湘中漣源凹陷二疊系小江邊組頁巖氣地質條件

田 巍,苗鳳彬,陳 林,王 強,白云山

(中國地質調查局武漢地質調查中心,武漢 430205)

頁巖氣作為一種重要的非常規能源,且頁巖氣資源在我國十分豐富,其勘探潛力越來越受到重視。國內外學者在頁巖氣形成機理、富集條件、成藏特征等方面做了大量工作,形成了重要認識[1-6]。近年來,隨著南方海相油氣勘探的進行,湘中坳陷成為非常規油氣勘探熱點地區[7-8]。

湘中坳陷發育不同類型、 多套層系的烴源巖,包括泥盆系、石炭系和二疊系,其主要烴源巖的熱演化值大多已達到過成熟階段, 處于裂解氣濕氣—干氣階段。 因此, 廣泛分布的泥頁巖是湘中坳陷非常規天然氣勘探的重要領域。 漣源凹陷作為湘中坳陷的主要構造單元之一, 具有優越的頁巖氣地質條件, 擁有多個優質的頁巖氣勘探目的層系, 其中二疊系大隆組、 龍潭組,石炭系測水組, 泥盆系佘田橋組、 棋梓橋組等多套泥頁巖最有可能形成頁巖氣藏。 近年來, 較多的研究者對湘中坳陷主要頁巖氣目的層系展開了研究, 如: 文獻[9-12]探討了湘中坳陷二疊系龍潭組、 大隆組的頁巖氣地質條件； 文獻[13-16]對湘中坳陷泥盆系佘田橋組、 棋梓橋組和石炭系測水組的地球化學特征進行了描述, 認為湘中坳陷泥頁巖厚度大, 分布廣, 生烴潛力大, 具備頁巖氣富集的基本條件。 而對二疊系小江邊組泥頁巖的研究程度較低, 僅文獻[17]從地化、 物性特征方面初步探討了該組的頁巖氣勘探潛力, 但未對該組富有機質頁巖的平面展布特征進行細致分析。 本文通過對小江邊組富有機質頁巖的厚度、 TOC、Ro分布、 儲層特征及含氣性的綜合分析, 預測出漣源凹陷小江邊組的頁巖氣有利分布區。

1 區域地質特征及地層特征

1.1 區域地質特征

漣源凹陷位于湘中坳陷北部, 整體呈北西西向展布。 漣源凹陷基底為前泥盆系淺變質巖系, 蓋層為泥盆系至三疊系沉積巖, 中泥盆世至早三疊世凹陷內連續沉積, 厚度變化不大。 漣源凹陷東西分別以鳳冠山斷裂帶和集云斷裂帶為界, 劃分為東部滑覆疊瓦沖斷帶、中部斷褶帶和西部疊瓦逆掩沖斷帶。中部斷褶帶自東向西由恩口-斗笠山向斜、橋頭河向斜和車田江向斜組成，向斜呈NE向平行式展布(圖1)。

圖1 漣源凹陷構造格架及小江邊組有效泥頁巖厚度分布圖Fig.1 Structural framework and effective shale thickness of Xiaojiangbian Formation in Lianyuan sag

在早二疊世小江邊期,漣源凹陷沉積環境為臺盆相-半局限臺地相沉積,小江邊組與下伏棲霞組呈整合接觸,總體巖性表現為一套灰黑色炭質頁巖、鈣質頁巖夾薄層狀泥灰巖及少量硅質巖。本文以有機碳含量(TOC)大于1.0%為標準劃分有效泥頁巖厚度[18]。小江邊組有效泥頁巖厚度整體上具有由南向北增厚的趨勢,厚度為12.46～49.89 m，最厚處位于橋頭河向斜、車田江向斜和恩口-斗笠山向斜北部,厚度接近50 m(圖1)。

1.2 沉積地層特征

小江邊組和茅口組可劃分為一個三級層序,其中小江邊組主要劃分為TST。漣源凹陷小江邊組主要發育淺海陸棚-臺盆相沉積,其巖性主要由泥巖、鈣質泥巖、泥質碳酸鹽巖及碳酸鹽巖組成(圖2)。其中,在漣頁3井以南主要發育淺海陸棚相泥質夾碳酸鹽巖沉積,在漣頁3井以北主要發育臺緣斜坡相滑塌灰巖及臺盆相泥頁巖、鈣質頁巖夾薄層狀泥晶灰巖,局部見含磷結核發育。整體上，小江邊組具有自下向上水體逐漸變深的演化特征；橫向上，自南向北由淺海陸棚過渡到斜坡、臺盆的沉積相展布格局。

