滇黔北地区五峰组—龙马溪组页岩气富集条件及有利区预测
赵瞻1,2, 李嵘1,2, 冯伟明1,2, 余谦1,2, 杨瀚3,4, 朱丽霞1
1.中国地质调查局成都地质调查中心
2.国土资源部沉积盆地与油气资源重点实验室
3.重庆地质矿产研究院
4.国土资源部页岩气资源勘查重点实验室

作者简介:赵瞻,1982年生,工程师,硕士;主要从事石油地质、非常规油气、沉积学等方面的研究工作。地址:(610081)四川省成都市金牛区一环路北三段2号。ORCID: 0000-0001-9592-0536。E-mail: zhaozhan1982@163.com

摘要

滇黔北地区上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组海相页岩具有较好的页岩气资源前景,但目前对于其复杂地质条件下的页岩气成藏富集规律仍不明确。为此,基于最新的钻井资料,结合野外露头剖面观察和样品测试结果,对该区五峰组—龙马溪组的沉积环境,优质页岩的分布与埋深、有机地球化学指标、储集性参数、含气性等页岩气富集条件进行了系统分析,预测了优质页岩有利区带并评价其勘探潜力。结果表明:①该区五峰组—龙马溪组为浅水陆棚—深水陆棚沉积,沉积环境控制了优质页岩的厚度与分布,地史沉积格局和后期构造运动改造控制了底界埋深——底界埋深介于0~4 000 m,优质页岩沉积厚度介于0~60 m;②该区优质页岩有机碳含量高(1.0%~4.0%),热演化程度高(过成熟),有机质类型稳定(腐泥型—偏腐泥混合型),生烃强度高(1.0×108~4.0×108m3/km2),生烃潜力较大;③优质页岩脆性矿物含量较高,破裂潜力较好,储层储集空间类型多、微裂缝发育;④区内局部保存条件较好,具备页岩气成藏的良好地质条件。结论认为:盐津西、筠连南、威信—叙永—古蔺、习水东等4个区域五峰组—龙马溪组页岩气成藏条件优越,具备良好的页岩气勘探潜力,为该区最有利的页岩气勘探区带。

关键词: 滇黔北地区; 晚奥陶世—早志留世; 优质页岩; 有机地球化学指标; 富集条件; 有利区预测; 勘探潜力
Enrichment conditions and favorable zone prediction of Wufeng-Longmaxi shale gas reservoirs in the northern Yunnan-Guizhou provinces, China
Zhao Zhan1,2, Li Rong1,2, Feng Weiming1,2, Yu Qian1,2, Yang Han3,4, Zhu Lixia1
1. Chengdu Center of Geological Survey, China Geological Survey, Chengdu, Sichuan 610081, China
2. MLR Key Laboratory of Sedimentary Basin and Oil and Gas Resources, Chengdu, Sichuan 610081, China
3. Chongqing Institute of Geology and Mineral Resources, Chongqing 400042, China
4. MLR Key Laboratory of Shale Gas Exploration, Chongqing 400042, China
Abstract

Marine shale of Upper Ordovician Wufeng-Lower Silurian Longmaxi Fms in the northern Yunnan-Guizhou provinces of China has a good prospect of shale gas resources. At present, however, the enrichment laws of shale gas accumulation under complex geological conditions are not clear. In this paper, the shale gas enrichment conditions (e.g. the depositional environment of Wufeng-Longmaxi Fms, distribution and depth of quality shale, organic geochemical indicators, reservoir parameters and gas bearing property) were analyzed systematically based on the latest drilling data, combined with field outcrop profile observation and sample test results. Then the favorable zones of quality shale were predicted and their exploration potential was evaluated. And the following research results were obtained. First, the Wufeng-Longmaxi shale gas reservoirs in this area are deposited in an environment of shallow-deep water shelf, and the thickness and distribution of quality shale are controlled by the depositional environment. The burial depth of bottom boundary is dominated by a historical depositional pattern and the later tectonic movement reworking and it is in the range of 0-4 000 m. And the depositional thickness of quality shale is between 0 and 60 m. Second, the quality shale in this area is characterized by high TOC content (1.0-4.0%), high thermal evolution degrees (over-mature), stable types of organic matters (TypeⅠ-Ⅱ1), high hydrocarbon generating intensity (1.0×108-4.0×108 m3/km2) and a great hydrocarbon generating potential. Third, the quality shale has a better fracturing potential due to its higher content of brittle mineral, and there are various types of reservoir space with developed micro fractures. And fourth, the preservation condition in this area is locally good and it is geologically favorable for shale gas accumulation. It is concluded that western Yanjin, southern Junlian, Weixin-Xuyong-Gulin and eastern Xishui are the most favorable shale gas exploration zones in the northern Yunnan-Guizhou provinces of China, and they are superior in the shale gas accumulation of Wufeng-Longmaxi Fms, presenting a great potential of shale gas exploration.

