曾智偉，楊香華，王 維，蔡鵬飛，夏晨晨

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)資源學(xué)院，湖北武漢 430074；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)構(gòu)造與油氣資源教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3.中國(guó)石油大學(xué)(華東)科學(xué)技術(shù)研究院勘探開(kāi)發(fā)研究分院)

頁(yè)巖油氣，是指從富有機(jī)質(zhì)黑色頁(yè)巖地層中產(chǎn)出的石油和天然氣[1]。頁(yè)巖油氣開(kāi)發(fā)利用是化石能源的一次重大革命，特別是頁(yè)巖氣，已成為全球非常規(guī)天然氣勘探開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)方向和現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域[2-5]。洞庭盆地自1958年開(kāi)始油氣勘探，先后經(jīng)歷了中南石油地質(zhì)局(1958-1962)、中國(guó)石化江漢油田管理局(1970-1983)、中國(guó)石油開(kāi)發(fā)公司和新西蘭石油公司(1988-1996)、中國(guó)石油浙江勘探分公司(2003-2010)四個(gè)勘探階段，積累了大量的鉆井與地球物理資料。據(jù)20世紀(jì)70～80年代勘探估計(jì)，該盆地為年產(chǎn)原油6萬(wàn)噸的小型油田；通過(guò)2006年的勘探分析，洞庭盆地具備形成年產(chǎn)26萬(wàn)噸原油的中小型油田的物質(zhì)基礎(chǔ)[6]。但經(jīng)過(guò)近60年的常規(guī)油氣勘探，該盆地始終未能獲得商業(yè)性突破。

洞庭盆地位于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)江南隆起帶的中段，揚(yáng)子地臺(tái)南緣油氣資源總量超過(guò)20×108t油當(dāng)量[7]，資源潛力較大。近幾年來(lái)，中原油田沙河街組鹽間頁(yè)巖與江漢油田潛江組鹽間非砂巖中均發(fā)現(xiàn)具有商業(yè)價(jià)值的非常規(guī)油氣流[8-9]，洞庭盆地沅江組也發(fā)育有與上述類似的鹽間頁(yè)巖與非砂巖儲(chǔ)層，勘探潛力巨大。筆者利用現(xiàn)有資料對(duì)洞庭盆地及周邊地區(qū)的頁(yè)巖油氣勘探潛力進(jìn)行分析，希望能以洞庭盆地頁(yè)巖油氣勘探為突破口，為中下?lián)P子地區(qū)頁(yè)巖油氣勘探提供新的思路。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

洞庭盆地位于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)南側(cè)的江南隆起帶中段，鄰近華南褶皺系，總面積近20 000 km2，白堊紀(jì)之前作為揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)的一部分，發(fā)育了元古宇變質(zhì)巖基底以及震旦系-三疊系以海相為主的巨厚沉積；白堊紀(jì)-第三紀(jì)，西太平洋板塊向亞洲大陸俯沖，造成殼幔再度調(diào)整，深部地幔擠壓和淺層地殼拉張。洞庭盆地是在兩種應(yīng)力場(chǎng)背景之上發(fā)生、發(fā)展起來(lái)的斷陷-坳陷型內(nèi)陸沉積盆地[10]，可進(jìn)一步劃分為“三凸四凹”七個(gè)二級(jí)構(gòu)造單元(圖1)。

圖1 洞庭盆地構(gòu)造分區(qū)

饒家榮等根據(jù)地震、電磁等資料分析認(rèn)為[11]，雪峰-九嶺地塊中下地殼為相對(duì)富鐵鎂質(zhì)的基性-超基性火山深變質(zhì)巖類物質(zhì)，具有相對(duì)高速層，具高電阻、高密度、弱電磁等物理特性；益陽(yáng)市古火山錐型結(jié)晶基底隆起，基性火山巖出露區(qū)有50～60 nT航磁異常顯示，并呈現(xiàn)(-12～-20)×10-5m/s2重力高，與周邊重力場(chǎng)存在-10×10-5m/s2的重力落差；洞庭盆地的南、北兩邊和東部地區(qū)可見(jiàn)元古代變質(zhì)巖出露，并見(jiàn)大量的花崗巖體侵入，這些特征綜合反映了洞庭盆地及周邊地區(qū)存在變質(zhì)-火山巖剛性穩(wěn)定結(jié)晶基底。中國(guó)南方地區(qū)地層普遍受多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)改造變形強(qiáng)烈，而洞庭盆地及周邊地區(qū)由于位于揚(yáng)子板塊變質(zhì)巖與火成巖剛性穩(wěn)定基底之上，上覆沉積巖層受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)作用變形較弱，這有利于頁(yè)巖油氣的保存。

