湖南保靖龍馬溪組頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)潛力研究

王向浩，王延忠，陳宏亮，張 磊.

(神華地質(zhì)勘查有限責(zé)任公司，北京 102211)

受?chē)?guó)際石油資源緊缺、環(huán)境及能源安全的影響，頁(yè)巖氣、煤層氣等非常規(guī)能源成為國(guó)內(nèi)外能研究的熱點(diǎn)[1]。我國(guó)南方海相頁(yè)巖氣的勘探開(kāi)發(fā)工作自2009年以來(lái)取得了很大進(jìn)展。我國(guó)四川盆地及其周緣地區(qū)具有良好的頁(yè)巖氣形成地質(zhì)條件和資源潛力，四川盆地龍馬溪組頁(yè)巖氣勘探已獲得重大突破[2]，發(fā)現(xiàn)了重慶涪陵焦石壩[3-5]和四川長(zhǎng)寧、威遠(yuǎn)[6]等大型頁(yè)巖氣田，主要在上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組、下寒武統(tǒng)牛蹄塘組取得重大突破[7]，同時(shí)對(duì)頁(yè)巖氣形成的地質(zhì)條件[8-10]、成藏機(jī)理與富集規(guī)律[11-15]、頁(yè)巖氣資源評(píng)價(jià)方法[16-17]和戰(zhàn)略意義[18]等方面進(jìn)行了系統(tǒng)研究。國(guó)土資源部在川渝、湘鄂地區(qū)部署并實(shí)施了一批頁(yè)巖井，取得了大量南方海相頁(yè)巖的寶貴資料[19]，并對(duì)部分頁(yè)巖層系進(jìn)行了頁(yè)巖氣評(píng)價(jià)，取得了部分地區(qū)的頁(yè)巖氣突破，但除四川盆地上述幾個(gè)頁(yè)巖氣田外，其他地區(qū)并沒(méi)有取得商業(yè)性的頁(yè)巖氣發(fā)現(xiàn)[20-21]。國(guó)土資源部第二輪招標(biāo)出讓的頁(yè)巖氣區(qū)塊基本位于四川盆地外緣，而與之相鄰且同屬于上揚(yáng)子板塊的湘西北地區(qū)研究程度還很低，目前還未取得實(shí)質(zhì)性突破。本文從以湘西北湖南保靖頁(yè)巖氣區(qū)塊地質(zhì)背景、生烴條件、儲(chǔ)集層特征等幾個(gè)方面研究，分析了湘西北湖南保靖頁(yè)巖氣的勘探開(kāi)發(fā)潛力。

1 區(qū)塊勘探概況

湖南保靖頁(yè)巖氣區(qū)塊橫跨湖南省湘西自治州保靖縣和龍山縣，主體位于保靖縣境內(nèi)，區(qū)塊東西長(zhǎng)約37 km，南北寬約32 km，面積約1189.72 km2，屬于國(guó)土資源部第二輪頁(yè)巖氣招標(biāo)出讓區(qū)塊之一。區(qū)塊在大地構(gòu)造位置上位于中、上揚(yáng)子準(zhǔn)臺(tái)地東緣湘鄂西隔槽式?jīng)_斷褶皺帶內(nèi)的宜都—鶴峰復(fù)背斜南部，東南部跨入桑植—石門(mén)復(fù)向斜之內(nèi)[22]。區(qū)內(nèi)從西向東主要發(fā)育八面山向斜、隆頭鎮(zhèn)背斜、馬蹄寨—野竹坪向斜和慈利保靖斷裂帶。主要斷裂呈南東傾向，走向與褶皺軸線基本一致，為北北東—北東向，還有北西走向壓扭性斷裂切割主要斷裂[23](圖1)。

