云南永善-大关地区五峰-龙马溪组页岩气聚集条件及有利区预测

姜生玲，周庆华，彭传圣，李彦举，杨日丽，朱秀兰，巢皓文

(1.陇东学院能源工程学院，甘肃庆阳 745000；2.中国华电集团清洁能源有限公司，北京 100160)

0 引言

近年来，上奥陶统五峰组-下志留统龙马溪组页岩气勘探在四川盆地取得了重大突破，尤以川东南涪陵的焦石坝和平桥气田尤为突出(郭旭升等，2017；郭旭升，2019)，2017年，涪陵气田页岩气产量占我国南方海相页岩气总产量的66.5%。此外，川南的长宁-威远、云南的昭通气田亦取得了重要突破(马新华和谢军，2018；董大忠等，2018；王鹏万等，2018)，表明我国中上扬子地区五峰-龙马溪组页岩气具有较大资源潜力和勘探前景。云南五峰-龙马溪组页岩气勘探及研究工作相对薄弱，据原国土资源部2012年评价结果，云南省页岩气地质资源量2.14×1012m3(张大伟等，2012)，勘探区域主要集中在位于四川盆地南缘的昭通示范区，截止2018年2月，投产57口井，累计产气13.11亿方。随着四川盆地周缘页岩气勘探工作的不断推进，滇东北地区实施了少量地质调查井(赵瞻等，2017；王正江等，2018)，用以查明页岩气发育地质条件，但相关研究仍处于初步评价阶段。永善-大关地区为探矿权空白区，紧邻昭通示范区，未展开深入的页岩气聚集条件研究，本文依托野外实测剖面、钻井以及实验测试分析数据，探讨该区五峰-龙马溪组页岩气聚集条件，以期为下一步勘探方向的选择提供依据。

1 地质背景

永善-大关地区位于云南省东北部，构造位置上位于四川盆地西南缘滇东北冲断褶皱带，受印度板块与欧亚板块碰撞带及太平洋板块的影响(蒋天国等，2016),滇东北地区构造强烈，发育一系列北东向、近南北向和北西走向的大型走滑断层和逆断层(何江林等，2017；王正江等，2018)。研究区位于近南北走向的大型走滑断裂峨边-马颈子断裂以东，北西走向的系列逆断层中村-中合断裂以西，面积约2600 km2。区内构造体系主要以北东向为主，涵盖黄泥坡背斜、新昌向斜、高桥复向斜和大关背斜，断裂不甚发育(图1)。区内震旦系至新生界地层发育齐全，邻区多口井钻探证实五峰-龙马溪组页岩厚度较大、分布稳定，具有一定的页岩气资源潜力。

图1 研究区构造位置及构造纲要图Fig.1 Sketch showing geological structures of study area1-地名；2-研究区；3-省界；4-背斜；5-向斜；6-断裂1-place name；2-study area；3-provincial boundary；4-anticline；5-syncline；6-fault

2 页岩分布

晚奥陶世-早志留世龙马溪组沉积期，是上扬子地区盆山构造格局发生重大转变期，隆起范围扩大，沉积区域缩小，川南、滇东北地区表现为由克拉通盆地转化为古隆起带所包围局限浅海深水盆地，沉积了一套稳定的深水陆棚相黑色页岩(牟传龙等，2015；于璐，2016)。永善-大关地区主体处于深水陆棚沉积环境，南东向北西方向由浅水陆棚向深水陆棚过渡(图2)。

五峰-龙马溪组页岩主体埋深4000 m以浅，介于1000～3000 m之间，位于研究区东北侧的新地2井揭示五峰组底界埋深2081.84 m(杨平等，2019；张娣等，2020)，云大地3井1815.62 m(杨平等，2019)。五峰-龙马溪组岩性变化较大，五峰组以黑色钙质碳质页岩为主，夹薄层黑色硅质岩，笔石稀少；龙马溪组下部主要为黑色钙质、碳质页岩，笔石丰富，上部以灰绿色钙质、粉砂质页岩为主，笔石含量逐渐减少。五峰-龙马溪组页岩厚度介于40～120 m之间，厚度变化较大，平面上，自南西向北东方向呈逐渐增大趋势，位于研究区西南部的云永地3井揭示五峰-龙马溪组暗色页岩厚度52 m，位于东北侧的新地2井揭示暗色页岩厚度162 m。

图2 研究区五峰-龙马溪组页岩厚度分布图Fig.2 Contours of shale thickness of Wufeng-Longmaxi Formation in Yongshan-Daguan area1-地名；2-研究区；3-省界；4-井位；5-剖面点；6-深水陆棚;7-浅水陆棚;8-厚度等值线(m)1-place name；2-study area；3-provincial boundary；4-well location；5-section position；6-deep-water shelf；7-shallow-water shelf；8-thickness contour(m)

