川南-黔北地區(qū)龍?zhí)督M頁巖氣成藏條件分析

曹濤濤，鄧 模，劉 虎，劉光祥，Andrew Stefan Hursthouse

(1.湖南科技大學頁巖氣資源利用與開發(fā)湖南省重點實驗室，湖南 湘潭 411201；2.中國石化石油勘探開發(fā)研究院無錫石油地質研究所，江蘇 無錫 214126；3.頁巖氣評價與開采四川省重點實驗室，四川 成都 600091)

0 引 言

海陸過渡相頁巖氣是中國海相頁巖氣重要的接替領域。中國海陸過渡相頁巖累計厚度大、有機質豐度高，具有可觀的天然氣資源潛力[1-3]。川南-黔北地區(qū)在龍?zhí)镀诎l(fā)育一套厚度穩(wěn)定、演化程度高、含氣性好的海陸過渡相頁巖[4-5]，具備頁巖氣成藏的地質條件。鉆井揭示該區(qū)龍?zhí)督M泥頁巖段具有強烈的氣測顯示，表明了該區(qū)龍?zhí)督M頁巖氣具有較好的勘探潛力[6]。然而，國內學者對該區(qū)頁巖氣形成和富集條件的研究較少，控制頁巖氣成藏的因素尚不明確，因而，當務之急是分析頁巖儲層物性及含氣能力，明確頁巖氣成藏的控制因素，解析該區(qū)頁巖氣資源潛力。選取了川南-黔北地區(qū)龍?zhí)督M露頭及巖心樣品，分析龍?zhí)督M泥頁巖礦物組成、有機地球化學、有機巖石學、孔隙發(fā)育特征和甲烷吸附能力，探討頁巖氣成藏條件，以期為該區(qū)龍?zhí)督M頁巖氣的勘探提供參考。

1 地質概況

川南-黔北地區(qū)主體位于華鎣山西南向中低斷褶帶，屬于川南低陡褶皺帶“川黔右坳陷”范圍。受加里東運動影響，在晚二疊世龍?zhí)镀谛纬梢惶赘哓S度的以炭質頁巖和泥頁巖為主，并夾砂巖、灰?guī)r和煤層的海陸過渡相地層，泥頁巖具有多層分布、單層薄、累計厚度較大的特點[7]。四川盆地南部及黔北地區(qū)龍?zhí)督M為濱岸沼澤相沉積，泥頁巖厚度為50～100 m，TOC含量高、熱演化程度適中，具備頁巖氣成藏的物質條件[1]。該地區(qū)構造復雜，背斜、向斜相間呈NNE向展布，斷層發(fā)育。區(qū)內地層普遍褶皺抬升，地層遭剝蝕破壞，泥頁巖層段主要賦存在較好的向斜內部和背斜翼部。

2 泥頁巖分布特征

研究表明，川南地區(qū)泥頁巖厚度為50～100 m，黔北地區(qū)龍?zhí)督M優(yōu)質炭質泥頁巖的厚度為60～70 m[1]。川南興文地區(qū)玉屏龍?zhí)督M剖面實測顯示：龍?zhí)督M厚度約為140 m，其中泥頁巖厚度約為94 m；黔北赤水地區(qū)西門1井龍?zhí)督M厚度為80 m，其中泥頁巖累計厚度約為60 m，煤層累計厚度約為23 m。由此可見，該區(qū)海陸過渡相富有機質頁巖單層厚度較薄、累計厚度相對較大，上覆和下伏地層一般為灰?guī)r，具有較好的封閉性。從縱向上看，龍?zhí)督M巖性是一套黑色泥頁巖為主、粉砂巖、灰?guī)r及煤層頻繁互層。TOC在縱向上的變化幅度很大，總體上呈現(xiàn)一段高值、一段低值交互出現(xiàn)，炭質頁巖和靠近煤層的泥頁巖常具有較高的TOC含量，受沉積環(huán)境的影響明顯。

3 泥頁巖儲層特征

3.1 礦物組成

川南興文地區(qū)玉屏剖面龍?zhí)督M泥頁巖進行X衍射半定量分析結果表明：該區(qū)龍?zhí)督M呈現(xiàn)富黏土、低硅質、低碳酸鹽巖的特點(圖1a)，黏土礦物含量為35%～90%，平均為68%。黏土礦物主要組成為高嶺石和伊蒙混層(圖1b)，其中高嶺石在黏土礦物中的比例為3%～62%，其次是伊蒙混層(23%～53%，平均為37%)，以及少量的綠泥石和伊利石，基本不含蒙脫石。脆性礦物含量較低，以石英(10%～60%，平均為22%)為主，其次是菱鐵礦(0～27%，平均為5%)、黃鐵礦(0～18%，平均為2%)、碳酸鹽巖(0～15%，平均為2%)、長石(0～4%，平均為1%)以及少量石膏和重晶石。脆性礦物含量是頁巖儲層評價的重要參數(shù)，關系到頁巖層位的可壓裂性，由于脆性礦物含量較少，龍?zhí)督M泥頁巖儲層可壓裂性較差。

