黔西北燕子口地区五峰-龙马溪组页岩气源岩评价

兰叶芳，任传建，黄 喻，陈 豪，任戍明

(1. 贵州工程应用技术学院(矿业工程学院)， 贵州 毕节 551700； 2. 成都理工大学 管理科学学院， 四川 成都 610059)

上奥陶统五峰组-下志留统龙马溪组富有机质黑色页岩在黔西北地区广泛发育，页岩气资源潜力巨大(李双建等，2009；Liuetal., 2016)。近年来的油气勘探表明，该套地层是我国南方海相页岩气勘探的主力烃源岩层位之一(张金川等， 2008； 邱振等， 2020)，以四川盆地及其周缘为研究重点，在储层特征、成藏基本条件、勘探评价、高产主控因素等方面取得了较大进展(Wangetal., 2008； 郭旭升， 2014； 马永生等， 2018； 梁峰等， 2019)。由于储气的复杂性，烃源岩评价对于页岩气的勘探和开发至关重要(Panetal., 2015)，而对页岩气气藏的评估是一项综合性的工作，依赖于基础地质、地球化学、地球物理和先进的工程技术(Zhaietal., 2019)，其中地质和地球化学分析是页岩气源岩评价最基础而又重要的方法(Chenetal., 2011； 邹才能等， 2013)。目前，页岩气商业勘探开发较为成功的北美地区，已有的研究采用的评价参数主要包括总有机碳含量(TOC)和热成熟度、含气量以及矿物组成、孔隙度、渗透率和地层厚度等定性数据(Rimmer, 2004；Montgomeryetal., 2005；Ross and Bustin, 2007； Mastalerzetal., 2018)。国内的研究和勘探开发实践中，这些关键评价指标已成功应用在涪陵气田(方栋梁等， 2020)、四川盆地(Chenetal., 2011； Lietal., 2013； Panetal., 2015)、黔北等地区页岩气勘探的评估和“甜点”预测(Tengeretal., 2006； 史树勇等， 2019)中。黔西北地区的页岩气勘探主要集中在遵义仁怀-习水地区以及务川-正安-道真一带(郭世钊等， 2016)，在龙马溪组页岩沉积、有机地球化学、储集性与含气性以及页岩气保存条件等方面均取得了诸多认识(赵磊等， 2015； 梁兴等， 2020)，研究程度较高，而毕节地区前期虽然进行了区域性的页岩气地质资源勘查和地质基础研究，显示其具有页岩气资源潜力，但总体研究程度较低。随着页岩气勘探的不断推进，开展毕节地区页岩气源岩评价，有助于更好指导区内的页岩气勘探。因而，本文以黔西北毕节燕子口地区五峰-龙马溪组页岩为研究对象，通过区域地层厚度和埋深、露头剖面的观测、岩性组成和矿物学特征研究以及总有机碳含量、等效镜质体反射率等有机地球化学参数的获取，分析其源岩性质，欲为进一步评估该地区页岩气潜力提供基础资料和理论支持。

1 区域地质背景

研究区位于贵州西北部，与四川盆地毗邻，构造位置属于扬子板块西南缘的黔北斜坡(图1a)。自奥陶纪以来，黔西北地区经历了多期构造运动，其中奥陶纪末的都匀运动和志留纪末的广西运动控制了本区大型隆坳构造沉积格局，形成了对油气成藏具有重大意义的黔中古隆起(王津义等，2007)。晚奥陶世五峰期-早志留世初期，由于地壳抬升，黔中古陆扩大并与滇东古陆相连，仅黔北为海水淹没，形成了低能、缺氧的局限海环境，在黔中隆起以北的黔北斜坡和武陵坳陷沉积上奥陶统五峰组-下志留统龙马溪组地层(图1b)。五峰组以深水陆棚相黑色碳质泥页岩为主，地层厚度一般为5～8 m，向北略有增厚，而在五峰组沉积末期，赫南特冰期导致海平面大幅下降，沉积了观音桥段浅水陆棚相地层(张鹏， 2015)；随着黔中隆起的隆升，龙马溪组沉积中心北移，越靠近川南地区，沉积厚度逐渐增大(杨瑞东等， 2012)，而志留纪浮游植物的繁盛为富有机质黑色泥页岩发育提供了重要的物源条件。

图 1 贵州及其周缘构造分区(a)和黔西北地区地质简图(b)[据郭世钊等(2016)、Liu 等(2016)修改]

