2014, Vol. 26
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2. 中国地质大学(北京)海相储层演化与油气富集机理教育部重点实验室, 北京 海淀 100083;
3. 湖南省煤田地质局, 湖南 长沙 410114
2. MOE Key Laboratory of Marine Reservoir Evolution and Hydrocarbon Accumulation Mechanism, China University of Geosciences(Beijing), Haidian, Beijing 100083, China;
3. Bureau of Coal Geology of Hunan Province, Changsha, Hunan 410114, China
随着非常规油气勘探技术不断提高，页岩气逐渐成为世界各国能源结构中的重要组成部分[1]。Curtis 将页岩气定义为以吸附气和游离气为主体聚集在泥页岩地层中的天然气[2]。页岩气具有“自生自储”、存在相态多样、运移距离短、多种封闭机理等特点[3-6]。对于中国南方海相页岩来说，其赋存层系分布广、成因类型复杂和后期改造强烈，使得勘探开发面临着多方面的挑战[7]。湘西北地区作为南方海相页岩赋存的重点区域，备受诸多学者关注。肖正辉等利用野外露头剖面对该区牛蹄塘组地质条件作了浅析[8]；王光凯等对该区裂缝发育特征及矿物含量进行了初探[9]；王阳等对该区页岩进行了压汞实验分析[10]。但前人研究还存在以下不足：样品通常采集了部分剖面岩层，样品数量有限；下寒武统中罕见镜质体，镜质体反射率无法确定岩石的实际成熟度；对于页岩这种岩性致密的岩石仅用压汞实验无法获得全面的储层物性特点。本文通过野外露头样品、剖面实测及多种实验等手段，获取了相关地质与储层参数，分析研究湘西北地区下页岩气形成有利条件及孔隙结构特征，面向油气勘探实际，具有基础性、前瞻性和实用性。
研究区位于湖南省西北部，大地构造位置属扬子陆块[8]，包括湘北断褶带和雪峰构造带两个二级构造单元。东南侧为雪峰山构造带的武陵断弯褶皱带，为一长期隆起区，中生代后产生断裂凹陷。西北侧为湘北断褶带的桑植—石门复向斜，为研究区主体部分。区内主要构造变形为卷入早古生界—中三叠统的褶皱和少量同走向逆断裂。褶皱走向自西向东呈弧形偏转，西部为NNE 向，东部转为NEE 向至近EW 向（图 1）。区内出露地层主要为寒武系—志留系和泥盆系—中三叠统，前者出露于西北部和东南部，后者出露于中部，从而组成一复式向斜。
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| 图1 湘西北构造体系图 Fig. 1 The structural system of northwestern Hunan |
牛蹄塘期沉积了一套厚度较大的黑色炭质页岩，且在全区岩性变化差异较大[9]。下部以黑色薄层硅质岩、硅质板状页岩为主（图 2a），夹高炭质板状页岩与石煤层，石煤层中含磷结核；上部为黑色炭质板状页岩，间夹含炭质灰岩（图 2b）。岩性总体上由黑色炭泥质沉积物组成，单层薄，其中发育水平层理，指相矿物有黄铁矿，底部含磷结核，下部炭质页岩中含丰富的有机碳，并含钒、钼、铀、镍、铂等多种元素。矿物含量以石英为主，均达到50% 以上，其次为碳酸盐岩和黏土矿物。如永顺王村寒武系牛蹄塘组剖面黏土矿物含量28.91%、石英含量57.02%、钾长石含量1.62%、斜长石含量9.00%、方解石含量2.22%、铁白云石含量4.06%、黄铁矿含量2.95%、菱铁矿含量0.65%。
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| 图2 湘西北地区下寒武统牛蹄塘组页岩野外露头 Fig. 2 Photos of shale outcrop in Lower Cambrian Niutitang Formation of northwest Hunan |
镜下观察显示，该区碳质页岩主要成分为黏土矿物、石英、绢云母及黄铁矿等。其中沥青基质较多，黄铁矿可见溶蚀现象，孔隙发育顺层分布（图 2c）。在油侵反射偏光显微镜下，岩石常夹杂黑色黏土类矿物（大部分是矿物沥青基质），荧光照射下可见荧光；有机组分较少，仅见海相惰性体（图 2d），反射率很高，具灰白-灰色光亮，形态不规则；由于有机质成熟度较高，藻类体类型难以辨认；偶见有机组分被黄铁矿矿化，另外可见疑源组；个别样品可见大量次生有机质沥青碎片。
1.2 沉积环境页岩气的工业聚集需要富有机质页岩大量保存，沉积环境的好坏成为提供优质烃源岩的物质基础。优质烃源岩的形成需要较快速的沉积速度和封闭性较好的还原环境同时并存。根据牛蹄塘组岩性特点及发育微侵蚀面和粒序层理等沉积构造来看，总体属于深海盆地环境。地层砂质夹层向北西方向逐渐增多，表明海平面相对变浅；所含化石稀少，仅有海绵骨针化石，表明其水流不畅、宁静，相对闭塞，为还原环境下的滞流海盆沉积。
