黔西地区打屋坝组富有机质页岩地球化学特征及其意义

2019-03-05张子亚徐秋枫卢树藩贺敬博

石油实验地质 2019年1期

陈榕，苑坤，张子亚，徐秋枫，卢树藩，贺敬博

(1.中国地质调查局油气资源调查中心，北京 100083；2. 贵州省地质调查院，贵阳 550000；3. 自然资源部，北京 100034)

富有机质泥页岩一直是石油天然气勘探开发领域研究的重点，自美国大规模开发页岩气以来，富有机质泥页岩被赋予了更深的含义，除了作为常规油气的源岩，同样可以作为页岩气的生产储集层位[1-2]。因此，研究富有机质页岩的地球化学特征，可以为页岩气勘查开发提供参考[3]。目前在页岩气勘查过程中，有机质丰度、成熟度以及干酪根类型等是评价富有机质泥页岩页岩气勘查潜力的主要参数[2，4-6]。下石炭统打屋坝组是贵州地区富有机质泥页岩发育层位之一，前人已针对页岩气成藏特点对该区西部和南部地区打屋坝组进行过解剖[7-8]。本文在前人研究的基础上，结合近年来取得的露头、钻井数据，进一步完善对黔西地区打屋坝组地球化学特征的描述，旨为该区页岩气有利区的圈选奠定基础。

1 地质背景

黔西地区地处上扬子滇东—黔西隆起构造带，位于紫水断裂带以西，右江盆地以北(图1)。滇东—黔西隆起构造带在滇黔桂地区属于相对稳定的一个构造单元，但区内仍分布有多处大型断裂和各类褶皱带[9]。黔西地区发育4套富有机质泥页岩，分别为下泥盆统、下石炭统、下二叠统和上二叠统。本文所研究的下石炭统在贵州西南部地区广泛分布，仅在龙吟、珠东、都格等少部分地区存在露头剥蚀的情况。打屋坝组分布于罗甸—紫云—盘县—水城一带，出露厚度不一，主要岩性为黑色页岩、黑色钙质泥岩夹深灰色泥质灰岩，水平纹层发育[10-11]。随着相带的变化，下石炭统向北部威宁和云南宣威地区相变为旧司组[7]，为一套含泥灰岩、灰岩的暗色岩系。为了称呼上的一致，本文统一使用打屋坝组作为黔西地区下石炭统富有机质泥页岩层位的名称。

2 实验方法

本文共选取黔西地区水城双水、普安白沙及盘县珠东3条剖面69件样品，通过页岩的有机质丰度、成熟度以及干酪根类型3个方面，对黔西地区下石炭统打屋坝组富有机质页岩地球化学特征进行描述，从而刻画出该地区页岩气勘查潜力。有机质丰度是评价富有机质页岩生烃潜力的一项重要指标，对于页岩气勘查来说，潜质页岩的有机质丰度是判断该地区页岩气潜力的重要因素之一。我国南方古生界经历了多期构造运动，地层时代较老，在常见的有机质丰度指标中(有机碳含量、氯仿沥青“A”、总烃含量和岩石热解生烃潜量)，残余的氯仿沥青“A”含量普遍较低，不能准确反映富有机质泥页岩的生烃能力[12]。因此本文主要采用有机碳含量(TOC)来研究打屋坝组有机质丰度。

成熟度是表征有机质生烃能力的重要参数[13]，测量成熟度的有效方法有镜质体反射率、岩石热解峰温、可溶有机质参数等方法。目前应用最广泛的方法为镜质体反射率法，因此本文也采用镜质体反射率法(Ro)来判断打屋坝组富有机质页岩成熟度。在评价富有机质泥页岩演化时，可将其成熟度划分为未成熟(Ro<0.6%)、成熟(0.6%≤Ro<1.3%)、高成熟(1.3%≤Ro<2%)、过成熟早期(2%≤Ro<3%)和过成熟晚期(Ro≥3%)。

图1 黔西地区构造纲要及下石炭统打屋坝组分布

3 打屋坝组地球化学特征

3.1 有机质丰度

本次有机碳含量测试样品共69件，从整体测试分析数据来看，研究区打屋坝组TOC大部分小于2%(图2)。其中水城双水地区TOC一般小于1.0%，大部分分布在0.5%～1.0%之间，TOC是3个地区中最低的；普安白沙TOC一般大于1.0%，相比水城地区TOC数值要高；盘县珠东地区TOC一般小于1.0%，48%的样品TOC小于0.5%，平均值为0.68%。从全部测试结果来看，37.68%的样品TOC位于0.5%～1%之间，23.19%的样品TOC位于1%～2%之间，仅5.8%的样品TOC大于2.0%，最高可达3.55%。

图2 黔西地区下石炭统打屋坝组样品TOC分布情况

从研究区打屋坝组页岩有机碳含量对比图(图3)可以看出，往南东方向有机碳含量有增高趋势；普遍来说，下部有机碳含量高于上部，其原因主要归结于往南东方向水体变深，且早石炭世该区处于海侵体系域，大量的富有机质细粒沉积物沉积在深水区。研究区打屋坝组目标层系平均有机碳含量普遍大于0.6%(图3)，多数分布在0.6%～3.0%范围内，唯有水城双水地区TOC较低。研究结果表明，黔西地区打屋坝组有机碳含量总体较高，具有较好的页岩气勘查潜力。