2 样品和分析测试方法

研究区内目前尚无钻井，因而本文分析样品采集于黔西北燕子口镇的下水野外露头剖面(图2)。该剖面奥陶系-下志留统出露良好，地层界线清晰。五峰组下伏地层为上奥陶统涧草沟组，主要为深灰色薄-中厚层瘤状灰岩、粘土质灰岩；五峰组下部为黑色碳质页岩夹极薄层黄铁矿，富含笔石化石(图3a)，其上部则发育80 cm左右的深灰色生物碎屑灰岩(图3b)，属介壳相沉积，称之为观音桥段；龙马溪组宏观上由下至上岩石颜色逐渐变浅，碳质逐渐减少，钙质逐渐增多，下部为笔石含量丰富的黑色页岩，圆球状黄铁矿分布其中，微细层理发育(图3c、3d)，而中上部则为灰色、灰黄色泥岩、钙质和/或粉砂质泥岩、泥灰岩以及泥质粉砂岩等组成(图3e、3f)；龙马溪组上覆地层为下志留统石牛栏组灰色粘土质灰岩、生物碎屑灰岩。样品采集位置和分布情况如图4所示，总体而言五峰组和龙马溪组黑色页岩段采样密集，而其余层段采集相对稀疏。

所进行的分析则包括薄片鉴定、阴极发光分析、扫描电子显微镜分析(含能谱分析)、全岩和粘土矿物X射线衍射分析、残余总有机碳分析、镜质体反射率分析、比表面积和物性分析。薄片鉴定和阴极发光分析在成都理工大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室进行，其余的各项分析在中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院无锡石油地质研究所实验研究中心完成。需要说明的是，镜质体反射率是反映热成熟度的重要指标，但是下古生界页岩中缺乏来源于高等植物的标准镜质组，不存在真正意义上的镜质体(余川， 2012)，因此本文采用换算的等效镜质体反射率来表征页岩有机质成熟度。刘祖发等(1999)结合天然剖面和热模拟实验建立了早古生代类镜质体(或称之为镜状体)反射率(Rom)与等效镜质体反射率(Ro)之间的换算公式：Ro=1.26Rom+0.21(Rom<0.75%)，Ro=0.28Rom+1.03(0.75%1.5%)。使用上述公式，将类镜质体(镜状体)反射率(Rom)转换为等效镜质体反射率(Ro)，以供评估源岩和储层时使用。

3 矿物学特征和岩性组成

五峰组-龙马溪组岩石主要由粘土矿物、石英和碳酸盐矿物组成(表1、图5)，其次含有长石、黄铁矿以及菱铁矿和极少量的石膏等矿物。粘土矿物含量为22.6%～50.8%(平均值41%)，主要由伊利石和伊/蒙混层组成，绿泥石和高岭石相对少见(表1)。其中，伊利石在粘土矿物中的相对含量为22%～31%，伊/蒙混层为64%～71%，绿泥石3%～6%，石英含量为21%～41%，平均值29%。碳酸盐矿物主要包括方解石和白云石，方解石平均含量16.6%，最小值出现在五峰组页岩段顶部(0.4%)，最大值出现在该地层段底部(31.7%)；白云石含量为0.1%～13.3%，平均值4.7%。除此之外，长石总量(钾长石+斜长石)为2%～10.7%，平均值5.3%。总体而言，龙马溪组自下而上具有石英、长石和粘土矿物含量增加、碳酸盐矿物含量降低的总体趋势(图5)。

图 2 燕子口地区地质构造简图及下水剖面位置[据贵州108地质队(1976)修改绘制(1)贵州108地质队. 1976. 毕节幅G-48-10 1∶20万区域地质测量报告.]

页岩中脆性矿物主要包括石英、长石、碳酸盐矿物以及黄铁矿等，其含量高低直接影响到页岩压裂效果(史树勇等，2019)。脆性指数是评价页岩可压裂性的重要参数，根据陈吉等(2013)总结的南方下古生界页岩脆性指数计算公式：脆性指数=(石英+长石+方解石+白云石)/(石英+长石+方解石+白云石+粘土矿物)×100%，下水剖面五峰-龙马溪组页岩的脆性指数为47.3%～76.8%，平均值为57.8%，较高的脆性指数显示优良的压裂性能。

