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(云南煤層氣資源勘查開發(fā)有限公司，云南曲靖 655000)

頁巖氣是潛力巨大的非常規(guī)天然氣資源，煤系頁巖氣是頁巖氣的重要類型之一，煤系泥頁巖具備較好的聚集和成藏潛力[1]。目前我國煤系頁巖氣尚處于勘查起步階段，頁巖氣理論研究集中于海相頁巖的成藏過程、富集地質(zhì)條件、儲層評價等方面[2-4]，較少涉及煤系頁巖氣。滇東宣威地區(qū)是云南省煤炭、煤層氣資源勘探開發(fā)的重要區(qū)域，該區(qū)煤炭資源主要產(chǎn)于二疊系[5-6]，含煤巖系中發(fā)育多套有機(jī)質(zhì)泥頁巖。隨著煤系頁巖氣的深入研究[7-9]，宣威地區(qū)也逐步開展了二疊系龍?zhí)督M頁巖氣的基礎(chǔ)勘探工作，其中龍?zhí)督M泥頁巖具有厚度大、連續(xù)性好、分布范圍廣、有機(jī)質(zhì)豐度高等特征，是一套好的氣源巖，但研究較淺，成果較少。因此，本文以滇東宣威地區(qū)上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M為例，從地球化學(xué)特征分析入手，對已發(fā)現(xiàn)氣藏進(jìn)行了深入解剖，總結(jié)了宣威地區(qū)龍?zhí)督M頁巖氣形成的地質(zhì)條件，明確了頁巖氣的成藏特征和重點(diǎn)勘探方向，以期為頁巖氣資源評價和煤系非常規(guī)氣共采提供地質(zhì)依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

滇東宣威地區(qū)位于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺滇東臺褶帶曲靖臺褶束牛首山隆起之東緣，巖層產(chǎn)狀平緩，大都在15°～30°之間，斷裂發(fā)育，斷裂之間發(fā)育著寬緩的短軸褶曲和斷陷盆地[10-11]。區(qū)內(nèi)主要斷層是北東向?qū)さ椤嗔押徒媳毕蚋辉础獜浝諗嗔眩@兩條斷層不僅規(guī)模大，而且在地質(zhì)歷史中長期發(fā)展，對區(qū)內(nèi)的地層發(fā)育和沉積相的分布具有明顯的控制作用(圖1)。

龍?zhí)督M為晚二疊世陸相沉積[12]，在宣威一帶該地層稱為龍?zhí)督M，按巖性組合可分為兩個巖性段：下段為鋁土巖，上段為含煤段。鋁土巖段厚40.3 m，上部為深灰色中厚層狀膠磷礦雜砂巖，中部為灰、灰紫色、灰白色中厚層狀水鋁石、膠鋁礦、鋁土礦巖、假鮞粒鋁土礦巖夾粉砂巖，下部為紫紅色褐鐵礦化砂巖，底部為玄武質(zhì)礫巖。與下伏的玄武巖組呈平行不整合接觸。含煤段厚約41.9 m，為灰、灰黃色細(xì)粒巖屑砂巖夾泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖及四層煤，煤層厚0.41～1.00 m，含豐富的植物化石[13]。

2 宣威龍?zhí)督M頁巖氣成藏條件分析

2.1 龍?zhí)督M泥頁巖分布規(guī)律

上二疊統(tǒng)是云南東部最主要的含煤地層，在整個滇東地區(qū)分布廣泛，發(fā)育完好，含化石豐富。受抬升剝蝕影響，區(qū)內(nèi)龍?zhí)督M沉積較為分散，主要集中在研究區(qū)北部和東部區(qū)域，為過渡相沉積，巖性為過渡相靠陸相的泥巖夾砂巖，與貴州的水城、盤州市沉積相近。據(jù)區(qū)域地質(zhì)志和實(shí)測剖面統(tǒng)計，龍?zhí)督M總厚介于134.53～321.87 m之間，暗色巖系厚度基本都大于100 m，平均達(dá)到161.95 m，其中暗色泥巖厚度平均在63 m左右，泥質(zhì)粉砂巖厚度平均在76 m左右，泥地比平均達(dá)73.82%(表1)。潛質(zhì)頁巖分布較為穩(wěn)定，各個層段厚度變化較小，總厚平均為114.32 m。宣威地區(qū)龍?zhí)督M暗色巖系主要分布在底部，單層泥頁巖厚度最大可達(dá)16.8 m，泥頁巖累計連續(xù)厚度主體介于15～40 m之間，最大為57 m，具有良好的生氣物質(zhì)基礎(chǔ)。結(jié)合區(qū)域周邊地區(qū)泥頁巖的發(fā)育情況[14]，泥頁巖厚度往富源及東北部的文興一帶逐漸增大(圖2)。

