湘西北地區五峰-龍馬溪組頁巖氣地質特征
——以龍山紅巖溪剖面為例

師天琛陳孔全孟江輝

（1.非常規油氣湖北省協同創新中心，湖北 武漢 430100）（2.長江大學地球科學學院，湖北 武漢 430100）

湘西北地區五峰-龍馬溪組頁巖氣地質特征
——以龍山紅巖溪剖面為例

師天琛1,2陳孔全1,2孟江輝1,2

（1.非常規油氣湖北省協同創新中心，湖北 武漢 430100）（2.長江大學地球科學學院，湖北 武漢 430100）

本文的研究內容來自于對湘西北古生界頁巖和烴源巖的調查這一研究項目，重點選取了其中一個剖面，通過對該剖面的實地測量，并對所集的采樣品進行有機地化分析測試，綜合分析所得地化數據，以對該區域龍馬溪組頁巖氣的地質特征有進一步的認識。

湘西北；頁巖；有機地化；地質特征

1 剖面簡介

龍山紅巖溪剖面位于湖南省湘西土家族苗族自治州龍山縣紅巖溪鎮，在構造劃分上隸屬于中揚子臺地東南部的桑植-石門復向斜，桑植-官地坪向斜（圖1-1）。

圖1-1 龍山紅巖溪剖面位置與地區構造圖

1.1 剖面沉積演化史

晚奧陶世時期,揚子陸塊發生快速海侵,形成廣闊陸棚相沉積環境，奧陶紀末期的宜昌運動使局部地區沉積間斷，早志留世地殼再次下沉，廣泛海侵，該剖面所在處的上奧陶-下志留統龍馬溪組富有機質頁巖層系即是于此時形成。中志留世開始海退，均為巨厚砂、泥質碎屑巖沉積。晚志留世時期的加里東構造運動使該地區隆升，使志留系地層遭受嚴重剝蝕，且華南陸塊間海槽全部關閉，中揚子陸塊的沉積盆地發育階段就此結束。

1.2 剖面實測簡介

該剖面的起點為一處五峰組與臨湘組的分界處，到龍馬溪組與羅惹坪組的分界處為終點，導線共9根，總長度達692.4m。一共分為21層，其中第0層為臨湘組，第1、2層為五峰組，第3至20層均為龍馬溪組。臨湘組地層的沉積相為碳酸鹽巖緩坡相，深水緩坡亞相；五峰-龍馬溪組地層的沉積相為碎屑巖陸棚相，自下而上亞相從深水陸棚轉變為淺水陸棚。本次剖面的野外實測共取泥頁巖樣品32塊。

2 頁巖有機地化特征

泥頁巖的生烴能力與多種條件相關，包括有機質類型、有機質豐度、有機質熱演化程度、沉積相類型等。為了獲取所需要的數據，我們將該剖面所采樣品進行分析測試，其測試結果如圖所示（圖2-1）。

2.1 有機質類型

從干酪根顯微組分和有機質類型數據表（表2-1）和干酪根同位素數據表（表2-2）可以看出該剖面顯微組分中腐泥組的含量為89%～96%，腐泥組占絕對優勢，干酪根碳同位素在-28‰至-29‰之間，總體偏輕，表現為I型和IA型，原始生油母質為混合型，主要來自于水生生物和藻類，屬于較好的烴源巖。

表2-1 龍山紅巖溪泥頁巖干酪根顯微組分及有機質類型

表2-2 湘西北地區牛蹄塘組和五峰-龍馬溪組泥頁巖干酪根碳同位素數據表

2.2 有機質豐度

烴源巖中的有機質是形成油氣的物質基礎，有機質在巖石中的含量，是決定巖石生烴能力的主要因素。有機質在巖石中的相對含量稱為有機質的豐度，目前常用的豐度指標主要包括有機碳含量（TOC）、氯仿瀝青“A”、總烴含量（HC）和巖石熱解生烴潛量（S1＋S2）等。由于我國海相地層發育時代早、經歷的構造運動多、埋深較大，目前的殘留氯仿瀝青“A”含量普遍很低，介于0.003%～0.104%，不能準確反映該區海相頁巖的生烴能力，故主要采用有機碳含量對海相頁巖進行評價。

