黔北地区牛蹄塘组页岩气成藏条件及有利区评价_郭曼.pdf

第43卷第2期 2015年4月 文章编号1001-1986201502-0037-07 煤田地质与勘探 COAL GEOLOGY 2.中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院，北京100083 摘要为评估黔北地区下寒武统牛蹄塘组页岩气资源潜力，根据井下岩，心和露头岩样的地球化学 实验分析结果，对黔北地区牛蹄塘组页岩气成藏条件进行了研究，并评价了该区页岩气成藏的有 利区．研究表明黔北地区牛蹄塘纽页岩主要形成于深水陆棚相沉积，页岩埋深适中（＜3000 时， 富有机质页岩厚度较大（30～110m），有机碳含量高（平均TOC3.0），有机质类型主要为I型，热 演化程度高（R02.0，为过成熟），页岩储层物性为低孔渗，发育大量的微米．纳米级孔裂隙，富含 石英等脆性矿物（平均含量＞40），页岩含气量较高（平均1.5m3/t），具备良好的页岩气成藏条件。 在上述基础上，提出东南部的石忏一余庆－施秉一带为黔北地区牛蹄塘组页岩气成藏有利区。 关键词页岩气；牛蹄塘组；富有机质页岩；成藏条件；有利区评价；黔北地区 中图分类号P618.12TE132.2 文献标识码ADOI I 0.3969/j.issn.l001-1986.2015.02.008 Reservoir-ing conditions and uation of favorabl area of shale gas in Niutitang ation in northern Guizhou GUO Man, LI Xianqing, ZHANG Mingyang, ZHANG Jizhen, DONG Zeliang, LnJ Yang, NnJ Haiyan, CAI Yueqi 1. State Key Laboratory of Coal Resources and S旷KMining, China University of Mining and Technology, Beijing 100083, China; 2. College o/Geosciences and Surveying Engineering, China Univers1σof Mining and Technology, Beijing 100083, China Abstract In order to investigate the potential of shale gas from the Lower Cambrian Niutitang ation in northern Guizhou, a study on the reservoir-ing conditions of shale gas in Niutitang ation was conducted, and the favorable accumulation area for shale gas in northern Guizhou was uated according to the geochemical analysis data of the core and outcrop samples in this paper. The result shows that Niutitang ation shale in northern Guizhou was mainly ed in the deep water shelf sedimentary facies, which features moderate buried depth 3.0, mainly type I organic matter, high thermal evolution level R。