贵州早石炭世岩相古地理演化及页岩气成藏特征

田硕夫, 杨瑞东

(贵州大学 资源与环境工程学院，贵阳 550025)

贵州早石炭世岩相古地理演化及页岩气成藏特征

田硕夫, 杨瑞东

(贵州大学 资源与环境工程学院，贵阳 550025)

[摘要]根据野外剖面层序地层研究和室内资料分析，结合最新钻井资料、区域地质调查资料等，并与国内外典型页岩气特征参数及聚集条件对比，综合研究贵州下石炭统页岩气富集条件、优选有利地区。贵州下石炭统发育4个层序，以台地相石灰岩为主,夹潮坪沼泽潟湖相白云岩和泥页岩，惠水、长顺以及六盘水等地区下石炭统旧司组(打屋坝组，第2层序)页岩、泥岩较发育。从页岩、泥岩的分布、厚度、有机质丰度、有机质类型、有机质热演化程度等特征，并与美国Barnett页岩等五大含气页岩主要评价参数以及涪陵焦石坝页岩气的分布、产出状态(游离气体积分数>50%)等对比，认为黔南、黔西南地区旧司组具有页岩气聚集发育的条件，具有很好的勘探前景。其中，黔南最有利的地区是紫云—惠水一带，黔西南最有利的地区位于威宁—水城一带。该区页岩气应重视保存条件的研究，同时应重视游离气、夹层气的贡献。

[关键词]贵州；下石炭统；旧司组；岩相古地理；页岩气

页岩气是三大主要非常规资源之一。页岩气赋存于富有机质泥页岩及其夹层中，主要以吸附或游离状态残留于盆地内的泥页岩内部，成分以甲烷为主[1]。大部分产气页岩分布范围广、沉积厚度大，具有开采寿命长和生产周期长的特点。

自1976年美国政府组织开展“东部页岩气工程”以来，美国页岩油气资源开发进展迅速。特别是2005年在Barnett页岩区带上实现了水平井分段压裂技术突破后，美国页岩油气开发进入了大发展阶段：页岩气产量由2006年的约31.1×109m3增至2012年底的超过230×109m3；页岩油的日产量至2012年底超过200万桶[2]。

近年来，中国相继在南方地区开展了页岩气资源调查和研究，并取得了一系列成绩，发现了4套区域性黑色页岩和8套地区性黑色页岩，厚度大、范围广、富含有机质[3]。2012年，贵州省也对全省的页岩气资源开展了系统的调查评价，将全省划分为“黔北、黔西北、黔南、黔西南”4个评价区，通过实施26口页岩气调查井及大量的野外地质考查、取样、测试分析等工作，完成了对古生界7套页岩层系的有效评价，其中针对下石炭统实施了5口页岩气调查井(黔西南评价区4口、黔南评价区1口)，是中国南方地区首次针对石炭系开展的实质性页岩气调查研究工作。杨瑞东等(2012)提出下石炭统大塘阶可能具有巨大的页岩气资源前景[4]。2015年初，贵州省地调院在长顺一带实施了2口下石炭统旧司组(打屋坝组)页岩气调查井(长页1井，代页1井)，初步显示页岩气储量丰富。

本文根据区域地质调查等分析资料，利用野外地质调查、层序地层学、分析测试等方法，结合最新钻井资料及含气量现场解析数据，研究早石炭世岩相古地理演化及页岩气成藏条件，并优选有利区，为该区石炭系页岩气勘探确定方向。

1区域地质背景

研究区地处扬子地区西南部，贵州境内紫云—垭都断裂的西南侧以及由紫云—垭都断裂和清镇—贵阳断裂围成区域的中南部，包括整个黔西南地区和黔南分区的大部。

1.1古断裂

研究区主要受贵州西部的垭都—紫云断裂带以及中部的盘县(清镇)—贵阳断裂带控制(图1)。北西向垭都—紫云断裂带位于贵州西南部，由多条比较密集的断裂组成。该断裂带在贵州省内全长>300 km，现已证实其形成于加里东晚期(奥陶纪与志留纪)，发育于海西期。区内泥盆—石炭系相带呈北西向展布，受该断裂带控制，垭都—紫云断裂东北侧的黔西北地区则缺失奥陶系、志留系、泥盆系以及石炭系大多层系；盘县(清镇)—贵阳断裂带基本呈东西向延伸，起着枢纽轴的作用，控制了泥盆—石炭纪上扬子古陆及其海陆边界；北东东向断裂带为一组隐伏断裂，在早石炭世晚期—早二叠世与垭都—紫云断裂共同控制了盆地相及台缘相的展布[5]。综上所述，同生断裂对研究区的古地理演化起着控盆控相作用。

