DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2015.05.020

湘西北地区牛蹄塘组页岩气有利地质条件及成藏区带优选

张琳婷，郭建华，焦鹏，舒楚天，李杰

(中南大学 地球科学与信息物理学院，湖南 长沙，410083)

摘要：在对湘西北地区下寒武统牛蹄塘组黑色页岩露头观察和取样分析基础上，对黑色页岩的平面展布、岩性特征、有机质类型、有机碳质量分数、页岩成熟度、储层矿物特征、页岩气储盖特征等参数进行评价。应用地质类比法评价研究区的各地质参数。研究结果表明：区内页岩厚度大，平面分布稳定，有机质类型以Ⅰ和Ⅱ₁型为主，有机碳质量分数高，成熟度高，脆性矿物丰富，储盖条件较好；研究区与沃斯堡盆地Barnett页岩较相似；评价区下寒武统牛蹄塘组黑色页岩的评价参数的地质风险得分为0.052，下寒武统牛蹄塘组页岩气地质资源量为(2.54~3.38)×10¹² m³；温塘—大庸—慈利一带为页岩气勘探目标区，花垣—保靖—永顺及龙山茨岩塘一带为勘探有利区，桑植—石门复向斜南翼为勘探远景区。

关键词：湘西北区；下寒武统；页岩气；地质条件；地质类比法；成藏区带优选

中图分类号：TE112            文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2015)05-1715-08

Geological conditions and favorable exploration zones of shale gas in Niutitang Formation at northwest Hunan

ZHANG Linting, GUO Jianhua, JIAO Peng, SHU Chutian, LI Jie

(School of Geosciences and Environmental Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

Abstract: Based on outcrops observation and samples test on black shale from lower Cambrian in northwest Hunan, the parameters such as distribution of black shale, lithologic character, organic matter type, organic carbon content, shale maturity, mineral characteristics of reservoir and characteristics of shale gas caprocks were evaluated. The geologic analogy method was applied to evaluate geological parameters in the studied area. The results show that the shale in this area has large thickness, distribution stability, high content of organic carbon, high maturity, high contents of brittle minerals, good reservoiring and capping conditions, and it is dominated byⅠand Ⅱ₁ type organic matter. The shale in the studied area is similar to Barnett shale in Vossburg Base. The geological risk score from Niutitang Formation of lower Cambrian is 0.052. The shale gas resource of shale from Niutitang Formation of lower Cambrian is (2.54-3.38)×10¹² m³ by specific calculation. Wentang—Dayong—Cili is the target zone of shale gas, while Huayuan—Baojing—Yongshun and Ciyantang of Longshan are the favorable exploration area. The south wing of Sangzhi—Shimen synclinorium is regarded as the prospect area.

Key words: northwestern Hunan; lower Cambrian; shale gas; geological conditions; geologic analogy method; favorable reservoir zones

页岩气是指富有机质页岩地层中以吸附或游离状态为主要存在方式存在并富集的天然气。1821年美国就已经开始对页岩气进行勘探开发，2010年页岩气资源量达到1 379×10⁸ m^3[1]。中国对页岩气的研究约始于2000年，分为2个阶段：2000—2005年为老井复查与富有机质筛选阶段；2007年以后才正式进入目标优选、实验分析、钻探资源评估阶段。Ewing等^[2-6]对页岩气的概念、成藏机理、页岩气评价方法、页岩气赋存方式等方面进行了研究，指出生气机理、矿物组分、有机地球化学特征及有机碳质量分数与含气性之间的关系。页岩气藏是烃源岩持续生气、不间断供气和连续聚集形成的。本文针对页岩气成藏的主控因素^[7]，对区内的会同、保靖、大坪、太阳山、拾柴坡等地区下寒武统牛蹄塘组黑色页岩进行取样分析，与沃斯堡盆地Barnett页岩进行类比；根据地质类比法所得结果对区内下寒武统牛蹄塘组页岩气资源量进行计算，优选出湘西北区页岩气有利成藏区带。