＞2.0,being over-mature, low porosity and perme- ability, abundant micro-nanometer pores and fissures, rich brittle mineral average content 40, and relatively high gas content average 1.5 m3/t. It is indicated that Niutitang ation in northern Guizhou has good reser- voir-ing conditions for shale gas. On the basis of above studies, it is proposed that the southeastern Shiqian-Yuqing-Shibing zone in northern Guizhou is the favorable accumulation area for shale gas. Key words shale gas; Niutitang Forτnation; organic-rich shale; reservoir-fa口ningcondition; favorable area uation; northern Guizhou. 页岩气为产自极低孔隙度和渗透率、以富有机 质页岩为主的储集岩系中的一种非常规天然气，其 气体成分以甲皖为主，赋存方式通常为游离气和吸 附气并存，属自生自储、原位饱和成藏［1-3］。继北美 海相页岩气的成功开发后，页岩气勘探开发正由北 收稿日期2014-05-04 美向全球扩展，成为全球油气资源勘探开发的新亮 点。中国页岩气勘探开发尚处于起步阶段，南方地 区是我国古生界海相页岩气的主要分布区［4-6］。贵州 省页岩气资源潜力大，初步评价其页岩气资源储量 达10.481012m3，位列全国第四位，其中黔北地区是 基金项目国家重点基础研究发展计划（973i恼。）课题.（2012CB214702）；教育部高等学校博士学科点基金项目（20110023110017; 国土资源部公益性行业科研专项基金项目（201311022）；国家科技重大专项课题。Ol1ZX05007-002 作者简介郭曼（1987一），女，河北部郭人，硕士研究生，从事页岩气地质方面的学习和研究工作， E-mail 874242069 引用格式郭曼，李贤庆，张明扬，等．黔北地区牛蹄塘组页岩气成藏条件及有利区评价[J］.煤田地质与勘探，2015, 432 37-43. ChaoXing 38 煤田地质与勘探第43卷 我国海相页岩气资源调查的重点先导试验区之一［6-7］。 据报道，黔北地区钻探出一口深部高产页岩气探井一 丁页2HF，黔东南的超千米页岩气井一岑页l井成 功压裂出气，标志着该区下寒武统页岩气的可采性 及经济有效性，这对于历来“缺油少气”的贵州地区 具有重要的意义。 近年来，国内学者对黔北地区下寒武统牛蹄塘组 页岩的分布特征、沉积环境、有机地球化学特征、 储层物性和页岩气资源潜力评价已做过一些研究工 作［忌17］，但其研究程度仍然较低，目前对该区牛蹄塘 组页岩气成藏条件和有利区评价尚缺乏系统的研究。 本文利用井下岩心和露头剖面岩样的地球化学实验分 析结果，从页岩分布、有机质特征、储层矿物组成与 物性、页岩含气性等方面入手，对黔北地区下寒武统 牛蹄塘组页岩气成藏条件进行详细研究，并评价该区 牛蹄塘组页岩气成藏有利区，以期为黔北地区海相页 岩气的勘探开发提供基础资料和科学依据。 1 地质概况及牛蹄塘组页岩分布 黔北地区位于扬子板块的西南端，位于贵州省 北部，面积5.44104km2。该区经历了多期构造运 动，主要有武陵期雪峰期的基底形成阶段、南华期 的冰期－间冰期阶段、加里东的被动陆缘一稳定台地 阶段、海西期的陆内张裂－台地阶段、印支期的稳定 地台阶段、燕山期的陆内河流沉积阶段、喜山期的 山间断陷整体隆升阶段。由于受多期构造运动的影 响，黔北地区的构造复杂，榴皱、断裂构造发育。 