滇东北龙马溪组页岩气成藏条件分析

蒋天国，刘胜彪，孙 雄，毛 林

(云南煤层气资源勘查开发有限公司，云南 昆明 650031)

引 言

非常规油气藏的勘探开发正改变着世界能源格局[1]，中国近年来在煤层气、致密砂岩气、页岩气、天然气水合物等非常规能源方面发展迅速[2-6]。目前，页岩气已成为全球研究热点，中国在页岩气研究上加大投入[7-10]。国家“十二五”规划明确提出，云南等省市为页岩气资源勘探开发的重点工作目标区，云南昭通地区纳入国家页岩气资源勘探开发区。云南省目前仅在滇东北及滇东地区实施了少量页岩气浅井和调查井，未做更为深入的成藏条件研究。针对滇东北地区下志留统龙马溪组，从其沉积演化、源岩空间展布及储层特征等方面分析页岩气成藏条件，为后期全面勘探开发提供基础依据。

1 地质背景

云南省处在特提斯构造域与环太平洋构造域的交接复合部位，印度板块与欧亚板块的碰撞接触地带东侧，并受到太平洋板块的影响，因此构造十分复杂[11-12]。滇东北地区为小江断裂之东北、弥勒断裂之北西的云南省东北部地区，位于扬子地台西南缘、攀西裂谷(或康滇地轴)主干断裂—小江断裂带东侧，大地构造位置属于扬子准地台下的滇东台褶带，发育滇东北台褶束与会泽台褶束2个三级单元。滇东北地区岩浆岩由西向东减薄，沿小江断裂两侧发育，在镇雄地区完全消失。滇东北地区北部的盐津县、威信县地区玄武岩分布少，断裂分布较少，构造相对稳定，可作为页岩气成藏有利区来深入研究[13]。从构造展布看，滇东北地区构造带主要为3个方向:南北向、北西向和北东向。

南北向构造:小江断裂带与昭通—曲靖隐伏断裂构成的南北构造带，形成时间较早，多期性活动特征明显，特别是小江深大断裂带控制着滇东北地区沉积建造、岩浆活动、构造演化及岩相古地理特征。北西向构造:主要为娅都—紫云断裂带，由一系列北西向断裂组成，对古生代地层、二叠纪晚期的峨眉山玄武岩浆喷发具有明显控制作用。北东向构造:主要发育于小江断裂和昭通—曲靖隐伏断裂之间，控制着该区中生代沉积建造和岩相古地理特征。

2 页岩气成藏条件分析

2.1 沉积环境

龙马溪组在滇东北仅分布于镇雄—彝良—炎山以北地区，该区属扬子海西南缘，海水由北东方向侵入，早志留世时期海水后撤至昭通、彝良、镇雄一线以北，在近海平原接受物源沉积[14](图1)。早志留世龙马溪期，滇东北地区主要为滞流还原环境的浅水陆棚相，沉积物横向变化大，化石以笔石为主，局部含少量腕足类、三叶虫和珊瑚。在其北部盐津、大关一带为中心的地区，龙马溪组中上段岩层碳酸盐含量增高，出现较多的微晶灰岩、泥灰岩等;南部的镇雄两河口一带出现较多砂质岩石，显示近岸特点[15-17]。滇东北地区静水还原环境的浅水陆棚相下发育的龙马溪组由一套深色的泥页岩、粉砂质岩夹炭质、砂泥质炭酸盐岩薄层组成，炭质含量向东增加，由东向南有砂质增多趋势，水平层理、纹层发育，普遍含黄铁矿晶粒，可以为页岩气储集空间提供条件[18]。

图1 龙马溪组黑色页岩厚度及TOC含量等值线

2.2 源岩空间展布规律

昭通市永善县黄华镇殷家湾剖面(ZM)为本次实测完整剖面，其龙马溪组下段岩性主要为黑色钙质页岩、炭质页岩，富含笔石化石(图2)，中上段主要为灰绿色钙质页岩、粉砂质页岩。TOC含量在下段最大，且均大于2%，向上逐渐变小，中上段均小于1%。黑色页岩厚度为80.95 m，其中TOC＞2.0%的厚度为60.99 m，占黑色页岩厚度的75.34%。

