湘西北地區(qū)下志留系龍馬溪組頁巖氣勘探開發(fā)潛力研究

魯昊

【摘 要】為了查明西北下志留系龍馬溪組頁巖氣開發(fā)潛力，基于龍馬溪組鉆井巖心的測試分析數(shù)據(jù)，采用數(shù)理統(tǒng)計及對比分析方法，分析了湘西北龍馬溪組沉積特征、生烴潛力以及儲層物性特征等方面。結(jié)果表明：湘西北龍馬溪組沉積環(huán)境由淺水陸棚相逐漸過渡到深水陸棚相沉積，其底部巖性主要為黑色碳質(zhì)泥巖，且含有大量筆石，厚度為4.8-17m；龍馬溪組頁巖干酪根類型以I型為主，Ro平均值大于2%，達(dá)到高熱演化程度；龍馬溪組儲層主要發(fā)育無機孔隙與微裂縫，有機質(zhì)孔隙較少?？紫抖燃皾B透率較差，但脆性礦物含量較高（≥50%），同時由于各種類型的微孔、微裂隙相對發(fā)育，決定了湘西北龍馬溪組底部具有一定生烴潛力、較高的頁巖氣富集空間以及有利的人工壓裂改造因素，具有一定的開發(fā)潛力。

【關(guān)鍵詞】湘西北；龍馬溪組；頁巖氣；開發(fā)潛力

引言

受國際石油資源緊缺、環(huán)境及能源安全的影響，頁巖氣、煤層氣等非常規(guī)能源成為國內(nèi)外能研究的熱點[1]。我國四川盆地及其周緣地區(qū)具有良好的頁巖氣形成地質(zhì)條件和資源潛力，四川盆地龍馬溪組頁巖氣勘探已獲得重大突破[2]，國內(nèi)學(xué)者主要從頁巖氣形成的地質(zhì)條件[3-5]、成藏機理與富集規(guī)律[6-9]、頁巖氣資源評價方法[10-11]和戰(zhàn)略意義[12]等方面進(jìn)行了研究。但與之相鄰且同屬于上揚子板塊的湘西北地區(qū)研究程度還很低[13]。本文從以湘西北地區(qū)頁巖氣區(qū)塊地質(zhì)背景、生烴條件、儲集層特征等幾個方面研究，分析了湘西北頁巖氣勘探開發(fā)潛力。

1.區(qū)域地質(zhì)概況

湘西北地區(qū)與四川盆地同屬上揚子板塊，從震旦紀(jì)到泥盆紀(jì)該板塊主要表現(xiàn)為克拉通海相盆地，沉積了系列海相層系。三疊紀(jì)開始由于區(qū)域構(gòu)造演化，盆地發(fā)生構(gòu)造反轉(zhuǎn)，發(fā)育了系列逆沖推覆構(gòu)造和類前陸盆地，后再經(jīng)侏羅紀(jì)和喜馬拉雅運動期兩期改造，形成現(xiàn)今以北北東或北東走向為主的褶皺和斷裂體系，地形上多表現(xiàn)為高山峻嶺[13]。

揚子地臺從震旦紀(jì)開始發(fā)生大規(guī)模海浸，廣泛接受沉積，總體上為干旱的缺氧環(huán)境，水體含鹽度中等，沉積環(huán)境為淺海陸棚相，形成陡山坨組、燈影組。早寒武世早期整個揚子地臺總體處于短暫的快速海進(jìn)和緩慢海退沉積背景下，為深水陸棚環(huán)境，沉積了一套黑色泥頁巖；后期沉積環(huán)境逐漸變淺，由早期深水陸棚逐漸向淺水陸棚及潮坪演化。在晚奧陶世-早志留世，海水由南向北入侵，開始多呈海灣狀，海水深而不暢，沉積滯流相黑色頁巖和硅質(zhì)巖，即上奧陶統(tǒng)五峰組-下志留統(tǒng)龍馬溪組海相黑色頁巖，筆石大量聚集；隨著海盆擴大，處于潮下-淺海陸棚環(huán)境，沉積了頁巖、粉砂巖、泥灰?guī)r等組合建造（圖1）。受到加里東期雪峰山構(gòu)造抬升影響，湘鄂西至北西川東方向水體逐漸加深：由淺水陸棚相逐漸過渡到深水陸棚相沉積。