Keyword: Dianqianbei (Northern Yunnan-Guizhou) provinces; Late Ordovician-Early Silurian; Quality shale; Organic geochemical indicator; Enrichment conditions; Favorable zone prediction; Exploration potential

近年来, 中国南方以四川盆地为中心开展的页岩气勘探取得了重大进展, 尤以川东南涪陵、川南长宁地区最为突出, 揭示了中上扬子地区上奥陶统五峰组— 下志留统龙马溪组巨大的页岩气勘探潜力[1, 2, 3, 4, 5, 6, 7]。滇黔北地区作为四川盆地至黔中古隆起的过渡区域, 相比盆内经历了多期构造运动抬升剥蚀, 五峰组— 龙马溪组沉积水体偏浅, 页岩气目标层段偏薄, 地质条件更加复杂, 前人研究虽亦证实了其海相页岩同样具有较好的页岩气资源潜力[8, 9, 10, 11], 但研究仍处于起步阶段(储层特征、单井评价等单方面), 特别是复杂地质条件下的页岩气成藏富集规律及含气性特点等均有待进一步探讨。为此, 笔者结合前人研究成果资料, 利用最新钻井岩心测试结果, 辅助露头剖面观测, 系统地从优质页岩的空间分布、有机地球化学指标、储集性参数、含气性特征等多方面深入分析滇黔北地区五峰组— 龙马溪组页岩气富集条件、预测有利区带并评价其勘探潜力, 以期为该区下一步页岩气勘探开发提供重要地质依据。

1 地质背景

滇黔北地区位于云南昭通、贵州毕节— 遵义、四川宜宾— 泸州三地交汇区域, 大地构造位置隶属于扬子准地台西南边缘滇黔北坳陷, 北接四川盆地, 南抵黔中古隆起, 西南邻滇东古隆起, 东北至武陵坳陷[12](图1)。区内构造挤压强烈、抬升较高、地层形变强度大, 为典型背斜宽缓、向斜紧闭的隔槽式褶皱带[8]。区域地层以震旦系— 侏罗系沉积岩为主, 其中下寒武统、志留系、上三叠统— 侏罗系为碎屑岩沉积, 其余各层系主要发育碳酸盐岩; 地表各地层不同程度出露, 下古生界大部分埋藏于地腹。受黔中古隆起影响, 页岩气目标层段五峰组— 龙马溪组在研究区南部沉积缺失, 其余地区连续分布, 为一套封闭滞留缺氧静水环境下的沉积产物[13], 主要岩性为黑色硅质泥岩、碳质泥岩, 富含笔石化石, 向上渐变为灰黑— 灰色粉砂质泥岩、含钙泥质粉砂岩夹泥灰岩, 泥页岩厚度0~300 m, 由南向北逐渐增厚[14]。近年来区域上针对五峰组— 龙马溪组黑色泥页岩钻井主要集中在北部邻区长宁地区, 区内仅有XY1、TY1、YQ1、YS104等少数页岩气地质浅/探井, 加之新近完钻的石地1、大地1井, 均取得不错的页岩气显示或发现, 表明区内五峰组— 龙马溪组亦具有较好的页岩气资源潜力。

图1 滇黔北地区构造分区及五峰组— 龙马溪组页岩气目标层段综合柱状图

2 优质页岩沉积展布

五峰组— 龙马溪组沉积时期(凯迪晚期— 鲁丹期)扬子盆地构造性质持续转变, 挤压应力使得扬子地块四周古陆不断上升, 海域面积缩小, 上扬子海域成为具浅海深盆特征的克拉通内部滞留盆地[15]。滇黔北地区古地理格局南高北低, 海水域由南向北逐渐加深, 沉积环境由黔中古隆起向深水陆棚过渡, 笔石等水生动物的大量繁殖, 在区域上沉积了一套数十米至百米厚的富有机质黑色岩系, 此套优质页岩(TOC≥ 2%)纵向上主要分布于五峰组— 龙马溪组下部(图2); 平面上, 其同样受沉积相带控制, 优质页岩厚度从彝良— 镇雄— 毕节— 金沙一线向北逐渐增厚, 区内主要介于0~60 m, 向北至沉积中心, 厚度可超过60 m(图3)。

