滇東北龍馬溪組頁巖氣成藏條件分析

蔣天國，劉勝彪，孫 雄，毛 林

(云南煤層氣資源勘查開發有限公司，云南 昆明 650031)

引 言

非常規油氣藏的勘探開發正改變著世界能源格局[1]，中國近年來在煤層氣、致密砂巖氣、頁巖氣、天然氣水合物等非常規能源方面發展迅速[2-6]。目前，頁巖氣已成為全球研究熱點，中國在頁巖氣研究上加大投入[7-10]。國家“十二五”規劃明確提出，云南等省市為頁巖氣資源勘探開發的重點工作目標區，云南昭通地區納入國家頁巖氣資源勘探開發區。云南省目前僅在滇東北及滇東地區實施了少量頁巖氣淺井和調查井，未做更為深入的成藏條件研究。針對滇東北地區下志留統龍馬溪組，從其沉積演化、源巖空間展布及儲層特征等方面分析頁巖氣成藏條件，為后期全面勘探開發提供基礎依據。

1 地質背景

云南省處在特提斯構造域與環太平洋構造域的交接復合部位，印度板塊與歐亞板塊的碰撞接觸地帶東側，并受到太平洋板塊的影響，因此構造十分復雜[11-12]。滇東北地區為小江斷裂之東北、彌勒斷裂之北西的云南省東北部地區，位于揚子地臺西南緣、攀西裂谷(或康滇地軸)主干斷裂—小江斷裂帶東側，大地構造位置屬于揚子準地臺下的滇東臺褶帶，發育滇東北臺褶束與會澤臺褶束2個三級單元。滇東北地區巖漿巖由西向東減薄，沿小江斷裂兩側發育，在鎮雄地區完全消失。滇東北地區北部的鹽津縣、威信縣地區玄武巖分布少，斷裂分布較少，構造相對穩定，可作為頁巖氣成藏有利區來深入研究[13]。從構造展布看，滇東北地區構造帶主要為3個方向:南北向、北西向和北東向。

南北向構造:小江斷裂帶與昭通—曲靖隱伏斷裂構成的南北構造帶，形成時間較早，多期性活動特征明顯，特別是小江深大斷裂帶控制著滇東北地區沉積建造、巖漿活動、構造演化及巖相古地理特征。北西向構造:主要為婭都—紫云斷裂帶，由一系列北西向斷裂組成，對古生代地層、二疊紀晚期的峨眉山玄武巖漿噴發具有明顯控制作用。北東向構造:主要發育于小江斷裂和昭通—曲靖隱伏斷裂之間，控制著該區中生代沉積建造和巖相古地理特征。

2 頁巖氣成藏條件分析

2.1 沉積環境

龍馬溪組在滇東北僅分布于鎮雄—彝良—炎山以北地區，該區屬揚子海西南緣，海水由北東方向侵入，早志留世時期海水后撤至昭通、彝良、鎮雄一線以北，在近海平原接受物源沉積[14](圖1)。早志留世龍馬溪期，滇東北地區主要為滯流還原環境的淺水陸棚相，沉積物橫向變化大，化石以筆石為主，局部含少量腕足類、三葉蟲和珊瑚。在其北部鹽津、大關一帶為中心的地區，龍馬溪組中上段巖層碳酸鹽含量增高，出現較多的微晶灰巖、泥灰巖等;南部的鎮雄兩河口一帶出現較多砂質巖石，顯示近岸特點[15-17]。滇東北地區靜水還原環境的淺水陸棚相下發育的龍馬溪組由一套深色的泥頁巖、粉砂質巖夾炭質、砂泥質炭酸鹽巖薄層組成，炭質含量向東增加，由東向南有砂質增多趨勢，水平層理、紋層發育，普遍含黃鐵礦晶粒，可以為頁巖氣儲集空間提供條件[18]。

圖1 龍馬溪組黑色頁巖厚度及TOC含量等值線

2.2 源巖空間展布規律

昭通市永善縣黃華鎮殷家灣剖面(ZM)為本次實測完整剖面，其龍馬溪組下段巖性主要為黑色鈣質頁巖、炭質頁巖，富含筆石化石(圖2)，中上段主要為灰綠色鈣質頁巖、粉砂質頁巖。TOC含量在下段最大，且均大于2%，向上逐漸變小，中上段均小于1%。黑色頁巖厚度為80.95 m，其中TOC＞2.0%的厚度為60.99 m，占黑色頁巖厚度的75.34%。