图1　贵州古断裂示意图Fig.1　Sketch map of the syngenetic faults of the late Paleozoic in Guizhou

1.2岩相古地理及演化

晚古生代的构造、古地理背景基本上都是在加里东运动基础上发展演化的[5]。加里东运动基本上结束了本研究区惠水乃至南盘江大部分地区早古生代的沉积历史。进入早泥盆世，有2条同生断裂控制着研究区的沉积分布格局及演化，即北西向的垭都—紫云断裂和北东东向的盘县(清镇)—贵阳断裂。垭都—紫云断裂以东、清镇—贵阳断裂以北为陆地或(局部)物源区，垭都—紫云断裂西侧、清镇—贵阳断裂以南则为主要沉积区。自陆地向海依次发育陆地(冲积相)、河湖相、滨岸潮坪相及深水陆棚相等沉积，沉积区北部是泥页岩发育的重要地区之一，南部贞丰地区是深水沉积区(图2-A)。

中泥盆世惠水地区海陆交互，向南、向西南(六盘水)方向石灰岩沉积增多；晚泥盆世海侵规模有所扩大，但南部陆源区沉积速率更快，导致惠水等北部沉积区广泛发育白云岩蒸发潮坪潟湖台地沉积。

图2　贵州晚泥盆世-早石炭世岩相古地理图Fig.2　Map showing lithofacies and paleogeography from the D3-C1 in Guizhou(据桑惕等修改，1992)(A)晚泥盆世锡矿山期; (B)早石炭世岩关期; (C)早石炭世大塘期; (D)早石炭世德坞期

石炭纪基本继承了泥盆纪古地理格局。所以，早石炭世岩关期就连沉积范围也与泥盆纪相同，只是由于海侵水体加深，石灰岩台地取代了白云岩蒸发台地，构成了很好的页岩气底板条件(图2-B)。

到了早石炭世大塘期，研究区发生了一次规模较大的海侵，并且物源供给也大为增加，因而在碎屑岩区规模扩大的表象下，掩盖着海水相对变深、沉积范围扩大的实质，甚至与广海也联系了起来(图2-C)。

早石炭世德坞期(图2-D)及晚石炭世，除贞丰等地区外，大部分地区已演化为石灰岩台地, 这是很好的页岩气顶板(盖层)条件。

从图2也可以明显看出，北部包括江南山地仍是主要的物源区，由(西)北向南，逐渐由残积相(冲积相)、河流湖泊相渐变为潮坪潟湖相，再变为生屑缓坡滩坝、深水陆棚相。但细粒泥页岩富集中心已位于惠水及六盘水一带(图3)。这种古地理、沉积相分布格局对本文的页岩气选区特别重要。

综上所述，研究区泥岩、页岩主要发育在早石炭世大塘期，富集在惠水—长顺、六盘水—威宁一带。晚泥盆世、早石炭世岩关期主要发育碳酸盐岩，是很好的底板条件；早石炭世德坞期发育碳酸盐岩，有很好的顶板条件，可作为盖层。所以说，在岩相古地理演化条件上，大塘期页岩气发育具有良好的岩性条件和顶、底板条件。

2页岩气成藏特征

研究表明，页岩气成藏主要受页岩厚度、有机质丰度及类型、热演化程度、页岩储渗条件、含气性等多种因素的控制[6]。美国五大含气页岩成藏，Barnett页岩最为典型(表1)。Barnett页岩是在美国德克萨斯州福特沃斯盆地发育的一套密西西比系黑色页岩，面积约13×103km2，是福特沃斯盆地的主力烃源岩[7]。Barnett页岩的地质储量为(1.53～5.72)×1012m3，技术可采储量为(96.278～283.170)×109m3。Barnett页岩是目前世界上开发最成功的页岩气产区，其主要的参数指标可作为我们评价研究区的主要参考指标。

