桂北寒武系清溪组泥页岩地质特征及页岩气潜力分析

时间：2024-07-28

王来军，李小林，蒋魁，陈基瑜，岑文攀，陈海武

(1.广西地质调查院，广西南宁 530023；2.中国有色桂林矿产地质研究院有限公司，广西桂林 541004)

关键字：寒武系清溪组；有机质碳含量；过成熟；页岩气潜力

0 引言

随着我国不断加大页岩气的勘探力度，全国各地陆续在中上扬子地区寒武系发现了较好的页岩气显示。但下扬子地区寒武系构造活动复杂，埋深过大，处于高—过成熟演化阶段，难以形成有规模的页岩气藏，造成至今还未发现有页岩气显示[1-2]。桂北与邻区的黔东南同属上扬子地区，桂北寒武系清溪组发育有一大套黑色炭质泥页岩，在桂北、桂东北广泛发育，主要为深水盆地相沉积，其岩性组合及其变化特征与上扬子陆块东南缘寒武系牛蹄塘组基本相似[3-5]，但桂北—桂中地区却尚未取得突破性进展。

本文以广西页岩气资源潜力调查项目为依托，针对桂北寒武系清溪组开展野外调查工作，采集了几十个样品进行测试分析，通过对比黔东南的牛蹄塘组，以期了解桂北寒武系清溪组的变化特征，初步探讨其页岩气潜力。

1 地质背景

桂北地块属扬子陆块的东南缘，处于江南造山带的西南端(图1)，位于扬子陆块与华夏陆块的接合部位[6]。中—晚元古代基底由杨子陆块和华夏陆块共同构造，晋宁运动使扬子陆块与华夏陆块拼接，使桂北地区演变为较稳定的被动边缘盆地沉积[7-10]。早寒武世初期，桂北地区继承了震旦末期的次深—深海盆地环境，发生海进使得海盆水体加深，但沉积环境相对平静，逐步演化为成熟的陆缘裂谷盆地。随后盆地抬升，发生海退，演变为深水-次深水斜坡相环境。至中寒武世又发生了海进，局部夹碳酸盐岩沉积，构成延展规模较大的上扬子被动大陆边缘东南侧具深水斜坡相特点的“镶边碳酸盐岩台地”。

2 清溪组泥页岩特征

桂北地区清溪组主要分布于融水、桂林、兴安、全州一线以北，在阳朔、恭城一带亦有少量出露(图1)。岩性主要以黑色泥页岩、炭质泥页岩、钙质泥岩为主，夹少量粉砂岩、细砂岩、杂砂岩、硅质页岩、硅质岩，顶部局部夹泥质灰岩、灰岩。与下覆震旦系老堡组、上伏下寒武统边溪组呈整合接触。

图1 广西寒武系构造分区简图Fig.1 Tectonic division map of the Cambrian system in Guangxi

清溪组泥页岩变化较大。横向上：自西向东，砂质减少而泥质、炭质增多，厚度减薄；自北向南，砂岩、硅质岩增多，泥质、碳质及灰岩减少，厚度增大。纵向上：自下而上，泥质、炭质减少，砂质增多。

根据野外调查情况及区域报告资料，清溪组总体厚度呈现出北厚南薄、西厚东薄的特点，在柳州融水一带厚度为900～1900 m，永福一带厚度大于1085 m，在三江一带厚度697～1300 m，资源县车田、龙胜一带厚590～900 m，在全州一带厚为660～1400 m，桂林兴安、灵川一带厚350～715 m。且在上述地区清溪组均发育多套黑色炭质泥页岩，连续厚度达30～180 m，是页岩气良好的目的层系。

3 样品采集与分析方法

样品采集尽可能选择新鲜的未经风化或风化程度很弱的泥页岩，采用打块法，保证样品的块度符合实验室分析测试的要求。本次采集样品25件，分布于桂北融水、兴安、全州、资源、龙胜等地，包含了地表路线调查、剖面测量、浅钻等工作手段所采集的样品。

样品分析测试由具有国家级实验室资质认证的重庆地质矿产研究院承担。要求在室温约23℃、湿度40%～50%的环境下，依据相关国家规范进行分析测试。其中，总有机碳含量测试采用CS844元素分析仪，依据标准：GB/T 19145-2003沉积岩中总有机碳的测定；镜质体反射率采用Leica DM4500P偏光显微镜(ZJ257)和CRAIC显微光度计(ZJ280)，依据标准：SY/T 5124-2012 沉积岩中镜质体反射率测定方法；全岩分析采用ZJ207 Bruker D8 advance_X射线衍射仪，黏土矿物分析采用ZJ207 Bruker D8 advance_X射线衍射仪，依据标准：SY/T 5163-2018。

