潘仁芳，唐小玲，孟江輝，張喜滿，龔 宇

(1.長江大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430100； 2.中國石油 南方石油勘探開發(fā)有限公司，廣東 廣州 510240)

桂中坳陷上古生界頁巖氣保存條件

潘仁芳1，唐小玲1，孟江輝1，張喜滿2，龔 宇1

(1.長江大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430100； 2.中國石油 南方石油勘探開發(fā)有限公司，廣東 廣州 510240)

桂中坳陷上古生界中、下泥盆統(tǒng)以及下石炭統(tǒng)頁巖具有良好的生烴及儲(chǔ)集條件，但受多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)改造，頁巖氣保存條件復(fù)雜。從宏觀和微觀分析入手,對(duì)該區(qū)上古生界頁巖氣保存條件進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，預(yù)測其勘探潛力及有利勘探區(qū)。在野外地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)上，結(jié)合鉆井資料、鏡質(zhì)體反射率、粘土礦物X-射線衍射、泥頁巖物性分析數(shù)據(jù)以及構(gòu)造演化史和埋藏史-熱史恢復(fù)，從蓋層封閉性、斷裂和抬升剝蝕作用影響等方面評(píng)價(jià)了桂中坳陷上古生界頁巖氣保存條件。結(jié)果表明：桂中坳陷中泥盆統(tǒng)泥頁巖沉積厚度大(暗色泥頁巖厚250 ～ 650 m)、分布連續(xù)且韌性和微觀封閉性較好，可作為頁巖氣直接和區(qū)域蓋層；下石炭統(tǒng)雖然分布局限，但韌性和封閉性好，可作為局部蓋層；燕山期為研究區(qū)主要變形期，大量疊瓦狀逆沖斷裂和高角度逆沖斷層在此時(shí)發(fā)育，對(duì)現(xiàn)今殘存的頁巖氣藏分布格局起著決定性影響，坳陷中、西部遭受的構(gòu)造改造相對(duì)較弱；強(qiáng)烈的剝蝕作用破壞了頁巖氣的保存，但坳陷中、西部地區(qū)剝蝕程度較小?？傊鹬雄晗葜?、西部的柳江低凸起內(nèi)天山背斜及西部、馬山斷凸中部和紅渡淺凹中部一帶頁巖蓋層分布穩(wěn)定且韌性和封閉性較好、遭受的構(gòu)造破壞較弱、剝蝕厚度較小，為頁巖氣有利勘探區(qū)。

油氣保存條件；蓋層封閉性；構(gòu)造作用;頁巖氣；桂中坳陷

與常規(guī)油氣藏相比頁巖氣成藏對(duì)圈閉與蓋層條件的要求相對(duì)較低[1]，但中國頁巖氣地質(zhì)條件復(fù)雜，尤其是我國南方海相地層受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)改造，破壞作用明顯[2-4]，頁巖氣保存條件的評(píng)價(jià)和研究不可忽視。常規(guī)油氣藏保存條件的研究主要從蓋層宏觀和微觀封閉性、斷裂和剝蝕作用、巖漿活動(dòng)以及大氣水下滲影響范圍、生儲(chǔ)蓋組合配置關(guān)系等方面進(jìn)行綜合考慮[5-6]。學(xué)者對(duì)桂中坳陷上古生界頁巖氣資源情況進(jìn)行了評(píng)價(jià)探討，認(rèn)為該區(qū)尤其是下中泥盆統(tǒng)具有良好的頁巖氣勘探潛力[7-8]，但對(duì)于保存條件仍待進(jìn)一步探討。本文以常規(guī)油氣藏保存條件評(píng)價(jià)方法為基礎(chǔ)，從頁巖氣蓋層封閉性、斷裂和抬升剝蝕作用等方面對(duì)桂中坳陷上古生界頁巖氣保存條件進(jìn)行綜合分析，以期能對(duì)該地區(qū)上古生界頁巖氣勘探提供一定的參考。

