李國亮，王先輝，楊 俊，劉天一，羅 鵬

LIGuo-Liang,WANGXian-Hui,YANGJun,LIUTian-Yi，LUOPeng

(湖南省地質(zhì)調(diào)查院，長沙410116)

(Hunan Insititute of Geological Survey,Changsha 410116,China)

隨著中國南方海相頁巖氣勘探力度的加大，進一步指示出南方油氣資源良好的開發(fā)前景。湖南地處揚子陸塊與華南陸塊過渡的區(qū)域，湘西北-湘中大部分位于揚子地區(qū)。地域上烴源巖有利層位較多、分布面積較廣、厚度較為穩(wěn)定、有機質(zhì)含量豐富，頁巖氣富集成藏條件十分優(yōu)越，詳細地掌握黑色頁巖其成藏條件及含氣特征對于解決湖南缺油少氣的現(xiàn)狀十分有利。

本文在大量野外詳查和實驗分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合湘西北-湘中地區(qū)有利頁巖層展布規(guī)律和存儲機制優(yōu)選志留紀龍馬溪組(將奧陶紀五峰組頁巖并入其中)進行探討和分析，旨在全面、詳細的評價龍馬溪組頁巖氣成藏潛力。

1 地質(zhì)概況

在晚奧陶世中上揚子海域被古隆起包圍，形成一局限海盆，使廣大海域處于還原條件。同時陸地不斷擴大，海域面積縮小。局限淺海相帶幾乎遍及整個中上揚子沉積區(qū)，沉積一定厚度的黑色頁巖層，分布穩(wěn)定，生物以筆石占絕對優(yōu)勢。區(qū)內(nèi)志留紀的沉積作用，正是在這樣一種區(qū)域構(gòu)造與古地理背景中開始與發(fā)展起來的（圖1）。

圖1 湖南省早志留世巖相古地理圖Fig.1 The Early Silurian lithofaciespaleogeographic map of Hunan province,China

以沅陵、桃源一線為界，界線西北向為上揚子地區(qū)，湘西北龍馬溪組底部普遍見有含炭質(zhì)頁巖夾含炭泥質(zhì)粉砂巖，厚度10~67 m。巖石中普遍含星散狀黃鐵礦，具發(fā)育水平微層理、透鏡狀層理。產(chǎn)豐富的筆石化石，多為聚合式保存，說明屬陸棚相滯留盆地沉積。龍馬溪組中上部以灰綠色至灰色頁巖、粉砂質(zhì)頁巖、砂質(zhì)頁巖為主，夾薄層至厚層狀石英細砂巖及泥質(zhì)粉砂巖。該套巖層的沉積構(gòu)造因巖性不同而有所差異，其中泥質(zhì)巖以水平層理為主，砂巖則具沙紋層理，并可見波痕。生物化石以筆石較常見，呈分散式埋藏，缺乏底棲生物。上述特征表明仍屬于陸棚滯留盆地環(huán)境。界線南東湘中地區(qū)主要由黑色炭質(zhì)頁巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)炭質(zhì)頁巖組成，厚一般為10~20 m，同樣含星散狀黃鐵礦。筆石化石較為豐富，呈聚集式埋藏，底棲生物絕跡。屬于欠補償盆地沉積。

圖2 龍馬溪組黑色頁巖有機碳（TOC）平面分布等值線圖Fig.2 The TOCisolinemap of the Longmaxi Formation black shale

2 頁巖氣成藏條件

優(yōu)越的沉積條件和封閉性較好的還原環(huán)境是黑色頁巖形成的重要條件。其黑色頁巖層是否具有良好的生烴產(chǎn)氣能力需結(jié)合沉積環(huán)境和物化性特征等因素來判定，主要體現(xiàn)在頁巖層的有機地化指數(shù)、儲集性能及保存條件等綜合指標上。所以針對相關(guān)因素的影響和指示意義進行相應(yīng)的實驗研究分析和數(shù)理統(tǒng)計是十分必要的。

2.1 有機地化特征

2.1.1 有機質(zhì)豐度分析

由于沉積巖中有機質(zhì)的豐度用其中總有機碳含量（TOC）來衡量。同時頁巖氣有機碳含量直接影響其總含氣量的高低。本次對龍馬溪組黑色頁巖進行了有機碳取樣分析，樣品主要來自剖面按層取樣和散點控制取樣相結(jié)合方式。