榴皱的走向主要为北东、北北东向，以隔槽式为主， 向斜狭窄呈紧密槽状，背斜宽阔舒缓呈箱状；古断 裂沿不同走向切割，非常复杂。 黔北地区主要泥页岩分布在震旦系陡山沱组、 下寒武统牛蹄塘组、奥陶系五峰组、下志留统龙马溪 组、二叠系栖霞组－龙潭组中［17］。震旦纪南沱冰期后， 冰川消融，海平面上升，发生海侵，形成了广泛分 布的上震旦统和下寒武统黑色岩系。其中下寒武统 牛蹄塘组黑色岩系分布稳定，发育富有机质的黑色 页岩和炭质页岩，是该区海相页岩气勘探的重点目 标层。 黔北地区下寒武统牛蹄塘组沉积环境多为浅海 陆棚相，以深水陆棚相为主［12］。该区牛蹄塘组岩性 变化较大，主要为深灰色一黑色泥页岩和炭质页岩， 还含有石煤、硅质岩、磷块岩等。据露头剖面、岩 心观察和实测资料，牛蹄塘组岩性组合一般是上 部为灰色－深灰色泥岩、砂质页岩夹灰绿色粉砂岩， 中部为黑色泥岩、钙质页岩夹粉砂质条带，下部为 黑色碳质泥岩、黑色页岩，局部含有石煤，底部为 硅质岩及磷块岩。 黔北地区牛蹄塘组页岩埋深适中，一般小于 3 000 m，多数浅于2000 m。埋深由东南向西北方 向呈增加趋势，在岑巩铜仁一带埋深为800～l600 m, 金沙西南部的方深l井埋深为l800 m。 黔北地区牛蹄塘组页岩厚度变化较大，一般 30-110 m。平面上沿南东－北西方向呈带状展布，石 肝－余庆一麻江一带页岩厚度最大，多大于80m，其 中余庆地区页岩厚度大于100m（图la）。石肝余庆 一线向北西方向，页岩厚度逐渐减小，遵义一泪潭一 线西北地区页岩厚度一般小于50m，石肝一余庆一 线向南东方向页岩厚度也逐渐减小，一般小于60m。 在开阳、松桃地区为页岩厚度的低值区，均小于40m。 井 hu ht 和丁椭a UN ↑圳 商阳 ．古商 天柱 ．剑河 a 0 15 30km 」....L」 N 寨问． 丁山I并 习水河坝、杨 ．商阳 花盛 ．古陶 天柱 ．鱼j河 图l黔北地区牛蹄塘组页岩厚度（a）和 TOC2页岩厚度（b）分布图 Fig. I The thickness distribution of Niutitang ation shale a and shale with TOC2 b in northern Guizhou ChaoXing 39 TOC大于2的页岩厚度分布自南东向北西呈减薄 趋势（图lb），一般10～60m，其中遵义松林剖面处 TOC大于2的页岩厚度约25m，金沙岩孔浅4井 及铜仁坝黄剖面TOC大于2的页岩厚度约33m, 往南至开阳南江剖面TOC大于2的页岩厚度为 20 25 0 0 10 I 10 郭曼等黔北地区牛蹄塘组页岩气成藏条件及有利区评价 60 TOC/ 4 6 T“ .. t . .. ’O I i i. ..,. .. .. ; ; ... ；』 ;.-- ．．．二 飞 I L ea I ... . 0 I 8 2 。 0 J. 10 第2期 E 20 世哥 哥量 30 45 m。 40 50 牛蹄塘组页岩有机质特征2 2.1 图3有机碳（TOC）含量与深度关系 Relation between organic carbon content TOC and buried depth in northern Guizhou a）金沙岩孔浅4J非 Fig.3 天柱 商阳 剑河 rr.. 丁山l井 习水河坝场 4‘ ．亩商 阜 万 M O } N 图4页岩TOC含量分布图 Distribution ofTOC in Niutitang ation shale m northern Guizhou Fig.4 有机质类型 有机质类型既影响页岩的生；怪强度，又影响页 岩的生气量［I,3,5飞有机岩石学实验分析表明，黔北 地区牛蹄塘组页岩干酷根样品有机显微组分组成以 腐泥组为主（60～80），海相镜质组和沥青组次之 10～30），惰质组和壳质组极少（不足10），其母 质主要来源于藻类低等生物，其有机质类型以I型 为主，少数为IIl型。 35块页岩干酷根样品碳同位素（cS13。