湘中坳陷上泥盆統(tǒng)錫礦山組頁巖氣成藏條件及資源量預(yù)測

張琳婷，孟寧寧，冷春鵬.

(1.華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院石油工程系，河北唐山　063009； 2.華北理工大學(xué)剩余油—提高采收率實驗室，河北唐山　063009)

頁巖氣是一種非常規(guī)油氣資源，指主體位于暗色泥頁巖或高炭泥頁巖中，以吸附或游離狀態(tài)為主要存在方式的天然氣[1-2]。頁巖產(chǎn)生的烴一部分被運(yùn)移到背斜等高部位構(gòu)造單元，形成常規(guī)的天然氣，尚未散逸的部分就以吸附或游離的狀態(tài)以“原地”成藏模式富集下來。在頁巖氣眾多的評價因素中，識別頁巖的巖性是評價頁巖氣的關(guān)鍵步驟[3]。2012年調(diào)查評價結(jié)果指出，湖南頁巖氣資源在全國居第6位，其主要的區(qū)塊位于湘西北及湘中區(qū)。湘中區(qū)早在20世紀(jì)60年代初就打了多口鉆井，其中漣源凹陷區(qū)內(nèi)就完成20多口。邵10井、漣8井、漣10井及4082孔天然氣噴高在15 m以上，且有3口井獲得工業(yè)氣流[4-5]。湘頁1井位于漣源市橋頭河鎮(zhèn)白劉村，壓后最高產(chǎn)氣量為2700 m3/d，完鉆井深為2067.85 m。但是，前人都是對下石炭統(tǒng)孟公坳組、測水組及上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M的頁巖氣成藏條件進(jìn)行研究[6-7]，對于上泥盆統(tǒng)錫礦山組下段所發(fā)育的泥頁巖而言，前人一直將其作為儲、蓋層進(jìn)行研究，對其頁巖氣成藏情況沒有關(guān)注[8-9]。本文通過野外地質(zhì)調(diào)查，結(jié)合室內(nèi)試驗測試結(jié)果等，從頁巖氣成藏的各個方面指出其成藏條件并計算資源量。

1　區(qū)域地質(zhì)概況

行政區(qū)域位于湖南省中部，處于婁底、邵陽、永州及衡陽市境內(nèi)，是上古生界構(gòu)造殘余盆地，以下古生界變質(zhì)巖系為基底，以晚古生界—中三疊世的碳酸鹽巖(主)夾碎屑巖為特征，是一個準(zhǔn)地臺型沉積坳陷區(qū)。湘中坳陷疊加在江南-雪峰構(gòu)造帶東南側(cè)，隸屬華南構(gòu)造區(qū)。該凹陷貫通南北，整體向西突出，由一系列褶皺、斷裂組成的“祁陽弧”隔擋式構(gòu)造[10]，自西向東發(fā)育城步-新化、新寧-新邵、邵陽-汨羅和祁陽弧4條主要斷裂[11]。據(jù)構(gòu)造特征、地質(zhì)構(gòu)造實際情況以及構(gòu)造面貌和地層分布等特點，將湘中坳陷劃分為漣源凹陷、龍山凸起、邵陽凹陷、關(guān)帝廟凸起和零陵凹陷等5個二級構(gòu)造單元，坳陷總面積為22500 km2，坳陷的凸起帶和周緣主要發(fā)育巖漿巖，但對于凹陷的影響有限[9,12]。

2　烴源巖條件研究

頁巖氣“原地”成藏模式的特殊性使得其成藏條件相對于常規(guī)油氣藏較簡單。

(1)烴源巖發(fā)育環(huán)境：暗色泥頁巖主要形成于缺氧的閉塞海灣、潟湖、湖泊深水區(qū)、欠補(bǔ)償盆地及深水陸棚等沉積環(huán)境中。

(2)巖性特征：泥頁巖類型有泥質(zhì)頁巖、炭質(zhì)泥頁巖、硅質(zhì)泥頁巖、鈣質(zhì)泥頁巖和砂質(zhì)泥頁巖等。

(3)厚度與分布：滿足區(qū)域上頁巖連續(xù)分布且厚度一般在30 m以上，埋藏深度小于3500 m。

(4)有機(jī)地球化學(xué)特征：頁巖層總有機(jī)碳含量(TOC)一般大于1%，演化程度適中，有機(jī)質(zhì)熱成熟度即鏡質(zhì)體反射率(Ro)一般不超過3%。

