0 引言
页岩气是一种以游离态、吸附态赋存于富有机质页岩（可夹富有机质硅质岩、碳酸盐岩、砂岩）中的非常规能源，主体上是自生自储成藏的连续性气藏，可通过体积压裂改造获得商业气流［1-3］。继北美地区连续实现页岩气商业开采，中国四川盆地及周缘涪陵、长宁—威远等地区上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组页岩气不断取得新的突破并实现了商业开发［4-8］。同时，滇黔地区下石炭统页岩气勘探也取得了一些积极进展，通过威页1井、晴页2井、水页1井、德坞1井和黔水地1井的实施，发现页岩含气量为0.48~3.79 m3/t，其中水页1井获得2×104 m3/d稳定产气量［9-11］。2020年后页岩气的勘探屡有突破，但也存在较多无气井或低含气井［12］，因此整体而言下石炭统页岩气勘探程度还相对较低。
近年来桂中坳陷下石炭统页岩气勘探取得了一些重要进展，众多学者认为广西桂中坳陷石炭系暗色页岩普遍发育于台盆或深水陆棚沉积环境，具备厚度大、有机质丰度高等有利条件［13-20］，多口探井点火可燃，均获得一定气测显示，表明了桂中坳陷蕴藏了一定的页岩气资源潜力。然而，桂中坳陷也面临沉积相带变化快、热演化程度高、构造改造强、埋藏时间长、富集条件复杂与主控因素不清等诸多挑战［17-19］。因此本文以桂中坳陷下石炭统鹿寨组（C1 lz）为研究对象，充分利用钻井、地震、大地电磁测深、野外露头及分析测试等资料，综合运用烃源岩地球化学分析、X射线衍射、扫描电镜分析、现场气体解析、等温吸附及盆地模拟等技术手段，从富有机质页岩沉积特征入手，分析其生—储—盖条件及富集特征。并与国内外典型页岩气产区进行对比，进一步揭示桂中坳陷下石炭统鹿寨组页岩气富集主控因素，以期为今后中国南方下石炭统页岩气勘探评价提供思路与参考。
1 区域地质背景
2 页岩气富集条件
2.1 富有机质页岩厚度与分布
桂中坳陷是在华南加里东褶皱带基础上经裂陷、断陷作用形成的被动大陆边缘裂陷盆地，历经了加里东、海西、印支、燕山、喜马拉雅等构造运动形成的大型沉积坳陷。海西期盆地开始下降接受沉积并出现沉积分异，早泥盆世开始海侵，至中晚泥盆世，逐渐形成一个“台盆相间”的古地理格局，沉积了大套的暗色页岩与碳酸盐岩的组合体系。早石炭世，基本继承了晚泥盆世的古地理格局，沉积了厚度较大的页岩夹砂岩或碳酸盐岩，中晚石炭世，海平面下降，岩性以碳酸盐岩为主，石炭系下部的泥页岩层系主要分布在台盆相、陆棚相，呈带状分布。印支期，主要以造山活动为主，桂中坳陷海相沉积结束。燕山期—喜马拉雅期发生抬升—剥蚀作用，总体以剥蚀作用为主。研究区发育NW向、NNE向、近EW向断裂等各种不同方向的较大规模的断裂体系，这些大断裂相互作用、共同控制了研究区的盆地沉积及后期的变形格架［22-23］。海相沉积的泥盆系、石炭系暗色泥页岩在桂中广泛分布。
多口钻井和实测剖面资料显示，下石炭统鹿寨组主要分布于桂中坳陷中—北部，岩性主要以灰黑色炭质页岩、硅质泥岩、含炭钙质泥岩、粉砂岩、砂岩、泥灰岩、灰岩为主，鹿寨组下伏地层为五指山组，岩性为灰色扁豆状灰岩，上覆地层为巴平组或黄金组，岩性主要为深灰色薄—中层状灰岩。鹿寨组分为3段（图1），其中鹿寨组一段整体处于台盆相，以黑色炭质泥岩、硅质岩、硅质泥岩沉积为主，富有机质泥页岩层数多、厚度大；鹿寨组二段水体开始变浅，以灰黑色炭质泥岩、钙质泥岩、泥灰岩及灰岩沉积为主；鹿寨组三段在柳州一带水体变浅，以灰黑色泥岩、粉砂岩、砂岩沉积为主，在环江一带水体变深，以含炭钙质泥岩、泥岩及少量泥灰岩、薄层砂岩为主。平面上和垂向上均具有一定规模的页岩是页岩气形成的基本条件［13，22］，此外页岩厚度越大，其保存能力越好［24-25］，四川盆地成功勘探案例均表明有效的富有机质（TOC>2%）页岩厚度及展布是页岩气商业开发的重要条件之一。
根据钻井和露头资料，研究区下石炭统鹿寨组海相富有机质页岩主要发育于深水台盆相或深水陆棚相，其有效厚度大，分布广（图2）。桂柳地1井、桂融页1井、宜页1井及丹页2井等钻井均揭示TOC>2%的页岩主要分布于鹿寨组中下部，其中桂柳地1井TOC>2%的页岩累计有效厚度约166 m，桂融页1井累计有效厚度95 m，宜页1井累计有效厚度约20 m，丹页2井累计有效厚度约112 m。平面上富有机质页岩主要分布于南丹、环江、宜州、柳城、融水及鹿寨等地，以南丹—环江和柳城—鹿寨一带为中心，向外逐渐减薄。
