湘西北下寒武统牛蹄塘组页岩气藏形成条件与资源潜力

张琳婷¹，郭建华¹，焦鹏 ¹，张振^{1, 2}

(1. 中南大学 地球科学与信息物理学院，湖南 长沙，410083；

2. 中石化胜利石油工程有限公司地质录井公司，山东 东营，257064)

摘要：在野外地质露头观察和样品测试数据综合分析的基础上，对湘西北地区下寒武统牛蹄塘组暗色泥页岩的区域分布、有机质丰度、有机质类型、成熟度以及储层特征等页岩气藏形成条件进行研究。研究结果表明：研究区下寒武统牛蹄塘组页岩具有区域分布广、厚度大、埋藏深度适中，有机质丰度高、热演化程度高、脆性矿物丰富、物性良好、储渗空间发育等特点，具备页岩气聚集成藏的有利地质条件。认为吉首—花垣—龙山一带和桑植石门复向斜南翼斜坡带是研究区牛蹄塘组页岩气发育最有利区；采用体积法对研究区下寒武统牛蹄塘组页岩气资源储量进行估算，资源储量区间值为(0.5~2.1)×10¹² m³，中值为1.3×10¹² m³。

关键词：湘西北；下寒武统牛蹄塘组；页岩气；有利区

中图分类号：TE122          文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2014)04-1163-11

Accumulation conditions and resource potential of shale gas in Lower Cambrian Niutitang formation, northwestern Hunan

ZHANG Linting¹, GUO Jianhua¹, JIAO Peng¹, ZHANG Zhen^{1, 2}

(1. School of Geosciences and Info-Physics, Central South University, Changsha 410083, China;

2. SINOPEC Shengli Petroleum Engineering Corporation, Geologging Company, Dongying 257064, China)

Abstract: Based on comprehensive analysis of outcrops observation and sample testing, the formation condition of shale gas in Lower Cambrian Nititang formation dark shale of northwestern Hunan was analyzed, such as regional distribution, contents of organic matter and its maturity, reservoir characteristics of the dark shale. The results show that the lower Cambrian Niutitang formation shale in the study area is widely distributed, has great thickness, moderate burial, abundance of organic matter, high degree of thermal evolution, brittle mineral wealth, better physical properties, development of reservoir and flow space, possessed of advantageous geological conditions for shale gas accumulation.The most favorable area for shale gas accumulation in the Niutitang Formation shale is along Jishou—Huayuan—Longshan area, south slope belt of Sangzhi Shimen synclinorium. Estimation with the volumetric method shows that the shale gas volume in the Niutitang Formation is (0.5-2.1)×10¹² m³，the median volume is 1.3×10¹² m³.

Key words: northwestern Hunan; lower Cambrian Niutitang; shale gas; favorable area for shale gas

页岩气属于非常规天然气资源的一种，作为一种重要的能源矿产和战略资源，在石油紧缺和能源安全日益严峻的今天，已引起国内高度关注^[1]。中国页岩气主要发育于南方、华北—东北、西北及青藏等四大地区^[2-3]，研究区位于南方地区。Curtis^[4]对页岩气进行了界定并认为，页岩气在本质上就是连续生成的生物化学成因气、热成因气或两者的混合，它具有普遍的地层饱含气性、含气面积大、隐蔽聚集、多种岩性封闭以及相对很短的运移距离等特点，可以在天然裂缝和孔隙中以游离方式存在、在干酪根和黏土颗粒表面上以吸附状态存在，甚至在干酪根和沥青质中以溶解状态存在。张金川等^[5-6]认为，页岩气是指主体位于暗色泥页岩或高碳泥页岩中，以吸附或游离状态为主要存在方式的天然气聚集。在页岩气藏中，天然气也存在于夹层状的粉砂岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩甚至砂岩地层中，为天然气生成之后在源岩层内就近聚集的结果，表现为典型的“原地”成藏模式。自生自储、吸附作用及由此产生的大规模聚集是页岩气的重要地质特点。湘西北地区油气勘探工作已陆续开展了50余年，虽然取得了一定的勘探成果，但由于该区油气地质条件复杂，即油气有机质演化程度高、油气成藏及保存条件复杂，造成对油气勘探工作难度大，勘探成本高。而页岩气与常规天然气藏不同，其成藏条件较常规天然气藏简单，这为研究区天然气的勘探带来了新的契机。

