苑　坤，王克營，鞏書華，覃英倫，盧樹藩，陳　榕，方欣欣

(1.中國地質(zhì)調(diào)查局油氣資源調(diào)查中心，北京　100083； 2.湖南省煤炭地質(zhì)勘查院，長沙　410014；3.貴州省地質(zhì)調(diào)查院，貴陽　550018； 4.中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所，北京　100081)

頁巖氣是一種自生自儲的非常規(guī)能源，具有吸附氣和游離氣并存、孔滲較低等特點[1-3]。目前，我國南方頁巖氣的研究主要集中在四川盆地，而貴州地區(qū)的研究工作相對較少[4-6]。初步研究表明，貴州南部地區(qū)發(fā)育了多套頁巖，這些頁巖具有分布廣泛、有機(jī)質(zhì)含量高等特點，在后期勘探開發(fā)中預(yù)期能取得較高的工業(yè)經(jīng)濟(jì)價值[7-9]。石炭系打屋壩組是其中的典型代表[10-12]。

由于沉積環(huán)境、構(gòu)造演化等的不同，黔南地區(qū)頁巖儲層的物性表征及成因與四川盆地不盡相同，后期的勘探開發(fā)利用模式因此也各具差異[13-15]。由此，為深入認(rèn)識黔南地區(qū)石炭系打屋壩組頁巖氣的富集特征及其成因，本文采用一系列物理實驗對區(qū)內(nèi)目的儲層進(jìn)行系統(tǒng)的研究，綜合分析其空間特征、孔隙結(jié)構(gòu)、有機(jī)質(zhì)豐度及成熟度、微觀物質(zhì)組成及含氣性特點，獲得其賦存表征，并結(jié)合數(shù)學(xué)分析揭示頁巖氣含氣性的主要影響因素及其影響程度。上述結(jié)果將對頁巖氣的成藏現(xiàn)狀帶來重要的理論意義，并能為后期頁巖氣開發(fā)提供參考。

1　基礎(chǔ)地質(zhì)

1.1　構(gòu)造

黔南坳陷位于貴陽、黃平、安順一線之南，東鄰江南隆起，北接黔中隆起，西隔埡紫斷裂與威寧-紫云斷陷為鄰，坳陷整體東部較高，最低處位于南西長順平塘凹陷，面積約30 800km2。黔南坳陷是早海西期坳陷，寒武紀(jì)時與黔中隆起連成一體，下古生界層位齊全，古生界發(fā)育齊全，尤以泥盆系厚度較大，巖性以碳酸鹽巖為主夾砂、泥巖，橫向變化較穩(wěn)定，呈北東向展布的相帶較規(guī)整，該時期并未見坳陷性質(zhì)。加里東未期的都勻運(yùn)動，使其北形成黔中隆起，南側(cè)出現(xiàn)桂西北隆起，在南北隆起的夾持襯托下具有負(fù)向構(gòu)造的特征。黔南坳陷可進(jìn)一步劃分出四個次一級構(gòu)造單元，即安順寬向斜、長順-平塘凹陷、龍里貴定逆沖隔槽式褶皺帶、黃平凹陷以及麻江凸起(圖1)。

1.2　目的層

石炭系打屋壩組是本區(qū)重要的含頁巖氣地層。主要分布于羅甸-長順代化-紫云一帶，巖性主要為碎屑巖，其與下伏和上覆碳酸鹽巖易區(qū)分。中下部巖性以黑色薄層炭質(zhì)黏土巖、灰、深灰色薄—中厚粉砂質(zhì)黏土巖、灰色中厚層狀粉砂巖為主，夾深灰色薄層硅質(zhì)巖、硅質(zhì)黏土巖。上部巖性以硅質(zhì)巖、硅質(zhì)黏土巖、粉砂巖為主。黏土巖中可見水平層理，粉砂巖具層紋—條紋狀構(gòu)造，黏土巖中常常含有鐵錳質(zhì)結(jié)核，結(jié)核大小一般為12cm×18cm，呈橢球狀，略具順層分布。底以炭質(zhì)黏土巖的出現(xiàn)與下伏睦化組分界，整合接觸。

