貴州綏陽地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁巖氣地質特征及勘探方向

張志平，程禮軍 ，曾春林

（1 重慶地質礦產(chǎn)研究院； 2 國土資源部頁巖氣資源與勘查技術重點實驗室）

（3 重慶市頁巖氣資源與勘查工程技術研究中心； 4 油氣資源與探測國家重點實驗室重慶頁巖氣研究中心）

1 引 言

近年來，隨著國內(nèi)外頁巖氣勘探技術的不斷提高，國內(nèi)一些曾被長久忽視的具有頁巖氣潛力的區(qū)域被再次重視和勘查。 貴州綏陽地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組黑色碳質頁巖具有較好的頁巖氣資源條件。 國內(nèi)已有學者對綏陽寒武系頁巖所處的上揚子區(qū)下古生界巖相古地理環(huán)境、氣源巖的地質背景、成藏條件和勘探遠景作了大量研究［1-5］，并對貴州地區(qū)牛蹄塘組頁巖的地質特征及氣潛力進行了一些調(diào)查研究［4-7］，明確了牛蹄塘組為頁巖氣資源潛力層系。

本次研究在對綏陽地區(qū)4條寒武系實測剖面（萬壽場、扁桶山、永樂、團澤剖面）和2口寒武系頁巖氣參數(shù)井（綏1井和鳳1井）（位置見圖1）樣品測試分析的基礎上，對研究區(qū)內(nèi)的主要頁巖氣目的層位——下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁巖，進行了有機地化特征、含氣性以及儲層物性和保存條件的細化研究，評價和提出了研究區(qū)牛蹄塘組頁巖氣的資源潛力和勘探方向。

2 區(qū)域地質背景

綏陽下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁巖分布于貴州省北部綏陽一帶，分布面積約1143 km2。 該分布區(qū)構造上屬 于上揚子地臺川黔南北向構造帶的鳳崗北北東向構造變形區(qū)，區(qū)內(nèi)褶皺和斷裂非常發(fā)育［1］（圖1）。

圖1 綏陽研究區(qū)地理位置與構造分布示意圖

區(qū)內(nèi)地層歸屬于上揚子地層分區(qū)的黔北地層小區(qū)［1］，區(qū)域的沉積演化與揚子地臺的構造演化具有一致性，在中元古代晚期—中古生代志留紀經(jīng)歷了陸緣大洋地殼向大陸地殼轉變的地質時期［1］。 其中，早寒武世，隨著海平面的上升，在中上揚子區(qū)形成缺氧環(huán)境，在外陸的滇北地區(qū)沉積了一套海相含碳質頁巖。 深埋的下寒武統(tǒng)是區(qū)內(nèi)主要的油氣生儲蓋組合層系［1-2，6］（圖2）。

圖2 綏陽地區(qū)地層綜合柱狀圖

3 頁巖發(fā)育特征

區(qū)內(nèi)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組主要由黑色碳質頁巖組成，夾少量粉砂巖、粉砂質頁巖，底部為黑色含磷硅質巖、硅質巖和磷塊巖，產(chǎn)三葉蟲和掘足類化石，厚度約24～55m。 由于牛蹄塘組區(qū)域沉積中心位于研究區(qū)東南部，因而地層厚度由東南向西北方向逐漸減薄。在綏陽—湄潭一帶，牛蹄塘組厚度主要在40～50m之間，是較好的頁巖烴源巖富集區(qū)（圖3）。

牛蹄塘組底界的埋藏深度，整體上呈由東南向西北呈增大的趨勢，最大埋深3 000 m，埋藏深度明顯受褶皺分布的控制（圖3）。在向斜區(qū)多出露三疊紀地層，同時向斜區(qū)地層傾角較大，所以埋深大；相反，在背斜區(qū)埋深則小。