2.2 烃源岩地球化学条件
2.2.1 有机质丰度
美国页岩气勘探经验表明含气页岩总有机碳含量下限为0.5%，国内专家普遍认为总有机碳含量TOC>2%是页岩气开发的基础条件之一［26-28］。钻井岩心和露头样品测试结果均显示鹿寨组页岩具有较高的有机碳含量［图3（a）］，TOC含量范围为0.17%~10.80%（平均值为2.39%），主要集中于0.5%~4.0%之间，约占总数的80.71%，TOC值大于2%的约占40.61%。不同地区显示TOC值具有非均值性，南丹地区TOC值为0.17%~10.80%（平均值为3.08%），环江地区TOC值为0.28%~5.46%（平均值为1.40%），柳城—融水地区TOC值为0.26%~8.34%（平均值为1.92%），罗城地区TOC值为0.53%~2.35%（平均值为1.12%），宜州地区TOC值为0.46%~7.73%（平均值为2.49%），鹿寨地区TOC值为0.26%~10.08%（平均值为2.69%），丹页2井TOC值为0.47%~9.50%（平均值为3.57%），桂柳地1井鹿寨组一段、二段TOC值为0.27%~10.08%（平均值为3.28%）。按不同岩性的TOC值进行统计分析［图3（b）］，研究发现桂中坳陷富有机质烃源岩类型主要为炭质泥岩（平均值为3.63%）和硅质泥岩（平均值为3.85%），其次为黑色泥岩、钙质泥岩、硅质岩和泥灰岩，粉砂质泥岩、深灰色灰岩TOC值一般小于1%，其中深灰色灰岩TOC值最低。统计地表露头和钻孔岩心共30个样品TOC、石英和黏土矿物含量，结果表明，有机碳含量与石英矿物、黏土矿物分别呈现为正、反的线性关系（图4），该特征表明研究区页岩中的硅可能主要来源于有机成因的硅，早石炭世时期台盆或深水陆棚环境有利于有机质的积累和保存。
2.2.2 有机质类型
环页1井鹿寨组页岩整体以无定形的腐泥有机质（平均含量为63.92%）为主，有机质类型为生烃潜力较高的Ⅰ—Ⅱ1型［29］，丹页2井有机质显微组分中腐泥质含量较高，为47.3%~88.0%，镜质组含量为12.7%~52.0%，显微组分表明，泥页岩上部、下部为Ⅰ—Ⅱ1型，中部为Ⅱ2型［30］。东塘1井下石炭统鹿寨组三段5个样品干酪根碳同位素值为-27.32‰~-24.41‰，主要表现为Ⅱ2型有机质。桂柳地1井干酪根类型自下而上由Ⅰ型往Ⅲ型过渡。地表露头剖面样品测试结果指示研究区干酪根显微组分以腐泥组为主，有机质类型总体表现为Ⅱ1型、Ⅱ2型，少量Ⅲ型。以上研究表明，泥页岩母源主要为海洋浮游生物及微生物，少量来自藻类及高等植物，具备较好的成烃母质类型。下石炭统页岩有机质类型多样，主要归因于研究区早石炭世沉积相带和有机质物源的区域差异性。
2.2.3 有机质成熟度
采取了南丹地区、环江地区、罗城地区、柳城—融水地区、宜州地区、鹿寨地区典型剖面露头黑色泥页岩样品及典型钻孔桂柳地1井、东塘1井样品，根据分析测试，鹿寨组页岩R O值介于1.42%~4.57%之间（平均值为2.54%），东塘1井鹿寨组三段页岩R O值为1.82%~2.13%（平均值为1.97%），桂柳地1井鹿寨组页岩R O值为1.42%~2.86%（平均值为2.18%），环江地区环页1井鹿寨组页岩R O值为2.59%~3.36%［29］，因此桂中坳陷鹿寨组整体处于高成熟—过成熟阶段。
2.3 储集条件
2.3.1 矿物学特征
鹿寨组12个页岩地表样品全岩X射线衍射测试结果［图5（a）］表明，样品主要矿物组分为黏土矿物、石英、方解石和白云石。其中石英含量最高，平均含量为43.4%；其次为黏土矿物，平均含量为36.0%。碳酸盐矿物含量总体较低，平均含量为12.4%。黏土矿物以伊利石和伊/蒙混层为主，含少量高岭石，其中伊/蒙混层介于73%~87%之间，混层比介于5~22之间，黏土矿物组成反映鹿寨组页岩具有较高热演化程度、高—过成熟的特点，高岭石、蒙皂石等不稳定矿物向稳定矿物伊利石转化。
