湘西北地區下志留系龍馬溪組頁巖氣勘探開發潛力研究

魯昊

【摘 要】為了查明西北下志留系龍馬溪組頁巖氣開發潛力，基于龍馬溪組鉆井巖心的測試分析數據，采用數理統計及對比分析方法，分析了湘西北龍馬溪組沉積特征、生烴潛力以及儲層物性特征等方面。結果表明：湘西北龍馬溪組沉積環境由淺水陸棚相逐漸過渡到深水陸棚相沉積，其底部巖性主要為黑色碳質泥巖，且含有大量筆石，厚度為4.8-17m；龍馬溪組頁巖干酪根類型以I型為主，Ro平均值大于2%，達到高熱演化程度；龍馬溪組儲層主要發育無機孔隙與微裂縫，有機質孔隙較少?？紫抖燃皾B透率較差，但脆性礦物含量較高（≥50%），同時由于各種類型的微孔、微裂隙相對發育，決定了湘西北龍馬溪組底部具有一定生烴潛力、較高的頁巖氣富集空間以及有利的人工壓裂改造因素，具有一定的開發潛力。

【關鍵詞】湘西北；龍馬溪組；頁巖氣；開發潛力

引言

受國際石油資源緊缺、環境及能源安全的影響，頁巖氣、煤層氣等非常規能源成為國內外能研究的熱點[1]。我國四川盆地及其周緣地區具有良好的頁巖氣形成地質條件和資源潛力，四川盆地龍馬溪組頁巖氣勘探已獲得重大突破[2]，國內學者主要從頁巖氣形成的地質條件[3-5]、成藏機理與富集規律[6-9]、頁巖氣資源評價方法[10-11]和戰略意義[12]等方面進行了研究。但與之相鄰且同屬于上揚子板塊的湘西北地區研究程度還很低[13]。本文從以湘西北地區頁巖氣區塊地質背景、生烴條件、儲集層特征等幾個方面研究，分析了湘西北頁巖氣勘探開發潛力。

1.區域地質概況

湘西北地區與四川盆地同屬上揚子板塊，從震旦紀到泥盆紀該板塊主要表現為克拉通海相盆地，沉積了系列海相層系。三疊紀開始由于區域構造演化，盆地發生構造反轉，發育了系列逆沖推覆構造和類前陸盆地，后再經侏羅紀和喜馬拉雅運動期兩期改造，形成現今以北北東或北東走向為主的褶皺和斷裂體系，地形上多表現為高山峻嶺[13]。

揚子地臺從震旦紀開始發生大規模海浸，廣泛接受沉積，總體上為干旱的缺氧環境，水體含鹽度中等，沉積環境為淺海陸棚相，形成陡山坨組、燈影組。早寒武世早期整個揚子地臺總體處于短暫的快速海進和緩慢海退沉積背景下，為深水陸棚環境，沉積了一套黑色泥頁巖；后期沉積環境逐漸變淺，由早期深水陸棚逐漸向淺水陸棚及潮坪演化。在晚奧陶世-早志留世，海水由南向北入侵，開始多呈海灣狀，海水深而不暢，沉積滯流相黑色頁巖和硅質巖，即上奧陶統五峰組-下志留統龍馬溪組海相黑色頁巖，筆石大量聚集；隨著海盆擴大，處于潮下-淺海陸棚環境，沉積了頁巖、粉砂巖、泥灰巖等組合建造（圖1）。受到加里東期雪峰山構造抬升影響，湘鄂西至北西川東方向水體逐漸加深：由淺水陸棚相逐漸過渡到深水陸棚相沉積。

2.生烴潛力

2.1龍馬溪組巖性特征

龍馬溪組自下至上初步可以劃分出三個層段，巖性變化規律為黑色碳質泥巖、黑色碳質粉砂巖、黑色硅質泥巖-脈狀層理粉砂巖-黑色泥巖、黑色碳質泥巖、脈狀層理粉砂巖互層，顯示出水體由深到淺再到深形成的退積-進積-退積序列，海平面總體上逐漸下降，同時伴隨振蕩性變化，其主要因素受控于幕式區域性構造運動。