圖3 綏陽地區(qū)牛蹄塘組頁巖埋深與厚度分布圖

4 頁巖有機地化特征

區(qū)內(nèi)牛蹄塘組黑色頁巖中的有機質顆粒有多種形態(tài)，如不規(guī)則細粒狀、長條狀和塵點狀，有時有機質顆粒中可見許多極小的黃鐵礦散布。

牛蹄塘組頁巖氣樣品中的有機碳含量（TOC）為1.5%～3.0%（圖4）。 受沉積特征影響，頁巖的TOC由北向南有增高的趨勢，在綏陽—湄潭一帶TOC均在2%以上，只有少部分地區(qū)TOC低于1.5%（圖4）。 有機質成熟度在區(qū)內(nèi)總體上反映了演化程度較高，瀝青質反射率(Ro)值在1.2%～2.0%之間，綏陽—湄潭一帶Ro為1.5%～2.0%（處于高成熟階段［2］），其余地區(qū)Ro普遍低于1.5%（圖4）。

牛蹄塘組頁巖的干酪根碳同位素（δ13C）值分布在-34.7‰～-29.6‰之間，此值較小，反映了牛蹄塘組干酪根類型主要為腐泥型（Ⅰ型）［8］。 通過對頁巖巖石學特征的分析，其生源組合主要以腐泥組+藻類組占絕對優(yōu)勢，腐泥組+藻泥組的相對含量較高；巖石內(nèi)含一定量的碳瀝青，含量一般在10%～20%。

圖4 綏陽地區(qū)牛蹄塘組頁巖成熟度分布特征與有利探區(qū)預測

5 儲層物性和含氣性

區(qū)內(nèi)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁巖的孔滲性測定（表1）表明： 孔隙度在1.3%～5.6%之間，平均為2.24%，孔隙度中等。 滲透率分布在（0.0022～0.0172）×10-3μm2之間，平均為0.0083×10-3μm2，滲透率極低。 頁巖孔隙以中孔隙為主，中孔的體積占到孔隙總體積的85.23%。

表1 綏陽地區(qū)牛蹄塘組頁巖孔滲性參數(shù)表

牛蹄塘組黑色頁巖的礦物成分主要為碎屑礦物和黏土礦物，以及少量的黃鐵礦和重晶石。 其中，碎屑礦物含量44%～87%，平均為67.3%，成分主要為石英等脆性礦物，具有較好的可壓性。黏土礦物主要為伊利石(平均含量58.4%)和伊蒙混層礦物(平均含量25.9%)，以及少量的綠泥石和高嶺石。伊蒙混層礦物中，蒙脫石平均占到19.4%。 結合黏土礦物成分來看，區(qū)內(nèi)頁巖已到晚成巖階段［9］。

據(jù)區(qū)域周邊的岑頁1井資料顯示，貴州北部區(qū)域最大水平主應力方向為近東西向，區(qū)域地層壓力系數(shù)為0.97，處于正常壓力范圍； 地層壓力梯度在0.026 5～0.027 5 MPa/m。

通過對區(qū)域周邊的岑頁1 井（位于綏陽東南160 km的岑鞏縣羊橋鄉(xiāng)）和烏羅錳礦的鉆孔408 （位于綏陽以東150 km 的松桃縣烏羅）等進行的牛蹄塘組富有機質頁巖鉆井巖心的含氣量現(xiàn)場解吸（表2）可知，岑頁1 井頁巖現(xiàn)場解吸的含氣量較高，最高可達1.165 m3/t，鉆孔408 共解吸了7 個樣品，含氣量最高為0.254 m3/t。

表2 綏陽周邊鉆井(孔) 牛蹄塘組富有機質頁巖含氣量解吸記錄表

總體看來，綏陽地區(qū)富有機質頁巖層段應具有一定的含氣量，根據(jù)綏陽及周邊已實施鉆井的解吸數(shù)據(jù)推算，含氣量在0.3～1.2 m3/t。

另外，根據(jù)美國的頁巖氣的勘探經(jīng)驗［10］，牛蹄塘組頁巖層在綏陽勘查區(qū)應具有一定的勘探開發(fā)潛力。

6 保存條件

保存條件一直是困擾中國南方常規(guī)油氣勘探的主要問題之一［11］。 由于頁巖氣富集的特殊的巖性特征以及成藏機理，故其對保存條件的要求較常規(guī)油氣的要低。 但在綏陽勘查區(qū)，由于早古生代地層的裸露程度較高，因此, 對保存條件的分析就顯得尤為重要。

