趙 青, 戴曉燕, 劉 波, 湯海磊, 全貴龍

(1.北京大學 地球與空間科學學院，北京100871;2.云南大學 地球科學學院，昆明 650500；3.貴州省地質礦產(chǎn)勘查開發(fā)局 一一五地質大隊，貴陽551400)

全球非常規(guī)天然氣資源豐富，近4×1015m3，是常規(guī)天然氣資源量的8倍，而以煤層氣為主的煤系致密氣是非常規(guī)天然氣資源的重要組成部分[1]，據(jù)不完全統(tǒng)計全球煤層氣資源量已超過2.6×1014m3。美國和加拿大是世界上率先進行煤層氣商業(yè)化開發(fā)的國家，也是迄今為止煤層氣產(chǎn)量最高的國家[2-3]。

中國非常規(guī)天然氣產(chǎn)量已達5.4×1010m3左右，約占全國天然氣總產(chǎn)量的1/3，具有多時代、多層系、分布廣、潛力巨大等特點[4]。近年來，隨著地質認識不斷深化，勘探開發(fā)技術不斷進步，中國以頁巖氣為代表的致密天然氣勘探取得了重大進展，廣泛分布的含煤巖系的資源潛力也逐漸受到重視，尤其是煤系非常規(guī)致密天然氣[5-7]。

中國西南地區(qū)海陸過渡相的含煤層系總有機碳含量較高，演化程度一般在過成熟早期以下，有利于形成頁巖氣、煤層氣和致密砂巖氣等多種類型疊置的天然氣藏[7]。前期初步勘探已在黔西二疊系龍?zhí)督M發(fā)現(xiàn)非常規(guī)天然氣藏[8]。本文旨在通過野外地質調(diào)查和區(qū)域對比，深入分析滇東-黔西地區(qū)龍?zhí)督M沉積層序和致密儲層類型及其展布規(guī)律，以期為研究區(qū)的非常規(guī)天然氣資源的進一步勘探提供參考。

1 地質背景

1.1 構造-沉積背景

滇東-黔西地區(qū)位于揚子板塊西南緣與華南褶皺系鄰接處，加里東末期的東吳運動導致其緩慢抬升，并遭受剝蝕夷平[9-10]，造成該區(qū)域上二疊統(tǒng)與中二疊統(tǒng)呈假整合接觸。加之峨眉山玄武巖噴發(fā)，形成了二疊紀龍?zhí)镀趽P子板塊西北高、東南低的古地貌格局[11]，西北部山地成為豐富的陸源供給區(qū)[12-17]；加之作為海陸過渡帶的滇東-黔西區(qū)域氣候溫潤、植物繁茂，形成中國南方重要的龍?zhí)督M煤系地層[18-19]。在龍?zhí)督M沉積之后，揚子板塊再次經(jīng)歷海侵并形成了晚二疊世到中三疊世的海侵沉積。晚三疊世的印支運動在滇東-黔西主要表現(xiàn)為北強南弱、東強西弱的差異抬升，導致部分區(qū)域地層缺失。

1.2 龍?zhí)镀诔练e環(huán)境

龍?zhí)督M沉積時期，滇東-黔西地區(qū)為揚子板塊西部海陸過渡沉積區(qū)。其西北側為玄武巖發(fā)育的康滇古陸[20-21](圖1)，是主要的物源供給區(qū)，東南為淺海陸棚區(qū)域。龍?zhí)督M自西向東相帶齊全，沉積類型豐富多樣，其與宣威組為同時異相沉積，同為一套含煤碎屑巖[22]。陸相河流沉積體系包括辮狀河、網(wǎng)狀河和曲流河；三角洲沉積體系由三角洲平原、三角洲前緣與前三角洲構成；海相沉積體系主要為淺海碳酸鹽臺地相和臺緣生物礁相。

圖1 滇東-黔西二疊紀龍?zhí)镀跇嬙斐练e背景Fig.1 The tectonic and sedimentary background of the Longtan period in eastern Yunnan-western Guizhou(據(jù)馬永生等[20]和Huang等[21]修編)

