DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2019.03.013

四川盆地外复杂地质条件区海相页岩气“甜点区”优选：以湘西北地区古生界为例

秦明阳^{1, 2}，郭建华¹，黄俨然^{1, 3}，焦鹏¹，刘辰生¹，郑振华²，张良平²，郭军²，曹铮⁴

(1. 中南大学 地球科学与信息物理学院，湖南 长沙，410083；

2. 湖南省煤炭地质勘查院，湖南 长沙，410014；

3. 湖南科技大学 页岩气资源利用湖南省重点实验室，湖南 湘潭，411201；

4. 中国石油大学 地球科学与技术学院，山东 青岛，266580)

摘要：针对湘西北地区古生界页岩气勘探困难等问题，分析多年来钻井地质成果，对海相页岩气聚集条件进行研究，提出四川盆地外复杂地质条件区“甜点区”评价参数体系，量化界线及权重，涵盖4个方面16个指标，并强调生烃条件和保存条件，优选勘探“甜点区”。研究结果表明：黑色页岩主要发育于深水陆棚相，有机质类型较好，以Ⅰ型干酪根为主；牛蹄塘组富有机质页岩厚度及其丰度明显比国内其他勘探层系的高；五峰组—龙马溪组有机质丰度与四川盆地的相似，但厚度(仅20~30 m)不足；有机质热演化进入高成熟阶段，有利于勘探与开发；页岩矿物质量分数具有“两低—高”的特征，即低质量分数的碳酸盐岩、低质量分数的黏土矿物和高质量分数的石英；页岩储层微观发育多种类型孔隙和微裂缝，但有机质孔控制储层特征，如渗透率、吸附能力等；对于五峰组—龙马溪组，向斜核部属于残留型保存构造样式；对于牛蹄塘组，背斜核部属于破坏型保存构造样式，而向斜核部属于残留型或完整型保存构造样式；优选牛蹄塘组“甜点区”位于雪峰隆起的北西缘逆冲推覆带下盘，而五峰组—龙马溪组“甜点区”应该靠近四川盆地龙山一带的残留向斜。

关键词：复杂地质条件区；湘西北；古生界；页岩气；“甜点区”

中图分类号：TE122         文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2019)03-0596-11

“Sweet spots zone” optimization of marine shale gas in complex geological conditions area out of Sichuan basin: a case of Paleozoic in Northwestern Hunan, China

QIN Mingyang^{1, 2}, GUO Jianhua¹, HUANG Yanran^{1, 3}, JIAO Peng¹,LIU Chensheng¹, ZHENG Zhenhua², ZHANG Liangping², GUO Jun², CAO Zheng⁴

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

2. The Survey Academy of Coal Geology in Hunan, Changsha 410014, China;

3. Hunan Provincial Key Laboratory of Shale Gas Resource Utilization, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, China;

4. School of Geosciences, China University of Petroleum, Qingdao 266580, China)

Abstract: Aiming at the predicament of Paleozoic shale gas exploration in Northwestern Hunan Province, the drilling geological results for many years were analyzed, the accumulation conditions of marine shale gas were conducted, and the evaluation parameter system of “sweet spots zone” in the complex geological conditions outside the Sichuan basin was proposed. Boundaries and weights were also quantified, covering 16 indicators in 4 aspects, and the hydrocarbon generation and preservation conditions were emphasized. “Sweet spots zone” in the study area was optimized. The results show that the black shale is mainly developed in deep-water shelf with high total organic matter mass fraction w(TOC), and the organic matter is mainly type I. The thickness and abundance of organic-rich shale in the Niutitang Formation(∈₁n) are significantly higher than that in other exploration layers in China. Although the w(TOC) of Wufeng—Longmaxi Formation(O₃w—S₁l) is similar to that of the Sichuan basin, the thickness (only 20—30 m) is insufficient. These two sets shales both reach high maturity stage, which is conducive to exploration and development of shale gas. Shale minerals are characterized by “low carbonate, low clay and high quartz contents”. Shale reservoirs are microscopically developed with various types of pores and micro-cracks, but organic pores control reservoir characteristics, such as permeability and adsorption capacity. Syncline core belongs to residual preservation tectonic type for O₃w—S₁l. For ∈₁n, syncline core is intact or residual preservation tectonic type, but anticline core belongs to destructive preservation tectonic type. “Sweet spots zone” of the ∈₁n is located in footplate of thrust nappe zone in the northwestern marginal of the Xuefeng uplift, while sweet spots zone of O₃w—S₁l should be located in the residual syncline of the Longshan area, which is close to Sichuan basin.

