鄭逢贊 苑 坤, 單俊峰 林 拓 游銘心 牛嘉亮 梁宇濤 唐 玄

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)能源學(xué)院 北京 100083； 2.中國地質(zhì)調(diào)查局油氣調(diào)查中心 北京 100083；3.中國石油遼河油田分公司勘探開發(fā)研究院 遼寧盤錦 124010)

中國目前已經(jīng)在重慶涪陵及川南地區(qū)下古生界五峰-龍馬溪組海相頁巖取得了頁巖氣勘探開發(fā)的重大突破[1-2]，但是南方石炭系的頁巖氣勘探還處于探索階段。據(jù)自然資源部公布的《全國頁巖氣資源潛力評價》結(jié)果表明，貴州省頁巖氣地質(zhì)資源量為10.48萬億m3[3-4]，其中石炭系頁巖氣遠景資源量1.1萬億m3，占總資源的10%，具有巨大的資源潛力[2,5]。近年來，黔西南地區(qū)黔水地1井和黔紫頁1井在石炭系打屋壩組獲得良好的頁巖氣顯示，極大地提高了該地區(qū)頁巖氣勘探信心。然而，該地區(qū)經(jīng)歷了多期次構(gòu)造運動，多條斷裂在此匯聚，形成埡都-紫云-羅甸斷裂帶(簡稱埡紫羅斷裂帶)，構(gòu)造條件非常復(fù)雜[6-7]。同時從沉積條件而言該地區(qū)打屋壩組沉積時期處于從陸向?？焖僮兓瘏^(qū)帶，縱向和橫向巖性組合方式變化大[1,8-9]。因此，埡紫羅斷裂帶頁巖含氣性主控因素復(fù)雜，保存條件的評價至為關(guān)鍵。

前人對頁巖氣保存條件的評價主要考慮斷裂、地層剝蝕、地層傾角等指標[2,10-16]；也有學(xué)者將壓力、含氣量、測試產(chǎn)量、頁巖地球化學(xué)和孔滲參數(shù)作為判識性指標[17-24]。還有觀點認為脆性指數(shù)、黏土礦物、頂?shù)装宓暮穸取⒌貙铀秃蜆?gòu)造形態(tài)以及裂縫間距指數(shù)也影響了頁巖氣的保存[15-16,25-31]。但上述指標要么是頁巖氣藏的壓力或含氣性等判識性指標，缺乏對頁巖含氣性主控因素的研究；要么就是生烴性、儲集性或者構(gòu)造環(huán)境等指標，而缺乏對復(fù)雜構(gòu)造條件下頁巖氣保存條件評價的針對性。

本文通過對黔西南復(fù)雜構(gòu)造區(qū)下石炭統(tǒng)打屋壩組頁巖氣發(fā)育地質(zhì)特征，包括礦物組成、地球化學(xué)和儲層特征的研究，分析了頁巖氣的保存條件及其影響因素，建立復(fù)雜構(gòu)造區(qū)頁巖氣保存條件評價方法，對南方復(fù)雜構(gòu)造區(qū)保存條件評價與選區(qū)預(yù)測均具有參考意義。

1 地質(zhì)背景

黔西南地區(qū)下石炭統(tǒng)打屋壩組自早石炭世沉積以來經(jīng)歷了多期構(gòu)造運動[1,5,9,18,30]。該地區(qū)的埡紫羅斷裂帶是上揚子板塊南部的一條重要的北西向構(gòu)造帶(圖1a)，長約400 km、寬10～80 km，是滇黔北部坳陷、黔中隆起、黔南坳陷、黔西南坳陷、黔東隆起與南盤江坳陷的重要分割性斷裂[5,7,30,32]。研究區(qū)自從泥盆紀到二疊紀末以來經(jīng)歷了伸展-張裂、斷陷、裂谷、減弱-構(gòu)造反轉(zhuǎn)和陸內(nèi)收縮5個階段[7,32]。淺層構(gòu)造為以晚古生代伸展地塹的控盆斷層為邊界、發(fā)生正反轉(zhuǎn)而形成的扇形背沖結(jié)構(gòu)，因此石炭系地層現(xiàn)今埋藏淺、距離剝蝕區(qū)近[1,3,17]。根據(jù)埡紫羅斷裂段在走向上的構(gòu)造變化，研究區(qū)從北向南可以分為3段，西北段從威寧到六盤水一帶，發(fā)育4條深部斷層，從碳酸鹽巖臺地向碳酸鹽巖斜坡過渡；中段從六枝到關(guān)嶺段發(fā)育2條深部斷層，主要發(fā)育深水陸棚沉積；東南段(紫云段)演變?yōu)?條深部斷層，且正斷層的主體傾向亦由WS傾變換為NE傾[7]，從泥灰?guī)r斜坡向泥頁巖深水沉積過渡。區(qū)內(nèi)打屋壩組主要發(fā)育臺地、斜坡和深水盆地沉積(圖1a)。不同區(qū)域發(fā)育不同的巖性組合，形成復(fù)雜的沉積格局。東南部紫云地區(qū)屬于拉張槽深水臺盆體系，主要發(fā)育頁巖和濁積巖；西北部六盤水和東南部長順-羅甸地區(qū)屬于斜坡體系[6-7,33]，海侵與海退交互出現(xiàn)，發(fā)育泥巖與泥灰?guī)r的頻繁互層(圖1b)。

