宣威热水—沾益德泽地区下寒武统筇竹寺组页岩气成藏条件分析

蒋源

摘要： 宣威热水-沾益德泽地区早寒武世筇竹寺期沉积了一套以砂、粉砂和泥质沉积为主的黑色页岩。该黑色页岩成藏了一个良好的页岩气藏。区内黑色页岩有机碳（TOC）的平均值大于2.0%、有机质类型为Ⅲ型、热成熟度3.5%、脆性矿物含量占52.2%～92.8%，平均73.02%、隙度为0.8850%～20.2926%，平均6.0554%、厚度400～200m、埋深1500～3500m、含气量3.70cm3/g～3.81cm3/g，平均3.755cm3/g。区内的盖层、储层和水文条件都有利于页岩气藏的保存。并且区内发育了多条逆断层，断裂构造使页岩形成了很多裂隙构造，对页岩气的成藏起到了促进作用。

Abstract： There were a lot of black shales in Reshui， Xuanwei-Deze， Zhanyi area of Yunnan province. These black shales include deposition of most of sand， silt and clay. Meanwhile， these black shales bring a high quality of disposition of shale gas. In this area， the average of organic Carbon lied in black shales is greater than 2.0% and the type of organic matter is Ⅲ and the thermal maturity is 3.5%. the brittle mineral content accounts 52.2%～92.8%， its average is 73.02%. the gap is 0.8850%～20.2926%， its average is 6.0554%. The thickness of black shales is 400～200m， the depth is 1500～3500m， gas content is 3.70cm3/g ～3.81cm3/g， its average is 3.755cm3/g. The caprock， reservoir and hydrological conditions are favorable for the preservation of shale gas reservoirs. Many faults are developed in the area， and the fracture structure makes the shale a lot of fracture structures. These can promote the shale gas reservation.

關键词： 页岩气；下寒武统；筇竹寺组；黑色页岩；成藏条件

Key words： shale gas；the lower Cambrian；Qiongzhusi formation；black shale；accumulation conditions

中图分类号：P548 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）04-0176-05

0 引言

页岩气是一种特殊的自生、自储型气藏，它集生、储、盖于一体。页岩不仅是页岩气的气源岩，而且它还充当着页岩气的储层和盖层。页岩气系统中，烃源岩和常规天然气一样是富有机质的页岩相，但是页岩气的储层和盖层却有着自身的特点，它与常规天然气是完全不同的。常规天然气的储层是高孔高渗的硅质碎屑岩或碳酸岩，而页岩气的储层则是低孔低渗的页岩。并且，页岩组中的贫有机质的碳酸岩和粉砂岩相，也是页岩气藏的有效储层。

页岩气成藏的生烃条件和过程与常规天然气是一样的，其生烃能力和时间都是由泥质页岩的有机质丰度、有机质类型和热演化特征决定。但是烃类气体的运移，页岩气成藏却体现了自己的特征。气藏运移的距离很短或没有运移，泥岩中的裂隙和微空隙是它的主要运移通道。页岩气藏的储层和储集空间也有自己的特征。页岩气以吸附和游离方式储集在泥质页岩粘土矿物和有机质表面、微孔隙中。随着地层压力的降低，页岩气会解吸并失散。页岩气的成藏过程和成藏机理和煤层气极其类似，在研究页岩气的成藏机理时可以利用煤层气的研究手段来解释其成藏的特点和规律。页岩气成藏条件还应同常规天然气一样需要考虑储层自身的岩石岩石化学和物理性质等基本特征，也要考虑封盖条件，除此之外，还应考虑页岩气藏的含气性和被开发等条件。

从表1可以看出研究区内下寒武统筇竹寺组黑色页岩和国内外已开发的页岩气井对比，沾益-德泽地区内存在一个很好的页岩气藏。

1 宣威热水-沾益德泽地区页岩气成藏的控制因素分析

很多因素都会影响页岩气成藏，比如裂缝发育程度、构造作用、热演化程度、有机质含量及类型、页岩矿物组成等。宣威热水-沾益德泽地区下寒武统筇竹寺组的黑色岩系主要由粉砂质页岩、钙质页岩、硅质页岩、黑色页岩、碳质页岩等组成。该黑色岩系上段颜色较下段浅，并且粉砂质向上含量增加，这表明沉积水体中氧含量增加和水体循环能力变强，粉砂质含量增加，进一步证实沉积水体变浅、盆地的可容纳空间减小，沉积环境由盆地演变为潮坪相沉积。

