湘中地区涟源凹陷下石炭统页岩气藏形成条件

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：在观察野外地质露头和综合分析样品测试数据的基础上，对湘中地区涟源凹陷下石炭统暗色泥页岩的厚度与区域分布、有机质丰度、有机质类型、成熟度以及储层矿物学特征、烃源岩热演化史等页岩气藏形成条件进行研究。研究结果表明：与美国主要盆地的页岩气产区相比，该区暗色泥页岩的厚度较大且区域分布广泛，有机质类型以Ⅱ型为主，具有成熟高、脆性矿物丰富、物性较好、储渗空间相对较好等特点；采用地质类比法预测出涟源凹陷3个层位的页岩气总资源量为(0.223~0.460)×10¹² m³；涟源凹陷的新化—冷水江一带是页岩气发育的最有利区。

关键词：湘中；涟源凹陷；下石炭统；页岩气；气藏形成

中图分类号：TE112           文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2014)07-2268-10

Accumulation conditions and exploration potential of shale gas of lower Carboniferous in Lianyuan Depression in the middle of Hunan Province

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

(1. School of Geosciences and Environmental Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;

2. Sinopec Shengli Petroleum Engineering Co., Geologging Company, Dongying 257000, China)

Abstract: Based on comprehensive analysis of outcrops observation and sample testing data, the formation conditions of shale gas of lower Carboniferous in Lianyuan Depression at Middle Hunan were analyzed, such as regional distribution, contents of organic matter and its maturity, reservoir characteristics, burial history of the dark shale. The results show that, compared with the gas-producing shale in the main basin of the United States, the shale in the study area is characterized by wide distribution and great thickness. The organic matter is dominated by Ⅱ, high degree of mature, brittle mineral wealth, better physical properties, development of reservoir and flow space. Estimation with the geological analogy method shows that the shale gas volume in the three strata at Lianyuan Depression is (0.223-0.460)×10¹² m³. The most favorable area for shale gas accumulation in the lower Carboniferous is along Xinhua—Lengshuijiang.

Key words: central Hunan; Lianyuan depression; lower carboniferous; shale gas; gas reservoir formation

美国是勘探开发页岩气最早的国家，始于1821年，2010年产量达到1 379×10⁸ m³。中国对页岩气的研究工作主要始于2000年左右。2012年3月，国家发展改革委、财政部、国土资源部、国家能源局等四部委联合发布页岩气“十二五”发展规划并提出：2015年中国页岩气年产量达到65×10⁸ m³，到2020年年产量力争达到(600~1 000)×10⁸ m³。张金川等^[1-3]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。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，是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，指出页岩气并不是单一地只是从页岩地层中产出。湘中凹陷的勘探工作自20世纪60年代初开始，至今在涟源凹陷区内已完成20多口钻井，基本上每口井都有较好的气显示，邵10井、涟8井、涟10井及4082孔天然气喷高15 m以上，其中已有3口井获得工业气流^[4]。2012年，娄底涟源市桥头河镇白刘村的第1口页岩气井湘页1井完钻井深2 067.85 m，压后最高产气量2 700 m³/d。在此，本文作者结合研究区地球化学参数，应用地质类比法计算湘中涟源凹陷页岩气资源量。

1  区域地质特征

1.1  区域概况

涟源凹陷位于湘中凹陷北端，新化—双峰一带，面积约6 770 km²，整体呈北西西向展布。图1所示为涟源凹陷区域概况图，此凹陷外部西邻雪峰山隆起，东部与衡阳盆地西部隆起相邻，北部为沩山凸起，南部为龙山—白马山凸起。内部可分为3个构造带：西部紧闭线形叠瓦状逆冲推覆构造带、中部宽缓褶断带和东部滑覆叠瓦冲断带^[5]。中部宽缓褶断带由西向东主要由锡矿山向斜、车田江向斜、安坪背斜、桥头河向斜、石山冲背斜和恩口—斗笠山向斜组成。全区中泥盆世至早三叠世基本上连续沉积，从前泥盆系浅变质基底形成后，凹陷内上古生界和三叠系沉积时全区厚度变化不大，各个层位原始沉积厚度基本稳定；区内缺乏中三叠统、中上侏罗统和下白垩统；中上泥盆统和下石炭统岩关阶地层在全区都有展布；向斜内部各层系地层保存较完整，而背斜核部地层剥蚀严重^[6]。