图2 滇黔北地区五峰组— 龙马溪组优质页岩段沉积相对比图

图3 滇黔北地区五峰组— 龙马溪组优质页岩厚度及地球化学指标等值线图

页岩的埋深直接影响页岩气的生产聚集及勘探开发成本, 区内五峰组— 龙马溪组底界埋深主要介于0~4 000 m[16], 埋深最大部位位于各紧闭向斜核部, 出露三叠系— 侏罗系, 埋深达3 000~4 000 m; 两侧以中三叠统底为界的向斜翼部, 埋深0~3 000 m, 埋深较为适中, 勘探首选仍在各向斜翼部。由此, 区内五峰组— 龙马溪组浅水陆棚— 深水陆棚沉积环境控制了优质页岩的厚度与分布, 其底界埋深主要受控于地史沉积格局和后期构造运动改造。

3 页岩气富集条件
3.1 优质页岩有机地球化学指标

滇黔北地区五峰组— 龙马溪组黑色泥页岩干酪根显微组分主要为腐泥无定形体, 及少量浮游藻类体、镜质体、丝质体, 有机质类型以腐泥型(Ⅰ 型)为主, 少量偏腐泥混合型(Ⅱ 1)。有机碳含量(TOC)分布范围为0.19%~8.46%, 垂向上高值区分布于地层底— 下部, 向上随砂质、钙质含量的增加, TOC逐渐降低; 平面上TOC展布亦受沉积环境控制, 高值区反映沉积中心, 区内由南向北逐渐增高, 平均TOC介于1.0%~4.0%, 主体位于有机碳含量高值区(图3)。有机质成熟度(Ro)分布范围为2.02%~3.96%, 大多分布于2.2%~3.0%, 井下样品的Ro值略高于露头样品, 热演化程度达过成熟— 干气阶段, 较有利于页岩气成藏(表1)。

表1 滇黔北地区五峰组— 龙马溪组黑色泥页岩有机地球化学指标表

生烃强度定量地反映了有机质类型、有机质丰度、热演化程度以及黑色泥页岩厚度对生烃能力的综合影响[19, 20]。利用成因体积法[21, 22]计算出区内五峰组— 龙马溪组优质页岩生烃强度介于1.0× 108~4.0× 108m3/km2, 平面上由黔中古隆起向北逐渐增加, 其中盐津— 彝良— 仁怀— 习水一线以北的大部分地区生烃强度介于2.0× 108~4.0× 108m3/km2, 为区内五峰— 龙马溪组优质页岩生烃潜力较有利区(表1、图3)。

3.2 优质页岩储集性参数

页岩中脆性矿物含量的高低, 控制着页岩的造缝能力[23, 24]。区内132件岩心和露头样品全矿物X射线衍射测试结果显示, 五峰组— 龙马溪组优质页岩矿物组成主要为石英、钾长石和斜长石等脆性矿物, 其次为方解石、白云石、黄铁矿等自生脆性矿物及黏土矿物。其中脆性矿物含量介于13.0%~82.0%, 平均为46.63%, 石英贡献最大, 含量平均达37.22%; 自生脆性矿物含量介于0~84.0%, 平均为31.97%; 黏土矿物含量介于7.0%~44.0%, 平均为21.40%, 主要为伊利石和伊/蒙混层, 占黏土矿物总比重的81.8%以上, 其次为绿泥石, 总比重在0~25.0%, 高岭石极少, 不含蒙皂石。全矿物组成三角图投点均靠近脆性矿物端, 页岩破裂潜力较好, 有利于页岩气后期商业开采(图4)。

图4 滇黔北地区五峰组— 龙马溪组优质页岩全矿物组成三角图

与常规储层相比, 泥页岩储层储集空间主要为微孔隙和微裂缝[3]。26件岩心样品脉冲法物性测试结果显示, 五峰组— 龙马溪组优质页岩有效孔隙度介于0.89%~3.12%, 平均为1.58%, 渗透率介于0.001 0~0.326 6 mD, 平均为0.032 0 mD; 有效孔隙度在1.00%~1.75%的区间范围占比高达68.8%, 渗透率以0.001~0.002 mD区间为主, 占比达46.7%, 属低孔隙度— 特低渗透率储层, 且有效孔隙度与渗透率无相关性, 渗透率仅与微裂缝的发育有关。同时, 通过BET比表面积实验测得总孔隙体积介于0.008 39~0.033 72 cm3/g, 计算出总孔隙度为2.22%~8.94%, 平均为4.06%, 物性趋好, 但有效孔隙度仅占总孔隙度的41.62%, 无相关性, 亦表明区内五峰组— 龙马溪组优质页岩储层物性与微裂缝相关。

