桂中坳陷西北部桂页1井泥盆系页岩气聚集条件研究

苑 坤方欣欣闻 涛林 拓石砥石包书景周 志张 聪

（1中国地质调查局油气资源调查中心；2中国地质科学院地质力学研究所；3中国石油化工股份有限公司勘探分公司）

桂中坳陷西北部桂页1井泥盆系页岩气聚集条件研究

苑 坤1方欣欣2闻 涛3林 拓1石砥石1包书景1周 志1张 聪1

（1中国地质调查局油气资源调查中心；2中国地质科学院地质力学研究所；3中国石油化工股份有限公司勘探分公司）

桂中坳陷西北部普遍发育的泥盆系页岩，是滇黔桂地区页岩气勘探突破的重点。为查明该地区页岩气聚集条件及资源潜力，以桂中坳陷首口单井完整钻遇泥盆系各套主力页岩层的桂页1井岩心资料为研究对象，通过均匀取样（采样间隔2m），对300余块岩心样品进行有机地球化学、岩石矿物学等实验分析，认为桂中坳陷西北部泥盆系页岩具有厚度大（470～1300m）、有机碳含量高（0.23%～10.63%）、热演化程度高（Ro为1.88%～2.83%）等特点，有利于页岩气的生成和聚集；另外，其脆性矿物含量高、有机质孔及微裂缝发育等特点显示出页岩层段良好的可改造性。然而，经过多期构造运动改造，断裂活动对该区的页岩储层有一定破坏作用，对页岩的含气性有较大影响。从勘探潜力来看，通过分析泥盆系3套主力页岩层（榴江组、罗富组、纳标组）的各项参数指标，认为榴江组下段从有机地球化学特征、物性特征、成藏条件等方面均相对有利，是该区页岩气勘探的重点层段。

桂中坳陷；泥盆系；页岩；页岩气；储集条件

随着美国页岩气开发取得成功，中国掀起了页岩气勘探的热潮，重庆涪陵和四川威远等地区均实现了页岩气的商业开发[1-5]。作为中国南方重要的含油气盆地之一，桂中坳陷广泛发育的页岩与美国页岩气的主要产层相似，均为上古生界泥盆系[6]。但因地质条件复杂、勘探程度低等原因，桂中坳陷油气勘探尚无重大突破[7-8]。

前人研究表明，桂中坳陷海相泥盆系具有较良好的油气地质条件及资源潜力[9-10]。为探讨该区泥盆系页岩发育情况，摸清有机地球化学特征及页岩气聚集规律，2015年在桂中坳陷西北部部署实施了针对泥盆系的页岩气调查井——桂页1井，成为该区完整钻遇泥盆系各套主力页岩层的第一口井。桂页1井进行了全井段取心，并于1205.5m（下泥盆统莲花山组）完钻。

本文以桂页1井岩心资料为基础，通过对泥盆系页岩地球化学特征、储集特征、成藏控制因素等方面研究，评价有利勘探层段，确定泥盆系页岩气聚集条件及含气特征，这对桂中坳陷及南方地区页岩气研究及勘探具有一定的参考和借鉴意义。

1 区域构造背景

桂中坳陷位于广西壮族自治区中北部，面积约4.6×104km2。基底为下古生界浅变质岩系。其北部与雪峰山隆起毗邻，西部与黔南坳陷、南盘江坳陷相接，东、南部分别与大瑶山隆起、大明山隆起相连（图1）。

图1 桂中坳陷构造位置图

桂中坳陷是在加里东运动基础上形成的晚古生代海相大型沉积坳陷[11]。早泥盆世早期，桂中坳陷为前滨—近滨环境，发育莲花山组、那高岭组陆源碎屑砂岩夹粉砂质泥岩；早泥盆世晚期，受南部古特提斯洋拉张裂陷的影响，全区拉张接受沉积，发育了北西向与北北东—北东向两组断裂，海侵范围由南向北扩展，台地—盆地沉积格局显露，坳陷西部发育盆地相，主要沉积益兰组和塘丁组粉砂岩、石灰岩及黑色泥灰岩。中泥盆世时期，随着裂陷加剧，发育北西向和近南北向断裂，相对海平面较高，台盆范围再次扩大，形成台盆相间的古地理格局，发育半深水—深水相纳标组、罗富组黑色碳质页岩、硅质页岩和泥灰岩沉积。晚泥盆世晚期，断裂活动减少且趋于稳定，坳陷主体抬升，台盆收缩变浅，沉积了底部为黑色碳质页岩、顶部为石灰岩的榴江组（图2）。区内暗色页岩分布受相带控制明显，优质的页岩主要分布于盆地相，又以桂中坳陷西北部南丹—河池一带最为发育。

