蘭葉芳,任傳建,潘仕輝,任戍明

(貴州工程應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 礦業(yè)工程學(xué)院, 貴州 畢節(jié) 551700)

我國(guó)海陸過(guò)渡相頁(yè)巖氣資源豐富,約占頁(yè)巖氣總資源量的1/4(匡立春等, 2020)。二疊系海陸過(guò)渡相富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖層系分布廣泛,主要有以山西組、太原組和龍?zhí)督M為代表的含煤建造型和以孤峰組、大隆組為代表的含硅質(zhì)建造型(翟剛毅等, 2020; 曹磊等, 2020)。相較于目前已達(dá)到商業(yè)化開發(fā)階段的海相頁(yè)巖氣研究而言,海陸過(guò)渡相頁(yè)巖氣的整體研究與勘探開發(fā)程度較低(鄧敏等, 2022),陸相頁(yè)巖油和海陸過(guò)渡相頁(yè)巖氣處于工業(yè)探索階段(鄒才能等, 2020),海陸過(guò)渡相與陸相頁(yè)巖氣的突破和工業(yè)化生產(chǎn)是實(shí)現(xiàn)中國(guó)頁(yè)巖氣規(guī)?；l(fā)展的重要環(huán)節(jié)(董大忠等, 2016)。近年來(lái),海陸過(guò)渡相油氣勘探引起了中石化、中石油等企業(yè)以及相關(guān)科研院所和生產(chǎn)單位的重視,陸續(xù)在鄂爾多斯盆地、四川盆地及其周緣、南華北盆地、柴達(dá)木盆地以及下?lián)P子地區(qū)布設(shè)以海陸過(guò)渡相為目的層的非常規(guī)油氣探井(郭旭升等, 2018; 李劍等, 2021; 董大忠等, 2021),尤其在四川盆地、鄂爾多斯盆地等海相頁(yè)巖氣研究比較深入的地區(qū),海陸過(guò)渡相頁(yè)巖氣勘探展現(xiàn)出良好前景(張金川等, 2021; 焦方正等, 2023),如鄂爾多斯盆地針對(duì)海陸過(guò)渡相頁(yè)巖實(shí)施的吉平1H井目前日產(chǎn)氣量穩(wěn)定在3.50×104m3(郭為等, 2023),以及最近中石化在四川盆地東南部重慶南川地區(qū)部署了風(fēng)險(xiǎn)探井——YY1井,壓裂試氣獲得二疊系龍?zhí)督M階段頁(yè)巖氣產(chǎn)量約4 000 m3/d(何貴松等, 2023)。

貴州屬于多煤、少氣、貧油的省份,但具有非常規(guī)氣良好的成礦條件和找礦潛力。數(shù)據(jù)顯示,貴州頁(yè)巖氣數(shù)據(jù)地質(zhì)資源量達(dá)13.54萬(wàn)億立方米,排名位居全國(guó)第3位(孫文吉斌, 2021),凸顯了貴州巨大的頁(yè)巖氣勘探潛力。在黔北金沙復(fù)雜構(gòu)造區(qū)已獲得二疊系龍?zhí)督M頁(yè)巖氣、煤層氣和致密砂巖氣協(xié)同發(fā)現(xiàn)(王勝建等, 2020),而西頁(yè)1井、東神頁(yè)1井、方頁(yè)1井及金沙頁(yè)1等井龍?zhí)督M現(xiàn)場(chǎng)解析具有0.6～19.2 m3/t不等的含氣量(張金川等, 2021)。頁(yè)巖氣、煤層氣和致密砂巖氣資源將成為未來(lái)貴州省天然氣供給的重要補(bǔ)充。然而,與傳統(tǒng)天然氣勘探開發(fā)相比,非常規(guī)天然氣具較強(qiáng)特殊性(聶海寬等, 2011; 胡海洋等, 2019),尤其在有機(jī)質(zhì)類型特點(diǎn)及其生氣條件評(píng)價(jià)、壓力系統(tǒng)研究等方面與以往工作思路和方法存在較大差異。雖然在海陸過(guò)渡相地層中發(fā)現(xiàn)了少量獲得工業(yè)規(guī)模氣流的生產(chǎn)井,但整體效果不是特別理想,距離建成商業(yè)化氣田還有較遠(yuǎn)距離(魏曉亮, 2020),需要進(jìn)一步針對(duì)海陸過(guò)渡相非常規(guī)氣生烴潛力與資源評(píng)價(jià)方法、賦存機(jī)理與主控因素、儲(chǔ)集空間的構(gòu)成及演化、微孔結(jié)構(gòu)及物性條件、甜點(diǎn)區(qū)/段識(shí)別和預(yù)測(cè)等不斷試驗(yàn)和探索。該研究選取黔西北大方地區(qū)龍?zhí)督M海陸過(guò)渡相地層為研究對(duì)象,結(jié)合野外地質(zhì)工作和實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果,探索黔西北海陸交互相龍?zhí)督M非常規(guī)氣烴源巖特征、發(fā)育地質(zhì)條件與勘探潛力,以期為黔西北地區(qū)非常規(guī)氣的勘探開發(fā)提供一定的參考。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