采樣分析巖性主要為炭質(zhì)頁巖、含炭質(zhì)泥巖、炭質(zhì)硅質(zhì)板巖，測試數(shù)據(jù)值33個，其中21%的樣品TOC值在0.5%~1.0%之間，57%的樣品TOC值在2.0%~4.0%之間，總體平均值為2.0%。從龍馬溪組黑色頁巖有機碳含量直方圖（圖3）也能反映出其TOC值分布區(qū)間，近似于峰值為1.0%~2.0%的正態(tài)分布。整體有機碳含量較高，是很好的烴源巖，生氣能力較高。在其平面分布等值線圖（圖2）上看，高值區(qū)主要在來鳳、龍山地區(qū)和永順一帶，TOC值在1.0%~2.0%區(qū)間出露范圍最大，占區(qū)內(nèi)70%的面積。整體變化趨勢是北低南高。由于剝蝕覆蓋的原因，其主要研究區(qū)集中在石門-桑植復(fù)向斜至沅麻盆地。

圖3 龍馬溪組黑色頁巖有機碳含量統(tǒng)計直方圖Fig.3 Theorganic carbon content statisticshistogramof the Longmaxi Formation black shale

2.1.2 有機質(zhì)成熟度分析

有機質(zhì)成熟度反映了沉積盆地里源巖各個演化階段，代表其經(jīng)歷的最高溫度，是評價頁巖氣成藏條件的重要參數(shù)之一。頁巖氣的生成與聚集不僅要具有豐富的有機質(zhì)和良好的有機質(zhì)類型，還需要達到適宜的成熟度。等效鏡質(zhì)體反射率與有機質(zhì)的成熟度有很好的對應(yīng)關(guān)系。因此，鏡質(zhì)組反射率作為有機質(zhì)成熟度最可靠的指標來分析。

對龍馬溪組含氣頁巖層樣品進行R o值測試分析（表1），共分析樣品18個，其R o值分布區(qū)間在1.92%~3.33%，R o平均值為2.59%。從表1可見其R o值整體在2.50%附近，為成熟-過成熟階段。結(jié)合其平面等值線展布圖（圖4）,可見龍馬溪組黑色頁巖R o展布區(qū)域主要在湘西北和湘中靠近雪峰山南側(cè)，主要出露在桑植-石門一帶以及雪峰山東南緣。R o高值區(qū)域主要在瀘溪-吉首以及靠近湘中的安化附近。從圖4可以看出區(qū)域上R o值整體有兩個低值區(qū)和兩個高值區(qū)，形成兩峰兩谷，兩谷的R o值分別在永順和新化附近，為低值區(qū)；在安化和瀘溪形成兩個峰值，高值在3.50%附近。從平面分布圖上可見R o值大范圍上以1.50%~2.50%為主，占整個湘西北研究區(qū)的80%以上。所以從龍馬溪組成熟度來看，本層位的頁巖氣開發(fā)潛力巨大。

表1 龍馬溪組黑色頁巖樣品R o分析測試結(jié)果表Table 1 The R o test results of the Longmaxi Formation black shale samples

圖4 龍馬溪組黑色頁巖成熟度（R o）平面分布等值線圖Fig.4 Thematurity(R o)isolinemap of the Longmaxi Formation black shale

2.1.3 有機質(zhì)類型的確定

龍馬溪組中主要碳同位素實驗值為-31.4‰~-27.1‰，均值為-29.6‰，依據(jù)干酪根類型劃分參數(shù)指標碳同位素13C‰(PDB)小于-28‰者劃分為Ⅰ型；其次干酪根顯微組分顯示其腐泥質(zhì)成分在65%~81%之間，均值為73%，惰質(zhì)組為20%~55%范圍，均值為31%，無殼質(zhì)組和鏡質(zhì)組，其腐泥質(zhì)占據(jù)主要成分，說明其成因來源于低等水生生物，生油潛力較好，為典型的Ⅰ型。綜合碳同位素和干酪根顯微組分的分析對比，對龍馬溪組黑色頁巖層的干酪根類型基本劃分為Ⅰ型，生油潛力較好，是良好的頁巖氣目標層位。

2.2 黑色頁巖儲集特性

2.2.1 礦物組成

龍馬溪組以高脆性礦物和適當粘土礦物組合(表2)為主，碳酸鹽礦物含量甚微，優(yōu)質(zhì)烴源巖在礦物組成三角圖（圖5）上分布比較集中，在三角圖上主要靠近硅質(zhì)型泥頁巖一側(cè)，整個脆性礦物含量在60%~86%為主，剩余24%~54%以粘土礦物為主，脆性礦物為石英和長石，粘土礦物在本組地層中主要為伊利石和伊/蒙間層，其次為高嶺石和綠泥石。不僅有較為豐富的脆性礦物有利于改造，更在此基礎(chǔ)上吸附氣對于粘土礦物的依附量有所保障。因此，從礦物組成上看龍馬溪組是對于頁巖氣的勘探開發(fā)和含氣量都是十分有利的層位。

