湘中漣源凹陷泥盆系佘田橋組海相致密泥灰巖氣藏特征

呂 嶸，張保民，苗鳳彬，張國濤，周 鵬，王 強

中國地質調查局武漢地質調查中心（中南地質科技創新中心），湖北武漢 430205

泥灰巖油氣藏是一類特殊巖性的致密油氣藏，也是當今全球油氣勘探領域重要的勘探目標（趙賢正等，2015；梁宏斌等，2017）。例如，我國渤海灣盆地束鹿凹陷古近系沙河街組陸相致密泥灰巖油藏已成為華北油田油氣勘探開發的重要領域，致密泥灰巖油藏資源量達2.3億噸（趙賢正等，2014；崔周旗等，2015；劉哲等，2020；張銳鋒等，2021）。北美墨西哥灣盆地白堊系海相鷹灘組頁巖油藏主力產油層也屬于致密泥灰巖儲層，頁巖油可采資源量達4.66億噸（趙靖舟等，2011；邱振等，2015；張延山等，2015；劉文卿等，2016）。

湘中坳陷是中揚子地區的重要含油氣區，經過多年勘查，在二疊系、石炭系、寒武系等多個層位均已取得油氣勘探突破（苗鳳彬等，2016；張國濤等，2016；田巍等，2019；陳孝紅等，2022）；但該區的泥盆系油氣勘探程度卻相對較低，僅初步評價了泥盆系頁巖氣藏的特征（陳林等，2019,2020；呂嶸等，2020，2021；劉安等，2021）。近期，中國地質調查局武漢地質調查中心在湘中漣源凹陷實施了中揚子地區第一口泥盆系參數井湘新頁1井，在該井泥盆系佘田橋組致密泥灰巖層段鉆獲工業油氣流，其氣層厚280 m，全烴值持續大于1%，最高10.2%，后效顯示活躍，優選兩段壓裂試氣，采用8 mm油嘴放噴，火焰高度1.8～2 m，日產氣3517 m3，無阻流量12221 m3/d。湘中漣源凹陷泥盆系海相致密泥灰巖氣藏的發現，為該類型油氣藏在中揚子地區首次發現，對其進行深入研究，將進一步豐富我國致密油氣勘探理論，也為南方海相非常規油氣勘探提供了新的思路。

1 區域地質背景

湘中坳陷位于華南褶皺系北部，雪峰隆起東南緣，東鄰衡山隆起，南接桂中坳陷，是晚古生代華南陸表海盆地在湘中殘留的負向構造單元。湘中坳陷具有“三凹二凸”的構造格局，自北而南依次為：漣源凹陷、龍山凸起、邵陽凹陷、關帝廟凸起和零陵凹陷。漣源凹陷整體呈北西西向展布，沉積基底為前泥盆系，蓋層從泥盆系到第四系均有發育，面積約6770 km2。區域地質構造以多期、多層次的層滑構造為主要特色，構造樣式較復雜，可進一步劃分為西部斷褶帶、中部褶皺帶和東部褶皺帶。參數井湘新頁1 井（XXY1）和地質調查井湘新地1 井（XXD1）、湘新地3井（XXD3）均位于漣源凹陷西部斷褶帶內（圖1）。

圖1 湘中坳陷構造單元劃分Fig.1 Division of structural units in Xiangzhong Depression

2 佘田橋組地層劃分和對比

參數井湘新頁1 井全井鉆遇地層自上而下依次為：下石炭統測水組（C1c）、石磴子組（C1s）、天鵝坪組（C1t）、馬欄邊組（C1m）；上泥盆統孟公坳組（D3m）、歐家沖組（D3o）、錫礦山組（D3x）、佘田橋組（D3s）；中泥盆統棋梓橋組（D2-3q）、易家灣組（D2y）。其中，佘田橋組厚度大，累計達1461 m（深度：1109～2570 m）。

