湖南永順區(qū)塊龍家寨向斜龍馬溪組頁巖地化特征及頁巖氣資源潛力評(píng)價(jià)

曾帆

摘要：湖南永順區(qū)塊內(nèi)龍家寨向斜志留系龍馬溪組頁巖為深水陸棚沉積環(huán)境，具有頁巖氣成藏和保存條件，在X井的鉆探過程中，運(yùn)用油頁巖綜合評(píng)價(jià)儀分析巖心樣品的實(shí)驗(yàn)方法，獲得了TOC值，Tmax等參數(shù)，分析可知有效頁巖有機(jī)質(zhì)類型為Ⅰ型，且已經(jīng)成熟演化，計(jì)算得生氣強(qiáng)度為9×10m/km，利用成因體積法計(jì)算得該向斜頁巖氣總地質(zhì)儲(chǔ)量為288×10m，資源豐度類比法計(jì)算總地質(zhì)儲(chǔ)量為87×10m。

關(guān)鍵詞：永順;龍馬溪;地化;頁巖氣;儲(chǔ)量

前言

頁巖氣是以熱成熟作用或連續(xù)生物作用為主以及兩者相互作用的聚集在烴源巖中的天然氣以吸附或游離狀態(tài)存在于暗色泥頁巖或高碳泥頁巖的天然氣聚集，表現(xiàn)為典型的烴源巖層內(nèi)就近聚集“原地成藏”模式。自從2012年3月3日，國家發(fā)展改革委、財(cái)政部、國土資源部、國家能源局正式發(fā)布《頁巖氣發(fā)展規(guī)劃》以來，基本完成全國頁巖氣資源潛力調(diào)查與評(píng)價(jià)，建成了涪陵國家頁巖氣示范區(qū)，湖南永順區(qū)塊與涪陵類似，在志留紀(jì)時(shí)期沉積了很厚的龍馬溪組頁巖，但是目前對(duì)永順區(qū)塊龍馬溪組的頁巖氣資源量的評(píng)價(jià)、頁巖氣形成與保存條件和“甜點(diǎn)區(qū)”預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)地質(zhì)研究較少。本文利用X井的鉆井、錄井原始資料和頁巖地化分析測(cè)試，分析永順區(qū)塊龍家寨向斜龍馬溪組烴源巖地化特征，并與A井，B井對(duì)比，為永順區(qū)塊頁巖氣資源量的評(píng)價(jià)提供理論依據(jù)。

1 區(qū)域概況

1.1 地理特征

湖南永順頁巖氣區(qū)塊位于湖南省西北部湘西土家族苗族自治州永順縣，東鄰張家界市，西鄰龍山縣、保靖縣，面積982.23km。永順區(qū)塊西部地區(qū)以發(fā)育山地地貌為主，海拔300～1000m，高差較大;東部地區(qū)以小丘陵和向斜谷地地貌為主，海拔450～650m。

1.2 區(qū)域構(gòu)造概況

湖南永順頁巖氣區(qū)塊位于中揚(yáng)子地塊湘鄂西沖斷褶皺帶“桑植-石門復(fù)向斜帶”的西南部，整體以發(fā)育具復(fù)雜結(jié)構(gòu)的擠壓逆沖構(gòu)造為特征。受印支—燕山期區(qū)域擠壓應(yīng)力作用的控制，全區(qū)以發(fā)育北北東向展布的褶皺構(gòu)造為主，由東南向北西方向依次分布賀虎-搖灣背斜、青安坪向斜、沙壩-也莊背斜、龍家寨向斜、鹽井-首車背斜、馬蹄寨向斜6個(gè)次級(jí)構(gòu)造單元裂。X井位于永順區(qū)塊西部龍家寨向斜，該向斜呈北東向展布，呈近對(duì)稱結(jié)構(gòu)，向斜核部平緩，翼部較陡。地表出露地層產(chǎn)狀西翼為12～15°，東翼為9～12°，西翼產(chǎn)狀略陡于東翼。向斜在工區(qū)內(nèi)長(zhǎng)軸方向約33km，短軸方向約20km。地層分布相對(duì)較穩(wěn)定，斷裂發(fā)育較少，以發(fā)育逆沖斷層為主。