大方地區(qū)位于貴州西北部,構(gòu)造上屬于黔中隆起(圖1a), 區(qū)內(nèi)褶皺和斷層發(fā)育 (李娟等, 2015)。震旦紀(jì)至中三疊世期間,該區(qū)沒(méi)有明顯的造山運(yùn)動(dòng),僅有海水升降運(yùn)動(dòng),基本處于廣海臺(tái)地和潮坪環(huán)境。早寒武世龍王廟期開始受加里東運(yùn)動(dòng)影響,黔中地區(qū)海水逐漸退出,臺(tái)地大面積露出水面,隆升為陸,黔中隆起形成。隨著隆起范圍逐漸向北和向西擴(kuò)大,與川南古陸聯(lián)成一片,直至早二疊世初海水大范圍擴(kuò)大覆蓋研究區(qū)(孫全宏, 2014)。晚奧陶世至二疊紀(jì),加里東運(yùn)動(dòng)抬升貴州中部。當(dāng)時(shí)受長(zhǎng)期風(fēng)化剝蝕作用,導(dǎo)致該地大部分地區(qū)不發(fā)育下二疊統(tǒng)。晚二疊世東吳運(yùn)動(dòng)期間,貴州西北部發(fā)生了廣泛的海退作用。由于北東向海水的退縮,該地區(qū)沉積環(huán)境由陸表海變?yōu)楹ｊ戇^(guò)渡相沉積(圖2)。在此階段,海陸過(guò)渡相龍?zhí)督M碎屑巖在該區(qū)廣泛沉積。龍?zhí)督M沉積之后,主要遭受了海西晚期運(yùn)動(dòng)、安源運(yùn)動(dòng)、燕山運(yùn)動(dòng)以及喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)的破壞和影響,背斜多被伴生斷層破壞,保存較好的龍?zhí)督M大多發(fā)育于開闊的向斜或者部分背斜核部(劉曾勤, 2020),其中研究區(qū)所處的大方背斜總體為北北東向褶皺(賈立龍等, 2021),實(shí)測(cè)剖面位置如圖1b所示。

圖2 黔西北及其周緣上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M沉積相圖[據(jù)馮動(dòng)軍(2023)修繪]Fig. 2 Sedimentary facies map of the Upper Permian Longtan Formation in Northwest Guizhou and its surrounding areas (modified from Feng Dongjun, 2023)

2 野外剖面、樣品采集與測(cè)試

大方地區(qū)龍?zhí)督M在地表出露廣泛,地層厚度大致變化在110～195 m之間,主要沿大方背斜翼部呈帶狀分布,為一套由砂巖、粉砂巖、黏土巖夾煤層及少量灰?guī)r等組成的地層,常含植物化石,可見(jiàn)腕足、雙殼等動(dòng)物化石發(fā)育的海陸交互相沉積組合。區(qū)內(nèi)該套地層下伏與茅口組碳酸鹽巖平行不整合接觸,上覆與長(zhǎng)興組灰?guī)r地層整合接觸。此次研究選擇較為典型的百納鄉(xiāng)龍峰剖面進(jìn)行詳細(xì)實(shí)測(cè)和采樣(圖3)。該剖面龍?zhí)督M的頂?shù)椎貙咏缦耷逦?圖4a、4b),易于識(shí)別,基巖出露大約95%,沿公路進(jìn)行剖面實(shí)測(cè),測(cè)制條件也比較優(yōu)越。