湘新頁1井泥灰巖段集中在佘田橋組（D3s），結合巖性與測井響應特征，可將佘田橋組劃分為上、中、下三段（圖2）：上段（深度：1109～1508 m）以泥巖、灰質泥巖為主夾灰巖，伽馬值(GR)整體呈現中-高值，為50～90 API，雙側向電阻率(LLD)整體呈現為低-中值，為30～100 Ω·m；中段（深度：1508～2103 m）以泥灰巖為主夾泥質灰巖互層，伽馬值整體呈現低-中值，為20～75 API，雙側向電阻率整體為低-中高值，為30～800 Ω·m，其中1520～1537 m 深度為該井佘田橋組純灰巖標志段（伽馬值為10 API，雙側向電阻率為5000 Ω·m左右）；下段（深度：2103～2570 m）以泥巖、泥頁巖、砂泥巖為主，伽馬值整體呈現中-高值，為50～100 API，雙側向電阻率曲線呈鋸齒狀，整體為中值，為100 Ω·m左右；其中2486～2567 m深度有一套高伽馬值的頁巖，伽馬值為100～130 API，為該井佘田橋組伽馬最高值處，雙側向電阻率呈現明顯低值，為4～20 Ω·m，是該井佘田橋組電阻率最低值處（呂嶸等，2021）。佘田橋組底界的灰質頁巖與下伏棋梓橋組頂部泥質灰巖接觸界面處的電性特征變化明顯，表現為雙側向電阻率值明顯升高、伽馬值明顯下降，據此可劃定湘新頁1井佘田橋組底界深度為2570 m。

圖2 湘新頁1井佘田橋組測井解釋圖（深度：1109～2570 m）Fig.2 Log interpretation of the Shetianqiao Formation in the well XXY1(depth:1109～2570 m)

在湘新頁1井佘田橋組地層劃分的基礎上，與調查井湘新地1井和湘新地3井開展地層對比工作（圖3）。雖然湘新地1井、湘新地3井佘田橋組上段有缺失，但中段頂部的標志層純灰巖段(GR 低值)三口井均存在，可劃分出佘田橋組中段的頂界面。佘田橋組中段底部泥灰巖存在伽馬低值，與下段泥頁巖高值伽馬曲線呈突變關系，特征明顯，可劃分為其中段的底界面。三口井佘田橋組中段巖性組合均為純灰巖之下的“上泥巖下泥灰巖”的特征，湘新頁1井與湘新地1井的該套巖性組合伽馬曲線特征為泥巖伽馬高值，曲線平直，巖性穩定，與下伏泥灰巖含氣段伽馬曲線為突變接觸，泥灰巖含氣段伽馬曲線為“箱型”，特征明顯。而湘新地3 井的“上泥巖下泥灰巖”巖性組合曲線特征則呈現出較明顯的“漏斗型”，為下細上粗的反旋回特征，反映出該時期湘新地3 井處于局部海退環境。湘新地1井鉆至佘田橋組下段（砂巖段）已終孔。湘新地3井的砂巖段伽馬曲線缺失，鉆遇的粉砂巖巖性與湘新頁1井一致，且其下部頁巖段伽馬曲線仍與湘新頁1井特征可對比，與下伏棋梓橋組灰巖曲線特征差異明顯。

整體而言，湘新地3 井、湘新地1 井和湘新頁1 井佘田橋組地層展布穩定，巖電特征清晰，具有較好的可對比性，含氣層主要集中在該組中段下部泥灰巖段，且厚度均大于150 m，含氣特征明顯。

3 泥灰巖成藏富集條件

3.1 巖石礦物組分

湘新頁1井泥灰巖段礦物組分（表1）以碳酸鹽礦物為主，質量百分比為6.9%～80.5%，平均57.2%；Q-F-M（石英+長石+云母）質量百分比為8.0%～46.8%，平均22.2%；黏土礦物質量百分比為8.1%～44.2%，平均13.5%；黃鐵礦質量百分比為0.4%～2.9%，平均1.3%，泥灰巖段脆性礦物平均含量達到79.4%，有利于后期壓裂成縫。

