陕西汉中南部地区下古生界页岩气地质特征及有利区预测

乔建新，李金钱，王小朗，马宏民，赵 强

1. 陕西矿业开发工贸有限公司，陕西西安710054；2. 陕西地矿集团有限公司，陕西西安710054

页岩气是指赋存于以富有机质页岩为主的储集岩系中的非常规天然气，因其特殊的成藏机理、丰富的资源潜力和良好的勘探前景而受到广泛关注和高度重视。近年来，随着天然气在中国能源消费结构中的比重不断攀升，国内页岩气勘探开发进程不断推进，获得了一批重要的勘探成果和研究进展[1-9]。目前，四川盆地及周缘上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组已基本实现页岩气商业开发，而下寒武统牛蹄塘组仅在威远、鄂西等个别地区取得突破。围绕汉南—米仓山古隆起周缘广泛分布的下寒武统牛蹄塘组和下志留统龙马溪组作为扬子板块西北缘主要的富有机质页岩层系，具有沉积厚度较大、有机质丰度较高、有机质成熟度适中等特征，具备页岩气成藏条件。笔者结合前人成果[10-12]，通过对陕西汉中南部地区下寒武统牛蹄塘组和下志留统龙马溪组页岩气地质特征进行系统分析，开展资源潜力评价与有利区预测，为该地区页岩气勘探提供依据。

1 区域地质背景

研究区位于扬子板块西北缘，地质构造受扬子板块、秦岭造山带与松潘—甘孜造山带共同作用，经历了前南华纪基底形成演化阶段，南华纪—中三叠世地台陆表海演化阶段和晚三叠世以来大陆板块内演化阶段[13]。早古生代是扬子板块主要的盖层形成期，研究区主体属浅海陆棚至斜坡沉积环境，围绕汉南—米仓山古隆起周缘广泛分布下寒武统牛蹄塘组和下志留统龙马溪组等多套富有机质页岩层系（图1），主要岩性为黑色碳质页岩、灰黑—黑色碳质泥质粉砂岩及深灰色泥质粉砂岩等，因古隆起周缘具有埋藏深度适中、构造变形较弱等特征，有利于页岩气的富集和保存，使得研究区富有机质页岩层系成为页岩气勘查开发的主要目标层位。

2 下古生界主要页岩层系分布特征

通过野外调查、测试分析与综合研究，基本查明了研究区下寒武统牛蹄塘组和下志留统龙马溪组富有机质页岩层系的分布、岩性及厚度等特征。

2.1 下寒武统牛蹄塘组

下寒武统牛蹄塘组（∈1n）为研究区最主要的页岩气目标层位，在区内广泛分布，底部为深灰—黑灰色薄层状含碳粉砂质页岩夹深灰色薄层状泥质粉砂岩，下部为黑色薄层状碳质页岩夹灰黑—黑色薄层状碳硅质岩，中部为黑色薄层状碳质页岩夹灰黑—黑色薄层状碳质泥质粉砂岩，上部为深灰—灰黑色薄层状泥质粉砂岩偶夹灰黑色薄层状含碳粉砂质泥岩。总体而言，该组自下而上碳质成分逐渐减少，泥质和粉砂质成分逐渐增加，颜色逐渐变浅，页岩层段含黄铁矿结核或呈细条带状分布的黄铁矿密集层，属浅海陆棚相半封闭滞流沉积环境。该组的富有机质页岩层段厚度变化相对较大，宁强县石钟沟一带厚度为107 m，宁强县唐家坝一带厚度为128 m，南郑县挂宝岩一带厚度为153 m，南郑县园坪子一带厚度为182 m，西乡县大河坝一带厚度为134 m，镇巴县平安场一带厚度为126 m。