2.生烴潛力

2.1龍馬溪組巖性特征

龍馬溪組自下至上初步可以劃分出三個層段，巖性變化規(guī)律為黑色碳質(zhì)泥巖、黑色碳質(zhì)粉砂巖、黑色硅質(zhì)泥巖-脈狀層理粉砂巖-黑色泥巖、黑色碳質(zhì)泥巖、脈狀層理粉砂巖互層，顯示出水體由深到淺再到深形成的退積-進(jìn)積-退積序列，海平面總體上逐漸下降，同時伴隨振蕩性變化，其主要因素受控于幕式區(qū)域性構(gòu)造運動。

龍馬溪組底部主要巖性為黑色碳質(zhì)泥巖發(fā)育，厚度區(qū)間為4.8～17m，富含黃鐵礦粉末條帶及筆石化石，間夾多層厚度1～8cm斑脫巖層，為典型的深水滯留缺氧盆地沉積物，相當(dāng)于前人所述的深水陸棚相。

龍馬溪組中部主要發(fā)育黑色粉砂質(zhì)泥巖、黑色碳質(zhì)粉砂巖、灰色粉砂巖，厚度為8～58m。最下部粉砂質(zhì)泥巖中發(fā)育塊狀層理，黑色碳質(zhì)粉砂巖中發(fā)育水平紋層，粉砂巖中發(fā)育脈狀層理，三者組合為濁積巖段，為反粒序沉積，是多次濁積扇形成的進(jìn)積型沉積序列。黑色粉砂質(zhì)泥巖、黑色碳質(zhì)粉砂巖發(fā)育筆石化石，但較底部筆石數(shù)量明顯減少，且筆石個體加大，形態(tài)復(fù)雜，多為珊筆石或鋸筆石。脈狀層理粉砂巖中筆石不發(fā)育，為水動力較強環(huán)境下形成的砂泥互層沉積，早期相對平靜環(huán)境已被打破，形成了相對高能水體，筆石生物生存環(huán)境受到一定程度限制，且沉積物粒度逐漸加粗，其電性特征明顯區(qū)別于下伏地層，區(qū)域上廣泛沉積了脈狀層理粉砂巖，為濁積扇遠(yuǎn)端相沉積。

龍馬溪組頂部，主要發(fā)育黑色碳質(zhì)泥巖、黑色硅質(zhì)泥巖、灰色泥質(zhì)粉砂巖、灰黑色泥巖。該段厚度變化較大，為20～90 m，形成典型的韻律層理，組成小型鮑馬序列倒置現(xiàn)象，向上泥質(zhì)粉砂巖含量增加，韻律頻率降低。在灰色粉砂巖中可見波狀層理、脈狀層理、槽狀層理及楔狀層理，筆石化石不發(fā)育，黑色泥巖中發(fā)育水平紋層、塊狀層理，筆石化石發(fā)育，電性資料可見整體低值區(qū)中出現(xiàn)多個指狀高峰，為濁積扇遠(yuǎn)端相沉積。

