广西融水地区石炭系鹿寨组优质页岩储层特征与成藏模式

Reservoir Characteristics of High-Quality Shale of Carboniferour Luzhai Formation in Rongshui Area, Guangxi

摘要

主要以桂融页1井石炭系鹿寨组页岩为研究对象，利用全岩-黏土X衍射、氩离子抛光扫描电镜、核磁共振、现场解吸和地化分析等多种测试手段，结合测录井解释成果，从岩石学、有机地球化学、矿物组成、孔隙类型、储层物性及含气性等方面，系统评价了鹿寨组优质页岩储层特征.结果表明：①石炭系鹿寨组鹿一段优质页岩以黑色碳质页岩和灰黑色灰质页岩为主，主要形成于裂陷海槽沉积环境下的深水相，优质页岩连续厚度大，具备良好的页岩气沉积基础；②页岩有机碳含量高，热演化程度适中，具备良好的生烃基础和生烃能力；③页岩脆性好，孔隙空间发育良好，现场解吸含气性好，具备良好的页岩气储集能力；④页岩分布连续稳定，顶底板条件好，逆断封堵断层有利于页岩气富集保存，具备良好的页岩气保存条件.进一步证实了该地区石炭系鹿寨组具备良好的页岩气富集成藏条件.

关键词

广西融水 / 石炭系 / 鹿寨组 / 优质页岩 / 储层特征 / 油气地质

Key words

Rongshui area / Guangxi / Carboniferous / Luzhai Formation / high-quality shale / reservoir characteristics / petroleum geology

0 引言

我国南方发育了震旦系-寒武系、奥陶系-志留系和泥盆系-石炭系等多套海相页岩层系，页岩气资源潜力大（梁狄刚等，2009；牟传龙等，2011；孟庆峰和侯贵廷，2012；刘树根等，2014；邹才能等，2015；赵文智等，2016；Zhai et al.， 2018；马永生等，2018）.但迄今为止，仅四川盆地及周缘地区的奥陶系五峰组-志留系龙马溪组页岩取得了规模化开发，初步明确了五峰-龙马溪组页岩气富集成藏规律（王社教等，2009；郭旭升，2014；郭彤楼和张汉荣，2014；王红岩等，2015；金之钧等，2016；聂海宽等，2016；李昂等，2016；翟刚毅等，2017；Zhai et al.， 2018）.震旦系-寒武系页岩气调查也在部分地区取得点上突破（黄金亮等，2012；单长安等，2015；刘斌和付育武，2016；翟刚毅等，2017；王玉芳等，2017a，2017b； Wang et al.， 2018；Zhai et al.，2019；翟刚毅等， 2020）.而湘黔桂地区广泛发育的泥盆系-石炭系页岩气调查仅在部分地区取得一些良好发现，还未取得重要突破（侯方浩等，1988；胡东风等，2018；辛云路等，2018；梅珏等，2021；陈相霖等，2021）.自2013年以来，中国地质调查局油气资源调查中心一直致力于滇黔桂地区页岩气基础地质调查和战略选区评价，通过大量的野外地质调查、二维地震勘探及调查井钻探，初步摸清了泥盆系-石炭系页岩台盆相间沉积特征，其中富有机质页岩主要沿垭紫罗裂陷槽和右江裂陷槽分布.

在“源-成-藏”页岩气富集成藏理论指导下，通过页岩气战略选区评价，优选广西融水地区页岩气有利区，部署实施了桂融页１井参数井钻探，首次钻获石炭系鹿寨组一段暗色泥页岩累计厚度278.67 m，含气层193.5 m/8层，其中富有机质优质页岩甜点段连续厚度43.0 m，主要岩性为灰黑色灰质页岩和黑色碳质页岩，富有机质页岩中脆性矿物由石英、长石、方解石、黄铁矿等构成，脆性矿物总量变化于59.2%~89.10%之间，均值72.49%.鹿寨组一段页岩有机碳含量TOC为0.43%~6.53%，平均1.63%，其中有机碳含量大于2%的累计厚度约95.6 m.页岩热演化程度Ro为2.35%~2.77%，平均约2.62%，热演化程度适中.取心段现场解析气量高达1.21 m³/t（1 612 m处），解析气体点火可燃，全井气测全烃值最高33.99%（1 547.5 m），甲烷含量占95%以上.进一步证实了桂中坳陷柳城斜坡在早石炭世处于深水沉积相区，具备良好的页岩气富集成藏条件.