1.1 有机质丰度

有机质的含量决定了生烃的多少，它是影响生烃强度的主要因素，所以其能够较好的控制页岩气成藏。Schmoker将有机质超过2%（包括2%）的泥盆系页岩定为“富有机质的”页岩。高的有机碳含量意味着更高的生烃潜力。宣威热水-沾益德泽地区内，从剖面和页岩气井实测TOC数据来看，TOC平均含量都在2以上，有利于页岩气的生成。据气井数据分析，机碳含量较高值均出现在筇竹寺组下部。

1.2 有机质类型

页岩中干酪根的类型，提供了有关气源岩可能的沉积环境的信息。干酪根的类型不但对岩石的生烃能力有一定的影响作用，还可以影响天然气吸附率和扩散率。一般来说，在湖沼沉积环境形成的煤系地层的泥页岩中，富含有机质，并以腐殖质的Ⅲ型干酪根为主，有利于天然气的形成和吸附富集，煤层气的生成和富集成藏也正好说明了这一点（煤层中有机质的含量更加丰富，煤层的含气率一般为页岩含气率气的2～4倍）。据宣威热水-沾益德泽地区6号、7号钻孔资料，气源岩热解、残碳分析报告干酪根类型是Ⅲ型。

1.3 热成熟度

在热成因页岩气的储层中，烃类气体是在时间、温度和压力的共同作用下生成的。干酪根的成熟度不仅可以用来预测气源岩中生烃潜能，还可以用于高变质地区寻找裂缝性页岩气储层潜能。干酪根的热成熟度也影响页岩中能够被吸附在有机物质表面的天然气量。宣威热水-沾益德泽地区黑色页岩的热成熟度3.5%，处于成熟晚期阶段。根据美国页岩气勘探经验，高热成熟条件下同样能发育页岩气藏。国外近两年大量文献报道肯定了滞留烃热裂解气贡献的重要地位，特别强调Ro值在1.35%～3.5%时形成页岩气的重要性。所以在高—过成熟阶段页岩内的滞留烃完全可以成为页岩气规模生成的有效气源。

1.4 矿物组成

页岩的矿物组成包括一定数量的碳酸盐、黄铁矿、粘土质、石英和有机碳。页岩中，脆性矿物含量越高越有利于裂隙的发育，为页岩气的成藏提供有利的场所。沾益-德泽地区，据露头岩性观察、岩石薄片分析、X—衍射、扫描电镜、钻孔岩心测试等测试数据结果，区内筇竹寺组脆性矿物高于碳酸盐矿物及粘土矿物，其中粘土矿物含量占3.7%～44.4%，平均18.19%，脆性矿物含量占52.2%～92.8%，平均73.02%，碳酸盐矿物占0.00%～33.3%，平均8.79%。

1.5 微裂缝与孔隙

泥页岩在演化过程中，由于构造作用、热力作用及生排烃作用形成了复杂的微裂缝与孔隙（包括纳米孔隙），共同构成复杂的孔-裂隙系统。泥页岩中孔裂隙系统既是天然气的储集空间，又是天然气的渗流通道。区内筇竹寺组样品孔隙度为0.8850%～20.2926%，平均6.0554%，其中孔隙度大于4%的孔隙占总数45.4%，页岩气有效赋存空间大。

1.6 页岩厚度

形成工业性的页岩气藏，泥页岩必须达到一定的厚度，才能成为有效的烃源岩层和储集层。一个好的页岩气远景区其页岩的厚度大多在90m以上。区内黑色页岩厚度在400～200m，厚度较厚，有利于页岩气的成藏。

