滇東地區(qū)筇竹寺組頁巖氣儲層特征研究

陳志柱，張宗羲，楊 楠

(云南省煤炭地質(zhì)勘查院，云南 昆明 650218)

頁巖氣是指主體位于暗色泥頁巖或高碳泥頁巖中，以吸附或游離狀態(tài)為主要存在方式的天然氣(張金川，2003)。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料及野外調(diào)查結(jié)果，云南省滇東地區(qū)下下寒武統(tǒng)筇竹寺組(∈1q)發(fā)育一套灰黑-黑色泥頁巖，區(qū)域展布穩(wěn)定，分布區(qū)域廣，單層厚度大，有機(jī)質(zhì)豐度高，是滇東頁巖氣勘探評價的主要層位之一。本文通過收集大量的資料，結(jié)合地層、巖性巖相、有機(jī)地球化學(xué)、頁巖氣成藏條件等，對滇東地區(qū)頁巖氣儲層特征進(jìn)行了研究。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

本次研究區(qū)主要是在滇東地區(qū)的一個構(gòu)造單元(圖1)，西以小江斷裂東支為界，東到昭通-曲靖斷裂，南以富源-師宗斷裂為界，北至尋甸宣威斷裂。區(qū)內(nèi)共有4套有機(jī)質(zhì)頁巖，分別是下寒武統(tǒng)筇竹寺組(∈1q)、上志留統(tǒng)關(guān)底組(S3g)、上志留統(tǒng)妙高組(S3m)、上志留統(tǒng)玉龍寺組(S3y)，其中有機(jī)質(zhì)頁巖發(fā)育較好的為下寒武統(tǒng)筇竹寺組(∈1q)及志留統(tǒng)玉龍寺組(S3y)(云南省煤田地質(zhì)局，2012)。其中筇竹寺組的有機(jī)質(zhì)頁巖的TOC最高可達(dá)10%～12%，有較好的烴源巖背景(云南省煤炭地質(zhì)勘查院，2012)。

圖1 滇東地區(qū)構(gòu)造綱要圖(據(jù)石顯耀等，2009，修改)Fig 1.Map of Structure Outline

2 筇竹寺組厚度與展布特征

早寒武世，研究區(qū)多屬濱海-淺海沉積環(huán)境，筇竹寺期海水逐漸變深，還原環(huán)境加強(qiáng)，為淺海較深水環(huán)境，發(fā)育一套穩(wěn)定的黑色頁巖、粉砂巖，多含炭質(zhì)及黃鐵礦，也有含鉀磷塊巖及吸附型多金屬礦，此期沉積的黑色頁巖富含有機(jī)質(zhì)。筇竹寺組底部為黑色硅質(zhì)頁巖、碳質(zhì)頁巖，全區(qū)可見且穩(wěn)定；往上為深灰色頁巖夾薄層細(xì)砂巖，頂部向滄浪鋪組過渡地段，有砂巖增多、厚度加大的趨勢。通過地質(zhì)剖面的測量和相關(guān)地質(zhì)資料，分析區(qū)域上筇竹寺組整體沉積厚度，據(jù)此繪制了富有機(jī)質(zhì)頁巖厚度圖(圖2)。

圖2 筇竹寺組暗色泥頁巖厚度等值線圖Fig 2.Thickness Isoline of Qiongzhusi Formation Dark Argillo-Shale

寒武紀(jì)早期滇東為淺海盆地，盆地沉積中心位于研究區(qū)北部的會澤小麥地及曲靖德澤地區(qū)、中部的馬龍礦山地區(qū)以及南部的宜良紅石巖一帶。筇竹寺組玉案山段巖層在馬龍礦山厚達(dá)328m；在早寒武世，會澤小麥地為繼承性強(qiáng)烈拗陷區(qū)，一直是巖層最厚地區(qū)之一(唐良棟，1994)。整個研究區(qū)筇竹寺組(∈1q)黑色頁巖的厚度60m～110m，沉積中心在馬龍、曲靖一帶，總體上以馬龍、曲靖為中心向四周呈變薄的趨勢。

3 筇竹寺組有機(jī)地球化學(xué)特征

富含有機(jī)質(zhì)頁巖的生氣能力和儲集能力與其自身的地球化學(xué)特征密切相關(guān)。生成頁巖氣的能力和數(shù)量主要取決于有機(jī)質(zhì)類型、頁巖有機(jī)碳含量及有機(jī)質(zhì)熱演化程度。前兩個因素主要由沉積環(huán)境決定，最后一個因素主要取決于沉積的熱演化強(qiáng)度和持續(xù)時間。

