湘西北下寒武統牛蹄塘組頁巖氣藏形成條件與資源潛力

張琳婷，郭建華，焦鵬 ，張振,

(1. 中南大學 地球科學與信息物理學院，湖南 長沙，410083；2. 中石化勝利石油工程有限公司地質錄井公司，山東 東營，257064)

頁巖氣屬于非常規天然氣資源的一種，作為一種重要的能源礦產和戰略資源，在石油緊缺和能源安全日益嚴峻的今天，已引起國內高度關注[1]。中國頁巖氣主要發育于南方、華北—東北、西北及青藏等四大地區[2-3]，研究區位于南方地區。Curtis[4]對頁巖氣進行了界定并認為，頁巖氣在本質上就是連續生成的生物化學成因氣、熱成因氣或兩者的混合，它具有普遍的地層飽含氣性、含氣面積大、隱蔽聚集、多種巖性封閉以及相對很短的運移距離等特點，可以在天然裂縫和孔隙中以游離方式存在、在干酪根和黏土顆粒表面上以吸附狀態存在，甚至在干酪根和瀝青質中以溶解狀態存在。張金川等[5-6]認為，頁巖氣是指主體位于暗色泥頁巖或高碳泥頁巖中，以吸附或游離狀態為主要存在方式的天然氣聚集。在頁巖氣藏中，天然氣也存在于夾層狀的粉砂巖、粉砂質泥巖、泥質粉砂巖甚至砂巖地層中，為天然氣生成之后在源巖層內就近聚集的結果，表現為典型的“原地”成藏模式。自生自儲、吸附作用及由此產生的大規模聚集是頁巖氣的重要地質特點。湘西北地區油氣勘探工作已陸續開展了50余年，雖然取得了一定的勘探成果，但由于該區油氣地質條件復雜，即油氣有機質演化程度高、油氣成藏及保存條件復雜，造成對油氣勘探工作難度大，勘探成本高。而頁巖氣與常規天然氣藏不同，其成藏條件較常規天然氣藏簡單，這為研究區天然氣的勘探帶來了新的契機。

1 區域地質概況

圖1 所示為研究區位置示意圖。由圖1 可見：研究區位于揚子準地臺東南緣上揚子臺褶帶與江南地軸結合部位的武陵褶斷帶內；西北側以NEE 向展布的慈利—保靖斷裂帶為界，與江南隆起帶相隔；在下寒武統的地層分區上，除龍山茨巖塘至桑植五道水一線的西北屬于揚子區外，其余為武陵山過渡區，隸屬于揚子區和江南區之間的過渡地帶[7]；武陵期至燕山期，研究區經歷了多期次地殼構造運動，褶皺和斷裂構造發育，構造線方向由NNE 向逐漸偏轉為NE 向，構成了湘西弧形構造帶之西北端。

圖1 研究區位置示意圖Fig.1 Location map of research area in Northwestern Hunan

2 成藏條件分析

頁巖氣特殊的成藏機理使其成藏條件較常規氣藏要簡單，從而使得頁巖氣藏能夠大面積展布，即與泥頁巖類烴源巖展布范圍基本一致。廣義上的頁巖氣普遍發育且分布廣泛，但要形成具有工業勘探開發價值的頁巖氣尚需具備相應的地質條件[6,7]：頁巖層總有機碳質量分數一般大于2%，有機質熱成熟度在生氣范圍之內，鏡質體反射率(Ro)一般超過1.1%，區域上連續分布的頁巖厚度一般在30 m 以上，埋藏深度小于3.5 km；裂縫發育，吸附氣含量高等。

2.1 牛蹄塘組泥頁巖分布特征

自震旦紀以來，湖南省內經歷了加里東早期、加里東晚期、海西早期、海西晚期—印支期及印支—喜山期5 次大的構造運動與成盆期。加里東早期成盆期，經晉寧運動固結后的揚子板塊在原特提斯擴張作用下，形成震旦至早奧陶世末的揚子東南被動陸緣盆地，其沉積充填由臺地碳酸鹽巖到陸棚斜坡-盆地相欠補償的泥頁巖系構成，縱向上逐漸變細、變薄，反映了從陸殼伸展到裂離的變化過程。湖南省內泥頁巖發育于晚震旦世、早寒武世和晚奧陶世，其中最主要的是早寒武世。