表1 湘新頁1井泥灰巖段礦物組分表Table 1 Mineral composition table of Marl section in XXY1 well

3.2 烴源巖評價

（1）有機質類型

湘新頁1 井佘田橋組泥灰巖干酪根顯微組分存在2 種：腐泥組與鏡質組，含量平均值分別為81.2%、18.8%，類型指數TI為39.9～80.2，以Ⅱ型為主，少量Ⅰ型。湘新地1 井泥灰巖段腐泥組含量為11%～82%，殼質組含量為8%～59%，類型指數TI為9～73，有機質類型主要為Ⅱ1、Ⅱ2型。湘新地3井腐泥組含量13%～81%，類型指數TI 為-3～87，有機質類型為Ⅰ、Ⅱ1、Ⅱ2型（表2）。

表2 湘中地區佘田橋組泥灰巖有機質類型一覽表Table 2 List of organic matter types in marl of Shetianqiao Formation,central Hunan

（2）有機質豐度

湘新頁1 井佘田橋組泥灰巖段TOC（有機碳）含量在0.55%～1.55%之間，平均0.95%。湘新地1 井和湘新地3 井佘田橋組泥灰巖TOC 含量略微不同，前者為0.17%～2.23%，平均0.74%；后者為0.13%～2.80%，平均0.64%。平面上佘田橋組泥灰巖生烴范圍集中在新化以北的湘新頁1 井區(圖4)。

圖4 湘中漣源凹陷佘田橋組泥灰巖段TOC平面分布圖Fig.4 TOC distribution of the marl in the Shetianqiao Formation in Lianyuan sag,central Hunan

（3）有機質成熟度

巖石熱解烴峰S2 峰頂溫度Tmax值是判斷烴源巖有機質成熟度的指標，Tmax＜432 ℃時屬未成熟階段，Tmax=[432，460]℃時為成 熟 階段，Tmax=(460，490]℃屬高成熟階段，Tmax＞490 ℃時進入過成熟階段。湘新頁1井泥盆系佘田橋組泥灰巖段除了最頂部處于成熟階段以外，其余大部分屬于過成熟階段（圖5）。湘中地區泥盆系以海相地層為主，缺乏鏡質體成分，通過等效瀝青質換算Ro 主要介于2.7%～3.0%之間。湘新地1 井數據顯示Ro 值為2.46%～2.65%，平均2.51%，湘新地3 井平均為2.47%，基本相當。

圖5 湘新頁1井佘田橋組地化Tmax分析結果圖Fig.5 Geochemical Tmax analysis results of Shetianqiao Formation in well XXY1

3.3 儲集空間特征

孔隙和裂縫是致密儲層主要的儲集空間與油氣滲流通道，二者發育程度決定著儲集層物性的優劣，并直接關系到氣藏質量好壞與開發的難易程度。裂縫不僅是有效的儲集空間，對滲流的貢獻遠大于孔隙，尤其是多期多角度裂縫構成的網狀裂縫系統，對于連接縱、橫向油氣運移有重要貢獻（殷紅和潘澤雄，2012；徐國盛等，2013；趙迪斐等，2016；劉安等，2021；李海等，2022）。研究區內佘田橋組泥灰巖儲集空間類型主要包括有機質孔、無機孔、微裂縫及巖心裂縫四種。

（1）有機質孔

研究區佘田橋組泥灰巖富含有機質，有機質孔均較為發育，主要為有機質在熱演化過程中生排烴所形成的次生孔隙，孔隙載體主要為瀝青質體，此外也有少量與生物化石有關的原生和次生孔隙，往往以蜂窩狀分布于有機質內部，單個孔呈橢圓形、三角形或其它不規則形狀，孔徑相對較小，一般小于0.3 μm，少量可達微米級。盡管有機質孔隙直徑較小，但其多密集發育，單個有機質上可能發育多達數十或數百個，這些孔隙相互間具有一定連通性，且可與基質孔縫相連通，對改善儲集空間具有重要作用（圖6）。

