湘中坳陷東緣天馬山組頁巖氣基礎(chǔ)地質(zhì)條件分析

鞏書華， 蔡寧波

（湖南省煤炭地質(zhì)勘查院，湖南 長沙410014）

頁巖氣是一種優(yōu)質(zhì)、高效、清潔的低碳能源，以美國為代表的國外頁巖氣已成功勘探開采，并掀起了頁巖氣革命浪潮［1］。 中國頁巖氣資源豐富，且在四川盆地也已取得較大的成果［2］。 近幾年，湖南湘中地區(qū)針對(duì)泥盆系、石炭系地層開展過較多調(diào)查評(píng)價(jià)與研究工作，但對(duì)于奧陶系較老地層的工作相對(duì)缺乏。 本次工作主要研究了湘中坳陷東緣上奧陶統(tǒng)天馬山組炭質(zhì)板巖與頁巖的頁巖氣成藏地質(zhì)條件，為今后湘中坳陷頁巖氣勘查研究工作提供參考。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

湘中地區(qū)經(jīng)歷了多期次構(gòu)造變形，造就了區(qū)內(nèi)多期多次的構(gòu)造復(fù)合聯(lián)合的疊加形態(tài)，其構(gòu)造樣式以典型的穹盆疊加褶皺為主。 研究區(qū)地處邵陽凹陷和關(guān)帝廟隆起，位于邵陽—汨羅斷裂和株洲—雙牌斷裂之間，祁陽弧斷裂從研究區(qū)中部穿過，區(qū)內(nèi)次生斷裂發(fā)育，構(gòu)造復(fù)雜。

2 天馬山組沉積條件與泥頁巖展布特征

2.1 沉積特征

研究區(qū)上奧陶統(tǒng)天馬山組巖性主要為雜砂巖、粉砂巖、砂質(zhì)板巖、板巖，局部可見含炭質(zhì)板巖，呈縱向韻律旋回。 該組在晚奧陶世沉積時(shí)，地殼下降速度減慢，地殼震蕩頻繁，研究區(qū)處于海槽盆環(huán)境，物質(zhì)供給充分，出現(xiàn)砂泥質(zhì)交互沉積，具有近源快速堆積特征，鮑馬序列明顯，為成熟度低的具復(fù)理石建造特征的半深海陸棚邊緣-斜坡相的陸源碎屑濁積巖沉積。

2.2 泥頁巖厚度

泥頁巖的發(fā)育厚度和埋深也是控制頁巖氣成藏的關(guān)鍵因素，泥頁巖必須達(dá)到一定的厚度才能成為有效的烴源巖層和頁巖氣藏。 美國進(jìn)入大規(guī)模商業(yè)開發(fā)的五大含氣頁巖系統(tǒng)頁巖凈厚度9～91 m，其中目前頁巖氣單井產(chǎn)量和年產(chǎn)量較高的Barnett 頁巖系統(tǒng)凈厚度15～60 m。

區(qū)內(nèi)天馬山組總厚度大于1 300 m，中、下段發(fā)育多層含炭質(zhì)硅質(zhì)板巖夾層，累計(jì)厚度4.43 ～76.19 m，平均49.39 m，但是單層厚度較小，層間距較大；整體呈向東南方向厚度增加的趨勢（圖1）。

圖1 天馬山組暗色泥頁巖厚度等值線圖

2.3 泥頁巖埋深

泥頁巖埋深一方面可以反映其保存條件和儲(chǔ)集特征，另一方面也是評(píng)價(jià)能否進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)可采的重要參數(shù)。 最新資料表明，美國目前商業(yè)開發(fā)的含氣頁巖深度超過3 000 m，頁巖氣藏勘查深度超過5 000 m。

研究區(qū)天馬山組地層底界埋深為0 ～3 500 m。地層主要在四明山背斜、南部井塘排背斜及北部步云橋向斜揚(yáng)起端部位出露，遭受剝蝕。 沿四明山背斜兩翼依次向北西與南東方向埋深增大。 整體上該組大部分地區(qū)埋深均小于4 000 m，且地層埋深變化率相對(duì)較小，整體向南部傾伏端埋深逐漸加深。

