湘東南凹陷泥頁巖有機地球化學(xué)特征研究

范厚江 黃 飛

（1.成都理工大學(xué)能源學(xué)院，四川 成都 610059；2.宜賓學(xué)院礦業(yè)與安全工程學(xué)院，四川 宜賓 644007）

0 引言

頁巖氣是一種分布廣泛、低豐度、易發(fā)現(xiàn)、難開采的連續(xù)性非常規(guī)低效天然氣資源，具有典型的自生自儲、原地富集成藏等特征。筆者通過熱解、紅外線光譜、干酪根顯微組分、鏡質(zhì)體反射率等方法對湘東南凹陷泥頁巖地化特征進行詳細評價，得出該地區(qū)有機質(zhì)豐度、類型、成熟度特征。研究表明：該地區(qū)有機碳含量高，屬于較好的烴源巖范疇，具備優(yōu)越的頁巖氣成藏發(fā)育條件，具有良好的油氣勘探潛力。

1 研究區(qū)位置

湘東南凹陷在行政區(qū)劃上位于湖南省郴州市永興縣、耒陽市、安仁縣、桂陽縣以及衡陽市常寧縣境內(nèi)。坐標(biāo)位置為東經(jīng)110°－113°20′，北緯 25°－26°30′。區(qū)塊總面積約15 000 km2，位于揚子板塊與華夏板塊之間。晉寧—加里東期屬于南華洋構(gòu)造區(qū)；海西—印支期為華南板塊的一部分。大地構(gòu)造上位于華南褶皺系的北部，具體構(gòu)造位置：西北以衡山隆起與湘中凹陷為界，東界為桂東—汝城隆起，南與桂中凹陷毗連，整體呈NE向展布。

2 泥頁巖發(fā)育情況

湘東南凹陷發(fā)育有多套以黑色頁巖為主體的海相泥頁巖層系，分布面積廣、埋藏深度淺、厚度大。從整個湘東南凹陷來看，泥頁巖最厚的是龍?zhí)督M，在全區(qū)都有分布，研究區(qū)內(nèi)兩個次級凹陷泥頁巖層系最為發(fā)育。南次凹泥頁巖厚度達500 m；其次是大塘階測水段和跳馬澗組，凹陷中心泥頁巖厚度可達50多米；再其次是大隆組和錫礦山組，泥頁巖發(fā)育較差，僅厚20 m左右；而棋梓橋組和佘田橋組以淺海碳酸鹽巖類沉積為主，泥頁巖層系極不發(fā)育，偶見泥頁巖薄夾層。

3 有機地球化學(xué)特征

筆者主要對湘東南地區(qū)的7個主要烴源巖層系進行研究，進而對整個湘東南地區(qū)的烴源巖做出相對客觀的評價。

3.1 有機質(zhì)豐度

泥頁巖層有機質(zhì)豐度的常用評價指標(biāo)有總有機碳含量（TOC）、氯仿瀝青“A”、生烴潛量（S1+S2）和總烴量（HC）。

圖1中列舉了各層段露頭巖樣的原始有機碳數(shù)據(jù)及恢復(fù)后處理后的有機碳數(shù)值，它們大致反映了各層段有機質(zhì)豐度的變化。從表1有機碳熱解分析數(shù)據(jù)和表2顯示的有機碳數(shù)據(jù)表明本區(qū)有機碳分布的不均一性，并且大部分都較低。經(jīng)恢復(fù)后的有機碳值應(yīng)該說能更好地反映地下烴源巖的實際豐度。其中上二疊統(tǒng)大隆組和下石炭統(tǒng)大塘階測水段泥質(zhì)巖有機碳含量最高，分別達5.12%和5.26%，為好—最好烴源巖。中上泥盆統(tǒng)的跳馬澗組、棋梓橋組、佘田橋組和錫礦山組等則主要為好或較好烴源巖，其中特別需要說明的是，泥盆系的地層由于熱演化程度很高而導(dǎo)致有機碳值偏低。

圖1 湘東南地區(qū)泥頁巖樣品有機碳含量恢復(fù)前、恢復(fù)后對比圖

根據(jù)烴源巖熱解質(zhì)量評價圖（圖2），湘東南凹陷各烴源巖層地表樣品的熱解烴含量雖然很低，但由于Tmax值一般都大于500℃，其他也基本接近500℃，所以它們?nèi)詫僦械取玫臒N源巖。

從本區(qū)烴源巖抽提物的紅外光譜（圖3）來看，無論是氯仿抽提物還是進一步的混合溶劑抽提物，其稠環(huán)芳烴側(cè)鏈上烷鏈結(jié)構(gòu)與芳核結(jié)構(gòu)的比值（即1 460／1 600 cm-1）都遠大于1，屬較好—好的烴源巖范疇。

