黔南坳陷二疊紀玄武質火山活動對含煤泥頁巖儲層的影響

李欣誠，侯宇光，陳振宏，何 生，梁雅琪，劉宇坤，宋穎睿，余 銳

(1.中國地質大學(武漢) 構造與油氣資源教育部重點實驗室，武漢 430074；2.中國石油天然氣集團有限公司 勘探開發研究院，北京 100083；3.湖北省地質實驗測試中心，武漢 430034；4.中國科學院 地質與地球物理研究所，中國科學院 油氣資源研究重點實驗室，北京 100029)

頁巖氣是富集于泥頁巖及夾層中、連續分布、自生自儲的游離或吸附態氣體[1-3]。我國頁巖氣開發起步雖晚，卻是繼美加之后第三個形成規模和產業的國家，我國頁巖氣資源大約有23.5×1012m3[4]。頁巖氣主要儲集在孔隙和微裂縫中[5]，富有機質泥頁巖中基本都存在有機孔隙[6-7]，在有機質中發現孔隙后，有機質才被認為是孔隙網絡的貢獻者。自這一發現以來，大量的研究致力于識別和表征頁巖內部的重要微觀結構特征，這些特征最終會反映泥頁巖生烴和儲存能力[3-4]，因此研究泥頁巖儲層的孔隙結構特征具有十分重要的意義。近年來，國內外的學者對富有機質泥頁巖孔隙做了大量的研究工作，尤其在泥頁巖儲層孔隙表征、孔隙成因、孔隙定量評價和預測等方面取得了突破性的進展，但對含煤泥頁巖層系在火山活動的影響下的孔隙特征、生烴能力、物質組成等研究較少。

火山活動是影響頁巖生烴的重要因素，泥頁巖儲層的發育和破壞與巖漿侵入的距離、侵入體的厚度、侵入時間、熱導率等有著密切的關系[5-12]。火山活動帶來的熱源對泥頁巖儲層會產生重要的影響，一方面可以加速烴源巖的成熟，另一方面也可以影響頁巖儲集體的孔隙發育。本文以黔南坳陷二疊紀峨眉山玄武巖對龍潭組泥頁巖的影響為例，研究了火山活動對含煤泥頁巖生烴、礦物成分、儲層孔隙結構等的影響。

1 區域地質概況

黔南坳陷屬于滇黔桂含油區內的一個次級構造單元(圖1)，處于特提斯和濱太平洋2大構造域的疊合部位，面積約為4.7×104km2[13-14]。黔南坳陷是一個由震旦系、古生界和三疊系充填的殘留盆地。黔南坳陷北部以貴陽—鎮遠斷裂帶與黔中隆起為界，西以紫云—羅甸—南丹—都安斷裂帶與羅甸坳陷為界，東部以銅仁三都斷裂與雪峰隆起為界，整體呈較完整的三角狀展布[13-14]。

圖1 峨眉山玄武巖及研究區分布(a)、黔南坳陷區域構造單元劃分(b)、AS-1井巖性柱狀圖及樣品位置(c)

本文研究對象為黔南坳陷西北部AS-1井的龍潭組，其構造位置位于黔南坳陷安順凹陷普定復向斜帶安順巖性圈閉[13-15]。安順凹陷南與廣順低凸起以及長順凹陷相鄰，北以貴陽—鎮遠斷裂帶以及黔中隆起為界，東與貫定低凸起相接，處于隆起與坳陷的過渡帶[13-15](圖1b)。

黔南坳陷上二疊統主要巖性為深色泥巖、黑色頁巖，其中灰色灰巖、泥質粉砂巖、粉砂質泥巖和暗色泥巖呈不等厚互層；龍潭組為中厚層深色泥巖、黑色頁巖、深灰色粉砂質泥巖夾灰色含泥細砂巖以及多層不等厚黑色煤層，龍潭組底部發育厚層玄武巖(厚約60 m)[15]。

