以石門剖面為例分析桂北地區(qū)下石炭統(tǒng)頁巖氣勘探潛力

張子亞,吳超偉,石砥石,覃英倫,劉欣春,羅 文,徐勝林,趙應(yīng)權(quán),張 聰

(1.中國地質(zhì)調(diào)查局 油氣資源調(diào)查中心，北京 100083；2.中國地質(zhì)調(diào)查局 非常規(guī)油氣地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029；3.成都理工大學(xué) 沉積地質(zhì)研究院，成都 610059)

頁巖氣是一類儲存于低孔、低滲、富有機(jī)質(zhì)的暗色泥頁巖層系中的自由氣[1]，此類氣藏開發(fā)最早的國家是美國，具有極大的開發(fā)潛力。類似氣藏在世界其他地區(qū)也有發(fā)現(xiàn)，如俄羅斯、中亞、北非和中國等[2]。根據(jù)2012年《全國頁巖氣資源潛力調(diào)查評價及有利區(qū)優(yōu)選》的研究結(jié)果，廣西頁巖氣有利區(qū)為15個，面積3.28×104km2，資源潛力巨大[3]。2014年之后，中國地質(zhì)調(diào)查局油氣調(diào)查中心針對廣西地區(qū)開展了頁巖氣基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查[4-5]，并相繼施工了包括環(huán)地1 井、天地1井、天地2井、丹頁2井和東塘1井等10口頁巖氣調(diào)查井[3]，初步確定了中、下泥盆統(tǒng)塘丁組、羅富組和下石炭統(tǒng)鹿寨組為泥盆系-石炭系頁巖氣富集的有利層系[6-7]。

在中國地質(zhì)調(diào)查局施工的10口井中，僅在丹頁2井的中泥盆統(tǒng)羅富組和東塘1井的下石炭統(tǒng)鹿寨組富有機(jī)質(zhì)泥頁巖中發(fā)現(xiàn)有較好的頁巖氣顯示。其中東塘1井在鹿寨組第三段發(fā)生井涌，并有連續(xù)冒氣泡現(xiàn)象，氣體樣品點(diǎn)燃的火焰呈淡藍(lán)色-藍(lán)色[3]，實(shí)現(xiàn)了對鹿寨組頁巖氣的調(diào)查目的。根據(jù)巖心鑒定和與廣西地質(zhì)調(diào)查院討論結(jié)果，采用了大鹿寨組劃分方案，由鹿寨組、堯云嶺組、英塘組、黃金組和寺門組組成，出氣層位為寺門組。結(jié)合目前廣西地區(qū)的勘探成果，頁巖氣研究層位主要集中于塘丁組、羅富組和鹿寨組，區(qū)域上主要分布在柳州、田林、南丹、天峨等地，對桂北區(qū)域尤其是下石炭統(tǒng)其他層位的研究需要進(jìn)一步加強(qiáng)。本文基于對大良石門剖面地層巖性、礦物組成及有機(jī)質(zhì)特征等的系統(tǒng)研究，對桂北地區(qū)下石炭統(tǒng)頁巖氣勘探潛力進(jìn)行綜合評價。

1 剖面介紹

桂北羅城-融水地區(qū)的下石炭統(tǒng)出露完整，一直是重點(diǎn)研究地區(qū)[8]。融水地區(qū)位于江南古陸南部邊緣，是廣西主要成煤區(qū)之一[9]，發(fā)育有連續(xù)且具一定厚度的黑色炭質(zhì)泥、頁巖，具有較好的頁巖氣勘探潛力。

石門剖面位于融水縣大良鎮(zhèn)西北部石門風(fēng)景區(qū)沿線(圖 1)，發(fā)育有連續(xù)的早石炭世沉積，自下而上依次是上泥盆統(tǒng)五指山組和下石炭統(tǒng)堯云嶺組、英塘組、黃金組、寺門組及羅城組。五指山組主要為白云質(zhì)灰?guī)r及微晶灰?guī)r(圖2-A)，這與羅富地區(qū)的瘤狀灰?guī)r有所不同[6]，發(fā)生了明顯相變，由臺盆相轉(zhuǎn)變?yōu)榕_地相。堯云嶺組主要為深灰色薄層-中厚層灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r及生屑灰?guī)r，含大量海百合碎屑(圖2-B)，為臺地相沉積。英塘組按巖性可分為3段，第一段為深灰色泥質(zhì)灰?guī)r、鈣質(zhì)泥巖(圖2-C)，第二段為深灰色、灰色鈣質(zhì)泥巖、微晶灰?guī)r和瘤狀灰?guī)r(圖2-D)，第三段為深灰色炭質(zhì)泥、頁巖(圖2-E)。黃金組以深灰、灰黑色鈣質(zhì)泥巖、硅質(zhì)泥灰?guī)r為主(圖2-F)，底部為一套灰白色石英砂巖。寺門組主要為深灰、灰黑色鈣質(zhì)泥巖、頁巖、炭質(zhì)頁巖(圖2-G)。羅城組主要為灰-灰黑色厚層致密砂巖，有大量雙殼類及珊瑚化石(圖2-H)。