1 地質(zhì)概況

桂中坳陷面積[9]約4.6 × 104km2，周圍分布有影響其構(gòu)造格局的不同時(shí)期形成的坳陷和隆起，其中雪峰山隆起和西大明山隆起為加里東期構(gòu)造，黔南、桂林坳陷為海西期坳陷，西部為受海西-印支運(yùn)動(dòng)疊加改造形成的南盤江坳陷，東南部的大瑤山隆起屬晚古生代隆起[10](圖1)。桂中坳陷晚古生代從早期的臺(tái)盆相沉積為主逐漸演變?yōu)榕_(tái)-盆相間的格局，地層巖性下部以碎屑巖為主，向上變?yōu)樘妓猁}巖為主的沉積(圖2)[11]。坳陷內(nèi)下、中泥盆統(tǒng)郁江-東崗嶺階分布的暗色泥頁巖具有分布范圍廣、厚度大且有機(jī)質(zhì)豐度高的特點(diǎn)，頁巖氣成藏條件最好； 石炭系底部巖關(guān)階見黑色頁巖、碳質(zhì)泥巖且有機(jī)質(zhì)豐度高，最具勘探前景；上二疊統(tǒng)分布的泥頁巖因厚度較薄且廣泛剝蝕暴露而缺乏頁巖氣勘探潛力。

2 頁巖氣蓋層

頁巖氣成藏過程中含氣頁巖本身即可作為直接蓋層[12-14]，但大量的烴類富集將導(dǎo)致頁巖產(chǎn)生微裂縫，封蓋能力降低，故頁巖氣保存條件中區(qū)域蓋層的存在同樣十分重要。但應(yīng)當(dāng)說明：盡管下泥盆統(tǒng)位于上古生界的底部，因其自生自儲(chǔ)的因素，故將其納入蓋層評(píng)價(jià)內(nèi)容中。

2.1 蓋層宏觀封閉性

2.1.1 厚度及橫向分布特征

桂中坳陷晚古生代屬拉張裂陷階段，泥盆紀(jì)早中期坳陷以臺(tái)盆相沉積環(huán)境為主，北部發(fā)育開闊臺(tái)地相沉積體系，形成了中下泥盆統(tǒng)泥頁巖連續(xù)分布且沉積厚度由東南-西北逐漸減小的沉積模式。通過野外地質(zhì)調(diào)查，結(jié)合前期廣西區(qū)域地質(zhì)測量成果，統(tǒng)計(jì)出實(shí)測暗色泥頁巖厚度，再結(jié)合沉積相展布特征，編繪了研究區(qū)上古生界各地層泥頁巖厚度分布(圖3)。其中，下泥盆統(tǒng)暗色泥頁巖累計(jì)厚度100～500 m，泥頁巖單層厚度2～240 m；中泥盆統(tǒng)厚度在450～650 m的暗色泥頁巖連續(xù)分布于坳陷東部和南部地區(qū)，僅在環(huán)江淺凹和羅城低凸起一帶厚度相對(duì)較小。

圖2 桂中坳陷來賓市上古生界地層綜合柱狀圖[11](1970年)Fig.2 Stratigraphy column of the Upper Paleozoic of Laibin in Guizhong Depression[11](1970)

圖3 桂中坳陷中泥盆統(tǒng)泥頁巖厚度分布Fig.3 Isopach of the Middle Devonian shale in Guizhong Depression

象州一帶泥頁巖剖面實(shí)測結(jié)果(圖4)表明：中泥盆統(tǒng)泥頁巖累計(jì)厚度達(dá)404 m，巖性以黑色-灰色頁巖、炭質(zhì)頁巖為主，泥頁巖單層數(shù)10層，單層厚度12～103 m。因早石炭世坳陷主體處于臺(tái)盆時(shí)間較短，下石炭統(tǒng)分別以鹿寨和環(huán)江為中心發(fā)育有厚度為400～500 m暗色泥頁巖。鹿寨縣屯連村一帶下石炭統(tǒng)出露最好，大塘階和巖關(guān)階以灰褐色、黑色頁巖為主，累計(jì)厚度達(dá)600 m以上，層數(shù)為8層，單層厚度60～150 m。坳陷內(nèi)上二疊統(tǒng)由西北至東南部呈漸變性沉積，僅在象州淺凹南部地區(qū)發(fā)育有厚200～250 m暗色泥頁巖。