此次共采集露頭樣品44件。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)前樣品預(yù)處理之后,樣品在中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院實(shí)驗(yàn)中心進(jìn)行全巖和黏土礦物X 射線衍射分析(XRD)、總有機(jī)碳(TOC)測(cè)定、巖石熱解(Rock-Eval)、干酪根顯微組分及鏡質(zhì)體反射率(RO)分析。

3 巖石學(xué)與礦物學(xué)特征

3.1 巖石學(xué)特征

大方地區(qū)龍峰剖面龍?zhí)督M下段厚約23.9 m,以深灰色-灰黑色薄層泥巖為主,底部為淺灰色凝灰質(zhì)或鋁土質(zhì)泥巖,頂部多為含植物根莖化石的淺灰色薄層泥巖,上部發(fā)育真厚度約2.5 m的煤層。龍?zhí)督M中段厚約67.7 m, 以細(xì)砂巖、粉砂巖發(fā)育(夾泥頁(yè)巖薄層)為標(biāo)志與下段相區(qū)分,以薄層砂泥巖互層與煤層交替發(fā)育為主體特征,頂部多以優(yōu)質(zhì)煤層的結(jié)束以及泥頁(yè)巖的發(fā)育作為與上段的界限,水平層理或頁(yè)理發(fā)育,泥頁(yè)巖與粉砂巖以及炭質(zhì)頁(yè)巖與泥巖之間多呈互層發(fā)育(圖4c,4g),該段同時(shí)發(fā)育不同厚度的煤層,亦可見(jiàn)構(gòu)造揉皺現(xiàn)象(圖4f)。龍?zhí)督M上段厚約60.5 m,以粉砂巖的出現(xiàn)為始,普遍發(fā)育極薄層泥巖,中上部發(fā)育數(shù)層粉砂巖和灰?guī)r夾層,以灰色、灰黑色薄-極薄層泥巖為主,地層中粉砂巖(泥質(zhì)粉砂巖)與泥巖(頁(yè)巖)組成的韻律層理常見(jiàn),泥巖中水平層理普遍發(fā)育(圖4h、4i),同時(shí)可見(jiàn)灰?guī)r呈透鏡體分布在泥巖中,構(gòu)成透鏡狀層理。

此外,煤層主要發(fā)育在龍?zhí)督M中下段地層中(上段僅見(jiàn)極薄層的劣煤),煤層與煤線中常見(jiàn)立方體狀黃鐵礦發(fā)育。褐黃色泥巖、灰白色泥巖與灰色、灰黑色泥巖中發(fā)育大量植物根莖化石以及Gigantonoclealargrelii(波緣單網(wǎng)羊齒)、Rhipidopsispanii(楔扇葉)等植物葉片,其形態(tài)和輪廓均保存較為完好(圖4d、4e)。

根據(jù)薄片分析結(jié)果,龍?zhí)督M的下伏地層茅口組發(fā)育泥晶-亮晶生屑灰?guī)r,生屑以有孔蟲為主,見(jiàn)棘皮動(dòng)物發(fā)育(圖5a)。龍?zhí)督M的上覆地層長(zhǎng)興組發(fā)育泥晶生屑灰?guī)r,生屑以有孔蟲為主(圖5b)。龍?zhí)督M下段主要發(fā)育碳質(zhì)泥頁(yè)巖(有時(shí)含少量粉砂)以及煤層,頂部為薄層砂巖,該段巖石網(wǎng)狀微裂縫發(fā)育(圖5c);龍?zhí)督M中段主要為泥(頁(yè))巖與粉砂巖的交替發(fā)育(圖5d～5i),泥頁(yè)巖和煤層中植物化石常見(jiàn);龍?zhí)督M上段以發(fā)育碳質(zhì)(泥質(zhì))粉砂巖、(鐵質(zhì))粉砂質(zhì)-碳質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、泥巖(微裂縫發(fā)育)為主(圖5j～5l),含生物化石碎片,發(fā)育微裂縫,微裂縫中充填亮晶方解石,頂部發(fā)育富含黃鐵礦的生屑灰?guī)r以及亮晶-泥晶生屑灰?guī)r,生屑包括腕足、有孔蟲、棘皮類動(dòng)物等,生屑灰?guī)r中往往發(fā)生選擇性白云化作用(圖5m～5p)。

