贵州北部龙马溪组页岩特征及页岩气勘探前景

胡晨林，张元福，王志峰，李俊杰，张海波

(中国地质大学，北京 100083)

引 言

研究表明，四川盆地早古生代寒武系牛蹄塘组和下志留统龙马溪组页岩是页岩气有利的勘探层系[1-5]，这2套页岩层系主要发育于深水缺氧环境，缺氧的海底环境为有机质的保存提供了良好的条件[6-9]。

以贵州北部地区龙马溪组页岩为研究对象，以沉积学、石油地质学为理论指导，通过对该地区下古生界龙马溪组的野外露头、薄片观察、全岩X衍射和黏土X衍射等方法，分析页岩的宏微观岩石学特征、烃源岩特征并对研究区页岩气勘探前景进行初步评价。

1 区域地质概况

研究区位于四川盆地东南缘，地理位置上主要在贵州北部及重庆东南部。该区继承了四川盆地构造特征，形成一系列北东—南西向雁列式褶皱[3，10]。奥陶纪末和志留纪初经历了2次全球性海侵，研究区龙马溪组页岩形成是志留纪初第1次全球性海侵的沉积响应，其形成在受到华南大地构造演化制约的同时，也受到了全球海平面升降的控制[10-11]。

龙马溪组页岩的下覆地层以五峰组硅质岩或硅质页岩为典型标志，龙马溪组则是以厚套黑色页岩为主，下部发育了黑色块状页岩，富含笔石，上部主要发育灰色泥岩和灰绿色泥质粉砂岩。在研究区，龙马溪组页岩厚度大，20～200 m不等，有机质含量高，为一套重要的烃源岩层系[8-9]，也是研究区甚至整个四川盆地页岩气勘探的主要层段。

2 沉积特征

2.1 矿物学特征

测试数据显示，龙马溪组页岩矿物组分以石英和黏土矿物为主(图1a)，还含有少量的长石、方解石、白云石和黄铁矿(表1)。黏土矿物含量(质量百分数，下同)为18.5% ～53.2%，平均为40.6%;石英含量为25% ～73%，平均为42.6%，多以外源碎屑为主，颗粒粒级以粉砂级和黏土级为主，在页岩中呈层状、漂浮状分布;碳酸盐岩含量较少，为3%～18%，平均为4.0%。黏土矿物以伊利石为主，其次为伊蒙混层，以及少量绿泥石(图1b)。伊利石相对含量为42% ～72%，伊蒙混层为29% ～46%，绿泥石相对含量为4% ～22%。研究层段沉积于深水还原环境，故黄铁矿含量相对丰富。

图1 全岩成分组成及黏土矿物成分组成

表1 重点剖面矿物质量百分含量

2.2 岩相特征

一般而言，习惯上将龙马溪组页岩笼统称为“页岩”，事实上，其有着复杂的岩石类型，根据页岩中各种成分的差异，可识别出5种岩石类型:粉砂质页岩、钙质页岩、黑色页岩、炭质页岩、泥质粉砂岩。

2.2.1 黑色页岩

黑色页岩多呈黑色、灰黑色，硬度小，且多成薄层状，主要发育水平层理，富含笔石(图2a)。页岩中矿物成分主要为黏土矿物，在黏土矿物中漂浮一些石英、长石颗粒(图3a)，颗粒粒度一般为粉砂级或黏土级。该类页岩含有较多的黄铁矿，陆源物质较少，颜色较深表明其具有较高TOC含量，这些特征均表明黑色页岩沉积于安静的深水环境，水体底部缺氧而降低了有机质的氧化量，为有机质的保存提供了良好的条件。

2.2.2 粉砂质页岩

粉砂质页岩多呈灰黑色或深灰色，发育水平层理、块状层理(图2b)。粉砂含量较高，以石英为主，含量为30% ～40%，分选中等，此外还可见少量长石。暗色层主要为黏土层，亮色层主要为粉砂层，暗色层中有机质与黏土矿物混杂(图3b、c)。

