贵州黔北地区页岩气成藏条件与勘探前景

李俊良，谢瑞永，游君君，王丽芳

(1.中国地质大学(武汉)资源学院，湖北 武汉 430074；2.中海石油(中国)有限公司湛江分公司研究院，广东 湛江 524057)

1 区域构造沉积背景

1.1 构造特征与演化史

贵州境内地壳的大地构造格架，按基底性质的差异划分为扬子陆块和华南褶皱系两个一级构造单元，按盖层性质和构造运动的不同进一步划分为若干次级构造单元(徐彬彬，2003)。扬子陆块占据了贵州的大部，其基底为前南华-震旦系[1]。

贵州黔北地区属于扬子地块大地构造单元，与华北地块和华南造山带相邻(图1)[2]。扬子地块从晚太古代开始发育，经晋宁运动形成了基底，以后发育了很厚的晚元古代至三叠纪以海相为主的盖层及侏罗纪之后的陆相盖层。晚二叠世在西南部有裂谷活动，中生代以来有较强的构造变形和岩浆活动。晚元古代时，扬子地块位于北半球低纬度地区；古生代时，也基本上位于低纬度地区，先在北纬，后在南纬；晚二叠世时，在赤道附近，然后向北漂移，于晚二叠世与华北地块碰撞(Mao et al.，2002；陈兰，2006)。

图1 研究区大地构造单元示意图(据Mao et al，2002；陈兰，2006；杨剑，2009；略有修改)

贵州黔北地区，区域上属上扬子准地台东部。贵州地壳在已知约1400Ma的地质历史时期中，其构造发展演化大致可分为：武陵期-雪峰期(Pt2-Pt3)的基底形成阶段；南华期(Nh)的冰期、间冰期阶段；加里东期(Z-S)的被动陆缘-稳定台地阶段；海西期(D-P)的陆内张裂-台地阶段；印支期(T1-T2) 的稳定台地阶段；燕山期(T3-K1)的陆内河湖沉积阶段；喜山期(K2以来)的山间断陷整体隆升阶段等等7个阶段(表1)[2]。中元古代与晚元古代早期扬子准地台武陵运动形成扬子准地台第一个褶皱基底，其上不整合覆盖晚元古代早期的板溪群、下江群、丹洲群。由变复理石碎屑岩和中酸性火山碎屑复理石组成，属于陆间裂谷浅槽盆地沉积。雪峰运动隆起、掀斜、变质，形成扬子准地台第二个褶皱基底。但雪峰运动之后二者发生了明显的变化。扬子准地台进入盖层沉积(陈兰，2006)。加里东构造阶段经过一段稳定时期之后，贵州古构造应力方向主要为南北向挤压，在地台内部发生了岩石圈的上隆作用，由此产生东西向褶皱-黔中隆起，继而出现了北西向为主的裂陷带，以致发展成广囊的扩张海盆，并有大规模的玄武岩喷发。“黔中隆起”经历了南华纪晚期雏形出现、震旦纪-奥陶纪水下发展、奥陶纪末期至早志留世古陆发展直到志留纪晚期的消亡[3]。晚二叠世，东西向断裂—纳雍-瓮安断裂，北东、北西向的一对共轭剪切断裂，即师宗-贵阳断裂、紫云-水城断裂，这些断裂断续活动，在南部形成了几个数千米的坳陷中心，即黔中断裂(纳雍-瓮安断裂)以北为隆起区，以南为坳陷区。具有划时代意义的印支运动使这一再生地槽的发展受到夭折。燕山运动和喜马拉雅运动使其相继发生褶皱断裂，近期仍处于不断隆升的构造环境。