圖1 貴州省西南部埡紫羅斷裂帶主要地質(zhì)特征

2 頁巖氣發(fā)育地質(zhì)特征

2.1 研究區(qū)西北段斜坡地區(qū)

黔水地1井是埡紫羅地區(qū)西北段六盤水地區(qū)鉆穿打屋壩組的典型鉆井。該井打屋壩組可分為四段(圖2)，從底部開始的第一段巖性以深灰色泥巖和泥灰?guī)r為主，泥巖與灰?guī)r局部互層；二段以深灰色泥灰?guī)r和泥巖夾頁巖為主；三段以泥灰?guī)r夾泥巖、頁巖為主；四段以泥灰?guī)r、灰?guī)r和生屑灰?guī)r為主。從一段到四段，黏土含量逐漸減少，方解石含量、脆性礦物含量逐漸增加。有機質(zhì)類型以Ⅲ型、Ⅱ2型為主[32-33]，總有機碳豐度(TOC)在0.09%～1.70%，平均為0.79%(圖2)。第一段現(xiàn)場解吸含氣量最高達5 m3/t，但是氣體原始成分中60%以上為空氣(氮氣∶氧氣大約為4∶1)，巖性疊置關(guān)系較差(泥頁巖與(泥)灰?guī)r厚度相差較大，單層厚度太厚(大于5 m)或太薄(小于0.5 m))說明保存條件較差；第一段上部和第二段(1 600～1 950 m)有機質(zhì)相對更加富集，鏡質(zhì)體反射率(Ro)平均為2.19%，泥頁巖與泥灰?guī)r頻繁互層，泥灰比接近1∶1，單層厚度小于5 m，為較好的巖性疊置段(泥頁巖與(泥)灰?guī)r厚度相近，單層厚度不大于5 m且不小于0.5 m)，現(xiàn)場解吸含氣量測試顯示含氣量平均為1.6 m3/t，氣體成分中甲烷含量超過60%，說明保存條件較好(圖2)。氣測錄井顯示全烴含量為0～63.41%，平均為9.15%(圖2)。

2.2 研究區(qū)中段

從六枝到關(guān)嶺都屬于埡紫羅斷裂的中段，該段北東方向?qū)忧羡晗?，南西對接黔西南坳陷。該段打屋壩組埋藏較深，在裂陷槽內(nèi)埋深超過6 000 m，斜坡上埋深也超過3 500 m。以斜坡區(qū)安順1井為例，打屋壩埋深在4 700 m左右，且厚度較薄，不到100 m，且底部頁巖不發(fā)育。目前在裂陷槽內(nèi)沒有鉆井，但通過廣域電磁法解釋結(jié)果顯示裂隙槽內(nèi)關(guān)嶺地區(qū)打屋壩組存在一個受NW斷裂方向控制的深水沉積中心，頁巖厚度在450 m左右。斷裂發(fā)育程度不高，構(gòu)造條件發(fā)條件相對簡單[7,32]。