2 下石炭統(tǒng)基本特征

2.1 樣品采集及測試

結(jié)合五指山組、堯云嶺組、英塘組、黃金組、寺門組和羅城組巖性特征，對剖面沉積環(huán)境演變進(jìn)行了識別，并結(jié)合頁巖氣勘探潛力分析的目的，進(jìn)行了樣品采集工作。五指山組為臺地相沉積;堯云嶺組為臺盆相和臺地相沉積;英塘組第一、第二段主要為臺地相沉積，偶有臺盆相巖性發(fā)育;英塘組第三段主要為臺盆相沉積;黃金組為臺盆相-臺盆邊緣相沉積;寺門組為臺盆相沉積;羅城組為臺地相沉積(圖3)。

該剖面總長約6.7 km，其中堯云嶺組、英塘組和寺門組分別有臺盆相沉積，是頁巖氣產(chǎn)出的主要層位，因此在堯云嶺組和英塘組采集樣品57件(圖1，圖3)；寺門組出露不好，未采樣。根據(jù)巖性，選擇其中27件泥、頁巖樣品進(jìn)行了有機(jī)碳含量、礦物成分以及Ro值測試，14件樣品進(jìn)行了巖石熱解檢測。TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)測試采用LECOCS-200紅外碳硫測定儀，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)為GB/T I19145- 2003。Ro值的測定是采用MPV-Ⅲ顯微光度計(jì)，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)為SY/T 5124-1995。巖石熱解的測試是采用OG-2000V油氣顯示評價儀，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 18602-2012。礦物成分的測定是采用Panalytical X-Pert PRO MPD 型X射線衍射儀。測試工作均在四川省科源工程技術(shù)測試中心完成。

圖1 石門剖面位置及沉積相圖Fig.1 Map showing location of measured cross section (A),sampling position (B),and sedimentary phase diagram (C) (A)剖面位置圖; (B)樣品采集位置圖; (C)沉積相平面圖

圖2 石門剖面野外照片F(xiàn)ig.2 Field photographs of the Shimen section(A)五指山組白云質(zhì)灰?guī)r; (B)堯云嶺組鈣質(zhì)泥巖，發(fā)育平行層理; (C)英塘組第一段鈣質(zhì)泥巖; (D)英塘組第二段灰?guī)r夾鈣質(zhì)含炭頁巖; (E)英塘組第三段深灰色炭質(zhì)頁巖; (F)黃金組深灰色鈣質(zhì)泥巖; (G)寺門組灰黑色鈣質(zhì)泥巖，風(fēng)化色為黃褐色; (H)羅城組灰-灰黑色厚層致密砂巖

圖3 石門剖面綜合柱狀圖Fig.3 Comprehensive histogram of the Shimen section

2.2 有機(jī)質(zhì)豐度、類型及成熟度

有機(jī)碳含量(TOC)的高低是評價頁巖氣儲層的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，有機(jī)質(zhì)豐度、類型和成熟度則對頁巖氣的有機(jī)烴來源及其儲量評價具有指示意義。根據(jù)頁巖氣吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果[10-11]，在不考慮溫壓的條件下，TOC值與頁巖氣的吸附量成正比關(guān)系，因此TOC值是判斷頁巖氣含量的主要因素。

如表1和圖3所示，堯云嶺組泥頁巖TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)(wTOC)為0.09%～0.42%，平均為0.21%；英塘組第一段wTOC為0.44%～0.49%，平均為0.47%；英塘組第二段wTOC為0.18%～0.51%，平均為0.31%；英塘組第三段wTOC為1.04%～1.47%，平均為1.26%。其中英塘組第三段具有明顯較高的TOC值，wTOC皆大于1%。