圖1 保靖地區(qū)構(gòu)造綱要Fig.1 Tectonic location of Baojing area

區(qū)塊及周邊地區(qū)地層由老至新出露元古界震旦系、下古生界寒武系、奧陶系、志留系、上古生界泥盆系、二疊系、中生界三疊系及第四系，上古生界缺失石炭系。除震旦系及部分寒武系未出露外，其他地層均有出露。區(qū)塊內(nèi)主要發(fā)育下志留系龍馬溪組及寒武系牛蹄塘組，埋深分別為0～3500 m和1500～6000 m，其中龍馬溪組為主要勘探層系。區(qū)塊內(nèi)先后完成了基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查、地球物理勘探，完成5口參數(shù)井、3口預(yù)探井的鉆探工程，同時(shí)完成了大量的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試工作，獲取了區(qū)塊生烴潛力、儲(chǔ)層物性等參數(shù)，為區(qū)塊勘探開(kāi)發(fā)潛力分析提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2 龍馬溪組生烴潛力

2.1 巖性特征

湖南保靖區(qū)塊龍馬溪組自下至上可以劃分出龍一段、龍二段和龍三段，其底部主要巖性為黑色炭質(zhì)泥巖發(fā)育，厚度為8～16 m，富含黃鐵礦粉末條帶及筆石化石，間夾多層厚度為1～8 cm的斑脫巖層，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；中部主要發(fā)育黑色粉砂質(zhì)泥巖、黑色炭質(zhì)粉砂巖、灰色粉砂巖，厚度為8～58 m；頂部主要發(fā)育黑色炭質(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。龍馬溪組底部的巖性主要為黑色炭質(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(qiáng)于其他層段。

2.2 總有機(jī)碳含量

目前普遍認(rèn)為要獲得具有工業(yè)價(jià)值的頁(yè)巖氣藏，總有機(jī)碳(TOC)的平均含量應(yīng)大于2%。隨著開(kāi)采技術(shù)的進(jìn)步該下限值可能會(huì)降低。分別對(duì)研究區(qū)4口參數(shù)井鉆井巖心進(jìn)行TOC測(cè)試，測(cè)試的平均有機(jī)碳含量分別為2.69%、2.65%、2.33%、2.48%(圖2)，均屬于高有機(jī)碳含量(>2%)。較高的總有機(jī)碳含量成為龍馬溪組具有較強(qiáng)生烴潛力的物質(zhì)基礎(chǔ)。

圖2 龍馬溪組總有機(jī)碳含量測(cè)試結(jié)果Fig.2 Test results of Longmaxi formation’s organic carbon content

2.3 有機(jī)質(zhì)類(lèi)型及成熟度

研究區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖干酪根類(lèi)型以Ⅰ型為主，個(gè)別Ⅱ型，Ⅲ型很少見(jiàn)。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%。龍馬溪組參數(shù)井鉆井巖心樣品中，有機(jī)顯微組分以腐泥組為主，少量殼質(zhì)組及樹(shù)脂體，較難找到鏡質(zhì)體，所測(cè)反射率主要以瀝青反射率和筆石反射率為主，折算為鏡質(zhì)體反射率(等效Ro)。龍馬溪組頁(yè)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(yè)巖盆地頁(yè)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。

圖3 龍馬溪組成熟度測(cè)試結(jié)果Fig.3 Test results of Longmaxi formation’s composition maturity

3 龍馬溪組儲(chǔ)層物性特征

3.1 儲(chǔ)層礦物類(lèi)型

礦物類(lèi)型對(duì)儲(chǔ)層的可壓裂性具有決定性作用，脆性礦物越高，越利于儲(chǔ)層形成網(wǎng)絡(luò)型裂縫，壓裂時(shí)可使半封閉、封閉孔變成開(kāi)放孔，利于后期的壓裂、排采。對(duì)研究區(qū)龍馬溪組4口鉆井巖心進(jìn)行了礦物類(lèi)型測(cè)試，其中脆性礦物平均含量分別為55.0%、66.9%、67.2%、65.4%，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(yè)巖氣儲(chǔ)層可壓裂的基礎(chǔ)條件，脆性礦物越高，越利于儲(chǔ)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(yè)巖氣的排采提供了運(yùn)移通道。因此，當(dāng)研究區(qū)孔隙度及滲透率較差的時(shí)候，高含量的脆性礦物成為頁(yè)巖氣可開(kāi)采的有力補(bǔ)充。研究區(qū)測(cè)試樣品的黏土礦物中，均含有伊/蒙(I/S)混層、伊利石(I)和綠泥石(C)，其中伊利石和綠泥石的含量較高，不含高嶺石。因此，在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。

