李國亮， 柏道遠， 王先輝， 羅鵬， 姜文， 熊雄

(湖南省地質(zhì)調(diào)查院，湖南 長沙　410116)

湘西北地區(qū)寒武系牛蹄塘組頁巖氣資源前景

李國亮， 柏道遠， 王先輝， 羅鵬， 姜文， 熊雄

(湖南省地質(zhì)調(diào)查院，湖南 長沙410116)

摘要：湘西北地區(qū)牛蹄塘組黑色頁巖展布廣泛，為寒武紀紐芬蘭世—第二世滯留還原條件的沉積產(chǎn)物，適中的埋深和較大的厚度為其提供了良好的氣藏條件。對其有機地化參數(shù)進行試驗分析：TOC值為0.59%～13.05%，均值3.75%，有機質(zhì)豐富；Ro值為1.87%～4.00%，均值3.05%，成熟度高；干酪根類型以Ⅰ型為主，少量為Ⅱ型，具有良好的生氣潛力；礦物組成中脆性礦物含量為33%～87%，平均含量為68%，而黏土總量為13%～43%，平均為26%，脆性礦物/黏土礦物值高，有利于儲層改造；頁巖孔隙度為0.3%~8.0%，平均為3.3%，滲透率均小于0.04×10-3μm2，為低孔低滲類型。綜合研究表明，牛蹄塘組具有良好的頁巖氣生儲潛力，同時運用條件概率體積法對其資源量進行評估計算，資源量十分可觀。在此基礎(chǔ)上對湘西北地區(qū)牛蹄塘組劃分出6個頁巖氣有利區(qū)，為進一步實施頁巖氣勘查提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：牛蹄塘組；埋深；TOC；孔隙度；有利區(qū)

黑色頁巖層生烴產(chǎn)氣能力與沉積環(huán)境、物化性特征等因素有關(guān)，主要體現(xiàn)在頁巖層的有機地化指數(shù)、儲集性能及構(gòu)造保存條件等綜合指標上[1-5]。所以針對相關(guān)因素的影響和指示意義需進行相應(yīng)的實驗分析研究。結(jié)合湘西北—雪峰山地區(qū)的含氣頁巖層的出露情況和展布規(guī)律，對頁巖氣有利層位的分析表明為早古生代寒武紀牛蹄塘組黑色頁巖(圖1)，因此需要在現(xiàn)階段認識的基礎(chǔ)上更為詳細、全面的掌握其油氣資源勘探潛力。

圖1　湘西北地區(qū)地層綜合柱狀圖

1地質(zhì)背景

湘西北至雪峰山東南緣寒武紀牛蹄塘組經(jīng)歷了加里東運動、印支運動、早燕山運動、晚燕山運動、喜馬拉雅運動等多期構(gòu)造運動，而這些運動的升降及構(gòu)造變形對其有機質(zhì)的演化是十分重要的[6，7]。寒武紀紐芬蘭世海平面迅速上升，形成沉積速率緩慢的非補償性沉積。湘西北區(qū)為緩坡陸棚，沉積牛蹄塘組底部，主要由黑色碳硅質(zhì)頁巖組成，上部夾含碳質(zhì)灰?guī)r透鏡體，下部夾含碳質(zhì)磷酸鹽巖。本期在強還原、滯流及海盆緩慢沉降條件下，含大量藻類、細菌的腐泥在較廣海域內(nèi)堆積，后轉(zhuǎn)化成碳質(zhì)板巖或石煤。寒武紀第二世早期，湘西北區(qū)為淺海陸棚凹陷，沉積物以含碳質(zhì)頁巖、頁巖為主，生物群分宜度很低，但豐度較高，反映異常還原生態(tài)環(huán)境[7-9](圖2、圖3)。期間牛蹄塘組還原條件下形成的炭泥質(zhì)沉積為區(qū)內(nèi)主要優(yōu)質(zhì)頁巖氣層。

