以石门剖面为例分析桂北地区下石炭统页岩气勘探潜力

张子亚,吴超伟,石砥石,覃英伦,刘欣春,罗 文,徐胜林,赵应权,张 聪

(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)

页岩气是一类储存于低孔、低渗、富有机质的暗色泥页岩层系中的自由气[1]，此类气藏开发最早的国家是美国，具有极大的开发潜力。类似气藏在世界其他地区也有发现，如俄罗斯、中亚、北非和中国等[2]。根据2012年《全国页岩气资源潜力调查评价及有利区优选》的研究结果，广西页岩气有利区为15个，面积3.28×104km2，资源潜力巨大[3]。2014年之后，中国地质调查局油气调查中心针对广西地区开展了页岩气基础地质调查[4-5]，并相继施工了包括环地1 井、天地1井、天地2井、丹页2井和东塘1井等10口页岩气调查井[3]，初步确定了中、下泥盆统塘丁组、罗富组和下石炭统鹿寨组为泥盆系-石炭系页岩气富集的有利层系[6-7]。

在中国地质调查局施工的10口井中，仅在丹页2井的中泥盆统罗富组和东塘1井的下石炭统鹿寨组富有机质泥页岩中发现有较好的页岩气显示。其中东塘1井在鹿寨组第三段发生井涌，并有连续冒气泡现象，气体样品点燃的火焰呈淡蓝色-蓝色[3]，实现了对鹿寨组页岩气的调查目的。根据岩心鉴定和与广西地质调查院讨论结果，采用了大鹿寨组划分方案，由鹿寨组、尧云岭组、英塘组、黄金组和寺门组组成，出气层位为寺门组。结合目前广西地区的勘探成果，页岩气研究层位主要集中于塘丁组、罗富组和鹿寨组，区域上主要分布在柳州、田林、南丹、天峨等地，对桂北区域尤其是下石炭统其他层位的研究需要进一步加强。本文基于对大良石门剖面地层岩性、矿物组成及有机质特征等的系统研究，对桂北地区下石炭统页岩气勘探潜力进行综合评价。

1 剖面介绍

桂北罗城-融水地区的下石炭统出露完整，一直是重点研究地区[8]。融水地区位于江南古陆南部边缘，是广西主要成煤区之一[9]，发育有连续且具一定厚度的黑色炭质泥、页岩，具有较好的页岩气勘探潜力。

石门剖面位于融水县大良镇西北部石门风景区沿线(图 1)，发育有连续的早石炭世沉积，自下而上依次是上泥盆统五指山组和下石炭统尧云岭组、英塘组、黄金组、寺门组及罗城组。五指山组主要为白云质灰岩及微晶灰岩(图2-A)，这与罗富地区的瘤状灰岩有所不同[6]，发生了明显相变，由台盆相转变为台地相。尧云岭组主要为深灰色薄层-中厚层灰岩、泥质灰岩及生屑灰岩，含大量海百合碎屑(图2-B)，为台地相沉积。英塘组按岩性可分为3段，第一段为深灰色泥质灰岩、钙质泥岩(图2-C)，第二段为深灰色、灰色钙质泥岩、微晶灰岩和瘤状灰岩(图2-D)，第三段为深灰色炭质泥、页岩(图2-E)。黄金组以深灰、灰黑色钙质泥岩、硅质泥灰岩为主(图2-F)，底部为一套灰白色石英砂岩。寺门组主要为深灰、灰黑色钙质泥岩、页岩、炭质页岩(图2-G)。罗城组主要为灰-灰黑色厚层致密砂岩，有大量双壳类及珊瑚化石(图2-H)。

2 下石炭统基本特征

2.1 样品采集及测试

结合五指山组、尧云岭组、英塘组、黄金组、寺门组和罗城组岩性特征，对剖面沉积环境演变进行了识别，并结合页岩气勘探潜力分析的目的，进行了样品采集工作。五指山组为台地相沉积;尧云岭组为台盆相和台地相沉积;英塘组第一、第二段主要为台地相沉积，偶有台盆相岩性发育;英塘组第三段主要为台盆相沉积;黄金组为台盆相-台盆边缘相沉积;寺门组为台盆相沉积;罗城组为台地相沉积(图3)。

该剖面总长约6.7 km，其中尧云岭组、英塘组和寺门组分别有台盆相沉积，是页岩气产出的主要层位，因此在尧云岭组和英塘组采集样品57件(图1，图3)；寺门组出露不好，未采样。根据岩性，选择其中27件泥、页岩样品进行了有机碳含量、矿物成分以及Ro值测试，14件样品进行了岩石热解检测。TOC质量分数测试采用LECOCS-200红外碳硫测定仪，依据标准为GB/T I19145- 2003。Ro值的测定是采用MPV-Ⅲ显微光度计，依据标准为SY/T 5124-1995。岩石热解的测试是采用OG-2000V油气显示评价仪，依据标准为GB/T 18602-2012。矿物成分的测定是采用Panalytical X-Pert PRO MPD 型X射线衍射仪。测试工作均在四川省科源工程技术测试中心完成。

