段再容

(成都理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院,四川 成都 610000)

美國(guó)“頁(yè)巖氣革命”改變了美國(guó)作為能源需求大國(guó)的地位,天然氣進(jìn)口量大幅下降,降低了能源對(duì)外的依存,增加了能源的出口,明顯的改善了美國(guó)的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境,優(yōu)化了能源消費(fèi)格局,動(dòng)搖了世界天然氣市場(chǎng),影響著世界的政治經(jīng)濟(jì)和能源格局,美國(guó)“頁(yè)巖氣革命”的成功起到了頁(yè)巖氣產(chǎn)業(yè)全球化示范效應(yīng),使全世界都認(rèn)識(shí)到頁(yè)巖氣開發(fā)的重要性,其他國(guó)家也紛紛跟進(jìn)頁(yè)巖氣的研究與勘探開發(fā)工作,進(jìn)一步加強(qiáng)了頁(yè)巖氣在非常規(guī)天然氣中的地位,我國(guó)作為能源消費(fèi)大國(guó),能源消費(fèi)以煤炭為主,天然氣大量依靠進(jìn)口,受到美國(guó)頁(yè)巖氣成功開發(fā)的影響,為進(jìn)一步優(yōu)化能源消費(fèi)結(jié)構(gòu),開始大力發(fā)展研究頁(yè)巖氣。

頁(yè)巖氣主要以吸附態(tài)或游離態(tài)儲(chǔ)存于暗色泥巖層系中,是一種高效清潔的非常規(guī)天然氣,成分以甲烷為主,與煤炭相比,燃燒釋放的二氧化碳只有煤炭的一半,我國(guó)頁(yè)巖氣資源豐富,可采資源量為世界第一,我國(guó)頁(yè)巖分布廣泛,具有南北交替,東西分異的特點(diǎn),南方是以古生界為主的海相頁(yè)巖,北方是以新古生界為主的陸相頁(yè)巖,海相頁(yè)巖分布穩(wěn)定、優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖厚度大、TOC含量高,有利于現(xiàn)階段我國(guó)的技術(shù)開采,我國(guó)現(xiàn)在主要開采的是四川盆地及周緣地區(qū)為主的南方地區(qū)下寒武統(tǒng)筇竹寺組和五峰-龍馬溪組等[1]。

1 黔北地質(zhì)概況

黔北地區(qū)是指遵義斷層以東、貴陽(yáng)-鎮(zhèn)遠(yuǎn)斷層以北的貴州省北部行政區(qū)域,面積為4.9×104km2,地理位置,地形條件與川南相似,相接與渝東南地區(qū)和湘西地區(qū)(見圖1)。黔北地區(qū)屬于四川盆地外部,構(gòu)造復(fù)雜,發(fā)育褶皺以及斷裂,從大地構(gòu)造上位于上揚(yáng)子地臺(tái)區(qū),黔北地區(qū)的構(gòu)造演化與揚(yáng)子地臺(tái)的區(qū)域構(gòu)造演化具有一致性,揚(yáng)子地臺(tái)的演化過程經(jīng)歷了多種構(gòu)造運(yùn)動(dòng)(雪峰、加里東、海西、印支、燕山、喜馬拉雅運(yùn)動(dòng))。通過這些運(yùn)動(dòng),揚(yáng)子地臺(tái)構(gòu)造異常復(fù)雜[2]。

圖1 黔北地區(qū)構(gòu)造位置圖(底圖據(jù)參考文獻(xiàn)[3])

圖2 黔北地區(qū)沉積相平面展布圖(底圖據(jù)貴州頁(yè)巖氣勘探報(bào)告, 2013)

由于經(jīng)歷多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng),黔北地區(qū)多發(fā)育,斷裂以北東向?yàn)橹?由多個(gè)不同走向的斷裂相互切割組成。黔北地區(qū)受到海相碳酸鹽巖地層較發(fā)育的影響,通常巖石脆性較高,斷層傾角較大,甚至出現(xiàn)有的斷面直立或者發(fā)生倒轉(zhuǎn)。受復(fù)雜構(gòu)造影響,黔北地區(qū)以擠壓變形為主,具有走滑的特點(diǎn)。

