黔南地区石炭系打屋坝组页岩气富集特征及其影响因素

苑　坤，王克营，巩书华，覃英伦，卢树藩，陈　榕，方欣欣

(1.中国地质调查局油气资源调查中心，北京　100083； 2.湖南省煤炭地质勘查院，长沙　410014；3.贵州省地质调查院，贵阳　550018； 4.中国地质科学院地质力学研究所，北京　100081)

页岩气是一种自生自储的非常规能源，具有吸附气和游离气并存、孔渗较低等特点[1-3]。目前，我国南方页岩气的研究主要集中在四川盆地，而贵州地区的研究工作相对较少[4-6]。初步研究表明，贵州南部地区发育了多套页岩，这些页岩具有分布广泛、有机质含量高等特点，在后期勘探开发中预期能取得较高的工业经济价值[7-9]。石炭系打屋坝组是其中的典型代表[10-12]。

由于沉积环境、构造演化等的不同，黔南地区页岩储层的物性表征及成因与四川盆地不尽相同，后期的勘探开发利用模式因此也各具差异[13-15]。由此，为深入认识黔南地区石炭系打屋坝组页岩气的富集特征及其成因，本文采用一系列物理实验对区内目的储层进行系统的研究，综合分析其空间特征、孔隙结构、有机质丰度及成熟度、微观物质组成及含气性特点，获得其赋存表征，并结合数学分析揭示页岩气含气性的主要影响因素及其影响程度。上述结果将对页岩气的成藏现状带来重要的理论意义，并能为后期页岩气开发提供参考。

1　基础地质

1.1　构造

黔南坳陷位于贵阳、黄平、安顺一线之南，东邻江南隆起，北接黔中隆起，西隔垭紫断裂与威宁-紫云断陷为邻，坳陷整体东部较高，最低处位于南西长顺平塘凹陷，面积约30 800km2。黔南坳陷是早海西期坳陷，寒武纪时与黔中隆起连成一体，下古生界层位齐全，古生界发育齐全，尤以泥盆系厚度较大，岩性以碳酸盐岩为主夹砂、泥岩，横向变化较稳定，呈北东向展布的相带较规整，该时期并未见坳陷性质。加里东未期的都匀运动，使其北形成黔中隆起，南侧出现桂西北隆起，在南北隆起的夹持衬托下具有负向构造的特征。黔南坳陷可进一步划分出四个次一级构造单元，即安顺宽向斜、长顺-平塘凹陷、龙里贵定逆冲隔槽式褶皱带、黄平凹陷以及麻江凸起(图1)。

1.2　目的层

石炭系打屋坝组是本区重要的含页岩气地层。主要分布于罗甸-长顺代化-紫云一带，岩性主要为碎屑岩，其与下伏和上覆碳酸盐岩易区分。中下部岩性以黑色薄层炭质黏土岩、灰、深灰色薄—中厚粉砂质黏土岩、灰色中厚层状粉砂岩为主，夹深灰色薄层硅质岩、硅质黏土岩。上部岩性以硅质岩、硅质黏土岩、粉砂岩为主。黏土岩中可见水平层理，粉砂岩具层纹—条纹状构造，黏土岩中常常含有铁锰质结核，结核大小一般为12cm×18cm，呈椭球状，略具顺层分布。底以炭质黏土岩的出现与下伏睦化组分界，整合接触。

2　页岩气地质特征

2.1　分布情况

通过研究打屋坝组沉积构造，古生物化石，单剖面相、剖面对比，认为打屋坝组富有机质页岩沉积有利发育段处于台棚相带，以黑色炭质泥(页)岩为主，夹少许有机质灰岩。黔南地区内打屋坝组富有机质页岩发育分布区位于王佑-代化、紫云所围成的区域，其分布面积约3 000km2。

图1　黔南坳陷南北向挤压型主干构造形迹分布图Figure 1　NS compressive backbone structural features distribution in south Guizhou depression

研究区打屋坝组沉积最厚可达220m，沉积中心位于紫云-王佑一线，向南减薄至数十米，向北亦减薄并出现剥蚀区。在罗甸、沫阳一带主体相变为泥质灰岩，泥晶灰岩及硅质岩夹少许黑色页岩(图2)。

打屋坝组岩性为黑色、深灰色、灰绿色页岩、砂岩、炭质页岩，属于被动大陆边缘浅海-半深海沉积。受基底构造控制，打屋坝组埋深展布特征由北向南呈现先深后浅的特征，东西向展布特征不明显。全区来看，黄果树镇附近最深可达4 500m，代化镇及水塘镇以南地区发生不同程度的剥蚀。打屋坝组展布特征整体上受后期构造影响和制约明显，主要表现在穹窿背斜两翼埋深小，向外延伸埋深大，打屋坝组底板埋深较为连续，整体呈南北向展布(图3)。

