滇东-黔西二叠系龙潭组层序格架内致密天然气储层特征

赵 青, 戴晓燕, 刘 波, 汤海磊, 全贵龙

(1.北京大学 地球与空间科学学院，北京100871;2.云南大学 地球科学学院，昆明 650500；3.贵州省地质矿产勘查开发局 一一五地质大队，贵阳551400)

全球非常规天然气资源丰富，近4×1015m3，是常规天然气资源量的8倍，而以煤层气为主的煤系致密气是非常规天然气资源的重要组成部分[1]，据不完全统计全球煤层气资源量已超过2.6×1014m3。美国和加拿大是世界上率先进行煤层气商业化开发的国家，也是迄今为止煤层气产量最高的国家[2-3]。

中国非常规天然气产量已达5.4×1010m3左右，约占全国天然气总产量的1/3，具有多时代、多层系、分布广、潜力巨大等特点[4]。近年来，随着地质认识不断深化，勘探开发技术不断进步，中国以页岩气为代表的致密天然气勘探取得了重大进展，广泛分布的含煤岩系的资源潜力也逐渐受到重视，尤其是煤系非常规致密天然气[5-7]。

中国西南地区海陆过渡相的含煤层系总有机碳含量较高，演化程度一般在过成熟早期以下，有利于形成页岩气、煤层气和致密砂岩气等多种类型叠置的天然气藏[7]。前期初步勘探已在黔西二叠系龙潭组发现非常规天然气藏[8]。本文旨在通过野外地质调查和区域对比，深入分析滇东-黔西地区龙潭组沉积层序和致密储层类型及其展布规律，以期为研究区的非常规天然气资源的进一步勘探提供参考。

1 地质背景

1.1 构造-沉积背景

滇东-黔西地区位于扬子板块西南缘与华南褶皱系邻接处，加里东末期的东吴运动导致其缓慢抬升，并遭受剥蚀夷平[9-10]，造成该区域上二叠统与中二叠统呈假整合接触。加之峨眉山玄武岩喷发，形成了二叠纪龙潭期扬子板块西北高、东南低的古地貌格局[11]，西北部山地成为丰富的陆源供给区[12-17]；加之作为海陆过渡带的滇东-黔西区域气候温润、植物繁茂，形成中国南方重要的龙潭组煤系地层[18-19]。在龙潭组沉积之后，扬子板块再次经历海侵并形成了晚二叠世到中三叠世的海侵沉积。晚三叠世的印支运动在滇东-黔西主要表现为北强南弱、东强西弱的差异抬升，导致部分区域地层缺失。

1.2 龙潭期沉积环境

龙潭组沉积时期，滇东-黔西地区为扬子板块西部海陆过渡沉积区。其西北侧为玄武岩发育的康滇古陆[20-21](图1)，是主要的物源供给区，东南为浅海陆棚区域。龙潭组自西向东相带齐全，沉积类型丰富多样，其与宣威组为同时异相沉积，同为一套含煤碎屑岩[22]。陆相河流沉积体系包括辫状河、网状河和曲流河；三角洲沉积体系由三角洲平原、三角洲前缘与前三角洲构成；海相沉积体系主要为浅海碳酸盐台地相和台缘生物礁相。

图1 滇东-黔西二叠纪龙潭期构造沉积背景Fig.1 The tectonic and sedimentary background of the Longtan period in eastern Yunnan-western Guizhou(据马永生等[20]和Huang等[21]修编)

龙潭期早期海域的沉积韵律和相带展布格局与峨眉山玄武岩间歇性多旋回喷发相关[23]。沉积相带走向为北东-南西向，相带宽度受古地形坡度控制，各相带呈指状交错并逐渐过渡。由北西向南东为河流-三角洲-潮坪、潟湖-碎屑泥质潮下-局限碳酸盐台地-开阔碳酸盐台地-边缘生物礁，形成了滇东-黔西从北西向南东由陆相-过渡相-海相的古地理格局[24-26]。

2 龙潭组层序地层格架

2.1 层序界面识别

滇东-黔西龙潭期沉积环境主要为冲积平原、三角洲、碎屑海岸、碳酸盐台地及斜坡-盆地沉积体系。研究区为海陆过渡区，沉积充填对海平面变化较为敏感。在振荡性相对海平面波动控制下，形成了纵横向快速变化的旋回性沉积。在龙潭组层序单元内部，可识别出3个Ⅲ级层序界面，即SB1、SB2、SB3。

