滇东寒武系下统笻竹寺组页岩含气性分析

董云超严　涛刘红林毛　雨

（1.中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院　2.云南煤层气资源勘查开发有限公司　3.云南省一四三煤田地质勘探队）



滇东寒武系下统笻竹寺组页岩含气性分析

董云超1,2严涛3刘红林2毛雨2

（1.中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院2.云南煤层气资源勘查开发有限公司3.云南省一四三煤田地质勘探队）

摘要寒武系下统笻竹寺组泥页岩在滇东地区分布广泛，厚度大，为南方海相沉积，有机质丰度较高，主体已经进入了高—过成熟热演化阶段，有机质类型为Ⅰ型干酪根，生气量大，脆性矿物含量高，物性条件较好，在调查井钻进过程中，出现了明显的气测异常显示，具有良好的页岩气地质基础。含气量是直接评价页岩含气性的重要参数，通过地质资料及泥页岩样品实验数据，揭示滇东地区寒武系下统笻竹寺组泥页岩含气情况及其影响因素，结果表明，含气量与有机质丰度、孔隙度、埋深存在正相关关系，与有机质成熟度相关性不明显，并且泥页岩层系中的砂岩、碳酸盐岩夹层仍具一定含气性，同时认为滇东地区寒武系下统笻竹寺组具有的页岩气勘探潜力。图9表3参13

关键词滇东寒武系笻竹寺组页岩气含气性

页岩气是赋存于富有机质泥页岩中的天然气，分为吸附气、游离气和溶解气，鉴于泥页岩中流体基本不存在，主要关注吸附气和游离气。含气性作为影响勘探开发价值的关键因素，应予重视，本文结合现场含气量测试结果及相关实验数据对滇东寒武系下统笻竹寺组页岩含气性做相关分析，揭示影响页岩含气性的相关因素。

1　地质背景

根据构造分区，滇东地区位于弥勒-师宗断裂北西，元谋-绿汁江断裂以东，滇东北拗褶带与东川隆褶区分界以南。寒武系下统笻竹寺组广泛分布于滇东及滇东北地区，北起永善肖滩，经昆明、东川，南至华宁火特，延绵500余公里，面积约为50000 km2。上部为灰—深灰色泥页岩夹薄层粉砂岩、细砂岩，中下部为黑色泥页岩、粉砂岩，局部夹油页岩及石煤，是页岩气富集层段[1]。笻竹寺组厚度在67～405 m之间，平均202 m，曲靖马龙地区厚402.47 m，南部的华宁厚165.60 m，滇东北永善—巧家地区金沙厂厚200.00 m，巧家新店子及小河街一带最薄，厚仅100 m左右[2]。最大厚度出现在会泽及曲靖两地，可能是当时的沉积中心（图1）。

图　滇东地区笻竹寺组分布及厚度等值线图（据[1,3]改）

笻竹寺组以碎屑岩沉积为主，主要为深灰—黑色泥页岩、粉砂岩，偶夹碳酸盐，多含黄铁矿，水平层理发育，为缺氧还原环境，利于有机物保存，地层中三叶虫化石丰富，总体上为水体能量较弱的浅水陆棚沉积[3]。

2　笻竹寺组泥页岩基本特征

2.1有机质类型

滇东地区笻竹寺组含气泥页岩为下古生界海相沉积，产气母源主要为藻类等低等水生生物，生烃能力较强。通过干酪根显微组分鉴定及类型划分，有机物显微组分以腐泥组和壳质组为主，为I型干酪根。而美国几大页岩气盆地，其有机质类型大部分为Ⅰ型和Ⅱ型干酪根。

2.2有机质丰度

有机质丰度是评价烃源岩生烃能力的基础参数，一般岩石中有机质丰度越高，生烃能力越强，常以总有机碳（TOC）为参考指标。通过对滇东笻竹寺组露头和钻井岩心样的TOC含量测试，发现笻竹寺组TOC值在0.11%～9.70%之间。其中，黑色富有机质泥页岩段TOC含量基本大于1.0%，平均为2.45%，主要集中在1.0%～4.0%之间，TOC值大于2.0%样品占了很大比例。总体来说，区内黑色泥页岩发育较好，有机质含量较高，为优质烃源岩。