龍馬溪組底部主要巖性為黑色碳質泥巖發育，厚度區間為4.8～17m，富含黃鐵礦粉末條帶及筆石化石，間夾多層厚度1～8cm斑脫巖層，為典型的深水滯留缺氧盆地沉積物，相當于前人所述的深水陸棚相。

龍馬溪組中部主要發育黑色粉砂質泥巖、黑色碳質粉砂巖、灰色粉砂巖，厚度為8～58m。最下部粉砂質泥巖中發育塊狀層理，黑色碳質粉砂巖中發育水平紋層，粉砂巖中發育脈狀層理，三者組合為濁積巖段，為反粒序沉積，是多次濁積扇形成的進積型沉積序列。黑色粉砂質泥巖、黑色碳質粉砂巖發育筆石化石，但較底部筆石數量明顯減少，且筆石個體加大，形態復雜，多為珊筆石或鋸筆石。脈狀層理粉砂巖中筆石不發育，為水動力較強環境下形成的砂泥互層沉積，早期相對平靜環境已被打破，形成了相對高能水體，筆石生物生存環境受到一定程度限制，且沉積物粒度逐漸加粗，其電性特征明顯區別于下伏地層，區域上廣泛沉積了脈狀層理粉砂巖，為濁積扇遠端相沉積。

龍馬溪組頂部，主要發育黑色碳質泥巖、黑色硅質泥巖、灰色泥質粉砂巖、灰黑色泥巖。該段厚度變化較大，為20～90 m，形成典型的韻律層理，組成小型鮑馬序列倒置現象，向上泥質粉砂巖含量增加，韻律頻率降低。在灰色粉砂巖中可見波狀層理、脈狀層理、槽狀層理及楔狀層理，筆石化石不發育，黑色泥巖中發育水平紋層、塊狀層理，筆石化石發育，電性資料可見整體低值區中出現多個指狀高峰，為濁積扇遠端相沉積。

由龍馬溪組三個層段的巖性分析可知，龍馬溪組底部的巖性主要為黑色碳質泥巖，厚度適中且含有大量的筆石，是良好的烴源巖，其含氣性及生烴能力都強于其他層段。

2.2 龍馬溪組有機碳含量

目前普遍認為要獲得具有工業價值的頁巖氣藏，有機碳的平均含量應大于2%，隨著開采技術的進步該下限值可能會降低。阿巴拉契亞Ohio頁巖、密執安Antrim頁巖及伊利諾斯New Albany頁巖TOC最高，均高于10%。分析認為，研究區頁巖含氣量與TOC呈顯著的正相關系，體現出TOC為研究區含氣量的主控因素。研究區鉆井巖心測試的平均有機碳含量分別為2.69%、2.65%、2.33%、2.48%，均屬于高有機碳含量（>2%，圖2），低于彭水、焦石壩區塊，高于圣胡安Lewis頁巖。較高的有機碳含量成為龍馬溪組具有較強生烴潛力的物質基礎。

2.3 龍馬溪組有機質類型及成熟度

研究區龍馬溪組頁巖干酪根類型以I型為主，個別II型，III型很少見。由低等水生生物經腐泥化作用形成，成熟度較高；基本骨架以脂肪環為主，直鏈脂肪結構。富氫貧氧，H/C 高，一般大于1.45%；O/C 值小于0.05%，生氣潛力大；δ13C 同位素含量一般小于-2.8%。

龍馬溪組頁巖所采集樣品中，有機顯微組分以腐泥組為主，少量殼質組及樹脂體，較難找到鏡質體，所測反射率主要以瀝青反射率和比石反射率為主，折算為鏡質體反射率（等效Ro）。龍馬溪組頁巖鏡質體反射率Ro平均值大于2%（圖3），與彭水、焦石壩區塊相當，高于北美五大頁巖盆地頁巖，達到高熱演化程度。較高的成熟度成為龍馬溪組生烴潛力的不利因素。