昭通市鹽津縣豆沙關鎮柿子鄉剖面(ZY)見底未見頂，其龍馬溪組下段巖性主要為中—厚層黑色頁巖(圖2c)，中上段主要為厚層黑色泥灰巖(圖2d)。下段黑色頁巖TOC含量普遍較上段高，在鈣質頁巖段向上TOC含量逐漸減小。黑色頁巖厚度為41.45 m，其中TOC＞2.0%的厚度為20.30 m，占黑色頁巖厚度的48.97%。

圖2 露頭剖面特征

滇東北龍馬溪組厚度總體趨勢為自南東向北西增厚，在威信一帶黑色頁巖最薄，在鹽津一帶最厚，可達140 m(圖1)。樣品采自露頭剖面，因TOC含量受風化作用影響，需要對TOC含量進行校正。參考前人對西寧盆地油頁巖、羌塘盆地泥巖、沁水盆地泥巖、川西北中壩地區中三疊統、蘇皖地區寒武系—下三疊統等地表風化樣TOC校正系數[19-20]，本次 TOC 校正系數采用 2.0，后文 TOC皆為校正后數值。樣品TOC含量為0.32%～5.04%，TOC＞2.0%樣品占總樣品個數的34.8%，TOC＞3.0%樣品占總樣品個數的17.4%。

滇東北龍馬溪組黑色頁巖主要發育在其下段，且TOC含量在下段最大，黑色頁巖中TOC＞2.0%的平均占黑色頁巖總厚度的62.16%。TOC含量由西南向北東方向增大，在鹽津縣西北、威信縣以北地區TOC含量高，普遍大于2%，有利于頁巖氣成藏。

2.3 源巖儲層特征

滇東北地區龍馬溪組下段主要為黑色鈣質頁巖、炭質頁巖，富含筆石化石，筆石多為細長形態，分布密集，可見彎曲耙筆石;中上段主要為灰綠色鈣質頁巖、粉砂質頁巖、灰黑色泥灰巖，筆石化石含量漸少，分布稀疏，筆石形態長短不一。選取實測完整剖面(ZM)對龍馬溪組頁巖儲層特征進行詳細研究。

2.3.1 礦物組成

研究表明，滇東北龍馬溪組頁巖中黏土礦物及石英占主體，黏土礦物平均含量為39.51%(22.10% ～58.30%)，石英平均含量為28.51%(21.80%～40.20%)，且縱向分布較均勻，方解石、白云石含量次之，分別平均為 16.39%、8.04%。黏土礦物成分主要為伊蒙混層，平均為50.5%，伊利石、高嶺石次之，分別平均為30.0%、14.5%，綠泥石最低，平均為5.0%。

對ZM剖面下段22個TOC＞2%的頁巖樣品進行全巖X衍射分析表明，黏土礦物質量分數平均值為39.51%，脆性礦物(石英+長石+黃鐵礦)平均質量分數為36.07%，碳酸鹽礦物(方解石+白云石)平均質量分數為24.42%。剖面由底到頂，黏土礦物、碳酸鹽巖含量總體降低，石英含量逐漸增加，黃鐵礦含量逐漸減少，明顯分為A、B 2段。B段與A段相比較而言，TOC、黏土礦物、碳酸鹽巖及黃鐵礦含量呈降低趨勢，但石英含量相對增大(圖3)，且A段TOC平均大于2%。

圖3 ZM剖面龍馬溪組綜合分析柱狀圖

頁巖中礦物含量對頁巖力學性質、儲層物性和含氣量等均有重要影響。滇東北地區龍馬溪組頁巖脆性礦物較高，鈣質頁巖分布較多，缺乏蒙脫石等膨脹性黏土礦物，對后期人工壓裂造縫有利。

2.3.2 孔隙分布特征

根據壓汞實驗分析認為龍馬溪組頁巖氣儲層儲集空間由超大孔、大孔、中孔、過渡孔和微孔5種類型組成，過渡孔及微孔是龍馬溪組頁巖孔隙主要組成部分(圖4)。各樣品進退汞曲線及階段進汞量曲線差別很大(圖5)，基本可以分為3種類型。ZM-1、ZM-2屬于第1類，該類曲線有寬大的滯后環，進汞量與退汞量相差大，并且退汞曲線有所上凸或有所下凹;表明在測試孔徑范圍內，樣品的孔隙多為開放孔，孔隙之間有很好的連通性(退汞曲線初始為上凸或水平，表明這階段以開放孔、平行板狀孔為主)，這種孔隙結構有利于頁巖氣的解吸、擴散和滲透。ZM-12、ZM-15屬于第2類，該類曲線有較寬的滯后環，進汞量與退汞量相差較大;表明在所測的孔徑范圍內，樣品的孔隙中較多開放孔，孔隙之間有較好連通性，這種孔隙結構對頁巖氣的解吸、擴散和滲流較為有利。ZM-8、ZM-19、ZM-23屬于第3類，該類曲線的滯后環較窄，進汞量和退汞量相差較小;表明在所測試的孔徑范圍內，樣品中開放的孔隙較少，孔隙之間的連通性較差，這種孔隙結構對頁巖氣的解吸、擴散和滲流較為不利。從底到頂，龍馬溪組頁巖孔隙開放性依次變差，頁巖氣的解吸、擴散和滲透性能逐漸變差，表明龍馬溪組下段可以作為有利開發層段考慮。

