贵州紫云地区打屋坝组成藏条件研究及有利区优选

苑 坤, 方欣欣, 王 婷, 陈 榕, 王 超, 林 拓, 卢树藩, 罗香建

(1.中国地质大学(北京)能源学院，北京 100083； 2.中国地质调查局油气资源调查中心，北京 100083；3.中国地质科学院地质力学研究所，北京 100081； 4.贵州省地质调查院，贵州 贵阳 550081)

0 引言

近年来，随着经济发展对能源的依存度不断增加，提升国内清洁能源勘探开发力度已成为当下油气勘探的重要方向[1]。目前，我国页岩气的勘探开发在下古生界已取得了显著成效[2]，并建立了涪陵、长宁—威远、昭通等页岩气示范区。但是，对于与美国主要页岩气产层相似的我国南方上古生界海相地层，页岩气勘探工作尚无重大突破[3-6]。究其原因，主要是因为台盆相间的古地理环境对岩性组合的影响较大，页岩的有机地球化学特征、岩石矿物学特征和储集性能存在较强的非均质性[7]。贵州南部作为我国南方上古生界石炭系页岩集中发育部位，经历了复杂的区域构造演化及岩相古地理变化[8]，所发育的下石炭统打屋坝组页岩是我国南方典型的海相页岩，但其各项静态指标与下古生界存在着显著差异，目前该区仍属于低勘探程度区[9]，缺乏对区内页岩分布及页岩气成藏条件的分析与对比。本文以贵州紫云地区的2口钻井(长页1井、代页1井)和4条典型剖面(蛮场剖面、格凸河剖面、四大寨剖面、罗岗剖面)为基础，从地层发育特征、地球化学指标、储集物性及含气性等方面对打屋坝组地层的石油地质特征进行了分析，探讨了打屋坝组地层的沉积背景、构造条件及成岩作用对富有机质页岩的影响，进而优选了紫云地区打屋坝组页岩气有利目标区域，这对于后续在该区开展页岩气勘探有一定的指导意义。

1 区域地质背景

工作区位于扬子板块西南缘，处于晚古生代形成的垭紫罗裂陷槽中部，北部为黔南坳陷和雪峰隆起，南部为右江—南盘江盆地[10]。紫云地区石炭系主要分布于火烘背斜两翼及代化镇附近的穹隆构造附近，其余地区被二叠系、三叠系覆盖(图1)。

图1 贵州紫云地区地质简图

根据打屋坝组的岩性组合特征，从上到下又可以将其分成4段[11]。打屋坝组四段与上覆南丹组灰色薄层燧石泥晶灰岩整合接触(图2)，岩性为深灰色、灰黑色泥岩、灰质泥岩夹深灰色泥质灰岩； 打屋坝组三段为灰黑色泥岩、页岩夹深灰色泥质灰岩、泥灰岩及粉砂岩； 打屋坝组二段为灰黑色泥岩与深灰色泥晶灰岩、灰色白云岩不等厚互层； 打屋坝组一段为深灰色灰岩、含泥灰岩、泥灰岩与灰黑色泥岩、页岩不等厚互层，与下伏睦化组深灰色中厚层状泥晶灰岩整合接触。

图2 紫云地区打屋坝组各段岩性特征

打屋坝组在紫云地区表现为台地边缘斜坡相-台盆相沉积[12]，其中，台盆相沉积主要发生在紫云地区南部，台地边缘斜坡相主要发育在北部。石炭世早期，特提斯域钦防海盆及哀牢山海盆由南东向北西沿沉积盆地发生海侵，在NE—SW向应力作用下，被拉伸成为裂陷槽盆[13-15]，由于海侵速度快，物质来源供给不足，在槽盆内沉积了以黑色页岩、硅质岩为主的相对深水的打屋坝组一段(图3)。此时，紫云县西南地区作为沉积中心，沉积了区域较厚的页岩层系，而紫云以北的猫营附近因不在裂陷槽盆范围内，沉积了以灰岩、泥灰岩为主的台地边缘相灰岩地层； 紫云运动后，海侵范围逐渐增大，水体由裂陷槽内部(紫云县以南四大寨地区)向两侧逐渐变浅，来自紫云北部及北东部地区的物源持续供给，形成了以灰色薄层粉细砂岩、粉砂质泥岩、灰黑色泥灰岩为主的打屋坝组四段。随后，构造持续抬升，水体继续变浅，形成了厚层碳酸盐岩为主的斜坡相南丹组地层，整合覆盖于打屋坝组之上。

