三水盆地页岩气成藏条件分析

苑 坤方欣欣林 拓

（1中国地质调查局油气资源调查中心；2中国地质科学院地质力学研究所）

三水盆地页岩气成藏条件分析

苑 坤1方欣欣2林 拓1

（1中国地质调查局油气资源调查中心；2中国地质科学院地质力学研究所）

三水盆地常规油气研究程度较高，但针对非常规油气，特别是页岩气研究不足。为研究三水盆地古近系

三水盆地；页岩气； 心组；成藏条件；发展前景

北美页岩气的快速发展改变了全球能源供给的格局，页岩气迅速成为重要的天然气勘探开发新目标[1]。截至2015年，中国已在暗色页岩特征、页岩气形成与富集条件、页岩气勘探远景区带优选等基础地质理论与认识上取得了重要进展[2-4]。四川盆地古生界、鄂尔多斯盆地三叠系等多个地区和多个时代的海相、海陆交互相、陆相沉积取得页岩气重要突破和发现[5-8]。

总体而言，中国已发现的暗色页岩形成环境分为5类[9-10]：①克拉通边缘半深水—深水陆棚相；②克拉通边缘沼泽相；③前陆盆地湖泊—沼泽相；④裂谷盆地断(坳)陷半深湖—深湖相；⑤大型陆内坳陷盆地深湖相。三水盆地 心组形成环境以深湖、半深湖为主，普遍发育页岩、碳质页岩和泥灰岩，其中 心组二段为湖平面最高时期沉积，主要发育暗色页岩夹碳酸盐岩[11]，生烃能力强，具备发育暗色页岩的沉积背景。

1 地质背景

三水盆地地处华南陆缘，是粤中地区最大的盆地。晚白垩世至中新世时期，由于太平洋板块、印度—澳大利亚板块与欧亚板块的接触碰撞，导致华南陆缘的伸展、破裂，形成了一系列断陷盆地；受华夏板块北缘南西—北东向走滑断裂的控制，三水盆地为北西—南东向展布，呈不规则菱形，盆地内发育宝月凹陷、大榄凸起等一系列次级构造单元[12]（图1）。

图1 三水盆地构造单元划分图

三水盆地主要沉积了白鹤洞组、三水组、大朗山组、 心组、西 组及华涌组6个地层单元(表1）[13]。

心组沉积时期为盆地发育的鼎盛时期，沉降幅度大，水平面最高，发育大套暗色页岩，沉积厚度达到300～700m，平均为520m，沉积中心主要在宝月一带。

表1 三水盆地白垩系—古近系地层划分表

心组一段下部主要为深灰色和褐灰色的页岩夹薄层含灰粉砂岩；上部为灰黑色页岩，局部夹少量薄层含灰粉砂岩、硅质岩、凝灰岩。暗色页岩自下而上逐渐增多，平面上由西北向东南减薄，部分区域缺失。

心组二段沉积时期，湖盆扩展，是盆地主要暗色页岩沉积期，上部岩性组合为暗色页岩夹少量薄层含钙粉—细砂岩，普遍含石膏，暗色页岩坚硬、致密，砂岩不发育，常见3～4个单砂层，以盆地西北部较为典型；下部为灰色中—粗砂岩、深灰色页岩与石灰岩互层，页岩中普遍含钙质，常见钙质团块、石灰岩小透镜体。 心组三段沉积早期继承了 心组二段的沉积格局，仅沉积中心有所迁移，厚度由西向东逐渐减薄；岩性主要为深灰色钙质页岩夹棕色、浅灰色钙质粉—细砂岩、盐岩，底部为凝灰岩，局部见细砾岩；暗色页岩厚度为30～60m。 心组与西 组、大朗山组整合接触。

