聶永生，冷濟(jì)高，韓建輝，孫 利，沈貴春

(1.成都理工大學(xué)沉積地質(zhì)研究院，四川成都610059;2.中國(guó)國(guó)儲(chǔ)能源化工集團(tuán)股份公司，北京100107;3.成都理工大學(xué)能源學(xué)院，四川成都610059;4.青海省環(huán)境地質(zhì)勘查局，青海西寧810007)

頁(yè)巖氣作為一種非常規(guī)天然氣逐漸走入人們的視野。特別是受美國(guó)頁(yè)巖氣成功開發(fā)的影響，近年來，我國(guó)來也開始將頁(yè)巖氣列為勘探開發(fā)范疇，并且已啟動(dòng)了兩輪頁(yè)巖氣礦權(quán)招標(biāo)。目前雖處于探索實(shí)踐階段，但對(duì)于25×1012m3的頁(yè)巖氣可采資源量，學(xué)者專家們?nèi)匀怀錆M期待［1－6］。

圖1 黔東南地區(qū)岑鞏頁(yè)巖氣區(qū)塊地理位置Fig.1 Location of Cen’gong shale gas block in southeastern Guizhou Province

上揚(yáng)子及滇黔桂區(qū)是我國(guó)主要的頁(yè)巖氣分布區(qū)之一，其中岑鞏－松桃頁(yè)巖氣區(qū)塊是我國(guó)2011—2015年頁(yè)巖氣發(fā)展規(guī)劃中19個(gè)富集勘探開發(fā)區(qū)之一，其頁(yè)巖氣可采資源量超過 600 ×108m3［7－10］。岑鞏頁(yè)巖氣區(qū)塊的主要目的層為下寒武統(tǒng)牛蹄塘組，下志留統(tǒng)龍馬溪組在本區(qū)缺失。前人對(duì)于黔北(包括周緣的川東南、湘西北等地區(qū))牛蹄塘組頁(yè)巖氣儲(chǔ)層特征、沉積特征、地球化學(xué)特征及成藏條件等方面進(jìn)行了較這詳細(xì)的論述［11－15］。隨著龍馬溪組勘探的相繼突破(寧201－H1井、威201－H1井、陽101－H2井等)，而牛蹄塘組頁(yè)巖氣勘探成果則乏善可陳，有學(xué)者對(duì)牛蹄塘組頁(yè)巖氣的勘探前景提出的質(zhì)疑，概括起來主要兩點(diǎn):①牛蹄塘組層位較老，而美國(guó)最早頁(yè)巖氣產(chǎn)層為晚泥盆世;②有機(jī)質(zhì)成熟度過高，Ro普遍超過2.5%，資源量潛力有限。本文針對(duì)岑鞏區(qū)塊牛蹄塘組頁(yè)巖氣成藏條件，結(jié)合前期失利井分析，對(duì)比美國(guó)主要頁(yè)巖氣成藏地質(zhì)特征，以期闡明岑鞏頁(yè)巖氣富集區(qū)的勘探潛力。

1 地質(zhì)概況

岑鞏頁(yè)巖氣區(qū)塊位于貴州省東部，黔東南州東北隅，北起銅仁碧江區(qū)的官和、民和、大坪，南至玉屏的大龍鎮(zhèn)、洪家灣，西起岑鞏縣的凱本、天馬鎮(zhèn)，東至大坪的川硐、朱家場(chǎng)的蔡溪(圖1)。屬揚(yáng)子區(qū)與江南區(qū)的過渡地區(qū)。從沉積環(huán)境上看，下寒武紀(jì)時(shí)期為江南頁(yè)巖盆地的臺(tái)地邊緣斜坡深水陸棚沉積，區(qū)塊由南東向北西水體逐漸變淺［16－17］。

區(qū)塊位于貴陽復(fù)雜構(gòu)造變形區(qū)。整體上看，該區(qū)褶皺、斷裂構(gòu)造非常發(fā)育，主要為北東向或北北東向展布，南北向、東西向和北西向褶皺、斷裂也有發(fā)育［18－19］。出露地層有南華系、南沱組、震旦系、寒武系的牛蹄塘組、九門沖組、變馬沖組、杷榔組、清虛洞組、高臺(tái)組、婁山關(guān)群及下奧陶統(tǒng)的部分地層和第四系(圖2)。

