郴耒凹陷龍?zhí)督M頁巖氣基本地質(zhì)特征

曹 暉，姜 文，鐘 響，熊 雄.

(1.湖南省煤田地質(zhì)局油氣勘探隊，湖南長沙 410114；2.湖南省地質(zhì)調(diào)查院，湖南長沙 410116)

隨著全球各國對非常規(guī)油氣資源的重視及相關(guān)技術(shù)的突破，頁巖氣已成為各國能源結(jié)構(gòu)中的新寵[1-4]。頁巖氣系指泥頁巖地層中以游離態(tài)或吸附態(tài)等形式聚集的天然氣，具有地層飽含氣、運(yùn)移距離短、自生自儲、成藏隱蔽等特征[5-6]。

我國頁巖氣資源豐富，形成地質(zhì)條件復(fù)雜，具有層系分布廣、成因類型多、后期改造復(fù)雜等特點(diǎn)[5]。作為我國南方海相頁巖氣重點(diǎn)區(qū)域，郴耒凹陷上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M勘探程度較低，且龍?zhí)督M常作為湖南省主力煤層來開采，對其可能含有的頁巖氣沒有充分關(guān)注。本文通過野外地質(zhì)調(diào)查、剖面實(shí)測、樣品實(shí)驗(yàn)、鉆孔對比分析等手段，研究了該區(qū)沉積特征、頁巖氣形成條件、儲層物性特征，探討了郴耒凹陷龍?zhí)督M頁巖氣的成藏潛力，為該區(qū)下一步勘探開發(fā)奠定理論基礎(chǔ)。

1 地質(zhì)背景

郴耒凹陷位于揚(yáng)子地塊與華南地塊結(jié)合帶，其西北以長壽街—雙牌斷裂帶為界與衡山隆起帶相接，東部以茶陵—臨武斷裂帶為界與華夏褶皺帶相接，西南部為寧江凸起[7](圖1)。由于受長期多旋回構(gòu)造疊加，區(qū)內(nèi)構(gòu)造復(fù)雜，褶皺、斷裂均發(fā)育，巖漿活動頻繁。構(gòu)造線方向多呈南北向，在北部偏向北北東向。向斜寬緩，背斜較緊密，呈隔擋式構(gòu)造。

圖1 郴耒凹陷構(gòu)造綱要簡圖Fig.1 Structural outline of Chenlei depression

研究區(qū)地層發(fā)育較為齊全，中元古界至新生界均有出露。其中，早二疊世為臺地相碳酸鹽沉積，中二疊世為臺盆—開闊對地相硅質(zhì)、碳酸鹽沉積，晚二疊世早期為三角洲—沼澤、潟湖相含煤碎屑沉積，晚期為臺盆相硅質(zhì)夾碳酸鹽沉積。自下而上可劃分為棲霞組、小江邊組、孤峰組、龍?zhí)督M、大隆組或吳家坪組。

二疊世后，研究區(qū)先后經(jīng)歷了早三疊世—中三疊世早期前造山階段、中三疊世后期—中侏羅世初陸內(nèi)造山階段、中侏羅世早期—晚侏羅世后造山階段及白堊紀(jì)板內(nèi)裂谷階段等4 個地質(zhì)階段，形成了大量斷裂構(gòu)造和巖漿活動，致使二疊紀(jì)地層受到不同程度的破壞。

2 沉積特征及展布

2.1 巖性及巖相組合特征

通過對野外剖面及鉆孔巖心觀測，將研究區(qū)龍?zhí)督M劃分為上、下兩段。下段主要由深灰色、灰綠色細(xì)粒石英砂巖、粉砂巖和粉砂質(zhì)泥巖為主，夾有黑色泥巖、碳質(zhì)泥巖，常見菱鐵質(zhì)結(jié)核和條帶；上段主要為長石石英砂巖、碳質(zhì)泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、碳質(zhì)硅質(zhì)頁巖、碳質(zhì)泥灰?guī)r及煤層。