1 区域地质概况

桂中坳陷位于广西中北部，是滇黔桂盆地东北部的一个次级构造单元，在大地构造上处于扬子陆块南缘与华南加里东褶皱带的结合部位.西以南丹-都安断裂与罗甸断坳相接，北邻江南隆起，东以龙胜-永福断裂与大瑶山隆起、桂林坳陷相连，南端为大明山隆起，面积约4.6万平方千米.桂中坳陷是广西地区最重要的含油气盆地，坳陷内广泛发育泥盆系-中三叠统泥页岩，泥页岩具有厚度大、有机质丰度高和成熟度高的特点，近几年多口页岩气井取得良好发现（贺训云等，2010；周雯等，2019）.桂中坳陷总体构造单元格局为“四凹三凸一斜坡”，即环江浅凹、宜山断凹、红渡浅凹、象州浅凹、马山断隆、罗城低凸起、柳江低凸起及柳城斜坡（图1）.

桂中坳陷内广泛分布的泥盆系-石炭系海相沉积是页岩气主要目的层，本文研究区位于柳城斜坡东北缘，区域上地层发育完整，从元古界至第四系（除奥陶系、志留系、侏罗系和第三系外）均有出露，以寒武系、泥盆系和石炭系分布最广.桂融页1井开孔层位为古生界石炭系上统罗城组，自上而下依次钻遇上古生界石炭系上统罗城组，石炭系下统寺门组、黄金组、鹿寨组、尧云岭组；泥盆系上统五指山组，泥盆系中统东岭岗组、信都组和下古生界寒武系下统清溪组（未穿），完钻井深3 305 m.

2 石炭系鹿寨组页岩沉积岩相特征

2.1　石炭系鹿寨组页岩沉积特征

从桂融页1井钻遇的石炭系鹿寨组页岩沉积层序分析结果来看（图2），鹿寨组页岩主要以黑色碳质页岩为主，夹少量泥质灰岩，只在顶底出现厚层灰岩.鹿寨组页岩共划分为6个准层序组，其中Sq2层序的高位体系域和海侵体系域都只有一个准层序组；Sq1层序的高位体系域和海侵体系域都有两个准层序组.从沉积环境来看，桂融页1井石炭系鹿寨组属于浅水斜坡和深水斜坡沉积相，其中优质页岩甜点段主要为深水相沉积.古水动力相对较大，古盐度在底部接近泥盆统五指山组的界面有变大趋势，整体表现偏氧化环境.

通过结合广西融水-荔浦地区已有钻井和典型野外地质剖面，建立了下石炭统廊带剖面（图3）.早石炭世鹿寨组Sq1层序海侵体系域（TST）时期，整个研究区接受沉积，深水陆棚-盆地相的面积开始扩大，占据了二分之一的面积，说明研究区在这个阶段水体面积开始扩大，水深加深较快，深水相沉积面积增加，北部及东北部形成开阔台地，且整个研究区沉积相带由复杂趋于稳定.

广西融水-荔浦地区位于垭紫罗主裂陷槽东南缘的次级裂陷槽，从该地区石炭系鹿寨组页岩沉积相分布特征来看（图3），早石炭世鹿寨组页岩从东北向西南依次分布连续的开阔台地相、浅水相、深水斜坡相和深水盆地相，早石炭世鹿寨组海侵体系域时期整体接受沉积，深水相沉积面积开始扩大，水体加深较快，深水相优质页岩主要沿次级裂陷槽呈条带装分布.桂融页1井钻遇的鹿寨组一段页岩为深水盆地相带，柳地1井及谭头剖面位于深水-次深水相带，石门剖面位于浅水陆棚相带，田岭剖面位于深水盆地相带.

