李啟桂，燕繼紅，聞　濤，劉苗苗

(中國石化勘探分公司勘探研究院，四川成都 610041)

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沅麻盆地牛蹄塘組頁巖氣勘探前景分析

李啟桂，燕繼紅，聞濤，劉苗苗

(中國石化勘探分公司勘探研究院，四川成都 610041)

對雪峰隆起周緣野外露頭下寒武統(tǒng)牛蹄塘組暗色泥頁巖特征和保存條件深入研究表明，雪峰隆起沅麻地區(qū)早古生代是一個統(tǒng)一的被動大陸邊緣，早寒武世牛蹄塘期為陸棚相-盆地相沉積環(huán)境,是下寒武統(tǒng)暗色泥頁巖的有利相帶。牛蹄塘組暗色泥頁巖有機碳含量普遍較高,脆性礦物含量高；基質孔隙、微裂縫發(fā)育,吸附能力強，同時具有良好的頂?shù)装鍡l件，埋深條件適中，深凹陷部斷層不發(fā)育，保存條件良好。研究認為，沅麻盆地草堂凹陷和辰溪凹陷牛蹄塘組具有優(yōu)越的頁巖氣形成地質條件,是南方下寒武統(tǒng)頁巖氣勘探開發(fā)又一重要地區(qū)。

沅麻盆地；深水陸棚相；牛蹄塘組；頁巖氣有利勘探區(qū)

1　研究區(qū)概況

沅麻盆地的構造位置處于雪峰隆起上,古生代屬于揚子臺地東南邊緣地帶[1]。其沉積-構造演化歷史可劃分為兩個大的演化階段:印支運動前的海相地臺發(fā)展階段和印支運動后的陸相沉積發(fā)育階段[2]。地臺發(fā)育期形成了震旦系燈影組硅質巖、寒武系厚層泥頁巖、泥灰?guī)r、白云巖以及石炭系-二疊系灰?guī)r及下三疊統(tǒng)大冶組薄層灰?guī)r等海相沉積；印支運動使海水撤離地臺,沉積了從上三疊統(tǒng)至白堊系的陸相碎屑巖地層,中三疊統(tǒng)在本區(qū)全部缺失。其中，上三疊統(tǒng)-侏羅系主要以礫巖和含煤地層為主,白堊紀時,沅麻盆地轉化為斷陷盆地，底部以厚層礫巖、細砂巖和泥巖為主,它們以角度不整合覆蓋在不同地層之上。

位于雪峰隆起沅麻盆地的油氣勘查始于1964年，原石油部湘西勘探大隊在1964-1967年進行了地面地質調查，測制了二疊系地層剖面10條，石炭系、三疊系地層剖面24條，侏羅系、白堊系地層剖面36條，實施淺井的鉆探24口及以重磁為主的物探工作。2014年以來，中國石化勘探分公司針對該區(qū)開展了頁巖氣勘探研究,測制了寒武系地層剖面3條,并采集了大量的分析化驗樣品。

2　沅麻盆地牛蹄塘組沉積相特征

位于雪峰隆起上的沅麻盆地及周緣地區(qū)在約8億年前后發(fā)生的晉寧運動中形成了地臺統(tǒng)一的基底(孫肇才等,1993)。根據(jù)鉆井和露頭剖面巖石學標志、常規(guī)測井標志等各種沉積相識別標志，結合巖石組合特征、剖面序列特征、電性特征等資料及鉆井剖面分析，雪峰隆起上的沅麻盆地及周緣早寒武世牛蹄塘期主要為盆地相-陸棚相,陸棚相可進一步劃分為深水陸棚相和淺水陸棚相。

2.1深水陸棚相

深水陸棚處于淺?？看箨懶逼乱粋蕊L暴浪基面以下的淺海區(qū)，一般來說環(huán)境能量較低，水體安靜，沉積物主要以灰黑色-黑色碳質泥頁巖為主，局部發(fā)育硅質泥頁巖，常呈薄層狀或紋層狀，巖石粒度較細，富含黃鐵礦和有機質，反映安靜貧氧的滯留水體沉積環(huán)境。在鉆井上，GR測井曲線表現(xiàn)為明顯的相對高值，電阻率一般為中低阻特征。