巖相組合指示沉積環(huán)境變化，也是預(yù)測煤層發(fā)育情況的主要依據(jù)[8]，收集對比該區(qū)鉆孔資料[9-10]，將該地區(qū)巖相組合分為以下4類(圖2)。

圖2 晚二疊世龍?zhí)督M巖相組合類型Fig.2 Types of lithofacies of Longtan formation in the Late Permian

巖相組合A：厚煤層、厚碳質(zhì)頁巖及細(xì)砂巖組合，為龍?zhí)督M潮坪相成煤環(huán)境。碳質(zhì)泥巖，呈灰黑色薄層狀，水平層理，略污手。煤層，黑至黑灰色，半暗型，結(jié)構(gòu)簡單。中厚層狀細(xì)砂巖，灰白至土黃色，分選較好，楔形、交錯層理。

巖相組合B：厚層細(xì)砂巖和厚煤層組合，為龍?zhí)督M三角洲相，分流河道之上，分流間灣發(fā)育的沼澤環(huán)境。細(xì)砂巖，灰色，中厚層狀，水平層理，硅質(zhì)、泥質(zhì)膠結(jié)。煤，黑色，塊狀為主，半亮型煤。

巖相組合C：厚層鈣質(zhì)泥巖和薄層粉砂巖、細(xì)砂巖組合，局部地區(qū)細(xì)砂巖之上發(fā)育一薄煤層，為龍?zhí)督M上段上部水逐漸變深，三角洲相過渡為淺水陸棚相的沉積環(huán)境。碳質(zhì)泥巖，上部夾硅質(zhì)灰?guī)r，灰—灰黑色，為薄層狀，具水平層理，底部見較多瓣鰓類、腕足類化石，含較多黃鐵礦結(jié)核。細(xì)砂巖，灰—淺灰色，薄—中厚層狀，波狀交錯層理，黑色泥質(zhì)線紋，含云母等其他礦物。

巖相組合D：厚層中砂巖、粉砂巖和可采煤層的組合，為龍?zhí)督M上段下部三角洲相沉積組合。煤，黑色，塊狀為主，半亮型煤。砂巖，淺灰—灰白色，粒度中等，薄—中厚層狀，平行層理，局部可見交錯層理，礦物成分主要為石英、長石，鈣質(zhì)、硅質(zhì)膠結(jié)，含少量綠色礦物。

2.2 沉積環(huán)境特征

根據(jù)鉆孔資料、勘探報告及野外巖芯的觀察，編制了晚二疊世不同時期的沉積相圖(圖3)，共分為3個層序期次：

(1)層序Ⅰ沉積期：晚二疊世早期，龍?zhí)督M上段底部地層。總體為三角洲沉積(圖3a)，主要發(fā)育三角洲相沉積，可見前三角沉積、三角洲前緣沉積及三角洲平原中的分流河道、分流間灣沉積。

(2)層序Ⅱ沉積期：晚二疊世中期，隨著海侵向北東遷移，水深逐漸增加，研究區(qū)西部淺海陸棚范圍也隨之增大，東部大部分區(qū)域處于潮坪環(huán)境之中(圖3b)。

(3)層序Ⅲ沉積期：晚二疊世晚期，隨著海侵進(jìn)一步擴(kuò)大，整個研究區(qū)基本處于淺海陸棚環(huán)境，僅在南部貴陽和北部攸縣一帶為濱淺海沉積(圖3c)。淺海陸棚非常有利于生物聚集繁衍，有利于有機(jī)質(zhì)的聚集。

圖3 郴耒凹陷上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M沉積環(huán)境Fig.3 Sedimentary environment of the Upper Permian Longtan formation in Chenlei depression