2 生烃条件 2.1 烃源岩厚度黑色页岩的厚度是保证足够有机质及充足储集空间的前提条件，厚度越大，越有利于页岩气聚集及保存[11]。研究区下寒武统牛蹄塘组黑色页岩厚度随产出地区及层位而变化（图 3），在龙山地区为270 m，常德石门杨家坪为210 m，而张家界附近则小于90 m。这种厚度变化趋势，主要受沉积相带控制，由湘西湘东南台地边缘向湘南沉积盆地，黑色页岩厚度逐渐变薄。由于后期受多期构造抬升，部分地区牛蹄塘组已剥蚀殆尽，出露元古界。上覆石牌组，主要为灰绿色泥页岩，相对厚度较大，两者呈整合接触。其对下伏页岩气起到了封盖作用。
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| 图3 湘西北下寒武统牛蹄塘组页岩气综合评价图 Fig. 3 Comprehensive evaluation of the Niutitang Formation in northwestern Hunan |
目前总有机碳含量（TOC）已是普遍衡量生烃强度和生烃量的重要指标[12]。美国五大页岩气盆地的含气页岩TOC 一般在1.50%∼20.00%，其中Antrim 页岩与NewAlbany 页岩的总有机碳最高值可达25.00%，Lewis 页岩的总有机碳含量最低，也可达到0.45%∼2.50%[13]。
本次样品均采自野外新鲜露头，在条件适宜的地区采取了部分矿洞样品。聂海宽等对比了重庆市秀山县某地露头区域与浅钻区域页岩样品TOC 含量，认为两者沉积环境差异不大，地表氧化对有机碳损耗影响较小[14]。本次研究表明，下寒武统牛蹄塘组页岩有机碳含量为0.18%∼9.30%，平均2.45%，主体在1.00%∼3.00%（表 1）。平面上，高有机碳含量区主要集中在永顺县石堤镇、花垣县龙潭镇、慈利县高桥镇一带，有机碳含量分别为4.28%、5.62% 和9.30%。有机碳含量整体上有向西北减小的变化趋势（图 3）。在在怀化市芦溪县黑色页岩剖面中，底部有机碳含量为3.40%，向上有机质含量减小，至顶部为0.81%，全段平均为1.87%。这是由于向上缺氧环境遭到破坏，造成岩性变化，有机碳含量逐渐减小。
| 表1 湘西北下寒武统牛蹄塘组页岩地化特征 Table 1 Geochemistry characteristics of the Niutitang Formation in northwestern Hunan |
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有机质成熟度反映了沉积盆地中源岩经历的最高温度[15]。镜质组反射率作为最可靠的有机质成熟度指标，已广泛应用于表征有机质成熟演化的研究[16-17]。然而，在早古生界中，由于缺乏镜质体而无法进行镜质体反射率测定。国际煤及有机岩石学会将沥青反射率（Rb）关系式（Ro = 0.618Rb + 0.4）作为除镜质体反射率（Ro）以外表征烃源岩有机质成熟度的另一个指标[18]。
测定研究区样品沥青反射率，然后通过公式将其换算成等效镜质体反射率Rb。结果表明，下寒武统牛蹄塘组类镜质体反射率在0.95%∼4.44%，平均2.46%，处于湿气—干气阶段，成熟度高，其平面分布见图 3。
2.4 有机质类型通常认为以腐泥组为主的有机质（I 型干酪根）在低熟阶段以生油为主，到高成熟阶段后以生气为主。湘西北地区牛蹄塘组干酪根显微组分以腐泥组+ 壳质组为主，含量多数大于90%，干酪根碳同位素为-32.92 ‰∼-30.41 ‰，有机质类型均属I型干酪根（表 1）。
3 储集条件 3.1 扫描电镜下岩石孔、裂隙特征扫描电镜下可观察到的孔隙类型有原生孔、外生孔和矿物质孔3 大类。其中，有机质气孔普遍存在，单个气孔的形状以圆形为主，其次为椭圆状和港湾状（图 4a）。另见大量矿物破碎后形成的碎裂孔（图 4b）及矿物质晶间孔（图 4c）。由于页岩岩性致密，且牛蹄塘组黑色页岩普遍为微变质板状页岩，因此扫描电镜下，外生裂隙主要以闭合状压性裂隙为主，裂缝长且方向性强。构造强烈地区岩石受挤压作用可见张性裂隙，并伴有由剪应力产生的剪性裂隙。内生裂隙有失水裂隙（图 4d），单条裂隙多呈弯曲状，长短不均，多条失水裂隙常组合成不规则网状；静压裂隙（图 4e），与层面垂直，不穿层，主要呈短、直、定向等特征；缩聚裂隙（图 4f），弯曲、密集，长度为10.0 μm 左右，宽0.1∼1.0 μm。
