湘中坳陷下石炭統(tǒng)孟公坳段頁巖氣成藏條件及勘探前景

曹清古，韋慶亮，肖秋茍，孫庭金，王津義

（1 中國(guó)石化石油勘探開發(fā)研究院無錫石油地質(zhì)研究所；2 中國(guó)石化勘探南方分公司）

1 引 言

頁巖氣作為一種重要的非常規(guī)天然氣資源，有著巨大的勘探潛力。據(jù)預(yù)測(cè)，世界頁巖氣總資源量為456.24×1012m3，主要分布在北美、中亞、中國(guó)、中東、北非、拉丁美洲、前蘇聯(lián)等地區(qū)［1-4］。至2010年，美國(guó)頁巖氣年產(chǎn)量超過1 379×108m3，占全國(guó)天然氣總產(chǎn)量的23%［5］，產(chǎn)氣層位主要集中在泥盆系、石炭系及下白堊統(tǒng)［6-8］。2012年我國(guó)國(guó)土資源部首次公布了全國(guó)陸域頁巖氣資源量為134.42×1012m3，其中可采資源量為25.08×1012m3，顯示了我國(guó)巨大的頁巖氣資源潛力［5］。但在中國(guó)南方勘探區(qū)域，目前已取得頁巖氣突破性進(jìn)展的僅有四川盆地，層位上也僅局限于下古生界的下寒武統(tǒng)和上奧陶統(tǒng)—下志留統(tǒng)［9-11］。

湘中坳陷作為南方未來頁巖氣勘探的后備區(qū)塊之一，能否實(shí)現(xiàn)同樣的“突破性進(jìn)展”，這是值得勘探?jīng)Q策者和油氣勘探研究工作者關(guān)注和期待的。湘中坳陷在常規(guī)油氣勘探的過程中，大量鉆井出現(xiàn)的不同級(jí)別油氣顯示（氣浸、氣涌甚至井噴），已經(jīng)證實(shí)本區(qū)具有良好的天然氣勘探前景，如在新1井、湘中1井、湘冷1井（井位見圖1）的下石炭統(tǒng)大塘階石磴子段致密儲(chǔ)層中已經(jīng)獲低產(chǎn)工業(yè)氣流。對(duì)于湘中坳陷上古生界頁巖氣前景的研究，前人多著重于整體評(píng)價(jià)，即縱向上對(duì)中上泥盆統(tǒng)—下石炭統(tǒng)、上二疊統(tǒng)的泥頁巖發(fā)育段進(jìn)行整體考察［12-14］，但針對(duì)具體某一層系的研究尚少。同時(shí)，在湘中坳陷下石炭統(tǒng)烴源巖的研究中，前人較多地關(guān)注大塘階測(cè)水段煤系烴源巖，而對(duì)于巖關(guān)階泥頁巖的研究程度較低。通過多年來對(duì)中國(guó)南方各地區(qū)的研究表明，在早石炭世巖關(guān)期，中國(guó)南方發(fā)生了一次廣泛海侵，造就了不同地區(qū)（包括湘中坳陷）泥頁巖烴源層的普遍發(fā)育。因此，本次研究期望通過野外地質(zhì)調(diào)查，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果及相關(guān)地震資料等，先行從頁巖氣成藏的各個(gè)方面，對(duì)湘中坳陷下石炭統(tǒng)巖關(guān)階孟公坳段泥頁巖發(fā)育段進(jìn)行細(xì)致全面的研究，以推進(jìn)湘中地區(qū)頁巖氣的勘探進(jìn)程。

圖1 湘中坳陷構(gòu)造單元?jiǎng)澐旨皹悠伏c(diǎn)分布

2 區(qū)域地質(zhì)概況

湘中坳陷的大地構(gòu)造位置處于華南褶皺系以北、雪峰古陸以南的雪峰推覆體后緣滑覆構(gòu)造帶部位，它是在以下古生界淺變質(zhì)巖系為基底的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的晚古生代—中生代的準(zhǔn)地臺(tái)型陸表海沉積坳陷區(qū)［15－16］。坳陷內(nèi)可劃分出“三凸四凹”共7 個(gè)三級(jí)構(gòu)造單元（圖1）。區(qū)內(nèi)由一系列NE—NEE 向展布的復(fù)背斜和復(fù)向斜組成，具隔檔式構(gòu)造樣式。