整體而言，下、中泥盆統(tǒng)泥頁巖可作為區(qū)內(nèi)良好的區(qū)域蓋層，尤其以中泥盆統(tǒng)最好。下石炭統(tǒng)泥頁巖盡管沉積厚度較大，但分布局限，因此只能起到局部封蓋作用。

2.1.2 蓋層韌性

韌性分析是蓋層評(píng)價(jià)的重要內(nèi)容，其中，粘土礦物含量和種類對(duì)泥頁巖韌性產(chǎn)生主要影響，而這些與巖石的成巖階段有著密切關(guān)系[14-16]。研究區(qū)下泥盆統(tǒng)泥頁巖鏡質(zhì)體反射率(Ro)為2.0%～3.0%，伊蒙混層中的蒙皂石含量(S)為10%,伊利石相對(duì)含量大于75%，為晚成巖階段，此時(shí)巖石裂縫發(fā)育(判別標(biāo)準(zhǔn)據(jù)SY/T 5477—2003)。中泥盆統(tǒng)泥頁巖Ro為1.0%～3.0%，S為10%，伊利石相對(duì)含量為30%～45%，中泥盆統(tǒng)成巖階段屬中成巖階段B期，粘土礦物含量較高，蓋層韌性較好。下石炭統(tǒng)Ro以1.0%～2.5%為主，S為10%～15%，屬中成巖階段B期，鹿寨一帶蓋層韌性優(yōu)于桂林和上林地區(qū)。上二疊統(tǒng)泥頁巖Ro多小于2.0%，結(jié)合S值判斷為中成巖階段B期，但韌性差于中泥盆統(tǒng)—下石炭統(tǒng)(表1)。對(duì)比上揚(yáng)子地區(qū)下古生界筇竹寺組和龍馬溪組頁巖[12]，桂中坳陷上古生界泥頁巖粘土礦物伊利石相對(duì)含量較低，粘土礦物演化程度偏低，泥頁巖韌性整體偏好。研究區(qū)中泥盆統(tǒng)和鹿寨一帶下石炭統(tǒng)泥頁巖韌性優(yōu)于上二疊統(tǒng)，且均處于中成巖階段B期，該階段巖石孔隙、裂縫均發(fā)育較差，故中泥盆統(tǒng)和東部下石統(tǒng)泥頁巖可能為較理想的頁巖氣封蓋層，二疊系次之。

2.2 蓋層微觀封閉性

物性封閉為最基本和最重要的蓋層微觀封閉機(jī)理[15,18]。蓋層物性封閉主要受排替壓力影響，通常只需將實(shí)驗(yàn)所獲得的巖石突破壓力進(jìn)行一定的校正便可得到相應(yīng)的排替壓力[19]。由于頁巖氣本身具有烴濃度封閉特征，故本文主要探討研究區(qū)上古生界頁巖氣物性封閉機(jī)理。

桂中坳陷泥頁巖露頭取樣分析結(jié)果(表2)表明：研究區(qū)上古生界泥頁巖蓋層表現(xiàn)出超低-中孔、低-中滲特征。其中，中下泥盆統(tǒng)泥頁巖平均巖石密度為2.65～2.71 g/cm3，平均孔隙度為1.15%～2.50%，平均滲透率為0.006 3×10-3～0.008 7×10-3μm2；下石炭統(tǒng)泥頁巖平均巖石密度為2.23～2.60 g/cm3，平均孔隙度為3.34%～8.40%，平均滲透率為0.010 5×10-3～0.150 8×10-3μm2。中、下泥盆統(tǒng)蓋層巖石密度較下石炭統(tǒng)偏大，而滲透率、孔隙度值較下石炭統(tǒng)偏小。蓋層排替壓力與孔隙度、滲透率具有負(fù)相關(guān)關(guān)系，而與巖石密度呈正相關(guān)關(guān)系(據(jù)付廣等，1995)。據(jù)此推斷，桂中坳陷中下泥盆統(tǒng)泥頁巖蓋層具有較大的排替壓力，蓋層物性封閉能力優(yōu)于下石炭統(tǒng)。