1  区域地质概况

图1所示为研究区位置示意图。由图1可见：研究区位于扬子准地台东南缘上扬子台褶带与江南地轴结合部位的武陵褶断带内；西北侧以NEE向展布的慈利—保靖断裂带为界，与江南隆起带相隔；在下寒武统的地层分区上，除龙山茨岩塘至桑植五道水一线的西北属于扬子区外，其余为武陵山过渡区，隶属于扬子区和江南区之间的过渡地带^[7]；武陵期至燕山期，研究区经历了多期次地壳构造运动，褶皱和断裂构造发育，构造线方向由NNE向逐渐偏转为NE向，构成了湘西弧形构造带之西北端。

图1  研究区位置示意图

Fig. 1  Location map of research area in Northwestern Hunan

2  成藏条件分析

页岩气特殊的成藏机理使其成藏条件较常规气藏要简单，从而使得页岩气藏能够大面积展布，即与泥页岩类烃源岩展布范围基本一致。广义上的页岩气普遍发育且分布广泛，但要形成具有工业勘探开发价值的页岩气尚需具备相应的地质条件^{[6, 7]}：页岩层总有机碳质量分数一般大于2%，有机质热成熟度在生气范围之内，镜质体反射率(R_o)一般超过1.1%，区域上连续分布的页岩厚度一般在30 m以上，埋藏深度小于3.5 km；裂缝发育，吸附气含量高等。

2.1  牛蹄塘组泥页岩分布特征

自震旦纪以来，湖南省内经历了加里东早期、加里东晚期、海西早期、海西晚期—印支期及印支—喜山期5次大的构造运动与成盆期。加里东早期成盆期，经晋宁运动固结后的扬子板块在原特提斯扩张作用下，形成震旦至早奥陶世末的扬子东南被动陆缘盆地，其沉积充填由台地碳酸盐岩到陆棚斜坡-盆地相欠补偿的泥页岩系构成，纵向上逐渐变细、变薄，反映了从陆壳伸展到裂离的变化过程。湖南省内泥页岩发育于晚震旦世、早寒武世和晚奥陶世，其中最主要的是早寒武世。

湘西北下寒武统自下而上依次分为牛蹄塘组、杷榔组和清虚洞组^[8]，下寒武统泥质烃源岩主要发育于牛蹄塘组，对应于最大海泛面低能环境，为碳酸盐岩台地的陆棚斜坡-盆地沉积。图2所示为湘西北下寒武统牛蹄塘组泥页岩野外剖面。由图2可见：牛蹄塘组岩性主要为含磷碎屑岩和黑色碳质硅质泥页岩组合，属于较典型的海相黑色页岩沉积模式，连续沉积于上震旦统灯影组白云岩、硅质白云岩之上，可分为上、下2段：下段以灰黑色碳质页岩为主，底部为薄层含磷硅质碳质页岩与黑色硅质岩互层，局部可见灰岩透镜体或泥灰岩与碳质页岩互层；上段主要为黑色碳质页岩，少量碳质、硅质泥页岩及含碳质粉砂质泥岩。图3所示为湘西北地区永定大坪下寒武统牛蹄塘组剖面。由图3可见：下寒武统牛蹄塘组厚106.7 m，岩性以黑色碳质页岩为主，黑色碳质页岩厚度占到剖面总厚度的70%以上。

作为我国南方四套区域性海相烃源岩层系之一^[10]，下寒武统牛蹄塘组烃源岩在研究区内分布广泛。空间上，由于受到灯影组沉积后的剥蚀古地形控制，湘西北地区显示出北西低南东高的缓坡状古构造面貌，图4所示为湘西北下寒武统牛蹄塘组暗色泥页岩厚度、有机质丰度及热演化程度叠合图，图5所示为湘西北桑植—石门复向斜构造大剖面综合解释图^[9]。由图4和图5可见：该区下寒武统牛蹄塘组暗色泥页岩在平面上分布稳定，总体呈南东向北西递增趋势，厚度一般为50~200 m，现今残留面积约为5.0×10⁴ km²，其中厚度大于30 m的残留面积约为4.4×10⁴ km²。