3 暗色泥頁巖有機(jī)地化特征

3.1 頁巖有機(jī)質(zhì)類型與豐度

在不同沉積環(huán)境中，由不同來源有機(jī)質(zhì)形成的干酪根的成分和結(jié)構(gòu)有很大差別，這直接影響干酪根生烴潛力。 而有機(jī)碳含量是反映頁巖有機(jī)質(zhì)豐度的指標(biāo)，它既是頁巖生氣的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是頁巖吸附氣的載體之一， 對(duì)頁巖氣成藏條件起著重要作用［4］。

研究區(qū)天馬山組樣品干酪根類型檢測結(jié)果顯示，天馬山組炭質(zhì)板巖及含炭質(zhì)硅質(zhì)頁巖干酪根顯微組分主要為腐泥組與惰質(zhì)組，幾乎不含鏡質(zhì)組與殼質(zhì)組，類型指數(shù)均大于80，干酪根類型以Ⅰ型為主。 天馬山組含炭質(zhì)板巖有機(jī)碳含量整體較低，為0.1% ～0.96%，平均為0.34%；以東部榴木塘村天馬山組出露較好，且TOC 含量相對(duì)較高，整體自研究區(qū)中部向東西兩側(cè)呈遞增趨勢（圖2）。

圖2 天馬山組有機(jī)碳含量等值線圖

3.2 有機(jī)質(zhì)成熟度

有機(jī)質(zhì)成熟度是評(píng)價(jià)頁巖氣資源的關(guān)鍵參數(shù)，一般來說，只有在合適的成熟度條件下泥頁巖中才能富集氣藏。 由于研究區(qū)上奧陶統(tǒng)天馬山組顯微組分缺少鏡質(zhì)組，因此先測試出瀝青反射率Rb，然后運(yùn)用公式Ro＝0.618Rb＋0.4（其中Ro為鏡質(zhì)體反射率，%；Rb為瀝青反射率，% ）轉(zhuǎn)化為鏡質(zhì)體反射率。得到該組成熟度Ro為1. 41% ～3. 67%， 平均為2.41%，顯示熱演化階段已達(dá)到高熟－過成熟。 此外，最大熱解溫度Tmax在329～539.5 ℃之間，也表明天馬山組已達(dá)到高演化階段。

4 暗色泥頁巖儲(chǔ)層特征

4.1 礦物成分

通過對(duì)天馬山組樣品進(jìn)行X 衍射全巖分析，認(rèn)為天馬山組富有機(jī)質(zhì)泥頁巖主要礦物組分為碎屑礦物（石英與長石）與黏土礦物，含少量菱鐵礦。 其中脆性礦物含量占41.5% ～65.6%，平均為50.88%。黏土礦物含量占34.4% ～58.5%，平均為49.1%；且黏土礦物以伊利石為主，平均約占90%，含部分綠泥石及極少量高嶺石，這與天馬山組埋深較深，經(jīng)歷晚成巖作用及淺變質(zhì)作用有關(guān)。

4.2 儲(chǔ)集空間特征

對(duì)于頁巖氣藏，泥頁巖既是烴源巖又是儲(chǔ)集層，孔隙和裂縫是其主要的儲(chǔ)集空間與滲流通道，二者發(fā)育程度決定著儲(chǔ)集層物性的優(yōu)劣，并直接關(guān)系到頁巖氣藏的氣量與開發(fā)的難易，因此對(duì)泥頁巖儲(chǔ)集空間特征的分析是頁巖氣儲(chǔ)層研究的重要內(nèi)容之一［5］。 本次工作對(duì)區(qū)內(nèi)天馬山組暗色泥頁巖樣品進(jìn)行掃描電鏡分析。 分析結(jié)果顯示，天馬山組主要發(fā)育殘余原生孔隙，也發(fā)育較多溶蝕微孔隙。 溶蝕孔隙一般在2～10 μm，多見次生加大石英（Q）、蝕變高嶺石和絲片狀伊利石（I）包裹充填。