SB1：区域不整合面，即龙潭组与峨眉山玄武岩组或茅口组之间的假整合面，界面之下为紫红色玄武岩、凝灰岩或浅灰色厚层状微晶灰岩，界面之上为浅灰色含黄铁矿黏土岩[27]。

SB2：沉积体系转换面，即为第一套煤系地层沉积之后的海退界面，煤层顶板砂岩界面之下为潟湖-潮坪沉积体系，界面之上为三角洲平原沉积体系。

SB3：侵蚀不整合面，底界面经历了河道强烈下切作用，其碎屑成分、沉积环境和古生物组合等有明显的差异[27]。

2.2 层序划分

龙潭组沉积物主要由砂岩、粉砂岩和页岩组成，常与薄泥质灰岩和煤层互层[27-28]。龙潭组由SB1、SB2、SB3层序界面自下而上划分出SQⅠ、SQⅡ、SQⅢ共3个Ⅲ级层序，SQⅠ层序相当于龙潭组下段，SQⅡ层序相当于龙潭组中段，SQⅢ层序相当于龙潭组上段。3个Ⅲ级层序，代表龙潭期整体相对海平面上升基础上的3次相对海平面上升旋回[29](图2)。

2.3 体系域特征

SQⅠ低位体系域覆于研究区的绝大部分地区，主要发育凝灰岩与铝土岩及铝土质泥岩，铝土岩呈浅灰色，顶部为薄层浅灰色铝土质泥岩，含植物的根化石。SQⅡ低位体系域大部分地区岩性以细砂岩为主，发育大型槽状及板状交错层理，砂岩底部近冲刷面，主要为三角洲平原分流河道沉积。SQⅢ低位体系域主要为分流河道、天然堤、决口扇、碎屑泥质潮下和局限台地沉积。

图2 滇东-黔西龙潭组沉积层序及相对海平面变化Fig.2 Sedimentary sequence and relative sea-level changes of Longtan Formation in eastern Yunnan-western Guizhou(据贵州省地质调查院[29]修编)LST.低位体系域; TST.海侵体系域; HST.高位体系域

SQⅠ海侵体系域主要发育天然堤、决口扇、分流间湾、沼泽、潮坪、潟湖相沉积，可见双向交错层理，砂泥岩薄互层以及石灰岩、泥岩等。研究区东部主要是局限和开阔台地以及潮下碎屑泥质沉积。SQⅡ海侵体系域发育河道和分流河道沉积、潮坪沉积、局限台地沉积等，其中东部地区发育一套生物碎屑灰岩，为生物礁滩沉积。SQⅢ海侵体系域主要是分流河道沉积、潮坪及分流间湾沉积，底部显示明显的冲刷面。在东部地区可见石灰岩、燧石灰岩、生物碎屑灰岩，主要是半局限台地、生物礁滩、深水盆地沉积。

SQⅠ高位体系域主要是河道、边滩、天然堤、潮坪、潟湖、沼泽、半局限-局限台地以及开阔台地沉积，可见厚煤层。SQⅡ高位体系域为分流河道、泛滥盆地、分流间湾潮坪、潟湖沉积；在中部地区可见煤层，薄层砂泥岩互层。SQⅢ高位体系域岩性和沉积相的发育总体上同海侵体系域类似，只是在横向上向西迁移。

3 层序格架内沉积演化特征

3.1 SQⅠ沉积充填

SQⅠ为龙潭组下部第一个Ⅲ级层序，反映了从东南向西北的海侵沉积体系。在水城一带主要发育细砂岩、泥岩；纳雍、织金一带主要发育泥岩、细砂岩、煤岩；贵阳一带主要发育石灰岩、泥岩等[30](图3)。罗平一带主要发育细砂岩、页岩；盘州、晴隆一带主要发育泥岩、页岩、生物灰岩；镇宁、安顺、黔西、金沙一带发育石灰岩、泥岩(图4、图5)。

