摘  要  云南省東北部地區是中國南方海相頁巖氣勘探的有利目標區之一，該區下寒武統牛蹄塘組和下志留統龍馬溪組中黑色巖系廣泛發育。在深入了解區域地質背景的基礎上，利用頁巖氣鉆井資料對該區黑色巖系儲層特征進行了研究，并探討了頁巖氣含量的控制因素。結果表明：①該區黑色巖系可細分為黑色頁巖、硅質頁巖、鈣質頁巖、粉砂質頁巖、碳質頁巖、泥鐵質粉砂巖、泥質粉砂巖及泥晶灰巖等8種巖性；②黑色巖系總有機碳含量介于0．02％～9.37％。有機質類型以混合型干酪根為主；③巖心孔隙度介于0.22％～4.06％、滲透率介于O.OO00029～O.7 mD，孔隙以微孔為主：(小于10nm)。該區已鉆的9口井頁巖含氣量總體偏低(平均只有0.42 m³／t)且頁巖氣含量差異較大。結論認為：在寬緩向斜和斷層發育少的構造區域，頁巖礦物中斜長石、碳酸鹽和黏土礦物(伊利石、綠泥石和伊蒙混層)等的含量大小影響了頁巖氣含量的高低；伊利石含量介于25％～40％時頁巖含氣量相對較高，普遍大于0.5 m³／t，伊利石含量大于40％，頁巖氣含氣量普通低于0.5 m³／t；綠泥石含量介于l5％～25％時，頁巖含氣量相對較高；斜長石含量大于l0％時。頁巖氣含氣量普遍低于0.5 m³／t,碳酸鹽類礦物含量越高，則頁巖氣含氣量越低。

關鍵詞  云南省東北部  黑色巖系  儲集層  早寒武世  早志留世  頁巖氣  伊利石  綠泥石  斜長石  含氣性

自范德廉(1973)首次使用黑色巖系的概念以來，國內外學者從不同層面對黑色巖系進行了深入研究^[1-4]，并認為它是一種在缺氧或無氧的水底形成的具有一定沉積學、古生態學和地球化學特征的黑色細粒頁巖的沉積組合。隨著頁巖氣勘探工作的推進，作為頁巖氣賦存載體的黑色巖系儲層，必將再次成為研究熱點。

黑色巖系在地質歷史發展過程中多次重復出現，在我國南方蘇、浙、皖、贛、湘、桂、鄂、滇、川等地均有大量分布，發育在不同地質層位。為此，筆者基于區域地質背景，利用頁巖氣鉆井資料對云南省東北部地區黑色巖系(下寒武統的牛蹄塘組和下志留統龍馬溪組)儲層特征進行了研究，并初步探討了頁巖氣含量的控制因素。

1  儲層特征

1．1巖石學特征

滇東北部黑色巖系主要由黑色頁巖、硅質頁巖、鈣質頁巖、粉砂質頁巖、碳質頁巖等組成(圖1a-e)。黑色巖系顏色隨著成分的變化，特別是碳質、鈣質和硅質成分的變化，而呈深灰色、淺灰色。硅質含量較低時，硬度變小，均勻性變差。泥頁巖常與泥質粉砂巖、粉砂巖組成韻律層，巖石中不同組分如黏土礦物、碎屑、硅質、碳質等各自順紋層狀分布，使巖石顯示出紋層狀構造特征。少量顆粒在巖石中分布不均勻，碎屑顆粒以粉細砂級碎屑為主，呈次棱角狀、次圓狀，磨圓度中等而分選性極好，其礦物成分為石英、長石、巖屑、云母及其他礦物，礦物成熟度偏低。對于含粉砂質泥巖來說，常見粉砂級碎屑，細砂級碎屑少見。含硅質、粉砂質泥巖、頁巖的黏土礦物含量要低一些，碎屑和硅質含量要高一些。下志留統龍馬溪組和下寒武統牛蹄塘組的黑色巖系是研究區內一套重要的烴源巖，由多種巖性組成，主要為黏土一粉砂級細粒沉積，筆石化石豐富，黃鐵礦發育(圖1f-g)。根據礦物成分、碎屑、生物和結構特征不同可將研究區黑色巖系分為8種主要巖性(圖2)，以下分述之。

1．1．1  泥鐵質粉砂巖

水平層理發育，泥粒大小不等，呈帶狀分布，陸源碎屑成分以石英為主，含少量長石、云母等。填隙物主要為鐵泥質，較均勻分布粒間，其成分主要為陸源黏土礦物中混雜粒狀、粉末狀黃鐵礦，方解石充填孔隙并交代顆粒(圖2a)。此類巖性在下寒武統牛蹄塘組中尤其發育。

