天峨‐南丹地區泥盆系羅富組頁巖氣成藏條件及有利區預測

2018-03-26 07:23:15張朝鋒王曉鵬

石油地質與工程 2018年1期

郭文，張朝鋒，王曉鵬

（核工業二〇三研究所，陜西咸陽 712000）

桂中坳陷歷經四十多年的勘探歷程，一直未獲得實質性突破。但桂中坳陷暗色泥頁巖廣泛發育，生儲蓋組合完整，構造圈閉類型多樣等特征，與四川盆地的含氣頁巖特點極為相似，其良好的地質條件備受石油地質學家所矚目[1–2]。國內許多學者已在廣西泥盆系做了大量的研究工作，對桂中坳陷泥盆系的油氣研究相對較多，但對桂西北羅富組烴源巖的研究相對甚少[3–5]。吳國干、陳叢林[6–7]等人認為桂中地區中泥盆統中期–晚泥盆統早期，臺盆范圍擴大，形成了臺盆與臺地相間的古地理格局，發育一套半深水–深水臺盆相羅富組黑色頁巖和硅質泥巖、硅質巖沉積。林良彪[8]等認為羅富組暗色泥頁巖從南丹、河池往南至柳州到鹿寨、永福一帶均有分布，烴源巖有機質豐度高，有機質類型為混合型和腐殖型。賀訓云[9]認為桂中坳陷主要發育中下泥盆統羅富組、納標組海相優質烴源巖，具備形成大中型油氣田的物質基礎。但對于泥盆系的頁巖氣，尤其是泥頁巖儲集特征、含氣性特征的研究較為薄弱，本文從桂西北天峨–南丹地區中泥盆統羅富組泥頁巖的厚度、空間展布、地球化學特征、儲集特征及含氣性等進行了深入分析，優選了頁巖氣有利勘探區帶。

1 研究區地質背景

廣西天峨–南丹地區位于桂中坳陷西北部邊緣，通過紫云–羅甸斷坳與黔南坳陷、南盤江坳陷相接，構造上以丹池斷裂帶東界為界，分為兩大構造單元。即東部臺限區和西部右江再生地槽區，面積約 832 km2（圖1）。研究區內構造變動強烈，巖漿活動頻繁，自西南而東北可分為北西向羅屯–龍臘斷裂帶、近南北向六寨大斷裂、近南北向巴平雁列褶皺帶，為典型的三級構造，各帶之間無嚴格界限，相互滲透。

2 羅富組泥頁巖空間展布

研究區內暗色泥頁巖分布受相帶控制明顯，屬加里東基底上沉積的晚古生代海相地層。中泥盆統早期，桂中坳陷全區拉張接受沉積，海侵范圍由南向北擴展，臺地–盆地沉積格局顯露；中期隨著裂陷加劇，相對海平面較高，臺盆范圍再次擴大，形成臺地邊緣、臺緣斜坡、深水盆地相間的古地理格局[10]。實測剖面、鉆探結果表明，研究區內羅富組為一套半深水–深水相暗色含炭質泥巖、頁巖、灰巖與泥質灰巖建造，局部夾少量硅質巖, 反映水體相對較深、能量較低的臺盆相沉積環境。納標組之上連續沉積羅富組地層總厚為 382～509 m[11]，區內羅富組沉積厚度大于459 m，橫向上沉積變化明顯，自西而東沉積厚度增厚，剖面測量羅富組上段暗色泥頁巖最大厚度可達114.24 m，單層最大厚度40.18 m；羅富組下段黑色泥頁巖最大厚度26.44 m，單層最大厚度13.70 m。縱向上羅地1井鉆遇羅富組地層厚度為570.60 m，有效暗色泥頁巖總厚度為 72.45 m，最大單層厚度為66.50 m（表1）。整體而言，區內羅富組沉積中心位于巖上、拉希至大山一帶，最大沉積厚度可達200 m以上（圖2）。