在全岩矿物组成定量分析的基础上，以碳酸盐矿物+长石、黏土矿物、石英+黄铁矿+赤铁矿为三端元划分页岩岩石类型［图5（b）］，结果显示桂中坳陷下石炭统鹿寨组富有机质黑色页岩中脆性矿物含量较丰富，石英含量基本分布在30%~60%之间，优质泥页岩段石英含量为60%左右。与北美Barnet页岩和四川焦页1井页岩对比，丹页2井、桂柳地1井下石炭统鹿寨组优质页岩段脆性矿物含量与之类似。
2.3.2 储集空间特征
通过岩心、岩石薄片、普通扫描电镜及氩离子抛光扫描电镜观察发现，桂中坳陷下石炭统鹿寨组页岩样品储集空间类型主要包括矿物溶蚀孔、晶间孔、有机质孔及微裂缝等。其中硅质泥岩、粉砂质泥岩较易形成粒间孔、晶间孔、微裂缝及部分有机质孔［图6（a）—图6（d）］，这与岩石中石英、长石、黄铁矿等脆性矿物含量较高有关，这类脆性矿物具有一定的抗压实作用，这些孔隙能在后期压实作用和成岩作用较强的条件下部分保存［39］。矿物粒间孔隙多为残余粒间孔隙，形态因压实作用多呈不规则状、狭缝状等，在层状、片状、板柱状、长柱状刚性矿物和软塑性矿物的边界处分布较多；矿物溶蚀孔多为黏土矿物和碎屑颗粒粒间、粒内溶蚀孔，多呈不规则状，连通性较差。炭质泥岩、钙质泥岩较易形成有机质孔隙、微裂缝及部分其他孔隙［图6（e），图6（f）］，有机质孔隙主要与有机碳含量及热演化程度有关，微裂缝较易形成于脆性矿物颗粒边缘及黏土矿物颗粒内。有机质孔隙主要为纳米孔，孔径主要介于20~200 nm之间，平面上通常为似蜂窝状或不规则椭圆形。
2.3.3 孔渗特征
利用覆压孔渗测定仪AP608（ZJ206）（温度18 ℃，湿度48%）测定研究区典型单井孔隙度、渗透率，研究结果表明，桂中坳陷下石炭统鹿寨组页岩具有低—中等孔隙度、低渗透率的特点。东塘1井鹿寨组第三段泥页岩孔隙度为0.68%~3.38%，平均为1.827%（n=19），渗透率为（0.001 75~0.027 5）×10-3 μm2，平均为0.007 7×10-3 μm2（n=19）；桂柳地1井鹿寨组泥页岩孔隙度为0.59%~2.74%，平均为1.74%（n=30）；渗透率为（0.000 8~0.033）×10-3 μm2，平均为0.005 3×10-3 μm2（n=30）；桂融页1井［16］鹿寨组一段页岩孔隙度为3.12%~5.02%，平均为4.19%（n=12），微米—纳米级空隙发育，渗透率为（0.000 5~0.160 9）×10-3 μm2，平均为0.066 3×10-3 μm2（n=12）；环页1井［29］鹿寨组泥页岩孔隙度为1.45%~7.1%，平均为4.5%（n=10），渗透率为（0.006 1~0.049 1）×10-3 μm2，平均为0.018 7×10-3 μm2（n=7）。
2.4 保存条件
构造演化与抬升剥蚀作用对页岩气的保存起着重要影响。桂中坳陷加里东—海西期主要处于盆地沉降—沉积阶段，鹿寨组页岩快速埋藏，晚石炭世—二叠纪开始生气，中三叠世末强烈的印支运动结束了海相盆地的历史，此时的造山运动造成大面积抬升，之后又经历了燕山—喜马拉雅运动的长期剥蚀作用［21］，剥蚀厚度达1 500~4 500 m，古陆边缘及桂东地区剥蚀厚度大于4 500 m［40］。桂中坳陷下石炭统鹿寨组现今已大部分出露地表，对页岩气的保存产生了较为不利的影响，但在剥蚀厚度相对较小、埋深大于1 500 m的地腹部位受燕山—喜马拉雅运动影响相对较小，可能存在较好的保存条件。李爱勇等［41］通过对桂中坳陷大地电磁测深剖面的研究，将桂中坳陷主要分为北部斜坡、西部斜坡、中部坳陷及东部斜坡，结果显示北部斜坡、中部凹陷的背—向斜构造不仅规模大，完整性好，且数量多，下石炭统鹿寨组埋深相对较大，受剥蚀等构造改造作用弱，因此从页岩气构造保存条件角度分析，北部斜坡、中部凹陷及其边缘为构造稳定区域（图7）。