图3 紫云地区打屋坝组地层沉积相对比

2 区域构造演化

紫云地区构造复杂，褶皱和断裂发育，主干构造线走向为NW及近SN向，晚白垩世及之前地层全部发生变形。受燕山期及喜山期构造事件影响，区内构造形迹相互叠加、限制，先期形成的褶皱后期再次被改造[16]。火烘背斜西南部地区以NW向构造变形为特征，区内褶皱、断裂均较发育，构造线展布方向主体为NW向，另有NWW向、NNW向、NE向及EW向构造发育，断裂通常发育于褶皱的核部及两翼，以逆冲性质为主，少量分布NE向剪切平移断层。火烘背斜北东侧为近SN向构造变形区，构造线方向主要为近SN向，另有NE向、NW向及NWW向，区内断层多沿主褶皱展布或斜切褶皱轴线，以逆冲断层为主，断层对区内褶皱具有一定破坏作用。

紫云地区的基底为固结于雪峰期(晋宁期)的中元古界梵净山群和其上的晚元古界板溪群浅变质岩系； 基底形成后，震旦纪至晚三叠世中期，是区内的主要沉积及伸展构造发育阶段，这个阶段由地壳升降运动导致的沉积间断和海陆转化、同生伸展型古构造和幔源超基性—基性岩浆活动频繁； 加里东中、晚期都匀运动和广西运动发育大型同生断裂、隆起和坳陷，这对区域的沉积与构造发展起重要的控制作用； 华力西初期继承了加里东期的NE向构造格局，中晚期逐渐转为离散拉张环境，全境处于抬升和断陷活动中，构造运动表现为断块性质，此阶段，在紫云北部地区沉积了台地-斜坡相灰岩地层，在南部沉积了台盆相泥灰岩、泥页岩地层； 中二叠世后期，东吴运动使区域发生整体抬升和隆起，导致大规模海退，紫云地区变为宽阔的剥蚀残积平原； 晚二叠世初，康滇古陆发生大规模玄武质岩浆喷溢，因距离喷发中心较远，紫云地区受影响较小； 中晚三叠世，海水全部退出，全区抬升为陆，区域的海相沉积史也就此结束。

3 成藏特征

3.1 地层发育特征

打屋坝组在紫云地区分布广泛，地层厚度约为50～305 m，厚度变化受沉积相控制明显[17-18]。区内的沉积中心位于紫云县西南部，从南西向北东逐渐变薄(图4)，至猫营附近发生相变，岩性组合由以泥页岩为主变为以泥质灰岩为主。在紫云县南西打屋坝组地层厚度可达305 m，紫云县、蛮场、罗岗附近厚度也超过200 m，至格凸河一带，厚度减为100 m，代化镇、宗地乡附近地层厚度又逐渐增厚。

图4 紫云地区打屋坝组地层厚度等值线

纵向上，打屋坝组一段、三段地层最厚，其中，打屋坝组一段厚15～120 m(平均93 m)，打屋坝组三段厚20～80 m(平均52 m)，打屋坝组四段厚10～80 m(平均35 m)，打屋坝组二段厚5～25 m(平均11 m)。所处部位不同，地层岩性组合也有所变化，代化—蛮场—沙子地区打屋坝组页岩较为发育，但顶部、底部多夹灰岩、硅质岩等夹层，尤其以在距顶、底10 m的部位，灰岩、硅质岩夹层较多。在代化以北的王佑地区，打屋坝组顶部多为一套灰色、灰黄色泥岩、粉砂质泥岩，厚度可达30 m以上。在代化地区以南，灰岩地层更为发育，碳质页岩呈夹层状产出。

打屋坝组的埋深受工作区构造控制明显，其中剥蚀区主要分布在火烘背斜、代化穹隆，并沿王佑—紫云一带零星展布。除剥蚀区外，打屋坝组底界埋深约20～5 000 m，由北向南，埋深逐渐增大(图5)，在火烘背斜南部的磨安向斜及北部的下厂向斜核部最大埋深可超过4 500 m，向东部代化附近埋深下降至1 000 m以浅。