图2 龙马溪组页岩露头特征

2.2.3 炭质页岩

炭质页岩多呈黑色，染手(图2c、d)，含有较高的碳化有机质，可高达15%。露头观察表现为风化强烈，薄层的页理极为发育。粉砂含量较少，一般小于20%(图3d)。

2.2.4 钙质页岩

钙质页岩中碳酸钙含量为25% ～50%，多呈纹层状。暗色层为含有机质的黏土层，亮色层为钙质层或钙质含量较高的黏土层(图2e、3e)。

2.2.5 泥质粉砂岩

露头观察中，泥质粉砂岩多呈浅灰色或灰绿色，指示其处于半氧化半还原环境，主要发育透镜状层理和交错层理(图2f)。代表了龙马溪组晚期水体变浅，陆源碎屑输入增强。碎屑颗粒占75%，以石英为主，呈线接触或凹凸接触，颗粒分选较差，磨圆次圆—次棱角，可见边缘溶蚀现象;含少量长石，见聚片双晶结构，部分绢云母化;此外含少量黏土矿物和云母(图3f)。发育透镜状层理、水平层理、交错层理。代表了龙马溪组晚期水体变浅，陆源碎屑输入增强。

图3 不同岩相微观特征

3 烃源岩特征

对研究区野外黑色页岩有机质显微组分测试结果显示，有机质显微组分主要为沥青质，多为块状、条状沥青，少量碎屑状沥青。无论是何种类型干酪根，在热演化程度较高时，都可以生成大量天然气，因此，页岩中有机质只要达到足够的热演化程度就可以生成页岩气。研究区龙马溪组页岩地面样品的 Ro值约为1.55% ～3.20%，平均为1.87%，均达到了成熟—过成熟阶段，这与美国页岩气盆地的0.4%～2.0%相比高出很多。有机质含量不仅是影响页岩生烃量的主要因素，也是影响其吸附气量的重要因素。美国页岩气盆地产气页岩的总有机碳含量的下限为0.5%，因此一般将0.5%作为页岩生成页岩气的有机碳含量下限条件[12]。研究区页岩露头的颜色以黑色为主，具有较高的TOC含量，达到了页岩气生成的条件。

4 页岩气勘探前景

龙马溪组页岩主要为一套硅质碎屑细粒沉积，沉积于深水陆棚环境，为海侵体系域产物[10]，这种稳定的深水沉积环境使得龙马溪组页岩厚度较大，平面分布稳定，黑色页岩厚度约20～120 m。同时，海平面的上升和气候暖湿使得海洋原始生产力较高，同时底部的缺氧环境为有机质的保存提供了必要条件，TOC含量较高。同时研究表明，龙马溪组页岩含气量高，含气量与TOC含量有着密切关系(图4)。

龙马溪组页岩与美国Barnett页岩对比分析表明，这2套富有机质页岩厚度均较大，分别为15～61 m和20～200 m。有机质类型主要为Ⅰ—Ⅱ1型。就TOC含量而言，龙马溪组页岩TOC值一般介于0.80% ～5.75%，均值约为2%，略低于美国Barnett页岩的3% ～13%。同时，龙马溪组页岩埋藏厚度较大，Ro较高，多处于过成熟阶段，而美国Barnett页岩则主要处于成熟阶段[14-16]。就页岩储层而言，二者脆性矿物均以石英为主，含量均很高。不同的是龙马溪组页岩中石英为陆源成因，而美国Barnett页岩除陆源石英外还存在生物成因及自生成因石英[10，16]。

目前，在四川盆地多个区块完成了多口页岩气勘探井，获取了大量的基础资料。同时，页岩水平压裂井的实施使得页岩气实现了工业开采。龙马溪组页岩在四川盆地相对稳定，因此对于研究区而言，页岩气的勘探开发具有较高的潜力。

图4 页岩等温吸附结果及含气量与TOC关系(据文献[13])