顶底板条件是决定页岩气保存条件好坏的直接因素。通过区域调研，桂中坳陷发育的区域盖层岩性有硅质泥岩、炭质泥岩、致密碳酸盐岩、细粒砂岩。其中泥页岩盖层主要分布于下石炭统、下—中泥盆统，碳酸盐岩盖层主要分布于上泥盆统、上石炭统、二叠系、三叠系。以柳州鹿寨地区鹿寨向斜为例，鹿寨组上方发育有上石炭统、二叠系的泥岩和灰岩，可以作为较好的区域盖层。根据雒容1井的钻探成果显示，上石炭统大埔组（C2 d）厚度可达1 428 m，使得鹿寨组上覆地层变厚，埋深变大，上覆压力增大，从而提高盖层的封堵能力，有效抑制页岩气的垂向与侧向的逸散。桂中坳陷鹿寨组一段、二段富有机质页岩直接顶板为鹿寨组三段泥岩及石炭系巴平组（或黄金组）深灰色中—薄层致密灰岩，底板为上泥盆统五指山组灰色扁豆状灰岩。底板封闭性较好，而顶板由于沉积环境的微弱差异，使得其在岩性、孔隙特征及渗透性存在差异，但随着埋藏深度的增加，顶板封闭性逐渐变好。由于印支运动导致桂中坳陷普遍构造抬升，燕山—喜马拉雅运动造成桂中坳陷普遍被剥蚀，而北部斜坡南缘及中部凹陷剥蚀厚度相对较小，具有良好的区域盖层及顶底板封盖条件。根据前人研究，桂中坳陷埋深800 m之下的地层开始进入水文交替阻滞带，地层封闭性逐渐变好；2 000~3 000 m以下地层属交替停止带［40］，有利于页岩气藏的保存。
因此，鹿寨组页岩在历史时期遭受了较为严重的破坏，影响了桂中坳陷页岩气大规模富集成藏，但在北部斜坡、中部凹陷等相对稳定的区域，仍存在一定的页岩气勘探潜力。
2.5 含气性特征
含气性是反映页岩气是否富集最直接的参数之一［35，42-43］。桂中坳陷多口钻井已显示出下石炭统鹿寨组具有良好的页岩气勘探前景。柳州—融水地区东塘1井在302~355.8 m层段存在气测异常，岩性为鹿寨组三段灰黑色泥岩、灰黑色含粉砂质泥岩，钻至355.8 m时，发生井涌，点火可燃，火焰呈淡蓝色—蓝色，现场解析气量为1.67 m3/t。桂柳地1井下石炭统鹿寨组一段、二段泥岩现场解析气量为0.39~2.9 m3/t（不含残余气、损失气），平均为1.24 m3/t，现场解析含气性数据高值主要集中在1 850~1 944 m之间（图8），解析气量与TOC呈正相关关系。桂融页1井［20］在鹿寨组一段突破性发现连续厚度大、分布范围广、含气量高、开采条件好的Ⅰ—Ⅱ类的页岩气层，12个岩心样品现场解析气量为0.43~1.21 m³/t（1 612 m处），总含气量（不含残余气）为0.9~2.62 m³/t（平均为1.73 m³/t，1 612 m处），解析气体点火可燃，火焰高度为10~15 cm，甲烷含量占比超90%。另外，宜页1井、丹页2井、环页1井、岩2井等均获得一定气测显示或气流。由于桂中坳陷页岩气调查井较少，且部分钻孔未钻穿鹿寨组，因此现场解析含气性数据较少，针对该情况，笔者系统采集了鹿寨组有机质页岩主要赋存地区新鲜剖面露头样品，低温氮气吸附实验显示桂中坳陷鹿寨组页岩具有较好的吸附能力，页岩气吸附能力一般为0.74~5.32 m³/t（表1）。
图8 桂柳地1井鹿寨组一段、二段综合柱状图Fig.8 Comprehensive column diagram of the 1st and 2nd members of Jingluzhai Formation in Well Guiliudi 1 |
表1 桂中坳陷下石炭统鹿寨组页岩气与国内外典型页岩气区块富集条件对比分析Table 1 Comparative analysis of enrichment conditions between Luzhai Formation shale gas of Lower Carboniferous in Guizhong Depression and typical shale gas blocks at home and abroad |
| 地区 | 盆地或区域 | 地层 | 有效厚度 /m | 埋藏深度 /m | TOC/% | R O/% | 有机质类型 | 孔隙度 /% | 渗透率 /（10-3 μm2） | 脆性矿物/% | 含气量 /（m3/t） |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 美国 | Fort Worth | 石炭系Barnett | 30~180 | 1 980~ 2 590 | 4.00~5.00 | 0.80~1.40 | II型 | 4.0~5.0 | 0.100 0~0.500 0 | 30~ 60 | 8.50~9.90 |
| Applachian | 泥盆系Marcellus | 18~83 | 1 200~ 2 400 | 4.40~9.70 | 1.20~2.70 | II型 | 9.0~11.0 | 0.100 0~0.700 0 | 40~70 | 1.70~2.83 | |