图1 石门剖面位置及沉积相图Fig.1 Map showing location of measured cross section (A),sampling position (B),and sedimentary phase diagram (C) (A)剖面位置图; (B)样品采集位置图; (C)沉积相平面图

图2 石门剖面野外照片Fig.2 Field photographs of the Shimen section(A)五指山组白云质灰岩; (B)尧云岭组钙质泥岩，发育平行层理; (C)英塘组第一段钙质泥岩; (D)英塘组第二段灰岩夹钙质含炭页岩; (E)英塘组第三段深灰色炭质页岩; (F)黄金组深灰色钙质泥岩; (G)寺门组灰黑色钙质泥岩，风化色为黄褐色; (H)罗城组灰-灰黑色厚层致密砂岩

图3 石门剖面综合柱状图Fig.3 Comprehensive histogram of the Shimen section

2.2 有机质丰度、类型及成熟度

有机碳含量(TOC)的高低是评价页岩气储层的关键数据，有机质丰度、类型和成熟度则对页岩气的有机烃来源及其储量评价具有指示意义。根据页岩气吸附实验结果[10-11]，在不考虑温压的条件下，TOC值与页岩气的吸附量成正比关系，因此TOC值是判断页岩气含量的主要因素。

如表1和图3所示，尧云岭组泥页岩TOC质量分数(wTOC)为0.09%～0.42%，平均为0.21%；英塘组第一段wTOC为0.44%～0.49%，平均为0.47%；英塘组第二段wTOC为0.18%～0.51%，平均为0.31%；英塘组第三段wTOC为1.04%～1.47%，平均为1.26%。其中英塘组第三段具有明显较高的TOC值，wTOC皆大于1%。

根据样品干酪根显微组分测试结果，其成分以腐泥组居多，相对质量分数为59%～90%；镜质组其次，相对质量分数为4%～18%；壳质组、惰质组较少。干酪根类型指数为46.5～87，下石炭统主要为Ⅰ-Ⅱ型干酪根。其中仅有1个英塘组第二段样品为Ⅰ型干酪根，其余均为Ⅱ1型干酪根。该类型有机质来源于大洋浮游生物和藻类，其母质形成于还原环境，富氢贫氧，微孔体积大，甲烷吸附能力强，在持续受热后形成油气[12]。

热成熟度是页岩气的一个重要指标，常用镜质体反射率(Ro)和岩石热解数据表征[12-13]。石门剖面下石炭统Ro值为1.96%～3.01%，平均为2.56%。其中尧云岭组Ro值为1.96%～2.16%，平均为2.07%；英塘组第一段Ro值为2.92%～3.01%，平均为2.97%；英塘组第二段Ro值为2.47%～2.99%，平均为2.82%；英塘组第三段Ro值为2.35%～2.77%，平均为2.52%(表1)。大良镇剖面下石炭统样品的热解烃峰温(tmax)为469～577℃，平均为546℃，其中英塘组第三段tmax值为577℃。根据陈建平等[14]海相烃源岩高温热解模拟实验结果，当Ro>2%时，残余可热解烃量(质量分数)不超过5‰。石门剖面下石炭统富含有机质黑色泥页岩段残余可热解的产油率(S1+S2，质量分数)为0.05‰～0.28‰，远小于6‰，干酪根基本上不可热解。

表1 石门剖面样品记录及TOC、岩石热解和镜质体反射率测试数据Table 1 The analyses of TOC,Ro and rock-eval for the Shimen section samples

2.3 矿物组成及物性特征

根据全岩成分测试结果(表2)，利用石英/(石英+碳酸盐+黏土)对脆性指数进行了计算。石门剖面下石炭统页岩矿物成分主要包括石英、方解石和黏土矿物，脆性矿物的质量分数为50%～98%，平均为54%；黏土矿物的质量分数为42%～52%，平均为46%；脆性指数为3.00%～47.96%，平均为23.71%。尧云岭组脆性矿物的质量分数为57%～98%，平均为73%；黏土矿物的质量分数为2%～43%，平均为27%；脆性指数为3.00%～24.00%，平均为16.11%。英塘组第一段脆性矿物的质量分数为57%～72%，平均为63%；黏土矿物的质量分数为28%～43%，平均为37%；脆性指数为20.20%～28.13%，平均为24.36%。英塘组第二段脆性矿物的质量分数为57%～98%，平均为73%；黏土矿物的质量分数为2%～43%，平均为27%；脆性指数为6.00%～24.21%，平均为16.01%。英塘组第三段脆性矿物的质量分数为50%～77%，平均为61%；黏土矿物的质量分数为23%～50%，平均为39%；脆性指数为29.59%～47.96%，平均值为36.26%。结合重庆涪陵焦石坝[15]及北美Barnett页岩气[16]的开发经验，本文英塘组第三段不论是脆性矿物含量还是脆性指数数据，均显示泥页岩层段易在外力作用下形成裂缝，具有较好的可压裂性，有利于页岩气的开采。

