秦文，唐顯貴，秦琴，高為

（1.貴州省煤礦地質(zhì)工程咨詢與地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測中心，貴州 貴陽550081；2.貴州省煤層氣頁巖氣工程技術(shù)研究中心，貴州 貴陽550009）

頁巖氣屬于非常規(guī)天然氣［1-2］，其成藏機(jī)理和勘探開發(fā)與常規(guī)天然氣有很大差別［3-7］。我國頁巖氣資源豐富，具有很好的勘探開發(fā)前景［8-13］。目前，我國對頁巖氣資源的勘探開發(fā)還處于探索起步階段，美國在頁巖氣勘探開發(fā)中取得的成功，可以提供很多可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。黔西南區(qū)下石炭統(tǒng)舊司組泥頁巖分布面積廣，泥頁巖層段發(fā)育厚，具有較好的頁巖氣產(chǎn)儲(chǔ)條件，但對頁巖氣的研究還處于資源調(diào)查評(píng)價(jià)階段。本文從地球化學(xué)及儲(chǔ)層特征的角度對下石炭統(tǒng)舊司組黑色頁巖進(jìn)行分析，以期對本區(qū)頁巖氣勘探開發(fā)起到借鑒作用。

1 舊司組黑色頁巖發(fā)育特征

研究區(qū)地處揚(yáng)子板塊西南部，貴州境內(nèi)紫云-埡都斷裂的西南側(cè)，包括黔西-黔南分區(qū)的西部和右江分區(qū)大部。行政區(qū)劃屬畢節(jié)地區(qū)的赫章、威寧縣，六盤水市的六枝、盤縣、水城特區(qū)，安順地區(qū)的鎮(zhèn)寧、關(guān)嶺、紫云縣，黔西南州全境等16 個(gè)縣市。下石炭統(tǒng)舊司組整合接觸于湯粑溝組之上，主要由深灰、灰黑色砂巖、頁巖、炭質(zhì)泥巖、泥巖組成，下部偶夾煤線或煤層，頂部與上司組呈整合接觸。根據(jù)巖性、巖相可將舊司組分為上、下2 段。下石炭統(tǒng)舊司組屬濱?！獪\海相沉積，厚度0～262.0 m，東北部較厚，鎮(zhèn)寧沙子溝為沉積中心。研究區(qū)中北部舊司組黑色頁巖沉積厚度達(dá)50.0～185.5 m，沉積中心在威寧一帶，黑色頁巖沉積等厚線走向主要呈北西向，主要受北西向水城-紫云同沉積斷裂控制，在威寧六硐橋，泥頁巖沉積厚度最厚達(dá)185.5 m，向北東、南西兩側(cè)，黑色頁巖厚度逐漸變??；在威寧、水城一帶，泥頁巖沉積厚度大于100.0 m，在水城、普安、紫云所圍限的三角地帶，泥頁巖沉積厚度50.0～100.0 m；在西部、西南部泥頁巖沉積厚度低于30.0 m（見圖1）。

圖1 舊司組黑色頁巖厚度平面分布

2 地球化學(xué)特征

2.1 有機(jī)質(zhì)類型

干酪根類型指數(shù)法是劃分烴源巖有機(jī)質(zhì)類型的主要指標(biāo)之一［14］。研究區(qū)露頭及巖心樣品的顯微特征及熒光特性顯示，下石炭統(tǒng)舊司組TI 值在-13～84，有機(jī)質(zhì)類型以Ⅱ1型和Ⅱ2型為主，偶見Ⅲ型和Ⅰ型。

黑色頁巖樣品顯微組分分析測試表明，顯微組分主要表現(xiàn)為殼質(zhì)組，其次為腐泥組和鏡質(zhì)組，惰質(zhì)組較少（見圖2）。其中，殼質(zhì)組以腐植無定形體和殼質(zhì)碎屑體為主，腐泥組以腐泥無定形體和腐泥碎屑體為主，鏡質(zhì)組以無結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體為主，透光下深褐色—黑色，藍(lán)光激發(fā)，無熒光顯示。

2.2 有機(jī)質(zhì)豐度

黔西南區(qū)下石炭統(tǒng)舊司組發(fā)育時(shí)代早、經(jīng)歷的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)多，殘留氯仿瀝青“A”普遍很低，不能準(zhǔn)確反映該地區(qū)黑色頁巖的生烴能力，故主要采用TOC 對黑色頁巖有機(jī)質(zhì)豐度進(jìn)行評(píng)價(jià)。

圖2 黑色頁巖干酪根顯微組分三角圖

通過對研究區(qū)205 塊露頭樣及巖心巖樣的有機(jī)碳進(jìn)行測試，測試結(jié)果符合正態(tài)分布。TOC 分布在0.05%～5.76%，平均1.25%，主體分布在0.80%～1.50%，有39.51%的樣品在1.00%～2.00%?？v向上，威寧龍街1701 孔資料顯示，舊司組上段TOC 在0.73%～1.91%，平均為1.34%；下段TOC 分布在1.39%～3.02%，平均為2.11%?？梢?，舊司組下段的TOC 比上段高。但地表露頭樣品的TOC 沒有明顯差別，可能是由于地表露頭樣品受氧化程度不同所致。平面上，研究區(qū)內(nèi)以威寧—水城—晴隆為軸線，往兩側(cè)TOC 逐漸減少，威寧、水城一帶為高值區(qū)，TOC 大于1.50%，威寧龍街周邊地區(qū)TOC 大于2.00%，下石炭統(tǒng)舊司組TOC 屬中等。

