黔西北区下志留统龙马溪组页岩气聚集条件

2014-02-17张金川王中鹏

特种油气藏 2014年6期

刘冲，张金川，唐玄，王中鹏，陈前

(中国地质大学，北京 100083)

引言

国际上，页岩气地质研究热潮已经兴起，页岩气已经成为能源的新宠。页岩气是指主体以吸附和游离状态赋存在暗色泥页岩或高炭泥页岩中的天然气聚集[1]。页岩气复杂的生成机制、赋存相态、聚集机理和富集条件等，使其具有明显的地质特殊性[1-2]。

黔西北地区基本属于油气空白区，除部分固体矿产井钻探到页岩目的层位外，只有少量的常规油气井，该地区富含有机质页岩，与美国主要产气页岩相比，具有埋深适中、有机碳含量适中、热演化程度高、含气量高等特点[3-13]，黔西北地区下志留统龙马溪组页岩气资源潜力值得期待。

1 区域构造沉积背景

贵州境内地壳的大地构造格架按基底性质差异划分为扬子陆块和华南褶皱系2个一级构造单元，黔西北区位于黔中隆起区和滇黔北坳陷区，在大地构造上属于扬子板块。黔中隆起位于贵州中部，北接滇黔北部凹陷，南邻黔南坳陷，西南为滇东隆起，东北是武陵坳陷[3]。

早志留世龙马溪期是继晚奥陶世以来中上扬子地区盆山格局发生重大转变的时期。该时期陆块边缘处于挤压、褶皱造山过程，是形成古隆起的高峰阶段。除边缘的川西、滇中古陆、汉南古陆扩大以外，川中隆起的范围不断扩大，扬子南缘的黔中隆起、武陵隆起、雪峰隆起和苗岭隆起基本相连形成了滇黔桂大的隆起带。中上扬子克拉通转为由古隆起带包围的一个陆棚海局限盆地，隆起边缘主要为浅海陆棚、深水陆棚，向中部过渡为陆棚海局限盆地，地层厚度由南往北逐渐增厚。总体来说，下志留统龙马溪组主要为一套浅海相的细碎屑岩，岩性主要为灰色薄层状含云母片钙质粉砂岩，钙质砂岩夹灰绿、灰黑色页岩，炭质泥页岩，下部多为黑色笔石炭质页岩，沉积环境主要为深水陆棚沉积，部分为浅水陆棚沉积。

2 龙马溪组有效泥页岩空间分布

龙马溪组泥页岩主要分布在遵义—毕节以北地区，从北向南厚度减薄。北部赤水地区龙马溪组泥页岩最发育，厚度达50 m，近东西向展布，与上覆新滩组、下伏五峰组均为连续整合接触。其中习水县境内习页1井钻遇龙马溪地层210.93 m，顶部灰黑色砂质页岩与灰色灰岩条带互层，部分灰岩中可见生物化石，部分灰岩中有裂隙，内有方解石和石英充填;中段黑色粉砂质、钙质页岩，层理清晰，富含笔石纲化石;底部灰黑色粉砂质、炭质页岩，层理清晰，炭质页岩较黑、轻，染手，泥页岩厚度约为24 m。桐梓县桐页1井钻遇龙马溪地层182.95 m，上部为深灰色粉砂岩及粉砂质泥岩，下部为浅灰—灰黑色页岩，灰黑色砂质页岩、黑色炭质页岩，泥页岩厚度约为19 m。

龙马溪组埋深主体位于1 000～3 000 m，其中习页1井于井深433.19 m处进入下志留统龙马溪组，644.12 m处进入上奥陶统五峰组;桐页1井于井深477.7 m处进入下志留统龙马溪组，660.15 m处进入上奥陶统五峰组，埋藏深度适中。

3 龙马溪组页岩气聚集条件

3.1 龙马溪组泥页岩有机质丰度和成熟度

龙马溪组泥页岩有机碳含量为1.5%～3.5%，半数以上样品大于1.5%。习页1井龙马溪组泥页岩有机碳含量为0.34%～6.73%，变化幅度较大，平均值为1.53%(表1)。研究表明，习页1井龙马溪组有机碳含量高的层段集中在620～644 m处的炭质页岩，越接近地层底部，有机碳含量越高。平面上，有机碳含量分布呈南部低、北部高的趋势，高有机碳含量主要位于北部习水县、桐梓县地区，有机碳含量均超过2.0%，部分地区峰值超过3.5%。

