周 雁, 朱東亞, 孟慶強, 張殿偉, 沃玉進

(中國石化 石油勘探開發(fā)研究院 構造與沉積儲層實驗室，北京 100083)

桂中盆地頁巖氣地質條件及潛力分析

周 雁, 朱東亞, 孟慶強, 張殿偉, 沃玉進

(中國石化 石油勘探開發(fā)研究院 構造與沉積儲層實驗室，北京 100083)

研究桂中盆地頁巖氣發(fā)育的地質條件并分析其勘探潛力。對桂中盆地近期一口頁巖氣鉆井的產(chǎn)氣特征和巖心開展了TOC、Ro等測試分析。該井位于柳城縣白芒村附近，鉆進過程中在井深為248.33 m的下石炭統(tǒng)寺門組泥頁巖層系砂巖夾層中出現(xiàn)井涌及天然氣噴漏，日產(chǎn)氣量3 000～4 000 m3，持續(xù)幾天后無明顯衰減跡象，揭示了良好的頁巖氣潛力。該井寺門組泥頁巖TOC的質量分數(shù)為0.54%～1.59%，平均值為1.07%，為較好的烴源巖層；砂巖夾層中見豐富的瀝青，其反射率Rb為1.64%～2.1%。寺門組泥頁巖烴源巖和瀝青熱裂解生氣保證了泥頁巖層系充足的氣源供應。桂中盆地中下泥盆統(tǒng)和下石炭統(tǒng)深灰色或黑色泥頁巖層系廣泛發(fā)育，為高演化的優(yōu)質烴源巖層并且具有較大的厚度，構成頁巖氣大規(guī)模賦存的基礎地質條件。經(jīng)過長期的油氣勘探，已在不少鉆井揭示頁巖氣的顯示，展示了較好的頁巖氣勘探前景。

桂中盆地；泥盆系；石炭系；頁巖氣

2014年6月10日，廣西柳州市柳城縣白芒村附近一口在鉆的水井意外發(fā)現(xiàn)井涌及天然氣噴漏。天然氣點燃后火焰高度可達1 m左右，持續(xù)多日未見明顯衰減。該井在構造位置上位于桂中盆地沙塘凹陷的大浦背斜上(圖1)。對該井進行詳細巖心觀測，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)氣層位為下石炭統(tǒng)寺門組(C1s)泥頁巖中的粉砂巖夾層，產(chǎn)氣層深度約為245 m。根據(jù)現(xiàn)場施工情況介紹和放噴火焰情況，認為所產(chǎn)天然氣中基本不含H2S，日產(chǎn)氣量在3 000～4 000 m3。

圖1 桂中拗陷白芒村頁巖氣鉆井構造簡圖Fig.1 Tectonic units for the Baimang shale gas well in the Central Guangxi basinK.白堊系； C2d.上石炭統(tǒng)大埔組； C1s.下石炭統(tǒng)寺門組; C1-2l.石炭系羅城組

早期研究評價認為，桂中盆地泥盆系-石炭系資源潛力豐富，但經(jīng)過較長時間的勘探，沒有取得常規(guī)油氣勘探的突破。中國南方地區(qū)古生界層系頁巖氣勘探正如火如荼展開[1-3]，但該區(qū)并沒有受到重視。實際上，以往常規(guī)油氣勘探過程中一些鉆井已經(jīng)在泥盆系和石炭系的泥頁巖層系中發(fā)現(xiàn)天然氣的顯示，具有頁巖氣的特征。近期石炭系泥頁巖層系中天然氣的意外發(fā)現(xiàn)再次表明，該區(qū)在頁巖氣勘探方面有著較大的潛力。桂中盆地及周邊地區(qū)泥頁巖層系分布廣泛而且厚度大，因此，加強該區(qū)頁巖氣的勘探潛力研究和評價具有重要實踐價值。