3.龍馬溪組儲層物性特征

3.1儲層孔裂隙特征

本區龍馬溪組底部優質含氣頁巖的孔隙孔徑以納米級為主，按其成因類型劃分為基質無機孔、有機孔、微裂縫3大類。這是因為頁巖氣儲層中天然存在的裂隙和微、納米級孔隙，使得頁巖氣體不僅以游離態形式儲存和富集于裂隙等大孔隙中，還以吸附態儲存和富集于微孔隙表面上；而大孔隙有利于氣體的滲流，微孔則有利于氣體的聚集。掃描電鏡觀察發現，頁巖儲層的儲滲空間可分為巖石基質孔隙和裂縫。研究內龍馬溪儲層段主要發育的基質孔隙按薛冰、張金川等人提出的劃分方案可劃分為粒間孔、粒內孔、晶間孔、化石孔和有機質孔。

研究區樣品主要發育無機孔隙與微裂縫（圖4），有機質孔隙太少。多數樣品中有機質零散分布，還發現黃鐵礦集合體內部有機質微孔不發育，伴生微量纖維狀粘土礦物。硅質顆粒等脆性礦物的存在對改善儲層的滲透性具有積極的影響，雖然個別樣品的孔隙呈閉合狀態，但由于各種類型的微孔相對發育，尤其是微裂縫較多，樣品的儲滲空間整體較好。頁巖氣主要以游離氣及吸附氣為主，吸附氣主要吸附在孔隙的表面上，微孔隙越發育，孔隙的比表面積越大，越利于氣體的吸附；游離氣主要分布于儲層的微裂隙中，微裂隙越發育，頁巖氣的富集空間越大。因此，良好的孔裂隙系統成為湘西北頁巖氣富集的主要因素。

3.2儲層孔隙度和滲透率特征

孔隙度及滲透率是頁巖氣富集及運移的主要參數，孔隙度主要決定了頁巖氣的儲集空間大小，而滲透率決定了頁巖氣后期開采運移的暢通程度，滲透率越大，頁巖氣運移越容易，后期排采產能越高，因此，孔隙度，決定了頁巖氣富集的基礎，而滲透率決定了后期頁巖氣排采的難易程度。根據研究區龍馬溪組已鉆井巖心分析，研究區優質含氣頁巖儲層具有特低孔超低滲的物性特征。分別測得四口鉆井巖心的孔隙度、滲透率，其中1104～1117m井段的孔隙度為1.74%，滲透率為20nd；906m～921m井段的樣品2.38～2.76%，平均2.54%，滲透率2.2～3.3nd，平均滲透率為2.6nd；981～989m井段的孔隙度為0.5～2.17%，平均孔隙度為1.49%，滲透率為10～60nd，平均滲透率為30nd；2750～2766m井段的孔隙度為0.22～1.35%，平均孔隙度為僅為0.87%。較低的孔隙度以及滲透率一定程度影響了頁巖氣的后期開發。因此，為了得到較高的頁巖氣產能，需要對頁巖氣儲層進行一定的壓裂改造。

為了分析研究區龍馬溪組孔隙度與埋深的關系，將測的孔隙度與深度的數據繪制成散點圖（圖5），通過對比發現，研究區龍馬溪組底部優質含氣頁巖的孔隙度與深度呈正相關關系，即埋深大的地區成巖演化作用強，孔隙度低，當埋深小于1000m時，孔隙度普遍大于1.5%，因此埋深小于1000m時成為湘西北龍馬溪組頁巖氣賦存的有利深度。

3.3 儲層礦物類型

礦物類型對儲層的可壓裂性具有決定性作用，脆性礦物越高，越利于儲層形成網絡型裂縫，壓裂時可使半封閉、封閉孔變成開放孔，利于后期的壓裂、排采階段。對研究區龍馬溪組四口鉆井巖心進行了礦物類型測試，其中脆性礦物平均含量分別為55.0%、66.9%、67.2%，、65.4%（見表1），總體脆性礦物含量高，均高于行業壓裂標準（≥30%）。脆性礦物是頁巖氣儲層可壓裂的基礎條件，脆性礦物越高，越利于儲層的人工壓裂，可形成網狀的人工裂縫，且不易閉合，為后期頁巖氣的排采提供了運移通道，因此，當研究區孔隙度及滲透率較差的時候，高含量的脆性礦物成為頁巖氣可開采的有力補充。

