桂中盆地页岩气地质条件及潜力分析

周 雁, 朱东亚, 孟庆强, 张殿伟, 沃玉进

(中国石化 石油勘探开发研究院 构造与沉积储层实验室，北京 100083)

桂中盆地页岩气地质条件及潜力分析

周 雁, 朱东亚, 孟庆强, 张殿伟, 沃玉进

(中国石化 石油勘探开发研究院 构造与沉积储层实验室，北京 100083)

研究桂中盆地页岩气发育的地质条件并分析其勘探潜力。对桂中盆地近期一口页岩气钻井的产气特征和岩心开展了TOC、Ro等测试分析。该井位于柳城县白芒村附近，钻进过程中在井深为248.33 m的下石炭统寺门组泥页岩层系砂岩夹层中出现井涌及天然气喷漏，日产气量3 000～4 000 m3，持续几天后无明显衰减迹象，揭示了良好的页岩气潜力。该井寺门组泥页岩TOC的质量分数为0.54%～1.59%，平均值为1.07%，为较好的烃源岩层；砂岩夹层中见丰富的沥青，其反射率Rb为1.64%～2.1%。寺门组泥页岩烃源岩和沥青热裂解生气保证了泥页岩层系充足的气源供应。桂中盆地中下泥盆统和下石炭统深灰色或黑色泥页岩层系广泛发育，为高演化的优质烃源岩层并且具有较大的厚度，构成页岩气大规模赋存的基础地质条件。经过长期的油气勘探，已在不少钻井揭示页岩气的显示，展示了较好的页岩气勘探前景。

桂中盆地；泥盆系；石炭系；页岩气

2014年6月10日，广西柳州市柳城县白芒村附近一口在钻的水井意外发现井涌及天然气喷漏。天然气点燃后火焰高度可达1 m左右，持续多日未见明显衰减。该井在构造位置上位于桂中盆地沙塘凹陷的大浦背斜上(图1)。对该井进行详细岩心观测，发现产气层位为下石炭统寺门组(C1s)泥页岩中的粉砂岩夹层，产气层深度约为245 m。根据现场施工情况介绍和放喷火焰情况，认为所产天然气中基本不含H2S，日产气量在3 000～4 000 m3。

图1 桂中拗陷白芒村页岩气钻井构造简图Fig.1 Tectonic units for the Baimang shale gas well in the Central Guangxi basinK.白垩系； C2d.上石炭统大埔组； C1s.下石炭统寺门组; C1-2l.石炭系罗城组

早期研究评价认为，桂中盆地泥盆系-石炭系资源潜力丰富，但经过较长时间的勘探，没有取得常规油气勘探的突破。中国南方地区古生界层系页岩气勘探正如火如荼展开[1-3]，但该区并没有受到重视。实际上，以往常规油气勘探过程中一些钻井已经在泥盆系和石炭系的泥页岩层系中发现天然气的显示，具有页岩气的特征。近期石炭系泥页岩层系中天然气的意外发现再次表明，该区在页岩气勘探方面有着较大的潜力。桂中盆地及周边地区泥页岩层系分布广泛而且厚度大，因此，加强该区页岩气的勘探潜力研究和评价具有重要实践价值。

为了探讨桂中盆地及邻区页岩气勘探前景，在区域地质背景分析的基础上，对白芒村天然气钻井进行了详细的岩心观测和取样，开展系统的岩石学矿物学及有机地球化学分析测试工作，同时结合前期针对泥盆系和石炭系开展的研究工作，分析桂中盆地页岩气资源潜力。

1 区域地质背景

桂中盆地位于广西壮族自治区的中北部，盆地面积为46 000 km2；在构造位置上位于滇黔桂盆地东北部，处在扬子陆块西南缘与华南加里东褶皱带的结合部位，是加里东运动时期形成的大型海相残留盆地[4-6]。

