張海濤 張 穎 朱炎銘 張 旭

（1 中國石化華東油氣分公司；2 中國礦業(yè)大學；3 中國地質科學院頁巖油氣調查評價重點實驗室）

云南省下寒武統(tǒng)筇竹寺組頁巖氣地質成藏條件探討

張海濤1張 穎1朱炎銘2張 旭3

（1 中國石化華東油氣分公司；2 中國礦業(yè)大學；3 中國地質科學院頁巖油氣調查評價重點實驗室）

為系統(tǒng)評價云南省下寒武統(tǒng)筇竹寺組頁巖氣地質成藏條件，詳細踏勘了 18 條地質剖面，測定了 110 個頁巖樣品的有機碳含量及鏡質組反射率，利用X射線衍射技術測定了22個頁巖樣品的礦物成分，利用壓汞、氮氣吸附技術分析了9個頁巖樣品的孔滲特征，利用掃描電鏡分析了頁巖的孔隙類型。結果表明：筇竹寺組地表出露點位于滇東北、滇東及滇西北，西部和南部地區(qū)由于構造作用埋深大；筇竹寺組沉積期為大面積的陸表海環(huán)境，廣泛發(fā)育的陸棚環(huán)境利于有機質富集，富有機質頁巖具有“四高一厚一富”的特征，優(yōu)質頁巖厚度大（普遍大于 30m），有機質豐度高（TOC 平均大于 2%），有機質類型主要為Ⅰ、Ⅱ1型，有機質熱演化程度高，脆性礦物含量高（平均含量大于 70%），孔隙發(fā)育，連通性好，最大吸附氣量平均為 3.755cm3/g。與四川盆地及北美頁巖相比，云南省筇竹寺組具有良好的頁巖氣成藏條件，可將筇竹寺組作為頁巖氣勘探目的層。

頁巖氣；成藏條件；筇竹寺組；云南?。桓挥袡C質頁巖

頁巖氣作為資源儲量巨大的化石能源，在世界天然氣勘探開發(fā)領域的地位日益凸顯，其本質是以吸附態(tài)及游離態(tài)賦存于富有機質頁巖中的自生自儲連續(xù)型氣藏，基礎地質研究核心是明確富有機質頁巖形成期沉積環(huán)境特征和后期構造運動對烴源巖（儲層）的影響，主要評價內容包括富有機質頁巖厚度、埋深、有機質豐度、有機質成熟度、礦物成分、含氣性、物性特征等。美國產(chǎn)氣盆地主要分布于阿巴拉契亞早古生代逆沖褶皺帶、馬拉松—沃希托晚古生代逆沖褶皺帶和科迪勒拉中生代逆沖褶皺帶及相鄰地臺之上的克拉通盆地[1-5]，表明相對穩(wěn)定的海相環(huán)境有利于頁巖廣泛沉積，從而形成大面積生（儲）氣層。同北美相比，中國南方海相頁巖具有獨特性，普遍經(jīng)歷了較高的熱演化，受燕山期、喜馬拉雅期構造運動影響明顯，不同構造樣式保存條件具有較大的差異性。眾多學者對中國南方海相頁巖進行了大量研究工作[6-20]，以寒武系筇竹寺組為例，近幾年研究主要集中在四川盆地及周緣地區(qū)，基本確定筇竹寺組富有機質泥頁巖“四高一厚一富”的特征，即 TOC 高（普遍大于 2%）、Ro高（普遍大于2%）、脆性礦物含量高（大于40%）、含 氣 量 高（ 平 均 大 于 1.90m3/t）、 優(yōu) 質 頁 巖（TOC大于 2%）厚度大（普遍大于 30m）、孔隙豐富，以上靜態(tài)指標表明筇竹寺組具有較大的勘探開發(fā)潛力。

云南省位于四川盆地南部，寒武紀發(fā)育大面積巨厚海相沉積地層，針對云南省古生界海相頁巖氣地質方面的研究工作開展很少，本文通過云南省筇竹寺組野外地質調查取得的認識、剖面特征分析、實驗測試分析等成果，對下寒武統(tǒng)筇竹寺組頁巖氣地質成藏條件進行了探討。