图 3 下水剖面五峰组-龙马溪组野外宏观特征

通过对露头样品的详细观察，对薄片以及扫描电镜进行分析，发现五峰组-龙马溪组发育页岩、泥岩、泥灰岩、粉砂岩等岩石类型。剖面从下至上，陆源粉砂增加，岩石颜色变浅。页岩中发育纹层及页理构造，高有机质含量层段主要分布在五峰组-龙马溪组下段，是本文重点研究对象。根据主要矿物组成和混入物的化学成分等可将页岩进一步细分为粘土页岩、粉砂质页岩和钙质页岩。

图 4 实测下水剖面五峰-龙马溪组剖面柱状图

表 1 五峰-龙马溪组全岩和粘土矿物X射线衍射(XRD)分析结果

图 5 五峰-龙马溪组全岩矿物组成分布直方图

粘土页岩因含较多的有机质而呈黑色-灰黑色，又可称为黑色页岩，其中粘土矿物占主导，少量粉砂质陆源石英和长石呈漂浮状分布在粘土矿物间(图6a)，黑色页岩中笔石化石保存良好(图6b)，并含有黄铁矿(图6c)。粘土页岩沉积在深水环境中，水动力条件较弱，陆源输入有限。

粉砂质页岩为灰黑色，层状。浅色纹层主要是石英和长石，深色纹层主要是富含有机质的粘土矿物，常含有碳酸盐矿物。碎屑颗粒浮在粘土矿物之间(图6d)。

钙质页岩主要发育水平层理，方解石含量约占20%～40%。碳酸盐矿物(方解石和白云石)显示橘红色的阴极发光，而粘土矿物和石英不具阴极发光，陆源长石颗粒为淡蓝色阴极发光特征(图6e、6f)。

4 有机地球化学特征

4.1 有机质类型和丰度

前人已对黔西北及邻近地区五峰-龙马溪组有机质类型进行了大量研究。在川东南-黔西北地区，龙马溪组页岩样品中总有机质的碳同位素值(δ13C)处于-31‰～-28‰区间(周传祎， 2008； 郑益军， 2017)，从这个角度来看，有机质类型是Ⅰ型(腐泥型)。此外，尽管显微组分之间存在差异，但其他研究也证明了研究区富有机质页岩的有机质类型以Ⅰ型-Ⅱ1型为主(杨瑞东等， 2012； 邢雅文， 2013； 杨光庆， 2013； 张鹏等， 2016)。有机物的来源主要由藻类、浮游动物和真菌组成，形成了大部分非晶态的有机化学物质。由于奥陶纪-志留纪没有演化出陆地上的高等植物，因此页岩中的有机物主要由浮游生物控制。这也许可以更好地解释有机物主要由Ⅰ型油质干酪根和Ⅱ1型所主导，具有很强的生烃能力。

图 6 五峰-龙马溪组页岩的微观特征

有机质丰度是指单位质量岩石内所含有机质的数量。同等或类似的地质条件下，有机质含量越高，岩石的生烃能力越强。目前常用氯仿沥青“A”、总烃(HC)和生烃潜量(S1+S2)、总有机碳含量(TOC)等反映岩石中的有机质丰度。由于黔西北地区五峰-龙马溪组页岩成熟度高，受生烃和排烃影响，前几个指标难以准确指示其生烃能力(余川， 2012)，因而选择能够近似代表岩石原始有机质丰度的TOC作为评价烃源岩及其生烃能力的有效指标。

通过实验分析，燕子口下水剖面五峰-龙马溪组下段TOC平均值为2.56%，显示出较高的有机质丰度(表2)。根据高成熟地区海相烃源岩有机碳丰度评价标准(戴鸿鸣等， 2008)，其烃源岩级别高，具有相对较好的生烃能力。但是，TOC纵向分布不均，具体表现为五峰组和龙马溪组底部富笔石页岩段TOC集中在2%～5%之间，而龙马溪组由下至上TOC呈现出逐渐变小的趋势，由底部的5.2%(XS10)减小至0.38%(XS28)，与野外观察到的岩石颜色逐渐变浅的特征相吻合。TOC的这种纵向变化与总有机硫以及干酪根的富集程度相一致(图7)。总体上，具备良好生烃潜力(TOC大于2%)的黑色页岩主要分布在五峰组和龙马溪组下段的中下部地层(图7)，属于好的烃源岩。同处黔北斜坡的习水吼滩剖面以及丁山1井的有机质丰度表现出同样的变化规律(余川， 2012)，而位于黔中地区的习页1井和桐页1井的高TOC也主要集中在龙马溪组下段，如习页1井在井深630～650 m之间的TOC平均值为3.84%，而在小于630米的上部地层其TOC均小于1%(薛志鹏， 2016)。区域上TOC的这种纵向变化规律主要是由于龙马溪组早期为低能的强还原环境，而随着海平面的有所下降，龙马溪晚期沉积环境也逐渐趋于氧化(戎嘉余等， 2011)。