(5)儲集條件：脆性礦物、微裂縫發(fā)育。

2.1　烴源巖發(fā)育環(huán)境

錫礦山組下段泥頁巖主要來源于錫礦山中晚期，一方面，雪峰弧形古陸隨著柳江運(yùn)動的加劇開始海退，活躍程度超過錫礦山早期；另一方面，海底沉降幅度小于沉積補(bǔ)償速度，海退體系明顯以陸源碎屑巖潮坪沉積為主，僅在本區(qū)的東南角有碳酸鹽巖混積于碎屑巖之中。本區(qū)主要發(fā)育泥質(zhì)灰?guī)r及砂質(zhì)泥巖，如圖1所示，由北向南依次發(fā)育三角洲相、碎屑巖潮坪相、碳酸鹽巖潮坪相、生物礁灘相，在潮坪的低洼地帶、生物礁灘后面和三角洲相之間形成了潟湖沉積，此沉積組合形成了整個上泥盆統(tǒng)頁巖層系。且沉積水體從下到上逐漸變淺，有利于富含有機(jī)質(zhì)的泥頁巖層系的生長發(fā)育[13-15]。

圖1　湘中坳陷泥盆系錫礦山組沉積相Fig.1　The sedimentary facies of Devonian Xikuangshan formation in middle Hunan depression

2.2　泥頁巖厚度與分布

如圖2所示，區(qū)內(nèi)錫礦山組下段以泥灰?guī)r、頁巖、泥質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r呈互層出現(xiàn)為特征，東北部碎屑增多，以泥灰?guī)r及砂巖、粉砂巖為主。依據(jù)鉆井資料、野外露頭資料編制湘中地區(qū)錫礦山組上的泥頁巖厚度分布圖(圖3)，從圖3可見，錫礦山組泥頁巖在研究區(qū)整體呈現(xiàn)出北厚南薄的趨勢。漣源凹陷主要分布于凹陷南部邊緣部分以及錫礦山地區(qū)，厚度從30～70 m不等，沉積中心位于錫礦山附近。往南至邵陽、隆回、陵零等地厚度變化趨勢穩(wěn)定，邵陽凹陷內(nèi)厚度通常在30～50 m，沉積中心位于武崗倪家灣至邵深2井附近。零陵凹陷從蘇家坪到道縣大坪均有分布，沉積厚度相對其他兩個凹陷較薄，主要集中分布于30 m左右。

圖2　錫礦山組下段泥頁巖Fig.2　Mud shale of Devonian Xikuangshan formation

2.3　有機(jī)質(zhì)豐度

根據(jù)美國阿巴拉契亞盆地Ohio頁巖Hu-Ron段的勘探經(jīng)驗，有利的頁巖氣目標(biāo)區(qū)總有機(jī)碳含量(TOC)下限值為1%。湘中地區(qū)有機(jī)碳含量主要是由地表樣品實測恢復(fù)至地層條件后獲取，將區(qū)內(nèi)泥頁巖的地表樣品TOC的恢復(fù)系數(shù)定為1.45。由此恢復(fù)錫礦山組泥頁巖野外剖面樣品有機(jī)碳分析結(jié)果表明，本組樣品TOC主要集中在0.5%～2.0%之間，漣源凹陷優(yōu)于邵陽凹陷及零陵凹陷(圖3)。

2.4　有機(jī)質(zhì)成熟度

泥頁巖有機(jī)質(zhì)的成熟度對頁巖氣富集也起較大的作用。有機(jī)質(zhì)成熟作用的過程不僅使泥頁巖大量生成天然氣，而且隨著成熟度的增加，泥頁巖對天然氣的吸附量也會增加；同時，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[12]；此外，高演化的頁巖增加巖石的脆性，有利于對泥頁巖儲層的大型壓裂。錫礦山組鏡質(zhì)體反射率Ro絕大部分在2%～3%之間，漣源凹陷七星街剖面及爐觀剖面Ro都大于2%，尤其是靠近凹陷的南部，Ro值受到龍山凸起的影響，其值大部分高于2.5%。平面上，漣源凹陷熱演化程度明顯高于其他兩個凹陷，但是總體上都已進(jìn)入了高成熟～過成熟階段(圖3)。

圖3　湘中坳陷錫礦山組黑色頁巖厚度、TOC、Ro等值線疊合圖Fig.3　Congruence of thickness, TOC and Ro of dark shale of Devonian Xikuangshan formation inmiddle Hunan depression

2.5　烴源巖熱演化史

依據(jù)各時代的地層埋深厚度在古地表溫度32 ℃、古地表梯度3.4 ℃/100 m的情況下進(jìn)行推測，建立區(qū)內(nèi)燕山運(yùn)動前的地層埋深與油氣形成演化關(guān)系(圖4)。上泥盆統(tǒng)的烴源巖在早石炭末—中石炭世初期大量進(jìn)入生油門限，晚石炭世中后期時達(dá)到生油高峰。干酪根鏡質(zhì)體反射率Ro介于2.03%～2.58%之間，H/C原子比約為0.4，幾乎所有樣品的熱失重小于10%，順磁共振的自由基濃度大部分近于消失，這些指數(shù)都說明上泥盆統(tǒng)錫礦山泥頁巖處于過成熟期的濕氣晚期及干氣階段，有利于大量的常規(guī)與非常規(guī)氣體富集(表1)。

