苑 坤方欣欣聞 濤林 拓石砥石包書景周 志張 聰

（1中國地質(zhì)調(diào)查局油氣資源調(diào)查中心；2中國地質(zhì)科學院地質(zhì)力學研究所；3中國石油化工股份有限公司勘探分公司）

桂中坳陷西北部桂頁1井泥盆系頁巖氣聚集條件研究

苑 坤1方欣欣2聞 濤3林 拓1石砥石1包書景1周 志1張 聰1

（1中國地質(zhì)調(diào)查局油氣資源調(diào)查中心；2中國地質(zhì)科學院地質(zhì)力學研究所；3中國石油化工股份有限公司勘探分公司）

桂中坳陷西北部普遍發(fā)育的泥盆系頁巖，是滇黔桂地區(qū)頁巖氣勘探突破的重點。為查明該地區(qū)頁巖氣聚集條件及資源潛力，以桂中坳陷首口單井完整鉆遇泥盆系各套主力頁巖層的桂頁1井巖心資料為研究對象，通過均勻取樣（采樣間隔2m），對300余塊巖心樣品進行有機地球化學、巖石礦物學等實驗分析，認為桂中坳陷西北部泥盆系頁巖具有厚度大（470～1300m）、有機碳含量高（0.23%～10.63%）、熱演化程度高（Ro為1.88%～2.83%）等特點，有利于頁巖氣的生成和聚集；另外，其脆性礦物含量高、有機質(zhì)孔及微裂縫發(fā)育等特點顯示出頁巖層段良好的可改造性。然而，經(jīng)過多期構(gòu)造運動改造，斷裂活動對該區(qū)的頁巖儲層有一定破壞作用，對頁巖的含氣性有較大影響。從勘探潛力來看，通過分析泥盆系3套主力頁巖層（榴江組、羅富組、納標組）的各項參數(shù)指標，認為榴江組下段從有機地球化學特征、物性特征、成藏條件等方面均相對有利，是該區(qū)頁巖氣勘探的重點層段。

桂中坳陷；泥盆系；頁巖；頁巖氣；儲集條件

隨著美國頁巖氣開發(fā)取得成功，中國掀起了頁巖氣勘探的熱潮，重慶涪陵和四川威遠等地區(qū)均實現(xiàn)了頁巖氣的商業(yè)開發(fā)[1-5]。作為中國南方重要的含油氣盆地之一，桂中坳陷廣泛發(fā)育的頁巖與美國頁巖氣的主要產(chǎn)層相似，均為上古生界泥盆系[6]。但因地質(zhì)條件復雜、勘探程度低等原因，桂中坳陷油氣勘探尚無重大突破[7-8]。

前人研究表明，桂中坳陷海相泥盆系具有較良好的油氣地質(zhì)條件及資源潛力[9-10]。為探討該區(qū)泥盆系頁巖發(fā)育情況，摸清有機地球化學特征及頁巖氣聚集規(guī)律，2015年在桂中坳陷西北部部署實施了針對泥盆系的頁巖氣調(diào)查井——桂頁1井，成為該區(qū)完整鉆遇泥盆系各套主力頁巖層的第一口井。桂頁1井進行了全井段取心，并于1205.5m（下泥盆統(tǒng)蓮花山組）完鉆。

本文以桂頁1井巖心資料為基礎(chǔ)，通過對泥盆系頁巖地球化學特征、儲集特征、成藏控制因素等方面研究，評價有利勘探層段，確定泥盆系頁巖氣聚集條件及含氣特征，這對桂中坳陷及南方地區(qū)頁巖氣研究及勘探具有一定的參考和借鑒意義。

1 區(qū)域構(gòu)造背景

桂中坳陷位于廣西壯族自治區(qū)中北部，面積約4.6×104km2?；诪橄鹿派鐪\變質(zhì)巖系。其北部與雪峰山隆起毗鄰，西部與黔南坳陷、南盤江坳陷相接，東、南部分別與大瑤山隆起、大明山隆起相連（圖1）。