3.2 礦物學(xué)特征

巖石礦物組成是頁(yè)巖氣開發(fā)的重要組成部分,特別是對(duì)于頁(yè)巖的有利壓裂目標(biāo)層段而言,有機(jī)質(zhì)(含量大于3%)和脆性礦物(含量大于50%)為裂縫的發(fā)育提供了重要的物質(zhì)基礎(chǔ)(袁余洋等, 2020)。全巖及黏土礦物X射線衍射分析表明,大方地區(qū)龍峰剖面龍?zhí)督M巖石中黏土礦物是最主要的組分(圖6、圖7),其含量為31%～77%,平均58.7%,以伊/蒙混層和伊利石為主(約占黏土礦物總量的85%),其余綠泥石和高嶺石在黏土礦物中的占比分別大約為11.7%和3.6%(圖6b)。伊/蒙混層礦物含量較高,反映當(dāng)時(shí)的沉積環(huán)境為貧氧的相對(duì)還原的環(huán)境,有利于有機(jī)質(zhì)的保存與富集,給烴類氣體的生成與富集提供了良好的環(huán)境(鄧恩德等, 2020a)。其次是石英, 含量為8%～62%,平均25.5%,粉砂巖中石英含量為13.0%～82.1%,泥(頁(yè))巖中則為2.7%～25.9%(圖6a),這與黔西、黔西北以及四川盆地龍?zhí)督M的礦物組成總體趨勢(shì)一致(李娟等, 2015; 鄧恩德等, 2020a; 王曉蕾等, 2020; 鄧敏等, 2022)。龍?zhí)督M地層中長(zhǎng)石以斜長(zhǎng)石為主,鉀長(zhǎng)石少見(jiàn),長(zhǎng)石在巖石中的平均含量為4.6%,而碳酸鹽礦物(方解石+鐵白云石+菱鐵礦)除在個(gè)別樣品中含量較高外,總體不發(fā)育,在巖石中的平均含量為3.1%。銳鈦礦雖然平均含量不高(其在巖石中的平均含量為2.6%),但在龍?zhí)督M地層中普遍發(fā)育,含量大多在1%～5%之間。此外,樣品中發(fā)育少量黃鐵礦、針鐵礦等其他礦物。

圖7 黔西北及鄰區(qū)龍?zhí)督M中主要礦物三端員分布圖(a)和黏土礦物含量與石英含量相關(guān)性圖(b)Fig. 7 Ternary diagram of main minerals (a) and correlation diagram between clay mineral and quartz content (b) of the Longtan Formation in Northwest Guizhou and adjacent areas

縱向上,自龍?zhí)督M下段至龍?zhí)督M上段,黏土礦物含量呈逐漸增加的趨勢(shì),而石英含量則逐漸降低(圖6c),并且從二者的相關(guān)圖中可以看出,黏土礦物含量與石英含量呈明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)在0.8以上(圖7b),這表明在搬運(yùn)過(guò)程中沉積物的數(shù)量和組成發(fā)生了顯著變化,反映了過(guò)渡相沉積環(huán)境水體頻繁動(dòng)蕩、沉積微相變遷較快、水動(dòng)力強(qiáng)度變化較快的特點(diǎn)。長(zhǎng)石主要分布在龍?zhí)督M中段和上段,而碳酸鹽礦物中,鐵白云石和方解石主要見(jiàn)于龍?zhí)督M上段地層中,菱鐵礦主要發(fā)育于龍?zhí)督M中段,個(gè)別樣品中菱鐵礦的含量高達(dá)60%,形成與煤層毗鄰的菱鐵礦薄層。就具體的黏土礦物組成而言,龍?zhí)督M3個(gè)地層段中均表現(xiàn)為以伊/蒙混層占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)(圖6d),下段、中段與上段伊/蒙混層在黏土礦物中的平均含量大約為69%、66%和73%;其次為伊利石,由下至上平均含量依次為23.8%、18.7%和13.5%;綠泥石主要發(fā)育于龍?zhí)督M中段和上段地層中,其在黏土礦物中的平均含量分別為11.9%和13.5%;龍?zhí)督M上段高嶺石僅個(gè)別樣品中發(fā)育,其含量不足1%,龍?zhí)督M中段高嶺石主要發(fā)育于其下部和上部,其在黏土礦物中的平均含量約為4.5%,龍?zhí)督M下段亦發(fā)育高嶺石,但由于樣品數(shù)太少,其平均含量可能不具代表意義。

