天峨‐南丹地區(qū)泥盆系羅富組頁巖氣成藏條件及有利區(qū)預(yù)測

郭 文，張朝鋒，王曉鵬

（核工業(yè)二〇三研究所，陜西咸陽 712000）

桂中坳陷歷經(jīng)四十多年的勘探歷程，一直未獲得實質(zhì)性突破。但桂中坳陷暗色泥頁巖廣泛發(fā)育，生儲蓋組合完整，構(gòu)造圈閉類型多樣等特征，與四川盆地的含氣頁巖特點極為相似，其良好的地質(zhì)條件備受石油地質(zhì)學(xué)家所矚目[1–2]。國內(nèi)許多學(xué)者已在廣西泥盆系做了大量的研究工作，對桂中坳陷泥盆系的油氣研究相對較多，但對桂西北羅富組烴源巖的研究相對甚少[3–5]。吳國干、陳叢林[6–7]等人認(rèn)為桂中地區(qū)中泥盆統(tǒng)中期–晚泥盆統(tǒng)早期，臺盆范圍擴(kuò)大，形成了臺盆與臺地相間的古地理格局，發(fā)育一套半深水–深水臺盆相羅富組黑色頁巖和硅質(zhì)泥巖、硅質(zhì)巖沉積。林良彪[8]等認(rèn)為羅富組暗色泥頁巖從南丹、河池往南至柳州到鹿寨、永福一帶均有分布，烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度高，有機(jī)質(zhì)類型為混合型和腐殖型。賀訓(xùn)云[9]認(rèn)為桂中坳陷主要發(fā)育中下泥盆統(tǒng)羅富組、納標(biāo)組海相優(yōu)質(zhì)烴源巖，具備形成大中型油氣田的物質(zhì)基礎(chǔ)。但對于泥盆系的頁巖氣，尤其是泥頁巖儲集特征、含氣性特征的研究較為薄弱，本文從桂西北天峨–南丹地區(qū)中泥盆統(tǒng)羅富組泥頁巖的厚度、空間展布、地球化學(xué)特征、儲集特征及含氣性等進(jìn)行了深入分析，優(yōu)選了頁巖氣有利勘探區(qū)帶。

1 研究區(qū)地質(zhì)背景

廣西天峨–南丹地區(qū)位于桂中坳陷西北部邊緣，通過紫云–羅甸斷坳與黔南坳陷、南盤江坳陷相接，構(gòu)造上以丹池斷裂帶東界為界，分為兩大構(gòu)造單元。即東部臺限區(qū)和西部右江再生地槽區(qū)，面積約 832 km2（圖1）。研究區(qū)內(nèi)構(gòu)造變動強(qiáng)烈，巖漿活動頻繁，自西南而東北可分為北西向羅屯–龍臘斷裂帶、近南北向六寨大斷裂、近南北向巴平雁列褶皺帶，為典型的三級構(gòu)造，各帶之間無嚴(yán)格界限，相互滲透。

2 羅富組泥頁巖空間展布

研究區(qū)內(nèi)暗色泥頁巖分布受相帶控制明顯，屬加里東基底上沉積的晚古生代海相地層。中泥盆統(tǒng)早期，桂中坳陷全區(qū)拉張接受沉積，海侵范圍由南向北擴(kuò)展，臺地–盆地沉積格局顯露；中期隨著裂陷加劇，相對海平面較高，臺盆范圍再次擴(kuò)大，形成臺地邊緣、臺緣斜坡、深水盆地相間的古地理格局[10]。實測剖面、鉆探結(jié)果表明，研究區(qū)內(nèi)羅富組為一套半深水–深水相暗色含炭質(zhì)泥巖、頁巖、灰?guī)r與泥質(zhì)灰?guī)r建造，局部夾少量硅質(zhì)巖, 反映水體相對較深、能量較低的臺盆相沉積環(huán)境。納標(biāo)組之上連續(xù)沉積羅富組地層總厚為 382～509 m[11]，區(qū)內(nèi)羅富組沉積厚度大于459 m，橫向上沉積變化明顯，自西而東沉積厚度增厚，剖面測量羅富組上段暗色泥頁巖最大厚度可達(dá)114.24 m，單層最大厚度40.18 m；羅富組下段黑色泥頁巖最大厚度26.44 m，單層最大厚度13.70 m?？v向上羅地1井鉆遇羅富組地層厚度為570.60 m，有效暗色泥頁巖總厚度為 72.45 m，最大單層厚度為66.50 m（表1）。整體而言，區(qū)內(nèi)羅富組沉積中心位于巖上、拉希至大山一帶，最大沉積厚度可達(dá)200 m以上（圖2）。