1．1．2粉砂質頁巖

水平層理發育，粉砂質泥質結構。陸源粉砂主要為石英、長石、云母、碳酸鹽晶屑等，分布較均勻；泥質主要為伊利石，因重結晶而顯定向消光(圖2b)，少量方解石、白云石交代泥質、陸屑顆粒并充填孔隙(圖2d)。粒狀黃鐵礦不均勻分布。此類巖性在黑色巖系中發育普遍。

1．1．3碳質頁巖

含碳量介于3％～l5％，泥質結構主要由纖維鱗片狀伊-蒙混雜黏土組成，經過重結晶作用，部分碳質分布不均；少量為石英長石、黑云母等，局部見大小不等、外形不規則的碳泥質團塊。黑云母多已蛭石化且定向分布(圖2e)。此類巖性主要發育在龍馬溪組和牛蹄塘組黑色巖系的下部。

1．1．4泥質粉砂巖

由85％～90％的粉砂顆粒和10％～l5％的泥質基質組成。碎屑成分主要為石英、長石和碳酸鹽巖晶屑，泥質、碳屑和碳酸鹽混雜不均勻分布于粒問(圖2g)。巖石中可見霉狀黃鐵礦和少量有機質。此類巖性主要發育在龍馬溪組和牛蹄塘組黑色巖系的上部。

1．1．5  鈣質頁巖

碳酸鈣含量介于25％～50％，泥質結構以纖維鱗片狀伊-蒙混雜黏土礦物為主，粉泥晶方解石分布均勻，粗粉砂-極細砂層狀富集。白云母呈定向分布。偶見黃鐵礦斑塊及生物化石碎片(圖2h)。此類巖性主要發育在龍馬溪組黑色巖系的上部，在牛蹄塘組黑色巖系中發育較少。

1．1．6  黑色富有機質頁巖

以纖維鱗片狀伊-蒙混雜黏土礦物為主，粉泥晶方解石分布均勻(圖2i)，因富含有機質而呈灰色、灰黑色，一般形成于乏氧的富硫化氫的閉塞海灣、潟湖和湖泊的深水區以及欠補償盆地與深海溝內。在龍馬溪組和牛蹄塘組中下部廣泛發育，黑色頁巖是頁巖氣勘探的主體。

1．1．7硅質頁巖

二氧化硅含量可高達85％以上的頁巖(圖2c)。硅質頁巖比普通頁巖硬度大，常與鐵質巖、錳質巖、磷質巖及燧石等共生，在牛蹄塘組下部較發育。

1．1．8  生屑泥晶灰巖

生屑主要為介形蟲、棘皮，少量腕足等，成分為方解石，泥晶方解石分布于粒間(圖2f)。主要發育在黑色巖系中且多以薄夾層的形式出現。

1．2礦物學特征

頁巖的礦物組成、有機碳含量和有機質成熟度是頁巖儲層發育的3個最重要因素。滇東北黑色巖系頁巖礦物成分統計表明(圖3、4)，6口井(wx2、wx3、wx4、wx5、wx6、wx7)黑色巖系黏土礦物含量平均值分別為34％(4％～55％)、26％(5％～40％)、29％(2％～65％)、36％(12％～53％)、28％(20％～36％)、35％(3％～82％)；石英含量平均值分別為30％(2％～39％)、39％(9％～50％)、33％(24％～51％)、36％(11％～52％)、27％(14％～34％)、29％(10％～65％)；長石平均含量分別為7％(2％～l5％)、22％(2％～32％)、12％(3％～27％)、12％(1％～26％)、15％(1％～22％)、6％(1％～l5％)；碳酸鹽巖類(方解石和白云石)平均含量分別為：29％(8％～94％)、l0％ (2％～86％)、25％(3％～48％)、11％(2％～74％)、26％(5％～55％)、29％(1％～58％)。頁巖中的石英呈紋層狀或分散狀分布，顆粒大小介于0.03～0.05mm，石英主要為陸源碎屑外源成因。

