師天琛陳孔全孟江輝

（1.非常規(guī)油氣湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 武漢 430100）（2.長江大學地球科學學院，湖北 武漢 430100）

湘西北地區(qū)五峰-龍馬溪組頁巖氣地質(zhì)特征
——以龍山紅巖溪剖面為例

師天琛1,2陳孔全1,2孟江輝1,2

（1.非常規(guī)油氣湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 武漢 430100）（2.長江大學地球科學學院，湖北 武漢 430100）

本文的研究內(nèi)容來自于對湘西北古生界頁巖和烴源巖的調(diào)查這一研究項目，重點選取了其中一個剖面，通過對該剖面的實地測量，并對所集的采樣品進行有機地化分析測試，綜合分析所得地化數(shù)據(jù)，以對該區(qū)域龍馬溪組頁巖氣的地質(zhì)特征有進一步的認識。

湘西北；頁巖；有機地化；地質(zhì)特征

1 剖面簡介

龍山紅巖溪剖面位于湖南省湘西土家族苗族自治州龍山縣紅巖溪鎮(zhèn)，在構造劃分上隸屬于中揚子臺地東南部的桑植-石門復向斜，桑植-官地坪向斜（圖1-1）。

圖1-1 龍山紅巖溪剖面位置與地區(qū)構造圖

1.1 剖面沉積演化史

晚奧陶世時期,揚子陸塊發(fā)生快速海侵,形成廣闊陸棚相沉積環(huán)境，奧陶紀末期的宜昌運動使局部地區(qū)沉積間斷，早志留世地殼再次下沉，廣泛海侵，該剖面所在處的上奧陶-下志留統(tǒng)龍馬溪組富有機質(zhì)頁巖層系即是于此時形成。中志留世開始海退，均為巨厚砂、泥質(zhì)碎屑巖沉積。晚志留世時期的加里東構造運動使該地區(qū)隆升，使志留系地層遭受嚴重剝蝕，且華南陸塊間海槽全部關閉，中揚子陸塊的沉積盆地發(fā)育階段就此結束。

1.2 剖面實測簡介

該剖面的起點為一處五峰組與臨湘組的分界處，到龍馬溪組與羅惹坪組的分界處為終點，導線共9根，總長度達692.4m。一共分為21層，其中第0層為臨湘組，第1、2層為五峰組，第3至20層均為龍馬溪組。臨湘組地層的沉積相為碳酸鹽巖緩坡相，深水緩坡亞相；五峰-龍馬溪組地層的沉積相為碎屑巖陸棚相，自下而上亞相從深水陸棚轉(zhuǎn)變?yōu)闇\水陸棚。本次剖面的野外實測共取泥頁巖樣品32塊。

2 頁巖有機地化特征

泥頁巖的生烴能力與多種條件相關，包括有機質(zhì)類型、有機質(zhì)豐度、有機質(zhì)熱演化程度、沉積相類型等。為了獲取所需要的數(shù)據(jù)，我們將該剖面所采樣品進行分析測試，其測試結果如圖所示（圖2-1）。

2.1 有機質(zhì)類型

從干酪根顯微組分和有機質(zhì)類型數(shù)據(jù)表（表2-1）和干酪根同位素數(shù)據(jù)表（表2-2）可以看出該剖面顯微組分中腐泥組的含量為89%～96%，腐泥組占絕對優(yōu)勢，干酪根碳同位素在-28‰至-29‰之間，總體偏輕，表現(xiàn)為I型和IA型，原始生油母質(zhì)為混合型，主要來自于水生生物和藻類，屬于較好的烴源巖。

表2-1 龍山紅巖溪泥頁巖干酪根顯微組分及有機質(zhì)類型

表2-2 湘西北地區(qū)牛蹄塘組和五峰-龍馬溪組泥頁巖干酪根碳同位素數(shù)據(jù)表

2.2 有機質(zhì)豐度

烴源巖中的有機質(zhì)是形成油氣的物質(zhì)基礎，有機質(zhì)在巖石中的含量，是決定巖石生烴能力的主要因素。有機質(zhì)在巖石中的相對含量稱為有機質(zhì)的豐度，目前常用的豐度指標主要包括有機碳含量（TOC）、氯仿瀝青“A”、總烴含量（HC）和巖石熱解生烴潛量（S1＋S2）等。由于我國海相地層發(fā)育時代早、經(jīng)歷的構造運動多、埋深較大，目前的殘留氯仿瀝青“A”含量普遍很低，介于0.003%～0.104%，不能準確反映該區(qū)海相頁巖的生烴能力，故主要采用有機碳含量對海相頁巖進行評價。