為了探討桂中盆地及鄰區(qū)頁巖氣勘探前景，在區(qū)域地質背景分析的基礎上，對白芒村天然氣鉆井進行了詳細的巖心觀測和取樣，開展系統(tǒng)的巖石學礦物學及有機地球化學分析測試工作，同時結合前期針對泥盆系和石炭系開展的研究工作，分析桂中盆地頁巖氣資源潛力。

1 區(qū)域地質背景

桂中盆地位于廣西壯族自治區(qū)的中北部，盆地面積為46 000 km2；在構造位置上位于滇黔桂盆地東北部，處在揚子陸塊西南緣與華南加里東褶皺帶的結合部位，是加里東運動時期形成的大型海相殘留盆地[4-6]。

桂中盆地是在古特提斯洋開啟的構造背景下開始發(fā)育，在加里東時期是一個具有被動大陸邊緣裂陷性質的拗陷盆地。在海西期以來，桂中盆地開始拉張下沉并接受沉積；早泥盆世中-晚期，桂中盆地和周邊地區(qū)處于臺盆與臺地相互包繞環(huán)境中，中—晚泥盆世繼承了這種古地理格局；自石炭紀始，臺地相沉積開始相對發(fā)育，處于“臺包盆”的古地理環(huán)境[7]；至早-中二疊世，該區(qū)再次發(fā)生強烈拉張活動，成為晚古生代最大海泛期，盆地基本定型。印支期，受南部特提斯洋俯沖和碰撞的影響，盆地東部開始發(fā)生造山作用；從晚二疊世-中三疊世開始，盆地逐漸進入前陸盆地發(fā)育階段[6]，逐漸結束海相環(huán)境沉積。晚侏羅世以來，受燕山和喜馬拉雅運動影響，桂中盆地遭受擠壓及抬升剝蝕，如今主要殘留泥盆系和石炭系，二疊系和三疊系僅零星分布于向斜兩翼[7]。

因此，盆地內泥盆系-石炭系廣泛分布，奠定了以泥盆系-石炭系為主的油氣資源勘探目的層。

2 油氣勘探歷程

2.1 早期勘探及鉆井

桂中盆地早期曾開展過1∶20萬重力普查4 400 km2和1∶10萬重力詳查4 460 km2。1973～1975年在柳江構造，1976～1977年在來賓地區(qū)開展二維地震勘探，但效果不明顯。1978～1980年在山洞構造地震勘探取得3組有效波組。桂中盆地累計地震測線長256.58 km。

桂中盆地鉆井勘探早在1954年便開始展開，至1970年共完成鉆井46口。其中鉆井深度>1 km的有5口，<1 km的有41口；最深的桂參1井深度達3 630 m，最淺的拉4井深度為22.6 m；揭示油氣顯示的鉆井有14口。

桂中盆地經(jīng)過40 余年的勘探工作，共發(fā)現(xiàn)地表及井下油氣苗31處，瀝青顯示57處。鉆井所揭示的油氣顯示層位多數(shù)為中上泥盆統(tǒng)和下石炭統(tǒng)的泥頁巖層系，巖性為泥巖、泥質灰?guī)r、白云巖或砂巖。有多口井在泥盆系和石炭系泥頁巖層系中發(fā)現(xiàn)頁巖氣顯示(表1)。

例如位于江門背斜的柳熱1井，在下石炭統(tǒng)泥巖中發(fā)生井噴，出氣段為160～201 m，高含CH4，氣噴0.3～1.2 m；南丹車河地區(qū)的1175井在下泥盆統(tǒng)泥巖層中揭示氣噴，高含CH4，氣噴高度達4～6 m，火焰燒毀鉆機；ZK1井在下石炭統(tǒng)泥巖中揭示天然氣噴涌。最深的鉆井為位于理苗構造上的理1 井，氣噴井段為986.24～1 291.29 m；該井儲層巖性為黑色生物碎屑碳質泥頁巖，整套產(chǎn)層厚>60 m，與頁巖氣成藏特征類似。大埔構造上的大5井在砂巖夾層中揭示天然氣，噴氣高達3～4 m。僅有洛崖構造上的洛2井見油斑顯示。