图5 紫云地区二维地震剖面

3.2 有机地球化学特征

通过对紫云地区代页1井、长页1井及周边罗岗、蛮场、格凸河、四大寨等典型剖面进行描述及样品测试，对打屋坝组地层在紫云地区的有机地球化学特征及平面分布规律进行了系统揭示。

3.2.1 有机质类型

有机质类型是评价页岩生烃能力的重要指标之一[19]。根据镜下对钻井及露头样品的干酪根有机显微组分鉴定，确定了紫云地区的有机质类型以Ⅱ1型和Ⅱ2型为主(表1)，且自南西向北东干酪根类型逐渐由Ⅰ型转变为Ⅲ型，反应了紫云县北东方向距离物源更近。

表1 打屋坝组干酪根显微组分组成及类型划分

代页1井泥页岩干酪根显微组分中壳质组最发育，镜质组、腐泥组次之，惰质组分最不发育，类型指数为-36.7～93.2，有机质类型从Ⅰ型到Ⅲ型均有发育，以Ⅱ1型为主。长页1井打屋坝组泥页岩干酪根显微组分中壳质组最发育，镜质组次之，惰质组、腐泥组组分不发育，类型指数为-6～29，有机质类型为Ⅱ2型和Ⅲ型和。蛮场、格凸河、四大寨剖面打屋坝组泥页岩干酪根显微组分中腐泥组最发育，壳质组次之，镜质组、惰质组不发育，类型指数为63～88，有机质类型以Ⅰ型、Ⅱ1型为主。罗岗剖面打屋坝组泥页岩干酪根显微组分中腐泥组最发育，镜质组、惰质组次之，壳质组不发育，类型指数为-5.8～2，有机质类型为Ⅱ2型和Ⅲ型。

3.2.2 有机碳含量

有机碳含量(total organic carbon,TOC)是评价页岩生烃条件和页岩气富集条件的最重要、最直接的参数之一[20-21]。从不同剖面选取的样品来看，紫云地区打屋坝组页岩TOC较高(0.26%～4.66%)，平均1.68%(图6)。其中，打屋坝组四段TOC为0.38%～2.26%，平均0.98%，三段TOC为0.60%～2.03%，平均1.21%； 二段TOC为0.27%～3.24%，平均0.95%，一段TOC为1.03%～4.66%，平均1.69%。TOC自打屋坝组四段至一段逐渐升高，且TOC大于2.0%的富有机质页岩集中发育在一段和三段，表明其具备良好的生烃潜力。

图6 紫云地区打屋坝组TOC等值线

平面上，不同区域的有机碳含量表现出不同的变化特征，以火烘背斜为界，背斜以北地区，由北向南有机碳含量逐渐升高，表现为由罗岗(TOC为0.4%～2.4%，平均1.32%)、蛮场(TOC为2.90%～0.41%，平均1.38%)到格凸河(TOC为2.01%～3.2%，平均2.37%)的变化； 火烘背斜以南，由四大寨(TOC为0.49%～2.56%，平均1.15%)向西南方向逐渐升高，在上院西北地区，有机碳含量最高可达3.97%； 推测早石炭世紫云地区南部更靠近裂陷槽盆中心，水体相对较深，有利于有机质的富集。

3.2.3 热演化程度

从典型钻井及不同剖面选取的样品来看，紫云地区打屋坝组整体属于过成熟演化阶段(图7)，页岩等效镜质组反射率(Ro)为1.46%～5.15%，平均2.99%。其中，蛮场剖面Ro为3.77%～4.2%，平均4.03%，热演化程度明显高于其它地区，认为该区过高的热演化程度或与紫云县以西早期遭受热液作用及背斜紧闭过程中剧烈的构造运动影响有关； 其它区域热演化程度整体变化不大，其中，格凸河剖面Ro为2.37%～2.93%，平均2.71%； 罗岗剖面Ro为1.46%～2.12%，平均2.1%； 四大寨剖面Ro为2.69%～3.95%，平均3.05%； 代页1井Ro为2.15%～2.66%，平均2.43%； 长页1井Ro为2.13%～3.27%，平均2.67%。