龍?zhí)镀谠缙诤Ｓ虻某练e韻律和相帶展布格局與峨眉山玄武巖間歇性多旋回噴發(fā)相關[23]。沉積相帶走向為北東-南西向，相帶寬度受古地形坡度控制，各相帶呈指狀交錯并逐漸過渡。由北西向南東為河流-三角洲-潮坪、潟湖-碎屑泥質潮下-局限碳酸鹽臺地-開闊碳酸鹽臺地-邊緣生物礁，形成了滇東-黔西從北西向南東由陸相-過渡相-海相的古地理格局[24-26]。

2 龍?zhí)督M層序地層格架

2.1 層序界面識別

滇東-黔西龍?zhí)镀诔练e環(huán)境主要為沖積平原、三角洲、碎屑海岸、碳酸鹽臺地及斜坡-盆地沉積體系。研究區(qū)為海陸過渡區(qū)，沉積充填對海平面變化較為敏感。在振蕩性相對海平面波動控制下，形成了縱橫向快速變化的旋回性沉積。在龍?zhí)督M層序單元內(nèi)部，可識別出3個Ⅲ級層序界面，即SB1、SB2、SB3。

SB1：區(qū)域不整合面，即龍?zhí)督M與峨眉山玄武巖組或茅口組之間的假整合面，界面之下為紫紅色玄武巖、凝灰?guī)r或淺灰色厚層狀微晶灰?guī)r，界面之上為淺灰色含黃鐵礦黏土巖[27]。

SB2：沉積體系轉換面，即為第一套煤系地層沉積之后的海退界面，煤層頂板砂巖界面之下為潟湖-潮坪沉積體系，界面之上為三角洲平原沉積體系。

SB3：侵蝕不整合面，底界面經(jīng)歷了河道強烈下切作用，其碎屑成分、沉積環(huán)境和古生物組合等有明顯的差異[27]。

2.2 層序劃分

龍?zhí)督M沉積物主要由砂巖、粉砂巖和頁巖組成，常與薄泥質灰?guī)r和煤層互層[27-28]。龍?zhí)督M由SB1、SB2、SB3層序界面自下而上劃分出SQⅠ、SQⅡ、SQⅢ共3個Ⅲ級層序，SQⅠ層序相當于龍?zhí)督M下段，SQⅡ層序相當于龍?zhí)督M中段，SQⅢ層序相當于龍?zhí)督M上段。3個Ⅲ級層序，代表龍?zhí)镀谡w相對海平面上升基礎上的3次相對海平面上升旋回[29](圖2)。

2.3 體系域特征

SQⅠ低位體系域覆于研究區(qū)的絕大部分地區(qū)，主要發(fā)育凝灰?guī)r與鋁土巖及鋁土質泥巖，鋁土巖呈淺灰色，頂部為薄層淺灰色鋁土質泥巖，含植物的根化石。SQⅡ低位體系域大部分地區(qū)巖性以細砂巖為主，發(fā)育大型槽狀及板狀交錯層理，砂巖底部近沖刷面，主要為三角洲平原分流河道沉積。SQⅢ低位體系域主要為分流河道、天然堤、決口扇、碎屑泥質潮下和局限臺地沉積。

圖2 滇東-黔西龍?zhí)督M沉積層序及相對海平面變化Fig.2 Sedimentary sequence and relative sea-level changes of Longtan Formation in eastern Yunnan-western Guizhou(據(jù)貴州省地質調(diào)查院[29]修編)LST.低位體系域; TST.海侵體系域; HST.高位體系域

SQⅠ海侵體系域主要發(fā)育天然堤、決口扇、分流間灣、沼澤、潮坪、潟湖相沉積，可見雙向交錯層理，砂泥巖薄互層以及石灰?guī)r、泥巖等。研究區(qū)東部主要是局限和開闊臺地以及潮下碎屑泥質沉積。SQⅡ海侵體系域發(fā)育河道和分流河道沉積、潮坪沉積、局限臺地沉積等，其中東部地區(qū)發(fā)育一套生物碎屑灰?guī)r，為生物礁灘沉積。SQⅢ海侵體系域主要是分流河道沉積、潮坪及分流間灣沉積，底部顯示明顯的沖刷面。在東部地區(qū)可見石灰?guī)r、燧石灰?guī)r、生物碎屑灰?guī)r，主要是半局限臺地、生物礁灘、深水盆地沉積。

