黔西南区旧司组黑色页岩地球化学及储层特征分析

秦文，唐显贵，秦琴，高为

（1.贵州省煤矿地质工程咨询与地质环境监测中心，贵州 贵阳550081；2.贵州省煤层气页岩气工程技术研究中心，贵州 贵阳550009）

页岩气属于非常规天然气［1-2］，其成藏机理和勘探开发与常规天然气有很大差别［3-7］。我国页岩气资源丰富，具有很好的勘探开发前景［8-13］。目前，我国对页岩气资源的勘探开发还处于探索起步阶段，美国在页岩气勘探开发中取得的成功，可以提供很多可借鉴的经验。黔西南区下石炭统旧司组泥页岩分布面积广，泥页岩层段发育厚，具有较好的页岩气产储条件，但对页岩气的研究还处于资源调查评价阶段。本文从地球化学及储层特征的角度对下石炭统旧司组黑色页岩进行分析，以期对本区页岩气勘探开发起到借鉴作用。

1 旧司组黑色页岩发育特征

研究区地处扬子板块西南部，贵州境内紫云-垭都断裂的西南侧，包括黔西-黔南分区的西部和右江分区大部。行政区划属毕节地区的赫章、威宁县，六盘水市的六枝、盘县、水城特区，安顺地区的镇宁、关岭、紫云县，黔西南州全境等16 个县市。下石炭统旧司组整合接触于汤粑沟组之上，主要由深灰、灰黑色砂岩、页岩、炭质泥岩、泥岩组成，下部偶夹煤线或煤层，顶部与上司组呈整合接触。根据岩性、岩相可将旧司组分为上、下2 段。下石炭统旧司组属滨海—浅海相沉积，厚度0～262.0 m，东北部较厚，镇宁沙子沟为沉积中心。研究区中北部旧司组黑色页岩沉积厚度达50.0～185.5 m，沉积中心在威宁一带，黑色页岩沉积等厚线走向主要呈北西向，主要受北西向水城-紫云同沉积断裂控制，在威宁六硐桥，泥页岩沉积厚度最厚达185.5 m，向北东、南西两侧，黑色页岩厚度逐渐变薄；在威宁、水城一带，泥页岩沉积厚度大于100.0 m，在水城、普安、紫云所围限的三角地带，泥页岩沉积厚度50.0～100.0 m；在西部、西南部泥页岩沉积厚度低于30.0 m（见图1）。

图1 旧司组黑色页岩厚度平面分布

2 地球化学特征

2.1 有机质类型

干酪根类型指数法是划分烃源岩有机质类型的主要指标之一［14］。研究区露头及岩心样品的显微特征及荧光特性显示，下石炭统旧司组TI 值在-13～84，有机质类型以Ⅱ1型和Ⅱ2型为主，偶见Ⅲ型和Ⅰ型。

黑色页岩样品显微组分分析测试表明，显微组分主要表现为壳质组，其次为腐泥组和镜质组，惰质组较少（见图2）。其中，壳质组以腐植无定形体和壳质碎屑体为主，腐泥组以腐泥无定形体和腐泥碎屑体为主，镜质组以无结构镜质体为主，透光下深褐色—黑色，蓝光激发，无荧光显示。

2.2 有机质丰度

黔西南区下石炭统旧司组发育时代早、经历的构造运动多，残留氯仿沥青“A”普遍很低，不能准确反映该地区黑色页岩的生烃能力，故主要采用TOC 对黑色页岩有机质丰度进行评价。

图2 黑色页岩干酪根显微组分三角图

通过对研究区205 块露头样及岩心岩样的有机碳进行测试，测试结果符合正态分布。TOC 分布在0.05%～5.76%，平均1.25%，主体分布在0.80%～1.50%，有39.51%的样品在1.00%～2.00%。纵向上，威宁龙街1701 孔资料显示，旧司组上段TOC 在0.73%～1.91%，平均为1.34%；下段TOC 分布在1.39%～3.02%，平均为2.11%。可见，旧司组下段的TOC 比上段高。但地表露头样品的TOC 没有明显差别，可能是由于地表露头样品受氧化程度不同所致。平面上，研究区内以威宁—水城—晴隆为轴线，往两侧TOC 逐渐减少，威宁、水城一带为高值区，TOC 大于1.50%，威宁龙街周边地区TOC 大于2.00%，下石炭统旧司组TOC 属中等。

2.3 有机质成熟度

黑色页岩有机质成熟度划分标准为：Ro低于0.50%为未成熟，0.50%～1.30%为成熟，1.30%～2.00%为高成熟，2.00%～3.00%为过成熟早期阶段，3.00%～4.00%为过成熟晚期阶段。