2 小江邊組泥頁巖儲層特征

2.1 地球化學特征

2.1.1 有機質豐度 有機質豐度是評價烴源巖的主要指標,頁巖中有機質的含量是頁巖氣富集的物質基礎。基于漣源凹陷內鉆井、露頭剖面的42件小江邊組泥頁巖有機碳含量分析測試結果繪制的TOC平面分布圖上,凹陷內主體部位自南東向北西TOC逐漸變大,TOC值分布在0.89%～1.99%,多數樣品TOC大于1%,局部個別樣品最高可達3%，平均1.48%(圖3)。

2.1.2 有機質成熟度 根據露頭剖面、鉆井巖心39個小江邊組泥頁巖樣品干酪根鏡質體反射率測試分析數據統計,小江邊組鏡質體反射率Ro值范圍為1.61%～2.31%,均值為1.88%,處于高成熟—過成熟階段。從圖3中可以看出,構造主體部位自西南向北東成熟度呈增大趨勢,最大值位于恩口-斗笠山向斜北部,高達2.0%以上。

2.1.3 有機質類型 有機質類型是決定泥質巖產氣效率、 生產方式及烴源巖評價的重要因素。 通過對小江邊組13個泥頁巖樣品的干酪根顯微組分鑒定分析發現:主要成分為腐泥組和殼質組,有少量鏡質組和惰質組,無樹脂體。腐泥組在54%～92%,殼質組在5%～41%,惰質組很少(0～3%),其主要有機質類型為Ⅰ型(腐泥型),少數為Ⅱ1型(圖4),具有良好的生油生烴能力。

圖2 漣源凹陷漣頁4井-隆回石塘小江邊組沉積相對比Fig.2 Sedimentary facies contrast of Xiaojiangbian Formation from Well LY4 to Shitang in Lianyuan sag

圖3 小江邊組泥頁巖有機碳含量與鏡質體反射率平面分布圖Fig.3 Distribution of TOC and Ro of Xiaojiangbian Formation shales1—TOC等值線;2—Ro等值線

2.2 巖石學特征

剖面露頭和鉆井巖心樣品的全巖及粘土礦物X射線衍射定量分析結果顯示, 漣源凹陷小江邊組泥頁巖粘土礦物含量低、 脆性礦物含量高。 粘土礦物平均含量為19.8%, 石英平均含量為33%, 碳酸鹽礦物(主要為方解石、 白云石)平均含量為40%(表1)。 此外, 泥頁巖樣品中含有一定量的黃鐵礦, 為強還原環境沉積的泥頁巖, 這種沉積條件對有機質的沉積與保存十分有利。

圖4 小江邊組泥頁巖干酪根顯微組分及類型Fig.4 Kerogen component and type of Xiaojiangbian Formation shales in Lianyuan sag

3 儲集空間特征

3.1 孔隙結構特征

對漣源凹陷小江邊組泥頁巖樣品進行壓汞測試發現:總孔比表面積1.23～5.26 m2/g;孔徑16.3～23.7 nm; 孔隙度1.74%～5.63%, 平均3.28%。 根據壓汞實驗測得的泥頁巖中值孔徑繪制階段進汞量與孔徑的關系圖(圖5)可知, 小江邊組泥頁巖孔徑多為微孔、小孔和中孔,對頁巖氣的儲存與富集比較有利。

表1 小江邊組泥頁巖XRD全巖礦物成分

注： “-”為未檢出。

圖5 小江邊組泥頁巖壓汞實驗階段進汞量與孔徑關系Fig.5 Relationship between differential intrusion and pore diameter of the shale samples in Xiaojiangbian Formation

小江邊組泥頁巖樣品比表面積與孔徑分布測試結果顯示: BJH比表面積為13.26～22.21 m2/g; 吸附孔隙體積為0.031～0.034 mL/g; BJH吸附孔徑為16.85～19.04 nm, 平均18.47 nm; BJH脫附孔徑為18.85～18.99 nm, 平均18.89 nm， 說明樣品中孔孔隙發育豐富,單位巖石比表面積大,可以為孔隙中氣體的吸附提供大量的吸著點位。從樣品的BJH氮氣吸附體積與孔徑關系曲線也能看出,氮氣吸附體積的最高峰值位于孔徑20 nm處附近(圖6),屬于中孔級別,對滲透率有較大貢獻,且中孔提供了主要的孔比表面積。

3. 2 孔隙連通性

根據低溫液氮吸附脫附曲線類型可以判別樣品孔隙的另一特點。從小江邊組泥頁巖吸附脫附曲線形態來看(圖7),當相對壓力大于0.45時,脫附曲線趨勢產生向上的拐點,隨后回歸趨勢與吸附曲線上下并行,呈現較大幅度的滯后環,表明小江邊組黑色頁巖孔隙形態屬狹縫狀孔。

當相對壓力趨近1時,脫吸附曲線都出現向上劇增現象,并未表現出飽和吸附的情況, 表明樣品在吸附氮氣過程中出現了毛細凝聚的現象, 反映出頁巖中除了介孔外可能含有一定量的過渡孔和中孔。陳尚斌等[19]認為孔隙的開放程度也與吸附線的上升速率有關, 上升越快說明孔隙開放度越大。小江邊組泥頁巖樣品在最高壓處都呈現出快速上升過程,表明大孔孔隙開放程度大,而在中壓區上升緩慢,說明這個區間的孔隙開放程度小,即中孔(介孔)開放程度小。整體而言,小江邊組孔隙間的連通性比較好。