SQⅠ高位體系域主要是河道、邊灘、天然堤、潮坪、潟湖、沼澤、半局限-局限臺地以及開闊臺地沉積，可見厚煤層。SQⅡ高位體系域為分流河道、泛濫盆地、分流間灣潮坪、潟湖沉積；在中部地區(qū)可見煤層，薄層砂泥巖互層。SQⅢ高位體系域巖性和沉積相的發(fā)育總體上同海侵體系域類似，只是在橫向上向西遷移。

3 層序格架內(nèi)沉積演化特征

3.1 SQⅠ沉積充填

SQⅠ為龍?zhí)督M下部第一個Ⅲ級層序，反映了從東南向西北的海侵沉積體系。在水城一帶主要發(fā)育細砂巖、泥巖；納雍、織金一帶主要發(fā)育泥巖、細砂巖、煤巖；貴陽一帶主要發(fā)育石灰?guī)r、泥巖等[30](圖3)。羅平一帶主要發(fā)育細砂巖、頁巖；盤州、晴隆一帶主要發(fā)育泥巖、頁巖、生物灰?guī)r；鎮(zhèn)寧、安順、黔西、金沙一帶發(fā)育石灰?guī)r、泥巖(圖4、圖5)。

3.2 SQⅡ沉積充填

SQⅡ為龍?zhí)督M第二個Ⅲ級海侵層序，層序結構及展布規(guī)律與SQⅠ類似。在羅平阿崗地區(qū)發(fā)育中、細砂巖；盤州地區(qū)發(fā)育泥頁巖；鎮(zhèn)寧、安順一帶發(fā)育砂巖與灰?guī)r互層；東部平壩發(fā)育石灰?guī)r，為局限臺地沉積(圖4)。SQⅡ總體上灰?guī)r不發(fā)育，只在金沙和桐梓的少部分地區(qū)有少量灰?guī)r分布[29](圖5)。

3.3 SQⅢ沉積充填

SQⅢ為龍?zhí)督M第三個Ⅲ級層序，層序結構及橫向繼承了SQⅠ和SQⅡ的特征。在昭通彝良、水城汪家寨、水城老鷹山等地區(qū)普遍發(fā)育泥巖、細砂巖、煤巖；貴陽一帶主要發(fā)育石灰?guī)r(圖3)；羅平阿崗地區(qū)發(fā)育中厚層狀細砂巖；中西部其余地區(qū)普遍發(fā)育細砂巖、泥巖、泥質粉砂巖；東部主要發(fā)育石灰?guī)r、砂巖(圖4)。泥頁巖的變化范圍和幅度要比砂巖的大。SQⅢ的灰?guī)r分布范圍比SQⅠ和SQⅡ要廣，且具有向東南加厚的趨勢，到桐梓地區(qū)完全變?yōu)樯锼樾蓟規(guī)r和炭質灰?guī)r。

圖3 昭通彝良-貴陽牛場龍?zhí)督M層序劃分對比圖Fig.3 Sequence division and correlation of Longtan Formation in Zhaotong Yiliang-Guiyang Niuchang 據(jù)貴州省煤田地質局[30]修編; 剖面位置見圖1中A-A’

圖4 羅平阿崗-平壩谷豹龍?zhí)督M層序劃分對比圖Fig.4 Sequence division and correlation of Longtan Formation in Luoping A’gang-Pingba Gubao 據(jù)貴州省煤田地質局[30]修編; 剖面位置見圖1中B-B’

圖5 盤州-桐梓龍?zhí)督M層序劃分對比圖Fig.5 Sequence division and correlation of Longtan Formation in Panzhou-Tongzi 據(jù)貴州省煤田地質局[30]修編; 剖面位置見圖1中C-C’

各地區(qū)垂向巖相組合雖各有特征，但都反映了在峨眉山玄武巖噴發(fā)后的西北高東南低的古地貌格局上的旋回性海侵沉積，處于海陸過渡區(qū)的滇東-黔西地區(qū)形成了3個明顯的Ⅲ級海侵層序，每個海侵層序由振蕩性的相對海平面上升形成。