2.2 白芒村鉆井

白芒村頁巖氣鉆井位于廣西柳城縣白芒村附近；構造位置上位于江南雪峰隆起東南桂中盆地的大浦背斜上；大地坐標為：X：2 726 316.15 m，Y：19 324 482.97 m；經(jīng)緯度坐標為：北緯24.630 59°，東經(jīng)109.267 22°。其北側為柳城北向斜，之間為柳城斷層；其南側為鳳山向斜，之間為甲伴嶺斷層(圖1)。

該鉆井的初始目的是找水。2014年6月10日，鉆井鉆至248.33 m開始出現(xiàn)井涌和天然氣噴漏(圖2)，點燃的天然氣燒壞鉆機而停鉆。從現(xiàn)場無臭味以及無人員中毒現(xiàn)象來看，所產(chǎn)天然氣中不含或很少含有H2S。天然氣火焰高度可達1 m(圖3-A)，日產(chǎn)氣量估計在3 000～4 000 m3，持續(xù)幾天后仍無明顯衰減跡象。

表1 桂中盆地鉆井天然氣顯示Table 1 Natural gas evidences from the wells in the Central Guangxi basin

注：部分數(shù)據(jù)來自文獻[8]。

3 頁巖氣產(chǎn)出地質條件

暗色泥頁巖的廣泛發(fā)育是形成頁巖氣大規(guī)模聚集的重要條件。同時，暗色泥頁巖需要有一定的厚度，才能確保有足夠的產(chǎn)氣有機質和足夠的儲集空間；并且泥頁巖的厚度越大，對天然氣的封蓋能力也越強，從而有利于氣體的保存和聚集成藏[9]。盆地內廣泛發(fā)育的中-下泥盆統(tǒng)和下石炭統(tǒng)暗色泥頁巖是桂中盆地的主要烴源巖層，也是主要的頁巖氣勘探目的層位。

根據(jù)早期的鉆井資料、野外露頭資料、前人的測試分析成果和針對白芒村鉆井開展的測試分析工作，對桂中盆地中下泥盆統(tǒng)和下石炭統(tǒng)泥頁巖烴源巖發(fā)育特征和資源潛力進行了詳細分析研究。

3.1 中下泥盆統(tǒng)泥頁巖

泥盆系泥頁巖烴源巖分布明顯受到沉積相的控制，深灰色或黑色泥頁巖主要在盆地斜坡相區(qū)發(fā)育。下泥盆統(tǒng)塘丁組(D1t)、中泥盆統(tǒng)納標組(D2n)和中泥盆統(tǒng)羅富組(D2l)為泥頁巖發(fā)育和分布的主要層系[10]。

地理位置上，泥盆系暗色泥頁巖主要在南丹、河池往南至來賓、柳州到鹿寨、永福一帶有分布；沉積中心位于南丹—宜山—柳州一帶區(qū)域，累計厚度在0.6～1.2 km。泥頁巖烴源巖有機碳的質量分數(shù)(wTOC)最高可達4.74%；鏡質體反射率(Ro)可達3.11%。

對南丹羅富和大廠剖面下泥盆統(tǒng)泥頁巖樣品研究發(fā)現(xiàn)，其wTOC=0.53%～4.70%，其中wTOC>2.0%的分別占40%和85%，wTOC平均值分別為1.85%和3.14%，主要為好至優(yōu)質烴源巖。根據(jù)干酪根鏡檢和碳同位素分析結果，泥頁巖中的干酪根類型主要為Ⅱ型[11]。

3.2 下石炭統(tǒng)泥頁巖

據(jù)鉆井資料和野外地層露頭分布情況，殘留的下石炭統(tǒng)泥頁巖為淺海及濱淺海相沉積，呈東西向帶狀分布于拉烈—里苗—柳城以北的地區(qū)[12]。下石炭統(tǒng)泥頁巖厚度約為50～495 m，厚度最大的地區(qū)為環(huán)江上朝、水源、柳城洛埠地區(qū)及南丹羅富地區(qū)，分別為495 m、486 m、309 m、348 m[13]。