图3　贵州省下石炭统层序地层划分对比图Fig.3　Correlation of sequence stratigraphy in GuizhouOP.开阔台地; RP.局限台地; ES.河口湾; HST.高位体系域; TST.海侵体系域; CS.凝缩层

2.1泥页岩(烃源岩)特征

作为页岩气生成和赋存的主体，一定的含气泥页岩厚度是形成页岩气富集区的基本条件，也是页岩气资源丰度高低的重要因素[14]。美国进入大规模商业开发的五大含气页岩系统毛厚度为31～579 m(页岩净厚度9～91 m)，其中页岩气单井产量和年产量较高的Barnett页岩系统毛厚度为61～300 m(净厚度15～60 m)。富含有机质泥页岩的厚度越大越好，保证一定规模的页岩气资源量和压裂改造的需要。

研究区的大塘阶自下而上分为汤粑沟组(C1t)、旧司组(C1j)、上司组(C1s)，均为整合接触(图3)。

旧司组页岩层系主要发育于黔西南地区西北部、东南部及黔南南部，岩性主要为黑色、灰黑色页岩、泥页岩、泥岩，夹黑色泥质灰岩(图3)、含泥灰岩和少量砂岩，页岩水平层理发育。根据岩性、岩相分为2段，厚度一般为300～400 m。大部分区域泥页岩沉积厚度为50～185.5 m，一般厚度>100 m，且潜质页岩厚度>40 m。在黔南，旧司组页岩层系上部、底部均夹黑色泥质灰岩(图4-A,B,C,D)，黑色泥页岩富集有机质，层面、节理面上往往呈石煤特征(图4-C)，风化后类似油页岩风化产物(图3-F)。而安顺杨武旧司组页岩层系叶片状结构发育，页岩风化成黄褐色叶片(图4-E)。黔南地区旧司组烃源岩不仅是黑色泥页岩，黑色泥质灰岩也应该是重要的烃源岩，在评价时应该给予考虑。

黔西南地区旧司组分布比较广泛，为海陆交互相—浅海相沉积。整体上，黔西南的西北部威宁—六盘水黑色页岩厚度较大，一般厚度>100 m，沉积中心在威宁一带，沉积厚度最高可达到据Curtis(2002),并将英制单位换算成SI制单位。

表1　美国巴尼特等五大含气页岩主要参数

图4　贵州石炭系旧司组泥页岩特征Fig.4　Characteristics of source rock of the Jiusi Formation in Anshunchang, Guizhou(A)龙里旧司组碳质页岩与碳质灰岩互层; (B)惠水旧司组碳质页岩中黑色碳质灰岩; (C)惠水旧司组黑色碳质页岩; (D)惠水旧司组上部黑色泥页岩中夹薄层灰岩; (E)安顺杨武旧司组黑色碳质页岩，风化呈叶片状; (F)惠水旧司组碳质泥页岩风化，呈油砂状; (G)惠水断杉旧司组页岩中灰岩夹层; (H)惠水断杉旧司组页岩中发育大量节理

185 m，沿北东、南西向页岩厚度逐渐变薄；中北部，六盘水—普安—紫云一带厚度>50 m；西部、西南部、东南部页岩厚度<50 m，一般为30 m。

黔南地区旧司组分布较局限，仅中南部惠水-紫云一带有分布，潮坪-潟湖相沉积为主。整体上惠水-紫云一带泥页岩厚度较大，一般厚度>100 m，沉积中心在长顺—惠水一带，最高可达到200 m以上，沿南西向逐渐变薄至50 m(图5)。

2.2有机地球化学特征

2.2.1有机质丰度及类型

含气页岩的有机质丰度(有机碳含量)，不但决定页岩气的生成量，而且影响页岩气的赋存和富集，进而影响页岩气的资源丰度[14]。

美国大规模商业开发的五大含气页岩系统有机碳质量分数(wTOC)为0.5%～2.5%，其中页岩气单井产量和年产量较高的Barnett页岩系统wTOC为2.0%～7.0%。页岩气有利发育区的wTOC>1.0%为宜(图6)。