4 龍?zhí)督M致密天然氣儲層

綜上，滇東-黔西地區(qū)龍?zhí)督M巖性主要為灰、深灰色泥質粉砂巖、粉砂質泥巖、細砂巖、頁巖、灰?guī)r、黑色炭質泥巖及煤層，局部夾淺灰色生屑砂巖。從致密儲層角度來看，滇東-黔西地區(qū)的龍?zhí)督M存在3類致密儲層，分別是煤巖、泥頁巖和致密砂巖。

4.1 煤巖致密儲層

在滇東地區(qū)龍?zhí)督M含煤層0～30層，一般0～9層，含可采煤層0～4層，可采厚度0.6～3 m；東部含煤性較好，向西含煤性急劇變差，均為薄煤層或煤線。如晴隆地區(qū)砂鍋廠附近(圖6-A)，厚約257 m，一般含煤層10～20層，煤層厚0.2～1.5 m。盤州(圖6-B)、水城、納雍之間地區(qū)含煤性漸好，往外圍含煤性逐漸變差?？梢娒簩拥撞颗c凝灰質灰?guī)r相接觸(圖6-D)?？傮w來說，本區(qū)域龍?zhí)督M煤巖主要分布在SQⅡ，主要為三角洲平原、潮坪-潟湖沉積相，煤巖呈長軸狀展布，大致為北東向，煤層厚度具有從滇東地區(qū)向黔西地區(qū)逐漸增大的趨勢。研究區(qū)的龍?zhí)督M煤層厚度高值區(qū)主要有兩個，其一是盤州-普安地區(qū)，其二是六盤水地區(qū)(表1)。

龍?zhí)督M煤巖(圖7-A、D)由碎屑礦物、黏土礦物和自生脆性礦物組成且含量相差不大。自生脆性礦物含量明顯高于炭質泥巖，主要表現(xiàn)為方解石及黃鐵礦含量較高(圖8-A)。煤巖中黏土礦物主要有綠泥石、伊利石及伊蒙混層(圖8-D)。由下至上碎屑礦物、自生脆性礦物減少，黏土礦物增加。通過對黔普地1井、平橋1井的綜合分析，煤巖孔隙度主要在2%～6%，個別煤巖的孔隙度大于6%；巖石滲透率為(0.01～0.5)×10-3μm，個別樣品的滲透率>1×10-3μm(圖9)。龍?zhí)督M煤巖主要發(fā)育有機質孔，煤巖中多孔胞狀孔隙(圖7-J)、植物胞腔孔(圖7-K)，紋層構造(圖7-L)發(fā)育，具有較好的滲流通道。煤巖脆性程度高，滲透率與微裂隙發(fā)育程度相關[23]。

圖6 滇東-黔西龍?zhí)督M地層特征Fig.6 Sedimentary characteristics of Longtan Formation in eastern Yunnan-western Guizhou(A)貴州晴隆縣沙子鎮(zhèn)龍?zhí)督M野外露頭，可分為3個Ⅲ級層序，分別對應于龍?zhí)督M下段、中段、上段； (B)貴州盤州市羊場坡龍?zhí)督M野外露頭，煤層中夾有泥巖、灰?guī)r、砂巖； (C)云南曲靖市哈馬寨龍?zhí)督M同時異相沉積(宣威組)野外露頭，可見多個菱鐵礦層旋回層序； (D)云南曲靖市哈馬寨龍?zhí)督M同時異相沉積(宣威組)凝灰質灰?guī)r與煤層接觸； (E)云南羅平縣法郎龍?zhí)督M粉砂巖夾煤矸石韻律； (F)貴州盤州市羊場坡龍?zhí)督M含菱鐵礦層

4.2 泥頁巖致密儲層

泥頁巖致密儲層厚度最大可達57.7 m，厚度分布不均，變化較大，總體上呈放射狀展布，主要集中分布于龍?zhí)督M下段和中段，主要為潮坪-潟湖相。第一大沉積中心位于六盤水市水城地區(qū)，第二大沉積中心位于興仁地區(qū)(表1)。