圖1 桂中坳陷構(gòu)造位置圖

桂中坳陷是在加里東運動基礎(chǔ)上形成的晚古生代海相大型沉積坳陷[11]。早泥盆世早期，桂中坳陷為前濱—近濱環(huán)境，發(fā)育蓮花山組、那高嶺組陸源碎屑砂巖夾粉砂質(zhì)泥巖；早泥盆世晚期，受南部古特提斯洋拉張裂陷的影響，全區(qū)拉張接受沉積，發(fā)育了北西向與北北東—北東向兩組斷裂，海侵范圍由南向北擴展，臺地—盆地沉積格局顯露，坳陷西部發(fā)育盆地相，主要沉積益蘭組和塘丁組粉砂巖、石灰?guī)r及黑色泥灰?guī)r。中泥盆世時期，隨著裂陷加劇，發(fā)育北西向和近南北向斷裂，相對海平面較高，臺盆范圍再次擴大，形成臺盆相間的古地理格局，發(fā)育半深水—深水相納標組、羅富組黑色碳質(zhì)頁巖、硅質(zhì)頁巖和泥灰?guī)r沉積。晚泥盆世晚期，斷裂活動減少且趨于穩(wěn)定，坳陷主體抬升，臺盆收縮變淺，沉積了底部為黑色碳質(zhì)頁巖、頂部為石灰?guī)r的榴江組（圖2）。區(qū)內(nèi)暗色頁巖分布受相帶控制明顯，優(yōu)質(zhì)的頁巖主要分布于盆地相，又以桂中坳陷西北部南丹—河池一帶最為發(fā)育。

圖2 桂中坳陷泥盆系地層綜合柱狀圖

桂中坳陷油氣勘探自20世紀50年代開始，已有60多年歷史，鉆有桂中1井、桂參1井等多口井，但由于地質(zhì)條件復雜、勘探技術(shù)與方法有限等因素，并未取得重大突破或發(fā)現(xiàn)，限制了該地區(qū)地質(zhì)認識的深化和油氣勘探進程，因此桂頁1井的鉆探對該地區(qū)頁巖氣的勘探突破具有重要的意義。

2 樣品采集與實驗測試

桂頁1井地處地形平緩的宜山凹陷西部南丹縣附近（圖1），該井自27.18m揭開地表第四系坡積物后，進入上泥盆統(tǒng)榴江組（上部以灰色—淺灰色扁豆狀灰?guī)r為主，中部為灰色—深灰色薄層狀硅質(zhì)巖，下部從224.35m起為碳質(zhì)頁巖夾鈣質(zhì)泥巖），320.35m進入中泥盆統(tǒng)羅富組（巖性為硅質(zhì)頁巖和薄層泥灰?guī)r）后，于605.95m進入納標組（巖性以硅質(zhì)頁巖為主，從上至下鈣質(zhì)含量逐漸減少，見大量竹節(jié)石化石），并在811.50m鉆穿中泥盆統(tǒng)，進入下泥盆統(tǒng)塘丁組（巖性以灰色—淺灰色粉砂質(zhì)泥巖為主，頂部見大量泥灰?guī)r透鏡體和草莓狀黃鐵礦），938.50m進入下泥盆統(tǒng)益蘭組（巖性為淺灰色細砂巖和深灰色粉砂質(zhì)泥巖），1102.70m進入下泥盆統(tǒng)那高嶺組—蓮花山組（巖性為灰色—灰綠色石英砂巖和深灰色粉砂質(zhì)泥巖）。自224.35m至811.50m分別鉆遇泥盆系榴江組、羅富組、納標組3套頁巖，累計揭示頁巖厚度714.15m（視厚度）。

為分析泥盆系3套頁巖層系有機地球化學特征及含氣性，以桂頁1井巖心資料為基礎(chǔ)，采用2m的采樣間隔，對所取的300余塊樣品進行了有機質(zhì)類型、有機碳含量、有機質(zhì)成熟度、氬離子束拋光掃描電鏡、黏土礦物及全巖X射線衍射分析等測試。

3 頁巖氣聚集條件

3.1 有機質(zhì)豐度

前人研究認為：頁巖吸附氣量與有機碳含量成正相關(guān)關(guān)系。相同條件下，有機碳含量的變化趨勢基本與頁巖含氣量的變化趨勢相同[12]。本次實驗采用碳硫測定儀對477塊巖心樣品進行了測試。實驗結(jié)果表明，泥盆系頁巖層系TOC為0.23%～10.63%（最大值對應深度251m），平均為2.36%（圖3）。其中榴江組頁巖TOC為0.29%～10.63%，平均為3.64%；羅富組頁巖TOC為0.23%～3.96%，平均為1.44%；納標組頁巖TOC為0.53%～6.21%，平均為2.41%；塘丁組、益蘭組、那高嶺組—蓮花山組頁巖TOC平均值分別為1.3%、0.2%和0.17%?？傮w上，榴江組下段頁巖TOC最高，其次為納標組和羅富組。由此推斷，桂中坳陷中泥盆統(tǒng)黑色頁巖具備形成頁巖氣有利區(qū)的最低總有機碳含量。