2.2淺水陸棚相

淺水陸棚位于過渡帶外側至風暴浪基面之上的淺海陸棚區(qū)，水體較淺，沉積物以暗色細粒的陸緣碎屑物質為主，見清水沉積的碳酸鹽巖薄層或透鏡體。該沉積區(qū)還間歇性地受到其他水流(風暴流、潮汐流和密度流等)的影響和改造，從而使沉積體發(fā)生分異，形成了相對高能的陸源碎屑砂或碳酸鹽顆粒沉積物組成的風暴層以及低能的以泥頁巖為主的砂泥質陸棚、灰泥質陸棚以及泥質陸棚等沉積體。在鉆井GR測井曲線表現(xiàn)為明顯的相對低值，電阻率一般為中高阻特征。

在早寒武世牛蹄塘早期，雪峰隆起周緣地區(qū)沉積一套灰黑色、黑色碳質泥頁巖和含硅質泥頁巖組合的深水陸棚相，范圍為六盤水-安順-凱里-鎮(zhèn)遠-懷化-常德以西地區(qū)。牛蹄塘晚期海平面緩慢上升到下降，區(qū)內以內碎屑沉積為主，形成少量黑色粉砂質泥巖，大多為泥質粉砂巖、粉砂巖和細砂巖，僅局部地區(qū)如黔南東部地區(qū)以深灰色泥質灰?guī)r、灰?guī)r和泥巖沉積為主，為淺水陸棚相(圖1)。

圖1　雪峰及周緣早寒武世牛蹄塘早期沉積相

3　沅麻盆地牛蹄塘組頁巖氣地質條件

3.1烴源巖條件

脊柱腫瘤通常會引起患者的腰部疼痛不適，隨著病變的進展，腫瘤破壞骨質壓迫脊髓神經還會引起腿疼甚至癱瘓，嚴重影響患者的生活質量。椎體轉移瘤（癌）在脊柱惡性病變中最常見，多見于中老年人，主要癥狀為劇烈疼痛，患者常常難以忍受，需要服用大量鎮(zhèn)痛藥方能緩解；有的病變會發(fā)生病理性骨折和繼發(fā)性截癱。

3.1.1厚度及展布

雪峰隆起上的沅麻盆地及周緣牛蹄塘組層序是下寒武統(tǒng)二級層序海侵體系域發(fā)育的一個三級層序，可劃分為海侵體系域(TST)和高水位體系域(HST)。在沅麻地區(qū)牛蹄塘組海侵體系域與下部燈影末期硅質巖為整合接觸(圖2)，頂部與高水位體系域為明顯的巖性界面，主要沉積物以灰黑色碳質泥巖、硅質泥巖為主。在下寒武統(tǒng)牛蹄塘組則存在兩個體系域的巖性分界特征，下部為海侵體系域(TST)，是黑色富有機質泥頁巖分布的主要層段。

下寒武統(tǒng)牛蹄塘組下部的富有機質泥頁巖是在深水陸棚相區(qū)沉積起來的，厚度較大，在雪峰周緣的昭通和宜賓一帶(圖3)，富有機質泥頁巖總厚度可達200 m以上，如昭103井的泥頁巖厚度為221 m，芒1井達242 m，泥地比92.4%，芒1井最大連續(xù)厚度65 m。在黔中地區(qū)富有機質泥頁巖厚50～73 m，如金頁1井連續(xù)厚度達59 m，泥地比87%；方深1井有機質泥頁巖最大連續(xù)厚度35 m，總厚73 m，泥地比91%。在黔南地區(qū)富有機質泥頁巖厚63～85 m，如黃頁1井最大連續(xù)厚度43 m，總厚77 m，泥地比83.7%；莊1井最大連續(xù)厚度47 m，總厚82 m，泥地比93.2%。武陵地區(qū)富有機質泥頁巖厚50～117 m，如湄頁1井厚度60 m，泥地比92.3%，最大連續(xù)厚度45 m；正頁1井連續(xù)厚65 m，泥地比100%；綏頁1井連續(xù)厚度117 m，泥地比90.7%；德頁1井連續(xù)厚度92 m，總厚107 m，泥地比92.2%。在沅麻-雪峰5地區(qū)富有機質泥頁巖厚36～117 m，古丈龍鼻嘴露頭剖面厚117 m，泥地比90.7%；永順青天坪剖面厚36 m，連續(xù)厚度31 m；鳳凰水打田剖面連續(xù)厚度42 m。

