桂中坳陷下石炭統黑色頁巖發育特征及頁巖氣勘探潛力

胡東風 魏志紅 劉若冰 范志偉 韓 京

中國石化勘探分公司

0 引言

伴隨涪陵、長寧、威遠等頁巖氣田的發現，國內眾多學者在頁巖氣基礎理論研究[1-4]和勘探評價技術[5-6]方面取得了諸多認識，對于中國南方復雜改造區選區和目標評價具有重要的參考意義。桂中坳陷作為南方海相頁巖氣勘探開發的重要潛力接替區，越來越受到石油地質學家的重視。

桂中坳陷下石炭統鹿寨組具有富有機質頁巖厚度大、有機碳含量（TOC）高、有機質成熟度（Ro）高等特點[7]，且多口井見良好的天然氣顯示，揭示該區良好的頁巖氣勘探潛力。前人關于桂中坳陷鹿寨組頁巖沉積環境[8]、有機地球化學[9]、儲層特征[10]以及保存條件[11-12]的研究已取得部分進展，對該區頁巖氣勘探潛力評價具有重要參考價值。但受限于勘探程度和研究手段，桂中坳陷鹿寨組黑色頁巖發育特征及勘探潛力還存在許多亟需解決的問題，主要表現為：①桂中地區早石炭世具有臺盆相間的沉積格局[13]，在“槽—臺”格局下頁巖非均質性較強，深水陸棚相優質頁巖縱向上分布位置在哪里？平面上分布規律如何？②與四川盆地早古生代海相優質頁巖相比，鹿寨組優質頁巖品質如何？是否也具有較好的頁巖氣勘探潛力？③桂中地區經歷了多期的構造運動改造[14]，構造變形復雜，有利的保存區分布在哪里？目前關于這些方面的研究較為薄弱，也成為制約該區頁巖氣勘探成效的關鍵問題。

桂中坳陷前期以常規油氣勘探為主，頁巖氣勘探尚處于起步階段，雖然以往的很多鉆井在石炭系頁巖中見天然氣顯示[7,15]，但年代久遠，大多未獲取系統的頁巖氣評價參數和巖心資料。因此，筆者研究的資料主要取自野外露頭資料和部分公開發表的地質調查井。筆者在分析桂中地區典型野外露頭剖面和鉆井資料的基礎上，利用地球化學、巖石礦物以及地球物理等實驗分析手段和方法，查明鹿寨組黑色頁巖發育特征，總結優質頁巖展布規律，分析鹿寨組頁巖氣勘探潛力，以期為該區下一步頁巖氣勘探提供依據。

1 區域地質背景

桂中坳陷位于雪峰山隆起南部，東部以龍勝—永福斷裂及賓陽—大黎斷裂為界，與大瑤山隆起相鄰，西部以南丹—都安斷裂為界，與南盤江坳陷相鄰，西北以三都斷裂為界，與黔南坳陷相鄰，面積4.6×104km2。桂中坳陷發育NNE—NE、NW、近EW與近SN向四組規模不等的斷裂系，近EW與近SN向斷裂是坳陷內的主要斷裂，它控制著坳陷的主體。根據構造單元的劃分，可將桂中坳陷劃分為宜山凹陷、紅渡凹陷、象州凹陷，馬山凸起、柳江凸起、柳城斜坡，即“三凹兩凸一斜坡”6個次級構造單元（圖1-a）。

研究區先后經歷了早古生代褶皺基底形成、泥盆世—中三疊世陸緣裂陷、晚三疊世—早侏羅世前陸盆地形成和中侏羅世—現今陸內改造4大階段，沉積了以變質巖為基底、沉積巖為生儲蓋層的巖性組合，地表主要分布大片石炭系和泥盆系，二疊系、三疊系多分布在向斜核部。在中泥盆世—早石炭世陸緣裂陷階段，受海西期區域拉張應力影響，桂中坳陷發育河池—宜州、南丹—都安、龍勝—永福3個裂陷槽，盆地相區沉積了下石炭統鹿寨組及中泥盆統納標組、羅富組3套頁巖。其中，早石炭世鹿寨期以坳陷為主，隨著大規模海侵作用[16]，在鹿寨期中期海平面達到最高，深水陸棚相廣泛分布在坳陷內部，巖性以碳質頁巖、硅質頁巖為主（圖1-b），靠近北部雪峰山古陸發育濱岸—淺水陸棚相，巖性以粉砂巖、含灰泥巖為主，靠近南部馬山—柳江—象州等孤立臺地則發育碳酸鹽臺地相，巖性以石灰巖為主；中泥盆世以裂陷為主，深水陸棚相主要沿南丹—都安、龍勝—永福兩個裂陷槽分布在桂中坳陷東西兩側，分布較為局限，坳陷主體則發育斜坡—淺水陸棚相。