表1黔北地区构造演化划分简表

1.2 沉积背景

黔北地区主要发育有下寒武统牛蹄塘组、上奥陶统五峰组-下志留统龙马溪组两套海相黑色炭质页岩，其北部的松林地区实测剖面表明，牛蹄塘组上部为黑色炭质页岩夹绿色砂质页岩，中部见一套厚黑色粗晶灰岩，下部为黑色炭质页岩，底部为黑色含磷白云岩、硅质岩及磷块岩，因此认为该区域内牛蹄塘组主要由黑色炭质页岩组成，为区内最主要的富有机质页岩发育层位。早寒武世牛蹄塘期，随着海平面的上升，上扬子地区造成缺氧环境，区内沉积环境主要为深水陆棚沉积(图2)[4]。晚奥陶世五峰期，康滇古陆及黔中隆起、川中古隆起等较前期扩大，中上扬子海域被古隆起围限，为一局限海盆，海域面积缩小。局限浅海相带几乎遍及整个中上扬子沉积区，沉积的黑色岩系厚度薄且分布稳定，生物以笔石占绝对优势，是扬子地区重要的生油岩系，区内本组厚约0～8m，岩性单一，变化不大，岩性主要为黑色炭质页岩、含粉砂质页岩及硅质页岩。早志留世龙马溪期是继晚奥陶世以来中上扬子地区盆山格局发生重大转变的时期，该时期陆块边缘处于挤压、褶皱造山过程，为形成古隆起的高峰阶段。除边缘的川西-滇中古陆、汉南古陆扩大以外，川中隆起的范围不断扩大，扬子南缘的黔中隆起、武陵隆起、雪峰隆起和苗岭隆起基本相连形成了滇黔桂大的隆起带。中上扬子克拉通转为由古隆起带包围的一个局限浅海深水盆地，隆起边缘主要发育潮坪-泻湖相、向中部过渡为局限浅海陆架，地层厚度也由南往北逐渐增厚。总体来说下志留统龙马溪组主要为一套浅海相的细碎屑岩。岩性主要为灰色薄层状含云母片钙质粉砂岩、钙质砂岩夹灰绿、灰黑色页岩、炭质泥页岩，下部多为黑色笔石炭质页岩。沉积环境主要为深水陆棚沉积，部分为浅水陆棚沉积(图3)[5]。

图2 四川盆地筇竹寺期沉积岩相古地理图

图3 川东南-黔北地区早志留世龙马溪早期古地理图

2 黔北地区页岩气成藏条件分析

控制页岩气成藏的主要因素有优质泥页岩厚度和分布面积、有机质丰度、有机质成熟度、岩石矿物成分及温度与压力等，本文结合黔北地区的地质特征，进而论述该地区的成藏条件。

2.1 黔北地区泥页岩展布特征

2.1.1 下寒武牛蹄塘组泥页岩展布特征

根据以往的研究，寒武系地层在上扬子地区分布广泛(马力等，2004)，其中烃源岩主要发育下寒武统，层位稳定，在四川盆地为筇竹寺组，贵州地区为牛蹄塘组，是一套黑色泥岩、页岩和灰色粉砂质泥岩沉积。

黔西北地区牛蹄塘组烃源岩出露较广泛，烃源岩样品的剖面也较多，很好地揭示了寒武系烃源岩的分布情况。其中金沙县岩孔镇剖面揭示的牛蹄塘组地层厚125.3m，其中下段黑色泥岩的厚度为48m，上段底部为16m黄绿色粉砂质泥岩，中间为11.2m的黑色泥岩，之上为7m黑色泥岩夹粉砂质条带地层，上部为灰绿色和夹灰绿色粉砂岩。因此，该剖面处牛蹄塘组烃源岩的厚度应该在60～65m。遵义市北松林镇附近下寒武统牛蹄塘组地层出露不齐全，其中底部地层被覆盖。根据区测剖面资料，松林、庙子湾一带牛蹄塘组厚142～148m左右，其中下段黑色泥岩的厚度为38～50m左右，上段为青灰色(深灰色)、灰色、灰绿色粉砂质泥岩，在其底部夹少量黑色泥岩。因此，该处烃源岩的真正厚度应该为40～50m左右。

黔东北松桃下寒武统泥质烃源岩也非常发育。据区测地层资料，松桃县盘石剖面下寒武统牛蹄塘组地层厚度为325m，其中黑色碳质泥岩厚度达到123m，另外还有47m黑色泥岩夹深灰色粉砂岩、浅灰色薄层石英粉砂岩的地层。目前从剖面上采集到的样品具有高有机质丰度的烃源岩厚度已经达到50m左右，推测其厚度应该在120～140m。秀山溶溪剖面寒武系水井沱组地层厚达428m，其中下部深灰色～黑色泥岩厚76m，中部深灰色～黑色泥岩厚15m左右，上部黑色碳质泥岩厚111m，累计深灰色、黑色泥岩厚度达到202m。目前从该剖面上采集到的样品具有高有机质丰度的烃源岩的厚度已经达到20m左右，高有机质丰度烃源岩究竟有多厚难以确定，推测应该在100～200m之间[6]。