圖1 天峨–南丹地區地質簡圖

表1 天峨–南丹地區中泥盆統羅富組泥頁巖厚度及有機碳含量、成熟度統計

圖2 天峨–南丹地區泥盆系巖相古地理與暗色泥頁巖厚度

3 頁巖氣的富集條件

3.1 有機地球化學特征

研究區羅富組泥頁巖有機碳含量表現為打內–龍臘村一線以東TOC含量呈由西向東增加的趨勢，高值區位于巖上–拉希一帶，最高可達4.16%，巖上–拉希一帶發育多期的花崗斑巖脈，與燕山晚期的熱液活動密切相關，因此推測該區可能為中泥盆統羅富組烴源巖的沉積中心（圖 3）。PM05、PM08、PM09剖面50個羅富組泥頁巖樣品測定中，TOC的平均值為 2.36%，依照我國古生界海相烴源巖生烴潛力評價等級劃分標準，中泥盆統羅富組暗色泥頁巖為中等烴源巖。從野外露頭剖面和羅地1井的TOC縱向分布序列來看，羅富組泥頁巖有機碳含量非均質性強，上段有機碳含量明顯高于下段，向下有機碳含量的趨勢減小，但有機碳含量變化不大，受地層巖性控制，羅富組上段以炭質泥頁巖為主，下段較大部分以泥質灰巖、泥灰巖為主，有機碳含量相對較低，為1.20%～1.65%，平均為1.16%；羅富組上段暗色泥頁巖的TOC比下段高，推斷羅富組上段暗色泥頁巖是頁巖氣勘探開發的有利層段。

天峨–南丹地區上古生界泥頁巖沉積后經歷了多期次的構造運動，熱演化史復雜，泥頁巖熱演化程度普遍偏高。鏡質體反射率Ro平面展布特征與有機碳含量TOC呈現相似性，總體呈現由西向東增加的趨勢，Ro平均在2.0%以上，為過成熟的生干氣階段；PM05羅屯村剖面局部樣品測定Ro可達3.2%，拉希PM09剖面樣品測定Ro最高可達3.31%，已達到過成熟的晚期，熱液活動頻繁可能導致該區的有機質熱演化程度變高；縱向上來看，羅地1井取樣測定Ro變化范圍不大，平均值為2.53%，羅富組下段（D2l1）略高于上段（D2l2），更好地解釋了羅屯村剖面出現個別Ro高值的原因（圖3）。綜合分析研究區羅富組暗色泥頁巖均達到了高–過成熟階段。

圖3 天峨–南丹地區中泥盆統羅富組泥頁巖Ro與TOC等值線

3.2 泥頁巖儲層特征

頁巖中的礦物組成及含量不僅決定著頁巖的儲層物性、力學性質，同時也是影響含氣量的關鍵因素。脆性礦物（如石英、長石、碳酸鹽礦物等）的富集比主要黏土礦物的富集的巖石易產生裂縫，一般認為，脆性礦物含量高于30%、黏土礦物含量小于40%才具備商業開發價值[12]。研究區中泥盆統羅富組礦物成分主要為石英、方解石、黃鐵礦和黏土礦物及少量長石，石英平均含量為30.5%，碳酸鹽礦物平均含量為24.6%，黏土礦物平均含量為42.2%。黏土礦物定量分析主要為伊利石，其次為綠泥石、高嶺石，不含蒙皂石，有少量伊/蒙混層，羅富組無蒙脫石存在，表明蒙脫石向伊利石轉化處于伊利石階段。羅富組伊/蒙混層間層比為10% 或 12%，鏡質體反射率Ro2.28%～3.5%，綜合有機質成熟度和伊/蒙混層間層比，根據中華人民共和國石油天然氣行業標準《SY/T5477–2003碎屑巖成巖階段劃分》，羅富組泥頁巖成巖演化階段為晚成巖B期，巖石礦物向脆性且穩定的方向轉化[13]，為后期儲層改造提供了良好的礦物條件。

