贵州省主要黑色页岩层页岩气成藏规律及找矿潜力

卢树藩,何 犇,罗香建,符宏斌

(贵州省地质调查院,贵州 贵阳 550081)

1 引言

前人认为贵州省页岩气资源条件较好,找矿潜力较大,原因是贵州省发育黑色页岩地层多,分别是震旦系陡山沱组、寒武系牛蹄塘组/渣拉沟组、寒武系变马冲组、奥陶系五峰组-志留系龙马溪组、泥盆系火烘组、石炭系打屋坝组/旧司组、二叠系龙吟组(贵州省自然资源厅,2013)。因此贵州可供开展页岩气调查评价的层位多,范围广。以上页岩地层中以寒武系牛蹄塘组/渣拉沟组、奥陶系五峰组—志留系龙马溪组、石炭系打屋坝组/旧司组分布面积最广,是贵州省最主要的3套页岩地层(卢树藩等,2023)。随着全省页岩气调查工作的持续推进,结果显示前期的评价可能过于乐观,实际的页岩气勘查遭遇不少失败,页岩气的成藏条件实际较为复杂,受影响的因素较多,特别是区域构造活动对页岩气的成藏破坏较大,资源潜力不如预期。尽管贵州省页岩气勘探开发还存在诸多问题,但局部地区页岩气取得突破仍然证明贵州省页岩气资源是有找矿潜力的,而且天然气作为一种清洁能源资源,是贵州省紧缺的资源类型,也是国家的战略资源,对其评价和开发具有重要的意义。因此页岩气作为贵州省矿产资源之一,在贵州省推进矿产志书编写过程中需要对其资源条件和找矿潜力进行客观评述,基于此编写本论文,分析现阶段贵州省主要页岩气目的层地质条件、成藏特征和找矿潜力评述。

2 主要黑色页岩层特征

2.1 寒武系牛蹄塘组/渣拉沟组

表1 贵州主要黑色页岩层页岩气基本参数特征(据贵州省自然资源厅,2013修改)

表2 贵州部分页岩气钻井页岩参数特征

2.2 奥陶系五峰组-志留系龙马溪组

2.3 石炭系打屋坝组/旧司组

3 主要黑色页岩层勘查显示

3.1 寒武系牛蹄塘组/渣拉沟组

贵州省寒武系牛蹄塘组/渣拉沟组已实施了多口页岩气探井,但以小口径调查井为主。调查井有正页1井、湄页1井、绥页1井、镇页1井、德页1井、仁页1井、仁页2井、麻页1井、三页1井、石页1井、松页1井、乌页1井、岑页1井、黔铜地1井、黔都地1井、黔丹地1井。少量试验井有黄页1井、龙1、2、3井、天星1井、凤参1井。其中除天星1井、黄页1井、黔铜地1井、岑页1井、黔都地1井、黔丹地1井取得了页岩气显示突破,这些突破的钻井集中在雪峰隆起西缘。其余大部分钻井页岩气显示较差,其中正页1井、凤参1井虽然含气量较高,但其组分中甲烷占比很低。

3.2 奥陶系五峰组-志留系龙马溪组

贵州省对五峰组—龙马溪组实施的页岩气探井有道页1井、习页1井、桐页1井、斑竹1井、丁页2HF井、丁页5HF井、真页1HF井、安页1井、安页2井、安页3井、林页1HF井、梓页1井等。其中除桐页1井和梓页1井外,其它钻井页岩气显示较好。安页1井、安页2井、安页3井、丁页2HF井、丁页5HF井、真页1HF井等为预探井,其中安页1井点火试验日产气最高达10×104m3以上,安页2井返排试气获日产气量超5×104m3,丁页2HF井最大初始产量10.5×104m3/d,平均日产气流2.3×104m3,真页1井试获日产5.03×104m3气流。以上各预探井揭示贵州省五峰组—龙马溪组具有良好的页岩气资源禀赋条件。总体来看,五峰组—龙马溪组页岩气勘查取得突破的钻井比例高,勘查效果较好。

3.3 石炭系打屋坝组/旧司组

针对贵州省石炭系打屋坝组/旧司组前期已经实施钻井13口,其中没有预探井,仅有1口试验井和1口水文井,其余均为小口径调查井。由于该地层沉积相变和构造改造原因,紫云1井、盘地1井、发地1井、水页1井、贞页1井没有成功钻遇黑色页岩层,而其余钻井成功钻达石炭系打屋坝组/旧司组黑色页岩,不同程度取得了页岩气显示,甲烷含量高,总体反映出打屋坝组/旧司组具有较好的含气性,具有较好的资源勘探前景。成功钻遇贵州地区下石炭统打屋坝组/旧司组黑色页岩的钻井有长页1井、代页1井、晴页2井、黔水地1井、水页井、黔紫页1井、威页1井、贵威地1井。