3.2 SQⅡ沉积充填

SQⅡ为龙潭组第二个Ⅲ级海侵层序，层序结构及展布规律与SQⅠ类似。在罗平阿岗地区发育中、细砂岩；盘州地区发育泥页岩；镇宁、安顺一带发育砂岩与灰岩互层；东部平坝发育石灰岩，为局限台地沉积(图4)。SQⅡ总体上灰岩不发育，只在金沙和桐梓的少部分地区有少量灰岩分布[29](图5)。

3.3 SQⅢ沉积充填

SQⅢ为龙潭组第三个Ⅲ级层序，层序结构及横向继承了SQⅠ和SQⅡ的特征。在昭通彝良、水城汪家寨、水城老鹰山等地区普遍发育泥岩、细砂岩、煤岩；贵阳一带主要发育石灰岩(图3)；罗平阿岗地区发育中厚层状细砂岩；中西部其余地区普遍发育细砂岩、泥岩、泥质粉砂岩；东部主要发育石灰岩、砂岩(图4)。泥页岩的变化范围和幅度要比砂岩的大。SQⅢ的灰岩分布范围比SQⅠ和SQⅡ要广，且具有向东南加厚的趋势，到桐梓地区完全变为生物碎屑灰岩和炭质灰岩。

图3 昭通彝良-贵阳牛场龙潭组层序划分对比图Fig.3 Sequence division and correlation of Longtan Formation in Zhaotong Yiliang-Guiyang Niuchang 据贵州省煤田地质局[30]修编; 剖面位置见图1中A-A’

图4 罗平阿岗-平坝谷豹龙潭组层序划分对比图Fig.4 Sequence division and correlation of Longtan Formation in Luoping A’gang-Pingba Gubao 据贵州省煤田地质局[30]修编; 剖面位置见图1中B-B’

图5 盘州-桐梓龙潭组层序划分对比图Fig.5 Sequence division and correlation of Longtan Formation in Panzhou-Tongzi 据贵州省煤田地质局[30]修编; 剖面位置见图1中C-C’

各地区垂向岩相组合虽各有特征，但都反映了在峨眉山玄武岩喷发后的西北高东南低的古地貌格局上的旋回性海侵沉积，处于海陆过渡区的滇东-黔西地区形成了3个明显的Ⅲ级海侵层序，每个海侵层序由振荡性的相对海平面上升形成。

4 龙潭组致密天然气储层

综上，滇东-黔西地区龙潭组岩性主要为灰、深灰色泥质粉砂岩、粉砂质泥岩、细砂岩、页岩、灰岩、黑色炭质泥岩及煤层，局部夹浅灰色生屑砂岩。从致密储层角度来看，滇东-黔西地区的龙潭组存在3类致密储层，分别是煤岩、泥页岩和致密砂岩。

4.1 煤岩致密储层

在滇东地区龙潭组含煤层0～30层，一般0～9层，含可采煤层0～4层，可采厚度0.6～3 m；东部含煤性较好，向西含煤性急剧变差，均为薄煤层或煤线。如晴隆地区砂锅厂附近(图6-A)，厚约257 m，一般含煤层10～20层，煤层厚0.2～1.5 m。盘州(图6-B)、水城、纳雍之间地区含煤性渐好，往外围含煤性逐渐变差。可见煤层底部与凝灰质灰岩相接触(图6-D)。总体来说，本区域龙潭组煤岩主要分布在SQⅡ，主要为三角洲平原、潮坪-潟湖沉积相，煤岩呈长轴状展布，大致为北东向，煤层厚度具有从滇东地区向黔西地区逐渐增大的趋势。研究区的龙潭组煤层厚度高值区主要有两个，其一是盘州-普安地区，其二是六盘水地区(表1)。

龙潭组煤岩(图7-A、D)由碎屑矿物、黏土矿物和自生脆性矿物组成且含量相差不大。自生脆性矿物含量明显高于炭质泥岩，主要表现为方解石及黄铁矿含量较高(图8-A)。煤岩中黏土矿物主要有绿泥石、伊利石及伊蒙混层(图8-D)。由下至上碎屑矿物、自生脆性矿物减少，黏土矿物增加。通过对黔普地1井、平桥1井的综合分析，煤岩孔隙度主要在2%～6%，个别煤岩的孔隙度大于6%；岩石渗透率为(0.01～0.5)×10-3μm，个别样品的渗透率>1×10-3μm(图9)。龙潭组煤岩主要发育有机质孔，煤岩中多孔胞状孔隙(图7-J)、植物胞腔孔(图7-K)，纹层构造(图7-L)发育，具有较好的渗流通道。煤岩脆性程度高，渗透率与微裂隙发育程度相关[23]。