通过对研究区43 件样品的测试，Ro分布在1.01%～4.87%，平均2.63%，主体在2.00%～3.00%，处于过成熟早期产干气阶段，研究区旧司组黑色页岩的总体演化程度较高。平面上，Ro高值区主要在威宁、水城、普安和晴隆一带，Ro小于1.30%的主要在威宁以西。

2.4 有机地球化学有利区优选

结合黔西南区旧司组黑色页岩的有机质类型，将TOC≥0.5%和Ro≥0.4%的区域划为远景区，TOC≥1.5%和Ro≥0.7%的区域划为有利区，TOC≥2.0%和Ro≥0.7%的区域划为核心区。故下石炭统旧司组黑色页岩地球化学有利区分布在以威宁—水城—晴隆—贞丰为轴线往两侧分布，核心区在威宁龙街一带（见图3）。

图3 旧司组黑色页岩地球化学有利区分布

3 储层特征

3.1 岩石矿物学特征

通过对研究区54 件地表露头及岩心样品作全岩分析，结果显示：

1）下石炭统旧司组下段（C1j1）。石英体积分数为40.83%；碳酸盐岩体积分数为21.57%，以方解石为主，次为白云石；黏土矿物体积分数为32.81%。黏土矿物中以伊利石占主导地位，高岭石、蒙脱石、伊蒙混层含量次之，绿泥石体积分数较低。

2）下石炭统旧司组上段（C1j2）。石英体积分数为21.48%；碳酸盐岩体积分数为42.07%，以白云石、方解石为主；黏土矿物体积分数为31.99%。黏土矿物中以伊利石为主；高岭石、蒙脱石体积分数次之，绿泥石体积分数较低。对比旧司组上段和下段岩石矿物特征，下段的碎屑矿物(石英+长石)体积分数高，下段自生脆性矿物体积分数高，总体脆性矿物体积分数大于50%，具较好破裂潜力。

在平面上，碎屑矿物含量高值区分布在水城-晴隆地区，黏土矿物低值区也分布在水城-晴隆地区。

3.2 储集物性

根据16 件岩心样品测试资料，旧司组黑色页岩密度2.05～2.72 g/cm3，平均2.61 g/cm3； 孔隙度1.67%～3.76%，平均为2.69%，孔隙度低； 渗透率（0.001 3～0.190 0）×10－3μm2，平均0.019 1×10－3μm2，渗透率特低。而地表样品孔隙度为0.24%，渗透率4.770 0×10－3μm2。对比地表露头样和岩心样资料，地表露头样密度小、变化大、孔隙度小、渗透率大。可见，地表露头岩样受到不同程度的风化影响，不能代表原始值。

根据研究区10 件岩心样品测试资料，旧司组黑色页岩的比表面积分布在3.056～14.260 m2/g，平均7.091 m2/g；孔隙体积在0.007～0.016 mL/g，平均为0.110 mL/g；微孔体积、中孔体积和宏孔体积分别占总孔体积的10.09%，77.93%，11.98%，表明旧司组页岩以中孔孔隙为主。排驱压力Pd在5.12～20.48 MPa，平均为11.95 MPa；孔喉半径平均值分布在23.79～127.51 nm，平均为64.07 nm；退出效率变化较大，分布在0.90～16.01%，平均为8.53%。

根据岩心样品氩离子抛光资料（见图4），下石炭统旧司组黑色页岩孔隙类型主要为溶蚀孔、有机孔、晶内微孔缝等。

图4 下石炭统旧司组页岩孔隙发育特征

3.3 物理力学特征

根据6 组岩心样物理力学样测试结果 （见表1），在常温、常压条件下，旧司组黑色页岩抗压强度在32.1～55.3 MPa，抗拉强度在2.05～8.22 MPa，弹性模量E 在21.4～25.9 GPa，泊松比在0.22～0.26，含水率在0.31%～1.61%。

在相似的岩石矿物组成相似的条件下，抗压、抗拉强度存在差异，推测受微裂缝影响，当岩石受破坏时，裂缝将成受力薄弱面。在饱和水条件下抗压、抗拉强度略有降低，可见水介质对岩石强度有一定“软化作用”，孔隙度越高，含水率越高，其影响越大。

表1 旧司组黑色页岩常温常压下岩石物理力学特征

3.4 有利区优选

3.4.1 岩石矿物特征

矿物组成：重点是黏土矿物的种类和体积分数、碎屑矿物的体积分数、化学沉淀矿物和成岩自生矿物的体积分数等；空间分布：分析上述岩石组成各参数在纵向上和平面上的分布特征，总结其变化规律。

3.4.2 储集物性

储集物性包括孔隙度和渗透率、孔隙类型及孔隙结构及分布、裂缝（包括宏观裂缝和微裂缝）。裂缝是页岩气储层中重要的储集空间类型，按其成因可分为构造缝和成岩缝。前者是与构造应力有关的裂缝，通常规模相对较大，以宏观裂缝为主。后者是在成岩过程中形成，一般规模较小，以微裂缝为主［15-18］。

