黔西北燕子口地區五峰組—龍馬溪組泥頁巖儲層特征

蘭葉芳，吳海枝，任傳建，孟中能，周汝賢

（貴州工程應用技術學院礦業工程學院，貴州畢節 551700）

隨著世界能源需求日益增長以及新型清潔能源的匱乏，頁巖氣作為一種較為清潔的化石能源在世界能源格局的地位顯得尤為重要，尤其是美國成功實現了頁巖氣的商業化開發［1-2］，使得頁巖氣成為世界各國關注的熱點［3］。中國針對頁巖氣相繼開展了一系列區域性及局部性的基礎研究工作［4-8］，目前雖仍處于探索實踐階段，但也初步展示了中國頁巖氣勘探的巨大資源潛力。貴州頁巖氣地質資源量為13.54×1012m3，可采資源量約為1.95×1012m3，在中國排名第三［9］，其烴源巖主要層位為震旦系陡山沱組、下寒武統牛蹄塘組、奧陶系五峰組、下志留統龍馬溪組、中泥盆統罐子窯組—火烘組、下石炭統大塘組、二疊系棲霞組—龍潭組［10］。前人研究表明，貴州省內頁巖氣烴源巖層位多、厚度大、有機質含量高、成熟度高［11］，而南方海相頁巖儲層具有構造改造強、地應力復雜、埋藏較深和地表條件特殊等特點［12-13］，受“薄積、中厚、構造復雜”等成礦規律影響［14-16］，貴州省頁巖氣開發更顯難度大、技術復雜，要實現規模化、商業化開發，迫切需要開展富頁巖氣層段精細地質研究、研發形成適應貴州復雜地質條件的頁巖氣勘探開發理論與技術體系支撐。黔西北地區的上奧陶統五峰組—下志留統龍馬溪組下段的富含有機質黑色頁巖，普遍被認為是上揚子地區最有利的頁巖氣研究對象［17］。已有的研究主要集中在古生物地層學、巖石學、巖相古地理和構造演化等方面［18］，在儲層特征、地球化學特征、埋藏熱演化等方面研究較少。筆者在研究黔西北地區五峰組—龍馬溪組黑色頁巖沉積背景基礎上，選取燕子口地區典型的下水剖面，研究其礦物組成、孔隙構成、總有機碳含量以及等效鏡質組反射率等特征，可為頁巖氣的勘探、開發提供基礎的參考資料。

1 區域地質概況

燕子口地區行政區劃上隸屬于畢節市，位于貴州省西北部，屬于上揚子地層分區。區內發育寒武系至侏羅系。中三疊統獅子山組沉積以前為海相碳酸鹽巖和碎屑巖建造，分布廣泛，而上三疊統沙鎮溪組—侏羅系均為以碎屑巖為主的陸相沉積［19］。構造位置上，研究區位于黔中隆起西北部的黔北斜坡［9］（圖1a）。受黔中隆起的影響，五峰組—龍馬溪組主要出露于畢節、遵義、石阡、銅仁一線以北，黔西北地區南部五峰組—龍馬溪組大量剝蝕，在臨近云南和川東南地區才有出露和分布。

圖1 貴州及其周緣構造分區和燕子口鎮下水剖面位置Fig.1 Structural units of Guizhou and its surrounding areas and location of Xiashui section

此次研究選取奧陶系—志留系界線清晰、地層發育連續、出露良好的燕子口地區下水剖面（距畢節市區約50 km）進行野外觀察、描述和測量（圖1b，圖2）。該剖面澗草溝組、五峰組、龍馬溪組和石牛欄組之間均未見明顯的沉積間斷，為整合接觸關系。奧陶系上統澗草溝組頂部為灰—深灰色瘤狀黏土質灰巖、含生屑灰巖（圖2a），以此與五峰組底部的黑色頁巖相區分；五峰組發育厚度約為5.1 m，以黑色紋層—薄層狀碳質頁巖為主，水平層理發育，富含筆石化石，中部發育厚度約為1 cm 的黃鐵礦氧化薄層。在奧陶系五峰組和志留系龍馬溪組兩套黑色筆石頁巖之間，發育厚度約為80 cm 的深灰色灰巖為主的地層，其中富含赫南特貝等殼相生物化石［20］，根據其所含化石，有的將其歸入五峰組，作為其頂部層位的；也有的將其單獨列出作為奧陶系的最高層位，稱之為觀音橋組的。鑒于中上揚子地區五峰組總體較薄，厚度一般為2～10 m，而其頂部富含赫南特期腕足類化石的介殼層厚度一般不超過1.5 m，僅在黔北局部地區達2.0 m以上［21］，本文將其作為廣義五峰組的頂部層位，稱之為觀音橋段（圖2b）。龍馬溪組地層厚約170 m，根據巖性變化分為上、下兩段，下段主要為連續的污手的黑色頁巖以及頁巖夾泥灰巖、泥質粉砂巖，其中黑色頁巖筆石含量豐富（圖2c），發育圓球狀黃鐵礦結核，上段主要為鈣質泥巖、粉砂質泥巖、泥灰巖以及泥質粉砂巖組成（圖2d），頂部風化嚴重，植被覆蓋，露頭不好。總體而言，以頁巖為主的下段顏色較深，而泥巖、粉砂質泥巖和泥質粉砂巖更為發育的上段顏色較淺。