表 2 五峰-龙马溪组有机地球化学参数

图 7 下水剖面五峰-龙马溪组总有机碳、总有机硫和干酪根富集程度的纵向变化图

4.2 有机质成熟度

研究区上奥陶统五峰组-下志留统龙马溪组页岩在沉积后经历了加里东、海西、印支、燕山-喜山运动等多期构造运动的改造，热演化史复杂，页岩热演化程度普遍偏高。分析结果显示，下水剖面五峰组-龙马溪组页岩等效镜质体反射率纵向变化不大，均在2.5%左右(表2)，根据中国南方黑色页岩成熟阶段划分标准(聂海宽等，2012)，属于过成熟早期的干气阶段(图8)，烃源岩主要产生干气(甲烷)并伴有少量的凝析气(Chenetal., 2011)。冯常茂等(2008)根据均一法测温和激光拉曼探针技术对黔中隆起及其周缘地区震旦系-志留系含油气流体包裹体研究也表明，该区具明显干气特征，烃类成分以CH4为主，大量的气体可能主要是由热成熟区的原油二次裂解产生的(Hunt, 1996； Mastalerzetal., 2013)，这类似于多产的Barnett页岩，其气源也被认为是由石油和沥青的二次裂解形成(Montgomeryetal.， 2005)。 因此，尽管较高的热成熟度，古蔺—叙永一线以南和黔中隆起以北的地区(包含研究区)五峰-龙马溪组页岩仍然具备较大的生烃潜力。

5 储集空间和储层性质

5.1 储集空间类型和特征

薄片和扫描电子显微镜图像(SEM)的分析表明，龙马溪组页岩的储集空间由裂缝、溶蚀孔以及粒间孔和晶间孔等微米-纳米级孔隙组成。

图 8 黔西北地区埋藏-生烃史图(埋藏史据冯常茂等， 2008)

(1) 裂缝

裂缝是燕子口地区五峰-龙马溪组页岩中常见的储集空间类型，包括层间裂缝、顺层裂缝和斜交层理的裂缝(图9a～9c)。层状裂缝发生在页岩内的软弱界面处，如常发育在粘土层和粉砂质层或钙质层之间。裂缝可能构成页岩气系统中的重要储集空间和运移路径，对页岩气的产生有重要影响(Galeetal., 2007； Loucksetal., 2012)。

(2) 溶蚀孔

化学不稳定矿物由于后期溶蚀作用而产生的次生溶蚀孔隙是另一重要的储集空间，最为常见的是碳酸盐矿物(尤其是白云石)和长石的溶蚀孔隙(图9d、9e)。

图 9 五峰-龙马溪组主要储集空间类型

(3) 粒间孔

粒间孔发育在粘土矿物、石英、长石和黄铁矿等矿物之间，也有可能出现在受应力影响的颗粒边缘。这些颗粒之间孔隙的发育有助于改善页岩的储层孔隙度，同时脆性颗粒(石英、长石等)的存在有助于提高页岩在储层发育过程中的破裂潜力。一般情况下，随着埋深加大，压实作用的增强，粒间孔呈现不断减少的趋势，因而观察到的实际上为残留的粒间孔(图9f)。

(4) 晶间孔

晶间孔隙主要存在于粘土矿物和霉球状黄铁矿等矿物晶体中。在研究区，五峰-龙马溪组页岩中的粘土矿物由伊利石和伊/蒙混层组成(表1)。在伊利石化过程中，可能会形成直径数微米至数十微米的微孔。粘土矿物中发育的晶间孔隙大小多分布在2～6 μm之间(图9g、9h)。也有研究认为，黄铁矿中的晶间孔足够大，可以储存气体分子(Slatt and O’Brien, 2011； Loucksetal., 2012)，而在此次研究的五峰-龙马溪组页岩中黄铁矿相对丰富，存在一定的晶间孔。同时，在龙马溪组中可见少量的石膏晶间孔隙发育(图9i)。