3.2 页岩孔隙结构特征页岩气样品孔隙度ϕ 为0.2%∼25.9%，平均9.5%，孔隙度中等且各个样品的差别较大；喉道均值在10.23∼16.31 nm，平均14.28 nm，且各个样品差别不大（图 5）；最大进汞饱和度为5.73∼91.42 MPa，平均55.82 MPa，其中G40-1 和P17-71 号样品值为14.65 和5.73 较小，说明其渗透率较好，有较好的生产能力，这与扫描电镜下大量聚集气孔的出现有关；退汞效率为0∼57.37%，平均18.00%，样品的退汞效率较高，反映研究区页岩样孔隙和喉道分布均匀；分选系数为0.43∼1.39，平均为0.99，大部分小于1.00，说明页岩孔隙分选性较好，孔隙分布较均匀，有利于页岩气的排出。
为弥补压汞测试孔径范围的局限性，对页岩进行了低温液氮吸附实验。实验结果表明，湘西北地区牛蹄塘组地层BET 比表面变化范围较大，从0.46∼19.14 m2/g，平均5.96 m2/g；BJH总孔体积为0.001 42∼0.037 10 mL/g，平均0.014 00∼218.000 00 mL/g；平均孔径为3.72∼48.31 nm，平均值为14.45 nm；微孔变化范围较大，微孔所占的最小比例为15.23%，最大比例为95.04%，但总的来说，大部分岩样还是以微孔为主，内表面积较大，为页岩气的吸附提供了充足的空间。
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| 图4 下寒武统牛蹄塘组微观结构特征 Fig. 4 Microstructure characteristics of the Niutitang Formation in northwestern Hunan |
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| 图5 黑色页岩孔隙度分布图及孔喉均值分布图 Fig. 5 The porosity and mean pore throat distribution of the black shale |
湘西北下寒武统牛蹄塘组页岩样品等温吸附甲烷测试在50 ℃条件下进行，测试样品颗粒大小在60∼80 目，页岩样重量在123.025∼155.325 g，测试的最高平衡压力在6.79∼6.93 MPa。实验结果表明，兰氏体积为0.28∼1.17 m3/t，平均0.64 m3/t；兰氏压力为0.34∼1.95 MPa，平均1.06 MPa；平衡水分（Mad）为1.08%∼9.79%，平均3.40%；灰分产率（Aad）为71.70%∼91.54%，平均80.20%（表 2）。将实测数据拟合后发现，页岩中吸附气含量与平衡水分呈正相关关系，而与灰分呈负相关关系（图 6）。
| 表2 黑色页岩甲烷等温吸附实验结果 Table 2 The methane adsorption results of the black shale |
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| 图6 黑色页岩甲烷等温吸附曲线 Fig. 6 The methane adsorption isotherm of the black shale |
研究区内一些油气探井在钻至牛蹄塘组时普遍存在气显示，其中龙山县茅2 井开孔层位下寒武统石牌组，完钻层位寒武系下统牛蹄塘组（未穿），完钻井深678.15 m。该井在石牌组见170 m/1 层和牛蹄塘组见38 m/1 层气测异常。常德石板滩常页1 井完钻井深1 377.68 m。在1 100∼1 250 m 进行了含气性测试，其炭质页岩厚150 m，含气量达0.5∼2.1 m3/t，基本达到了工业开发下限。
美国页岩气勘探实践表明：富有机质页岩厚度一般在15 m 以上，区域上连续稳定分布，厚度一般在30 m 以上，要求有一定的保存条件，盆地中心区或构造斜坡区为有利区。页岩含有脆性矿物和微裂缝。TOC 一般大于1%；热成熟度在生气窗范围之内，Ro 一般在1.1% 以上，主要页岩气层的Ro 为1.1%∼3.5%[19-20]。
根据页岩气聚集主控因素及目前资料现状，采用综合信息叠合法，利用地层厚度、有机碳含量和有机质热演化程度等指标对下寒武统牛蹄塘组页岩气有利区域进行初步预测，认为以下两个区域可作为今后勘探工作的重点（图 3）。
（1）桑植—永顺一带。其下寒武统牛蹄塘组含量高，达到1.5%∼4.0%；成熟度为2.0%∼2.8%，达到过成熟阶段；埋藏厚度大，上覆地层层系多，对页岩气具有很好的封盖作用。并且该区黑色页岩厚度可达110∼230 m，沉积厚度大，可以作为良好的储集层和盖层。
（2）慈利—石门一带。其下寒武统牛蹄塘组含量高，达到3.0%∼7.0%；成熟度为2.8%∼3.2%，达到过成熟阶段；埋藏厚度适中，厚度可达90∼190 m，总体条件较好。常页1 井在该区钻遇牛蹄塘组含气页岩厚度达180 m，含气量测试为0.5∼2.1 m3/t，勘探前景可观。
5 结论（1）湘西北地区下寒武统牛蹄塘具有沉积面积广、厚度大、有机碳含量高（平均1.87%）、成熟度高（经换算大于1.0%以上）等特点，为有机质的生成提供了充足保障，均达到页岩气成藏条件的下限。