1 地質背景

云南省橫跨不同的大陸構造域，以瀾滄江為界東部屬揚子大陸構造域，西部屬岡瓦納構造域，大致經(jīng)歷 5 個演化階段[21]：①元古宙末元古大陸聯(lián)合階段；②寒武紀至早二疊世元古大陸裂解、漂移階段；③晚二疊世至三疊紀弧后裂谷盆地發(fā)展階段；④三疊紀末至古新世特提斯洋封閉階段；⑤漸新世至第四紀云貴高原形成階段。筇竹寺組沉積始于構造演化第二階段，以北西—南東向云嶺無量山海為界，東部受上揚子陸表海影響，沉積中心位于昭通—曲靖—文山一線，西部夾持于臨滄古陸和騰沖山地間呈向南“喇叭狀”開口的槽盆沉積（圖1）。

圖1 云南省下寒武統(tǒng)筇竹寺組沉積相圖

牛頭山古島、滇中古陸形成南部屏障，早期資料認為古陸以北為大面積潮坪沉積，巖性以砂泥巖為主[22]。根據(jù)野外地質調查情況，筆者認為滇東北為深水盆地沉積，滇東主要為臺盆沉積，巖性均以頁巖為主（圖2a 至 e），靠近古陸砂質含量增加（圖2f），水平層理發(fā)育；滇西北以紫紅色粉砂巖為主，與灰綠色、黃綠色頁巖呈不等厚互層，發(fā)育微波狀層理及水平層理；滇東南巖性以頁巖為主，發(fā)育粉砂質紋層；云嶺無量山海處于構造裂陷區(qū)，持續(xù)沉積了巨厚蓋層，地表露頭稀少，為半深海沉積；保山—鎮(zhèn)康地區(qū)，由臨滄古陸向西，砂質成分增多。此外滇東、滇西北還發(fā)育小規(guī)模灘壩、潮坪沉積，巖性以砂泥巖為主，可見波痕、斜層理、大型交錯層理等。云南省下寒武統(tǒng)筇竹寺組沉積特征總體為：沉積相以云嶺無量山海為界東西分帶，環(huán)陸分布，巖性以泥頁巖為主，臨陸砂質含量增加。

圖2 筇竹寺組頁巖野外露頭照片(a）昭通市鎮(zhèn)雄縣蓼葉壩村筇竹寺組頁巖；(b）昭通市魯?shù)榭h牛欄江頁巖；(c）昭通市巧家縣新店子鄉(xiāng)上坪地村頁巖；(d）曲靖市會澤縣待補鎮(zhèn)聶家村筇竹寺組頁巖 (剖面 )；(e）曲靖市沾益縣 080 鄉(xiāng)道筇竹寺組頁巖；(f）昆明市宜良縣九鄉(xiāng)拖麥里頁巖夾薄層粉砂巖

2 頁巖分布特征

野外踏勘顯示筇竹寺組露頭區(qū)主要位于滇東北、滇東，滇西北、滇東南出露較少，云嶺無量山海巨厚沉積層埋覆筇竹寺組，埋深可達 10000m，保山地區(qū)由于構造作用影響埋藏也較深，本文重點討論滇東北、滇東地區(qū)。

云南省下寒武統(tǒng)筇竹寺組富有機質頁巖形成與沉積期古環(huán)境、古水深、古氣候、構造變動及沉積物供給量關系密切。筇竹寺組沉積期水體較深，主體為臺盆相、深水盆地相，頁巖廣泛發(fā)育。野外踏勘及資料分析表明，富有機質頁巖發(fā)育于4個分區(qū)，分別為滇東北昭通分區(qū)、滇東昆明分區(qū)、滇東南文山分區(qū)、滇西北寧蒗分區(qū)，其中滇東北、滇東野外實測剖面18條，滇東分區(qū)富有機質頁巖厚度普遍大于30m，其中東川石板房剖面和曲靖老林村剖面實測厚度超過70m，九鄉(xiāng)剖面實測厚度為36m；滇東北分區(qū)未測得完整出露剖面，出露部分富有機質頁巖厚度一般大于 20m，結合其沉積特征，推測滇東北分區(qū)富有機質頁巖厚度普遍大于 70m（表1、圖3）。滇東南與滇東北沉積特征類似，推測厚度大于 70m；滇西北沉積特征與滇東類似，推測厚度大于 30m。