2 頁(yè)巖地球化學(xué)特征

2.1 有機(jī)質(zhì)豐度

洞庭盆地從震旦紀(jì)到古近紀(jì)發(fā)育了多套烴源巖層系，其中富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖主要分布于澧縣凹陷二疊系和沅江凹陷古近系沅江組一段，且目前洞庭盆地的勘探成果主要位于沅江凹陷，少量鉆井位于澧縣凹陷并成功鉆遇二疊系地層(澧5井)[10-12]，因此筆者將對(duì)這兩個(gè)目標(biāo)層位進(jìn)行重點(diǎn)闡述。

二疊系在洞庭盆地周緣(露頭)及鄰區(qū)廣泛分布，面積約1 100 km2，累計(jì)厚度400～750 m，在寧鄉(xiāng)煤炭壩及清溪沖等地厚達(dá)1 373 m[13]。碳酸鹽巖生油巖發(fā)育。洞庭盆地及周邊地區(qū)目前只有澧1井和澧縣凹陷邊緣的澧5井成功鉆遇二疊系，其中在澧5井中鉆遇的二疊系發(fā)育齊全，其巖性主要為海相灰黑色泥頁(yè)巖與薄層泥灰?guī)r互層，普遍發(fā)育油苗[10]。選取澧5井的86個(gè)樣品進(jìn)行有機(jī)碳含量、氯仿瀝青“A”及總烴含量分析(表1)。分析結(jié)果表明，二疊系各組地層有機(jī)質(zhì)豐度高，暗色灰?guī)r、泥灰?guī)r有機(jī)碳含量多大于0.2%，高者可達(dá)1.74%，達(dá)到低效資源級(jí)別，泥頁(yè)巖、碳質(zhì)泥巖有機(jī)碳含量多大于2%，高者可達(dá)15.39%，達(dá)到富集資源級(jí)別[6]。從層位上看，棲霞組有機(jī)質(zhì)豐度相對(duì)較高，茅口組和長(zhǎng)興組豐度相對(duì)較低，因此，澧縣凹陷棲霞組可作為洞庭盆地開(kāi)展海相頁(yè)巖油氣勘探的一個(gè)重要目標(biāo)層段。

表1 洞庭盆地西部及周緣二疊系暗色巖系地球化學(xué)數(shù)據(jù)[6]

注：數(shù)字含義表示：最小值-最大值/均值(樣品數(shù))

沅江凹陷古近系沅江組一段烴源巖分布面積約1 383 km2，累計(jì)厚度50～125 m，平均80 m 左右，橫向上分布比較穩(wěn)定。沅一段是沅江凹陷主要的烴源巖發(fā)育時(shí)期，其巖性主要為灰黑色灰質(zhì)泥巖與泥質(zhì)白云巖、泥膏巖及黑色灰質(zhì)頁(yè)巖互層，并可見(jiàn)少量的黃鐵礦顆粒和炭質(zhì)巖屑，基本反映了半深湖微相的沉積特點(diǎn)。選取湘深11、21、31井沅江組一段泥質(zhì)烴源巖的58個(gè)樣品進(jìn)行有機(jī)碳含量、氯仿瀝青“A”及總烴含量分析(表2)。分析結(jié)果表明，沅一段有機(jī)碳含量與二疊系相比相對(duì)較低，主要介于0.41%～5.91%，平均值為1.27%，有機(jī)碳含量大于0.4%的烴源巖累計(jì)厚度多介于75～100 m之間，平均值為80 m，達(dá)到低效-富集資源級(jí)別。

由于二疊系與沅江組一段的頁(yè)巖地層有其獨(dú)特的巖性組合特點(diǎn)，即黑色頁(yè)巖中夾薄層灰?guī)r，或頁(yè)巖與鹽間白云巖互層產(chǎn)出，而灰?guī)r和鹽間白云巖可以作為裂縫性儲(chǔ)集層，這種巖性組合關(guān)系可認(rèn)為是介于頁(yè)巖油氣資源與裂縫性油氣藏之間的一種過(guò)渡形態(tài)，所以在考慮有機(jī)碳豐度下限時(shí)，不能照搬標(biāo)準(zhǔn)，因此筆者認(rèn)為在這兩種沉積亞相中TOC大于1.0%的區(qū)域應(yīng)具有形成頁(yè)巖油氣資源的可能。

表2 洞庭盆地沅江凹陷沅江組一段泥質(zhì)烴源巖有機(jī)質(zhì)概況統(tǒng)計(jì)[6]