3.2 有機質(zhì)成熟度

采用有機顯微組分法對桂頁1井不同層段的37塊樣品進行瀝青反射率（Rb）測試，每塊樣品測點不少于15個，根據(jù)經(jīng)驗公式（Ro=0.6569Rb+0.3364）換算成等效鏡質(zhì)組反射率[13]。測試結(jié)果表明，泥盆系暗色頁巖Ro為1.88%～2.83%，平均為2.5%；其中榴江組頁巖Ro為2.23%～2.77%，平均為2.48%；羅富組頁巖Ro為2.18%～2.83%，平均為2.56%；納標組頁巖Ro為1.88%～2.76%，平均為2.49%，塘丁組、益蘭組、那高嶺組—蓮花山組頁巖Ro平均約為2.4%（圖4）。

目前，美國已經(jīng)成功開的頁巖氣藏Ro大多分布在1.1%～3.0%；國內(nèi)黔西北牛蹄塘組、四川盆地筇竹寺組和龍馬溪組暗色頁巖Ro均在2.5%左右[14]，與桂頁1井頁巖的有機質(zhì)成熟度指標相似，表明桂中坳陷西北部地區(qū)已達到高成熟—過成熟的演化階段，有利于頁巖氣的生成和聚集。

圖3 桂頁1井泥盆系頁巖層TOC隨深度變化圖

圖4 桂頁1井泥盆系頁巖層Ro隨深度變化圖

3.3 有機質(zhì)類型

將不同深度的37塊巖心樣品進行干酪根鏡檢測試，干酪根類型指數(shù)TI值按下列公式[15-16]求出：

式中TI——干酪根類型指數(shù)；

a——腐泥組含量，%；

b1——樹脂體含量，%；

b2——角質(zhì)體、木栓質(zhì)體、孢粉體、菌孢體、腐殖無定形體和底棲藻無定形體的總含量，%；

c1——富氫鏡質(zhì)體含量，%；

c2——正常鏡質(zhì)體含量，%；

d——絲質(zhì)體含量，%。

測試結(jié)果表明，泥盆系各層暗色頁巖TI值為51～91.5，有機質(zhì)以無定形體、藻類體為主，屬I—II1型有機質(zhì)，有較好的生氣潛力。

3.4 礦物組成

巖石礦物組成對頁巖氣后期開發(fā)至關(guān)重要，具備商業(yè)性開發(fā)價值的頁巖一般脆性礦物含量高于40%，黏土礦物含量小于30%[17]。

本次針對不同深度156塊樣品進行了X射線衍射礦物成分分析，結(jié)果表明，泥盆系暗色頁巖脆性礦物含量為8.5%～67%，平均為42.6%（圖5）；黏土礦物含量為5.8%～77.4%，平均為34.2%；長石含量較低，其中鉀長石含量平均為4.1%，斜長石含量平均為6.2%，方解石含量平均為12.7%，白云石含量平均為5.7%，黃鐵礦含量平均為2.0%。

榴江組下段較高的脆性礦物含量（22%～89%，平均為55.91%），使得該層更易受到構(gòu)造運動的改造形成適合頁巖氣富集的裂縫，為頁巖氣富集提供有利場所。

圖5 桂頁1井泥盆系頁巖礦物組成（部分樣品）

3.5 孔隙特征

氬離子束拋光掃描電鏡技術(shù)是對孔隙進行高分辨率觀察的技術(shù)，主要針對納米級孔隙（直徑小于10μm）進行研究，微米—納米級孔隙是頁巖氣重要的賦存空間[18-20]。對桂頁1井11塊巖心樣品進行觀察，識別出的孔隙主要包括有機質(zhì)孔、黏土礦物間孔、晶間孔、次生溶蝕孔4種類型，這些儲集空間孔徑主要介于2～300nm之間，主要以中孔為主（圖6）。

上泥盆統(tǒng)榴江組碳質(zhì)頁巖中，礦物顆粒間孔隙中填充有機質(zhì)，有機質(zhì)較集中，有機質(zhì)內(nèi)部微孔隙發(fā)育較好；而羅富組、納標組硅質(zhì)頁巖中，發(fā)育礦物顆粒間微縫隙，顆粒間填充的有機質(zhì)顆粒細小且分散。