圖4　湘中地區(qū)地層埋深與油氣形成演化關(guān)系Fig.4　The evolution relationship between stratigraphic depth and formation of oil and gas in middle Hunan

層位采樣點鏡質(zhì)體反射率Ro/%干酪根H/C原子比熱失重Δm/%自由基濃度n×1018/g綜合判斷D3x棋梓橋2.290.496.28→0過成熟D3x武崗2.580.205.89→0過成熟D3x邵8井2.030.329.78→0(3)過成熟D3x佘田橋2.630.4511.1627過成熟D3x東安2.320.52——過成熟

3　儲集條件分析

研究區(qū)內(nèi)對雷鳴橋和爐觀鎮(zhèn)兩個剖面的6塊巖石樣品做了XRD數(shù)據(jù)分析。主要礦物成分是石英等脆性礦物和黏土礦物，其中石英、長石和黃鐵礦的平均含量為55.58%；碳酸鹽巖的平均含量為14.10%，約50%樣品的碳酸鹽巖含量為0；黏土礦物的含量在24.60%～53.10%之間，平均為39.20%。與Barnett頁巖主要的產(chǎn)氣巖相的礦物成分基本相似(圖5)，黏土礦物演化程度相對較高，但是缺乏蒙皂石等膨脹性黏土礦物，尤其是碳酸鹽巖含量低，對產(chǎn)生溶蝕溶孔不利。從礦物特征分析，湘中地區(qū)錫礦山組儲層物性相對較好，并且伊利石的吸附能力大于蒙脫石、高嶺石，泥頁巖礦物含氣量相對較大。

圖5　湘中地區(qū)上泥盆統(tǒng)錫礦山組礦物百分含量Fig.5　Percentage content of minerals in Upper Devonian Xikuangshan formation

4　含氣量

參照馬若龍等在2012年對湘東北地區(qū)上泥盆統(tǒng)錫礦山組測試的試驗數(shù)據(jù)[16](圖6)，樣品測得值分別為1.63 cm3/g，測得的Langmuir壓力差異值為1.495 MPa。通過與美國五大頁巖氣盆地的頁巖等溫吸附曲線對比認(rèn)為：湘中地區(qū)上泥盆統(tǒng)錫礦山組頁巖的吸附能力僅與圣胡安盆地白堊系Lewis頁巖相近，比其他四個盆地都低。本文認(rèn)為吸附能力低與成熟度有關(guān)，因為成熟度高，其游離氣含量高，吸附氣含量相對較少。熱成因的頁巖氣藏頁巖成熟度較高，大多在1.1%以上，最高不超過3%。湘中地區(qū)上泥盆統(tǒng)錫礦山組頁巖的成熟度Ro大都超過2.5%，很多達(dá)到3%以上，已進(jìn)入高過成熟階段，導(dǎo)致其吸附能力較低。

圖6　湘東北地區(qū)上泥盆統(tǒng)錫礦山組泥頁巖樣品等溫吸附曲線[16]Fig.6　Adsorption isotherm curve of mud-shale in Upper Devonian Xikuangshan formation

5　資源量預(yù)測

本次采用體積法計算資源量，其計算公式如下：

GIP=A·h·ρ·q·Sg

(1)

式中GIP——頁巖氣資源量，1012m3；

A——頁巖分布面積，104m2；

h——有效頁巖厚度，m；

ρ——頁巖密度，t/m3；

q——頁巖含氣量，m3/t；

Sg——含氣飽和度，%。

參數(shù)取值上，湘中地區(qū)上泥盆統(tǒng)錫礦山組頁巖殘余面積約為1.13×104km2，總厚度為30～70 m，總有機(jī)碳含量在0.5%～2.0%之間，Ro在2.5%～3.0%之間；頁巖密度平均值為2.4 t/m3，頁巖含氣量為1.63 cm3/g。依據(jù)公式，計算出漣源凹陷上泥盆統(tǒng)錫礦山組頁巖氣資源量為(0.101～0.197)×1012m3，邵陽凹陷頁巖氣資源量為(0.118～0.223)×1012m3，總資源量為(0.219～0.420)×1012m3。