該區(qū)地層發(fā)育齊全，元古界—中生界均有不同程度的出露。元古界—下古生界主要出露在坳陷周緣隆起帶及坳陷中的凸起帶上；泥盆系—三疊系沉積以碳酸鹽巖夾碎屑巖為主，總厚度大于5 000 m，主要分布在漣源、邵陽、零陵等三個(gè)凹陷中。本次研究的下石炭統(tǒng)孟公坳段分布較廣，區(qū)域上以廣泛發(fā)育碳酸鹽巖為特征，但空間上的巖性、厚度變化較大，厚度一般在50～500 m 之間。在早石炭世巖關(guān)期，湘中地區(qū)發(fā)生陸內(nèi)裂陷，形成了“臺(tái)-盆相間”的裂陷盆地格局（圖2）。由于漣源、邵陽、武崗等地區(qū)的裂陷沉降，形成了三個(gè)深水臺(tái)盆，零陵地區(qū)則形成一個(gè)次深水臺(tái)內(nèi)洼地。在廣闊的湘中臺(tái)地上主要發(fā)育大套淺色厚層狀的碳酸鹽巖沉積，臺(tái)間盆地內(nèi)則發(fā)育暗色碎屑巖夾碳酸鹽巖沉積，過渡相區(qū)(臺(tái)內(nèi)洼地)則發(fā)育厚層狀碳酸鹽巖夾薄層泥頁巖。伴隨著裂陷盆地的形成，本區(qū)發(fā)生大規(guī)模海侵，隨著海平面的逐漸上升，孟公坳時(shí)在深水臺(tái)盆相區(qū)沉積了一套暗色富有機(jī)質(zhì)的泥頁巖。

3 頁巖氣成藏條件

頁巖氣是以自生自儲(chǔ)為主的非常規(guī)天然氣，與常規(guī)天然氣藏相比，頁巖氣藏有著獨(dú)特的地質(zhì)特征與成藏模式，因此頁巖氣的評(píng)價(jià)方法與常規(guī)天然氣相比具有一定的特殊性。本文從烴源條件、保存條件、泥頁巖儲(chǔ)集物性特征以及工程可壓裂性等方面，展開對(duì)湘中坳陷下石炭統(tǒng)巖關(guān)階孟公坳段頁巖氣勘探這一新領(lǐng)域進(jìn)行研究和探索。

3.1 烴源條件

湘中地區(qū)上古生界發(fā)育中上泥盆統(tǒng)棋子橋組和佘田橋組、下石炭統(tǒng)巖關(guān)階孟公坳段和大塘階測(cè)水段、以及上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M等多套烴源巖。對(duì)于石炭系烴源巖，前人更多地關(guān)注測(cè)水段煤系烴源巖［16－17］，然而通過本次野外露頭及室內(nèi)測(cè)試資料的研究后發(fā)現(xiàn)，湘中地區(qū)下石炭統(tǒng)除測(cè)水段之外，還發(fā)育一套相對(duì)更為有利的烴源巖，即孟公坳段泥頁巖。

裂陷槽盆相沉積的孟公坳段黑色泥頁巖主要分布于漣源凹陷中部和邵陽凹陷中西部。本次研究分別對(duì)位于漣源凹陷的冷水江剖面（冷水江城區(qū)東南郊約1 km處）和位于邵陽凹陷的城南剖面（邵陽城區(qū)南郊約3.5 km處）的孟公坳段進(jìn)行了野外實(shí)測(cè)分析（剖面位置見圖2）。