圖6 湘新頁1井佘田橋組泥灰巖段有機質孔隙發育特征Fig.6 Organic pores in the marl member of Shetanqiao Formation in well XXY1

（2）無機孔

該類型孔隙主要形成于有機質生排烴過程中，具有一定的連通性，其直徑一般為0.01～1 μm，其對泥灰巖的吸附具有較大的控制作用。利用掃描電鏡觀察顯示，研究區內泥盆系佘田橋組無機質孔在泥灰巖中普遍發育，主要包括粒間孔、晶間孔、溶蝕孔和鑄?？椎?圖7)，其直徑變化大，從0.01～5 μm 不等。粒間孔多圍繞顆粒邊緣呈不規則狀，主要為構造作用或不同礦物間差異壓實作用形成，分布于碳酸鹽礦物、黏土礦物、石英、長石等礦物顆粒之間，后期可能會被有機質、泥質等充填，佘田橋組片狀黏土礦物間的孔隙在鏡下最為常見，具有一定連通性；黃鐵礦微球團顆粒之間或泥頁巖黏土礦物集合體內的不同顆粒間常存在一些晶間孔，其大小與形態受礦物顆粒排列方式控制；黃鐵礦、石英等礦物溶蝕或脫落后在有機質或黏土礦物內產生鑄?？?；泥灰巖中溶蝕孔也較為發育，主要分布于泥灰巖、長石等礦物顆粒內部與顆粒間接觸部位，多呈不規則相對孤立狀，孔徑為幾十納米至幾十微米，可作為游離態氣儲集的空間。在擠壓破碎帶無機孔尤為發育，部分孔隙呈被石英等礦物充填或半充填狀態。與有機質孔相比，無機孔更加分散，孔徑更大。

圖7 湘中佘田橋組泥灰巖無機質孔隙與裂縫類型Fig.7 Types of inorganic pores and fractures in the marl of Shetianqiao Formation in central Hunan

（3）微觀裂縫

微觀裂縫主要表征在掃描電鏡下觀察到的縫寬為納米級、延伸為納米-微米級別的裂縫，能夠為致密儲層提供重要的儲集空間，同時可作為流體滲流通道。該區泥盆系佘田橋組泥灰巖微裂縫主要為層間縫、順層縫與粒緣縫（圖8），層間縫多形成于構造作用，呈直線或曲線狀，多切穿不同礦物顆粒，以不同角度與層理斜交，一般寬度較大，延伸可達微米級，對改善頁巖的儲集空間與提供各類孔隙的連通性有重要貢獻；順層縫多與成巖作用或構造作用相關，如層理縫、收縮縫等，在順層分布的片狀礦物間也較常見，其寬度普遍小于層間縫。此外，粒緣縫在佘田橋組也較為常見，主要沿方解石等碳酸鹽礦物或有機質邊緣展布，為應力作用下礦物顆粒相互擠壓、體積收縮或巖礦組分被溶蝕所形成。

圖8 湘中佘田橋組巖石薄片中微觀裂縫特征Fig.8 Micro-crack characteristics in thin slices of Shetianqiao Formation in central Hunan

（4）巖心裂縫

根據湘新頁1井泥灰巖段巖心觀察，佘田橋組泥灰巖段裂縫較為發育（圖9），其中構造成因的裂縫以中、高角度縫為主，低角度縫較少，縫寬0.05～10 mm，部分被方解石、少量泥質及黃鐵礦充填；此外巖心上也見一些順層縫，多為層理縫或巖心上順層泥質條帶、紋層及早期方解石充填物界面等薄弱面開裂所形成。

圖9 湘新頁1井佘田橋組泥灰巖巖心裂縫特征Fig.9 Fracture characteristics of marl core of Shetianqiao Formation in well XXY1

