粉砂質泥巖沉積。

黔西北地區牛蹄塘組烴源巖出露較廣泛，烴源巖樣品的剖面也較多，很好地揭示了寒武系烴源巖的分布情況。其中金沙縣巖孔鎮剖面揭示的牛蹄塘組地層厚125.3m，其中下段黑色泥巖的厚度為48m，上段底部為16m黃綠色粉砂質泥巖，中間為11.2m的黑色泥巖，之上為7m黑色泥巖夾粉砂質條帶地層，上部為灰綠色和夾灰綠色粉砂巖。因此，該剖面處牛蹄塘組烴源巖的厚度應該在60～65m。遵義市北松林鎮附近下寒武統牛蹄塘組地層出露不齊全，其中底部地層被覆蓋。根據區測剖面資料，松林、廟子灣一帶牛蹄塘組厚142～148m左右，其中下段黑色泥巖的厚度為38～50m左右，上段為青灰色(深灰色)、灰色、灰綠色粉砂質泥巖，在其底部夾少量黑色泥巖。因此，該處烴源巖的真正厚度應該為40～50m左右。

黔東北松桃下寒武統泥質烴源巖也非常發育。據區測地層資料，松桃縣盤石剖面下寒武統牛蹄塘組地層厚度為325m，其中黑色碳質泥巖厚度達到123m，另外還有47m黑色泥巖夾深灰色粉砂巖、淺灰色薄層石英粉砂巖的地層。目前從剖面上采集到的樣品具有高有機質豐度的烴源巖厚度已經達到50m左右，推測其厚度應該在120～140m。秀山溶溪剖面寒武系水井沱組地層厚達428m，其中下部深灰色～黑色泥巖厚76m，中部深灰色～黑色泥巖厚15m左右，上部黑色碳質泥巖厚111m，累計深灰色、黑色泥巖厚度達到202m。目前從該剖面上采集到的樣品具有高有機質豐度的烴源巖的厚度已經達到20m左右，高有機質豐度烴源巖究竟有多厚難以確定，推測應該在100～200m之間[6]。

關于其平面展布特征以往的研究也曾多次編制過下寒武統烴源巖的平面分布。如西南油氣田公司第三次油氣資源評價(2004)以及馬力等(2004)資料，他們認為寒武系泥質烴源巖的主要分布區域在樂山龍女寺古隆起南北兩側斜坡及川東斜坡地區。而梁狄剛等(2008)根據不同地區剖面和探井、淺井大量樣品有機碳含量的標定可以看出，上揚子地區下寒武統泥質烴源巖非常發育，尤其在川東-鄂西、川南-黔北-黔中一帶，高有機質豐度的泥質烴源巖具有相當大的厚度。認為黔東北-黔中厚30～150m；黔西北厚30～100m[6](圖4)。

圖4 上揚子地區下寒武統泥質烴源巖厚度等值線圖

2.1.2 上奧陶統-下志留統烴源巖的分布

上奧陶統五峰組和下志留統龍馬溪組地層在上揚子地區基本上為連續沉積，可以作為一套烴源巖層系。該套地層在上揚子地區是非常重要的一套烴源巖，但是由于盆地中揭示該套烴源巖的探井很少。其中黔西北地區的丁山1井1375～1523m井段揭露上奧陶統五峰組地層3m、志留系龍馬溪組地層145m。綦江觀音橋剖面與丁山1井比較相似，高豐度烴源巖在剖面底部發育，揭示烴源巖總厚90m。南川三泉剖面龍馬溪組烴源巖有機質豐度大于0.5%的厚度為80m左右。習水良村淺5井揭示上奧陶統五峰組-志留系龍馬溪組地層約80m左右(梁狄剛等，2008)。

總之黔北地區上奧陶統五峰組-下志留統龍馬溪組烴源巖也是該地區非常重要的一套烴源巖，趙宗舉等(2001)和全國第三次油氣資源評價(2004)認為該地區下志留統龍馬溪組地層厚度在600～700m以上。

總體上呈現由西向東逐漸增厚(圖5)，巫溪向南至利川毛壩烴源巖的厚度在55～60m；至石柱漆遼地區加厚至120m；由此再向西南厚度雖然變化不明顯，但好烴源巖明顯減薄，南川地區則基本上沒有烴源巖分布，在黔西北習水又出現好烴源巖[6]。

圖5 上揚子地區上奧陶統五峰組-下志留統龍馬溪組烴源巖厚度等值線圖

2.2 有機質豐度和類型

黔北地區下寒武統牛蹄塘組頁巖有機碳含量較高，其中遵義黃家灣剖面，最大有機碳含量達到7.91%，遵義松林地區有機碳含量最低為0.8%，最高達6.73%，一般都大于3.5%；推測黔北地區有機碳含量一般位于2.5%～4.0%之間，并且從西北往東南，有機碳含量增大，有機質類型以腐泥型(Ⅰ)為主，次為腐殖腐泥型(Ⅱ1)；

