呂艷南，張金川，張 鵬，黃宇琪，尉菲菲，鄧恩德

（1 中國地質大學（北京）頁巖氣勘查與評價國土資源部重點實驗室）

（ 2 國土資源部 海洋油氣資源與環(huán)境地質重點實驗室）

隨著北美頁巖氣勘探開發(fā)的快速發(fā)展，中國頁巖氣資源的戰(zhàn)略地位越來越受到重視［1-4］。目前，我國頁巖氣開始進入規(guī)模化開發(fā)的初期階段，除四川盆地下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖的突破之外，其他地區(qū)海相地層的頁巖氣尚未形成工業(yè)產能。

在貴州地區(qū)，發(fā)育有多套含氣頁巖層系，厚度大、分布廣，具有形成大規(guī)模頁巖氣資源的基礎地質條件［5-11］，其中下古生界海相富有機質的頁巖集中分布在黔西北地區(qū)。

黔西北地區(qū)屬于油氣空白區(qū)，頁巖氣勘探的可用資料較少，且由于區(qū)內構造的多旋回性，造成了富有機質頁巖段發(fā)育的地質條件較為復雜，其中含氣頁巖發(fā)育的地質特征、含氣量以及頁巖氣富集規(guī)律尚不明確。本文利用野外露頭調查、老井復查和分析測試等方法，結合最新頁巖氣井勘探成果資料及含氣量現(xiàn)場解吸數(shù)據(jù)，進行了黔西北下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁巖氣形成與富集條件的研究，并優(yōu)選出具有頁巖氣勘探潛力的有利區(qū)，這對上揚子區(qū)下寒武統(tǒng)海相頁巖氣的勘探可能具有一定的指導意義。

1 研究區(qū)地質背景

黔西北地區(qū)在大地構造上屬于上揚子板塊，主體包括黔中隆起和滇黔北部坳陷，面積約40 000 km2（圖1）。其中，黔中隆起是在上揚子板塊中的一個東西向展布的早古生代隆起帶，位于貴州中西部赫章、大方、織金、修文、開陽一帶，其南部和北部緊鄰黔南坳陷和滇黔北部坳陷，東北部接武陵坳陷，西南部被埡都—紫云斷裂所走滑錯斷［9］（圖1）。黔西北地區(qū)褶皺和斷層比較發(fā)育，主要以北北東及北東方向的褶曲、壓性斷層、以及與它們有成因聯(lián)系的扭性斷層和張性斷層為主，這些構造對研究區(qū)的沉積起到了一定的控制作用。在早寒武世牛蹄塘早期，隨著海平面的上升，沉積水體較深，主要為深水陸棚沉積環(huán)境，由于在缺氧環(huán)境下，并受陸源的影響，沉積了一套灰黑色—黑色含粉砂—粉砂質碳質泥巖、頁巖；隨著牛蹄塘后期相對海平面的逐漸下降，在牛蹄塘組的上部沉積了一套粉砂質頁巖、含鈣粉砂質頁巖和灰綠色粉砂質頁巖。

圖1 研究區(qū)構造位置圖（據(jù)文獻［11］，有修改）

2 頁巖氣成藏條件

2.1 泥頁巖厚度與分布特征

泥頁巖的有效厚度和分布面積主要受沉積環(huán)境的變遷所控制［10］。研究區(qū)的沉積相類型為淺水陸棚相和深水陸棚相（圖2），構造—沉積中心位于黔西—修文一帶。其中淺水陸棚相分布于研究區(qū)的西北部，深水陸棚相分布于研究區(qū)的東南部，均呈北西—南東走向展布。研究區(qū)內的牛蹄塘組黑色富有機質頁巖段最厚達69.3m（開陽縣茅坡露頭），由沉積中心向北、向西南逐漸減薄，至西北部的習水地區(qū)消失。受基底構造控制，牛蹄塘組頁巖除在金沙縣巖孔、松林鄉(xiāng)中南、仁懷市大灣等部分地區(qū)出露地表外，其余皆埋藏于地下，埋深由西北向東南方向逐漸變淺，在畢節(jié)—仁懷—桐梓—新站一線最深，可達到5000m左右，在金沙—息烽一帶埋深為1000～3000m。整體上，牛蹄塘組的地層展布受后期構造影響，主要表現(xiàn)為在靠近黔中隆起區(qū)域，埋深變小，且埋藏深度差異較大。