4 主要黑色页岩层页岩气富集影响因素和特征

贵州省页岩气勘查开发程度较低,所以根据现有资料,主要从井深、TOC、矿物组成、演化程度、比表面积、构造复杂程度等方面分析页岩气的富集特征。

4.1 埋深对页岩气富集的影响

图1 黔铜地1井含气性柱状图(贵州省地质调查院,2019)

图2 麻页1井含气性柱状图(卢树藩和陈厚国,2017)

4.2 TOC对页岩气富集的影响

前人研究页岩气富集与有机质丰度之间具有明显的正相关性(Curtis,2002;Bowker,2007;Jarvie et al.,2007)。金之钧等(2016)认为有机质为页岩气富集的物质基础,其中有机质孔是页岩气的主要储集空间。牛蹄塘组/渣拉沟组总体TOC很高,但TOC较高的仁页1井、凤参1井、正页1井含气量很低并且气体中甲烷组分很低,而且含气量与TOC之间关系呈弱正相关性(图3(1)),反映牛蹄塘组/渣拉沟组含气量与TOC之间关系并不明显。奥陶系五峰组-志留系龙马溪组含气量受TOC影响明显,不管是四川盆地、还是盆外黔北地区,其页岩气主要富集在下部TOC较高的黑色页岩段,该段也是页岩气开发的范围,该段厚度及钻遇率影响了单井的产量。黔北地区狮溪1井含气量与TOC之间正相关性明显(图3(2))。长页1井打屋坝组黑色页岩有机质丰度与气含量之间同样为正相关性(图3(3)),与前人研究一致。

图4 贵州石炭系打屋坝组页岩气单井构造简图(朱立军等,2019;卢树藩,2019改)

4.3 比表面积对页岩气富集的影响

比表面积主要由微孔、介孔所贡献,因此也说明微孔和介孔对页岩气的富集成藏非常关键,特别是有机质孔对比表面积贡献大,对页岩气的吸附能力强(Yang et al.,2017),对页岩气成藏富集最为关键。通过麻页1井、狮溪1井及长页1井含气量与比表面积之间相关性分析显示,贵州省主要的三套页岩地层比表面积与含气量之间的关系具有相似性,总体具有正相关关系(图3(4-6)),说明比表面积大、微观孔隙更加发育对页岩气的富集有积极贡献。特别值得一提的是,三套黑色页岩寒武系牛蹄塘组比表面积最小,反映了储层致密,微观孔隙发育较少或者孔隙之间连通性变差,其含气性也相应较低,而比表面积较大的五峰组-龙马溪组和打屋坝组含气量明显要高。

4.4 矿物组成对页岩气富集的影响

聂海宽和张金川(2012)对川东南龙马溪组页岩储层研究,发现石英等含量高,有利于粒间孔的保留,增加页岩气的吸附富集;此外,前人研究重庆地区龙马溪组石英与有机质孔之间的关系,显示有机质孔多发育在自生石英周缘,对页岩气储集空间的发育有利(Zheng et al.,2018)。通过麻页1井分析寒武系牛蹄塘组示石英与含气量之间关系不明显(图3(7)),反而黏土矿物与含气量之间为弱的正相关性(图3(10)),可能与黏土矿物含量偏低有关。分析黔北狮溪1井含气量与石英、黏土之间相关性,显示五峰组-龙马溪组黑色页岩石英与含气量之间正相关关系明显(图3(8)),而与黏土矿物之间为负相关关系(图3(11));借助长页1井分析石炭系打屋坝组页岩石英含量与含气量之间具有正相关性(图3(9)),但黏土矿物特征比较复杂,初步反映黏土矿物含量过高或过低对页岩气富集不利(图3(12))。以上反映寒武系牛蹄塘组页岩气富集特征是较为异常的,石英与含气量之间相关性差,而黏土矿物对页岩气的富集影响是复杂的。吉利明(2012)通过实验发现黏土矿物可以吸附丰富的甲烷,因此对页岩气富集有重要贡献,但黏土矿物过高势必造成脆性矿物含量的降低,岩石容易压实,不利于微观孔隙的保存,反而会降低页岩的储集空间,这可能是打屋坝组页岩黏土矿物与页岩气关系较为复杂的原因。

4.5 演化程度对页岩气富集的影响

4.6 构造破坏程度对页岩气富集的影响

在现有贵州省页岩气勘查偏低的情况下,钻井多没有系统的反映深部页岩气构造保存条件,缺乏物探认识钻井深部构造发育特征,分析构造对页岩气的富集难度很大。因此只能通过钻井与断裂之间的关系、褶皱变形形态来分析构造对页岩气富集的影响。选取石炭系打屋坝组长页1井、代页1井、晴页2井、水页井、黔紫页1井、罗页1井,通过过井剖面研究构造复杂性与页岩气富集之间的关系。长页1井和代页1井处于简单的单斜构造部位,地层产状相对平缓,页岩气显示较好;晴页2井虽然处于断裂上盘,但由于断裂上盘构造改造弱,地层产状平缓,因此页岩气显示也较好;水页井为1口温泉井,钻遇石炭系打屋坝组时发生井喷,原因是该井所在位置构造虽然复杂,但是两侧逆冲断裂有封堵作用,因此形成了局部的裂缝气藏;罗页1井及黔紫页1井由于靠近背斜剥蚀区,且钻遇地层产状陡倾,构造改造复杂,页岩含气量偏低甚至没有页岩气显示。通过以上钻井的构造组合分析,构造的稳定性是页岩气成藏富集的关键因素,在宽缓的向斜内及两翼是页岩气富集成藏的重要构造位置,有利于页岩气富集成藏。地层产状陡倾的复杂褶皱、断裂改造区对页岩气富集成藏不利,仅在局部挤压封盖区可能富集裂缝气。