图2  湘西北下寒武统牛蹄塘组泥页岩野外剖面照片

Fig. 2  Photos of shale outcrop of Lower Cambrian Niutitang Formation in Northwestern Hunan

图3  湘西北地区永定大坪下寒武统牛蹄塘组剖面

Fig. 3  Outcrop of Lower Cambrian Niutitang Formation in the DaPing YongDing region, Northwestern Hunan

2.2  泥页岩有机地化特征

2.2.1  有机质丰度

高有机碳含量使得页岩具有较好的成烃物质基础，同时有利于页岩气的吸附，对于形成页岩气藏具有积极意义。表1所示为页岩气源岩有机碳含量评价标准^[19]。由表1可见：斯伦贝谢公司在统计分析北美页岩气含气盆地开发数据的基础上，提出的页岩气源岩的有机碳质量分数达到工业开采的最低标准原则上应该超过2%。湘西北下寒武统牛蹄塘组泥页岩具有高有机碳质量分数，图4所示为湘西北下寒武统牛蹄塘组暗色泥页岩厚度、有机质丰度及热演化程度叠合图。由图4可见：在平面上，有机碳质量分数受到沉积环境的控制，泥页岩的沉积中心与有机碳质量分数最高的区域比较吻合。本次野外共采集有机碳样品46块，样品点分布在大庸、永顺、古丈、桑植和石门等地。表2所示为湘西北地区下寒武统牛蹄塘组页岩测试结果，图6所示为湘西北牛蹄塘组实测样品有机碳含量分布频率。由表2和图6可见：最高的样品有机碳质量分数达到23.25%，最小值仅为0.14%，平均为7.11%；在46个数据中，有机碳质量分数小于0.5%的为9块，占总样数的19.6%；在0.5~1.0%区间的样品仅4块，占总样数的8.7%；1.0~2.0%区间的样品仅1块，占总样数的2.2%；2.0%~4.0%区间的样品为3块，占总样数的6.5%；4.0%~12.0%区间的样品为18块，占总样数的39.1%；大于12.0%的样品也为11块，占总样数的23.9%。若以有机碳质量分数2%为达标标准，则本次样品测试分析达标率为69.5%。

表1  页岩气源岩有机碳含量评价标准

Table 1  Evaluation standard of organic carbon content of shale gas source rock^[19]

图4  湘西北下寒武统牛蹄塘组暗色泥页岩厚度、有机质丰度及热演化程度叠合图

Fig. 4  Congruence of thickness, TOC and R_o of dark shale of Lower Cambrian Niutitang Formation in Northwestern Hunan

图5  湘西北桑植—石门复向斜构造大剖面综合解释图^[9]

Fig. 5  Comprehensive interpretation of the large section with in Sangzhi—Shimen syncline region, Northwestern Hunan^[9]

2.2.2  有机质类型

有机质类型决定了烃源岩生烃能力，是评价烃源岩生烃潜力的重要指标。北美页岩气含气盆地的页岩烃源岩干酪根类型统计结果表明：干酪根主要为Ⅱ或Ⅰ型干酪根，少量为Ⅲ型干酪根^{[4, 10-14]}。页岩中干酪根类型不同，不仅影响页岩气的数量，对天然气的吸附和扩散也有较大影响。

表2  湘西北地区下寒武统牛蹄塘组页岩测试结果

Table 2  Experiment results of Lower Cambrian Niutitang Formation shale in Northwestern Hunan

图6  湘西北牛蹄塘组实测样品有机碳质量分数分布频率

Fig. 6  Measured total organic carbon content of Niutitang Formation in Northwestern

已有研究表明^[15-17]：湘西北下寒武统牛蹄塘组烃源岩干酪根类型以Ⅰ型(腐泥型)为主，有少量Ⅱ₁型(腐殖腐泥型)。烃源岩有机显微组分所占比例由大到小依次为藻类体、动物碎屑、镜状体、沥青和藻类体，生烃物质来源以藻类为主。

2.2.3  有机质演化程度

有机质成熟度是影响页岩气富集成藏的另一重要因素。有机质成熟作用的过程能使泥页岩大量生成天然气供泥页岩达到饱和吸附；随着成熟度的增加，泥页岩对天然气的吸附量也会增加；高的热演化可以改善泥页岩的微观孔隙结构，增加游离气含量；高演化的页岩增加岩石的脆性，有利于对泥页岩储层的人造压裂。