图3 黔西地区下石炭统打屋坝组有机碳含量对比剖面、钻井位置见图1。

3.2 干酪根有机组分

通过对样品进行干酪根抽提和观察，打屋坝组干酪根有机显微组分主要为壳质组腐殖无定形体与镜质组正常镜质体。水城双水地区惰质组含量明显较白沙地区高，未发现腐泥组成分。水城地区干酪根类型指数为-49.5～3.0，干酪根类型以Ⅲ型为主，少量Ⅱ2型。普安白沙地区壳质组腐殖无定形体相对丰度为72%～80%，平均为76%；镜质组正常镜质体相对丰度为17%～20%，平均为18.5%；惰质组丝质体相对丰度为3%～8%，平均为5.5%；干酪根呈黄褐色—黑色，无荧光(图4)；干酪根类型指数为13.0～24.3，类型属Ⅱ2型。盘县地区干酪根指数为33.5～82.5，干酪根类型以Ⅱ1型为主，少量Ⅱ2型。

3.3 有机质成熟度

对水城双水、普安白沙、盘县珠东3条剖面地表露头57个富有机质页岩样品成熟度进行了测试，结果表明，盘县珠东地区有机质成熟度最高，Ro为2.1%～3.18%，所有样品均为过成熟阶段；水城地区有机质成熟度Ro为1.56%～1.88%，平均为1.68%，自上而下逐渐增加处于高成熟演化阶段；普安地区总体处于成熟演化阶段，Ro为0.98%～1.15%，平均为1.08%，相比水城地区成熟度低一些。从整体来看，处于成熟阶段的样品占全部样品的22.41%，39.66%的样品属于高成熟阶段，31.03%的样品处于过成熟阶段早期，处于过成熟阶段晚期的样品占5.17%(图5)。可以看出，黔西地区打屋坝组富有机质页岩演化相对较高，主要处于高成熟和过成熟阶段早期。

4 讨论

有机碳含量、干酪根类型、有机质成熟度是评价烃源岩生烃能力的关键部分，在页岩气勘查方面，他们也是评价富有机质页岩是否具有页岩气勘查潜力的重要参数。目前业界对于富有机质页岩TOC需要达到多少才具有经济价值尚无统一标准。SCHMOKER[14]和BOWKER[15]分别认为具有页岩气潜质的页岩，其TOC至少应该大于2%或者2.5%～3%。由于美国主要页岩气开发区TOC普遍偏高，如Barnett页岩TOC为3%～13%[16]，因此美国认定的对页岩油气潜质页岩的TOC下限值也较高。聂海宽等[17]对比了Barnett页岩和我国南方地质条件特征，认为具有工业价值的潜力页岩TOC平均含量应大于1%。张卫东等[18]的观点则认为，具有工业开采潜力的页岩TOC下限值为2%。周德华和焦方正[19]对四川盆地建南地区侏罗系页岩气甜点评价时认为，TOC平均含量的下限值为1%。

图4 黔西普安白沙地区下石炭统打屋坝组干酪根显微特征

图5 黔西地区下石炭统打屋坝组主要采样点Ro频率分布

根据以往研究资料，打屋坝组TOC含量在0.45%～2.74%之间，平均1.41%，整体较高。在平面上，黔西地区打屋坝组TOC分布呈北西—南东向线型，威宁—六盘水一带TOC较高，同时往北东和南西方向有机碳含量逐渐降低；局部地区出现高值区，威宁地区TOC含量最高可达到2%以上，普安龙吟、六枝一带有机碳含量则普遍大于1.0%；整体TOC分布特征与垭紫罗断裂带走向一致(图6)。对于垭紫罗断裂带与富有机质页岩有机碳含量之间的关系有待进一步探讨。

富有机质页岩成熟度是常规烃源岩评价的重要指标，也是页岩气潜力评价中的重要指标。美国重点页岩层系富有机质页岩的成熟度差异较大(如Antrim页岩Ro在0.4%～0.6%[20]，Lewis页岩Ro在1.6～1.88[13]，Barnett页岩Ro在1.6%～2.27%[21])，使得美国在非常规油气勘探开发领域整体呈现页岩气和页岩油并重的局面。我国海相页岩成熟度相对偏高，Ro普遍在2%～5%[1]，较高的成熟度使得我国南方古生界非常规油气资源勘查偏重于页岩气。

图6 黔西地区下石炭统打屋坝组有机碳含量与成熟度分布

从富有机质泥页岩成熟度来看，打屋坝组总体演化程度较高，整个黔西地区打屋坝组的Ro为1.0%～4.0%，主体分布在1.0%～3.0%之间，成熟度由北东往南西增大，但在水城北部下石炭统沉积区有机质成熟度Ro普遍大于2.0%(图6)。本次重点采集样品的3条剖面有机质成熟度一般较前人测试结果偏低，可能与地层埋深及有机质后期演化有关。在平面上，打屋坝组有机质成熟度以普安地区为中心，Ro达到3.0%以上，向四周减小，向西至盘县一带有机质成熟度Ro<2.0%，低值区主要分布在龙吟、水城、都格所限定的三角区域(图6)。北部有机质成熟度则以威宁为中心，向外围逐渐减小。

黔西地区六盘水水城地区打屋坝组TOC在0.5%～1.0%，Ro在1.3%～2.3%，尽管TOC较低，但Ro较为适中。普安—晴隆地区打屋坝组TOC在0.95%～1.95%，Ro在1.1%～3.5%，TOC和Ro都比较理想。盘县珠东地区TOC平均值是0.68%，Ro平均值是2.43%，TOC偏低且Ro偏高。从富有机质页岩有机地化特征组合来看，六盘水水城地区和普安—晴隆地区属于下石炭统打屋坝组页岩气潜力地区。