湘中祁東地區(qū)佘田橋組頁巖氣成藏地質條件分析

鞏書華，蔡寧波，杜 江，朱麗芬，李 巖，王克營

(1.湖南省煤炭地質勘查院，長沙 410014； 2.湖南省地球物理地球化學勘查院，長沙 410116)

頁巖氣是以吸附和游離狀態(tài)同時存在于泥頁巖地層中的天然氣，具有典型的自生自儲、近原地成藏富集的特點[1-5]。近年來，國內外頁巖氣的勘探開發(fā)進入了快速發(fā)展階段，并取得了重要突破[6-7]。我國為解決油氣資源緊缺與需求劇增的矛盾，不斷擴大頁巖氣勘探范圍[8-9]，已從構造簡單、儲量穩(wěn)定的地區(qū)逐漸擴展到構造復雜區(qū)域。湘中泥盆系佘田橋組富有機質黑色頁巖較發(fā)育，分布范圍廣泛且厚度大，是頁巖氣調查評價的重點層位。本文通過在邵陽凹陷東緣進行勘查工作，并運用多種測試方法，研究分析了祁東地區(qū)佘田橋組暗色頁巖的頁巖氣成藏地質條件及含氣性特征，有效指導湘中泥盆系佘田橋組后期頁巖氣勘查評價工作。

1 地質背景

研究區(qū)位于湘中邵陽凹陷東部，地處祁陽弧斷裂內弧與關帝廟北東向隆起交匯部位，經(jīng)歷了加里東、印支、燕山三期構造運動，不同期次構造形跡相互疊加、改造，主要應力特征為先剪后張，導致構造形態(tài)十分復雜，發(fā)育了一系列近南北向、北北東向、北東向的擠壓性質的斷裂與褶皺。區(qū)內地層自奧陶系至石炭系均有發(fā)育，主要頁巖氣目的層為上泥盆統(tǒng)佘田橋組。

2 巖相古地理及富有機質頁巖厚度展布

研究區(qū)佘田橋組巖性主要為灰黑色-暗色泥頁巖、泥灰?guī)r、泥質灰?guī)r，局部地區(qū)為灰?guī)r，通過分析認為區(qū)內該組沉積相主要為臺地泥灰?guī)r相和潮坪碳酸鹽相。臺地相根據(jù)巖性差異，又可以分為頁巖相、泥灰?guī)r相、泥質灰?guī)r相及碳酸鹽相。其中頁巖相主要位于羅城東-蔣家橋北-步云橋北一線， 沿北東東向呈條帶狀展布(圖2)。

圖1 研究區(qū)構造簡要圖

圖2 研究區(qū)佘田橋組巖相古地理圖

區(qū)內佘田橋組總厚度約為600～900m，富有機質泥頁巖、鈣質頁巖、泥灰?guī)r主要發(fā)育在佘田橋組中下段，累計厚度22.71～68.49m，平均約為48.42m；且以步云橋復向斜西翼至太和堂地區(qū)發(fā)育較好，向東逐漸變薄，泥質含量逐漸降低，在官家嘴鎮(zhèn)一帶，幾乎全組發(fā)育淺灰色灰?guī)r。

圖3 研究區(qū)佘田橋組富有機質泥頁巖厚度等值線圖

3 有機地球化學特征

3.1 有機質類型與豐度

通過干酪根顯微組分鑒定分析，認為研究區(qū)佘田橋組暗色泥頁巖顯微組分中以腐泥組分含量最高，并含有少量鏡質組與惰質組，類型指數(shù)為72.8～74.5，干酪根類型為Ⅱ2型。其有機碳含量分布在0.32%～3.46%，平均為0.80%，且主體含量分布在0.1%～1.1%(圖4)，平面上整體表現(xiàn)為自北西向南東遞減趨勢，這在一定程度上與區(qū)內沉積相分布有關。

圖4 研究區(qū)佘田橋組有機碳含量分布圖

3.2 有機質成熟度

以目前的研究成果來看，泥頁巖熱演化程度與其含油氣豐度有著密切關系。成熟度適中有利于形成生烴高峰與有機孔隙大量發(fā)育的耦合，易于形成頁巖油氣富集[10]。而過高的成熟度會導致有機質發(fā)生炭化，有機孔隙大量衰減[11-12]，油氣會也由于長期演化而擴散。區(qū)內佘田橋組干酪根成熟度測試結果顯示，其鏡質體反射率Ro值范圍為0.79%～ 2.51%，平均為1.78%，處于高熟-過成熟階段。最大熱解溫度Tmax為304.2～ 539.0℃，平均450℃，也表示熱演化程度處于高演化階段，泥頁巖整體屬于較合適演化階段。

表1 研究區(qū)佘田橋組有機地球化學特征

平面上，全區(qū)Ro平均值均已超過1.7%以上，預示大部分地區(qū)佘田橋組泥巖處于高成熟階段，與地層沉積中心對應，調查區(qū)自北西部往東南方向成熟度增高(圖5)。