2.3有机质成熟度

镜质组反射率（Ro）是确定有机质成熟度的有效指标，但不适于滇东地区寒武系烃源岩，因为寒武系缺乏来源于高等植物的标准镜质组。为此，国内外专家提出了诸如沥青、海相镜状体等成熟度指标[4]，并将这些指标通过相应公式转换成“等效镜质体反射率”（VRo）。

针对滇东地区寒武系笻竹寺组的特性,采用了沥青反射率（BRo）与海相镜状体反射率（MVRo）2类参数。对于沥青,其等效镜质体反射率按刘德汉等提出的公式VRo=0.668BRo+ 0.346进行计算。对于海相镜状体,其等效镜质体反射率按肖贤明等提出的公式VRo=0.81MVRo+0.18(MVRo>1.50%)进行计算[5]。经测试计算，滇东地区寒武系下统笻竹寺组黑色泥页岩段等效镜质体反射率在2.30%～3.55%之间，平均值为3.04%，属于高-过成熟演化阶段。中国南方下古生界页岩成熟度高，主体VRo在2.5%～4.0%,但储层储集物性良好，只要保存条件较好仍具工业开发价值[6]。

2.4岩石物性特征

通过对曲靖温泉、沾益德泽地区钻井岩心样品X衍射实验表明，寒武系下统笻竹寺组黑色泥页岩的矿物成分较复杂，样品中含有石英、长石、方解石、白云石等脆性矿物和伊利石、高岭石、伊蒙混层等黏土矿物，以石英和黏土矿物为主要矿物组成。总体而言，脆性矿物含量基本超过60%，石英含量最高，为27.60%～77.80%，平均为42.02%；其次为黏土矿物，为12.50%～45.00%，平均为30.64%，其中又以伊利石和伊/蒙混层含量最高（图2，图3）。

图2　寒武系下统笻竹寺组矿物含量直方图

图3　寒武系下统笻竹寺组黏土矿物含量直方图

3　含气性特征

3.1气测显示

在钻进过程中，气测异常是地层含气性的直观表现，并且气测资料具有实时、快速和连续获取的特点，能够体现页岩储层含气性纵向上的精细变化[7]。滇东地区多口页岩气井在钻遇笻竹寺组黑色页岩段时均有良好的气测显示（图4），组分以甲烷为主。异常段主要为笻竹寺组中下部暗色泥页岩，厚约200m左右，岩性主要为黑色泥页岩、粉砂质页岩、粉砂岩等。由于气测值受钻井液性能、钻速、钻进方式及录井仪器等因素的影响，故气测数据只能作为泥页岩含气性的定性-半定量评价指标[8]。

图4　滇东沾益德泽地区气测异常柱状图

3.2含气量测试

含气性可通过含气量来定量表征，一般使用解吸法和等温吸附法测定含气量。解吸法是直接测试含气量的方法，根据其测定的程序，可将含气量分为损失气量（提钻至装入解吸罐前逸散气量）、解吸气量（装入解吸罐后解吸出的气量）和残余气量（解吸结束后仍留在样品中的气体）。总含气量即为损失气+解吸气+残余气，其中，解吸气和残余气均为实测参数，损失气则根据初始解吸数据，利用最小二乘法直线回归推算或者图解法求取。

等温吸附法是通过对样品的等温吸附实验来模拟吸附过程，将结果与Langmuir方程V=VL*P/（P+PL）拟合，利用页岩储层温度和压力，结合等温吸附曲线计算出页岩的吸附气量，再根据含气饱和度和有效孔隙度计算游离气量，溶解气一般忽略不计，总含气量就是吸附气和游离气之和，是间接测试含气量的方法。但等温吸附实验是反映泥页岩对甲烷的最大吸附能力，其结果往往较实际含气量大很多，因此一般不用，只有缺少解吸数据时才用来定性地比较不同泥页岩含气量的大小[9]。据所采8件样品等温吸附实验，在相应的地层温压条件下，其吸附气量已远超过了实测总含气量。