圖2牛蹄塘組鉆井巖芯特征

Fig.2The characteristics of rock-core in

the Niutitang formation

圖3　牛蹄塘組頁巖露頭

整體上牛蹄塘組的深度在2 000~4 500 m之間，部分地區(qū)大于5 000 m。在湘鄂西地區(qū)牛蹄塘組出露中等，在靠近武陵造山帶出露情況較好。在石門桑植復(fù)向斜以及龍山至花垣地區(qū)埋深較大，深度在3 500~5 000 m之間。在靠近湖北咸豐、鶴峰地區(qū)以及湖南武陵造山帶(張家界、古丈南東)地區(qū)整體深度變淺，主要也是受揚子地臺抬升和北西-南東向構(gòu)造運動的影響而成。而其沉積厚度以龍山—桑植—慈利—石門地區(qū)較大，主要沉積厚度大于150 m，最高可達400 m，而在近吉首—保靖—張家界南東側(cè)由于出露剝蝕作用，其厚度減薄，但整體厚度皆大于30 m。本組頁巖的埋深和厚度都較好地反映了其良好的頁巖氣基礎(chǔ)地質(zhì)環(huán)境和勘探條件。

2有機地化特征

2.1　有機質(zhì)含量

對牛蹄塘組黑色頁巖有機碳含量進行了測定，分析巖性為碳質(zhì)頁巖、碳質(zhì)板巖、碳質(zhì)硅質(zhì)巖。實驗結(jié)果顯示TOC值為0.59%～13.05%，均值3.75%。TOC值0.5%～4.0%的占總數(shù)54%，大于4.0%的占總數(shù)46%。從圖4可以看出，其TOC值分布頻數(shù)峰值集中于2%～4%之間，由于局部煤化，有機碳含量偏高，TOC值大于10%，拉高了TOC值大于4.0%的比例值。從TOC平面分布圖(圖5)來看，TOC值在區(qū)域內(nèi)有兩個高值區(qū)： 一是湖北來風—重慶黔江高值區(qū)，TOC值主要為5.0%～6.2%；二是張家界—沅陵高值區(qū)，TOC值主要為4.5%～7.0%。其余范圍以這兩個高值區(qū)為中心TOC值呈降低趨勢。湘西北地區(qū)牛蹄塘組TOC值集中在3.0%～5.0%之間，有機質(zhì)含量高，為優(yōu)質(zhì)烴源巖。而沅麻盆地向雪峰山南東緣整體上呈降低趨勢。由于構(gòu)造運動和熱演化程度等因素影響，部分地方其TOC值較大，做量化處理。

圖5　牛蹄塘組黑色頁巖有機碳(TOC)等值線圖

2.2　有機質(zhì)成熟度

有機質(zhì)成熟度反映了烴源巖經(jīng)歷的熱演化程度，代表其經(jīng)歷的最高溫度，是評價頁巖氣成藏條件的重要參數(shù)之一。鏡質(zhì)體反射率(Ro)與有機質(zhì)的成熟度有很好的對應(yīng)關(guān)系。因此，鏡質(zhì)組反射率作為有機質(zhì)成熟度最可靠的指標來分析。研究區(qū)內(nèi)的成熟度值普遍較高，整體受到一定熱演化作用和地質(zhì)構(gòu)造因素整體影響，這與傳統(tǒng)的天然氣成藏有一定區(qū)別。

對牛蹄塘組黑色頁巖進行等效鏡質(zhì)體反射率的試驗分析，Ro范圍在1.87%～4.00%之間，Ro均值3.05%，大多為過成熟烴源巖。從Ro平面分布圖6來看，Ro高值區(qū)主要在靠近湖北的鶴峰一帶，多大于3.80%。在石門—桑植—龍山以北Ro大多為2.80%～3.50%。整體的變化趨勢為北西高、南東低，區(qū)域60%范圍Ro值為2.00%～3.00%，在石門—桑植復(fù)向斜北西Ro值多在3.00%以上。整體上牛蹄塘組成熟度處于過成熟階段[10-12]。