| Anadarko | 泥盆系 Woodford | 20~80 | 1 829~ 3 353 | 5.03 | 1.50 | I—II1型 | 5.0 | 0.100 0~0.500 0 | 50~75 | 5.60~8.50 | |
| 中国扬子地区 | 四川盆地威远 | 筇竹寺组 | 30~60 | 2 500~ 3 000 | 0.30~4.90 | 2.00~6.50 | I、II型 | 1.3~5.0 | 0.005 0~0.100 0 | 50~70 | 1.10~3.51 |
| 四川盆地威远 | 五峰组— 龙马溪组 | 45~80 | 2 000~ 3 000 | 1.10~7.80 | 1.60~3.60 | I、II型 | 1.2~7.0 | 0.005 0~3.000 0 | 30~75 | 1.90~4.80 | |
| 重庆涪陵 | 五峰组— 龙马溪组 | 40~80 | 2 000~ 4 000 | 2.00~8.00 | 2.20~3.00 | I—II1型 | 1.2~8.1 | 0.001 0~5.700 0 | 50~80 | 4.70~7.20 | |
| 滇黔北昭通 | 牛蹄塘组 | 40~80 | 1 700~ 2 540 | 1.90~5.18 | 3.75~4.44 | I—II1型 | 0.7~3.8 | 0.002 0~1.400 | 15~71 | 0.15~0.62 | |
| 中国广西桂中坳陷 | 研究区总体 | 石炭系鹿寨组 | 20~180 | 500~ 2 500 | 0.17~10.80 （2.39） | 1.42~4.57 （2.54） | I、II、Ⅲ型 | 0.5~17.4 | 0.000 1~6.520 0 | 8~85 | 0.74~5.32 （等温吸附） |
| 南丹地区 | 石炭系鹿寨组 | 25~150 | 0~2 000 | 0.17~10.80 （3.08） | 3.08~4.57 （3.67） | I—II2 型，少量Ⅲ型 | 1.2~10.2 | 0.000 1~0.052 0 | 20~78 | 1.54~3.31 （等温吸附） | |
| 环江地区 | 石炭系鹿寨组 | 25~100 | 800~ 2 500 | 0.28~5.46（1.40） | 2.15~4.45（3.40） | I—II1 型及 Ⅲ型 | 1.4~7.1 | 0.006 0~0.049 0 | 31~84 | 0.74~2.09 （等温吸附） | |
| 宜州地区 | 石炭系鹿寨组 | 20~50 | >500 | 0.46~7.73（2.49） | 2.00~3.00（2.50） | I—II1 型，少量II2型 | 0.8~10.0 | 0.000 5~0.070 0 | 41~82 | / | |
| 柳城— 融水地区 | 石炭系鹿寨组 | 25~100 | 800~ 2 500 | 0.26~8.34（1.92） | 2.35~2.77（2.62） | II1—II2 型，少量I型 | 0.7~2.2 | 0.011 0~0.089 0 | 37~79 | 0.9~2.62 （现场解析） | |
| 鹿寨地区 | 石炭系鹿寨组 | 25~180 | 1 000~ 2 500 | 0.26~10.08（2.69） | 1.42~2.86（2.34） | II1—II2 型，少量Ⅲ型 | 0.5~17.4 | 0.000 1~6.520 0 | 8~85 | 0.39~5.32 （现场解析+ 等温吸附） |
2.6 国内外典型区块页岩气富集条件对比