图7 紫云地区打屋坝组Ro等值线

纵向上，不同深度的热演化程度相差较小，且大体表现为随埋深的增加，热演化程度增大的趋势。

3.3 页岩储层物性

脆性矿物含量是影响页岩基质孔隙度和裂缝发育程度、含气性及改造方式的重要因素[22]。紫云地区打屋坝组页岩矿物成分以脆性矿物(含量为6%～93%，平均52%)和黏土矿物(含量为2%～74%，平均41%)为主，其次为黄铁矿等其他矿物。打屋坝组页岩中脆性矿物与黏土矿物含量具有一定的消长关系。

纵向上，打屋坝组四段脆性矿物含量平均46.86%，黏土矿物含量平均42.41%； 打屋坝组三段脆性矿物含量平均49.19%，黏土矿物含量平均44.05%； 打屋坝组二段脆性矿物含量平均46.13%，黏土矿物含量平均40.63%； 打屋坝组一段脆性矿物含量平均63.88%，黏土矿物含量平均35.85%。对比可知，打屋坝组一段的脆性矿物含量较高，三段次之，二段、四段黏土含量较高。

矿物组分在空间的变化上也存在一定的规律，整个区域脆性矿物含量平均大于50%，在紫云地区中部、南部、南东部脆性矿物含量较高，向西部、北东部逐渐降低。代页1井脆性矿物含量为36%～88%，平均58%，黏土矿物含量为8%～48%，平均28%； 长页1井脆性矿物含量为6%～70%，平均50.5%，黏土矿物含量为13%～69%，平均43%； 蛮场剖面脆性矿物含量为23%～86%，平均50%，黏土矿物含量为14%～76%，平均33%； 罗岗剖面脆性矿物含量为38%～68%，平均57%，黏土矿物含量为22%～62%，平均27%； 格凸河剖面脆性矿物含量为41%～72%，平均59%，黏土矿物含量为12%～55%，平均25%； 四大寨剖面脆性矿物含量为47%～58%，平均51%，黏土矿物含量为42%～45%，平均43%(图8)。

图8 紫云地区典型钻井、剖面页岩矿物组分占比

黏土矿物主要由伊利石和伊/蒙混层为主，含有一定量的高岭石和绿泥石。其中伊利石含量为19%～70%，平均35%； 伊/蒙混层含量为11%～72%，平均45%，伊/蒙混层中以伊利石为主，含量为70%～95%，平均82%； 高岭石含量为1%～12%，平均5%； 绿泥石含量为3%～30%，平均14%。

通过聚焦离子束(focused ion bearn,FIB)与扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)观察打屋坝组页岩微观孔隙发育情况，发现泥页岩中存在多种类型孔隙： 有长石、方解石、白云石溶蚀裂缝(图9(a),(b))，矿物内微裂缝(图9(c),(d)), 机质与骨架矿物之间微裂缝(图9(e))、骨架矿物(石英等)与黏土矿物之间微孔隙(图9(f)),黏土矿物之间微裂缝(图9(g))和少许有机纳米孔及晶内溶蚀孔(图9(h))。其中溶蚀裂缝宽较大，在3～10 μm之间，长一般小于30 μm，形状不规则，可被长石等矿物充填或部分充填； 矿物间裂缝宽在0.5～3 μm之间，孔隙直径多大于100 μm，多无充填； 骨架矿物(石英等)与黏土矿物之间微孔隙宽多小于1 μm； 黏土矿物之间微裂缝，孔隙直径多小于1 μm； 有机质与骨架矿物之间微裂缝直径多小于1 μm，发育不规则，但连通性较好； 黏土矿物与骨架矿物间微裂缝直径多小于1 μm，较细小，不规则状分布； 有机纳米孔及晶内溶蚀孔较细小，一般在1 μm以下，孔呈蜂窝状，具有较好的联通性。

3.4 含气性

从页岩岩心内直接获取页岩含气量是表征页岩气含气性最直接方式。长页1井、代页1井为紫云地区打屋坝组地层的含气性提供了直接证据。其中，长页1井在712～933 m钻遇石炭系打屋坝组厚度221 m，解析气量为0.51～2.08 m3/t，且表现出含气量随深度增加而升高的趋势。代页1井在448～643 m钻遇打屋坝组厚度195 m，解析气量为0.15～2.02 m3/t。