前期的一些測試分析結果顯示，石炭系泥質烴源巖wTOC最高可達3.2%，Ro達3.06%。由此看出，泥盆系和石炭系泥質巖層具有豐富的有機質，累計厚度大，處于過成熟生氣階段，具有較好的頁巖氣發(fā)育條件。

白芒村鉆井在鉆探過程中做了全井系統(tǒng)取心，為研究下石炭統(tǒng)頁巖氣產(chǎn)出的地質條件提供了可靠的第一手材料。該井深248.33 m，除頂部0～6.5 m為第四系黃土層外，其他部分均為寺門組(圖2)。寺門組以深灰色和黑色泥巖、頁巖及粉砂質泥巖夾砂巖為主；在上部見生屑灰?guī)r層(圖3-B)。

所測試的10個寺門組黑色泥頁巖樣品的wTOC均大于0.5%的烴源巖下限標準，變化范圍為0.54%～1.59%，平均值為1.07%，屬于較好的烴源巖類型(表2)。從數(shù)據(jù)分布來看，具有從上部向下部TOC逐漸增大的趨勢，表明寺門組下部烴源巖具有更好的生氣潛力。

黑色泥頁巖樣品(圖3-C)鏡質體反射率為1.53%～1.96%，表明已經(jīng)位于高過成熟的生氣階段。泥巖所夾砂巖層中見有豐富的黑色瀝青(圖3-D)，其瀝青反射率(Rb)為1.64%～2.1%，亦處于很高的演化階段。砂巖中的瀝青來自于砂巖中的原油熱變演化，原油的來源可能為C1s層內的泥頁巖。該區(qū)海西晚期至印支期地層持續(xù)深埋，油藏溫度可達240℃以上，造成早期油藏原油的高溫裂解，從而導致早期原生油氣藏的破壞，并演變?yōu)榻篂r青和異常高壓的原油裂解氣藏[14]。印支期后的燕山期和喜馬拉雅期構造抬升、擠壓造成早期深埋的異常高壓原油裂解氣藏壓力系統(tǒng)遭受破壞，可能造成大量原油裂解氣藏無法保存而逸散殆盡[15]。

顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，砂巖夾層碎屑顆粒以石英為主，石英砂巖顆粒呈次棱角狀，分選與磨圓一般，粒間孔隙內可見黑色瀝青的充填(圖3-E)。石英顆粒在成巖演化過程中發(fā)生了一定的次生加大作用，次生加大邊中見油氣包裹體(圖3-F)，表明經(jīng)過油氣成藏過程，油進一步裂解生成氣和瀝青。

表2 柳城縣白芒村鉆井巖心樣品分析測試結果Table 2 Analyzed results of the core samples from the Baimang shale gas well

圖2 柳城縣白芒村天然氣鉆井地質剖面圖Fig.2 Geological column of the Baimang shale gas well

圖3 柳城縣白芒村天然氣鉆井巖心照片F(xiàn)ig.3 Core photos of the Baimang shale gas well(A)井口噴氣火焰; (B)鉆井巖心全貌，深灰色-黑色巖心為泥頁巖，淺灰色巖心為砂巖; (C)含瀝青的砂巖，C1s，深度209.5 m; (D)深灰色泥巖，C1s，深度197.33 m; (E)灰色中粒石英砂巖，粒間孔充填黑色瀝青，100×，單偏光，C1s，深度248.3 m，產(chǎn)氣層; (F)灰色中粒石英砂巖， 粒間孔充填黑色瀝青，石英次生加大中見油包裹體， 200×，單偏光， C1s，深度248.3 m，產(chǎn)氣層

砂巖孔隙度為2.1%～9.28%；滲透率為(0.056～47.7)×10-3μm2(表2)，差別較大，可能是受到了裂縫的影響。白芒村鉆井產(chǎn)氣層位為鉆井底部的中細粒石英砂巖，鉆井揭示深度范圍為245.38～248.33 m，厚度約為2.95 m。該段巖心破裂嚴重，可能是裂縫較為發(fā)育造成的。

