湘西北下寒武統牛蹄塘組頁巖含氣性影響因素分析

黃儼然，楊榮豐，肖正輝，余　燁，楊　仙（湖南科技大學頁巖氣資源利用湖南省重點實驗室，湖南湘潭411201）

湘西北下寒武統牛蹄塘組頁巖含氣性影響因素分析

黃儼然，楊榮豐，肖正輝，余燁，楊仙
（湖南科技大學頁巖氣資源利用湖南省重點實驗室，湖南湘潭411201）

湘西北地區下寒武統牛蹄塘組發育了一套富有機質泥頁巖，其分布穩定且厚度較大，在桑植—石門復向斜一帶埋深大，保存較完整。牛蹄塘組頁巖氣富集“甜點區”的頁巖氣質量體積為1.48～8.75 m3/t，具有很好的工業開發價值。有機碳含量既決定了頁巖氣的資源潛力，同時也影響頁巖氣的吸附和存儲能力。對牛蹄塘組頁巖氣的研究認為：儲集空間主要可分為原生晶間或粒間微孔隙、有機質微孔隙、不穩定礦物溶蝕孔、構造裂縫和解理縫等5種成因類型；頁巖氣較易發生吸附和解吸作用，吸附態氣所占較大比例；頁巖氣存儲狀態主要受有機碳含量和儲集空間類型的綜合影響；高—過成熟富有機質頁巖生成的天然氣在較好的保存條件下仍然可以聚集并成藏；溫壓條件、埋藏深度和礦物組成等對頁巖含氣性的影響均相對較小。

頁巖氣；含氣性；牛蹄塘組；湘西北地區

0　引言

湘西北地區普遍發育一套下寒武統牛蹄塘組富有機質泥頁巖，其分布穩定、厚度大、有機碳（TOC）含量高、有機質類型好、處于高—過成熟階段［1-3］，具有良好的頁巖氣生成條件。據初步估算，湘西北地區牛蹄塘組頁巖氣地質資源量為3.81億m3，約占湖南省頁巖氣資源量的53%［4］，是湖南省頁巖氣資源潛力的主要區塊，也是目前我國南方頁巖氣資源評價和勘探開發的重點地區之一。頁巖氣富集成藏的主要條件為高TOC含量、高熱演化程度、高脆性礦物含量、高含氣性和一定厚度的有效頁巖等［5-7］。許多學者［2-3，8-9］分別對區內牛蹄塘組泥頁巖巖石學特征、沉積演化特征、儲層特征、古油藏成因和成藏條件等進行了研究，發現其生烴條件較好，但是高—過成熟的富有機質泥頁巖和復雜的構造運動等因素均制約了頁巖氣的富集成藏，高含氣性的泥頁巖是否存在和主要受哪些地質因素影響等問題亟待解決。筆者通過野外地質調查和室內系統分析TOC、有機質成熟度（Ro）、儲集條件、埋藏深度、賦存狀態及構造運動等特征，探討泥頁巖的含氣特征和主控因素，以期為湘西北地區牛蹄塘組的頁巖氣勘探提供依據。

1　區域地質背景

湘西北地區早寒武世時，海平面上升并形成最大海侵的欠補償盆地，發育了一套富含有機質的牛蹄塘組泥頁巖。對其分布特征，不同學者［4，9，10-11］的認識存在一定差異，但基本上都認為其具有由北西向南東逐漸減薄的趨勢，沉積厚度主要受深水陸棚至陸坡沉積相帶的控制，沉積中心位于永順—龍山—桑植一帶，最大厚度大于200 m（圖1）。研究區牛蹄塘組的埋藏深度相差很大，從地層展布特征來看，古丈復背斜（鳳凰—張家界一帶），由于受印支期以來的構造運動改造作用強烈，地層被大幅度地抬升，褶皺變形嚴重；桑植—石門復向斜一帶，由一系列北東向至東西向背斜和向斜組成，總體呈南北凹、中間隆的構造形態，地層保存較為完整，埋藏深度一般大于2 000 m。野外地質調查發現，牛蹄塘組巖性以灰黑—黑色硅質、炭質富有機質泥頁巖為主。底部為黑色薄層硅質巖、“石煤”層及磷礦層，可以作為野外地質調查的標志層。室內分析測試全部采用露頭樣品，露頭剖面位置如圖1所示。