圖2 燕子口地區下水剖面野外宏觀特征Fig.2 Field macro-characteristics of Xiashui section of Yanzikou area

2 沉積特征

晚奧陶世五峰期—早志留世初期，由于地殼抬升，黔中古陸擴大并與滇東古陸相連。在銅仁—湄潭—畢節一線之南的貴州大部變為陸地，僅黔北為海水淹沒。五峰組沉積中心靠近黔中隆起，主要分布在威信、納羊箐（圖3a）和遵義桐梓紅花園附近，往北五峰組下部黑色頁巖段和上部觀音橋段均表現為明顯變薄的趨勢，燕子口地區五峰組沉積厚度介于威信和納羊箐之間。威信地區五峰組觀音橋段為介殼灰巖沉積，桐梓地區則為介殼灰巖夾黑色泥巖，往北不僅厚度變薄，巖性也轉變為單一的黑色泥巖沉積［18］。從沉積環境來看，五峰組下部主要灰黑色碳質頁巖、硅質碳質頁巖，水平細層理發育，富含黃鐵礦結核，厚度小，以浮游型筆石為主，屬滯留海盆低能還原條件下的深水陸棚沉積。而到了五峰組沉積末期的赫南特冰期，海平面大幅下降，五峰組沉積的黑色筆石頁巖相被觀音橋段淺水陸棚相沉積所替代［22-23］。龍馬溪組沉積早期，隨著黔中隆起的隆升，沉積厚度中心北移，越靠近川南地區，沉積厚度逐漸增大（圖3b），粒度變細，泥質含量增加，表明海水深度增加。龍馬溪組下段主要為灰黑色頁巖和粉砂質泥頁巖的深水陸棚相沉積，頁巖中富含筆石化石和有機質，發育黃鐵礦結核，為低能強還原環境。龍馬溪組沉積晚期海平面相對有所下降，發育以粉砂質泥巖、泥質粉砂巖等為主的淺水陸棚相沉積，逐漸趨于氧化環境。整體而言，受都勻運動的影響，龍馬溪組烴源巖主要分布于遵義—畢節—石阡—江口一線以北的黔北斜坡和武陵凹陷［9］。早志留世中期—中志留世，海侵范圍有所擴大，尤其是石牛欄組沉積時期海侵規模較大，形成以碳酸鹽為主的沉積，海水清澈，珊瑚等生物繁衍，主要為開闊臺地，在隆起邊緣常出現一些生物礁灘［19］。

圖3 燕子口地區及其周緣五峰組和龍馬溪組地層厚度等值線（據文獻［25］修改）Fig.3 Stratigraphic contour map of Wufeng-Longmaxi Formation in Yanzikou area and its adjacent area（modified according to Reference［25］）

3 樣品采集和分析測試

對五峰組和龍馬溪組下段黑色頁巖層段密集采樣，其余層段稀疏采樣，采集XS01—XS40 樣品共40 件，樣品分布見圖4。在成都理工大學油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室完成薄片和陰極發光分析，其中陰極發光分析儀器為英國劍橋儀器公司CL8200MK5陰極發光儀（配以萊卡偏光顯微鏡），測試條件為束電壓12 kV、束電流300 μA。在巖石學特征研究的基礎上，挑選新鮮潔凈無污染的樣品在中國石油化工股份有限公司石油勘探開發研究院無錫石油地質研究所實驗研究中心完成掃描電鏡分析、全巖和黏土礦物X射線衍射分析、總有機碳含量（TOC）分析、鏡質組反射率分析。掃描電子顯微鏡分析執行SY/T 5162—2014 標準，鍍膜和分析采用SCD005 濺射鍍膜儀（帶CEA035 鍍碳裝置）、XL-30 掃描電子顯微鏡（放大倍數為30～100 000倍）。全巖和黏土礦物X 射線衍射分析參照行業標準SY/T 5163—2010 和中國石化企業標準Q/SH 0498—2013。總有機碳含量分析采用美國Leco CS-230 碳硫測定儀，質量要求按照GB/T 19145—2003規定執行，每批樣品分析有10%的平行樣，每隔10個樣品抽查一次。鏡質組反射率分析采用MPV-Ⅲ顯微光度計、AXIOPLAN2／MSP UV VIS-2000 顯微光譜儀，執行SY/T 5124—2012 石油天然氣行業標準。