湘西北下寒武統自下而上依次分為牛蹄塘組、杷榔組和清虛洞組[8]，下寒武統泥質烴源巖主要發育于牛蹄塘組，對應于最大海泛面低能環境，為碳酸鹽巖臺地的陸棚斜坡-盆地沉積。圖2 所示為湘西北下寒武統牛蹄塘組泥頁巖野外剖面。由圖2 可見：牛蹄塘組巖性主要為含磷碎屑巖和黑色碳質硅質泥頁巖組合，屬于較典型的海相黑色頁巖沉積模式，連續沉積于上震旦統燈影組白云巖、硅質白云巖之上，可分為上、下2 段：下段以灰黑色碳質頁巖為主，底部為薄層含磷硅質碳質頁巖與黑色硅質巖互層，局部可見灰巖透鏡體或泥灰巖與碳質頁巖互層；上段主要為黑色碳質頁巖，少量碳質、硅質泥頁巖及含碳質粉砂質泥巖。圖3 所示為湘西北地區永定大坪下寒武統牛蹄塘組剖面。由圖3 可見：下寒武統牛蹄塘組厚106.7 m，巖性以黑色碳質頁巖為主，黑色碳質頁巖厚度占到剖面總厚度的70%以上。

圖2 湘西北下寒武統牛蹄塘組泥頁巖野外剖面照片Fig.2 Photos of shale outcrop of Lower Cambrian Niutitang Formation in Northwestern Hunan

圖3 湘西北地區永定大坪下寒武統牛蹄塘組剖面Fig.3 Outcrop of Lower Cambrian Niutitang Formation in the DaPing YongDing region, Northwestern Hunan

作為我國南方四套區域性海相烴源巖層系之一[10]，下寒武統牛蹄塘組烴源巖在研究區內分布廣泛?？臻g上，由于受到燈影組沉積后的剝蝕古地形控制，湘西北地區顯示出北西低南東高的緩坡狀古構造面貌，圖4 所示為湘西北下寒武統牛蹄塘組暗色泥頁巖厚度、有機質豐度及熱演化程度疊合圖，圖5 所示為湘西北桑植—石門復向斜構造大剖面綜合解釋圖[9]。由圖4 和圖5 可見：該區下寒武統牛蹄塘組暗色泥頁巖在平面上分布穩定，總體呈南東向北西遞增趨勢，厚度一般為50～200 m，現今殘留面積約為5.0×104km2，其中厚度大于30 m 的殘留面積約為4.4×104km2。

2.2 泥頁巖有機地化特征

2.2.1 有機質豐度

高有機碳含量使得頁巖具有較好的成烴物質基礎，同時有利于頁巖氣的吸附，對于形成頁巖氣藏具有積極意義。表1 所示為頁巖氣源巖有機碳含量評價標準[19]。由表1 可見：斯倫貝謝公司在統計分析北美頁巖氣含氣盆地開發數據的基礎上，提出的頁巖氣源巖的有機碳質量分數達到工業開采的最低標準原則上應該超過2%。湘西北下寒武統牛蹄塘組泥頁巖具有高有機碳質量分數，圖4 所示為湘西北下寒武統牛蹄塘組暗色泥頁巖厚度、有機質豐度及熱演化程度疊合圖。由圖4 可見：在平面上，有機碳質量分數受到沉積環境的控制，泥頁巖的沉積中心與有機碳質量分數最高的區域比較吻合。本次野外共采集有機碳樣品46塊，樣品點分布在大庸、永順、古丈、桑植和石門等地。表2 所示為湘西北地區下寒武統牛蹄塘組頁巖測試結果，圖6 所示為湘西北牛蹄塘組實測樣品有機碳含量分布頻率。由表2 和圖6 可見：最高的樣品有機碳質量分數達到23.25%，最小值僅為0.14%，平均為7.11%；在46 個數據中，有機碳質量分數小于0.5%的為9 塊，占總樣數的19.6%；在0.5～1.0%區間的樣品僅4 塊，占總樣數的8.7%；1.0～2.0%區間的樣品僅1塊，占總樣數的2.2%；2.0%～4.0%區間的樣品為3 塊，占總樣數的6.5%；4.0%～12.0%區間的樣品為18 塊，占總樣數的39.1%；大于12.0%的樣品也為11 塊，占總樣數的23.9%。若以有機碳質量分數2%為達標標準，則本次樣品測試分析達標率為69.5%。