圖2 烴源巖熱解質(zhì)量評價圖

圖3 烴源巖抽提物的紅外光譜圖

表1 湘東南泥頁巖樣品Rock Eval熱解分析結(jié)果表

表2 湘東南凹陷有機質(zhì)豐度數(shù)據(jù)表

龍?zhí)督M在道縣凹陷的東北部以及耒桂凹陷大部分地區(qū)分布均較好，TOC值可達到2.5%以上。大塘階測水段在耒桂凹陷的西南部埋藏最深且TOC值較高最大可達2.5%以上，道縣凹陷最大可達1.0%以上。大隆組在耒桂凹陷的西南部與東北部均有較好的分布，TOC值最大可達到2.5%，且在道縣凹陷的東北部有少量的分布。佘田橋組在耒桂凹陷的中部地區(qū)埋藏達到最深，TOC值達到2.5%以上，在道縣凹陷最大可達1.0%。錫礦山組和跳馬澗組在耒桂凹陷及道縣凹陷的分布相對其他5個層位的分布較差一些，TOC值最大可達到2.0%。

3.2 有機質(zhì)類型

泥頁巖中有機質(zhì)的類型是其質(zhì)量指標(biāo)。不同類型的原始有機質(zhì)，其原始物源、沉積保存環(huán)境、化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)都不同，因而具有不同的油氣生成潛能，產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)組成及性質(zhì)也不同。有機質(zhì)類型的評價方法較多，筆者主要用干酪根顯微組分鑒定法判斷有機質(zhì)類型。

干酪根顯微組分分析是在鏡下直接觀測干酪根的形態(tài)，統(tǒng)計其不同組分所占百分比來確定類型。表3是本區(qū)干酪根顯微組分的分析結(jié)果，泥盆系中上統(tǒng)棋梓橋組和佘田橋組的有機質(zhì)類型多以Ⅰ型（即腐泥型）為主，煤系地層如二疊系上統(tǒng)的龍?zhí)督M和石炭系下統(tǒng)的大塘階測水段多以Ⅱ型（即混合型）和Ⅲ型（即腐殖型）為主。其余基本為混源Ⅱ型干酪根。但需說明的是，由于所取樣品都為地表露頭樣品，長期的風(fēng)化、氧化會使其類型變壞。原始母質(zhì)類型可能更好。

二疊系上統(tǒng)的龍?zhí)督M為碎屑巖夾煤系的海陸交替相地層，其黑色泥巖或頁巖樣品（煤樣除外）的有機碳值較高，有機質(zhì)類型也比較好，以Ⅱ1型為主，含有部分Ⅱ2型，成熟度剛進入高成熟期（圖4），再加上有一定的厚度分布，因此龍?zhí)督M應(yīng)有較大的生烴貢獻，石炭系石磴子段和孟公坳段分別為開闊潮下帶—淺海相和局限潮下帶—淺海相地層，其有機碳值對于碳酸鹽巖來講也是較高的，有機質(zhì)類型亦為Ⅱ1或Ⅱ2型為主，孟公坳組還有部分I型。

若考慮到其為海相地層、樣品為地表露頭樣的話，其類型應(yīng)更好，有機質(zhì)亦處于高成熟期。由于石炭系正處于范圍廣的海侵階段，其地層分布廣，亦有一定厚度，具有較大的生烴貢獻；泥盆系錫礦山組、佘田橋組和棋梓橋組主要處于海侵全盛時期，為臺地淺海相地層，鑒于泥盆系有機質(zhì)有一定的豐度，類型較好，尤其是佘田橋組和棋梓橋組均為I型生烴母質(zhì)，演化現(xiàn)已處于高熟—過熟階段，其地層亦有不小的體積，它們肯定已產(chǎn)生過大量的油氣，有較大的生油氣貢獻。

表3 湘東南干酪根顯微組分鑒定結(jié)果表

圖4 湘東南凹陷泥頁巖地化特征綜合圖

總體來看，湘東南地區(qū)泥盆系中上統(tǒng)的棋梓橋組和佘田橋組有機質(zhì)類型較好，應(yīng)多以Ⅰ型（即腐泥型）為主，煤系地層如二疊系上統(tǒng)的龍?zhí)督M和石炭系下統(tǒng)的大塘階測水段多以Ⅱ型（即混合型）和Ⅲ型（即腐殖型）為主。二疊系上統(tǒng)的大隆組、泥盆系中上統(tǒng)的錫礦山組和跳馬澗組多以混源Ⅱ型干酪根為主。