2 黑色頁巖發育特征

2.1 頁巖分布特征

早石炭世鹿寨期，在晚泥盆填平補齊基礎上，桂中地區出現隆坳格局，坳陷區發育淺水—深水陸棚相頁巖，受構造—巖相古地理格局控制，區域上沉積了一套厚度較大的黑色頁巖。鹿寨期整體呈現早期海侵晚期海退的特征，縱向上鹿寨組自下而上可劃分為四段：鹿一段為淺水陸棚沉積，巖性主要為灰色泥巖夾少量淺灰色硅質巖，黏土質含量較高，自然伽馬值較低；鹿二段為深水陸棚沉積，巖性主要為灰黑色薄層頁巖、硅質頁巖、碳質頁巖，竹節石等浮游生物化石含量較高，自然伽馬值穩定分布在高值區，黃鐵礦以薄層、條帶狀富集；鹿三段、鹿四段為淺水陸棚沉積，巖性以泥巖、鈣質泥巖為主，鈣質夾層明顯增加，竹節石迅速下降，自然伽馬值較低，電阻率曲線呈現明顯鋸齒狀，黃鐵礦以團塊狀富集（圖2）。

圖1 桂中坳陷構造區劃圖及地層綜合柱狀圖

根據實測野外露頭剖面及周緣資料，黑色頁巖的沉積中心主要沿河池—宜州斷裂一線分布，其中河池—宜州—柳城一帶厚度達到100～200 m（圖3）。此外，結合地震資料，采用正演模型分析、鉆井標定和波阻抗反演等技術，研究發現桂中地區鹿寨組黑色頁巖的地震響應通常表現為“雙強軸”特征。平面上，靠近北部連陸臺地表現為“單強軸”特征，往南過渡為連續穩定的“雙強”特征，至持續深水背景厚度較大的區域表現為“多強軸”特征（圖4-a），再往南又過渡為“雙強軸”特征，靠近孤立臺地區則具有“單強軸”特征（圖4-b），反映鹿寨組黑色頁巖呈現往北部雪峰古陸和往南部柳江凸起方向變薄的特征。優質頁巖（TOC＞2%，下同）厚度一般介于20～60 m，其中南丹、鹿寨等地區優質頁巖厚度超過60 m。

2.2 巖石礦物學特征

根據宜州峽口、河池龍頭等露頭剖面及DY2井鹿寨組頁巖X射線衍射分析結果，石英含量介于39%～88%，平均值為58%；黏土礦物含量介于9%～45%，平均值為35%；長石平均含量為0.48%；碳酸鹽礦物含量為中，白云石、方解石平均含量分別為0.69%、1.07%。縱向上，自下而上石英、長石等脆性礦物含量呈現先增加后減少的趨勢（圖2），有機碳含量與石英含量呈現明顯的正相關性（圖5-a），與黏土礦物含量則呈現明顯的負相關（圖5-b）。宜州峽口、河池龍頭等露頭剖面鹿寨組頁巖中可見到大量的硅質海綿骨針等化石，是頁巖脆性礦物含量高的主要原因之一。