4 泥页岩特征

4.1 泥页岩有机质丰度

泥页岩中常富含有机质，是页岩气生烃的物质基础，也是页岩气吸附的重要载体，其丰度是泥页岩生气的基础条件，同时也决定了泥页岩的生烃、排烃能力。一般有机炭含量越高，其生烃能力越强，其吸附甲烷气的能力也越强[11]。

本次工作采取了13个地表样品，12个钻孔样品，分析测试结果表明(表1)：所有样品总有机碳含量(TOC)0.57%～7.59%，平均1.94%。其中，大于0.5%，介于0.5%～1%的样品7个，占比28%；介于1%～2%的样品12个，占比48%；大于2%的样品6个，占比24%；个别样品总有机碳含量高达4%以上，平均1.94%。说明清溪组发育有较好的富有机质泥页岩层段，是页岩气良好的目的层系。

4.2 泥页岩有机质成熟度

桂北寒武系泥页岩样品的镜质体反射率(Ro)变化范围为4.03%～5.00%，平均4.48%，普遍高达4%以上(表1)，显示其演化程度较高，处于过成熟阶段。对于高演化程度条件下泥页岩，发现当Ro<3.5%时，孔容和比表面积随Ro的增大是递增的，增大了页岩气的储集空间；在3.5%～4%之间达到峰值，之后减小，页岩气储集空间变小[12]。但根据美国页岩气勘探经验，高成熟度条件下同样能发育页岩气藏[13]，因此不能过于较真成熟度的高低，应注重页岩气的储集物性、保存条件的研究。

表1 清溪组泥页岩有机地化测试结果Table 1 Organic geochemical test result of mud shale in Qingxi Formation

注：TOC为总有机碳含量；Ro为镜质体反射率。

4.3 泥页岩有机质类型

有机质类型在很大程度上决定了烃源岩的生烃能力。不同有机质类型，其物质来源、沉积环境、岩石组成和结构都不同，因而具有不同生气潜力。根据干酪根有机显微组分统计(表1)，桂北寒武系清溪组泥页岩干酪根碳同位素值多为-26.32‰～-28.92‰，有机质类型为腐泥型(Ⅰ型)、腐植-腐泥型(Ⅱ1型)，其中腐泥型(Ⅰ型)16个，腐植-腐泥型(Ⅱ1型)8个。表明其生源组合主要为微生物类、菌类、海藻类。

5 储层物性特征

对所采集样品进行全岩和黏土X衍射分析(图2、图3)，结果显示：石英含量为30%～76.9%，平均含量为45.6%；钾长石含量非常少，平均含量为0.45%；斜长石含量为1.8%～11.8%，平均含量为6.5%；大部分样品都含菱铁矿、硬石膏、普通辉石，平均含量分别为1.3%、2.38%、4.10%；部分样品含方解石、黄铁矿和白云石，不含菱镁矿、石膏、重晶石，个别黄铁矿含量较高，最高含量达3.8%。从区域分布来看，桂林全州到兴安、龙胜一带靠近物源区，石英等脆性矿物含量较高(平均68%)，而柳州融水地区远离物源区，石英等脆性矿物含量相对要低一些(平均56%)，即桂林全州到兴安、龙胜一带的页岩气储层可改造性要优于柳州融水一带。

根据图3黏土矿物成分及含量分析结果，清溪组泥页岩中黏土矿物总量为19%～45.4%，平均含量为36%，主体是伊利石和伊蒙混层，伊利石含量为11%～65%，平均含量为33%；伊蒙混层含量为13%～89%，平均含量为39.5%；绿泥石平均含量为19%，部分样品存在绿蒙混层，含量在7%～17%；样品中高岭石含量很少，有的样品基本不含高岭石。桂林全州到兴安、龙胜一带靠近物源区，黏土矿物中以伊利石与伊蒙混层占主体地位为特点，而柳州融水地区远离物源区，黏土矿物中以绿泥石、伊利石与伊蒙混层和绿蒙混层占主体地位为特点。

图2 清溪组页岩矿物成分及含量Fig.2 Mineral composition and content of shale in Qingxi Formation

图3 清溪组黏土矿物成分及含量Fig.3 Composition and content of clay minerals in Qingxi Formation

本次工作针对清溪组施工了一口浅钻，以了解其纵向上的变化特征。根据图3结果，清溪组三段的泥页岩随埋深加深，自上而下，石英含量较为稳定，基本约在30%；钾长石、斜长石也较为稳定，平均含量分别为0.6%、10%；方解石含量变化较大，为0～30.2%，平均含量为7.68%。结合岩石薄片鉴定结果，在井深32 m和152 m处的岩性鉴定为含粉砂含钙泥岩、泥质微晶灰岩，与图4中方解石异常高的数据相吻合。大部分样品都含白云石、菱铁矿、黄铁矿、硬石膏、普通辉石等，平均含量都在4%以下；不含菱镁矿、石膏、重晶石。黏土矿物含量在29%～45%，平均在40%，绿泥石平均含量为39%，伊利石平均含量为23%，伊蒙混层平均含量为25%，绿蒙混层平均含量为12.5%，样品不含高岭石。纵向上，清溪组矿物组成和黏土含量分布较稳定，随埋深变化规律不明显。