圖6　牛蹄塘組黑色頁巖成熟度(Ro)等值線圖

2.3　有機質(zhì)類型

有機質(zhì)類型的判定不僅可以更好地知道其生氣潛力，而且能更好地了解其物質(zhì)來源。結(jié)合目前美國對頁巖氣的開發(fā)和利用來看，開采利用的頁巖氣干酪根類型主要為Ⅰ型和Ⅱ型，所以結(jié)合有機質(zhì)類型的分析更能了解研究層位的優(yōu)劣，對于全面掌握其勘探開發(fā)前景有十分重要的作用。目前判別烴源巖有機質(zhì)類型的方法主要有：有機質(zhì)鏡檢法、干酪根元素分析法和干酪根碳同位素法，此外還有紅外光譜、生物標志物等。對牛蹄塘組黑色頁巖主要采用有機質(zhì)鏡檢法、碳同位素法以及族組分鑒定輔助分析。主要的劃分標準見表1。

表1　干酪根類型劃分參數(shù)指標

對牛蹄塘組黑色頁巖進行碳同位素測定(表2)，96%的樣品δ13C小于-28.0‰，平均值為-31.5‰，依據(jù)劃分歸屬為I類干酪根。牛蹄塘組黑色泥頁巖干酪根有機顯微組成：腐泥組含量52%～91%，平均73%；惰質(zhì)組9%～45%，平均24%；無殼質(zhì)組和鏡質(zhì)組，表明主要母質(zhì)以菌藻類低等水生生物等有機質(zhì)輸入為主，無高等植物混入，有機質(zhì)類型為Ⅰ型。針對本組采集了樣品進行的族組分分析測試顯示(表2)，15個族組分樣中，除了2個樣飽/芳比小于3外，其余均大于3。飽/芳比最大可達26.00。所以整體上牛蹄塘組干酪根類型為Ⅰ型，部分為Ⅱ型?；九c碳同位素和干酪根鏡檢結(jié)果一致[10-14]，牛蹄塘組含氣頁巖干酪根類型屬于Ⅰ型，具有很高的生氣潛力。

表2　牛蹄塘組黑色頁巖干酪根試驗結(jié)果

3儲集性能

3.1　礦物成分

下寒武統(tǒng)牛蹄塘組黏土礦物主要為伊利石、綠泥石以及極少量高嶺土和蒙皂石，在黏土礦物中伊利石占40%～99%，綠泥石占1%～23%。全巖分析中黏土總量為13%～43%，平均為26%，石英含量26%～81%，平均為62%，其次含有少量長石、方解石、白云石、黃鐵礦。從圖7可知牛蹄塘組礦物組成以脆性礦物為主[15]，主要為石英、長石類硅質(zhì)型礦物，脆性礦物含量極高為33%～87%，平均含量為68%，對于儲層改造水力壓裂都是較好的條件。而頁巖儲層中黏土礦物的含量與吸附氣含量具有一定的關(guān)系[13，15]。

圖7　牛蹄塘組礦物組成特征

3.2　不同類型礦物含量與TOC關(guān)系

湘西北地區(qū)海相優(yōu)質(zhì)烴源巖TOC 值與礦物含量似乎具有一定的相關(guān)性，黏土礦物含量隨TOC值增加呈降低的趨勢(圖8-a)，黏土礦物含量高，對應(yīng)的TOC 值相對低，但黏土礦物的含量并不是無限下降的，而是存在一定的諧和范圍，在本次樣品中黏土含量的諧和平緩值在20%～30%之間；而脆性礦物的含量隨TOC值的增加呈上升趨勢(圖8-b)，TOC 值高的樣品，脆性礦物含量也較高，脆性礦物含量與TOC關(guān)系也存在一定的諧和平緩區(qū)間，在這個區(qū)間其脆性礦物含量隨TOC含量的增大維持在一個基本值附近，變化不大，圖中脆性礦物含量平緩值在60%～80%之間。烴源巖TOC 值與礦物組成雖然共同受沉積環(huán)境等因素的影響，但TOC 值與無機礦物含量之間不存在普遍的相關(guān)性，在不同的沉積環(huán)境下可形成有機質(zhì)豐度相近而礦物組成不同的烴源巖。

圖8牛蹄塘組黏土礦物、脆性礦物含量與TOC關(guān)系圖

Fig.8The diagram of Clay minerals, brittle mineral content and TOC of Niutitang Formation black shale

3.3　物性特征

3.3.1孔隙度

湘西北地區(qū)牛蹄塘組頁巖孔隙度為0.3%~8.0%，平均為3.3%，具有比較有利于頁巖氣成藏的孔隙條件。對樣品滲透率的測定表明，所有樣品的滲透率均極低，都小于0.04×10-3μm2。整體為低孔低滲類型，符合頁巖氣常規(guī)開發(fā)條件。

