2. 中国矿业大学;
3. 中国地质科学院页岩油气调查评价重点实验室
2. China University of Mining and Technology;
3. Key Laboratory of Shale Oil & Gas Survey and Evaluation, Chinese Academy of Geological Sciences
页岩气作为资源储量巨大的化石能源，在世界天然气勘探开发领域的地位日益凸显，其本质是以吸附态及游离态赋存于富有机质页岩中的自生自储连续型气藏，基础地质研究核心是明确富有机质页岩形成期沉积环境特征和后期构造运动对烃源岩（储层）的影响，主要评价内容包括富有机质页岩厚度、埋深、有机质丰度、有机质成熟度、矿物成分、含气性、物性特征等。美国产气盆地主要分布于阿巴拉契亚早古生代逆冲褶皱带、马拉松—沃希托晚古生代逆冲褶皱带和科迪勒拉中生代逆冲褶皱带及相邻地台之上的克拉通盆地[1-5]，表明相对稳定的海相环境有利于页岩广泛沉积，从而形成大面积生（储）气层。同北美相比，中国南方海相页岩具有独特性，普遍经历了较高的热演化，受燕山期、喜马拉雅期构造运动影响明显，不同构造样式保存条件具有较大的差异性。众多学者对中国南方海相页岩进行了大量研究工作[6-20]，以寒武系筇竹寺组为例，近几年研究主要集中在四川盆地及周缘地区，基本确定筇竹寺组富有机质泥页岩“四高一厚一富”的特征，即TOC高（普遍大于2%）、Ro高（普遍大于2%）、脆性矿物含量高（大于40%）、含气量高（平均大于1.90m3/t）、优质页岩（TOC大于2%）厚度大（普遍大于30m）、孔隙丰富，以上静态指标表明筇竹寺组具有较大的勘探开发潜力。
云南省位于四川盆地南部，寒武纪发育大面积巨厚海相沉积地层，针对云南省古生界海相页岩气地质方面的研究工作开展很少，本文通过云南省筇竹寺组野外地质调查取得的认识、剖面特征分析、实验测试分析等成果，对下寒武统筇竹寺组页岩气地质成藏条件进行了探讨。
1 地质背景云南省横跨不同的大陆构造域，以澜沧江为界东部属扬子大陆构造域，西部属冈瓦纳构造域，大致经历5个演化阶段[21]：① 元古宙末元古大陆联合阶段；② 寒武纪至早二叠世元古大陆裂解、漂移阶段；③ 晚二叠世至三叠纪弧后裂谷盆地发展阶段；④ 三叠纪末至古新世特提斯洋封闭阶段；⑤ 渐新世至第四纪云贵高原形成阶段。筇竹寺组沉积始于构造演化第二阶段，以北西—南东向云岭无量山海为界，东部受上扬子陆表海影响，沉积中心位于昭通—曲靖—文山一线，西部夹持于临沧古陆和腾冲山地间呈向南“喇叭状”开口的槽盆沉积（图 1）。
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图 1 云南省下寒武统筇竹寺组沉积相图 |
牛头山古岛、滇中古陆形成南部屏障，早期资料认为古陆以北为大面积潮坪沉积，岩性以砂泥岩为主[22]。根据野外地质调查情况，笔者认为滇东北为深水盆地沉积，滇东主要为台盆沉积，岩性均以页岩为主（图 2a至e），靠近古陆砂质含量增加（图 2f），水平层理发育；滇西北以紫红色粉砂岩为主，与灰绿色、黄绿色页岩呈不等厚互层，发育微波状层理及水平层理；滇东南岩性以页岩为主，发育粉砂质纹层；云岭无量山海处于构造裂陷区，持续沉积了巨厚盖层，地表露头稀少，为半深海沉积；保山—镇康地区，由临沧古陆向西，砂质成分增多。此外滇东、滇西北还发育小规模滩坝、潮坪沉积，岩性以砂泥岩为主，可见波痕、斜层理、大型交错层理等。云南省下寒武统筇竹寺组沉积特征总体为：沉积相以云岭无量山海为界东西分带，环陆分布，岩性以泥页岩为主，临陆砂质含量增加。
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图 2 筇竹寺组页岩野外露头照片 (a）昭通市镇雄县蓼叶坝村筇竹寺组页岩；(b）昭通市鲁甸县牛栏江页岩；(c）昭通市巧家县新店子乡上坪地村页岩；(d）曲靖市会泽县待补镇聂家村筇竹寺组页岩 (剖面)；(e）曲靖市沾益县080乡道筇竹寺组页岩；(f）昆明市宜良县九乡拖麦里页岩夹薄层粉砂岩 |
野外踏勘显示筇竹寺组露头区主要位于滇东北、滇东，滇西北、滇东南出露较少，云岭无量山海巨厚沉积层埋覆筇竹寺组，埋深可达10000m，保山地区由于构造作用影响埋藏也较深，本文重点讨论滇东北、滇东地区。