（2）牛蹄塘组孔隙度差异大（0.2%∼25.9%），但孔喉均值变化不大（12.5±3.0 nm），分选性好，有利于含气页岩储层改造后的运移；孔隙结构以微小孔为主，内表面积大，吸附甲烷能力较强，具有较好的含气潜能。
（3）利用页岩厚度、有机碳含量、热演化程度及美国勘探成功经验等信息叠合预测表明,牛蹄塘组页岩气有利勘探地区大致分布在西北地区桑植—永顺一带及北部慈利—石门一带。
| [1] | Ross D J K, Bustin R M. Characterizing the shale gas resource potential of Devonian-Mississippian strata in the western Canada sedimentary Basin:Application of an integrated formation evaluation[J]. AAPG Bulletin, 2008, 92 (1) : 87 –125. DOI:10.1306/09040707048 |
| [2] | Curtis J B. Fractured shale-gas systems[J]. AAPG Bulletin, 2002, 86 (11) : 1921 –1938. |
| [3] |
张金川, 薛会, 张德明, 等. 页岩气及其成藏机理[J].
现代地质, 2003, 17 (4) : 466 .
Zhang Jinchuan, Xue Hui, Zhang Demin, et al. Shale gas and its formation mechanism[J]. Modern Geology, 2003, 17 (4) : 466 . |
| [4] |
张金川, 金之钧, 袁明生. 页岩气成藏机理和分布[J].
天然气工业, 2004, 24 (7) : 15 –18.
Zhang Jinchuan, Jin Zhijun, Yuan Mingsheng. The accumulation mechanism and distribution of shale gas[J]. Natural Gas Industry, 2004, 24 (7) : 15 –18. |
| [5] |
陈更生, 董大忠, 王世谦, 等. 页岩气藏形成机理与富集规律初探[J].
天然气工业, 2009, 29 (5) : 17 –19.
Chen Gengsheng, Dong Dazhong, Wang Shiqian, et al. A preliminary study on the formation and accumulation mechanism of shale gas reservoir[J]. Natural Gas Industry, 2009, 29 (5) : 17 –19. |
| [6] |
王祥, 刘玉华, 张敏, 等. 页岩气形成条件及成藏影响研究[J].
天然气地球科学, 2010, 21 (2) : 350 –356.
Wang Xiang, Liu Yuhua, Zhang Min, et al. Conditions of formation and accumulation for shale gas[J]. Natural Gas Geoscience, 2010, 21 (2) : 350 –356. |
| [7] |
胡文瑞, 鲍敬伟. 探索中国式的页岩气发展之路[J].
天然气工业, 2013, 33 (1) : 1 –7.
Hu Wenrui, Bao Jingwei. To explore the way of Chinesestyle shale gas development[J]. Natural Gas Industry, 2013, 33 (1) : 1 –7. |
| [8] |
肖正辉, 杨荣丰, 冯涛, 等. 湘西北下寒武统牛蹄塘组页岩气成藏条件及其勘探潜力分析[J].
湖南科技大学学报:自然科学版, 2012, 27 (1) : 50 –54.
Xiao Zhenghui, Yang Rongfeng, Feng Tao, et al. Reservior-forming conditions and exploration potential of shale gas lower Cambrian Niutitang Formation[J]. Journal of Hunan University of Science & Technology:Natural Science Edition, 2012, 27 (1) : 50 –54. |
| [9] |
王光凯, 焦鹏. 湘西北地区下寒武统牛蹄塘组页岩气成藏条件[J].