表2 石门剖面样品矿物成分测试结果Table 2 Analytical data of whole-rock compositions of the Shimen section samples

石门剖面下石炭统的黏土矿物主要有伊利石、高岭石、绿泥石和伊/蒙混层(表3)。尧云岭组黏土矿物的质量分数：伊利石17%～57%，绿泥石1%～30%，伊/蒙混层13%～81%，还有少量高岭石。英塘组第一段黏土矿物的质量分数：伊利石19%～27%，高岭石9%～10%，伊/蒙混层63%～71%。英塘组第二段黏土矿物的质量分数：伊利石25%～67%，高岭石0%～12%，伊/蒙混层34%～68%。英塘组第三段黏土矿物的质量分数：伊利石15%～56%，高岭石9%～25%，伊/蒙混层27%～71%。根据Loucks等[17]对北美Barnett页岩气微孔隙研究结果，微孔隙与黏土成分之间的转化具有一定的相关性，蒙皂石向伊利石的转化过程常发生在成岩晚期，会导致矿物颗粒体积减小，储层孔隙度增加，有利于页岩气的储藏。石门剖面下石炭统伊/蒙混层含量为主要成分，伊利石次之，基本不含绿泥石，因此下石炭统泥、页岩层段在成岩过程中，经历了较为明显的蒙皂石向伊利石的转化阶段，具有良好的页岩气储集能力。

3 储层评价

根据过往在广西南丹地区对罗富组及塘丁组页岩气评价的经验[6-7]，结合前人研究结果，总结了页岩储层评价标准(表4)，包括有机质丰度、热成熟度、储层物性、岩石矿物成分等。其标准为：wTOC>1%，Ro>1.3%，石英含量即脆性指数>40%，黏土矿物质量分数>30%，黏土矿物中蒙皂石含量低，伊利石含量较高，页岩厚度>30 m等。以此为基础，对研究剖面早石炭世沉积进行了页岩气储层评价。

表3 石门剖面样品黏土矿物成分测试结果Table 3 The analytical data of clay mineral compositions of the Shimen section samples

表4 页岩气储层评价标准表Table 4 Standard evaluation for the shale gas reservoir

(据张聪等[6])

4 结果与结论

石门剖面下石炭统尧云岭组泥页岩wTOC为0.09%～0.42%，平均为0.21%；英塘组第一段wTOC为0.44%～0.49%，平均为0.47%；英塘组第二段wTOC为0.18%～0.51%，平均为0.31%；英塘组第三段wTOC为1.04%～1.47%，平均为1.26%。其中仅有英塘组第三段具有中等的页岩气开发潜力。

英塘组第三段厚约340 m，其岩性主要为深灰色、黑色泥岩、炭质页岩、钙质泥岩，有机质类型为Ⅱ1型干酪根；Ro值为2.35%～2.77%，平均为2.52%；页岩矿物成分主要有石英、方解石和黏土矿物；脆性矿物的质量分数为50%～77%，平均为61%；黏土矿物的质量分数为23%～50%，平均为39%；脆性指数为29.59%～47.96%，平均为36.26%。黏土矿物主要有伊利石、高岭石和伊/蒙混层，伊利石质量分数为15%～56%，高岭石质量分数为9%～25%，伊/蒙混层质量分数为27%～71%。

英塘组第三段Ro值和岩石热解结果显示，泥页岩进入过成熟演化阶段，以生成干气为主，脆性矿物分配和脆性指数均显示其易在外力作用下形成裂缝，具有较好的可压裂性，有利于页岩气的开采。黏土矿物成分显示其经历了较为明显的蒙皂石向伊利石的转化阶段，具有良好的页岩气储集能力。因此石门剖面早石炭世沉积中，英塘组第三段具有较好的页岩气勘探潜力。在广西现阶段下石炭统页岩气研究中，其有利层位不再仅局限于鹿寨组，英塘组同样具有较好的页岩气勘探潜力。

四川省科源工程技术测试中心技术人员在各项测试中的帮助；成都理工大学沉积地质研究院侯明才教授对本文提出了有益的建议；成都理工大学沉积地质研究院的石鑫、罗宏谓、魏子琪等同学在野外和后期样品处理工作中的帮助，作者借此表示感谢。