3.6 裂縫發(fā)育情況

裂縫的發(fā)育可以為頁巖氣提供充足的儲集空間，也可為頁巖氣提供運移通道，更能有效地提高頁巖氣產(chǎn)量[19-20]。通過巖心觀察，泥盆系普遍發(fā)育裂縫，且多見高角度的方解石脈和局部擠壓導致的巖層扭曲、裂縫等（圖7）。在羅富組上部（407～413m）和納標組上部（661～662.28m）存在的兩處破碎帶，說明燕山期的擠壓和逆沖推覆作用所形成的逆斷層對桂中坳陷西北部地區(qū)影響較大；所形成的裂縫在為油氣提供運移通道和新的儲集空間的同時，也對頁巖氣的保存產(chǎn)生了一定的破壞。

圖6 桂頁1井泥盆系榴江組下段頁巖孔隙顯微特征

圖7 桂頁1井頁巖裂縫發(fā)育情況

3.7 儲層物性

對33塊巖心樣品使用氦孔隙度測量儀測定孔隙度，泥盆系暗色頁巖孔隙度和滲透率均相對較低，孔隙度為0.06%～2.61%，平均為0.78%，其中榴江組平均孔隙度相對較高，為1.88%，羅富組為1.0%，納標組為0.77%；滲透率為0.03～5.21mD，平均為0.63mD，其中榴江組平均滲透率為1.31mD，羅富組為0.21mD，納標組為0.66mD。榴江組下段（213.31～309.97m）黑色頁巖的孔隙度（平均為1.93%）和滲透率（平均為4.17mD）與四川盆地等頁巖氣開發(fā)成熟區(qū)塊相比，雖稍差，但也達到了頁巖氣勘探的最低標準，具有一定的勘探潛力。

3.8 含氣性

采用排水法對桂頁1井不同深度的40塊頁巖樣品進行現(xiàn)場含氣量解析試驗，并通過非線性回歸法計算損失氣量[21-23]，得到該井泥盆系各層系頁巖總含氣量為0.03～0.38m3/t（表1）。

桂頁1井泥盆系頁巖均處于高成熟—過成熟階段，因此成熟度對含氣量影響較小，而含氣量的變化受TOC影響較大，與巖石脆性礦物含量也有一定的相關(guān)性（圖8），在有機碳含量與脆性礦物含量均較高的層段（榴江組下段），含氣量也達到最大值。

但是，由于桂中坳陷西北部地區(qū)在燕山期受到擠壓和逆沖推覆作用，所形成的一系列強烈構(gòu)造對地處柳城斷裂與南丹—都安斷裂附近的桂頁1井影響較大，致使該井氣體保存條件較差，含氣量較低。

4 頁巖氣發(fā)育有利層段分析

通過對桂頁1井烴源巖指標、礦物組成、孔隙特征和裂縫發(fā)育情況等的分析，認為中泥盆統(tǒng)羅富組頁巖層，雖沉積相帶有利且厚度較大，但TOC（0.23%～3.96%，平均為1.44%）相對較低；納標組頁巖層雖然地球化學指標條件較好，但儲層物性較差（孔隙度平均為0.77%），且受構(gòu)造影響較大（661～662.28m出現(xiàn)破碎帶）；而在桂中坳陷西北部普遍發(fā)育的榴江組下段頁巖（圖9）具有厚度大（50～270m）、分布穩(wěn)定、有機碳含量高（0.29%～10.63%，平均為3.64%）、有機質(zhì)類型好（Ⅰ、Ⅱ1型）、演化程度高（Ro為2.23%～2.77%，平均為2.48%），脆性礦物含量高（22%～89%，平均為55.91%）等特點，具有良好的頁巖氣生成條件，可作為下一步頁巖氣勘探開發(fā)的重點層位。

表1 桂頁1井現(xiàn)場解析試驗含氣量組成（典型樣品測試結(jié)果）

圖8 桂頁1井泥盆系頁巖含氣量與TOC、脆性礦物含量的關(guān)系

5 頁巖氣聚集條件評價

桂中坳陷泥盆系黑色頁巖形成于半深水—深水的盆地相，主要分布于南丹—河池—宜州一帶，有效頁巖厚度為50～300m，羅富地區(qū)最厚可達500m。南丹大廠剖面樣品測試結(jié)果顯示，暗色頁巖TOC為0.53%～4.74%，平均為3.14%，Ro平均為2.73%，脆性礦物含量達到52%，與桂頁1井測試結(jié)果相似。