1.2  区域地层概况

涟源凹陷下石炭统自下而上发育大塘阶石磴子组(C₁d¹)、测水组(C₁d²)、梓门桥组(C₁d³)、岩关阶邵东组(C₁y¹)、孟公坳组(C₁y²)和刘家塘组(C₁y³)。其中泥页岩发育于下石炭统岩关阶测水组、刘家塘组及大塘阶石磴子组，这3个层位是本文重点研究的层位。

下石炭统测水组属滨海和滨海沼泽含煤碎屑沉积，一般厚数十米，层位稳定，与其上、下碳酸盐岩在岩性上区别明显，是一个良好的标志层。下部主要为石英砂岩、砂质页岩、炭质页岩夹煤层及菱铁矿层，上部主要由粉砂质泥岩、泥质粉砂岩夹灰岩、泥质灰岩及石英砂岩、石英砂砾岩组成，在涟源凹陷最发育，为一套煤层、砂质泥岩、炭质泥岩、粉砂岩以及灰岩互层的地层。煤层中夹大套泥岩、炭质泥岩，分布较广，厚度较大。

图1  涟源凹陷区域概况

Fig. 1  Tectonic framework of Lianyuan depression

下石炭统刘家塘组可以分为3段：下段岩性以涟源市七星街仙洞剖面为代表，岩性为灰岩、白云质灰岩、泥质灰岩、夹钙质页岩和砂质页岩，至涟源、新化一带，碎屑成分增多，岩性为灰岩、泥质灰岩夹泥灰岩和粉砂岩，厚40~90 m；中段主要为粉砂岩、砂质泥灰岩、钙质页岩、砂质页岩，夹透镜状灰岩、泥质灰岩等，最薄8 m，最厚45.3 m，一般为30~40 m；上段泥砂质增多，岩性为灰岩、泥质灰岩、泥灰岩夹钙质页岩、砂质页岩甚至粉砂岩，厚度小。整个涟源凹陷刘家塘组的泥页岩从5~200多m不等。

下石炭统石磴子组的代表剖面是新邵县龙头坳剖面，本组顶部夹有钙质粉砂岩、粉砂质页岩或炭质页岩及粉砂岩等，厚80~100余m。在湘乡—攸县地段，砂泥质成分骤增，岩性变为泥灰岩、灰岩与砂质页岩、页岩互层，厚度一般在150 m以下。与测水组和刘家塘组相比，石蹬子组泥页岩在这一地区发育的厚度相对较小，据涟深2井的资料显示，涟源凹陷石蹬子组泥页岩最厚可达50余m。

2  成藏条件

商业性的页岩气开采必须要具备相应的地质条件：(1) 页岩在热演化阶段中要有足够的生烃能力，即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1.0%；(2) 页岩地层具有一定的延伸范围，气藏能够大面积展布，通常区域上连续分布的页岩厚度在30 m以上，且有效厚度大于15 m；(3) 斯伦贝谢公司^[7]通过对北美页岩气盆地进行研究认为，有利的页岩气目标区应该是有机碳质量分数最低标准原则上应大于2.0%；(4) 页岩的矿物成分中硅质质量分数＞35%，易于形成微裂缝。(5) 依据页岩气关键储层参数评价标准，优质的含气页岩其孔隙度应至少达到4%^[8]。