上奧陶統五峰組頁巖有機碳含量為0.29%～4.54%，以大于1.5%為主，有機質類型以腐泥型(Ⅰ)為主，次為腐殖腐泥型(Ⅱ1)；

下志留統龍馬溪組頁巖有機碳含量為0.29%～4.8%，但多數大于1%，平均值達2.11%，有機質類型以腐泥型(Ⅰ)或腐泥腐殖型(Ⅱ1)為主。

2.3 有機質成熟度及成熟期次

黔北地區牛蹄塘組黑色泥質烴源巖有機質熱演化程度總體已達過成熟階段。羊跳寨剖面牛蹄塘組烴源巖干酪根海相鏡質體反射率值為2.0%～3.34%，據王飛宇等(2010)公式換算成等效鏡質體反射率為2.05%～3.02%；烴源巖最大熱解峰溫Tmax值為476℃～590℃，平均522℃(n=47)。渣拉溝剖面渣拉溝組烴源巖干酪根海相鏡質體反射率值為2.89%～3.96%，其等效鏡質體反射率為2.69%～3.47%；烴源巖Tmax值為444℃～591℃，平均527℃(n=83)。朵丁關剖面牛蹄塘組烴源巖干酪根海相鏡質體反射率值為1.95%～2.78%，其等效鏡質體反射率為2.02%～2.62%；烴源巖Tmax值為509℃～589℃，平均559℃(n=26)。總之下寒武統牛蹄塘組頁巖有機質成熟度較高，Ro值一般位于2.0%～4.0%之間，處于高成熟-過成熟階段；其于早寒武世開始生烴，中寒武世初主力生油，至晚寒武世進入成熟晚期，至早泥盆世進入過成熟期，現今位于過成熟期。

黔北地區下志留統龍馬溪組頁巖有機質成熟度也較高，Ro值一般位于1.5%～2.5%之間，處于成熟-高成熟階段；下志留統龍馬溪組頁巖于早三疊世開始生烴，晚三疊世進入主力生油期，晚侏羅世末期進入成熟晚期，至早白堊世中期達到高成熟，現今處于高成熟階段。

4 黔北地區頁巖氣勘探前景

我國石油企業已經開展15口頁巖氣直井壓裂試氣，9口見氣，初步掌握頁巖氣直井壓裂技術，并證實了我國具有頁巖氣開發前景。完鉆國內第一個頁巖氣水平井——威201-H1。

根據頁巖氣成藏機理特點和成藏的有利地質因素，結合黔北地區地質特點和現有資料(頁巖地層的壓力、溫度和孔隙度等因素由于缺少相應資料未做考慮)，優選出有利于頁巖氣成藏的地層主要是下寒武統(∈1n)黑色高碳質頁巖系和下志留龍馬溪組黑色泥頁巖(S1l)，這些頁泥巖主要處于還原—強還原性的沉積環境，具有以下特征:①總有機質含量高，普遍TOC≥2%，最大TOC達10%左右;②有機質成熟度大，一般處于高成熟—過成熟演化階段，其中的下寒武統(∈1n)黑色高碳質頁巖系已經進入過成熟階段，對生氣有利，下志留統龍馬溪組(S1l)也處于高成熟階段;③分布面積廣，基本覆蓋了黔北大部分地區，厚度大(大于50m)，存在比較厚優質泥頁巖;④頁泥巖與硅質巖相伴生，硅質相伴的頁巖脆性大，對頁巖氣的開采十分有利，最有可能獲得高產頁巖氣流。

頁巖氣成藏機理特殊，影響頁巖氣成藏主要為生氣能力、儲集氣能力和易開采性三大因素，控制參數主要有總有機碳含量、有機質成熟度、壓力、溫度、頁巖厚度、面積、礦物成分和孔隙度等[7]。

黔北地區最有利于生成頁巖氣的頁泥巖主要層位是下寒武統牛蹄塘組(∈1n)、下志留統龍馬溪組(S1l)。這兩個巖層系頁泥巖分布面積廣泛，厚度大，有機質含量高，熱演化成都高，并且含有硅質成分，具有頁巖氣成藏的基本條件，加強這些層位的研究和勘探意義重大。

[1] 滇黔桂石油地質志編寫組.中國石油地質志[M].北京：石油工業出版社，1987.

[2] 楊劍.黔北地區下寒武統黑色巖系形成環境與地球化學研究[J].海相油氣地質，2006,(2):17-24.

[3] 周明輝，梁秋原.黔中隆起及其周緣地區“下組合”油氣地質特征[J].海相油氣地質，2006,(2):17-24.

[4] 陳蘭.湘黔地區早寒武世黑色巖系沉積學及地球化學研究[D].北京：中國科學院，2005:23-29.

[5] 郭英海,李壯福,張天模，等. 四川地區早志留世巖相古地理[J].古地理學報,2004,6(1):20-29.

[6] 梁狄剛，郭彤樓.中國南方海相生烴成藏研究的若干新進展(一).南方四套區域性海相烴源巖的分布[J].海相油氣地質，2008(2):1-16.

[7] 張金川，金之鈞，袁明生.頁巖氣成藏機理和分布[J].天然氣工業，2004,24(7):15-18.

[8] Daniel J K Ross, R Marc Bustin. Characterizing theshale gas resource potential of Devonian-Mississippianstrata in the Western Canada sedimentary basin: Application of an integrated formation evaluation[J].AAPG Bulletin, 2008,92(1):87-125.

[9] Hank Zhao, Natalie B Givens, Brad Curtis. Thermal maturity of the Barnett Shale determined from welll oganalysis[J]. AAPG Bulletin, 2007,91(4):535-549.

[10] Jarvie D M, Hill R J, Ruble T E, et al.UnconventionaIshale-gas systems: The Mississippian Barnett Shale of northcentral Texas as one model for thermogenic shalegas assessment[J].AAPG Bulletin, 2007, 91(4):475-499.

[11] Hill R J, Zhang E, Katz B J，et al. Modeling of gas generation from the Barnett Shale, Fort WorthBasin, Texas[J]. AAPG Bulletin, 2007, 91(4): 501-521.

[12] Bowker K A. Barnett Shale gas production, FortWorth Basin: Issues and discussion[J]. AAPG Bulletin,2006,91(4):523-533.

[13] Curtis J B.Fractured shale gas system[J]. AAPG Bulletin, 2002, 86(11): 1921-1938.