圖2 湘中地區(qū)早石炭世巖關(guān)期巖相古地理圖

（1）冷水江剖面孟公坳段地層的三分性比較明顯，中下部為泥頁巖夾薄層泥灰?guī)r，地層厚76.5m，泥頁巖段累計(jì)厚約65.0m；中部為中厚層狀石灰?guī)r、泥灰?guī)r夾薄層粉砂巖，厚17m；上部以泥頁巖為主，夾多層粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖，地層厚113m，累計(jì)泥頁巖厚約55m。對(duì)野外露頭剖面的泥頁巖發(fā)育段進(jìn)行了系統(tǒng)采樣，33個(gè)樣品的測(cè)試結(jié)果顯示TOC含量為0.57%～4.19%，平均1.32%，屬極好烴源巖（表1），其中TOC含量0.5%~1.0%的樣品10個(gè)，占比30.30%，TOC 含量1.0%~2.0%的樣品21個(gè)，占比63.64%，TOC>2.0%的高豐度烴源巖樣品2個(gè)，占比6.06%（圖3）。

（2）在城南剖面中，孟公坳段地層同樣具有明顯的三分性，下部為黑色頁巖，厚61.7 m；中部發(fā)育中薄層狀石灰?guī)r夾頁巖，厚11.5 m；上部主要為頁巖，厚72 m（圖4）。對(duì)泥頁巖段進(jìn)行系統(tǒng)采樣，41個(gè)樣品的分析結(jié)果顯示TOC值為0.60%～17.81%，平均3.10%（表1），屬于極好烴源巖；其中TOC含量0.5%~1.0%的樣品數(shù)占總樣品數(shù)的21.95%，含量為1.0%~2.0%的樣品占總樣品數(shù)的41.46%，含量>2.0%的高豐度烴源巖樣品占總樣品數(shù)的36.59%（圖3）。與漣源凹陷對(duì)比，邵陽凹陷黑色頁巖更發(fā)育，有機(jī)質(zhì)豐度更高，單層厚度更大。另外，經(jīng)野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)，零陵凹陷的孟公坳段泥頁巖發(fā)育較差，僅局部分布。

表1 湘中坳陷實(shí)測(cè)剖面下石炭統(tǒng)巖關(guān)階孟公坳段烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度統(tǒng)計(jì)表

通過地化測(cè)試分析，孟公坳段泥頁巖的有機(jī)質(zhì)類型以Ⅱ型為主，少量Ⅲ型。有機(jī)顯微組分的定量分析結(jié)果顯示：超微組分26.2%、鏡質(zhì)組40.6%、絲質(zhì)組33.2%，類型指數(shù)12.4。邵陽城南剖面泥頁巖樣品的干酪根δ13C值為-28.6‰～-23.7‰，平均-25.1‰；而冷水江剖面泥頁巖的干酪根碳同位素值稍重，δ13C值為-25.6‰～-22.9‰，平均-24.2‰。因此，從有機(jī)質(zhì)豐度、有機(jī)質(zhì)類型來看，本套泥頁巖具有良好的生氣潛力。從演化程度來看，本套泥頁巖處于高—過成熟階段，鏡質(zhì)體反射率Ro普遍大于2.0%，表明烴源巖處于生氣高峰。有機(jī)質(zhì)成熟作用過程不僅使泥頁巖大量生成天然氣，供泥頁巖達(dá)到飽和吸附，而且隨著成熟度的增加，高的熱演化可以改善泥頁巖的微觀孔隙結(jié)構(gòu)，增加游離氣含量，同時(shí)也可增加巖石脆性，有利于壓裂。

圖3 湘中坳陷野外實(shí)測(cè)剖面下石炭統(tǒng)孟公坳段頁巖樣品有機(jī)質(zhì)豐度統(tǒng)計(jì)圖

圖4 湘中坳陷邵陽城南剖面下石炭統(tǒng)頁巖氣綜合地化剖面

3.2 保存條件

湘中坳陷位于衡山隆起帶與雪峰隆起帶之間的穩(wěn)定地帶，構(gòu)造變形相對(duì)較弱，由一系列復(fù)向斜和復(fù)背斜構(gòu)成。湘中坳陷內(nèi)的凹陷區(qū)斷裂不發(fā)育，巖漿活動(dòng)一般也只發(fā)育在坳陷周緣及坳陷中的部分凸起帶上。凹陷內(nèi)向斜區(qū)的地表出露地層較新，一般為上二疊統(tǒng)—下三疊統(tǒng)，其下伏地層連續(xù)、保存完好。