桂融页1井钻遇石炭系主要目的层段鹿寨组一段（1 345.00~1 633.50 m）厚度288.50 m.岩性组合上部为深灰色、黑灰色灰质泥岩夹薄层深灰色泥灰岩，中部为灰黑色泥岩夹黑色含碳页岩及深灰色泥灰岩，底部为黑色碳质页岩、灰质页岩（图4a，图4b）.

2.2　石炭系鹿寨组页岩岩相特征

本文桂融页1井取心资料为基础，通过页岩矿物组成的特征分析，采用岩石矿物组分三端元图版岩相分类法对页岩进行岩石相划分（表1）.

鹿寨组（C₁ lz）主要为深灰色薄层硅质岩、硅质泥岩、粉砂质泥岩、泥岩、海百合碎屑灰岩、泥晶灰岩、碳质页岩和砂岩等.主要有介形类、菊石、牙形刺和薄壳腕足类等早石炭世生物化石（彭中勤等，2014；罗胜元等，2016；胡东风等，2018；辛云路等，2018；周雯等，2019）.桂融页1井早石炭世鹿寨组取心薄片分析中多见到棘皮类生物碎屑、介壳类碎屑和海绵骨针等（图4c，图4d）.根据取心段不同点的岩相分析结果，黑色页岩集中在富灰硅质页岩相（S-1）、富硅/泥混合质页岩相（M-2）、富灰/硅混合质页岩相（M-1）、富泥灰质页岩相（C-1）等四类岩相内（图5），主要反映深水斜坡相的沉积特征.

2.3　石炭系鹿寨组页岩矿物特征

桂融页1井石炭系鹿寨组富有机质页岩中脆性矿物由石英、长石、方解石、黄铁矿等构成，脆性矿物总量变化于59.2%~89.1%之间，均值72.49%（图6a）.根据对测试样品的统计表明，石英和方解石为最主要的脆性矿物，样品中石英和方解石含量平均值占脆性矿物总量近90%，分布在77.20%~100%.脆性矿物中石英含量平均占比约为41.2%，方解石平均占比约为30.33%.碳酸盐岩矿物主要以方解石为主，白云石少量.黄铁矿含量较为丰富，88.9%的样品中被检测出黄铁矿成分，其含量变化与2%~4%，均值2.53%（图6b，表2）.

石炭系鹿寨组页岩粘土矿物以伊利石为主，高岭石和伊/蒙混层次之，黏土矿物总量含量介于4%~45%，均值34.60%（图5）；伊利石占粘土矿物总量的14%~66%，平均50.13%；高岭石占粘土矿物总量的14%~66%，平均25.26%；伊蒙混层占粘土矿物总量的7%~44%，平均19.93%；绿泥石含量较低，占粘土矿物总量的2%~8%，平均4.66%（图6c， 表3）.

3 石炭系鹿寨组页岩有机地化特征

3.1　石炭系鹿寨组页岩有机碳特征

依据研究区主要钻井、野外典型剖面采样TOC分析结果，分析了广西融水-荔浦地区石炭系鹿寨组有机碳TOC含量整体分布（图7），石炭系鹿寨组页岩TOC含量在研究区中南部较高，向北递减，罗城-柳城-柳州-荔浦一带是TOC含量较高的区域.田岭剖面的TOC含量最高，均大于2%，桂融页1井次之，平均值约1.63%，潭头剖面、石门剖面TOC含量一般，潭头剖面TOC含量1.0%~1.5%，石门剖面TOC含量约为1%；而柳地1井和桂东塘1井的TOC含量较低，平均值小于1%.其中鹿寨组一段TOC值主要分布在1.50%~6.54%之间，占比达54%，属较好烃源岩类型.桂融页1井位于鹿寨组底部的鹿寨组一段页岩TOC含量相对较高，测试最高值为5.15%，平均为1.99%；位于中上部的鹿寨组二段和鹿寨组三段页岩TOC含量相对较低，平均为1.05%左右（图8）.

