黔西北區下志留統龍馬溪組頁巖氣聚集條件

劉 沖，張金川，唐 玄，王中鵬，陳 前

(中國地質大學，北京 100083)

引 言

國際上，頁巖氣地質研究熱潮已經興起，頁巖氣已經成為能源的新寵。頁巖氣是指主體以吸附和游離狀態賦存在暗色泥頁巖或高炭泥頁巖中的天然氣聚集[1]。頁巖氣復雜的生成機制、賦存相態、聚集機理和富集條件等，使其具有明顯的地質特殊性[1-2]。

黔西北地區基本屬于油氣空白區，除部分固體礦產井鉆探到頁巖目的層位外，只有少量的常規油氣井，該地區富含有機質頁巖，與美國主要產氣頁巖相比，具有埋深適中、有機碳含量適中、熱演化程度高、含氣量高等特點[3-13]，黔西北地區下志留統龍馬溪組頁巖氣資源潛力值得期待。

1 區域構造沉積背景

貴州境內地殼的大地構造格架按基底性質差異劃分為揚子陸塊和華南褶皺系2個一級構造單元，黔西北區位于黔中隆起區和滇黔北坳陷區，在大地構造上屬于揚子板塊。黔中隆起位于貴州中部，北接滇黔北部凹陷，南鄰黔南坳陷，西南為滇東隆起，東北是武陵坳陷[3]。

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，是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陸棚海局限盆地，隆起邊緣主要為淺海陸棚、深水陸棚，向中部過渡為陸棚海局限盆地，地層厚度由南往北逐漸增厚?？傮w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。

2 龍馬溪組有效泥頁巖空間分布

龍馬溪組泥頁巖主要分布在遵義—畢節以北地區，從北向南厚度減薄。北部赤水地區龍馬溪組泥頁巖最發育，厚度達50 m，近東西向展布，與上覆新灘組、下伏五峰組均為連續整合接觸。其中習水縣境內習頁1井鉆遇龍馬溪地層210.93 m，頂部灰黑色砂質頁巖與灰色灰巖條帶互層，部分灰巖中可見生物化石，部分灰巖中有裂隙，內有方解石和石英充填;中段黑色粉砂質、鈣質頁巖，層理清晰，富含筆石綱化石;底部灰黑色粉砂質、炭質頁巖，層理清晰，炭質頁巖較黑、輕，染手，泥頁巖厚度約為24 m。桐梓縣桐頁1井鉆遇龍馬溪地層182.95 m，上部為深灰色粉砂巖及粉砂質泥巖，下部為淺灰—灰黑色頁巖，灰黑色砂質頁巖、黑色炭質頁巖，泥頁巖厚度約為19 m。

龍馬溪組埋深主體位于1 000～3 000 m，其中習頁1井于井深433.19 m處進入下志留統龍馬溪組，644.12 m處進入上奧陶統五峰組;桐頁1井于井深477.7 m處進入下志留統龍馬溪組，660.15 m處進入上奧陶統五峰組，埋藏深度適中。

3 龍馬溪組頁巖氣聚集條件

3.1 龍馬溪組泥頁巖有機質豐度和成熟度

龍馬溪組泥頁巖有機碳含量為1.5%～3.5%，半數以上樣品大于1.5%。習頁1井龍馬溪組泥頁巖有機碳含量為0.34%～6.73%，變化幅度較大，平均值為1.53%(表1)。研究表明，習頁1井龍馬溪組有機碳含量高的層段集中在620～644 m處的炭質頁巖，越接近地層底部，有機碳含量越高。平面上，有機碳含量分布呈南部低、北部高的趨勢，高有機碳含量主要位于北部習水縣、桐梓縣地區，有機碳含量均超過2.0%，部分地區峰值超過3.5%。

表1 黔西北地區有機地球化學參數

龍馬溪組泥頁巖總體演化程度較高，全區未見成熟度小于2%的區域，主體位于2.0% ～3.0%。習頁1井龍馬溪組泥頁巖有機質成熟度為2.58%～3.96%，平均值為3.31%，普遍較大(表1)。平面上，有機質成熟度整體從黔西北區南部向北部逐漸增大，在習水縣附近達到最高，約為3.2%。

黔西北地區下志留統龍馬溪組海相成因泥頁巖有機質成熟度普遍大于2.0%，已進入高成熟—過成熟階段，處于成熟晚期生氣狀態。

3.2 龍馬溪組泥頁巖儲滲條件

區域調查和地質鉆井表明，泥頁巖結構致密，孔隙發育較差。龍馬溪組泥頁巖樣品有效孔隙度為0.6% ～4.4%，平均為1.78%;滲透率為0.006 6×10-3～0.109 8×10-3μm2，平均為 0.037 8×10-3μm2(表2)。與北美商業開采的頁巖氣孔隙度(2% ～10%)、滲透率(1×10-13～10×10-7μm2)值相比，孔隙度較大，滲透率較高。