5 结论

(1)四川盆地下古生界龙马溪组页岩厚度较大，矿物组分主要为陆源石英和黏土矿物，岩石类型主要包括黑色页岩、粉砂质页岩、炭质页岩、钙质页岩和泥质粉砂岩。其中黑色页岩和炭质页岩主要发育在龙马溪组页岩下部，而粉砂质页岩、钙质页岩和泥质粉砂岩主要发育在中上部。

(2)龙马溪组页岩有机质类型以Ⅰ—Ⅱ型为主，Ro平均为1.87%，多处于成熟—过成熟阶段。具有高TOC含量和高含气量，且二者具有较好的正相关性。与美国Barnett页岩相比，二者在页岩发育环境、页岩厚度、有机质类型及TOC含量等方面具有一定的相似性。

(3)龙马溪组页岩沉积环境稳定，页岩发育厚度大且分布稳定，烃源岩品质好，脆性矿物含量较高，具备页岩气勘探开发的基本参数要求。目前在四川盆地多口井已实现页岩气的工业开采，研究区页岩气具备较大的勘探潜力。

[1]邹才能，董大忠，王社教，等.中国页岩气形成机理、地质特征及资源潜力[J].石油勘探与开发，2010，37(6):641-654.

[2]张金川，等.中国天然气勘探的两个重要领域[J].天然气工业，2007，27(11):1-6.

[3]蒲泊伶，蒋有录，王毅，等.四川盆地下志留统龙马溪组页岩气成藏条件及有利地区分析[J].石油学报，2010，31(2):225-231.

[4]梁超，姜在兴，郭岭，等.陆棚相黑色泥岩发育特征、沉积演化及页岩气勘探前景——以瓮安永和剖面牛蹄塘组为例[J]. 大庆石油学报，2011，35(6):13-22.

[5]张水昌，朱光有.四川盆地海相天然气富集成藏特征与勘探潜力[J]. 石油学报，2006，27(5):1-8.

[6]梁狄刚，郭彤楼，边立曾，等.南方四套区域性海相烃源岩的沉积相及发育的控制因素[J].海相油气地质，2009，(14)2:1-19.

[7]李双建，肖开华，沃玉进，等.南方海相上奥陶统—下志留统优质烃源岩发育的控制因素[J].沉积学报，2008，26(5):872-881.

[8]陈洪德，黄福喜，徐胜林，等.中上扬子地区海相成烃物质聚集分布规律及主控因素[J].成都理工大学学报:自然科学版，2009，36(6):569-577.

[9]牟传龙，等.中上扬子地区早古生代烃源岩沉积环境与油气勘探[J]. 地质学报，2011，85(4):526-531.

[10]梁超，姜在兴，魏小洁，等.四川盆地五峰组—龙马溪组页岩岩相及储集空间特征[J].石油勘探与开发，2012，39(6):691-698.

[11]苏文博，等.华南五峰组—龙马溪组黑色岩系时空展布的主控因素及其启示[J].地球科学——中国地质大学学报，2007，32(6):819-827.

[12]张金川，姜生玲，唐玄，等.我国页岩气富集类型及资源特点[J]. 天然气工业，2009，29(12):109-117.

[13]Jiang Z X，et al.Lithofacies and sedimentary characteristics of the Silurian Longmaxi Shale in the southeastern Sichuan Basin，China[J].Journal of Palaeogeography，2013，2(3):238-251.

[14]Loucks RG，Ruppel SC.MississipPIan Barnett shale:lithofacies and depositional setting of a deep-water shale-gas succession in the Fort Worth basin，Texas[J].AAPG Bulletin，2007，91(4):579-601.

[15]Scott L Montgomery，Daniel M Jarvie，Kent A Bowker，et al.Missis sipPIan Barnett Shale，Fort Worth basin，north-central Texas:gas-shale play with multi-trillion cubic foot potential[J].AAPG Bulletin，2005，89(2):155-175.

[16]曾祥亮，刘树根，等.四川盆地志留系龙马溪组页岩与美国Fort Worth盆地石炭系Barnett组页岩地质特征对比[J]. 地质通报，2011，30(S0):372-384.