圖2 黔西北下寒武統(tǒng)牛蹄塘組黑色富有機質頁巖展布圖

本次研究在露頭觀察、剖面測量和鉆井資料分析的基礎上，選取了一條北西—南東向剖面進行地層對比（圖3）。從圖上可以看出：縱向上，由于震旦紀末期大規(guī)?？焖俸Ｇ?，導致了牛蹄塘組底部的深水陸棚相富有機質頁巖直接覆蓋在燈影組白云巖之上，隨著海平面的下降，巖性以淺水陸棚相的粉砂質泥頁巖為主，呈現(xiàn)逆粒序、顏色向上變淺、碳質含量降低的特征；平面上，研究區(qū)內牛蹄塘組富有機質頁巖在方深1井附近的厚度相對較薄，向東南部逐漸變厚，在開陽縣茅坡附近沉積厚度最大，最厚可達69.3 m；金沙縣境內的仁頁2井揭示了牛蹄塘組底部的富有機質頁巖為黑色碳質頁巖，厚度為41.1 m，具備頁巖氣商業(yè)開采厚度（>30 m）的條件［11］。

圖3 貴州省下寒武統(tǒng)牛蹄塘組黑色富有機質頁巖地層柱狀對比圖

2.2 有機地球化學特征

據(jù)北美頁巖氣勘探的經驗，生氣泥頁巖的主要有機質類型是I型和II型干酪根［12］。有機碳含量不僅對泥頁巖的生烴能力、裂縫的發(fā)育程度和吸附能力等起到控制作用，而且在一定程度上對富有機質泥頁巖的含氣量也起到了控制作用［13-14］。

據(jù)研究區(qū)周邊14個露頭剖面點和鉆井巖心的有機質類型測試分析，表明牛蹄塘組干酪根的顯微組分主要為腐泥組和瀝青組，缺乏鏡質組、惰質組和殼質組，有機質類型主要為Ⅰ型；有機碳含量普遍大于1%，多數(shù)分布在2%～6%（圖4a），其中，10個采樣地點的有機碳含量大于4%，這說明了牛蹄塘組頁巖具有較強的生烴潛力?？v向上，據(jù)仁頁1井48塊牛蹄塘組頁巖樣品的測試結果（圖4b），有機碳含量分布在0.25%～10.8%，平均值為4.68%，其中在牛蹄塘組底部（埋深1 323～1 347 m）的TOC值都大于4%，說明該段地層是頁巖氣勘探的有利層段。平面上，高有機碳含量（大于6%）的區(qū)域主要位于富有機質頁巖的沉積中心，即黔西—金沙—息烽地區(qū)，呈現(xiàn)以高值點為核心、向四周呈環(huán)狀逐漸降低的特征（圖5）。

圖4 黔西北下寒武統(tǒng)牛蹄塘組實測樣品有機碳含量分布圖

圖5 黔西北下寒武統(tǒng)牛蹄塘組富有機質頁巖有機碳含量等值線圖

熱演化程度是確定有機質生成油氣的關鍵指標，從北美頁巖氣開發(fā)實踐來看，商業(yè)性開發(fā)的頁巖層系的Ro在1.1%～3.0%的范圍［15］。本文對研究區(qū)牛蹄塘組頁巖取樣進行Ro測試，其中，仁頁1井10塊巖心樣品的成熟度在3.16%～4.26%之間，仁頁2井的10塊樣品在2.01%～3.11%之間，遵義地區(qū)3塊露頭樣品的成熟度為4.2%～4.23%，織金、清鎮(zhèn)和習水地區(qū)的41塊露頭樣品的成熟度則在2.57～4.3%之間，這些測試數(shù)據(jù)說明了下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁巖的成熟度已達到過成熟。但美國的頁巖氣勘探實踐表明，美國產氣區(qū)的頁巖成熟度普遍大于1.3%［16-17］，甚至在阿巴拉契亞盆地的西弗吉尼亞州南部，頁巖的成熟度最高達4%［18］，因此，在頁巖高成熟度（大于2%）的條件下仍能發(fā)生頁巖氣的聚集。

2.3 泥頁巖儲層特征

2.3.1 礦物組成

頁巖氣儲層的礦物成分往往會影響頁巖的含氣量和壓裂效果［19-20］。在北美商業(yè)開發(fā)中，頁巖儲層的石英等碎屑礦物含量一般高于40%，而黏土礦物的含量則小于30%。本文通過對仁頁1井巖心的巖石礦物分析發(fā)現(xiàn)，牛蹄塘組頁巖儲層的碎屑礦物含量在50%～69%的范圍，平均61%；黏土礦物含量在15%～40%之間，平均31%，自生脆性礦物（方解石平均占4%，白云石平均占2%，黃鐵礦平均約占3%）含量為5%～16%，平均9%（圖6）。