桂中盆地是在古特提斯洋开启的构造背景下开始发育，在加里东时期是一个具有被动大陆边缘裂陷性质的拗陷盆地。在海西期以来，桂中盆地开始拉张下沉并接受沉积；早泥盆世中-晚期，桂中盆地和周边地区处于台盆与台地相互包绕环境中，中—晚泥盆世继承了这种古地理格局；自石炭纪始，台地相沉积开始相对发育，处于“台包盆”的古地理环境[7]；至早-中二叠世，该区再次发生强烈拉张活动，成为晚古生代最大海泛期，盆地基本定型。印支期，受南部特提斯洋俯冲和碰撞的影响，盆地东部开始发生造山作用；从晚二叠世-中三叠世开始，盆地逐渐进入前陆盆地发育阶段[6]，逐渐结束海相环境沉积。晚侏罗世以来，受燕山和喜马拉雅运动影响，桂中盆地遭受挤压及抬升剥蚀，如今主要残留泥盆系和石炭系，二叠系和三叠系仅零星分布于向斜两翼[7]。

因此，盆地内泥盆系-石炭系广泛分布，奠定了以泥盆系-石炭系为主的油气资源勘探目的层。

2 油气勘探历程

2.1 早期勘探及钻井

桂中盆地早期曾开展过1∶20万重力普查4 400 km2和1∶10万重力详查4 460 km2。1973～1975年在柳江构造，1976～1977年在来宾地区开展二维地震勘探，但效果不明显。1978～1980年在山洞构造地震勘探取得3组有效波组。桂中盆地累计地震测线长256.58 km。

桂中盆地钻井勘探早在1954年便开始展开，至1970年共完成钻井46口。其中钻井深度>1 km的有5口，<1 km的有41口；最深的桂参1井深度达3 630 m，最浅的拉4井深度为22.6 m；揭示油气显示的钻井有14口。

桂中盆地经过40 余年的勘探工作，共发现地表及井下油气苗31处，沥青显示57处。钻井所揭示的油气显示层位多数为中上泥盆统和下石炭统的泥页岩层系，岩性为泥岩、泥质灰岩、白云岩或砂岩。有多口井在泥盆系和石炭系泥页岩层系中发现页岩气显示(表1)。

例如位于江门背斜的柳热1井，在下石炭统泥岩中发生井喷，出气段为160～201 m，高含CH4，气喷0.3～1.2 m；南丹车河地区的1175井在下泥盆统泥岩层中揭示气喷，高含CH4，气喷高度达4～6 m，火焰烧毁钻机；ZK1井在下石炭统泥岩中揭示天然气喷涌。最深的钻井为位于理苗构造上的理1 井，气喷井段为986.24～1 291.29 m；该井储层岩性为黑色生物碎屑碳质泥页岩，整套产层厚>60 m，与页岩气成藏特征类似。大埔构造上的大5井在砂岩夹层中揭示天然气，喷气高达3～4 m。仅有洛崖构造上的洛2井见油斑显示。

2.2 白芒村钻井

白芒村页岩气钻井位于广西柳城县白芒村附近；构造位置上位于江南雪峰隆起东南桂中盆地的大浦背斜上；大地坐标为：X：2 726 316.15 m，Y：19 324 482.97 m；经纬度坐标为：北纬24.630 59°，东经109.267 22°。其北侧为柳城北向斜，之间为柳城断层；其南侧为凤山向斜，之间为甲伴岭断层(图1)。

该钻井的初始目的是找水。2014年6月10日，钻井钻至248.33 m开始出现井涌和天然气喷漏(图2)，点燃的天然气烧坏钻机而停钻。从现场无臭味以及无人员中毒现象来看，所产天然气中不含或很少含有H2S。天然气火焰高度可达1 m(图3-A)，日产气量估计在3 000～4 000 m3，持续几天后仍无明显衰减迹象。

表1 桂中盆地钻井天然气显示Table 1 Natural gas evidences from the wells in the Central Guangxi basin

注：部分数据来自文献[8]。

3 页岩气产出地质条件

暗色泥页岩的广泛发育是形成页岩气大规模聚集的重要条件。同时，暗色泥页岩需要有一定的厚度，才能确保有足够的产气有机质和足够的储集空间；并且泥页岩的厚度越大，对天然气的封盖能力也越强，从而有利于气体的保存和聚集成藏[9]。盆地内广泛发育的中-下泥盆统和下石炭统暗色泥页岩是桂中盆地的主要烃源岩层，也是主要的页岩气勘探目的层位。