2　頁巖氣地質(zhì)特征

2.1　分布情況

通過研究打屋壩組沉積構(gòu)造，古生物化石，單剖面相、剖面對比，認(rèn)為打屋壩組富有機(jī)質(zhì)頁巖沉積有利發(fā)育段處于臺棚相帶，以黑色炭質(zhì)泥(頁)巖為主，夾少許有機(jī)質(zhì)灰?guī)r。黔南地區(qū)內(nèi)打屋壩組富有機(jī)質(zhì)頁巖發(fā)育分布區(qū)位于王佑-代化、紫云所圍成的區(qū)域，其分布面積約3 000km2。

圖1　黔南坳陷南北向擠壓型主干構(gòu)造形跡分布圖Figure 1　NS compressive backbone structural features distribution in south Guizhou depression

研究區(qū)打屋壩組沉積最厚可達(dá)220m，沉積中心位于紫云-王佑一線，向南減薄至數(shù)十米，向北亦減薄并出現(xiàn)剝蝕區(qū)。在羅甸、沫陽一帶主體相變?yōu)槟噘|(zhì)灰?guī)r，泥晶灰?guī)r及硅質(zhì)巖夾少許黑色頁巖(圖2)。

打屋壩組巖性為黑色、深灰色、灰綠色頁巖、砂巖、炭質(zhì)頁巖，屬于被動大陸邊緣淺海-半深海沉積。受基底構(gòu)造控制，打屋壩組埋深展布特征由北向南呈現(xiàn)先深后淺的特征，東西向展布特征不明顯。全區(qū)來看，黃果樹鎮(zhèn)附近最深可達(dá)4 500m，代化鎮(zhèn)及水塘鎮(zhèn)以南地區(qū)發(fā)生不同程度的剝蝕。打屋壩組展布特征整體上受后期構(gòu)造影響和制約明顯，主要表現(xiàn)在穹窿背斜兩翼埋深小，向外延伸埋深大，打屋壩組底板埋深較為連續(xù)，整體呈南北向展布(圖3)。

圖2　打屋壩組有效厚度等值線圖Figure 2　Effective thickness isogram of Dawuba Formation

圖3　打屋壩組頂板埋深等值線圖Figure 3　Dawuba Formation roof buried depth isogram

2.2　微觀物質(zhì)組成

2.2.1有機(jī)質(zhì)類型

打屋壩組富有機(jī)質(zhì)頁巖的干酪根顯微組分以殼質(zhì)組、鏡質(zhì)組為主，腐泥組、惰質(zhì)組次之，其中殼質(zhì)組以腐殖無定型體為主，少量殼質(zhì)碎屑體，鏡質(zhì)組主要為無結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體，腐泥組主要為腐泥無定型體和腐泥碎屑體，惰質(zhì)組顯示絲狀體，基本不發(fā)熒光，類型指數(shù)-21～29。統(tǒng)計結(jié)果表明，打屋壩組黑色頁巖有機(jī)質(zhì)類型主要為Ⅱ2型或Ⅲ型。

2.2.2無機(jī)礦物組成

針對區(qū)內(nèi)打屋壩組有機(jī)質(zhì)頁巖進(jìn)行了黏土礦物及全巖X射線衍射分析，結(jié)果如圖4和圖5所示。打屋壩組礦物主要由黏土礦物和石英組成，黏土礦物平均含量可達(dá)52%，石英的平均含量為37.8%，其余為長石、白云石、黃鐵礦等。黏土礦物主要為伊蒙混層和伊利石，伊蒙混層平均為80.4%，伊利石平均為12%，部分樣品還發(fā)現(xiàn)了少量綠泥石及高嶺石。