圖6 黔西北仁頁1井牛蹄塘組頁巖礦物組成隨深度變化圖

根據(jù)仁頁1井的巖心分析測試資料，所得的牛蹄塘組頁巖自生脆性礦物含量、黏土礦物含量與有機碳含量的相關關系（圖7），從圖中可以看出自生脆性礦物含量和有機碳含量呈正相關（圖7a），而黏土礦物含量與有機碳含量呈負相關（圖7b），這反映了有機質含量是控制黃鐵礦形成的基本因素，而黏土礦物含量高則不利于有機質的富集。這是因為海相中自生脆性礦物（尤其是黃鐵礦）的形成往往與強還原環(huán)境對應，硫酸鹽以有機質為還原劑在缺氧環(huán)境下被還原成H2S，最終與活性鐵反應形成黃鐵礦而保存于沉積物中；黏土礦物一方面是有機質的吸附劑，對烴源巖中有機質的富集程度起重要作用，另一方面黏土礦物也是有機質向烴轉化過程中的催化劑，對于研究區(qū)的熱演化程度處于過成熟階段的牛蹄塘組頁巖來說，黏土礦物的催化作用使得有機質被大量轉化，使其吸附作用不明顯，更多地表現(xiàn)為催化作用。

總體而言，研究區(qū)的牛蹄塘組頁巖儲層的脆性礦物含量較高，而黏土礦物含量相對較低，具有較好的頁巖氣壓裂條件，有利于頁巖氣后期的壓裂開發(fā)。

2.3.2 儲集物性

孔隙度和滲透率是泥頁巖儲層最重要的儲集物性參數(shù)，孔隙是頁巖氣重要的儲存空間，孔隙度是確定游離氣含量的關鍵參數(shù)［21］。根據(jù)18個野外露頭樣品的測試結果，牛蹄塘組頁巖儲層孔隙度分布區(qū)間為0.70%～12.9%，平均5.14%；滲透率分布區(qū)間為（0.0031～0.0185）×10-3μm2，平均為0.0114×10-3μm2，這里的孔隙度相對于美國五大頁巖氣盆地的含氣頁巖孔隙度(3%～14%)而言，屬于中等。

圖7 黔西北仁頁1井牛蹄塘組頁巖礦物、有機碳含量相關圖

另外，通過對巖石樣品的掃描電鏡分析，可以看出牛蹄塘組泥頁巖的微裂縫、微孔隙較為發(fā)育?？紫额愋椭饕辛ｉg孔、粒內孔、溶蝕孔、晶間孔和有機孔（圖8）。通過比表面分析發(fā)現(xiàn)，仁頁1井牛蹄塘組頁巖的BET比表面積為3.34～20.01 m2/g，平均值為10.59 m2/g，平均孔直徑在10.02～60.04 nm之間，平均值為31.77 nm；仁頁2井的牛蹄塘組頁巖的BET比表面積為0.74～7.07 m2/g，平均值為2.62 m2/g，平均孔直徑在3.2～14.6 nm之間，平均值為7.57 nm（表1）。

圖8 黔西北下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁巖微觀孔隙發(fā)育特征

表1 黔西北牛蹄塘組頁巖孔隙參數(shù)特征

2.4 泥頁巖含氣性

頁巖含氣量及其變化規(guī)律是頁巖氣資源量評價的主要內容，它們從根本上影響著頁巖氣的可采性［22］，而頁巖的有機質豐度、熱演化程度、孔隙度、厚度等是含氣量高低的主控因素［23］。頁巖的含氣量主要包括游離氣含量和吸附氣含量，本文采用了等溫吸附模擬和現(xiàn)場解吸實驗來進行黔西北地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組泥頁巖的含氣性研究。

2.4.1 等溫吸附模擬

易同生等［24］通過對仁頁1井5塊樣品的等溫吸附模擬（圖9）計算得出，仁頁1井牛蹄塘組頁巖（30 ℃）等溫飽和吸附氣量在0.64～7.17 m3/t之間，平均為3.05m3/t；Langmuir壓力在1.04～2.48 MPa之間，平均為1.98 MPa，反映了在地下的壓力條件下牛蹄塘組富有機質頁巖能夠吸附較多的頁巖氣。通過對不同樣品的等溫吸附模擬發(fā)現(xiàn)，TOC是控制吸附氣量的主要因素，而且牛蹄塘組黑色頁巖吸附氣量和TOC之間存在良好的線性關系，可以建立TOC與吸附氣量(Q吸)的關系模型，即：Q吸=0.818×TOC×100+0.069。

