陜西漢中南部地區下古生界頁巖氣地質特征及有利區預測

喬建新，李金錢，王小朗，馬宏民，趙 強

1. 陜西礦業開發工貿有限公司，陜西西安710054；2. 陜西地礦集團有限公司，陜西西安710054

頁巖氣是指賦存于以富有機質頁巖為主的儲集巖系中的非常規天然氣，因其特殊的成藏機理、豐富的資源潛力和良好的勘探前景而受到廣泛關注和高度重視。近年來，隨著天然氣在中國能源消費結構中的比重不斷攀升，國內頁巖氣勘探開發進程不斷推進，獲得了一批重要的勘探成果和研究進展[1-9]。目前，四川盆地及周緣上奧陶統五峰組—下志留統龍馬溪組已基本實現頁巖氣商業開發，而下寒武統牛蹄塘組僅在威遠、鄂西等個別地區取得突破。圍繞漢南—米倉山古隆起周緣廣泛分布的下寒武統牛蹄塘組和下志留統龍馬溪組作為揚子板塊西北緣主要的富有機質頁巖層系，具有沉積厚度較大、有機質豐度較高、有機質成熟度適中等特征，具備頁巖氣成藏條件。筆者結合前人成果[10-12]，通過對陜西漢中南部地區下寒武統牛蹄塘組和下志留統龍馬溪組頁巖氣地質特征進行系統分析，開展資源潛力評價與有利區預測，為該地區頁巖氣勘探提供依據。

1 區域地質背景

研究區位于揚子板塊西北緣，地質構造受揚子板塊、秦嶺造山帶與松潘—甘孜造山帶共同作用，經歷了前南華紀基底形成演化階段，南華紀—中三疊世地臺陸表海演化階段和晚三疊世以來大陸板塊內演化階段[13]。早古生代是揚子板塊主要的蓋層形成期，研究區主體屬淺海陸棚至斜坡沉積環境，圍繞漢南—米倉山古隆起周緣廣泛分布下寒武統牛蹄塘組和下志留統龍馬溪組等多套富有機質頁巖層系（圖1），主要巖性為黑色碳質頁巖、灰黑—黑色碳質泥質粉砂巖及深灰色泥質粉砂巖等，因古隆起周緣具有埋藏深度適中、構造變形較弱等特征，有利于頁巖氣的富集和保存，使得研究區富有機質頁巖層系成為頁巖氣勘查開發的主要目標層位。

2 下古生界主要頁巖層系分布特征

通過野外調查、測試分析與綜合研究，基本查明了研究區下寒武統牛蹄塘組和下志留統龍馬溪組富有機質頁巖層系的分布、巖性及厚度等特征。

2.1 下寒武統牛蹄塘組

下寒武統牛蹄塘組（∈1n）為研究區最主要的頁巖氣目標層位，在區內廣泛分布，底部為深灰—黑灰色薄層狀含碳粉砂質頁巖夾深灰色薄層狀泥質粉砂巖，下部為黑色薄層狀碳質頁巖夾灰黑—黑色薄層狀碳硅質巖，中部為黑色薄層狀碳質頁巖夾灰黑—黑色薄層狀碳質泥質粉砂巖，上部為深灰—灰黑色薄層狀泥質粉砂巖偶夾灰黑色薄層狀含碳粉砂質泥巖。總體而言，該組自下而上碳質成分逐漸減少，泥質和粉砂質成分逐漸增加，顏色逐漸變淺，頁巖層段含黃鐵礦結核或呈細條帶狀分布的黃鐵礦密集層，屬淺海陸棚相半封閉滯流沉積環境。該組的富有機質頁巖層段厚度變化相對較大，寧強縣石鐘溝一帶厚度為107 m，寧強縣唐家壩一帶厚度為128 m，南鄭縣掛寶巖一帶厚度為153 m，南鄭縣園坪子一帶厚度為182 m，西鄉縣大河壩一帶厚度為134 m，鎮巴縣平安場一帶厚度為126 m。