2.3 研究區(qū)東南段

研究區(qū)東南段包括深水沉積區(qū)和斜坡沉積區(qū)。

深水沉積區(qū)分布在紫云附近地區(qū)，黔紫頁1井是該地區(qū)深水沉積區(qū)的典型鉆井，巖性主要以泥灰?guī)r和頁巖為主，并夾有灰黑色薄層硅質(zhì)巖(圖2)。打屋壩組一段巖性變化較大，上部以泥巖和頁巖為主；中部以灰?guī)r為主，夾薄層頁巖；下部主要為泥灰?guī)r與泥巖不等厚互層，其中在巖性疊置段的現(xiàn)場解吸含氣量較高，裂縫與破碎帶十分發(fā)育；二段以泥灰?guī)r與泥巖不等厚互層為主；三段以灰-黑色泥巖和頁巖為主，泥巖與泥灰?guī)r交替發(fā)育，泥巖與(泥)灰?guī)r比例約為10∶1，巖性疊置關(guān)系差，可見較多高角度剪裂縫；四段泥灰?guī)r與泥巖交替發(fā)育?？傮w上，第一段和第四段灰?guī)r較多，中間二、三段泥質(zhì)含量增高。泥巖段常見有草莓狀黃鐵礦，粒徑在10～20 μm，反映沉積環(huán)境為深水還原沉積環(huán)境。從第一段到四段，方解石含量逐漸增多，黏土礦物和石英含量逐漸減少，黏土礦物中伊/蒙混層含量較高。孔隙度在3%左右，滲透率在0.4 mD左右。有機質(zhì)類型均為Ⅱ2型[34-35]，TOC在0.54%～2.64%，平均為1.45%。打屋壩組第一、三段有機質(zhì)相對更加富集，TOC大于2%。由圖2可見，Ro平均為3.5%，現(xiàn)場解吸含氣量平均為1.0 m3/t。需要強調(diào)的是，三段含氣組分主要以氮氣為主，氮氣含量達到70%、氧氣含量達10%；一段(2 900～2 980 m)泥頁巖與(泥)灰?guī)r頻繁互層，巖性疊置關(guān)系好，甲烷含量超過75%以上。氣測錄井顯示全烴含量為0.01%～1.97%，平均為0.23%(圖2)。

圖2 研究區(qū)連井柱狀圖(井位見圖1)

東南段斜坡區(qū)主要分布在惠水-長順以及羅甸附近。長頁1井和代頁1井揭示的打屋壩組屬于斜坡體系沉積(圖2)。長頁1井打屋壩組一段以頁巖為主，內(nèi)部見黃鐵礦團塊，常夾有灰黑色泥灰?guī)r結(jié)核；二段以泥灰?guī)r和鈣質(zhì)泥巖為主，水平層理極為發(fā)育；三段以泥巖和泥灰?guī)r為主，黏土礦物含量較高、現(xiàn)場解吸含氣量高，泥巖上下部夾少量泥灰?guī)r條帶，呈漸變接觸關(guān)系；四段以鈣質(zhì)泥巖和薄層狀泥灰?guī)r為主，泥巖內(nèi)見大量腕足、海百合莖化石碎片及星點狀黃鐵礦顆粒。從垂向上，長英質(zhì)礦物含量自下而上先減少后變化不大，碳酸鹽礦物含量自下而上先減少后增大再減少，黏土礦物含量先增大后減少，其中黏土礦物含量高的部位現(xiàn)場解吸含氣量較高，第二段和第三段屬于較好的巖性疊置段，含氣量在2.5 m3/t左右?？紫抖仍?.4%左右，滲透率在0.005 mD左右。有機質(zhì)以Ⅱ2型和Ⅲ型為主[32-33]，TOC在0.21%～4.51%，平均為1.79%，三段有機質(zhì)相對更加富集。由圖2可見，Ro在2.13%～3.27%，平均為2.66%，總體處于過成熟階段。代頁1井打屋壩組一段以泥灰?guī)r為主，并夾有少量薄層狀生屑灰?guī)r和硅質(zhì)巖，發(fā)育水平紋層。巖石中發(fā)育高角度方解石脈及裂縫；二段以鈣質(zhì)泥巖和頁巖為主；三段以鈣質(zhì)泥巖、頁巖和泥灰?guī)r為主，夾薄層硅質(zhì)頁巖，泥灰?guī)r從上向下逐漸減少。頁巖頁理極為發(fā)育，黏土礦物含量較高；四段以泥巖和生屑灰?guī)r為主，夾有薄層的硅質(zhì)巖，偶見順層發(fā)育的方解石脈。常見珊瑚、腕足和海百合莖化石，夾少量黃鐵礦條帶，發(fā)育水平紋層。有機質(zhì)類型I型到III型均有發(fā)育，以II2型為主[32-33]。TOC在0.41%～6.93%，平均為2.19%，第一段和第二段(530～620 m)有機質(zhì)更加富集。Ro在2.15%～2.66%，平均2.43%，為過成熟階段。在第一段和第二段泥巖與灰?guī)r頻繁互層、黏土礦物含量高的部位現(xiàn)場解吸含氣量較高，屬于較好的巖性疊置段，最高達2.5 m3/t(圖2)，甲烷含量在60%以上。氣測錄井顯示全烴含量為0.33%～19.92%，平均為4.17%。