国内外学者通过对已取得的勘探进展研究表明［44-47］，页岩气富集或成藏需要一定的物质基础（优势相带下沉积一定厚度的暗色页岩、较高的有机碳含量、适中的有机质成熟度、合适的有机质类型）、较好的储层物性（适中的孔隙度、渗透率、脆性矿物含量等）及较好的保存条件和含气性。对比分析美国3处页岩气商业性开发区块，以及中—上扬子地区已取得的页岩勘探突破区块，分析桂中坳陷鹿寨组与国内外典型页岩气富集条件的差异（表1）。研究表明，桂中坳陷鹿寨组页岩有机碳含量比美国Barnett、Marcellus、Woodford页岩略低，与扬子地区五峰组—龙马溪组相当，比筇竹寺组略高。热成熟度桂中坳陷与四川盆地威远、重庆涪陵地区相当，但比美国偏高。总体上研究区鹿寨组页岩具有高有机碳、高—过成熟演化的特征。扬子地区高—过成熟页岩中已获得重大勘探，显示表明高—过成熟地区仍有良好页岩气勘探前景，但对页岩气保存条件要求较高。另外，研究区鹿寨组页岩表现为低—中孔隙度、低渗透率的特征，比美国低，与我国扬子地区相当。含气量比扬子地区五峰组—龙马溪组略低，但要高于四川盆地筇竹寺组及滇黔北昭通牛蹄塘组。
此外，桂中坳陷鹿寨组TOC>2%的富有机质页岩还具有有效厚度大（20~180 m）、埋藏深度适中（500~2 500 m）、脆性矿物含量高（8%~85%）等优点，通过对比美国及扬子地区典型页岩气藏主要地质参数，认为桂中坳陷下石炭统鹿寨组页岩具备良好的页岩气富集条件。
3 页岩气富集主控因素
3.1 有利沉积相带保证了高有机碳含量
有利的沉积相带是页岩气富集的基础条件，而深水沉积环境的发育又是高品质页岩形成的前提条件。沉积相带和沉积过程控制了富有机质泥页岩的分布，控制了岩性组合的差异，从而影响页岩有机碳含量，另外还会对有机质类型、矿物成分等页岩气富集地质因素产生影响。
早石炭世早期研究区经历了大规模的海侵，进入台盆—斜坡、深水陆棚相沉积环境，富有机质泥页岩主要形成于相对海平面上升时期的海侵体系域，其横向分布主要受到南丹—都安断裂、河池—宜山断裂带的控制，沉积中心南丹—环江、柳城—鹿寨一带暗色泥页岩厚度达到300 m以上，TOC含量大于2%的富有机质页岩厚度一般大于75 m（图2）。同时，鹿寨组沉积相受陆源物质供给影响横向变化较大。台盆—斜坡相主要沿河池—宜州—柳州—荔浦断裂带发育，岩性主要为灰黑色—黑色硅质泥岩、硅质岩、炭质页岩、泥晶灰岩、泥灰岩；深水陆棚相则主要发育于江南古陆南缘环江、融水、融安一带，岩性主要为陆源物质与碳酸盐岩物质的混源，深灰色—灰黑色含粉砂质泥页岩、含钙含粉砂泥岩、炭质页岩夹薄层泥灰岩、泥质粉砂岩。
早石炭世富有机质泥页岩在研究区内整体上TOC含量以>1%为主，且在平面上呈现4个高值区域，分别位于南丹—环江一带、宜州一带、鹿寨—象州一带和柳城—融水一带，其TOC含量均>2%。同时，越靠近古陆的地区其泥页岩TOC含量愈低。纵向上，早石炭世水体表现为逐渐变浅的特征，其控制的页岩有机碳含量自下而上逐渐变低。例如鹿寨地区桂柳地1井1 777~1 943.50 m段累计166 m的黑色炭质泥岩、硅质岩、硅灰岩TOC含量相对较高（图8），TOC>4.0%占绝对优势，平均值为4.6%，属于非常好的烃源岩，而中上部黑色页岩TOC含量则相对较低，基本介于1.0%~5.82%之间。桂柳地1井整体上黑色页岩TOC含量从下至上逐渐降低，其分布规律与沉积相、岩相和古水深变化一致，即下部台盆相黑色炭质泥岩或含硅质泥岩TOC值较高，中上部斜坡相粉砂质炭质页岩或钙质泥质粉砂岩TOC值较低。另外，研究区桂融页1井、丹页2井鹿寨组页岩TOC含量在垂向上均表现出上述特征。总体上，台盆相与深水陆棚相富有机质泥页岩的有机碳含量均较高，且距离沉积中心越近，有机碳含量越高，但由于沉积物源供给的差异性，台盆相有机质母质以藻类及低等浮游生物为主，深水陆棚有机质母质既有藻类低等水生生物，也有高等植物，深水陆棚因靠近江南古陆，陆源物质较多，稀释了部分有机质成分。
由此可见，桂中坳陷下石炭统鹿寨组以台盆或深水陆棚相为页岩气富集的有利相带。
3.2 适中的埋藏深度保证了滞留烃的含量
表2 桂中坳陷鹿寨组页岩生排烃史模拟结果统计Table 2 Simulation results of hydrocarbon generation and expulsion history of Luzhai Formation shale in Guizhong Depression |
| 地区 | 井号 | 层位 | Gtime | Etime | Goil | Ggas | Eoil | Egas | 排油效率/% | 排气效率/% |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 南丹—环江 | CL-1 | C1 lz | 289.20 | 277.30 | 350.00 | 145.00 | 189.00 | 117.00 | 54 | 62 |