图2 桂中坳陷泥盆系地层综合柱状图

桂中坳陷油气勘探自20世纪50年代开始，已有60多年历史，钻有桂中1井、桂参1井等多口井，但由于地质条件复杂、勘探技术与方法有限等因素，并未取得重大突破或发现，限制了该地区地质认识的深化和油气勘探进程，因此桂页1井的钻探对该地区页岩气的勘探突破具有重要的意义。

2 样品采集与实验测试

桂页1井地处地形平缓的宜山凹陷西部南丹县附近（图1），该井自27.18m揭开地表第四系坡积物后，进入上泥盆统榴江组（上部以灰色—浅灰色扁豆状灰岩为主，中部为灰色—深灰色薄层状硅质岩，下部从224.35m起为碳质页岩夹钙质泥岩），320.35m进入中泥盆统罗富组（岩性为硅质页岩和薄层泥灰岩）后，于605.95m进入纳标组（岩性以硅质页岩为主，从上至下钙质含量逐渐减少，见大量竹节石化石），并在811.50m钻穿中泥盆统，进入下泥盆统塘丁组（岩性以灰色—浅灰色粉砂质泥岩为主，顶部见大量泥灰岩透镜体和草莓状黄铁矿），938.50m进入下泥盆统益兰组（岩性为浅灰色细砂岩和深灰色粉砂质泥岩），1102.70m进入下泥盆统那高岭组—莲花山组（岩性为灰色—灰绿色石英砂岩和深灰色粉砂质泥岩）。自224.35m至811.50m分别钻遇泥盆系榴江组、罗富组、纳标组3套页岩，累计揭示页岩厚度714.15m（视厚度）。

为分析泥盆系3套页岩层系有机地球化学特征及含气性，以桂页1井岩心资料为基础，采用2m的采样间隔，对所取的300余块样品进行了有机质类型、有机碳含量、有机质成熟度、氩离子束抛光扫描电镜、黏土矿物及全岩X射线衍射分析等测试。

3 页岩气聚集条件

3.1 有机质丰度

前人研究认为：页岩吸附气量与有机碳含量成正相关关系。相同条件下，有机碳含量的变化趋势基本与页岩含气量的变化趋势相同[12]。本次实验采用碳硫测定仪对477块岩心样品进行了测试。实验结果表明，泥盆系页岩层系TOC为0.23%～10.63%（最大值对应深度251m），平均为2.36%（图3）。其中榴江组页岩TOC为0.29%～10.63%，平均为3.64%；罗富组页岩TOC为0.23%～3.96%，平均为1.44%；纳标组页岩TOC为0.53%～6.21%，平均为2.41%；塘丁组、益兰组、那高岭组—莲花山组页岩TOC平均值分别为1.3%、0.2%和0.17%。总体上，榴江组下段页岩TOC最高，其次为纳标组和罗富组。由此推断，桂中坳陷中泥盆统黑色页岩具备形成页岩气有利区的最低总有机碳含量。

3.2 有机质成熟度

采用有机显微组分法对桂页1井不同层段的37块样品进行沥青反射率（Rb）测试，每块样品测点不少于15个，根据经验公式（Ro=0.6569Rb+0.3364）换算成等效镜质组反射率[13]。测试结果表明，泥盆系暗色页岩Ro为1.88%～2.83%，平均为2.5%；其中榴江组页岩Ro为2.23%～2.77%，平均为2.48%；罗富组页岩Ro为2.18%～2.83%，平均为2.56%；纳标组页岩Ro为1.88%～2.76%，平均为2.49%，塘丁组、益兰组、那高岭组—莲花山组页岩Ro平均约为2.4%（图4）。

目前，美国已经成功开的页岩气藏Ro大多分布在1.1%～3.0%；国内黔西北牛蹄塘组、四川盆地筇竹寺组和龙马溪组暗色页岩Ro均在2.5%左右[14]，与桂页1井页岩的有机质成熟度指标相似，表明桂中坳陷西北部地区已达到高成熟—过成熟的演化阶段，有利于页岩气的生成和聚集。