3 含氣性影響因素分析

頁巖的含氣性是頁巖氣資源量評價的關(guān)鍵參數(shù)，只有對頁巖含氣性的主要影響因素進行正確的認識，才能為后續(xù)的頁巖氣勘探開發(fā)指明方向。上文闡述了不同層段和地區(qū)現(xiàn)場解吸含氣量的差異性，而現(xiàn)場含氣量既包括游離氣量，也包括吸附氣量。影響游離氣量的因素包括頁巖孔隙度、保存條件；影響頁巖吸附/解吸特征的因素包括礦物組成特征、地球化學(xué)特征(有機質(zhì)豐度)、儲層物性特征等?？紤]到研究區(qū)內(nèi)含氣量的數(shù)據(jù)較少，從總體來看，含氣量與全烴含量兩者的趨勢具有良好的一致性(圖2)，因此下面研究中采用全烴含量代替含氣量進行含氣性影響因素的分析。

3.1 儲層物性特征

頁巖氣主要以吸附態(tài)和游離態(tài)賦存于泥頁巖地層中，孔隙度和滲透率影響著吸附氣與游離氣的比例[34]。對游離氣而言，基質(zhì)孔隙和微裂縫是其主要的儲集空間，孔隙度控制著頁巖的儲氣能力[35]。在本研究區(qū)內(nèi)，以1 m為取樣間隔對打屋壩組測井和錄井的數(shù)據(jù)進行采集，如全烴含量、TOC、孔隙度等，在巖性疊置段(圖2紅框)和非巖性疊置段內(nèi)采取泥巖和頁巖樣品進行礦物組成、Ro等實驗測試。研究發(fā)現(xiàn)，全烴含量的大小與孔隙度幾乎沒有相關(guān)性(圖3)，因為在研究區(qū)內(nèi)強烈的構(gòu)造作用破壞了頁巖氣的保存條件，原始含氣量發(fā)生劇烈改變，在巖性疊置關(guān)系較好的區(qū)域有利于保存頁巖氣，含氣量也相對較高，顯示孔隙度對復(fù)雜構(gòu)造區(qū)頁巖含氣量的影響較弱，但是在孔隙度相近的情況下巖性疊置段(泥頁巖與灰?guī)r、泥灰?guī)r頻繁互層疊置，泥灰比約為1∶1，單層厚度不大于5 m，圖2紅框處)的全烴含量明顯比非巖性疊置段的全烴含量要高(圖3)，這說明了本地區(qū)泥頁巖與(泥)灰?guī)r頻繁互層組成的保存條件是頁巖氣全烴含量的主要影響因素。

圖3 黔紫頁1井全烴含量與孔隙度的相關(guān)性

3.2 礦物組成特征

研究區(qū)頁巖主要礦物成分有石英、長石、黏土礦物和碳酸鹽礦物。黏土礦物與石英、長石、碳酸鹽礦物相比有較多的微孔隙和較大的表面積，對氣體有較強的吸附能力[27,35-36]。通過對黔水地1井、黔紫頁1井、長頁1井、代頁1井打屋壩組主要含氣段的全烴含量與礦物組成之間的相關(guān)性分析，從圖4a、b可以看出，頁巖氣藏經(jīng)歷了復(fù)雜的構(gòu)造運動破壞后，石英、黏土礦物與全烴含量的相關(guān)性較差，從整體趨勢來看，在礦物組成相近的情況下，巖性疊置段明顯比非巖性疊置段的全烴含量高，這可能意味著泥頁巖與(泥)灰?guī)r頻繁互層組成的保存條件可能是黔西南打屋壩組頁巖氣全烴含量的主要控制因素。