值测试结 果表明，cl3C值为一34.99o/oo←28.96。，平均为 -31.87。（图5）。通常情况把c13C值小于一28.0o/oo的有 机质划分为I型（腐泥型）有机质，由此看来黔北地区 牛蹄塘组页岩干酷根类型应属于I型干酷根。 2.2 窝头样品56块 井下样品35块 样品总敏91块 5 E 20「 副30i t.. I 主．． 』. . 岳40F 民｜ 回到』 70 』吗－ ..‘--. - so r .-1’;-, b）遵义松林ff头剖面i 有机质丰度 页岩中的有机质是页岩气的生气母质，也是页岩 中吸附气的重要吸附介质［I,3,18］。有机碳含量（TOC是 评价页岩有机质丰度的主要指标，也是衡量其生经能 力的常用参数［58］。对黔北地区井下岩心及露头91块 样品的有机碳含量分析结果显示，牛蹄塘组页岩有较 高的有机质丰度，TOC为0.33～22.55，平均6.60, 大多数样品TOC大于3.0，超过商业性页岩气藏开 发的页岩有机碳含量下限值（一般2.0i131。 对35块井下岩心页岩样品统计结果（图2）显示， TOC为2～4的样品占2.86,TOC为4～6的 样品占31.43,TOC大于6的样品占65.71。56 块露头剖面的页岩样品统计结果（图2）表明，TOC 为1～2的样品占16,TOC为2～4的样品占 20, TOC为4～6的样品占12,TOC大于6 的样品占46。二者对比不难看出，井下岩心样品 的TOC含量明显高于露头样品，说明井下岩心样品 反映有机质丰度比露头样品更可靠。从井下岩心及 露头样品的TOC值的纵向变化图（图3）来看，TOC 值随深度增加而增大，下部页岩样品有机质丰度普 遍较高，多大于2.0。 平面上，TOC含量分布呈东南高、西北低的趋势 （图4）。在东南部的瓮安一余庆一施秉、岑巩－江口－铜仁 －松桃一带形成TOC高值区，其含量均大于6.0。 60 50 40 、p 飞 铸30 II\ 20 10 今--66-8 8--10 HH212141416 16 有机碳质量分数m 。 2--4 图2黔北地区牛蹄塘组页岩样品有机碳（TOC）含量分布 Fig.2 Distribution of organic carbon content TOC of Niutitang ation shale samples in northern Guizhou l2 2.0）不会影响页岩气的产生和聚集。因此，黔 北地区牛蹄塘组页岩有机质成熟度处于过成熟阶 段，仍处于主要产气的范围内。 3 牛蹄塘组页岩矿物组成及储层物性特征 3.1 页岩矿物组成 页岩矿物组成与含量往往会影响页岩气开采和 压裂效果。具备商业开发条件的页岩，石英等脆性 矿物一般高于40，勃土矿物小于30 [3-{i, 19］。X射 线衍射（XRD）实验（图7）表明，页岩中矿物成分主要 为石英、伊利石和伊／蒙1昆层，还有少量的方解石、 白云石、长石、黄铁矿、绿泥石、蒙脱石、高岭石、 重晶石、石膏、硬石膏等矿物。其中石英25.9～ 99.4，平均52.7，茹土矿物。～56.9，平均32.4, 碳酸盐矿物含量较低，为0～15.1，平均1.7。黠土 矿物成分主要为伊利石、伊／蒙混层，伊利石0～37.7, 平均16.2，伊／蒙1昆层O～28.2，平均14.1，部分 样品还含有少量的蒙脱石、高岭石和绿泥石。 黔北地区牛蹄塘组页岩样品中石英、长石等脆 性矿物含量高，为27.3～99.4，平均61.9，且 大多数页岩样品的脆性矿物含量超过40（图的。根 据美国页岩气开发经验（3-4］，当石英含量在20以上 时，页岩具有较好的脆性和可压裂性，岩石脆性越 高，压裂效果越好。可见，黔北地区牛蹄塘组页岩 富含脆性矿物，有利于页岩气的压裂改造。 脆性矿物含量和有机碳（TOC含量的关系表 明，随着石英等脆性矿物含量的增加，页岩的有机 碳含量有下降的趋势（图9）。 3.2 页岩储层物性 黔北地区牛蹄塘组页岩为低孔、低渗储层。页 岩样品的物性实验分析表明，页岩孔隙度为 l.3～15.9，平均7.1，其中孔隙度在10以上的 页岩样品占总样品数的20.3，孔隙度在5以下的 页岩样品占38.5。