1  区域地质背景

研究区位于湖南省西北部，东经109°—111°50′、北纬27°56′—30°10′，南界西起怀化，经泸溪、沅陵至常德石门。寒武系露头出露广泛，主要分布在慈利—大庸—吉首一线以南^[8]。岩性由灰岩、泥灰岩、粉砂岩、炭质页岩及硅质岩组成；寒武系下统牛蹄塘组(∈1n)以黑色炭质页岩为主，底部为灰色硅质页岩，夹磷铁矿或磷结核及黄铁矿。在地层分区上，研究区隶属于扬子地台区和江南区的过渡地带。区内构造活动主要受慈利—保靖大断裂控制，分为2个背斜带，自北向南依此为宜都—鹤峰复背斜和桑植石门复向斜。图1所示为湘西北区域构造剖面图。从图1可见：区内构造强烈，褶皱-断裂发育目的层位均被断层切穿。据此判断区域内裂缝发育程度较高，能够为天然气提供大量的储集空间。桑植石门复向斜是构造转折带和地应力相对集中的区带，是页岩气富集的重要场所。

图1  湘西北区域构造剖面示意图

Fig. 1  Generalized section of regional structure in northwestern Hunan

2  烃源条件

2.1  牛蹄塘组厚度分布

页岩的厚度和埋深是控制页岩气成藏的关键因素。泥页岩必须达到一定的厚度并具有连续分布面积，提供足够的气源和储集空间，才能成为有效的烃源岩层和储集层。研究区自震旦纪末进入地台区，长期稳定地接受沉积，因此，牛蹄塘组在整个工区内平面上连续性较好。图2所示为湘西区下寒武统牛蹄塘组厚度与有机碳(TOC)等值线叠合图。从图2可以看出：牛蹄塘组厚度从研究区中心90 m左右向四周逐渐变厚。区内共有3个较大的沉积中心，分别为：西部的龙山茨岩塘，厚度约为240 m；东部的常德太阳山，沉积厚度为270余m；南部凤凰一带，厚度约为150 m。美国阿巴拉契亚盆地富含有机质的黑色页岩的有效厚度大于152 m；沃斯堡盆地的Barnett页岩中心产区的平均厚度约106.7 m。可见湘西北地区下寒武统牛蹄塘组从厚度上分析满足页岩气成藏条件。

图2  湘西北区下寒武统牛蹄塘组厚度与TOC质量分数等值线叠合图

Fig. 2  Congruence of thickness and mass fraction of TOC of Lower Cambrian Niutitang Formation in northwestern Hunan

2.2  岩性特征

页岩通常被定义为“细粒的碎屑沉积岩”，但它在矿物组成(黏土质、石英和有机碳等)、结构和构造上多种多样。而含气页岩并不仅仅是单纯的页岩，它还包括细粒的粉砂岩、细砂岩、粉砂质泥岩及灰岩、白云岩等。图3所示为湘西北野外剖面照片。从图3可见：牛蹄塘组在湘西北地区主要为碳质页岩，局部夹粉砂质页岩，底部见有灰色硅质页岩，夹磷矿层或磷结核及黄铁矿并含多种伴生元素，整个湘西北地区的岩性基本上一致。

3  有机地化特征

3.1  有机质类型

美国的勘探经验证实Ⅰ型和Ⅱ型干酪根为页岩气生成的主要有机质类型，也有部分产自Ⅲ型。前人研究结果表明，湘西北下寒武统牛蹄塘组黑色泥页岩有机质类型为Ⅰ型^[9-10]。表1所示为湘西北下寒武统牛蹄塘组泥页岩干酪根有机显微组分统计表。从表1可见：湘西北下寒武统牛蹄塘组黑色泥页岩干酪根以“腐殖无定型”为主，占97%以上，显微组分类型指数分布在 46%~47%之间，属Ⅱ₁型干酪根，仅有马进洞剖面1个样品有机质类型为Ⅲ。