注：數(shù)字含義表示最小值-最大值/平均值(樣數(shù))

2.2 有機(jī)質(zhì)類型

二疊系各組頁(yè)巖地層不僅有機(jī)質(zhì)豐度高，而且母質(zhì)類型好，多以腐泥型有機(jī)質(zhì)為主(表3)。據(jù)干酪根鏡檢結(jié)果顯示[6]，二疊系各組地層I型有機(jī)質(zhì)大于60%，其中棲霞組最高為92.3%；上二疊統(tǒng)除I型有機(jī)質(zhì)占61.5%外，有兩個(gè)樣品鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組含量顯著增高，為Ⅱ2型和Ⅲ型有機(jī)質(zhì)，占樣品數(shù)的30.8%(表3)，與下二疊統(tǒng)相比，母質(zhì)類型相對(duì)變差。因此，二疊系頁(yè)巖以棲霞組的母質(zhì)類型最好，這與其有機(jī)質(zhì)豐度相吻合。

據(jù)郭峰等研究得知[14]，洞庭盆地沅江凹陷古近系沅江組一段的原油顏色一般呈黑色-褐黑色，原油密度為0.88 g/m3，屬于正常原油(0.80～0.90 g/m3)，50 ℃時(shí)原油黏度為41.7 mPa·s，凝固點(diǎn)為35 ℃，含蠟量為21.86%，含硫量為0.50%，為典型的陸相原油的物性特征，其有機(jī)質(zhì)類型以Ⅱ型和Ⅲ型為主(表3)。

表3 洞庭盆地及周邊地區(qū)二疊系-古近系干酪根鏡檢統(tǒng)計(jì)[6]

2.3 成熟度

洞庭盆地及周邊地區(qū)二疊系頁(yè)巖Ro值變化范圍為0.53%～1.39%，處于低成熟-高成熟之間。上、下二疊統(tǒng)在盆地邊緣露頭區(qū)的石門(mén)新關(guān)、苗市、慈利和益陽(yáng)煤炭壩實(shí)測(cè)鏡質(zhì)體反射率Ro絕大多數(shù)小于1.0%(表4)，主要介于0.80%～0.97%之間；最大熱解峰溫Tmax介于448～463 ℃之間，其平均值為450℃和445℃； H/C原子比多大于1，其平均值為1.25和1.33；包裹體均一溫度主要介于108～142℃之間，平均值介于12～134℃之間，并以液相為主，氣液比多為5%左右[12]，這表明二疊系烴源巖的有機(jī)質(zhì)熱演化程度較為適中，正處于石油大量生成的成熟階段。

古近系始新統(tǒng)沅江組一段泥頁(yè)巖Ro值變化范圍為0.99%～1.59%，其平均值為1.26%；熱解峰溫Tmax=437～489℃，平均448 ℃(表4)；根據(jù)孢粉顏色分析，沅一段孢粉以棕色、棕黃色為主；“顏色指數(shù)”多大于3.0，平均值為3.1，這充分表明沅一段有機(jī)質(zhì)熱演化程度適中，有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化較充分，暗色泥頁(yè)巖已處成熟-生油高峰期階段[14]。因此，處于石油大量生成的成熟階段的二疊系及古近系始新統(tǒng)沅江組一段烴源巖很有可能聚集頁(yè)巖油。

表4 洞庭盆地及周緣二疊系-古近系有機(jī)質(zhì)演化程度統(tǒng)計(jì)[6]

3 頁(yè)巖儲(chǔ)集層發(fā)育特征

3.1 頁(yè)巖儲(chǔ)集層分布

洞庭盆地黑色頁(yè)巖主要發(fā)育于澧縣凹陷二疊系及沅江凹陷沅江組一段，而二疊系以棲霞組(P1q)的勘探潛力最大。棲霞組生油巖一般厚100～200 m，最厚可達(dá)410 m，巖性以海相灰黑色泥頁(yè)巖與薄層泥灰?guī)r互層產(chǎn)出為主，普遍發(fā)育油苗[10]。沅江組一段生油巖有機(jī)碳含量大于0.4%的烴源巖累計(jì)厚度多介于75～100 m，平均值為80 m[15]，沅一段在凹陷中心可達(dá)到較好或中等生油巖標(biāo)準(zhǔn)[14](圖2)。