Key words: complex geological conditions; northwestern Hunan; Paleozoic; shale gas; “sweet spots zone”

页岩气作为一种清洁、高效的非常规天然气资源，为中国日益严峻的能源紧缺和环境安全提供了新的解决途径，目前，中国页岩气实现跨越式发展，成为第3个实现商业化开采的国家^[1-2]，然而，也面临一些挑战，要实现2020年300×10⁸ m³产量目标，需要强化优选“甜点区”^[3]。与四川盆地涪陵、长宁、威远等区块五峰组—龙马溪组快速规模生产开发相比，作为远景区的湘西北复杂地质条件区依旧停留在“点火成功”阶段^[4]。页岩气具有大面积连续分布特点，但前期勘探忽视了宏观聚集条件和微观结构的非均质性，未重视“微气藏”的差异导致含气性空间非均质性^[1]。董大忠等^[3]指出，中国页岩气勘探开发中往往重视钻井、分段压裂等工艺技术突破，忽略了优质“甜点区”资源评价与选取，造成“工艺成功、产量不高”的尴尬局面，邹才能等^[5]强调选准“甜点区”是页岩气成功开发的首要条件。湘西北地区发育了寒武系牛蹄塘组和奥陶系五峰组—志留系龙马溪组共2套页岩层系，然而，多年的页岩气勘探尚未取得工业气流，这导致企业对页岩气勘探信心不足。为此，本文作者分析湘西北页岩气地质条件，研究生烃、储集、保存及开采条件，提出四川盆地外复杂地质条件区页岩气“甜点区”评价参数体系并优选“甜点区”，为未来湘西北乃至整个南方复杂地质条件区页岩气勘探提供参考。

1  地质背景

湘西北地区与四川盆地同属于上扬子板块，从震旦纪至早古生代主要表现为克拉通海相盆地。在早寒武世初期，华南泛大陆解体导致区域构造沉降加剧，达到二级层序最大海泛面，鄂中古陆上升奠定了研究区北高南低的古地理格局，湘西北主体发育深水陆棚环境。大洋缺氧事件、上升洋流作用及海底热液活动等综合影响形成了大范围黑色岩系，富含炭质、硅质、石煤、磷块岩、黄铁矿及重晶石等^[6-7]。在早奥陶世，上扬子地区发生构造转换，川中隆起范围不断扩大，黔中隆起、雪峰隆起及江南隆起基本连成了滇黔桂隆起带，形成“三隆夹一坳”的古地理格局。湘西北处于川东—鄂西深水陆棚东缘，张家界一带发育水下隆起，在上升洋流、滞留缺氧以及缺乏陆源碎屑等作用下，形成了一套富含硅质、炭质的笔石页岩，观音桥段发育少量泥灰岩^[8-9]，见图1。除西北缘位于宜都—鹤峰复背斜外，研究区主体属于桑植—石门复向斜。受保靖—慈利大断裂控制，江南雪峰隆起从燕山至喜山期向西北方向发生多期次压扭性构造运动，形成如今NNE或NE走向为主的“基底卷入式”复杂褶皱和断裂体系，见图2。背斜核部多出露震旦系—奥陶系，且伴随较大规模的逆冲断层，而向斜核部出露二叠系—三叠系，保存较完好，呈孤立状分布^[10-11]。

图1  湘西北五峰组—龙马溪组富有机质页岩沉积模式图

Fig. 1  Deposition model of organic-rich shale of O₃w—S₁l in northwestern Hunan

图2  湘西北构造

Fig. 2  Tectonic outline in northwestern Hunan

2  生烃条件

有机质类型、有机质质量分数及热演化程度决定了页岩烃源岩品质，是评价生烃条件的主要指标。

2.1  有机质类型

早古生代尚未出现高等植物，有机质主要来自浮游藻类、笔石和放射虫等海洋生物，见图3。区内钻井揭示牛蹄塘组干酪根显微组分以壳质组和腐泥组为主，而五峰组—龙马溪组以腐泥组为主，平均质量分数为90%左右，2套层系有机质类型指数普遍大于80，仅少量介于40~80之间。此外，前人研究指出湘西北永顺区块牛蹄塘组为-28.38‰~-32.79‰^[12-14]，保靖区块五峰组—龙马溪组为-34.29‰~ -30.29‰，整体上低于-28.00‰，因此，认为有机质类型较好，多属于Ⅰ型，少量属于Ⅱ₁，见表1^[15-20]。

