王鵬萬，何 勇，李君軍，黃 羚，蔣立偉，李嫻靜，鄒 辰，賈 丹，馬立橋，劉玲利

(1.中國石油杭州地質(zhì)研究院，浙江 杭州 310023; 2.中國石油浙江油田分公司，浙江 杭州 310023)

中國頁巖氣勘探開發(fā)處于快速發(fā)展階段，2018年在四川盆地及周緣五峰組—龍馬溪組頁巖氣產(chǎn)量達到114 億m3[1]，并形成了3 500 m以淺頁巖氣有效開發(fā)的自主技術(shù)[2]。南方海相及海陸過渡相發(fā)育多套含氣頁巖，在下寒武統(tǒng)筇竹寺組(鄂宜頁1井，6.02萬m3/d)、中泥盆統(tǒng)應(yīng)堂組—羅富組(廣西柳州2萬m3/d)及下石炭統(tǒng)打屋壩組(水頁1井，1萬m3/d)業(yè)已獲得工業(yè)氣流[3-5]，但并未能實現(xiàn)規(guī)模建產(chǎn)。南方地區(qū)石炭系海陸過渡相頁巖氣的突破，是實現(xiàn)中國頁巖氣規(guī)?；l(fā)展的一個重要環(huán)節(jié)[3]。

自2012年，貴州對全省的頁巖氣資源開展了系統(tǒng)的調(diào)查評價，針對下石炭統(tǒng)舊司組部署實施了5口頁巖氣調(diào)查井[5-7]，并對下石炭統(tǒng)舊司組頁巖的沉積環(huán)境、有機地球化學(xué)、儲層特征、成藏條件及選區(qū)評價等方面開展了研究，取得大量的共識[5-15]:認為黔西南地區(qū)舊司組黑色頁巖呈北西—南東向穩(wěn)定展布,沉積中心在威寧六硐橋一帶(厚185 m)，其往西南和北東方向厚度變薄至缺失[13-14]。威寧及周緣地區(qū)，舊司組頁巖有機質(zhì)類型以Ⅱ型為主，有機碳含量為0.45%～2.37%，熱演化程度在2.5%左右，脆性礦物含量約60%，含氣量可達1.5～3.0 m3/t，其資源量為0.57×1012m3[5-15]，具備較大的勘探潛力。但在昭通示范區(qū)及周緣舊司組頁巖沉積環(huán)境方面仍存在一定的爭議[5,8,11,14]。

浙江油田公司2018年的頁巖氣產(chǎn)量超10億m3，為尋找新的接替層系，實現(xiàn)高質(zhì)量可持續(xù)發(fā)展，在昭通示范區(qū)西南部的威寧縣龍街鎮(zhèn)，針對下石炭統(tǒng)舊司組部署實施了資料井A，鉆獲了頁巖氣流，堅定了石炭系頁巖氣勘探的信心。筆者基于A井舊司組巖芯樣品的主量、微量及稀土元素特征、有機地球化學(xué)特征、古生物及巖石薄片等資料，探討了昭通示范區(qū)舊司組頁巖的沉積環(huán)境，為示范區(qū)石炭系頁巖氣選區(qū)評價提供依據(jù)。

續(xù) 表

1 地質(zhì)概況

昭通頁巖氣示范區(qū)地處云貴川3省交界處，大地構(gòu)造位置主體處于四川盆地南緣的滇黔北坳陷[16]，其橫跨5個次級構(gòu)造帶(圖1)。早泥盆世，隨著滇黔桂盆地裂谷系向西北伸展拉張，威寧及周緣地區(qū)沉積一套濱岸-瀉湖-陸棚相的碎屑巖[17]，此時在加里東基底上發(fā)育的北西向水城—紫云裂陷槽已具雛形[17]，其控制了威寧及周緣地區(qū)泥盆系-石炭系相區(qū)展布[18]。早石炭世巖關(guān)階開始，由南東向北西海侵，至大塘階海侵范圍達到最大[5,11]，沿古陸邊緣沿岸發(fā)育河流三角洲相，向臺地內(nèi)發(fā)育潮坪相沉積，在臺地內(nèi)發(fā)育多個瀉湖相和臺盆相沉積[11]。威寧及周緣地區(qū)堆積了一套舊司組灰黑色、黑色泥灰?guī)r、泥巖及頁巖，局部夾砂巖、結(jié)核狀泥灰?guī)r透鏡體、煤線及薄層狀硅質(zhì)頁巖。A井位于威寧縣龍街鎮(zhèn)，于1 207.7 m鉆至舊司組中部，由于工程原因提前完鉆(完鉆井深1 465.8 m)，舊司組未鉆穿。A井鉆揭了舊司組暗色頁巖20層，累計厚68.98 m，單層最大厚度為32.79 m?，F(xiàn)場實測證實其舊二段頁巖具有一定含氣量，點火可著。