2.3 有機地化特征

圖2 桂中坳陷下石炭統鹿寨組典型單井地層綜合柱狀圖（據羅勝元等[10]修改）

根據野外露頭、巖心分析測試結果，研究區鹿寨組頁巖具有有機碳含量高、有機質類型好、熱演化程度適中等特點。宜州峽口、河池龍頭、宜山洛東等剖面有機碳測試樣品186個，有機碳含量介于0.47%～9.50%，平均值為3.08%，有機碳含量大于2%的樣品主要分布在鹿二段；干酪根鏡檢樣品14個，有機質顯微組分測定顯示腐泥組含量最高，介于44%～62%，其次為藻類體，表明有機質類型主要為腐泥型；測定了14塊樣品的瀝青反射率，換算鏡質體反射率介于1.89%～2.68%，平均值為2.19%，表明鹿寨組頁巖進入高演化階段，以生氣為主，平面上呈現自南向北減小的趨勢。

與四川盆地龍馬溪組頁巖有機地化指標相比（表1），桂中地區鹿寨組頁巖有機碳含量、有機質類型相似，有機質成熟度適中，具有較好的生烴潛力。

2.4 儲層發育特征

2.4.1 儲層物性

從桂中地區露頭及鉆井取心物性分析資料來看，鹿寨組頁巖具有較好的儲集物性。宜州峽口、DY2井以及HY1井[17]等鹿寨組頁巖物性數據顯示，比表面積介于6.60～20.89 m2/g，平均值為9.73 m2/g，孔隙度介于1.45%～11.22%，平均值為4.99%；滲透率介于0.006 1～0.049 1 mD，平均值為0.018 7 mD，且HY1鹿寨組頁巖儲層孔隙度與有機碳含量之間存在明顯的正相關性，這與四川盆地海相頁巖孔隙度和有機碳含量的相關性較好相似。綜上表明，桂中坳陷鹿寨組頁巖與四川盆地海相頁巖在物性特征上相似，具有較好的儲集物性，其有機質是提供鹿寨組頁巖儲層孔隙發育的重要物質。

圖3 桂中坳陷及周緣鹿寨組黑色頁巖厚度等值線圖

圖4 桂中坳陷鹿寨組黑色頁巖地震響應特征圖

圖5 鹿寨組頁巖有機碳含量與硅質礦物、黏土礦物含量關系圖

表1 桂中坳陷鹿寨組與四川盆地龍馬溪組頁巖物質基礎指標對比表

2.4.2 儲層空間類型

頁巖儲集方式不同于常規的油氣儲層，表現為頁巖氣主要以吸附狀態賦存在微孔隙的內表面及以游離狀態存在于頁巖的孔隙和裂隙中[18-20]。通過氬離子拋光掃描電鏡觀察發現，鹿寨組富有機質頁巖中儲集空間類型多樣，主要包括有機質孔、黏土礦物粒間孔、晶間孔以及裂縫等類型。

2.4.2.1 有機質孔

桂中地區鹿寨組頁巖中觀察到的有機質孔隙主要為納米孔，孔徑主要介于20～300 nm，平面上通常為似蜂窩狀的不規則橢圓形（圖6-a）；部分有機質內部納米孔數量豐富，一個有機質片內部可含幾百到幾千個納米孔，在有機質中的面孔率一般介于20%～30%，局部可達到60%～70%。

圖6 桂中坳陷鹿寨組頁巖儲集空間類型以及構造裂縫特征

2.4.2.2 黏土礦物粒間孔

鹿寨組頁巖中黏土礦物粒間微孔多表現為片狀黏土礦物邊緣的微小裂隙，寬度一般小于1 μm，于黏土礦物周緣不均勻分布（圖6-b）。

2.4.2.3 晶間孔

主要以草莓狀黃鐵礦晶間孔為主，黃鐵礦集合體直徑多介于3～6 μm，黃鐵礦晶粒間存在一定數量的納米級孔隙，孔徑介于20～200 nm（圖6-c）。另外，還見到少量重結晶形成的方解石晶間孔和自生硅質礦物形成的硅質礦物晶間孔。

2.4.2.4 裂縫

通過氬離子拋光掃描電鏡發現，鹿寨組富有機質頁巖中微裂縫較發育，微裂縫多呈鋸齒狀，并且延伸較好（圖6-d）。根據桂中地區及周緣巖心資料，鹿寨組頁巖中宏觀裂縫也較發育，主要為構造裂縫、成巖收縮縫以及層間頁理縫（圖6-e）。裂縫以高角度裂隙為主，少量低角度裂縫，局部見高角度裂縫相切,裂縫大多被方解石充填（圖6-f），偶爾見少量黃鐵礦。