峨眉山玄武巖作為大火成巖省，其噴發期發生在二疊紀樂平統沉積早期，侵入年代應為258 Ma左右，不同學者對其噴發的具體時間認識并非一致，誤差在1～2 Ma[16-19]，大體起始于晚二疊世早期，最長可持續至三疊紀。黔南坳陷二疊系玄武巖組隸屬于峨眉山玄武巖，峨眉山玄武巖橫跨川滇黔三省，貴州處于玄武巖大省的外圈范圍，而研究區處于其外緣[16-19]。黔南坳陷安順凹陷AS-1井揭示的龍潭組正處在玄武巖組的上部。

2 樣品與實驗方法

樣品取自黔南坳陷安順凹陷AS-1井鉆井巖心，深度分別為2 075～2 127，2 210～2 304，2 375～2 390 m，對應龍潭組上、中、下部(圖1c)；巖性主要為灰黑色泥巖、黑色碳質頁巖和黑色煤。在對該剖面詳細的野外地質調查和測量基礎上，采用X射線衍射(XRD)、鏡質體反射率(Ro) 、總有機碳含量(TOC)以及二氧化碳和低溫氮氣吸附實驗等方法，開展了含煤泥頁巖礦物成分、有機地化和顯微組構的研究，并探討其對儲層孔隙保存的影響。

粉碎的樣品(200目)經過鹽酸處理后，利用Elementar Analyzer Vario EL Ⅲ元素分析儀測得頁巖有機碳含量；鏡質體反射率在中國石化河南油田分公司勘探開發研究院測試中心完成；X射線衍射(XRD)由中國石化勘探分公司委托進行測試。

氣體吸附實驗在中國地質大學(武漢)構造與油氣資源教育部重點實驗室完成。將龍潭組的樣品碎至60～80目，利用康塔Autosorb IQ3型全自動比表面和孔徑分布分析儀，開展低溫氮氣和二氧化碳吸附實驗。氣體吸附法對納米孔隙的測量能得到很好的結果，在恒溫條件下，隨著相對壓力的升高，氮氣或二氧化碳逐漸吸附在固體顆粒表面，用吸附量—相對壓力作圖便能得到吸附曲線；當壓力降低，氣體逐漸從顆粒表面解吸，能得到脫附量，用脫附量—相對壓力作圖便能得到脫附曲線。根據BET方程、BJH和DFT等數據模型，能得到比表面積以及微孔、介孔和宏孔的孔體積等數據。

3 結果分析

3.1 含煤泥頁巖有機地化特征

AS-1井二疊系龍潭組含煤泥頁巖有機碳含量高，多數已經達到煤質，其有機碳含量為41.5%～71.3%，平均值為60.34%；鏡質體反射率Ro為2.04%～2.88%，均值為2.45%。根據鏡質體反射率與熱演化階段的劃分方案，龍潭組含煤泥頁巖樣品屬于過成熟階段，處于生干氣帶。

3.2 含煤泥頁巖礦物組成

龍潭組含煤泥頁巖的礦物組成如圖2所示，黏土礦物含量最多，占11.05%～70.78%，平均為39.27%；其次為石英，含量在7.93%～45.93%，平均為23.33%；其他脆性礦物(鉀長石、斜長石、方解石、鐵白云石)之和占16.29%～42.84%，平均為28.73%；黃鐵礦含量較少，占1.85%～11.55%，平均為6.4%。黏土礦物主要為伊蒙混層、伊利石、綠泥石和高嶺石，伊蒙混層占24%～40%，伊利石占13%～39%，綠泥石占23%～53%；部分樣品中含有高嶺石，占3%～6%。石英和碳酸鹽礦物含量變多時，相對應的黏土礦物含量就減少；伊蒙混層和伊利石隨地層埋深而增加，而綠泥石含量則減少。

圖2 黔南坳陷AS-1井二疊系龍潭組含煤泥頁巖全巖及黏土礦物含量

3.3 含煤泥頁巖吸附能力及孔隙類型

含煤泥頁巖二氧化碳吸附等溫圖(圖3)顯示，二氧化碳的吸附量隨著相對壓力的增大而增多，曲線整體呈現出類似“上拋”的趨勢，即每個樣品所作的圖都為Ⅰ型等溫曲線，泥頁巖樣品在低壓力下(相對壓力小于0.01)時曲線上凸，且曲線在此壓力下的斜率較大，吸附量增長速率較快，而隨著壓力的逐漸增大，曲線逐漸趨于平緩。含煤泥頁巖吸附量為12.02～20.73 cm3/g，其中，AS-Y16、AS-Y13、AS-Y12、AS-Y19、AS-Y14的吸附量在19.78～20.73 cm3/g，要稍大于其余樣品的吸附量。根據樣品深度并結合前面的分析，龍潭組的中下部巖石對氣體的吸附量要稍大于上部巖石的吸附量。