圖2-1 龍山紅巖溪剖面五峰-龍馬溪組巖礦—有機地化綜合柱狀圖

該剖面TOC數據點共有31個，范圍為0.155%～1.65%（圖2-2），大都在1%以下，均值為0.636%，以中國海相烴源巖常用的等級劃分標準來進行評價，顯示為差-中等烴源巖，然而從圖2-1上可以看出，TOC含量較高的地層主要位于五峰組以及龍馬溪組底部，其含量遠高于比龍馬溪組上部，均值為1.34%，顯示為中等烴源巖。其生烴能力較好，具有一定的潛力。

圖2-2 龍山紅巖溪剖面五峰-龍馬溪組TOC分布圖

2.3 有機質熱演化程度

2.3.1 鏡質體反射率Ro

鏡質體反射率（Ro）是一項國際公認的劃分有機質成熟度的獨立指標，但是由于該剖面所采樣品形成于早志留世的海相環境中，缺乏高等植物的標準鏡質組，因而難以直接獲得Ro數據，在此情況下瀝青反射率（BRo）就成為表征有機質成熟度的一個重要指標。應用瀝青反射率作為成熟指標是，本文按照豐國秀（1988）、Jacob(1989)等求出等效鏡質組反射率的換算公式計算出的等效鏡質組反射率來評價泥頁巖熱演化程度，計算所得的數據如表2-2所示。

等效鏡質組反射率計算公式[1]：

從表2-2可以看出，該剖面樣品的Ro值在2.87%～3.14%之間，屬于中晚期過成熟階段，處在生氣晚期或進入生氣下限值階段。

以北美地區頁巖氣產量高的地區為參照來看，其頁巖成熟度主值處于1.0%～2.5%之間[5]，成熟度遠低于所取樣品。然而由于我國的海相頁巖與北美海相頁巖的形成環境不同，中揚子臺地經歷的構造活動更多，斷裂也更多，加之保存環境不同，與北美差別較大，所以其標準只能作為借鑒。我國南方下古生界頁巖過高的成熟度（Ro=2.5%～4.0%）并不是沒有生氣潛力，例如在2012年中石油在四川盆地南部地區下志留統黑色頁巖中也獲得了20萬～40萬m3/d的高產量，說明過高的成熟度并沒有使頁巖的生氣能力大幅降低，因而紅巖溪地區龍馬溪組的頁巖仍然具有相當可觀的生烴潛力。

表3-2 龍山紅巖溪剖面全巖X-射線衍射定量分析表

但是，由于氣源巖演化的復雜性，高演化程度的氣源巖有機質鏡質體反射率影響因素較多，如原始沉積物在壓實和成巖過程中異常壓力的產生或存在，以及富氫鏡質組都會對Ro值產生抑制作用，在同等演化程度下，煤的反射率最高，泥巖次之，碳酸鹽巖最低，使得Ro值的變化更加復雜。另外，由于下古生界海相奧陶系-志留系地層中尚未出現高等植物，其干酪根組成中無鏡質體，只能通過測試瀝青反射率，然后根據經驗公式換算而得。所以海相氣源巖中可能出現原始物質直接轉變的瀝青和由原始物質熱降解產物——瀝青質和非烴轉變成的高度聚合的瀝青兩組相差較大的瀝青反射率值。因此，單獨應用Ro值評價有機質成熟度應慎重，在研究成熟度時應綜合考慮各種因素的影響。

表2-2 龍山紅巖溪剖面Ro

2.3.2 巖石熱解

本剖面所測得的巖石熱解數據如下，Tmax值為448℃，S1為0.03mg/g，S2為0.06mg/g，HCI=57.7mg烴/gTOC，HI=139.13mg烴/gTOC。具有熱解峰溫（Tmax，℃）和氫指數（HI）高，熱解烴（S2）低的特點。與Ro數據均顯示出該處頁巖處于過成熟階段。

從以上鏡質體反射率和巖石熱解資料的結果來看，紅巖溪地區五峰-龍馬溪組烴源巖熱演化程度較高，基本已經完全進入過成熟干氣階段。

3 頁巖氣儲層物性

3.1 孔滲性

表3-1為利用該剖面的3個樣品所測得的泥頁巖孔滲數據，其有效孔隙度均值為1.499%，滲透率均值為0.00813×10-3μm2，推測其孔滲性一般的原因是由于地層較高的熱演化成熟度導致的，但是熱演化程度在超過一定臨界值后，其儲集物性并沒有發生根本性改變[8]，且依然有大量層間縫發育，并沒有受到過成熟演化的影響（圖3-1），因而據此可以預測該地層仍具備一定的頁巖游離氣儲集條件。