6　結(jié)論

(1)湘中地區(qū)屬于海相沉積體系，錫礦山組富有機(jī)質(zhì)泥頁巖大部分形成于前三角洲相、陸源碎屑巖潮坪相及臺地凹陷等水體相對穩(wěn)定的環(huán)境，這些沉積相帶空間展布范圍較大，泥頁巖沉積厚度較大，分布較集中，可作為頁巖氣勘探的層位進(jìn)行關(guān)注。

(2)上泥盆統(tǒng)錫礦山組泥頁巖整體呈現(xiàn)出北厚南薄的趨勢，有機(jī)碳含量主要集中在0.5%～2.0%之間，鏡質(zhì)體反射率Ro絕大部分在2%～3%之間，正處于高熱演化階段，有利于大量的天然氣生成及頁巖氣富集，具備良好的頁巖氣成藏物質(zhì)基礎(chǔ)；高演化的頁巖增加巖石的脆性，有利于對泥頁巖儲層的大型壓裂，由于該區(qū)頁巖的成熟度高，因此頁巖氣的賦存方式大多為游離狀態(tài)。

(3)礦物成分主要為石英等脆性礦物和黏土礦物，與Barnett頁巖主要產(chǎn)氣巖相的礦物成分基本相似，發(fā)育頁巖氣賦存空間，且伊利石吸附性能高。

(4)本次采用體積法計算資源量，計算出漣源凹陷上泥盆統(tǒng)錫礦山組頁巖氣資源量為(0.101～0.197)×1012m3，邵陽凹陷頁巖氣資源量為(0.118～0.223)×1012m3，總資源量為(0.219～0.420)×1012m3。初步研究分析后認(rèn)為，此層段泥頁巖具有良好的頁巖氣勘探前景，區(qū)域上以漣源凹陷最為有利，其次為邵陽凹陷，零陵凹陷無生氣潛力。

[1]張金川,薛會,張德明,等.頁巖氣及其成藏機(jī)[J].現(xiàn)代地質(zhì),2003,17(4):466.

[2]張金川,聶海寬,徐波,等.四川盆地頁巖氣成藏地質(zhì)條件[J].天然氣工業(yè),2008,28(2):151-156.

[3]HICKEY J J, HENK B. Lithofacies summary of the Mississippian Barnett Shale, Mitchell 2 T.P. Sims well, Wise County, Texas[J].AAPG Bulletin,2007,91(4):437-443．

[4]祁開令.湘中漣源凹陷上古界油氣成藏期次與聚集規(guī)律的初步探討[J].國土資源導(dǎo)刊,2006(S1):30-32．

[5]朱偉,易積正.湘中漣源地區(qū)復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)與天然氣勘探潛力[J].特種油氣藏,2012,19(3):35-38．

[6]曹清古,韋慶亮,肖秋茍,等.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[J].海相油氣地質(zhì),2015,20(3):43-49．

[7]張琳婷,郭建華,焦鵬,等.湘中地區(qū)漣源凹陷下石炭統(tǒng)頁巖氣藏形成條件[J].中南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2014,45(4):2269-2277．

[8]郭建華,曠理雄,朱銳,等.湘中漣源凹陷楊家山地區(qū)下石炭統(tǒng)天然氣成藏條件[J]．中南大學(xué)學(xué)報,2008,39(1):178-184．

[9]劉喜順.湘中坳陷泥盆—石炭系油氣成藏與保存條件研究[D].長沙:中南大學(xué),2009:14-211.

[10]趙宗舉,朱琰,李大成,等.中國南方大地構(gòu)造演化及其對油氣的控制[J].成都理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2003,30(2):155-168.

[11]馬少妍,徐猛,甘麗麗,等.湘中地區(qū)頁巖氣勘探潛力與地化特征評價[J].油氣地球物理,2013,11(2):56-59.

[12]黃儼然,曹運(yùn)江,楊榮豐,等.湘中坳陷泥盆系頁巖氣生儲特征及勘探潛力研究[J].非常規(guī)油氣,2017,4(3):8-14.

[13]郭彤樓,劉若冰.復(fù)雜構(gòu)造區(qū)高演化程度海相頁巖氣勘探突破的啟示——以四川盆地東部盆緣JY1井為例[J].天然氣地球科學(xué),2013,24(4):643-651.

[14]左中航,楊飛,張操.川東南地區(qū)志系龍馬溪組頁巖氣有利區(qū)評價優(yōu)選[J].化工礦產(chǎn)地質(zhì),2012,34(3):135-142.

[15]邱小松,楊波,胡明毅.中揚(yáng)子地區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖氣儲層及含氣性特征[J].天然氣地球科學(xué),2013,24(6):1274-1283.

[16]馬若龍.湘中、湘東南及湘東北地區(qū)泥頁巖層系地質(zhì)特征與頁巖氣勘探力[D].成都:成都理工大學(xué),2013:135-146.