圖1 滇東宣威地區(qū)構(gòu)造區(qū)劃Fig.1 Tectonic of Xuanwei region in the southern of Yunnan

表1 龍?zhí)督M/龍?zhí)督M厚度統(tǒng)計Table 1 The thickness of Longtan formation

續(xù)表

圖2 龍?zhí)督M暗色泥頁巖累計厚度分布Fig.2 Cumulative thickness distribution of Longtan dark shale

2.2 龍?zhí)督M泥頁巖有機(jī)地化特征

有機(jī)質(zhì)類型對頁巖氣的吸附率和擴(kuò)散率均有影響[15]。上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M暗色泥頁巖TI值在-62.5～11.25之間，有機(jī)質(zhì)類型以Ⅲ型為主，并出現(xiàn)Ⅱ2型(表2)。龍?zhí)督M黑色泥頁巖顯微組分以殼質(zhì)組、鏡質(zhì)組及惰性組為主，腐泥組含量極少。

表2 龍?zhí)督M樣品干酪根類型測試成果Table 2 Kerogen type of Longtan formation

注：依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)為SY/T 5125—1996。

泥頁巖中有機(jī)質(zhì)是形成頁巖氣的物質(zhì)基礎(chǔ)，決定著生烴量的多少[16-17]。通過對扒弓煤礦63塊頁巖樣品的總有機(jī)碳含量(TOC)測試表明，龍?zhí)督M泥頁巖TOC在0.90%～18.87%之間(TOC異常樣可能受煤層影響)，平均值為4.16%，基本大于2.00%，其中有42.86%的樣品TOC在2.00%～4.00%，31.75%的樣品的TOC大于4.00%(圖3)，表明龍?zhí)督M潛質(zhì)頁巖的有機(jī)碳含量較高。

圖3 龍?zhí)督M頁巖有機(jī)碳含量頻率分布Fig.3 Organic carbon content frequency distribution of Longtan formation shale

此外，根據(jù)同組煤的鏡質(zhì)組反射率測試結(jié)果，龍?zhí)督M鏡質(zhì)組反射率介于1.07%～1.51%之間，平均值為1.22%(表3)，屬于中等成熟度，處于生氣窗?？傮w而言，龍?zhí)督M具有較好的生烴條件。

表3 頁巖樣品鏡質(zhì)體反射率測試結(jié)果Table 3 Vitrinite reflectance of Longtan formation

2.3 龍?zhí)督M泥頁巖儲層特征

2.3.1 頁巖礦物組成

宣威地區(qū)龍?zhí)督M巖性主要為灰黑色泥頁巖、砂質(zhì)泥巖夾灰色砂巖、泥質(zhì)灰?guī)r和煤層。樣品全巖及黏土礦物X射線衍射分析試驗(yàn)表明，泥頁巖的礦物組成主要以黏土和石英為主。 黏土礦物含量為14.6%～50.8%，平均含量為31.3%，以蒙皂石和綠泥石為主，其中蒙皂石含量達(dá)到60.33%，綠泥石約為16.55%；石英含量為16.8%～42.6%，平均含量為26.2%，另含有少量長石、方解石、黃鐵礦等(圖4)。石英和碳酸鹽巖等脆性礦物含量是影響頁巖基質(zhì)孔隙和微裂縫發(fā)育、含氣性及壓裂改造的重要因素，石英含量越高，泥頁巖的脆性越好。根據(jù)頁巖脆性系數(shù)計算公式：BI=(WQ+WC)/(WQ+WC+WCl)×100%，其計算結(jié)果表明，區(qū)內(nèi)龍?zhí)督M頁巖儲層的脆性指數(shù)達(dá)到53%，有很好的壓裂改造潛力。

圖4 龍?zhí)督M頁巖礦物成分及含量Fig.4 Mineral composition and content of Longtan formation shale