3.2  有机碳质量分数

有机碳(TOC)质量分数是烃源岩丰度评价的重要指标，也是衡量生烃强度和生烃量的重要参数。Boyer 等^[11-12]提出页岩中有机碳质量分数为2.15%~3.00%，而国内大都认为w(TOC)＞0.50%以上就是有利源   岩^[13]，本文作者选用w(TOC)＞0.50%作为有利烃源岩评价标准。在研究区内共取得61块样品进行有机碳质量分数分析，图4所示为湘西北地区下寒武统牛蹄塘组泥页岩有机碳质量分数分布频率。由图4可见：有机碳质量分数大于2.0%的样品数约占样品总数的80%，大于4.0%的样品数占样品总数的30%以上。美国福特沃斯盆地NewarkEast气田巴涅特页岩岩心有机碳质量分数为4.0%~5.0%，阿巴拉契亚盆地俄亥俄页岩Huron下段的总有机碳质量分数为0~4.7%，产气层段的总有机碳质量分数为2.0%^[14-17]。与美国主要产页岩气页岩相比，下寒武统牛蹄塘组黑色页岩有机碳质量分数较高。由图2所示的湘西北下寒武统牛蹄塘组厚度与TOC等值线叠合图可知：有机碳质量分数自南西向北北东方向有逐渐增加的趋势，这可能与“热水沉积”有关，即大坪—慈利一带处于花垣—慈利大断裂内侧的断陷盆地中，且呈NEE向带状延伸。在牛蹄塘组黑色页岩形成阶段盆地正处于拉张沉降状态，且伴有海底热液活动，为嗜热微生物提供了广阔的生存空间。在此过程中，伴随着火山喷溢过程中产生的火山灰等物质会随着海水的潮汐、波浪作用，扩散到深水斜坡方相，因此，有机质质量分数自大坪自常德一带逐渐增大^[18-20]。

图3  湘西北下寒武统牛蹄塘组泥页岩野外剖面照片

Fig. 3  Photos of shale outcrops of Lower Cambrian Niutitang Formation in Northwestern Hunan

表1  干酪根有机显微组分统计(质量分数)

                          Table 1  Statistics table showing the organic maceral of kerogen                       %

图4  湘西北地区下寒武统牛蹄塘组实测样品有机碳质量分数分布频率

Fig. 4  Measured total organic carbon content of Niutitang Formation in northwestern Hunan

3.3  有机质成熟度

页岩层中的有机质达到了生烃标准，即镜质组反射率R_o＞0.4%就可以生成天然气。一般认为，当R_o＞1.0%时更易于生气，1.0%＜R_o＜2.0%时为生气窗，当R_o＞1.4%时则生成干气；R_o＜0.6%时为未成熟阶段，0.4%＜R_o＜0.6%时可生成生物成因气。但是，在美国主要盆地产气页岩的成熟度变化大，从未成熟的生物气、低成熟—成熟、高成熟—过成熟至二次生气都可以在不同的页岩盆地中找到实例。

研究区内下古生界缺乏来源于高等植物的标准镜质组，所以，用沥青反射率R_b和镜质组反射率R_o之间的换算关系式(R_o=0.618 8R_b+0.40)计算有机质成熟度^[21]。通过计算，区内可分为2个演化区带。大庸及三岔地区的黑色页岩的镜质体反射率R_o分别为 4.2%和3.2%，慈利南山坪黑色页岩镜质体反射率R_o为2.7%，为高热演化区；吉首—永顺—龙山一带成熟度普遍小于2.5%，局部地区小于2%，为低热演化区带。

4  页岩气储盖条件

4.1  储层矿物特征

页岩矿物成分组成为页岩储层评价主要内容之一。通常认为页岩中石英、长石、方解石等矿物质量分数高，黏土矿物质量分数低的岩石是有效储层，因为岩石的脆性强，在外力的作用下易于压裂。研究区内对20块岩石样品进行全岩样分析，图5所示为湘西