3 頁巖烴源巖特征

3.1 頁巖分布特征

頁巖氣的形成以泥頁巖廣泛分布為基礎(chǔ)，泥頁巖沉積厚度則是保證足夠的有機(jī)質(zhì)及充足的儲集空間的前提，沉積厚度越大，頁巖的封蓋能力則越強(qiáng)，越有利于氣體的保存[11-13]。本文統(tǒng)計了郴耒凹陷13個煤田的45個鉆孔數(shù)據(jù)(圖4)，數(shù)據(jù)顯示上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M黑色頁巖非常發(fā)育，出露多，分布面積廣。其黑色頁巖主要分布于魯塘—袁家—華堂鋪和攸縣—衡東一線。從圖4中可以看出，龍?zhí)督M在魯塘地區(qū)為210 m，袁家為100 m，華塘附近為150 m，總體南邊厚，北邊薄。除出露區(qū)部分剝蝕之外，區(qū)域厚度變化主要受沉積相帶的控制，由湘北臺地邊緣向湘南盆地沉積逐漸變厚。

圖4 郴耒凹陷上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M泥頁巖厚度等值線圖Fig.4 Mud shale thickness contour map of the Upper Permian Longtan formation in Chenlei depression

3.2 有機(jī)質(zhì)豐度

湘中—湘東南龍?zhí)督M下段，主要巖性有泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、細(xì)粒砂巖、中粒砂巖及煤層等，烴源巖厚度平均可達(dá)230 m。沉積環(huán)境屬于濱外陸棚、潮坪、三角洲、古陸等。取樣分析結(jié)果表明，有機(jī)碳含量最高可達(dá)3.23%，一般為0.42%～2.30%，品質(zhì)較好(表1、圖5a)。TOC等值線顯示，TOC數(shù)值有利區(qū)主要發(fā)育在馬水、街洞和魯塘等地。

表1 龍?zhí)督M泥頁巖有機(jī)地球化學(xué)數(shù)據(jù)統(tǒng)計表Table 1 Statistical data of organic geochemistry test of mud shale samples from Longtan formation

3.3 有機(jī)質(zhì)成熟度

通過對區(qū)內(nèi)湘中烴源巖反射率統(tǒng)計，湘中漣邵地區(qū)Romax值最小值在廉橋地區(qū)為0.9%，在鄧家鋪地區(qū)高達(dá)5.43%；郴耒地區(qū)較漣邵地區(qū)Ro值大幅度增加，為1.24%～5.97%，平均為2.80%。整個湘中—湘南地區(qū)鏡質(zhì)體反射率均大于0.6%，總體屬于處于高—過成熟階段，以生氣為主(表1、圖5b)。

3.4 有機(jī)質(zhì)類型及特征

生油巖有機(jī)質(zhì)主要有腐泥型(Ⅰ類)、混合類(Ⅱ類)和腐殖型(Ⅲ類)三類[14-16]。Ⅰ型干酪根多由富含蛋白質(zhì)、類脂體的低等水生生物生成，如藻類、細(xì)菌，大部分為海相或陸相深水湖泊環(huán)境，可產(chǎn)大量油氣；Ⅱ型干酪根多由混合有機(jī)質(zhì)生成，如孢子、花粉、浮游生物、微生物等，大部分為陸相深水—半深水湖泊，利于油氣的生成；Ⅲ型干酪根由陸地高等植物，如木質(zhì)素、纖維素等生成，以氣體為主[17-18]。

郴耒凹陷二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M下段巖性以泥頁巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖為主，沉積環(huán)境主要有廣海潮坪、障壁潮坪以及淺深海環(huán)境，有機(jī)質(zhì)干酪根主要為Ⅰ型(腐型)和Ⅲ型，局部有富含基質(zhì)鏡質(zhì)組、腐泥組和殼質(zhì)組的Ⅱ型干酪根(表1)。

4 頁巖儲層微觀孔隙特征

為探討該區(qū)塊頁巖儲層微觀孔隙特征，本次研究首先通過掃描電子顯微鏡定性觀察頁巖孔隙、裂隙形態(tài)特征，之后運(yùn)用壓汞實(shí)驗(yàn)和低溫氮吸附實(shí)驗(yàn)定量分析頁巖樣品的孔隙、裂隙信息，進(jìn)而探討頁巖氣的生儲潛力。