表1 頁巖氣源巖有機碳含量評價標準Table 1 Evaluation standard of organic carbon content of shale gas source rock[19]

圖4 湘西北下寒武統牛蹄塘組暗色泥頁巖厚度、有機質豐度及熱演化程度疊合圖Fig.4 Congruence of thickness, TOC and Ro of dark shale of Lower Cambrian Niutitang Formation in Northwestern Hunan

圖5 湘西北桑植—石門復向斜構造大剖面綜合解釋圖[9]Fig.5 Comprehensive interpretation of the large section with in Sangzhi—Shimen syncline region, Northwestern Hunan[9]

2.2.2 有機質類型

有機質類型決定了烴源巖生烴能力，是評價烴源巖生烴潛力的重要指標。北美頁巖氣含氣盆地的頁巖烴源巖干酪根類型統計結果表明：干酪根主要為Ⅱ或Ⅰ型干酪根，少量為Ⅲ型干酪根[4,10-14]。頁巖中干酪根類型不同，不僅影響頁巖氣的數量，對天然氣的吸附和擴散也有較大影響。

表2 湘西北地區下寒武統牛蹄塘組頁巖測試結果Table 2 Experiment results of Lower Cambrian Niutitang Formation shale in Northwestern Hunan

圖6 湘西北牛蹄塘組實測樣品有機碳質量分數分布頻率Fig.6 Measured total organic carbon content of Niutitang Formation in Northwestern

已有研究表明[15-17]：湘西北下寒武統牛蹄塘組烴源巖干酪根類型以Ⅰ型(腐泥型)為主，有少量Ⅱ1型(腐殖腐泥型)。烴源巖有機顯微組分所占比例由大到小依次為藻類體、動物碎屑、鏡狀體、瀝青和藻類體，生烴物質來源以藻類為主。

2.2.3 有機質演化程度

有機質成熟度是影響頁巖氣富集成藏的另一重要因素。有機質成熟作用的過程能使泥頁巖大量生成天然氣供泥頁巖達到飽和吸附；隨著成熟度的增加，泥頁巖對天然氣的吸附量也會增加；高的熱演化可以改善泥頁巖的微觀孔隙結構，增加游離氣含量；高演化的頁巖增加巖石的脆性，有利于對泥頁巖儲層的人造壓裂。

統計、分析湘西北及鄰區下寒武統牛蹄塘組13個剖面40 塊烴源巖樣品鏡質體反射率，結果見表2：從表2 可見：該套暗色泥頁巖演化程度總體較高，Ro為1.37%～3.36%，平均值為2.87%，其中7.5%的樣品Ro為1%～2%，45%的樣品Ro為2%～3%，高于3%的樣品Ro為47.5%。由圖4 可見：研究區牛蹄塘組暗色泥頁巖演化程度總體較高，Ro為2.5%～4.0%，大部分已進入過成熟階段，局部地區已變質，失去生烴能力。不過，根據北美頁巖氣成功的勘探經驗，高成熟度條件下同樣能夠形成頁巖氣藏[4,14,18]。平面上其成熟度等值線近北東向展布，高值區在桑植—石門楊家坪一線。