1.3 地層特征

地層發(fā)育較全，除加里東晚期區(qū)內(nèi)隆升缺失上志留統(tǒng)和下泥盆統(tǒng)，其他地層均有發(fā)育，其中下志留統(tǒng)龍馬溪組大多與下伏上奧陶統(tǒng)平行不整合接觸。晚奧陶世—早志留世，揚(yáng)子地區(qū)海域多為半封閉滯流海沉積環(huán)境，龍馬溪組下段發(fā)育黑色碳質(zhì)泥頁巖（有時(shí)含硅質(zhì)），含有微粒黃鐵礦和筆石化石。上段為灰色、黃綠色泥頁巖、粉砂質(zhì)頁巖、粉砂巖，有時(shí)夾薄層砂巖或團(tuán)塊狀泥質(zhì)灰?guī)r。其中，下段黑色頁巖是主要目的層段。

2 實(shí)驗(yàn)方法

在地質(zhì)歷史時(shí)期，烴源巖經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的演化生成烴類。在現(xiàn)實(shí)中對(duì)烴源巖進(jìn)行生烴模擬，無法對(duì)時(shí)間進(jìn)行模擬，則通過提高溫度加快有機(jī)質(zhì)演化來補(bǔ)償有機(jī)質(zhì)自然演化所需要的時(shí)間。油巖綜合評(píng)價(jià)儀利用時(shí)-溫互補(bǔ)的原理模擬有機(jī)質(zhì)的演化過程，記錄不同溫度下烴源巖的生烴量，以對(duì)烴源巖進(jìn)行相應(yīng)的評(píng)價(jià)，將巖樣粉碎后稱取 100 mg，把其中一份巖樣先在 380 ℃下恒溫預(yù)熱，直至不再產(chǎn)生烴類，巖樣中的干酪根在此溫度下瞬間不會(huì)熱解生烴，熱蒸發(fā)測(cè)定巖石中的游離烴量;然后，把經(jīng)過恒溫加熱的巖樣程序升溫至 600 ℃，以測(cè)定該巖樣的剩余熱解烴量，直接測(cè)取的參數(shù)有S，S，S，S，Tmax。

3 有機(jī)地球化學(xué)特征

3.1 有機(jī)質(zhì)的豐度

頁巖氣作為一種典型的非常規(guī)天然氣，其頁巖的有機(jī)化學(xué)性質(zhì)是控制頁巖氣成藏的關(guān)鍵內(nèi)在因素之一。頁巖有機(jī)質(zhì)豐度、有機(jī)類型、熱演化程度是單位體積內(nèi)頁巖氣生成的物質(zhì)基礎(chǔ)。TOC含量是衡量巖石有機(jī)質(zhì)豐度的重要指標(biāo)，通常有機(jī)質(zhì)含量越高，生烴能力越高，吸附甲烷氣的能力也越強(qiáng).聶海寬等曾發(fā)現(xiàn)黑色頁巖在有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%和10%時(shí)的吸附氣量分別是有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%時(shí)的2.6倍和5.5倍。可見，有機(jī)碳含量是控制頁巖氣含量的主要因素。而湘西北下志留統(tǒng)龍馬溪組有機(jī)碳含量變化大，X井49個(gè)頁巖樣品中有機(jī)碳質(zhì) 量分?jǐn)?shù)最高達(dá)到2.9%，最小值僅為0.19%，平均為1.24%。

實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)在所測(cè)的有機(jī)碳含量只是烴源巖生烴后殘余的有機(jī)碳含量，因此用頁巖殘余有機(jī)碳的含量評(píng)價(jià)有機(jī)質(zhì)豐度。

根據(jù)X井龍馬溪組下部49塊巖心樣品實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果統(tǒng)計(jì)，有機(jī)碳含量最小為0.19%，最大為2.9%，平均值為1.24%。并且具有自上而下有機(jī)碳含量逐漸增加的趨勢(shì)，從井深2524.00-2532.00米有機(jī)碳含量開始明顯抬升，最小0.19%，最大0.85%，平均0.43%，自2532.00米開始到龍馬溪組底界（2548.50米），有機(jī)碳含量成跳躍式增長(zhǎng)，最大高達(dá)2.9%，平均1.63%。由此可見，X井富含有機(jī)質(zhì)頁巖分布于龍馬溪下部。