2 樣品采集與測試結(jié)果

2.1 樣品采集與分析

為開展昭通示范區(qū)舊司組泥頁巖古沉積環(huán)境研究，對A井舊司組巖芯系統(tǒng)采樣51件(井位如圖1所示)，完成總有機碳分析，并選取14件樣品，進行主微量元素及稀土元素測試。主量及微量稀土元素分析由中國石油勘探開發(fā)研究院非常規(guī)油氣重點實驗室完成。分析方法及流程依據(jù)GB/T14506.28—2010，DZG20-1 16.20，GB/T14506.14—2010及GB/T 14506.30—2010，分析儀器為AxiosmaxX射線熒光光譜儀和X Serise2電感耦合等離子體質(zhì)譜儀。檢測溫度為20～27 ℃，濕度30%～37%。

圖1 昭通頁巖氣示范區(qū)構(gòu)造區(qū)劃Fig.1 Structure of the Zhaotong shale gas demonstrtion area

2.2 測試結(jié)果

2.2.1有機碳含量

A井舊司組上段黑色頁巖、鈣質(zhì)泥巖及泥巖有機碳含量分析結(jié)果如表1及圖2所示。有機碳含量為0.55%～1.61%，平均為1.06%。就樣品而言，舊二段2亞段有機碳含量為0.55%～1.61%，平均值為0.96%;舊二段1亞段有機碳含量為0.69%～1.56%，平均值為1.13%。整體上，有機碳含量與深度相關(guān)性不強，暗示其古沉積環(huán)境變化頻繁。

圖2 A井舊司組主量元素變化特征柱狀圖Fig.2 Variation characteristics of the major element and TOC in the Jiusi Formation of the A well

表1 A井舊司組主量元素及有機碳分析結(jié)果Table 1 Analytical results of the major element and TOC in the Jiusi Formation of the A well

2.2.2主量元素含量

A井舊司組泥頁巖主量元素含量分析結(jié)果如表1及圖2所示，其主要為SiO2，Al2O3和CaO。其中，SiO2含量為15.42%～59.65%，平均為35.29%;Al2O3含量為6.37%～14.06%，平均為12.06%;CaO含量0.45%～47.88%，平均為18.51%。此外，還含有少量的Fe2O3，TiO2和P2O5等主量元素(表1)。整體上，A井舊司組頁巖發(fā)育段(即舊二2亞段)SiO2和Al2O3含量相對較高，分別為29.89%～59.65%和10.81%～19.63%，平均值為49.67%和14.82%;CaO含量相對較低，為0.45%～25.55%，平均為8.13%。

與川南五峰組—龍馬溪組富有機質(zhì)頁巖相比[19]，舊司組頁巖SiO2含量略低，CaO含量大致相當(dāng)，而Al2O3含量較高，即黏土含量較高。舊司組泥頁巖主量元素變化規(guī)律性不強，與有機碳含量相關(guān)性亦關(guān)系不大。而川南五峰組—龍馬溪組富有機質(zhì)頁巖Al2O3和TiO2含量在剖面底部低，向上逐漸增大，指示向上其陸源碎屑物質(zhì)輸入增加。富有機質(zhì)頁巖的SiO2和CaO含量，明顯高于貧有機質(zhì)頁巖的含量，且與TOC含量成正相關(guān)。同時，富有機質(zhì)頁巖Al2O3,TiO2和Fe2O3含量較低[20]。造成此差異的原因，可能是A井舊司組處于海陸交互相，水體深度相對龍馬溪組變淺，深度變化相對頻繁，有較多的陸源碎屑輸入且供給量變化較大，導(dǎo)致A井舊司組主量元素縱向變化規(guī)律性不明顯。

2.2.3微量元素含量

本次測試微量元素與上地殼元素豐度相比[21]:Sr，Ni，V，Zn，Cr，Mo，Sc及Co等濃集系數(shù)在1.0～2.3，弱富集(表2);Zr與Rb濃集系數(shù)為0.9左右，代表弱虧損。而Ba嚴(yán)重虧損(表2)，可能與舊司組碳酸鹽含量較高有關(guān)。舊二2亞段頁巖發(fā)育層段的微量元素相對富集(表2)，其中氧化還原敏感元素U/Th，Ni/Co，V/Cr及V/Ni+V等，與有機碳含量演化趨勢基本無相關(guān)性(圖3)，代表其古環(huán)境變化頻繁。