1．3沉積環境特征

寒武紀時期，揚子區海侵廣泛，下部的牛蹄塘組(筇竹寺組)代表了震旦紀之后持續海侵造成的較深淺海沉積產物。下寒武統下部的黑色巖系發育，說明整個揚子區處于水體較深和缺氧的狀態。志留紀是一個地殼構造運動相對活躍的時期，也是全球構造格局及古地理面貌發生明顯變化的時期。龍馬溪組下部的黑色巖系為典型的非補償沉積類型，反映了志留紀初期岡瓦納大陸冰蓋開始消融，海平面雖然開始上升，但海侵范圍較小，仍保持閉塞滯留的狀態。上揚子地區沉積的黑色巖系與全球同期發育的黑色巖系具有可比性。

    早古生代滇東北處于揚子克拉通盆地(大陸架)的東南緣，下寒武統牛蹄塘組黑色巖系形成于早寒武世早期全球快速海侵體系域，是早寒武世早期全球性海平面上升時，在上揚子地區形成區域性深水滯留缺氧的陸棚到斜坡環境沉積的，其巖性為黑色碳質頁巖、黑色硅質頁巖、深灰色鈣質頁巖及深灰色粉砂質頁巖，含結核狀或莓狀黃鐵礦(圖1)，屬于快速上升洋流形成的陸架外緣斜坡貧氧環境—陸棚海(深水陸棚)缺氧沉積環境，發育富含有機質和生物元素、有色金屬的黑色巖系，以泥頁巖和硅質巖為主^[5-6]，平面上形成了鎳鉬礦、釩礦、腐泥無煙煤3個成礦帶。下寒武統牛蹄塘組黑色巖系沉積區域穩定，分布連續，地層厚度大。受西部康滇古陸影響，黑色泥頁巖總體呈“西薄東厚”的特征。下志留統龍馬溪組黑色巖系形成于陸棚相滯流缺氧環境，以富含筆石和有機質的黑色泥頁巖為特征。由北向南，龍馬溪組黑色巖系的厚度變薄，南部區域出現石灰巖夾層并逐漸增多，龍馬溪組沉積中心在威信凹陷的北部。其巖性為黑色碳質頁巖、黑色硅質頁巖、深灰色鈣質頁巖及深灰色粉砂質頁巖(圖1)，沉積構造以水平層理為主，黃鐵礦發育，筆石生物豐富。龍馬溪組的巖性、沉積構造和生物群落特征表明，黑色巖系的沉積環境主要為深水斜坡-盆地，盆地為貧氧-厭氧型，這可能主要是由于海平面上升引起的。

研究區黑色巖系上段顏色較下段淺，并且粉砂質向上含量增加，這表明沉積水體中氧含量增加和水體循環能力變強，粉砂質含量增加，進一步證實沉積水體變淺、盆地的可容納空間減小，沉積環境由盆地演變為斜坡-深水陸棚沉積。

1．4總有機碳含量

巖心樣品分析揭示，黑色巖系TOC值變化范圍廣，而且下部總體較上部高。本次研究共測試了9口井的506塊樣品的總有機碳含量。TOC (巖心)介于0.02％～9.37％之間，平均為0．97％，TOC頻率劃分為5個區間(圖5)，其中，0<TOC<0.5％頻率最高(占41.26％)，0．5％<TOC<1％占21.52％，l％<TOC<2％占24.22％，2％<TOC<5％占l2.11％，TOC>5％占0.9％。需要說明的是，烴源巖中有機碳以3種形式存在：①烴類中殘余有機碳；②轉化為烴類(可轉換碳、活性碳和不穩定碳)(Cooles等，l986)；③碳質殘渣，不具生烴能力，缺少轉化為烴類所需足夠的氫，通常稱為惰性碳、死碳。由于有機碳的轉化作用，所以原始有機質含量比現今殘余有機碳含量高(TOC)，有20％^[7]～36％的差值。

研究區下志留統龍馬溪組和下寒武統牛蹄塘組黑色巖系有機顯微組分鑒定、分析結果表明，有機顯微組分含量較低，平均分別為1.36％、0.54％，主要組成為灰白色碎屑體，可能為鏡狀體或瀝青。這與有機碳含量所反映的結果相差較大，造成此現象可能是地層時代較老、成熟度過高引起的。

黑色巖系鏡質體反射率測試結果表明，源巖成熟度較高，R₀均已超過2.0％，進入了高成熟演化階段，且以生干氣為主。利用TTI值H／C-O／C原子比三分法對頁巖進行源巖有機質類型劃分認為，干酪根類型基本為腐殖型，為氣源巖。但這并非源巖的真實干酪根類型，因為牛蹄塘組和龍馬溪組均為下古生界海相沉積，源巖母質都為微生物體，沒有高等植物，因此干酪根應該以混合型為主，少量腐泥型。