图2　打屋坝组有效厚度等值线图Figure 2　Effective thickness isogram of Dawuba Formation

图3　打屋坝组顶板埋深等值线图Figure 3　Dawuba Formation roof buried depth isogram

2.2　微观物质组成

2.2.1有机质类型

打屋坝组富有机质页岩的干酪根显微组分以壳质组、镜质组为主，腐泥组、惰质组次之，其中壳质组以腐殖无定型体为主，少量壳质碎屑体，镜质组主要为无结构镜质体，腐泥组主要为腐泥无定型体和腐泥碎屑体，惰质组显示丝状体，基本不发荧光，类型指数-21～29。统计结果表明，打屋坝组黑色页岩有机质类型主要为Ⅱ2型或Ⅲ型。

2.2.2无机矿物组成

针对区内打屋坝组有机质页岩进行了黏土矿物及全岩X射线衍射分析，结果如图4和图5所示。打屋坝组矿物主要由黏土矿物和石英组成，黏土矿物平均含量可达52%，石英的平均含量为37.8%，其余为长石、白云石、黄铁矿等。黏土矿物主要为伊蒙混层和伊利石，伊蒙混层平均为80.4%，伊利石平均为12%，部分样品还发现了少量绿泥石及高岭石。

2.3　有机质丰度与成熟度

打屋坝组有机碳含量较高，TOC一般分布在0.9%～5.2%，且在黔南地区整体表现为自西北向东南递增趋势(图6)。热演化程度也较高，Ro一般为2.35%～4.22%，整体均高于2.0%，已达过熟阶段，表现出自北北西向南南东递增的趋势(图6)。对比来看，TOC和Ro的分布特征较为相似。

2.4　含气性

区内近年来施工的页岩气调查井主要包括长页1井、代页1井、罗页1井、火花1井等。已收集到的资料进行分析研究表明区内石炭系打屋坝组含气性显示良好。图7整理了区内代页1井的岩心样品含气量测试结果，代页1井在448～643m井段钻遇打屋坝组，钻厚195m，现场解释含气层5层，含气量为0.5～5m3/t[12]。气测解释结果表明区内打屋坝组符合页岩气核心区域选区标准。

图4　打屋坝组矿物成分分布图Figure 4　Dawuba Formation mineral compositions distribution

图5　打屋坝组黏土矿物组成分布Figure 5　Dawuba Formation clay minerals distribution

图6　黔南地区下石炭统打屋坝组TOC、Ro等值线图Figure 6　Isogram of lower Carboniferous Dawuba Formation TOC, Ro etc. in southern Guizhou area

3　控气因素分析

区内页岩气地质条件垂向变化大，古地理环境、构造条件、无机矿物微观组成及有机孔隙系统配置等多因素协同控制了区内现今的页岩含气系统。

图7　代页1井岩心样品含气量测试结果Figure 7　Gas content tested results of core samplesfrom well DY No.1

3.1　构造

研究区构造类型多，构造演化多期发展，强烈分异，定型较晚；属海陆交互相地层，呈现出平面分异，垂变频繁等特点。前述研究可知，受基底构造控制，打屋坝组埋深展布特征由北向南呈现先深后浅的特征，在黄果树镇最深约4 500m，部分地区由于地壳的抬升出现了剥蚀区。由此，区内构造对含气性的控制实则主要体现在埋深对含气性的控制上。为此，整理了代页1井、长页1井及其它井各个井段的含气量数据(图8)，整体而言，随埋深的增加，含气量呈逐渐增加的趋势。

图8　含气量随埋深变化趋势Figure 8　Gas content variation trend along with buried depths

3.2　古沉积环境

古沉积环境的复杂性，造成了研究区沉积地层的有机质类型及成熟度等一系列因素的复杂特征，进而控制了本区含气量的分布。整理并绘制了研究区内长页1井、代页1井及其它井钻遇的打屋坝组的有机碳含量、有机质成熟度与含气量之间的关系，如图9所示。随有机碳含量及有机质成熟度的增加，页岩含气量均呈明显增加的趋势。

3.3　无机矿物微观组成

基于研究区及周边页岩气井取芯的矿物测试结果，建立了含气量与黏土矿物及脆性矿物含量的关系(图10)。含气量与黏土矿物的分布呈正相关，而与脆性矿物呈负相关。这是因为黏土矿物具有较大的孔比表面积，是形成黏土矿物层间微孔的主要贡献者，提供了页岩气的吸附空间；随着黏土矿物的增加，脆性矿物含量降低，因此脆性矿物可与含气量呈负相关。

图9　打屋坝组含气量与TOC及Ro关系Figure 9　Relationship between gas content and TOC, Ro in Dawuba Formation

图10　含气量与矿物组成关系Figure 10　Relationship between gas content and mineral compositions

3.4　有机孔隙系统

打屋坝组有机质形成的孔隙孔容为0.011～0.044ml/g，平均0.02 ml/g，平均孔径3.584nm，以中孔隙为主。基于研究区及周边地区页岩气井取芯的压汞测试结果，整理了含气量与孔隙度及比表面积之间的关系(图11)。含气量与孔隙度负相关，与比表面积正相关。这是由于，页岩内的微孔系统是页层气主要的赋存空间，孔隙度越小，微孔系统越发育，孔比表面积越大，可供吸附的气体空间则越充足，因此含气量也越大。