2 五峰-龍馬溪組頁(yè)巖特征

沉積相類型包括濱岸相和陸棚相,其中濱岸相包括砂坪微相、潮道微相及砂泥坪微相;陸棚相包括淺水陸棚和深水陸棚。

表1 黔北地區(qū)頁(yè)巖地層沉積相劃分

2.1 沉積相特征

五峰組:鉆厚5～10 m,沉積相屬深水陸棚,巖性主要為黑色粉砂質(zhì)碳質(zhì)泥巖,剖面呈薄片狀,富含筆石化石。相鄰道真巴漁沙壩水庫(kù)剖面該段呈薄板狀,含黃鐵礦及數(shù)層斑脫巖。與下伏臨湘組灰?guī)r界限平整。沉積相屬深水陸棚,強(qiáng)還原環(huán)境,生物懸浮沉降,保存完好[3]-[4]。

龍馬溪組:鉆厚約20～80 m,沉積相屬于淺水陸棚,水動(dòng)力作用較弱,巖性主要為灰黑色含粉砂碳質(zhì)泥巖,富含筆石,宏觀沉積構(gòu)造不發(fā)育,屬深水陸棚沉積,強(qiáng)還原環(huán)境。向上筆石減少,至上部間含腕足、腹足、瓣鰓類底棲生物,出現(xiàn)浮游生物與底棲生物共生的狀態(tài)。生物介殼完整,順層分布。有機(jī)質(zhì)含量低,巖石顏色深灰-灰色。沉積相屬淺水陸棚,水動(dòng)力條件總體較弱,但還原性減弱。

2.2 沉積相平面展布

早期我國(guó)學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)中山揚(yáng)子地區(qū)盆山格局發(fā)生重大轉(zhuǎn)變的時(shí)期為晚奧陶-早志留時(shí)龍馬溪期,經(jīng)歷擠壓、褶皺造山等過程,在隆起帶遵義-石阡-銅仁一線以南地區(qū)隆升為陸,北相自潮坪相沉積逐漸過渡為局限淺海沉積相,由南向北地層厚度、富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖厚度增加。

3 五峰-龍馬溪組巖相劃分及其特征

3.1 巖相劃分

本文通過含氣量與TOC含量的關(guān)系劃分,TOC含量大于3%的是富碳頁(yè)巖相,TOC含量介于2%到3%之間的是中碳頁(yè)巖相,TOC含量低于2%的是貧碳頁(yè)巖相,再結(jié)合礦物含量進(jìn)行細(xì)劃分,研究區(qū)域巖相主要可劃分為7類,分別為富碳硅質(zhì)頁(yè)巖巖相、富碳碳酸鹽-硅質(zhì)頁(yè)巖巖相、中碳硅質(zhì)頁(yè)巖巖相、中碳碳酸鹽質(zhì)-硅質(zhì)頁(yè)巖巖相、中碳硅質(zhì)-碳酸鹽質(zhì)頁(yè)巖巖相、中碳黏土質(zhì)頁(yè)巖巖相、貧碳黏土質(zhì)頁(yè)巖巖相。

3.2 巖相類型及特征

3.2.1 富碳硅質(zhì)頁(yè)巖巖相

該巖相屬深水陸棚相,巖性主要為黑色碳質(zhì)巖和硅質(zhì)頁(yè)巖,富含筆石(>60%)和放射蟲化石(20%),發(fā)育塊狀構(gòu)造以及黃鐵礦紋層。由于該巖相位于水體最深處,環(huán)境特征為厭氧和高還原性,有機(jī)質(zhì)容易富集和保存。TOC含量最高,介于3%～6%,平均含量約4%;黏土礦物含量介于2%～34%,平均含量約17%;石英與長(zhǎng)石礦物含量最高,介于48%～84%,平均含量約66%;碳酸鹽礦物含量介于2.4%～17.6%,平均值約7.5%之間;含氣量介于2.3～8.6 m3/t之間,平均值為4.8 m3/t;主要發(fā)育有機(jī)質(zhì)孔隙和較少發(fā)育粒間孔和粒內(nèi)孔以及微裂縫,有機(jī)質(zhì)孔形態(tài)發(fā)育有橢圓狀、蜂窩狀等,孔隙度一般介于3%～8%,平均值約5%[5]。

3.2.2 富碳酸鹽質(zhì)-硅質(zhì)頁(yè)巖巖相

巖性主要為黑色-灰黑色粉砂質(zhì)頁(yè)巖,發(fā)育水平層理,化石富含化石主要為筆石和硅質(zhì)放射蟲,發(fā)育大量黃鐵礦結(jié)合,形態(tài)多樣。TOC含量介于3%～5%,平均值約3.8%;黏土礦物含量介于2%～34%,平均值為23%;石英和長(zhǎng)石礦物含量介于41%～80%,平均值60%;碳酸鹽礦物含量介于10.2%～37.8%,平均值約20.0%;含氣量介于2.0～5.5 m3/t,平均值為3.3 m3/t;主要發(fā)育有機(jī)質(zhì)孔和粒內(nèi)孔,較少發(fā)育微裂縫和粒間孔,有機(jī)質(zhì)孔發(fā)育有橢球狀、狹縫狀等,孔隙度一般介于3%～7%,平均值約4.5%。