表2 A井舊司組微量元素及有機碳分析結(jié)果Table 2 Analytical results of the trace element and TOC in the Jiusi Formation of the A well

2.2.4稀土元素含量

A井舊司組頁巖稀土總量(∑REE)為43.00×10-6～240.79×10-6，平均為149.37×10-6(表3)，遠低于北美頁巖稀土含量200.21×10-6[19]。稀土總量由下至上變化特征不明顯，但與TOC呈負相關(guān)性(圖3)，反映有機質(zhì)的增加會降低全巖中∑REE 的總量。

LREE/HREE比值能反映REE的分異程度，A井舊司組頁巖的LREE/HREE比值為3.06～6.30，平均為4.26(表3)，遠低于北美頁巖的比值7.50[22]，證實舊司組輕稀土富集。經(jīng)北美頁巖標(biāo)準(zhǔn)化計算A井頁巖樣品:δEu值為0.782～1.216，平均值為0.90，略高于北美頁巖標(biāo)準(zhǔn)值(δEu=0.70)，整體表現(xiàn)為負異常;δCe值為0.864～1.085，平均值為0.98，低于北美頁巖標(biāo)準(zhǔn)值(δCe=1.11)，同樣整體表現(xiàn)為負異常(表3，圖3)。(La/Yb)N值為1.129～1.623，明顯低于北美頁巖組合樣(La/Yb)N=5.13;(La/Sm)N值為0.18～2.21，體現(xiàn)輕稀土段富集;(Gd/Yb)N值為0.77～1.32，重稀土段相對平緩(表3)。舊司組頁巖經(jīng)北美頁巖標(biāo)準(zhǔn)化后，曲線呈平坦?fàn)?表現(xiàn)為輕稀土富集，重稀土相對虧損(圖4)。

圖3 A井舊司組微量元素及稀土元素變化特征Fig.3 Variation characteristics of trace elements and REE of Jiusi Formation in A well

表3 A井舊司組稀土元素分析結(jié)果Table 3 Analyses of REE of the Jiusi Formation of the A well

圖4 A井舊司組頁巖稀土元素北美頁巖標(biāo)準(zhǔn)化Fig.4 NASC normalized REE patterns of shale in the Jiusi Formation of the A well

3 頁巖沉積期古環(huán)境特征

3.1 巖石學(xué)與古生物特征

A井舊司組二段頁巖以含碳-低碳鈣質(zhì)頁巖、含碳黏土質(zhì)頁巖、含碳硅質(zhì)頁巖、低碳鈣及粉砂質(zhì)頁巖為主(圖2，5)。A井舊二段泥頁巖27個樣品進行X衍射全巖分析:黏土礦物平均含量最高，為21.4%～73.4%，平均含量約為37.6%;在脆性礦物中，石英、方解石、白云石、長石及鐵礦物平均含量分別為23.8%，22.0%，7.3%，2.5%和6.8%。整體上，舊司組黏土礦物和鈣質(zhì)含量，要高于五峰組—龍馬溪組[16]。石英(陸源石英)含量低于五峰組—龍馬溪組石英(生物成因)，證實舊司組沉積水體相對五峰組—龍馬溪組頁巖沉積期水體較淺。

A井舊司組泥灰?guī)r及灰質(zhì)泥巖的遺跡化石主要為Chondrites遺跡組合[23]，其潛穴系統(tǒng)多為水平或傾斜的樹枝狀，分支2～4級不等，分支角度30°～50°，分支直徑0.5～3.0 mm，斷面為呈圓形斑點(圖5(a)，(d))。貧氧～富氧環(huán)境中的Chondrites遺跡以直徑通常大于0.2 cm，低～中等分異度，交切關(guān)系簡單，寄主層顏色較淺，有機碳含量較低為特征，巖性為灰黑色泥頁巖及泥灰?guī)r，可能代表了較相對寧靜的瀉湖環(huán)境[23]。

圖5 A井舊司組薄片及巖芯照片F(xiàn)ig.5 Microphotograp and Core image of the Jiusi Formation of the A well

3.2 古氧化還原環(huán)境判別

3.2.1微量元素特征

微量元素記錄了沉積期環(huán)境相關(guān)的氧化還原性質(zhì)，常見的微量元素比值，即U/Th,Ni/Co,V/Cr及V/(V+Ni)等指標(biāo)廣泛用于古氧化還原條件判識[19,24](表4)。

表4 古氧化還原環(huán)境的元素判別參數(shù)[19]Table 4 Element discrimination paramenters in redoxcondition[19]