3 儲集條件分析

3.1 礦物組成

頁巖儲層中常見黏土礦物除高嶺土、蒙皂石、伊利石和綠泥石外，還混雜有石英、長石、云母以及自生礦物鐵、鋁、錳的氧化物與氫氧化物等[13,19]。目前，美國發現的含氣頁巖的主要礦物組成為石英、碳酸鹽巖、黏土及干酪根。其中石英質量分數為28%～52%，碳酸鹽巖為4%～16%，黏土為8%～25%，干酪根為2%～12%[19]。石英的質量分數直接影響了頁巖的脆性，石英質量分數高的頁巖更容易在外力作用下形成天然裂縫和誘導裂縫，有利于天然氣滲流。所以，在實際勘探中，首選的目標就是低泊松比、高彈性模量、富含有機質的脆性頁巖。

表3 所示為湘西北地區下寒武統牛蹄塘組暗色頁巖儲層XRD 分析結果，圖7 所示為湘西北牛蹄塘組黑色頁巖與北美Barnett 頁巖礦物組成對比三角圖。由表3 和圖7 可見：湘西北下寒武統牛蹄塘組頁巖的X線衍射分析結果總體上與Barnett 頁巖的相似。由表3可見：目的層位的主要礦物成分是黏土礦物和石英；石英、長石和黃鐵礦的平均質量分數為50%～90%，碳酸鹽巖的平均質量分數往往低于20%，少數接近于0；黏土礦物(以伊利石為主)的平均質量分數為10%～50%；與Barnett 頁巖相比，牛蹄塘組的脆性礦物質量分數偏高，說明研究區頁巖脆性礦物發育，有利于后期壓裂改造形成裂縫，有利于頁巖氣滲流。值得注意的是：碳酸鹽巖質量分數低，尤其是方解石的質量分數低，對產生溶蝕溶孔不利[20]。

3.2 物性特征

在頁巖氣藏儲層研究中，孔隙度和滲透率這2 個常規儲層特征研究中最重要的參數依然適用。頁巖儲層中游離態天然氣的含量受孔隙度的影響，而可由滲透率能夠判斷頁巖氣藏是否具有經濟開發價值。頁巖氣儲層最顯著的物性特征就是低孔、致密和特低滲。北美主要產氣頁巖儲層巖心分析總孔隙度為2.0%～14.0%，平均為4.22%～6.51%；測井孔隙度為4.0%～12.0%，平均為5.2%；充氣孔隙度為1.0%～7.5%，充水孔隙度為1.0%～8.0%。滲透率普遍低于0.1 mD，平均喉道半徑低于0.005 μm[20]。

在研究區取得6 塊頁巖樣品的儲層孔滲參數。分析的孔隙度分布區間為0.90%～4.28%，平均孔隙度為2.02%；滲透率為0.001～0.061 mD，平均為0.020 mD，平均孔喉半徑為0.019～0.024 μm。龍山、保靖等地鉆遇牛蹄塘組的井中的氣流顯示湘西北下寒武統牛蹄塘組頁巖具備儲集條件。

含水飽和度和含油飽和度過高都會降低頁巖產氣效率[20]。這是因為：水比氣的吸附性能好，甲烷吸附容量會因部分活性表面被水占據而降低；含水飽和度往往隨頁巖成熟度增加而減小，高成熟度的頁巖含氣量可能更高；含油飽和度過大除了會降低含氣飽和度外，還會因油分子太大堵塞微孔隙和喉道，減小氣體的流速，對頁巖氣產出不利。在評價頁巖氣有利勘探區時，國外將頁巖儲層含水飽和度和含油飽和度下限值分別設定為45%和5%。

表3 湘西北地區下寒武統牛蹄塘組暗色頁巖儲層XRD 分析結果(質量分數)Table 3 XRD analysis results of Lower Cambrian Niutitang Formation dark shale reservoirs in Northwestern Hunan %