云南省下寒武统筇竹寺组富有机质页岩形成与沉积期古环境、古水深、古气候、构造变动及沉积物供给量关系密切。筇竹寺组沉积期水体较深，主体为台盆相、深水盆地相，页岩广泛发育。野外踏勘及资料分析表明，富有机质页岩发育于4个分区，分别为滇东北昭通分区、滇东昆明分区、滇东南文山分区、滇西北宁蒗分区，其中滇东北、滇东野外实测剖面18条，滇东分区富有机质页岩厚度普遍大于30m，其中东川石板房剖面和曲靖老林村剖面实测厚度超过70m，九乡剖面实测厚度为36m；滇东北分区未测得完整出露剖面，出露部分富有机质页岩厚度一般大于20m，结合其沉积特征，推测滇东北分区富有机质页岩厚度普遍大于70m（表 1、图 3）。滇东南与滇东北沉积特征类似，推测厚度大于70m；滇西北沉积特征与滇东类似，推测厚度大于30m。
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表 1 筇竹寺组富有机质页岩剖面厚度（部分）统计表 |
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图 3 云南省下寒武统筇竹寺组富有机质页岩厚度等值线图 |
野外调查同时表明，云南省筇竹寺组岩性组合特征与四川盆地筇竹寺组特征类似，纵向上具有三分性：下部发育含磷质条带白云岩和页岩；中部为页岩，碳质含量高；上部为页岩及粉砂质泥岩。富有机质页岩厚度大于30m，面积可达10×104km2。
沉积基底非均衡构造活动和沉积作用非均匀性，是导致不同地区筇竹寺组页岩厚度分布差异的重要因素。筇竹寺组沉积期，滇东北、滇东及滇东南为扬子陆块西南缘板内克拉通盆地，属构造稳定性较强的柔性地台[23]，构造活动处于兴凯旋回末期，地势趋于准平原化，产生大面积沉降和海侵，形成范围广、坡度小、水深不大的陆表海，利于沉积，但部分地区，如会泽、东川为继承性强烈坳陷区，页岩厚度大；昆明为同生隆起区，但页岩厚度相对较薄。该时期海水由东南部向北部入侵，首先浸没了滇东南海槽，而后经过开远海峡进入滇东海盆[24]，滇东海盆由南向北逐渐扩张，至滇东北与上扬子海盆相连，因此滇东南及滇东北页岩沉积厚度大。此时，滇中古陆北缘宁蒗地区也被海水淹没，但页岩厚度相对较薄。
3 有机地球化学特征 3.1 总有机碳含量云南省筇竹寺组沉积期后经历了多次构造变动，同时受到区内岩浆烘烤作用明显，样品实测镜质组反射率高（Ro大于2.5%），处于高—过成熟阶段，常规评价烃源岩生烃能力的参数适用性降低，总有机碳含量（TOC）可作为评价云南地区富有机质泥页岩生烃潜力的重要指标[25]。
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图 4 筇竹寺组富有机质页岩TOC分布频率 |
对云南省筇竹寺组110个样品进行TOC测试，最大值可达8%，主要分布在2%~4%（图 4a），表明富有机质页岩具有较好的生烃潜力。通过对比各区样品，昆明、马龙、待补及昭通、巧家TOC相对较高，大于2%的样品数量超过55%；镇雄和会泽TOC主要分布在1%~2%（图 4b），考虑到较高的成熟度，其生烃潜力也不容忽视。
对云南省筇竹寺组典型剖面TOC分布特征进行分析（图 5），TOC在纵向上存在多个波动旋回，忽略露头差异风化作用的影响，筇竹寺组中部、中上部（4分层、2分层中部）TOC较高。这种特征与岩性纵向上的三分性特征一致，下部白云质含量高；中部沉积期水体相对较深，有机物供给充足且利于保存；上部沉积期相对海平面逐渐下降，水体变浅，砂质含量增加，有机质供给及保存条件均变差。TOC总体分布特征表现为滇中部分地区、滇东大部分地区、滇东南全部、滇东北大部分地区达到或超过2%，勘探有利分区为滇东北、滇东筇竹寺组中部、中上部TOC较高的层段。
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图 5 筇竹寺组典型剖面柱状图 |
筇竹寺沉积期云南位于低纬度赤道附近，早期“红层”显示的干旱炎热环境逐渐变为温暖潮湿的陆表海环境。野外调查发现筇竹寺组发育多层石煤，为浅海静水环境大量菌藻类低等生物形成的海相藻煤[26]，广泛分布的温暖气候适宜水生生物生长[27]，岩石中可见大量三叶虫、笔石、藻类化石，有机质类型为Ⅰ型、Ⅱ1型。
测定样品Ro主要分布区间为2.7%~4.0%，均处于高—过成熟阶段，相比四川盆地及其周缘地区，云南省筇竹寺组页岩成熟度更高，研究认为复杂的构造作用及二叠纪大面积发育的岩浆岩是主要影响因素。热模拟实验分析表明，随着温度升高（对应样品Ro升高），有机质孔逐渐增大（图 6a至d），较高的热演化程度有利于干气的生成，但过高的热演化程度会破坏孔隙（图 6e、f），因此云南省筇竹寺组富有机质页岩Ro过高的区域不利于有机质孔的保存，影响页岩气富集成藏。
