姜生玲，周慶華，彭傳圣，李彥舉，楊日麗，朱秀蘭，巢皓文

(1.隴東學(xué)院能源工程學(xué)院，甘肅慶陽 745000；2.中國(guó)華電集團(tuán)清潔能源有限公司，北京 100160)

0 引言

近年來，上奧陶統(tǒng)五峰組-下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖氣勘探在四川盆地取得了重大突破，尤以川東南涪陵的焦石壩和平橋氣田尤為突出(郭旭升等，2017；郭旭升，2019)，2017年，涪陵氣田頁巖氣產(chǎn)量占我國(guó)南方海相頁巖氣總產(chǎn)量的66.5%。此外，川南的長(zhǎng)寧-威遠(yuǎn)、云南的昭通氣田亦取得了重要突破(馬新華和謝軍，2018；董大忠等，2018；王鵬萬等，2018)，表明我國(guó)中上揚(yáng)子地區(qū)五峰-龍馬溪組頁巖氣具有較大資源潛力和勘探前景。云南五峰-龍馬溪組頁巖氣勘探及研究工作相對(duì)薄弱，據(jù)原國(guó)土資源部2012年評(píng)價(jià)結(jié)果，云南省頁巖氣地質(zhì)資源量2.14×1012m3(張大偉等，2012)，勘探區(qū)域主要集中在位于四川盆地南緣的昭通示范區(qū)，截止2018年2月，投產(chǎn)57口井，累計(jì)產(chǎn)氣13.11億方。隨著四川盆地周緣頁巖氣勘探工作的不斷推進(jìn)，滇東北地區(qū)實(shí)施了少量地質(zhì)調(diào)查井(趙瞻等，2017；王正江等，2018)，用以查明頁巖氣發(fā)育地質(zhì)條件，但相關(guān)研究仍處于初步評(píng)價(jià)階段。永善-大關(guān)地區(qū)為探礦權(quán)空白區(qū)，緊鄰昭通示范區(qū)，未展開深入的頁巖氣聚集條件研究，本文依托野外實(shí)測(cè)剖面、鉆井以及實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析數(shù)據(jù)，探討該區(qū)五峰-龍馬溪組頁巖氣聚集條件，以期為下一步勘探方向的選擇提供依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

永善-大關(guān)地區(qū)位于云南省東北部，構(gòu)造位置上位于四川盆地西南緣滇東北沖斷褶皺帶，受印度板塊與歐亞板塊碰撞帶及太平洋板塊的影響(蔣天國(guó)等，2016),滇東北地區(qū)構(gòu)造強(qiáng)烈，發(fā)育一系列北東向、近南北向和北西走向的大型走滑斷層和逆斷層(何江林等，2017；王正江等，2018)。研究區(qū)位于近南北走向的大型走滑斷裂峨邊-馬頸子斷裂以東，北西走向的系列逆斷層中村-中合斷裂以西，面積約2600 km2。區(qū)內(nèi)構(gòu)造體系主要以北東向?yàn)橹?，涵蓋黃泥坡背斜、新昌向斜、高橋復(fù)向斜和大關(guān)背斜，斷裂不甚發(fā)育(圖1)。區(qū)內(nèi)震旦系至新生界地層發(fā)育齊全，鄰區(qū)多口井鉆探證實(shí)五峰-龍馬溪組頁巖厚度較大、分布穩(wěn)定，具有一定的頁巖氣資源潛力。

圖1 研究區(qū)構(gòu)造位置及構(gòu)造綱要圖Fig.1 Sketch showing geological structures of study area1-地名；2-研究區(qū)；3-省界；4-背斜；5-向斜；6-斷裂1-place name；2-study area；3-provincial boundary；4-anticline；5-syncline；6-fault

2 頁巖分布

晚奧陶世-早志留世龍馬溪組沉積期，是上揚(yáng)子地區(qū)盆山構(gòu)造格局發(fā)生重大轉(zhuǎn)變期，隆起范圍擴(kuò)大，沉積區(qū)域縮小，川南、滇東北地區(qū)表現(xiàn)為由克拉通盆地轉(zhuǎn)化為古隆起帶所包圍局限淺海深水盆地，沉積了一套穩(wěn)定的深水陸棚相黑色頁巖(牟傳龍等，2015；于璐，2016)。永善-大關(guān)地區(qū)主體處于深水陸棚沉積環(huán)境，南東向北西方向由淺水陸棚向深水陸棚過渡(圖2)。