圖2　沅麻地區(qū)龍鼻嘴剖面層序地層劃分柱狀剖面

富有機質泥頁巖等值線圖(圖3)表明，在昭通-宜賓-內江一帶，武陵地區(qū)東北部以及湘鄂西地區(qū)為富有機質泥頁巖發(fā)育區(qū)，厚度多大于100 m；黔中地區(qū)、黔南地區(qū)、沅麻-雪峰5地區(qū)以及武陵西南地區(qū)為較發(fā)育地區(qū)，厚度以36～100 m為主，沅麻區(qū)塊最厚達117 m。

圖3　雪峰及周緣牛蹄塘組下段富有機質泥頁巖等值線

3.1.2有機碳含量

有機碳含量不僅控制頁巖生烴量，同時也影響吸附氣含量，有機碳含量和氣體含量( 包括總氣體含量和吸附氣含量) 具有正相關性[3-4]。沅麻-雪峰5地區(qū)共有古丈龍鼻嘴、永順青天坪和鳳凰水打田3條露頭剖面。古丈龍鼻嘴剖面(圖4)牛蹄塘組上部(HST)以灰黑色粉砂質泥巖和泥質粉砂巖為主，53個泥質巖樣品有機碳含量為1%～2%，平均為1.37%；下部(TST)27個樣品有機碳含量1.26%～7.38%，多數(shù)大于3%，平均3.96%。下部泥頁巖連續(xù)分布，厚度大，可達119 m，有機質含量高，為富有機質泥頁巖主要發(fā)育層段。青天坪和水打田剖面下部泥頁巖有機碳含量多數(shù)大于4%，平均分別為5.69%和5.86%；而上部泥頁巖有機碳含量為1%～2%，僅個別大于2%，平均分別為1.58%和1.62%?？梢姼挥袡C質泥頁巖主要發(fā)育于下部地層。

3.1.3干酪根類型

Ⅰ型與Ⅱ型干酪根為頁巖氣生成的主要有機質類型[5]，均具有較強的吸附力[6]。對雪峰及周緣牛蹄塘組泥頁巖干酪根鏡檢和同位素分析(表1)表明，黔南地區(qū)和武陵地區(qū)也以Ⅰ型有機質為主；沅麻-雪峰5地區(qū)鏡檢分析以褐色無定形(腐泥無定形)組分為主，黑色無定形組分(可能為高成熟度瀝青)為輔，檢測結果認為有機質類型為Ⅰ型;湘鄂西地區(qū)以無定形腐殖-腐泥型為主，類型指數(shù)表明為Ⅱ型有機質。

圖4　龍鼻嘴牛蹄塘組有機地化剖面

雪峰隆起上的沅麻盆地及周緣牛蹄塘組泥頁巖有機質類型以Ⅰ型為主，少數(shù)地區(qū)存在部分Ⅱ型。表明泥頁巖以腐泥型和腐殖腐泥型有機質為主，具備較好的生烴能力。

3.1.4 熱演化程度

有機質熱演化程度決定頁巖氣成因類型、組分構成及氣體流動速度等[7-8]。北美勘探實踐證實，頁巖氣成藏要求熱成熟度適中(Ro為1.1% ～3.0%)[9]。雪峰及周緣下寒武統(tǒng)牛蹄塘組泥頁巖有機質成熟度普遍較高，已達高-過成熟階段，黔南地區(qū)Ro為2.5%～3.5%，也已達過成熟階段；武陵坳陷Ro變化較大，南部甕安-余慶一帶Ro為1.32%～1.8%，但也處于高成熟階段；而印江郎溪-遵義一帶Ro>3.5%，最高為印江郎溪，Ro為4.2%；秀山-德頁1井一帶Ro為2.5%～3.0%，均已達過成熟階段；沅麻-雪峰5地區(qū)Ro由西往東有減小的趨勢，沅麻盆地-雪峰5一般Ro為2.0%～3.0%，已達過成熟階段，相對來說,沅麻盆地-雪峰5區(qū)塊為演化程度適中的地區(qū)。