2.3　有機(jī)質(zhì)豐度與成熟度

打屋壩組有機(jī)碳含量較高，TOC一般分布在0.9%～5.2%，且在黔南地區(qū)整體表現(xiàn)為自西北向東南遞增趨勢(圖6)。熱演化程度也較高，Ro一般為2.35%～4.22%，整體均高于2.0%，已達(dá)過熟階段，表現(xiàn)出自北北西向南南東遞增的趨勢(圖6)。對比來看，TOC和Ro的分布特征較為相似。

2.4　含氣性

區(qū)內(nèi)近年來施工的頁巖氣調(diào)查井主要包括長頁1井、代頁1井、羅頁1井、火花1井等。已收集到的資料進(jìn)行分析研究表明區(qū)內(nèi)石炭系打屋壩組含氣性顯示良好。圖7整理了區(qū)內(nèi)代頁1井的巖心樣品含氣量測試結(jié)果，代頁1井在448～643m井段鉆遇打屋壩組，鉆厚195m，現(xiàn)場解釋含氣層5層，含氣量為0.5～5m3/t[12]。氣測解釋結(jié)果表明區(qū)內(nèi)打屋壩組符合頁巖氣核心區(qū)域選區(qū)標(biāo)準(zhǔn)。

圖4　打屋壩組礦物成分分布圖Figure 4　Dawuba Formation mineral compositions distribution

圖5　打屋壩組黏土礦物組成分布Figure 5　Dawuba Formation clay minerals distribution

圖6　黔南地區(qū)下石炭統(tǒng)打屋壩組TOC、Ro等值線圖Figure 6　Isogram of lower Carboniferous Dawuba Formation TOC, Ro etc. in southern Guizhou area

3　控氣因素分析

區(qū)內(nèi)頁巖氣地質(zhì)條件垂向變化大，古地理環(huán)境、構(gòu)造條件、無機(jī)礦物微觀組成及有機(jī)孔隙系統(tǒng)配置等多因素協(xié)同控制了區(qū)內(nèi)現(xiàn)今的頁巖含氣系統(tǒng)。

圖7　代頁1井巖心樣品含氣量測試結(jié)果Figure 7　Gas content tested results of core samplesfrom well DY No.1

3.1　構(gòu)造

研究區(qū)構(gòu)造類型多，構(gòu)造演化多期發(fā)展，強(qiáng)烈分異，定型較晚；屬海陸交互相地層，呈現(xiàn)出平面分異，垂變頻繁等特點。前述研究可知，受基底構(gòu)造控制，打屋壩組埋深展布特征由北向南呈現(xiàn)先深后淺的特征，在黃果樹鎮(zhèn)最深約4 500m，部分地區(qū)由于地殼的抬升出現(xiàn)了剝蝕區(qū)。由此，區(qū)內(nèi)構(gòu)造對含氣性的控制實則主要體現(xiàn)在埋深對含氣性的控制上。為此，整理了代頁1井、長頁1井及其它井各個井段的含氣量數(shù)據(jù)(圖8)，整體而言，隨埋深的增加，含氣量呈逐漸增加的趨勢。

圖8　含氣量隨埋深變化趨勢Figure 8　Gas content variation trend along with buried depths

3.2　古沉積環(huán)境

古沉積環(huán)境的復(fù)雜性，造成了研究區(qū)沉積地層的有機(jī)質(zhì)類型及成熟度等一系列因素的復(fù)雜特征，進(jìn)而控制了本區(qū)含氣量的分布。整理并繪制了研究區(qū)內(nèi)長頁1井、代頁1井及其它井鉆遇的打屋壩組的有機(jī)碳含量、有機(jī)質(zhì)成熟度與含氣量之間的關(guān)系，如圖9所示。隨有機(jī)碳含量及有機(jī)質(zhì)成熟度的增加，頁巖含氣量均呈明顯增加的趨勢。