圖1 天峨–南丹地區(qū)地質(zhì)簡圖

表1 天峨–南丹地區(qū)中泥盆統(tǒng)羅富組泥頁巖厚度及有機(jī)碳含量、成熟度統(tǒng)計

圖2 天峨–南丹地區(qū)泥盆系巖相古地理與暗色泥頁巖厚度

3 頁巖氣的富集條件

3.1 有機(jī)地球化學(xué)特征

研究區(qū)羅富組泥頁巖有機(jī)碳含量表現(xiàn)為打內(nèi)–龍臘村一線以東TOC含量呈由西向東增加的趨勢，高值區(qū)位于巖上–拉希一帶，最高可達(dá)4.16%，巖上–拉希一帶發(fā)育多期的花崗斑巖脈，與燕山晚期的熱液活動密切相關(guān)，因此推測該區(qū)可能為中泥盆統(tǒng)羅富組烴源巖的沉積中心（圖 3）。PM05、PM08、PM09剖面50個羅富組泥頁巖樣品測定中，TOC的平均值為 2.36%，依照我國古生界海相烴源巖生烴潛力評價等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，中泥盆統(tǒng)羅富組暗色泥頁巖為中等烴源巖。從野外露頭剖面和羅地1井的TOC縱向分布序列來看，羅富組泥頁巖有機(jī)碳含量非均質(zhì)性強(qiáng)，上段有機(jī)碳含量明顯高于下段，向下有機(jī)碳含量的趨勢減小，但有機(jī)碳含量變化不大，受地層巖性控制，羅富組上段以炭質(zhì)泥頁巖為主，下段較大部分以泥質(zhì)灰?guī)r、泥灰?guī)r為主，有機(jī)碳含量相對較低，為1.20%～1.65%，平均為1.16%；羅富組上段暗色泥頁巖的TOC比下段高，推斷羅富組上段暗色泥頁巖是頁巖氣勘探開發(fā)的有利層段。

天峨–南丹地區(qū)上古生界泥頁巖沉積后經(jīng)歷了多期次的構(gòu)造運(yùn)動，熱演化史復(fù)雜，泥頁巖熱演化程度普遍偏高。鏡質(zhì)體反射率Ro平面展布特征與有機(jī)碳含量TOC呈現(xiàn)相似性，總體呈現(xiàn)由西向東增加的趨勢，Ro平均在2.0%以上，為過成熟的生干氣階段；PM05羅屯村剖面局部樣品測定Ro可達(dá)3.2%，拉希PM09剖面樣品測定Ro最高可達(dá)3.31%，已達(dá)到過成熟的晚期，熱液活動頻繁可能導(dǎo)致該區(qū)的有機(jī)質(zhì)熱演化程度變高；縱向上來看，羅地1井取樣測定Ro變化范圍不大，平均值為2.53%，羅富組下段（D2l1）略高于上段（D2l2），更好地解釋了羅屯村剖面出現(xiàn)個別Ro高值的原因（圖3）。綜合分析研究區(qū)羅富組暗色泥頁巖均達(dá)到了高–過成熟階段。