平面上，松桃、开阳、遵义、 石肝的孔隙度最高，均大于8，其次是瓮安、铜仁， 孔隙度为4.3。 页岩渗透率分布范围为（0.002～l.37lxl03阳2，平 均0.128 10-3m2，渗透率较高的地方为石肝和松 桃 ，分别达l.29 10-3m2、l.26x l 0-3 m2。 微孔隙和微裂缝既为页岩气提供聚集空间，也 为页岩气产出提供运移通道（3-6］。据扫描电镜（SEM 的镜下观察该区页岩含有大量的微米－纳米级微裂 缝和微孔隙（图10）。微裂缝的规模不等，但在页岩 样品中普遍可见，宽约0.5～5m，但裂缝宽度主要 集中在2-4m（图lOa）。页岩样品微孔隙类型主要 ChaoXing 41 郭曼等黔北地区牛蹄塘组页岩气成藏条件及有利区评价第2期 童自土矿物石英仰长石斜＊石方解石臼云石黄铁矿.1II晶石其他矿物 JOO 90 80 图7黔北地区牛蹄塘组页岩样品中矿物组成含量图 Mineral content ofNiutitang ation shale in northerηGuizhou 70 ω /‘ 40 50 样品中各矿物含 30 20 10 观察其孔隙直径从0.5-4阳不等，有的样品由于有机 质演化程度高，有机质孔隙比较密集，从而一起形成 更大的孔隙。此外，在镜下还观察到宽约3-5m的 有机质层间孔和1-2m的晶间孔。据李娟等［14）研 究认为，黔北地区牛蹄塘组页岩孔隙直径集中分布 在4nm左右，以纳米孔为主，微孔隙为该区页岩气 提供了主要的聚集空间。 钻井样品 笛头样品 Fig.7 nvhVAUnuhυAMAHVAUAHVnMAU nHVQ’887’’口，、daq吨37l J 金额余程间回春每刻遐 页岩含气性评价是衡量页岩气藏富集区是否具 有经济开采价值的重要内容，含气量大小是其关键 指标。北美地区商业开发核心区页岩气藏的含气量 为1.13-9.91m3/t，一般认为商业性页岩气开发的页 岩含气量下限为1.1m3 /tP-4l。黔北地区下寒武统牛 蹄塘组页岩含气量0.8～3.1m3/t，平均为1.5旷It, 多数己超过页岩气开发的含气量下限值，具备商业 性页岩气开发价值。岑页l井牛蹄塘组黑色页岩含 气量为1.17m3/t。韩双彪等［16）指出，铜仁坝黄下寒武统 牛蹄塘组页岩含气量为2.10～3.10m3/t，平均2.74 m3/t。 由此看来，黔北地区牛蹄塘组页岩含气量较高，具 备商业性页岩气开发前景。 通过上述分析，并与成功开发页岩气的北美地 区相比，研究认为，黔北地区下寒武统牛蹄塘组页 岩具有良好的页岩气成藏条件。借鉴北美地区页岩 气勘探开发成功经验［3-4），综合考虑黔北地区牛蹄 塘组页岩的埋深、厚度、有机质特征、储层性质、 含气性、地面条件、工程及经济等多种因素进行评 牛蹄塘组页岩含气性及成藏有利区评价4 样品号 l-GZGM-l-GZGM-17 2-MJ-R-4-MJ-R-5 3一-qian4-l-qian4-5 图8黔北地区牛蹄塘组页岩样品脆性矿物含量分布 Fig.8 Distribution of brittle mineral content ofNiutitang ation shale in northern Guizhou 100 nu 『’’aveJaa哼句3句，＆－snu ’EEE－a，，．且’anw，。。句，zoe3A句’3句， .. , 钊剌钊叫削MM zzzZ伽zZω Z伽 mmmmmLeuzzzwuzzzzz zzz zzzzz ．叩．mT．0．叩．ω －MMGGGGGGGGGGGGGGGGG h叶4国飞排骨 . 、 、、、． 、、、., 、、、‘．． 喝、、 、．． 40 60 80 脆性矿物质量由分数／ 图9页岩脆性矿物与有机碳的关系 Fig.9 Relationship between brittle mineral content and organic carbon content ofNiutitang ation shale in northern Guizhou 、 、 、 、 、 、 . . 