3.3.2孔隙結(jié)構(gòu)

對湘西北地區(qū)牛蹄塘組黑色頁巖進行氮氣吸附-解吸附分析，實驗結(jié)果顯示頁巖BET比表面積為0.764 5~26.060 8 m2/g，平均值為7.992 9 m2/g；BJH累計比表面積0.366～19.43 m2/g，平均值為5.47 m2/g；BJH總孔體積為1.912～34.685 mm3/g，平均值為11.317 mm3/g；BJH吸附平均孔直徑為4.36～46.44 nm，平均值為13.10 nm；BJH脫附平均孔直徑為3.90～33.94 nm，平均值為9.39 nm。

牛蹄塘組頁巖中孔徑<10 nm的微孔隙體積占總孔體積的比例為9.6%~66.8%，平均為35.7%；孔徑介于10~50 nm之間的微孔隙體積占總孔體積的比例為17.0%~60.6%，平均為42.5%；孔徑>50 nm的微孔隙體積占總孔體積的比例為5.9%~43.4%，平均為21.7%。微孔與介孔對頁巖總孔體積的貢獻相當。而對頁巖的總孔面積而言，孔徑<10 nm的微孔隙的孔表面積占頁巖總孔表面的50.5%~96.1%，平均為75.7%；孔徑介于10~50 nm之間的微孔隙孔表面積占總孔表面積的3.3%~45.9%，平均為22.1%；孔徑>50 nm的微孔隙孔表面積占總孔表面積的0.4%~11.1%，平均為3.0%(圖9)?？左w積和孔表面積的大小和所占比例大小，影響頁巖氣的儲集空間和附著位點，是資源量的重要決定因素之一。

3.3.3掃描電鏡特征

頁巖基質(zhì)孔隙和裂縫是頁巖儲層的主要儲滲空間，常見的孔隙包括粒間孔、粒內(nèi)溶孔、粒間溶孔和膠結(jié)物內(nèi)溶孔，裂縫包括成巖裂縫、構(gòu)造裂縫和構(gòu)造-成巖裂縫。頁巖樣品的掃描電鏡觀察表明，牛蹄塘組頁巖中微米級孔隙與裂隙發(fā)育，這些微米級的孔隙和裂隙為頁巖氣提供了儲集空間和滲流通道。其中，有機質(zhì)氣孔常呈單個氣孔形態(tài)存在，形狀以圓形為主，其次為橢圓狀和港灣狀(圖10-a、b)。這些孔隙通常呈微米級，卻能提供極大的內(nèi)表面積和吸附空間，有利于甲烷吸附與儲集，并且也是黑色頁巖產(chǎn)氣的有力證據(jù)。另外，頁巖微裂縫和解理縫發(fā)育(圖10-c、d)，裂縫可以提高頁巖的孔隙度，改善滲透能力，同時提高頁巖氣產(chǎn)率[11，15]。

圖10頁巖中微孔隙、微裂隙掃描電鏡特征

Fig.10The SEM characteristics of shale micro-pores and micro-cracks

a. 呈蜂窩狀泥晶間微孔隙，組合孔隙20~30μm，單孔隙1~5μm; b. 泥晶間孔隙—微孔隙發(fā)育，孔徑10~15μm; c. 微裂縫被硅質(zhì)所膠結(jié);

