張本杰 劉 甲，2 張 偉，2 秦 琴羅 沙

（1.貴州煤礦地質(zhì)工程咨詢(xún)與地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，貴州 貴陽(yáng) 550081；

2.貴州能礦織金磷化工有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550003）

QY1井龍吟組頁(yè)巖有機(jī)碳含量與含氣量的特殊相關(guān)性

張本杰1劉 甲1，2張 偉1，2秦 琴1羅 沙1

（1.貴州煤礦地質(zhì)工程咨詢(xún)與地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，貴州 貴陽(yáng) 550081；

2.貴州能礦織金磷化工有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550003）

通過(guò)大量樣品測(cè)試結(jié)果并結(jié)合地質(zhì)錄井資料分析，對(duì)QY1井下二疊統(tǒng)龍吟組頁(yè)巖有機(jī)碳含量與含氣量的關(guān)系進(jìn)行了研究，并探討了影響因素。結(jié)果表明：龍吟組頁(yè)巖有機(jī)碳含量低、含氣量較高，有機(jī)碳含量與含氣量呈弱負(fù)相關(guān)性，具特殊的相關(guān)性。分析認(rèn)為：低鹽度的沉積環(huán)境是造成有機(jī)碳含量低的原因，伊/蒙混層礦物是影響有機(jī)碳含量的因素，富含氮?dú)馐琼?yè)巖含氣量高的主要原因。

龍吟組 有機(jī)碳含量與含氣量 弱負(fù)相關(guān)性 沉積環(huán)境和伊/蒙混層礦物 富N2頁(yè)巖

0 引言

自美國(guó)頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)取得巨大成功，從下古生界寒武系至中生界白堊系，國(guó)內(nèi)外不少學(xué)者對(duì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層進(jìn)行了大量的研究工作，認(rèn)為頁(yè)巖有機(jī)碳含量（TOC）與含氣量呈正相關(guān)性。JARVIE D［1］于2004年提出：頁(yè)巖TOC與生氣率有較好的正相關(guān)性。TOC含量越高，頁(yè)巖生氣及含氣能力越強(qiáng)［2］。胡明毅等（2015）［3］，論述“頁(yè)巖氣儲(chǔ)層研究現(xiàn)狀及存在問(wèn)題探討”時(shí)，提到“國(guó)內(nèi)學(xué)者普遍認(rèn)為頁(yè)巖吸附氣量與TOC含量呈正相關(guān)關(guān)系”。“頁(yè)巖TOC含量與含氣量呈正相關(guān)性”已成為“普遍性原理”，從未有學(xué)者提及頁(yè)巖TOC與含氣量呈負(fù)相關(guān)性或負(fù)相關(guān)趨勢(shì)。

QY1井是黔西南晴隆縣境內(nèi)實(shí)施的調(diào)查井，對(duì)鉆井巖心進(jìn)行了采樣并測(cè)試，采樣及測(cè)試嚴(yán)格按有關(guān)要求執(zhí)行，測(cè)試單位均具甲級(jí)資質(zhì)。根據(jù)測(cè)試結(jié)果并結(jié)合地質(zhì)錄井資料分析研究，發(fā)現(xiàn)QY1井龍吟組頁(yè)巖TOC含量與含氣量不是呈正相關(guān)關(guān)系，而是呈弱負(fù)相關(guān)性，具特殊的相關(guān)性，表明有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖TOC與含氣量的關(guān)系不能一概而論。通過(guò)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層實(shí)例分析研究并總結(jié)TOC含量與含氣量的特殊相關(guān)性特征，探討其影響因素，以期對(duì)頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)具有指導(dǎo)性意義。

1 地質(zhì)背景

石炭紀(jì)末期，黔桂運(yùn)動(dòng)使貴州省內(nèi)大部地區(qū)上升為陸，黔中古陸隆起在泥盆、石炭紀(jì)時(shí)期經(jīng)風(fēng)化剝蝕，黔西南一帶仍為海相連續(xù)沉積。早二疊世晴隆一帶為開(kāi)闊臺(tái)地地理格局，二疊紀(jì)早期自南西向北東開(kāi)始海侵，晴隆地區(qū)為海相沉積，中二疊世梁山期開(kāi)始不同程度的海退，由海相向陸相沉積環(huán)境演變。