三水盆地自古近纪共经历了4个构造演化阶段，分别为断裂阶段、沉降阶段、抬升阶段和萎缩阶段。断裂阶段主要发生在 心组一段沉积时期，盆地受拉张应力影响，形成地堑式断陷结构接受沉积； 心组二段沉积时期，湖盆裂陷幅度变大，断裂活动减弱，盆地持续沉降； 心组三段至西 组沉积早期，湖盆收缩变浅，河流入侵；西 组沉积末期至华涌组沉积早期，湖盆整体进入抬升阶段，发育河流及冲积平原相沉积，断裂活动减弱，但湖盆内火山、岩浆侵入活动频繁；华涌组沉积后期，盆地萎缩，整体抬升遭受剥蚀，形成了现今的构造格局[14]。

2 页岩分布特征

三水盆地湖相页岩在 心组最为发育。 心组沉积时期，潮湿、炎热的气候有利于生物的繁殖，大量的有机质在还原条件下与黏土一同沉积、保存并向油气演化，形成三水盆地主力暗色页岩。 心组各段暗色页岩的演化情况如下。

心组一段：湖盆开始形成，早期沉积红色页岩，中、晚期发育暗色页岩。页岩主要分布于盆地西北部小塘—宝月一带，厚度约50～100m；盆地中部小塘—华木一带次之，厚度约25～50m；宝月凹陷中部，页岩呈北东向分布，由沉积中心向四周逐渐减薄，最厚部位可达103.85m。

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心组二段：湖泊相最为发育，且与海水有一定的连通，岩性主要为暗色页岩夹碳酸盐岩。页岩多为深灰色—灰黑色，在盆地内分布广泛，单层厚度较大，盆地中北部华涌—宝月地区页岩厚度约100～200m，最厚可达245m；南部官山一带页岩厚约50～150m。

心组三段：湖盆收缩变浅，河流入侵，以水退型沉积为主，岩性为深灰色—灰黑色硅质页岩。页岩厚度约50～225m，以中北部华涌—宝月地区最为发育，最厚可达276m；南部官山一带厚约50～100m。由于湖盆萎缩， 心组三段沉积的暗色页岩有机质丰度较一、二段变差。

总体看来， 心组在三水盆地西部的宝月—华涌—华木一线沉积较厚，以发育大套暗色页岩为特征。沉积中心暗色页岩厚度约50～70m，平均为58m，近南北向条带状展布，向周缘厚度逐渐减薄（图2）。另外， 心组顶面埋深约500～3000m，盆地中心深，向东西两翼变浅（图3）。

3 有机地球化学特征

针对三水盆地 心组各段在不同地区野外露头采集样品，对暗色页岩的有机碳含量、有机质成熟度等地球化学特征进行分析测试。

心组一段：暗色页岩主要分布在宝月凹陷及大榄凸起所处的深凹边缘地带，TOC为0.2%～0.7%，最高可达1.0%。

心组二段：暗色页岩主要分布于宝月— 心及华涌东部一带，呈耳廓状或马蹄状，TOC一般大于1.0%，最高可达2.25%，平均为1.25%；盆地中部小塘凹陷则为TOC低值区，约为0.5%～1.0%（图4）。

心组三段：暗色页岩分布范围与 心组二段大体一致，有较好的继承性，TOC为0.5%～1.0%。由于 心组三段在西部斜坡带发育三角洲、水下冲积扇及河口坝等粗碎屑沉积，受其影响，这一时期沉积的暗色页岩有机质丰度降低，原 心组二段的有机质高值区消失。

三水盆地主生气带在800～1200m左右，1400m以下有机质生烃趋于结束。 心组二段及 心组三段页岩的Ro值约在0.9%～1.5%之间，平均为1.31%，暗色页岩热解色谱最高热解温度达428～431℃，表明其有机质处在正常成熟生烃范围[15]。 心组二段页岩大部分进入Ro大于1.2%的阶段，处于大量生气期（图5）。另外，根据该区宝月、竹山岗两个油田产出原油的饱和烃气相色谱分析结果，反应成熟度的OEP值（1.08～1.20）均在成熟的液态窗范围，表明心组二段页岩处于成熟的油气生成阶段[15-17]。