2.3.2 頁巖儲集物性特征

頁巖的儲集物性包括孔隙類型及結(jié)構(gòu)、裂縫發(fā)育特征等。上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M泥頁巖孔隙類型以有機(jī)質(zhì)孔、粒間孔(脆性礦物、黏土礦物)、粒內(nèi)孔和溶蝕孔為主[18](圖5)。頁巖有機(jī)質(zhì)孔是在有機(jī)質(zhì)埋藏及熱演化過程中形成的，在頁巖中極為發(fā)育，孔徑在幾十至幾百納米之間，為頁巖氣的賦存提供了大量的比表面積；礦物粒間孔是泥頁巖在沉積成巖過程中發(fā)育在礦物顆粒之間的孔隙類型，主要分散于黑色頁巖片狀黏土和粉砂質(zhì)顆粒間，大小在100 nm至3 μm，孔隙之間連通性較好；粒內(nèi)孔發(fā)育在顆粒的內(nèi)部，大多數(shù)是成巖改造形成的，孔徑在十幾到幾百納米之間，呈散點(diǎn)狀分布；溶蝕孔隙主要由石英、長石溶蝕等作用形成，有的呈四邊形，有的形狀不規(guī)則，孔徑一般在40～200 nm之間。頁巖基質(zhì)中存在許多不同大小和不同形狀的微孔隙和微裂隙，常表現(xiàn)為黏土礦物裂開縫、脆性礦物裂開縫或黏土礦物與脆性礦物接觸縫，為頁巖氣提供了豐富的賦存、運(yùn)移空間[19-20]。

圖5 龍?zhí)督M頁巖孔隙發(fā)育特征Fig.5 Pore characteristics of Longtan formation shale

2.3.3 頁巖含氣性特征

頁巖氣主要以吸附態(tài)和游離態(tài)賦存于低孔、低滲的泥頁巖中，其中吸附氣主要吸附于黏土礦物、有機(jī)質(zhì)、干酪根顆粒及孔隙表面上，游離氣主要填充于孔隙與裂隙中[3]。為了探討龍?zhí)督M富有機(jī)質(zhì)黑色頁巖對甲烷的吸附能力，對4個頁巖樣品進(jìn)行頁巖等溫吸附氣試驗(yàn)。結(jié)果表明，30 ℃下，泥頁巖吸附氣含量隨著壓力的增大而增大，在壓力較低時，吸附氣含量增速較快，在壓力足夠大時，吸附趨于飽和，達(dá)到最大吸附量。龍?zhí)督M泥頁巖最大吸附量介于1.71～3.93 cm3/g之間，平均可達(dá)2.91 cm3/g(圖6)。吸附氣含量相對較高，具有較大的勘探前景。

圖6 龍?zhí)督M黑色頁巖等溫吸附曲線Fig.6 Isothermal adsorption curves of Longtan formation shale

3 宣威龍?zhí)督M頁巖氣勘探評價

宣威地區(qū)具備頁巖氣成藏的基本條件，通過野外地質(zhì)調(diào)研、樣品試驗(yàn)測試等手段，綜合考慮龍?zhí)督M出露地層及產(chǎn)狀、構(gòu)造形態(tài)、斷裂發(fā)育情況、頁巖有效厚度及頁巖含氣性等因素，優(yōu)選出宣威以北的區(qū)域?yàn)辇執(zhí)督M頁巖氣勘探有利區(qū)，該區(qū)龍?zhí)督M泥頁巖厚度在100 m以上，有機(jī)地化條件較好，構(gòu)造相對簡單，斷層發(fā)育較少，有利于頁巖氣的富集和保存，具有較好的頁巖氣勘探潛力。

4 結(jié)論

(1)滇東宣威地區(qū)上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M為陸相沉積，按巖性分為鋁土巖和含煤段，鋁土巖段厚40.3 m，以鋁土礦和灰白色粉砂巖為主；含煤段厚約41.9 m，為灰、灰黃色細(xì)粒巖屑砂巖夾泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖及四層煤，含豐富的植物化石。

(2)龍?zhí)督M總厚介于134.53～321.87 m之間，暗色巖系厚度平均達(dá)到161.95 m，其中暗色泥巖厚度平均在63 m左右，泥質(zhì)粉砂巖厚度平均在76 m左右，泥地比平均達(dá)73.82%，具有良好的生氣基礎(chǔ)。

(3)龍?zhí)督M泥頁巖有機(jī)碳含量高、熱演化程度中等；脆性礦物含量高，孔裂隙極為發(fā)育；頁巖含氣性較高，含氣量平均為2.91 cm3/g；宣威地區(qū)構(gòu)造相對簡單，具備較好的頁巖氣成藏條件。

(4)綜合考慮龍?zhí)督M地層厚度、有機(jī)地化、含氣性以及區(qū)域構(gòu)造、斷裂等因素，優(yōu)選出宣威以北地區(qū)為龍?zhí)督M頁巖氣勘探的有利區(qū)帶，具有較好的勘探潛力。