圖2-1 龍山紅巖溪剖面五峰-龍馬溪組巖礦—有機地化綜合柱狀圖

該剖面TOC數(shù)據(jù)點共有31個，范圍為0.155%～1.65%（圖2-2），大都在1%以下，均值為0.636%，以中國海相烴源巖常用的等級劃分標準來進行評價，顯示為差-中等烴源巖，然而從圖2-1上可以看出，TOC含量較高的地層主要位于五峰組以及龍馬溪組底部，其含量遠高于比龍馬溪組上部，均值為1.34%，顯示為中等烴源巖。其生烴能力較好，具有一定的潛力。

圖2-2 龍山紅巖溪剖面五峰-龍馬溪組TOC分布圖

2.3 有機質(zhì)熱演化程度

2.3.1 鏡質(zhì)體反射率Ro

鏡質(zhì)體反射率（Ro）是一項國際公認的劃分有機質(zhì)成熟度的獨立指標，但是由于該剖面所采樣品形成于早志留世的海相環(huán)境中，缺乏高等植物的標準鏡質(zhì)組，因而難以直接獲得Ro數(shù)據(jù)，在此情況下瀝青反射率（BRo）就成為表征有機質(zhì)成熟度的一個重要指標。應用瀝青反射率作為成熟指標是，本文按照豐國秀（1988）、Jacob(1989)等求出等效鏡質(zhì)組反射率的換算公式計算出的等效鏡質(zhì)組反射率來評價泥頁巖熱演化程度，計算所得的數(shù)據(jù)如表2-2所示。

等效鏡質(zhì)組反射率計算公式[1]：

從表2-2可以看出，該剖面樣品的Ro值在2.87%～3.14%之間，屬于中晚期過成熟階段，處在生氣晚期或進入生氣下限值階段。

以北美地區(qū)頁巖氣產(chǎn)量高的地區(qū)為參照來看，其頁巖成熟度主值處于1.0%～2.5%之間[5]，成熟度遠低于所取樣品。然而由于我國的海相頁巖與北美海相頁巖的形成環(huán)境不同，中揚子臺地經(jīng)歷的構造活動更多，斷裂也更多，加之保存環(huán)境不同，與北美差別較大，所以其標準只能作為借鑒。我國南方下古生界頁巖過高的成熟度（Ro=2.5%～4.0%）并不是沒有生氣潛力，例如在2012年中石油在四川盆地南部地區(qū)下志留統(tǒng)黑色頁巖中也獲得了20萬～40萬m3/d的高產(chǎn)量，說明過高的成熟度并沒有使頁巖的生氣能力大幅降低，因而紅巖溪地區(qū)龍馬溪組的頁巖仍然具有相當可觀的生烴潛力。

表3-2 龍山紅巖溪剖面全巖X-射線衍射定量分析表

但是，由于氣源巖演化的復雜性，高演化程度的氣源巖有機質(zhì)鏡質(zhì)體反射率影響因素較多，如原始沉積物在壓實和成巖過程中異常壓力的產(chǎn)生或存在，以及富氫鏡質(zhì)組都會對Ro值產(chǎn)生抑制作用，在同等演化程度下，煤的反射率最高，泥巖次之，碳酸鹽巖最低，使得Ro值的變化更加復雜。另外，由于下古生界海相奧陶系-志留系地層中尚未出現(xiàn)高等植物，其干酪根組成中無鏡質(zhì)體，只能通過測試瀝青反射率，然后根據(jù)經(jīng)驗公式換算而得。所以海相氣源巖中可能出現(xiàn)原始物質(zhì)直接轉(zhuǎn)變的瀝青和由原始物質(zhì)熱降解產(chǎn)物——瀝青質(zhì)和非烴轉(zhuǎn)變成的高度聚合的瀝青兩組相差較大的瀝青反射率值。因此，單獨應用Ro值評價有機質(zhì)成熟度應慎重，在研究成熟度時應綜合考慮各種因素的影響。