关于其平面展布特征以往的研究也曾多次编制过下寒武统烃源岩的平面分布。如西南油气田公司第三次油气资源评价(2004)以及马力等(2004)资料，他们认为寒武系泥质烃源岩的主要分布区域在乐山龙女寺古隆起南北两侧斜坡及川东斜坡地区。而梁狄刚等(2008)根据不同地区剖面和探井、浅井大量样品有机碳含量的标定可以看出，上扬子地区下寒武统泥质烃源岩非常发育，尤其在川东-鄂西、川南-黔北-黔中一带，高有机质丰度的泥质烃源岩具有相当大的厚度。认为黔东北-黔中厚30～150m；黔西北厚30～100m[6](图4)。

图4 上扬子地区下寒武统泥质烃源岩厚度等值线图

2.1.2 上奥陶统-下志留统烃源岩的分布

上奥陶统五峰组和下志留统龙马溪组地层在上扬子地区基本上为连续沉积，可以作为一套烃源岩层系。该套地层在上扬子地区是非常重要的一套烃源岩，但是由于盆地中揭示该套烃源岩的探井很少。其中黔西北地区的丁山1井1375～1523m井段揭露上奥陶统五峰组地层3m、志留系龙马溪组地层145m。綦江观音桥剖面与丁山1井比较相似，高丰度烃源岩在剖面底部发育，揭示烃源岩总厚90m。南川三泉剖面龙马溪组烃源岩有机质丰度大于0.5%的厚度为80m左右。习水良村浅5井揭示上奥陶统五峰组-志留系龙马溪组地层约80m左右(梁狄刚等，2008)。

总之黔北地区上奥陶统五峰组-下志留统龙马溪组烃源岩也是该地区非常重要的一套烃源岩，赵宗举等(2001)和全国第三次油气资源评价(2004)认为该地区下志留统龙马溪组地层厚度在600～700m以上。

总体上呈现由西向东逐渐增厚(图5)，巫溪向南至利川毛坝烃源岩的厚度在55～60m；至石柱漆辽地区加厚至120m；由此再向西南厚度虽然变化不明显，但好烃源岩明显减薄，南川地区则基本上没有烃源岩分布，在黔西北习水又出现好烃源岩[6]。

图5 上扬子地区上奥陶统五峰组-下志留统龙马溪组烃源岩厚度等值线图

2.2 有机质丰度和类型

黔北地区下寒武统牛蹄塘组页岩有机碳含量较高，其中遵义黄家湾剖面，最大有机碳含量达到7.91%，遵义松林地区有机碳含量最低为0.8%，最高达6.73%，一般都大于3.5%；推测黔北地区有机碳含量一般位于2.5%～4.0%之间，并且从西北往东南，有机碳含量增大，有机质类型以腐泥型(Ⅰ)为主，次为腐殖腐泥型(Ⅱ1)；

上奥陶统五峰组页岩有机碳含量为0.29%～4.54%，以大于1.5%为主，有机质类型以腐泥型(Ⅰ)为主，次为腐殖腐泥型(Ⅱ1)；

下志留统龙马溪组页岩有机碳含量为0.29%～4.8%，但多数大于1%，平均值达2.11%，有机质类型以腐泥型(Ⅰ)或腐泥腐殖型(Ⅱ1)为主。

2.3 有机质成熟度及成熟期次

黔北地区牛蹄塘组黑色泥质烃源岩有机质热演化程度总体已达过成熟阶段。羊跳寨剖面牛蹄塘组烃源岩干酪根海相镜质体反射率值为2.0%～3.34%，据王飞宇等(2010)公式换算成等效镜质体反射率为2.05%～3.02%；烃源岩最大热解峰温Tmax值为476℃～590℃，平均522℃(n=47)。渣拉沟剖面渣拉沟组烃源岩干酪根海相镜质体反射率值为2.89%～3.96%，其等效镜质体反射率为2.69%～3.47%；烃源岩Tmax值为444℃～591℃，平均527℃(n=83)。朵丁关剖面牛蹄塘组烃源岩干酪根海相镜质体反射率值为1.95%～2.78%，其等效镜质体反射率为2.02%～2.62%；烃源岩Tmax值为509℃～589℃，平均559℃(n=26)。总之下寒武统牛蹄塘组页岩有机质成熟度较高，Ro值一般位于2.0%～4.0%之间，处于高成熟-过成熟阶段；其于早寒武世开始生烃，中寒武世初主力生油，至晚寒武世进入成熟晚期，至早泥盆世进入过成熟期，现今位于过成熟期。