以往的研究表明,黏土礦物含量與氣體吸附能力呈正相關(guān)(Rossetal., 2009; Guoetal., 2014)。黏土礦物比石英和碳酸鹽巖具有更大的表面積值(Passeyetal., 2010),可以增強(qiáng)氣體吸附能力。然而,富含黏土礦物的頁(yè)巖往往具有延展性,容易變形而不是碎裂,當(dāng)水力壓力和能量注入頁(yè)巖時(shí),很難成功壓裂。同時(shí),脆性礦物含量對(duì)基質(zhì)孔隙度和微裂縫發(fā)育、含氣量和壓裂增產(chǎn)方式有很大影響(李新景等, 2007; 鄒才能等, 2010)。脆性礦物含量越高的頁(yè)巖,其壓裂產(chǎn)生裂縫的能力越強(qiáng),有利于頁(yè)巖氣的開發(fā)。因此,泥頁(yè)巖的礦物成分多樣,頁(yè)巖氣含量及其后期壓裂效果與頁(yè)巖的礦物(尤其是脆性礦物和黏土礦物含量)組成息息相關(guān),不同的礦物組成具有不同的物化特征。根據(jù)礦物的脆性指數(shù)(BRIT) 的計(jì)算公式(郭旭升, 2014)計(jì)算可知,黔西北地區(qū)龍?zhí)督M泥頁(yè)巖的脆性指數(shù)介于13%～69%之間,平均值為41.3%,脆性指數(shù)偏低。目前,一般而言,具備商業(yè)開發(fā)條件的頁(yè)巖其脆性礦物含量高于40%(張鵬,2015)。相較于已獲得商業(yè)開發(fā)的奧陶系五峰組—志留系龍馬溪組地層而言,研究區(qū)龍?zhí)督M泥頁(yè)巖中高黏土礦物含量和相對(duì)較低的脆性礦物含量及脆性指數(shù)增加了壓裂難度(圖7a)。但是,黏土礦物中伊利石脆性高,伊/蒙混層次之,蒙脫石韌性高,不易斷裂,因而大方地區(qū)龍?zhí)督M地層中高伊利石和伊/蒙混層礦物含量一定程度上可能會(huì)改善壓裂效果。

4 烴源巖的地球化學(xué)特征

4.1 有機(jī)質(zhì)豐度

4.1.1 總有機(jī)碳(TOC)含量

總有機(jī)碳(TOC)含量是頁(yè)巖氣形成和富集的物質(zhì)保障,能較好地反映頁(yè)巖生烴能力并影響烴類氣體的賦存狀態(tài)及含氣性(鄧恩德等,2020b)。TOC對(duì)頁(yè)巖的氣吸附能力也有決定性的影響,是控制甲烷吸附能力的最重要因素(Rossetal., 2009; Heetal., 2019)。TOC含量越高,頁(yè)巖氣的生烴潛力越大,吸附能力越強(qiáng)。目前頁(yè)巖氣商業(yè)開采的TOC下限一般為2%。但也有少數(shù)學(xué)者提出,高成熟階段頁(yè)巖TOC下限可以降低到1%(Curtis, 2002; Jarvieetal., 2007; 鄒才能等, 2010)。