3.2 儲(chǔ)層孔裂隙特征

利用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡獲得了保靖地區(qū)龍馬溪組海相頁(yè)巖樣品的高分辨率圖像，觀察到頁(yè)巖中發(fā)育的孔隙類(lèi)型、裂縫及充填程度和礦物組分分布特征。頁(yè)巖樣品中發(fā)育大量與有機(jī)質(zhì)共生的黃鐵礦，呈帶狀分布(圖4a)，黃鐵礦晶粒間充填有機(jī)質(zhì)，有機(jī)質(zhì)中微—納米級(jí)孔隙發(fā)育(圖4b)；同時(shí)觀測(cè)到有機(jī)質(zhì)與大量片狀(伊利石)及纖維狀(伊蒙混層)黏土礦物共生，有的共生于粒間，有的局部受擠壓發(fā)生彎曲變形，導(dǎo)致孔隙不發(fā)育(圖4c、4d)；微裂隙相對(duì)發(fā)育，以張開(kāi)縫為主(圖4e)；有機(jī)質(zhì)孔發(fā)育，孔隙直徑為數(shù)十納米，分布較均勻(圖4f)。由此可知，研究區(qū)頁(yè)巖主要發(fā)育粒間孔和有機(jī)質(zhì)孔，微裂隙相對(duì)發(fā)育，為頁(yè)巖氣富集提供了吸附空間。

圖4 保靖地區(qū)海相頁(yè)巖場(chǎng)掃描電鏡圖像Fig.4 The SEM images of marine shale in Baojing area a.黃鐵礦與有機(jī)質(zhì)條帶狀共生；b.黃鐵礦微孔發(fā)育；c.有機(jī)質(zhì)與黏土礦物共生于粒間； d.黏土礦物局部受擠壓變形；e.微裂縫；f.有機(jī)質(zhì)孔隙發(fā)育

3.3 儲(chǔ)層孔隙度和滲透率特征

孔隙度與滲透率是頁(yè)巖氣富集及運(yùn)移的主要參數(shù)，孔隙度主要決定頁(yè)巖氣的儲(chǔ)集空間大小；而滲透率決定頁(yè)巖氣后期開(kāi)采運(yùn)移的暢通程度，滲透率越大，頁(yè)巖氣運(yùn)移越容易，后期排采產(chǎn)能越高。因此，孔隙度決定頁(yè)巖氣富集的基礎(chǔ)，而滲透率決定后期頁(yè)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(yè)巖儲(chǔ)層具有特低孔超低滲的物性特征。分別測(cè)得4口鉆井巖心的孔隙度、滲透率，其中1104～1117 m井段的平均孔隙度為1.74%，平均滲透率為20 nD；906～921 m井段的樣品孔隙度平均為2.54%，平均滲透率為2.6 nD；981～989 m井段的平均孔隙度為1.49%，平均滲透率為30 nD；2750～2766 m井段平均孔隙度僅為0.87%。較低的孔隙度以及滲透率一定程度上影響了頁(yè)巖氣的后期開(kāi)發(fā)。因此，為了得到較高的頁(yè)巖氣產(chǎn)能，需要對(duì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層進(jìn)行一定的壓裂改造。

3.4 儲(chǔ)層厚度特征

保靖區(qū)塊龍馬溪組的優(yōu)質(zhì)含氣頁(yè)巖儲(chǔ)層主要為龍一段底部的一亞段和中部的二亞段下部，因斷層發(fā)育和沉積相帶的差異，造成保靖區(qū)塊各井鉆遇的龍馬溪組龍一段的一亞段、二亞段的優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖儲(chǔ)層厚度變化較大，優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖段厚度變化范圍為8～16 m，在已完鉆的5口直井中，只有1口井未鉆遇優(yōu)質(zhì)含氣頁(yè)巖。而焦石壩地區(qū)焦頁(yè)1井和彭水區(qū)塊彭頁(yè)1井整個(gè)龍一段均為優(yōu)質(zhì)含氣頁(yè)巖，厚度大于30 m。