A井舊二段U/Th值為0.145～0.611、Ni/Co為值1.74～4.89、V/Cr值為0.73～1.65、V/(V+Ni)值為0.18～0.48(表2～4)，均暗示A井區(qū)舊二段泥頁巖沉積期為富氧環(huán)境。表明舊二段古環(huán)境不利于有機質(zhì)的保存，可能也是其有機碳含量低的原因之一(圖3)。Sr/Ba比值能反映古鹽度，遠離海岸其值逐漸變大。舊二段Sr/Ba比值為1.14～20.80，平均7.25，整體值不高，但變化幅度大(表2)，說明其可能有淡水注入，處于海陸過渡相。

3.2.2稀土元素特征

REE總量具有隨海水深度增大而升高的特點，其REE量大小能夠反映古海洋海水的深度及相對變化[25]。A井舊二段REE值整體相對虧損(表3)，暗示水體相對較淺。其中，舊二2亞段REE量相對較大(圖3)，說明A井舊二2亞段大套頁巖發(fā)育段的水體相對其他亞段沉積期較深。

A井樣品北美頁巖標(biāo)準(zhǔn)化稀土元素配分模式曲線顯示:輕稀土元素具有略顯右傾，而重稀土段趨于平坦(圖4)，整體表現(xiàn)為具有輕稀土元素富集、重稀土元素虧損及Eu,Ce輕微負異常特征。五變價元素Ce和Eu對氧化還原狀況最為敏感[26]，δCe值為0.78作為劃分氧化還原環(huán)境的參考值[25]。A井舊司組樣品的δCe值介于0.864～1.085(表3，圖3)，均大于0.78，表現(xiàn)為還原環(huán)境。而δEu值為0.864～1.085，δEu值在1附近上下振動(表3，圖3)，指示舊司組黑色頁巖沉積環(huán)境也在弱氧化和還原環(huán)境間震蕩變化。

3.2.3黃鐵礦特征

草莓狀黃鐵礦晶體粒徑分布特征可判斷古水體的氧化還原條件[27]。靜海即缺氧環(huán)境形成的黃鐵礦粒徑一般小于6 μm，以草莓狀為主，且粒徑變化不大。氧化環(huán)境形成的黃鐵礦以晶體狀為主，偶見草莓狀黃鐵礦，粒徑一般大于20 μm[28]。而A井舊司組發(fā)育較多的草莓狀黃鐵礦，其粒徑略大，但其變化范圍大(5～12 μm)(圖6(a),(c))，平均粒徑大約為7.5 μm，且晶體狀黃鐵礦普見(圖6(a),(b))。故舊司組黃鐵礦可能形成于次氧化～原環(huán)境[28]。

3.3 有機地球化學(xué)古環(huán)境判別

烴源巖生物標(biāo)志化合物特征可反應(yīng)生油母質(zhì)沉積期的古環(huán)境[29]。A井舊司組頁巖抽提物的正烷烴分布以雙峰型為主(圖7)，一般后峰(>nC20)高于前鋒(

圖7 A井舊司組頁巖抽提物飽和烴色譜Fig.7 Saturated hydrocarbon chromatogram of Jiusi Formation in the A well

A井舊司組頁巖的甾、萜生標(biāo)物質(zhì)譜圖表明(圖8):m/z=191萜烷中出現(xiàn)含量較高的咸水還原環(huán)境的標(biāo)志物伽馬臘烷[30];C30重排霍烷，則象征其具有陸源母質(zhì)輸入[31]。m/z=217甾烷中檢出孕甾烷、深孕甾烷，指示頁巖為超鹽沉積環(huán)境[31];其C27甾烷含量>C29甾烷含量>C28甾烷含量，三環(huán)帖以C20為主峰，體現(xiàn)了以水生生物輸入為主、陸源高等植物輸入為輔的海陸過渡相環(huán)境。鄰井C井舊司組黑色頁巖樣品顯微組分以殼質(zhì)組為主，有機質(zhì)類型為Ⅱ2型或Ⅲ型[6]，表明其母質(zhì)來源主要為海陸過渡相環(huán)境的高等生物。從A井舊司組頁巖的色譜質(zhì)譜特征總體看，其處于海陸過渡的古環(huán)境。

圖8 A井舊司組頁巖甾烷、萜烷質(zhì)譜圖Fig.8 Terpane and sterane mass chromatogram of shale form the Jiusi Formation of A well