2.2 下志留统龙马溪组

下志留统龙马溪组（S1l）为研究区重要的页岩气目标层位，分布于区内汉南—米仓山古隆起周缘外侧及南郑县黎坪、漆树坝，镇巴县凉桥、八卦梁、余家大梁、松树，西乡县洋溪等地，下部为深灰—黑灰色薄层状碳质粉砂质页岩夹深灰—黑灰色薄层状泥质粉砂岩，中部为深灰—黑灰色薄—极薄层状碳质页岩夹深灰色薄层状碳硅质岩，上部为灰—深灰色薄层状泥质粉砂岩偶夹深灰—黑灰色薄层状含碳粉砂质泥岩。总体而言，该组自下而上碳质成分逐渐减少，泥质和粉砂质成分逐渐增加，颜色逐渐变浅，页岩层段含黄铁矿晶粒及结核，且含丰富的笔石化石，属浅海—半深海相强还原滞流沉积环境。该组的富有机质页岩层段厚度变化较大，宁强县大竹坝一带厚度为24 m，勉县阜川黑滩沟一带厚度为34 m，南郑县挂宝岩一带厚度为30 m，南郑县福成一带厚度为20 m，镇巴县渔渡坝一带厚度为45 m。

3 牛蹄塘组和龙马溪组页岩气地质特征

3.1 地球化学特征

通过采集新鲜露头样品进行相关测试分析，对研究区牛蹄塘组和龙马溪组富有机质页岩的地球化学特征进行了研究。

3.1.1有机质丰度

有机碳含量和岩石热解测试结果显示，有机质丰度较高，具有良好的生烃潜力。24个牛蹄塘组样品的有机碳含量（TOC）为0.24%~4.82%，平均值为2.18%，其中大于2.0%的样品15个，占总数的62.5%；24个样品的生烃势（Pg）为0.02 mg/g ~1.49 mg/g。14个龙马溪组样品的有机碳含量（TOC）为0.32%~8.68%，平均值为2.39%，其中大于2.0%的样品7个，占总数的50%；14个样品的生烃势（Pg）为0.03 mg/g~30.21 mg/g。

3.1.2 有机质类型

干酪根显微组分鉴定结果（表1）显示，以Ⅱ型干酪根为主。16个牛蹄塘组（∈1n）样品包括Ⅰ型干酪根3个，Ⅱ1型干酪根8个，Ⅱ2型干酪根5个。7个龙马溪组（S1l）样品包括Ⅱ1型干酪根4个，Ⅱ2型干酪根3个。

表1 牛蹄塘组和龙马溪组干酪根显微组分及有机质类型Table 1 Kerogen macerals and organic matter types in Niutitang and Longmaxi Formations

3.1.3 有机质成熟度

镜质体反射率测试结果显示，有机质成熟度适中，具有较好的生烃条件。16个牛蹄塘组样品的镜质体反射率（Ro）为1.28%~2.34%，平均值为1.80%，其中1.5%~2.5%之间的样品12个，占总数的75%。7个龙马溪组样品的镜质体反射率（Ro）为1.24%~2.21%，平均值为1.71%，其中1.5%~2.5%之间的样品4个，占总数的57.1%。

3.2 储层特征

通过薄片鉴定、扫描电镜分析及X衍射分析，对研究区牛蹄塘组和龙马溪组富有机质页岩的储层特征进行了研究。

3.2.1 矿物学特征

薄片鉴定结果显示，牛蹄塘组主要由粉砂质、泥质（粘土质和碳质）组成，还有少量碳酸盐交代矿物。粉砂质的主要碎屑矿物为石英，粒径在0.02 mm~0.07 mm之间，呈次圆状、次棱角状，少部分呈棱角状；粘土矿物主要有伊利石、高岭石、绿泥石，呈微晶—隐晶集合体，矿物粒径极小，多小于0.005 mm；碳质无固定形态，多与粘土矿物互染，在单偏光下呈深褐色或黑色（图2a）；碳酸盐矿物（方解石）沿着岩石中的微裂隙呈细脉状分布（图2b）。龙马溪组主要由泥质（粘土质和碳质）、粉砂质、生物碎屑组成，还有少量黄铁矿。粘土矿物主要有伊利石、高岭石、绿泥石，呈微晶—隐晶集合体，矿物粒径极小，多小于0.005 mm；碳质无固定形态，多与粘土矿物互染，在单偏光下呈深褐色或黑色；粉砂质的主要碎屑矿物为石英，粒径在0.01 mm~0.05 mm之间，呈次圆状、次棱角状，少部分呈棱角状；生物碎屑以硅质放射虫和海绵骨针为主，硅质放射虫呈圆形，海绵骨针呈棒针形，内部充填放射状玉髓（图2c）；黄铁矿呈分散状分布，晶形较好，在单偏光下呈褐色（图2d）。