圖1龍?zhí)督M頁巖礦物組成

3.2 有機地球化學特征

川南興文地區(qū)玉屏剖面和黔北西門1井頁巖有機地球化學特征分析結果表明：川南-黔北地區(qū)龍?zhí)督M31個頁巖樣品TOC為0.22%～14.62%，2個煤樣的TOC分別為31.08%和55.12%。TOC分布頻率表明，多數(shù)樣品有機質豐度在2%～4%和0～1%區(qū)間。炭質頁巖及靠近煤層的泥頁巖常具有較高的TOC含量，而與砂巖互層的薄層泥巖的TOC含量通常較低。4個龍?zhí)督M頁巖的成熟度Ro值為1.47%～1.93%，處于成熟階段。11個龍?zhí)督M干酪根碳同位素值(δ13C)為-23.9‰～-22.3‰，表明干酪根類型為Ⅲ型。11個全巖顯微組分分析顯示，龍?zhí)督M干酪根以鏡質組為主(59.00%～97.20%，平均為85.50%)，其次為惰質組(平均為11.75%)、殼質組(平均為2.53%)，含少量的碎屑組，上述特征顯示了母質來源以高等植物輸入為主。

3.3 儲層物性特征

3.3.1 孔隙類型

應用普通掃描電鏡(SEM)和氬離子拋光聚焦離子束掃描電鏡(Ar+FIBSEM)對川南-黔北地區(qū)龍?zhí)督M泥頁巖的孔隙形貌、賦存位置、連通性、大小和優(yōu)勢孔隙類型進行定性表征。川南-黔北地區(qū)龍?zhí)督M泥頁巖中有機質以高等植物碎屑為主，以這類腐殖體為主的有機質其結構比較穩(wěn)定、保存完整，在生烴過程中較難產生有機質氣泡孔[7](圖2a—d)。因此，研究區(qū)龍?zhí)督M泥頁巖中有機孔發(fā)育情況較差，僅在少量部位存在一定的有機孔。如圖2d所示，塊狀有機質中孔隙發(fā)育的非均質性，在一些部位完全不發(fā)育孔隙，而一些部位則發(fā)育了一定量的生物腔內孔，反映了有機質類型和顯微組成可能是控制有機孔不發(fā)育的關鍵因素。粒間孔通常發(fā)育在黏土礦物、長石、石英和草莓體黃鐵礦等顆粒接觸部位，孔隙多呈多角形、拉長型等不規(guī)則形狀。草莓體黃鐵礦晶體生長過程中在晶體顆粒之間也能夠形成孔隙(圖2e)，這些黃鐵礦晶間孔隙彼此之間較為孤立，與其他礦物孔隙和微裂縫的連通性較差。黏土礦物是龍?zhí)督M頁巖最主要的組成，黏土礦物間孔隙發(fā)育的情況決定了龍?zhí)督M頁巖物性好壞。蒙脫石向伊蒙混層或伊利石轉變的過程中伴隨著體積的減小會產生孔隙，多成絲縷狀或卷曲狀、平行排列，連通性較好(圖2f、g)，這些孔隙大小多在幾納米到幾微米，能為氣體的儲集提供較多的空間，為氣體的導流提供微觀運移通道，增強氣體的滲透能力。高嶺石礦物間也發(fā)育了一定量的孔隙，但遠不如伊蒙混層和伊利石間孔隙發(fā)育程度好(圖2h)。在成巖過程中，龍?zhí)督M泥頁巖也會發(fā)育少量的微裂縫，多呈鋸齒狀彎曲，且具有較好的延伸性(圖2i)，是氣體有效運移的通道。

3.3.2 孔隙結構參數(shù)

根據(jù)氮氣吸附實驗獲取泥頁巖的比表面積、孔體積(表1)。由表1可知：龍?zhí)督M泥頁巖的比表面積為18.29～36.18 m2/g，平均為26.00 m2/g；孔體積為0.033～0.078 mL/g，平均為0.049 mL/g。從孔隙參數(shù)上可以看出，龍?zhí)督M泥頁巖的比表面積和孔體積明顯高于渝東南龍馬溪組和黔北牛蹄塘組頁巖[8-9]，也反映了龍?zhí)督M泥頁巖較好的物性條件。