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 ’ 、 、． 、 、 、 、 、． 、 、 、 、 、 、 、 20 三15 4骂 指10 题 8 5 0 20 为有机质孔、粒内孔、粒间孔、层间孔（图10b一图 lOt，其中有机质孔和粒内孔发育，一般以有机质 内溶蚀孔的形式大量出现（图lOc、图10哟，据镜下 ChaoXing 42 煤田地质与勘探第43卷 ””’ d e a一徽裂缝；b一粒内孔，c一有机质孔；d一溶蚀孔；e一粒间孔；f－层间孔 图10黔北地区牛蹄塘组页岩孔隙与裂隙扫描电镜照片 Fig. IO SEM images of pores and fissures of Niutitang ation shale in northern Guizhou 黔山l剑向 凯里 平坝．龙里－jt}E 羊跳.m,.1 E当研究区边界0地名m剖面名0钻井名 口J页岩R。等倪线／页岩有机碳含lil等值线／ IJJD页省厚度等值线ImD页翁气成藏有和lj[茎 图lI 黔北地区牛蹄塘组页岩气成藏有利区评价 Fig.门Favorablereservoir - ing area of shale gas of Niutitang ation in northern Guizhou 价，笔者提出东南部的石肝一余庆－施秉一带为页岩 气成藏的有利区。石肝一余庆施秉一带是黔北地区 ,.”” ⑥。”.. n吁 页岩厚度最大（80～l10 m）的地带，TOC2.0的页 岩厚度为40～60m，埋深较浅，石肝一带埋深在 8001 600 m；有机碳含量高（TOC5.0），热成熟度 较高，R。为2.0～3.0；储层物性为低孔低渗，孔 隙度为0.5←2.1（平均1.25），渗透料、于0.0410-3nl; 页岩含气量较高，为1.10～1.49m3项图11）。 5结论 a.黔北地区下寒武统牛蹄塘组页岩主要形成于 深水陆棚沉积相，富有机质页岩厚度较大（30～110时， 页岩厚度自北西向南东方向呈增厚的趋势，最厚处 位于南部的瓮安－余庆－石肝一带；TOC2的页岩 厚度为10～60m，由南向北呈减小趋势；埋深一般 小于3000 m，从西北到东南方向埋深逐渐变小。 b.黔北地区下寒武统牛蹄塘组页岩有机碳含 量高（平均TOC3.0），有机质类型主要为I型，热 演化程度达到过成熟阶段（Ro2.0）。 c.黔北地区下寒武统牛蹄塘组页岩主要矿物 成分为石英、伊利石和伊／蒙混层，还含有少量的方 解石、白云石、长石、黄铁矿、绿泥石、蒙脱石、 ChaoXing 第2期郭曼等黔北地区牛蹄塘组页岩气成藏条件及有利区评价 43 高岭石等矿物。石英等脆性矿物含量高（平均＞40, 页岩中发育大量的微米－纳米级孔裂隙，含气量较高 （平均1.5旷It），有利于页岩气的形成和富集。 d.黔北地区下寒武统牛蹄塘组页岩具有良好 的页岩气成藏条件，提出东南部的石肝一余庆一施秉 一带为黔北地区牛蹄塘组页岩气成藏的有利区，该 区页岩厚度大（80～110m） 、TOC2.0页岩厚度较大 4060 m）、埋深较浅（800～1600 m）、有机碳含量高 TOC5.0） 、热演化程度较高（R。为2.0～3.0） 、 含气量较大（l.10～l.49m3/t）。 致谢感谢国土资源部油气研究中心、贵州｜地 质矿产勘查局、成都地质矿产研究所和中国石油勘 探开发研究院等单位的有关专家在样品采集、资料 收集方面给予的支持和帮助中国矿业大学（北京） 煤炭资源与安全开采国家重点实验室、中国石油大 学（北京）油气资源与探测国家重点实验室、长江大 学油气资源与勘探技术教育部重点实验室承担了本 文样品的实验分析测试工作，在此表示谢意 参考文献 I] CURTIS J B. 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