湘东南凹陷泥页岩有机地球化学特征研究

范厚江 黄 飞

（1.成都理工大学能源学院，四川 成都 610059；2.宜宾学院矿业与安全工程学院，四川 宜宾 644007）

0 引言

页岩气是一种分布广泛、低丰度、易发现、难开采的连续性非常规低效天然气资源，具有典型的自生自储、原地富集成藏等特征。笔者通过热解、红外线光谱、干酪根显微组分、镜质体反射率等方法对湘东南凹陷泥页岩地化特征进行详细评价，得出该地区有机质丰度、类型、成熟度特征。研究表明：该地区有机碳含量高，属于较好的烃源岩范畴，具备优越的页岩气成藏发育条件，具有良好的油气勘探潜力。

1 研究区位置

湘东南凹陷在行政区划上位于湖南省郴州市永兴县、耒阳市、安仁县、桂阳县以及衡阳市常宁县境内。坐标位置为东经110°－113°20′，北纬 25°－26°30′。区块总面积约15 000 km2，位于扬子板块与华夏板块之间。晋宁—加里东期属于南华洋构造区；海西—印支期为华南板块的一部分。大地构造上位于华南褶皱系的北部，具体构造位置：西北以衡山隆起与湘中凹陷为界，东界为桂东—汝城隆起，南与桂中凹陷毗连，整体呈NE向展布。

2 泥页岩发育情况

湘东南凹陷发育有多套以黑色页岩为主体的海相泥页岩层系，分布面积广、埋藏深度浅、厚度大。从整个湘东南凹陷来看，泥页岩最厚的是龙潭组，在全区都有分布，研究区内两个次级凹陷泥页岩层系最为发育。南次凹泥页岩厚度达500 m；其次是大塘阶测水段和跳马涧组，凹陷中心泥页岩厚度可达50多米；再其次是大隆组和锡矿山组，泥页岩发育较差，仅厚20 m左右；而棋梓桥组和佘田桥组以浅海碳酸盐岩类沉积为主，泥页岩层系极不发育，偶见泥页岩薄夹层。

3 有机地球化学特征

笔者主要对湘东南地区的7个主要烃源岩层系进行研究，进而对整个湘东南地区的烃源岩做出相对客观的评价。

3.1 有机质丰度

泥页岩层有机质丰度的常用评价指标有总有机碳含量（TOC）、氯仿沥青“A”、生烃潜量（S1+S2）和总烃量（HC）。

图1中列举了各层段露头岩样的原始有机碳数据及恢复后处理后的有机碳数值，它们大致反映了各层段有机质丰度的变化。从表1有机碳热解分析数据和表2显示的有机碳数据表明本区有机碳分布的不均一性，并且大部分都较低。经恢复后的有机碳值应该说能更好地反映地下烃源岩的实际丰度。其中上二叠统大隆组和下石炭统大塘阶测水段泥质岩有机碳含量最高，分别达5.12%和5.26%，为好—最好烃源岩。中上泥盆统的跳马涧组、棋梓桥组、佘田桥组和锡矿山组等则主要为好或较好烃源岩，其中特别需要说明的是，泥盆系的地层由于热演化程度很高而导致有机碳值偏低。

图1 湘东南地区泥页岩样品有机碳含量恢复前、恢复后对比图

根据烃源岩热解质量评价图（图2），湘东南凹陷各烃源岩层地表样品的热解烃含量虽然很低，但由于Tmax值一般都大于500℃，其他也基本接近500℃，所以它们仍属中等—好的烃源岩。

从本区烃源岩抽提物的红外光谱（图3）来看，无论是氯仿抽提物还是进一步的混合溶剂抽提物，其稠环芳烃侧链上烷链结构与芳核结构的比值（即1 460／1 600 cm-1）都远大于1，属较好—好的烃源岩范畴。

图2 烃源岩热解质量评价图

图3 烃源岩抽提物的红外光谱图

表1 湘东南泥页岩样品Rock Eval热解分析结果表

表2 湘东南凹陷有机质丰度数据表

龙潭组在道县凹陷的东北部以及耒桂凹陷大部分地区分布均较好，TOC值可达到2.5%以上。大塘阶测水段在耒桂凹陷的西南部埋藏最深且TOC值较高最大可达2.5%以上，道县凹陷最大可达1.0%以上。大隆组在耒桂凹陷的西南部与东北部均有较好的分布，TOC值最大可达到2.5%，且在道县凹陷的东北部有少量的分布。佘田桥组在耒桂凹陷的中部地区埋藏达到最深，TOC值达到2.5%以上，在道县凹陷最大可达1.0%。锡矿山组和跳马涧组在耒桂凹陷及道县凹陷的分布相对其他5个层位的分布较差一些，TOC值最大可达到2.0%。

3.2 有机质类型

泥页岩中有机质的类型是其质量指标。不同类型的原始有机质，其原始物源、沉积保存环境、化学组成和结构都不同，因而具有不同的油气生成潜能，产物的结构组成及性质也不同。有机质类型的评价方法较多，笔者主要用干酪根显微组分鉴定法判断有机质类型。

干酪根显微组分分析是在镜下直接观测干酪根的形态，统计其不同组分所占百分比来确定类型。表3是本区干酪根显微组分的分析结果，泥盆系中上统棋梓桥组和佘田桥组的有机质类型多以Ⅰ型（即腐泥型）为主，煤系地层如二叠系上统的龙潭组和石炭系下统的大塘阶测水段多以Ⅱ型（即混合型）和Ⅲ型（即腐殖型）为主。其余基本为混源Ⅱ型干酪根。但需说明的是，由于所取样品都为地表露头样品，长期的风化、氧化会使其类型变坏。原始母质类型可能更好。