圖4 黔水地1井全烴含量與礦物組成相關(guān)性

3.3 地球化學(xué)特征

海相頁巖中，一般有機質(zhì)豐度與含氣量往往具有較好的線性相關(guān)性，有機碳含量(TOC)控制著頁巖的含氣量和物理化學(xué)性質(zhì)，吸附氣主要賦存在有機質(zhì)孔隙的表面，少量吸附在礦物的孔隙和裂縫的表面，通常有機碳含量與吸附氣量呈正相關(guān)關(guān)系[6,14]。通過對重點鉆井全烴含量與TOC相關(guān)性分析(圖5)，非巖性疊置段和部分巖性疊置段的全烴含量與TOC具有總體上的正相關(guān)性，說明這部分頁巖氣主要受頁巖有機質(zhì)的吸附作用控制，這與現(xiàn)在很多頁巖氣富集區(qū)有機碳豐度與含氣量之間良好的正相關(guān)性是一致的[6,14]。而在巖性疊置段頁巖全烴含量整體與有機碳豐度間關(guān)系并不明顯，但巖性疊置段的全烴含量比非巖性疊置段高，灰色陰影部分頁巖氣遠遠高于全烴含量與TOC相關(guān)性的趨勢線(圖5)，游離氣通常賦存在礦物的孔隙和裂縫中，與TOC相關(guān)性很差，說明這部分頁巖氣可能是游離氣，其含氣性主要受到巖性疊置段保存條件的控制。本地區(qū)打屋壩頁巖的含氣性也不是直接受有機質(zhì)吸附作用決定，含氣性的控制因素比較復(fù)雜。

圖5 全烴含量與TOC相關(guān)性

4 保存條件影響因素分析

黔西南埡紫羅斷裂帶屬于構(gòu)造強烈改造區(qū)域，其頁巖氣保存條件應(yīng)該考慮不同期次構(gòu)造作用影響、斷裂和裂縫的發(fā)育情況、抬升剝蝕、構(gòu)造變形條件等構(gòu)造因素。后期的復(fù)雜構(gòu)造變動對頁巖氣的富集常表現(xiàn)為負面作用，必須尋找抵抗構(gòu)造破壞作用的特殊巖性組合區(qū)，例如致密地層與高生氣層的頻繁疊置區(qū)域等。

4.1 巖性疊置指數(shù)

對于黔紫頁1井，打屋壩組上部(2 680～2 900 m)泥頁巖段厚度大，含烴量低；而下部(2 900～2 980 m)有灰?guī)r、泥灰?guī)r夾層的頁巖具有相對高的含烴量，全烴含量與有機質(zhì)豐度相關(guān)性較好，表現(xiàn)出(泥)灰?guī)r夾層保存條件及有機質(zhì)對甲烷吸附的聯(lián)合控制作用(圖6a)。

背斜核部的黔水地1井氣測錄井和現(xiàn)場解吸氣資料顯示，在非巖性疊置段全烴含量與TOC相關(guān)性很差，在TOC相近的情況下，巖性疊置段位置的頁巖氣具有良好的保存條件，全烴含量明顯高于非巖性疊置段的全烴含量(圖5a)，在第一段下部、第三段和第四段富含有機質(zhì)泥巖段含烴量很低甚至不含烴(圖6b)，說明(泥)灰?guī)r夾層泥巖頻繁互層的疊置關(guān)系是保存條件的主控因素。

針對巖性疊置地區(qū)，提出了量化參數(shù)——巖性疊置指數(shù)。依據(jù)不同區(qū)域打屋壩組巖性組合特征及其含氣性分析(圖2、6)，當(dāng)泥頁巖與泥灰?guī)r厚度相近，單層厚度不大于5 m且不小于0.5 m時，這種巖性疊置關(guān)系最有利于保存頁巖氣。巖性疊置指數(shù)賦值方法為：①泥巖與(泥)灰?guī)r厚度比為1∶1，單層層厚大于0.5 m且小于5 m，巖性疊置指數(shù)為0.80～1.00，評價參數(shù)為好；②泥巖與(泥)灰?guī)r厚度比大于或小于1∶1，單層層厚大于0.5 m且小于5 m，巖性疊置指數(shù)為0.60～0.79，評價參數(shù)為較好；③泥巖與(泥)灰?guī)r厚度比為1∶1，單層層厚小于0.5 m但大于0.2 m，或大于5 m但小于10 m，巖性疊置指數(shù)為0.40～0.59，評價參數(shù)為較差；④泥巖與(泥)灰?guī)r厚度比大于或小于1∶1，單層層厚小于0.5 m但大于0.2 m，或大于5 m但小于10 m，巖性疊置指數(shù)為0.20～0.39，評價參數(shù)為差；⑤泥巖與(泥)灰?guī)r厚度比等于、大于或小于1∶1，單層層厚小于0.2 m或大于10 m，巖性疊置指數(shù)為0～0.19，評價參數(shù)為極差。

