滇东地区筇竹寺组页岩气储层特征研究

2021-01-14陈志柱张宗羲

云南地质 2020年4期

陈志柱，张宗羲，杨楠

(云南省煤炭地质勘查院，云南昆明 650218)

页岩气是指主体位于暗色泥页岩或高碳泥页岩中，以吸附或游离状态为主要存在方式的天然气(张金川，2003)。根据区域地质资料及野外调查结果，云南省滇东地区下下寒武统筇竹寺组(∈1q)发育一套灰黑-黑色泥页岩，区域展布稳定，分布区域广，单层厚度大，有机质丰度高，是滇东页岩气勘探评价的主要层位之一。本文通过收集大量的资料，结合地层、岩性岩相、有机地球化学、页岩气成藏条件等，对滇东地区页岩气储层特征进行了研究。

1 区域地质背景

本次研究区主要是在滇东地区的一个构造单元(图1)，西以小江断裂东支为界，东到昭通-曲靖断裂，南以富源-师宗断裂为界，北至寻甸宣威断裂。区内共有4套有机质页岩，分别是下寒武统筇竹寺组(∈1q)、上志留统关底组(S3g)、上志留统妙高组(S3m)、上志留统玉龙寺组(S3y)，其中有机质页岩发育较好的为下寒武统筇竹寺组(∈1q)及志留统玉龙寺组(S3y)(云南省煤田地质局，2012)。其中筇竹寺组的有机质页岩的TOC最高可达10%～12%，有较好的烃源岩背景(云南省煤炭地质勘查院，2012)。

图1 滇东地区构造纲要图(据石显耀等，2009，修改)Fig 1.Map of Structure Outline

2 筇竹寺组厚度与展布特征

早寒武世，研究区多属滨海-浅海沉积环境，筇竹寺期海水逐渐变深，还原环境加强，为浅海较深水环境，发育一套稳定的黑色页岩、粉砂岩，多含炭质及黄铁矿，也有含钾磷块岩及吸附型多金属矿，此期沉积的黑色页岩富含有机质。筇竹寺组底部为黑色硅质页岩、碳质页岩，全区可见且稳定；往上为深灰色页岩夹薄层细砂岩，顶部向沧浪铺组过渡地段，有砂岩增多、厚度加大的趋势。通过地质剖面的测量和相关地质资料，分析区域上筇竹寺组整体沉积厚度，据此绘制了富有机质页岩厚度图(图2)。

图2 筇竹寺组暗色泥页岩厚度等值线图Fig 2.Thickness Isoline of Qiongzhusi Formation Dark Argillo-Shale

寒武纪早期滇东为浅海盆地，盆地沉积中心位于研究区北部的会泽小麦地及曲靖德泽地区、中部的马龙矿山地区以及南部的宜良红石岩一带。筇竹寺组玉案山段岩层在马龙矿山厚达328m；在早寒武世，会泽小麦地为继承性强烈拗陷区，一直是岩层最厚地区之一(唐良栋，1994)。整个研究区筇竹寺组(∈1q)黑色页岩的厚度60m～110m，沉积中心在马龙、曲靖一带，总体上以马龙、曲靖为中心向四周呈变薄的趋势。

3 筇竹寺组有机地球化学特征

富含有机质页岩的生气能力和储集能力与其自身的地球化学特征密切相关。生成页岩气的能力和数量主要取决于有机质类型、页岩有机碳含量及有机质热演化程度。前两个因素主要由沉积环境决定，最后一个因素主要取决于沉积的热演化强度和持续时间。

3.1 有机质类型

研究区目标层有机质演化程度属于过成熟阶段，对其干酪根类型划分采用干酪根显微组分分析方法。具体方法是在镜下观测干酪根的形态，统计其不同组分百分含量来确定类型。通过对研究区筇竹寺组(∈1q)黑色页岩已采集16件样品进行的干酪根显微组分鉴定及类型划分，干酪根显微组分主要为棕色-棕褐色的腐泥组，含量较高，占51%～78%，类型以Ⅱ型(腐植腐泥型)为主。筇竹寺组黑色页岩主要沉积于深水还原环境，有机质主要为菌藻类和浮游动物遗体，所以其生烃潜量很高的腐泥组含量较高。

3.2 有机质丰度

有机质含量不仅影响着泥页岩的密度、颜色、放射性、抗风化性能力等物理化学性质，更是生油和生气的物质基础。它还是生烃强度的主要因素，也是吸附气存在的载体，决定着吸附气含量的多少，还是增加页岩孔隙空间的重要因素之一，影响着页岩游离气的含量。

研究区内在野外露头处总共采集了54个筇竹寺组(∈1q)黑色页岩样品进行有机碳含量测试，研究区有机质丰度较高，分布在0.85%～12.29%，平均4.37%。横向上变化较大；纵向上，由底部到顶部含量呈递减趋势。对研究区有机碳含量区间统计显示含量大于2%的样品约占全部样品的81.48%，整体评价为较好烃源岩，适合页岩气的生成和富集。