表2-2 龍山紅巖溪剖面Ro

2.3.2 巖石熱解

本剖面所測得的巖石熱解數(shù)據(jù)如下，Tmax值為448℃，S1為0.03mg/g，S2為0.06mg/g，HCI=57.7mg烴/gTOC，HI=139.13mg烴/gTOC。具有熱解峰溫（Tmax，℃）和氫指數(shù)（HI）高，熱解烴（S2）低的特點。與Ro數(shù)據(jù)均顯示出該處頁巖處于過成熟階段。

從以上鏡質(zhì)體反射率和巖石熱解資料的結果來看，紅巖溪地區(qū)五峰-龍馬溪組烴源巖熱演化程度較高，基本已經(jīng)完全進入過成熟干氣階段。

3 頁巖氣儲層物性

3.1 孔滲性

表3-1為利用該剖面的3個樣品所測得的泥頁巖孔滲數(shù)據(jù)，其有效孔隙度均值為1.499%，滲透率均值為0.00813×10-3μm2，推測其孔滲性一般的原因是由于地層較高的熱演化成熟度導致的，但是熱演化程度在超過一定臨界值后，其儲集物性并沒有發(fā)生根本性改變[8]，且依然有大量層間縫發(fā)育，并沒有受到過成熟演化的影響（圖3-1），因而據(jù)此可以預測該地層仍具備一定的頁巖游離氣儲集條件。

表3-1 龍山紅巖溪泥頁巖物性分析統(tǒng)計表

圖3-1 龍山紅巖溪剖面，龍馬溪組第3層處硅質(zhì)泥巖層間縫

3.2 泥頁巖全巖礦物組成特征

對于頁巖氣勘探開發(fā)而言，礦物學分析是很重要的部分，因為現(xiàn)在的頁巖氣開采大都需要人工壓裂增產(chǎn)處理，頁巖的可壓裂性是決定頁巖氣產(chǎn)量的一種重要因素，而頁巖的可壓裂性則取決于頁巖中的脆性礦物含量。脆性礦物含量越高，頁巖的可壓裂性就越強，也就更利于進行增產(chǎn)處理。

如表3-2所示，本剖面所選取的兩個樣品測量出的脆性礦物含量均在70%以上，我國多數(shù)頁巖氣所取巖心的測量分析結果顯示黏土礦物基本小于30%，說明本地區(qū)五峰-龍馬溪組頁巖易于產(chǎn)生裂縫，有利于后期的壓裂改造。

4 結語

龍山紅巖溪剖面的五峰-龍馬溪組地層形成于晚奧陶世-早志留世中揚子陸塊地殼下沉的海侵階段，因而存在大量的藻類和無脊椎水生生物，使該時期形成的泥頁巖富含有機質(zhì)，對于生烴是極為有利的條件。在沉積盆地發(fā)育結束后又發(fā)生了多次構造運動，盆地內(nèi)存在多次斷裂，這種沉積盆地的分割性對有機質(zhì)的堆積與保存都有利。從剖面所采樣品獲取的有機地化數(shù)據(jù)表明頁巖中TOC含量總體來看為中等水平，其中有機碳含量較高的頁巖層段主要位于五峰組和龍馬溪組底部，盡管熱演化程度高，處于過成熟生氣階段，但仍然具有較好的生烴能力。實驗數(shù)據(jù)表明本地區(qū)五峰-龍馬溪組的頁巖具有不錯的孔滲性，并存在大量存在的層間縫，說明其作為儲層也具有較好的儲集物性。且X-射線衍射分析表明黏土礦物含量小于30%，非常有利于進行儲層改造，如果進行開采工作，人工壓裂增產(chǎn)的效果將會較為顯著。

綜上所述，龍山紅巖溪剖面的實地測量以及有機地化分析表明湘西北地區(qū)五峰-龍馬溪組具有較好的頁巖氣生烴以及儲集條件，以及相對較好的開采條件，具有在未來繼續(xù)深入進行該地區(qū)頁巖氣勘探開發(fā)工作的價值。

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師天?。?992-），男，漢族，河南濮陽人，在讀研究生，單位：長江大學地球科學學院，研究方向：油藏描述。