统计、分析湘西北及邻区下寒武统牛蹄塘组13个剖面40块烃源岩样品镜质体反射率，结果见表2：从表2可见：该套暗色泥页岩演化程度总体较高，R_o为1.37%~3.36%，平均值为2.87%，其中7.5%的样品R_o为1%~2%，45%的样品R_o为2%~3%，高于3%的样品R_o为47.5%。由图4可见：研究区牛蹄塘组暗色泥页岩演化程度总体较高，R_o为2.5%~4.0%，大部分已进入过成熟阶段，局部地区已变质，失去生烃能力。不过，根据北美页岩气成功的勘探经验，高成熟度条件下同样能够形成页岩气藏^{[4, 14, 18]}。平面上其成熟度等值线近北东向展布，高值区在桑植—石门杨家坪一线。

3  储集条件分析

3.1  矿物组成

页岩储层中常见黏土矿物除高岭土、蒙皂石、伊利石和绿泥石外，还混杂有石英、长石、云母以及自生矿物铁、铝、锰的氧化物与氢氧化物等^{[13, 19]}。目前，美国发现的含气页岩的主要矿物组成为石英、碳酸盐岩、黏土及干酪根。其中石英质量分数为28%~52%，碳酸盐岩为4%~16%，黏土为8%~25%，干酪根为2%~12%^[19]。石英的质量分数直接影响了页岩的脆性，石英质量分数高的页岩更容易在外力作用下形成天然裂缝和诱导裂缝，有利于天然气渗流。所以，在实际勘探中，首选的目标就是低泊松比、高弹性模量、富含有机质的脆性页岩。

表3所示为湘西北地区下寒武统牛蹄塘组暗色页岩储层XRD分析结果，图7所示为湘西北牛蹄塘组黑色页岩与北美Barnett页岩矿物组成对比三角图。由表3和图7可见：湘西北下寒武统牛蹄塘组页岩的X线衍射分析结果总体上与Barnett页岩的相似。由表3可见：目的层位的主要矿物成分是黏土矿物和石英；石英、长石和黄铁矿的平均质量分数为50%~90%，碳酸盐岩的平均质量分数往往低于20%，少数接近于0；黏土矿物(以伊利石为主)的平均质量分数为10%~ 50%；与Barnett页岩相比，牛蹄塘组的脆性矿物质量分数偏高，说明研究区页岩脆性矿物发育，有利于后期压裂改造形成裂缝，有利于页岩气渗流。值得注意的是：碳酸盐岩质量分数低，尤其是方解石的质量分数低，对产生溶蚀溶孔不利^[20]。

3.2  物性特征

在页岩气藏储层研究中，孔隙度和渗透率这2个常规储层特征研究中最重要的参数依然适用。页岩储层中游离态天然气的含量受孔隙度的影响，而可由渗透率能够判断页岩气藏是否具有经济开发价值。页岩气储层最显著的物性特征就是低孔、致密和特低渗。北美主要产气页岩储层岩心分析总孔隙度为2.0%~14.0%，平均为4.22%~6.51%；测井孔隙度为4.0%~12.0%，平均为5.2%；充气孔隙度为1.0%~7.5%，充水孔隙度为1.0%~8.0%。渗透率普遍低于0.1 mD，平均喉道半径低于0.005 μm^[20]。

在研究区取得6块页岩样品的储层孔渗参数。分析的孔隙度分布区间为0.90%~4.28%，平均孔隙度为2.02%；渗透率为0.001~0.061 mD，平均为0.020 mD，平均孔喉半径为0.019~0.024 μm。龙山、保靖等地钻遇牛蹄塘组的井中的气流显示湘西北下寒武统牛蹄塘组页岩具备储集条件。

含水饱和度和含油饱和度过高都会降低页岩产气效率^[20]。这是因为：水比气的吸附性能好，甲烷吸附容量会因部分活性表面被水占据而降低；含水饱和度往往随页岩成熟度增加而减小，高成熟度的页岩含气量可能更高；含油饱和度过大除了会降低含气饱和度外，还会因油分子太大堵塞微孔隙和喉道，减小气体的流速，对页岩气产出不利。在评价页岩气有利勘探区时，国外将页岩储层含水饱和度和含油饱和度下限值分别设定为45%和5%。