5.2 储层性质

五峰-龙马溪组下段页岩孔隙度为8.04%～16.45%(表3)，显示很高的孔隙度值。但是，由于采集的是露头样品，氧化作用会导致孔渗的增大(Liuetal., 2016)，同时部分测试样品沿层开裂比较明显，因而导致测试结果比真实值大大偏高。此外，由不稳定矿物(如长石和方解石)溶解而产生的次生孔隙构成了页岩储层的储集空间的一部分(图9d、9e)，也增加了页岩的孔隙度。虽然绝对值不可靠，但仍然可显示该层段页岩具有相对较好的物性。

表 3 五峰组-龙马溪组储层性质参数

页岩气主要以吸附态和游离态为主，比表面积是衡量页岩储层吸附能力的重要物理参数。比表面积(BET)是指1 g固体所占有的总表面积，比表面积越大吸附能力越强(魏红霞， 2018)。五峰组-龙马溪组下段页岩样品的BET平均值为20.88 m2/g，其中五峰组BET为23.6～24.9 m2/g(平均值为24.3 m2/g)，龙马溪组下段BET为13.4 ～22.5 m2/g(平均值为19.5 m2/g)，并且五峰组至龙马溪组下段，页岩样品的总比表面积从下至上逐渐减少，显示页岩储层吸附能力逐渐减弱的特征。总体上，BET与TOC及全岩中的碳酸盐矿物含量之间均呈现良好的正相关关系(相关系数分别为0.76和0.90，图10a、10c)，而与粘土矿物含量之间则表现为明显的负相关性(图10b)，显示TOC和碳酸盐矿物含量在黑色页岩的BET中起决定性作用。已有的研究表明，TOC对BET的控制作用要强于粘土矿物含量对BET的影响，通常是页岩中粘土矿物的含量低，TOC相对较高(Ross and Bustin, 2009； 曹晓萌等， 2014)，这与本文研究所得出的TOC和粘土矿物含量之间的负相关性一致(图10d)。 实际上，TOC随着碳酸盐矿物含量尤其是白云石含量的增加而增加(图10e、10f)，因而燕子口地区白云石的发育程度是TOC高低和BET大小的重要指标。

6 页岩的有效厚度和埋藏深度

页岩的厚度是具有商业开发价值的页岩气积聚的前提。美国的勘探经验表明，在满足总有机碳含量、成熟度和易压裂矿物含量等方面要求的情况下，能够满足页岩气勘探要求的黑色页岩最小厚度大约为30 m(Zhangetal.， 2007； 邹才能等， 2010)。在研究区域中，五峰组页岩整体厚度较小，南北及东部均比较薄，多为3～10 m，西部相对较厚，多在10 m以上，以勒地区厚度可达20 m；而龙马溪组呈现由北向南逐渐减薄直至尖灭的厚度变化规律，在云南和四川丁木坳-大坪一线厚度在250 m以上，向南地层厚度递减，靠近黔中隆起的常家沟-鹦母嘴-清池一线地层尖灭，相应地龙马溪组下部黑色富有机质页岩段也呈现出类似的变化规律(图11)。富含有机质区域的横向分布在一定程度上与地层的厚度有关，二者均主要在南北方向上变化(Liangetal.， 2008)。对于埋藏深度而言，研究区下志留统页岩最大埋深小于4 000 m，部分在1 000 m以下(余川， 2012)，具有相对合适的埋藏深度。因此，从地层埋深以及黑色页岩的有效厚度角度而言，燕子口地区以北与四川接壤的区域更有利于五峰-龙马溪组的页岩气勘探。

图 10 BET、TOC与粘土矿物和碳酸盐矿物含量的相关性图解

图 11 燕子口地区及其周缘五峰组(a)和龙马溪组(b)地层等厚线图[据贵州省地质局(1979)(3)贵州省地质局. 1979. 区域地质调查报告(威信幅).修改]

7 结论

黔西北燕子口地区五峰组-龙马溪组下段为富有机质潜力烃源岩层段，有机质类型好(Ⅰ型-Ⅱ1型)，TOC高(主分布区间为2%～4%)，有机质热演化程度属于过成熟早期的干气阶段(Ro约为2.5%)，仍具备一定的生烃能力。该套地层以溶蚀孔隙和裂缝为主要的储集空间，储层孔隙度高，同时脆性矿物含量高(脆性指数为47.3%～76.8%)，有利于人工裂缝的产生和提高岩石压裂性能。结合区域埋藏热史分析和地层的区域展布特征，认为五峰组-龙马溪组页岩气较为有利的勘探潜力区域位于与川东南接壤的燕子口以北地区。