黔北地区五峰-龙马溪组岩相组合特征

段再容

(成都理工大学地球科学学院,四川 成都 610000)

美国“页岩气革命”改变了美国作为能源需求大国的地位,天然气进口量大幅下降,降低了能源对外的依存,增加了能源的出口,明显的改善了美国的经济和环境,优化了能源消费格局,动摇了世界天然气市场,影响着世界的政治经济和能源格局,美国“页岩气革命”的成功起到了页岩气产业全球化示范效应,使全世界都认识到页岩气开发的重要性,其他国家也纷纷跟进页岩气的研究与勘探开发工作,进一步加强了页岩气在非常规天然气中的地位,我国作为能源消费大国,能源消费以煤炭为主,天然气大量依靠进口,受到美国页岩气成功开发的影响,为进一步优化能源消费结构,开始大力发展研究页岩气。

页岩气主要以吸附态或游离态储存于暗色泥岩层系中,是一种高效清洁的非常规天然气,成分以甲烷为主,与煤炭相比,燃烧释放的二氧化碳只有煤炭的一半,我国页岩气资源丰富,可采资源量为世界第一,我国页岩分布广泛,具有南北交替,东西分异的特点,南方是以古生界为主的海相页岩,北方是以新古生界为主的陆相页岩,海相页岩分布稳定、优质页岩厚度大、TOC含量高,有利于现阶段我国的技术开采,我国现在主要开采的是四川盆地及周缘地区为主的南方地区下寒武统筇竹寺组和五峰-龙马溪组等[1]。

1 黔北地质概况

黔北地区是指遵义断层以东、贵阳-镇远断层以北的贵州省北部行政区域,面积为4.9×104km2,地理位置,地形条件与川南相似,相接与渝东南地区和湘西地区(见图1)。黔北地区属于四川盆地外部,构造复杂,发育褶皱以及断裂,从大地构造上位于上扬子地台区,黔北地区的构造演化与扬子地台的区域构造演化具有一致性,扬子地台的演化过程经历了多种构造运动(雪峰、加里东、海西、印支、燕山、喜马拉雅运动)。通过这些运动,扬子地台构造异常复杂[2]。

图1 黔北地区构造位置图(底图据参考文献[3])

图2 黔北地区沉积相平面展布图(底图据贵州页岩气勘探报告, 2013)

由于经历多期构造运动,黔北地区多发育,断裂以北东向为主,由多个不同走向的断裂相互切割组成。黔北地区受到海相碳酸盐岩地层较发育的影响,通常岩石脆性较高,断层倾角较大,甚至出现有的断面直立或者发生倒转。受复杂构造影响,黔北地区以挤压变形为主,具有走滑的特点。

2 五峰-龙马溪组页岩特征

沉积相类型包括滨岸相和陆棚相,其中滨岸相包括砂坪微相、潮道微相及砂泥坪微相;陆棚相包括浅水陆棚和深水陆棚。

表1 黔北地区页岩地层沉积相划分

2.1 沉积相特征

五峰组:钻厚5～10 m,沉积相属深水陆棚,岩性主要为黑色粉砂质碳质泥岩,剖面呈薄片状,富含笔石化石。相邻道真巴渔沙坝水库剖面该段呈薄板状,含黄铁矿及数层斑脱岩。与下伏临湘组灰岩界限平整。沉积相属深水陆棚,强还原环境,生物悬浮沉降,保存完好[3]-[4]。

龙马溪组:钻厚约20～80 m,沉积相属于浅水陆棚,水动力作用较弱,岩性主要为灰黑色含粉砂碳质泥岩,富含笔石,宏观沉积构造不发育,属深水陆棚沉积,强还原环境。向上笔石减少,至上部间含腕足、腹足、瓣鳃类底栖生物,出现浮游生物与底栖生物共生的状态。生物介壳完整,顺层分布。有机质含量低,岩石颜色深灰-灰色。沉积相属浅水陆棚,水动力条件总体较弱,但还原性减弱。

2.2 沉积相平面展布

早期我国学者研究发现中山扬子地区盆山格局发生重大转变的时期为晚奥陶-早志留时龙马溪期,经历挤压、褶皱造山等过程,在隆起带遵义-石阡-铜仁一线以南地区隆升为陆,北相自潮坪相沉积逐渐过渡为局限浅海沉积相,由南向北地层厚度、富有机质页岩厚度增加。