測試樣品的粘土礦物中，均含有伊/蒙（I/S）混層、伊利石（I）和綠泥石（C），其中伊利石的含量最高。伊利石和綠泥石在埋藏成巖過程中，若孔隙水保持堿性，二者可保持穩定而不發生變化。若孔隙水為酸性，則二者均不穩定，并且可以轉化為高嶺石。這種逆向轉化是一種退變作用，常出現于表生成巖環境。成巖早期，酸性介質，溫度低于80～100℃的環境中，幾乎不出現綠泥石，因綠泥石是溶解的。但在泥質沉積物中時代愈老，或埋藏愈深綠泥石的含量增加。樣品中伊利石和綠泥石的含量較高，不含高嶺石。由于高嶺石具有很強的遇水膨脹膠結的特性，會降低井的壓裂效果。因此，其他條件相同的情況下，研究區生產井的壓裂效果可能優于其西部的彭水、焦石壩區塊。

4. 結論

通過對湘西北地區龍馬溪組頁巖氣地質背景、生烴條件、儲層物性等方面研究分析，主要取得以下結論：

（1）湘西北龍馬溪組沉積環境由淺水陸棚相逐漸過渡到深水陸棚相沉積。龍馬溪組底部的巖性主要為黑色碳質泥巖，且含有大量筆石，厚度為4.8～17m，是頁巖氣富集的主要層位，其含氣性及生烴能力都強于其他層段。

（2）研究區龍馬溪組頁巖干酪根類型以I型為主，Ro平均值大于2%，達到高熱演化程度，較高的成熟度成為龍馬溪組生烴潛力的不利因素。

（3）研究區龍馬溪組主要發育無機孔隙與微裂縫，有機質孔隙較少?？紫抖燃皾B透率較差，但硅質顆粒等脆性礦物（≥50%）的存在對改善儲層的滲透性具有積極的影響，同時由于各種類型的微孔、微裂隙相對發育，成為湘西北龍馬溪組頁巖氣富集及儲層人工壓裂的有利因素。

綜合分析認為，湘西北地區龍馬溪組底部頁巖氣具有一定的勘探開發潛力。

參考文獻：

[1]王紅巖，李景明，趙 群，等.中國新能源資源基礎及發展前景展望[J].石油學報，2009，30（3）：469-474.

[2]黃金亮，鄒才能，李建忠，等.川南志留系龍馬溪組頁巖氣形成條件與有利區分析[J].煤炭學報，2012， 37（ 5） ： 782 - 787.

[3]李新景，呂宗剛，董大忠，等.北美頁巖氣資源形成的地質條件[J].天然氣工業，2009，29（5）：27-32.

[4]李登華，李建忠，王社教，等.頁巖氣藏形成條件分析[J].天然氣工業，2009，29（5）：22-26.

[5]王 祥，劉玉華，張 敏，等.頁巖氣形成條件及成藏影響因素研究[J].天然氣地球科學，2010，21（2）：350-356.

[6]張金川，金之鈞，袁明生.頁巖氣成藏機理和分布[J].天然氣工業，2004，24（7）：15-18.

[7]聶海寬，唐 玄，邊瑞康.頁巖氣成藏控制因素及中國南方頁巖氣發育有利區預測[J].石油學報，2009，30（4）：484-491.

[8]陳更生，董大忠，王世謙，等.頁巖氣藏形成機理與富集規律初探[J].天然氣工業，2009，29（5）：17-21.

[9]張金川，姜生玲，唐 玄，等.我國頁巖氣富集類型及資源特點[J].天然氣工業，2009，29（12）：109-114.

[10]董大忠，程克明，王世謙，等.頁巖氣資源評價方法及其在四川盆地的應用[J].天然氣工業，2009，29（5）：33-39.

[11] 朱 華，姜文利，邊瑞康，等.頁巖氣資源評價方法體系及其應用：以川西坳陷為例[J].天然氣工業，2009，29（12）：130-134.

[12] 張金川，汪宗余，聶海寬，等.頁巖氣及其勘探研究意義[J].現代地質，2008，22（4）：640-646.

[13] 林拓，張金川，李博，等。湘西北地區龍馬溪組頁巖氣聚集條件與含氣性分析[J]。新疆石油地質，2014，35（5）：507-510.