表2 龍馬溪組黑色頁巖部分樣品礦物組分表Table 1 The mineral components of the part samples of the Longmaxi Formation black shale

圖5 龍馬溪組黑色頁巖礦物組成三角圖Fig.5 The mineral composition triangleof the Longmaxi Formation black shale

2.2.2 頁巖物性特征

孔隙度對黑色頁巖的儲集性能有十分重要的影響，良好的孔隙空間可以提高油氣存儲能力，同時也提供了一定的運移通道和富集空間。對龍馬溪組黑色頁巖進行孔隙度測試結(jié)果為0.2%~8.4%，平均值為2.3%，孔隙度處于2%~5%之間，較低。其次龍馬溪組黑色頁巖樣品的滲透率極低，基本小于0.04×10-3μm2。結(jié)合美國及相關(guān)地區(qū)對頁巖氣勘探開發(fā)資料顯示，大多數(shù)產(chǎn)氣頁巖為低孔低滲，而龍馬溪組頁巖孔滲條件正好與此相吻合，證明其具備良好的頁巖氣儲集能力。

龍馬溪組黑色頁巖掃描電鏡試驗顯示頁巖基質(zhì)、有機質(zhì)中存在大量微小孔洞和裂隙。頁巖中孔徑小于10 nm的微孔隙體積占頁巖總孔體積的5.1%~26.9%，平均為20.1%；孔徑介于10~50 nm之間的微孔隙體積占總孔體積的39.2%~55.1%，平均為46.3%；孔徑大于50 nm的微孔隙體積占總孔體積的20.7%~50.5%，平均為33.6%?？梢?，孔徑大于10 nm的中孔及宏孔對頁巖總孔體積的貢獻最大?？讖叫∮?0 nm的微孔隙對總孔面積的貢獻最大，其表面積占總孔面積的28.4%~79.4%，平均為63.9%；孔徑介于10~50 nm的微孔隙的孔表面積占總孔面積的17.3%~59.2%，平均為30.6%；孔徑大于50 nm的微孔隙孔表面積占總孔面積的2.5%~12.3%，平均為5.5%（圖6）。龍馬溪組頁巖中納米級的微孔隙十分發(fā)育，可以為游離態(tài)及吸附態(tài)的頁巖氣提供儲集空間（圖7）。而且頁巖內(nèi)孔隙的孔表面積主要來自于孔徑小于50 nm的微孔隙的貢獻，有利于吸附氣的保存。

圖6 龍馬溪組頁巖樣品孔徑分布與孔體積、孔面積百分比直方圖Fig.6 Theporesizeand porevolume,poreareapercentagehistogramof the Longmaxi Formation shalesamples

2.3 含氣頁巖保存條件

龍馬溪組形成于加里東期中晚期，在湘西北地區(qū)分布廣泛，出露情況較好。其次在雪峰山南側(cè)靠近湘中盆地地區(qū)也有所分布。龍馬溪組含氣頁巖主要深度范圍在1000~2000 m之間，其分布區(qū)域較為集中，主要為石門-桑植-花垣一帶以及漣源凹陷內(nèi)。龍馬溪組在深度上適中，符合最佳開采深度3500 m范圍內(nèi)。主要黑色頁巖的厚度在區(qū)域上有一定變化特征，主要在10~50 m不等，在石門-桑植復(fù)向斜北西至龍山、來鳳方向厚度增大，厚度基本滿足開發(fā)條件。在整個區(qū)內(nèi)，龍馬溪組黑色頁巖氣產(chǎn)狀較為平緩，傾角大多小于20°，有利于頁巖氣的保存和儲量計算。因此，對于龍馬溪組的大力開發(fā)和研究是十分必要的。

圖7 龍馬溪組黑色頁巖樣品微孔隙、微裂隙掃描電鏡特征Fig.7 Themicropore,microfracturecharacteristicsof the Longmaxi Formation black shalesamplesunder SEM

3 結(jié)論

（1）在湘西北地區(qū)龍馬溪組中下部沉積屬陸棚相滯留盆地沉積；而在湘中以及湘東南地區(qū)屬于欠補償盆地沉積。主要沉積了一定厚度的黑色頁巖層，特點為分布面積廣、厚度區(qū)域上較為穩(wěn)定、有機碳含量高，整個富集成藏條件十分優(yōu)越。其整體埋深范圍在1000~2000 m之間為主，構(gòu)造產(chǎn)出較為平緩。而向湘中、湘東南方向砂質(zhì)含量增高。