2.3 有機(jī)質(zhì)成熟度

黑色頁巖有機(jī)質(zhì)成熟度劃分標(biāo)準(zhǔn)為：Ro低于0.50%為未成熟，0.50%～1.30%為成熟，1.30%～2.00%為高成熟，2.00%～3.00%為過成熟早期階段，3.00%～4.00%為過成熟晚期階段。

通過對研究區(qū)43 件樣品的測試，Ro分布在1.01%～4.87%，平均2.63%，主體在2.00%～3.00%，處于過成熟早期產(chǎn)干氣階段，研究區(qū)舊司組黑色頁巖的總體演化程度較高。平面上，Ro高值區(qū)主要在威寧、水城、普安和晴隆一帶，Ro小于1.30%的主要在威寧以西。

2.4 有機(jī)地球化學(xué)有利區(qū)優(yōu)選

結(jié)合黔西南區(qū)舊司組黑色頁巖的有機(jī)質(zhì)類型，將TOC≥0.5%和Ro≥0.4%的區(qū)域劃為遠(yuǎn)景區(qū)，TOC≥1.5%和Ro≥0.7%的區(qū)域劃為有利區(qū)，TOC≥2.0%和Ro≥0.7%的區(qū)域劃為核心區(qū)。故下石炭統(tǒng)舊司組黑色頁巖地球化學(xué)有利區(qū)分布在以威寧—水城—晴隆—貞豐為軸線往兩側(cè)分布，核心區(qū)在威寧龍街一帶（見圖3）。

圖3 舊司組黑色頁巖地球化學(xué)有利區(qū)分布

3 儲(chǔ)層特征

3.1 巖石礦物學(xué)特征

通過對研究區(qū)54 件地表露頭及巖心樣品作全巖分析，結(jié)果顯示：

1）下石炭統(tǒng)舊司組下段（C1j1）。石英體積分?jǐn)?shù)為40.83%；碳酸鹽巖體積分?jǐn)?shù)為21.57%，以方解石為主，次為白云石；黏土礦物體積分?jǐn)?shù)為32.81%。黏土礦物中以伊利石占主導(dǎo)地位，高嶺石、蒙脫石、伊蒙混層含量次之，綠泥石體積分?jǐn)?shù)較低。

2）下石炭統(tǒng)舊司組上段（C1j2）。石英體積分?jǐn)?shù)為21.48%；碳酸鹽巖體積分?jǐn)?shù)為42.07%，以白云石、方解石為主；黏土礦物體積分?jǐn)?shù)為31.99%。黏土礦物中以伊利石為主；高嶺石、蒙脫石體積分?jǐn)?shù)次之，綠泥石體積分?jǐn)?shù)較低。對比舊司組上段和下段巖石礦物特征，下段的碎屑礦物(石英+長石)體積分?jǐn)?shù)高，下段自生脆性礦物體積分?jǐn)?shù)高，總體脆性礦物體積分?jǐn)?shù)大于50%，具較好破裂潛力。

在平面上，碎屑礦物含量高值區(qū)分布在水城-晴隆地區(qū)，黏土礦物低值區(qū)也分布在水城-晴隆地區(qū)。

3.2 儲(chǔ)集物性

根據(jù)16 件巖心樣品測試資料，舊司組黑色頁巖密度2.05～2.72 g/cm3，平均2.61 g/cm3； 孔隙度1.67%～3.76%，平均為2.69%，孔隙度低； 滲透率（0.001 3～0.190 0）×10－3μm2，平均0.019 1×10－3μm2，滲透率特低。而地表樣品孔隙度為0.24%，滲透率4.770 0×10－3μm2。對比地表露頭樣和巖心樣資料，地表露頭樣密度小、變化大、孔隙度小、滲透率大。可見，地表露頭巖樣受到不同程度的風(fēng)化影響，不能代表原始值。

根據(jù)研究區(qū)10 件巖心樣品測試資料，舊司組黑色頁巖的比表面積分布在3.056～14.260 m2/g，平均7.091 m2/g；孔隙體積在0.007～0.016 mL/g，平均為0.110 mL/g；微孔體積、中孔體積和宏孔體積分別占總孔體積的10.09%，77.93%，11.98%，表明舊司組頁巖以中孔孔隙為主。排驅(qū)壓力Pd在5.12～20.48 MPa，平均為11.95 MPa；孔喉半徑平均值分布在23.79～127.51 nm，平均為64.07 nm；退出效率變化較大，分布在0.90～16.01%，平均為8.53%。