由龍馬溪組三個層段的巖性分析可知，龍馬溪組底部的巖性主要為黑色碳質(zhì)泥巖，厚度適中且含有大量的筆石，是良好的烴源巖，其含氣性及生烴能力都強于其他層段。

2.2 龍馬溪組有機碳含量

目前普遍認(rèn)為要獲得具有工業(yè)價值的頁巖氣藏，有機碳的平均含量應(yīng)大于2%，隨著開采技術(shù)的進(jìn)步該下限值可能會降低。阿巴拉契亞Ohio頁巖、密執(zhí)安Antrim頁巖及伊利諾斯New Albany頁巖TOC最高，均高于10%。分析認(rèn)為，研究區(qū)頁巖含氣量與TOC呈顯著的正相關(guān)系，體現(xiàn)出TOC為研究區(qū)含氣量的主控因素。研究區(qū)鉆井巖心測試的平均有機碳含量分別為2.69%、2.65%、2.33%、2.48%，均屬于高有機碳含量（>2%，圖2），低于彭水、焦石壩區(qū)塊，高于圣胡安Lewis頁巖。較高的有機碳含量成為龍馬溪組具有較強生烴潛力的物質(zhì)基礎(chǔ)。

2.3 龍馬溪組有機質(zhì)類型及成熟度

研究區(qū)龍馬溪組頁巖干酪根類型以I型為主，個別II型，III型很少見。由低等水生生物經(jīng)腐泥化作用形成，成熟度較高；基本骨架以脂肪環(huán)為主，直鏈脂肪結(jié)構(gòu)。富氫貧氧，H/C 高，一般大于1.45%；O/C 值小于0.05%，生氣潛力大；δ13C 同位素含量一般小于-2.8%。

龍馬溪組頁巖所采集樣品中，有機顯微組分以腐泥組為主，少量殼質(zhì)組及樹脂體，較難找到鏡質(zhì)體，所測反射率主要以瀝青反射率和比石反射率為主，折算為鏡質(zhì)體反射率（等效Ro）。龍馬溪組頁巖鏡質(zhì)體反射率Ro平均值大于2%（圖3），與彭水、焦石壩區(qū)塊相當(dāng)，高于北美五大頁巖盆地頁巖，達(dá)到高熱演化程度。較高的成熟度成為龍馬溪組生烴潛力的不利因素。

3.龍馬溪組儲層物性特征

3.1儲層孔裂隙特征

本區(qū)龍馬溪組底部優(yōu)質(zhì)含氣頁巖的孔隙孔徑以納米級為主，按其成因類型劃分為基質(zhì)無機孔、有機孔、微裂縫3大類。這是因為頁巖氣儲層中天然存在的裂隙和微、納米級孔隙，使得頁巖氣體不僅以游離態(tài)形式儲存和富集于裂隙等大孔隙中，還以吸附態(tài)儲存和富集于微孔隙表面上；而大孔隙有利于氣體的滲流，微孔則有利于氣體的聚集。掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，頁巖儲層的儲滲空間可分為巖石基質(zhì)孔隙和裂縫。研究內(nèi)龍馬溪儲層段主要發(fā)育的基質(zhì)孔隙按薛冰、張金川等人提出的劃分方案可劃分為粒間孔、粒內(nèi)孔、晶間孔、化石孔和有機質(zhì)孔。

研究區(qū)樣品主要發(fā)育無機孔隙與微裂縫（圖4），有機質(zhì)孔隙太少。多數(shù)樣品中有機質(zhì)零散分布，還發(fā)現(xiàn)黃鐵礦集合體內(nèi)部有機質(zhì)微孔不發(fā)育，伴生微量纖維狀粘土礦物。硅質(zhì)顆粒等脆性礦物的存在對改善儲層的滲透性具有積極的影響，雖然個別樣品的孔隙呈閉合狀態(tài)，但由于各種類型的微孔相對發(fā)育，尤其是微裂縫較多，樣品的儲滲空間整體較好。頁巖氣主要以游離氣及吸附氣為主，吸附氣主要吸附在孔隙的表面上，微孔隙越發(fā)育，孔隙的比表面積越大，越利于氣體的吸附；游離氣主要分布于儲層的微裂隙中，微裂隙越發(fā)育，頁巖氣的富集空間越大。因此，良好的孔裂隙系統(tǒng)成為湘西北頁巖氣富集的主要因素。