1.7 页岩埋深

足够的埋深才能够保证页岩中的有机质具备向油气转化时所必需的温度和压力，现今的埋深用于判断该页岩气藏是否具有商业开发价值。区内多数地区埋深在1500～3500m左右，埋深条件较好，而且该区地形平坦，适合页岩气的商业开发。

1.8 含气量

据等温吸附试验表明，在30℃条件下，区内筇竹寺组黑色页岩较为稳定，最大吸附量为3.70cm3/g～3.81cm3/g，平均3.755cm3/g，最大吸附量都比较高，有较好的页岩气资源潜力。

2 宣威热水-沾益德泽地区页岩气保存条件分析

从本质上讲，页岩气的保存条件与常规油气的保存条件并无区别，只不过，页岩气藏一般是自生自储的，它要求页岩层段即为生储盖一体的封闭体系。从这一点上讲，页岩气藏对泥页岩层段的封闭性有更高的要求。

考虑宣威热水-沾益德泽地区的具体实际情况，从影响保存条件的盖层因素，储集层物性，水文地质条件，通过宏观和微观指标综合来判研究区内下寒武统筇竹寺组页岩的保存条件。

2.1 研究区内下寒武统页岩气（藏）页岩盖层

在常规天然气藏中，因为泥页岩较为致密、渗透率较低，通常可以作为盖层。虽然页岩气的赋存方式与常规天然气有所不同，但是致密的泥页岩仍然 对页岩气藏具有封盖作用。美国的五大页岩气系统盖层的岩性多变，包括页岩（阿巴拉契亚盆地和福特沃斯盆地）、冰碛岩（密执安盆地）、斑脱岩（圣胡安盆地）和页岩/碳酸盐岩（伊利诺斯盆地）。

下寒武统页岩气（藏）层段主要是筇竹寺组黑色粉砂岩或黑色页岩，而作为下寒武统盖层则包括了下寒武统筇竹寺组、沧浪铺组、龙王庙组。宣威热水-沾益德泽地区的寒武系地层，是在早期短暂的快速海进和缓慢海退的沉积背景下沉积的。寒武系下统筇竹寺组，岩性以陆源碎屑为主，沉积以砂、粉砂和泥页岩沉积为主，碳酸盐沉积较少，古气候由潮湿温暖向潮湿炎热转化，表现为浅海相沉积。

宣威热水-沾益德泽地区筇竹寺组的上覆岩层为沧浪铺组红井哨段（∈1ch），其岩性主要由，灰绿色、紫红色泥质页岩、粉砂质页岩组成，厚241～360m。与下伏筇竹寺组为连续过渡关系（图1）。

该套泥质页岩和粉砂质页岩组成的盖层中，空隙流体压力同下伏气藏压力值很接近，使渗透机制受到抑制。根据压力封闭的理论依据——达西定律（Q=KA△P/μL）中可以看出，在气藏压力同上覆气藏压力值的差（△P）极小甚至为负数的时候，气体要发生渗透甚至向高压方向渗漏是极难甚至不可能的。研究区内沧浪鋪组红井哨段泥质页岩厚度达241～360m，对下伏的页岩气藏起到了良好的盖层作用。

2.2 储集物性

页岩气与常规天然气的砂岩储集层是有所不同的，其主要特点是：①储集岩为泥页岩及其粉砂岩夹层；②微孔隙、裂缝是页岩气储集的主要空间，裂缝发育程度和走向变化复杂。一般页岩裂缝的宽度在2mm内，裂缝密度一般较大；③天然气的赋存状态多变性。吸附、游离是页岩气赋存的主要方式，少量以溶解方式赋存；④岩石物性较差。因为页岩较为致密，孔隙度、渗透率都比常规储层岩石低，仅在裂缝发育处，渗透率才能有所改善，但对孔隙 度的改善不明显。

区内两口页岩气井钻遇的筇竹寺组页岩层段主要发育深灰-灰黑色页岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、粉砂岩，上段以泥岩、页岩为主，中下段以粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、粉砂岩为主，自上而下砂质含量有明显的增高，砂质含量高使得页岩储层中的孔隙度增高。