QY1井開(kāi)鉆層位為中二疊統(tǒng)梁山組（P2l），完鉆層位為上石炭統(tǒng)馬平組（C2m），主要目的層為下二疊統(tǒng)龍吟組（P1l），鉆遇地層巖性、井深及采樣位置如圖1。龍吟組由頁(yè)巖、泥巖、鈣質(zhì)泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖與泥質(zhì)灰?guī)r組成。黑色頁(yè)巖位于中部及下部，單層厚4.23～6.39 m；黑、灰黑色泥巖及鈣質(zhì)泥巖位于中部及中下部，單層厚1.27～12.69 m；深灰色粉砂質(zhì)泥巖主要位于中部及下部，單層厚0.77～15.30 m；深灰色泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖主要位于上部，單層厚1.35～15.36 m；灰色泥質(zhì)灰?guī)r主要位于中部，單層厚0.57～8.96 m。

龍吟組上覆地層由老到新：包磨山組為砂泥巖、灰?guī)r，組厚485 m；中二疊統(tǒng)梁山組為石英砂巖、灰?guī)r、砂泥巖夾薄煤層，組厚123 m，棲霞組和茅口組灰?guī)r厚約700 m；上二疊統(tǒng)峨嵋山玄武巖組玄武巖厚約100 m。

圖1 QY1井采樣位置及沉積相柱狀圖

2 TOC與含氣量的特殊相關(guān)性

QY1井龍吟組共采取了61件頁(yè)巖巖心樣測(cè)試TOC含量，TOC含量為0.30%～1.58%，平均為0.73%，TOC含量低；對(duì)23件頁(yè)巖樣進(jìn)行了解析，其含氣量為1.52～3.95 m3/t，平均為2.04 m3/t，頁(yè)巖含氣性較好。QY1-85樣TOC含量最高（1.58%），而含氣量為1.81 m3/t，其含氣量與TOC含量的比值最?。?.14）。在井深851.5 m處采取的QY1-108樣測(cè)試TOC含量為0.38%（低），而含氣量高達(dá)3.95 m3/t（最高），其含氣量與TOC含量的比值最大（10.39），其他21件頁(yè)巖樣含氣量與TOC含量的比值較小（1.24～5.86）。對(duì)QY1-108樣進(jìn)行等溫吸附實(shí)驗(yàn)，當(dāng)恒溫30℃、壓力12.01 MPa時(shí)吸附氣量為1.43 m3/t，頁(yè)巖具一定吸附氣體的能力。從圖2可看出，23件樣品隨TOC含量增高含氣量總體呈減少趨勢(shì)，TOC含量與含氣量不是呈正相關(guān)關(guān)系，而是呈弱負(fù)相關(guān)性，具有特殊的相關(guān)性。