3.2儲層孔隙度和滲透率特征

孔隙度及滲透率是頁巖氣富集及運移的主要參數(shù)，孔隙度主要決定了頁巖氣的儲集空間大小，而滲透率決定了頁巖氣后期開采運移的暢通程度，滲透率越大，頁巖氣運移越容易，后期排采產(chǎn)能越高，因此，孔隙度，決定了頁巖氣富集的基礎(chǔ)，而滲透率決定了后期頁巖氣排采的難易程度。根據(jù)研究區(qū)龍馬溪組已鉆井巖心分析，研究區(qū)優(yōu)質(zhì)含氣頁巖儲層具有特低孔超低滲的物性特征。分別測得四口鉆井巖心的孔隙度、滲透率，其中1104～1117m井段的孔隙度為1.74%，滲透率為20nd；906m～921m井段的樣品2.38～2.76%，平均2.54%，滲透率2.2～3.3nd，平均滲透率為2.6nd；981～989m井段的孔隙度為0.5～2.17%，平均孔隙度為1.49%，滲透率為10～60nd，平均滲透率為30nd；2750～2766m井段的孔隙度為0.22～1.35%，平均孔隙度為僅為0.87%。較低的孔隙度以及滲透率一定程度影響了頁巖氣的后期開發(fā)。因此，為了得到較高的頁巖氣產(chǎn)能，需要對頁巖氣儲層進(jìn)行一定的壓裂改造。

為了分析研究區(qū)龍馬溪組孔隙度與埋深的關(guān)系，將測的孔隙度與深度的數(shù)據(jù)繪制成散點圖（圖5），通過對比發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)龍馬溪組底部優(yōu)質(zhì)含氣頁巖的孔隙度與深度呈正相關(guān)關(guān)系，即埋深大的地區(qū)成巖演化作用強，孔隙度低，當(dāng)埋深小于1000m時，孔隙度普遍大于1.5%，因此埋深小于1000m時成為湘西北龍馬溪組頁巖氣賦存的有利深度。

3.3 儲層礦物類型

礦物類型對儲層的可壓裂性具有決定性作用，脆性礦物越高，越利于儲層形成網(wǎng)絡(luò)型裂縫，壓裂時可使半封閉、封閉孔變成開放孔，利于后期的壓裂、排采階段。對研究區(qū)龍馬溪組四口鉆井巖心進(jìn)行了礦物類型測試，其中脆性礦物平均含量分別為55.0%、66.9%、67.2%，、65.4%（見表1），總體脆性礦物含量高，均高于行業(yè)壓裂標(biāo)準(zhǔn)（≥30%）。脆性礦物是頁巖氣儲層可壓裂的基礎(chǔ)條件，脆性礦物越高，越利于儲層的人工壓裂，可形成網(wǎng)狀的人工裂縫，且不易閉合，為后期頁巖氣的排采提供了運移通道，因此，當(dāng)研究區(qū)孔隙度及滲透率較差的時候，高含量的脆性礦物成為頁巖氣可開采的有力補充。

測試樣品的粘土礦物中，均含有伊/蒙（I/S）混層、伊利石（I）和綠泥石（C），其中伊利石的含量最高。伊利石和綠泥石在埋藏成巖過程中，若孔隙水保持堿性，二者可保持穩(wěn)定而不發(fā)生變化。若孔隙水為酸性，則二者均不穩(wěn)定，并且可以轉(zhuǎn)化為高嶺石。這種逆向轉(zhuǎn)化是一種退變作用，常出現(xiàn)于表生成巖環(huán)境。成巖早期，酸性介質(zhì)，溫度低于80～100℃的環(huán)境中，幾乎不出現(xiàn)綠泥石，因綠泥石是溶解的。但在泥質(zhì)沉積物中時代愈老，或埋藏愈深綠泥石的含量增加。樣品中伊利石和綠泥石的含量較高，不含高嶺石。由于高嶺石具有很強的遇水膨脹膠結(jié)的特性，會降低井的壓裂效果。因此，其他條件相同的情況下，研究區(qū)生產(chǎn)井的壓裂效果可能優(yōu)于其西部的彭水、焦石壩區(qū)塊。