根據(jù)IUPAC劃分標準，龍?zhí)督M泥頁巖的吸附曲線形態(tài)均呈反“S”型，為H2和H3型的混合形態(tài)(圖3a)，表明孔隙多為墨水瓶狀和狹縫狀組成。在超低壓階段 (小于0.01)，發(fā)生了微孔毛細充填及單層吸附，在此階段表現(xiàn)為低TOC頁巖具有比高TOC頁巖更大的氮氣吸附能力(圖3a)，說明了TOC較低時，頁巖中具備更多的微孔數(shù)量；在高壓階段(大于0.80)也表現(xiàn)出了TOC含量越高，氮氣吸附量越低，說明了TOC越高微觀孔隙數(shù)量越少。DFT法表征孔隙分布顯示，孔隙主要分布在小于2 nm和10～50 nm的范圍，峰值在20 nm左右(圖3b)。

3.3.3 孔隙參數(shù)的影響因素

研究表明，TOC是高過成熟海相富有機質泥頁巖儲層物性的主控因素，隨著TOC含量的增加，頁巖的比表面積、孔隙度和含氣量明顯增加[10]。但是徐宏杰等[11]對海陸過渡相頁巖物性發(fā)育特征研究發(fā)現(xiàn)，TOC對淮南地區(qū)下二疊統(tǒng)山西組煤系頁巖比表面積和孔體積的發(fā)育起抑制作用。張吉振等[12]也認為川南龍?zhí)督M泥頁巖微觀孔隙的主控因素為黏土礦物而非TOC。研究區(qū)龍?zhí)督M泥頁巖TOC與比表面積、孔體積之間存在明顯的負線性相關性(圖4a、b)，反映了TOC含量不是龍?zhí)督M頁巖微觀孔隙的主控因素，反而會造成頁巖比表面積和孔體積的降低。從前文可知，川南龍?zhí)督M頁巖Ro為1.47%～1.93%，高于Curtis等[13]認為孔隙發(fā)育的成熟度下限(Ro為0.9%)，因而認為川南地區(qū)龍?zhí)督MTOC與微觀孔隙參數(shù)負相關性可能是由于該套頁巖有機質主要組成為鏡質組和惰質組所造成的。由于鏡質組和惰質組內很少發(fā)育孔隙，這些有機質占據(jù)了大量的頁巖體積，也就是占據(jù)了大量的礦物間孔隙，進而抑制泥頁巖整體的孔隙發(fā)育，降低泥頁巖的比表面積和孔體積[14-15]。

圖2龍?zhí)督M頁巖孔隙類型

表1 龍?zhí)督M頁巖地球化學特征與孔隙結構參數(shù)

圖3龍?zhí)督M頁巖氮氣吸附-脫附曲線及孔徑分布

圖4龍?zhí)督M頁巖比表面積、孔體積的影響因素

郗兆棟、閆德宇等[16-17]認為過渡相頁巖富集黏土礦物，而貧脆性礦物和脆性礦物對頁巖孔隙發(fā)育的影響不顯著。川南-黔北地區(qū)泥頁巖樣品中脆性礦物含量很低，以石英為主，含量為10%～60%，平均為22%。石英顆粒本身所具有的微觀孔隙數(shù)量很少，自身的比表面積只有0.002 m2/g[13]，該比表面積對泥頁巖總比表面積的貢獻非常小，由此可見，脆性礦物不是泥頁巖微觀孔隙的主要影響因素。其他礦物如長石、碳酸鹽巖和黃鐵礦等含量都非常低，所具有的粒內孔、溶蝕孔等也非常少，難以體現(xiàn)其對儲層物性的影響，因而不是頁巖物性主要控制因素。

川南地區(qū)龍?zhí)督M泥頁巖中黏土礦物含量和比表面積、孔體積相關性分析表明，隨著黏土礦物含量的增加，泥頁巖比表面積和孔體積隨之明顯增加 (圖4c、d)，認為黏土礦物是該套泥頁巖微觀孔隙的主控因素。X衍射結果表明，川南地區(qū)龍?zhí)督M泥頁巖中礦物類型主要為高嶺石和伊蒙混層，掃描電鏡觀察顯示伊蒙混層礦物多呈片狀、層狀，內部發(fā)育大量的納米—微米級孔隙，是泥頁巖孔隙主要的組成部分。隨著伊蒙混層含量的增加，泥頁巖的比表面積和孔體積都呈現(xiàn)增加的現(xiàn)象(圖4e、f)。盡管高嶺石含量很高，但由于本身所具有的微觀孔隙數(shù)量較少，比表面積和孔體積并未隨高嶺石含量增加而增加，對儲層物性的積極建設作用并不明顯[18]。