3.2.3 中碳硅質(zhì)頁(yè)巖巖相

巖性主要為黑色粉砂巖和筆石硅質(zhì)巖,筆石含量約16%,發(fā)育水平層理,發(fā)育大量黃鐵礦結(jié)合,形態(tài)多樣。TOC含量介于2%～3%,平均值約2.5%;黏土礦物含量介于4%～35%,平均值21%;石英和長(zhǎng)石含量介于34%～75%,平均值約58%;碳酸鹽礦物含量介于4.5%～19.8%之間,平均值約8.8%;含氣量介于1.2%～5.0 m3/t,平均值為3.0 m3/t;主要發(fā)育有機(jī)質(zhì)孔和粒間孔,較少發(fā)育裂縫,有機(jī)質(zhì)孔多呈近橢圓狀,孔隙度一般介于2%～8%,平均值約5%。

3.2.4 中碳碳酸鹽質(zhì)-硅質(zhì)頁(yè)巖巖相

巖性主要為黑色、灰黑色粉砂頁(yè)巖和含鈣質(zhì)粉砂頁(yè)巖,發(fā)育水平層理,筆石較少,發(fā)育較少黃鐵礦結(jié)核。TOC含量介于2%～3%,平均值約2.45%;黏土礦物含量介于12%～35%,平均值約21%;石英和長(zhǎng)石含量介于36%～61%,平均值約48%;碳酸鹽礦物含量介于16.6%～40.4%,平均值約25.4%;含氣量介于1.5～4.3 m3/t,平均值為2.5 m3/t;主要發(fā)育有機(jī)質(zhì)孔、粒間孔和微裂縫,有機(jī)質(zhì)孔形態(tài)發(fā)育球狀、橢球狀等,孔隙度一般介于3%～7%,平均值為5%。

3.2.5 中碳硅質(zhì)-碳酸鹽質(zhì)頁(yè)巖巖相

巖性主要為黑色含鈣質(zhì)粉砂頁(yè)巖,粉砂質(zhì)成分主要為硅質(zhì)礦物和碳酸鹽礦物,紋層較少發(fā)育,蘊(yùn)含化石較少。TOC含量介于2%～3%,平均值約2.2%;黏土礦物含量介于6.5%～39.5%,平均值約27%;碳酸鹽礦物含量介于24.2%～50.4%,平均值約32.8%;含氣量介于2.1～3.0 m3/t,平均值為2.6 m3/t;主要發(fā)育粒內(nèi)孔,粒內(nèi)孔形態(tài)發(fā)育球狀、橢球狀等,孔隙度一般介于2%～6%,平均值為4.8%。

3.2.6 中碳粘土質(zhì)頁(yè)巖巖相

巖性主要為黑色泥頁(yè)巖,發(fā)育較少水平層理,蘊(yùn)含筆石較少。粘土礦物以伊利石為主。TOC含量介于2%～3%,平均值約2.6%;粘土礦物含量介于40%～58%之間,平均值約45%;石英和長(zhǎng)石含量介于28%～47%,平均值約37%;碳酸鹽礦物含量介于4.4%～24.8%,平均值約11.4%;含氣量介于2.4～2.8 m3/t,平均值為2.55 m3/t;主要發(fā)育粒間孔和微裂縫,孔隙形態(tài)發(fā)育片狀、橢圓狀等,孔隙度一般介于4%～6%之間,平均值約4.8%。

3.2.7 貧碳粘土質(zhì)頁(yè)巖巖相

巖性主要為深灰、灰綠色泥巖,發(fā)育泥質(zhì)結(jié)構(gòu),粘土礦物以伊利石為主。TOC含量最低(1.1%～1.8%,平均值約1.5%);粘土礦物含量介于41%～54%,平均值約47%;石英和長(zhǎng)石含量介于19%～38%,平均值約30%;碳酸鹽礦物含量介于2.2%～19.2%,平均值約4.6%;含氣量介于1.2～2.7 m3/t,平均值為1.9 m3/t;主要發(fā)育粒間孔,孔隙形態(tài)發(fā)育近圓狀、扁圓狀等,孔隙度一般為3%%～5%,平均值約3%。