龍?zhí)督M炭質(zhì)泥(頁(yè))巖、粉砂質(zhì)泥巖樣品的殘余總有機(jī)碳(TOC)含量在0.3%～8.6%之間,平均值為3.2%;煤巖樣品的TOC含量在13.5%～60.9%之間,平均值為42.9%;粉砂巖、細(xì)-中砂巖樣品的TOC含量在1.4%～5.6%之間,平均值為2.2%(表1)。與海相五峰-龍馬溪組往往具有自下而上TOC含量降低的趨勢(shì)不同(蘭葉芳等, 2021a, 2021b),海陸過(guò)渡相巖石樣品的有機(jī)質(zhì)豐度受巖性變化的控制明顯。由于龍?zhí)督M巖性受過(guò)渡帶沉積環(huán)境的影響。巖性垂向變化較為復(fù)雜,頁(yè)巖、煤層、粉砂質(zhì)頁(yè)巖、粉砂巖交替出現(xiàn)。因此,頁(yè)巖的TOC含量一般表現(xiàn)為高值和低值交替出現(xiàn)(圖3)。煤巖樣品具有非常高的TOC含量,顯示強(qiáng)大的煤層氣生烴潛力(圖8a)。約有80%的泥頁(yè)巖樣品TOC含量超過(guò)2%,說(shuō)明大部分樣品具有較好的頁(yè)巖氣資源潛力。三者相較而言,粉砂巖致密氣資源潛力最差。因此,根據(jù)龍?zhí)督M的縱向巖性組合特征,煤層發(fā)育而泥頁(yè)巖分布頻率高的龍?zhí)督M中段具有最高的TOC平均含量,約為14.5%,龍?zhí)督M下段次之,約為5.6%,龍?zhí)督M上段TOC平均含量則不足3%(圖8c)。

表1 黔西北大方地區(qū)龍峰剖面龍?zhí)督M干酪根顯微組分、鏡質(zhì)體反射率、有機(jī)碳含量和巖石熱解分析結(jié)果Table 1 Kerogen macerals, vitrinite reflectance, organic carbon content and rock pyrolysis data of the Longtan Formation samples in the Longfeng profile of Dafang area, Northwest Guizhou

圖8 黔西北大方地區(qū)龍?zhí)督M不同巖性和層段有機(jī)碳(TOC)含量和生烴潛量(S1+S2)分布直方圖Fig. 8 Histogram of total organic carbon content (TOC) and hydrocarbon generation potential (S1+S2) in different lithologies and intervals of the Longtan Formation in the Dafang area of Northwest Guizhou

4.1.2 巖石熱解生烴潛量

熱解分析是根據(jù)有機(jī)生油理論及干酪根熱降解成烴機(jī)制,利用Rock-Eval儀器設(shè)備,在還原條件下對(duì)樣品進(jìn)行加熱降解、裂解并檢測(cè)其產(chǎn)物的方法,可用于評(píng)價(jià)烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度、類型、成熟度,估算烴源巖生烴潛力,識(shí)別儲(chǔ)層含油氣性。烴源巖熱解分析獲取的生烴潛量(S1+S2)可以用于反映烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度,其中,S1代表已經(jīng)有效轉(zhuǎn)化為烴類的原始生烴潛力部分,S2代表生烴潛力的剩余部分。生烴潛量低于2 mg/g只具有生成天然氣的潛力;2～6 mg/g為中等烴源巖;6 mg/g以上為好烴源巖(蔣有錄等, 2016)。根據(jù)研究區(qū)泥頁(yè)巖樣品的熱解分析結(jié)果(表1),其生烴潛量(S1+S2)變化在0.06～0.24 mg/g之間,均小于2 mg/g,也就是說(shuō)屬于中等以下的烴源巖,僅具備生氣潛力;煤巖樣品生烴潛量為0.9～4.0 mg/g,平均值2.68 mg/g,為中等烴源巖;粉砂巖樣品的生烴潛力最差,其生烴潛量平均值為0.13 mg/g(圖8b)。不同巖石類型的巖石熱解結(jié)果所揭示的生烴潛力與TOC分析結(jié)果是一致的(圖8a、8b),縱向不同巖性組合段的變化特征也體現(xiàn)出相似的特征(圖8c、8d)。 因此, 從有機(jī)質(zhì)豐度來(lái)看,龍?zhí)督M中段是該地層中最具勘探潛力的層段。