4 結果分析

4.1 礦物巖石學特征

根據野外露頭和手標本觀測、薄片和陰極發光分析，燕子口地區奧陶系澗草溝組主要發育含三葉蟲、棘皮動物和雙殼等生物化石的泥晶生屑灰巖（圖5a，5b）；五峰組下部黑色頁巖中碳酸鹽礦物含量較高（圖5c，5d），而五峰組中上部地層中的富有機質黑色頁巖由于碳酸鹽礦物含量低而幾乎不具有陰極發光（圖5e，5f），五峰組頂部的觀音橋段為泥晶生屑灰巖，鏡下可見的生屑主要包括介形蟲、腹足、珊瑚和雙殼碎片（圖5g，5h）。龍馬溪組主要由碳質或硅質頁巖、泥質粉砂巖、粉砂質泥巖/頁巖、云灰質泥/頁巖、泥灰巖等組成。總體而言，黑色頁巖主要集中分布在五峰組下部和龍馬溪組下段，水平層理發育（圖5i），富含有機質和黃鐵礦（圖5j），五峰組下部地層和龍馬溪組上段的碳酸鹽礦物含量均較高（圖5k，5l）。

圖4 燕子口地區下水剖面綜合柱狀圖Fig.4 Stratigraphic column of the Xiashui section in Yanzikou area，northwestern Guizhou

X 射線衍射分析結果（表1，圖6）顯示，研究區五峰組（不含觀音橋段）和龍馬溪組下段的礦物主要由黏土礦物、石英和碳酸鹽礦物（方解石為主）組成，還含有少量的長石、黃鐵礦等。脆性礦物以碳酸鹽礦物和石英為主，其中，包含方解石、白云石和菱鐵礦在內的碳酸鹽礦物在巖石中的含量主要為10%～35%，平均值為22%，碳酸鹽礦物含量的最大值和最小值分別出現在五峰組底部和頂部樣品中，這與海平面在該時期不斷加深的變化趨勢相一致；石英含量為21%～41%，平均值為29%。除此之外，長石含量為2%～11%，黃鐵礦含量總體不高，但在五峰組—龍馬溪組均有發育。黏土礦物主要由伊/蒙混層（約占黏土總量的70%）和伊利石（約占黏土總量的30%）構成，部分樣品含有極少量的綠泥石和高嶺石。黏土礦物在全巖樣品中的含量為22.6%～50.8%，平均值為41%。

圖5 燕子口地區下水剖面奧陶系—志留系巖石微觀特征Fig.5 Micro-characteristics of Ordovician-Silurian rocks in Xiashui section of Yanzikou area

頁巖氣含量及其后期壓裂效果與頁巖的礦物組成息息相關，不同的礦物具有不同的物化特征。一般而言，具備商業開發條件的頁巖其脆性礦物含量高于40%［23］，黔西北燕子口地區五峰組—龍馬溪組的脆性礦物總含量為49%～77%（平均為59.4%），有利于壓裂。與川東南以及渝東南（鹿角剖面和渝頁1井）五峰組—龍馬溪組的頁巖礦物相比較而言，黔西北燕子口地區下水剖面頁巖的礦物組成具有顯著較高的碳酸鹽礦物含量，由于碳酸鹽礦物往往沉淀于溫暖干凈的淺水環境，這也印證了該地區水體相對更淺的特征，相應地，其石英和長石礦物含量低于更深水陸棚環境的黔西北遵義地區習頁1井、桐頁1井和建深1井（圖6）。

表1 燕子口地區下水剖面五峰組—龍馬溪組全巖樣品X射線衍射分析結果Table1 X-ray diffraction analysis results of whole rock samples of Wufeng-Longmaxi Formation in Xiashui section of Yanzikou area %

圖6 燕子口地區五峰組—龍馬溪組頁巖礦物組成Fig.6 Shale mineral composition of Wufeng-Longmaxi Formation in Yanzikou area