3.2　石炭系鹿寨组页岩热演化特征

利用研究区已有钻井和典型剖面如桂融页1井、潭头剖面、石门剖面、东塘1井等的采样热演化程度分析结果，分析了广西融水-荔浦地区石炭系鹿寨组页岩成熟度分布特征（图9），下石炭统鹿寨组页岩的成熟度分布总体特征为：有机质泥页岩镜质体反射率整体区间在0.5%~2.5%，呈东西向延伸，由高至低呈一定间距的条带状分布，大部分地区为成熟-高成熟，西部的桂融页1井、潭头剖面、石门剖面区位于高成熟区，东部田岭剖面位于低成熟区，而中部的桂柳地1井和东塘1井位于中高成熟区.

从桂融页1井石炭系鹿寨组页岩取心样品镜质体反射率Ro分析结果来看（表4），鹿寨组页岩镜质体反射率Ro分布在2.08%~2.87%，平均为2.57%，处于高成熟-过成熟演化阶段.潭头剖面露头样品页岩镜质体反射率Ro分布在2.29%~2.34%，平均为2.33%，处于高成熟-过成熟演化阶段.

3.3　石炭系鹿寨组页岩有机质类型

通过对桂融页1井石炭系鹿寨组取心页岩干酪根显微组分鉴定及类型划分（表5），石炭系鹿寨组页岩中有机质以腐泥组和壳质组为主，腐泥组平均含量为38.92%，壳质组平均含量为41.69%.其次为镜质组，平均含量为13.76%.惰质组含量最低，仅为5.61%，根据SY/T5125-2014透射光-荧光干酪根显微组分鉴定及类型划分方法标准，类型指数<80~40时干酪根类型为Ⅱ₁型，类型指数<40~0时干酪根类型为Ⅱ₂型，因此本区鹿寨组页岩有机质类型主要为Ⅱ₁和Ⅱ₂型.

4 石炭系鹿寨组页岩储层特征

4.1　石炭系鹿寨组页岩孔渗特征

桂融页1井石炭系鹿寨组页岩取心段样品实验室孔隙度、渗透率测试结果显示，鹿寨组一段页岩孔隙度范围0.72%~2.77%，平均为1.51%；渗透率范围在0.000 3×10^-3~0.342 1×10^-3 μm²，平均为0.061 3×10^-3 μm².桂融页1井测井解释石炭系鹿寨组页岩孔隙度范围在0.90%~6.40%，平均为2.07%；渗透率范围在0.001×10^-3~2.831×10^-3 μm²，平均为0.142 9×10^-3 μm²，鹿寨组页岩储层属于超低孔低渗储层.

4.2　石炭系鹿寨组页岩孔隙发育特征

从氩离子抛光扫描电镜分析结果来看，桂融页1井石炭系鹿寨组页岩孔隙无机孔和有机孔比较发育，无机孔类型以矿物溶蚀孔、粒内孔、粒间孔、层间缝为主，有机质孔相对发育，局部发育草莓状黄铁矿及充填的有机质晶间孔（图10）.从核磁共振测井资料解释结果来看，鹿寨组一段1 605~1 635 m优质页岩孔径分布主要集中在10~30 nm范围，10 nm以下的微孔占比达40%左右.

4.3　石炭系鹿寨组页岩含气性特征

本文参考中华人民共和国石油天然气行业标准《SY_T 6994-2014页岩气测井资料处理规范》中的页岩气储层评价标准，划分了石炭系鹿寨组页岩含气特征.桂融页1井现场气测录井共发现鹿寨组页岩气显示194.00 m/8层，其中现场解释泥页岩气层43.50 m/层，泥页岩裂缝气层4.00 m/层，泥页岩含气层49.50 m/层，裂缝含气层1.00 m/层，泥页岩微含气层96.00 m/2层.测井解释鹿寨组Ⅱ类页岩气层52.5 m/6层，Ⅲ类页岩气层103.6 m/7层，Ⅱ类裂缝气层2.0 m/层，Ⅲ类裂缝气层7.0 m/2层.其中1 590.0~1 633.5 m连续优质页岩段气测全烃异常达5.28%，甲烷气测异常4.7%.现场岩心含气试验见针孔状-串珠状气泡持续冒出，气泡持续时间60~120 min，有呲呲声响，现场解析含气量达1.21 m³/t（附图）.