6.1 封蓋層分布特征的影響

黔北地區(qū)牛蹄塘組的上部覆蓋有中—上寒武統(tǒng)甚至整個古生代的地層。 受構造抬升和風化剝蝕作用影響，綏陽地區(qū)以下寒武統(tǒng)明心寺組泥頁巖和金頂山組泥頁巖等區(qū)域性殘留層為主要蓋層，分布面積廣（達528.32 km2），厚度大，封蓋能力強。

6.2 構造演化的影響

自古生代地層沉積以來，本區(qū)域內(nèi)歷經(jīng)了多期次構造活動，對區(qū)內(nèi)頁巖地層的保存條件產(chǎn)生了重大影響。

加里東運動 該運動期對研究區(qū)頁巖氣的保存影響較小。 由于下伏的牛蹄塘組烴源巖尚處于成熟階段，區(qū)域性的構造抬升導致烴源巖的生烴延遲，并為二次生烴創(chuàng)造了條件。

海西—印支運動 海西運動期，地殼沉降幅度小，未形成大的油氣聚集與油藏破壞。 印支運動早期，發(fā)生區(qū)域性海侵和地殼沉降，三疊系快速沉積，牛蹄塘組埋深增大，達到生烴門限。 印支運動后期，地殼抬升，海水由西南方向退出，區(qū)域上結束了海相沉積歷史。 該期運動對牛蹄塘組的二次生烴起到了至關重要的作用，但對早古生代頁巖的保存影響較小。

燕山—喜馬拉雅運動 是影響頁巖氣保存的重要構造運動。 構造褶皺致使晚古生代之后的地層大面積剝蝕，僅在蝦子場復向斜中保留了三疊系及其以下地層。 考慮到頁巖氣的吸附性特點，針對不同的目的層，那些褶皺構造寬緩、斷裂相對不發(fā)育的地區(qū)仍具有較好的保存條件； 而對于褶皺緊密、斷裂發(fā)育的地區(qū)，保存條件無疑較差，因而勘探風險較大。

6.3 水文地質條件的影響

水文地質條件是油氣保存條件的綜合反映［12］。據(jù)區(qū)域周邊鉆井的地層水化學資料（涉及的地層達震旦系），方深1井（位于綏陽西南的畢節(jié)地區(qū)大方縣）2 410 m處上震旦統(tǒng)燈影組地層水的礦化度很低，為3.981 g/L，Cl-含量也很低，只有0.26 g/L，水型為NaHCO3型，均表明為水文開啟環(huán)境，保存條件差。 綏陽地區(qū)綏1井婁山關組地層水礦化度在0.2～1.79 g/L，水型為Na2SO4型 （為水文開啟—過渡環(huán)境），保存條件也較差。 根據(jù)已有的地層水類型特征，勘查區(qū)內(nèi)局部處于一個自由交替帶范圍，對頁巖氣的保存有一定影響。

7 有利探區(qū)預測

綜合分析，貴州綏陽地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組富有機質黑色頁巖具有以下有利條件：

（1）勘查區(qū)處于深水陸棚頁巖微相帶，整個綏陽地區(qū)均為下寒武統(tǒng)，其中牛蹄塘組頁巖的有效厚度在30～50 m，埋深小于3 000 m，連續(xù)分布的有效面積大于30 km2，達到一定的分布規(guī)模。

（2）有機質類型主要為腐泥型（Ⅰ型），TOC值普遍大于1.0%，局部地區(qū)超過3.0%，且TOC＞2.0%的高有機質豐度的烴源巖分布范圍較大。 Ro為1.0%～3.5%，未見小于1%的區(qū)域。

（3）牛蹄塘組頁巖的含氣量推測為0.3～1.2m3/t。 另據(jù)國土資源部油氣戰(zhàn)略研究中心《頁巖氣資源潛力評價與有利區(qū)優(yōu)選方法》，采用概率體積法［13］計算，牛蹄塘組頁巖氣的地質資源量為639.52×108m3，可采資源量為125.47×108m3，資源潛力較大。

（4）勘查區(qū)的東北部為寬緩隆起區(qū)，具有較好的區(qū)域性封蓋層，有利蓋層面積約達528 km2，范圍較大，保存條件好。

由此認為，整個綏陽地區(qū)均為下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁巖氣勘查的有利區(qū)域（圖4），其中勘查區(qū)的東北部應是頁巖氣下一步的重點勘探方向。

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