根据早期的钻井资料、野外露头资料、前人的测试分析成果和针对白芒村钻井开展的测试分析工作，对桂中盆地中下泥盆统和下石炭统泥页岩烃源岩发育特征和资源潜力进行了详细分析研究。

3.1 中下泥盆统泥页岩

泥盆系泥页岩烃源岩分布明显受到沉积相的控制，深灰色或黑色泥页岩主要在盆地斜坡相区发育。下泥盆统塘丁组(D1t)、中泥盆统纳标组(D2n)和中泥盆统罗富组(D2l)为泥页岩发育和分布的主要层系[10]。

地理位置上，泥盆系暗色泥页岩主要在南丹、河池往南至来宾、柳州到鹿寨、永福一带有分布；沉积中心位于南丹—宜山—柳州一带区域，累计厚度在0.6～1.2 km。泥页岩烃源岩有机碳的质量分数(wTOC)最高可达4.74%；镜质体反射率(Ro)可达3.11%。

对南丹罗富和大厂剖面下泥盆统泥页岩样品研究发现，其wTOC=0.53%～4.70%，其中wTOC>2.0%的分别占40%和85%，wTOC平均值分别为1.85%和3.14%，主要为好至优质烃源岩。根据干酪根镜检和碳同位素分析结果，泥页岩中的干酪根类型主要为Ⅱ型[11]。

3.2 下石炭统泥页岩

据钻井资料和野外地层露头分布情况，残留的下石炭统泥页岩为浅海及滨浅海相沉积，呈东西向带状分布于拉烈—里苗—柳城以北的地区[12]。下石炭统泥页岩厚度约为50～495 m，厚度最大的地区为环江上朝、水源、柳城洛埠地区及南丹罗富地区，分别为495 m、486 m、309 m、348 m[13]。

前期的一些测试分析结果显示，石炭系泥质烃源岩wTOC最高可达3.2%，Ro达3.06%。由此看出，泥盆系和石炭系泥质岩层具有丰富的有机质，累计厚度大，处于过成熟生气阶段，具有较好的页岩气发育条件。

白芒村钻井在钻探过程中做了全井系统取心，为研究下石炭统页岩气产出的地质条件提供了可靠的第一手材料。该井深248.33 m，除顶部0～6.5 m为第四系黄土层外，其他部分均为寺门组(图2)。寺门组以深灰色和黑色泥岩、页岩及粉砂质泥岩夹砂岩为主；在上部见生屑灰岩层(图3-B)。

所测试的10个寺门组黑色泥页岩样品的wTOC均大于0.5%的烃源岩下限标准，变化范围为0.54%～1.59%，平均值为1.07%，属于较好的烃源岩类型(表2)。从数据分布来看，具有从上部向下部TOC逐渐增大的趋势，表明寺门组下部烃源岩具有更好的生气潜力。

黑色泥页岩样品(图3-C)镜质体反射率为1.53%～1.96%，表明已经位于高过成熟的生气阶段。泥岩所夹砂岩层中见有丰富的黑色沥青(图3-D)，其沥青反射率(Rb)为1.64%～2.1%，亦处于很高的演化阶段。砂岩中的沥青来自于砂岩中的原油热变演化，原油的来源可能为C1s层内的泥页岩。该区海西晚期至印支期地层持续深埋，油藏温度可达240℃以上，造成早期油藏原油的高温裂解，从而导致早期原生油气藏的破坏，并演变为焦沥青和异常高压的原油裂解气藏[14]。印支期后的燕山期和喜马拉雅期构造抬升、挤压造成早期深埋的异常高压原油裂解气藏压力系统遭受破坏，可能造成大量原油裂解气藏无法保存而逸散殆尽[15]。

显微镜下观察发现，砂岩夹层碎屑颗粒以石英为主，石英砂岩颗粒呈次棱角状，分选与磨圆一般，粒间孔隙内可见黑色沥青的充填(图3-E)。石英颗粒在成岩演化过程中发生了一定的次生加大作用，次生加大边中见油气包裹体(图3-F)，表明经过油气成藏过程，油进一步裂解生成气和沥青。