2.1  泥页岩厚度与分布

湘中涟源凹陷下石炭统主要发育刘家塘组(C₁y³)、石磴子组(C₁d¹)及测水组(C₁d²)共3套泥页岩。湘中涟源凹陷刘家塘组、测水组泥页岩厚度如图2所示。刘家塘组泥页岩的沉积中心在凹陷中部的温塘—安坪一带，其厚度达到400多m，安1井最厚可达到414 m，其中纯黑色页岩、灰黑色泥岩的厚度累计达到213 m；凹陷西部地区泥页岩厚度较薄，如姜1井黑色页岩的厚约为10 m。测水组泥页岩的沉积中心位于温塘—冷水江—涟源一带，湘冷1井附近泥页岩最厚处达到80多米，新2井灰黑色含炭质泥页岩的厚度约50 m (含煤层厚度11.2 m)，凹陷中心泥页岩平均累计厚度50~60 m，平均厚度为30 m左右，其中煤层平均厚度3.04 m；凹陷边缘处最薄，如涟深1井，其厚度也有10余米。石磴子组有效烃源岩厚度约179 m。以涟深3井为例，其中可以作为页岩气烃源岩的厚度累计为50多米，但逐步向四周递减，厚度均在10 m以下。

图2  涟源凹陷下石碳统刘家塘组、测水组泥页岩厚度分布

Fig. 2  Mudstone thickness of Ceshui and LiuJiatang formation of Lower Carboniferous in Lianyuan depression

2.2 有机质丰度及平面分布

Gareth等^[9]提出页岩中的含气量(包括吸附气及游离气)与其有机碳质量分数w(TOC)呈正相关，其有机碳质量分数应是控制页岩对甲烷吸附能力的地质主控因素。研究区泥页岩层大都处于高演化条件下，主要生烃期是过成熟生气阶段，故总有机碳质量分数成为评价泥页岩层及其生烃潜力的最主要指标。对泥页岩的评价采用国内公认的有机碳质量分数等于0.5%为下限的划分标准，湘中地区测水组共取样14块，有机碳质量分数取值范围为0.56%~5.16% ，恢复后的有机碳质量分数平均值为3.12%。冷水江市金竹山剖面、涟源市雷鸣桥剖面岩性多为灰黑色碳质页岩、深灰色泥页岩夹煤，泥页岩有机碳质量分数为0.61%~ 0.85%，平均为0.75%。涟源凹陷测水组有机碳质量分数等值线如图3所示。从图3可以看出：本区有2个高值区北西向展布，分别位于涟源凹陷安平镇及冷水江地区，泥岩有机质质量分数达2.5%。利用含气量反演法，测试得到的有机碳质量分数大于1.0%，有较好的含气性与产能，新1井测水组(C₁d²)井下泥页岩岩样的有机碳质量分数最大值为 4.37%，平均值为 1.06%，故本区测水组泥页岩的含气量应该较大，但整个研究区内测水组由于受剥蚀的影响，有机碳的有效面积较少。

2.3  有机质类型

有机质类型是决定泥质岩产气效率、生产方式及烃源岩评价的重要因素。北美页岩气主要盆地的页岩干酪根类型主要为Ⅱ型或Ⅰ型^[9-10]，研究区内主力烃源岩有机质类型以Ⅱ型为主。泥页岩干酪根显微组分分析结果如表1所示。从表1可以看出：下石炭统刘家塘组(C₁y³)泥页岩中—上部暗色泥灰岩、泥页岩在平面上分布范围较大且富含腐泥组+壳质组组分，质量分数多数大于63%，有机质类型主要为Ⅱ型；下石炭统石蹬子组(C₁d¹)泥页岩腐泥组+壳质组质量分数为74.7%~88.7%，有机质类型为Ⅰ型；下石炭统测水组(C₁d²)下段泥页岩干酪根显微组分主要以腐泥组+壳质组组分为主，质量分数为62.7%~82.3%，有机质类型主要为Ⅱ型。测水组的上段则不同，从植物化石证明有机质来源于鳞木、芦木等高等植物，属于腐植型，故有机物类型也主要以Ⅲ型干酪根分布，对于生气而言，也属于较好的烃源岩。

图3  涟源凹陷下石碳统测水组TOC等值线

Fig. 3  Isoline of TOC of Ceshui formation of Lower Carboniferous in Lianyuan depression

表1  涟源凹陷下石炭统泥页岩干酪根显微组分分析数据

Table 1  Analysis data of kerogen maceral of mud shale of lower carboniferous in Lianyuan depression