另外，通过甲烷等温吸附实验可以判断理想条件下页岩对甲烷的储集能力，从理论角度研究页岩的含气性。长页1井石炭系打屋坝组页岩的饱和吸附量(VL)为1.08～1.96 m3/t，平均1.55 m3/t； 压力常数(PL)为1.93～4.58 MPa，平均2.99 MPa(表2)； 代页1井石炭系打屋坝组页岩的饱和吸附量(VL)为1.49～3.54 m3/t，平均2.15 m3/t； 压力常数PL在3.20～4.99 MPa之间，平均为4.25 MPa(图10)。

表2 典型钻井打屋坝组页岩不同压力甲烷吸附量

图10 打屋坝组页岩等温吸附特征

紫云地区石炭系打屋坝组在1 000 m内井深的钻井中取得良好的显示，含气量超过1 m3/t，说明该区打屋坝组具有较好的页岩气富集条件基础，甲烷等温吸附也反映了该地层具有良好的甲烷吸附能力。综合认为，区内被三叠系覆盖的地层具有更好的保存条件，对页岩气的富集更为有利。

4 页岩气有利区域评价

打屋坝组作为紫云地区重要的页岩气潜力地层，具有厚度大、有机碳含量高、含气性好等特点(图11)。通过对区内构造特征、沉积演化规律及打屋坝组页岩的地球化学特征、岩石储层物等指标分析，优选了紫云县东部的宗地乡附近及南部的上院乡附近为打屋坝组页岩气有利区。

图11 紫云地区打屋坝组有利区综合评价

宗地乡有利区位于紫云县东南，代化镇西南，面积约215 km2, 区内富有机质页岩TOC大于2.0%，Ro为2.5～3.0%，有机质类型以II2型为主，具有较好的生烃潜力； 富有机质页岩厚度约150 m，埋深约2 000 m，具有较好的物质基础； 且有利区远离深大断裂，区内断裂皆为燕山期以后的小型断裂，切割较浅，构造单元较完整，无岩浆岩影响，区域地表地层以二叠系和石炭系南丹组灰岩为主，直接盖层条件较好，具有较好的页岩气保存条件； 并且有利区具有很好的含气条件，已有钻井解析气量平均1.57 m3/t，具有很好的页岩气勘探前景。

上院有利区位于紫云县南部，火花背斜以南的磨安向斜内，面积约112 km2,受早石炭世海水向北侵入影响，上院地区的水体较北部深，更有利于富有机质页岩的沉积，推测此处富有机质页岩厚度应为150～200 m； 此外，上院地区打屋坝组页岩地化指标相对有利，TOC大于2.0%，Ro为2.5%～3.0%，脆性含量也较高(可达50%以上)。且磨安向斜地表出露地层以三叠系为主，盖层发育良好，但打屋坝组埋深可能较大，大部分地区可超过3 000 m，页岩气勘探前景较好。

5 结论

(1)紫云地区构造复杂，褶皱和断裂发育，主干构造线方向为NW及近SN向，打屋坝组地层以台地边缘斜坡-台盆相沉积为主，且自北向南有水体逐渐变深； 打屋坝组可划分为4段，其中富有机质页岩集中发育于打屋坝组一段和三段。

(2)紫云地区打屋坝组地层厚度约为50～305 m，富有机质页岩有机质类型以为Ⅱ型为主； TOC含量变化范围为0.26%～4.66%，平均1.68%；Ro为1.46%～5.15%，平均2.99%，属过成熟演化阶段； 矿物成分以脆性矿物(6%～93%，平均52%)和黏土矿物(2%～74%，平均41%)为主； 多发育微裂缝与溶蚀孔洞。

(3)结合区内页岩气钻井分析，打屋坝组页岩含气量平均大于1.0 m3/t，等温吸附实验表明区内打屋坝组的兰氏体积大于1.55 m3/t，表明紫云地区打屋坝组地层具有良好的甲烷吸附能力。

(4)通过对区内构造特征、沉积演化规律及打屋坝组页岩的地球化学特征、岩石储层物等指标分析对比，认为紫云县东部的宗地乡附近及南部的上院乡附近打屋坝组地层各项静态指标良好，可作为紫云地区下一步页岩气勘探的重点。