對比美國密執(zhí)安盆地、伊利諾斯盆地和中國四川盆地等成功開發(fā)的頁巖氣區(qū)塊（表2），以桂頁1井為代表的桂中坳陷西北部地區(qū)TOC（0.23%～10.63%，平均為2.36%）較四川盆地寒武系筇竹寺組（2.0%～9.1%）略低，與美國泥盆系頁巖相似（0.3%～24%），具備良好的頁巖氣形成基礎(chǔ)；Ⅰ—Ⅱ1型的有機質(zhì)顯示出較好的生氣潛力；高演化程度（Ro為1.88%～2.83%，平均為2.5%）表明該區(qū)頁巖處于生干氣階段，有利于頁巖氣的形成和聚集。此外，南丹—河池—宜州一帶泥盆系具有埋藏適中（500～3000m）、厚度穩(wěn)定(470～1300m)、脆性礦物含量高(硅質(zhì)含量大于52%）等特點，有利于頁巖氣的聚集、保存和后期壓裂改造。

但是，桂中坳陷西北部經(jīng)過多次構(gòu)造運動的改造，晚燕山期形成的南丹—都安斷裂及周邊北西向斷裂可能對頁巖氣保存具有一定的破壞作用，因此構(gòu)造相對穩(wěn)定的河池以北地區(qū)可能是桂中坳陷西北部頁巖氣勘探的有利地區(qū)。

6 結(jié)論

（1）桂頁1井泥盆系頁巖具有厚度大、有機碳含量高（平均為2.36%）、有機質(zhì)類型好（Ⅰ—Ⅱ1型）、熱演化程度高（等效Ro平均為2.5%）、脆性礦物含量高（平均為42.6%）、中小孔及裂縫發(fā)育的特征，具有良好的頁巖氣生成和聚集條件。

（2）上泥盆統(tǒng)榴江組下段相比其他頁巖層位（羅富組、納標組），有機地球化學特征及儲集條件更為有利，可作為桂中坳陷西北部地區(qū)下一步頁巖氣勘探開發(fā)的重點層系。

圖9 桂頁1井綜合柱狀圖

表2 桂頁1井暗色頁巖與國內(nèi)外不同盆地頁巖生烴參數(shù)對比

（3）桂中坳陷西北部具有較好的頁巖氣形成基礎(chǔ)和聚集條件，但復雜的構(gòu)造運動可能是導致桂頁1井含氣性偏低的重要原因，因此，斷裂活動對頁巖層的改造作用，是下一步該區(qū)勘探需要重點考慮的要素。

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Accumulation conditions of Devonian shale gas in Well GY 1 in northwestern Central Guangxi depression

Yuan Kun1, Fang Xinxin2, Wen Tao3, Lin Tuo1, Shi Dishi1, Bao Shujing1, Zhou Zhi1, Zhang Cong1
(1 Oil and Gas Resources Research Center of China Geological Survey; 2 Institute of Geomechanics, Chinese Academy of Geological Science; 3 Sinopec Exploration Company)

The Devonian shale widely distributed in northwestern Central Guangxi depression is the primary target for seeking breakthrough of shale gas in the Yunnan-Guizhou-Guangxi region. In order to identify the accumulation conditions and potentials of shale gas in this region, more than 300 core samples were evenly taken (at sampling interval of 2 m) in Well GY 1 for organic geochemistry and rock mineralogy analysis. Well GY 1 is the fi rst exploration well drilled through all Devonian shale gas formations in the Central Guangxi depression. The analysis results indicate that the Devonian shale is characterized by big thickness (470-1300 m), high TOC (0.23%-10.63%) and high maturity (Ro=1.88%-2.83%), which are favorable for the generation and accumulation of shale gas. Moreover, the shale has high content of brittle minerals and presence of organic pores and micro-fractures, implying the high probability of the shale gas reservoir to be stimulated. However, faulting activities during multi-stage tectonic movements damaged the shale reservoir, especially the gas-bearing potential. In view of exploration potentials, analysis of three sets of major shale gas formations (Liujiang Formation, Luofu Formation and Nabiao Formation) indicates that the Lower Liujiang Formation is the primary shale gas exploration target for its relatively favorable organic geochemical and physical properties and hydrocarbon accumulation conditions.

Central Guangxi depression, Devonian, shale, shale gas, accumulation condition

TE2

：A

10.3969/j.issn.1672-7703.2017.04.009

中國地質(zhì)調(diào)查局項目“滇黔桂上古生界頁巖氣戰(zhàn)略選區(qū)調(diào)查”（DD20160196）。

苑坤 (1985-），男，河北石家莊人，碩士，2010年畢業(yè)于中國地質(zhì)大學（北京），工程師，主要從事頁巖氣資源評價工作。地址：北京市海淀區(qū)北四環(huán)中路267號北京奧運大廈，郵政編碼：100083。E-mail：cheerlist@qq.com

2016-02-25；修改日期：2017-03-29