3.2儲集條件

表1　雪峰及周緣泥頁巖干酪根鏡檢和碳同位素有機質類型劃分統(tǒng)計

頁巖氣主要由吸附氣和游離氣兩部分組成。影響游離氣量大小的主要因素是頁巖基質孔隙大小和天然裂縫的發(fā)育程度[10]，而脆性礦物含量是影響頁巖基質孔隙和微裂縫發(fā)育程度、含氣性及壓裂改造方式等的重要因素[4]。

3.2.1孔滲特征

頁巖儲層為特低孔滲儲層，以發(fā)育多類型微米甚至納米級孔隙為特征，包括顆粒間微孔、黏土片間微孔、顆粒溶孔、溶蝕雜基內孔、粒內溶蝕孔及有機質孔等[11]。美國主要產氣頁巖儲層巖心分析總孔隙度為2. 0%～14.0%，滲透率一般小于0.1 × 10-3μm2，平均喉道半徑不到0.005 μm[11]。沅麻-雪峰5地區(qū)孔滲條件較好(表2)，黔南地區(qū)、武陵地區(qū)、黔中地區(qū)次之。

從掃描電鏡資料看(圖5)，雪峰及周緣地區(qū)泥頁巖裂隙較為發(fā)育，面孔率可達12%以上，發(fā)育粒間孔、晶間孔、溶蝕孔、有機質納米孔、裂縫等，成絲狀、蜂窩狀分布，孔隙類型多樣，泥頁巖儲集性能好。

表2　雪峰及周緣牛蹄塘組下段泥頁巖物性統(tǒng)計

3.2.2礦物特征

頁巖儲層具有獨特的礦物組成，除黏土礦物外，還含有不等量的石英、長石、云母、方解石等礦物。黏土礦物中伊利石含量高低與吸附氣含量有一定關系。石英、長石等脆性礦物含量高，有利于儲層壓裂改造；方解石含量高則易于形成次生溶孔，改善儲集條件。

全巖分析結果表明(圖6)，沅麻地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組含脆性礦物成分高，黏土含量適中，為25%～45%，對儲集性能的改善較為有利。

圖5　雪峰及周緣掃描電鏡圖

圖6　沅麻地區(qū)牛蹄塘組泥頁巖礦物組成統(tǒng)計

3.2.3吸附氣特征

通過等溫吸附模擬,可以研究不同有機質含量、類型、濕度等富有機質頁巖的吸附特征和能力，獲得吸附氣含量參數(shù)[12]。根據(jù)地表露頭樣品等溫吸附測試結果和langmuir模型計算，沅麻地區(qū)古丈龍鼻嘴牛蹄塘組泥頁巖在3.01 MPa壓力時，最大吸附含氣量可達9.82 m3/t；處在沅麻地區(qū)周邊的常頁1井現(xiàn)場解吸最高含氣量可達2.09 cm3/g，含氣量較高；慈頁1井氣測全烴最高為3.61%，顯示情況較好，表明牛蹄塘組泥頁巖具有較強的吸附能力。

3.3保存條件

頁巖氣雖具有“自生自儲自蓋”特征及吸附性能，表現(xiàn)為“原地”成藏模式，但對保存條件要求還是較高的[13]。沅麻地區(qū)經歷了加里東、印支期、燕山期和喜馬拉雅期等多期構造運動的疊加改造，導致地層強烈褶皺形變、抬升、剝蝕，油氣保存條件復雜。但燕山期走滑拉張，沅麻盆地形成,沉積了T3-J1-2及白堊系-第三系地層,一般厚度1 000～2 000 m,為牛蹄塘組泥頁巖氣形成良好的蓋層,可使牛蹄塘組形成的頁巖氣得以保存。同時從地震大剖面解釋成果看,盆內斷裂不太發(fā)育,構造變形主要表現(xiàn)為表層強而深層較弱的特點，所以下寒武統(tǒng)地層相對比較穩(wěn)定，特別是遠離斷層和構造轉折部位，對頁巖氣保存是有利的。