岩心样品氩离子抛光扫描电镜观察显示五峰组— 龙马溪组优质页岩储层微孔隙和微裂缝多样, 主要包含了有机质收缩孔(缝)、黏土矿物层间缝、脆性矿物晶间孔、粒间孔、粒内孔、溶蚀孔、破裂缝及粒缘缝等储集空间类型(图5)。其中脆性矿物晶间孔、粒间粒内(溶)孔、黏土矿物层间缝直径介于0.3~50 μ m, 有机质收缩孔直径介于70~600 nm, 这些微孔隙多呈扁平状或针尖状, 孤立或局部联通, 但比例较高, 为页岩气提供了良好的吸附空间; 破裂缝、粒缘缝等构造微裂缝局部延伸长度超过100 μ m, 并常见有机质不完全充填, 是页岩气重要的渗流通道, 体现在渗透率跳跃式的增高。

图5 滇黔北地区五峰组— 龙马溪组优质页岩储集空间类型图

3.3 保存条件与页岩含气性

页岩气藏是集气源岩、储气层、盖层于页岩自身的“ 自生自储型” 岩性气藏, 页岩气的含气量及气体组分直接受保存条件控制, 具体体现在“ 三大因素” :①具有良好的顶底板封盖层保护; ②页岩气藏不能有“ 通天断层” ; ③浅层在整体上拥有封闭保存体系[25, 26]。区内五峰组— 龙马溪组有效封盖层主要有其本身志留系碎屑岩作为顶板, 各向斜内有上三叠统— 侏罗系碎屑岩作为区域盖层, 下伏有中奥陶统湄潭组泥质岩— 上奥陶统宝塔组致密石灰岩作为底板, 上下均可较好地封堵保护页岩气资源; 断层主体呈北东— 南西走向, 与构造走向线一致, 多分布于各背斜核部, 在向斜及背向斜转换端五峰组— 龙马溪组埋深较为适中位置不甚发育; 铅、锌等低温热液矿床呈脉状产出, 分布与深大断裂关系密切, 温泉亦赋存于有断裂切穿的背斜核部震旦系— 奥陶系碳酸盐岩地层中, 而各向斜以泥质岩类为主的地层中, 未见低温热液矿床及温泉分布[27, 28]。因此, 区内五峰组— 龙马溪组优质页岩具备较好的页岩气保存条件。

目前滇黔北地区钻遇五峰组— 龙马溪组的页岩气地质浅/探井不多, 但普遍发现优质页岩段存在气测异常。如贵州省国土资源厅部署的XY1井24件岩心样品现场解析含气量为0.055~3.061 m3/t, 均值为0.634 m3/t, 620~650 m的5件样品含气量均值为1.883 m3/t[17]; 中国石油天然气股份有限公司浙江油田公司钻探的YQ1井11件岩心岩屑样品中6件见气显示, 等温吸附实验显示最大吸附气量介于0.83~2.44 m3/t, 预测总含气量介于1.0~3.0 m3/t[8]; YS104井41件样品现场解析含气量为0.13~2.26 m3/t, 均值为1.2 m3/t[29]; 中国地质调查局成都地质调查中心部署新近完钻的石地1井, 21件岩心样品现场解析含气量介于0.111~1.519 m3/t, 其中2 493~2 520 m的9件样品现场解析含气量为0.120~1.519 m3/t, 总含气量在0.182~3.086 m3/t, 均值为2.18 m3/t; TY1井、大地1井微含气。相比北美页岩气含气量分布范围的0.44~9.91 m3/t、商业开发下限的1.1 m3/t[30], 滇黔北地区五峰组— 龙马溪组优质页岩含气量均值达标, 具备商业性开发价值。