图3  湘西北古生界页岩化石特征

Fig. 3  Fossils characteristics of Palaeozoic shale in northwestern Hunan

2.2  有机质质量分数

Barnett页岩以及四川盆地涪陵页岩气田的开发证实，丰富的有机质质量分数决定了页岩气的“成烃控储”^[20]。针对南方海相高热演化程度页岩，国内学者普遍采用残余有机碳质量分数即w(TOC)评价有机质丰度。普遍认为w(TOC)的下限应不低于2%，但可能会随着开采技术的进步而适当降低^[21-22]。

牛蹄塘组普遍发育2层富有机质页岩，厚度可达70~100 m，w(TOC)明显高于国内其他勘探层系(见表1)，如常页1井1 103~1 224 m的w(TOC)平均值可达10.1%，花页1井2 526~2 595 m的 (TOC)平均值可达7.0%。五峰组—龙马溪组发育1层富有机质页岩，厚度为20~30 m，w(TOC)普遍可达2.0%以上，如龙参2井的w(TOC)最高可达5.96%，与四川盆地焦石坝地区的w(TOC)相当。

2.3  有机质成熟度

有机质热演化程度与页岩气聚集的关系较复杂，尚无确切定论^[23-24]。南方海相页岩气属于典型的“热成因、间接型”生气模式，有机质进入高成熟阶段(成熟度R_o＞1.3%)才裂解形成大量天然气，但过高的成熟度会导致有机质孔减少，保存条件变差，影响井产能^{[16, 21]}。受埋深及构造抬升等因素影响，研究区古生界页岩有机质成熟度R_o普遍介于2.0%~3.0%，达到高成熟阶段(表1)。对比四川盆地焦石坝页岩气田，认为研究区有机质热演化程度适中，有利于勘探与开发。

表1  南方古生界海相页岩参数对比

Table 1  Parameters comparison of Paleozoic marine shale in South China

3  储集条件

作为致密储层，页岩的矿物组成、微观孔隙-微裂缝特征决定了宏观储集条件，并进一步影响页岩气的赋存特征和开发效果。

3.1  矿物组成

国内外成功开发的页岩层系矿物组成及质量分数差异较大，但均具有具备高质量分数的脆性矿物(质量分数＞40%)、低质量分数的黏土矿物(质量分数＜30%)的特征^{[15, 25-26]}。从表1可见：古生界页岩矿物组成具有“两低一高”的特征，即碳酸岩盐平均质量分数普遍低于20%，黏土矿物平均质量分数一般为25%~30%，石英平均质量分数高达40%~55%。与Barnett页岩以及焦石坝地区类似，湘西北古生界页岩较高的脆性矿物质量分数有利于在外力作用下形成天然或人工缝隙，提高页岩储集空间和渗流能力。

3.2  储层微观特征

虽然页岩孔隙具有类型多样、形态复杂、尺度小等特征，但借助氩离子抛光、电子扫描电镜观察(SEM)等手段发现页岩发育多种类型无机质孔、有机质孔以及微裂缝^[27]。YANG等^[28]指出四川盆地五峰组—龙马溪组原始储层中有机质孔储集了78%的页岩气(55%吸附气和23%游离气)，而无机质孔仅储集了22%游离气。湘西北古生界页岩发育了多种类型无机质孔，如晶间孔、粒间孔、粒内孔、溶蚀孔等，但以有机质孔最为发育和常见^[29]。有机质体内部发育大量纳米级孔隙，孔径为5~500 nm，平均为100 nm左右，控制了页岩储层特征，见图4。页岩渗透率以及储气能力如BJH体积、Langmuir体积等均随着w(TOC)的增大而增大，见图5(其中，R²为拟合系数)。

4  保存条件

四川盆地及周缘经历多期次复杂构造运动，下古生界页岩气富集与分布取决于差异性埋藏—隆升剥 蚀—构造变形作用^[30]。翟刚毅等^[31]总结了南方页岩气3大保存构造样式，即“完整型、残留型、破坏型”，强调地层超压是页岩气高产的必要条件。多年来在湘西北地区的勘探实践表明，页岩气保存条件取决于埋深、构造样式及地层压力系数等。

湘西北区块内构造样式以向斜为主，见图6。对于寒武系牛蹄塘组，背斜部位普遍埋深较浅，为1~2 km，甚至出露地表，且伴随着大规模通天断裂，属于破坏型构造样式，保存条件较差；向斜部位埋深较大，桑植岩屋口向斜达3~5 km，龙山马蹄寨向斜甚至达6~7 km，地层可能存在超压，属于残留型甚至完整型构造样式，保存条件较好。