圖1　湘西北地區下寒武統牛蹄塘組泥頁巖分布特征Fig.1The shale distribution characteristics of the Lower Cambrian Niutitang Formation in northwestern Hunan

2　構造運動

湘西北地區位于揚子準地臺南東緣上揚子臺褶帶與江南地軸結合部位的武陵褶斷束內，在地層分區上隸屬于揚子區和江南區的過渡地帶。區域性斷裂帶的發育及展布與揚子和華夏古陸塊多期次會聚及裂解密切相關。它們一般在早期裂解階段形成，在后續的構造運動中或擠壓逆沖，或繼續拉張裂解，或多期次聚合分離。構造運動經歷了武陵期、雪峰期、加里東期、海西期、印支期至燕山期等發展階段，褶皺和斷裂構造均非常發育，分別有花垣—慈利斷裂帶（F1）、常德—安仁構造帶（F4）等二級斷裂帶和鳳凰—張家界斷裂帶（F10）等三級斷裂帶（參見圖1），但巖漿活動比較微弱，在鳳凰水田一帶曾有局部火山噴溢活動［4］。湘西北地區的構造運動對頁巖氣保存的影響較大，掃描電鏡下可見頁巖儲層構造裂縫較發育。

3　頁巖氣富集條件

3.1有機碳含量

國外大量的研究和勘探實踐均表明，泥頁巖生烴是頁巖氣富集成藏的前提和基礎，如Barnett頁巖含氣量與TOC含量呈明顯的線性相關關系［12］。由于頁巖氣主要為“原地”富集成藏，TOC含量很大程度上決定了頁巖氣的資源潛力。較高的TOC值也有利于頁巖中微孔隙的發育，且一般富含黏土礦物，而黏土礦物由于粒度細小并具有較大的比表面積，因此有利于吸附游離的頁巖氣。前人研究表明，湘西北地區牛蹄塘組泥頁巖具有較高TOC含量，質量分數大多大于2%［3，13］，這與本文樣品的分析結果基本一致。由于露頭樣品無法進行含氣量測試，在此根據開發最為成熟的Barnett頁巖的TOC值與含氣量經驗公式［14］，計算得到湘西北地區牛蹄塘組頁巖氣富集“甜點區”的頁巖氣質量體積為1.48～8.75 m3/t，與北美主要產頁巖氣盆地的頁巖含氣量相當，因此推測其具有很好的工業開發價值。

在等溫吸附實驗中，Langmuir壓力（PL）反映頁巖吸附氣體的難易程度，Langmuir體積（VL）反映頁巖吸附氣體的能力大小。巖石越致密，物性越差，則VL越大，PL越小。實驗結果（表1）表明，TOC含量與VL關系密切，吉首古者樣品雖然孔隙度較低，僅為2.3%，但TOC質量分數高達8.76%，其VL反而較其他樣品大，主要是因為在致密的泥頁巖中TOC在吸附和存儲頁巖氣方面均起到更為關鍵的作用。表1也反映了泥頁巖的密度與PL的相關性比TOC及物性與PL的相關性更大，巖石密度能更完整地反映致密泥頁巖儲層中頁巖氣的滲流能力。

表1　湘西北地區牛蹄塘組泥頁巖特征及吸附特性參數Table 1Characteristics of shale samples and absorption property parameters of Niutitang Formation in northwestern Hunan

3.2成熟度

北美頁巖氣盆地Barnett頁巖Ro的上限為1.5%，也有Marcellus頁巖Ro大于3.0%的個別案例。通常Ro在不超過2.0%時，其值越高越有利于頁巖氣的開發［15］。在同樣為高—過成熟泥頁巖的四川盆地，鉆遇的頁巖層段發現大量的氣測顯示，甚至有井涌和井噴現象發生，證明其含氣性很好［16］。相鄰的湘中坳陷石炭系也有大量氣測顯示，如邵10井鉆遇到多層段氣噴，天然氣噴高達15 m，其石炭系烴源巖Ro在2.2%以上［17］。本次樣品分析采用等效鏡質組反射率換算為Ro，結果顯示湘西北地區牛蹄塘組現今泥頁巖Ro基本都在3.0%以上，最大可達3.93%。程鵬等［18］認為，若將Ro為2.0%～3.5%作為氣源巖生氣的Ro門限，牛蹄塘組泥頁巖現今已基本無生氣潛能。根據研究區牛蹄塘組泥頁巖構造-埋藏深度-生烴演化歷史［14］，晚志留世其已開始進入高—過成熟期并大量生氣，在燕山期及之后遭受了強烈的抬升和剝蝕，對已形成的頁巖氣藏造成了巨大破壞。對于頁巖氣儲層來講，強烈構造運動背景下的富有機質泥頁巖仍然具有一定的孔隙度和較大的比表面積，因此只要有適當的保存條件，在構造復雜而強烈的區域仍然可以富集。