黔西南地區(qū)打屋壩組頁巖氣頂板為南丹組灰?guī)r，底板為睦化組灰?guī)r[37]。打屋壩組內(nèi)多個層段泥巖與(泥)灰?guī)r以不同比例交互疊置沉積：既有泥巖與(泥)灰?guī)r的厚度相近的“千層餅”式等厚疊置，也有不等厚疊置。打屋壩組一段作為主要含氣層段，以埡紫羅斷裂帶東南段深水沉積地區(qū)和斜坡地區(qū)為例，高含氣段泥巖與(泥)灰?guī)r單層厚度近似，累計厚度也接近于1∶1；單層層厚不大于5 m且不小于0.5 m。紫云地區(qū)泥巖與(泥)灰?guī)r的疊置關(guān)系對本區(qū)頁巖氣的保存發(fā)揮關(guān)鍵作用(圖6a)，形成了良好的封閉條件,同時也構(gòu)成了現(xiàn)在主要的含氣層段。

打屋壩組二段作為次要含氣層段，巖性主要以泥巖為主，夾有少量的(泥)灰?guī)r。西北段斜坡區(qū)較好的泥灰比(1.11∶1)和單層厚度有利于封存頁巖氣(圖6b)。在東南段紫云地區(qū)泥灰比小(0.71∶1)，惠水―代化地區(qū)泥頁巖通常厚度過大，不能與(泥)灰?guī)r形成良好的巖性疊置組合。在斷裂較發(fā)育區(qū)難以形成有效的封閉。研究區(qū)內(nèi)打屋壩組三段巖性以泥灰?guī)r為主巖性比較單一，無法形成(泥)灰?guī)r夾泥巖的夾層保存頁巖氣。打屋壩組四段除東南段深水沉積地區(qū)以泥巖為主外，其他地區(qū)以(泥)灰?guī)r為主，巖性單一，巖性疊置關(guān)系差。

圖6 打屋壩組綜合柱狀圖與頁巖氣組分特征

4.2 斷裂密度指數(shù)

本地區(qū)斷裂十分發(fā)育，斷裂對頁巖氣的保存條件的影響是十分重要的。斷裂的破壞作用，與斷裂的密度、大小、性質(zhì)、活動性、活動期次和兩盤巖性對置等相關(guān)，由于本地區(qū)研究程度較低，缺乏斷裂活動性資料，因此僅從斷裂密度角度來考察斷裂帶對保存條件的影響。盡管利用斷裂密度評價具有不確定性，但是也是一個有用的指標。將每平方千米內(nèi)斷裂延伸長度定義為斷裂密度[6]，斷裂密度可以表征地層破碎程度，斷裂密度越大、地層越破碎，裂隙越發(fā)育，對頁巖氣保存越不利。以黔西南地區(qū)斷裂分布圖為基礎(chǔ)，以固定間距(20 km×20 km)進行網(wǎng)格劃分(圖1研究區(qū)網(wǎng)格)，統(tǒng)計各單元內(nèi)斷裂長度，利用公式(1)計算斷裂密度。

(1)

式(1)中：ρ為斷裂密度；L為單元格內(nèi)斷裂的總長度，km；S為單元格的面積，km2。

根據(jù)全區(qū)斷裂密度最小值和最大值，對全區(qū)網(wǎng)格內(nèi)斷裂密度進行歸一化處理，繪制斷裂密度等值線圖，用以表征地層脆性變形特征。令斷裂密度最小值為1，最大值為0；密度越小，歸一化后值越大，相應(yīng)保存條件越好。