图2 牛蹄塘组和龙马溪组矿物特征Fig.2 Characteristics of minerals in Niutitang and Longmaxi Formations

X衍射分析结果（表2、表3）显示，牛蹄塘组和龙马溪组富有机质页岩脆性矿物含量高，粘土矿物演化程度高，以稳定矿物为主，缺乏蒙皂石等膨胀性矿物。5个牛蹄塘组样品的脆性矿物含量为54.0%~69.0%，粘土矿物含量为29.6%~46.0%；脆性矿物中，石英含量为32.4%~53.6%，长石含量为10.1%~27.3%，方解石含量为7.2%~13.8%，黄铁矿含量为1.5%~2.9%，石膏含量为0.3%~1.7%；粘土矿物中，伊利石（I）相对含量为81.0%~100%，高岭石（K）相对含量为0~7.0%，绿泥石（C）相对含量为0~10.0%。2个龙马溪组样品的脆性矿物含量为65.6%~78.4%，粘土矿物含量为21.6%~34.4%；脆性矿物中，石英含量为55.7%~76.9%，长石含量为1.5%~6.8%，白云石含量为0~3.1%；粘土矿物中，伊利石（I）相对含量为84.0%~85.0%，高岭石（K）相对含量为0~4.0%，绿泥石（C）相对含量为0~11.0%。

表2 牛蹄塘组和龙马溪组脆性矿物及粘土矿物组分Table 2 Components of fragile minerals and clay minerals in Niutitang and Longmaxi Formations

表3 牛蹄塘组和龙马溪组粘土矿物相对含量Table 3 Relative content of clay minerals in Niutitang and Longmaxi Formations

3.2.2 孔隙类型及结构特征

扫描电镜观测结果显示，牛蹄塘组和龙马溪组富有机质页岩孔隙和微裂隙发育。孔隙主要包括粒间孔、粒内溶蚀孔、粘土矿物层间孔（图3a至图3c），粒间孔所占比最大，不同类型的孔隙结构与分布特征差异较大。微裂缝主要包括构造微裂缝、粘土矿物成岩收缩缝、有机质收缩缝（图3d）。

图3 牛蹄塘组和龙马溪组微孔隙及微裂缝特征Fig.3 Characteristics of micro-pores and micro-fractures in Niutitang and Longmaxi Formations

4 页岩气有利区预测

在前人对四川盆地及周缘下寒武统牛蹄塘组和下志留统龙马溪组页岩气资源潜力评价方面的研究成果[14-15]基础上，根据页岩厚度、有机质丰度、有机质成熟度和埋深等评价指标，在研究区开展了页岩气资源潜力评价和有利区预测。

研究区内汉南—米仓山古隆起东西两侧的牛蹄塘组和龙马溪组富有机质页岩呈带状展布，范围较大、埋深适中（一般小于1 500 m）、构造变形较弱，有利于页岩气富集成藏。牛蹄塘组富有机质页岩大部分地区厚度在100~150 m之间，局部大于200 m，有机质丰度基本在2.0%以上，有机质成熟度主要在1.5%~2.5%之间，干酪根类型以Ⅱ型为主。该组厚度较大，有机质丰度较高、成熟度适中，生烃能力较强，具有较大的资源潜力。龙马溪组富有机质页岩大部分地区厚度在20~50 m之间，局部大于50 m，有机质丰度基本在1.0%~3.0%之间、局部大于5.0%，有机质成熟度主要在1.5%~2.5%之间；干酪根类型为Ⅱ型。该组尽管有机质丰度高、成熟度适中，但因厚度较小，资源潜力相对较弱。

综上所述，预测位于汉南—米仓山古隆起东西两侧的西乡县西南部—镇巴县西北部地区和勉县西南部—宁强东南部地区（图1）为页岩气勘探有利区域。

5 结论

（1）研究区下寒武统牛蹄塘组和下志留统龙马溪组作为页岩气主要目标层位，分布广泛、厚度较大、有机质丰度较高、有机质类型好、有机质成熟度适中、孔隙和裂缝发育，具有良好的页岩气成藏条件。

（2）预测西乡县西南部—镇巴县西北部地区和勉县西南部—宁强东南部地区为页岩气勘探有利区域。