3 页岩气聚集条件

3.1 有机地球化学特征

有机质丰度是判断泥页岩生烃能力最基础的指标，氯仿沥青“A”和生烃潜量(S1+S2)受风化作用和有机质热演化程度影响较大(梁狄刚等，2008；杨平等，2012；谢龙等，2016)，因此，有机碳含量(TOC)是评价泥页岩生气能力最重要最有效的指标(姜生玲等，2018a)。平面上，五峰-龙马溪组富有机质页岩平均有机碳含量主体分布在1.0%～3.0%之间，高值区分布于研究区北侧永善-雷波以北区域，可达4.0%以上，整体上和沉积环境一致，自南东向北西方向，由浅水陆棚向深水陆棚过渡变化，有机碳含量亦呈现逐渐增大趋势(图3)。纵向上，五峰-龙马溪组下部黑色碳质页岩有机碳含量明显高于上部，新地2井和云大地3井均揭示有机碳含量大于2.0%的页岩段位于五峰-龙马溪组下部，厚度分别为70 m和40 m(杨平等，2019)，五峰-龙马溪组下部黑色泥页岩是研究区页岩气勘探开发有利层段。

我国南方海相页岩热演化程度均较高(李延钧等，2013)。研究表明，当有机质镜质体反射率(Ro)超过3.0%时，页岩开始逐渐石墨化而产生焦沥青基质(Pollastro et al.,2007；李登华等，2009)，从而逐步降低或失去生烃能力(姜生玲等，2018b)。永善-大关及其周边地区五峰-龙马溪组页岩平均镜质体反射率(Ro)介于2.57%～3.13%之间(图3)，处于高-过成熟阶段，以生干气为主。平面上、纵向上变化均较小，分布均比较稳定。

图3 研究区五峰-龙马溪组页岩有机地球化学特征分布图Fig.3 Organic geochemical characteristics of Wufeng-Longmaxi Formation in Yongshan-Daguan area1-地名；2-研究区；3-省界；4-井位；5-剖面点；6-深水陆棚;7-浅水陆棚;8-TOC(%);9-Ro(%)1-place name；2-study area；3-provincial boundary；4-well location；5-section position；6-deep-water shelf；7-shallow-water shelf；8-TOC(%);9-Ro(%)

3.2 储层特征

X衍射全岩矿物实验结果表明，永善-大关地区五峰-龙马溪组页岩矿物组分主要以脆性矿物为主，石英、长石、碳酸盐岩矿物总含量介于35.8%～92.0%之间，平均62.2%，其中，石英+长石+黄铁矿等自生矿物介于14%～63%之间，平均36.4%；碳酸盐岩类矿物介于3.6%～77%，平均25.8%；粘土矿物含量和自生矿物含量相当，介于8.0%～64.2%之间，平均37.6%(图4)，野外露头实验测试结果与已钻新地2井和云大地3井评价结果基本相当。总体上，脆性矿物较发育，基本能够达到对孔隙的支撑和外力作用下形成裂缝(Bowker,2007)。

图4 研究区五峰-龙马溪组泥页岩矿物组成三角图Fig.4 Triangle diagram showing mineral composition of Wufeng-Longmaxi Formation shale in study area

五峰-龙马溪组页岩主要发育微米-纳米级无机孔(粒内孔、晶间孔、粒间孔)、有机孔和微裂缝。综合野外露头实验和新地2井、云大地3井(杨平等，2019)实验结果，平均孔隙度1.54%～5.07%，平均渗透率小于0.02 mD，属于典型的低孔超低渗页岩储层。

3.3 页岩含气性

通过等温吸附实验测试所得的Langmuir体积反映的是泥页岩的最大吸附能力，将Langmuir体积转化为实际埋深条件下的最大吸附气含量来评价泥页岩的吸附能力。在恒温30℃、甲烷体积分数为99.99%的实验环境下测得五峰-龙马溪组Langmuir体积介于1.25～3.51 m3/t之间，平均2.16 m3/t。根据Langmuir方程V=VL*P/(PL+P)将Langmuir体积转化为实际埋深条件下的最大吸附气量，结果显示五峰-龙马溪组泥页岩最大吸附气含量介于1.12～3.31 m3/t之间，平均2.12 m3/t，表明永善-大关地区五峰-龙马溪组泥页岩具有较强的吸附能力。

永善-大关地区勘探、研究程度低，无准确的游离气含量实验数据，论文主要通过公式(1)理论计算吸游比来间接计算游离气百分含量。理论计算结果显示游离气平均百分含量为58.8%，表明游离气含量略占优势。

(1)

上式中，ρ为页岩岩石密度，g/cm3；Gsc为吸附气含量，m3/t；φg为含气页岩孔隙度，%；Sg为含气饱和度，%；Bg为体积系数，无量纲。

综合永善-大关地区已钻新地2井、新地1井和永大地3井等钻井资料，最大现场解析含气量分别为3.38 m3/t、1.4 m3/t、1.9 m3/t(何江林等，2017；杨平等，2019)。总体上，五峰-龙马溪组泥页岩含气量较高，具备页岩气富集成藏的基本条件。

