湖南保靖地區龍馬溪組頁巖氣成藏條件分析

李 斌

(神華地質勘查有限責任公司，北京 100022)

?

湖南保靖地區龍馬溪組頁巖氣成藏條件分析

李 斌

(神華地質勘查有限責任公司，北京 100022)

湖南保靖地區是頁巖氣勘探新區塊。通過多口頁巖氣鉆井的勘探實踐，應用巖心描述、有機地球化學測試和掃描電鏡觀察等方法，系統總結了研究區下志留統龍馬溪組頁巖氣成藏地質條件，并揭示其富集成藏的主控因素，為下一步勘探部署提供理論依據。湖南保靖地區下志留統龍馬溪組黑色頁巖分布廣、厚度較大、有機質豐度高、熱演化程度高、巖石中硅質含量高、儲層裂縫發育程度高、孔滲條件較好、埋深適中，儲集空間和運移通道充足，氣測值較高，具有形成頁巖氣藏的有利地質條件。預測保靖縣東南部甘溪—大坨地區為頁巖氣勘探有利區。

頁巖氣；成藏條件；有利區預測；龍馬溪組；湖南保靖地區

0 引 言

頁巖氣主要以吸附狀態存在于干酪根和黏土顆粒表面，或以游離方式存在于頁巖層的天然裂縫和孔隙中。頁巖既是烴源巖，也是儲層[1]，因此，頁巖氣具有分布面積廣、資源量巨大、開采周期長等特點。隨著北美頁巖氣產量的大幅增加，頁巖氣引起世界各國的高度重視，成為油氣勘探開發的新熱點[2]。近年來，中國頁巖氣勘探開發獲得了重大進展，特別是在四川盆地及其周緣渝東南地區龍馬溪組中獲得了儲量可觀的穩定工業氣流。研究認為，中國南方龍馬溪組海相碎屑巖具有沉積厚度大、生烴能力強、熱演化程度高、保存條件好等特點，是未來頁巖氣勘探的重點層位之一，需進一步向四川盆地外圍復雜構造地區拓展。湘鄂西地區與鄰區渝東南地區具有相似的地質條件，為國土資源部第二輪頁巖氣招標區塊，多個企業在該區開展頁巖氣地質勘探工作。神華集團于2013年在湖南保靖地區開展頁巖氣勘探工作，先后實施了多口鉆探井。經綜合論證后認為，龍馬溪組具有頁巖氣生成、保存的良好地質條件，具備深入勘探的必要。多口井的含氣性測試對比發現，研究區頁巖氣儲層的含氣空間分布極不穩定，亟需進行頁巖氣成藏地質條件綜合分析，揭示頁巖氣富集規律，為下一步勘探部署提供理論依據。

1 區域地質概況

湖南保靖頁巖氣區塊主體位于湖南省保靖縣內，勘探面積為1 189.72 km2，大地構造上位于中揚子準地臺西緣湘鄂西隔槽式沖斷褶皺帶，沉積特征受控于中揚子地區構造演化。中揚子地區在晉寧運動后形成穩定地臺[3]，之后陸續接受沉積。從震旦紀到早奧陶世，為大型克拉通盆地，處于拉張型被動大陸邊緣環境，沉積了巨厚的碳酸鹽巖地層；到志留紀早期，在全球加里東構造運動的控制下，中揚子東南緣與華夏板塊聚合、褶皺造山，在湘西地區形成了前陸盆地，沉積了巨厚層海相復理石[4]。特別是在龍馬溪期沉積了滯留盆地黑色泥頁巖，有機質成分含量較高，為一套重要的烴源巖層系，也是研究區甚至整個揚子地區頁巖氣勘探的主要層段；海西—印支運動早期，受古特提斯裂谷作用的控制，中揚子地區間隙性拉張斷陷、坳陷，形成沉積盆地，湘西地區沉積了泥盆系碎屑巖及二疊系—下三疊統碳酸鹽巖地層序列；到印支運動晚期，揚子板塊與華北板塊碰撞拼合，中揚子地區結束了海相沉積歷史，湘西大部分地區抬升剝蝕[5]。燕山運動之后，基本奠定了揚子板塊的主體構造格架，湘西地區全部抬升隆起，形成了現今的山地地形。

2 頁巖氣成藏條件分析

2.1 巖相特征

據研究區多口探井分析可知，湖南保靖地區下志留統龍馬溪組厚度為19～40 m，總體發育黑色泥巖，筆石化石、黃鐵礦，全區穩定分布。從下至上可區分出4種巖相：黑色硅質泥巖相、黑色炭質泥巖相、黑色炭質粉砂巖相、黑色泥巖相(圖1)。具體描述如下：