圖2 岑鞏區(qū)塊地層綜合柱狀圖Fig.2 Columnar section of Cen’gong block

目前關(guān)于下寒武統(tǒng)的劃分方案較多，其中牛蹄塘組在川西對(duì)應(yīng)九老洞組，滇東對(duì)應(yīng)為筇竹寺組，揚(yáng)子與江南過渡帶稱為九門沖組(其中包括明心寺組下部)，這里牛蹄塘組是指筇竹寺組(九門沖組、九老洞組)中下部，下伏老堡組，上覆九門沖組，其中九門沖組特指灰?guī)r層段。

2 牛蹄塘組地質(zhì)特征

2.1 分布特征

從平面上看，牛蹄塘組總體厚度呈現(xiàn)環(huán)狀分布。其中在四川盆地的西北斜坡帶上，厚度大部分超過150 m;在湘鄂西褶皺帶上，最大厚度處超過500 m;彭水—黔江—鶴峰—五峰區(qū)域以及酉陽—桑植區(qū)域厚度普遍大于200 m。另外，在川南的瀘州、威信及黔中一帶，牛蹄塘組厚度也超過100 m。但在湄潭、遵義以北、習(xí)水以東及洪江—?jiǎng)印家痪€南部，牛蹄塘組厚度普遍小于 50 m［20－21］。

地層對(duì)比研究表明，在招標(biāo)區(qū)塊周邊開陽、甕安、余慶、麻江、及石阡一帶，牛蹄塘組厚度一般可達(dá)40～160 m。其中甕安、玉華等地層厚度最薄，約40 m，代表了黔中古隆起的水下地形高部位。地層厚度由該地區(qū)向周緣顯著增大，如麻江基東159 m，金沙鉆孔113 m，開陽茅坡133 m。但在三都、劍河、銅仁一線東側(cè)，雪峰山隆起西緣，地層厚度急劇減薄，洪江一帶完全剝蝕。

縱向上看，牛蹄塘組沉積穩(wěn)定，標(biāo)志層九門沖組巖性主要為灰黑色鈣質(zhì)泥巖、下伏震旦系燈影組為硅質(zhì)粉砂巖，富有機(jī)質(zhì)層段主要集中在牛蹄塘組下部，由粉砂質(zhì)碳質(zhì)頁(yè)巖、粉砂質(zhì)含碳頁(yè)巖及碳質(zhì)頁(yè)巖組成，厚度可達(dá)60～100 m。

2.2 礦物組成

區(qū)塊及周緣地區(qū)露頭、鉆孔的巖樣分析數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表明，牛蹄塘組石英、長(zhǎng)石等碎屑礦物含量為46% ～78%，平均為62%;自生脆性礦物含量為0～8.8%，平均為4.4%(其中黃鐵礦平均約占5.3%);粘土礦物含量為17% ～47%，平均為38%(圖3)，其中粘土礦物主要以伊利石為主，含量超過95%，其他見少量綠泥石和高嶺土(圖4)。

從周邊的固體礦產(chǎn)井 ZK211，ZK605，ZK807及ZK408井連續(xù)采樣分析結(jié)果看，牛蹄塘組碎屑礦物含量為65.9%，粘土礦物為19.7%，自生脆性礦物為14.4%，與宏觀觀察結(jié)果比較接近。差異可能主要是由于鉆孔數(shù)據(jù)巖礦組成分布相對(duì)集中，而地表樣品采樣則相對(duì)分散，以及地表樣品也受一定的表生風(fēng)化影響等造成的。

圖3 牛蹄塘組黑色頁(yè)巖巖石礦物組分Fig.3 Mineral components of black shale in the Niutitang Formation

圖4 牛蹄塘組粘土礦物組分Fig.4 Components of clay minerals in the Niutitang Formation

從礦物X－射線衍射分析結(jié)果看，牛蹄塘組脆性系數(shù)介于31% ～70%，平均為46.7%。但總體上看，招標(biāo)區(qū)塊牛蹄塘組硅質(zhì)含量高，具有較好的脆性，壓裂過程中易于造成剪切破壞，形成復(fù)雜網(wǎng)狀縫，利于大幅度提高裂縫的體積。

2.3 儲(chǔ)層特征

綜合已有的研究成果，下寒武統(tǒng)牛蹄塘組含氣頁(yè)巖常規(guī)物性普遍較差，總體具有低孔－超低滲、高比表面積特征，具有較好的頁(yè)巖氣儲(chǔ)集潛力。