2.4.3 儲層含氣性分析

通過等溫吸附試驗對宜州峽口、德勝塞平、宜州懷遠以及DY2井4個樣品進行了測試，根據測試結果和蘭格繆爾模型計算，鹿寨組頁巖在初始壓力介于1.52～2.12 MPa時，最大吸附含氣量可達3.66 m3/t（圖7）。隨著有機碳含量增加，最大吸附氣量也出現一定程度的增加，表明鹿寨組頁巖具有較強的吸附能力。

圖7 桂中坳陷鹿寨組頁巖等溫吸附曲線圖（100 ℃，干樣體系）

根據鄰區黔南坳陷內DY1井和CY1井鹿寨組頁巖現場解析情況來看，DY1井井深446～530 m段頁巖現場解吸量介于0.15～2.02 m3/t，總含氣量介于0.40～4.97 m3/t，CY1井井深708～933 m段頁巖現場解析氣量介于0.51～2.08 m3/t，總含氣量介于0.9～2.84 m3/t，整體呈現較好的含氣性特征。與焦石壩地區相比，桂中坳陷鹿寨組頁巖含氣量整體偏低，這可能與這些井的頁巖埋深較淺有關。

3 桂中坳陷保存條件分析

參考四川盆地及周緣下古生界海相頁巖保存條件的評價方法和綜合評價指標體系[21-22]，結合桂中坳陷及周緣典型鉆井的解剖研究，筆者主要從封蓋條件以及構造變形作用兩方面探討桂中坳陷鹿寨組頁巖氣保存條件。

3.1 封蓋條件

3.1.1 蓋層條件

影響蓋層的質量有諸多因素，主要宏觀因素包括蓋層厚度、巖石類型、區域分布情況，微觀評價參數包括巖石的突破壓力等。桂中坳陷地表出露地層以古生界為主，且多以碳酸鹽沉積為主，封蓋條件較好的泥質巖、膏巖等巖石類型在研究區主要發育在中泥盆統（納標組和羅富組）和下石炭統（鹿寨組和寺門組），呈現較大面積連片分布，而下三疊統泥巖則分布非常局限。因此，下石炭統大塘階寺門組泥質巖可作為鹿寨組頁巖氣的區域蓋層，蓋層厚度總體上具有坳陷區相對穩定、往雪峰山隆起方向減薄、臺地區缺失的特征。其中，桂中坳陷南部紅渡凹陷、象州凹陷，馬山凸起、柳江凸起寺門組相變為碳酸鹽巖，而宜山凹陷、柳城斜坡寺門組泥質巖厚度介于30～200 m，柳城氣井寺門組突破壓力介于31.8～51.0 MPa，且柳城斜坡帶柳城氣井及宜山凹陷DT1井兩口井在該套蓋層之下獲得油氣流，表明桂中坳陷柳城斜坡帶和宜山凹陷蓋層條件較好。

3.1.2 頂底板條件

頂底板作為直接與含氣頁巖層段接觸的上覆、下伏地層，與頁巖氣層接觸關系以及物性特征對含氣頁巖的保存條件非常關鍵。桂中地區臺盆相區泥盆系—石炭系地層為整合接觸關系，底板為上泥盆統融縣組頂部石灰巖和泥質灰巖，頂板為下石炭統大塘階底部石灰巖和致密砂巖；臺地相區石炭系—泥盆系地層多為不整合接觸關系，發育石炭系風化殼，其接觸面成為常規油氣和頁巖氣逸散的主要通道，如宜山地區DS1井中、上泥盆統生物礁儲層發育，但鉆井效果不佳，與該不整合面的存在有較大關系[13]。羅城黃金以及河池龍頭等剖面物性分析資料表明，作為底板的融縣組石灰巖孔隙度平均值為1.28%，滲透率平均值為0.001 2 mD，突破壓力為62.4 MPa；作為頂板的羅城組石灰巖孔隙度平均值為1.56%，滲透率平均為0.009 2 mD，突破壓力為56.54 MPa，反映桂中地區柳城斜坡、宜山凹陷、紅渡凹陷、象州凹陷等區鹿寨組含氣頁巖的頂底板條件良好。