根據(jù)樣品干酪根顯微組分測試結(jié)果，其成分以腐泥組居多，相對質(zhì)量分?jǐn)?shù)為59%～90%；鏡質(zhì)組其次，相對質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%～18%；殼質(zhì)組、惰質(zhì)組較少。干酪根類型指數(shù)為46.5～87，下石炭統(tǒng)主要為Ⅰ-Ⅱ型干酪根。其中僅有1個英塘組第二段樣品為Ⅰ型干酪根，其余均為Ⅱ1型干酪根。該類型有機(jī)質(zhì)來源于大洋浮游生物和藻類，其母質(zhì)形成于還原環(huán)境，富氫貧氧，微孔體積大，甲烷吸附能力強(qiáng)，在持續(xù)受熱后形成油氣[12]。

熱成熟度是頁巖氣的一個重要指標(biāo)，常用鏡質(zhì)體反射率(Ro)和巖石熱解數(shù)據(jù)表征[12-13]。石門剖面下石炭統(tǒng)Ro值為1.96%～3.01%，平均為2.56%。其中堯云嶺組Ro值為1.96%～2.16%，平均為2.07%；英塘組第一段Ro值為2.92%～3.01%，平均為2.97%；英塘組第二段Ro值為2.47%～2.99%，平均為2.82%；英塘組第三段Ro值為2.35%～2.77%，平均為2.52%(表1)。大良鎮(zhèn)剖面下石炭統(tǒng)樣品的熱解烴峰溫(tmax)為469～577℃，平均為546℃，其中英塘組第三段tmax值為577℃。根據(jù)陳建平等[14]海相烴源巖高溫?zé)峤饽M實(shí)驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)Ro>2%時，殘余可熱解烴量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))不超過5‰。石門剖面下石炭統(tǒng)富含有機(jī)質(zhì)黑色泥頁巖段殘余可熱解的產(chǎn)油率(S1+S2，質(zhì)量分?jǐn)?shù))為0.05‰～0.28‰，遠(yuǎn)小于6‰，干酪根基本上不可熱解。

表1 石門剖面樣品記錄及TOC、巖石熱解和鏡質(zhì)體反射率測試數(shù)據(jù)Table 1 The analyses of TOC,Ro and rock-eval for the Shimen section samples

2.3 礦物組成及物性特征

根據(jù)全巖成分測試結(jié)果(表2)，利用石英/(石英+碳酸鹽+黏土)對脆性指數(shù)進(jìn)行了計(jì)算。石門剖面下石炭統(tǒng)頁巖礦物成分主要包括石英、方解石和黏土礦物，脆性礦物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%～98%，平均為54%；黏土礦物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為42%～52%，平均為46%；脆性指數(shù)為3.00%～47.96%，平均為23.71%。堯云嶺組脆性礦物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為57%～98%，平均為73%；黏土礦物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%～43%，平均為27%；脆性指數(shù)為3.00%～24.00%，平均為16.11%。英塘組第一段脆性礦物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為57%～72%，平均為63%；黏土礦物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為28%～43%，平均為37%；脆性指數(shù)為20.20%～28.13%，平均為24.36%。英塘組第二段脆性礦物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為57%～98%，平均為73%；黏土礦物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%～43%，平均為27%；脆性指數(shù)為6.00%～24.21%，平均為16.01%。英塘組第三段脆性礦物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%～77%，平均為61%；黏土礦物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為23%～50%，平均為39%；脆性指數(shù)為29.59%～47.96%，平均值為36.26%。結(jié)合重慶涪陵焦石壩[15]及北美Barnett頁巖氣[16]的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，本文英塘組第三段不論是脆性礦物含量還是脆性指數(shù)數(shù)據(jù)，均顯示泥頁巖層段易在外力作用下形成裂縫，具有較好的可壓裂性，有利于頁巖氣的開采。

表2 石門剖面樣品礦物成分測試結(jié)果Table 2 Analytical data of whole-rock compositions of the Shimen section samples