表1 筇竹寺組富有機質頁巖剖面厚度（部分）統(tǒng)計表

野外調查同時表明，云南省筇竹寺組巖性組合特征與四川盆地筇竹寺組特征類似，縱向上具有三分性：下部發(fā)育含磷質條帶白云巖和頁巖；中部為頁巖，碳質含量高；上部為頁巖及粉砂質泥巖。富有機質頁巖厚度大于 30m，面積可達 10×104km2。

沉積基底非均衡構造活動和沉積作用非均勻性，是導致不同地區(qū)筇竹寺組頁巖厚度分布差異的重要因素。筇竹寺組沉積期，滇東北、滇東及滇東南為揚子陸塊西南緣板內克拉通盆地，屬構造穩(wěn)定性較強的柔性地臺[23]，構造活動處于興凱旋回末期，地勢趨于準平原化，產(chǎn)生大面積沉降和海侵，形成范圍廣、坡度小、水深不大的陸表海，利于沉積，但部分地區(qū)，如會澤、東川為繼承性強烈坳陷區(qū)，頁巖厚度大；昆明為同生隆起區(qū)，但頁巖厚度相對較薄。該時期海水由東南部向北部入侵，首先浸沒了滇東南海槽，而后經(jīng)過開遠海峽進入滇東海盆[24]，滇東海盆由南向北逐漸擴張，至滇東北與上揚子海盆相連，因此滇東南及滇東北頁巖沉積厚度大。此時，滇中古陸北緣寧蒗地區(qū)也被海水淹沒，但頁巖厚度相對較薄。

圖3 云南省下寒武統(tǒng)筇竹寺組富有機質頁巖厚度等值線圖

3 有機地球化學特征

3.1 總有機碳含量

云南省筇竹寺組沉積期后經(jīng)歷了多次構造變動，同時受到區(qū)內巖漿烘烤作用明顯，樣品實測鏡質組反射率高（Ro大于 2.5%），處于高—過成熟階段，常規(guī)評價烴源巖生烴能力的參數(shù)適用性降低，總有機碳含量（TOC）可作為評價云南地區(qū)富有機質泥頁巖生烴潛力的重要指標[25]。

對云南省筇竹寺組 110 個樣品進行 TOC 測試，最大值可達 8%，主要分布在 2%～4%（圖4a），表明富有機質頁巖具有較好的生烴潛力。通過對比各區(qū)樣品，昆明、馬龍、待補及昭通、巧家TOC相對較高，大于 2% 的樣品數(shù)量超過 55%；鎮(zhèn)雄和會澤 TOC 主要分布在1%～2%（圖4b），考慮到較高的成熟度，其生烴潛力也不容忽視。

圖4 筇竹寺組富有機質頁巖 TOC 分布頻率

對云南省筇竹寺組典型剖面TOC分布特征進行分析（圖5），TOC 在縱向上存在多個波動旋回，忽略露頭差異風化作用的影響，筇竹寺組中部、中上部（4 分層、2 分層中部）TOC 較高。這種特征與巖性縱向上的三分性特征一致，下部白云質含量高；中部沉積期水體相對較深，有機物供給充足且利于保存；上部沉積期相對海平面逐漸下降，水體變淺，砂質含量增加，有機質供給及保存條件均變差。TOC總體分布特征表現(xiàn)為滇中部分地區(qū)、滇東大部分地區(qū)、滇東南全部、滇東北大部分地區(qū)達到或超過2%，勘探有利分區(qū)為滇東北、滇東筇竹寺組中部、中上部TOC 較高的層段。

3.2 有機質類型及熱演化程度

筇竹寺沉積期云南位于低緯度赤道附近，早期“紅層”顯示的干旱炎熱環(huán)境逐漸變?yōu)闇嘏睗竦年懕砗－h(huán)境。野外調查發(fā)現(xiàn)筇竹寺組發(fā)育多層石煤，為淺海靜水環(huán)境大量菌藻類低等生物形成的海相藻煤[26]，廣泛分布的溫暖氣候適宜水生生物生長[27]，巖石中可見大量三葉蟲、筆石、藻類化石，有機質類型為Ⅰ型、Ⅱ1型。

測定樣品Ro主要分布區(qū)間為 2.7%～4.0%，均處于高—過成熟階段，相比四川盆地及其周緣地區(qū)，云南省筇竹寺組頁巖成熟度更高，研究認為復雜的構造作用及二疊紀大面積發(fā)育的巖漿巖是主要影響因素。熱模擬實驗分析表明，隨著溫度升高（對應樣品Ro升高），有機質孔逐漸增大（圖6a 至 d），較高的熱演化程度有利于干氣的生成，但過高的熱演化程度會破壞孔隙（圖6e、f），因此云南省筇竹寺組富有機質頁巖Ro過高的區(qū)域不利于有機質孔的保存，影響頁巖氣富集成藏。