3 討論

3.1 影響TOC的因素

圖2 頁(yè)巖TOC與含氣量關(guān)系圖

從龍吟組9件樣品微量元素分析可知，硼（B）含量為0～184 μg/g（1件為184 μg/g），平均為26.66 μg/g，B/Ga比值為0～0.18，平均為0.05（小于1.5），Sr/Ba比值為1.49～338.19（比值大于110的樣3件），平均71.17（大于1），反映了含鹽度低的海相沉積環(huán)境。水體鹽度與有機(jī)質(zhì)豐度具正相關(guān)性［4］，水體含鹽度低的沉積環(huán)境，頁(yè)巖TOC含量低。頁(yè)巖礦物成分以黏土礦物為主，含量為34.23%～67.91%，平均50.66%，黏土礦物含量高。隨深度增加，黏土礦物含量逐漸減少，表明晴隆地區(qū)龍吟組為由深水相向淺水相過(guò)渡的沉積環(huán)境。由深水向淺水過(guò)渡的沉積環(huán)境砂質(zhì)含量逐漸增加，TOC含量逐漸降低［5］。QY1井龍吟組埋深為543.3～889.1 m，在埋深599～700.1 m的頁(yè)巖TOC含量均小于1%，TOC含量大于1%的頁(yè)巖主要位于埋深878～889.1 m。頁(yè)巖TOC含量高低與在地質(zhì)歷史時(shí)期的埋深因素有關(guān)［6］。從樣品巖性與TOC含量分析：QY1-85樣、QY1-115樣、QY1-117樣、QY1-118樣巖性為黑色頁(yè)巖，TOC含量分別為1.58%、1.39%、1.28%、1.46%；QY1-77樣、QY1-83樣、QY1-98樣、QY1-91樣巖性為灰黑色鈣質(zhì)泥巖，TOC含量分別為1.23%、1.28%、1.25%、1.33%；QY1-47樣、QY1-55樣巖性為深灰色泥質(zhì)粉砂巖，TOC含量分別為0.51%、0.62%；QY1-108樣、QY1-121樣巖性為深灰色泥質(zhì)灰?guī)r，TOC含量分別為0.38%、0.30%。海相黑色頁(yè)巖、泥巖TOC含量一般較高，砂巖、砂泥巖、泥質(zhì)灰?guī)rTOC含量一般較低。一般地，埋深、巖性是影響TOC含量的因素，低鹽度的沉積環(huán)境是造成TOC含量低的原因。

蒙脫石具很強(qiáng)的吸水性及吸附有機(jī)質(zhì)能力，并具離子交換性能，當(dāng)埋藏時(shí)間增長(zhǎng)、地壓增大、地溫增加，蒙脫石不斷脫水受鉀的交代將轉(zhuǎn)化成伊利石，其轉(zhuǎn)化順序?yàn)椋好擅撌?蒙混層→伊利石［7］。吸附能力和孔隙發(fā)育次序?yàn)椋好擅撌笥谝?蒙混層大于高嶺石大于綠泥石大于伊利石大于粉砂巖大于石英巖［8］。蒙脫石在轉(zhuǎn)化過(guò)程中，吸附在表面上有機(jī)質(zhì)易受微生物降解和破壞使有機(jī)質(zhì)含量減少，層間結(jié)構(gòu)中吸附的有機(jī)質(zhì)隨埋深、溫度增加，晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，有機(jī)質(zhì)從層間排出轉(zhuǎn)化生烴［9］、排烴，烴類(lèi)氣體于孔縫中存儲(chǔ)。

龍吟組17件頁(yè)巖樣X(jué)-衍射測(cè)試，黏土礦物以伊利石為主（含量為16.22%～61.84%，平均為38.34%），其次為伊/蒙混層（含量為1.94%～67.0%，平均為21.16%）、綠泥石（含量為2.0%～59.66%，平均為16.81%）、高嶺石（含量為4.0%～47.57%，平均為15.27%），未見(jiàn)蒙脫石、勃來(lái)石。分析發(fā)現(xiàn)，TOC與比表面、伊/蒙混層礦物含量呈正相關(guān)性（圖3）。由此推斷，龍吟組頁(yè)巖中蒙脫石礦物已全部被轉(zhuǎn)化，蒙脫石、伊/蒙混層向伊利石轉(zhuǎn)化時(shí)，原始有機(jī)質(zhì)不斷生烴被消耗，TOC含量也隨著逐漸降低，原始有機(jī)碳變成殘余有機(jī)碳；由于伊/蒙混層吸附能力遠(yuǎn)大于伊利石，吸附有機(jī)質(zhì)的量比伊利石多，轉(zhuǎn)化伊利石時(shí)，轉(zhuǎn)化多，消耗的有機(jī)質(zhì)就多，生排烴類(lèi)氣體的量就大，殘留下的有機(jī)碳就少，伊/蒙混層含量變少，反之，殘余的有機(jī)碳含量就高。TOC含量隨伊/蒙混層礦物含量增加而增大，隨伊/蒙混層礦物含量減少而降低，伊/蒙混層礦物可能是影響TOC含量的因素。

圖3TOC與伊/蒙混層礦物含量關(guān)系圖

需要指出的是，測(cè)試龍吟組頁(yè)巖的TOC含量為殘余TOC含量，不是經(jīng)過(guò)恢復(fù)后的原始TOC含量，殘余TOC含量與原始TOC含量存在一定差值。