圖7 湘西北牛蹄塘組黑色頁巖與北美Barnett 頁巖礦物組成對比三角圖Fig.7 Contrast of triangular diagram of mineral composition of shale between Niutitang Formation and Barnett

3.3 儲滲空間特征

頁巖基質孔隙和裂縫是頁巖儲層的主要儲滲空間。常見的基質孔隙有殘余原生孔隙、有機質生烴形成的微孔隙及不穩定礦物溶蝕形成的溶蝕孔等。頁巖儲層原生孔隙一般由微細的孔隙組成，具有極大的內表面積，擁有相當大的潛在吸附空間，可以吸附和儲存大量氣體。Jarvie 等[21]認為，在生烴演化過程中，有機碳質量分數為7%的頁巖消耗質量分數為35%的有機碳可使頁巖孔隙度增大4.9%。圖8 所示為掃描電鏡下頁巖孔隙結構和構造縫特征。由圖8(a)和8(b)可見：研究區下寒武統牛蹄塘組黑色頁巖中顆粒被溶蝕現象，溶蝕孔以微米級孔隙較發育，少量納米級孔隙，孔徑幾百納米至幾十微米不等?？紫兜拇嬖跒轫搸r儲層提供了儲集空間，也證明牛蹄塘組具有良好的儲集條件。

頁巖地層中可以發育不同規模的微裂縫或裂縫，在成因上分為內、外因2 個方面。內因主要是巖石類型和礦物學特征；外因如生烴過程、地層孔隙壓力、各向異性的水平壓力、褶皺作用和斷層作用等都與裂縫的形成密切相關。美國在開發東部頁巖氣初期，選擇天然裂縫相對發育區帶作為主要勘探目標，因為在同等條件下，裂縫的發育會大大提高頁巖的孔隙度，改善滲透能力，提高頁巖氣生產速率。

圖8 掃描電鏡下頁巖孔隙結構和構造縫特征Fig.8 Pore-fracture and structural seam characteristic under SEM

研究區與美國東部地區頁巖氣發育盆地均是古生代海相沉積背景下形成的富含有機質頁巖，后期都經歷了大幅度的構造抬升和強烈的地質改造。研究區地層大幅度抬升，使得上覆地層剝蝕嚴重，下伏地層壓力得以釋放。在此過程中，下古生界泥頁巖巖層層面裂縫發育，提高游離儲集空間的同時還增加了頁巖氣的吸附面積。由圖8(c)可見：掃描電鏡觀測結果中發現構造縫3 條，兩期形成：一期寬0.03 mm 左右；二期為平行分布的2 條，切割1 期，寬分別為0.07 mm和0.6 mm 左右，縫內充填硅質完全，其晶粒具它形結構。利用測井曲線響應特征也能夠達到預測頁巖儲層裂縫位置的目的，綜合密度與井徑曲線的反映特征，在井徑曲線上顯示為相對平直的井段, 若補償密度減小，則說明可能有裂縫存在[22]。

3.4 含氣量

頁巖含氣量是指每噸巖石中所含天然氣折算到標準溫度和壓力條件下(101.325 kPa，25 ℃)的天然氣總量，主要包括吸附氣含量和游離氣含量。吸附氣賦存于有機質顆粒與黏土礦物表面，與煤層氣類似；游離氣賦存于頁巖基質孔隙和微裂縫中，與常規天然氣相似。國外已證實的吸附氣含量占頁巖總含氣量區間為20%～85%，變化范圍較大[4,13]。由于吸附氣含量受到巖石組成、有機質含量、地層壓力、裂縫發育程度等因素的影響，要準確判斷吸附氣含量難度很大。

頁巖含氣量測定方法分為直接測定和分類測定[8]。目前應用最廣泛的是分類測定方法，解吸和等溫吸附模擬是分類測定中常用的手段，兩者互為逆過程。由于研究區沒有鉆井取心直接進行頁巖含氣量測試結果，只能通過頁巖的等溫吸附曲線和頁巖賦存的地質條件估算含氣量。由圖9 可見：取埋深1.0 km，按靜水壓力估算，地層壓力為10 MPa，投影到等溫吸附曲線上得到的吸附氣含氣量為0.43～1.02 m3/t，均值為0.73 m3/t[16]。若吸附態天然氣能夠占到天然氣總量的50%(取國外吸附氣占總含氣量比例的中間值)，則頁巖含氣量為0.86～2.04 m3/t。