表1 黔西北地区有机地球化学参数

龙马溪组泥页岩总体演化程度较高，全区未见成熟度小于2%的区域，主体位于2.0% ～3.0%。习页1井龙马溪组泥页岩有机质成熟度为2.58%～3.96%，平均值为3.31%，普遍较大(表1)。平面上，有机质成熟度整体从黔西北区南部向北部逐渐增大，在习水县附近达到最高，约为3.2%。

黔西北地区下志留统龙马溪组海相成因泥页岩有机质成熟度普遍大于2.0%，已进入高成熟—过成熟阶段，处于成熟晚期生气状态。

3.2 龙马溪组泥页岩储渗条件

区域调查和地质钻井表明，泥页岩结构致密，孔隙发育较差。龙马溪组泥页岩样品有效孔隙度为0.6% ～4.4%，平均为1.78%;渗透率为0.006 6×10-3～0.109 8×10-3μm2，平均为 0.037 8×10-3μm2(表2)。与北美商业开采的页岩气孔隙度(2% ～10%)、渗透率(1×10-13～10×10-7μm2)值相比，孔隙度较大，渗透率较高。

表2 习页1井有效孔隙度和渗透率随深度变化数据

扫描电镜表明，龙马溪组泥页岩内部存在大量微孔隙和微裂缝，颗粒表面存在大量溶蚀孔(图1)。胶结物以伊利石、绿泥石和伊蒙混层矿物为主，孔隙中充填有大量的黏土矿物和有机质。有机孔多呈凹坑状、网状、蜂窝状，内部具有一定的连通性，有效地改善了泥页岩的储集物性，有利于页岩气的运移和赋存。

图1 习页1井下志留统龙马溪组泥页岩孔缝发育特征

3.3 龙马溪组泥页岩矿物含量

页岩的开采主要采用大型水力压裂，因此页岩的脆性和硬度对页岩气的开采具有重要意义。龙马溪组泥页岩矿物组成中，脆性矿物含量较高，石英含量为37% ～52%，石英、长石总量的平均值约为50%，方解石和白云石总量平均值为12%～23%，最高含量可达80%以上(表3)。与美国商业开采页岩气石英含量(27% ～48%)相比，黔西北地区泥页岩具有更好的脆性和更大的硬度，水力压裂容易产生大的裂缝网络，有利于商业开采。

3.4 龙马溪组泥页岩含气性

习页1井龙马溪组现场共完成了22块样品的解吸实验。22块样品中的含气量呈整体上升的趋势，随着深度的增加，解吸气量总体趋势逐渐增加，644 m时达到峰值4 892 mL，即解吸气量最高段位于龙马溪组底部。

表3 黔西北区页岩全岩定量分析结果

通过计算得到，习页1井下志留统龙马溪组富有机质泥页岩样品的解吸气含气量大致为0.629～2.814 m3/t，通过直线趋势拟合法对损失气量做线性回归分析，最终计算页岩总含气量为0.741～3.318 m3/t，再考虑到装罐时间较长、损失气量较多、解吸实验未完全完成等原因，参考已有的解吸曲线，推测页岩含气量应为1.0～4.0 m3/t。习页1井现场解吸气样解吸气组分均以CH4为主，平均含量约为86.15%，此外解吸气内还有微量C2H6及混入的少量O2和N2，完全符合工业开采标准。

4 龙马溪组页岩气聚集条件讨论

与美国主要含气页岩相比，黔西北地区下志留统龙马溪组泥页岩具有埋深适中、净厚度大、有机碳含量适中、热演化程度高、孔隙度大、吸附气含量适中、含气量高等特点，页岩气聚集条件总体较为优越，具有良好的勘探潜力(表4)。

综合泥页岩分布、有机地球化学指标和含气性等因素，海相页岩气有利区优选标准要求泥页岩厚度稳定且单层厚度不小于10 m，埋深为300～4 500 m，有机碳含量不小于1.5%，成熟度不低于1.2%，总含气量大于0.5 m3/t，地形高差较小并且具有中等—好的保存条件。综合黔西北地区泥页岩分布、泥页岩有机地球化学指标和含气性等因素，优选有利区为赤水市—习水县—桐梓县—仁怀市地区(图2)。该地区下志留统龙马溪组泥页岩厚度为10～50 m，赤水市附近达到50 m;有机碳含量普遍大于2.0%，桐梓县以北高达3.5%;成熟度为2.2%～3.2%;习页1井解析实验显示泥页岩含气量高，资源前景良好。