图6 滇东-黔西龙潭组地层特征Fig.6 Sedimentary characteristics of Longtan Formation in eastern Yunnan-western Guizhou(A)贵州晴隆县沙子镇龙潭组野外露头，可分为3个Ⅲ级层序，分别对应于龙潭组下段、中段、上段； (B)贵州盘州市羊场坡龙潭组野外露头，煤层中夹有泥岩、灰岩、砂岩； (C)云南曲靖市哈马寨龙潭组同时异相沉积(宣威组)野外露头，可见多个菱铁矿层旋回层序； (D)云南曲靖市哈马寨龙潭组同时异相沉积(宣威组)凝灰质灰岩与煤层接触； (E)云南罗平县法郎龙潭组粉砂岩夹煤矸石韵律； (F)贵州盘州市羊场坡龙潭组含菱铁矿层

4.2 泥页岩致密储层

泥页岩致密储层厚度最大可达57.7 m，厚度分布不均，变化较大，总体上呈放射状展布，主要集中分布于龙潭组下段和中段，主要为潮坪-潟湖相。第一大沉积中心位于六盘水市水城地区，第二大沉积中心位于兴仁地区(表1)。

黔普地1井、平桥1井3件龙潭组炭质泥岩碎屑矿物含量和黏土矿物含量大致相等，自生脆性矿物含量较少(图7-B)。炭质泥岩自生脆性矿物以石英和长石为主(图8-B)，黏土矿物主要有绿泥石、伊利石、伊蒙混层(图8-D)。总体向上绿泥石增加、伊/蒙层间比减少，表明随着埋藏深度变浅，伊-蒙转化程度降低。由下至上石英含量呈“减少-增多-减少-增多”的变化旋回，与黏土矿物呈明显的负相关对应关系；方解石含量向上增加，黄铁矿向上减少，表明水体总体变浅，还原环境变弱。通过对黔普地1井、平桥1井的综合分析，炭质页岩的孔隙度主要在1.0%～2.0%，渗透率主要在(0.005～0.15)×10-3μm(图9)。不同地区炭质页岩的孔隙度、密度值相差不大，其孔隙均以无机矿物孔隙为主，黏土矿物对孔隙表面积和体积的贡献起着重要作用[22,31-32]；但渗透率差值极为悬殊，可能与岩石的非均质性有关，裂缝发育也影响渗透率。

图7 滇东-黔西地区龙潭组岩石特征Fig.7 Characteristics of Longtan Formation rocks in eastern Yunnan-western Guizhou(A)黔普地1井龙潭组三角洲相煤层; (B)黔普地1井龙潭组潟湖相富有机质泥页岩; (C)黔普地1井龙潭组三角洲相致密砂岩; (D)龙潭组煤矸石显微特征，曲靖市罗平县法郎村，单偏光; (E)龙潭组钙质胶结凝灰质细砂岩显微特征，曲靖市罗平县法郎，单偏光; (F)龙潭组钙质胶结凝灰质细砂岩显微特征，曲靖市罗平县法郎村，单偏光; (G)龙潭组含凝灰质生物碎屑灰岩显微特征，有硅化现象，有少量火山凝灰和磁铁矿，安顺市镇宁县，单偏光; (H)龙潭组颗粒灰岩溶孔被硅质充填，可见鲕粒结构，盘州市羊场坡村，正交偏光; (I)龙潭组含硅质灰岩，曲靖市罗平县法郎村，CL; (J)宣威组煤矸石中多孔胞状孔隙，曲靖市茨营镇哈马寨，SEM; (K)宣威组凝灰质煤岩中植物胞腔孔， 曲靖市茨营镇哈马寨， SEM; (L) 宣威组煤矸石中平行纹层， 曲靖市茨营镇哈马寨， SEM