圖6 泥頁巖樣品氮氣吸附體積與孔徑關系Fig.6 Relationship between nitrogen adsorption volume and pore diameter of shale samples

圖7 小江邊組泥頁巖氮氣吸附脫附曲線Fig.7 Adsorption and desorption isotherms of Xiaojiangbian Formation shales

3.3 儲集空間類型

野外露頭觀察和氬離子拋光-掃描電鏡觀察結果顯示,漣源凹陷小江邊組泥頁巖儲層孔隙、裂隙類型多樣:野外露頭可見垂直或斜交層面的構造裂縫發育(圖8a);巖心裂隙以高角度構造縫為主,亦可見小型裂縫發育,多數后期被方解石脈填充(圖8b); 鏡下觀察顯示，小江邊組泥頁巖微孔隙主要發育有機質孔、 微裂縫、 黃鐵礦間粒內孔和收縮縫等類型(圖8c—f)。其中,有機質微孔隙直徑分布在160～400 nm,呈密集分布狀態,平面上呈不規則形狀,空間上形成洞穴狀、蜂窩狀等復雜結構(圖8c); 微裂縫與其脆性礦物含量較高及漣源凹陷地區經受的多期構造應力作用相關(圖8d)。這些微孔隙和微裂縫的發育為頁巖氣提供了大量的儲集空間。

圖8 小江邊組泥頁巖孔隙類型Fig.8 Pore characteristics of Xiaojiangbian Formation shalesa—露頭裂縫;b—巖心高角度構造縫;c—有機質孔;d—微裂縫;e—黃鐵礦間粒內孔;f—收縮縫

4 勘探潛力

4.1 含氣量

頁巖氣主要以吸附態和游離狀態賦存于泥頁巖之中,含氣性是頁巖氣資源評價的直接參數之一,也是評價頁巖氣保存條件及是否具有開發價值的重要標準。

為了解小江邊組泥頁巖的吸附能力,利用Langmuir等溫吸附模型對該組泥頁巖進行等溫吸附試驗。在測試溫度30 ℃下, 等溫條件下吸附氣量隨著壓力增大而呈線性增長,然后趨于平穩,得出小江邊組泥頁巖最大吸附量為0.37～0.78 cm3/g(圖9)。

圖9 小江邊組不同深度泥頁巖等溫吸附曲線Fig.9 Isothermal adsorption curves of Xiaojiangbian Formation shale at different depths

4.2 勘探潛力分析

結合漣源凹陷小江邊組沉積特征,得出其頁巖氣成藏的有利條件為:富有機質泥頁巖厚度大于20 m;總有機碳含量(TOC)大于1.0%;有機質成熟度Ro大于1.0%。漣源凹陷小江邊組中廣泛分布富含有機質的泥頁巖,其厚度滿足頁巖氣聚集的條件(一般為12～50 m)、 有機質豐度高(平均1.48%)、 演化程度高(Ro平均為1.88%),具有較強的生烴能力,屬于較為有利的生氣泥頁巖。綜合考慮泥頁巖氣聚集的各項關鍵參數及指標,小江邊組泥頁巖在車田江向斜北部、橋頭河北部以及恩口-斗笠山向斜北部等區域具有較大的勘探潛力(圖10)。

圖10 漣源凹陷小江邊組頁巖氣有利區分布Fig.10 Distribution of shale gas favorable area of Xiaojiangbian Formation in Lianyuan sag1—TOC等值線;2—Ro等值線；3—等厚線；4—有利區

5 結 論

(1)漣源凹陷二疊系小江邊組泥頁巖累計厚度一般為12.46～49.89 m;有機質含量豐富,TOC平均為1.48%;干酪根類型為Ⅰ型,含少量Ⅱ1型;熱演化程度高,Ro均值為1.88%,處于高成熟—過成熟階段,利于頁巖氣生成,具備頁巖氣成藏的基本地質條件。

(2)氬離子拋光-掃描電鏡觀察結果顯示,小江邊組泥頁巖孔隙發育且類型多樣,發育有機質孔隙、晶間微孔隙,以及收縮縫、微裂縫,為頁巖氣賦存提供了較好的儲集空間。壓汞及氮氣吸附脫附試驗表明，小江邊組泥頁巖孔隙結構以中孔為主,孔隙間連通性較好。

(3)綜合泥頁巖有效厚度、有機質含量及類型、熱演化程度和含氣量等因素,預測漣源凹陷小江邊組頁巖氣有利區主要位于車田江向斜北部、橋頭河北部以及恩口-斗笠山向斜北部等區域。