4. 結(jié)論

通過對湘西北地區(qū)龍馬溪組頁巖氣地質(zhì)背景、生烴條件、儲層物性等方面研究分析，主要取得以下結(jié)論：

（1）湘西北龍馬溪組沉積環(huán)境由淺水陸棚相逐漸過渡到深水陸棚相沉積。龍馬溪組底部的巖性主要為黑色碳質(zhì)泥巖，且含有大量筆石，厚度為4.8～17m，是頁巖氣富集的主要層位，其含氣性及生烴能力都強于其他層段。

（2）研究區(qū)龍馬溪組頁巖干酪根類型以I型為主，Ro平均值大于2%，達(dá)到高熱演化程度，較高的成熟度成為龍馬溪組生烴潛力的不利因素。

（3）研究區(qū)龍馬溪組主要發(fā)育無機孔隙與微裂縫，有機質(zhì)孔隙較少?？紫抖燃皾B透率較差，但硅質(zhì)顆粒等脆性礦物（≥50%）的存在對改善儲層的滲透性具有積極的影響，同時由于各種類型的微孔、微裂隙相對發(fā)育，成為湘西北龍馬溪組頁巖氣富集及儲層人工壓裂的有利因素。

綜合分析認(rèn)為，湘西北地區(qū)龍馬溪組底部頁巖氣具有一定的勘探開發(fā)潛力。

參考文獻(xiàn)：

[1]王紅巖，李景明，趙 群，等.中國新能源資源基礎(chǔ)及發(fā)展前景展望[J].石油學(xué)報，2009，30（3）：469-474.

[2]黃金亮，鄒才能，李建忠，等.川南志留系龍馬溪組頁巖氣形成條件與有利區(qū)分析[J].煤炭學(xué)報，2012， 37（ 5） ： 782 - 787.

[3]李新景，呂宗剛，董大忠，等.北美頁巖氣資源形成的地質(zhì)條件[J].天然氣工業(yè)，2009，29（5）：27-32.

[4]李登華，李建忠，王社教，等.頁巖氣藏形成條件分析[J].天然氣工業(yè)，2009，29（5）：22-26.

[5]王 祥，劉玉華，張 敏，等.頁巖氣形成條件及成藏影響因素研究[J].天然氣地球科學(xué)，2010，21（2）：350-356.

[6]張金川，金之鈞，袁明生.頁巖氣成藏機理和分布[J].天然氣工業(yè)，2004，24（7）：15-18.

[7]聶海寬，唐 玄，邊瑞康.頁巖氣成藏控制因素及中國南方頁巖氣發(fā)育有利區(qū)預(yù)測[J].石油學(xué)報，2009，30（4）：484-491.

[8]陳更生，董大忠，王世謙，等.頁巖氣藏形成機理與富集規(guī)律初探[J].天然氣工業(yè)，2009，29（5）：17-21.

[9]張金川，姜生玲，唐 玄，等.我國頁巖氣富集類型及資源特點[J].天然氣工業(yè)，2009，29（12）：109-114.

[10]董大忠，程克明，王世謙，等.頁巖氣資源評價方法及其在四川盆地的應(yīng)用[J].天然氣工業(yè)，2009，29（5）：33-39.

[11] 朱 華，姜文利，邊瑞康，等.頁巖氣資源評價方法體系及其應(yīng)用：以川西坳陷為例[J].天然氣工業(yè)，2009，29（12）：130-134.

[12] 張金川，汪宗余，聶海寬，等.頁巖氣及其勘探研究意義[J].現(xiàn)代地質(zhì)，2008，22（4）：640-646.

[13] 林拓，張金川，李博，等。湘西北地區(qū)龍馬溪組頁巖氣聚集條件與含氣性分析[J]。新疆石油地質(zhì)，2014，35（5）：507-510.