表2 習頁1井有效孔隙度和滲透率隨深度變化數據

掃描電鏡表明，龍馬溪組泥頁巖內部存在大量微孔隙和微裂縫，顆粒表面存在大量溶蝕孔(圖1)。膠結物以伊利石、綠泥石和伊蒙混層礦物為主，孔隙中充填有大量的黏土礦物和有機質。有機孔多呈凹坑狀、網狀、蜂窩狀，內部具有一定的連通性，有效地改善了泥頁巖的儲集物性，有利于頁巖氣的運移和賦存。

圖1 習頁1井下志留統龍馬溪組泥頁巖孔縫發育特征

3.3 龍馬溪組泥頁巖礦物含量

頁巖的開采主要采用大型水力壓裂，因此頁巖的脆性和硬度對頁巖氣的開采具有重要意義。龍馬溪組泥頁巖礦物組成中，脆性礦物含量較高，石英含量為37% ～52%，石英、長石總量的平均值約為50%，方解石和白云石總量平均值為12%～23%，最高含量可達80%以上(表3)。與美國商業開采頁巖氣石英含量(27% ～48%)相比，黔西北地區泥頁巖具有更好的脆性和更大的硬度，水力壓裂容易產生大的裂縫網絡，有利于商業開采。

3.4 龍馬溪組泥頁巖含氣性

習頁1井龍馬溪組現場共完成了22塊樣品的解吸實驗。22塊樣品中的含氣量呈整體上升的趨勢，隨著深度的增加，解吸氣量總體趨勢逐漸增加，644 m時達到峰值4 892 mL，即解吸氣量最高段位于龍馬溪組底部。

表3 黔西北區頁巖全巖定量分析結果

通過計算得到，習頁1井下志留統龍馬溪組富有機質泥頁巖樣品的解吸氣含氣量大致為0.629～2.814 m3/t，通過直線趨勢擬合法對損失氣量做線性回歸分析，最終計算頁巖總含氣量為0.741～3.318 m3/t，再考慮到裝罐時間較長、損失氣量較多、解吸實驗未完全完成等原因，參考已有的解吸曲線，推測頁巖含氣量應為1.0～4.0 m3/t。習頁1井現場解吸氣樣解吸氣組分均以CH4為主，平均含量約為86.15%，此外解吸氣內還有微量C2H6及混入的少量O2和N2，完全符合工業開采標準。

4 龍馬溪組頁巖氣聚集條件討論

與美國主要含氣頁巖相比，黔西北地區下志留統龍馬溪組泥頁巖具有埋深適中、凈厚度大、有機碳含量適中、熱演化程度高、孔隙度大、吸附氣含量適中、含氣量高等特點，頁巖氣聚集條件總體較為優越，具有良好的勘探潛力(表4)。

綜合泥頁巖分布、有機地球化學指標和含氣性等因素，海相頁巖氣有利區優選標準要求泥頁巖厚度穩定且單層厚度不小于10 m，埋深為300～4 500 m，有機碳含量不小于1.5%，成熟度不低于1.2%，總含氣量大于0.5 m3/t，地形高差較小并且具有中等—好的保存條件。綜合黔西北地區泥頁巖分布、泥頁巖有機地球化學指標和含氣性等因素，優選有利區為赤水市—習水縣—桐梓縣—仁懷市地區(圖2)。該地區下志留統龍馬溪組泥頁巖厚度為10～50 m，赤水市附近達到50 m;有機碳含量普遍大于2.0%，桐梓縣以北高達3.5%;成熟度為2.2%～3.2%;習頁1井解析實驗顯示泥頁巖含氣量高，資源前景良好。

表4 中美含氣頁巖特征對比

圖2 黔西北地區下志留統龍馬溪組頁巖氣有利區預測

5 結論

(1)黔西北地區下志留統龍馬溪組泥頁巖層系空間分布受構造及古地理影響明顯，僅在北部分布，厚度為10～50 m，凈厚度大，從北向南逐漸減薄。

(2)黔西北地區下志留統龍馬溪組海相泥頁巖有機碳含量為1.5% ～3.5%，習頁1井龍馬溪組有機碳含量高的層段集中在620～644 m處的炭質頁巖，越接近地層底部，有機碳含量越高。有機質成熟度偏高，普遍大于2.0%，整體進入成熟和過成熟階段，處于成熟晚期生氣狀態。

(3)黔西北地區下志留統龍馬溪組泥頁巖有效孔隙度和滲透率分別為1.78%和0.037 8×10-3μm2，發育大量有機孔、溶蝕孔和微裂縫，有效地改善了儲集物性;碎屑礦物如石英、長石等含量較高，水力壓裂容易產生大的裂縫網絡，有利于商業開采。

(4)黔西北地區習頁1井下志留統龍馬溪組泥頁巖現場解析實驗表明，龍馬溪組富含有機質泥頁巖，含氣性高，推測含氣量為1.0～4.0 m3/t，而且其中甲烷含量較高，具有良好的勘探潛力。

(5)綜合泥頁巖厚度、埋深、有機碳含量、有機質成熟度及含氣性等因素，優選出赤水市—習水縣—桐梓縣—仁懷市地區為頁巖氣發育有利區。

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