图3 桂页1井泥盆系页岩层TOC随深度变化图

图4 桂页1井泥盆系页岩层Ro随深度变化图

3.3 有机质类型

将不同深度的37块岩心样品进行干酪根镜检测试，干酪根类型指数TI值按下列公式[15-16]求出：

式中TI——干酪根类型指数；

a——腐泥组含量，%；

b1——树脂体含量，%；

b2——角质体、木栓质体、孢粉体、菌孢体、腐殖无定形体和底栖藻无定形体的总含量，%；

c1——富氢镜质体含量，%；

c2——正常镜质体含量，%；

d——丝质体含量，%。

测试结果表明，泥盆系各层暗色页岩TI值为51～91.5，有机质以无定形体、藻类体为主，属I—II1型有机质，有较好的生气潜力。

3.4 矿物组成

岩石矿物组成对页岩气后期开发至关重要，具备商业性开发价值的页岩一般脆性矿物含量高于40%，黏土矿物含量小于30%[17]。

本次针对不同深度156块样品进行了X射线衍射矿物成分分析，结果表明，泥盆系暗色页岩脆性矿物含量为8.5%～67%，平均为42.6%（图5）；黏土矿物含量为5.8%～77.4%，平均为34.2%；长石含量较低，其中钾长石含量平均为4.1%，斜长石含量平均为6.2%，方解石含量平均为12.7%，白云石含量平均为5.7%，黄铁矿含量平均为2.0%。

榴江组下段较高的脆性矿物含量（22%～89%，平均为55.91%），使得该层更易受到构造运动的改造形成适合页岩气富集的裂缝，为页岩气富集提供有利场所。

图5 桂页1井泥盆系页岩矿物组成（部分样品）

3.5 孔隙特征

氩离子束抛光扫描电镜技术是对孔隙进行高分辨率观察的技术，主要针对纳米级孔隙（直径小于10μm）进行研究，微米—纳米级孔隙是页岩气重要的赋存空间[18-20]。对桂页1井11块岩心样品进行观察，识别出的孔隙主要包括有机质孔、黏土矿物间孔、晶间孔、次生溶蚀孔4种类型，这些储集空间孔径主要介于2～300nm之间，主要以中孔为主（图6）。

上泥盆统榴江组碳质页岩中，矿物颗粒间孔隙中填充有机质，有机质较集中，有机质内部微孔隙发育较好；而罗富组、纳标组硅质页岩中，发育矿物颗粒间微缝隙，颗粒间填充的有机质颗粒细小且分散。

3.6 裂缝发育情况

裂缝的发育可以为页岩气提供充足的储集空间，也可为页岩气提供运移通道，更能有效地提高页岩气产量[19-20]。通过岩心观察，泥盆系普遍发育裂缝，且多见高角度的方解石脉和局部挤压导致的岩层扭曲、裂缝等（图7）。在罗富组上部（407～413m）和纳标组上部（661～662.28m）存在的两处破碎带，说明燕山期的挤压和逆冲推覆作用所形成的逆断层对桂中坳陷西北部地区影响较大；所形成的裂缝在为油气提供运移通道和新的储集空间的同时，也对页岩气的保存产生了一定的破坏。

图6 桂页1井泥盆系榴江组下段页岩孔隙显微特征

图7 桂页1井页岩裂缝发育情况

3.7 储层物性

对33块岩心样品使用氦孔隙度测量仪测定孔隙度，泥盆系暗色页岩孔隙度和渗透率均相对较低，孔隙度为0.06%～2.61%，平均为0.78%，其中榴江组平均孔隙度相对较高，为1.88%，罗富组为1.0%，纳标组为0.77%；渗透率为0.03～5.21mD，平均为0.63mD，其中榴江组平均渗透率为1.31mD，罗富组为0.21mD，纳标组为0.66mD。榴江组下段（213.31～309.97m）黑色页岩的孔隙度（平均为1.93%）和渗透率（平均为4.17mD）与四川盆地等页岩气开发成熟区块相比，虽稍差，但也达到了页岩气勘探的最低标准，具有一定的勘探潜力。

3.8 含气性

采用排水法对桂页1井不同深度的40块页岩样品进行现场含气量解析试验，并通过非线性回归法计算损失气量[21-23]，得到该井泥盆系各层系页岩总含气量为0.03～0.38m3/t（表1）。

桂页1井泥盆系页岩均处于高成熟—过成熟阶段，因此成熟度对含气量影响较小，而含气量的变化受TOC影响较大，与岩石脆性矿物含量也有一定的相关性（图8），在有机碳含量与脆性矿物含量均较高的层段（榴江组下段），含气量也达到最大值。