4 泥頁巖含氣性能

含氣量是衡量頁巖氣富集區(qū)是否具有開采價值和進行資源潛力評價的一項重要指標[19]。王中鵬等[4]對黔北地區(qū)西頁1井龍?zhí)督M頁巖含氣量進行了分析，發(fā)現(xiàn)甲烷飽和吸附量VL平均為4.51 mL/g，21塊龍?zhí)督M泥頁巖的現(xiàn)場解析氣量平均高達6.65 mL/g，靠近煤層的泥頁巖現(xiàn)場解析量可高達19.17 mL/g。鄧恩德等[7]對黔北龍?zhí)督M泥頁巖研究也發(fā)現(xiàn)其具有較好的甲烷吸附能力，Langmuir吸附量平均為2.37 mL/g。目前關于川南地區(qū)龍?zhí)督M頁巖甲烷吸附氣量和含氣性的報道很少。川南興文地區(qū)和黔北赤水地區(qū)頁巖進行甲烷等溫吸附測試表明，Langmuir吸附量為2.98～6.98 mL/g(圖5)，且表現(xiàn)為較高TOC含量的頁巖其甲烷吸附能力并不是最強的，這與TOC與比表面積和孔體積呈負相關性是一致的，但與王中鵬等[20]研究認為TOC是含氣性主控因素略有差異。盡管TOC不是川南-黔北地區(qū)龍?zhí)督M頁巖氣吸附能力的主控因素，但該區(qū)頁巖仍具有很高的容納氣體的能力。研究區(qū)鉆井氣測顯示，龍?zhí)督M具有普遍含氣的特征，如西門1井鉆揭龍?zhí)督M煤層及頁巖氣測異常明顯，全烴含量最高達55.85%[6]，可將頁巖氣與煤層氣進行聯(lián)合開采。

圖5龍?zhí)督M頁巖甲烷等溫吸附曲線

5 保存條件

不同于北美富有機質泥頁巖儲層分布比較穩(wěn)定，后期構造改造較少的情況，中國南方古生界盆地遭受中—新生代多期構造的疊加改造，對頁巖氣保存會造成一定的影響，而良好的保存條件是中國南方古生界頁巖氣高產的關鍵因素之一。研究表明，華鎣山與齊岳山之間的高陡構造帶具有隔擋式褶皺特征，除部分背斜的核部具有較強的變形以及通天斷裂發(fā)育外，其余寬緩的向斜變形都比較弱，通天大斷裂不發(fā)育[6]，構造較為穩(wěn)定，對頁巖氣的保存較為有利。川南地區(qū)龍?zhí)督M埋藏深度適中，一般都在4 000 m以淺，黔北部分地區(qū)龍?zhí)督M埋藏深度在4 000 m以深。如瀘州南部的宋家場構造宋7井龍?zhí)督M深度約2 705～2 788 m，赤水地區(qū)西門1井龍?zhí)督M深度約在4 470～4 550 m。另外，龍?zhí)督M頂?shù)装宸謩e為長興組和茅口組灰?guī)r，具備很好的蓋層條件，在川南-黔北地區(qū)廣泛分布的三疊系—侏羅系上覆蓋層對于維持龍?zhí)督M較高壓力系統(tǒng)非常有利，且在抬升過程中含氣頁巖系統(tǒng)也不易發(fā)生破裂。

6 結 論

(1) 川南-黔北地區(qū)龍?zhí)督M發(fā)育一套海陸過渡相富有機質泥頁巖，主要巖性為炭質頁巖、泥巖、薄層砂巖與煤層互層，泥頁巖單層厚度薄、累計厚度達60～70 m；在川南地區(qū)埋深一般在4 000 m以淺，在赤水地區(qū)埋深在4 000 m以深；頂?shù)装寰鶠榛規(guī)r，具有較好的蓋層條件和保存條件。

(2) 龍?zhí)督M泥頁巖有機碳含量高，熱演化程度適中，干酪根為Ⅲ型，顯微組成主要為鏡質組；泥頁巖的礦物組成以高嶺石和伊蒙混層為主，石英等脆性礦物含量低。

(3) 泥頁巖比表面積和孔體積與TOC、黏土礦物之間相關性表明，龍?zhí)督M泥頁巖微觀孔隙主要來自黏土礦物特別是伊蒙混層的貢獻，有機質的存在對微觀孔隙的發(fā)育起抑制作用。龍?zhí)督M泥頁巖有機孔不發(fā)育與有機質主要來自高等植物輸入有關，在高成熟階段不利于產生有機孔。

(4) 龍?zhí)督M泥頁巖具有較好的甲烷吸附能力，Langmuir甲烷吸附量為2.98～6.98 mL/g。鉆井揭示在龍?zhí)督M煤層及泥頁巖層段氣測異常明顯，全烴含量很高。由此可見，川南-黔北地區(qū)龍?zhí)督M海陸過渡相頁巖具有良好的頁巖含氣能力。

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