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图 6 页岩热模拟实验有机质孔变化特征图 |
页岩矿物组分直接影响页岩压裂及开采效果，根据北美页岩气开采实践，具备商业开发条件的页岩，石英等脆性矿物含量一般高于40%，黏土矿物含量小于30%[28-29]。
对云南省筇竹寺组22个样品进行X射线衍射测试，石英含量为24.9%~92.8%，平均为72.0%；黏土矿物含量为7.2%~44.4%，平均为17.9%。与四川盆地筇竹寺组页岩[30]及北美Barnett页岩矿物组分相比，云南省筇竹寺组页岩脆性矿物含量更高，黏土矿物含量更低（图 7）。
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图 7 云南、四川及北美页岩矿物组成对比 |
对云南省筇竹寺组页岩黏土矿物成分进行分析，伊利石含量高，伊/蒙混层含量极低，伊利石化作用明显。岩石中伊利石化是成岩作用过程中蒙皂石向伊利石不断转变的过程，对海相地层而言，沉积成岩早期，蒙脱石含量高，随地层埋藏加深，温度、压力升高，蒙脱石向伊利石转变；生烃阶段不规则伊/蒙混层向规则伊/蒙混层转化的界限大致对应于生油阶段早期（Ro约0.72%左右）[31]；成岩作用晚期或极低级变质作用阶段，伊利石含量极高或主要为伊利石，此时成岩演化温度约为200℃或大于200℃，对应Ro大于2.6%[32]。
云南地区黏土矿物成分分析结果说明筇竹寺组处于成岩作用晚期，可能经历了极低级变质作用，这与高含量伊利石及较高的Ro结果一致，同时也说明富有机质页岩达到较高的生气阶段。
4.2 孔隙特征Loucks根据页岩孔隙发育类型差异性将北美海相页岩孔隙分为粒内孔、粒间孔及有机质孔三类[33]。利用扫描电镜对云南省筇竹寺组富有机质页岩薄片分析表明，页岩中孔隙以岩石基质孔隙发育为主，主要包括粒内孔、粒间孔及有机质孔3类，有机质孔非常发育，形成类似蚁巢型连通体系，常与黄铁矿、黏土矿物等以充填或包裹形式出现。
9个页岩样品的压汞、氮气吸附实验结果表明，页岩孔隙度介于0.89%~11.33%，平均为3.81%（表 2）。根据孔隙直径大小将页岩孔隙分为超大孔（孔径大于10000nm）、大孔（孔径1000~10000nm）、中孔（孔径100~1000nm）、过渡孔（孔径10~100nm）、微孔（孔径小于10nm），9个样品中孔以上比例普遍超过30%，最高可达67%，远大于沥青分子直径（10nm），有利于烃源岩有效排烃及页岩气的解吸、扩散和渗流。
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表 2 筇竹寺组富有机质页岩孔隙分布表 |
9个页岩样品压汞曲线具有一定差异（图 8），基本可以分为两种类型，6号样品、7号样品属于一种类型，其压汞曲线孔隙滞后环较宽，进退汞体积差较大，表明在压汞所测试的孔径范围内开放孔较多，孔隙连通性较好；这种结构较有利于页岩气的解吸、扩散；其余7个样品压汞曲线孔隙滞后环较窄，进退汞体积差较小，表明在压汞所测试的孔径范围内开放孔较少，孔隙连通性一般，这种孔隙结构较不利于页岩气的解吸、扩散。
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图 8 筇竹寺组页岩样品压汞曲线 |
页岩含气性是页岩气资源评价和有利区优选的关键参数，本文选取2个页岩样品进行等温吸附实验，基于实验结果分析云南省筇竹寺组富有机质页岩含气性。实验表明：30℃条件下，筇竹寺组页岩样品最大吸附量为3.70~3.81cm3/g，平均为3.755cm3/g，最大吸附量对应压力分别为6.09MPa、5.44MPa。筇竹寺组经历了深埋藏、高演化作用，地质阶段达到了最大吸附气量所需温压条件，在曲靖地区钻探浅井实测含气量为0.0057~0.997m3/t，分析认为是后期构造作用使得页岩埋深变浅，断层沟通地表造成气体散失。
6 结论野外调查和实验分析认为，云南省下寒武统筇竹寺组富有机质页岩具备“四高一厚一富”特征：有机质类型主要为腐泥组，TOC较高，生烃物质基础良好；热演化程度较高，有机质普遍生气；脆性矿物含量高，有利于压裂改造；含气量较高，资源储量较大；优质页岩厚度普遍大于30m，且上覆泥页岩厚度大，保存条件较好；页岩中发育丰富的孔隙，特别是有机质孔极为发育，为气体储存提供了大量空间。各项指标均显示，云南省筇竹寺组具备页岩气成藏条件，页岩气开发潜力大，可优选埋深适中、保存条件较好的地区进一步评价。
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