3.4 古環(huán)境的綜合判別

如前所述，微量元素和稀土元素元素地球化學(xué)參數(shù)所判識的氧化還原條件有所差異。故僅用一個指標(biāo)判別古氧化還原條件并不可靠，應(yīng)盡可能結(jié)合多個指標(biāo)進行綜合判識[29]。綜合利用A井舊司組巖芯樣品的巖石學(xué)、微量元素、稀土元素及有機地球化學(xué)等資料，綜合判斷A井舊二段為海陸過渡相沉積，其頁巖主要發(fā)育于弱還原的古環(huán)境。

4 有機質(zhì)富集機制與頁巖氣勘探潛力

有機碳含量是控制頁巖氣含氣量的關(guān)鍵因素之一。而有機質(zhì)富集主要受控于古生產(chǎn)力、保存條件和沉積速率等[26,32]。因而，有機碳含量高低與古生產(chǎn)力指示元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)關(guān)系密切。沉積期古生產(chǎn)力高低直接影響有機質(zhì)的來源和豐度[33]，某種程度上決定了頁巖的含氣量。

4.1 古生產(chǎn)力特征

Ni，Zn及Cu等營養(yǎng)元素，作為古生產(chǎn)力的替代指標(biāo)，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)能有效反映古生產(chǎn)力的高低[32]。A井舊二段Ni，Zn及Cu微量元素含量隨深度變化趨勢，與TOC含量的變化趨勢基本一致(圖3)。其Ni含量為19.9～54.7 μg/g，平均值為36.9 μg/g;Zn含量為15.6～130 μg/g，平均值為64.2 μg/g;Cu含量為6.51～17.5 μg/g，平均值為10.58 μg/g(表2，圖3)。A井舊二段頁巖的Ni，Zn及Cu營養(yǎng)元素含量，均小于昭通示范區(qū)五峰組—龍一段的相應(yīng)值[32]。

Ba為最為廣泛的古海洋生產(chǎn)力指標(biāo)之一，但只有形成于正常富氧環(huán)境頁巖中的過剩鋇Baxs(生物來源Ba，即不含陸源碎屑Ba)才能真正揭示沉積期的古生產(chǎn)力。一般Baxs含量在1 000～5 000 μg/g，指示沉積環(huán)境中具有高的生產(chǎn)力[19]。A井舊二段Ba含量(含陸源碎屑Ba)為31～255 μg/g，平均值為125.4 μg/g(圖3)，遠小于龍馬溪組中上部富氧環(huán)境沉積頁巖的Baxs含量(長寧剖面，平均值為1 033.2 μg/g)[19]。說明昭通示范區(qū)舊司期古生產(chǎn)力遠不及五峰組—龍一段沉積期。同時，其貧氧～富氧的古環(huán)境也不利于有機質(zhì)保存，導(dǎo)致A井舊二段頁巖的有機碳含量低于五峰組—龍一段頁巖。

4.2 頁巖氣勘探潛力

頁巖總含氣量與有機碳含量成正相關(guān)性。A井8個舊二段樣品TOC含量為0.66%～1.27%，其實測總含氣量為0.24～1.24 m3/t，平均為0.67 m3/t。B井舊司組0.01～4.72 m3/t。其點火均可著，證實該區(qū)舊司組頁巖氣具有一定的勘探潛力。昭通示范區(qū)舊司組頁巖與龍馬溪組頁巖儲層品質(zhì)相比，略有變差(表5)，但可作為潛在的新層系，值得持續(xù)探索。

表5 昭通示范區(qū)龍馬溪組與舊司組頁巖儲層參數(shù)對比Table 5 Comparison table of shale reservoir parameters between longmaxi formation and Jiusi formation in Zhaotong demonstration zone

5 結(jié) 論

(1)A井舊二段頁巖微量元素U/Th,Ni/Co,V/Cr及V/(V+Ni)值分別為0.145～0.611,1.74～4.89,0.73～1.65和0.18～0.48，指示舊二段頁巖沉積期主體為富氧環(huán)境。舊司組整體具有輕稀土元素富集、重稀土元素虧損及Eu、Ce輕微負異常特征，δCe和δEu值揭示舊二段沉積時處于次氧化-還原環(huán)境。

(2)A井舊司組頁巖正烷烴分布以雙峰型為主，色譜質(zhì)譜特征表明其母質(zhì)來源主要為海陸過渡環(huán)境的生物。結(jié)合舊司組遺跡化石，綜合判別舊司組頁巖沉積期為弱還原的海陸過渡相古環(huán)境。

(3)舊司期古生產(chǎn)力低于五峰組—龍馬溪組沉積期，導(dǎo)致其有機碳含量相對較低，頁巖儲層品質(zhì)較龍馬溪組略差。海陸過渡相舊司組頁巖具有較高的含氣性，具備一定的勘探潛力。