研究区下石炭统旧司组富有机质页岩的有机质类型主要以Ⅱ1型和Ⅱ2型为主，偶见Ⅲ型和Ⅰ型。wTOC普遍大于1.0%，多数分布在1.0%～2.0%范围内，有23.8%的样品wTOC>2.0%，最高达2.83%。

秦文等(2014)对黔西南地区旧司组205块露头样品及岩心样品的有机碳进行测试，wTOC为0.05%～5.76%，平均为1.25%，主体分布在0.80%～1.50%。有39.51%的样品在1.00%～2.00%。纵向上，威宁龙街1701孔资料显示，旧司组上段wTOC为0.73%～1.91%，平均为1.34%；下段wTOC为1.39%～3.02%，平均为2.11%。可见，旧司组下段的TOC含量比上段高。平面上，研究区内以威宁—水城—晴隆为轴线，往两侧TOC逐渐减少；威宁、水城一带为高值区，wTOC>1.50%；威宁龙街周边地区wTOC>2.00%，生烃强度中等[8]。

图5　贵州下石炭统旧司组烃源岩厚度等值线图Fig.5　Thickness contour map for the Jiusi Formation black shale in Guizhou

图6　有机碳含量与页岩气含量关系Fig.6　Relationship between the TOC and shale gas content(A)美国有机碳含量与页岩气含量关系; (B)加拿大有机碳含量与页岩吸附气含量关系

黔南地区旧司组泥页岩有机碳质量分数普遍大于1.5%，往南东有机碳含量增高，wTOC平均为2%左右。长顺地区的2口调查井长页1井和代页1井资料显示，wTOC为0.69%～2.72%及0.41%～6.93%，平均为1.81%及2.19%，生烃强度较大。

2.2.2有机质成熟度

研究区内有机质成熟度总体演化程度较高，全区有机质成熟度(Ro)为1.0%～4.0%，主体在2.0%～3.0%，平面上由北东往南西成熟度增大。

据张本杰等研究[9]，黔西南地区Ro为1.11%～4.87%，一般为2.13%～3.11%，平均为2.71%，总体热演化程度高，处于过成熟早期生干气阶段。据威页1井和晴页2井样品测试结果，Ro随深度增加有增大趋势，晴页2井深度716～733 m处Ro值高达4.49%～4.87%。

黔南地区，Ro一般为1.3%～3.5%，有机质成熟度适中，处于有机质热演化高成熟阶段。据长页1井和代页1井的调查结果，Ro最小值为2.13%～2.19%，最大值为2.66%～3.27%，平均为2.47%～2.66%。

在常规油气的勘探过程中，热演化程度通常作为烃源岩评价的重要指标。一般说来，Ro在0.6%～1.6%时烃源岩达到成熟或高成熟，处于烃类大规模生成窗，有利于油气的勘探。页岩气是连续生成的生物气、热成因气，可以把页岩气认为是烃源岩中未排出的残留气[10]，换句话说，生气量较小、能够满足泥页岩的储集就可以形成页岩气藏，因此，热演化程度范围可以适当放宽。

美国大规模商业开发的五大含气页岩系统Ro=0.4%～2.2%(目前勘探开发的Haynesville页岩、Fayetteville页岩、Marcellus页岩Ro=0.6%～3.0%)，其中页岩气单井产量和年产量较高的Barnett页岩系统Ro=1.1%～2.2%。另外，国外的初步研究结果表明，泥页岩的含气量(主要是吸附气)与镜煤反射率关系不明显。参考国外含气页岩热演化特征，考虑到中国泥页岩热演化程度特点，页岩气有利发育区Ro=1.0%～3.0%为宜。若再考虑中国油气勘探实践，只要曾生成过油气并能保存到今天的烃源岩，其Ro值的问题完全可以忽略。如四川盆地安岳气田三级储量已达万亿立方米，其烃源岩主要为下寒武统烃源岩[11]；涪陵礁石坝页岩气田以及长宁页岩气田烃源岩均为上奥陶统五峰组及下志留统龙马溪组碳质页岩。所以，研究区石炭系烃源岩的成熟度不是主要考虑的参数，而烃源岩的有机质丰度及有机质类型则是烃源岩重要参数，此外，保存条件也是关键参数。