從地層巖心發(fā)育情況來看，白芒村鉆井產(chǎn)氣層段為C1s泥頁巖層中的砂巖夾層。天然氣可能來自于C1s泥頁巖以及砂巖中所含原油的熱裂解。根據(jù)非常規(guī)油氣的定義，泥頁巖中的砂巖夾層所產(chǎn)氣歸屬于頁巖氣。如Bakken、Eagle Ford等頁巖層系中的碳酸鹽巖或砂巖夾層對非常規(guī)油氣產(chǎn)量具有很大貢獻[16,17]；鄂爾多斯南部三疊系延長組長7和長9段粉砂巖夾層增加了頁巖層系的產(chǎn)氣能力[18]。泥頁巖不但為砂巖夾層提供了氣源，而且還為砂巖中的天然氣起到良好的封蓋保存作用。

4 頁巖氣勘探潛力

桂中盆地分別在1983年、1993年和2000年開展了常規(guī)油氣資源量的評價工作，評價結果顯示具有非常大的資源潛力。

桂中盆地雖然開展了大量的勘探工作，但這些早期鉆井以尋找常規(guī)油氣為主，注重尋找含油氣構造和大套的碳酸鹽巖和砂巖儲層。由于經(jīng)歷了高的熱演化程度和復雜的構造演化過程，常規(guī)油氣很難保存下來，所以并沒有工業(yè)性的油氣突破。

根據(jù)頁巖氣成藏機理特點和成藏的有利地質因素，并結合桂中盆地的地質背景，對桂中盆地泥盆系頁巖氣成藏條件進行分析，認為桂中盆地泥盆系具有頁巖氣成藏的基本條件；并且桂中盆地泥盆系和石炭系泥頁巖層系埋藏深度淺、保存條件好，具有較好的勘探前景。

泥頁巖的埋藏深度是評價頁巖氣成藏條件及能否經(jīng)濟開發(fā)的一個重要指標。美國現(xiàn)階段商業(yè)規(guī)模開發(fā)的頁巖氣層系埋藏深度一般為183～3 000 m，單井產(chǎn)量和年產(chǎn)量較高的Barnett頁巖埋藏深度為1 829～2 743 m，因此認為頁巖氣藏埋藏深度在3 km以內是較為適宜的經(jīng)濟深度范圍[8]。

拗陷內最深的探井為桂中1 井，位于桂中盆地中部凸起帶，完井深度5 151.86 m，揭示中泥盆統(tǒng)的底面埋深為4.2 km[12]。桂參1 井位于桂中盆地北部凹陷，完井深度3 630 m，完鉆層位為下泥盆統(tǒng)那高嶺組，揭示中泥盆統(tǒng)的底面埋深為2 448 m，泥頁巖主要發(fā)育深度在1.3～2.3 km之間的中泥盆統(tǒng)。綜合鉆井和地震資料，認為桂中盆地泥盆系及上覆石炭系泥頁巖層段埋深較為適合頁巖氣勘探[10]。

與常規(guī)油氣相比，頁巖氣既不需要常規(guī)油氣的構造條件也不需要苛刻的保存條件。由于泥頁巖本身具有良好的烴源條件和封蓋性能，所以泥頁巖及其中的砂巖等夾層具有自生自儲的良好的氣源條件和保存條件。白芒村鉆井大量天然氣的產(chǎn)出證實了桂中盆地C1s泥頁巖層系具有豐富的頁巖氣含氣性。上泥盆統(tǒng)與下石炭統(tǒng)蓋層分布面積都相對較小，但兩者為連續(xù)沉積，互相配合補充，可在覆蓋區(qū)內形成有效的局部蓋層。值得注意的是，局部膏鹽巖的分布提升了頁巖氣的保存條件，如桂東北全州大江背發(fā)現(xiàn)上泥盆統(tǒng)石膏層，含膏巖系厚29 m，長>1 km，寬200 m；在永福壽城上泥盆統(tǒng)下部紋層狀泥晶灰?guī)r中見有夾膏化現(xiàn)象，厚270 m[8,13]。