1．5微觀孔隙

一直以來針對泥頁巖儲層的研究較少，本次重點研究了黑色巖系中泥頁巖的微觀孔隙特征。前人研究的成果證實，頁巖中實際上含有大量的孔隙和裂縫，可作為天然氣儲層。根據孔隙尺寸，可將泥頁巖中的孔隙分為2種類型：微孔隙(d>0.75 μm)和納米級孔隙(d<0.75μm)^[8]。通過掃描電鏡研究發現，黑色巖系中泥頁巖中納米孔隙、微孔隙和微裂縫十分發育，孔隙直徑介于l00 nm～50 μm(圖6)，黑色巖系中的黑色頁巖在掃描電鏡下可見多種類型微孔隙：方解石、白云石和石英粒間微孔隙；黏土礦物晶間孔隙；斜長石溶蝕孔和云母片狀孔隙，呈孤立狀，或者由狹長平直的吼道連接(圖6)。  

同樣，黑色巖系頁巖中微裂縫發育有利于改善頁巖的滲透性(圖6c、d)。威信凹陷龍馬溪組黑色巖系頁巖孔隙度和滲透率分別為1.46％(0.22％～4.O6％)、0.093 mD(0.0000029～0.70 mD)；牛蹄塘組黑色巖系頁巖孔隙度和滲透率分別為0.67％(0.3％～l2.7％)、0.00037 mD(0.0000008～0.0041 mD)。對比可知，龍馬溪組黑色頁巖物性比牛蹄塘組的稍好。

2頁巖氣含量控制因素淺析

常規天然氣藏對保存條件要求很高，以往認為頁巖氣不受保存條件控制。最新研究成果表明，保存條件好壞控制頁巖氣含氣量及氣體組分。前期的研究業已證明，向斜有利于維持地層壓力，頁巖氣易于保存，是頁巖氣有利的富集構造區域。本次研究對滇東北的9口頁巖氣井進行了含氣量測試，結果發現，含氣量總體偏低，平均只有0.42 m³／t；其中50％的井含氣量小于0.4 m³／t(圖7)。頁巖氣含量差異較大，有必要對其控制因素進行分析。

從研究結果中發現(圖8)：在寬緩向斜和斷層發育少的構造區域，頁巖礦物中斜長石、碳酸鹽巖和黏土礦物(伊利石、綠泥石和伊蒙混層)等含量的大小，影響了頁巖氣含量的高低：伊利石含量介于25％～40％區間時，頁巖含氣量相對較高，普遍大于0.5 m³／t，伊利石含量大于40％，含氣量普啟遍低于0.5 m³／t；綠泥石含量基本小于35％，在15％～25％的區間內，含氣量相對較高；伊利石／蒙脫石混層與伊利石的比值可以反映水分條件的好壞^[9]，比值越小時反映水分條件好，反之亦然(水分條件越好，含氣量越低)；斜長石含量大于10％，含氣量普遍低于0.5 m³／t；碳酸鹽類礦物含量越高，含氣量越低(例如wx3井碳酸鹽礦物含量平均為30％，與頁巖含氣量呈反比關系)。

碳酸鹽類礦物其含量變化受制于氣候特征和海平面的變化。氣候炎熱和海平面下降有利于碳酸鹽類礦物的結晶與沉淀。但與此相對應，不利于有機生物的繁盛與保存。此外，裂縫的開啟與閉合，經過物質交換，裂縫充填方解石，碳酸鹽礦物含量增高但有機質散失。因此，碳酸鹽含量高，頁巖含氣量相對較低。

斜長石是標志性的造巖礦物，也是最不穩定、抗風化能力最差的造巖礦物。斜長石風化在外觀上主要有兩個方面的變化：①外形由規整的長柱狀多邊形向不規則形轉變；②礦物內部的孔隙由不發育向發育、由小到大轉變。因此，斜長石含量越高，說明其風化程度低，孔隙不發育，因而含氣量低。伊利石化程度隨埋深的增加而增加，蒙皂石的伊利石化過程與沉積盆地的沉降歷史和熱演化程度有密切聯系。伊蒙混層含量與有機質(干酪根)具有協同演化的規律^[10]，因而，黏土礦物含量的高低是影響頁巖氣含量的重要因素和指標。

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本文作者：郭偉  劉洪林  李曉波  薛華慶

作者單位：中國石油勘探開發研究院廊坊分院