2.3泥页岩矿物成分特征

脆性矿物质量分数直接决定后期页岩气开发储层改造效果[12-14]，脆性矿物质量分数一般>40%、黏土矿物质量分数<30%才具备商业开发价值[15,16]。旧司组泥页岩在贵州省境内分布较局限，且随沉积环境的变化，黔西南和黔南岩相差异较大。

黔西南旧司组泥页岩矿物成分以石英为主，石英的质量分数最高达66.37%，平均为41.62%；其次为黏土矿物、碳酸盐岩、长石、铁矿物、石膏等(表2)。

表2　旧司组页岩的主要矿物及含量(w/%)

据张本杰等(2014)。

碳酸盐岩主要为方解石、白云石；铁矿物主要为黄铁矿、菱铁矿；黏土矿物以伊利石为主，高岭石、蒙脱石次之，绿泥石较少。页岩砂质脆性矿物和自生脆性矿物含量较高，平均质量分数为60.28%[9]。

黔南地区旧司组泥页岩矿物组成以黏土矿物和石英为主，黏土矿物的平均质量分数为52%，石英的平均质量分数为37.8%，兼有少量长石、碳酸盐岩和黄铁矿等。黏土矿物主要为伊蒙混层和伊利石，伊蒙混层平均质量分数为80.4%，伊利石平均质量分数为12%，部分样品还含有一定量的高岭石和绿泥石。据长页1井资料，页岩中脆性矿物平均总质量分数为31.7%。这与黔西南旧司组泥页岩矿物组成有较大区别。

2.4含气性

通过对长页1井、晴页2井的现场解吸数据分析，旧司组潜在页岩含气量在0.5～1 km深度内为0.5～2.4 m3/t。黔西南总含气量为0.12～2.94 m3/t，一般为0.5～2.1 m3/t，平均为0.99 m3/t；威宁以北及晴隆北西较高，水城以西及以北较低。纵向上随深度增加有增高趋势，晴页2井在719.34～731.81 m深度总含气量高达2.08～2.35 m3/t。储集方式以吸附气为主，占总含气量的62%～95%；游离气次之。黔南总含气量为0.9～2.84 m3/t，平均为1.5 m3/t。长页1井在700～930 m深度的含气量>1.2 m3/t，储集方式主要为游离气。

贵州水城县打水井时钻遇岩层出气，日产气(60～80)×103m3，证明水城一带旧司组页岩气以游离气为主。惠水断杉一带高速公路隧道掘进至旧司组页岩时自燃，说明旧司组页岩气也以游离气为主。其与旧司组地层结构、构造发育等密切相关。

根据中国页岩气及美国页岩气勘探成果，四川涪陵焦石坝页岩气田及美国Barnett页岩气田储集方式以游离气为主，涪陵页岩气田焦石坝区块页岩气探明储量达千亿立方米，其游离气与吸附气的比例为6∶4，游离气占主(表3)。同样，美国巴肯页岩气也主要是游离气，产量高，产能稳。因此，贵州下石炭统旧司组页岩气要围绕游离气进行勘探。

2.5页岩层系中的夹层

页岩层系中的夹层对页岩气储集有很大影响。如美国Barnett页岩气储层主要是上下2套据李军等(2015)。

表3　焦页1井页岩气综合解释

页岩之间的碳酸盐岩和碎屑岩储层。因此，不仅要重视页岩储集性能，还要重视页岩层中夹层的储集情况。贵州下石炭统旧司组页岩上部和下部均普遍发育灰岩夹层(图4-G)，其对页岩气储集影响很大，应该加强研究。