據(jù)黔北地區(qū)頁(yè)巖氣最新研究成果，下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁(yè)巖孔隙度為1.7% ～25.6%，平均滲透率為0.220 7×10－3μm2。其相鄰地層的白云巖，含硅碳質(zhì)孔隙度為0.55% ～4.22%，滲透率非常低，平均小于0.002×10－3μm2，較頁(yè)巖氣物性差，可能對(duì)頁(yè)巖氣具有一定的封閉性。

從牛蹄塘組孔隙微觀結(jié)構(gòu)看，頁(yè)巖具有儲(chǔ)集空間類型多樣，儲(chǔ)集空間直徑較小且連通性較差的特征，主要包括孔隙和裂縫?？紫栋ǖV物顆粒間(晶間)微孔縫(骨架顆粒間原生微孔、自生礦物晶間微孔、粘土伊利石貫通層間微縫)、礦物顆粒溶蝕微孔隙、基質(zhì)溶蝕孔隙、有機(jī)質(zhì)生烴形成的微孔隙等。其中礦物顆粒間、尤其是粘土礦物層間微孔縫占主體，孔隙連通性普遍較差，導(dǎo)致前述測(cè)得滲透率很低。牛蹄塘組頁(yè)巖層段普遍發(fā)育微細(xì)孔隙，孔喉半徑狹窄。粒間微孔、有機(jī)質(zhì)內(nèi)微孔是納米級(jí)孔隙的主體，孔隙多為孤立微孔，連通性差，巖石滲透率極低。頁(yè)巖氣開采過程中壓裂改造對(duì)儲(chǔ)層溝通具有積極作用。

3 牛蹄塘組地球化學(xué)特征

3.1 有機(jī)質(zhì)類型

隨著演化程度的增高，在總的趨勢(shì)上殼質(zhì)組的含量明顯減少，而惰性組和鏡質(zhì)組的相對(duì)百分含量有所增加。對(duì)于高成熟度烴源巖，其干酪根有機(jī)顯微組分對(duì)于有機(jī)質(zhì)類型判別帶來較大困難，因此這里主要利用飽和烴色譜對(duì)有機(jī)質(zhì)類型進(jìn)行分析。

對(duì)岑鞏區(qū)塊周邊7個(gè)牛蹄塘組樣品進(jìn)行了飽和烴色譜分析(圖5)。從分析結(jié)果看，烴源巖飽和烴主要分布在C16—C28，大部分樣品呈現(xiàn)出前高單峰型特征，主峰碳位于C17和C19，少量樣品呈現(xiàn)前高雙峰型特征，只有一個(gè)樣品呈現(xiàn)后高單峰型特征;測(cè)試的7個(gè)樣品飽和烴含量介于10% ～66%，平均為40%，而飽/芳比均大于3，介于3.3～12.2，非烴+瀝青質(zhì)含量平均為48.2%;C27，C28，C29甾烷的分布模式有4個(gè)樣品呈不對(duì)稱“V”字型(C27＞C29＞C28)，2個(gè)樣品呈現(xiàn)對(duì)稱“V”字型，所有樣品均檢測(cè)到一定數(shù)量的伽馬蠟烷。另外測(cè)得牛蹄塘組干酪根碳同位素(δ13C)值介于－34.7‰～－28.6‰，油型氣特征明顯。

牛蹄塘組各樣品正烷烴氣相色譜大多為前高單峰型特征，初步可以確定牛蹄塘組有機(jī)質(zhì)主要來自水生低等生物貢獻(xiàn);飽和烴含量介于40% ～60%、飽/芳比大于3均說明有機(jī)質(zhì)類型呈現(xiàn)Ⅰ型特征，非烴+瀝青質(zhì)含量較高，超過40%則說明有機(jī)質(zhì)類型具有Ⅱ1型特征;高C27甾烷含量及高伽馬蠟烷值則表明有機(jī)質(zhì)主要來自海相水生生物貢獻(xiàn);干酪根碳同位素值一般小于－29‰，表現(xiàn)為腐泥型氣特征。

另外從生物發(fā)展史來看，高等植物及花草樹木等維管植物出現(xiàn)在泥盆紀(jì)以后。由此可見，牛蹄塘組有機(jī)質(zhì)類型主要為Ⅰ型和Ⅱ1，樣品的生物來源主要為低等水生生物，為咸水環(huán)境的水生生物貢獻(xiàn)，并經(jīng)歷了較高的熱演化階段。