能源与节能, 2013 (1) : 35 –36.
Wang Guangkai, Jiao Peng. Accumulation condition of Niutitang Formation of lower Cambrian shale gas resource in northwestern Hunan Region[J]. Energy and Energy Conservation, 2013 (1) : 35 –36. |
| [10] |
王阳, 朱炎铭, 陈尚斌, 等. 湘西北下寒武统牛蹄塘组页岩气形成条件分析[J].
中国矿业大学学报, 2013, 42 (4) : 586 –594.
Wang Yang, Zhu Yanming, Chen Shangbin, et al. Formation conditions of shale gas in lower Cambrian Niutitang Formation,northwestern Hunan[J]. Journal of China University of Mining & Technology, 2013, 42 (4) : 586 –594. |
| [11] |
杨振恒, 李志明, 沈宝剑, 等. 页岩气成藏条件及我国黔南坳陷页岩气勘探前景浅析[J].
中国石油勘探, 2009 (3) : 24 –28.
Yang Zhenheng, Li Zhiming, Shen Baojian, et al. Gas accumulation conditions and exploration prospect in southern Guizhou Depression[J]. China Petroleum Exploration, 2009 (3) : 24 –28. |
| [12] |
张静平, 唐书恒, 郭东鑫. 四川盆地下古生界筇竹寺组与龙马溪组页岩气勘探优选区预测[J].
地质通报, 2011, 30 (2-3) : 357 –363.
Zhang Jinping, Tang Shuheng, Guo Dongxin. Shale gas favorable area prediction of the Qiongzhusi Formation and Longmaxi Formation of lower Palaeozoic in Sichuan Basin, China[J]. Geological Bulletin of China, 2011, 30 (2-3) : 357 –363. |
| [13] |
李玉喜, 乔德武, 姜文利, 等. 页岩气含气量和页岩气地质评价综述[J].
地质通报, 2011, 30 (2-3) : 308 –317.
Li Yuxi, Qiao Dewu, Jiang Wenli, et al. Gas content of gas-bearing shale and its geological evaluation summary[J]. Geological Bulletin of China, 2011, 30 (2-3) : 308 –317. |
| [14] |
聂海宽, 张金川. 页岩气储层类型和特征研究——以四川盆地及其周缘下古生界为例[J].
石油实验地质, 2011, 33 (3) : 219 –225.
Nie Haikuan, Zhang Jinchuan. Types and characteristics of shale gas reservoir:A case study of lower Paleozoic in and around Sichuan Basin[J]. Petroleum Geology and Experiment, 2011, 33 (3) : 219 –225. |
| [15] | Pasley M A, Gregory W A, Hart G F. Organic-matter variations in transgressive and regressive shales[J]. Organic Geochemistry, 1991, 17 (4) : 483 –509. DOI:10.1016/0146-6380(91)90114-Y |
| [16] | Feyzullayev A A, Lerche I. Organic matter maturity and clay mineral transformations in overpressured formations:Comparison histories from two zones of the south Caspian Basin[J]. Energy Exploration & Exploitation, 2011, 29 (1) : 21 –32. |
| [17] |
李先奇, 张水昌, 朱光有, 等. 中国生物成因气的类型划分与研究方向[J].
天然气地球科学, 2005, 16 (4) : 477 –484.
Li Xianqi, Zhang Shuichang, Zhu Guangyou, et al. Types and research direction of biogenic gas in China[J]. Natural Gas Geoscience, 2005, 16 (4) : 477 –484. |
| [18] | 涂建琪, 金奎励. 表征海相烃源岩有机质成熟度的若干重要指标的对比与研究[J]. 地球科学进展, 1999, 14 (1) : 18 –23. |
| [19] | Hammes U, Hamlin H S, Ewing T E. Geologic analysis of the upper Jurassic Haynesville Shale in east Texas and west Louisiana[J]. AAPG Bulletin, 2011, 95 (10) : 1643 –1666. DOI:10.1306/02141110128 |
| [20] |
李延钧, 刘欢, 刘家霞, 等. 页岩气地质选区及资源潜力评价方法[J].
西南石油大学学报:自然科学版, 2011, 33 (2) : 28 –34.
Li Yanjun, Liu Huan, Liu Jiaxia, et al. Geological regional selection and an evaluation method of resource potential of shale gas[J]. Journal of Southwest Petroleum University:Science & Technology Edition, 2011, 33 (2) : 28 –34. |