表2 柳城县白芒村钻井岩心样品分析测试结果Table 2 Analyzed results of the core samples from the Baimang shale gas well

图2 柳城县白芒村天然气钻井地质剖面图Fig.2 Geological column of the Baimang shale gas well

图3 柳城县白芒村天然气钻井岩心照片Fig.3 Core photos of the Baimang shale gas well(A)井口喷气火焰; (B)钻井岩心全貌，深灰色-黑色岩心为泥页岩，浅灰色岩心为砂岩; (C)含沥青的砂岩，C1s，深度209.5 m; (D)深灰色泥岩，C1s，深度197.33 m; (E)灰色中粒石英砂岩，粒间孔充填黑色沥青，100×，单偏光，C1s，深度248.3 m，产气层; (F)灰色中粒石英砂岩， 粒间孔充填黑色沥青，石英次生加大中见油包裹体， 200×，单偏光， C1s，深度248.3 m，产气层

砂岩孔隙度为2.1%～9.28%；渗透率为(0.056～47.7)×10-3μm2(表2)，差别较大，可能是受到了裂缝的影响。白芒村钻井产气层位为钻井底部的中细粒石英砂岩，钻井揭示深度范围为245.38～248.33 m，厚度约为2.95 m。该段岩心破裂严重，可能是裂缝较为发育造成的。

从地层岩心发育情况来看，白芒村钻井产气层段为C1s泥页岩层中的砂岩夹层。天然气可能来自于C1s泥页岩以及砂岩中所含原油的热裂解。根据非常规油气的定义，泥页岩中的砂岩夹层所产气归属于页岩气。如Bakken、Eagle Ford等页岩层系中的碳酸盐岩或砂岩夹层对非常规油气产量具有很大贡献[16,17]；鄂尔多斯南部三叠系延长组长7和长9段粉砂岩夹层增加了页岩层系的产气能力[18]。泥页岩不但为砂岩夹层提供了气源，而且还为砂岩中的天然气起到良好的封盖保存作用。

4 页岩气勘探潜力

桂中盆地分别在1983年、1993年和2000年开展了常规油气资源量的评价工作，评价结果显示具有非常大的资源潜力。

桂中盆地虽然开展了大量的勘探工作，但这些早期钻井以寻找常规油气为主，注重寻找含油气构造和大套的碳酸盐岩和砂岩储层。由于经历了高的热演化程度和复杂的构造演化过程，常规油气很难保存下来，所以并没有工业性的油气突破。

根据页岩气成藏机理特点和成藏的有利地质因素，并结合桂中盆地的地质背景，对桂中盆地泥盆系页岩气成藏条件进行分析，认为桂中盆地泥盆系具有页岩气成藏的基本条件；并且桂中盆地泥盆系和石炭系泥页岩层系埋藏深度浅、保存条件好，具有较好的勘探前景。

泥页岩的埋藏深度是评价页岩气成藏条件及能否经济开发的一个重要指标。美国现阶段商业规模开发的页岩气层系埋藏深度一般为183～3 000 m，单井产量和年产量较高的Barnett页岩埋藏深度为1 829～2 743 m，因此认为页岩气藏埋藏深度在3 km以内是较为适宜的经济深度范围[8]。

拗陷内最深的探井为桂中1 井，位于桂中盆地中部凸起带，完井深度5 151.86 m，揭示中泥盆统的底面埋深为4.2 km[12]。桂参1 井位于桂中盆地北部凹陷，完井深度3 630 m，完钻层位为下泥盆统那高岭组，揭示中泥盆统的底面埋深为2 448 m，泥页岩主要发育深度在1.3～2.3 km之间的中泥盆统。综合钻井和地震资料，认为桂中盆地泥盆系及上覆石炭系泥页岩层段埋深较为适合页岩气勘探[10]。