3.2 影響含氣性的因素

龍吟組7件頁(yè)巖樣Ro在2.96%～4.17%，平均為3.60%，頁(yè)巖熱演化程度高，處于過(guò)成熟階段。6件頁(yè)巖樣測(cè)試的有機(jī)質(zhì)類(lèi)型中有4件為Ⅱ1型，2件為Ⅱ2型，干酪根顯微組分以殼質(zhì)組為主（41.0%～69%，平均為58.33%），其次為腐泥組（平均為28.5%）、鏡質(zhì)組（平均為7.65%）和惰質(zhì)組（平均為5.5%）。殼質(zhì)組是微生物降解物等形成的顯微組分，有機(jī)質(zhì)類(lèi)型為Ⅱ型并以Ⅱ1型為主，反映了母質(zhì)來(lái)源于海相浮游生物和微生物的混合有機(jī)質(zhì)，生烴能力較強(qiáng)，生烴組分以殼質(zhì)組為主。頁(yè)巖氣產(chǎn)氣量影響因素與煤層氣有許多相似之處，煤有機(jī)顯微組分產(chǎn)氣能力次序?yàn)闅べ|(zhì)組大于鏡質(zhì)組大于惰質(zhì)組［10］。6件樣頁(yè)巖含氣量隨殼質(zhì)組增加而增大，殼質(zhì)組與含氣性呈正相關(guān)關(guān)系，推斷殼質(zhì)組是影響含氣性的因素。

從樣品氬離子拋光圖片分析，局部見(jiàn)有機(jī)質(zhì)呈塊狀或條帶狀，有機(jī)質(zhì)納米孔不發(fā)育，見(jiàn)少量黏土礦物顆粒間殘余納米孔，孔徑為30～921.5 nm，微裂隙較發(fā)育，長(zhǎng)2～10 μm，寬0.1～0.3 μm，見(jiàn)有方解石和粉砂顆粒、少量粒間納米孔隙。龍吟組頁(yè)巖納米孔少，納米孔吸附和儲(chǔ)集頁(yè)巖氣的量少，納米孔不是本組頁(yè)巖氣體的主要儲(chǔ)存空間，不是影響本組頁(yè)巖含氣性的主要因素。

脆性礦物的溶蝕作用能增加頁(yè)巖氣的儲(chǔ)集空間［11］，脆性礦物含量高（平均大于40%），頁(yè)巖中發(fā)育大量微、納米級(jí)孔縫，含氣量較高［12］。QY1井龍吟組頁(yè)巖7件樣品礦物成分除黏土礦物外，脆性礦物含量最高（31.02%～64.77%，平均為48.22%），其中石英含量為10.07%～26.0%，平均為18.85%，長(zhǎng)石含量為0～3.87%，平均為0.98%，白云石含量為7.32%～23.03%，平均為 16.84%，方解石含量為0～47.38%，平均為13.52%。脆性礦物以碳酸鹽礦物為主，含量為11.01%～54.7%，平均為28.39%，石英和長(zhǎng)石含量少。從樣品掃描電鏡圖片觀察，晶間孔、溶蝕孔、溶縫發(fā)育，以微米級(jí)孔縫為主。方解石（Cc）、白云石（Ank）晶間孔孔徑一般為2～5 μm，溶蝕孔主要于方解石、白云石、長(zhǎng)石（F）晶體表面分布，伊/蒙混層表面也有少量分布，孔徑一般為0.5～2 μm，溶縫呈鋸齒狀，長(zhǎng)一般為20～80 μm，寬一般為1～5 μm。從礦物含量與含氣性關(guān)系分析，碳酸鹽礦物含量與含氣性具正相關(guān)性，石英+長(zhǎng)石與含氣性呈弱正相關(guān)性。龍吟組碳酸鹽脆性礦物孔縫發(fā)育，對(duì)頁(yè)巖氣賦存、運(yùn)移有貢獻(xiàn)，頁(yè)巖氣以游離氣為主，推斷碳酸鹽礦物是影響含氣性的因素。