图4  SEM下古生界页岩有机质孔发育特征

Fig. 4  Characteristics of organic pore in Paleozoic shales under SEM

图5  花页1井牛蹄塘组岩心储层特征与w(TOC)相关性图

Fig. 5  Correlation between reservoir characteristics and w(TOC) of ∈₁n in Huaye 1 Well

图6  湘西北区块内地质剖面图

Fig. 6  Geological profiles in block of Northwestern Hunan

对于五峰组—龙马溪组，区块内背斜部位属于剥蚀区，失去了勘探价值；而向斜(如桑植区块岩屋口向斜、龙山区块马蹄寨向斜)翼部一侧往往出露，导致页岩气长期散失，但是向斜核部埋深适中，为2~4 km；断裂不发育，处于常压—超压地层，属于残留型构造样式，保存条件较好。

5  开采条件

页岩气的成功开发离不开水力压裂技术，但只有低泊松比、高弹性模量、富有机质的脆性页岩才具备大规模水力压裂条件^[32-33]。四川盆地内五峰组—龙马溪组页岩弹性模量一般大于30 GPa，泊松比为0.20左右，有利于水力压裂形成人造裂缝，大幅度提高储层渗透性和井产量^[34]。研究区花页1井牛蹄塘组弹性模量为23.1~47.2 GPa，平均为30.6 GPa；泊松比为0.15~0.31，平均为0.21。桑页1井五峰组—龙马溪组弹性模量为35.5~63.3 GPa，平均为51.0 GPa；泊松比为0.21~0.28，平均为0.26。龙参2井五峰组—龙马溪组弹性模量为20.24~25.30 GPa，平均为22.10 GPa；泊松比为0.20~0.22，平均为0.21。总体上，湘西北古生界页岩具有低泊松比和高弹性模量特征，开采条件较好，见表2。

6  讨论

6.1 “甜点区”评价参数体系

针对不同的地区、层系以及勘探程度，国内研究者对于海相页岩气“甜点区”的识别与优选存在一定分歧。潘仁芳等^[35-37]指出页岩气“甜点”包括“地质甜点”(生烃能力、储气条件)及“工程甜点”(易开采性)。梁兴等^{[34, 38]}强调保存条件(断裂与地层孔隙压力)是作为“甜点区”评价的重要参数。邹才能等^[5]指出“高点区”是优选页岩气“甜点”必须考虑的重要因素，但不是必备要素。邹才能等^[1]提出四川盆地海相页岩气富集高产“经济甜点区”需具备“甜、脆、好”特征，即地质上“含气性优”，工程上“可压性优”，效益上“经济性优”。

表2  国内外典型富有机质页岩力学性能

Table 2  Mechanical properties of typical organic-rich shales at home and abroad

美国海相页岩发育于克拉通盆地或前陆盆地，基底稳定，后期构造运动简单，而中国南方古生界海相页岩普遍具有“三高”特点。与四川盆地焦石坝、长宁、威远等区块相比，湘西北地区经历了更加复杂的构造挤压和抬升剥蚀，造成页岩气逸散^[30]。湘西北页岩气勘探长期面临两大困境：1) 牛蹄塘组“有岩无气”，如花页1井、常页1井等烃类体积分数低，氮气体积分数普遍超过90%；2) 五峰组—龙马溪组“有气无流、有流无量”，如保页1井、龙参2井烃类体积组分超过90%，压裂后日产仅约1 000 m³，未获得工业气流。

据此，本文提出南方复杂地质条件区海相页岩气“甜点区”评价参数体系，包括4个方面16个指标，且量化了各评价参数界限，赋以权重，见表3。页岩气“甜点区”评价首要考虑“地质甜点”，尤其是生烃能力(权重为0.30)和保存条件(权重为0.35)，它们决定了区域含气性和勘探潜力；其次要考虑“工程甜点”，即易开采性(权重为0.20)；最后考虑储集条件(权重为0.15)。