二叠系上统的龙潭组为碎屑岩夹煤系的海陆交替相地层，其黑色泥岩或页岩样品（煤样除外）的有机碳值较高，有机质类型也比较好，以Ⅱ1型为主，含有部分Ⅱ2型，成熟度刚进入高成熟期（图4），再加上有一定的厚度分布，因此龙潭组应有较大的生烃贡献，石炭系石磴子段和孟公坳段分别为开阔潮下带—浅海相和局限潮下带—浅海相地层，其有机碳值对于碳酸盐岩来讲也是较高的，有机质类型亦为Ⅱ1或Ⅱ2型为主，孟公坳组还有部分I型。

若考虑到其为海相地层、样品为地表露头样的话，其类型应更好，有机质亦处于高成熟期。由于石炭系正处于范围广的海侵阶段，其地层分布广，亦有一定厚度，具有较大的生烃贡献；泥盆系锡矿山组、佘田桥组和棋梓桥组主要处于海侵全盛时期，为台地浅海相地层，鉴于泥盆系有机质有一定的丰度，类型较好，尤其是佘田桥组和棋梓桥组均为I型生烃母质，演化现已处于高熟—过熟阶段，其地层亦有不小的体积，它们肯定已产生过大量的油气，有较大的生油气贡献。

表3 湘东南干酪根显微组分鉴定结果表

图4 湘东南凹陷泥页岩地化特征综合图

总体来看，湘东南地区泥盆系中上统的棋梓桥组和佘田桥组有机质类型较好，应多以Ⅰ型（即腐泥型）为主，煤系地层如二叠系上统的龙潭组和石炭系下统的大塘阶测水段多以Ⅱ型（即混合型）和Ⅲ型（即腐殖型）为主。二叠系上统的大隆组、泥盆系中上统的锡矿山组和跳马涧组多以混源Ⅱ型干酪根为主。

3.3 有机质成熟度

烃源岩的成熟度和成烃演化特征的正确认识是关系到研究区油气远景评价及其勘探突破的一个重要问题。同时成熟度是页岩气藏主控因素之一，作为烃源岩，成熟度是干酪根的演化程度，影响页岩气的产量。

通常认为0.6%＜镜质体反射率（Ro）＜1.3%处于成熟阶段，1.3%＜Ro＜2.0%处于高成熟阶段，2.0%＜Ro处于过成熟阶段。一般来说Ro＞1.3%时，处于高成熟阶段的泥页岩地层先生油后裂解成气，形成海相页岩连续生气与聚气的优势。

从对湘东南地区的已有测试结果（表4）来看，湘东南凹陷二叠系、石炭系各烃源岩层的Ro低于2.0%，但高于1.3%，Tmax平均值大于500℃，显示其有机质处于高成熟期，Tmax值亦处在凝析油和湿气阶段，而泥盆系烃源岩的Ro值已处于2.0%，甚至达到2.5%，处于过成熟阶段，它们主要以生气为主。泥盆系的Ro值还出现个别样品偏高，甚至在同一个样品中出现两组数据，其中一组明显偏高。其原因可能是由于构造运动造成表面样品的物理变化而形成的，并不仅仅只是热力作用的结果。但要特别说明的是，泥盆系地层的Tmax值发生“倒转”，反而比上覆的二叠系、石炭系还要低，这不能代表其真实演化程度，而可能是由于其有机质类型好，其中的轻质组分含量相对较高造成的。

表4 湘东南地区有机质热演化程度评价参数表

湘东南泥页岩层系各层段主要热演化特征如下：

1）中泥盆统跳马涧组（D2t）—棋梓桥组（D2q）：跳马涧组和棋梓桥组由于埋藏最深，热演化程度很高，绝大多数已处于过成熟阶段。3个地区的大部分Ro值都已大于2.0%，最高值均可达3.5%以上，棋梓桥组热演化最高的地区主要集中于桂阳地区的南部，跳马涧组热演化最高的地区主要集中于桂阳与耒阳之间的地带。

2）上泥盆统佘田桥组（D3s）—锡矿山组（D3x）：佘田桥组与锡矿山组大部分地区已达过成熟阶段，佘田桥组Ro值分布范围为2.0%～4.0%，热演化较高的地区主要集中在桂阳地区附近，锡矿山组Ro值分布范围为1.5%～3.5%，热演化较高的地区主要集中在桂阳与耒阳的中间地带。

3）下石炭统测水段（C1d2）：该组热演化程度较高，绝大部分地区均已进入过成熟，桂阳与耒阳的中心地带最高热演化可达3.0%以上，并呈辐射状向四周递减。

4）上二叠统龙潭组（P2l）—大隆组（P2d）：整体演化程度已不如棋梓桥组、跳马涧组和佘田桥组，但全区Ro值在1.5%以上，预示大部分处于高成熟与过成熟阶段，大隆组高演化地带主要集中在桂阳的周边地带，该区的最高值在2.5%以上，龙潭组高演化地带主要集中于桂阳周围以及该区的西北部，Ro值最大可达3.5%以上。

4 结论

1）湘东南地区的多为碳质页岩、灰色页岩以及深灰色页岩，泥页岩在各地质历史时期十分发育，泥页岩层系的有机碳含量都比较高，达到良好的生油岩标准，具备了优越的页岩气成藏发育条件。

2）TOC值基本上都处在1.0%以上，中心地带最大值可达到2.5%。干酪根主要以优质的Ⅰ型和Ⅱ型为主，有少量的Ⅲ型。全区Ro值在1.5%以上，Ro值最大可达3.5%以上，属于较好的烃源岩范畴。

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