2.6页岩层系中的节理发育程度

在惠水断杉旧司组页岩中，受到断杉断裂的影响，石炭系产状变化很大，产状较陡，节理发育，页岩受到构造作用，节理面上发育镜煤状光面(图4-H)，节理强烈发育，以及黑色灰岩夹层的存在，可能是惠水断杉高速公路隧道掘进至旧司组页岩时产生自燃的原因。说明页岩气在节理发育，或者灰岩夹层发育的页岩段，页岩气储集较好，有大量的游离气存在。水城附近的水1井产气量大，也可能与水城附近北北西向的断裂发育有关。因此，在贵州石炭系页岩气勘探和评价中，要重视构造和节理对页岩气储集的影响。

3勘探远景及有利区

综合上述分析，黔西南地区下石炭统旧司组在威宁—水城一带页岩厚度>100 m；有机碳含量高，平均质量分数达2.11%；脆性矿物含量高，裂缝、节理发育；通过晴页2井钻探施工获取了该目标层系含气性关键性参数，含气性显示良好，水城、惠水等地页岩气储集方式以游离气为主，有利于页岩气的开发：因此认为黔西南旧司组页岩气聚集发育的最有利区为威宁—水城一带(图5)。

黔南地区旧司组(打屋坝组)在惠水—紫云一带页岩净厚度>100 m；有机碳含量较高，平均质量分数达1.69%；另外通过长页1井钻探施工获取了该目标层系含气性关键性参数，含气性显示好，储集方式以游离气为主；构造作用强烈，页岩节理强烈发育；页岩段内有灰岩夹层：因此认为黔南旧司组(打屋坝组)页岩气聚集发育的最有利区为惠水-紫云-长顺一带(图5)。

4结 论

a.贵州下石炭统发育4个层序，以台地相石灰岩为主夹潮坪沼泽潟湖相白云岩和泥页岩，惠水、长顺以及六盘水等地区旧司组(打屋坝组，第2层序)页岩、泥岩较为发育。

b.旧司组具有页岩气聚集发育的条件，有很好的勘探前景。

c.黔南地区最有利区有惠水—紫云地区，黔西南地区最有利区位于威宁—水城地区。

d.黔南、黔西南地区页岩气勘探生产应重视保存条件的研究，要重视页岩层系中夹层游离气的贡献。

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Lithofacies and paleogeography evolution and characteristics of shale gas accumulation in Lower Carboniferous, Guizhou, China

TIAN Shuo-fu, YANG Rui-dong

CollegeofResourcesandEnvironmentEngineering,GuizhouUniversity,Guiyang550025,China

Abstract:Study of shale gas accumulation conditions and selection of favorable area in Lower Carboniferous of Guizhou Province are carried out on the bases of research on field-profile sequence stratigraphy and analysis of laboratory data, combined with the latest drilling data and regional geological survey information. Lower Carboniferous Series in Guizhou can be divided into 4 sequences with dominate limestone interbedded with dolomite and shale. Shale and mudstone develop well in Jiusi Formation (Dawuba Formation, the second sequence) in Huishui, Changshun and Liupanshui areas. Comparison of five evaluation parameters of Barnett shale in United States with shale gas distribution and output status (volume fraction of free gas is >50%) of Fuling shale gas in China, in terms of thickness and distribution of shale, organic carbon abundance, organic carbon type and thermal evolution analysis, it considers that the Jiusi Formation of Lower Carboniferous shale possesses good accumulation condition with very large exploration prospects in southern and southwestern Guizhou. The favorable areas in southern Guizhou mainly distribute in the Ziyun-Huishui area and the favorable areas in southwestern Guizhou mainly distribute in the Weining-Shuicheng area. Attention should be paid to the study of preservation conditions of shale gas and the contribution of free gas and intercalated bedding gas in shale formation.

Key words:Guizhou; Lower Carboniferous; Jiusi Formation; paleogeography; shale gas

DOI:10.3969/j.issn.1671-9727.2016.03.05

[文章编号]1671-9727(2016)03-0291-09

[收稿日期]2015-05-19。

[基金项目]贵州大学学科建设基金资助项目。

[通信作者]杨瑞东(1963-),男,教授,研究方向：沉积学与地球化学, E-mail:rdyang@gzu.edu.cn。

[分类号]TE122; P531

[文献标志码]A

[第一作者] 田硕夫(1990-),男,硕士研究生，研究方向：沉积学与油气地质, E-mail:tian_sf@126.com。