龍吟組6件頁(yè)巖氣體組分（無(wú)空氣基）測(cè)試顯示，氣體組分主要為CH4和N2，其中CH4占17.59%～51.88%，平均為40.21%，N2占46.76%～81.16%，平均為58.42%，且有5件樣的N2百分含量高于CH4百分含量，幾乎無(wú)重?zé)N，屬富氮天然氣藏。6件樣品碳同位素δ13C1為-35.80‰～-17.30‰。據(jù)戴金星［13］利用δ13C1大于-55‰進(jìn)行伴生氣鑒別、δ13C1-C1/C2+3進(jìn)行各類(lèi)甲烷鑒別及δ13C1-δ13C2-δ13C3進(jìn)行不同成因烷烴氣的鑒別，龍吟組6件樣均為伴生氣成因有機(jī)甲烷，有機(jī)甲烷氣類(lèi)型以油型裂解氣和煤型氣為主，5件樣為碳同位素系列倒轉(zhuǎn)混合烷烴氣成因，QY1-108樣既不是油型氣、倒轉(zhuǎn)混合烷烴氣成因，也不屬于生物混合烷烴氣成因，為不明成因混合天然氣。6件樣單位體積N2含量高，其中QY1-108樣單位體積N2含量最高（2.27 m3/t），混合含氣量最大（3.95 m3/t）。QY1-112樣N2百分含量雖然最高，而混合含氣量為2.54 m3/t，單位體積N2含量為2.06 m3/t（屬較高），僅低于QY1-108樣單位體積N2含量。總之，富含N2是龍吟組頁(yè)巖含氣量高的主要原因。

6件氣體組分樣中均未檢測(cè)到O2的存在，N2來(lái)源可以排除現(xiàn)今大氣氮溶解于地下水沿?cái)嗔严聺B然后脫溶聚集的可能［14］。鉆遇地層雖未發(fā)現(xiàn)巖漿巖侵入，但不能排除上覆地層峨嵋山玄武巖組巖漿巖中的N2在橫向或垂向運(yùn)移的影響。龍吟組N2含量與Ro關(guān)系不明顯，因測(cè)試相關(guān)數(shù)據(jù)有限，不足以證明N2來(lái)源與有機(jī)質(zhì)成熟度無(wú)關(guān)。從熱演化程度高來(lái)看，富N2應(yīng)與過(guò)成熟階段有機(jī)質(zhì)含氮化合物經(jīng)熱裂解作用形成有關(guān)。當(dāng)沉積有機(jī)質(zhì)演化到一定階段，形成富含氮的烴類(lèi)氣體之后，在成藏過(guò)程中發(fā)生長(zhǎng)距離的側(cè)向和垂向運(yùn)移均可形成富氮天然氣藏［15］。

4 結(jié)論

1）QY1井龍吟組頁(yè)巖TOC含量低，含氣性較好，以游離氣為主，TOC與含氣量呈弱負(fù)相關(guān)性，具有特殊的相關(guān)性。

2）低鹽度的沉積環(huán)境是造成龍吟組頁(yè)巖TOC含量低的原因，伊/蒙混層礦物是影響TOC含量的因素，富含N2是龍吟組頁(yè)巖含氣量高的主要原因。

3）頁(yè)巖氣儲(chǔ)層十分復(fù)雜，TOC與含氣量的弱負(fù)相關(guān)性影響因素尚需進(jìn)一步研究。研究頁(yè)巖TOC與含氣量的相關(guān)性對(duì)頁(yè)巖氣資源潛力評(píng)價(jià)具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

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（編輯：盧櫟羽）

B

2095-1132（2016）05-0015-04

10. 3969/j. issn. 2095-1132. 2016. 05. 004

修訂回稿日期：2016-09-01

貴州省地勘基金重大專(zhuān)項(xiàng)“貴州省頁(yè)巖氣資源調(diào)查評(píng)價(jià)（2012GYYQ）”項(xiàng)目之子項(xiàng)目“黔西南地區(qū)頁(yè)巖氣資源調(diào)查評(píng)價(jià)（2012GYYQ-04）”資助。

張本杰（1965-），工程師，從事頁(yè)巖氣評(píng)價(jià)及油氣協(xié)管工作。E-mail：1435876631@qq.com。