因此，本次分析均采用解吸法取得的含气量数据。测试过程中，采用绳索取心，缩短取心时间，整个解吸过程解吸罐均处于恒温水浴箱内，在剔除解吸初期不稳定点后，利用直线回归法计算损失气量。经测试，如表1所示，滇东地区施工钻井岩心样品含气量在0.06～1.45m3/t之间，平均为0.58m3/t。

表1　滇东地区各调查井笻竹寺组含气量

3.3含气性对比分析

页岩气藏的形成受控于多种因素,含气性作为页岩气勘探开发研究的关键要素,也应该与其他要素一起做综合分析和信息叠加，即应当在其他地质因素达到页岩气有利区选区下限的情况下再分析页岩气的含气性。

美国是最早研究、勘探、投产页岩气并取得成功的国家，在分析方面也可参考美国各产气盆地的主要特征（表2）。美国五大产气盆地页岩埋深范围较大，从几十米到几千米均有，干酪根以Ⅰ、Ⅱ型为主，TOC最低的为密执根盆地的0.3%，石英含量均较高。对比滇东地区调查井数据，与美国五大页岩气盆地具有相似的地质特征，部分条件甚至更优，仅含气量稍低，在美国五大产气盆地中圣胡安盆地Lewis页岩含气量最低，在0.37～1.27m3/t之间[10]，与滇东地区相近。国内，国土资源部编制了《页岩气资源潜力评价与有利区优选方法》（暂行稿），划定页岩气选区有利区的含气量最低指标为0.50 m3/t[11]。

滇东地区笻竹寺组页岩气调查井含气量测试结果均较低，平均含气量仅达到有利区选区指标下限，但调查井一般选择在笻竹寺组埋深较浅区域施工，所采样品含气性受构造及风化影响较大，保存条件一般较差，而且样品数量及分析数据较少，具有一定局限性，地层实际含气性应优于测试结果。因此，滇东地区笻竹寺组泥页岩应加强地质研究，综合分析各种地质条件及实验数据后，筛选出有利区块。

表2　美国五大页岩气盆地与滇东地区地质特征对比表

表3　页岩气有利区参考标准

4　含气性影响因素分析

页岩含气性受控于多种地质条件，包括TOC、成熟度、孔裂隙、厚度和矿物组成等内部因素，同时也与埋深、地层压力、温度等外部因素相关[12]，图5取较易获取的TOC、孔隙度及埋深三项基本参数，结合钻井气测数据及岩性条件，通过纵向曲线图，对比其与含气量的变化关系，除少数几个异常点外（孔隙度较大）,含气量与有机碳含量及孔隙度基本成正相关关系，而且含气量总体变化情况能够与气测异常数据相吻合，图中还显示出如果泥页岩孔隙度过高、裂隙发育,孔隙度与含气量的相关性将降低。

图5　曲地5井含气量测试情况与相关参数关系图

4.1含气量与有机质丰度

有机质作为生烃母质，TOC越高生烃能力越强，同时有机碳含量亦是影响页岩吸附气能力主要因素之一[13]。为了减小大气对地层含气性的影响，特选取了埋深较深的沾益德泽曲地5井进行分析，如图6所示，含气量与TOC呈一定的线性关系，含气量随TOC值增加而升高。

图6　含气量与TOC关系图

4.2含气量与孔隙度

页岩储层具有低孔低渗性，其储集空间以纳米级孔隙为主，孔裂隙发育程度直接影响储层的含气性能。经样品测试，滇东地区寒武系笻竹寺组黑色泥页岩孔隙度在1.20%～6.07%之间，平均为3.28%。据图7显示，孔隙度与含气量表现出一定的正相关关系。图5显示，部分样品孔隙度虽很高，其含气量并不突出，通过对样品岩性的观察发现，这样的异常点，所在岩层通常受到应力作用，斜交及垂直于层面的裂隙发育，一定程度上破坏了其储气性能。