雖然保靖區(qū)塊總的優(yōu)質(zhì)含氣頁(yè)巖厚度相對(duì)較小，但是比較龍一段底部的一亞段(相當(dāng)于焦石壩地區(qū)的五峰組)的厚度，保靖區(qū)塊明顯要大于焦石壩地區(qū)和彭水地區(qū)(5 m)，保靖區(qū)塊內(nèi)的龍一段一亞段地層完整，厚度自南東向北西方向逐漸變薄，厚度從16 m逐漸減薄為6 m。

4 龍馬溪組頁(yè)巖氣富集的影響因素

4.1 沉積相對(duì)頁(yè)巖氣富集的影響

保靖區(qū)塊龍馬溪組底部?jī)?yōu)質(zhì)頁(yè)巖由下至上巖性和沉積微相分別為：龍一段一亞段巖性為黑色、灰黑色泥頁(yè)巖、炭質(zhì)泥頁(yè)巖，屬泥質(zhì)深水陸棚沉積微相；龍一段二亞段、龍一段三亞段巖性為黑色硅質(zhì)頁(yè)巖夾鈣質(zhì)粉砂巖，屬硅質(zhì)深水陸棚沉積微相。上覆龍二段巖性主要為灰色、灰黑色粉砂質(zhì)泥巖和泥質(zhì)粉砂巖，屬砂泥質(zhì)淺水陸棚微相；龍三段巖性主要為灰色、灰黑色粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖，屬泥質(zhì)淺水陸棚微相。通過(guò)對(duì)5口鉆井的巖心含氣量測(cè)試數(shù)據(jù)和對(duì)應(yīng)層段的沉積相進(jìn)行相關(guān)分析得出：泥質(zhì)深水陸棚和硅質(zhì)深水陸棚沉積微相的頁(yè)巖具有較高的含氣性，其次是泥質(zhì)淺水陸棚沉積微相，砂泥質(zhì)淺水陸棚相含氣性對(duì)較差，證實(shí)龍馬溪組底部的泥質(zhì)深水陸棚沉積微相和硅質(zhì)深水陸棚沉積微相帶對(duì)研究區(qū)海相頁(yè)巖氣富集具有控制作用(圖5)。

圖5 保靖龍馬溪組沉積微相與含氣量相關(guān)圖Fig.5 Correlation diagram of sedimentary microfacies and gas content of Longmaxi formation

4.2 構(gòu)造演化對(duì)頁(yè)巖氣富集的影響

志留紀(jì)末期，中揚(yáng)子受加里東構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，南北兩個(gè)陸間海槽強(qiáng)烈閉合隆升，海水全部退出研究區(qū)，整個(gè)揚(yáng)子地區(qū)隆升成陸，志留系普遍遭受?chē)?yán)重剝蝕。早泥盆世—中泥盆世早期，區(qū)內(nèi)受志留紀(jì)末期加里東運(yùn)動(dòng)的影響，志留系地層再次遭受剝蝕。海西期出現(xiàn)差異升降，古地形起伏明顯，局部遭受剝蝕、產(chǎn)生沉積間斷。早三疊世早期，繼承了晚二疊世末期的古地貌和沉積環(huán)境。早三疊世晚期，受南北強(qiáng)烈閉合隆升影響，華北陸塊向西南仰沖推進(jìn)影響，研究區(qū)產(chǎn)生了強(qiáng)烈隆升。中三疊世末期，南北陸塊陸陸碰撞、閉合造山、閉合隆升運(yùn)動(dòng)達(dá)到高潮，發(fā)生印支構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，使海水全部退去，結(jié)束了海相地層沉積歷史，遭受?chē)?yán)重剝蝕，造成沉積間斷。至侏羅紀(jì)，受燕山運(yùn)動(dòng)影響，研究區(qū)再次隆升，遭受?chē)?yán)重剝蝕，造成沉積間斷，同時(shí)擠壓變形強(qiáng)烈，形成現(xiàn)今構(gòu)造主體，最終由喜山運(yùn)動(dòng)改造定型。志留系龍馬溪組沉積后，研究區(qū)經(jīng)歷了多期次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，直接造成研究區(qū)目的層的大面積剝蝕，同時(shí)也造成殘存區(qū)強(qiáng)烈的擠壓破碎，對(duì)頁(yè)巖氣的富集成藏產(chǎn)生不利影響。