但是，由于桂中坳陷西北部地区在燕山期受到挤压和逆冲推覆作用，所形成的一系列强烈构造对地处柳城断裂与南丹—都安断裂附近的桂页1井影响较大，致使该井气体保存条件较差，含气量较低。

4 页岩气发育有利层段分析

通过对桂页1井烃源岩指标、矿物组成、孔隙特征和裂缝发育情况等的分析，认为中泥盆统罗富组页岩层，虽沉积相带有利且厚度较大，但TOC（0.23%～3.96%，平均为1.44%）相对较低；纳标组页岩层虽然地球化学指标条件较好，但储层物性较差（孔隙度平均为0.77%），且受构造影响较大（661～662.28m出现破碎带）；而在桂中坳陷西北部普遍发育的榴江组下段页岩（图9）具有厚度大（50～270m）、分布稳定、有机碳含量高（0.29%～10.63%，平均为3.64%）、有机质类型好（Ⅰ、Ⅱ1型）、演化程度高（Ro为2.23%～2.77%，平均为2.48%），脆性矿物含量高（22%～89%，平均为55.91%）等特点，具有良好的页岩气生成条件，可作为下一步页岩气勘探开发的重点层位。

表1 桂页1井现场解析试验含气量组成（典型样品测试结果）

图8 桂页1井泥盆系页岩含气量与TOC、脆性矿物含量的关系

5 页岩气聚集条件评价

桂中坳陷泥盆系黑色页岩形成于半深水—深水的盆地相，主要分布于南丹—河池—宜州一带，有效页岩厚度为50～300m，罗富地区最厚可达500m。南丹大厂剖面样品测试结果显示，暗色页岩TOC为0.53%～4.74%，平均为3.14%，Ro平均为2.73%，脆性矿物含量达到52%，与桂页1井测试结果相似。

对比美国密执安盆地、伊利诺斯盆地和中国四川盆地等成功开发的页岩气区块（表2），以桂页1井为代表的桂中坳陷西北部地区TOC（0.23%～10.63%，平均为2.36%）较四川盆地寒武系筇竹寺组（2.0%～9.1%）略低，与美国泥盆系页岩相似（0.3%～24%），具备良好的页岩气形成基础；Ⅰ—Ⅱ1型的有机质显示出较好的生气潜力；高演化程度（Ro为1.88%～2.83%，平均为2.5%）表明该区页岩处于生干气阶段，有利于页岩气的形成和聚集。此外，南丹—河池—宜州一带泥盆系具有埋藏适中（500～3000m）、厚度稳定(470～1300m)、脆性矿物含量高(硅质含量大于52%）等特点，有利于页岩气的聚集、保存和后期压裂改造。

但是，桂中坳陷西北部经过多次构造运动的改造，晚燕山期形成的南丹—都安断裂及周边北西向断裂可能对页岩气保存具有一定的破坏作用，因此构造相对稳定的河池以北地区可能是桂中坳陷西北部页岩气勘探的有利地区。

6 结论

（1）桂页1井泥盆系页岩具有厚度大、有机碳含量高（平均为2.36%）、有机质类型好（Ⅰ—Ⅱ1型）、热演化程度高（等效Ro平均为2.5%）、脆性矿物含量高（平均为42.6%）、中小孔及裂缝发育的特征，具有良好的页岩气生成和聚集条件。

（2）上泥盆统榴江组下段相比其他页岩层位（罗富组、纳标组），有机地球化学特征及储集条件更为有利，可作为桂中坳陷西北部地区下一步页岩气勘探开发的重点层系。

图9 桂页1井综合柱状图

表2 桂页1井暗色页岩与国内外不同盆地页岩生烃参数对比

（3）桂中坳陷西北部具有较好的页岩气形成基础和聚集条件，但复杂的构造运动可能是导致桂页1井含气性偏低的重要原因，因此，断裂活动对页岩层的改造作用，是下一步该区勘探需要重点考虑的要素。

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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

中国地质调查局项目“滇黔桂上古生界页岩气战略选区调查”（DD20160196）。

苑坤 (1985-），男，河北石家庄人，硕士，2010年毕业于中国地质大学（北京），工程师，主要从事页岩气资源评价工作。地址：北京市海淀区北四环中路267号北京奥运大厦，邮政编码：100083。E-mail：cheerlist@qq.com

2016-02-25；修改日期：2017-03-29