4.4　石炭系鹿寨组页岩岩石力学特征

桂融页1井石炭系鹿寨组页岩实验室三轴岩石力学试验结果显示，在实验温度66 ℃，围压17.5 MPa条件下，测试鹿寨组一段弹性模量范围在7 158.6~33 906.0 MPa，泊松比范围在0.023~0.242，岩石的抗压强度为19.5~205.4 MPa.根据实验室声波岩石力学试验结果，在轴压5 MPa、围压15 MPa条件下，测试获得鹿寨组一段弹性模量范围在54 000.2~63 242.6 MPa，泊松比范围在0.212~0.307.鹿寨组页岩弹性模量高，泊松比较小，显示储层脆性较好，有利于后期压裂储层改造.

5 石炭系页岩气富集成藏模式

5.1　石炭系页岩生烃与构造演化耦合关系

根据桂中1井的分层数据、不同时期的剥蚀厚度以及热演化值等数据反演桂融页1井生烃埋藏热演化史（图11）.桂融页1井钻遇的富有机质泥页岩主要发育于早石炭世鹿寨组时期，在二叠系前该套处于快速沉降和埋深时期，进入二叠系后沉降和埋深速率有所变缓，印支期之后转为抬升剥蚀，坳陷在盆地改造期经历的各运动期次造成的抬升剥蚀情况有所差异，印支期抬升幅度为20%左右，燕山期和喜马拉雅期抬升幅度分别约为50%和30%左右.

下石炭统鹿寨组泥页岩在石炭系中期330 MPa左右进入生烃阶段，二叠系初期270 MPa左右进入过成熟阶段开始以生气为主，三叠系晚期200 MPa左右受印支运动的影响，地层抬升，生气放缓并逐渐停止.实测的Ro显示桂融页1井尚属于页岩气生产的有利热演化范围，但由于抬升维持生烃所需的热演化度的深度，已停止供烃，气藏进入保存调整阶段对保存条件要求高.

5.2　断裂（裂缝）对页岩气成藏的控制作用

勘探证实构造样式直接影响页岩气的保存效果，胡东风等（2014）通过全直径岩心分析发现页岩水平渗透率是垂直渗透率的2~8倍，因此页岩气水平方向的扩散比垂向扩散更强，页岩气更容易顺层散失，当深埋地下的页岩地层出现侧向出露或与开启性断层接触时，容易发生气体的顺层散失.断裂对页岩气保存条件的影响主要通过其伴生的裂缝.断层伴生的裂缝发育，大大加强了页岩的渗透性，造成通天断裂附近页岩气保存条件差，页岩气通过裂缝-断裂面逃逸直至散失.

研究区油气/页岩气成藏与保存主要受断裂的影响.桂中坳陷发育NNE-NE、NW、近EW与近SN向4组规模不等的断裂系，NNE与近SN向断裂是坳陷内的主要断裂，它控制着坳陷的主体构造线方向.桂中坳陷内各断裂在晚古生代时多表现为同沉积正断层，控制原型盆地时期碳酸盐岩“沟包围台、沟台相间”的古构造格局.自海西期以后，一直处于挤压抬升剥蚀状态，形成以挤压逆冲为特征的各种构造样式（张矿明等，2018；区小毅等，2019；罗宏谓等，2019）.相对桂中坳陷其他构造单元而言，柳城斜坡的断裂发育程度较低，地层倾角较缓，褶皱变形相对较弱，总体处在雪峰南缘重力滑覆根带与中带部位，受雪峰山刚性基地的保护，油气保存条件总体较好.根据研究区地震资料解释结果，广西融水-荔浦地区主要发育近北北东向的龙胜断裂体系，主要包括龙胜-永福断裂带和三江-融安断裂带，属于逆断层，断层切割元古界至石炭系，桂融页1井钻探显示受挤压作用的逆冲走滑断裂有利于页岩气保存.