圖4 桂中坳陷象州縣中-下泥盆統(tǒng)沉積柱狀圖Fig.4 Sedimentary column of the Lower and Middle Devonian in Xiangzhou County，Guizhong Depression

序號(hào)采樣地點(diǎn)巖性樣品數(shù)量/塊層位部分粘土礦物相對(duì)含量/%II/SS全巖中粘土總量/%Ro/%1來賓泥巖4P232～4345～471015～381.8～2.02上林泥巖9C174～8910～2051～31.9～2.53鹿寨頁巖、泥巖12C110～3040～6010～1540～701.6～1.94桂林頁巖、泥巖4C123～3460～741531～392.0～3.05象州頁巖10D230～4550～651050～701.0～3.06南丹、河池泥巖3D1>75——25～402.0～3.0

注： I.伊利石；S.蒙皂石；I/S.伊/蒙混層；Ro.鏡質(zhì)體反射率；檢測環(huán)境溫度24 ℃，濕度35%。

表2 桂中坳陷上古生界野外露頭泥頁巖物性分析統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistics of the physical analysis data of the Upper Paleozoic shale on the outcrop in Guizhong Depression

注：檢測環(huán)境：室溫23 ℃，濕度50%，大氣壓力1 025 hPa;檢測條件：孔隙度測定參比室壓力為0.07 MPa。

筆者整理了桂中坳陷泥盆系-石炭系巖石突破壓力值(表2)，為15.0～38.2 MPa，屬中等-好的突破壓力，由突破壓力值可判斷桂中坳陷下石炭統(tǒng)蓋層物性封閉能力優(yōu)于泥盆系。但由于數(shù)據(jù)較少且缺乏代表性，以及突破壓力并不直接等同于排替壓力，故認(rèn)為由巖石物性參數(shù)判斷研究區(qū)蓋層微觀封閉性所得結(jié)果較為可靠，而突破壓力值僅作參考。

3 構(gòu)造作用

地殼活動(dòng)造成的地層抬升剝蝕、斷裂以及巖漿活動(dòng)易造成頁巖氣藏的解吸或變質(zhì)，導(dǎo)致頁巖中的氣體逸散。但因研究區(qū)內(nèi)晚古生代以來巖漿活動(dòng)不發(fā)育[10，20]，故構(gòu)造作用是該區(qū)頁巖氣保存條件主要外部因素。

3.1 斷裂作用

受晚古生代以來的印支、燕山和喜山運(yùn)動(dòng)影響，研究區(qū)發(fā)生強(qiáng)烈的構(gòu)造變形[21]。構(gòu)造作用對(duì)原生頁巖氣藏會(huì)起到明顯的調(diào)整作用，控制其成藏格局。以坳陷內(nèi)柳江低凸起為例進(jìn)行構(gòu)造演化史分析(圖5)，結(jié)果表明：研究區(qū)內(nèi)印支和喜山期以褶皺隆升為主，斷裂不發(fā)育，對(duì)頁巖氣成藏影響較??；燕山期為主要變形期，大量疊瓦狀逆沖斷裂在此時(shí)發(fā)育，并出現(xiàn)高角度逆沖斷層，斷層斷穿泥盆系-三疊系，對(duì)現(xiàn)今可能殘存的頁巖氣藏的分布格局有著決定性影響。如圖5a，柳江低凸起內(nèi)天山背斜及西部地層變形強(qiáng)度最低，斷裂應(yīng)力背景單一，且一直處于壓扭狀態(tài)，斷層封閉性好，僅發(fā)育細(xì)短、分散的層間或?qū)觾?nèi)滑脫小斷層，因此是頁巖氣保存條件最好的部位。中部的合山向斜帶地層變形程度大，發(fā)育樹枝狀斷裂群，溝通上古生界至地表，斷裂對(duì)蓋層的破壞較為強(qiáng)烈，其保存條件較差。東部的柳州背斜帶發(fā)育深大斷裂溝通至地表，并伴生樹枝狀斷裂群，深大斷裂東部的地層形變嚴(yán)重，頁巖氣保存條件也較差。