2.4  有机质成熟度

确定有机质演化阶段最常用的指标是干酪根镜质体反射率(R_o)。目前针对于页岩气的研究范围内，镜质体反射率(R_o)一般超过1.0%，理论上成熟度大于3%通常被认为是页岩已无生气能力。图4所示为涟源凹陷下石炭统石磴子组推算R_o等值线图。从图4可以提出：研究区内石磴子组(C₁d₁)在本区西北边缘一线的R_o＜2%，西北广大地区R_o为2%~3%，中部及东南部的R_o＞2%^[6]；全区R_o 绝大多数都大于2.5%，处于过成熟阶段。美国主要页岩气产区R_o与研究区测水组的R_o如图5所示。

从图5可见：根据美国页岩气勘探经验，已发现具有商业价值的、热成因的页岩气藏大多分布在页岩成熟度(R_o)为1.1%~3%的高成熟度条件下^[11-12]。例如，美国阿巴拉契亚盆地页岩成熟度的变化范围为0.5%~4.0%^[13]，宾夕法尼亚州西部为2.0%，在西弗吉尼亚州南部最高可达4.0%^[14]。因此，从平面上涟源凹陷西北部新化—锡矿山以北一带，下石炭统页岩成熟度低于3%是页岩气藏形成较为有利的地带。综上所述，从整个凹陷的页岩成熟度总体进入高成熟演化的特征预测，下石碳统页岩中发现的页岩气藏不但是热成因型，而且将是成熟度很高的页岩气。

2.5  下石炭统储集条件

2.5.1  储层矿物学特征

页岩气开采除了考虑孔隙度及渗透率这些常规油气藏外，还要考虑其矿物成分，其原因是：(1) 研究表明裂缝发育有利于增加和吸附天然气的解析，裂缝发育成度主要取决于页岩类型和矿物学特征；(2) 矿物成分的组成直接影响压裂效果。由于页岩的基质渗透率非常低，一般小于0.1×10^-3 μm²，平均吼道半径低于0.005 μm^[15]。当页岩含有较少的膨胀性黏土矿物和较多的硅质等矿物时(一般为30%~80%)，岩石脆性增强，产生裂缝的能力提高，导致页岩易于破碎和压裂，提高页岩气的产量。如FortWorth盆地Barnett页岩的石英质量分数为35%~50%，San盆地的Lewis页岩石英质量分数为50%~75%。对研究区内下石炭统大塘阶测水组矿物X线衍射组分分析发现：测水组矿物质量分数以黏土矿物为主，其次为石英、方解石等矿物；黏土矿物质量分数为20.8%~75%，平均为41.3%，石英质量分数为9%~75.12%，平均为37%；方解石质量分数为0~38%，平均为10.85%；白云石质量分数为0~11%，平均为2.57%；铁白云石质量分数为0~13%，平均为1.85%；斜长石、钾长石和黄铁矿平均质量分数分别为0.8%，0.4%和5.0%^[16]。由图6测水组样品中的X线衍射数据与北美下石炭统Barnett页岩矿物组分三角图可知：测水组矿物组分中黏土矿物质量分数相对于Barnett页岩较大，脆性矿物一般达到50%，碳酸盐矿物质量分数相对较低。由于所得样品相对较少，并不能真实反映地层的情况。总体而言，整个研究区内页岩的黏土矿物质量分数较高，其次为石英，还有较多的方解石、白云石和黄铁矿。虽然石英质量分数不高，但全部脆性矿物加起来总质量分数可达50%以上，有利于泥页岩储层的压裂。

图4  涟源凹陷下石炭统石磴子组推算R_o等值线

Fig. 4  Presumed R_o isoline of Shi Dengzi formation of lower Carboniferous in Lianyuan depression

图5  美国主要研究区R_o对比

Fig. 5  Contrast of R_o between study area and important producting area of shale gas in America

图6  测水组页岩与北美Barnett页岩矿物组成对比三角图

Fig. 6  Comparison of triangular diagram of mineral composition of shale between Ceshui formation and Barnett