3.1 有機(jī)質(zhì)類型

研究區(qū)目標(biāo)層有機(jī)質(zhì)演化程度屬于過成熟階段，對其干酪根類型劃分采用干酪根顯微組分分析方法。具體方法是在鏡下觀測干酪根的形態(tài)，統(tǒng)計(jì)其不同組分百分含量來確定類型。通過對研究區(qū)筇竹寺組(∈1q)黑色頁巖已采集16件樣品進(jìn)行的干酪根顯微組分鑒定及類型劃分，干酪根顯微組分主要為棕色-棕褐色的腐泥組，含量較高，占51%～78%，類型以Ⅱ型(腐植腐泥型)為主。筇竹寺組黑色頁巖主要沉積于深水還原環(huán)境，有機(jī)質(zhì)主要為菌藻類和浮游動物遺體，所以其生烴潛量很高的腐泥組含量較高。

3.2 有機(jī)質(zhì)豐度

有機(jī)質(zhì)含量不僅影響著泥頁巖的密度、顏色、放射性、抗風(fēng)化性能力等物理化學(xué)性質(zhì)，更是生油和生氣的物質(zhì)基礎(chǔ)。它還是生烴強(qiáng)度的主要因素，也是吸附氣存在的載體，決定著吸附氣含量的多少，還是增加頁巖孔隙空間的重要因素之一，影響著頁巖游離氣的含量。

研究區(qū)內(nèi)在野外露頭處總共采集了54個筇竹寺組(∈1q)黑色頁巖樣品進(jìn)行有機(jī)碳含量測試，研究區(qū)有機(jī)質(zhì)豐度較高，分布在0.85%～12.29%，平均4.37%。橫向上變化較大；縱向上，由底部到頂部含量呈遞減趨勢。對研究區(qū)有機(jī)碳含量區(qū)間統(tǒng)計(jì)顯示含量大于2%的樣品約占全部樣品的81.48%，整體評價為較好烴源巖，適合頁巖氣的生成和富集。

沉積環(huán)境是影響有機(jī)碳含量的重要因素之一，整個研究區(qū)筇竹寺期都是深海-淺海較深水環(huán)境，而造成地表有機(jī)碳含量差異的主要因素是后期的構(gòu)造改造及風(fēng)化作用。研究區(qū)西側(cè)靠近貫穿滇東地區(qū)的小江大斷裂，其地表有機(jī)碳含量均較低，這和小江斷裂自形成后多期的強(qiáng)烈運(yùn)動有一定的關(guān)系。而研究區(qū)東部的馬龍、曲靖地區(qū)為盆地的沉積中心地帶，TOC含量整體較高。整個研究區(qū)總體上為較好的烴源巖(圖3)。垂向上，TOC含量從頂部到底部逐漸增大。

圖3 筇竹寺組富有機(jī)質(zhì)頁巖有機(jī)碳含量等值線圖Fig 3.Organic C Content Isoline of Qiongzhusi Formation Organism-Rich Shale

3.3 有機(jī)質(zhì)成熟度

在熱成因頁巖氣的儲層中，烴類氣體的生成是時間、溫度和壓力的共同作用。熱成熟度控制有機(jī)質(zhì)的生烴能力，不但直接影響頁巖氣的生氣量，而且對生烴后天然氣的賦存狀態(tài)、運(yùn)移程度、聚集場所等也有影響。作為儲層，影響有機(jī)物表面的吸附氣量。

筇竹寺組(∈1q)的15個樣品的Ro范圍為1.41%～3.39%，平均值為2.54%。演化程度屬于高-過成熟階段(Ro>2%)，整體上具有較高的生氣潛力。

通過分析化驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合成熟度與埋深的關(guān)系，繪制了研究區(qū)Ro等值線圖(圖4)?？拷练e中心曲靖、馬龍地區(qū)及埋深較深的沾益-宣威地區(qū)成熟度都較高。

圖4 筇竹寺組暗色泥頁巖成熟度等值線圖Fig 4.Maturity Isoline of Qiongzhusi Formation Dark Argillo-Shale

4 礦物學(xué)特征

頁巖的有機(jī)質(zhì)豐度、有機(jī)質(zhì)成熟度和礦物組成是頁巖儲層發(fā)育的重要因素。頁巖中的氣體主要以游離態(tài)、吸附態(tài)和溶解態(tài)存在于儲層中，或游離于頁巖裂縫和孔隙中，儲層礦物學(xué)特征分析是研究儲層頁巖氣賦存特征、吸附能力和基質(zhì)孔隙度的基礎(chǔ)工作。