五峰-龍馬溪組頁巖主體埋深4000 m以淺，介于1000～3000 m之間，位于研究區(qū)東北側(cè)的新地2井揭示五峰組底界埋深2081.84 m(楊平等，2019；張娣等，2020)，云大地3井1815.62 m(楊平等，2019)。五峰-龍馬溪組巖性變化較大，五峰組以黑色鈣質(zhì)碳質(zhì)頁巖為主，夾薄層黑色硅質(zhì)巖，筆石稀少；龍馬溪組下部主要為黑色鈣質(zhì)、碳質(zhì)頁巖，筆石豐富，上部以灰綠色鈣質(zhì)、粉砂質(zhì)頁巖為主，筆石含量逐漸減少。五峰-龍馬溪組頁巖厚度介于40～120 m之間，厚度變化較大，平面上，自南西向北東方向呈逐漸增大趨勢(shì)，位于研究區(qū)西南部的云永地3井揭示五峰-龍馬溪組暗色頁巖厚度52 m，位于東北側(cè)的新地2井揭示暗色頁巖厚度162 m。

圖2 研究區(qū)五峰-龍馬溪組頁巖厚度分布圖Fig.2 Contours of shale thickness of Wufeng-Longmaxi Formation in Yongshan-Daguan area1-地名；2-研究區(qū)；3-省界；4-井位；5-剖面點(diǎn)；6-深水陸棚;7-淺水陸棚;8-厚度等值線(m)1-place name；2-study area；3-provincial boundary；4-well location；5-section position；6-deep-water shelf；7-shallow-water shelf；8-thickness contour(m)

3 頁巖氣聚集條件

3.1 有機(jī)地球化學(xué)特征

有機(jī)質(zhì)豐度是判斷泥頁巖生烴能力最基礎(chǔ)的指標(biāo)，氯仿瀝青“A”和生烴潛量(S1+S2)受風(fēng)化作用和有機(jī)質(zhì)熱演化程度影響較大(梁狄剛等，2008；楊平等，2012；謝龍等，2016)，因此，有機(jī)碳含量(TOC)是評(píng)價(jià)泥頁巖生氣能力最重要最有效的指標(biāo)(姜生玲等，2018a)。平面上，五峰-龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)頁巖平均有機(jī)碳含量主體分布在1.0%～3.0%之間，高值區(qū)分布于研究區(qū)北側(cè)永善-雷波以北區(qū)域，可達(dá)4.0%以上，整體上和沉積環(huán)境一致，自南東向北西方向，由淺水陸棚向深水陸棚過渡變化，有機(jī)碳含量亦呈現(xiàn)逐漸增大趨勢(shì)(圖3)。縱向上，五峰-龍馬溪組下部黑色碳質(zhì)頁巖有機(jī)碳含量明顯高于上部，新地2井和云大地3井均揭示有機(jī)碳含量大于2.0%的頁巖段位于五峰-龍馬溪組下部，厚度分別為70 m和40 m(楊平等，2019)，五峰-龍馬溪組下部黑色泥頁巖是研究區(qū)頁巖氣勘探開發(fā)有利層段。

我國(guó)南方海相頁巖熱演化程度均較高(李延鈞等，2013)。研究表明，當(dāng)有機(jī)質(zhì)鏡質(zhì)體反射率(Ro)超過3.0%時(shí)，頁巖開始逐漸石墨化而產(chǎn)生焦瀝青基質(zhì)(Pollastro et al.,2007；李登華等，2009)，從而逐步降低或失去生烴能力(姜生玲等，2018b)。永善-大關(guān)及其周邊地區(qū)五峰-龍馬溪組頁巖平均鏡質(zhì)體反射率(Ro)介于2.57%～3.13%之間(圖3)，處于高-過成熟階段，以生干氣為主。平面上、縱向上變化均較小，分布均比較穩(wěn)定。

圖3 研究區(qū)五峰-龍馬溪組頁巖有機(jī)地球化學(xué)特征分布圖Fig.3 Organic geochemical characteristics of Wufeng-Longmaxi Formation in Yongshan-Daguan area1-地名；2-研究區(qū)；3-省界；4-井位；5-剖面點(diǎn)；6-深水陸棚;7-淺水陸棚;8-TOC(%);9-Ro(%)1-place name；2-study area；3-provincial boundary；4-well location；5-section position；6-deep-water shelf；7-shallow-water shelf；8-TOC(%);9-Ro(%)

3.2 儲(chǔ)層特征

X衍射全巖礦物實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，永善-大關(guān)地區(qū)五峰-龍馬溪組頁巖礦物組分主要以脆性礦物為主，石英、長(zhǎng)石、碳酸鹽巖礦物總含量介于35.8%～92.0%之間，平均62.2%，其中，石英+長(zhǎng)石+黃鐵礦等自生礦物介于14%～63%之間，平均36.4%；碳酸鹽巖類礦物介于3.6%～77%，平均25.8%；粘土礦物含量和自生礦物含量相當(dāng)，介于8.0%～64.2%之間，平均37.6%(圖4)，野外露頭實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與已鉆新地2井和云大地3井評(píng)價(jià)結(jié)果基本相當(dāng)。總體上，脆性礦物較發(fā)育，基本能夠達(dá)到對(duì)孔隙的支撐和外力作用下形成裂縫(Bowker,2007)。