圖5 筇竹寺組典型剖面柱狀圖

圖6 頁巖熱模擬實驗有機質孔變化特征圖

4 頁巖儲集特征

4.1 礦物組分

頁巖礦物組分直接影響頁巖壓裂及開采效果，根據(jù)北美頁巖氣開采實踐，具備商業(yè)開發(fā)條件的頁巖，石英等脆性礦物含量一般高于 40%，黏土礦物含量小于 30%[28-29]。

對云南省筇竹寺組22個樣品進行X射線衍射測試，石英含量為 24.9%～92.8%，平均為 72.0%；黏土礦物含量為 7.2%～44.4%，平均為 17.9%。與四川盆地筇竹寺組頁巖[30]及北美 Barnett 頁巖礦物組分相比，云南省筇竹寺組頁巖脆性礦物含量更高，黏土礦物含量更低（圖7）。

圖7 云南、四川及北美頁巖礦物組成對比

對云南省筇竹寺組頁巖黏土礦物成分進行分析，伊利石含量高，伊/蒙混層含量極低，伊利石化作用明顯。巖石中伊利石化是成巖作用過程中蒙皂石向伊利石不斷轉變的過程，對海相地層而言，沉積成巖早期，蒙脫石含量高，隨地層埋藏加深，溫度、壓力升高，蒙脫石向伊利石轉變；生烴階段不規(guī)則伊/蒙混層向規(guī)則伊/蒙混層轉化的界限大致對應于生油階段早期（Ro約 0.72% 左右）[31]；成巖作用晚期或極低級變質作用階段，伊利石含量極高或主要為伊利石，此時成巖演化溫度約為 200℃或大于 200℃，對應Ro大于 2.6%[32]。

云南地區(qū)黏土礦物成分分析結果說明筇竹寺組處于成巖作用晚期，可能經(jīng)歷了極低級變質作用，這與高含量伊利石及較高的Ro結果一致，同時也說明富有機質頁巖達到較高的生氣階段。

4.2 孔隙特征

Loucks 根據(jù)頁巖孔隙發(fā)育類型差異性將北美海相頁巖孔隙分為粒內孔、粒間孔及有機質孔三類[33]。利用掃描電鏡對云南省筇竹寺組富有機質頁巖薄片分析表明，頁巖中孔隙以巖石基質孔隙發(fā)育為主，主要包括粒內孔、粒間孔及有機質孔3類，有機質孔非常發(fā)育，形成類似蟻巢型連通體系，常與黃鐵礦、黏土礦物等以充填或包裹形式出現(xiàn)。

9個頁巖樣品的壓汞、氮氣吸附實驗結果表明， 頁 巖 孔 隙 度 介 于 0.89%～11.33%， 平 均 為3.81%（ 表2）。 根 據(jù) 孔 隙 直 徑 大 小 將 頁 巖 孔 隙分為超大孔（孔徑大于 10000nm）、大孔（孔徑1000～10000nm）、中孔（孔徑 100～1000nm）、過 渡 孔（ 孔 徑 10～100nm）、 微 孔（ 孔 徑 小 于10nm），9 個樣品中孔以上比例普遍超過 30%，最高可達 67%，遠大于瀝青分子直徑（10nm），有利于烴源巖有效排烴及頁巖氣的解吸、擴散和滲流。

表2 筇竹寺組富有機質頁巖孔隙分布表

9個頁巖樣品壓汞曲線具有一定差異（圖8），基本可以分為兩種類型，6號樣品、7號樣品屬于一種類型，其壓汞曲線孔隙滯后環(huán)較寬，進退汞體積差較大，表明在壓汞所測試的孔徑范圍內開放孔較多，孔隙連通性較好；這種結構較有利于頁巖氣的解吸、擴散；其余7個樣品壓汞曲線孔隙滯后環(huán)較窄，進退汞體積差較小，表明在壓汞所測試的孔徑范圍內開放孔較少，孔隙連通性一般，這種孔隙結構較不利于頁巖氣的解吸、擴散。