图2 三水盆地 心组暗色页岩厚度等值线图

图3 三水盆地 心组顶面埋深图

图4 三水盆地 心组二段暗色页岩TOC等值线图

图5 三水盆地 心组暗色页岩Ro等值线图

通过对选取的75块样品进行元素测试分析（图6）, 心组一段干酪根H/C比最低为0.4，最高为1.25，大部分分布于0.5～1.0，O/C比最低为0.05，最高可达0.26，大部分分布于0.05～0.16，干酪根类型主要为Ⅱ型、Ⅲ型，演化程度高，大部分处于成熟—高成熟、甚至过成熟阶段； 心组二段H/C比最低为0.25，最高为1.7，大部分分布于0.55～1.25，O/C比最低为0.05，最高可达0.24，普遍分布于0.05～0.15，干酪根类型以Ⅲ型为主，少部分为Ⅱ型； 心组三段干酪根类型为Ⅲ型。

通过热解参数分析（图7）， 心组一段氢指数为6.0～420.7mg/g，平均为134.29mg/g，生烃潜量平均仅0.477kg/t，属差烃源岩； 心组二段氢指数为1～550.2mg/g，平均为281.64mg/g，生烃潜量平均为3.719kg/t； 心组三段氢指数为1.5～603mg/g，平均为205.6mg/g，生烃潜量平均为0.924kg/t。

图6 三水盆地 心组有机质类型分区图

图7 三水盆地 心组氢指数、氧指数关系图

上述参数是反应 心组各段暗色页岩质量的指标，但由于三水盆地暗色页岩热演化程度高，部分样品已处于高成熟或过成熟状态，致使已形成的石油裂解为气体散失，所以采用热解色谱方法判别母质类型误差较大，故与元素分析结果相差较多。

结合三水盆地 心组暗色页岩厚度、埋深情况及有机地球化学特征，认为宝月凹陷暗色页岩发育部位和页岩沉积中心基本一致， 心组二段壳质组和腐泥组含量较高（大于60%），这与 心组沉积时期该地区处于深湖—浅湖环境有关[18]，湖盆相的发育更有利于生物繁殖和有机质的保存。小塘凹陷区虽为浅湖—深湖环境、暗色页岩厚，但壳质组和腐泥组含量较低，有机质丰度较低[19]。

综合以上分析，三水盆地 心组暗色页岩在平面上分布受物源和沉积环境的控制。 心组二段含气量测试结果表明，在0.55MPa压力时，最大吸附含气量为1.64m3/t，优于一段、三段，说明 心组二段页岩更具勘探潜力。

4 页岩储集性能

三水盆地 心组页岩中石英等脆性矿物含量较低，而黏土矿物和碳酸盐矿物含量较高，不利于后期储层压裂造缝；但黏土矿物中伊利石化形成的微裂（孔）隙和不稳定矿物（如长石、方解石）溶蚀形成的孔洞较多，普遍发育的微裂隙增大了吸附性页岩气的储集空间。

通过样品扫描电镜观察， 心组暗色页岩微孔隙发育，以自生黏土矿物（伊/蒙混层）中的微孔隙为主（图8），总孔隙空间发育，但孔喉半径小，微孔隙孔喉半径以1～8μm居多，少量为8～15μm，样品中孔隙度为0.9%～8.2%，平均为2.31%。当页岩中的孔隙度为1%～6%、渗透率大于0.001mD时，可以认为是有效的页岩气储集层位[16]，三水盆地心组页岩有利于页岩气的储存。