作為頁巖氣勘探目的層的孟公坳段，其上覆蓋一套有利的油氣蓋層，即下石炭統(tǒng)大塘階測(cè)水段煤系地層［18］，該套蓋層具有良好的油氣封蓋能力，有效蓋層的厚度約60～130 m，突破壓力值高達(dá)18.78～28.19 MPa，中值半徑為3.15～5.38 nm，封閉氣柱高度最高可達(dá)2 734 m（表2）。本套蓋層空間上主要分布于漣源凹陷及邵陽凹陷。

表2 湘中坳陷下石炭統(tǒng)大塘階測(cè)水段蓋層微觀特征數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

因此，綜合考慮構(gòu)造變形特征、巖漿活動(dòng)程度、以及目的層的上覆蓋層等因素，認(rèn)為湘中坳陷巖關(guān)階孟公坳段具有較好的頁巖氣保存條件。

3.3 頁巖物性特征

頁巖氣的賦存狀態(tài)主體是以吸附態(tài)和游離態(tài)兩種方式存在于泥頁巖中，具有自生自儲(chǔ)、吸附成藏、隱蔽聚集等特點(diǎn)［7］。因而頁巖氣儲(chǔ)層相對(duì)于常規(guī)儲(chǔ)層而言也具有其自身的特殊性，然而，對(duì)于頁巖氣儲(chǔ)層的評(píng)價(jià)，目前則尚沒有統(tǒng)一的規(guī)范［5，19］。通常情況下，頁巖氣儲(chǔ)層都具有低孔低滲特征，美國(guó)主要產(chǎn)氣頁巖儲(chǔ)層的巖心分析，總孔隙度分布在2.0%～14.0%之間，滲透率一般小于0.1×10-3μm2［5，7］。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)上揚(yáng)子地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組產(chǎn)氣頁巖的孔隙度進(jìn)行過測(cè)定分析［5］，總體上孔隙度在0.77%～19.5%之間，平均為5.05%，滲透率在（0.0013～0.058）×10-3μm2之間，平均為0.0102×10-3μm2。湘中坳陷下石炭統(tǒng)巖關(guān)階孟公坳段泥頁巖段儲(chǔ)層物性的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，漣源凹陷冷水江剖面的頁巖孔隙度為0.51%~2.76%，平均為1.22%，滲透率為（0.16～0.98）×10-3μm2，平均0.34×10-3μm2；邵陽凹陷城南剖面的頁巖孔隙度為0.53%～2.83%，平均1.57%，滲透率為(0.13～0.78)×10-3μm2，平均0.32×10-3μm2（圖4）。相比于國(guó)內(nèi)外工業(yè)性頁巖氣儲(chǔ)層而言，湘中坳陷孟公坳段頁巖氣儲(chǔ)層具有較低的孔隙度，但滲透性明顯好于國(guó)內(nèi)外同類儲(chǔ)層。因此，總體來說湘中坳陷孟公坳段仍然具有良好的頁巖氣賦存能力。

通過頁巖樣品的掃描電鏡分析，可以看出研究區(qū)孟公坳段頁巖具備頁巖氣賦存的儲(chǔ)集空間（圖5）。頁巖中多見溶蝕微孔隙（圖5a），部分樣品中發(fā)育良好的蜂窩狀微孔，面孔率在2%～4%不等，孔徑多在10～30 μm間；大多數(shù)樣品中可見溶蝕作用或構(gòu)造作用形成的張裂縫（圖5b），縫寬約10 μm。由于對(duì)泥頁巖等溫吸附曲線的測(cè)定可以在一定程度上用來定量分析泥頁巖理論吸附量的大小，因此通過對(duì)邵陽城南剖面地表頁巖樣品的等溫吸附實(shí)驗(yàn)表明，在地表常壓下，孟公坳段頁巖的蘭格繆爾體積仍可達(dá)1.93 m3/t，顯示出該段頁巖良好的天然氣吸附性能。