4.1 掃描電鏡下頁巖的微觀孔隙特征

掃描電鏡結(jié)果顯示，上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M黑色頁巖裂隙發(fā)育，以微裂隙為主，此外還見有溶蝕縫、粒間縫、擠壓裂縫、鏡質(zhì)組收縮裂縫、類鏡質(zhì)體縫、片狀伊利石晶間縫等(圖6)。

圖6 龍?zhí)督M泥頁巖樣掃描電子顯微鏡下裂縫的形態(tài)Fig.6 Fracture morphology of Longtan formation shale sample under scanning electron microscopea.溶蝕縫；b.粒間縫；c.鏡質(zhì)組收縮裂縫；d.擠壓裂縫；e.片狀伊利石晶間縫；f.類鏡質(zhì)體縫。

上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M頁巖的孔隙度相對較小，一般無法用肉眼鑒別。掃描電鏡下可觀測到微孔(≥0.75 μm)和納米級孔(<0.75 μm)[19-20]。本次研究借助掃描電鏡觀察上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M孔隙類型有溶蝕孔、絮凝作用連通孔、均質(zhì)鏡質(zhì)體內(nèi)部孔、有機(jī)質(zhì)氣泡孔等(圖7)。

4.2 基于壓汞實(shí)驗(yàn)的頁巖孔隙特征分析

上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M泥頁巖樣壓汞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，其孔隙度在1.1%～4.8%之間，均大于1%，平均值為2.26%，孔隙度中等(表2)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也反映出了較高的退汞效率，樣品退汞效率在30.33%～63.73%之間，平均值為50.35%，表明樣品孔隙與喉道尺寸大小相對均勻，孔喉均一性較好，利于頁巖氣產(chǎn)出。

圖7 龍?zhí)督M泥頁巖樣掃描電子顯微鏡下孔隙的形態(tài)Fig.7 Pore morphology of Longtan formation shale sample under scanning electron microscopea.溶蝕孔；b.絮凝作用連通孔；c.均質(zhì)鏡質(zhì)體內(nèi)部孔；d.有機(jī)質(zhì)氣泡孔。

表2 龍?zhí)督M泥頁巖壓汞及滲透率實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計表[9]Table 2 Statistical data of mercury pressure test and permeability test of mud shale samples from Longtan formation

4.3 基于低溫氮吸附實(shí)驗(yàn)的頁巖孔隙特征

上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M泥頁巖樣低溫氮吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果(表3)顯示，測試的9塊樣品比表面積值在0.464～3.123 m2/g之間，平均值為1.114 m2/g，反映出了較高的比表面積，有利于甲烷氣體的賦存?？偪左w積值在0.001 37～0.008 94 mL/g之間，平均值為0.003 94 mL/g，孔容體積較大，有利于頁巖氣的賦存。平均孔直徑在7.629～11.450 nm之間，平均為14.940 nm，孔隙結(jié)構(gòu)較好。

5 結(jié)論

(1)龍?zhí)督M可分為3個層序期次。其中層序Ⅲ沉積期隨著海侵進(jìn)一步擴(kuò)大，整個研究區(qū)基本處于淺海陸棚環(huán)境，僅在南部貴陽和北部攸縣一帶為濱

表3 龍?zhí)督M泥頁巖樣低溫氮吸附實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計表[9]Table 3 Statistical data of low-temperature nitrogen adsorption experiment of mud shale samples from Longtan formation

淺海沉積。淺海陸棚非常有利于生物聚集繁衍，有利于有機(jī)質(zhì)的聚集。

(2)郴耒凹陷上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M沉積面積廣、沉積厚度大，沉積物中有機(jī)碳含量高、成熟度高，為大量有機(jī)質(zhì)的生成提供了充足的保障，區(qū)域具有較好頁巖氣成藏條件。

(3)龍?zhí)督M孔隙度差異大，但平均孔徑變化不大，分選性相對好，有利于含氣頁巖儲層后期的改造運(yùn)移；孔隙結(jié)構(gòu)主要為微小孔，比表面積大，甲烷吸附能力強(qiáng)，有較好含氣潛能。