整體上，桂中坳陷西部為泥巖、粉砂質(zhì)泥巖地層覆蓋區(qū)，較東部-北部碳酸鹽巖覆蓋區(qū)斷裂作用弱，斷裂密度較小。據(jù)統(tǒng)計(jì)，坳陷北部和東南部密集發(fā)育北北東-北東向深大斷裂，其中環(huán)江淺凹、宜山斷凸和羅城低凸起斷裂發(fā)育密度大于0.73條/100 km2，且以走滑斷裂、高角度逆沖斷裂為主[21]，斷層封閉性差，不利于頁巖氣保存。而坳陷中西部馬山斷凸、紅渡淺凹和柳江低凸起內(nèi)盡管發(fā)育北西、北東和近南北向斷裂，但斷裂發(fā)育密度小于0.44條/100 km2，以逆沖斷裂、壓扭性斷裂為主[21]，斷層封閉性較好，且地層相對(duì)平緩，對(duì)頁巖氣保存條件破壞較弱。如坳陷西部南丹-都安深大斷裂，該斷裂在盆地演化期呈拉張性質(zhì)，而在盆地改造期受構(gòu)造應(yīng)力作用轉(zhuǎn)為壓扭性質(zhì)，形成逆沖斷裂系，而在該斷裂附近的鉆井中發(fā)生的氣噴現(xiàn)象也佐證斷層封閉性較好。

3.2 抬升剝蝕作用

地殼抬升對(duì)頁巖氣藏保存條件的破壞性主要表現(xiàn)為區(qū)域蓋層的破壞以及斷層封閉性的降低[22]。印支、燕山和喜山運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致桂中坳陷內(nèi)發(fā)生了強(qiáng)烈的抬升剝蝕，坳陷內(nèi)下三疊統(tǒng)(T1)、下白堊統(tǒng)(K1)、第四紀(jì)(Q)地層依次呈角度不整合接觸關(guān)系(據(jù)廣西區(qū)域地質(zhì)測量報(bào)告，1970)，而前人通過研究認(rèn)為燕山和喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的構(gòu)造抬升是桂中坳陷油氣藏破壞的主要因素之一[21-24]。根據(jù)桂中1井的分層數(shù)據(jù)、不同時(shí)期的剝蝕厚度以及古大地?zé)崃髦?、古水深、古鹽度等數(shù)據(jù)，使用PetroMod繪制出的桂中1井埋藏史-熱史圖(圖6)，結(jié)果顯示：早三疊世以前研究區(qū)晚古生代地層處于快速沉降和埋深時(shí)期，之后轉(zhuǎn)為抬升剝蝕，坳陷在盆地改造期經(jīng)歷的各運(yùn)動(dòng)期次造成的抬升剝蝕情況有所差異，印支期抬升幅度為20%左右，燕山和喜馬拉雅期抬升幅度分別約為50%和30%左右。通過碳、氧同位素計(jì)算以及樓章華等[21]利用Ro恢復(fù)研究區(qū)的剝蝕厚度結(jié)果均表明，桂中坳陷總剝蝕厚度達(dá)2 000 m以上。橫向上，研究區(qū)內(nèi)石炭系大面積出露，部分地區(qū)背斜核部上泥盆統(tǒng)也有出露，如環(huán)江淺凹中簡背斜和柳州背斜帶。而西部地區(qū)受構(gòu)造作用影響較弱，大塘背斜帶西南部以及宜山淺凹西部仍可見二疊系殘余。除馬山斷凸中北部、紅渡淺凹中部以及柳江低凸起西部以外，剝蝕厚度基本在3 500 m以上。

圖5 桂中坳陷柳江低凸起構(gòu)造演化史Fig.5 Tectonic evolution of Liujiang salient in Guizhong Depression

圖6 桂中坳陷桂中1井埋藏史-熱史圖Fig.6 Buried history vs.thermal maturity history of Well Guizhong-1 in Guizhong Depression