巖石礦物含量分析統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，湘中坳陷孟公坳段泥頁巖中黏土礦物含量為11%～66%，平均40%，碳酸鹽巖礦物含量為2%～40%，平均32%，碎屑礦物含量為26%～60%，平均28%（圖4）。從其脆性礦物的含量來看，石英+方解石+黃鐵礦等含量超過了30%，這與目前國(guó)內(nèi)外正在進(jìn)行頁巖氣工業(yè)開采的泥頁巖儲(chǔ)層具有較好的相似性，因此，可以預(yù)計(jì)孟公坳頁巖具有良好的可壓裂性。

圖5 湘中坳陷下石炭統(tǒng)頁巖孔隙結(jié)構(gòu)特征

另外，本套泥頁巖的上覆地層與下伏地層均具有良好的頂、底板條件。其上覆地層劉家塘段—石磴子段，巖性為一套深灰色—灰色的石灰?guī)r、泥灰?guī)r等，區(qū)域上厚度在50～275 m 之間，其下伏地層邵東段，巖性為一套淺灰色、灰色的石灰?guī)r、生物碎屑灰?guī)r以及含泥質(zhì)灰?guī)r等，區(qū)域上厚度在30～207m 之間。本套泥頁巖在區(qū)域上埋深相對(duì)較淺，一般為500～2 000 m，適宜于當(dāng)前技術(shù)條件下的頁巖氣開發(fā)。

4 頁巖氣勘探前景

通過對(duì)湘中坳陷下石炭統(tǒng)頁巖氣成藏條件的初步研究分析后認(rèn)為，湘中地區(qū)下石炭統(tǒng)巖關(guān)階孟公坳段泥頁巖具有良好的頁巖氣勘探前景。區(qū)域上以邵陽凹陷最為有利，其次為漣源凹陷，零陵凹陷本套頁巖發(fā)育較差，潛力較小。其中，邵陽凹陷下石炭統(tǒng)巖關(guān)階孟公坳段泥頁巖厚度約50～150 m，最大單層厚度可達(dá)40 m，在凹陷內(nèi)的向斜區(qū)普遍發(fā)育，具有較大規(guī)模；TOC 含量為0.40%～11.87%，具有較高的有機(jī)質(zhì)豐度，且高豐度泥頁巖段相對(duì)集中發(fā)育；有機(jī)質(zhì)類型主體為Ⅱ1型，部分為Ⅱ2—Ⅲ型，Ro值普遍大于2.0%，具有較好的生氣潛力；地震解釋資料（圖6）顯示，邵陽凹陷內(nèi)地層保存完好、巖漿及斷裂活動(dòng)不發(fā)育，有利于油氣藏的保存。因此，加強(qiáng)對(duì)湘中坳陷下石炭統(tǒng)孟公坳段頁巖氣潛力評(píng)價(jià)具有現(xiàn)實(shí)意義。

圖6 湘中邵陽凹陷SY2013-NE35 線地震地質(zhì)解釋剖面

5 結(jié) 論

湘中坳陷下石炭統(tǒng)巖關(guān)階孟公坳段泥頁巖，是一套前人未予充分關(guān)注、研究程度極低的地層，本文通過頁巖氣成藏的各項(xiàng)關(guān)鍵條件，即烴源條件、保存條件、頁巖氣賦存條件及頁巖可壓裂性等的分析，綜合認(rèn)為孟公坳段泥頁巖具有良好的頁巖氣勘探前景：

（1）孟公坳段泥頁巖是本區(qū)一套有利的烴源巖，具有較高的有機(jī)質(zhì)豐度，有機(jī)質(zhì)類型較好，處于過成熟演化階段（Ro>2.0%），具備良好的頁巖氣成藏物質(zhì)基礎(chǔ)；

（2）孟公坳段泥頁巖發(fā)育頁巖氣賦存空間，且具有良好的吸附性能。巖石礦物含量特征以及良好的頂?shù)装鍡l件為頁巖壓裂改造提供了優(yōu)越的條件；

（3）坳陷內(nèi)構(gòu)造活動(dòng)相對(duì)較弱，加上良好的蓋層條件，有利于頁巖氣藏的形成和保存。

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