图7　孔隙度与含气量关系图

4.3含气量与埋深

滇东地区以笻竹寺组为目的层的调查井中，黑色泥页岩埋深在100～1300 m之间，据表1，浅井(曲地6井、曲地7井)黑色泥页岩的平均含气量明显低于中深井（曲地1井、曲地5井）的平均含气量（ZK2井只选择性地采取含气性较好的3个样品解吸测试，不具代表性）。根据曲地1、曲地5井解吸测试含气量数据，剔除受地层挤压影响，裂隙发育、孔隙度较大而含气量并不高的个别样品，作埋深与含气量关系散点图（图8、图9），可以看出，随埋深增加含气量呈增大趋势。也进一步说明，研究区内调查井较浅也是影响样品含气量测试结果偏低的原因。

图8　埋深与含气量关系图（曲地5井）

图9　埋深与含气量关系图（曲地1井）

4.4含气量与有机质成熟度

有机质并不是在整个沉积过程均产生油气，要达到一定变质程度才能热解或裂解生烃。滇东寒武系笻竹寺组黑色泥页岩有机质类型属于Ⅰ型干酪根，当Ro≧1.3%达到生气窗，生成干气的镜质组反射率上限值为3.0%，而所生成干气的保存上限值4.6%[10]，通过测试分析，区内泥页岩有机质成熟度与含气量之间相关系数不大，且等效镜质组反射率在2.30%～3.55%之间，未超过干气保存上限，只要储存条件较好即可富集成藏。

4.5其他

含气泥页岩地层是一套富有机质沉积岩系，除泥页岩以外，由于沉积坏境及物源条件的变化，还发育砂岩或碳酸盐岩，其有机质丰度一般较低，生烃能力较差，但其孔隙系统仍具备储气能力，上下富有机质泥页岩所生成的气体经微运移作用富集在其中，泥页岩则充当其盖层，从而形成有效气藏。曲地5井14号、18号样品分别为粉砂岩和泥灰岩，TOC值1.53%和1.84%，含气量却达1.22 m3/t和0.96 m3/t，含气性不差于其上下泥页岩。因此，在页岩气勘探中应提高对富有机质沉积岩系中其他岩性的重视，含气性较好的亦可作为目标层。

5　结论与认识

（1）滇东地区寒武系下统笻竹寺组为浅海陆棚相沉积环境，根据区域地质资料显示，其中下部为一套暗色富有机质泥页岩，分布范围及厚度大小应作进一步的调查研究，从而为滇东地区页岩气选区提供地质基础条件。

（2）笻竹寺组黑色泥页岩有机质为Ⅰ型干酪根，达到高-过成熟热演化阶段，含气量在0.06～1.45 m3/t之间，平均0.58 m3/t，但因钻井为调查井，笻竹寺组埋深较浅，其数据具有一定局限性，地层含气性应优于测试结果。参考美国页岩气产区及国土资源部的选区评价方法,滇东地区笻竹寺组泥页岩含气性达到有利区下限。

（3）泥页岩含气性影响因素复杂，包含内部因素和外部因素，经过实际对比分析，含气性主要与TOC、孔隙度和埋深呈正相关关系，与有机质成熟度关系不明显。

（4）富有机质沉积岩系中的粉砂岩、碳酸盐岩具有一定含气性，在研究和勘探中应引起重视。

参考文献

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13张林晔，李政，朱日房.页岩气的形成与开发[J].天然气工业，2009，29（1）：1-5.

（修改回稿日期2015-07-24编辑王晓清）

作者简介董云超，男，1986年出生，云南祥云人，工程师；2009年毕业于中国地质大学。主要从事煤层气及页岩气地质勘查工作，工作地涉及滇东及黔西地区。地址：（655000）云南省曲靖市交通路79号一四三队院内云南煤层气公司。电话：13732789400。E-mail: dongyunchao123@163.com