桂中坳陷中泥盆统罗富组富有机质泥页岩特征及意义

2019-03-05张子亚魏家琦石砥石覃英伦赵应权庞春雨

石油实验地质 2019年1期

张子亚，魏家琦，石砥石，覃英伦，赵应权，庞春雨，刘洋

(1.中国地质调查局油气资源调查中心，北京 100083；2.中国地质调查局非常规油气地质重点实验室，北京 100029；3.成都理工大学沉积地质研究院，成都 610059)

美国页岩气革命的爆发，在全世界掀起了页岩气勘探与开发的热潮。随着我国对页岩气资源调查与勘探工作的不断深入，在四川盆地涪陵地区取得了页岩气勘探的巨大突破，并进入商业开采阶段[1-5]。后续研究与勘探工作[6-18]揭示我国保存有巨量的页岩气资源[13-16]，并且在多个地区都取得了页岩气勘探的可喜发现[19-21]，显示出大有可为的态势。桂中坳陷一直以来是油气勘探的重点区域[22-35]，主要发育生物礁储层，烃源岩条件较为优越，保存条件相对较差[35]。但是，对桂中坳陷中泥盆统罗富组富有机质泥页岩的系统研究仍然较为缺乏[28,30]，笔者开展了泥页岩厚度、矿物组成、有机质丰度、有机质成熟度及类型研究，在此基础上结合选取标准，预测了罗富组富有机质泥页岩的页岩气勘探有利区。

1 地质背景

桂中坳陷位于广西壮族自治区东北部，泥盆纪受拉张运动影响，在坳陷内部形成了北西和北东向的2组边界断裂；同时，由于海侵规模扩张，坳陷内部形成了台盆相间的沉积格局[34]。现今坳陷面积约4.6×104km2，北部与江南古陆毗邻，东部以龙胜—永福断裂及大瑶山隆起为界，西部以南丹—都安断裂为界[35-36]。中泥盆世早期，碎屑物源因为雪峰古陆近乎夷平而大为减少，碳酸盐沉积逐渐增加；沉积环境以台盆相为主，滨岸相几乎不存在，其余地带与早泥盆世晚期大致相同，局部可见海退现象而呈现半局限台地，表现为三台围一坳，在坳陷北部隆起区不发育；在南丹—环江—罗城—百亩—茶洞一线以北，表现为碳酸盐开阔台地环境沉积，以灰岩沉积为主；灵川—临桂—永福—金秀—东乡—六陈以东地区，表现为孤立台地沉积，以灰岩沉积为主；在黎塘—贵港以南地区也发育一个小区域的孤立台地沉积；而在坳陷的其他区域则表现为台盆相沉积(图1)，发育有大套的暗色富有机质泥页岩，为页岩气潜在有利勘探目标。

2 富有机质泥页岩沉积特征

2.1 岩性特征

桂中坳陷中泥盆统沉积期发育台盆相间的沉积格局(图1)，受此影响，主要发育泥页岩和碳酸盐岩，其中泥页岩主要发育于台盆相区。根据本次野外实测剖面，发育于台盆相区的泥页岩主要有3种类型：灰黑色泥页岩、黑色碳质泥页岩和竹节石泥页岩，其中竹节石泥页岩风化后呈红褐色(图2)。

2.2 厚度分布

页岩气的分布与富有机质泥页岩的分布关系密切，查明富有机质泥页岩的空间展布特征，尤其是其厚度展布特征，是揭示页岩气潜力的重要工作之一。在富有机质泥页岩有机地化特征相同的情况下，其厚度越大，相应的油气勘探潜力也就越大。中泥盆统沉积期，罗富组是桂中坳陷富有机质泥页岩的主要赋存层位，以南丹—罗甸、合山及柳城—鹿寨为沉积中心。根据野外和钻井资料揭示，该地区富有机质泥页岩厚度平均超过250 m，沉积中心的厚度达550 m以上(图3)。

图1 桂中坳陷罗富组沉积期岩相古地理

图2 桂中坳陷上林地区罗富组岩石类型

3 富有机质泥页岩特征

3.1 矿物组成特征

X射线衍射全岩分析和黏土矿物分析显示，中泥盆统罗富组富有机质泥页岩与其他富有机质页岩具有相似性，都由脆性矿物和黏土矿物组成。

图3 桂中坳陷中泥盆统罗富组富有机质泥页岩厚度平面分布

脆性矿物主要由石英、长石、碳酸盐岩矿物组成。其中石英为优势脆性矿物，20件样品中其含量在24%～84%，平均53%(图4)。长石含量次之，主要为斜长石，钾长石含量较少。20件样品中19件检出斜长石，其含量介于2%～17%，平均7%；钾长石大部分样品未检测出，仅少数几件测出。碳酸盐岩矿物主要为菱铁矿，少量样品含有白云石。菱铁矿含量总体也较低，介于1%～8%，平均3%。其他脆性矿物，如黄铁矿、石膏、重晶石等未检测出。

黏土矿物以伊利石为主，绿泥石和高岭石次之，含有少量的伊/蒙混层。黏土矿物总含量介于3%～71%，平均35%(图5)。伊利石含量介于68%～95%，平均84%。20件样品中高岭石矿物仅在第1层至第7层以及第9层发育，含量介于5%～29%，平均16%；其他层位未检测出。绿泥石矿物在大部分样品中皆有发现，含量介于2%～26%，平均9%；在第1层、第2层、第4层、第6层以及第22层共计5层中未检出。