3.2 儲(chǔ)集層油氣顯示特征

目前，洞庭盆地已鉆探111口鉆井，有40口鉆井見(jiàn)到了不同類型、不同程度的油氣顯示(圖3)，其中兩口井測(cè)試出油[12]。二疊系油苗見(jiàn)于盆地西部慈利縣苗市和長(zhǎng)灘河、盆地東南部鵬頭嶺一帶及澧5井二疊系的灰?guī)r裂縫或晶洞中，有的敲開(kāi)裂縫面可見(jiàn)褐色原油滲出。古近系油氣顯示層位集中，絕大多數(shù)見(jiàn)于沅江組一段，盆地油氣賦存的巖性主要為泥質(zhì)碳酸鹽巖(91層)及少量泥質(zhì)巖(16層)；油氣顯示類型以裂隙型為主。洞庭盆地及周邊地區(qū)廣泛的油氣顯示也證明，洞庭盆地具備頁(yè)巖油氣聚集的基本石油地質(zhì)條件。

圖2 沅江凹陷沅江組一段烴源巖厚度等值線及評(píng)價(jià)圖[14]

圖3 沅江凹陷油氣勘查區(qū)塊鉆井油氣顯示分布

3.3 儲(chǔ)集層物性及礦物組成

洞庭盆地二疊系灰黑色泥頁(yè)巖夾薄層泥灰?guī)r、沅一段黑色泥頁(yè)巖夾白云巖，均發(fā)育裂縫型泥晶與含有機(jī)質(zhì)紋層的碳酸鹽巖層系，有機(jī)質(zhì)紋層對(duì)白云石晶間孔隙與微裂縫的發(fā)育有著重要的影響。沅一段鹽間非砂巖孔隙度介于5.16%～18.33%，個(gè)別為26.13%，大多數(shù)達(dá)到低孔-中孔儲(chǔ)層級(jí)別，個(gè)別可達(dá)到高孔儲(chǔ)層級(jí)別；滲透率介于(0.1～1)×10-3μm2，屬于特低滲透-低滲透儲(chǔ)層[6]，其孔、滲關(guān)系明顯不匹配，不利于常規(guī)油氣藏的形成。隨著地層埋深的增加，地溫升高，膏鹽層中的石膏轉(zhuǎn)化成硬石膏，以及這個(gè)過(guò)程中排出的有機(jī)酸加強(qiáng)了流體、巖石的相互作用，硬石膏、白云石與方解石易發(fā)生溶蝕形成一定的儲(chǔ)集空間，為頁(yè)巖油氣的富集提供了場(chǎng)所。

脆性礦物含量的高低是影響泥頁(yè)巖裂縫發(fā)育的重要因素，富含石英、白云石的黑色泥頁(yè)巖脆性好，粒間孔隙發(fā)育，粒間孔直徑2～3 μm[8]，且與富含方解石的泥頁(yè)巖相比，其裂縫的發(fā)育程度更強(qiáng)[16-17]。洞庭盆地以泥頁(yè)巖-碳酸鹽巖為主要巖性組合，富含白云石等脆性礦物，頁(yè)巖中碳酸鹽巖類礦物的發(fā)育很大程度上提高了整個(gè)頁(yè)巖層段的脆性，這有利于改善頁(yè)巖油氣儲(chǔ)集層的經(jīng)濟(jì)可采性。

4 頁(yè)巖油氣聚集模式

4.1 海相頁(yè)巖油氣聚集模式

洞庭盆地震旦紀(jì)-古生代處于揚(yáng)子地臺(tái)東南臺(tái)緣盆地與大陸斜坡，海相黑色頁(yè)巖較為發(fā)育，其中以二疊系泥頁(yè)巖油氣勘探潛力最大。以二疊系棲霞組(P1q)為例，借鑒當(dāng)今北美海相頁(yè)巖油氣突破技術(shù)的路線和成功經(jīng)驗(yàn)，可建立洞庭盆地元古代-古生代海相頁(yè)巖油氣聚集模式(圖4A)。

頁(yè)巖表面附近充填的裂縫發(fā)育帶和“擋板”層的存在對(duì)于形成大規(guī)模頁(yè)巖油氣聚集十分重要。微裂縫可為頁(yè)巖油氣提供良好的儲(chǔ)集空間，而“擋板”可作為水力壓裂的邊界條件，在水力壓裂的時(shí)候，可以使應(yīng)力更加集中于頁(yè)巖層中，有助于儲(chǔ)層內(nèi)天然氣的富集和自然產(chǎn)能的提高，因此高產(chǎn)頁(yè)巖油氣多發(fā)育在頂?shù)?擋板"發(fā)育良好的地區(qū)[18-19]。洞庭盆地海相頁(yè)巖微裂縫發(fā)育，與其互層的海相泥灰?guī)r可以充當(dāng)“擋板”層，故初步推測(cè)洞庭盆地及周邊地區(qū)元古代-古生代海相頁(yè)巖與泥灰?guī)r良好互層產(chǎn)出的地層具有較大的頁(yè)巖油氣勘探潛力，其中頁(yè)巖油的勘探潛力更大，但要獲得商業(yè)性突破仍需進(jìn)行更精細(xì)的勘探研究。