①黑色硅質泥(頁)巖相主要發育于龍馬溪組底部，厚度為1～3 m，以中—薄層狀為主，巖石致密完整，斷面處呈棱角狀；該巖相脆性礦物含量為66.5%～74.1%，有機碳含量為1.35%～2.21%；巖石中含硅藻、筆石和放射蟲等，黃鐵礦以粉末條帶狀順層分布或以結核狀、晶簇集合體順層產出，其反映較深的海相滯留盆地沉積環境。②黑色炭質泥巖相主要發育于龍馬溪組下部，厚度為7～10 m，以中—厚層狀或塊狀為主，發育均勻層理，質地較軟，含有大量炭化有機質，風化后巖石破碎；該巖相脆性礦物含量為50.7%～64.4%，有機碳含量為1.76%～2.01%，巖石中見多組高角度裂隙和順層裂隙，部分被方解石充填；筆石化石極其豐富，種類繁多。③黑色炭質粉砂巖相主要發育于龍馬溪組中部，厚度為4～6 m，以中—厚層狀為主，水平紋層及水平層理發育，巖石堅硬，難以風化，含有大量有機質；該巖相中脆性礦物含量為52.7%～68.4%，有機碳含量為1.36%～2.41%；筆石化石豐富，順層面分布，裂隙不發育；黃鐵礦大量發育，多以粉末條帶狀順層產出。④黑色泥巖相主要發育于龍馬溪組上部，厚度為3～4 m。以薄—中層狀為主，發育水平層理、塊狀層理。該巖相脆性礦物含量為42.2%～60.2%，有機碳含量為0.46%～2.38%。巖石較堅硬，裂隙不發育，筆石化石、黃鐵礦較下部地層減少。

圖1 湖南保靖地區龍馬溪組綜合柱狀圖

2.2 有機質豐度

泥頁巖中有機碳含量(TOC)是衡量巖石有機質豐度的重要指標，一般有機炭含量越高，其生烴能力越強，其吸附甲烷氣的能力也越強[6]。研究區龍馬溪組總有機碳含量為0.8%～2.5%，自上而下有機碳含量增加，其最高值在中下部，有機碳含量大于1.5%，與美國已商業開發的五大盆地含氣頁巖系統有機碳含量接近[8]。

2.3 有機質成熟度

一般公認泥頁巖的鏡質體反射率(Ro)最適宜的范圍為1.0%～2.5%，當鏡質體反射率大于2.5%，烴類將開始遭到破壞，失去商業開采價值[7]。探井顯示，湖南保靖地區龍馬溪組頁巖埋深在1 500 m以內，Ro為2.0%～2.5%，與美國絕大部分 Barnett 頁巖層的成熟度范圍一致[8]，具有適宜的頁巖氣成熟度條件。

2.4 頁巖礦物組成

研究區龍馬溪組脆性礦物含量為40%～83%，黏土礦物含量為15%～60%，自上而下黏土礦物含量減少，脆性礦物含量增加。脆性礦物中70%以上為石英，其次為長石、方解石和黃鐵礦，含量略高于美國幾大主要頁巖氣盆地(28%～50%)。黏土礦物中以伊利石為主，含量為61%～76%，其次為伊蒙混層，含量為15%～30%，自上而下含量增加；綠泥石含量為2%～15%，自上而下含量減少；高嶺石含量較少，一般小于5%。由此可見，研究區龍馬溪組已經歷了晚期成巖作用階段，隨深度增加成巖作用加深，其次生孔隙含量增加。

2.5 頁巖物性特征

由地化實驗測試可知，龍馬溪組頁巖孔隙度為1.0%～2.5%，與美國頁巖氣儲層接近(1.0%～5.0%)。滲透率為0.001×10-3～0.060×10-3μm2，滿足斯倫貝謝公司確定的下限值(0.100×10-3μm2)[8-10]。