4.2 有機(jī)質(zhì)類型

烴源巖中有機(jī)質(zhì)的類型是其質(zhì)量指標(biāo),也是評(píng)價(jià)烴源巖生烴能力的重要參數(shù),不同類型的有機(jī)質(zhì)具有不同的生油氣潛力,會(huì)形成不同的產(chǎn)物。一般根據(jù)干酪根的類型將其劃分為Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型。通過(guò)干酪根的顯微組分分析,研究區(qū)龍?zhí)督M泥頁(yè)巖的干酪根主要由殼質(zhì)組、鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組組成,尤其以殼質(zhì)組和鏡質(zhì)組占主導(dǎo),未發(fā)現(xiàn)腐泥組的顯微組分(圖9、圖10a)。通過(guò)類型指數(shù)的計(jì)算,龍?zhí)督M有機(jī)質(zhì)類型為Ⅱ2-Ⅲ型干酪根(表1),雖然部分泥頁(yè)巖樣品中Ⅱ2型干酪根發(fā)育,但是總體以Ⅲ型干酪根為主,表明其有機(jī)質(zhì)主要來(lái)源于高等植物,生油潛力小,以生氣為主。

根據(jù)巖石的熱解分析,氫指數(shù)(S2/TOC,簡(jiǎn)稱HI)大多小于10,也表明其原始?xì)浜康?屬于典型的Ⅲ型干酪根特征(表1)。不同類型的干酪根具有不同的生烴潛力和不同的產(chǎn)物,這與有機(jī)質(zhì)的組成和結(jié)構(gòu)有關(guān)(Puetal., 2015)。顯微組分類型和組成的差異是導(dǎo)致不同類型干酪根具有不同生烴閾值的關(guān)鍵原因。腐殖型干酪根(Ⅲ型)比腐泥型干酪根(Ⅰ型)更早進(jìn)入生氣窗口(圖10b)。Ⅰ型和Ⅱ型(高HI)干酪根比Ⅱ/Ⅲ型和Ⅲ型(低HI)具有更大的甲烷吸附能力。但對(duì)于單位體積的TOC,Ⅲ型可以比Ⅰ型和Ⅱ型吸附更多的甲烷,這可能與Ⅲ型干酪根中較高的孔隙體積有關(guān)(Chalmersetal., 2008)。因此,從這個(gè)角度來(lái)講,龍?zhí)督MⅢ型干酪根的發(fā)育意味著相對(duì)較早進(jìn)入生氣窗口并具有一定的甲烷吸附能力。