黔北地区下志留统龙马溪组页岩有机质成熟度也较高，Ro值一般位于1.5%～2.5%之间，处于成熟-高成熟阶段；下志留统龙马溪组页岩于早三叠世开始生烃，晚三叠世进入主力生油期，晚侏罗世末期进入成熟晚期，至早白垩世中期达到高成熟，现今处于高成熟阶段。

4 黔北地区页岩气勘探前景

我国石油企业已经开展15口页岩气直井压裂试气，9口见气，初步掌握页岩气直井压裂技术，并证实了我国具有页岩气开发前景。完钻国内第一个页岩气水平井——威201-H1。

根据页岩气成藏机理特点和成藏的有利地质因素，结合黔北地区地质特点和现有资料(页岩地层的压力、温度和孔隙度等因素由于缺少相应资料未做考虑)，优选出有利于页岩气成藏的地层主要是下寒武统(∈1n)黑色高碳质页岩系和下志留龙马溪组黑色泥页岩(S1l)，这些页泥岩主要处于还原—强还原性的沉积环境，具有以下特征:①总有机质含量高，普遍TOC≥2%，最大TOC达10%左右;②有机质成熟度大，一般处于高成熟—过成熟演化阶段，其中的下寒武统(∈1n)黑色高碳质页岩系已经进入过成熟阶段，对生气有利，下志留统龙马溪组(S1l)也处于高成熟阶段;③分布面积广，基本覆盖了黔北大部分地区，厚度大(大于50m)，存在比较厚优质泥页岩;④页泥岩与硅质岩相伴生，硅质相伴的页岩脆性大，对页岩气的开采十分有利，最有可能获得高产页岩气流。

页岩气成藏机理特殊，影响页岩气成藏主要为生气能力、储集气能力和易开采性三大因素，控制参数主要有总有机碳含量、有机质成熟度、压力、温度、页岩厚度、面积、矿物成分和孔隙度等[7]。

黔北地区最有利于生成页岩气的页泥岩主要层位是下寒武统牛蹄塘组(∈1n)、下志留统龙马溪组(S1l)。这两个岩层系页泥岩分布面积广泛，厚度大，有机质含量高，热演化成都高，并且含有硅质成分，具有页岩气成藏的基本条件，加强这些层位的研究和勘探意义重大。

[1] 滇黔桂石油地质志编写组.中国石油地质志[M].北京：石油工业出版社，1987.

[2] 杨剑.黔北地区下寒武统黑色岩系形成环境与地球化学研究[J].海相油气地质，2006,(2):17-24.

[3] 周明辉，梁秋原.黔中隆起及其周缘地区“下组合”油气地质特征[J].海相油气地质，2006,(2):17-24.

[4] 陈兰.湘黔地区早寒武世黑色岩系沉积学及地球化学研究[D].北京：中国科学院，2005:23-29.

[5] 郭英海,李壮福,张天模，等. 四川地区早志留世岩相古地理[J].古地理学报,2004,6(1):20-29.

[6] 梁狄刚，郭彤楼.中国南方海相生烃成藏研究的若干新进展(一).南方四套区域性海相烃源岩的分布[J].海相油气地质，2008(2):1-16.

[7] 张金川，金之钧，袁明生.页岩气成藏机理和分布[J].天然气工业，2004,24(7):15-18.

[8] Daniel J K Ross, R Marc Bustin. Characterizing theshale gas resource potential of Devonian-Mississippianstrata in the Western Canada sedimentary basin: Application of an integrated formation evaluation[J].AAPG Bulletin, 2008,92(1):87-125.

[9] Hank Zhao, Natalie B Givens, Brad Curtis. Thermal maturity of the Barnett Shale determined from welll oganalysis[J]. AAPG Bulletin, 2007,91(4):535-549.

[10] Jarvie D M, Hill R J, Ruble T E, et al.UnconventionaIshale-gas systems: The Mississippian Barnett Shale of northcentral Texas as one model for thermogenic shalegas assessment[J].AAPG Bulletin, 2007, 91(4):475-499.

[11] Hill R J, Zhang E, Katz B J，et al. Modeling of gas generation from the Barnett Shale, Fort WorthBasin, Texas[J]. AAPG Bulletin, 2007, 91(4): 501-521.

[12] Bowker K A. Barnett Shale gas production, FortWorth Basin: Issues and discussion[J]. AAPG Bulletin,2006,91(4):523-533.

[13] Curtis J B.Fractured shale gas system[J]. AAPG Bulletin, 2002, 86(11): 1921-1938.