上述分析表明，強(qiáng)烈的剝蝕作用導(dǎo)致研究區(qū)內(nèi)頁巖氣保存條件遭受嚴(yán)重破壞，但坳陷內(nèi)馬山斷凸中北部、紅渡淺凹中部以及柳江低凸起西部一帶中、下泥盆統(tǒng)地層可能仍存在良好的頁巖氣保存 條件。

4 結(jié)論

1) 桂中坳陷中泥盆統(tǒng)泥頁巖沉積厚度大且分布連續(xù)，蓋層具有良好的韌性和物性封閉能力，可作為良好的頁巖氣區(qū)域蓋層；下石炭統(tǒng)蓋層物性較好且東部鹿寨一帶具有較好的韌性，封閉性較好，是較可靠的自身儲(chǔ)蓋層以及作為下覆層的局部蓋層；下泥盆統(tǒng)泥頁巖則可作為其本身良好的直接蓋層，盡管韌性較差，但上覆區(qū)域蓋層可對(duì)其保存條件進(jìn)行補(bǔ)充。

2) 燕山期的構(gòu)造活動(dòng)是本區(qū)上古生界頁巖氣保存條件破壞的主要因素，但區(qū)域上，坳陷內(nèi)柳江低凸起內(nèi)的天山背斜及其西部、馬山斷凸中部以及紅渡淺凹中部一帶的中、下泥盆統(tǒng)地層受斷裂、抬升剝蝕作用影響還是較小，頁巖氣保存條件相對(duì)較好；而南部的上林一帶蓋層韌性差，不利于頁巖氣保存。

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(編輯 高 巖)

Shale gas preservation conditions for the Upper Paleozoic in Guizhong Depression

Pan Renfang1，Tang Xiaoling1，Meng Jianghui1，Zhang Ximan2，Gong Yu1

(1.CollegeofEarthScience，YangtzeUniversity，Wuhan，Hubei430100，China；2.SouthChinaPetroleumExplorationandDevelopmentLimited，PetroChina,Guangzhou，Guangdong510240，China)

The Middle and Lower Devonian as well as the Lower Carboniferous shale in the Upper Paleozoic in the Guizhong depression are favorable for hydrocarbon generation and accumulation,but the preservation conditions of shale gas are very complex due to multistage tectonic activities.The shale gas preservation conditions in the Upper Paleozoic of the Guizhong depression were comprehensively evaluated and the play fairways were identified based on both macroscopic and microscopic analyses.Based on the field geological survey data,in combination with drilling data,vitrinite reflectance,clay mineral X-ray diffraction,physical property,tectonic evolution history,and reconstruction of burial history and thermal history,we studied the shale gas preservation conditions in respects of the sealing capacity of cap rocks and the influence of faulting and uplifting.The following conclusions were obtained.The Middle Devonian shale in Guizhong depression has large thickness(of 250-650 m),continuous distribution,better ductility and high micro sealing capacity,thus can act as an regional cap rock for shale gas preservation.Although the Lower Carboniferous shale is limited in distribution,it has good ductility and strong sealing capacity,thus can act as local cap rocks.The Yanshanian period is the main deformation period in the study area,during which large imbricated thrust faults and high angle thrust faults were developed and influenced the present distribution patterns of the shale gas reservoirs.The strong denudation in this area destroyed the preservation of shale gas.Tectonic activity was weak and the amount of denudation was small in the west-central part of the depression.In conclusion,the Tianshan anticline and its west area in Liujiang low salient,the central part of Mashan uplifted as well as the central part of Hongdu shallow sag are the favorable areas for shale gas exploration thanks to their stable distribution and better ductility and strong sealing capacity as well as its weak tectonic destruction and weak denudation.

preservation condition for oil and gas,sealing capacity of cap rocks,tectonics,shale gas,Guizhong Depression

2013-04-20。

潘仁芳(1962—)，教授、博士生導(dǎo)師，石油與天然氣地質(zhì)、地球物理勘探。E-mail:rfpan@qq.com。

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(“973”計(jì)劃)項(xiàng)目(2014CB239100)；中國博士后科學(xué)基金項(xiàng)目(2013M530342)。

0253-9985(2014)04-0534-08

10.11743/ogg201413

TE122.2

A