4 儲層特征

4.1 礦物組成特征

區(qū)內佘田橋組泥頁巖全巖分析顯示(圖6)，其碳酸鹽巖礦物質量分數(shù)最高，為30.5%～72.2%，平均44.5%，石英礦物質量分數(shù)為14.6%～50.8%，整體脆性礦物質量分數(shù)約占79.4%，這主要與佘田橋組底部硅質含量較高有關。黏土礦物平均為20.3%；其中又以伊利石與伊蒙混層為主，含少量高嶺石與綠泥石。泥頁巖儲集層脆性增大，有利于天然裂縫和誘導裂縫的形成，對頁巖氣后期開采壓裂也具有積極意義。

4.2 儲集空間特征

4.2.1 頁巖物性特征

佘田橋組頁巖覆壓孔滲測試結果顯示，孔隙度分布在1.05%～ 2.53%，平均為1.58%；滲透率主要分布在0.002 7～ 0.014 4mD，平均為0.003 3mD，整體變化區(qū)間不大，個別滲透率較高的樣品可能與其內部存在較多微裂縫有關，整體屬于極低孔低滲儲層。

圖5 研究區(qū)佘田橋組Ro等值線圖

圖6 研究區(qū)佘田橋組礦物組分質量分數(shù)分布圖

4.2.2 孔隙類型

根據(jù)掃描電鏡觀察(圖7)，研究區(qū)佘田橋組泥頁巖表面致密，殘余原生孔隙不發(fā)育，但溶蝕孔隙發(fā)育，部分被石膏(Anh)、針鐵礦(FeO)和伊利石(I)等充填。

根據(jù)頁巖樣品吸附-脫附曲線分析(圖8左)，認為其曲線整體呈反S型，屬IV型等溫線，表明該組頁巖含有開放的尖壁形孔、錐形管狀孔等；且吸脫附曲線的滯回環(huán)較大，也說明孔隙結構類型較為復雜，大孔和微孔也有發(fā)育，微孔中主要以一端封閉的墨水瓶孔為主，該孔隙類型利于氣體的吸附賦存。與頁巖吸附脫附等溫線所對應的BJH孔徑分布圖，如圖8右所示，孔徑峰值主要集中在 2.0～7.0 nm，孔隙以介孔為主。

(a)全貌，表面較致密；(b)寬約2-5μm溶蝕微孔隙；(c)鑄模溶蝕微孔隙；(d)2-5微米溶蝕微孔隙圖7 祁東地區(qū)佘田橋組黑色頁巖微觀孔隙特征

圖8 佘田橋組泥頁巖吸附解析(應為“解吸”)曲線(左)與孔徑分布曲線(右)圖

5 含氣性特征

5.1 泥頁巖等溫吸附特征

區(qū)內佘田橋組暗色泥頁巖飽和吸附量主要在1.26～ 3.21m3/t，平均值為2.21m3/t(圖9)?？梢妳^(qū)內佘田橋組暗色泥頁巖具有相對較好的儲氣性能，具有一定的氣體成藏條件，值得后期加以關注。

5.2 現(xiàn)場解析氣含量

研究區(qū)內湘祁地1井揭露佘田橋組氣測異常值不大，總烴最大值為0.154%，出現(xiàn)在井段878.00～881.00m處，巖性為深灰色鈣質泥巖?，F(xiàn)場解析氣實驗結果同樣顯示，其總含氣量整體較低，平均在0.11 m3/t，且氣相色譜檢測氣體成分基本為氮氣。因此，推測研究區(qū)佘田橋組復雜的構造發(fā)育情況導致深部與地表的溝通，致使頁巖氣保存條件較差。

圖9 佘田橋組泥頁巖樣品等溫吸附曲線圖

綜上認為，湘中祁東地區(qū)佘田橋組泥頁巖具有一定生烴物質基礎，儲層特征也符合后期頁巖氣開發(fā)條件，但由于本地區(qū)佘田橋組處于臺地相區(qū)，且受復雜構造作用影響，保存條件欠佳，含氣性受影響較大，因此需要尋找泥頁巖發(fā)育更好的臺盆相區(qū)，以及開展頁巖氣保存條件的精細評估和調查工作，在保存條件較好的地區(qū)尋求突破。

6 結論

①祁東地區(qū)佘田橋組具有一定頁巖氣生烴物質條件。佘田橋組主要富有機質層位為灰黑色-暗色泥頁巖、泥灰?guī)r，有利層段厚度平均48m；有機質類型以Ⅱ2型為主，有機碳含量一般，熱演化程度處于高熟階段。

②區(qū)內佘田橋組泥頁巖整體礦物含量與儲集特征均有利于后期開發(fā)。其泥頁巖脆性礦物含量平均達79%，儲層特征為極低孔低滲儲層，溶蝕孔隙發(fā)育，以介孔為主，大孔與微孔并存。

③區(qū)內佘田橋組泥頁巖吸附氣含量平均為2.21 m3/t， 但現(xiàn)場解析氣含量較低， 且氣體成分主要為氮氣，主要由于區(qū)內構造條件復雜，保存條件較差。后期需優(yōu)選臺盆相區(qū)內保存條件較好的地區(qū)尋求該組頁巖氣的突破。