5.3　生储盖评价

页岩气富集成藏也需满足生、储、盖条件，从理论上而言页岩气层本身就构成了相对封闭的生储系统，并且由于页岩气吸附机理的存在，即使受到一定强度地质作用的影响和破坏，也能保留一定量的页岩气富集.但对构造运动期次多、强度大、变形复杂的南方地区来说，页岩气保存的顶底板条件不容忽视.四川盆地焦石坝地区勘探实践说明里顶底板条件优越是成功的必要因素（郭彤楼和张汉荣，2014）.含气页岩系统要求富有机质页岩具有较好的顶板和底板条件，也就是通常说的“三明治”展布特征，在国外页岩气研究中历来被重视（杨光庆等，2012）.

本区桂融页1井钻遇黄金组、鹿寨组和尧云岭组地层.其中石炭系鹿寨组是一套自生自储的非常规灰黑色灰质泥岩、碳质页岩储层，其上部盖层是黄金组灰岩，黄金组灰岩厚度超800 m，岩性致密，可作为鹿寨组页岩气有效封盖层.下部底板是尧云岭组灰岩，尧云岭组为一套深灰色、灰色灰岩，岩性致密，平均厚度约400 m，分布稳定，能够有效封闭鹿寨组页岩气.

5.4　成藏模式

总的来说，桂中坳陷页岩气藏受海西期拉张作用的影响，在断裂周缘会沉积厚度较大的泥页岩，但后期印支运动、燕山运动和喜山运动挤压的影响，在页岩发育区缩短率会较高，断层发育程度会增加，使得泥页岩受破坏较为严重，严重影响了页岩气的保存和规模，整体保存条件相对较差，而柳城斜坡受雪峰山刚性基底保护较好，为桂中地区少有的，页岩沉积厚度较大，受破坏较小的有利区，地震勘探结果显示，研究区自西向东主要由尖山向斜、和睦向斜、沙坪复向斜和太平向斜组成，区内自西向东发育呈NNE向的老堡断裂、和睦断裂和三江融安逆冲走滑断裂，钻探证实逆冲断裂的封堵性有利于页岩气保存.

本区下石炭统鹿寨组优质页岩厚度大，分布连续稳定，其上覆顶板为下石炭统黄金组，主要为碳酸盐与泥岩护层类型盖层，封盖能力好、区域性连片分布.底板为下石炭统尧云岭组致密灰岩，顶底板封盖条件好，有利于页岩气保存.

6 结论

近几年围绕垭紫罗裂陷槽泥盆-石炭系页岩气地质调查研究发现，从贵州六盘水至贵州紫云、罗甸，到广西环江、融水等地区，泥盆系-石炭系页岩沿垭紫罗裂陷槽呈北西-南东向带状分布，优质页岩发育厚度大、分布广，具备页岩气资源勘探开发潜力.目前在贵州水城黔水地1井、贵州紫云黔紫页1井、广西宜州宜页1井、广西融水桂融页1井等的钻探良好，有望开辟新的页岩气资源勘查开发基地.

石炭系鹿寨组具备良好的页岩气富集成藏条件.广西融水-荔浦地区石炭系鹿寨组发育一套深水还原环境沉积的优质页岩，主要为黑色碳质、灰质页岩，页岩层理发育，多见黄铁矿.优质页岩连续厚度大，桂融页1井钻遇连续优质页岩厚度大于43 m，页岩有机质丰度高，具备良好的生烃潜力，页岩热演化程度适中，且顶底板保存条件好.鹿寨组页岩含气性好，钻井取心过程中气测异常最高达33%，岩心现场解析气量达1.21 m³/t，显示良好的资源潜力.

调查评价发现，桂中坳陷下石炭统富有机质页岩主要发育在台盆相间的台沟相中，受垭紫罗断裂带控制，富有机质页岩主要沿垭紫罗裂陷槽或次级裂陷槽分布.多口井的钻探发现主裂陷槽内钻遇的断层规模更大，构造更为复杂，而次级裂陷槽则构造相对稳定，断裂规模发育较小，地层更加连续稳定，有利于页岩气富集保存.桂融页1井的钻探显示，受逆断层控制的逆断封堵和良好的顶底板封盖更有利于页岩气保存.

附图见地球科学官网（http://www.earth-science.net）.

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基金资助

渝黔-滇桂地区页岩气战略选区调查(DD20190108)

中美石炭系-二叠系页岩储层评价技术合作研究项目(2017YFE0106300)