圖3 黔南坳陷AS-1井二疊系龍潭組二氧化碳吸附等溫曲線

樣品低溫氮氣吸附等溫曲線(圖4)顯示，當相對壓力較低時(0～0.05)，吸附曲線略微向上凸出，并呈緩慢增長的態勢；當相對壓力在中等程度的情況下(0.05～0.8)，吸附量增長得極為緩慢，氮氣等溫吸附曲線在此階段近乎于直線；在線性段以后，隨著壓力的升高(相對壓力為0.8～1)，吸附劑對氣體的吸附量劇烈上升，曲線呈現下凹的情況。本次實驗發現，在B點 (一般認為單層吸附容量的結束的標志)之后吸附曲線與脫附曲線就已經開始不再重合，脫附曲線位于吸附曲線的上面，形成滯后回線。滯后回線類型應該混有H2和H3兩種特征，該類型滯后回線反映的是一種特殊的孔，即為細頸廣體的墨水瓶孔，在地層中表現為微孔較發育。

由圖4可見，樣品AS-Y03、AS-Y05、AS-Y07、AS-Y09、AS-Y11的吸附、脫附等溫曲線，在中、低壓力的情況下吸附量上升緩慢，曲線前半部分較為平滑，而在相對壓力(P/P0)越接近1時，吸附量上升得越為迅速。另外5個樣品(AS-Y12、AS-Y13、AS-Y14、AS-Y16、AS-Y19)的吸附曲線整體都在穩步上升，但在中等壓力(相對壓力為0.4～0.6)條件下，相較于吸附曲線，脫附曲線斜率更大，上升較快。

圖4 黔南坳陷AS-1井二疊系龍潭組氮氣吸附—脫附等溫曲線

3.4 含煤泥頁巖孔徑分布特征

IUPAC將孔徑細分為微孔(<2 nm)、介孔(2～50 nm)和宏孔(>50 nm)。氮氣和二氧化碳吸附結果顯示(表1)，龍潭組含煤泥頁巖樣品微孔區孔體積為0.037～0.061 cm3/g，平均值為0.055 cm3/g，介孔區體積為0.001～0.002 cm3/g，平均值為0.002 cm3/g，宏孔區體積為0.001～0.009 cm3/g,平均值為0.005 cm3/g,表明樣品中發育不同尺度的孔隙，構造了含煤泥頁巖復雜的孔隙體系。其中，樣品以微孔為主(圖5)，占89.34%，介孔占2.49%，宏孔占8.17%。含煤泥頁巖的孔體積與深度具有一定的相關性，上部樣品(AS-Y03、AS-Y05、AS-Y07、AS-Y09、AS-Y11)的微孔、介孔和宏孔數據與下部樣品孔隙體積存在明顯差別。上部樣品的微孔孔體積占比要稍低于下部樣品，而介孔和宏孔的孔體積占比則相反。

表1 黔南坳陷AS-1井二疊系龍潭組含煤泥頁巖樣品N2和CO2氣體吸附測試結果

含煤泥頁巖樣品的比表面積為125.659～212.382 m2/g，平均為188.974 m2/g，微孔的比表面積占99.64%～99.91%，平均為99.78%，證明含煤泥頁巖比表面積主要由微孔提供，其比表面積較大，易于氣體的吸附。

4 討論

4.1 火山活動對有機質生烴的影響

前人研究表明，由于巖漿巖冷卻釋放的熱量，其周圍地層泥頁巖的有機質鏡質體反射率能夠迅速升高[20]，成熟度可以從0.5%升高至4.0%，總有機碳含量逐漸降低[20-22]。其他地化參數(如S1、S2等)顯示靠近巖漿巖生烴強度大，遠離巖漿巖生烴強度小，表示與巖漿巖距離不同，有機質生烴強度也存在差異[1,21-22]。