2.6 頁巖儲集空間特征

研究區龍馬溪組中共識別出基質孔、有機質孔、溶蝕孔、微裂縫4種儲集空間類型。基質孔指沉積物經過壓實作用依然保存的原生孔隙，其主要存在于片狀黏土礦物、集合體及巖屑顆粒之間。基質孔可進一步區分出碎屑顆粒間骨架孔和基質晶間孔。碎屑顆粒粒間孔總孔隙度比例較小，且大部分被有機質、黏土礦物或膠結物充填。基質晶間孔主要為黏土礦物層間孔(圖2a)或礦物晶體間孔隙(以黃鐵礦為主)(圖2b)2類。研究區龍馬溪組黑色泥頁巖中黃鐵礦極其發育，多呈草莓狀集合體出現，晶粒間存在大量孔隙，直徑為50～200 nm，儲集能力較強，其連通性較好，是重要的頁巖氣儲集空間。有機質孔指有機質內部原生孔隙或有機質生烴后內部殘余的次生孔隙或溶蝕孔隙。有機質在成巖礦物間主要呈浸染狀分布，局部呈條帶狀，形成的原生孔隙一般較大，直徑為0.1～1.0 μm(圖2c)。由于酸性物質的溶蝕，常在有機質內部形成篩狀孔隙(圖2d)，直徑為30～100 nm。龍馬溪組黑色炭質泥巖中發育大量有機質溶蝕孔隙，但其連通性較差。溶蝕孔指泥頁巖中碎屑顆粒內部、礦物晶體表面及其邊緣由于溶蝕作用形成的次生孔隙(圖2e)[10]。溶蝕孔隙可以進一步分為：碎屑顆粒溶蝕孔、礦物晶面溶蝕孔、礦物邊緣溶蝕孔。掃描電鏡下觀察到碎屑顆粒內、礦物晶面溶蝕孔隙呈不規則似橢圓狀，大小為0.2～0.8 μm；而礦物邊緣溶蝕孔多呈縫隙狀，寬為0.05～0.80 μm，長為10.0～20.0 μm。礦物晶體邊緣溶蝕孔連通性較好，其他溶蝕孔隙連通性較差。研究區溶蝕孔隙發育較多，是重要的儲集空間。微裂縫按其成因可分為成巖縫和構造縫。成巖縫是在成巖過程中形成的巖屑顆粒、礦物晶體、黏土礦物、有機質等內部或邊緣形成的微裂縫(圖2f)[11]。該種裂縫連通性較好，儲集空間較大，但發育較少。構造縫是因構造作用形成的裂縫，一般為定向排列，且規模較大。構造性裂縫是頁巖儲層中最重要的一類儲集空間，也是頁巖氣運移的滲流通道。據巖心資料觀察，龍馬溪組黑色炭質泥頁巖中普遍發育3組高角度裂縫和1組平行層面的裂縫。

通過孔縫特征對比分析可知：有機質孔最小，分布不均勻，與有機碳含量有關；基質孔主要為黃鐵礦晶間孔，呈階段性發育，其與沉積環境關系密切，粒間孔發育較少；溶蝕孔全層位均有分布，與埋深有關；孔徑最大的為微裂縫，連通性較好，儲集空間巨大，分布不均勻，集中在龍馬溪組下部層位，氣測值最高。研究區的儲集空間主要為微裂縫、溶蝕孔隙、黃鐵礦晶間孔和有機質孔隙。構造型裂縫的開啟增強了溶蝕孔隙、有機質孔隙、黃鐵礦孔隙的連通性，增加了孔隙的儲集空間。

2.7 頁巖吸附特征與含氣性分析

研究區下志留統黑色頁巖樣品等溫吸附測試顯示，溫度為30 ℃，壓力為10 MPa時，吸附氣量為1.76～2.37 g/cm3，平均為2.60 g/cm3。頁巖吸附量與壓力、TOC呈線型關系，與美國Barnett頁巖的吸附能力基本一致[8]。地球化學含氣量解釋：龍馬溪組下部地層總含氣量為2.0～6.5 g/cm3，其中，氣測值的最大處集中在孔滲高值處，為11.0 g/cm3，上部地層總含氣量為0.5～2.0 g/cm3。解釋氣體中甲烷含量大于83%，現場可點燃。經多口井對比研究，在縱向上，氣測值與孔滲呈線性關系，氣測值最高的黑色炭質泥巖有機質豐度、儲層裂縫發育程度明顯高于其他巖層。

圖2 儲集空間類型

3 有利區預測

勘探有利區一般應具備厚度大、埋藏適中、有機質含量高、成熟度高、生氣能力強、層位穩定、構造活動較弱，保存條件好等特點。經綜合對比分析，認為位于保靖縣東南部甘溪—大坨地區為頁巖氣有利區(圖3)。

圖3 保靖地區頁巖氣勘探有利區預測

3.1 沉積構造特征

湖南保靖地區龍馬溪組沉積于前陸盆地初始形成期，水體較深，此時沉積體系主要為滯留盆地—海底濁積扇，物源來源于東南部水下雪峰隆起。物源供給緩慢，沉積時間較久，且分布較穩定，延伸較遠，但沉積厚度從東南向西北有減薄的趨勢[12-13]。研究區龍馬溪組保存在一個北北東走向的向斜內。甘溪—大坨地區位于向斜東南部，埋深約為800～1 000 m。該區鄰近保靖—慈利斷裂帶發育區，夾于2條間隔3 km的逆沖斷層間，地形上為一個明顯的地塹，地層傾角平緩，分布穩定。保靖—慈利斷裂帶主要為燕山運動時華夏板塊向揚子板塊碰撞、逆沖推覆所致，東南部構造強烈，向西北構造減弱。受雙向逆沖斷層的影響，一個地塹的儲層中往往形成網狀裂隙，增加了儲集空間。且燕山期時龍馬溪組烴源巖達到成熟—高成熟，為主要排烴生氣階段，時間上具備烴源巖排烴及頁巖氣富集的良好組合條件。