5 主要黑色页岩层资源潜力分析

前人预测贵州省页岩气资源总量13.54×1012m3(贵州省自然资源厅,2013),资源量非常可观。本文结合近年贵州省页岩气勘查开发成果,对主要页岩层页岩气资源潜力和勘探前景进一步分析总结。

5.1 牛蹄塘组/渣拉沟组

前人预测牛蹄塘组/渣拉沟组页岩气资源量3.55×1012m3,占贵州省页岩气资源总量的26%,主要分布在黔南、黔北和黔西北地区(贵州省自然资源厅,2013)。近年针对寒武系牛蹄塘组/渣拉沟组实施的多口钻井页岩气显示欠佳,含气量偏低,且气体组分部分钻井以氮气为主。寒武系牛蹄塘组页岩石英矿物含量、TOC、黏土矿物含量等与含气量之间的关系与常规认识相比较为异常,比表面积偏低,因此总体反映寒武系牛蹄塘组/渣拉沟组页岩气地质条件极为复杂,保存条件差,页岩气的富集控制因素复杂,实际页岩气资源量应该较前期预测低,要实现该地层页岩气的商业开发还需要开展大量的研究攻关工作。前期该页岩层获得页岩气显示的钻井多分布在黔东雪峰隆起西侧,往贵州省中西部几乎没有取得页岩气显示突破,甲烷含量偏低,因此贵州印江—石阡、松桃—岑巩、黄平、都匀南部等贵州东部地区是寒武系牛蹄塘组/渣拉沟组找矿潜力相对较好的地区。

5.2 五峰组—龙马溪组

前人预测贵州省五峰组—龙马溪组资源量1.48×1012m3,资源也较为丰富,主要分布在黔北和黔西北地区(贵州省自然资源厅,2013)。根据安页1井、真页1HF井、丁页2HF井的成功开发,反映了五峰组—龙马溪组页岩气资源条件较好,在黔北地区现有地层剥蚀条件下,背斜大部分地区五峰组—龙马溪组遭受剥蚀严重,仅残留在背斜之间向斜内,因此五峰组—龙马溪组在现有残留面积下有如此丰富的资源量已经非常可观。结合该页岩地层页岩气富集特征,在靠近重庆地区沉积水体更深,具有更高的TOC和比表面积,黑色页岩厚度更大,对页岩气富集更有利,结合构造条件,其有利区主要分布在更加靠近重庆地区、相对宽缓的向斜内。

5.3 打屋坝组/旧司组

前人预测贵州省石炭系打屋坝组/旧司组页岩气资源量为1.44×1012m3,主要分布在黔南和黔西南地区(贵州省自然资源厅,2013),资源条件与五峰组—龙马溪组相当。实施的代页1井、黔水地1井、黔紫页1井等均证实了石炭系打屋坝组页岩气勘查显示较好,具有良好的勘探开发潜力。结合石炭系打屋坝组页岩气富集特征,在靠近水城-紫云裂陷槽中部深水区域,具有更高的有机碳含量、石英含量和比表面积,对页岩气的富集更为有利,结合构造条件在相对宽缓背向斜是石炭系打屋坝组/旧司组的有利富集区域。

6 结论

(1)贵州省黑色页岩层多,其中以寒武系牛蹄塘组/渣拉沟组、奥陶系五峰组—志留系龙马溪组和石炭系打屋坝组/旧司组分布最广。前期页岩气勘查显示五峰组—龙马溪组页岩气效果最好,打屋坝组/旧司组次之,牛蹄塘组/渣拉沟组相对较差。

(2)牛蹄塘组/渣拉沟组页岩层生烃演化过程长,页岩气富集差异明显,受构造破坏影响较大。五峰组—龙马溪组和打屋坝组/旧司组生烃演化历程相对要短,演化程度适中,受构造破坏影响略小,页岩气富集明显受有机质丰度、微观孔隙发育、矿物成分影响。

(3)牛蹄塘组/渣拉沟组页岩层虽然分布面积最广,但页岩气富集成藏条件复杂,页岩气资源潜力不如预期,有利的找矿区域主要分布在雪峰山西缘。五峰组—龙马溪组和打屋坝组/旧司组页岩层页岩气资源条件较好,找矿潜力大,是下一步贵州省页岩气勘查开发的最重要的目标页岩层,在黑色页岩发育较好的沉积环境、构造破坏较弱的宽缓背向斜是最有利的找矿区域。