3.3　無機(jī)礦物微觀組成

基于研究區(qū)及周邊頁巖氣井取芯的礦物測試結(jié)果，建立了含氣量與黏土礦物及脆性礦物含量的關(guān)系(圖10)。含氣量與黏土礦物的分布呈正相關(guān)，而與脆性礦物呈負(fù)相關(guān)。這是因為黏土礦物具有較大的孔比表面積，是形成黏土礦物層間微孔的主要貢獻(xiàn)者，提供了頁巖氣的吸附空間；隨著黏土礦物的增加，脆性礦物含量降低，因此脆性礦物可與含氣量呈負(fù)相關(guān)。

圖9　打屋壩組含氣量與TOC及Ro關(guān)系Figure 9　Relationship between gas content and TOC, Ro in Dawuba Formation

圖10　含氣量與礦物組成關(guān)系Figure 10　Relationship between gas content and mineral compositions

3.4　有機(jī)孔隙系統(tǒng)

打屋壩組有機(jī)質(zhì)形成的孔隙孔容為0.011～0.044ml/g，平均0.02 ml/g，平均孔徑3.584nm，以中孔隙為主?；谘芯繀^(qū)及周邊地區(qū)頁巖氣井取芯的壓汞測試結(jié)果，整理了含氣量與孔隙度及比表面積之間的關(guān)系(圖11)。含氣量與孔隙度負(fù)相關(guān)，與比表面積正相關(guān)。這是由于，頁巖內(nèi)的微孔系統(tǒng)是頁層氣主要的賦存空間，孔隙度越小，微孔系統(tǒng)越發(fā)育，孔比表面積越大，可供吸附的氣體空間則越充足，因此含氣量也越大。

3.5　各影響因素影響程度分析

回歸分析圖擬合線的斜率可用來分析橫軸和縱軸之間的影響程度，斜率越大則橫軸因素對縱軸因素的影響越強(qiáng)。分析前述各回歸圖擬合線的斜率，七個因素的回歸線斜率差別較大，可以分為三類。第一類包括總有機(jī)碳含量及成熟度，這類因素回歸線的斜率絕對值大于1，是影響含氣量極強(qiáng)的因素。第二類包括脆性礦物含量、黏土礦物含量、孔隙度和比表面積，這類因素的回歸線斜率的絕對值為0.01的數(shù)量級，為影響含氣量稍強(qiáng)的因素。第三類為埋深，其回歸線斜率的絕對值為0.001的數(shù)量級，為影響含氣量稍弱的因素。

總有機(jī)碳含量及成熟度表征了儲層的古沉積環(huán)境。古沉積環(huán)境形成了現(xiàn)今儲層的總有機(jī)碳分布，是儲層孔隙內(nèi)氣量的直接來源；有機(jī)質(zhì)成熟度與總有機(jī)碳含量息息相關(guān)，也是孔隙內(nèi)含氣量的重要控制參數(shù)。因此，古沉積環(huán)境極強(qiáng)的控制了研究區(qū)現(xiàn)今含氣量的分布特征。

脆性礦物及黏土礦物含量對含氣量的控制實則體現(xiàn)在孔隙系統(tǒng)對含氣量的控制上。因此，脆性礦物及黏土礦物含量與孔隙度及孔比表面對含氣量的影響程度相當(dāng)。本區(qū)頁巖儲層以中孔為主，小孔及大孔含量較少。因此，前述測試得到的孔隙度和比表面積數(shù)據(jù)主要針對中孔。雖然頁巖氣主要吸附于儲層微孔中，但由于中孔和小孔/大孔滿足此消彼長的關(guān)系， 故而中孔的孔隙度和比表面積也能控制含氣量的發(fā)育，但較第一類參數(shù)弱。

在構(gòu)造演化過程中，打屋壩組經(jīng)歷了復(fù)雜的抬升、沉降及變形，含氣量因此沿開放性通道釋放或在閉合性通道內(nèi)富集。相較前述表征含氣量物質(zhì)來源的第一類參數(shù)及含氣量賦存空間的第二類參數(shù)，構(gòu)造演化對含氣性的改造不如它們強(qiáng)， 但也在一定程度上控制了含氣量的賦存。