3.3 有機質(zhì)成熟度

烴源巖的成熟度和成烴演化特征的正確認(rèn)識是關(guān)系到研究區(qū)油氣遠景評價及其勘探突破的一個重要問題。同時成熟度是頁巖氣藏主控因素之一，作為烴源巖，成熟度是干酪根的演化程度，影響頁巖氣的產(chǎn)量。

通常認(rèn)為0.6%＜鏡質(zhì)體反射率（Ro）＜1.3%處于成熟階段，1.3%＜Ro＜2.0%處于高成熟階段，2.0%＜Ro處于過成熟階段。一般來說Ro＞1.3%時，處于高成熟階段的泥頁巖地層先生油后裂解成氣，形成海相頁巖連續(xù)生氣與聚氣的優(yōu)勢。

從對湘東南地區(qū)的已有測試結(jié)果（表4）來看，湘東南凹陷二疊系、石炭系各烴源巖層的Ro低于2.0%，但高于1.3%，Tmax平均值大于500℃，顯示其有機質(zhì)處于高成熟期，Tmax值亦處在凝析油和濕氣階段，而泥盆系烴源巖的Ro值已處于2.0%，甚至達到2.5%，處于過成熟階段，它們主要以生氣為主。泥盆系的Ro值還出現(xiàn)個別樣品偏高，甚至在同一個樣品中出現(xiàn)兩組數(shù)據(jù)，其中一組明顯偏高。其原因可能是由于構(gòu)造運動造成表面樣品的物理變化而形成的，并不僅僅只是熱力作用的結(jié)果。但要特別說明的是，泥盆系地層的Tmax值發(fā)生“倒轉(zhuǎn)”，反而比上覆的二疊系、石炭系還要低，這不能代表其真實演化程度，而可能是由于其有機質(zhì)類型好，其中的輕質(zhì)組分含量相對較高造成的。

表4 湘東南地區(qū)有機質(zhì)熱演化程度評價參數(shù)表

湘東南泥頁巖層系各層段主要熱演化特征如下：

1）中泥盆統(tǒng)跳馬澗組（D2t）—棋梓橋組（D2q）：跳馬澗組和棋梓橋組由于埋藏最深，熱演化程度很高，絕大多數(shù)已處于過成熟階段。3個地區(qū)的大部分Ro值都已大于2.0%，最高值均可達3.5%以上，棋梓橋組熱演化最高的地區(qū)主要集中于桂陽地區(qū)的南部，跳馬澗組熱演化最高的地區(qū)主要集中于桂陽與耒陽之間的地帶。

2）上泥盆統(tǒng)佘田橋組（D3s）—錫礦山組（D3x）：佘田橋組與錫礦山組大部分地區(qū)已達過成熟階段，佘田橋組Ro值分布范圍為2.0%～4.0%，熱演化較高的地區(qū)主要集中在桂陽地區(qū)附近，錫礦山組Ro值分布范圍為1.5%～3.5%，熱演化較高的地區(qū)主要集中在桂陽與耒陽的中間地帶。

3）下石炭統(tǒng)測水段（C1d2）：該組熱演化程度較高，絕大部分地區(qū)均已進入過成熟，桂陽與耒陽的中心地帶最高熱演化可達3.0%以上，并呈輻射狀向四周遞減。

4）上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M（P2l）—大隆組（P2d）：整體演化程度已不如棋梓橋組、跳馬澗組和佘田橋組，但全區(qū)Ro值在1.5%以上，預(yù)示大部分處于高成熟與過成熟階段，大隆組高演化地帶主要集中在桂陽的周邊地帶，該區(qū)的最高值在2.5%以上，龍?zhí)督M高演化地帶主要集中于桂陽周圍以及該區(qū)的西北部，Ro值最大可達3.5%以上。

4 結(jié)論

1）湘東南地區(qū)的多為碳質(zhì)頁巖、灰色頁巖以及深灰色頁巖，泥頁巖在各地質(zhì)歷史時期十分發(fā)育，泥頁巖層系的有機碳含量都比較高，達到良好的生油巖標(biāo)準(zhǔn)，具備了優(yōu)越的頁巖氣成藏發(fā)育條件。

2）TOC值基本上都處在1.0%以上，中心地帶最大值可達到2.5%。干酪根主要以優(yōu)質(zhì)的Ⅰ型和Ⅱ型為主，有少量的Ⅲ型。全區(qū)Ro值在1.5%以上，Ro值最大可達3.5%以上，屬于較好的烴源巖范疇。

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