表3  湘西北地区下寒武统牛蹄塘组暗色页岩储层XRD分析结果(质量分数)

Table 3  XRD analysis results of Lower Cambrian Niutitang Formation dark shale reservoirs in Northwestern Hunan  %

图7  湘西北牛蹄塘组黑色页岩与北美Barnett页岩矿物组成对比三角图

Fig. 7  Contrast of triangular diagram of mineral composition of shale between Niutitang Formation and Barnett

3.3  储渗空间特征

页岩基质孔隙和裂缝是页岩储层的主要储渗空间。常见的基质孔隙有残余原生孔隙、有机质生烃形成的微孔隙及不稳定矿物溶蚀形成的溶蚀孔等。页岩储层原生孔隙一般由微细的孔隙组成，具有极大的内表面积，拥有相当大的潜在吸附空间，可以吸附和储存大量气体。Jarvie等^[21]认为，在生烃演化过程中，有机碳质量分数为7%的页岩消耗质量分数为35%的有机碳可使页岩孔隙度增大4.9%。图8所示为扫描电镜下页岩孔隙结构和构造缝特征。由图8(a)和8(b)可见：研究区下寒武统牛蹄塘组黑色页岩中颗粒被溶蚀现象，溶蚀孔以微米级孔隙较发育，少量纳米级孔隙，孔径几百纳米至几十微米不等。孔隙的存在为页岩储层提供了储集空间，也证明牛蹄塘组具有良好的储集条件。

页岩地层中可以发育不同规模的微裂缝或裂缝，在成因上分为内、外因2个方面。内因主要是岩石类型和矿物学特征；外因如生烃过程、地层孔隙压力、各向异性的水平压力、褶皱作用和断层作用等都与裂缝的形成密切相关。美国在开发东部页岩气初期，选择天然裂缝相对发育区带作为主要勘探目标，因为在同等条件下，裂缝的发育会大大提高页岩的孔隙度，改善渗透能力，提高页岩气生产速率。

图8  扫描电镜下页岩孔隙结构和构造缝特征

Fig. 8  Pore-fracture and structural seam characteristic under SEM

研究区与美国东部地区页岩气发育盆地均是古生代海相沉积背景下形成的富含有机质页岩，后期都经历了大幅度的构造抬升和强烈的地质改造。研究区地层大幅度抬升，使得上覆地层剥蚀严重，下伏地层压力得以释放。在此过程中，下古生界泥页岩岩层层面裂缝发育，提高游离储集空间的同时还增加了页岩气的吸附面积。由图8(c)可见：扫描电镜观测结果中发现构造缝3条，两期形成：一期宽0.03 mm左右；二期为平行分布的2条，切割1期，宽分别为0.07 mm和0.6 mm左右，缝内充填硅质完全，其晶粒具它形结构。利用测井曲线响应特征也能够达到预测页岩储层裂缝位置的目的，综合密度与井径曲线的反映特征，在井径曲线上显示为相对平直的井段, 若补偿密度减小，则说明可能有裂缝存在^[22]。

3.4  含气量

页岩含气量是指每吨岩石中所含天然气折算到标准温度和压力条件下(101.325 kPa，25 ℃)的天然气总量，主要包括吸附气含量和游离气含量。吸附气赋存于有机质颗粒与黏土矿物表面，与煤层气类似；游离气赋存于页岩基质孔隙和微裂缝中，与常规天然气相似。国外已证实的吸附气含量占页岩总含气量区间为20%~85%，变化范围较大^{[4, 13]}。由于吸附气含量受到岩石组成、有机质含量、地层压力、裂缝发育程度等因素的影响，要准确判断吸附气含量难度很大。

页岩含气量测定方法分为直接测定和分类测定^[8]。目前应用最广泛的是分类测定方法，解吸和等温吸附模拟是分类测定中常用的手段，两者互为逆过程。由于研究区没有钻井取心直接进行页岩含气量测试结果，只能通过页岩的等温吸附曲线和页岩赋存的地质条件估算含气量。由图9可见：取埋深1.0 km，按静水压力估算，地层压力为10 MPa，投影到等温吸附曲线上得到的吸附气含气量为0.43~1.02 m³/t，均值为0.73 m³/t^[16]。若吸附态天然气能够占到天然气总量的50%(取国外吸附气占总含气量比例的中间值)，则页岩含气量为0.86~2.04 m³/t。