3 五峰-龙马溪组岩相划分及其特征

3.1 岩相划分

本文通过含气量与TOC含量的关系划分,TOC含量大于3%的是富碳页岩相,TOC含量介于2%到3%之间的是中碳页岩相,TOC含量低于2%的是贫碳页岩相,再结合矿物含量进行细划分,研究区域岩相主要可划分为7类,分别为富碳硅质页岩岩相、富碳碳酸盐-硅质页岩岩相、中碳硅质页岩岩相、中碳碳酸盐质-硅质页岩岩相、中碳硅质-碳酸盐质页岩岩相、中碳黏土质页岩岩相、贫碳黏土质页岩岩相。

3.2 岩相类型及特征

3.2.1 富碳硅质页岩岩相

该岩相属深水陆棚相,岩性主要为黑色碳质岩和硅质页岩,富含笔石(>60%)和放射虫化石(20%),发育块状构造以及黄铁矿纹层。由于该岩相位于水体最深处,环境特征为厌氧和高还原性,有机质容易富集和保存。TOC含量最高,介于3%～6%,平均含量约4%;黏土矿物含量介于2%～34%,平均含量约17%;石英与长石矿物含量最高,介于48%～84%,平均含量约66%;碳酸盐矿物含量介于2.4%～17.6%,平均值约7.5%之间;含气量介于2.3～8.6 m3/t之间,平均值为4.8 m3/t;主要发育有机质孔隙和较少发育粒间孔和粒内孔以及微裂缝,有机质孔形态发育有椭圆状、蜂窝状等,孔隙度一般介于3%～8%,平均值约5%[5]。

3.2.2 富碳酸盐质-硅质页岩岩相

岩性主要为黑色-灰黑色粉砂质页岩,发育水平层理,化石富含化石主要为笔石和硅质放射虫,发育大量黄铁矿结合,形态多样。TOC含量介于3%～5%,平均值约3.8%;黏土矿物含量介于2%～34%,平均值为23%;石英和长石矿物含量介于41%～80%,平均值60%;碳酸盐矿物含量介于10.2%～37.8%,平均值约20.0%;含气量介于2.0～5.5 m3/t,平均值为3.3 m3/t;主要发育有机质孔和粒内孔,较少发育微裂缝和粒间孔,有机质孔发育有椭球状、狭缝状等,孔隙度一般介于3%～7%,平均值约4.5%。

3.2.3 中碳硅质页岩岩相

岩性主要为黑色粉砂岩和笔石硅质岩,笔石含量约16%,发育水平层理,发育大量黄铁矿结合,形态多样。TOC含量介于2%～3%,平均值约2.5%;黏土矿物含量介于4%～35%,平均值21%;石英和长石含量介于34%～75%,平均值约58%;碳酸盐矿物含量介于4.5%～19.8%之间,平均值约8.8%;含气量介于1.2%～5.0 m3/t,平均值为3.0 m3/t;主要发育有机质孔和粒间孔,较少发育裂缝,有机质孔多呈近椭圆状,孔隙度一般介于2%～8%,平均值约5%。

3.2.4 中碳碳酸盐质-硅质页岩岩相

岩性主要为黑色、灰黑色粉砂页岩和含钙质粉砂页岩,发育水平层理,笔石较少,发育较少黄铁矿结核。TOC含量介于2%～3%,平均值约2.45%;黏土矿物含量介于12%～35%,平均值约21%;石英和长石含量介于36%～61%,平均值约48%;碳酸盐矿物含量介于16.6%～40.4%,平均值约25.4%;含气量介于1.5～4.3 m3/t,平均值为2.5 m3/t;主要发育有机质孔、粒间孔和微裂缝,有机质孔形态发育球状、椭球状等,孔隙度一般介于3%～7%,平均值为5%。

3.2.5 中碳硅质-碳酸盐质页岩岩相

岩性主要为黑色含钙质粉砂页岩,粉砂质成分主要为硅质矿物和碳酸盐矿物,纹层较少发育,蕴含化石较少。TOC含量介于2%～3%,平均值约2.2%;黏土矿物含量介于6.5%～39.5%,平均值约27%;碳酸盐矿物含量介于24.2%～50.4%,平均值约32.8%;含气量介于2.1～3.0 m3/t,平均值为2.6 m3/t;主要发育粒内孔,粒内孔形态发育球状、椭球状等,孔隙度一般介于2%～6%,平均值为4.8%。