4 泥灰巖含氣性特征

從湘新頁1井泥灰巖段裂縫、TOC和含氣性關系圖（圖10）可以看出，湘新頁1井泥灰巖含氣段集中在底部（深度：1840～2100 m），厚280 m，全烴值1.06%～10.2%（泥漿密度1.28 g/cm3），全烴曲線飽滿，形態顯示垂向氣水分異作用不明顯，為典型致密氣藏特征。泥灰巖含氣性與孔隙裂縫發育的相關性一致，裂縫對含氣性的控制作用明顯，TOC與氣顯具有相關性，反映出自生自儲的特征，上部純泥巖段為直接蓋層，形成自生自儲型致密泥灰巖氣藏（圖11）。

圖10 湘新頁1井泥灰巖段裂縫、TOC與含氣性關系圖（深度：1840～2100 m）Fig.10 Relationship between fracture,TOC,and gas bearing property in marl section of well XXY1（depth:1840～2100 m）

圖11 湘新地3井-湘新地1井-湘新頁1井佘田橋組氣藏剖面示意圖Fig.11 Profile diagram of Shetianqiao Formation gas reservoir of well XXD3-XXD1-XXY1

平面上，湘新地3 井距離湘新頁1 井7 km，泥灰巖儲層厚度大于200 m，具有含氣厚度大，巖性連續穩定的特征，反映出佘田橋組泥灰巖氣藏在平面上具有較大的分布范圍。裂縫為致密儲層油氣疏導的重要通道，并能有效改善儲層物性，是含氣性差異的主控因素。

5 與國外泥灰巖油氣藏對比

國內渤海灣盆地束鹿凹陷沙河街組和國外墨西哥灣盆地鷹灘組均為泥灰巖儲層，且已成為重要的油氣勘探開發領域(張抗和張葵葉，2013；張林曄等，2014；秦長文和秦璇，2015；張延山等，2015；趙賢正等，2015；劉文卿等，2016；梁宏斌等，2017)。本文對漣源凹陷、束鹿凹陷和墨西哥灣盆地致密泥灰巖油氣藏的沉積環境、礦物組分、儲層厚度、地化特征、儲集物性和礦物含量等方面進行了初步對比（表3），結果顯示，湘中漣源凹陷泥盆系泥灰巖氣藏具有埋藏淺、厚度大、地化指標好等特征，具有較好的勘探開發潛力。

表3 漣源凹陷-束鹿凹陷-鷹灘區塊基本地質特征對比表Table 3 Comparison of basic geological characteristics of Lianyuan sag,Shulu sag,and Eagle Ford block

6 結論

（1）湘新頁1井是中揚子地區第一口泥盆系參數井，佘田橋組泥灰巖段烴源巖TOC 平均值為1.3%，Tmax平均值為523 ℃，通過等效瀝青質換算Ro為2.7%～3.0%，有機質類型以Ⅱ1為主，為過成熟階段優質烴源巖。泥灰巖氣藏層厚度280 m，全烴值持續大于1%，最高10.2%，采用8 mm 油嘴壓裂試氣產量3517 m3/d，計算無阻流量12221 m3/d。

（2）漣源凹陷泥盆系佘田橋組泥灰巖氣藏為自生自儲型致密氣藏，具有埋藏淺、厚度大、分布穩定、生烴指標好、氣顯活躍等特征。與國內外同類型的渤海灣盆地束鹿凹陷沙河街組泥灰巖油藏和墨西哥灣盆地鷹灘組泥灰巖油藏基礎地質條件的初步對比，反映湘中泥盆系佘田橋組泥灰巖氣藏具有較好的勘探開發潛力。

（3）湘中漣源凹陷泥盆系海相致密泥灰巖氣藏試氣已獲得工業氣流。該類型在湘中地區為首次發現，其地質特征及規模仍需深入開展研究。該類型氣藏的發現將進一步豐富我國致密油氣藏勘探理論，也表明我國南方海相非常規油氣勘查具有廣闊的空間。