圖11　孔隙系統(tǒng)和含氣量之間的關(guān)系圖Figure 11　Relationship between pore system and gas content

3.6　含氣性評價模型

第三類參數(shù)埋深對含氣量的影響較小，可以忽略。因此可以建立研究區(qū)內(nèi)含氣量預(yù)測模型，模型的變量參數(shù)包括總有機(jī)碳含量(或成熟度)及孔隙度(或比表面積，黏土礦物含量及脆性礦物含量)?；趯崪y得到的各調(diào)查井不同井段的含氣量及兩個變量的數(shù)據(jù)，形成參數(shù)數(shù)據(jù)庫，采用二元回歸的方式進(jìn)行不同方式的數(shù)據(jù)擬合，從中優(yōu)選出最佳擬合方案。結(jié)果如下式所示。

Gc=-0.2φ+0.03T+4.03

R2=0.83

式中，GC為含氣量；φ為孔隙度；T為總有機(jī)碳含量。

擬合結(jié)果表明，研究區(qū)內(nèi)含氣量與孔隙度和總有機(jī)碳含量之間存在較強(qiáng)的二元一次關(guān)系，擬合度0.83，具有一定的可信度。因此，在后期含氣性數(shù)據(jù)不足的情況下，可采用上式對含氣量進(jìn)行評價。

4　結(jié)論

本文在綜合分析黔南地區(qū)構(gòu)造及地層特征的基礎(chǔ)上，詳細(xì)研究了石炭系打屋壩組的頁巖氣地質(zhì)特征；從構(gòu)造、物質(zhì)組成、古沉積環(huán)境及孔隙系統(tǒng)四個方面闡釋了頁巖氣含氣性的控制因素，并建立了含氣性評價模型。得到如下的認(rèn)識：

1)打屋壩組巖性為黑色、深灰色、灰綠色頁巖、砂巖、炭質(zhì)頁巖，屬于被動大陸邊緣淺海-半深海沉積。受基底構(gòu)造控制，打屋壩組埋深展布特征由北向南呈現(xiàn)先深后淺的特征，在黃果樹鎮(zhèn)最深約4 500m，部分地區(qū)由于地殼的抬升出現(xiàn)了剝蝕區(qū)；沉積最厚達(dá)220m，向南減薄至數(shù)十米。打屋壩組富有機(jī)質(zhì)頁巖干酪根顯微組分以殼質(zhì)組、鏡質(zhì)組為主，腐泥組、惰質(zhì)組次之；無機(jī)礦物主要由黏土和石英組成。有機(jī)碳含量較高，一般0.9%～5.2%，且表現(xiàn)為自西北向東南遞增。熱演化程度也較高，整體均高于2.0%。

2)區(qū)內(nèi)石炭系打屋壩組含氣性顯示情況良好，古地理環(huán)境、構(gòu)造條件、無機(jī)礦物微觀組成及孔隙系統(tǒng)配置等多因素的復(fù)雜性，造成了一系列地質(zhì)條件的復(fù)雜表征，最終協(xié)同控制了現(xiàn)今的頁巖含氣系統(tǒng)。

3)基于數(shù)據(jù)統(tǒng)計及回歸定性分析，含氣性的影響因素可分為三類，第一類為古沉積環(huán)境，包括總有機(jī)碳含量及成熟度，這類因素極強(qiáng)的影響了含氣性特征；第二類為物質(zhì)組成及孔隙系統(tǒng)，包括脆性礦物含量、黏土礦物含量、孔隙度和比表面積，為影響含氣量稍強(qiáng)的因素；第三類為構(gòu)造條件，如埋深，為影響含氣量稍弱的因素。采用二元回歸分析，建立了研究區(qū)的含氣量預(yù)測模型，認(rèn)為區(qū)內(nèi)含氣量與孔隙度和總有機(jī)碳含量之間存在較強(qiáng)的二元一次關(guān)系，擬合度0.83，具有一定的可信度。

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