3.2 頁巖氣地球化學指標及保存條件

經多口井地球化學分析對比，甘溪—大坨地區龍馬溪組地層厚度為30～40 m，有機質豐度為1.5%～2.5%，烴源巖熱演化程度為2.0%～2.5%，儲層硅質礦物含量為70%～80%，孔隙度為2.0%～2.5%，滲透率為0.01×10-3～0.05×10-3μm2，氣測值為2.5～6.5 g/cm3。具備形成頁巖氣藏的良好條件。經喜山運動后，逆沖斷層閉合，具有良好的泥巖涂抹封堵作用。且該區龍馬溪組下伏寶塔組瘤狀灰巖與上覆新灘組、小河壩組泥巖均厚度巨大、巖石致密、分布穩定，無重大斷層切割，可作為頁巖氣儲層良好的頂底板。

4 結 論

(1) 湖南保靖地區下志留統龍馬溪組具有分布穩定、埋深適中、有機碳含量較高、成熟度較高、儲氣能力較強、脆性礦物含量高、孔滲條件較好、氣測值較高等特點，具備形成頁巖氣藏的物質條件，可以進一步加大勘探力度。

(2) 湖南保靖地區頁巖氣最重要的儲集空間為微裂縫、溶蝕孔隙、黃鐵礦晶間孔隙和有機質孔隙，構造型裂隙增加了其他孔隙的連通性。

(3) 頁巖氣氣測值與有機質豐度、巖石中硅質含量、孔滲大小、埋深、儲層裂縫發育程度相關。預測保靖縣東南部甘溪—大坨地區為頁巖氣勘探有利區。

[1] 鄒才能，陶士振，白斌，等.論非常規油氣與常規油氣的區別和聯系[J].中國石油勘探，2015，20(1)：1-16.

[2] 李新景，胡素云，程克明.北美裂縫性頁巖氣勘探開發啟示[J].石油勘探與開發，2007，34(4)：392-400.

[3] 劉新民，付宜興，郭戰峰，等.中揚子地區南華紀以來盆地演化與油氣響應特征[J].石油實驗地質，2011，85(4)：526-531.

[4] 牟傳龍，周懇懇，梁薇，等.中上揚子地區早古生代烴源巖沉積環境與油氣勘探[J].地質學報，2011，85(4)：526-532.

[5] 金寵， 李三忠， 王岳軍，等.雪峰山陸內復合構造系統印支—燕山期構造穿時遞進特征[J].石油與天然氣地質， 2009，30(5)：598-607.

[6] 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.

[7] 朱彤，曹艷，張快.美國典型頁巖氣藏類型及勘探開發啟示[J].石油實驗地質，2014，36(6)：718-724.

[8] 曾祥亮，劉樹根，黃文明，等.四川盆地志留系龍馬溪組頁巖與美國FortWorth盆地石炭系Barnett組頁巖地質特征對比[J].地質通報，2011，30(2/3)：372-384.

[9] 徐政語，姚根順，梁興，等.揚子陸塊下古生界頁巖氣保存條件分析[J].石油實驗地質，2015，37(4)：407-417.

[10] 陳尚斌，朱炎銘，等.四川盆地南緣下志留統龍馬溪組頁巖氣儲層礦物成分特征及意義[J].石油學報，2011，32(5)：775-782.

[11] 劉樹根，馬文辛，等.四川盆地東部地區下志留統龍馬溪組頁巖儲層特征[J].巖石學報，2011，27(8) ：2239-2252.

[12] 徐二社，李志明，楊振恒.彭水地區五峰—龍馬溪組頁巖熱演化史及生烴史研究——以PY1井為例[J].石油實驗地質，2015，37(4)：494-499.

[13] 李斌，胡博文，石小虎，等.湘西地區志留紀沉積體系及典型前陸盆地的形成模式研究[J].地學前緣，2015，22(6)：167-176.

編輯 張 雁

10.3969/j.issn.1006-6535.2016.05.003

20160307；改回日期：20160715

國家自然科學基金“云質巖致密油儲層微米-納米孔喉網絡體系極其流體耦合流動機理與流動下限”(41372145)

李斌(1970-)，男，高級工程師，1994年畢業于中國地質大學(北京)地質學專業，2009年畢業于該校古生物學與地層學專業，獲博士學位，主要從事頁巖氣地質勘探開發方面研究工作。

羅群(1963-)，男，副教授，1986年畢業于中國地質大學(武漢)煤田地質專業，2001年畢業于中國石油勘探開發研究院石油構造地質專業，獲博士學位，主要從事非常規油氣藏及資源評價方面的教學與研究工作。

TE121.1

A

1006-6535(2016)05-0012-05