圖4 研究區(qū)五峰-龍馬溪組泥頁巖礦物組成三角圖Fig.4 Triangle diagram showing mineral composition of Wufeng-Longmaxi Formation shale in study area

五峰-龍馬溪組頁巖主要發(fā)育微米-納米級(jí)無機(jī)孔(粒內(nèi)孔、晶間孔、粒間孔)、有機(jī)孔和微裂縫。綜合野外露頭實(shí)驗(yàn)和新地2井、云大地3井(楊平等，2019)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，平均孔隙度1.54%～5.07%，平均滲透率小于0.02 mD，屬于典型的低孔超低滲頁巖儲(chǔ)層。

3.3 頁巖含氣性

通過等溫吸附實(shí)驗(yàn)測(cè)試所得的Langmuir體積反映的是泥頁巖的最大吸附能力，將Langmuir體積轉(zhuǎn)化為實(shí)際埋深條件下的最大吸附氣含量來評(píng)價(jià)泥頁巖的吸附能力。在恒溫30℃、甲烷體積分?jǐn)?shù)為99.99%的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下測(cè)得五峰-龍馬溪組Langmuir體積介于1.25～3.51 m3/t之間，平均2.16 m3/t。根據(jù)Langmuir方程V=VL*P/(PL+P)將Langmuir體積轉(zhuǎn)化為實(shí)際埋深條件下的最大吸附氣量，結(jié)果顯示五峰-龍馬溪組泥頁巖最大吸附氣含量介于1.12～3.31 m3/t之間，平均2.12 m3/t，表明永善-大關(guān)地區(qū)五峰-龍馬溪組泥頁巖具有較強(qiáng)的吸附能力。

永善-大關(guān)地區(qū)勘探、研究程度低，無準(zhǔn)確的游離氣含量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，論文主要通過公式(1)理論計(jì)算吸游比來間接計(jì)算游離氣百分含量。理論計(jì)算結(jié)果顯示游離氣平均百分含量為58.8%，表明游離氣含量略占優(yōu)勢(shì)。

(1)

上式中，ρ為頁巖巖石密度，g/cm3；Gsc為吸附氣含量，m3/t；φg為含氣頁巖孔隙度，%；Sg為含氣飽和度，%；Bg為體積系數(shù)，無量綱。

綜合永善-大關(guān)地區(qū)已鉆新地2井、新地1井和永大地3井等鉆井資料，最大現(xiàn)場(chǎng)解析含氣量分別為3.38 m3/t、1.4 m3/t、1.9 m3/t(何江林等，2017；楊平等，2019)。總體上，五峰-龍馬溪組泥頁巖含氣量較高，具備頁巖氣富集成藏的基本條件。

4 有利區(qū)分布及資源潛力

4.1 有利區(qū)分布

勘探程度較低的區(qū)域，頁巖氣有利區(qū)優(yōu)選多采用多因素疊合法(聶海寬等，2009；張金川等，2012)。該方法是將影響頁巖氣聚集的各關(guān)鍵評(píng)價(jià)指標(biāo)在平面分布圖上進(jìn)行疊合，并根據(jù)各關(guān)鍵指標(biāo)下限值綜合圈定頁巖氣發(fā)育有利區(qū)?？碧綄?shí)踐表明，頁巖氣發(fā)育有利區(qū)具備較高的有機(jī)碳含量、較大的頁巖厚度、適當(dāng)?shù)臒岢墒於群吐癫厣疃?。永?大關(guān)地區(qū)五峰-龍馬溪組泥頁巖具有厚度大、有機(jī)碳含量適中、熱演化程度高的特點(diǎn)，具備一定范圍的埋深適中、構(gòu)造穩(wěn)定區(qū)，且該區(qū)屬于礦權(quán)空白區(qū)，勘探程度低，綜合低勘探程度海相頁巖氣有利區(qū)優(yōu)選指標(biāo)(李玉喜等，2012)，確定富有機(jī)質(zhì)頁巖厚度大于30 m、有機(jī)碳含量大于2.0%、埋深介于1000～3500 m之間、含氣量大于0.5 m3/t、構(gòu)造簡(jiǎn)單，遠(yuǎn)離斷層200 m作為有利區(qū)優(yōu)選關(guān)鍵指標(biāo)下限標(biāo)準(zhǔn)。采用多因素疊合綜合優(yōu)選永善-大關(guān)地區(qū)五峰-龍馬溪組頁巖氣發(fā)育有利區(qū)為高橋-新場(chǎng)-天寧寺-木桿向斜所圍區(qū)域(圖5)，面積480.58 km2，有利區(qū)內(nèi)有機(jī)碳含量普遍大于2.0%，富有機(jī)質(zhì)頁巖厚度介于40～80 m之間，目的層埋深主體分布在1500～3000 m之間，木桿向斜區(qū)現(xiàn)場(chǎng)解析含氣量基本高于0.5 m3/t。