由圖7可見，代頁1井、長頁1井?dāng)嗔衙芏戎笖?shù)較大，說明斷裂對南段斜坡區(qū)長順-羅甸地區(qū)頁巖氣的保存影響較小，其次為南段紫云地區(qū)。而黔水地1井地區(qū)斷裂密度指數(shù)最小，說明斷裂對西北段斜坡區(qū)六盤水地區(qū)頁巖氣的保存影響較大。

圖7 黔西南地區(qū)斷裂密度指數(shù)等值線

4.3 斷層-剝蝕距離指數(shù)

構(gòu)造抬升和剝蝕對地層的保存和影響自然非常顯著。目的層靠近剝蝕區(qū)的距離對頁巖氣保存條件影響顯著，距剝蝕區(qū)越遠對頁巖氣保存越有利[14-15]。以目的層下石炭統(tǒng)打屋壩組為評價對象，將地質(zhì)圖中所指示的地層出露情況按照年代分類，從而得到三類地層出露范圍：目的層埋藏區(qū)(年代晚于目的層的沉積巖發(fā)育區(qū))、出露區(qū)、剝蝕區(qū)(年代早于目的層的沉積巖發(fā)育區(qū))。按照以下原則對研究區(qū)斷層-剝蝕距離指數(shù)賦值：①距離斷裂和剝蝕區(qū)大于4 km時，斷層-剝蝕距離指數(shù)為1；②距離斷裂和剝蝕區(qū)2～4 km時，斷層-剝蝕距離指數(shù)為0.6；③距離斷裂和剝蝕區(qū)小于2 km時，斷層-剝蝕距離指數(shù)為0.2；④距離斷裂和剝蝕區(qū)小于1 km時，斷層-剝蝕距離指數(shù)為0.1；⑤距離斷裂和剝蝕區(qū)小于1 km時，斷層-剝蝕距離指數(shù)為0。繪制斷層-剝蝕距離指數(shù)等值線圖，用以表征地層距離斷層或剝蝕區(qū)的情況。從圖8可知，研究區(qū)大部分地區(qū)打屋壩組沒有出露，黔水地1井、黔紫頁1井的地層覆蓋情況相對較好，而長頁1井和代頁1井比較靠近剝蝕區(qū)。

圖8 黔西南地區(qū)斷層-剝蝕距離指數(shù)等值線

4.4 黏土礦物指數(shù)

長頁1井和代頁1井總體全烴含量與TOC關(guān)系不明顯(圖5c、d)，說明在本區(qū)這樣的構(gòu)造復(fù)雜區(qū)，單靠有機質(zhì)的吸附作用也很難發(fā)揮關(guān)鍵性作用。其中伊黏土礦物中伊利石和伊蒙混層占85%以上，表明研究區(qū)已經(jīng)達到晚期成巖階段[38]，在過成熟度階段，有機孔的數(shù)量可能會急劇減少，造成打屋壩組頁巖的孔隙主要以無機孔隙為主，頁巖氣主要賦存在黏土礦物形成的無機孔隙中。

前文指出在巖性疊置區(qū)，黏土礦物顯示出對含氣性具有較為重要的影響因素(圖4b)。其原因可能在于黏土礦物具有較大的比表面積，提供的氣體吸附點位也比較多，同時也會形成大量無機孔隙，主要是微孔，用來儲集游離氣[27]。在礦物組成相近的條件下，當(dāng)黏土礦物含量為10%～30%時，有利于氣體的吸附，含量過高或過低則不利于頁巖氣的吸附(圖4b)。本研究區(qū)黏土礦物主要是伊利石和伊蒙混層，頁巖儲層主要由微納米孔隙所組成，表現(xiàn)出良好的多孔性和孔隙連通性，具有較大的比表面積[27,35-36]。按照以下原則對研究區(qū)黏土礦物指數(shù)賦值：①黏土礦物含量>60%，黏土礦物指數(shù)為0～0.19；②黏土礦物含量45.1%～60%，黏土礦物指數(shù)為0.60～0.79；③黏土礦物含量為30.1%～45%，黏土礦物指數(shù)為0.4～0.59；④黏土礦物含量10%～30%，黏土礦物指數(shù)為0.80～1.00；⑤黏土礦物含量<10%，黏土礦物指數(shù)為0.2～0.39。