3.2 構造變形作用

3.2.1 構造剝蝕程度

構造剝蝕程度越強，對頁巖氣保存條件破壞越嚴重。桂中坳陷自海西期以來，經歷了東吳運動、印支運動、燕山運動和喜馬拉雅運動，而尤以印支運動、燕山運動和喜馬拉雅運動對頁巖氣的成藏和保存影響較大。前人大量研究表明[11-12,14]，中三疊世末印支運動使桂中坳陷“山字形”構造定型；燕山運動使坳陷發生全面的褶皺和斷裂，并對印支運動形成的構造進一步改造，使之復雜化；喜馬拉雅運動造成坳陷全面抬升剝蝕，使泥盆系及其以上地層遭受了不同程度的剝蝕。結合前人測試的成熟度、均一溫度和碳氧同位素等資料[11]，海西運動對桂中坳陷影響很小，地層為間斷性連續沉積，上、下二疊統之間為平行不整合；印支運動影響也不大，剝蝕厚度普遍介于300～800 m；但經過燕山—喜馬拉雅運動的強烈抬升剝蝕，累計剝蝕厚度約3 500 m，其中宜山凹陷區西部、柳城斜坡南部、象州凹陷北部，紅渡凹陷北部剝蝕厚度介于1 500～3 000 m，出露地層以二疊系和三疊系為主，柳江凸起、馬山凸起以及柳城斜坡北部剝蝕厚度普遍超過3 500 m，出露地層以泥盆系和石炭系地層為主，且平面上呈現中部剝蝕程度較弱，往北部雪峰山古陸、南部柳江凸起，西部馬山凸起，西部大瑤山隆起剝蝕作用變強的特征。通過上述分析，桂中坳陷宜山凹陷、柳城斜坡帶南部統鹿寨組地層存在相對較好的保存條件。

3.2.2 斷裂發育情況

四川盆地頁巖氣勘探開發實踐表明，走滑性質較強的逆斷層和張性正斷層對頁巖氣保存條件影響最大，而逆沖斷層或具弱走滑性質的逆斷層對頁巖氣保存條件影響較小。桂中坳陷早期形成的斷層多為走滑逆斷層（河池—宜州、福田—板壩、南丹—都安、龍勝—永福等斷層），也有與逆斷層伴生的正斷層，后期則主要發育逆沖斷層。區內主要鉆井情況揭示，正斷層對該區頁巖氣保存具有較大的破壞作用，例如HY1井緊鄰南丹—都安斷裂派生的正斷層，氣體成分主要以N2為主，保存條件較差；走滑性質較弱的逆斷層對該區頁巖氣保存條件影響較弱，例如距走滑逆斷層埡紫羅斷裂北段3 km的SY1井在未實施壓裂技術改造的情況下測試日產氣2×104m3，緊鄰福田—板壩斷裂的Y2井放噴火焰高1.4 m，反映保存條件較好；而走滑性質較強的逆斷層對頁巖氣保存條件影響較大，例如走滑性質較強的加黃—古逢斷層和里苗—喬賢斷層附近，地表裂縫可見2～3期剪切縫（圖6-f），GZ1井在鉆遇良好的頁巖儲層中未見氣顯示，保存條件較差。通過統計分析，結合區內老井鉆探顯示情況分析認為，河池—宜州斷裂、福田—板壩斷裂是區內走滑作用相對較弱的逆斷層，對保存條件影響較弱。