4.3 致密砂岩储层

致密砂岩储层最大厚度可达233.5 m，厚度分布不均，变化较大，总体在织金-晴隆一带砂岩累计沉积厚度最大(表1)，主要为三角洲前缘亚相。致密砂岩(图7-C)颜色为浅灰、灰绿、黄绿色夹紫红色斑块，分选性、磨圆度中等(图7-E、F)，由微粒状菱铁矿和黏土矿物呈接触-孔隙式胶结，可与煤矸石(图6-E)、炭质泥岩薄层(纹层)呈互层状(图6-C)，具水平互层、板状及楔状交错层理，生物扰动构造发育，所含生物化石主要是大羽羊齿植物群，偶见垂直或水平的简单虫管、植物根痕。其中广泛发育黄铁矿和菱铁矿结核，菱铁质结核常呈薄层条带状产出(图6-F)[27]。

图8 滇东-黔西地区龙潭组煤岩、泥页岩、致密砂岩矿物组分特征Fig.8 Characteristics of mineral compositions of Longtan Formation coal rock, shale, and tight sandstone in eastern Yunnan-western Guizhou

表1 滇东-黔西龙潭组致密天然气储层类型及特征Table 1 Types and characteristics of Longtan Formation tight natural gas reservoirs in eastern Yunnan-western Guizhou

自生脆性矿物和碎屑矿物含量均较高，黏土矿物以伊-蒙间层矿物为主，少量绿泥石(图7-E)。平桥1井砂岩碎屑矿物的质量分数高达50%；黏土矿物含量和自生脆性矿物含量大致相等。纵向上，黏土矿物含量由下向上增加，其他矿物未见明显的变化趋势。平桥1井致密砂岩样品黏土矿物以伊-蒙间层矿物为主，其次为绿泥石，另外含有少量的伊利石(图8-D)。由下向上伊-蒙间层矿物增多、伊利石含量减少。脆性矿物主要是长石和方解石(图7-H、图8-C)，方解石的阴极发光呈橙红色(图7-I)。龙潭组砂岩孔隙较发育，主要发育矿物溶蚀孔、粒内溶孔、黏土矿物溶孔、晶间孔。黔普地1井、平桥1井致密砂岩岩石的孔隙度主要在0.3%～4.1%，渗透率主要在(0.005～0.05)×10-3μm(图9)。研究区龙潭组致密砂岩厚度分布不均，变化较大，总体在织金-晴隆一带砂岩累计厚度最大。

图9 滇东-黔西地区龙潭组煤岩、泥页岩、致密砂岩孔-渗关系图Fig.9 Pore-permeability relation of Longtan Formation coal rock, shale, and tight sandstone in eastern Yunnan-western Guizhou

5 结 论

滇东-黔西地区经历了多期构造运动，包括海西运动、印支运动、燕山运动和喜马拉雅运动等。早、晚二叠世之交与峨眉山火山活动相关的东吴运动导致扬子板块整体隆升并向东南倾斜，在此期间及随后的3次相对海平面上升旋回在本区域形成了海陆过渡相的龙潭组煤系地层。

在相对海平面上升旋回期间，由东南向西北发生海侵，海侵期由西北向东南依次发育冲积平原→滨海平原→潮坪→局限台地→开阔台地相带。高水位期陆缘、潮坪及台缘斜坡相带变宽，局限—开阔台地相带范围缩小。煤层主要发育于中部区域的海侵体系域和高位体系域中。

龙潭组岩性组合多样，形成了“煤-泥-砂”互层并且具有明显旋回沉积的特点，其岩性组合相对海相和陆相页岩的变化范围、幅度及频率更大。煤层在全区广泛发育，总厚度自西向东略有降低；页岩气储层主要分布在黔西南的普安地区、织金-大方地区、黔西-金沙的部分地区；致密砂岩气储层主要分布在织金地区、普安-兴仁地区以及金沙部分地区。

龙潭组的煤岩、泥页岩、致密砂岩都具有一定的含气性，但含气量从煤→泥页岩→致密砂岩具有逐渐变弱的变化规律。通过连井剖面对比分析表明，泥页岩的变化范围和幅度要比砂岩的大。龙潭组SQⅠ和SQⅡ的泥页岩和煤的岩性组合和垂向分布由西向东延伸较为稳定，SQⅢ和SQⅠ的灰岩发育程度要比SQⅡ高，SQⅢ整体不利于煤系致密气的富集。

综上，煤岩和泥页岩在相邻的黔北地区、四川泸州、重庆永川和云南的弥勒、普者黑等地延展分布，这些区域具有保存条件的龙潭组可能存在丰富的致密储层和天然气藏。