与常规油气相比，页岩气既不需要常规油气的构造条件也不需要苛刻的保存条件。由于泥页岩本身具有良好的烃源条件和封盖性能，所以泥页岩及其中的砂岩等夹层具有自生自储的良好的气源条件和保存条件。白芒村钻井大量天然气的产出证实了桂中盆地C1s泥页岩层系具有丰富的页岩气含气性。上泥盆统与下石炭统盖层分布面积都相对较小，但两者为连续沉积，互相配合补充，可在覆盖区内形成有效的局部盖层。值得注意的是，局部膏盐岩的分布提升了页岩气的保存条件，如桂东北全州大江背发现上泥盆统石膏层，含膏岩系厚29 m，长>1 km，宽200 m；在永福寿城上泥盆统下部纹层状泥晶灰岩中见有夹膏化现象，厚270 m[8,13]。

页岩气的大力发展得益于现今水平井钻井技术和压裂技术的进步。桂中盆地石炭系和泥盆系泥页岩层系埋藏深度较浅，在一定程度上降低了水平井及压裂技术实施的成本，增加了页岩气开发的经济效益。

根据区域构造、泥盆系和石炭系泥页岩层发育情况、钻井产气情况等综合分析认为，桂中盆地泥盆系和石炭系埋藏浅、泥页岩层系含气丰富且清洁无H2S，具有较好的页岩气勘探潜力和较高的勘探价值。

5 结论及建议

a.桂中盆地广泛发育泥盆系和石炭系泥页岩层系，累计厚度大，TOC质量分数高达4.74%，平均达3.14%，处于高过成熟的生气阶段，具有较大的天然气资源潜力。经过长期的油气勘探工作，已有不少钻井揭示页岩气存在和产出。

b.近期在桂中盆地柳城县白芒村的钻井发现天然气喷漏，日产气量3 000～4 000 m3；产气层位为C1s泥页岩层系中的粉砂岩夹层，归属为页岩气。天然气来自于C1s泥页岩烃源岩以及砂岩中原油热转变成沥青过程中的二次生气。

c.桂中盆地泥盆系和石炭系泥页岩层系普遍埋藏浅并含气丰富，具有良好的页岩气勘探前景和经济效益，依靠现今水平井及分段压裂技术可以获得工业性页岩气产量。建议重视该区页岩气勘探，加大勘探工作量投入，加快勘探节奏。

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Geological conditions and exploration potential of shale gas in Central Guangxi basin, China

ZHOU Yan, ZHU Dong-ya, MENG Qing-qiang, ZHANG Dian-wei, WO Yu-jin

LaboratoryofStructuralandSedimentologicalReservoirGeology,PetroleumExplorationandProductionResearchInstituteofSINOPEC,Beijing100083,China

The purpose of this study is concentrated on the geological conditions forming shale gas and the analysis of exploration potential in Central Guangxi basin. The authors investigated the shale gas producing characteristics from a well in Central Guangxi basin and analyzed TOC andRoof shale cores from this well. The well lies near Baimang of Liucheng County, Guangxi. The gas comes from a silt sand interlayer in the Lower Carboniferous Simen Formation (C1s) at a depth of about 248.33 m. The amount of gas released from the well is estimated at 3000～4000 m3per day. This further demonstrates that there is good shale gas potential. The TOC mass fraction of the shale samples from this well is 0.54%～1.59% with the average 1.07%. The reflection of bitumen (Rb) in the sandstone samples is 1.64%～2.10%. The mud shale hydrocarbon source rocks and the thermal crack of bitumen in sandstones ensure the supply of gases from the mud shale sequences. The Devonian and Carboniferous dark mud shale sequences are extensively developed with relatively big thickness. They are high quality hydrocarbon source rocks. After a long-term hydrocarbon exploration, many wells discover the existence of shale gas, demonstrating a good prospect for shale gas exploration. The thick mud shale and sandstone interlayers with high porosity contribute to the reservoirs of shale gas.

Central Guangxi basin; Devonian; Carboniferous; shale gas

10.3969/j.issn.1671-9727.2014.05.01

1671-9727(2014)05-0529-09

2014-06-23 [基金项目] 国家自然科学基金资助项目(41372149)；国家重点基础研究发展计划(973)项目(2012CB214806)；国家科技重大专项(2011ZX05005-002)

周雁(1967-),男,博士,教授级高工,主要从事油气保存和成藏研究, E-mail:zhouyan.syky@sinopec.com。

TE132.2

A