4 有利区预测及勘探潜力分析

借鉴北美页岩气选区评价经验, 依据国土资源部油气资源战略研究中心《页岩气资源潜力评价方法与有利区优选标准》(2012)[31], 结合滇黔北地区页岩气勘探进展及自身特点, 从优质页岩厚度、底界埋藏深度、有机碳含量、有机质热演化程度、生烃强度、脆性矿物含量、保存条件、页岩含气性、地表条件、工程条件等多个要素, 对区内五峰组— 龙马溪组页岩气分布有利区进行预测及勘探潜力分析(表2)。

表2 滇黔北地区五峰组— 龙马溪组页岩气有利区优选参考指标表

依据上述有利区优选指标, 综合分析认为盐津西、筠连南、威信— 叙永— 古蔺、习水东4个区域为五峰组— 龙马溪组页岩气有利区, 具备页岩气勘探前景(图6)。

图6 滇黔北地区五峰组— 龙马溪组页岩气有利区预测图

1)盐津西区域:优质页岩厚度大(40~70 m), 页岩底界埋深适中(1 000~2 800 m), 平均TOC处于高值区(2.0%~3.2%), 页岩生烃强度大(大于等于4.0× 108m3/km2), Ro介于2.5%~3.0%, 高脆性矿物含量(大于等于60%), 保存条件较好, 含气量有望达到1.0~4.0 m3/t, 地表以中山为主, 地形高差中— 较小, 交通条件中, 水源条件中, 页岩气有利勘探面积330 km2, 勘探潜力较好。

2)筠连南区域:该区优质页岩厚度较大(40~ 60 m), 页岩底界埋深较浅(500~2 000 m), 平均TOC处于较高值区(2.0%~2.5%), 页岩生烃强度较大(2.0× 108~4.0× 108m3/km2), Ro介于2.0%~2.5%, 较高脆性矿物含量(大于等于40%), 保存条件中等, 含气量1.0~3.0 m3/t, 钻井已发现龙马溪组页岩气流, 低山— 丘陵地貌, 地形高差较小, 交通条件较好, 水源条件良好, 页岩气有利勘探面积300 km2, 勘探潜力较好— 中等。

3)威信— 叙永— 古蔺区域:优质页岩厚度较大(20~50 m), 页岩底界埋深变化大(500~4 000 m), 平均TOC处于高值区(2.0%~4.2%), 页岩生烃强度较大(2.0× 108~5.0× 108m3/km2), Ro介于2.0%~3.0%, 较高脆性矿物含量(大于等于40%), 保存条件中等— 较好, 含气量介于1.0~4.0 m3/t, 已有钻井证实龙马溪组页岩气流, 低山— 丘陵地貌, 地形高差较小, 交通便利, 水源条件良好, 页岩气有利勘探面积2 870 km2, 勘探潜力中等— 较好。

4)习水东区域:优质页岩厚度中等(25~35 m), 页岩底界埋深适中(500~3 000 m), 平均TOC处于较高值区(2.0%~2.6%), 页岩生烃强度较大(2.0× 108~3.0× 108m3/km2), Ro介于2.5%~3.0%, 较高脆性矿物含量(大于等于40%), 保存条件中等, 含气量1.0~3.0 m3/t, 钻井已发现龙马溪组页岩气流, 地表以中山— 低山为主, 地形高差中等, 交通条件中等, 水源条件良好, 页岩气有利勘探面积180 km2, 勘探潜力中等。

5 结论

1)滇黔北地区五峰组— 龙马溪组浅水陆棚— 深水陆棚沉积环境控制了优质页岩的厚度与分布, 其底界埋深主要受控于地史沉积格局和后期构造运动改造; 优质页岩厚度0~60 m控制了潜在页岩气藏的规模。

2)区内五峰组— 龙马溪组优质页岩具高有机碳含量、高热演化程度、有机质类型稳定、高生烃强度特征, 为页岩气成藏提供了充足的物质基础; 脆性矿物含量高, 黏土矿物组分稳定, 页岩破裂潜力较好, 多类型微孔隙和微裂缝发育, 为页岩气聚集提供了良好的储层空间; 局部存在较好的保存条件, 且已有钻井证实五峰组— 龙马溪组页岩具较高的含气量, 具有良好的页岩气资源前景。

3)综合优质页岩厚度、埋深、有机地化指标、储集性参数、含气性特征等因素, 认为盐津西、筠连南、威信— 叙永— 古蔺、习水东4个区域五峰组— 龙马溪组页岩气富集条件优越, 具备良好的页岩气勘探潜力, 为区内五峰组— 龙马溪组页岩气最有利勘探区带。

The authors have declared that no competing interests exist.

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