龍潭組下部與玄武巖距離較近，含煤泥頁巖的鏡質體反射率最高可達2.88%，遠遠高于地層正常埋深熱演化所能達到的成熟度，說明巖漿侵入可能導致含煤泥頁巖的成熟度升高，加速有機質的生烴演化。巖漿的烘烤作用影響范圍隨著侵入體的厚度、離侵入體的距離等因素變化，一般巖漿巖越厚，距離巖漿巖越近，對有機質生烴的影響也就越大[22]。根據實測的鏡質體反射率數值，可將龍潭組含煤泥頁巖分為上、下兩部分。龍潭組上部鏡質體反射率明顯更低，表明泥頁巖地層受火山活動影響較小，其演化程度與下伏石炭系擺佐組相當[23]，經歷了正常的埋深壓實的熱演化；而龍潭組下部(大致2 200 m以下)鏡質體反射率明顯增大，很可能是受火山活動影響，導致熱演化速率提升，迅速達到過成熟階段，并開始大量生氣。前人研究認為，較早進入干氣階段和快速生烴，對于頁巖儲層天然氣的長期補充和保存是不利的[24-25]。

圖5 黔南坳陷AS-1井二疊系龍潭組孔隙體積(a)、比表面積(b)與平均孔隙直徑的關系

研究區龍潭組含煤泥頁巖的有機質含量高，而TOC含量與生氣能力往往成正相關關系。參考煤系泥頁巖的烴源巖評價標準[26]，黔南坳陷二疊系龍潭組AS-1井巖心樣品TOC主體大于6%，為好—很好烴源巖。受到火山活動的影響，有機質逐漸被消耗，隨著與巖漿巖距離減小，殘余碳含量相應降低，但殘余碳含量還會受到無機質(石墨)的影響[27]，導致TOC含量變化不大(圖6)。泥頁巖的TOC含量越高，其生烴潛力便越強。但是與海相或者陸相泥頁巖相比，二疊系龍潭組作為海陸交互相，含煤泥頁巖中有機質的差異性較大，表現出典型的富碳貧氧特征，生烴潛力較弱[28]。

4.2 火山活動對頁巖物質組成的影響

隨著泥頁巖儲層與峨眉山玄武巖的距離逐漸縮小，泥頁巖的礦物組成也出現了一定的變化規律(圖6)。研究區龍潭組含煤泥頁巖礦物組成大致可以分為三類：碎屑礦物、碳酸鹽礦物和黏土礦物。石英和長石是碎屑礦物的主要組成，石英含量平均為23.96%，長石含量平均為12.75%。隨著埋深增加，靠近侵入巖體，石英含量逐漸升高。石英的相對富集可能是與火山活動促使臨近泥頁巖發生硅質流體交代作用有關[27]。龍潭組含煤泥頁巖的碳酸鹽礦物主要為方解石和鐵白云石，而方解石和鐵白云石的平均含量都不到10%，含量較低。隨著與巖漿巖的距離減小，碳酸鹽礦物的總含量有所增加，頁巖中也逐漸見到含鐵碳酸鹽膠結物(鐵白云石)，其含量的增高一般出現在晚成巖階段，它也可能是巖漿熱作用促進泥頁巖成巖演化進程的結果[22]。龍潭組泥頁巖黏土礦物多為伊蒙間層、伊利石、高嶺石、綠泥石。黏土礦物總量、伊利石和綠泥石礦物的相對含量都隨著埋深與巖體逐漸靠近呈現出規律性的變化，黏土礦物總量和綠泥石呈現降低趨勢，而伊利石含量逐漸增加，推測與巖漿巖距離減小、溫度升高及不同類型黏土礦物之間的轉化相關。一般來說，在富K+環境中蒙脫石更易發生伊利石化，堿性環境下則更有利于綠泥石的穩定存在。玄武巖是一種基性巖漿巖，化學成分中K+含量較侵入巖略高，而Fe2+和Mg2+相對較低，可能對其附近含煤泥頁巖儲層富K+流體環境的形成有一定的促進作用，從而有利于發生蒙脫石的伊利石化。鉀長石僅存在于龍潭組上部，可能也與伊利石化的消耗有關[29]。龍潭組下部樣品中幾乎不含“親水”礦物蒙脫石，伊蒙混層含量也較少，表明越靠近玄武巖，蒙脫石向伊利石轉化越強，綠泥石含量逐漸減少[29]。