表3-1 龍山紅巖溪泥頁巖物性分析統計表

圖3-1 龍山紅巖溪剖面，龍馬溪組第3層處硅質泥巖層間縫

3.2 泥頁巖全巖礦物組成特征

對于頁巖氣勘探開發而言，礦物學分析是很重要的部分，因為現在的頁巖氣開采大都需要人工壓裂增產處理，頁巖的可壓裂性是決定頁巖氣產量的一種重要因素，而頁巖的可壓裂性則取決于頁巖中的脆性礦物含量。脆性礦物含量越高，頁巖的可壓裂性就越強，也就更利于進行增產處理。

如表3-2所示，本剖面所選取的兩個樣品測量出的脆性礦物含量均在70%以上，我國多數頁巖氣所取巖心的測量分析結果顯示黏土礦物基本小于30%，說明本地區五峰-龍馬溪組頁巖易于產生裂縫，有利于后期的壓裂改造。

4 結語

龍山紅巖溪剖面的五峰-龍馬溪組地層形成于晚奧陶世-早志留世中揚子陸塊地殼下沉的海侵階段，因而存在大量的藻類和無脊椎水生生物，使該時期形成的泥頁巖富含有機質，對于生烴是極為有利的條件。在沉積盆地發育結束后又發生了多次構造運動，盆地內存在多次斷裂，這種沉積盆地的分割性對有機質的堆積與保存都有利。從剖面所采樣品獲取的有機地化數據表明頁巖中TOC含量總體來看為中等水平，其中有機碳含量較高的頁巖層段主要位于五峰組和龍馬溪組底部，盡管熱演化程度高，處于過成熟生氣階段，但仍然具有較好的生烴能力。實驗數據表明本地區五峰-龍馬溪組的頁巖具有不錯的孔滲性，并存在大量存在的層間縫，說明其作為儲層也具有較好的儲集物性。且X-射線衍射分析表明黏土礦物含量小于30%，非常有利于進行儲層改造，如果進行開采工作，人工壓裂增產的效果將會較為顯著。

綜上所述，龍山紅巖溪剖面的實地測量以及有機地化分析表明湘西北地區五峰-龍馬溪組具有較好的頁巖氣生烴以及儲集條件，以及相對較好的開采條件，具有在未來繼續深入進行該地區頁巖氣勘探開發工作的價值。

[1]Schoenherr J,Littke R,Urai J,Kukla PA,Rawahi Z.Polyphase thermal evolution in the Infra-Cambrian Ara group(South Oman salt basin)as deduced by maturity of solid res?ervoir bitumen.Organic Geochemistry，2007，38：1293-1318.

[2]萬毅,2015,湘西北下古生界頁巖儲層特征研究,博士學位論文.

[3]張小龍,2015,四川盆地及周邊地區五峰組-龍馬溪組頁巖有機質將征、沉積環境和含氣性研究,博士學位論文.

[4]涂建琪，王淑芝，費軒東.干酪根有機質類型劃分的若干問題的探討[J].石油實驗地質，1998，20（2）：186-191.

[5]肖賢明，宋之光，朱炎銘，等.北美頁巖氣研究及對我國下古生界頁巖氣開發的啟示[J].煤炭學報，2013，38（5）:721-727.

[6]陳建平，梁狄剛，張永昌，等.中國古生界海相烴源巖生烴潛力評價標準與方法[J].地質學報，2012,86（7）：1132-1142.

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[8]程鵬，肖賢明.很高成熟度富有機質頁巖的含氣性問題[J].煤炭學報，2013,38（5）：737-741.

[9]李延鈞，劉歡，張烈輝，等.四川盆地南部下古生界龍馬溪組頁巖氣評價指標下限[J].中國科學：地球科學，2013，43（7）：1088-1095.

[10]劉樹根，馬文辛，LUBA Jansa，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.

師天琛（1992-），男，漢族，河南濮陽人，在讀研究生，單位：長江大學地球科學學院，研究方向：油藏描述。