图9  湘西北牛蹄塘组页岩等温吸附曲线^[16]

Fig. 9  Adsorption isotherm curves of Niutitang shale in Northwestern Hunan^[16]

4  有利区预测及资源潜力分析

4.1  资源潜力预测

本次采用体积法计算资源量，其计算式为^{[16, 23-24]}

G_IP=A·h·ρ·q·S_g               (1)

式中：G_IP 为页岩气资源量，10¹² m³；A为页岩分布面积，10⁶m²；h为有效页岩厚度，m；ρ为页岩密度，t/m³；q为页岩含气量，m³/ t；S_g为含气饱和度，%。

参数取值上，研究区牛蹄塘组暗色页岩残留最大面积约为50 000×10⁶ m²，页岩密度采用邻区的实测平均值2.51 t/m³；总含气量取平均值1.45 m³/t；含气饱和度按经验值10%计算。依据上述参数由式(1)计算结果，研究区下寒武统牛蹄塘组页岩气资源量为(0.5~2.1)×10¹² m³，中间值为1.3×10¹² m³。

4.2  有利区预测

表4所示为美国5个大页岩气盆地与湘西北牛蹄塘组地质评价参数统计结果。由表4可见：湘西北地区下寒武统牛蹄塘组暗色页岩与美国东部5个主要产页岩气盆地产气页岩类似，亦具有暗色页岩区域分布面积广、页岩的厚度大、有机碳含量高、成熟度高和埋深适中的特点。

鉴于研究区页岩气研究处于起步阶段，可供研究的资料较少，因此，采用综合信息叠合法，利用页岩厚度、有机碳含量、在机质类型及成熟度、埋藏深度、含气量、孔隙与裂缝和区域构造改造强度等指标。对湘西北地区页岩气发育有利区进行预测。结合页岩气成藏主控因素和湘西北地区暗色页岩特征，并参照北美页岩气勘探开发经验，以富含有机质页岩厚度(≥30 m)，残余有机碳质量分数(＞2.0%)、有机质成熟度(R_o＞1.1%)、现有泥页岩埋藏深度(D_p＜3.5 km)及区域构造活动相对较弱等为主要评价依据。初步分析表明，研究区下寒武统牛蹄塘组页岩气藏发育最有利区块位于吉首—花垣—龙山一带和桑植石门复向斜南翼斜坡带。

表4  美国5个大页岩气盆地与湘西北牛蹄塘组地质评价参数统计

Table 4  Geological evaluation parameters in 5 great shale gas basins and Niutitang Formation in Northwestern Hunan

5  结论

(1) 湘西北地区下寒武统牛蹄塘组暗色页岩具有区域分布广、厚度大、埋藏深度适中，有机质丰度高、热演化程度高、脆性矿物丰富、物性良好、储渗空间发育等特点，具备页岩气聚集成藏的有利地质条件。

(2) 以富含有机质页岩(厚度≥30m)、残余有机碳(质量分数＞2.0%)、有机质成熟度(＞1.1%)、现有泥页岩埋藏深度(＜3.5 km)及区域构造活动相对较弱等为主要评价依据，对湘西北下寒武统牛蹄塘组页岩气藏发育有利区进行预测。初步分析认为吉首—花垣—龙山一带和桑植石门复向斜南翼斜坡带是研究区页岩气发育最有利区。

(3) 采用体积法对研究区下寒武统牛蹄塘组页岩气资源量初步估算，资源量区间值为(0.5~2.1)×10¹² m³，中间值为1.3×10¹² m³。

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(编辑  陈灿华)

收稿日期：2013-07-10；修回日期：2013-09-12

基金项目：湖南省国土资源厅软科学计划项目(2010-12)

通信作者：郭建华(1957-)，男，湖南华容人，教授，博士生导师，从事沉积学与石油地质学教学与研究；电话：0731-88836235；E-mail：zhang2008lt@163.com