图5  湘西北地区下寒武统牛蹄塘组矿物质量分数

Fig. 5  Percentage content of minerals in lower Cambrian Niutitang

北地区下寒武统牛蹄塘组矿物质量分数。由图5可见：在大庸、三叉、古丈剖面样品中黏土质量分数高，分布在6.75%~45.54%之间；在会同区岩样的黏土质量分数低，最高为12.97%；脆性矿物质量分数最高，达80%以上。矿物特征表明：研究区内牛蹄塘组黑色页岩脆性矿物丰富，在平面上表现为南西高—北东低的分布。黏土矿物演化程度高，缺乏蒙皂石等膨胀性黏土矿物，影响页岩气的吸附量。

4.2  储渗特征

本次研究应用的测试方法为扫描电镜和压汞测试，目的是通过扫描电镜揭示出岩石内部的孔喉微观特征；通过压汞实验研究岩石的毛管压力及有效孔渗。在研究区共取得6块样品，仅有1块样品局部见少量溶蚀微孔等。图6所示为扫描电镜下页岩孔隙结构。从图6可见：样品孔径小于2 μm，岩石结构致密，溶蚀微孔极不发育，仅零星分布，连通性较差，面孔率小。

图6 页岩孔隙结构的扫描电镜成像

Fig. 6  SEM image of pore-fracture characteristic of shale

图7所示为牛蹄塘组样品压汞测试曲线。由图7可见：实验测得的钻孔岩样孔隙体积为(63~143)×10^-3 cm³，孔隙度比较小，为1%~2%，渗透率为(0.001~ 0.034)×10^-3 μm²。由于注汞量未达到孔隙体积的50%，故没有中值压力；其排驱压力比较大，为4~14 MPa，进汞迂曲度为0.10~0.34，退汞迂曲度为0.02~0.30，最大孔喉半径为0.05~0.15 μm，平均孔喉半径为0.019~0.024 μm；分选系数为0.006~0.022，结构系数为0.07~0.50；孔隙不发育，连通性较差。

由扫描电镜和压汞测试分析结果可知：湘西北牛蹄塘组页岩储层物性较差。但结合储层的矿物特征综合判断，由于储层中的脆性矿物质量分数较高，故可以通过后期的压裂技术有利地改造储层。

图7  牛蹄塘组样品压汞测试曲线

Fig. 7  Samples of mercury injection test curve in Niutitang Formation

4.3  页岩气盖层

由图1所示湘西北区域构造剖面可见：下寒武统—中奥陶统的上覆地层上奥陶统—下志留统仅在桑植石门复向斜区域内连续分布，在宜都—鹤峰复背斜区内大多已出露地表，页岩气封盖和保存条件较差。受保靖—慈利深大断裂影响，牛蹄塘组泥页岩为源岩的页岩气基本上散溢。在桑植－石门复向斜一带，以石门杨家坪剖面为例，下寒武统地层厚度为927 m，其中盖层厚度666 m(泥岩541 m，碳酸盐岩125 m)，最大单层厚度162 m，连续厚度220 m^[22]。平面上，下寒武统盖层普遍大于400 m，且向北、向西盖层厚度不断增大。由此可以看出：下寒武统区域盖层不但遮挡能力强，而且厚度较大，基本连续分布，埋藏深，对其上地表能起隔挡作用，同时对其下油气层起到保护作用，是有效的区域盖层。

5  资源量预测

湘西北地区是低程度研究区，因此，选用地质类比法对研究区进行资源量预测。页岩气地质评价系数的主控因素为源岩有机碳质量分数(w(TOC))、热成熟度(R_o)、分布面积、产层厚度、埋深、气体成因及类型、岩性和沉积环境、原始压力和温度等^[23]。本文选定沃斯堡盆地Barnett页岩作为标准区。根据页岩气成藏条件选定的16项评价参数，对标准区与类比区的页岩进行地质类比评分。表2所示为湘西北下寒武统牛蹄塘组页岩与美国Barnett页岩系统主要地质地化参数对比。由表2可见：标准区沃斯堡盆地Barnett页岩地质风险得分为0.094；评价区下寒武统牛蹄塘组页岩的地质条件(评价参数)的地质风险得分为0.052。本次计算将w(TOC)＞0.5%且厚度＞30 m的页岩发育地区作为页岩有效面积。参照标准区页岩的资源丰度区间(3.28~4.37)×10⁸ m³/km²及牛蹄塘组页岩厚度，计算评价区页岩气地质资源量为(2.54~3.38)×10¹² m³。