砂泥岩中硅质含量高，组成石英等脆性矿物，由于脆性矿物有很好的造缝和保护孔隙的能力，对筇竹寺组高孔隙度和孔隙体积的形成起到重要作用。页岩砂质含量高、孔隙度大的层段，易于孔隙的发育，在压裂条件下可以形成良好的连通网络，有利于气体扩散和渗流，曲地6井和7井中下段有机碳含量高于2.0%的层段属于有利的勘探开发层段。

2.3 水文地质条件对页岩气保存的影响

页岩气的储集和开采均与水文地质条件密切相关。一方面表现在活动的地下水可携带甲烷使之逸散；另一方面在页岩气开采过程中出水量的多少在某种意义上可预示储层的渗透性。所以，水文地质条件在页岩气的研究和开发中也较为重要。

宣威热水-沾益德泽地处云贵高原乌蒙山余脉，属中低山切割区，溶蚀谷地形。总体地形为中部低，东西高。一般地形切割较弱，沟谷不发育，区内有牛栏江通过，河水流量随季节性变化，河流属长江水系。河水流量随季节性变化，冬季流量小，5～10月雨季流量大。

通过本区以往水文地质料料及本井所获水文地质资料分析，第四系为孔隙含水层，主要通过地表渗透和大气降水补给，寒武系下统筇竹寺组为裂隙弱含水层。

对两口页岩气井的简易水文观测，记录了井筒水位及钻井液消耗量。通过观测，钻井液消耗量为0.00～0.48m3/h，钻进中钻井液消耗正常，全井无漏失。钻进过程中下钻前井筒水位为1.00～17.5m。目的层筇竹寺组为裂隙弱含水层，富水性弱。研究区水文地质单元地下水力联系较弱，地下水对页岩气的成藏影响较小，页岩气藏的保存条件好。

3 宣威热水-沾益德泽地区内断裂构造对页岩气藏的影响

页岩气与常规天然气和根缘气不同，它不仅是烃源岩，也是储集层，所以没有运移或极短距离运移，页岩气成藏就近赋存即可；此外，泥页岩储层的储集特征与碎屑岩、碳酸盐岩储层不同，天然气在其中的赋存方法也有所不同。认识和了解页岩气在储集层中的赋存机理是理解页岩气成藏机理的重要组成部分。由于页岩气在主体上表现为吸附或游离状态。体现为成藏过程中的没有或仅有极短的距离的运移。页岩气可以在天然裂缝和粒间孔隙中以有力方式存在，在干酪根和粘土颗粒表面上以吸附状态存在，甚至在干酪根和沥青质中以溶解状态存在。生成的天然气一般情况下先满足吸附，然后溶解和游离分出，在一定的成藏条件下，这三种状态的页岩气处于一定的动态平衡体系。

裂缝发育程度受断裂作用的影响，不仅如此，断裂作用还影响着成藏气量、成藏规模等。页岩内天然气的运移基本上是依靠裂隙作为通道的，裂隙的发育主要依靠断裂作用的造隙功能。页岩气的成藏规模受到诸多因素的控制，但适度的断裂作用创造的裂隙网络和裂缝网络为其扩展和延伸起到关键的作用，但是过度的断裂作用可以使储层破坏，造成天然气聚集分散。断裂作用形成的裂缝网络可以吸附和保存大量的天然气，从而提高成藏气量。

3.1 宣威热水-沾益德泽地区断层形成的时间

早期断裂构造形成的裂缝系统，使储层的封闭性遭到破坏，造成天然气聚集分散或者散失，不利于页岩气藏的保存。而后期的断裂构造使泥页岩中裂缝系统发育，有效的提高储层的裂缝孔隙度，增大游离气的聚集量，发育的泥页岩裂缝作为输导系统能够促进页岩气的运移，对页岩气的开采和常规气藏的形成有利。