d. 解理縫發(fā)育，縫寬多<2μm，長幾十至百余微米，微孔隙1~12μm

4資源量計算

針對我國頁巖氣資源特點、現(xiàn)有工作水平和認識程度，將FORSPAN法和體積法有機結(jié)合，采用條件概率體積法作為頁巖氣資源評價方法[2]。

湘西北地區(qū)寒武紀牛蹄塘組黑色頁巖厚度在龍山—桑植—石門地區(qū)較大，古丈—張家界一帶厚度較薄，為30～120 m不等，屬于出露邊緣或近剝蝕區(qū)。牛蹄塘組沉積相為深水陸棚相，以低能、缺氧沉積環(huán)境為主，受淺水有機質(zhì)補充，具有良好的聚集和保存條件，干酪根類型主要為Ⅰ型；主體埋深較大，湘西北石門—桑植、桑植西北—花垣一帶以及湘中坳陷次一級坳陷內(nèi)部牛蹄塘組埋深均超過了5 000 m；構(gòu)造復(fù)雜，地形地貌以低山及丘陵為主，油氣勘查開發(fā)工作程度低。結(jié)合此地區(qū)牛蹄塘組黑色頁巖各項地質(zhì)情況，參照相關(guān)資料對參數(shù)賦值并計算其資源量(表3，圖11)：概率為5%時，計算得出牛蹄塘組頁巖氣地質(zhì)資源量為532 217.4×108m3，技術(shù)可采資源量為79 832.6×108m3；概率為50%時，牛蹄塘組頁巖氣地質(zhì)資源量為128 231.9×108m3，技術(shù)可采資源量為19 234.8×108m3；概率為95%時，牛蹄塘組頁巖氣地質(zhì)資源量為3 255.3×108m3，技術(shù)可采資源量為488.3×108m3。對比美國主要頁巖氣田資源量，湘西北地區(qū)牛蹄塘組頁巖氣資源總量和可采資源量均表明了巨大的資源潛力。

表3　牛蹄塘組頁巖氣資源量參數(shù)表及計算結(jié)果(條件概率體積法)

圖11　牛蹄塘組頁巖氣地質(zhì)資源量與可采資源量概率表示

同時借鑒區(qū)域及附近地區(qū)現(xiàn)有文獻及鉆井數(shù)據(jù)：慈頁1井現(xiàn)場解析含氣量為0.33～0.95 m3/t；花垣區(qū)塊參數(shù)井現(xiàn)場解析含氣量為0.8～2.42 m3/t[16]；常德1井巖性樣品現(xiàn)場含氣量測試結(jié)果為0.5～2.1 m3/t[17]，貴州岑鞏區(qū)塊天星1 井(井深1 900 m)在1 765～1 802 m段鉆遇目的層段牛蹄塘組，含氣性較好，估計可達2 m3/t。綜合以上數(shù)據(jù)結(jié)果可知牛蹄塘組黑色頁巖見良好氣顯，其含氣性好，含氣量較高。

5有利區(qū)劃分

依據(jù)牛蹄塘組黑色頁巖埋深、總有機碳含量(TOC)、有機質(zhì)熱成熟度(Ro)、厚度等參數(shù)值，考慮埋深，同時結(jié)合地質(zhì)構(gòu)造特征、沉積背景，避開大型深部斷裂帶發(fā)育等不利頁巖氣儲藏的地段[9,18-20]，在寒武紀牛蹄塘組頁巖的分布區(qū)域內(nèi)細分出6個有利區(qū)塊(表4,圖12)：龍山里耶—石牌區(qū)塊(A1)、龍山水田壩區(qū)塊(A2)、壺瓶山區(qū)塊(A3)、保靖普戎區(qū)塊(A4)、永順石堤—張家界區(qū)塊(A5)、慈利巖伯渡—臨澧太浮區(qū)塊(A6)，其中包含3個Ⅰ級有利區(qū)和2個Ⅱ級有利區(qū)，Ⅰ類單元具有最為有利的頁巖氣成藏地質(zhì)條件與潛力，是下一步頁巖氣資源勘查的重點靶區(qū)；Ⅱ類單元的地質(zhì)條件對于頁巖氣的成藏較為有利，也可以作為下一步頁巖氣勘查工作的候選與補充目標。

表4　湘西北地區(qū)牛蹄塘組頁巖氣有利區(qū)塊綜合信息表

圖12　湘西北地區(qū)牛蹄塘組頁巖氣有利區(qū)劃分

6新認識

(1)湘西北地區(qū)在寒武紀紐芬蘭世為緩坡陸棚相，在強還原、滯流及海盆緩慢沉降條件下腐泥堆積轉(zhuǎn)化成牛蹄塘組底部碳質(zhì)硅質(zhì)頁巖；寒武紀第二世早期，湘西北區(qū)為淺海陸棚凹陷環(huán)境，其異常還原條件下沉積的含碳質(zhì)頁巖、頁巖為牛蹄塘組上部地層[11,21,22]。在漫長的沉積、構(gòu)造演化過程中，沉積厚度變大，有機質(zhì)不斷演化，形成了現(xiàn)今油氣地質(zhì)較好的牛蹄塘組含氣頁巖層。