頁巖氣的大力發(fā)展得益于現(xiàn)今水平井鉆井技術和壓裂技術的進步。桂中盆地石炭系和泥盆系泥頁巖層系埋藏深度較淺，在一定程度上降低了水平井及壓裂技術實施的成本，增加了頁巖氣開發(fā)的經(jīng)濟效益。

根據(jù)區(qū)域構造、泥盆系和石炭系泥頁巖層發(fā)育情況、鉆井產(chǎn)氣情況等綜合分析認為，桂中盆地泥盆系和石炭系埋藏淺、泥頁巖層系含氣豐富且清潔無H2S，具有較好的頁巖氣勘探潛力和較高的勘探價值。

5 結論及建議

a.桂中盆地廣泛發(fā)育泥盆系和石炭系泥頁巖層系，累計厚度大，TOC質量分數(shù)高達4.74%，平均達3.14%，處于高過成熟的生氣階段，具有較大的天然氣資源潛力。經(jīng)過長期的油氣勘探工作，已有不少鉆井揭示頁巖氣存在和產(chǎn)出。

b.近期在桂中盆地柳城縣白芒村的鉆井發(fā)現(xiàn)天然氣噴漏，日產(chǎn)氣量3 000～4 000 m3；產(chǎn)氣層位為C1s泥頁巖層系中的粉砂巖夾層，歸屬為頁巖氣。天然氣來自于C1s泥頁巖烴源巖以及砂巖中原油熱轉變成瀝青過程中的二次生氣。

c.桂中盆地泥盆系和石炭系泥頁巖層系普遍埋藏淺并含氣豐富，具有良好的頁巖氣勘探前景和經(jīng)濟效益，依靠現(xiàn)今水平井及分段壓裂技術可以獲得工業(yè)性頁巖氣產(chǎn)量。建議重視該區(qū)頁巖氣勘探，加大勘探工作量投入，加快勘探節(jié)奏。

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Geological conditions and exploration potential of shale gas in Central Guangxi basin, China

ZHOU Yan, ZHU Dong-ya, MENG Qing-qiang, ZHANG Dian-wei, WO Yu-jin

LaboratoryofStructuralandSedimentologicalReservoirGeology,PetroleumExplorationandProductionResearchInstituteofSINOPEC,Beijing100083,China

The purpose of this study is concentrated on the geological conditions forming shale gas and the analysis of exploration potential in Central Guangxi basin. The authors investigated the shale gas producing characteristics from a well in Central Guangxi basin and analyzed TOC andRoof shale cores from this well. The well lies near Baimang of Liucheng County, Guangxi. The gas comes from a silt sand interlayer in the Lower Carboniferous Simen Formation (C1s) at a depth of about 248.33 m. The amount of gas released from the well is estimated at 3000～4000 m3per day. This further demonstrates that there is good shale gas potential. The TOC mass fraction of the shale samples from this well is 0.54%～1.59% with the average 1.07%. The reflection of bitumen (Rb) in the sandstone samples is 1.64%～2.10%. The mud shale hydrocarbon source rocks and the thermal crack of bitumen in sandstones ensure the supply of gases from the mud shale sequences. The Devonian and Carboniferous dark mud shale sequences are extensively developed with relatively big thickness. They are high quality hydrocarbon source rocks. After a long-term hydrocarbon exploration, many wells discover the existence of shale gas, demonstrating a good prospect for shale gas exploration. The thick mud shale and sandstone interlayers with high porosity contribute to the reservoirs of shale gas.

Central Guangxi basin; Devonian; Carboniferous; shale gas

10.3969/j.issn.1671-9727.2014.05.01

1671-9727(2014)05-0529-09

2014-06-23 [基金項目] 國家自然科學基金資助項目(41372149)；國家重點基礎研究發(fā)展計劃(973)項目(2012CB214806)；國家科技重大專項(2011ZX05005-002)

周雁(1967-),男,博士,教授級高工,主要從事油氣保存和成藏研究, E-mail:zhouyan.syky@sinopec.com。

TE132.2

A