4.3 有機(jī)質(zhì)成熟度

已有的勘探開發(fā)及研究認(rèn)為,烴源巖中有機(jī)質(zhì)的熱演化程度(即有機(jī)質(zhì)成熟度)是評(píng)價(jià)生氣和產(chǎn)能的關(guān)鍵地球化學(xué)參數(shù)(Jarvieetal., 2007)。有機(jī)質(zhì)成熟度不僅影響產(chǎn)氣潛力,還影響氣體吸附能力(聶海寬等, 2009)。隨著熱成熟度的增加,生氣潛力降低,但氣體吸附能力增加。此次研究中,粉砂巖樣品的鏡質(zhì)體反射率(RO)為2.42%～2.98%(平均值2.76%),煤巖樣品RO值為2.26%～2.99%(平均值2.76%),而泥(頁(yè))巖樣品相應(yīng)RO值為1.02%～2.99%(平均值2.07%),其中大約有25%的樣品RO值介于1.0%～1.3%之間,其余75%左右的樣品RO值均大于2%?？v向上,自龍?zhí)督M下段至龍?zhí)督M上段鏡質(zhì)體反射率呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì),下、中和上段的RO平均值依次為2.05%、2.42%和2.95%。鑒于不同干酪根的熱演化差異,Ⅰ型和Ⅱ1型干酪根的RO下限為1.1%,Ⅱ2型和Ⅲ型干酪根的RO下限為0.9%(圖10b)。龍?zhí)督M干酪根為Ⅱ2型和Ⅲ型,高RO值表明龍?zhí)督M烴源巖大部分為高-過(guò)成熟階段,熱演化處于干氣窗口(Luoetal., 2018),龍?zhí)督M下段和中段具有更強(qiáng)的生氣潛力,龍?zhí)督M上段生氣潛力較弱。根據(jù)巖石熱解獲得的數(shù)據(jù),龍?zhí)督M樣品的峰溫tmax值在472～593℃之間(表1),大部分樣品的tmax值大于500℃,屬于高-過(guò)成熟演化階段,這與鏡質(zhì)體反射率的研究結(jié)果是一致的。有機(jī)質(zhì)成熟度的高低決定著經(jīng)埋藏后是否能達(dá)到生氣窗。前人研究認(rèn)為,tmax>470℃標(biāo)志著生氣窗口的開始,相應(yīng)地龍?zhí)督M此次研究測(cè)試的樣品均落在生氣窗內(nèi)(圖11)。根據(jù)總生烴潛力(S1+S2)與殘余有機(jī)碳總量TOC的相關(guān)性圖表明,由于相對(duì)較高的成熟度,龍?zhí)督M泥頁(yè)巖目前的生烴潛力較低,僅具有生氣潛力(圖12)。然而,龍?zhí)督M泥頁(yè)巖的高成熟度(RO)和高剩余有機(jī)碳總量(TOC)則表明,龍?zhí)督M依然具有一定的產(chǎn)氣潛能(圖11、圖12)。

圖11 黔西北大方地區(qū)龍?zhí)督M峰溫tmax分布直方圖Fig.11 Histograms of the tmax in the Longtan Formation of Dafang area, Northwest Guizhou

圖12 黔西北大方地區(qū)龍?zhí)督M泥頁(yè)巖生烴潛量(S1+S2)與TOC含量交會(huì)圖Fig. 12 Total hydrocarbon generation potential (S1+S2) versus TOC plot of shales in the Longtan Formation of Dafang area, Northwest Guizhou

5 結(jié)論

通過(guò)黔西北大方地區(qū)龍?zhí)督M野外剖面勘測(cè)和室內(nèi)綜合分析,主要得出以下幾點(diǎn)結(jié)論:

(1) 黔西北大方地區(qū)海陸過(guò)渡相龍?zhí)督M泥頁(yè)巖、煤層和粉砂巖交替發(fā)育,龍?zhí)督M下段以深灰色-灰黑色薄層泥巖為主,中段以薄層砂泥巖互層與煤層交替發(fā)育為主體特征,上段普遍發(fā)育極薄層泥巖夾粉砂巖和灰?guī)r層。煤層主要發(fā)育于中段和下段,泥頁(yè)巖單層厚度變化較大,總厚度大約為80 m左右。

(2) 大方地區(qū)龍?zhí)督M整體礦物組成上具有高黏土礦物(伊/蒙混層為主)含量和低脆性指數(shù)特征,龍?zhí)督M下段、中段至上段,黏土礦物含量升高,石英等脆性礦物含量降低,相應(yīng)吸附能力增強(qiáng)的同時(shí)也會(huì)增加壓裂開發(fā)的難度。

(3) 大方地區(qū)龍?zhí)督M有機(jī)質(zhì)以Ⅲ型干酪根為主,少量Ⅱ2型干酪根,熱演化程度高,處于生干氣階段,自下而上,熱演化程度逐漸增加,生氣能力逐漸減弱。結(jié)合有機(jī)質(zhì)豐度分析,龍?zhí)督M地層中,煤層生烴潛力最強(qiáng),泥頁(yè)巖次之,粉砂巖最弱。3個(gè)層段中,龍?zhí)督M中段具有最高的TOC含量和生烴潛量。綜合研究表明,龍?zhí)督M中段是大方地區(qū)非常規(guī)氣勘探開發(fā)的較有利目標(biāo)層段。