黔普地1井、平橋1井3件龍?zhí)督M炭質泥巖碎屑礦物含量和黏土礦物含量大致相等，自生脆性礦物含量較少(圖7-B)。炭質泥巖自生脆性礦物以石英和長石為主(圖8-B)，黏土礦物主要有綠泥石、伊利石、伊蒙混層(圖8-D)?？傮w向上綠泥石增加、伊/蒙層間比減少，表明隨著埋藏深度變淺，伊-蒙轉化程度降低。由下至上石英含量呈“減少-增多-減少-增多”的變化旋回，與黏土礦物呈明顯的負相關對應關系；方解石含量向上增加，黃鐵礦向上減少，表明水體總體變淺，還原環(huán)境變?nèi)酢Ｍㄟ^對黔普地1井、平橋1井的綜合分析，炭質頁巖的孔隙度主要在1.0%～2.0%，滲透率主要在(0.005～0.15)×10-3μm(圖9)。不同地區(qū)炭質頁巖的孔隙度、密度值相差不大，其孔隙均以無機礦物孔隙為主，黏土礦物對孔隙表面積和體積的貢獻起著重要作用[22,31-32]；但滲透率差值極為懸殊，可能與巖石的非均質性有關，裂縫發(fā)育也影響滲透率。

圖7 滇東-黔西地區(qū)龍?zhí)督M巖石特征Fig.7 Characteristics of Longtan Formation rocks in eastern Yunnan-western Guizhou(A)黔普地1井龍?zhí)督M三角洲相煤層; (B)黔普地1井龍?zhí)督M潟湖相富有機質泥頁巖; (C)黔普地1井龍?zhí)督M三角洲相致密砂巖; (D)龍?zhí)督M煤矸石顯微特征，曲靖市羅平縣法郎村，單偏光; (E)龍?zhí)督M鈣質膠結凝灰質細砂巖顯微特征，曲靖市羅平縣法郎，單偏光; (F)龍?zhí)督M鈣質膠結凝灰質細砂巖顯微特征，曲靖市羅平縣法郎村，單偏光; (G)龍?zhí)督M含凝灰質生物碎屑灰?guī)r顯微特征，有硅化現(xiàn)象，有少量火山凝灰和磁鐵礦，安順市鎮(zhèn)寧縣，單偏光; (H)龍?zhí)督M顆?；?guī)r溶孔被硅質充填，可見鮞粒結構，盤州市羊場坡村，正交偏光; (I)龍?zhí)督M含硅質灰?guī)r，曲靖市羅平縣法郎村，CL; (J)宣威組煤矸石中多孔胞狀孔隙，曲靖市茨營鎮(zhèn)哈馬寨，SEM; (K)宣威組凝灰質煤巖中植物胞腔孔， 曲靖市茨營鎮(zhèn)哈馬寨， SEM; (L) 宣威組煤矸石中平行紋層， 曲靖市茨營鎮(zhèn)哈馬寨， SEM

4.3 致密砂巖儲層

致密砂巖儲層最大厚度可達233.5 m，厚度分布不均，變化較大，總體在織金-晴隆一帶砂巖累計沉積厚度最大(表1)，主要為三角洲前緣亞相。致密砂巖(圖7-C)顏色為淺灰、灰綠、黃綠色夾紫紅色斑塊，分選性、磨圓度中等(圖7-E、F)，由微粒狀菱鐵礦和黏土礦物呈接觸-孔隙式膠結，可與煤矸石(圖6-E)、炭質泥巖薄層(紋層)呈互層狀(圖6-C)，具水平互層、板狀及楔狀交錯層理，生物擾動構造發(fā)育，所含生物化石主要是大羽羊齒植物群，偶見垂直或水平的簡單蟲管、植物根痕。其中廣泛發(fā)育黃鐵礦和菱鐵礦結核，菱鐵質結核常呈薄層條帶狀產(chǎn)出(圖6-F)[27]。

圖8 滇東-黔西地區(qū)龍?zhí)督M煤巖、泥頁巖、致密砂巖礦物組分特征Fig.8 Characteristics of mineral compositions of Longtan Formation coal rock, shale, and tight sandstone in eastern Yunnan-western Guizhou