圖3 天峨–南丹地區(qū)中泥盆統(tǒng)羅富組泥頁巖Ro與TOC等值線

3.2 泥頁巖儲層特征

頁巖中的礦物組成及含量不僅決定著頁巖的儲層物性、力學(xué)性質(zhì)，同時也是影響含氣量的關(guān)鍵因素。脆性礦物（如石英、長石、碳酸鹽礦物等）的富集比主要黏土礦物的富集的巖石易產(chǎn)生裂縫，一般認(rèn)為，脆性礦物含量高于30%、黏土礦物含量小于40%才具備商業(yè)開發(fā)價值[12]。研究區(qū)中泥盆統(tǒng)羅富組礦物成分主要為石英、方解石、黃鐵礦和黏土礦物及少量長石，石英平均含量為30.5%，碳酸鹽礦物平均含量為24.6%，黏土礦物平均含量為42.2%。黏土礦物定量分析主要為伊利石，其次為綠泥石、高嶺石，不含蒙皂石，有少量伊/蒙混層，羅富組無蒙脫石存在，表明蒙脫石向伊利石轉(zhuǎn)化處于伊利石階段。羅富組伊/蒙混層間層比為10% 或 12%，鏡質(zhì)體反射率Ro2.28%～3.5%，綜合有機(jī)質(zhì)成熟度和伊/蒙混層間層比，根據(jù)中華人民共和國石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《SY/T5477–2003碎屑巖成巖階段劃分》，羅富組泥頁巖成巖演化階段為晚成巖B期，巖石礦物向脆性且穩(wěn)定的方向轉(zhuǎn)化[13]，為后期儲層改造提供了良好的礦物條件。

泥頁巖中大量的孔隙及裂隙為頁巖氣的聚集提供了良好的儲集空間[14]。按孔隙大小可分為微孔（孔隙直徑≥0.75 μm）和納米孔（孔隙直徑＜0.75 μm）兩種尺度孔隙，還將孔徑＜0.75 μm 的納米孔隙劃分為：有機(jī)質(zhì)孔隙、粒間孔隙、粒內(nèi)孔隙以及混合孔隙，同時在成巖過程中，原生孔隙中充填的石英、長石、碳酸鹽礦物容易被溶蝕，形成次生溶蝕微孔。野外露頭及羅地1井樣品掃描電鏡分析結(jié)果表明：天峨–南丹地區(qū)羅富組泥頁巖微孔隙、微裂縫發(fā)育，粒間孔隙主要表現(xiàn)為片狀礦物支撐和疊置的粒間孔，孔徑3～5 μm（圖4a、b）；溶蝕孔隙表現(xiàn)為長石表面溶蝕的蜂窩孔隙與碳酸鹽巖顆粒表面的溶蝕孔隙（圖4c、d）；有機(jī)質(zhì)孔隙主要表現(xiàn)為藻體類腔形成的篩孔及粒間孔間有機(jī)質(zhì)顆粒形成的格架孔（圖4e、f），孔隙直徑峰值為20 nm～5 μm，表現(xiàn)為納米–微孔特征。

圖4 天峨–南丹地區(qū)中泥盆統(tǒng)羅富組暗色泥頁巖孔隙結(jié)構(gòu)特征

3.3 保存條件是頁巖氣富集的關(guān)鍵

頁巖含氣量是頁巖氣資源評價和有利區(qū)優(yōu)選的關(guān)鍵參數(shù)。研究區(qū)羅地1井巖心樣品現(xiàn)場解吸實驗結(jié)果普遍偏低，解析總含氣量為0.080～0.267 m3/t，平均為0.144 m3/t，其中羅富組上段（D2l2）含氣量略高于羅富組下段（D2l1），受1 013.70～1 080.25 m優(yōu)質(zhì)炭質(zhì)泥頁層段控制，總含氣量平均為 0.139 m3/t；地溫（20 ℃）解析含氣量均在0.05 m3/t左右，含氣量較差，而高溫解析為地溫解析含氣量的兩倍左右，表明羅富組泥頁巖具有一定的生烴潛力，但現(xiàn)場未得到較高的解析氣量，與該區(qū)的泥頁巖保存條件密切相關(guān)。