由图5可见，清溪组纵向上黏土成分与其他层位以伊利石、伊蒙混层为主体不同，其都含有绿泥石、伊利石、伊蒙混层、绿蒙混层，且含量都相对较高，说明清溪组黏土矿物存在高岭石、蒙皂石的伊利石化和绿泥石化，即蒙皂石→伊蒙混层→伊利石、蒙皂石→绿蒙混层→绿泥石、高岭石→伊利石。结合有机地化和薄片鉴定结果可知清溪组泥页岩的Ro大于4%，局部有轻微变质板岩化，成岩演化程度高，此时高岭石已全部转化为伊利石，蒙皂石也转化为伊蒙混层或绿蒙混层，所以样品基本不含高岭石、蒙皂石。通常随着埋深的增加，绿泥石、伊利石的含量增加，伊蒙混层、绿蒙混层相应减少，但从图5看，清溪组的黏土矿物随埋深变化规律并不明显，除了绿泥石和绿蒙混层呈现微弱的负相关关系，伊蒙混层并没有随埋深增大而更多地向伊利石转化，这可能与岩石中K+供应充足与否有关，因为伊蒙混层→伊利石转化需要K+的参与[14-15]，而由图5可知，样品中钾长石的含量很低，平均含量仅0.6%，所以可推测因钾长石溶解提供的K+数量有限，导致伊蒙混层不能更多的转化为伊利石。最终，随着清溪组泥页岩成岩演化程度的提高，钾长石几乎消耗殆尽，而黏土矿物成分在纵向上趋于均一化，即清溪组泥页岩的黏土矿物含量特征分布受控于成岩演化和钾长石提供K+的数量。反过来，也说明清溪组泥页岩处于成岩晚期，有轻微变质板岩化。

图4 浅钻RS01清溪组矿物成分及含量纵向变化图Fig.4 Vertical variation map of mineral composition and content in Qingxi Formation in shallow drilling hole RS01

图5 浅钻RS01清溪组黏土成分及含量纵向变化图Fig.5 Vertical variation map of clay composition and content in Qingxi Formation in shallow drilling hole RS01

黏土矿物中对甲烷吸附能力由大到小依次为蒙脱石、高岭石、伊利石和伊蒙混层、绿泥石[16]，在不考虑有机质含量和黏土矿物吸附水的影响条件下，区域上桂林全州到兴安、龙胜一带的页岩气储层吸附能力大于柳州融水一带的页岩气储层。总体上，下寒武统清溪组泥页岩以伊蒙混层、绿泥石、绿蒙混层为主体，黏土矿物对页岩气的吸附贡献相对较小。

6 保存条件分析

寒武系清溪组时期，构造运动相对稳定沉积了大量的黑色泥页岩、砂岩等深水盆地相碎屑岩相沉积。但之后受加里东期以来的多期次构造运动影响，桂北发育大量规模不等、方向不一、性质不同的断裂，以NNE—NE、近SN向断裂为主，多为逆推覆断裂，常切割褶皱，使褶皱多破碎。受断裂影响，地层抬升改造明显，岩层倾角较陡，多为42°～75°，局部倒转。受构造挤压影响清溪组泥页岩具轻微变质。构造保存条件相对较差。

7 页岩气潜力分析

中上扬子地区下寒武统特征对比见表2。桂北寒武系清溪组普遍发育多套富有机质黑色泥页岩，有机质类型为腐泥型(Ⅰ型)、腐植-腐泥型(Ⅱ1型)，具有分布面积广、厚度大、富有机质泥页岩连续沉积厚度大于30 m、有机碳含量普遍大于1%等特征，是页岩气良好的目的层系，为页岩气的形成和富集提供了有利条件。贵州黔北凤冈地区凤1井中揭露的牛蹄塘组有类似(TOC为0.97%～16.2%，平均8.24%；Ro为3.62%～4.10%，平均3.89%)。由于牛蹄塘组Ro>3.5%之后，N2的产率逐渐增加，使得牛蹄塘组页岩气具有高氮低烃的特征，而在成熟度较低、构造保存条件相对较好的地区，N2含量则相对较低[17]。但镜质体反射率普遍高达4%以上，其演化程度较高，处于过成熟干气阶段，其生烃潜力一般。受多期次构造影响清溪组泥页岩具轻微变质，褶皱、断层发育，构造保存条件相对较差。其物性以伊蒙混层、绿泥石、绿蒙混层为主体，黏土矿物对页岩气的吸附贡献相对较小。综述，桂北地区寒武系清溪组页岩气潜力一般。

表2 中上扬子地区下寒武统特征对比Table 2 Comparison of the characteristics of the Lower Cambrian in the middle and upper Yangtze area