表2  湘西北下寒武统牛蹄塘组页岩与美国Barnett页岩系统主要地质地化参数对比

Table 2  Comparison of  main parameters of geological and geo-chemical between shale of Lower Cambrian Niutitang Formation in Northwestern Hunan and Barnett shale systems

6  有利成藏区带优选

本次页岩气有利成藏区带优选主要考虑黑色页岩中总有机碳质量分数大于0.5%，R_o为1.0%~4%，埋深为200~4 000 m，有效厚度大于30 m的页岩发育区。图8所示为湘西北地区下寒武统牛蹄塘组页岩气有利成藏区带评价图。从图8可见：花垣—保靖—永顺及龙山茨岩塘一带，其下寒武统牛蹄塘组页岩厚度为90~240 m，有机碳质量分数为2.0%~2.5%，有机质成熟度R_o为2.5%~3.5%，储盖条件相对较好，可作为页岩气勘探的有利区带；温塘—大庸—慈利周边下寒武统牛蹄塘组页岩有机碳质量分数逐渐升高，为0.70%~ 9.16%；有机质成熟度R_o为2.5%~4.0%，埋藏深度在4 000 m内，脆性矿物质量分数为54.45%~93.25%，盖层厚度普遍大于400 m，是页岩气生成的目标区带。在桑植—石门复向斜南翼，常德拾柴坡剖面中牛蹄塘组页岩有机碳质量分数最低都达到16.72%，最高为23.25%，R_o为2.32%~3.06%，黏土矿物质量分数为11.73%~27.61%，表明该地区具有形成页岩气藏的巨大潜力，为页岩气勘探远景区。

7  结论

1) 湘西北下寒武统牛蹄塘组全区发育，岩性以含碳质页岩和硅质页岩为主的黑色岩系。有机碳质量发数高，有机质类型以Ⅰ和Ⅱ₁型为主。

图8  湘西北地区下寒武统牛蹄塘组页岩气有利成藏区带评价

Fig. 8  Favorable reseivoir Zones of shale gas of lower Cambrian Niutitang Formation in northwestern Hunan

2) 研究区内黑色页岩TOC质量分数自西南向北东方向逐渐增加，可以分为2个演化区带。大庸及三岔地区的下寒武统黑色页岩的镜质体反射率分别为 4.2%和3.2%，慈利南山坪黑色页岩镜质体反射率为2.7%，为高热演化区。吉首—永顺—龙山一带成熟度普遍小于2.5%，局部地区小于2%，为低热演化区。

3) 研究区内脆性矿物质量分数由北东方向至西南增加，正好与TOC质量分数的分布规律相反。

4) 研究区内页岩结构致密，溶蚀微孔极不发育，仅零星分布，连通性较差，面孔率小。孔隙度为1%~2%，渗透率为(0.001~0.034)×10^-3 μm²。

5) 桑植－石门复向斜一带下寒武统盖层普遍厚度大于400 m，且向北、向西盖层厚度不断增大，遮盖能力强，厚度较大，基本连续分布，埋藏深，是有效的区域盖层。

6) 湘西北地区下寒武统牛蹄塘组页岩气的资源量为(2.54~3.38)×10¹² m³。综合各项地质条件，指出温塘—大庸—慈利一带为页岩气勘探目标区，花垣—保靖—永顺及龙山茨岩塘一带为勘探有利区，桑植—石门复向斜南翼为勘探远景区。

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(编辑  陈灿华)

收稿日期：2014-10-29；修回日期：2014-12-12

基金项目(Foundation item)：湖南省国土资源厅软科学计划项目(2010-12)；湖南省自然科学基金资助项目(12JJ4036) (Project(2010-12) by the Department of Land and Resources of Soft Science Plan of Hunan Province; Project(12JJ4036) supported by the Natural Science Foundation of Hunan Province)

通信作者：郭建华，教授，博士生导师，从事层序地层学及储层地质学研究；E-mail: gjh796@csu.edu.cn