3.2.3 地層變形強度

地層產狀是反映地層變形強度的重要指標。本區及鄰區勘探實踐證實，遠離出露區、地層相對寬緩的褶皺保存條件較好。南部柳江凸起帶和馬山凸起位于福田—板壩斷裂以南，鄰近構造強烈的大瑤山和西大明山隆起，受推覆擠壓逆沖作用，地層近乎直立，保存條件較差；中部宜山凹陷處于走滑斷褶帶，受南北兩條區域走滑斷裂夾持，西部相對平緩，發育寬緩向斜構造，如宜州西向斜，構造走向近東西，面積為460.6 km2，長軸為30.6 km，短軸為22.1 km，地層傾角為2.5°～5.5°，埋深適中，保存條件好；北部柳城斜坡帶整體表現為向北抬升的斜坡構造，靠近河池—宜州斷裂發育大型寬緩向斜，如宜州北向斜，構造北東走向，面積為732.8 km2，長軸為47.1 km、短軸為14.3 km，長短軸比為3.3，地層傾角為9.5°～12.5°，埋深適中，保存條件好。

4 桂中坳陷頁巖氣勘探潛力分析

四川盆地及周緣海相頁巖氣勘探實踐中形成了中國南方復雜改造區海相頁巖氣具有“二元富集”理論，即深水陸棚優質泥頁巖發育是頁巖氣富集的基礎，良好的保存條件是頁巖氣高產的關鍵[3]。結合桂中坳陷的地質背景，筆者從物質基礎和保存條件兩方面探討該區頁巖氣勘探潛力。

1）桂中坳陷北緣發育深水陸棚相優質頁巖。桂中坳陷鹿寨組頁巖厚度、有機地化特征、儲集物性、壓裂品質等基本地質特征方面與四川盆地及周緣海相頁巖相似，特別是桂中坳陷北緣河池—宜州—柳城一帶，具有優質頁巖厚度大、有機碳含量高、有機質類型好、有機質成熟度適中、儲集物性好、壓裂品質好的特征。

2）桂中坳陷柳城斜坡和宜山凹陷為構造變形相對較弱區域，頁巖氣保存條件較好。柳城斜坡和宜山凹陷發育良好的區域蓋層和頂底板，具有巖性致密、厚度大、大面積連片分布的特征，構造變形程度較弱，特別是該帶內宜州北向斜、宜州西向斜和環江復向斜等一系列寬緩向斜地層變形程度較弱，抬升剝蝕作用較小，遠離走滑性質較強的逆斷層，具有良好的保存條件。從桂中坳陷及周緣早期淺層地表構造的鉆探資料來看[23-24]，區內下石炭統氣顯示豐富，多口井獲得天然氣流。因此，構造完整、埋藏深度較大的寬緩向斜構造更值得探索。

埋深條件一方面影響地層中裂縫的發育進而影響頁巖氣的保存，另一方面也是工程壓裂需要考慮的重要指標。研究發現，桂中坳陷柳城斜坡以及宜山凹陷一系列寬緩向斜整體埋深在2 000～4 000 m，埋深條件適中，具有經濟開發的價值。

根據鹿寨組頁巖發育特征、保存條件和埋深條件等綜合分析認為，桂中坳陷北緣整體含氣較好，早期地表構造淺井氣顯示豐富，多口井獲得天然氣流，因此，桂中坳陷柳城斜坡帶、宜山凹陷埋藏深度較大的寬緩向斜具有較好的頁巖氣勘探潛力。

5 結論

1）桂中坳陷鹿寨組發育深水陸棚相優質頁巖，優質頁巖平面上沿河池—宜州斷裂一線分布，厚度介于20～60 m，呈現中部宜山凹陷往北部雪峰古陸和南部柳江凸起方向變薄的特征。

2）桂中坳陷柳城斜坡和宜山凹陷發育良好的區域蓋層和頂底板，具有巖性致密、厚度大、大面積連片分布的特征，構造變形程度較弱，特別是該帶內宜州北向斜、宜州西向斜和環江復向斜等一系列寬緩向斜地層變形程度較弱，抬升剝蝕作用較小，遠離走滑性質較強的逆斷層，具有良好的保存條件。

3）桂中坳陷北緣鹿寨組頁巖整體含氣較好，早期地表構造淺井氣顯示豐富，多口井獲得天然氣流，柳城斜坡帶、宜山凹陷埋藏深度較大的寬緩向斜具有較好的頁巖氣勘探潛力。