3.3 巖相組合特征

黔北研究區(qū)域中的有利頁(yè)巖巖相組合分布在龍馬溪組下部,平面上厚度及組合類型有變化。NS方向有利頁(yè)巖巖相組合較薄,厚約20 m,主要是富碳硅質(zhì)頁(yè)巖巖相和富碳碳酸鹽質(zhì)-硅質(zhì)頁(yè)巖巖相組合;SE方向類型發(fā)生變化,有利頁(yè)巖巖相組合厚度一般(30 m),主要是富碳硅質(zhì)頁(yè)巖巖相、富碳碳酸質(zhì)-硅質(zhì)頁(yè)巖巖相夾富碳黏土質(zhì)頁(yè)巖巖相組合。從S至N方向,富碳黏土質(zhì)頁(yè)巖巖相逐漸變厚。

4 討論

影響巖相類型和組合的因素有很多,有外部因素和內(nèi)部因素。外部因素主要是沉積環(huán)境、構(gòu)造演化;內(nèi)部因素主要是有機(jī)碳含量、礦物成分、密度、巖石物性等。

有機(jī)碳(TOC)含量是影響頁(yè)巖氣的主要因素之一,也是最重要的影響因素,與頁(yè)巖的物理化學(xué)性質(zhì)、顏色、密度等也密切相關(guān),甚至影響著裂縫和孔隙的的發(fā)育,具有較高TOC含量的頁(yè)巖具有更高的吸附能力。黔北地區(qū)五峰-龍馬溪組黑色頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)形態(tài)多樣,有機(jī)碳(TOC)含量越高裂縫與孔隙越發(fā)育,賦存氣體越多含氣量越高,有機(jī)碳(TOC)含量與含氣量成正相關(guān)(見圖3)。

圖3 有機(jī)碳含量與吸附含氣量關(guān)系圖(據(jù)參考文獻(xiàn)[3])

礦物成分的不同很大程度上決定著不同巖相之間的差異,脆性礦物(石英+長(zhǎng)石)的含量決定了巖石脆性,從而影響著微裂縫的發(fā)育,微裂縫發(fā)育導(dǎo)致孔隙度高,繼而影響著含氣量,脆性礦物一般縱向從下向上逐漸減少,與含氣量成正相關(guān)。脆性礦物含量越高則粘土礦物含量越低,粘土礦物含量一般縱向從下向上逐漸增加,總體上與含氣量成負(fù)相關(guān)。

密度小,孔隙發(fā)育賦存氣體多,古生物多有機(jī)碳(TOC)含量高;密度大,孔隙發(fā)育困難賦存氣體少,古生物少有機(jī)碳(TOC)含量低,隨著密度的增大有機(jī)碳含量是逐漸減小的(見圖4)。

圖4 黔北地區(qū)富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖密度與有機(jī)碳含量關(guān)系圖(據(jù)參考文獻(xiàn)[3])

5 結(jié)論

我國(guó)廣泛發(fā)育海相頁(yè)巖、陸相頁(yè)巖和海陸過渡相頁(yè)巖,但是地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜,現(xiàn)階段主要開采南方海相頁(yè)巖,主要是四川盆地及周緣地區(qū)為主的南方地區(qū)下寒武統(tǒng)筇竹寺組和五峰-龍馬溪組等。黔北地區(qū)處于四川盆地外緣廣泛發(fā)育五峰-龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)黑色頁(yè)巖,其中富碳硅質(zhì)頁(yè)巖TOC含量和脆性礦物含量最高,TOC平均值約4%,脆性礦物平均含量約66%。貧碳粘土質(zhì)頁(yè)巖TOC含量和脆性最低,TOC含量平均值約1.5%,脆性礦物含量平均值約30%,在垂直方向上大致呈現(xiàn)出從下到上TOC含量逐漸減少,脆性礦物含量逐漸減少的性質(zhì)?？v向上巖相類型依次過渡,平面上,巖相類型變化較大,向東南方向,從貧碳粘土質(zhì)頁(yè)巖巖相逐漸向富碳質(zhì)頁(yè)巖巖相類型過渡。影響含氣量的主要是有機(jī)碳(TOC)含量,甚至影響著裂縫和孔隙的的發(fā)育,有機(jī)碳(TOC)含量與含氣量成正相關(guān)。其次是礦物含量,脆性礦物含量與含氣量成正相關(guān),粘土礦物含量與含氣量成負(fù)相關(guān)。密度與含氣量成負(fù)相關(guān)、孔隙度與含氣量成正相關(guān)。還有含水飽和度、沉積環(huán)境等都對(duì)含氣量有著不同的影響。