2.2 下志留統龍馬溪組

下志留統龍馬溪組（S1l）為研究區重要的頁巖氣目標層位，分布于區內漢南—米倉山古隆起周緣外側及南鄭縣黎坪、漆樹壩，鎮巴縣涼橋、八卦梁、余家大梁、松樹，西鄉縣洋溪等地，下部為深灰—黑灰色薄層狀碳質粉砂質頁巖夾深灰—黑灰色薄層狀泥質粉砂巖，中部為深灰—黑灰色薄—極薄層狀碳質頁巖夾深灰色薄層狀碳硅質巖，上部為灰—深灰色薄層狀泥質粉砂巖偶夾深灰—黑灰色薄層狀含碳粉砂質泥巖。總體而言，該組自下而上碳質成分逐漸減少，泥質和粉砂質成分逐漸增加，顏色逐漸變淺，頁巖層段含黃鐵礦晶粒及結核，且含豐富的筆石化石，屬淺海—半深海相強還原滯流沉積環境。該組的富有機質頁巖層段厚度變化較大，寧強縣大竹壩一帶厚度為24 m，勉縣阜川黑灘溝一帶厚度為34 m，南鄭縣掛寶巖一帶厚度為30 m，南鄭縣福成一帶厚度為20 m，鎮巴縣漁渡壩一帶厚度為45 m。

3 牛蹄塘組和龍馬溪組頁巖氣地質特征

3.1 地球化學特征

通過采集新鮮露頭樣品進行相關測試分析，對研究區牛蹄塘組和龍馬溪組富有機質頁巖的地球化學特征進行了研究。

3.1.1有機質豐度

有機碳含量和巖石熱解測試結果顯示，有機質豐度較高，具有良好的生烴潛力。24個牛蹄塘組樣品的有機碳含量（TOC）為0.24%~4.82%，平均值為2.18%，其中大于2.0%的樣品15個，占總數的62.5%；24個樣品的生烴勢（Pg）為0.02 mg/g ~1.49 mg/g。14個龍馬溪組樣品的有機碳含量（TOC）為0.32%~8.68%，平均值為2.39%，其中大于2.0%的樣品7個，占總數的50%；14個樣品的生烴勢（Pg）為0.03 mg/g~30.21 mg/g。

3.1.2 有機質類型

干酪根顯微組分鑒定結果（表1）顯示，以Ⅱ型干酪根為主。16個牛蹄塘組（∈1n）樣品包括Ⅰ型干酪根3個，Ⅱ1型干酪根8個，Ⅱ2型干酪根5個。7個龍馬溪組（S1l）樣品包括Ⅱ1型干酪根4個，Ⅱ2型干酪根3個。

表1 牛蹄塘組和龍馬溪組干酪根顯微組分及有機質類型Table 1 Kerogen macerals and organic matter types in Niutitang and Longmaxi Formations

3.1.3 有機質成熟度

鏡質體反射率測試結果顯示，有機質成熟度適中，具有較好的生烴條件。16個牛蹄塘組樣品的鏡質體反射率（Ro）為1.28%~2.34%，平均值為1.80%，其中1.5%~2.5%之間的樣品12個，占總數的75%。7個龍馬溪組樣品的鏡質體反射率（Ro）為1.24%~2.21%，平均值為1.71%，其中1.5%~2.5%之間的樣品4個，占總數的57.1%。

3.2 儲層特征

通過薄片鑒定、掃描電鏡分析及X衍射分析，對研究區牛蹄塘組和龍馬溪組富有機質頁巖的儲層特征進行了研究。

3.2.1 礦物學特征

薄片鑒定結果顯示，牛蹄塘組主要由粉砂質、泥質（粘土質和碳質）組成，還有少量碳酸鹽交代礦物。粉砂質的主要碎屑礦物為石英，粒徑在0.02 mm~0.07 mm之間，呈次圓狀、次棱角狀，少部分呈棱角狀；粘土礦物主要有伊利石、高嶺石、綠泥石，呈微晶—隱晶集合體，礦物粒徑極小，多小于0.005 mm；碳質無固定形態，多與粘土礦物互染，在單偏光下呈深褐色或黑色（圖2a）；碳酸鹽礦物（方解石）沿著巖石中的微裂隙呈細脈狀分布（圖2b）。龍馬溪組主要由泥質（粘土質和碳質）、粉砂質、生物碎屑組成，還有少量黃鐵礦。粘土礦物主要有伊利石、高嶺石、綠泥石，呈微晶—隱晶集合體，礦物粒徑極小，多小于0.005 mm；碳質無固定形態，多與粘土礦物互染，在單偏光下呈深褐色或黑色；粉砂質的主要碎屑礦物為石英，粒徑在0.01 mm~0.05 mm之間，呈次圓狀、次棱角狀，少部分呈棱角狀；生物碎屑以硅質放射蟲和海綿骨針為主，硅質放射蟲呈圓形，海綿骨針呈棒針形，內部充填放射狀玉髓（圖2c）；黃鐵礦呈分散狀分布，晶形較好，在單偏光下呈褐色（圖2d）。

