滇東宣威地區上二疊統龍潭組頁巖氣成藏條件分析

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(云南煤層氣資源勘查開發有限公司，云南曲靖 655000)

頁巖氣是潛力巨大的非常規天然氣資源，煤系頁巖氣是頁巖氣的重要類型之一，煤系泥頁巖具備較好的聚集和成藏潛力[1]。目前我國煤系頁巖氣尚處于勘查起步階段，頁巖氣理論研究集中于海相頁巖的成藏過程、富集地質條件、儲層評價等方面[2-4]，較少涉及煤系頁巖氣。滇東宣威地區是云南省煤炭、煤層氣資源勘探開發的重要區域，該區煤炭資源主要產于二疊系[5-6]，含煤巖系中發育多套有機質泥頁巖。隨著煤系頁巖氣的深入研究[7-9]，宣威地區也逐步開展了二疊系龍潭組頁巖氣的基礎勘探工作，其中龍潭組泥頁巖具有厚度大、連續性好、分布范圍廣、有機質豐度高等特征，是一套好的氣源巖，但研究較淺，成果較少。因此，本文以滇東宣威地區上二疊統龍潭組為例，從地球化學特征分析入手，對已發現氣藏進行了深入解剖，總結了宣威地區龍潭組頁巖氣形成的地質條件，明確了頁巖氣的成藏特征和重點勘探方向，以期為頁巖氣資源評價和煤系非常規氣共采提供地質依據。

1 區域地質背景

滇東宣威地區位于揚子準地臺滇東臺褶帶曲靖臺褶束牛首山隆起之東緣，巖層產狀平緩，大都在15°～30°之間，斷裂發育，斷裂之間發育著寬緩的短軸褶曲和斷陷盆地[10-11]。區內主要斷層是北東向尋甸—宣威斷裂和近南北向富源—彌勒斷裂，這兩條斷層不僅規模大，而且在地質歷史中長期發展，對區內的地層發育和沉積相的分布具有明顯的控制作用(圖1)。

龍潭組為晚二疊世陸相沉積[12]，在宣威一帶該地層稱為龍潭組，按巖性組合可分為兩個巖性段：下段為鋁土巖，上段為含煤段。鋁土巖段厚40.3 m，上部為深灰色中厚層狀膠磷礦雜砂巖，中部為灰、灰紫色、灰白色中厚層狀水鋁石、膠鋁礦、鋁土礦巖、假鮞粒鋁土礦巖夾粉砂巖，下部為紫紅色褐鐵礦化砂巖，底部為玄武質礫巖。與下伏的玄武巖組呈平行不整合接觸。含煤段厚約41.9 m，為灰、灰黃色細粒巖屑砂巖夾泥質粉砂巖、粉砂質泥巖、炭質泥巖及四層煤，煤層厚0.41～1.00 m，含豐富的植物化石[13]。

2 宣威龍潭組頁巖氣成藏條件分析

2.1 龍潭組泥頁巖分布規律

上二疊統是云南東部最主要的含煤地層，在整個滇東地區分布廣泛，發育完好，含化石豐富。受抬升剝蝕影響，區內龍潭組沉積較為分散，主要集中在研究區北部和東部區域，為過渡相沉積，巖性為過渡相靠陸相的泥巖夾砂巖，與貴州的水城、盤州市沉積相近。據區域地質志和實測剖面統計，龍潭組總厚介于134.53～321.87 m之間，暗色巖系厚度基本都大于100 m，平均達到161.95 m，其中暗色泥巖厚度平均在63 m左右，泥質粉砂巖厚度平均在76 m左右，泥地比平均達73.82%(表1)。潛質頁巖分布較為穩定，各個層段厚度變化較小，總厚平均為114.32 m。宣威地區龍潭組暗色巖系主要分布在底部，單層泥頁巖厚度最大可達16.8 m，泥頁巖累計連續厚度主體介于15～40 m之間，最大為57 m，具有良好的生氣物質基礎。結合區域周邊地區泥頁巖的發育情況[14]，泥頁巖厚度往富源及東北部的文興一帶逐漸增大(圖2)。

圖1 滇東宣威地區構造區劃Fig.1 Tectonic of Xuanwei region in the southern of Yunnan

表1 龍潭組/龍潭組厚度統計Table 1 The thickness of Longtan formation

續表

圖2 龍潭組暗色泥頁巖累計厚度分布Fig.2 Cumulative thickness distribution of Longtan dark shale

2.2 龍潭組泥頁巖有機地化特征

有機質類型對頁巖氣的吸附率和擴散率均有影響[15]。上二疊統龍潭組暗色泥頁巖TI值在-62.5～11.25之間，有機質類型以Ⅲ型為主，并出現Ⅱ2型(表2)。龍潭組黑色泥頁巖顯微組分以殼質組、鏡質組及惰性組為主，腐泥組含量極少。

表2 龍潭組樣品干酪根類型測試成果Table 2 Kerogen type of Longtan formation

注：依據標準為SY/T 5125—1996。

泥頁巖中有機質是形成頁巖氣的物質基礎，決定著生烴量的多少[16-17]。通過對扒弓煤礦63塊頁巖樣品的總有機碳含量(TOC)測試表明，龍潭組泥頁巖TOC在0.90%～18.87%之間(TOC異常樣可能受煤層影響)，平均值為4.16%，基本大于2.00%，其中有42.86%的樣品TOC在2.00%～4.00%，31.75%的樣品的TOC大于4.00%(圖3)，表明龍潭組潛質頁巖的有機碳含量較高。

圖3 龍潭組頁巖有機碳含量頻率分布Fig.3 Organic carbon content frequency distribution of Longtan formation shale