圖9 黔西北仁頁1井牛蹄塘組黑色頁巖段等溫吸附曲線（據(jù)文獻［24］，略有修改）

2.4.2 現(xiàn)場解吸實驗

通過對研究區(qū)各調查井進行現(xiàn)場解吸實驗，發(fā)現(xiàn)在牛蹄塘組的中下部富有機質頁巖段具有較高的含氣量。例如，仁頁2井42塊樣品的現(xiàn)場解吸實驗表明，隨著埋深的增加，解吸氣體積總體趨勢逐漸增加（圖10），至埋深921.6 m時達到峰值308 ml，含氣量為0.154m3/t；其中，解吸氣量較高的集中段為845.4～921.6m，927.6m深度以下的解吸氣量逐漸減少。由于頁巖儲層具有較強的非均質性，大量的頁巖氣在現(xiàn)場無法完全解吸釋放，完整的解吸過程通常需持續(xù)數(shù)周至數(shù)月，結合室內脫氣計算的殘余氣量可以達到現(xiàn)場解吸氣量的2～17倍［24］。因此，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，結合參考已有的解吸曲線作比較，推測研究區(qū)牛蹄塘組頁巖含氣量應在0.2～2.5m3/t之間，平均為1.3m3/t。

圖10 黔西北仁頁2井巖心解吸氣量變化趨勢圖

3 有利區(qū)預測與資源潛力分析

針對目前我國頁巖氣勘探開發(fā)的實際情況，張金川等［25］在大量野外露頭調查、基礎研究、實驗測試分析及評價的基礎上，從泥頁巖厚度、有機質豐度、熱成熟度、埋深、總含氣量、地表條件及保存條件等方面提出了頁巖氣有利區(qū)的優(yōu)選標準，認為海相頁巖發(fā)育層位穩(wěn)定且單層厚度不小于10 m、有機碳含量平均不小于1.5%、熱成熟度大于1.2%、總含氣量不小于0.5 m3/t、埋深在300～4 500 m、地形高差較小、且具有中等—好的保存條件的區(qū)域是頁巖氣分布有利區(qū)。本文根據(jù)黔西北地區(qū)牛蹄塘組頁巖形成的地質背景、頁巖氣的成藏條件及目前的資料現(xiàn)狀，采用綜合信息疊合法，利用地層厚度、有機碳含量、有機質熱演化程度等參考指標，優(yōu)選了金沙—息烽以及仁懷兩個頁巖氣發(fā)育有利區(qū)（圖11）。

圖11 黔西北下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁巖氣有利區(qū)分布圖

（1）金沙—息烽有利區(qū): 該區(qū)為深水陸棚相沉積環(huán)境，沉積了一套以黑色碳質頁巖和灰黑色粉砂質頁巖為主的深水碎屑巖，厚約40～60m，埋深在1 000～3 000 m；有機碳含量普遍高于5%，具有良好的生烴潛力；頁巖的有機質成熟度主體分布在2.8%～3.2%之間，處于過成熟中晚期階段；地貌以中低山為主，含氣量平均1.3m3/t；具備一定的保存條件，有利于頁巖氣的成藏。

（2）仁懷有利區(qū)：該區(qū)為深水—淺水陸棚相沉積區(qū)，富有機質泥頁巖厚度約20～40m，埋深在1500～4 500m；有機碳含量較高，普遍高于4%；成熟度主體分布在3.2%～3.6%之間，處于過成熟晚期階段，雖然生氣能力弱，但高有機碳含量在適當條件下仍可保存大量天然氣；保存條件好，有較好的頁巖氣勘探潛力。

4 結 論

（1）黔西北地區(qū)牛蹄塘組底部的富有機質頁巖主要形成于深水陸棚相沉積環(huán)境，在黔西—修文一帶厚度可達60 m，巖性以碳質頁巖為主，分布穩(wěn)定、面積廣。

（2）牛蹄塘組底部富有機質頁巖段有機質類型以I型為主，有機碳含量多大于2%，且越接近牛蹄塘組底部，有機碳含量就越高；熱成熟度分布在2.01%～4.56%之間，處于高—過成熟階段；石英、長石含量為20.4%～72.4%，平均51.2%，黏土礦物含量平均41.9%，脆性礦物含量高；微孔隙、微裂縫發(fā)育，具有良好的頁巖氣形成與富集條件。

（3）根據(jù)頁巖氣有利區(qū)的優(yōu)選標準，綜合牛蹄塘組富有機質頁巖厚度、有機碳含量、熱演化程度、埋深和含氣量等指標，采用綜合信息疊合法優(yōu)選出了金沙—息烽地區(qū)和仁懷地區(qū)這兩個頁巖氣勘探有利區(qū)。

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