图8 心组孔隙结构特征

5 结语

从目前的勘探程度和石油地质条件分析认为，三水盆地 心组页岩的厚度及各项有机地球化学指标均达到页岩气成藏标准，页岩气资源潜力较大。盆地北部宝月凹陷作为 心组沉积时期盆地的沉积中心，其暗色页岩厚度、有机碳含量和热演化程度均优于其他区域，具有优越的页岩气生成和保存条件；其中心组二段暗色页岩的地球化学指标和储集物性最为有利，可作为三水盆地页岩气勘探开发的主要目的层系。

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Analysis on accumulation conditions of shale gas in Sanshui Basin

Yuan Kun1, Fang Xinxin2, Lin Tuo1

(1 Oil & Gas Survey Center of China Geological Survey; 2 Institute of Geomechanics, Chinese Academy of Geological Science)

Many studies have been conducted on conventional oil and gas in the Sanshui Basin, but insuffcient efforts have been made on unconventional oil and gas, especially shale gas. In this paper, based on the structural and regional sedimentary settings, and using multiple techniques such as outcrops observation, samples testing, and scanning electron microscope (SEM), the distribution, organic geochemical features and reservoir properties of the Palaeogene Buxin Formation dark shale were investigated to identify the accumulation conditions in this area. It is shown that the Buxin Formation shale was developed under the control of lacustrine sedimentary environment during the formation of the lake basin, with consistent depocenter and subsidence center, shale thickness of about 50-70 m (58 m on average), and burial depth of about 500-3000 m, which are favorable for preservation of organic matters. Dominated by Type II-III kerogens, the Buxin Formation shale is in the maturity stage, with TOC of 0.56%-3.29% (1.25% on average) and Ro of 0.71%-1.94% (1.31% on average), indicating that it is basically qualifed for gas accumulation. Microscopically, micropores in authigene clay minerals are dominant, with the pore-throat radius of 1-8 μm, and total pore space is developed, providing effective reservoir space for shale gas. The Buxin Formation can be divided into three members from the bottom to the top. The 2ndMember composed of deep lacustrine sediments was deposited during the period when dark shale in the basin was formed and has the most favorable organic geochemistry parameters, relatively good reservoir properties, and greatest hydrocarbon generation potentials. In contrast, the 3rdMember and 1stMember have inferior properties in a descending order.

Sanshui Basin, shale gas, Buxin Formation, accumulation conditions, development prospects

中国地质调查局项目“滇黔桂上古生界页岩气战略选区调查”（DD20160196）。

苑坤，(1985-）男，河北石家庄人，硕士，2010年毕业于中国地质大学（北京），工程师，主要从事页岩气资源评价工作。地址：北京市朝阳区安外小关东里10号院东小楼，邮政编码：100029，E-mail：cheerlist@qq.com

2016-01-07；修改日期：2016-11-14

10.3969/j.issn.1672-7703.2017.02.010

TE112

A

心组页岩的成藏条件，结合构造和区域沉积背景，通过野外露头观察、样品测试、扫描电镜等多种技术手段，对暗色页岩分布情况、有机地球化学特征及页岩储集性能进行研究。研究表明，三水盆地 心组发育时期为湖盆的主要形成时期，湖相沉积环境控制了暗色页岩的发育，盆地沉积中心与沉降中心一致，暗色页岩厚度为50～70m，平均为58m，埋藏深度为500～3000m，有利于有机质保存。 心组页岩干酪根类型为Ⅱ—Ⅲ型，TOC分布在0.56%～3.29%，平均为1.25%，Ro分布在0.71%～1.94%，平均为1.31%，处于成熟阶段，具备页岩气成藏的基本条件。镜下观察显示，孔隙类型以自生黏土矿物中的微孔隙为主，孔喉半径多为1～8μm，总孔隙空间发育，可提供有效的页岩气储集空间。

心组由下到上可划分为一段、二段和三段，其中 心组二段为深湖相沉积，其沉积期是盆地主要暗色页岩形成期，各项有机地球化学参数最为有利，储集性能相对较好，最具有生烃潜力， 心组三段次之，一段最差。