| 鹿寨 | 桂柳地1 | C1 lz | 323.24 | 279.71 | 352.00 | 158.00 | 166.00 | 124.50 | 47 | 79 |
|
3.3 恰当的热演化程度形成了有利的生储耦合
根据桂中坳陷鹿寨组页岩的热演变程度和孔隙度的测定来看，R O值处于1.42%~4.45%之间，R O值超过3.5%的地区只有南丹—环江少量地区，因此桂中坳陷鹿寨组正处于页岩气生—储最佳的耦合窗口期。根据样品结果对比显示，当R O值为1.5%~3.5%时，页岩孔隙度主要介于1.0%~6.0%之间（图9），孔隙度相对较高。在耦合窗口期，鹿寨组页岩通过滞留烃的裂解和干酪根的降解作用，获得了丰富的天然气来源，并在一定程度上产生了丰富的有机孔隙，为页岩气的储集提供了良好的空间。
天然气的有效吸附也是耦合窗口期富集的关键因素。选取12件页岩样品进行等温吸附实验，选用ZJ466 RubothermIsosorp HP StaticⅢ型磁悬浮天平高压气体等温吸附/解吸仪，环境温度21 ℃，原位温度30 ℃。
3.4 较慢的抬升速度形成有利的保存条件
构造运动是影响保存条件的重要因素。南方上古生界的岩层受到海西、印支、燕山、喜马拉雅等多个不同时期的构造作用，形成了多期隆起、剥蚀、构造变形等复杂的演化过程，其所在的盆地，除了改造程度不同之外，基本上都是一套改造后的残余盆地。对于常规油气和页岩气而言，构造对油气生成的动态演化过程产生重要影响。随着页岩逐渐埋藏而达到最大埋深，之后进入构造抬升期，同时也进入页岩气藏动态调整阶段，抬升后上覆盖地层剥蚀厚度、抬升时间、抬升幅度对页岩气藏的保存、富集程度起到关键性作用。
利用BasinMod盆地模拟软件，使用前人热史—生烃史研究的资料，用EASY%R O模型恢复了鹿寨地区桂柳地1井及南丹—环江地区丹页2井埋藏史。模拟结果显示，鹿寨地区桂柳地1井鹿寨组一段底部页岩于中二叠世末期（274.88 Ma，埋藏深度为4 608.47 m）进入生气高峰，之后继续沉降，埋深增加，最大埋藏深度为5 743 m（对应埋藏时间为241 Ma）［图11（a），图11（c）］；南丹—环江地区丹页2井鹿寨组底部页岩于早三叠世早期（249.92 Ma，埋藏深度为4 519.41 m）进入生气高峰，之后继续沉降，埋深增加，最大埋藏深度为6 149 m（对应埋藏时间为205 Ma）［图11（b），图11（d）］。
由上可知，桂中坳陷富有机质页岩进入生烃高峰期较早，但之后的构造抬升时间长，抬升缓慢，桂柳地1井和丹页2井鹿寨组抬升速度分别为15.77 m/Ma、28.29 m/Ma，相对而言，鹿寨地区抬升速度更加缓慢，对页岩气的破坏更低。而缓慢的抬升，也给页岩内部微裂纹的产生提供条件，使页岩气向周边运移。因此桂中坳陷在抬升期保存条件较好，有利于页岩气动态富集。
3.5 有利的构造样式内部稳定
与北美地区相比，我国南方海相页岩主要表现为形成时代老，热演化程度高，构造运动期次多，构造变形复杂的特点［61］，因此寻找构造强度合适、埋藏条件适中、构造样式有利的区块尤为重要。
研究区内有利构造样式主要为宽缓背（向）斜、隔挡式构造样式、基底卷入型断层褶皱、基底卷入型逆冲构造，与重庆洁陵焦石坝区块构造样式（含页岩气）具有一定的相似性。例如在柳州鹿寨地区发育有利的基底卷入型逆冲构造，B—B′地震剖面显示该地区由一系列近于平行或相对的逆冲断层组成的对冲构造、背冲构造、断层褶皱及叠瓦状逆冲构造，该剖面由NE向区域性断裂控制形成的东塘向斜、鹿寨向斜组成（图12）。
两向斜的核部普遍被第四系覆盖，两翼地层产状较平缓，倾角一般为15°~30°。雒容1井处于对冲三角构造稳定区，东塘1井、桂柳地1井处于背冲构造相对稳定区，向斜中心地带宽缓，向斜翼部被逆冲断层切割。东塘1井、桂柳地1井钻遇鹿寨组时均有含气显示，其中东塘1井现场气测录井从井深100~1 224 m均有明显的含气显示，综合解释井段为52.9~1 219.9 m，共解释出含气储层18层，证明了2口井均处于构造相对稳定区域，有利于页岩气保存。雒容1井由于未钻穿鹿寨组目的层而无气体显示，但该区位于对冲三角构造稳定区域，地层埋深、地层平缓度均优于东塘向斜，因此也显示出较好的页岩气勘探潜力。