3.3溫度和壓力

溫度和壓力均直接影響頁巖氣的存儲狀態，而深度的增加會導致溫度和壓力均升高。通常隨著溫度的升高，頁巖吸附氣體的能力迅速降低，而壓力越大越有利于頁巖氣的儲存。Hildenbrand煤層氣吸附模型，在35℃/km和10 MPa/km的條件下，深度為1 000 m處將出現吸附量的最大值［19］，反映了溫度和壓力與煤層氣吸附能力的相關關系。在不考慮其他影響因素的情況下，必然存在一個吸附氣量為最大值的埋藏深度。前人模擬實驗表明，從30℃到60℃條件下的等溫吸附過程中，VL也只下降了約10%左右［20］，由此可見溫度和壓力的作用相對不明顯。湘西北地區牛蹄塘組頁巖埋藏深度變化范圍較大，從暴露剝蝕到大于4 000 m均有分布。按現行的頁巖氣資源潛力評價方法與有利區優選標準，埋藏深度為500～4 000 m均屬于潛在的頁巖氣目標核心區［21］。因此，相對而言，埋藏深度對含氣性的影響應屬于次要因素。

3.4儲集條件

頁巖氣儲層都表現為低孔、特低滲的致密儲層特征。通過對湘西北地區露頭樣品的測試分析，孔隙度為0.6%～11.7%，平均為4.6%，與北美主要頁巖氣盆地儲層孔隙度值基本相當［14-15］；滲透率值很低，主要為0.002～0.010 mD，占全部樣品的78.6%。掃描電鏡觀察發現，有原生晶間或粒間微孔隙、有機質微孔隙、不穩定礦物溶蝕孔、構造裂縫和解理縫等5種成因類型的納米—微米級孔隙、裂隙，其中原生晶間或粒間微孔隙較常見，為巖石原生孔隙系統隨壓實與成巖等作用演化并殘留下來的儲集空間，直徑主要為1～10 μm，一般粒間微孔隙比晶間微孔隙要大（圖版Ⅰ-1～Ⅰ-2）。有機質微孔隙在TOC含量較高的泥頁巖中大量存在，微孔隙呈“蜂窩”結構近球狀密集分布（圖版Ⅰ-3），大小以納米級為主。不穩定礦物溶蝕孔也較常見，主要由溶蝕作用產生，既可發育于顆粒內部，也可發育于顆粒之間，一般鏡下顆粒之間的溶蝕孔與原生的粒間孔不易區分；溶蝕孔的大小可以相差很大，但主要為微米級（圖版Ⅰ-4）。湘西北地區構造發育，應力集中，因此構造成因微裂隙在脆性礦物含量高的區域較發育，縫寬為納米—微米級，微裂隙長度可達十幾微米（圖版Ⅰ-5）。在一些頁理發育的牛蹄塘組泥頁巖中，由于受到應力的作用，也可形成大量納米級的解理縫，對改善儲層滲流能力具有較大作用（圖版Ⅰ-6）。上述這些不同成因的微孔隙及微裂隙共同構成了頁巖氣主要的儲集空間和運移通道。

通過電子探針在5 μm×5 μm范圍內分析牛蹄塘組泥頁巖的顆粒特征，發現牛蹄塘組泥頁巖在結構上屬泥質結構，粒度較小，粒徑為幾十至上千納米，不同粒徑的顆粒均有分布，主要為200～300 nm，非均質性較強（表2）。三維形貌圖顯示顆粒表面平均粗糙度為26～69 nm，顆粒表面的不平度占顆粒粒徑的10%左右，比較容易吸附和解吸直徑為0.38 nm的甲烷分子。由于泥頁巖的粒度小和非均質性強，孔隙度與顆粒粒徑并沒有直接的對應關系，極低的滲透率可能受制于某些納米級孔隙的連通性。泥頁巖總的孔隙度大小在不同頁巖氣盆地相差不大，因此對牛蹄塘組泥頁巖含氣性影響更大的應該是有效孔隙發育及其連通性，對低孔、特低滲的頁巖氣儲層更應關注其受人工改造的效果而不是其本身的滲流能力。