2.3.3 孔隙結構特征

天然裂隙和孔隙度是頁巖儲層的重要參數，天然裂隙的發育直接影響到頁巖儲層滲透的大小和方向[21-22]。通過鏡下觀察，滇東北地區富有機質泥頁巖發育豐富的孔裂隙，主要孔隙為粒內孔(脆性礦物、黏土礦物)、粒內溶蝕孔、晶間孔和粒間孔等類型。

圖4 ZM剖面龍馬溪組頁巖壓汞階段注入量與孔徑關系

圖5 ZM剖面龍馬溪組頁巖進退汞量與孔徑關系

粒間孔通常發育于礦物顆粒接觸處，多呈多角形和拉長型，多數為原生孔隙，呈分散狀分布于基質中。分析認為，多角形孔多為軟硬顆粒間經壓實膠結后剩余的孔隙空間;線型孔多與層狀黏土礦物有關[23-26]。圖6a中礦物團粒堆積于溶蝕孔內，粒間孔極為發育，表面多見納米孔，其右下方可見黏土礦物成巖作用形成的成巖收縮孔，具有代表性。粒內孔發育在顆粒的內部，大多數是成巖改造形成的，部分是原生的。圖6b在石英晶體集中發育處形成，多見于石英晶體、黃鐵礦晶體等礦物晶體間，以納米孔為主，邊緣多見粒內孔及溶蝕孔裂縫。圖6c中發育不同尺度粒內溶蝕孔，多為納米級，基本以某一點為中心呈串珠彎曲狀發育，孔隙連通性較好，比表面積大。一般形成于重結晶作用過程中，孔隙比較規則，形狀受礦物結晶習性制約，常呈網格狀、長條狀、葉片狀與縫隙狀。研究區黑色頁巖黃鐵礦及石英礦物發育晶間孔較多。圖6d中破碎顆粒表面發育有大量石英晶體，石英晶體比較集中，晶體間存在大量的孔隙。

圖6 ZM-15樣品掃描電鏡下孔隙觀測照片

2.4 有利區初步預測

黑色頁巖厚度對有利區優選有著重要的影響，一般黑色頁巖厚度越大越好。滇東北地區龍馬溪組黑色頁巖厚度在威信縣及鹽津縣均大于30 m;TOC含量由南西向北東逐漸增大，在威信縣及鹽津縣均大于2%;從實測剖面看，滇東北地區龍馬溪組在威信縣地區遭受剝蝕程度較大，在鹽津縣地區受剝蝕程度小，且斷裂發育少，構造相對穩定。因此，鹽津縣地區為優選有利區，威信縣地區次之。

3 結論

(1)龍馬溪組在滇東北僅發育在昭通以北地區，自南東向北西逐漸增厚。黑色頁巖厚度為20～120 m，其中TOC＞2.0%的層段厚度為20～60 m，平均占黑色頁巖厚度的62.16%。在威信地區發育黑色頁巖最薄，鹽津地區最厚。TOC由南西向北東方向增高，在鹽津、威信地區普遍大于2%。建議以鹽津縣地區為勘探開發重點，威信地區次之。

(2)滇東北龍馬溪組下段巖性主要為黑色鈣質頁巖、炭質頁巖，富含筆石化石;中上段主要為灰綠色鈣質頁巖、粉砂質頁巖、灰黑色泥灰巖，筆石化石含量漸少，分布稀疏。

(3)由底到頂，滇東北龍馬溪組頁巖中黏土礦物、碳酸鹽巖含量總體降低，石英含量逐漸增加，黃鐵礦含量逐漸減少，且TOC在其下段最大。

(4)過渡孔及微孔是組成滇東北龍馬溪組頁巖孔隙的主要部分，主要發育粒內孔、粒內溶蝕孔、晶間孔和粒間孔等類型。從底到頂，龍馬溪組頁巖孔隙開放性依次變差，頁巖氣的解吸、擴散和滲透性能逐漸變差，可以將龍馬溪組下段作為開發有利層段。

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