初步分析認(rèn)為：構(gòu)造運(yùn)動是破壞油氣藏的主要因素，燕山運(yùn)動使桂中坳陷發(fā)生全面的褶皺和斷裂活動，并對印支運(yùn)動形成的構(gòu)造進(jìn)一步改造，使之復(fù)雜化，羅甸–紫云大斷裂自北向南穿過研究區(qū)，對油氣藏的聚集具有一定的破壞作用；研究區(qū)龍臘村一線以東羅富組目的層埋深為800～1 200 m，受沉積特征和構(gòu)造控制，對比涪陵頁巖氣產(chǎn)層的埋深大于2 000 m而言，整體埋深較淺，賦存條件相對較差；上覆巖性為灰?guī)r、泥灰?guī)r地層，易發(fā)育溶洞、溶孔，且缺乏有效的隔水層，大氣水下滲–向心流十分發(fā)育，影響范圍廣、持續(xù)時間長，也是破壞油氣藏的一個重要因素；后期巖漿活動頻繁使已形成的油氣和油源物質(zhì)遭受烘烤而發(fā)生裂解、瀝青化及碳化等現(xiàn)象，巖漿體上侵產(chǎn)生巨大拱托，使蓋層處于拉張狀態(tài)，產(chǎn)生一系列張性斷裂和裂縫，降低蓋層封閉能力。綜合分析，頁巖氣成藏的保存條件是天峨–南丹地區(qū)頁巖氣聚集的關(guān)鍵作用因素。

4 頁巖氣有利區(qū)預(yù)測

天峨–南丹地區(qū)中泥盆統(tǒng)羅富組泥頁巖具有有機(jī)質(zhì)豐度高、單層有效厚度大、熱演化程度適中等特征，結(jié)合地表條件、斷裂發(fā)育程度、保存條件等，采取多因素風(fēng)險疊加法進(jìn)行頁巖氣有利區(qū)的預(yù)測。結(jié)果表明桂西北邊緣南丹地區(qū)更亮–困里一帶是頁巖氣勘探的有利區(qū)，面積約為55.96 km2（圖5），該區(qū)為丘陵地帶，地勢相對平緩，羅富組暗色泥頁巖總厚度為40～80 m；TOC分布平均大于2.8%；有機(jī)質(zhì)熱演化程度相對適中，Ro平均為2.6%；結(jié)合區(qū)域物探資料和構(gòu)造分析，地層埋深為800～1 200 m；同時該區(qū)斷裂較為不發(fā)育，相對有利于頁巖氣的保存和成藏。

圖5 天峨–南丹地區(qū)中泥盆統(tǒng)羅富組頁巖氣有利區(qū)預(yù)測

5 結(jié)論

（1）天峨–南丹地區(qū)中泥盆統(tǒng)羅富組暗色泥頁巖具有單層厚度大、有機(jī)質(zhì)豐度高、成熟度高等特點，且儲層石英、長石、碳酸鹽礦物等脆性礦物含量較高、埋藏適中，具備良好的頁巖氣形成與富集條件。

（2）羅富組暗色泥頁巖為半–深水臺盆相沉積環(huán)境，泥頁巖空間展布嚴(yán)格受沉積相與巖相控制，羅富組垂直分帶性明顯，上段水體相對較淺，下段水體相對較深，上段泥頁巖層段優(yōu)于下段泥灰?guī)r層段，是該區(qū)頁巖氣勘探的主力層段。

（3）推測保存條件是天峨–南丹區(qū)頁巖氣富集的關(guān)鍵，從羅地1井的現(xiàn)場解吸氣量整體偏低來看，分析認(rèn)為多期構(gòu)造運(yùn)動、目的層埋深較淺、現(xiàn)代水文地質(zhì)條件變差、晚期巖漿熱液活動頻繁是該區(qū)頁巖氣成藏的不利因素。

（4）綜合考慮頁巖氣平面展布特征、暗色泥頁巖的厚度、斷裂發(fā)育情況以及有機(jī)碳含量、有機(jī)質(zhì)成熟度、地表條件等因素，預(yù)測困里–更亮一帶是頁巖氣勘探的有利區(qū)帶。

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