(2)牛蹄塘組黑色頁巖有機地化試驗結(jié)果顯示：有機質(zhì)含量高，TOC均值3.75%；Ro均值3.08%,熱演化程度高；干酪根類型為Ⅰ型腐泥型，部分為Ⅱ型富氫腐殖型，生氣潛力大。物性參數(shù)：脆性礦物含量為33%～87%，平均為68%，黏土總量為13%～43%，平均為26%，且含指示還原條件的黃鐵礦?？诐B條件較好，為低孔低滲類型。頁巖中孔隙和裂縫的大量發(fā)育提高了頁巖滲透能力和產(chǎn)率。綜合顯示本組頁巖氣物化及地質(zhì)條件十分優(yōu)越，為較好目標層。

(3)依據(jù)相關(guān)資料和現(xiàn)有試驗數(shù)據(jù)，運用條件概率體積法對本地區(qū)牛蹄塘組黑色頁巖資源量參數(shù)賦值進行計算，采用適中概率50%值為參考，其頁巖氣地質(zhì)資源量為128 231.9×108m3，技術(shù)可采資源量為19 234.8×108m3，相比美國主要頁巖氣田資源量十分可觀，勘探開發(fā)潛力巨大。同時結(jié)合已知區(qū)內(nèi)慈頁1井、常德1井及附近頁巖氣井含氣量測試，都揭示本地區(qū)牛蹄塘組潛在的巨大儲量。

(4)對湘西北地區(qū)劃分了6個牛蹄塘組頁巖氣有利區(qū)，同時包含3個Ⅰ級有利區(qū)和2個Ⅱ有利區(qū)，有利區(qū)的選擇劃分十分利于下一步頁巖氣勘探靶區(qū)選擇、鉆井實施。根據(jù)牛蹄塘組頁巖的展布規(guī)律和有利區(qū)區(qū)塊劃分可見石門—龍山—來鳳、慈利—保靖兩條主線為頁巖氣優(yōu)質(zhì)區(qū)域。

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Exploration Prospect of the Cambrian Niutitang Formation

Shale Gas in Northwestern Hunan

LI Guo-liang, BAI Dao-yuan, WANG Xian-hui, LUO Peng, JIANG Wen, XIONG Xiong

(Oil&GasResearchCenter,HunanInstituteofGeologicalSurvey,Changsha，Hunan410116,China)

Abstract:Niutitang formation black shales are widely distributed in northwestern Hunan, which are the deposition products of reduction environment during Early Cambrian (Terreneuvian-Epoch 2), where the moderate buried depth and large thickness provide good gas reservoir conditions. Physical and chemical analysis shows the black shales are characterized by abundant organic matter (TOC: 0.59%~13.05%, average 3.75%), high maturity (Ro: 1.87%~4.00%, average 3.05%), good hydrocarbon generation potential (the kerogen is dominated by I type with minor II type), favorable reservoir reconstruction (brittle mineral content: 33%~87%, average 68%, clay mineral content:13%~43%, average 26%, and a high ratio of brittle mineral/ clay mineral), and low porosity and low permeability (porosity:0.3%~8.0%, average 3.3%, permeability less than 0.04×10-3μm2). Comprehensive studies show that Niutitang formation has good potential for shale gas reserves, and the method of conditional probability volume was used to assess resources, which shows abundant shale gas reserves. In addition, six favorable prospecting areas for shale gas are divided in northwestern Hunan, which provides evidence for the further research of shale gas.

Key words:Niutitang Formation; depth ; TOC; porosity; favorable area

作者簡介：李國亮(1987—)，助理工程師,主要從事基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查及油氣資源勘查。Email:121034237@qq.com。

基金項目：中央地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查評價專項地勘基金 “湖南省頁巖氣選區(qū)研究(編號: 201203084)”項目資助。

收稿日期：2014-11-24； 改回日期： 2014-12-05。

中圖分類號：TE122

文獻標志碼：A

文章編號：2095-8706(2015)01-0031-09