與A井對(duì)比，整體有機(jī)碳含量略有抬高，但和B井對(duì)比，整體偏低。

參照有機(jī)質(zhì)豐度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，本井龍馬溪組下部頁巖的可定判定為好的烴源巖類型。前人研究認(rèn)為，在中國南方海相地區(qū)，殘余有機(jī)碳含量達(dá)到1%可以作為頁巖氣的有效層段，以此結(jié)論統(tǒng)計(jì)可得X井有效頁巖厚度為16.50m。

3.2 有機(jī)質(zhì)的類型

南方志留系龍馬溪組頁巖的演化程度高，鏡質(zhì)體反射率（Ro）分布在 2.3%～3.5%，表明其處于高—過成熟階段。由于在熱演化過程中，干酪根不斷降解脫氫、脫氧，導(dǎo)致碳元素相對(duì)富集，使得干酪根的成熟度級(jí)別“降低”。不同類型干酪根的成烴潛力有很大差別，產(chǎn)物性質(zhì)也不同。對(duì)于頁巖氣而言，干酪根類型還關(guān)系其成藏機(jī)理及勘探思路的確定。因此，在頁巖氣勘探開發(fā)及油氣資源評(píng)價(jià)中，正確判別干酪根的類型有著重要的意義

早古生代，全球范圍內(nèi)缺乏高等植物，干酪根的生物主要來源于低等水生生物、浮游動(dòng)物。湘西北地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組沉積顆粒細(xì)，富含筆石，為強(qiáng)還原環(huán)境。根據(jù)計(jì)算結(jié)果表明，X井井段從井深2524.00-2532.00米D指數(shù)為35%，表現(xiàn)為為II型腐殖腐泥干酪根的特征，自2532.00米-2548.5米D指數(shù)為80%，表現(xiàn)為為I型腐泥干酪根特征。

3.3有機(jī)質(zhì)成熟度

干酪根的鏡質(zhì)體反射率是最直觀的表征有機(jī)質(zhì)成熟度的參數(shù)。針對(duì)龍馬溪組頁巖缺乏鏡質(zhì)組的情況下，可通過利用測(cè)定熱解烴峰（S）峰頂溫度Tmax值判斷烴源巖成熟度，Tmax值是隨成熟度的增高而增大。X井龍馬溪組49個(gè)烴源巖樣品的Tmax為433.00°～554.10°，平均為500.36°，總體而言，研究區(qū)龍馬溪組頁巖有機(jī)質(zhì)進(jìn)入過成熟演化階段，以生成干氣為主。X井位于龍家寨向斜軸部，因此分析結(jié)果在區(qū)域上具有的代表性。

4 頁巖氣資源潛力評(píng)價(jià)

4.1 有效頁巖的生氣強(qiáng)度

頁巖有機(jī)質(zhì)生成的天然氣是頁巖氣成藏的物質(zhì)基礎(chǔ)，頁巖氣藏是泥質(zhì)烴源巖中天然氣排烴之后的殘余原生氣藏。頁巖有機(jī)質(zhì)生氣強(qiáng)度計(jì)算涉及的主要參數(shù)為有效頁巖厚度、頁巖的巖石密度、TOC和有機(jī)質(zhì)的產(chǎn)烴率。根據(jù)測(cè)井和分析化驗(yàn)資料，頁巖的巖石密度平均值為2.60t/m。研究表明，腐泥型干酪根氣態(tài)烴產(chǎn)率平均值為575.00m/t，本井頁巖有效厚度為16.5m，殘余有機(jī)碳含量平均值為1.63%。

有機(jī)碳產(chǎn)氣率計(jì)算頁巖氣生氣強(qiáng)度公式如下：

Q?= H× ρ?×C?×D×1000/（1000-D）×10

式中：H為有效頁巖厚度，m;ρ為頁 巖 的密度，t/m;C?為頁巖殘余有機(jī)碳含量，%;D為原始有機(jī)質(zhì)氣態(tài)烴產(chǎn)率，m/t;Q?為生氣強(qiáng)度，10m/km。