泥頁巖中大量的孔隙及裂隙為頁巖氣的聚集提供了良好的儲集空間[14]。按孔隙大小可分為微孔（孔隙直徑≥0.75 μm）和納米孔（孔隙直徑＜0.75 μm）兩種尺度孔隙，還將孔徑＜0.75 μm 的納米孔隙劃分為：有機質孔隙、粒間孔隙、粒內孔隙以及混合孔隙，同時在成巖過程中，原生孔隙中充填的石英、長石、碳酸鹽礦物容易被溶蝕，形成次生溶蝕微孔。野外露頭及羅地1井樣品掃描電鏡分析結果表明：天峨–南丹地區羅富組泥頁巖微孔隙、微裂縫發育，粒間孔隙主要表現為片狀礦物支撐和疊置的粒間孔，孔徑3～5 μm（圖4a、b）；溶蝕孔隙表現為長石表面溶蝕的蜂窩孔隙與碳酸鹽巖顆粒表面的溶蝕孔隙（圖4c、d）；有機質孔隙主要表現為藻體類腔形成的篩孔及粒間孔間有機質顆粒形成的格架孔（圖4e、f），孔隙直徑峰值為20 nm～5 μm，表現為納米–微孔特征。

圖4 天峨–南丹地區中泥盆統羅富組暗色泥頁巖孔隙結構特征

3.3 保存條件是頁巖氣富集的關鍵

頁巖含氣量是頁巖氣資源評價和有利區優選的關鍵參數。研究區羅地1井巖心樣品現場解吸實驗結果普遍偏低，解析總含氣量為0.080～0.267 m3/t，平均為0.144 m3/t，其中羅富組上段（D2l2）含氣量略高于羅富組下段（D2l1），受1 013.70～1 080.25 m優質炭質泥頁層段控制，總含氣量平均為 0.139 m3/t；地溫（20 ℃）解析含氣量均在0.05 m3/t左右，含氣量較差，而高溫解析為地溫解析含氣量的兩倍左右，表明羅富組泥頁巖具有一定的生烴潛力，但現場未得到較高的解析氣量，與該區的泥頁巖保存條件密切相關。

初步分析認為：構造運動是破壞油氣藏的主要因素，燕山運動使桂中坳陷發生全面的褶皺和斷裂活動，并對印支運動形成的構造進一步改造，使之復雜化，羅甸–紫云大斷裂自北向南穿過研究區，對油氣藏的聚集具有一定的破壞作用；研究區龍臘村一線以東羅富組目的層埋深為800～1 200 m，受沉積特征和構造控制，對比涪陵頁巖氣產層的埋深大于2 000 m而言，整體埋深較淺，賦存條件相對較差；上覆巖性為灰巖、泥灰巖地層，易發育溶洞、溶孔，且缺乏有效的隔水層，大氣水下滲–向心流十分發育，影響范圍廣、持續時間長，也是破壞油氣藏的一個重要因素；后期巖漿活動頻繁使已形成的油氣和油源物質遭受烘烤而發生裂解、瀝青化及碳化等現象，巖漿體上侵產生巨大拱托，使蓋層處于拉張狀態，產生一系列張性斷裂和裂縫，降低蓋層封閉能力。綜合分析，頁巖氣成藏的保存條件是天峨–南丹地區頁巖氣聚集的關鍵作用因素。

4 頁巖氣有利區預測

天峨–南丹地區中泥盆統羅富組泥頁巖具有有機質豐度高、單層有效厚度大、熱演化程度適中等特征，結合地表條件、斷裂發育程度、保存條件等，采取多因素風險疊加法進行頁巖氣有利區的預測。結果表明桂西北邊緣南丹地區更亮–困里一帶是頁巖氣勘探的有利區，面積約為55.96 km2（圖5），該區為丘陵地帶，地勢相對平緩，羅富組暗色泥頁巖總厚度為40～80 m；TOC分布平均大于2.8%；有機質熱演化程度相對適中，Ro平均為2.6%；結合區域物探資料和構造分析，地層埋深為800～1 200 m；同時該區斷裂較為不發育，相對有利于頁巖氣的保存和成藏。