4.2 鹽間非砂巖油氣聚集模式

洞庭盆地中新生代鹽間地層有機(jī)碳含量高，與上下鹽層的不滲透性形成典型的“三明治”結(jié)構(gòu)，使鹽間地層所形成的油氣就地、就近在烴源層內(nèi)存儲(chǔ)[20]，其中始新統(tǒng)沅江組一段的勘探潛力最大。以始新統(tǒng)沅江組一段(E2y1)為例，借鑒中原油田東濮凹陷沙三段鹽間泥頁(yè)巖及江漢盆地潛江組鹽間非砂巖儲(chǔ)層的成功經(jīng)驗(yàn)，可建立洞庭盆地中新生代鹽湖鹽間非砂巖油氣聚集模式(圖4B)。

沅江組一段鹽間泥質(zhì)白云巖是較好的生油巖，其生成的油氣由于上下鹽巖遮擋可形成廣泛分布的多層狀鹽間泥質(zhì)白云巖油藏[21]。鹽間白云巖具有韻律層薄而垂向運(yùn)移距離短，欠壓實(shí)嚴(yán)重故孔喉保持暢通以及油氣運(yùn)移損失小等優(yōu)勢(shì)，但由于其韻律層薄，層內(nèi)烴源巖生烴量有限，因此在縱向上烴源巖條件較好且有斷裂、鹽巖層錯(cuò)位、鹽巖刺穿等有利垂向運(yùn)移通道的層段，是油氣富集的有利區(qū)域[22]。鹽巖發(fā)育區(qū)雖然其整體演化過(guò)程中生成的油氣易于排出，但在Ro為1.28%時(shí)仍然滯留著20%的石油資源，富含大量的鹽類脆性礦物而低含黏土礦物，有利于產(chǎn)生裂縫，易于壓裂，是頁(yè)巖油藏的有利區(qū)帶。此外，膏鹽層的發(fā)育易形成高異常地層壓力，這也有利于洞庭盆地及周邊地區(qū)鹽間非砂巖油氣的聚集以及后期的油氣開(kāi)發(fā)。

圖4 洞庭盆地及周邊地區(qū)兩種頁(yè)巖油氣聚集模式

5 結(jié)論

(1)洞庭盆地及周邊地區(qū)位于揚(yáng)子板塊變質(zhì)巖與火成巖剛性穩(wěn)定基底之上，與中國(guó)南方地區(qū)普遍變形強(qiáng)烈的地層相比，其上覆沉積地層受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)作用變形較弱，有利于頁(yè)巖油氣的保存。

(2)洞庭盆地及周邊地區(qū)二疊系頁(yè)巖TOC值多大于2%，古近系始新統(tǒng)沅江組一段頁(yè)巖TOC值一般大于1%，有機(jī)質(zhì)豐度達(dá)到了較好-好烴源巖條件；有機(jī)質(zhì)類型為Ⅰ型-Ⅱ1型，以偏腐泥型有機(jī)質(zhì)為主；Ro值主要介于0.99%～1.59%之間，泥頁(yè)巖成熟度處于理想的石油大量生成的成熟階段，具有較強(qiáng)的生油能力，形成頁(yè)巖油資源的潛力較大。

(3)洞庭盆地及周邊地區(qū)二疊系與沅江組一段地層厚度大，分布面積廣，裂縫性油氣顯示豐富。洞庭盆地以泥頁(yè)巖-碳酸鹽巖為主要巖性組合，白云石等脆性礦物含量較高，且沅一段膏鹽層發(fā)育，這有利于烴源巖中微孔隙及微裂縫的發(fā)育，有利于改善頁(yè)巖油氣儲(chǔ)集層的經(jīng)濟(jì)可采性。

(4)洞庭盆地及周邊地區(qū)具備頁(yè)巖油氣聚集的基本條件，具有較大的頁(yè)巖油氣勘探潛力，尤其是頁(yè)巖油。目前洞庭盆地頁(yè)巖油氣的有利勘探層系為澧縣凹陷二疊系海相頁(yè)巖以及沅江凹陷古近系始新統(tǒng)沅一段膏泥巖夾白云巖，但要獲得商業(yè)性突破仍需要落實(shí)更精細(xì)的勘探。

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