4 页岩气勘探有利区优选
有利区评价图及页岩气富集条件对比表明（图13，表1），柳城北地区、鹿寨地区富有机质页岩有效厚度相对较大，一般大于50 m，桂融页1井、桂柳地1井鹿寨组页岩TOC含量大于2%的累计厚度均超过90 m，热演化程度适中，柳城北地区R O值平均为2.62%，鹿寨地区R O值平均为2.34%，有利于页岩气富集，有机质类型均为II1型—II2型，储层物性较好，具低孔低渗特征，桂融页1井、桂柳地1井含气性均显示良好，受构造改造作用弱，剥蚀厚度小，埋深适中，一般大于1 500 m，地层平缓，地层倾角一般小于15°，区内及周缘无岩浆岩活动，保存条件良好，地貌上一般呈低矮平缓山地或丘陵，利于后期开发施工。南丹地区鹿寨组页岩TOC含量大于2%的累计厚度为25~150 m，热演化程度高，大部分地区R O值大于3.5%，主要受南丹大厂岩体（位于丹页2井西南约2~5 km）影响，且该地区鹿寨组历史时期经历的最大埋深较大（丹页1井历史最大埋深6 149 m），但在丹页2井以北、以东一带热演化程度相对适中，R O值一般小于3.5%，具备较好的成烃条件，储层物性显示低孔低渗特征，受后期改造作用较弱，无深大断裂经过，埋深一般为0~2 000 m，具备较好的保存条件，等温吸附实验测得含气量为1.54~3.31 m3/t。环江地区鹿寨组页岩分布广泛，TOC含量大于2%的累计厚度约为25~100 m，热演化程度高，R O值为2.15%~4.45%，环江北西地区R O值一般小于3.5%，处于生储耦合最佳窗口之内，脆性矿物含量高，区内基本无岩浆分布，断裂活动影响较小，区内地层平缓，构造变形程度低，埋深为800~2 500 m，埋深适中，具有一定的含气显示，环江县城附近村民水井冒气，点火可燃，区内鹿寨组页岩等温吸附样品显示含气量为0.74~2.09 m3/t，环页1井鹿寨组具有一定含气显示，可作为页岩气勘探的有利区。
因此，综合研究认为桂中坳陷页岩气的勘探有利区主要位于柳城北地区、鹿寨地区、南丹地区、环江地区。另外宜州地区、龙头地区（德胜1井南边）、象州西地区发育了一定厚度的富有机质页岩，值得关注，但无页岩气调查井或较好的油气显示，故本文研究暂未列入页岩气勘探有利区。
5 结论
（1）滇黔桂盆地桂中坳陷下石炭统鹿寨组页岩具有厚度大、有机质丰度高、有机质类型好、脆性矿物含量高等有利页岩气富集条件，且多口钻井已证实桂中坳陷具有良好的含气性（东塘1井、桂柳地1井、桂融页1井、丹页2井等均有较高的含气量），现场解析气量最高为2.9 m3/t，露头样品等温吸附试验也表明具有较高的吸附能力（最高为5.32 m3/t），TOC> 2.0%的富有机质页岩厚度为20~180 m，大部分地区为高—过成熟热演化程度。
（2）基于国内外典型页岩气区块主要地质条件的对比分析，桂中坳陷下石炭统鹿寨组页岩与扬子地区五峰组—龙马溪组页岩具有较高的相似性，且含气性较高，显示出良好的页岩气勘探前景。
（3）沉积相、埋藏深度、热演化程度、保存条件、构造样式是影响桂中坳陷鹿寨组页岩气规模富集的主要因素。包括：台盆或深水陆棚相是桂中坳陷页岩气富集的有利相带，此相带内有机碳含量均较高，从而保证了富集的物质基础；适中埋藏深度下的“滞留烃”及干酪根联合生烃提供了充足的气源；热演化阶段，鹿寨组处于最佳生储耦合窗口，R O值为1.5%~3.5%，此窗口内孔隙度一般大于1.0%，有利于天然气吸附；桂中坳陷构造抬升强度弱，破坏力低，有利于页岩气的后期保存；坳陷内发育以对冲—背冲构造样式形成的向斜，其构造变形强度小，向斜内构造稳定，也有利于页岩气的保存。
（4）以桂中坳陷页岩气富集条件及主控因素为基础，利用单因素—多因素叠加法，综合分析认为桂中坳陷页岩气的勘探有利区主要位于柳城北地区、鹿寨地区、南丹地区及环江地区。整体上桂中坳陷生烃物质基础较好，应重点关注页岩气保存条件。
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