3.2 有機(jī)質(zhì)豐度

有機(jī)質(zhì)豐度指標(biāo)主要包括有機(jī)碳含量和氯仿瀝青“A”含量。由于我國(guó)海相地層發(fā)育時(shí)代早、經(jīng)歷的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)多、埋深較大，目前的殘留氯仿瀝青“A”含量普遍很低，介于0.003% ～0.104%(表1)，不能準(zhǔn)確反映我國(guó)海相頁(yè)巖的生烴能力，故主要采用有機(jī)碳含量對(duì)海相頁(yè)巖進(jìn)行評(píng)價(jià)。

黑色頁(yè)巖中的有機(jī)質(zhì)顆粒有多種形態(tài)，如不規(guī)則細(xì)粒狀、長(zhǎng)條狀和塵點(diǎn)狀，有時(shí)有機(jī)質(zhì)顆粒中可見許多極小的黃鐵礦散布。岑鞏地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁(yè)巖有機(jī)碳含量在1.78% ～7.03%，平均為3.38%(表1)。但由于分析均為露頭樣品，受到不同程度的氧化導(dǎo)致有機(jī)碳含量降低，因此，地下頁(yè)巖的有機(jī)碳含量要比地表測(cè)得的大些。

圖5 岑鞏頁(yè)巖氣區(qū)塊周緣下寒武統(tǒng)牛蹄塘組黑色頁(yè)巖飽和烴色譜Fig.5 Gas chromatograms of saturated hydrocarbons of black shale in the Lower Cambrian Niutitang Formation in Cen’gong block and it’s periphery area

表1 岑鞏區(qū)塊周緣牛蹄塘組野外露頭頁(yè)巖樣品地球化學(xué)特征Table 1 Geochemical characteristics of shale samples from outcrops of the Niutitang Formation in Cen’gong block and it’s periphery area

3.3 成熟度

岑鞏區(qū)塊下寒武統(tǒng)牛蹄塘組富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖經(jīng)歷了復(fù)雜的多期次熱史變化，成熟度普遍較高，都達(dá)到了成熟晚期階段。對(duì)研究區(qū)周邊牛蹄塘組露頭的7個(gè)樣品進(jìn)行了分析，測(cè)得固體瀝青反射率為4.83% ～5.23%，根據(jù)Jacob［22］鏡質(zhì)組反射率與瀝青反射率關(guān)系，計(jì)算鏡質(zhì)體反射率Ro介于3.5% ～3.8%，平均為3.56%?？碧綄?shí)踐表明，美國(guó)頁(yè)巖氣產(chǎn)區(qū)的頁(yè)巖成熟度普遍大于1.3%，在阿巴拉起亞盆地的西弗吉尼亞州南部最高可達(dá)4.0%，且只有在成熟度較高的區(qū)域才有頁(yè)巖氣的產(chǎn)出［23－26］。因此，頁(yè)巖的高成熟度(＞2%)不是制約頁(yè)巖氣聚集的主要因素，相反，成熟度越高越有利于頁(yè)巖氣的生產(chǎn)。

4 資源潛力分析

4.1 含氣量

頁(yè)巖含氣量是指每噸頁(yè)巖所含的天然氣總量。含氣量可分解為吸附、游離及較小的溶解含氣量，其大小直接影響著頁(yè)巖氣藏的經(jīng)濟(jì)可采價(jià)值。根據(jù)岑頁(yè)1井現(xiàn)場(chǎng)解吸獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，牛蹄塘組含氣頁(yè)巖段1 455.45～1 463.62 m巖心段現(xiàn)場(chǎng)解吸量+損失氣量最大，可達(dá)1.165 m3/t，總體而言，該區(qū)內(nèi)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組黑色頁(yè)巖含氣量在0.5～2.5 m3/t。從實(shí)鉆情況看，牛蹄塘組泥頁(yè)巖中見到6次氣測(cè)異常，厚度達(dá)37 m，其中全烴值最大為1.8%，后效顯示明顯。

4.2 資源量

頁(yè)巖氣發(fā)育條件及富集機(jī)理的特殊性，決定了相應(yīng)資源評(píng)價(jià)方法和參數(shù)取值的特殊性。目前對(duì)于頁(yè)巖氣資源潛力評(píng)價(jià)的方法主要有體積法、類比法、統(tǒng)計(jì)分析法、成因法和綜合法，其中體積法比較適用于我國(guó)現(xiàn)階段頁(yè)巖氣資源量計(jì)算。采用全國(guó)頁(yè)巖氣資源戰(zhàn)略調(diào)查推薦的頁(yè)巖氣資源評(píng)價(jià)方法——概率體積法，對(duì)岑鞏地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組進(jìn)行資源量計(jì)算。