震旦纪-早寒武纪，宣威热水-沾益德泽地区为巨厚的碎屑岩、碳酸盐岩、含磷硅质碳酸盐；中寒武世-早二叠世，该区出现多次升降运动，造成沉积间断，引起沉积厚度和沉积相得变化，沉积了碎屑岩和碳酸盐岩；晚二叠世，区内因地壳拉张作用，产生了广泛的玄武岩喷发，形成了沿小江断裂发育的巨厚峨眉山玄武岩，厚度自西向东逐渐减薄；晚二叠世以来，该区地壳运动转变为以挤压为主，在基底构造基础上改造和形成了南北向、北东向构造带，并伴随有岩浆活动；其后受喜山运动影响，滇东地区盖层进一步褶皱隆起形成云贵高原，其后形成一系列南北向分布的新生代裂陷盆地，表明宣威热水-沾益德泽地区此时受一定程度的拉张作用。宣威热水-沾益德泽地区内的断裂构造是发生在晚二叠世以后。断裂构造增加了区内页岩的裂隙度和空隙度，促进了区内页岩气藏的生成。

3.2 宣威热水-沾益德泽地区断层的性质对页岩气藏的影响

一般张性正断层属开放性断层，大规模的可以与地面想通页岩气可沿着裂隙逸散出来，减少页岩气的资源量。而闭合的压性逆断层，破坏页岩结构，页岩气在这些裂隙较多的地方集聚，有利于页岩气的成臧。

页岩气的成藏与煤矿瓦斯的成藏是十分相似的。在煤矿开采的过程中，封闭逆断层的裂隙中存在在大量的瓦斯，巷道通过断层时会出现巷道瓦斯浓度增加，甚至发生煤岩与瓦斯突出。宣威热水-沾益德泽地区内，有五条主要断层都为逆断层发育，断层的封闭性好。断层影响的地方将会是页岩气藏富集的地方。

曲地7井两侧发育有北北东向的小江大断裂和北北西向的米之夏-盆河断层，两条断层几乎切穿所有地层，即在较新的构造活动中形成了这两条断层，对该区域内地层的厚度和产状有较大的影响。根据曲地7井过井剖面图（图2）发现，两条断层对目的层筇竹寺组都有所影响，对岩层厚度有较大的影响，尤其是导致了地层倾角的變大。

曲地6井位于背斜北西翼。周边构造以断层发育为主。井位西部断层为逆断层，断层面倾向为南西向，在东南部演变为两条断层；东部逆断层的断层面倾向从竖直-北西向过渡，倾角大于60°。强烈的构造运动造成了区域内较为密集的断层，给筇竹寺组页岩储层带来了一定的影响，特别是逆断层的抬升作用在曲地6井周边形成了明显的拖拽褶曲（图3），使得地层倾角变大，根据岩芯录井资料，筇竹寺组13.34～266.16m之间地层倾角较小，介于3～4°；在266.16～361.48m之间受构造作用影响出现明显的挤揉搓动现象，岩芯有明显的破碎，地层倾角变化较大，介于11～60°。

据两口井的测井图发现，区地6号井85.89～94.57m岩心，岩性为灰至深灰泥质粉砂岩，见明显的挤揉搓动现象；278.42～28.09m巖心，岩性为粉砂质泥岩，整段岩心都见挤揉搓动现象，岩心破碎。区地7号井，107.48～109.35m岩心，岩性为灰黑色薄至中厚层状粉砂岩，粉砂状结构，具水平层理，节理、裂隙发育，夹细砂岩薄层及条带，该段受挤压揉皱影响倾角变化较大；127.73～130.44m岩心，岩性为深灰色薄层状泥岩，泥质结构，具均匀层理，节理、裂隙较发育，见挤压揉皱现象。这四段岩心均出现了含气量异常高的现象。在对岩心解析过程中，裂隙发育的岩心，TOC含量相同的情况下含气量高于其它段的岩心。

4 小结

宣威热水-沾益德泽地区下寒武统筇竹寺组的黑色岩的8个具体的参数机质丰度、有机质类型、热成熟度、矿物组成、微裂缝与孔隙、厚度、埋深、含气量同国内外已开发的页岩气井对比研究。宣威热水-沾益德泽地区内的八个指标均满足页岩气成藏的条件。区内的盖层、储集物性和水文条件提供了页岩气的有利存储空间。区内的断裂构造形成了庞大的裂隙系统进一步促进了区内页岩气的成藏。

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