5 頁巖含氣性

頁巖含氣性是頁巖氣資源評價和有利區(qū)優(yōu)選的關鍵參數(shù)，本文選取2個頁巖樣品進行等溫吸附實驗，基于實驗結果分析云南省筇竹寺組富有機質頁巖含氣性。實驗表明：30℃條件下，筇竹寺組頁巖樣品最大吸附量 為 3.70～3.81cm3/g， 平 均 為 3.755cm3/g， 最 大吸附量對應壓力分別為 6.09MPa、5.44MPa。筇竹寺組經(jīng)歷了深埋藏、高演化作用，地質階段達到了最大吸附氣量所需溫壓條件，在曲靖地區(qū)鉆探淺井實測含氣量為 0.0057 ～ 0.997m3/t，分析認為是后期構造作用使得頁巖埋深變淺，斷層溝通地表造成氣體散失。

圖8 筇竹寺組頁巖樣品壓汞曲線

6 結論

野外調查和實驗分析認為，云南省下寒武統(tǒng)筇竹寺組富有機質頁巖具備“四高一厚一富”特征：有機質類型主要為腐泥組，TOC較高，生烴物質基礎良好；熱演化程度較高，有機質普遍生氣；脆性礦物含量高，有利于壓裂改造；含氣量較高，資源儲量較大；優(yōu)質頁巖厚度普遍大于 30m，且上覆泥頁巖厚度大，保存條件較好；頁巖中發(fā)育豐富的孔隙，特別是有機質孔極為發(fā)育，為氣體儲存提供了大量空間。各項指標均顯示，云南省筇竹寺組具備頁巖氣成藏條件，頁巖氣開發(fā)潛力大，可優(yōu)選埋深適中、保存條件較好的地區(qū)進一步評價。

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Geological conditions for shale gas accumulation in lower Cambrian Qiongzhusi Formation, Yunnan

Zhang Haitao1, Zhang Ying1, Zhu Yanming2, Zhang Xu3
(1 Sinopec East China Oil & Gas Company; 2 China University of Mining and Technology; 3 Key Laboratory of Shale Oil & Gas Survey and Evaluation, Chinese Academy of Geological Sciences)

A lot of researches were conducted so as to systematically evaluate the geological conditions for shale gas accumulation in the lower Cambrian Qiongzhusi Formation, Yunnan province, including fi eld surveys on 18 geological sections, TOC and Romeasurements on 110 shale samples, mineral composition measurement on 22 shale samples with X-ray diffraction technique, porosity and permeability analysis on 9 shale samples with mercury intrusion porosimetry (MIP) and nitrogen adsorption techniques, and shale pore type analysis with SEM. The results show that the Qiongzhusi outcrop is located in the northeastern, eastern and northwestern parts of Yunnan, and is deeply buried in the western and southern parts due to tectonic movements. The Qiongzhusi Formation was deposited under a broad epicontinental sea environment, where the widespread continental shelf environment was benefi cial for the enrichment of organic matters. The organic-rich shale is characterized by large thickness (generally ?30 m), high organic matter abundance (average TOC ?2%), high thermal evolution of organic matters (mainly TypeⅠ and Ⅱ1), high content of brittle minerals (averagely ?70%), well-developed pores with good connectivity, and the maximum adsorbed gas of 3.755 cm3/g on average. Compared to the shale in the Sichuan Basin and North America, the Qiongzhusi Formation in Yunnan holds good shale gas accumulation conditions and can be considered as the target for shale gas exploration.

t: shale gas, accumulation conditions, Qiongzhusi Formation, Yunnan, organic-rich shale

10.3969/j.issn.1672-7703.2017.03.011

國家基礎研究發(fā)展計劃 973 項目“中國南方古生界頁巖氣賦存富集機理和資源潛力評價”(2012CB214702)；國家自然基金項目“中上揚子地區(qū)龍馬溪組頁巖微孔結構演變與頁巖氣成藏效應”(41272155)。

張海濤（1987-），男，山東威海人，碩士，2014 年畢業(yè)于中國礦業(yè)大學，工程師，主要從事含油氣盆地分析、非常規(guī)油氣地質研究工作。地址：江蘇省南京市建鄴區(qū)江東中路中泰國際廣場 6 號樓，郵政編碼 :210000。E-mail：haitao_zhang@cumt.edu.cn

2016-04-05；修改日期：2017-03-23

TE122.3

A