從牛蹄塘組頂?shù)装鍡l件看,亦具有良好的保存條件。直接頂板主要為下寒武統(tǒng)泥質巖、粉砂質泥巖和泥質粉砂巖，整體頂板條件好；底板為燈影組盆地相硅質巖，巖溶現(xiàn)象不發(fā)育，突破壓力可達29. 9 MPa,封閉性能較好,為良好的底板。鄰區(qū)常頁1井牛蹄塘組頁巖實測含氣量可達2.09 cm3/g，慈頁1井牛蹄塘組頁巖氣測全烴含量最高為3.61%，均表明牛蹄塘組頂?shù)装寰吡己玫谋４鏃l件。

4　頁巖氣有利勘探區(qū)帶評價

頁巖氣成藏控制因素可以分為內部因素( 主要包括有機質類型及含量、成熟度、裂縫、孔隙度和滲透率、礦物組成、厚度、濕度等) 和外部影響因素( 主要包括深度、溫度與壓力等)[4，8]。對于南方復雜構造區(qū)海相頁巖氣，在眾多因素中有兩個最為關鍵，即具有“二元富集”規(guī)律，深水陸棚優(yōu)質泥頁巖發(fā)育是頁巖氣“成烴控儲”的基礎；良好的保存條件是頁巖氣“成藏控產”的關鍵[14]。從埋藏深度看,目前美國發(fā)現(xiàn)的頁巖氣藏通常為762～3 658 m。根據(jù)沅麻盆地的草堂凹陷地震大剖面解釋成果,牛蹄塘組埋深1 500～2 000 m，辰溪凹陷牛蹄塘組埋深2 000～3 500 m,是頁巖氣藏通常分布的深度范圍。

因此從沅麻地區(qū)牛蹄塘組泥頁巖沉積相特征，泥頁巖厚度、有機碳含量、有機質類型、熱演化程度、孔滲特征、礦物成分、埋深及保存條件等評價指標看，沅麻地區(qū)牛蹄塘組頁巖氣具有良好的地質基礎和成藏條件。結合地震剖面解釋成果分析, 沅麻盆地勘探的有利區(qū)帶一是沅麻區(qū)塊草堂凹陷，二是沅麻區(qū)塊辰溪凹陷,其中草堂凹陷牛蹄塘組泥頁巖為深水陸棚相富有機質泥頁巖，預測厚度60～100 m，有機碳含量高，為3%～4%，熱演化程度適中，Ro為2.0%～2.5%，埋深1 500～2 000 m；整體構造變形弱，頂?shù)装鍡l件好，有利區(qū)面積1 525.52 km2，預測頁巖氣資源量4 595×108m3。辰溪凹陷下寒武統(tǒng)牛蹄塘組深水陸棚相富有機質泥頁巖發(fā)育，厚度為50～80 m，分布穩(wěn)定，有機碳含量高，為3%～4%，熱演化程度適中，Ro為2.0%～2.5%，埋深2 000～3 500 m；頂?shù)装鍡l件好，頂板為下寒武統(tǒng)泥質巖、粉砂質泥巖，底板為燈影組硅質巖；有利區(qū)面積157.42 km2，預測頁巖氣資源量320×108m3。

5　結論

(1)雪峰隆起沅麻盆地早寒武世牛蹄塘早期沉積一套深水陸棚相的黑色碳質泥頁巖、硅質泥頁巖，厚度大，分布較廣，為優(yōu)質的海相頁巖。

(2)雪峰隆起沅麻盆地下寒武統(tǒng)牛蹄塘組泥頁巖有機質豐度高，有機質類型好，熱演化程度適中，具備形成頁巖的物質基礎; 頁巖儲層微孔-納米孔隙和微裂縫發(fā)育，為游離氣和吸附氣提供了儲集空間；脆性礦物含量高，適宜后期壓裂改造;埋深適中( 1 500～3 500 m)，牛蹄塘組泥頁巖不僅上覆有較厚的中生代地層,而且頂?shù)装鍡l件較好,存在良好的保存條件。

(3)雪峰隆起沅麻盆地下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁巖氣處于勘探初期評價階段，根據(jù)頁巖氣“二元富集”理論，沅麻盆地的草堂凹陷和辰溪凹陷為頁巖氣勘探的有利區(qū)帶。

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編輯：趙川喜

1673-8217(2016)05-0006-06

2016-03-25

李啟桂，高級工程師，1964年出生，1986年畢業(yè)于中國地質大學(武漢)石油地質專業(yè)，現(xiàn)從事中國南方油氣的勘探工作。

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