圖6 黔南坳陷AS-1井二疊系龍潭組含煤泥頁巖樣品實驗數據分布

4.3 火山活動對儲層孔隙結構的影響

火山活動對儲層孔隙結構主要有2個方面的影響。

(1)隨著與巖漿巖的距離減小，其對圍巖的烘烤作用使得過成熟的有機質進一步分解，有機質孔隙的發育也會發生相應變化[1-2]。大量研究[1,7-11]發現，泥頁巖儲層在進入高成熟和過成熟階段會發育大量的有機質納米孔隙，而在未成熟和低成熟階段，頁巖中干酪根不發育或較少發育納米級孔隙。研究區龍潭組含煤頁巖的有機質豐度高，熱演化程度高，已進入大規模熱裂解生干氣階段，達到了有機質孔隙大規模發育的演化階段。前人研究認為[27]，巖漿巖的烘烤作用使得有機質逐漸分解，原本的納米級孔隙受到破壞，而隨著與巖漿巖距離的增加，可能導致泥頁巖孔隙中的流體增加，孔隙壓力增大進而發生破裂，使泥頁巖中介孔及宏孔增多。在早期成巖階段，受火山活動的影響，有機質孔隙會大量發育[30]。孔徑分布特征(圖6)顯示，隨著距離巖漿巖由遠及近，含煤泥頁巖儲層中的微孔含量顯著增加，中孔和宏孔則呈現降低趨勢。有機質孔隙主要以微孔為主，而有機碳含量越高，有機質孔隙直徑也越小。因此，本次研究的孔徑變化規律應該是受火山活動的增溫作用，導致有機質微孔的大量生成所致。

(2)受火山活動的影響，靠近巖漿巖的含煤泥頁巖中碎屑礦物和碳酸鹽礦物含量增加，黏土含量減少，也會影響無機孔隙的發育。長石和石英作為脆性礦物的重要組成部分，與周圍的作為塑性的泥巖之間可能會存在粒間孔隙，且高石英含量將有利于頁巖后期的改造壓裂。研究區含煤泥頁巖的石英和長石含量大致相當，長石和碳酸鹽礦物在成巖階段過程中易被溶蝕，形成少量次生孔隙，會一定程度增加頁巖的孔隙空間，改善儲層物性特征[31]。前人研究發現[32]，在SiO2含量較高時，頁巖儲層以發育宏孔為主，隨著SiO2/Al2O3比值增加，孔隙類型由微孔和中孔向宏孔轉變。然而，龍潭組石英與黏土礦物的比值隨埋深呈增加趨勢，與微孔增加對應，而非中孔和宏孔的增長，這一趨勢也可以說明，龍潭組孔隙結構的變化主要與火山活動促進了有機質生烴演化相關。

5 結論

(1)受玄武質火山活動的影響，黔南坳陷龍潭組含煤泥頁巖已進入過成熟階段，明顯高于地層正常埋深熱演化所能達到的成熟度，巖漿侵入促進了有機質的生烴演化，整體進入干氣階段。

(2)火山活動使頁巖礦物組成發生了變化，靠近巖漿巖的泥頁巖中石英和碳酸鹽礦物含量增加，黏土含量減少；受儲層流體環境和增溫作用影響，伊利石和綠泥石含量也呈現規律變化。

(3)龍潭組含煤泥頁巖的孔徑為0.3～450 nm，以微孔為主，孔隙形狀為細頸廣體的墨水瓶孔。頁巖孔徑分布特征顯示，距離巖漿侵入體越近，微孔占比增高，而介孔和宏孔含量下降，這可能與火山活動促使有機質孔隙大規模發育有關。