昭通市盐津县豆沙关镇柿子乡剖面(ZY)见底未见顶，其龙马溪组下段岩性主要为中—厚层黑色页岩(图2c)，中上段主要为厚层黑色泥灰岩(图2d)。下段黑色页岩TOC含量普遍较上段高，在钙质页岩段向上TOC含量逐渐减小。黑色页岩厚度为41.45 m，其中TOC＞2.0%的厚度为20.30 m，占黑色页岩厚度的48.97%。

图2 露头剖面特征

滇东北龙马溪组厚度总体趋势为自南东向北西增厚，在威信一带黑色页岩最薄，在盐津一带最厚，可达140 m(图1)。样品采自露头剖面，因TOC含量受风化作用影响，需要对TOC含量进行校正。参考前人对西宁盆地油页岩、羌塘盆地泥岩、沁水盆地泥岩、川西北中坝地区中三叠统、苏皖地区寒武系—下三叠统等地表风化样TOC校正系数[19-20]，本次 TOC 校正系数采用 2.0，后文 TOC皆为校正后数值。样品TOC含量为0.32%～5.04%，TOC＞2.0%样品占总样品个数的34.8%，TOC＞3.0%样品占总样品个数的17.4%。

滇东北龙马溪组黑色页岩主要发育在其下段，且TOC含量在下段最大，黑色页岩中TOC＞2.0%的平均占黑色页岩总厚度的62.16%。TOC含量由西南向北东方向增大，在盐津县西北、威信县以北地区TOC含量高，普遍大于2%，有利于页岩气成藏。

2.3 源岩储层特征

滇东北地区龙马溪组下段主要为黑色钙质页岩、炭质页岩，富含笔石化石，笔石多为细长形态，分布密集，可见弯曲耙笔石;中上段主要为灰绿色钙质页岩、粉砂质页岩、灰黑色泥灰岩，笔石化石含量渐少，分布稀疏，笔石形态长短不一。选取实测完整剖面(ZM)对龙马溪组页岩储层特征进行详细研究。

2.3.1 矿物组成

研究表明，滇东北龙马溪组页岩中黏土矿物及石英占主体，黏土矿物平均含量为39.51%(22.10% ～58.30%)，石英平均含量为28.51%(21.80%～40.20%)，且纵向分布较均匀，方解石、白云石含量次之，分别平均为 16.39%、8.04%。黏土矿物成分主要为伊蒙混层，平均为50.5%，伊利石、高岭石次之，分别平均为30.0%、14.5%，绿泥石最低，平均为5.0%。

对ZM剖面下段22个TOC＞2%的页岩样品进行全岩X衍射分析表明，黏土矿物质量分数平均值为39.51%，脆性矿物(石英+长石+黄铁矿)平均质量分数为36.07%，碳酸盐矿物(方解石+白云石)平均质量分数为24.42%。剖面由底到顶，黏土矿物、碳酸盐岩含量总体降低，石英含量逐渐增加，黄铁矿含量逐渐减少，明显分为A、B 2段。B段与A段相比较而言，TOC、黏土矿物、碳酸盐岩及黄铁矿含量呈降低趋势，但石英含量相对增大(图3)，且A段TOC平均大于2%。

图3 ZM剖面龙马溪组综合分析柱状图

页岩中矿物含量对页岩力学性质、储层物性和含气量等均有重要影响。滇东北地区龙马溪组页岩脆性矿物较高，钙质页岩分布较多，缺乏蒙脱石等膨胀性黏土矿物，对后期人工压裂造缝有利。

2.3.2 孔隙分布特征

根据压汞实验分析认为龙马溪组页岩气储层储集空间由超大孔、大孔、中孔、过渡孔和微孔5种类型组成，过渡孔及微孔是龙马溪组页岩孔隙主要组成部分(图4)。各样品进退汞曲线及阶段进汞量曲线差别很大(图5)，基本可以分为3种类型。ZM-1、ZM-2属于第1类，该类曲线有宽大的滞后环，进汞量与退汞量相差大，并且退汞曲线有所上凸或有所下凹;表明在测试孔径范围内，样品的孔隙多为开放孔，孔隙之间有很好的连通性(退汞曲线初始为上凸或水平，表明这阶段以开放孔、平行板状孔为主)，这种孔隙结构有利于页岩气的解吸、扩散和渗透。ZM-12、ZM-15属于第2类，该类曲线有较宽的滞后环，进汞量与退汞量相差较大;表明在所测的孔径范围内，样品的孔隙中较多开放孔，孔隙之间有较好连通性，这种孔隙结构对页岩气的解吸、扩散和渗流较为有利。ZM-8、ZM-19、ZM-23属于第3类，该类曲线的滞后环较窄，进汞量和退汞量相差较小;表明在所测试的孔径范围内，样品中开放的孔隙较少，孔隙之间的连通性较差，这种孔隙结构对页岩气的解吸、扩散和渗流较为不利。从底到顶，龙马溪组页岩孔隙开放性依次变差，页岩气的解吸、扩散和渗透性能逐渐变差，表明龙马溪组下段可以作为有利开发层段考虑。