3.2 有机质丰度、类型及成熟度

3.2.1 有机质丰度

通常采用总有机碳含量、氯仿沥青“A”、生烃潜量(S1+S2)和总烃含量来表征富有机质泥页岩的有机质丰度。但在高热演化条件下，除了总有机碳含量尚具有一定的参考价值之外，氯仿沥青“A”等3项指标已经不再具有指示功能。

图4 桂中坳陷中泥盆统罗富组富有机质泥页岩脆性矿物含量

图5 桂中坳陷中泥盆统罗富组富有机质泥页岩黏土矿物含量

受加里东构造运动影响，中泥盆世桂中坳陷裂陷活动发育，导致台盆范围扩大，并伴随有台盆水体加深。在此条件下，有机质得以大量富集和保存，为后续页岩气勘探提供了良好的条件。野外资料点和钻井资料综合揭示，罗富组富有机质泥页岩有机质丰度整体较好，达1.0%以上；其中又以南丹、柳州和合山—上林3个区域最为富集，合山—上林一线西北部最高可达3.0 %以上(图6)。

3.2.2 有机质类型

有机质类型是烃源岩研究的重要指标之一，表征着烃源岩是生油亦或是生气。其主要表征参数是烃源岩中干酪根有机显微组分，通常包括镜质组、惰性组、壳质组等单元，性质与特征各不相同[37]。因此，查明烃源岩干酪根显微组分的差异性，也就能了解有机质类型的差异。

图6 桂中坳陷中泥盆统罗富组富有机质泥页岩TOC平面分布图

结合南丹大厂剖面实测资料，罗富组富有机质泥页岩中干酪根显微组分以腐泥组和壳质组为主，两者含量占绝对优势，为59.3%～87.7%，而镜质组含量仅为12.0%～40.7%，惰性组含量几乎为0，总体表现为Ⅰ—Ⅱ1型有机质(图7)。罗富组干酪根碳同位素值为-27.44‰～-24.84‰[38]，同样偏轻，表现为Ⅱ1型有机质，与干酪根镜鉴结果一致。

3.2.3 有机质成熟度

富有机质泥页岩有机质成熟度评价是开展页岩气调查的重要组成之一，研究揭示富有机质泥页岩有机质只有达到一定的成熟度之后，才会具有较高的油气勘探价值和潜力。有机质成熟度是指有机质的热演化程度，在油气地质上常采用镜质体反射率(Ro)与热解法(Tmax)来揭示。本次研究通过对样品开展镜质体反射率和热解法测试，将有机质热演化划分为4个阶段，即：未成熟、低成熟、成熟和过成熟。

桂中坳陷富有机质泥页岩镜质体反射率整体较高，介于2.0%～3.0%，处于过成熟演化阶段；桂中坳陷“罗城—柳州—来宾—上林”一线以东地区镜质体反射率低于2.0%(图8)，表明该地区富有机质泥页岩可能大量生气，具有较好的勘探前景。

研究区中泥盆统内样品的Tmax值均分布在315～524 ℃之间(图9)。意味着研究区内部分样品尚未进入成熟阶段(Tmax小于430℃)，部分样品已经进入了高成熟阶段(Tmax大于450 ℃)，且有部分样品进入了过成熟阶段(Tmax大于500 ℃)。这说明中泥盆统的泥页岩在热演化过程中呈现出了2个极端，即部分未成熟，部分已经高成熟或过成熟。Tmax值揭示的特征与镜质体反射率(Ro)揭示的具有一致性，充分表明该地区可能具有较好的勘探潜力。

图7 桂中坳陷中泥盆统罗富组富有机质泥页岩显微组分三角图

图8 桂中坳陷中泥盆统罗富组富有机质泥页岩镜质体反射率平面分布

图9 桂中坳陷中泥盆统罗富组富有机质泥页岩Tmax直方图

同时，结合表1，桂中坳陷中泥盆统罗富组富有机质泥页岩样品的热解烃(S2)含量普遍超过0.1 mg/g，且远超过可溶解烃(S1)，表明残留物以稳定性高的干酪根为主，也表明该地区富有机质泥页岩的热演化程度较高。

4 页岩气富集有利区

4.1 选区标准

笔者主要选取富有机质泥页岩有效厚度、有机质丰度、成熟度及有机质类型为指标(表2)，釆用综合信息叠合法，对研究区页岩气有利勘探区进行预测。具体做法为，将有机碳含量大于2%，镜质体反射率介于2%～3%，厚度大于100 m的叠合区域圈定为有利富集带。

表1 桂中坳陷中泥盆统罗富组富有机质泥页岩热解参数

表2 有利区优选参考指标

4.2 有利区分布

根据上述页岩气有利勘探区圈定原则，综合构造、有机碳含量、富有机质泥页岩成熟度及有机质类型等信息，上林地区马山—上林一带中泥盆统罗富组泥页岩有机碳含量较高(大于2%)，有机质成熟度达到高—过成熟阶段(大于2%)，泥页岩厚度较厚(50～350 m)，分布广泛，埋深适中，因此中泥盆统页岩气有利勘探区分布于马山—上林一带与南丹—天峨一线(图10)。