根據(jù)巖心樣品氬離子拋光資料（見圖4），下石炭統(tǒng)舊司組黑色頁巖孔隙類型主要為溶蝕孔、有機(jī)孔、晶內(nèi)微孔縫等。

圖4 下石炭統(tǒng)舊司組頁巖孔隙發(fā)育特征

3.3 物理力學(xué)特征

根據(jù)6 組巖心樣物理力學(xué)樣測試結(jié)果 （見表1），在常溫、常壓條件下，舊司組黑色頁巖抗壓強(qiáng)度在32.1～55.3 MPa，抗拉強(qiáng)度在2.05～8.22 MPa，彈性模量E 在21.4～25.9 GPa，泊松比在0.22～0.26，含水率在0.31%～1.61%。

在相似的巖石礦物組成相似的條件下，抗壓、抗拉強(qiáng)度存在差異，推測受微裂縫影響，當(dāng)巖石受破壞時(shí)，裂縫將成受力薄弱面。在飽和水條件下抗壓、抗拉強(qiáng)度略有降低，可見水介質(zhì)對巖石強(qiáng)度有一定“軟化作用”，孔隙度越高，含水率越高，其影響越大。

表1 舊司組黑色頁巖常溫常壓下巖石物理力學(xué)特征

3.4 有利區(qū)優(yōu)選

3.4.1 巖石礦物特征

礦物組成：重點(diǎn)是黏土礦物的種類和體積分?jǐn)?shù)、碎屑礦物的體積分?jǐn)?shù)、化學(xué)沉淀礦物和成巖自生礦物的體積分?jǐn)?shù)等；空間分布：分析上述巖石組成各參數(shù)在縱向上和平面上的分布特征，總結(jié)其變化規(guī)律。

3.4.2 儲(chǔ)集物性

儲(chǔ)集物性包括孔隙度和滲透率、孔隙類型及孔隙結(jié)構(gòu)及分布、裂縫（包括宏觀裂縫和微裂縫）。裂縫是頁巖氣儲(chǔ)層中重要的儲(chǔ)集空間類型，按其成因可分為構(gòu)造縫和成巖縫。前者是與構(gòu)造應(yīng)力有關(guān)的裂縫，通常規(guī)模相對較大，以宏觀裂縫為主。后者是在成巖過程中形成，一般規(guī)模較小，以微裂縫為主［15-18］。

黔西南區(qū)舊司組黑色頁巖巖石礦物特征表明，下段碎屑礦物體積分?jǐn)?shù)高，上段自生脆性礦物體積分?jǐn)?shù)較高，脆性礦物總體積分?jǐn)?shù)大于50%，具有較好得破裂潛力。舊司組黑色頁巖具有孔隙度低、滲透率特低的特征，孔隙以溶蝕孔、有機(jī)孔、晶內(nèi)微孔縫等為主，孔隙體積主要為中孔體積。

綜上所述，水城-晴隆地區(qū)可以作為下石炭統(tǒng)舊司組黑色頁巖的儲(chǔ)層有利區(qū)。

4 有利區(qū)優(yōu)選

綜合TOC、碎屑礦物和黏土礦物體積分?jǐn)?shù)的平面分布特征、Ro，黔西南區(qū)舊司組黑色頁巖地球化學(xué)及儲(chǔ)層有利區(qū)主要分布在水城-晴隆地區(qū)（見圖5）。

圖5 舊司組黑色頁巖地球化學(xué)及儲(chǔ)層有利區(qū)分布

5 結(jié)論

1）黔西南區(qū)下石炭統(tǒng)舊司組黑色頁巖有機(jī)質(zhì)類型以Ⅱ型為主，偶見Ⅲ型和Ⅰ型。

2）黔西南區(qū)舊司組黑色頁巖TOC 分布在0.05%～5.76%，平均為1.25%；平面上，以威寧-水城-晴隆-貞豐為軸線，往兩側(cè)TOC 逐漸減少，在威寧、水城、晴隆一帶TOC 大于1.50%；縱向上，舊司組下段的TOC 比上段高。

3）黔西南區(qū)舊司組黑色頁巖的總體演化程度較高，Ro分布在1.01%～4.87%，平均2.63%，處于過成熟早期產(chǎn)干氣階段； 平面上，Ro高值區(qū)主要在威寧、水城、普安和晴隆一帶，Ro﹤1.30%主要分布在威寧以西。

4）黔西南區(qū)舊司組黑色頁巖具有孔隙度低、滲透率特低、比表面積大等特點(diǎn)，孔隙類型主要為溶蝕孔、有機(jī)孔和晶內(nèi)微孔縫，孔隙體積為中孔體積；脆性礦物體積分?jǐn)?shù)較高，黏土礦物體積分?jǐn)?shù)適中，易于壓裂；巖石微裂縫和水介質(zhì)對巖石抗壓、抗拉強(qiáng)度有一定影響。

5）黔西南區(qū)舊司組黑色頁巖地球化學(xué)及儲(chǔ)層有利區(qū)主要分布在水城-晴隆地區(qū)。

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