4 有利区分布及资源潜力

4.1 有利区分布

勘探程度较低的区域，页岩气有利区优选多采用多因素叠合法(聂海宽等，2009；张金川等，2012)。该方法是将影响页岩气聚集的各关键评价指标在平面分布图上进行叠合，并根据各关键指标下限值综合圈定页岩气发育有利区。勘探实践表明，页岩气发育有利区具备较高的有机碳含量、较大的页岩厚度、适当的热成熟度和埋藏深度。永善-大关地区五峰-龙马溪组泥页岩具有厚度大、有机碳含量适中、热演化程度高的特点，具备一定范围的埋深适中、构造稳定区，且该区属于矿权空白区，勘探程度低，综合低勘探程度海相页岩气有利区优选指标(李玉喜等，2012)，确定富有机质页岩厚度大于30 m、有机碳含量大于2.0%、埋深介于1000～3500 m之间、含气量大于0.5 m3/t、构造简单，远离断层200 m作为有利区优选关键指标下限标准。采用多因素叠合综合优选永善-大关地区五峰-龙马溪组页岩气发育有利区为高桥-新场-天宁寺-木杆向斜所围区域(图5)，面积480.58 km2，有利区内有机碳含量普遍大于2.0%，富有机质页岩厚度介于40～80 m之间，目的层埋深主体分布在1500～3000 m之间，木杆向斜区现场解析含气量基本高于0.5 m3/t。

图5 永善-大关地区五峰-龙马溪组页岩气发育有利区Fig.5 Sketch map showing favorable zone of shale gas in Wufeng-Longmaxi Formation in Yongshan-Daguan area1-地名；2-研究区；3-省界；4-背斜；5-向斜；6-断层;7-埋深等值线(m);8-厚度等值线(m)；9-TOC等值线(%);10-有利区1-place name；2-study area；3-provincial boundary；4-anticline；5-syncline；6-fracture；7-burial depth contour(m)；8-thickness contours(m);9-TOC contour(%);10-favorable zone

4.2 资源潜力

条件概率体积法是目前页岩气资源评价最常用的方法(张金川等，2012)。考虑到永善-大关地区五峰-龙马溪组页岩关键参数的非均质性及低勘探程度区参数的局限性，采用条件概率体积法对有利区页岩气资源进行初步评价。该方法是在体积法的基础上通过对关键参数以数理统计的方法建立参数分布模型，以概率的形式赋值，并得到不同概率条件下的页岩气资源量。条件概率体积法包括面积、厚度、总含气量及密度四项关键参数，其中面积采用多因素叠合法综合优选的页岩气发育有利区面积，为480.58 km2；参与计算的页岩厚度为有机碳含量大于2.0%富有机质页岩厚度，含气量为现场解析总含气量，由于页岩储层的非均质性，富有机质页岩厚度、总含气量和密度均为系列散点数据，其密度函数遵循数理统计规律的正态分布模型(图6a)。因此，离散数据赋值可通过对密度函数积分来获得不同概率条件下的参数值(图6b，表1)，关键参数以不同概率的形式赋值之后，多次抽样(5000次)计算得到永善-大关地区五峰-龙马溪组有利区不同概率条件下的页岩气资源量。评价结果显示五峰-龙马溪组有利区页岩气资源量603.0×108～2184.5×108m3(95%～5%概率)，期望值(50%概率)为1256.4×108m3。表明永善-大关地区五峰-龙马溪组具有一定的页岩气资源潜力。

图6 五峰-龙马溪组富有机质页岩厚度概率密度(a)及概率(b)分布图Fig.6 Distribution of organic-rich shale thickness probability density(a) and probability(b) of Wufeng-Longmaxi Formation

表1 五峰-龙马溪组有利区页岩关键参数赋值及页岩气资源评价结果表

5 结论

(1)永善-大关地区五峰-龙马溪组页岩发育于浅水-深水陆棚沉积环境，厚度大、有机碳含量适中、成熟度高、埋深适中，储层矿物成分主要以脆性矿物为主，微米-纳米级孔缝发育，表现为低孔特低渗特征，具备页岩气生成所需的物质基础和储集空间。

(2)永善-大关地区五峰-龙马溪组页岩具有较强的吸附能力和较高的含气量，最大吸附气量平均2.12 m3/t，游离气百分含量平均为58.8%，游离气略占优势；同时，现场解析气量较高，介于0.5～3.38 m3/t之间。

(3)永善-大关地区五峰-龙马溪组页岩气具有一定的资源潜力，有利区主要分布在高桥-新场-天宁寺-木杆向斜所围区域，面积480.58 km2，初步评价页岩气资源量1256.4×108m3。

[附中文参考文献]

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