此外，根據同組煤的鏡質組反射率測試結果，龍潭組鏡質組反射率介于1.07%～1.51%之間，平均值為1.22%(表3)，屬于中等成熟度，處于生氣窗?？傮w而言，龍潭組具有較好的生烴條件。

表3 頁巖樣品鏡質體反射率測試結果Table 3 Vitrinite reflectance of Longtan formation

2.3 龍潭組泥頁巖儲層特征

2.3.1 頁巖礦物組成

宣威地區龍潭組巖性主要為灰黑色泥頁巖、砂質泥巖夾灰色砂巖、泥質灰巖和煤層。樣品全巖及黏土礦物X射線衍射分析試驗表明，泥頁巖的礦物組成主要以黏土和石英為主。 黏土礦物含量為14.6%～50.8%，平均含量為31.3%，以蒙皂石和綠泥石為主，其中蒙皂石含量達到60.33%，綠泥石約為16.55%；石英含量為16.8%～42.6%，平均含量為26.2%，另含有少量長石、方解石、黃鐵礦等(圖4)。石英和碳酸鹽巖等脆性礦物含量是影響頁巖基質孔隙和微裂縫發育、含氣性及壓裂改造的重要因素，石英含量越高，泥頁巖的脆性越好。根據頁巖脆性系數計算公式：BI=(WQ+WC)/(WQ+WC+WCl)×100%，其計算結果表明，區內龍潭組頁巖儲層的脆性指數達到53%，有很好的壓裂改造潛力。

圖4 龍潭組頁巖礦物成分及含量Fig.4 Mineral composition and content of Longtan formation shale

2.3.2 頁巖儲集物性特征

頁巖的儲集物性包括孔隙類型及結構、裂縫發育特征等。上二疊統龍潭組泥頁巖孔隙類型以有機質孔、粒間孔(脆性礦物、黏土礦物)、粒內孔和溶蝕孔為主[18](圖5)。頁巖有機質孔是在有機質埋藏及熱演化過程中形成的，在頁巖中極為發育，孔徑在幾十至幾百納米之間，為頁巖氣的賦存提供了大量的比表面積；礦物粒間孔是泥頁巖在沉積成巖過程中發育在礦物顆粒之間的孔隙類型，主要分散于黑色頁巖片狀黏土和粉砂質顆粒間，大小在100 nm至3 μm，孔隙之間連通性較好；粒內孔發育在顆粒的內部，大多數是成巖改造形成的，孔徑在十幾到幾百納米之間，呈散點狀分布；溶蝕孔隙主要由石英、長石溶蝕等作用形成，有的呈四邊形，有的形狀不規則，孔徑一般在40～200 nm之間。頁巖基質中存在許多不同大小和不同形狀的微孔隙和微裂隙，常表現為黏土礦物裂開縫、脆性礦物裂開縫或黏土礦物與脆性礦物接觸縫，為頁巖氣提供了豐富的賦存、運移空間[19-20]。

圖5 龍潭組頁巖孔隙發育特征Fig.5 Pore characteristics of Longtan formation shale

2.3.3 頁巖含氣性特征

頁巖氣主要以吸附態和游離態賦存于低孔、低滲的泥頁巖中，其中吸附氣主要吸附于黏土礦物、有機質、干酪根顆粒及孔隙表面上，游離氣主要填充于孔隙與裂隙中[3]。為了探討龍潭組富有機質黑色頁巖對甲烷的吸附能力，對4個頁巖樣品進行頁巖等溫吸附氣試驗。結果表明，30 ℃下，泥頁巖吸附氣含量隨著壓力的增大而增大，在壓力較低時，吸附氣含量增速較快，在壓力足夠大時，吸附趨于飽和，達到最大吸附量。龍潭組泥頁巖最大吸附量介于1.71～3.93 cm3/g之間，平均可達2.91 cm3/g(圖6)。吸附氣含量相對較高，具有較大的勘探前景。

圖6 龍潭組黑色頁巖等溫吸附曲線Fig.6 Isothermal adsorption curves of Longtan formation shale

3 宣威龍潭組頁巖氣勘探評價

宣威地區具備頁巖氣成藏的基本條件，通過野外地質調研、樣品試驗測試等手段，綜合考慮龍潭組出露地層及產狀、構造形態、斷裂發育情況、頁巖有效厚度及頁巖含氣性等因素，優選出宣威以北的區域為龍潭組頁巖氣勘探有利區，該區龍潭組泥頁巖厚度在100 m以上，有機地化條件較好，構造相對簡單，斷層發育較少，有利于頁巖氣的富集和保存，具有較好的頁巖氣勘探潛力。

4 結論

(1)滇東宣威地區上二疊統龍潭組為陸相沉積，按巖性分為鋁土巖和含煤段，鋁土巖段厚40.3 m，以鋁土礦和灰白色粉砂巖為主；含煤段厚約41.9 m，為灰、灰黃色細粒巖屑砂巖夾泥質粉砂巖、粉砂質泥巖、炭質泥巖及四層煤，含豐富的植物化石。

(2)龍潭組總厚介于134.53～321.87 m之間，暗色巖系厚度平均達到161.95 m，其中暗色泥巖厚度平均在63 m左右，泥質粉砂巖厚度平均在76 m左右，泥地比平均達73.82%，具有良好的生氣基礎。

(3)龍潭組泥頁巖有機碳含量高、熱演化程度中等；脆性礦物含量高，孔裂隙極為發育；頁巖含氣性較高，含氣量平均為2.91 cm3/g；宣威地區構造相對簡單，具備較好的頁巖氣成藏條件。

(4)綜合考慮龍潭組地層厚度、有機地化、含氣性以及區域構造、斷裂等因素，優選出宣威以北地區為龍潭組頁巖氣勘探的有利區帶，具有較好的勘探潛力。