2.5.2  储层物性特征

与常规气藏的成藏规律不同，页岩既是源岩又是储集层，甚至可以充当圈闭和盖层。烃类气体在岩层中生成后，会在页岩自身储集成藏，属于“连续型”聚集，因此，页岩气具有典型的“自生自储”成藏特征^[1-3]。依据页岩气关键储层参数^[17]评价标准，优质的含气页岩其孔隙度应至少达到4.00%。北美主要产气页岩储层岩心分析总孔隙度为2.00%~14.00%，平均孔隙度为4.22%~6.51%；测井孔隙度为4.00%~12.00%，平均孔隙度为5.20%；渗透率普遍低于0.1 mD，平均喉道半径低于0.005 μm^[8]。

在研究区内所取的8块样品中，涟源凹陷下石炭统泥岩孔隙度分析测试结果如表2所示。从表2所见：测水组泥页岩的孔隙度均值达到7.09%，孔隙度为2.48%~12.10%。 湘中、湘东南凹陷泥页岩储层孔隙度分布如图7所示(据文献[16]，有修改)，其中大于2.00%的孔隙度占38%，孔隙度在4.00%~6.00%之间的占63%，孔隙度在6.00%~8.00%之间的占76%。由于孔隙度与渗透率有很好的相关性，故测水组泥页岩的渗透率也达到储层参数的评价标准。

表2  涟源凹陷下石炭统泥岩孔隙度分析测试结果

Table 2  Test results for mudstone porosity of lower Carboniferous in Lianyuan depression

图7  湘中、湘东南凹陷泥岩储层孔隙度大小分布

Fig. 7  Distribution for reservoir porosity size of mud in the Central Hunan and Southeastern Hunan

泥页岩储层的孔隙结构比较复杂，孔隙直径较小，纳米级孔隙普遍发育。页岩储层原生孔隙由微孔隙组成，具有极大的比表面积。而泥页岩的纳米孔决定了它的比表面积非常大，在200 m²/g以上。由于页岩具有低孔隙度和低渗透率的特性，其孔径一般都很小，其中孔径在 10 nm左右的微孔质量分数较高。在对湘中、湘东南地区下石炭统测水组6块泥页岩样品进行测试后得出比表面积分布在1.817~6.660 m²/g，平均为5.189 m²/g，比表面积相对较小，其吸附天然气的能力较弱^[16]。从已掌握的现有资料得出研究区内的储层并非为较好的储层，但由于页岩的脆性矿物相对质量分数较高，可以通过后期的压裂技术改造储层得到较大的页岩气产量。

3  烃源岩埋藏史分析

涟源凹陷的大地构造位置属华南褶皱系构造区，其在古生代—中生代时的构造活动性较强，大地热流值较高。是一个在前泥盆系浅变质基础上发展起来的一个继承性的沉积盆地，从晚古生界沉积后，其构造变形主要经历了海西运动、印支运动、燕山运动、喜山运动以及新构造运动共5个大的构造阶段，其主要形变阶段是印支期和燕山期。本文采用中国地质出版社1998年版的地质年代表，以现今地表平均温度20 ℃计，加上单井数据，以涟深一井为例，编制了图8所示的涟深1井埋藏史。据此可以推测下石炭统泥页岩至少经历了3次主要生排烃过程：第1次生排烃时期相当于石炭统沉积末期，下石炭统泥页岩于早二叠世进入生烃门限，晚二叠世之初，有机质演化已处于以干气为主的演化阶段，晚二叠世由于受印支运动的影响，地层曾一度抬升，生烃作用趋于停止；第2次生排烃时期早、中三叠世，以生成原油裂解气为主，这是由于上三叠统和下侏罗统的大幅度沉积；第3次主生排烃期相当于早侏罗时沉积末期，为主生气期。下石炭统的泥页岩在印支期后强烈抬升、剥蚀过程中部分保存下来，由于其泥页岩累计厚度较大，有机质丰度高，使得湘中地区的页岩气具有广阔的勘探前景。