3.5　各影响因素影响程度分析

回归分析图拟合线的斜率可用来分析横轴和纵轴之间的影响程度，斜率越大则横轴因素对纵轴因素的影响越强。分析前述各回归图拟合线的斜率，七个因素的回归线斜率差别较大，可以分为三类。第一类包括总有机碳含量及成熟度，这类因素回归线的斜率绝对值大于1，是影响含气量极强的因素。第二类包括脆性矿物含量、黏土矿物含量、孔隙度和比表面积，这类因素的回归线斜率的绝对值为0.01的数量级，为影响含气量稍强的因素。第三类为埋深，其回归线斜率的绝对值为0.001的数量级，为影响含气量稍弱的因素。

总有机碳含量及成熟度表征了储层的古沉积环境。古沉积环境形成了现今储层的总有机碳分布，是储层孔隙内气量的直接来源；有机质成熟度与总有机碳含量息息相关，也是孔隙内含气量的重要控制参数。因此，古沉积环境极强的控制了研究区现今含气量的分布特征。

脆性矿物及黏土矿物含量对含气量的控制实则体现在孔隙系统对含气量的控制上。因此，脆性矿物及黏土矿物含量与孔隙度及孔比表面对含气量的影响程度相当。本区页岩储层以中孔为主，小孔及大孔含量较少。因此，前述测试得到的孔隙度和比表面积数据主要针对中孔。虽然页岩气主要吸附于储层微孔中，但由于中孔和小孔/大孔满足此消彼长的关系， 故而中孔的孔隙度和比表面积也能控制含气量的发育，但较第一类参数弱。

在构造演化过程中，打屋坝组经历了复杂的抬升、沉降及变形，含气量因此沿开放性通道释放或在闭合性通道内富集。相较前述表征含气量物质来源的第一类参数及含气量赋存空间的第二类参数，构造演化对含气性的改造不如它们强， 但也在一定程度上控制了含气量的赋存。

图11　孔隙系统和含气量之间的关系图Figure 11　Relationship between pore system and gas content

3.6　含气性评价模型

第三类参数埋深对含气量的影响较小，可以忽略。因此可以建立研究区内含气量预测模型，模型的变量参数包括总有机碳含量(或成熟度)及孔隙度(或比表面积，黏土矿物含量及脆性矿物含量)。基于实测得到的各调查井不同井段的含气量及两个变量的数据，形成参数数据库，采用二元回归的方式进行不同方式的数据拟合，从中优选出最佳拟合方案。结果如下式所示。

Gc=-0.2φ+0.03T+4.03

R2=0.83

式中，GC为含气量；φ为孔隙度；T为总有机碳含量。

拟合结果表明，研究区内含气量与孔隙度和总有机碳含量之间存在较强的二元一次关系，拟合度0.83，具有一定的可信度。因此，在后期含气性数据不足的情况下，可采用上式对含气量进行评价。

4　结论

本文在综合分析黔南地区构造及地层特征的基础上，详细研究了石炭系打屋坝组的页岩气地质特征；从构造、物质组成、古沉积环境及孔隙系统四个方面阐释了页岩气含气性的控制因素，并建立了含气性评价模型。得到如下的认识：

1)打屋坝组岩性为黑色、深灰色、灰绿色页岩、砂岩、炭质页岩，属于被动大陆边缘浅海-半深海沉积。受基底构造控制，打屋坝组埋深展布特征由北向南呈现先深后浅的特征，在黄果树镇最深约4 500m，部分地区由于地壳的抬升出现了剥蚀区；沉积最厚达220m，向南减薄至数十米。打屋坝组富有机质页岩干酪根显微组分以壳质组、镜质组为主，腐泥组、惰质组次之；无机矿物主要由黏土和石英组成。有机碳含量较高，一般0.9%～5.2%，且表现为自西北向东南递增。热演化程度也较高，整体均高于2.0%。

2)区内石炭系打屋坝组含气性显示情况良好，古地理环境、构造条件、无机矿物微观组成及孔隙系统配置等多因素的复杂性，造成了一系列地质条件的复杂表征，最终协同控制了现今的页岩含气系统。

3)基于数据统计及回归定性分析，含气性的影响因素可分为三类，第一类为古沉积环境，包括总有机碳含量及成熟度，这类因素极强的影响了含气性特征；第二类为物质组成及孔隙系统，包括脆性矿物含量、黏土矿物含量、孔隙度和比表面积，为影响含气量稍强的因素；第三类为构造条件，如埋深，为影响含气量稍弱的因素。采用二元回归分析，建立了研究区的含气量预测模型，认为区内含气量与孔隙度和总有机碳含量之间存在较强的二元一次关系，拟合度0.83，具有一定的可信度。

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