黔西南区旧司组黑色页岩岩石矿物特征表明，下段碎屑矿物体积分数高，上段自生脆性矿物体积分数较高，脆性矿物总体积分数大于50%，具有较好得破裂潜力。旧司组黑色页岩具有孔隙度低、渗透率特低的特征，孔隙以溶蚀孔、有机孔、晶内微孔缝等为主，孔隙体积主要为中孔体积。

综上所述，水城-晴隆地区可以作为下石炭统旧司组黑色页岩的储层有利区。

4 有利区优选

综合TOC、碎屑矿物和黏土矿物体积分数的平面分布特征、Ro，黔西南区旧司组黑色页岩地球化学及储层有利区主要分布在水城-晴隆地区（见图5）。

图5 旧司组黑色页岩地球化学及储层有利区分布

5 结论

1）黔西南区下石炭统旧司组黑色页岩有机质类型以Ⅱ型为主，偶见Ⅲ型和Ⅰ型。

2）黔西南区旧司组黑色页岩TOC 分布在0.05%～5.76%，平均为1.25%；平面上，以威宁-水城-晴隆-贞丰为轴线，往两侧TOC 逐渐减少，在威宁、水城、晴隆一带TOC 大于1.50%；纵向上，旧司组下段的TOC 比上段高。

3）黔西南区旧司组黑色页岩的总体演化程度较高，Ro分布在1.01%～4.87%，平均2.63%，处于过成熟早期产干气阶段； 平面上，Ro高值区主要在威宁、水城、普安和晴隆一带，Ro﹤1.30%主要分布在威宁以西。

4）黔西南区旧司组黑色页岩具有孔隙度低、渗透率特低、比表面积大等特点，孔隙类型主要为溶蚀孔、有机孔和晶内微孔缝，孔隙体积为中孔体积；脆性矿物体积分数较高，黏土矿物体积分数适中，易于压裂；岩石微裂缝和水介质对岩石抗压、抗拉强度有一定影响。

5）黔西南区旧司组黑色页岩地球化学及储层有利区主要分布在水城-晴隆地区。

［1］赵靖舟.非常规油气有关概念、分类及资源潜力［J］.天然气地球科学，2012，23（3）：393-406.

［2］陈会年，张卫东，谢麟元，等.世界非常规天然气的储量及开采现状［J］.断块油气田，2010，17（4）：439-442.

［3］张金川，薛会，张德明，等.页岩气及其成藏机理［J］.现代地质，2003，17（4）：466.

［4］邵晓州，余川，付勋勋，等.页岩气研究新进展及开发瓶颈分析［J］.断块油气田，2012，19（6）：764-766.

［5］王南，钟太贤，刘兴元，等.复杂条件下页岩气藏生产特征及规律［J］.断块油气田，2012，19（6）：767-770.

［6］王庆波，刘若冰，魏祥峰，等.陆相页岩气成藏地质条件及富集高产主控因素分析：以元坝地区为例［J］.断块油气田，2013，20（6）：698-703.

［7］甘志红.阳信洼陷沙一段生物泥页岩气成藏条件分析［J］.断块油气田，2013，20（5）：573-576.

［8］潘仁芳，黄晓松.页岩气及国内勘探前景展望［J］.中国石油勘探，2009，14（3）：1-5.

［9］李建忠，董大忠，陈更生，等.中国页岩气资源前景与战略地位［J］.天然气工业，2009，29（5）：11-17.

［10］赵群，王红岩，刘人和，等.世界页岩气发展现状及我国勘探前景［J］.天然气技术，2008，2（3）：11-14，57.

［11］张金川，汪宗余，聂海宽，等.页岩气及其勘探研究意义［J］.现代地质，2008，22（4）：640-646.

［12］张金川，徐波，聂海宽，等.中国页岩气资源勘探潜力［J］.天然气工业，2008，28（6）：136-140.

［13］李景明，罗霞，李东旭，等.中国天然气地质研究的战略思考［J］.天然气地球科学，2007，18（6）：777-781.

［14］卢双舫，张敏.油气地球化学［M］.北京：石油工业出版社，2008：201-206.

［15］龙鹏宇，张金川，唐玄，等.泥页岩裂缝发育特征及其对页岩气勘探和开发的影响［J］.天然气地球科学，2011，22（3）：525-532.

［16］王多云，郑希民，李凤杰，等.低孔渗气富集区优质储层形成条件及相关问题［J］.天然气地球科学，2003，14（2）：87-91.

［17］王祥，刘玉华，张敏，等.页岩气形成条件及成藏影响因素研究［J］.天然气地球科学，2010，21（2）：350-356.

［18］任珠琳，李晓光，王龙，等.辽河东部地区梨树沟组页岩气富集条件及有利区优选［J］.断块油气田，2013，20（6）：704-708.