4  资源量预测

本次评价选用的是地质类比法。地质类比法又称是一种由已知区推测未知区的方法，也称资源丰度类比法，一直是地质研究所遵循的基本研究方法^[18]。其基本假设条件是：某一评价盆地(预测区)，与某一高勘探程度盆地(标准区)有类似的成油气地质条件，它们将会有大致相同的含油气丰度(面积丰度、体积丰度)。本次选用的标准区为阿巴拉契亚盆地，评价区为湘中涟源凹陷。根据表3中页岩气成藏条件选定16项评价参数，对标准区与类比区的页岩气资源预测进行地质类比评分。依据选定的各项地质指标为各标准区及评价区分别进行评分，每一大项中分别求出其相应权值下的得分并相加，得出此项地质指标的地质风险得分，4个大项得分的和便是其地质风险总分。计算得出阿巴拉契亚Ohio地质类比系数为0.08，涟源凹陷下石炭统刘家塘组页岩相似系数为0.048，下石炭统石蹬子组页岩相似系数为0.039，下石炭统测水组页岩相似系数为0.061。参照阿巴拉契亚Ohio页岩的资源丰度区间为(0.550~1.090)×10⁸ m³/km²，如图9所示，分别计算出连源凹陷下石炭统刘家塘组页岩地质资源量为(0.014~0.027)×10¹² m³，下石炭统石蹬子组页岩地质资源量为(0.011~0.021)×10¹² m³，下石炭统测水组页岩地质资源量为(0.016~0.032)×10¹² m³，合计页岩气远景资源量为(0.241~0.080)×10¹² m³。

图8  涟源凹陷涟深1井埋藏史

Fig. 8  Burial history of Well LianShen 1 in Lianyuan depression

表3  页岩气资源预测类比参数取值标准

Table 3  Standard for taking value of analogical parameter of shale gas resources prediction

图9  涟源凹陷下石炭统页岩气资源量预测

Fig. 9  Resources prediction of shale gas of lower Carboniferous in Lianyuan depression

5  结论

(1) 研究区内主力烃源岩有机质类型以Ⅱ型为主，下石炭统岩关阶(C₁y)、大塘阶石磴子组(C₁d¹)与测水组(C1d²)在研究区西北边缘一线的成熟度R_o＜2.00%，西北广大地区R_o为2.00%~3.00%，中部及东南部的R_o＞2.00%；全区R_o 绝大多数都大于2.50%，处于过成熟阶段。

(2) 涟源凹陷下石炭统岩关阶和大塘阶烃源岩都处于高成熟—过成熟阶段。在平面上，同一层位在不同地区的演化程度存在差异，如新化地区的下石炭统烃源岩基本都处于过成熟阶段，而雷鸣桥还处于高成熟阶段。但依据整个凹陷的页岩成熟度总体进入高成熟演化的特征预测，预计未来在下石碳统页岩中发现的页岩气藏，不但是热成因型，而且将是成熟度很高的页岩气。

(3) 涟源凹陷下石炭统测水组在整个湘中地区保存最完整，平面上连续分布，且煤层气资源量可观，刘家塘组和石蹬子组烃源岩厚度大。石磴子组夹大量泥页岩，厚度为20~500 m，桥头河最厚，且在桥头河向斜和车田江向斜下石炭统页岩有机碳质量分数较高，热演化程度适宜(高成熟—过成熟阶段)，埋深适中(一般不超过2 km)； 从地理位置看，气显示主要集中于新化—锡矿山—涟源一带，从构造位置看气显示部位主要集中于涟源凹陷中西部的向斜部位。

(4) 依据地质类比法，选择阿巴拉契亚盆地作为标准区对湘中涟源凹陷进行类比评分，分别计算出连源凹陷下石炭统刘家塘组页岩地质资源量为(0.014~0.027)×10¹² m³，下石炭统石蹬子组页岩地质资源量为(0.011~0.021)×10¹² m³，下石炭统测水组页岩地质资源量为(0.016~0.032)×10¹² m³，合计页岩气远景资源量为(0.041~0.080)×10¹² m³。

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(编辑  陈灿华)

收稿日期：2013-08-10；修回日期：2013-11-22

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研究；电话： 0731-88836235；E-mail: gjh796@cus.edu.cn