根據(jù)體積法計(jì)算資源量的公式，其中直接參與計(jì)算的參數(shù)主要包括有效面積、有效厚度、巖石密度、總含氣量、壓縮因子和可采系數(shù)。岑鞏區(qū)塊露頭和鉆井資料都比較少，不同概率下頁(yè)巖面積根據(jù)有機(jī)碳相關(guān)關(guān)系計(jì)算進(jìn)行取值;頁(yè)巖有效厚度則根據(jù)相對(duì)面積占有法求得;頁(yè)巖氣的總含氣量主要參考岑頁(yè)1井現(xiàn)場(chǎng)解吸數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)室破碎所得分析數(shù)據(jù)進(jìn)行合理取值;可采系數(shù)則主要根據(jù)天然氣勘探可采經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行賦值。通過計(jì)算，岑鞏頁(yè)巖氣區(qū)塊地質(zhì)資源量為866.71×108m3，可采資源量為 71.94 ×108m3。

4.3 有利區(qū)預(yù)測(cè)

頁(yè)巖氣藏是典型的自生自儲(chǔ)型氣藏，因此，評(píng)價(jià)頁(yè)巖儲(chǔ)層除與常規(guī)儲(chǔ)層有相同的巖石學(xué)、物性等儲(chǔ)層基本特征外，還應(yīng)考慮頁(yè)巖氣藏形成的含氣性及能否被開采等要件。為此，結(jié)合美國(guó)頁(yè)巖氣勘探成功經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合區(qū)塊內(nèi)資料的實(shí)際情況，篩選出6個(gè)關(guān)鍵地質(zhì)因素對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層有利區(qū)勘探方向進(jìn)行預(yù)測(cè):有機(jī)質(zhì)豐度、熱演化程度、頁(yè)巖層厚度、頁(yè)巖埋深、保存條件與地表地形條件。由于有機(jī)質(zhì)類型、礦物組成和含氣量、儲(chǔ)層條件等在招標(biāo)區(qū)塊內(nèi)變化不大，在頁(yè)巖氣勘探程度空白區(qū)內(nèi)，對(duì)以上數(shù)據(jù)也很難進(jìn)行系統(tǒng)求取，這里在有利區(qū)預(yù)測(cè)方面未作考慮。

根據(jù)頁(yè)巖氣藏有利區(qū)預(yù)測(cè)方法，對(duì)區(qū)塊內(nèi)目的層牛蹄塘組進(jìn)行評(píng)價(jià)，綜合頁(yè)巖厚度、埋深、有機(jī)碳、熱成熟度、地形地貌等作出相應(yīng)的綜合評(píng)價(jià)圖(圖6)。

牛蹄塘組頁(yè)巖氣勘探有利區(qū)帶可劃分為3個(gè)級(jí)別，其中Ⅰ類有利區(qū)分布在民和、羊橋和大坪地區(qū)，西起民和坪落、東至大坪、南起羊橋、北止地慢，呈環(huán)帶狀分布在古隆起區(qū)，面積為119.62 km2;Ⅱ類有利區(qū)緊鄰Ⅰ類有利區(qū)南側(cè)，呈環(huán)帶分布，東止水尾鎮(zhèn)北，面積109.15 km2;Ⅲ類有利區(qū)面積最大，主要分布在天馬鎮(zhèn)、天星和朱家場(chǎng)一線，面積381.66 km2。

圖6 岑鞏頁(yè)巖氣區(qū)塊頁(yè)巖氣有利區(qū)預(yù)測(cè)Fig.6 Prediction of favorable shale gas play fairways in Cen’gong block

5 結(jié)論

1)岑鞏頁(yè)巖氣區(qū)塊目的層較厚，但孔喉半徑狹窄，普遍發(fā)育微細(xì)孔隙;頁(yè)巖層硅質(zhì)含量高，具有較好的脆性，有利于后期儲(chǔ)層壓裂改造。

2)牛蹄塘組飽和烴色譜表現(xiàn)為前高單峰特征、樣品檢測(cè)到伽馬蠟烷伽，說明烴源巖有機(jī)質(zhì)類型主要為Ⅰ型和Ⅱ1型，有機(jī)質(zhì)豐度較好(平均為3.38%)，成熟度高(平均Ro達(dá)3.56%)。

3)岑頁(yè)1井現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試牛蹄塘組含氣量可達(dá)1.165 m3/t，概率體積法計(jì)算頁(yè)巖氣可采資源量71.94×108m3，Ⅰ類有利區(qū)主要分布在區(qū)塊中上部的民和、羊橋和大坪地區(qū)。

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