页岩气具有区域性连续聚集的特征，“甜点区”首要条件是页岩生烃能力较强，即深水陆棚相下页岩w(TOC)超过2%，有机质进入生气窗(成熟度R_o＞2%)，且具有一定厚度(＞30 m)和展布面积(＞300 km²)，故对生烃条件赋以权重0.30。根据国内外页岩气勘探开发成效，构造复杂条件区，选取“甜点区”的关键是保存条件，即埋深适中(1 500~3 500 m)、远离通天断层(＞10 km)和露头(＞15 km)，且地层压力系数大于1.20，含气性较高(烃类含量超过3 m³/t，游离气体积分数大于50%)，因此，对保存条件赋加权重0.35。“甜点区”页岩必须具备易开采性，即高弹性模量(＞30 GPa)和低泊松比(＜0.30)，有利于水力压裂，对其赋以0.20的权重。此外，良好的储集条件有利于页岩气赋存及后期开发，即孔隙度大于2%，渗透率大于50 nD，脆性矿物质量分数大于30%，但储集条件差，可以通过人工手段弥补，故权重仅赋0.15。

表3  复杂地质条件区海相页岩气“甜点区”评价参数体系

Table 3  Evaluation parameters system of sweet spot zone of marine shale gas in complex geological conditions zone

6.2 “甜点区”优选

“甜点区”评价指标之间并非相互孤立，而是存在复杂的关联或制约关系^[35]。本次选择页岩厚度、w(TOC)、含气量、R_o、游离气比例、脆性矿物质量分数、压力系数及埋深等关键指标制作雷达图(见图7)，分析湘西北地区古生界富有机质页岩评价参数与美国Barnett 页岩以及四川盆地焦石坝地区的异同点。

研究区牛蹄塘组静态指标较高，尤其是厚度、w(TOC)、脆性矿物质量分数及埋深等参数明显比国内外其他层系的高，但保存条件较差，即地层压力属于常压，含气性差，这可能是较老的牛蹄塘组经历了多期次构造运动，背斜或者浅层部位页岩气已损失殆尽。翟刚毅等^[39]根据湖北宜昌水井沱组发现全球最古老的页岩气聚集，获得工业气流，提出“古老隆起边缘控藏模式”。因此，未来对湘西北地区牛蹄塘组的勘探应高度警惕因保存条件差而导致的较大风险，采取“高中找低、强中找弱”原则^[40]，优选江南雪峰隆起的西北缘逆冲推覆带下盘为“甜点区”。

湘西北地区五峰组—龙马溪组具有“五性一体”(有机质质量分数、有机质孔发育程度、层理(缝)、硅质质量分数和压力系数)特征^[41]，呈现截然不同的特点，各项指标与Barnett页岩和四川盆地焦石坝地区的相应指标相类似，但页岩厚度明显不足。这是由于湘西北地区位于晚奥陶世—早志留世深水陆棚东部边缘，页岩厚度与展布范围成为页岩气“甜点区”优选的“木桶短板”。因此，优选靠近四川盆地龙山一带的残留向斜为“甜点区”。

图7  页岩评价参数特征雷达图

Fig. 7  Radar chart of shale evaluation parameters

7  结论

1) 湘西北地区古生界富有机质页岩发育于深水陆棚相，牛蹄塘组生烃条件优越，厚度及w(TOC)质量分数明显比其他勘探层系的高；五峰组—龙马溪组与四川盆地焦石坝地区类似，但厚度不足。

2) 页岩矿物组成均具有“两低一高”的特征，微观发育的有机质孔控制了页岩储层特征；页岩具有低泊松比和高弹性模量特征，具备良好的开采条件。

3) 研究区构造地质条件复杂，向斜核部对于五峰组—龙马溪组属于残留型构造样式，而对于牛蹄塘组属于残留型或完整型构造样式。

4) 四川盆地外复杂地质条件区海相页岩气“甜点区”评价参数体系涵盖了4个方面16个指标，生烃条件和保存条件是核心。牛蹄塘组“甜点区”位于雪峰隆起的北西缘逆冲推覆带下盘，而五峰组—龙马溪组“甜点区”应靠近四川盆地的龙山一带残留向斜位置。

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(编辑  陈灿华)

收稿日期：2018-06-10；修回日期：2018-08-12

基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(41603046)；湖南省自然科学基金资助项目(2017JJ1034)；湖南省科学技术厅软科学计划项目(2014ZK3043)；湖南省国土资源厅软科学研究项目(2014-01) (Project(41603046) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(2017JJ1034) supported by the Natural Science Foundation of Hunan Province; Project(2014ZK3043) by the Soft Science Plan of Department of Science and Technology of Hunan Province; Project(2014-01) supported by Soft Science Plan of Department of Land and Resources of Hunan Province)

通信作者：郭建华，教授，博士生导师，从事沉积学与石油地质研究；E-mail: gjh796@csu.edu.cn