利用 D8 DISCOVER型X射線衍射儀對研究區(qū)及周邊筇竹寺組(∈1q) 21 個泥頁巖巖樣品進(jìn)行了黏土礦物總量和常見非黏土礦物 x 射線衍射定量分析，測試結(jié)果顯示研究區(qū)泥頁巖礦物成分復(fù)雜，普遍含有伊利石、綠泥石等黏土礦物，以及石英、斜長石、鉀長石、碳酸鹽礦物等，某些樣品還含有黃鐵礦等自生礦物。研究區(qū)泥頁巖的主要礦物組分為石英、黏土礦物及碳酸巖礦物，部分泥頁巖含有黃鐵礦，說明泥頁巖沉積于缺氧的強(qiáng)還原環(huán)境。脆性礦物含量在63.0%～97.0%之間，黏土礦物含量為9.0%～37.0%。

測試的21個樣品中，所有樣品中都含有純度較高的伊利石，平均含量超過40.0%，部分樣品中含量伊利石、伊/蒙混層、高嶺石、綠泥石，伊/蒙混層含量為8.0%～74.0%，平均為40.9%，綠泥石為1.0%～39.0%，平均含量為13.6%，印證了以綠泥石為標(biāo)志的海相盆地相沉積環(huán)境。根據(jù)泥質(zhì)巖黏土礦物演化與成巖階段劃分標(biāo)準(zhǔn)，說明研究區(qū)已進(jìn)入成巖晚期作用階段，高且純度較高的伊利石含量更加表明滇東地區(qū)筇竹寺組(∈1q)底部頁巖已經(jīng)處于成巖晚期作用階段，與前文所述的有機(jī)質(zhì)成熟度Ro 1.4%-3.4%，處于演化的高-過成熟階段相對應(yīng)。

5 頁巖物性特征

5.1 頁巖孔隙度特征

頁巖氣藏孔隙大小的分布范圍一般很寬，形狀也復(fù)雜多樣，而且存在納米級的孔隙。研究孔隙度及其結(jié)構(gòu)特征對計(jì)算頁巖氣藏的含氣量和頁巖氣的流動能力至關(guān)重要。本區(qū)筇竹寺組(∈1q)暗色泥頁巖孔隙度介于0.8%～19.0%之間，平均孔隙度為9.9%，其中孔隙度大于4.0%的頻度為83.0%(圖5)。在掃描電鏡下馬龍雞棕洞地區(qū)的樣品全部可見微孔隙(圖6)，常見1μm～5μm，部分5μm～10μm，少量微孔縫寬1μm～5μm，孔縫長十幾微米-幾十微米；宜良龍兌樣品的結(jié)構(gòu)性較疏松，微孔隙較發(fā)育，微孔縫寬1μm～6μm居多，孔縫長多在十幾微米-幾十微米，常見孔隙1μm～8μm，黃鐵礦微晶集合分布泥晶間。

圖5 研究區(qū)筇竹寺組孔隙度分布直方圖Fig 5.Porosity Distribution Histogram of Qiongzhusi Formation in Study Area

圖6 黑色碳質(zhì)頁巖(樣品號：ML12；下寒武統(tǒng)筇竹寺組 ∈1q)Fig 6.Black Carbonaceous Shale(Sample No：ML12 Lower Cambrian Qiongzhusi Formation ∈1q)

5.2 頁巖滲透率

頁巖滲透率對頁巖氣的賦存形式有一定程度上的影響，滲透率越大，游離態(tài)氣的賦存空間也就越大。研究區(qū)筇竹寺組暗色泥頁巖的滲透率在0.008md～1.773md之間，平均為0.200md。這一數(shù)值也比頁巖一般滲透率0.100md偏大，分析原因可能也與地表風(fēng)化有關(guān)，但在一定程度上也能反映該區(qū)儲層物性相對較好(圖7)。

圖7 筇竹寺組滲透率統(tǒng)計(jì)直方圖Fig 7.Permeability Histogram of Qiongzhusi Formation

6 結(jié)論

對滇東地區(qū)筇竹寺組儲層特征進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明，筇竹寺組具有頁巖氣形成、聚集的成藏條件。

(1)研究區(qū)筇竹寺組黑色頁巖發(fā)育，厚度穩(wěn)定，有機(jī)質(zhì)豐度高，具有較好的頁巖氣成藏條件。

(2)筇竹寺組暗色泥頁巖有機(jī)質(zhì)主要為Ⅱ型(腐植腐泥型)，最大鏡質(zhì)體反射率(Ro)值為1.41%～3.39%，平均值為2.54%。演化程度屬于高-過成熟階段(Ro>2%)，整體上具有較高的生氣潛力。

(3)筇竹寺組暗色泥頁巖脆性礦物含量在63.0%～97.0%之間，巖石脆性越強(qiáng)，在外力作用下易形成天然裂縫和誘導(dǎo)裂縫，為頁巖氣開發(fā)提供條件。

(4)筇竹寺組暗色泥頁巖孔隙度介于0.8%～19.0%之間，平均孔隙度為9.9%，掃描電鏡結(jié)果顯示孔隙和微孔隙發(fā)育，具備良好的儲集空間。