（2）本地區(qū)龍馬溪組黑色頁巖實驗分析數(shù)據(jù)顯示：21%樣品TOC值在0.5%~1.0%之間，57%樣品TOC值在2.0%~4.0%之間，整體平均值為2.0%，有機碳含量高；黑色頁巖的R o值分布區(qū)間為1.92%~3.33%，平均值為2.59%，處于成熟到過成熟階段。孔隙度為0.2%~8.4%，平均值為2.3%，孔隙度處于2%~5%之間，較低；滲透率極低，基本小于0.04×10-3μm2?？傆袡C碳含量高、達到一定的成熟度、低孔低滲正好吻合美國及相關(guān)地區(qū)對頁巖氣勘探開發(fā)的實例條件。

（3）結(jié)合龍馬溪組的地質(zhì)背景以及頁巖層的有機地化特征、儲集性能、頁巖氣保存條件等指標，揭示出在石門-桑植復(fù)向斜至湖北來鳳、重慶黔江一帶頁巖氣勘探潛力較大，其次在雪峰山東南緣瀘溪-安化一帶頁巖氣隱藏潛力不容忽視。

[1]黃盛,王國芝,鄒波,劉樹根，徐國盛.中上揚子志留系龍馬溪組頁巖氣勘探區(qū)優(yōu)選[J].成都理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2012，39（2）：190-196.

[2]蒲泊伶,蔣有錄,王毅,包書景,劉鑫金.四川盆地下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖氣成藏條件及有利地區(qū)分析[J].石油學(xué)報，2010,31（2）：225-230.

[3]萬洪程,孫瑋,劉樹根,冉波.四川盆地及周緣地區(qū)五峰-龍馬溪組頁巖氣概況及前景評價[J].成都理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2012,39（2）：176-181.

[4]陳文玲，周 文，羅 平，鄧虎成，李 沁，單 蕊，戚明輝.四川盆地長芯1井下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖氣儲層特征研究[J].巖石學(xué)報，2013,29(3):1073-1086.

[5]劉偉，余謙，閆劍飛，門玉澎，張海全，吳搖劍.上揚子地區(qū)志留系龍馬溪組富有機質(zhì)泥巖儲層特征[J].石油與天然氣地質(zhì).2012,33（3）:346-352.

[6]陳尚斌,朱炎銘,王紅巖,劉洪林,魏 偉,方俊華.川南龍馬溪組頁巖氣儲層納米孔隙結(jié)構(gòu)特征及其成藏意義[J].煤炭學(xué)報，2012,37（3）：438-444.

[7]張金川，薛會，張德明，蒲軍．頁巖氣及其成藏機理[J]．現(xiàn)代地質(zhì)，2006,17(4):466.

[8]戴金星,王庭斌.中國大中型天然氣田形成條件與油氣分布規(guī)律[M].北京:地質(zhì)出版社,1997:1-300.

[9]馬力，陳煥江，甘克文，等.中國南方大地構(gòu)造和海相油氣[M].北京:地質(zhì)出版社，2004.

[10]Ross D J K,Bustin R M.Characterizing the shale gas resource potential of Devonian-Mississippian strata in the Western Canada sedimentary basin:Application of an integrated formation evaluation [J].AAPG Bulletin,2008,92(1):87-125.

[11]沃玉進，肖開華，周雁，楊志強.中國南方海相層系油氣成藏組合類型與勘探前景[J].石油與天然氣地質(zhì)，2006,27(1):11-16.

[12]董大忠，程克明，王玉滿，李新景，王社教，黃金亮．中國上揚子地區(qū)下古生界頁巖氣形成條件及特征[J]．石油與天然氣地質(zhì)，2010,31(3):288-299.

[13]蔡勛育，韋寶東，趙培榮． 南方海相烴源巖特征分析[J]．天然氣工業(yè)，2005,25(3):20-22.

[14]郭建華，朱美衡，劉辰生，劉學(xué)鋒,張或丹,王明艷.湖南桑植—石門復(fù)向斜走廊剖面構(gòu)造特征分析[J].大地構(gòu)造與成礦學(xué)，2005，29(2):215-221.

[15]湖南省地質(zhì)礦產(chǎn)局．湖南省區(qū)域地質(zhì)志[M].北京:地質(zhì)出版社,1988．

[16]蒲心純，周浩達，王熙林，等．中國南方寒武紀巖相古地理與成礦作用[M].北京:地質(zhì)出版社，1993.