圖9 湘西北牛蹄塘組頁巖等溫吸附曲線[16]Fig.9 Adsorption isotherm curves of Niutitang shale in Northwestern Hunan[16]

4 有利區預測及資源潛力分析

4.1 資源潛力預測

本次采用體積法計算資源量，其計算式為[16,23-24]

式中：GIP為頁巖氣資源量，1012m3；A 為頁巖分布面積，106m2；h 為有效頁巖厚度，m；ρ 為頁巖密度，t/m3；q 為頁巖含氣量，m3/ t；Sg為含氣飽和度，%。

參數取值上，研究區牛蹄塘組暗色頁巖殘留最大面積約為50 000×106m2，頁巖密度采用鄰區的實測平均值2.51 t/m3；總含氣量取平均值1.45 m3/t；含氣飽和度按經驗值10%計算。依據上述參數由式(1)計算結果，研究區下寒武統牛蹄塘組頁巖氣資源量為(0.5～2.1) ×1012m3，中間值為1.3×1012m3。

4.2 有利區預測

表4 所示為美國5 個大頁巖氣盆地與湘西北牛蹄塘組地質評價參數統計結果。由表4 可見：湘西北地區下寒武統牛蹄塘組暗色頁巖與美國東部5 個主要產頁巖氣盆地產氣頁巖類似，亦具有暗色頁巖區域分布面積廣、頁巖的厚度大、有機碳含量高、成熟度高和埋深適中的特點。

鑒于研究區頁巖氣研究處于起步階段，可供研究的資料較少，因此，采用綜合信息疊合法，利用頁巖厚度、有機碳含量、在機質類型及成熟度、埋藏深度、含氣量、孔隙與裂縫和區域構造改造強度等指標。對湘西北地區頁巖氣發育有利區進行預測。結合頁巖氣成藏主控因素和湘西北地區暗色頁巖特征，并參照北美頁巖氣勘探開發經驗，以富含有機質頁巖厚度(≥30 m)，殘余有機碳質量分數(＞2.0%)、有機質成熟度(Ro＞1.1%)、現有泥頁巖埋藏深度(Dp＜3.5 km)及區域構造活動相對較弱等為主要評價依據。初步分析表明，研究區下寒武統牛蹄塘組頁巖氣藏發育最有利區塊位于吉首—花垣—龍山一帶和桑植石門復向斜南翼斜坡帶。

表4 美國5 個大頁巖氣盆地與湘西北牛蹄塘組地質評價參數統計Table 4 Geological evaluation parameters in 5 great shale gas basins and Niutitang Formation in Northwestern Hunan

5 結論

(1) 湘西北地區下寒武統牛蹄塘組暗色頁巖具有區域分布廣、厚度大、埋藏深度適中，有機質豐度高、熱演化程度高、脆性礦物豐富、物性良好、儲滲空間發育等特點，具備頁巖氣聚集成藏的有利地質條件。

(2) 以富含有機質頁巖(厚度≥30 m)、殘余有機碳(質量分數＞2.0%)、有機質成熟度(＞1.1%)、現有泥頁巖埋藏深度(＜3. 5 km)及區域構造活動相對較弱等為主要評價依據，對湘西北下寒武統牛蹄塘組頁巖氣藏發育有利區進行預測。初步分析認為吉首—花垣—龍山一帶和桑植石門復向斜南翼斜坡帶是研究區頁巖氣發育最有利區。

(3) 采用體積法對研究區下寒武統牛蹄塘組頁巖氣資源量初步估算，資源量區間值為(0.5～2.1)×1012m3，中間值為1.3×1012m3。

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