2.3.3 孔隙结构特征

天然裂隙和孔隙度是页岩储层的重要参数，天然裂隙的发育直接影响到页岩储层渗透的大小和方向[21-22]。通过镜下观察，滇东北地区富有机质泥页岩发育丰富的孔裂隙，主要孔隙为粒内孔(脆性矿物、黏土矿物)、粒内溶蚀孔、晶间孔和粒间孔等类型。

图4 ZM剖面龙马溪组页岩压汞阶段注入量与孔径关系

图5 ZM剖面龙马溪组页岩进退汞量与孔径关系

粒间孔通常发育于矿物颗粒接触处，多呈多角形和拉长型，多数为原生孔隙，呈分散状分布于基质中。分析认为，多角形孔多为软硬颗粒间经压实胶结后剩余的孔隙空间;线型孔多与层状黏土矿物有关[23-26]。图6a中矿物团粒堆积于溶蚀孔内，粒间孔极为发育，表面多见纳米孔，其右下方可见黏土矿物成岩作用形成的成岩收缩孔，具有代表性。粒内孔发育在颗粒的内部，大多数是成岩改造形成的，部分是原生的。图6b在石英晶体集中发育处形成，多见于石英晶体、黄铁矿晶体等矿物晶体间，以纳米孔为主，边缘多见粒内孔及溶蚀孔裂缝。图6c中发育不同尺度粒内溶蚀孔，多为纳米级，基本以某一点为中心呈串珠弯曲状发育，孔隙连通性较好，比表面积大。一般形成于重结晶作用过程中，孔隙比较规则，形状受矿物结晶习性制约，常呈网格状、长条状、叶片状与缝隙状。研究区黑色页岩黄铁矿及石英矿物发育晶间孔较多。图6d中破碎颗粒表面发育有大量石英晶体，石英晶体比较集中，晶体间存在大量的孔隙。

图6 ZM-15样品扫描电镜下孔隙观测照片

2.4 有利区初步预测

黑色页岩厚度对有利区优选有着重要的影响，一般黑色页岩厚度越大越好。滇东北地区龙马溪组黑色页岩厚度在威信县及盐津县均大于30 m;TOC含量由南西向北东逐渐增大，在威信县及盐津县均大于2%;从实测剖面看，滇东北地区龙马溪组在威信县地区遭受剥蚀程度较大，在盐津县地区受剥蚀程度小，且断裂发育少，构造相对稳定。因此，盐津县地区为优选有利区，威信县地区次之。

3 结论

(1)龙马溪组在滇东北仅发育在昭通以北地区，自南东向北西逐渐增厚。黑色页岩厚度为20～120 m，其中TOC＞2.0%的层段厚度为20～60 m，平均占黑色页岩厚度的62.16%。在威信地区发育黑色页岩最薄，盐津地区最厚。TOC由南西向北东方向增高，在盐津、威信地区普遍大于2%。建议以盐津县地区为勘探开发重点，威信地区次之。

(2)滇东北龙马溪组下段岩性主要为黑色钙质页岩、炭质页岩，富含笔石化石;中上段主要为灰绿色钙质页岩、粉砂质页岩、灰黑色泥灰岩，笔石化石含量渐少，分布稀疏。

(3)由底到顶，滇东北龙马溪组页岩中黏土矿物、碳酸盐岩含量总体降低，石英含量逐渐增加，黄铁矿含量逐渐减少，且TOC在其下段最大。

(4)过渡孔及微孔是组成滇东北龙马溪组页岩孔隙的主要部分，主要发育粒内孔、粒内溶蚀孔、晶间孔和粒间孔等类型。从底到顶，龙马溪组页岩孔隙开放性依次变差，页岩气的解吸、扩散和渗透性能逐渐变差，可以将龙马溪组下段作为开发有利层段。

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