圖2 牛蹄塘組和龍馬溪組礦物特征Fig.2 Characteristics of minerals in Niutitang and Longmaxi Formations

X衍射分析結果（表2、表3）顯示，牛蹄塘組和龍馬溪組富有機質頁巖脆性礦物含量高，粘土礦物演化程度高，以穩定礦物為主，缺乏蒙皂石等膨脹性礦物。5個牛蹄塘組樣品的脆性礦物含量為54.0%~69.0%，粘土礦物含量為29.6%~46.0%；脆性礦物中，石英含量為32.4%~53.6%，長石含量為10.1%~27.3%，方解石含量為7.2%~13.8%，黃鐵礦含量為1.5%~2.9%，石膏含量為0.3%~1.7%；粘土礦物中，伊利石（I）相對含量為81.0%~100%，高嶺石（K）相對含量為0~7.0%，綠泥石（C）相對含量為0~10.0%。2個龍馬溪組樣品的脆性礦物含量為65.6%~78.4%，粘土礦物含量為21.6%~34.4%；脆性礦物中，石英含量為55.7%~76.9%，長石含量為1.5%~6.8%，白云石含量為0~3.1%；粘土礦物中，伊利石（I）相對含量為84.0%~85.0%，高嶺石（K）相對含量為0~4.0%，綠泥石（C）相對含量為0~11.0%。

表2 牛蹄塘組和龍馬溪組脆性礦物及粘土礦物組分Table 2 Components of fragile minerals and clay minerals in Niutitang and Longmaxi Formations

表3 牛蹄塘組和龍馬溪組粘土礦物相對含量Table 3 Relative content of clay minerals in Niutitang and Longmaxi Formations

3.2.2 孔隙類型及結構特征

掃描電鏡觀測結果顯示，牛蹄塘組和龍馬溪組富有機質頁巖孔隙和微裂隙發育。孔隙主要包括粒間孔、粒內溶蝕孔、粘土礦物層間孔（圖3a至圖3c），粒間孔所占比最大，不同類型的孔隙結構與分布特征差異較大。微裂縫主要包括構造微裂縫、粘土礦物成巖收縮縫、有機質收縮縫（圖3d）。

圖3 牛蹄塘組和龍馬溪組微孔隙及微裂縫特征Fig.3 Characteristics of micro-pores and micro-fractures in Niutitang and Longmaxi Formations

4 頁巖氣有利區預測

在前人對四川盆地及周緣下寒武統牛蹄塘組和下志留統龍馬溪組頁巖氣資源潛力評價方面的研究成果[14-15]基礎上，根據頁巖厚度、有機質豐度、有機質成熟度和埋深等評價指標，在研究區開展了頁巖氣資源潛力評價和有利區預測。

研究區內漢南—米倉山古隆起東西兩側的牛蹄塘組和龍馬溪組富有機質頁巖呈帶狀展布，范圍較大、埋深適中（一般小于1 500 m）、構造變形較弱，有利于頁巖氣富集成藏。牛蹄塘組富有機質頁巖大部分地區厚度在100~150 m之間，局部大于200 m，有機質豐度基本在2.0%以上，有機質成熟度主要在1.5%~2.5%之間，干酪根類型以Ⅱ型為主。該組厚度較大，有機質豐度較高、成熟度適中，生烴能力較強，具有較大的資源潛力。龍馬溪組富有機質頁巖大部分地區厚度在20~50 m之間，局部大于50 m，有機質豐度基本在1.0%~3.0%之間、局部大于5.0%，有機質成熟度主要在1.5%~2.5%之間；干酪根類型為Ⅱ型。該組盡管有機質豐度高、成熟度適中，但因厚度較小，資源潛力相對較弱。

綜上所述，預測位于漢南—米倉山古隆起東西兩側的西鄉縣西南部—鎮巴縣西北部地區和勉縣西南部—寧強東南部地區（圖1）為頁巖氣勘探有利區域。

5 結論

（1）研究區下寒武統牛蹄塘組和下志留統龍馬溪組作為頁巖氣主要目標層位，分布廣泛、厚度較大、有機質豐度較高、有機質類型好、有機質成熟度適中、孔隙和裂縫發育，具有良好的頁巖氣成藏條件。

（2）預測西鄉縣西南部—鎮巴縣西北部地區和勉縣西南部—寧強東南部地區為頁巖氣勘探有利區域。