石門剖面下石炭統(tǒng)的黏土礦物主要有伊利石、高嶺石、綠泥石和伊/蒙混層(表3)。堯云嶺組黏土礦物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)：伊利石17%～57%，綠泥石1%～30%，伊/蒙混層13%～81%，還有少量高嶺石。英塘組第一段黏土礦物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)：伊利石19%～27%，高嶺石9%～10%，伊/蒙混層63%～71%。英塘組第二段黏土礦物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)：伊利石25%～67%，高嶺石0%～12%，伊/蒙混層34%～68%。英塘組第三段黏土礦物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)：伊利石15%～56%，高嶺石9%～25%，伊/蒙混層27%～71%。根據(jù)Loucks等[17]對北美Barnett頁巖氣微孔隙研究結(jié)果，微孔隙與黏土成分之間的轉(zhuǎn)化具有一定的相關(guān)性，蒙皂石向伊利石的轉(zhuǎn)化過程常發(fā)生在成巖晚期，會導(dǎo)致礦物顆粒體積減小，儲層孔隙度增加，有利于頁巖氣的儲藏。石門剖面下石炭統(tǒng)伊/蒙混層含量為主要成分，伊利石次之，基本不含綠泥石，因此下石炭統(tǒng)泥、頁巖層段在成巖過程中，經(jīng)歷了較為明顯的蒙皂石向伊利石的轉(zhuǎn)化階段，具有良好的頁巖氣儲集能力。

3 儲層評價

根據(jù)過往在廣西南丹地區(qū)對羅富組及塘丁組頁巖氣評價的經(jīng)驗(yàn)[6-7]，結(jié)合前人研究結(jié)果，總結(jié)了頁巖儲層評價標(biāo)準(zhǔn)(表4)，包括有機(jī)質(zhì)豐度、熱成熟度、儲層物性、巖石礦物成分等。其標(biāo)準(zhǔn)為：wTOC>1%，Ro>1.3%，石英含量即脆性指數(shù)>40%，黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)>30%，黏土礦物中蒙皂石含量低，伊利石含量較高，頁巖厚度>30 m等。以此為基礎(chǔ)，對研究剖面早石炭世沉積進(jìn)行了頁巖氣儲層評價。

表3 石門剖面樣品黏土礦物成分測試結(jié)果Table 3 The analytical data of clay mineral compositions of the Shimen section samples

表4 頁巖氣儲層評價標(biāo)準(zhǔn)表Table 4 Standard evaluation for the shale gas reservoir

(據(jù)張聰?shù)萚6])

4 結(jié)果與結(jié)論

石門剖面下石炭統(tǒng)堯云嶺組泥頁巖wTOC為0.09%～0.42%，平均為0.21%；英塘組第一段wTOC為0.44%～0.49%，平均為0.47%；英塘組第二段wTOC為0.18%～0.51%，平均為0.31%；英塘組第三段wTOC為1.04%～1.47%，平均為1.26%。其中僅有英塘組第三段具有中等的頁巖氣開發(fā)潛力。

英塘組第三段厚約340 m，其巖性主要為深灰色、黑色泥巖、炭質(zhì)頁巖、鈣質(zhì)泥巖，有機(jī)質(zhì)類型為Ⅱ1型干酪根；Ro值為2.35%～2.77%，平均為2.52%；頁巖礦物成分主要有石英、方解石和黏土礦物；脆性礦物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%～77%，平均為61%；黏土礦物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為23%～50%，平均為39%；脆性指數(shù)為29.59%～47.96%，平均為36.26%。黏土礦物主要有伊利石、高嶺石和伊/蒙混層，伊利石質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%～56%，高嶺石質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9%～25%，伊/蒙混層質(zhì)量分?jǐn)?shù)為27%～71%。

英塘組第三段Ro值和巖石熱解結(jié)果顯示，泥頁巖進(jìn)入過成熟演化階段，以生成干氣為主，脆性礦物分配和脆性指數(shù)均顯示其易在外力作用下形成裂縫，具有較好的可壓裂性，有利于頁巖氣的開采。黏土礦物成分顯示其經(jīng)歷了較為明顯的蒙皂石向伊利石的轉(zhuǎn)化階段，具有良好的頁巖氣儲集能力。因此石門剖面早石炭世沉積中，英塘組第三段具有較好的頁巖氣勘探潛力。在廣西現(xiàn)階段下石炭統(tǒng)頁巖氣研究中，其有利層位不再僅局限于鹿寨組，英塘組同樣具有較好的頁巖氣勘探潛力。

四川省科源工程技術(shù)測試中心技術(shù)人員在各項(xiàng)測試中的幫助；成都理工大學(xué)沉積地質(zhì)研究院侯明才教授對本文提出了有益的建議；成都理工大學(xué)沉積地質(zhì)研究院的石鑫、羅宏謂、魏子琪等同學(xué)在野外和后期樣品處理工作中的幫助，作者借此表示感謝。