可以看出，X井龍馬溪組有效頁巖生氣強(qiáng)度與永頁1井相當(dāng)，為（9-10）×10m/km，在涪陵頁巖氣示范區(qū)，龍馬溪組有效頁巖的生氣強(qiáng)度較高，可達(dá)60×10m/km以上。

4.2 資源量估算

永順區(qū)塊龍馬溪組頁巖氣勘探程度較低，故本文采用靜態(tài)法中的成因體積法與體積豐度類比法，估算研究區(qū)龍馬溪組有效頁巖的天然氣資源量。

體積成因法是目前國內(nèi)使用最普遍的方法。計(jì)算公式如下：

Q=0.01×Q×S×（100-Kp）

式中：Q為頁巖氣資源量，10m;Q為有效頁巖生氣強(qiáng)度，10m/km;Kp為頁巖的排烴系數(shù)，%;S為有效頁巖分布面積，km。

成因體積法估算頁巖氣資源量的關(guān)鍵參數(shù)是排烴系數(shù)。國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于頁巖研究結(jié)果的統(tǒng)計(jì)表明，高-過成熟頁巖的排烴系數(shù)一般在50%以上。研究區(qū)龍馬溪組下部有效頁巖的頁巖單層厚度較小，參考涪陵龍馬溪組下部有效頁巖平均排烴系數(shù)取值 90%，本區(qū)塊取值80%，永順龍家寨向斜龍馬溪組一類有利區(qū)面積為152km。計(jì)算得研究區(qū)頁巖氣資源量為288×10m。

資源豐度類比法是勘探開發(fā)程度較低地區(qū)常用的方法，也是一種簡(jiǎn)單快速的評(píng)價(jià)方法。簡(jiǎn)要過程是：首先確定評(píng)價(jià)區(qū)頁巖系統(tǒng)展布面積、有效頁巖厚度、評(píng)價(jià)區(qū)頁巖吸附氣含量等關(guān)鍵評(píng)價(jià)參數(shù);需要考慮到吸附氣和游離氣的含量，但為了簡(jiǎn)便，不用仔細(xì)計(jì)算游離氣的含量，以巖心解析后產(chǎn)生的氣量加上損失氣量的值作為計(jì)算參數(shù)，A井解析0.59m/t的含氣量，C井解析1.69m/t的含氣量，X井解析1.34m/t的含氣量，王世謙等（2013）對(duì)四川盆地南部五峰組-龍馬溪組及北美地區(qū)多套頁巖氣的含氣量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，指出隨著頁巖埋藏較深、儲(chǔ)層壓力產(chǎn)生異常高壓時(shí)，頁巖含氣量也隨之而升高。由于A井龍馬溪組頁巖僅530.00m埋深，雖然具有生烴能力，可是保存條件差，本井龍馬溪組有效頁巖埋深達(dá)2532.00m，具有代表性。

類比法的計(jì)算公式如下：

Q=S×H×ρ?×Q×10

式中：S為有效頁巖面積，km，H為有效頁巖厚度，m，ρ為頁巖密度，t/m，Q為頁巖氣含氣量，m/t，Q為資源量，10m。計(jì)算得研究區(qū)頁巖氣資源量87×10m。

5 結(jié)論

（1）永順區(qū)塊龍家寨向斜龍馬溪組下部頁巖可定判定為好的烴源巖類型，有效頁巖層段表現(xiàn)為為I型腐泥干酪根特征，有利于頁巖氣的生成。

（2）研究區(qū)龍馬溪組下部頁巖Tmax值平均為500.36°，有機(jī)質(zhì)進(jìn)入過成熟演化階段，以生成干氣為主。

（3）研究區(qū)龍馬溪組下部有效頁巖生氣強(qiáng)度為9×10m/km，與涪陵區(qū)塊對(duì)比，相對(duì)偏低，頁巖氣總地質(zhì)儲(chǔ)量為（87-288）×10m，具有商業(yè)開采價(jià)值。

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