圖5 永善-大關(guān)地區(qū)五峰-龍馬溪組頁巖氣發(fā)育有利區(qū)Fig.5 Sketch map showing favorable zone of shale gas in Wufeng-Longmaxi Formation in Yongshan-Daguan area1-地名；2-研究區(qū)；3-省界；4-背斜；5-向斜；6-斷層;7-埋深等值線(m);8-厚度等值線(m)；9-TOC等值線(%);10-有利區(qū)1-place name；2-study area；3-provincial boundary；4-anticline；5-syncline；6-fracture；7-burial depth contour(m)；8-thickness contours(m);9-TOC contour(%);10-favorable zone

4.2 資源潛力

條件概率體積法是目前頁巖氣資源評(píng)價(jià)最常用的方法(張金川等，2012)?？紤]到永善-大關(guān)地區(qū)五峰-龍馬溪組頁巖關(guān)鍵參數(shù)的非均質(zhì)性及低勘探程度區(qū)參數(shù)的局限性，采用條件概率體積法對(duì)有利區(qū)頁巖氣資源進(jìn)行初步評(píng)價(jià)。該方法是在體積法的基礎(chǔ)上通過對(duì)關(guān)鍵參數(shù)以數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法建立參數(shù)分布模型，以概率的形式賦值，并得到不同概率條件下的頁巖氣資源量。條件概率體積法包括面積、厚度、總含氣量及密度四項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)，其中面積采用多因素疊合法綜合優(yōu)選的頁巖氣發(fā)育有利區(qū)面積，為480.58 km2；參與計(jì)算的頁巖厚度為有機(jī)碳含量大于2.0%富有機(jī)質(zhì)頁巖厚度，含氣量為現(xiàn)場(chǎng)解析總含氣量，由于頁巖儲(chǔ)層的非均質(zhì)性，富有機(jī)質(zhì)頁巖厚度、總含氣量和密度均為系列散點(diǎn)數(shù)據(jù)，其密度函數(shù)遵循數(shù)理統(tǒng)計(jì)規(guī)律的正態(tài)分布模型(圖6a)。因此，離散數(shù)據(jù)賦值可通過對(duì)密度函數(shù)積分來獲得不同概率條件下的參數(shù)值(圖6b，表1)，關(guān)鍵參數(shù)以不同概率的形式賦值之后，多次抽樣(5000次)計(jì)算得到永善-大關(guān)地區(qū)五峰-龍馬溪組有利區(qū)不同概率條件下的頁巖氣資源量。評(píng)價(jià)結(jié)果顯示五峰-龍馬溪組有利區(qū)頁巖氣資源量603.0×108～2184.5×108m3(95%～5%概率)，期望值(50%概率)為1256.4×108m3。表明永善-大關(guān)地區(qū)五峰-龍馬溪組具有一定的頁巖氣資源潛力。

圖6 五峰-龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)頁巖厚度概率密度(a)及概率(b)分布圖Fig.6 Distribution of organic-rich shale thickness probability density(a) and probability(b) of Wufeng-Longmaxi Formation

表1 五峰-龍馬溪組有利區(qū)頁巖關(guān)鍵參數(shù)賦值及頁巖氣資源評(píng)價(jià)結(jié)果表

5 結(jié)論

(1)永善-大關(guān)地區(qū)五峰-龍馬溪組頁巖發(fā)育于淺水-深水陸棚沉積環(huán)境，厚度大、有機(jī)碳含量適中、成熟度高、埋深適中，儲(chǔ)層礦物成分主要以脆性礦物為主，微米-納米級(jí)孔縫發(fā)育，表現(xiàn)為低孔特低滲特征，具備頁巖氣生成所需的物質(zhì)基礎(chǔ)和儲(chǔ)集空間。

(2)永善-大關(guān)地區(qū)五峰-龍馬溪組頁巖具有較強(qiáng)的吸附能力和較高的含氣量，最大吸附氣量平均2.12 m3/t，游離氣百分含量平均為58.8%，游離氣略占優(yōu)勢(shì)；同時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)解析氣量較高，介于0.5～3.38 m3/t之間。

(3)永善-大關(guān)地區(qū)五峰-龍馬溪組頁巖氣具有一定的資源潛力，有利區(qū)主要分布在高橋-新場(chǎng)-天寧寺-木桿向斜所圍區(qū)域，面積480.58 km2，初步評(píng)價(jià)頁巖氣資源量1256.4×108m3。

[附中文參考文獻(xiàn)]

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