4.3 儲(chǔ)層參數(shù)對(duì)頁(yè)巖氣富集成藏的影響

頁(yè)巖氣的儲(chǔ)層參數(shù)與含氣量存在明顯的相關(guān)性，總有機(jī)碳含量、成熟度、礦物組分、孔隙度等對(duì)頁(yè)巖氣富集成藏具有不同程度的影響作用。通過(guò)各參數(shù)與含氣量之間的關(guān)系圖(圖6)可知，實(shí)測(cè)優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖總有機(jī)碳含量和含氣量有一定的正相關(guān)關(guān)系，總有機(jī)碳含量越高，含氣量相對(duì)越高；Ro和含氣量整體上呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即隨著Ro的增大，含氣量逐漸降低；龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖段礦物含量以石英和黏土礦物為主，優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖石英含量較高，儲(chǔ)層脆性指數(shù)較大，易形成微裂縫，但石英含量與含氣量之間沒(méi)有明顯關(guān)系。龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖儲(chǔ)層以特低孔隙度為主，但孔隙度與含氣量呈明顯的正相關(guān)關(guān)系。因此，較高的TOC含量為研究區(qū)生氣提供了物質(zhì)基礎(chǔ)，孔隙度為頁(yè)巖氣富集提供儲(chǔ)存空間，二者成為保靖區(qū)塊龍馬溪組頁(yè)巖氣富集的有利因素。同時(shí)，較高的脆性礦物含量為后期的壓裂提供有利條件，但較高的鏡質(zhì)體反射率成為研究區(qū)頁(yè)巖氣富集的不利因素。

圖6 儲(chǔ)層物性參數(shù)與含氣量之間的關(guān)系Fig.6 Relation diagrams between the physical property parameters and the gas content of the reservoir

5 結(jié)論

(1)龍馬溪組底部的巖性主要為黑色炭質(zhì)泥巖，且含有大量筆石，優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖段厚度為8～16 m，是頁(yè)巖氣富集的主要層位；總有機(jī)碳含量普遍大于2%，干酪根類(lèi)型以I型為主，Ro平均值大于2%，達(dá)到高熱演化程度；龍馬溪組主要發(fā)育粒間孔和有機(jī)質(zhì)孔，微裂隙相對(duì)發(fā)育，孔隙度及滲透率較差，但硅質(zhì)顆粒等脆性礦物(≥50%)的存在對(duì)改善儲(chǔ)層的滲透性具有積極的影響，同時(shí)也為后期的壓裂改造提供有利因素。

(2)研究區(qū)龍馬溪組底部的泥質(zhì)深水陸棚微相和硅質(zhì)深水陸棚微相為頁(yè)巖氣儲(chǔ)層最有利的沉積微相類(lèi)型，較高的TOC含量為研究區(qū)生氣提供了物質(zhì)基礎(chǔ)；脆性礦物易形成微裂縫，增加孔隙度，為頁(yè)巖氣富集提供儲(chǔ)存空間，成為頁(yè)巖氣富集的有利因素；而復(fù)雜的構(gòu)造環(huán)境成為頁(yè)巖氣富集的不利因素。綜合分析認(rèn)為，湖南保靖龍馬溪組底部?jī)?yōu)質(zhì)頁(yè)巖具有一定的勘探開(kāi)發(fā)潛力。

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