表1 滇東-黔西龍?zhí)督M致密天然氣儲層類型及特征Table 1 Types and characteristics of Longtan Formation tight natural gas reservoirs in eastern Yunnan-western Guizhou

自生脆性礦物和碎屑礦物含量均較高，黏土礦物以伊-蒙間層礦物為主，少量綠泥石(圖7-E)。平橋1井砂巖碎屑礦物的質量分數(shù)高達50%；黏土礦物含量和自生脆性礦物含量大致相等。縱向上，黏土礦物含量由下向上增加，其他礦物未見明顯的變化趨勢。平橋1井致密砂巖樣品黏土礦物以伊-蒙間層礦物為主，其次為綠泥石，另外含有少量的伊利石(圖8-D)。由下向上伊-蒙間層礦物增多、伊利石含量減少。脆性礦物主要是長石和方解石(圖7-H、圖8-C)，方解石的陰極發(fā)光呈橙紅色(圖7-I)。龍?zhí)督M砂巖孔隙較發(fā)育，主要發(fā)育礦物溶蝕孔、粒內(nèi)溶孔、黏土礦物溶孔、晶間孔。黔普地1井、平橋1井致密砂巖巖石的孔隙度主要在0.3%～4.1%，滲透率主要在(0.005～0.05)×10-3μm(圖9)。研究區(qū)龍?zhí)督M致密砂巖厚度分布不均，變化較大，總體在織金-晴隆一帶砂巖累計厚度最大。

圖9 滇東-黔西地區(qū)龍?zhí)督M煤巖、泥頁巖、致密砂巖孔-滲關系圖Fig.9 Pore-permeability relation of Longtan Formation coal rock, shale, and tight sandstone in eastern Yunnan-western Guizhou

5 結 論

滇東-黔西地區(qū)經(jīng)歷了多期構造運動，包括海西運動、印支運動、燕山運動和喜馬拉雅運動等。早、晚二疊世之交與峨眉山火山活動相關的東吳運動導致?lián)P子板塊整體隆升并向東南傾斜，在此期間及隨后的3次相對海平面上升旋回在本區(qū)域形成了海陸過渡相的龍?zhí)督M煤系地層。

在相對海平面上升旋回期間，由東南向西北發(fā)生海侵，海侵期由西北向東南依次發(fā)育沖積平原→濱海平原→潮坪→局限臺地→開闊臺地相帶。高水位期陸緣、潮坪及臺緣斜坡相帶變寬，局限—開闊臺地相帶范圍縮小。煤層主要發(fā)育于中部區(qū)域的海侵體系域和高位體系域中。

龍?zhí)督M巖性組合多樣，形成了“煤-泥-砂”互層并且具有明顯旋回沉積的特點，其巖性組合相對海相和陸相頁巖的變化范圍、幅度及頻率更大。煤層在全區(qū)廣泛發(fā)育，總厚度自西向東略有降低；頁巖氣儲層主要分布在黔西南的普安地區(qū)、織金-大方地區(qū)、黔西-金沙的部分地區(qū)；致密砂巖氣儲層主要分布在織金地區(qū)、普安-興仁地區(qū)以及金沙部分地區(qū)。

龍?zhí)督M的煤巖、泥頁巖、致密砂巖都具有一定的含氣性，但含氣量從煤→泥頁巖→致密砂巖具有逐漸變?nèi)醯淖兓?guī)律。通過連井剖面對比分析表明，泥頁巖的變化范圍和幅度要比砂巖的大。龍?zhí)督MSQⅠ和SQⅡ的泥頁巖和煤的巖性組合和垂向分布由西向東延伸較為穩(wěn)定，SQⅢ和SQⅠ的灰?guī)r發(fā)育程度要比SQⅡ高，SQⅢ整體不利于煤系致密氣的富集。

綜上，煤巖和泥頁巖在相鄰的黔北地區(qū)、四川瀘州、重慶永川和云南的彌勒、普者黑等地延展分布，這些區(qū)域具有保存條件的龍?zhí)督M可能存在豐富的致密儲層和天然氣藏。