5 保存條件綜合評價及其有利區(qū)預(yù)測

本研究區(qū)頁巖氣保存條件的主控因素是泥巖與(泥)灰?guī)r頻繁互層的巖性疊置關(guān)系，影響因素還有斷裂密度指數(shù)、地層指數(shù)與以及黏土礦物指數(shù)。考慮以上因素，利用巖性疊置指數(shù)(x)、斷裂密度指數(shù)(y)、斷層-剝蝕距離指數(shù)(z)和黏土礦物指數(shù)(u)(表1)，結(jié)合層次分析法和加權(quán)求和法對該地區(qū)的保存條件進行定性半定量綜合評價[30]，利用公式(2)計算保存條件指數(shù)(P)，繪制保存條件指數(shù)等值線圖(圖9)。

P=ax+by+cz+du

(2)

式(2)中：P為保存條件指數(shù)；x為巖性疊置指數(shù)；y為斷裂密度指數(shù)；z為斷層-剝蝕距離指數(shù)；u為黏土礦物指數(shù)；a、b、c、d為權(quán)值。

黔水地1井、黔紫頁1井、長頁1井和代頁1井頁巖含氣量受到(泥)灰?guī)r夾層的影響較大，對其巖性疊置指數(shù)權(quán)值a賦值為泥頁巖與(泥)灰?guī)r的厚度比；在單元格內(nèi)，當(dāng)斷層性質(zhì)為逆斷層時，斷裂密度指數(shù)的權(quán)值b為1，當(dāng)斷層性質(zhì)為正斷層時，斷裂密度指數(shù)的權(quán)值b為-1；統(tǒng)計每個單元格內(nèi)距離最近斷層或剝蝕區(qū)的距離，并對距離進行歸一化處理，得到處理后的值作為斷層-剝蝕距離指數(shù)的權(quán)值c；長頁1井和代頁1井頁巖含氣量受到黏土礦物的吸附性影響較大，對其黏土礦物指數(shù)權(quán)值d賦值為其黏土礦物含量。計算得到保存條件指數(shù)并對其進行歸一化處理，0～0.19、0.20～0.39、0.40～0.59、0.60～0.79、0.80～1.0分別指示目的層保存條件極差(Ⅴ)、差(Ⅳ)、較差(Ⅲ)、較好(Ⅱ)、好(Ⅰ)5個等級。從表1和圖9可知，從保存條件角度來看，紫云地區(qū)和羅甸地區(qū)為Ⅰ類頁巖氣保存區(qū)塊，六盤水地區(qū)和六枝-鎮(zhèn)寧-關(guān)嶺地區(qū)為Ⅱ類頁巖氣保存區(qū)塊。晴隆-貞豐地區(qū)保存條件結(jié)果顯示也較好，但其大部分地區(qū)屬于臺地相，有機質(zhì)豐度低，而且地層埋深超過4 500 m，因此不作為優(yōu)選對象。

表1 保存條件評價

圖9 黔西南地區(qū)保存條件指數(shù)等值線

6 結(jié)論

1)黔西南地區(qū)埡紫羅斷裂帶經(jīng)歷了多期次構(gòu)造運動，構(gòu)造條件復(fù)雜，打屋壩組處于從陸向?？焖僮兓瘏^(qū)帶，縱向和橫向巖性組合變化大。埡紫羅斷裂帶頁巖含氣性主控因素復(fù)雜，保存條件的評價至為關(guān)鍵。

2)黔西南埡紫羅斷裂帶打屋壩組頁巖礦物組成、有機質(zhì)豐度和孔隙度等單因素對含氣性的影響不明顯，地質(zhì)過程和多因素復(fù)合作用控制含氣性，尤其是(泥)灰?guī)r與泥頁巖頻繁疊置的層段是含氣性的有利層段。

3)綜合利用六盤水-鎮(zhèn)寧-關(guān)嶺-紫云-羅甸地區(qū)頁巖的巖性疊置指數(shù)、斷裂密度指數(shù)、斷層-剝蝕距離指數(shù)和黏土礦物指數(shù)，評價優(yōu)選出研究區(qū)東南部的紫云、羅甸地區(qū)為Ⅰ類頁巖氣有利區(qū)塊，六盤水地區(qū)、六枝-鎮(zhèn)寧-關(guān)嶺地區(qū)為Ⅱ類頁巖氣有利區(qū)塊。