4.3 孔縫結(jié)構(gòu)

通過對(duì)研究區(qū)天馬山組泥頁巖樣品進(jìn)行氮?dú)馕胶徒馕鼘?shí)驗(yàn)，分析了該組泥頁巖孔徑與比表面積。 結(jié)果顯示，天馬山組頁巖孔徑分布相對(duì)較簡單，孔徑分布曲線峰值相對(duì)集中。 各組峰值孔徑多分布在3～9 nm，表明這個(gè)范圍內(nèi)的孔出現(xiàn)的概率最大。 頁巖孔徑為4.29～11.86 nm，平均為6.90 nm。 天馬山組比表面積平均為9.04 m2／ g，總孔體積平均值為0.013 mL／ g。

4.4 儲(chǔ)層物性特征

通過對(duì)研究區(qū)主要目的層位泥頁巖樣品進(jìn)行覆壓孔滲測定，結(jié)果表現(xiàn)為區(qū)內(nèi)天馬山組樣品孔隙度約為2.16%，其滲透率主要分布在0.00013～0.0031 mD，平均為0.0016 mD，這主要與天馬山組埋深大、埋藏時(shí)間較長以及其經(jīng)歷淺變質(zhì)存在重結(jié)晶作用有關(guān)。

5 有利區(qū)優(yōu)選評(píng)價(jià)指標(biāo)

綜合研究區(qū)內(nèi)天馬山組有機(jī)碳含量、成熟度、暗色泥頁巖厚度及埋深等成藏條件分析，認(rèn)為該組有機(jī)碳含量整體較低，普遍小于1.0%，僅個(gè)別TOC 數(shù)據(jù)略高；熱演化程度整體較高，Ro值一般大于2%；含炭質(zhì)板巖單層厚度較薄，為3～6 m，累積厚度平均可達(dá)50 m，但炭質(zhì)板巖之間石英雜砂巖較厚，層間距大；該組底界埋深相對(duì)較深，基本在2 500 ～3 000 m。 綜合分析認(rèn)為，區(qū)內(nèi)上奧陶統(tǒng)天馬山組達(dá)不到有利區(qū)優(yōu)選參考指標(biāo)，故該組不能作為有利區(qū)優(yōu)選目的層位。

6 結(jié)論

（1）研究區(qū)天馬山組為一套成熟度低的具復(fù)理石建造特征的半深海陸棚邊緣－斜坡相，巖性主要為雜砂巖、粉砂巖與板巖及含炭質(zhì)板巖構(gòu)成的韻律旋回。 其主要目的層段為中下段含炭質(zhì)板巖夾層，單層厚度較薄，為3～6 m，累計(jì)厚度可達(dá)50 m；底界埋深為0～3 500 m，沿四明山背斜兩翼依次向北西與南東方向埋深增大。

（2）天馬山組有機(jī)質(zhì)類型以Ⅰ型為主，有機(jī)碳含量整體較低，為0.1% ～0.96%，平均為0.34%；自東向西大致呈現(xiàn)為遞減趨勢；成熟度Ro平均為2.41%，已達(dá)到高熟-過成熟階段。 該組礦物組分均以脆性礦物為主，占50.88% ～66.2%，黏土礦物為33.8% ～49.1%；泥頁巖微孔隙均較發(fā)育，主體孔隙為中孔，且可見較多溶蝕孔隙；儲(chǔ)層特征為低孔低滲儲(chǔ)層，孔隙度平 均 為1. 30% ～2. 16%， 滲 透 率 為0. 0016 ～0.0067 mD。

（3）綜合天馬山組暗色泥頁巖厚度發(fā)育情況、埋深、各項(xiàng)有機(jī)地化參數(shù)以及保存條件等成藏因素，參考頁巖氣有利區(qū)優(yōu)選評(píng)價(jià)指標(biāo)，認(rèn)為該組不能作為有利區(qū)優(yōu)選目的層位。