4.2 儲集空間特征

掃描電鏡分析表明，黔西北燕子口地區下水剖面五峰組—龍馬溪組儲層中微孔發育，孔隙類型主要為層間裂縫、溶蝕孔和順層縫隙（圖7），有機質結構致密，缺乏有機質孔。由于脆性礦物碳酸鹽礦物和長石具有機械抗壓實，化學易溶蝕的物化特征，因而五峰組—龍馬溪組中碳酸鹽溶蝕孔和長石溶蝕孔隙均較發育（圖7b，7c，7e），次生溶蝕孔隙的發育有效地改善了泥頁巖的儲集物性。

4.3 有機地球化學特征

4.3.1 總有機碳含量

五峰組總有機碳含量為2.89%～3.67%，平均值為3.40%；龍馬溪組下段總有機碳含量為0.38%～5.20%，具有較大的波動范圍（表2）。總有機碳含量的高值主要集中在五峰組和龍馬溪組底部。從底到頂，五峰組黑色頁巖段總有機碳含量具有逐漸減小的趨勢（3.67%減小至2.89%），龍馬溪組下段富有機質頁巖段的總有機碳含量亦呈現出比五峰組更為明顯的從下至上逐漸減小的趨勢（從5.20%減小至0.38%）。

表2 燕子口地區下水剖面五峰組—龍馬溪組有機地球化學參數Table2 Organic geochemical parameters of Wufeng-Longmaxi Formation in Xiashui section of Yanzikou area

總有機碳含量是評價烴源巖生烴潛力最常用的地球化學指標，參考海相泥質烴源巖有機質豐度的評價標準［27］，五峰組屬于好的烴源巖，龍馬溪組下段的底部頁巖為很好的烴源巖，其中部地層為中等—好的烴源巖，而其上部地層則為差烴源巖或非烴源巖層（圖8）。整體而言，五峰組—龍馬溪組總有機碳含量大于1%的中等以上的有效烴源巖的厚度約為20 m。

圖7 燕子口地區五峰組一龍馬溪組頁巖儲集空間類型Fig.7 Pore types of shale reservoir in Wufeng-Longmaxi Formation in northwestern Guizhou of Yanzikou area

圖8 燕子口地區下水剖面五峰組—龍馬溪組總有機碳含量分布Fig.8 Histogram of total organic carbon content of Wufeng-Longmaxi Formation in Xiashui section of Yanzikou area

4.3.2 有機質成熟度

鏡質組反射率是目前廣泛使用的評價烴源巖成熟度的指標之一，但是由于中國南方泥盆紀以前的海相地層中普遍缺乏高等植物［28］，因而實驗室測得的數據實際上為鏡狀體反射率，一般需要經過換算獲得等效的鏡質組反射率。研究區全巖和鏡狀體反射率的測試數據如表2 所示，采用劉祖發等［29］提出的經驗公式進行換算：設定Rom為測試所得的鏡狀體反射率，Ro為換算的等效鏡質組反射率，當Rom＜0.75%時，Ro=1.26Rom+0.21；當0.75%＜Rom＜1.5%時，Ro=0.28Rom+1.03；當Rom＞1.5%時，Ro=0.81Rom+0.18。研究區鏡狀體反射率均大于1.5%，換算結果顯示下水剖面五峰組—龍馬溪組頁巖的鏡質組反射率約為2.5%，熱演化程度高，根據中國南方黑色頁巖成熟階段劃分標準［30］，處于過成熟的干氣階段，尚具備一定的生烴能力。

5 結論

通過野外剖面觀測，室內薄片鑒定、陰極發光、X射線衍射、掃描電鏡、總有機碳含量和鏡質組反射率等分析，研究了黔西北燕子口地區奧陶系五峰組—志留系龍馬溪組儲層特征。黔西北燕子口地區潛質黑色頁巖主要發育于深水陸棚相的五峰組下段和龍馬溪組下段，以硅質頁巖和云灰質頁巖為主，普遍富含黃鐵礦，總有機碳含量大于1%的中等以上的有效烴源巖地層厚度約為20 m，其等效鏡質組反射率約為2.5%，熱演化程度高，處于過成熟的干氣階段，尚具備一定的生烴能力。五峰組—龍馬溪組下段脆性礦物含量高（平均值為59.4%），易于壓裂；由于相對遵義等地區而言，其沉積水體更淺，因而具有相對較高的碳酸鹽礦物含量（10%～35%），平均值為22%；黏土礦物含量為22.6%～50.8%，平均值為41%，主要由伊/蒙混層和伊利石構成，綠泥石和高嶺石少見。微米—納米級的層間裂縫、溶蝕孔和順層縫隙是研究區五峰組—龍馬溪組主要的儲集空間，溶蝕孔主要來源于以方解石和白云石為主的碳酸鹽礦物以及長石的溶蝕作用，而塊狀有機質較致密，有機質孔不發育。