3.2.6 中碳粘土质页岩岩相

岩性主要为黑色泥页岩,发育较少水平层理,蕴含笔石较少。粘土矿物以伊利石为主。TOC含量介于2%～3%,平均值约2.6%;粘土矿物含量介于40%～58%之间,平均值约45%;石英和长石含量介于28%～47%,平均值约37%;碳酸盐矿物含量介于4.4%～24.8%,平均值约11.4%;含气量介于2.4～2.8 m3/t,平均值为2.55 m3/t;主要发育粒间孔和微裂缝,孔隙形态发育片状、椭圆状等,孔隙度一般介于4%～6%之间,平均值约4.8%。

3.2.7 贫碳粘土质页岩岩相

岩性主要为深灰、灰绿色泥岩,发育泥质结构,粘土矿物以伊利石为主。TOC含量最低(1.1%～1.8%,平均值约1.5%);粘土矿物含量介于41%～54%,平均值约47%;石英和长石含量介于19%～38%,平均值约30%;碳酸盐矿物含量介于2.2%～19.2%,平均值约4.6%;含气量介于1.2～2.7 m3/t,平均值为1.9 m3/t;主要发育粒间孔,孔隙形态发育近圆状、扁圆状等,孔隙度一般为3%%～5%,平均值约3%。

3.3 岩相组合特征

黔北研究区域中的有利页岩岩相组合分布在龙马溪组下部,平面上厚度及组合类型有变化。NS方向有利页岩岩相组合较薄,厚约20 m,主要是富碳硅质页岩岩相和富碳碳酸盐质-硅质页岩岩相组合;SE方向类型发生变化,有利页岩岩相组合厚度一般(30 m),主要是富碳硅质页岩岩相、富碳碳酸质-硅质页岩岩相夹富碳黏土质页岩岩相组合。从S至N方向,富碳黏土质页岩岩相逐渐变厚。

4 讨论

影响岩相类型和组合的因素有很多,有外部因素和内部因素。外部因素主要是沉积环境、构造演化;内部因素主要是有机碳含量、矿物成分、密度、岩石物性等。

有机碳(TOC)含量是影响页岩气的主要因素之一,也是最重要的影响因素,与页岩的物理化学性质、颜色、密度等也密切相关,甚至影响着裂缝和孔隙的的发育,具有较高TOC含量的页岩具有更高的吸附能力。黔北地区五峰-龙马溪组黑色页岩有机质形态多样,有机碳(TOC)含量越高裂缝与孔隙越发育,赋存气体越多含气量越高,有机碳(TOC)含量与含气量成正相关(见图3)。

图3 有机碳含量与吸附含气量关系图(据参考文献[3])

矿物成分的不同很大程度上决定着不同岩相之间的差异,脆性矿物(石英+长石)的含量决定了岩石脆性,从而影响着微裂缝的发育,微裂缝发育导致孔隙度高,继而影响着含气量,脆性矿物一般纵向从下向上逐渐减少,与含气量成正相关。脆性矿物含量越高则粘土矿物含量越低,粘土矿物含量一般纵向从下向上逐渐增加,总体上与含气量成负相关。

密度小,孔隙发育赋存气体多,古生物多有机碳(TOC)含量高;密度大,孔隙发育困难赋存气体少,古生物少有机碳(TOC)含量低,随着密度的增大有机碳含量是逐渐减小的(见图4)。

图4 黔北地区富有机质页岩密度与有机碳含量关系图(据参考文献[3])

5 结论

我国广泛发育海相页岩、陆相页岩和海陆过渡相页岩,但是地质环境复杂,现阶段主要开采南方海相页岩,主要是四川盆地及周缘地区为主的南方地区下寒武统筇竹寺组和五峰-龙马溪组等。黔北地区处于四川盆地外缘广泛发育五峰-龙马溪组富有机质黑色页岩,其中富碳硅质页岩TOC含量和脆性矿物含量最高,TOC平均值约4%,脆性矿物平均含量约66%。贫碳粘土质页岩TOC含量和脆性最低,TOC含量平均值约1.5%,脆性矿物含量平均值约30%,在垂直方向上大致呈现出从下到上TOC含量逐渐减少,脆性矿物含量逐渐减少的性质。纵向上岩相类型依次过渡,平面上,岩相类型变化较大,向东南方向,从贫碳粘土质页岩岩相逐渐向富碳质页岩岩相类型过渡。影响含气量的主要是有机碳(TOC)含量,甚至影响着裂缝和孔隙的的发育,有机碳(TOC)含量与含气量成正相关。其次是矿物含量,脆性矿物含量与含气量成正相关,粘土矿物含量与含气量成负相关。密度与含气量成负相关、孔隙度与含气量成正相关。还有含水饱和度、沉积环境等都对含气量有着不同的影响。