沉积环境是影响有机碳含量的重要因素之一，整个研究区筇竹寺期都是深海-浅海较深水环境，而造成地表有机碳含量差异的主要因素是后期的构造改造及风化作用。研究区西侧靠近贯穿滇东地区的小江大断裂，其地表有机碳含量均较低，这和小江断裂自形成后多期的强烈运动有一定的关系。而研究区东部的马龙、曲靖地区为盆地的沉积中心地带，TOC含量整体较高。整个研究区总体上为较好的烃源岩(图3)。垂向上，TOC含量从顶部到底部逐渐增大。

图3 筇竹寺组富有机质页岩有机碳含量等值线图Fig 3.Organic C Content Isoline of Qiongzhusi Formation Organism-Rich Shale

3.3 有机质成熟度

在热成因页岩气的储层中，烃类气体的生成是时间、温度和压力的共同作用。热成熟度控制有机质的生烃能力，不但直接影响页岩气的生气量，而且对生烃后天然气的赋存状态、运移程度、聚集场所等也有影响。作为储层，影响有机物表面的吸附气量。

筇竹寺组(∈1q)的15个样品的Ro范围为1.41%～3.39%，平均值为2.54%。演化程度属于高-过成熟阶段(Ro>2%)，整体上具有较高的生气潜力。

通过分析化验结果，结合成熟度与埋深的关系，绘制了研究区Ro等值线图(图4)。靠近沉积中心曲靖、马龙地区及埋深较深的沾益-宣威地区成熟度都较高。

图4 筇竹寺组暗色泥页岩成熟度等值线图Fig 4.Maturity Isoline of Qiongzhusi Formation Dark Argillo-Shale

4 矿物学特征

页岩的有机质丰度、有机质成熟度和矿物组成是页岩储层发育的重要因素。页岩中的气体主要以游离态、吸附态和溶解态存在于储层中，或游离于页岩裂缝和孔隙中，储层矿物学特征分析是研究储层页岩气赋存特征、吸附能力和基质孔隙度的基础工作。

利用 D8 DISCOVER型X射线衍射仪对研究区及周边筇竹寺组(∈1q) 21 个泥页岩岩样品进行了黏土矿物总量和常见非黏土矿物 x 射线衍射定量分析，测试结果显示研究区泥页岩矿物成分复杂，普遍含有伊利石、绿泥石等黏土矿物，以及石英、斜长石、钾长石、碳酸盐矿物等，某些样品还含有黄铁矿等自生矿物。研究区泥页岩的主要矿物组分为石英、黏土矿物及碳酸岩矿物，部分泥页岩含有黄铁矿，说明泥页岩沉积于缺氧的强还原环境。脆性矿物含量在63.0%～97.0%之间，黏土矿物含量为9.0%～37.0%。

测试的21个样品中，所有样品中都含有纯度较高的伊利石，平均含量超过40.0%，部分样品中含量伊利石、伊/蒙混层、高岭石、绿泥石，伊/蒙混层含量为8.0%～74.0%，平均为40.9%，绿泥石为1.0%～39.0%，平均含量为13.6%，印证了以绿泥石为标志的海相盆地相沉积环境。根据泥质岩黏土矿物演化与成岩阶段划分标准，说明研究区已进入成岩晚期作用阶段，高且纯度较高的伊利石含量更加表明滇东地区筇竹寺组(∈1q)底部页岩已经处于成岩晚期作用阶段，与前文所述的有机质成熟度Ro 1.4%-3.4%，处于演化的高-过成熟阶段相对应。

5 页岩物性特征

5.1 页岩孔隙度特征

页岩气藏孔隙大小的分布范围一般很宽，形状也复杂多样，而且存在纳米级的孔隙。研究孔隙度及其结构特征对计算页岩气藏的含气量和页岩气的流动能力至关重要。本区筇竹寺组(∈1q)暗色泥页岩孔隙度介于0.8%～19.0%之间，平均孔隙度为9.9%，其中孔隙度大于4.0%的频度为83.0%(图5)。在扫描电镜下马龙鸡棕洞地区的样品全部可见微孔隙(图6)，常见1μm～5μm，部分5μm～10μm，少量微孔缝宽1μm～5μm，孔缝长十几微米-几十微米；宜良龙兑样品的结构性较疏松，微孔隙较发育，微孔缝宽1μm～6μm居多，孔缝长多在十几微米-几十微米，常见孔隙1μm～8μm，黄铁矿微晶集合分布泥晶间。

图5 研究区筇竹寺组孔隙度分布直方图Fig 5.Porosity Distribution Histogram of Qiongzhusi Formation in Study Area

图6 黑色碳质页岩(样品号：ML12；下寒武统筇竹寺组 ∈1q)Fig 6.Black Carbonaceous Shale(Sample No：ML12 Lower Cambrian Qiongzhusi Formation ∈1q)

5.2 页岩渗透率

页岩渗透率对页岩气的赋存形式有一定程度上的影响，渗透率越大，游离态气的赋存空间也就越大。研究区筇竹寺组暗色泥页岩的渗透率在0.008md～1.773md之间，平均为0.200md。这一数值也比页岩一般渗透率0.100md偏大，分析原因可能也与地表风化有关，但在一定程度上也能反映该区储层物性相对较好(图7)。