表2　湘西北地區牛蹄塘組泥頁巖顆粒粒徑分布特征Table 2The distribution characteristics of shale particle diameter of Niutitang Formation in northwestern Hunan

3.5礦物組成

石英、長石和方解石等脆性礦物含量是影響頁巖基質孔隙和微裂隙發育程度、含氣性及壓裂改造方式的重要因素。高脆性礦物含量容易導致天然裂縫或應力誘導裂縫的產生，有利于改善儲層物性。前人對北美產氣頁巖礦物組成統計發現，優質頁巖儲層礦物組成并不存在統一模式，但通常認為，頁巖儲層中石英等脆性礦物質量分數應大于40%，而黏土礦物質量分數應小于30%。湘西北地區牛蹄塘組泥頁巖脆性礦物含量較高（表3），張家界后坪、三岔、大坪及其周邊地區，脆性礦物含量很高，其原因主要是該區域位于熱液噴口附近［22］，熱液攜帶的富硅物質有利于脆性礦物的形成。研究區脆性礦物含量與北美主要頁巖氣盆地及我國四川盆地等相比并不低，在外力作用下容易形成天然裂縫和誘導裂縫，顯微鏡下可見泥頁巖發育大量構造裂縫。

表3　湘西北地區牛蹄塘組泥頁巖不同礦物含量統計表Table 3The characteristics of mineral composition of shale of Niutitang Formation in northwestern Hunan

3.6存儲狀態

頁巖氣的賦存方式以游離態和吸附態為主，據北美頁巖氣盆地開發經驗，吸附氣體積分數一般為20%～85%［5］。假設在儲層溫壓條件下，頁巖孔隙部分被游離的頁巖氣充填，頁巖孔隙度與甲烷飽和度呈一定的負相關關系，取甲烷平均飽和度為60%［23］，則可根據孔隙度計算最大游離氣含量，吸附氣量則根據等溫吸附實驗取值。假設地層壓力為10 MPa，則計算結果如表4所列，與常頁1井實測數據吻合［24］，表明吸附態的頁巖氣所占比例較大，與Barnett頁巖40%～60%的吸附氣含量相當。其中吉首古者樣品游離的頁巖氣量很少，雖然孔隙度很低，但是高豐度有機質組分吸附了大量頁巖氣，總含氣量仍很高，造成了吸附氣所占比例很高。在湘西北地區復雜而強烈的構造運動背景下，較高含量的吸附氣有利于頁巖氣的保存。總體來看，頁巖氣存儲狀態受TOC含量和儲集空間類型的綜合影響，TOC是物質基礎；由于頁巖氣是原地富集成藏，很大程度上決定了吸附氣中甲烷的飽和度，因此TOC含量應是更為關鍵的條件和影響因素。

表4　湘西北地區牛蹄塘組不同樣品頁巖氣存儲數據Table 4The data of stored shale gas in different samples in Niutitang Formation in northwestern Hunan

4　結論

（1）湘西北地區下寒武統牛蹄塘組發育一套富有機質頁巖，其分布穩定且厚度較大，處于高—過成熟階段，具有良好的頁巖氣生成條件。研究區牛蹄塘組埋藏和保存條件均較好的地區主要位于桑植—石門復向斜一帶。

（2）湘西北地區下寒武統牛蹄塘組儲集空間主要為原生晶間或粒間微孔隙、有機質微孔隙、不穩定礦物溶蝕孔、構造裂縫和解理縫等5種類型，儲層非均質性較強，較易發生頁巖氣的吸附和解吸作用。

（3）湘西北地區下寒武統牛蹄塘組頁巖的TOC含量很大程度上影響頁巖氣的富集，高—過成熟富有機質頁巖生成的天然氣在較好的保存條件下仍可聚集并成藏，而溫壓條件、埋藏深度和礦物組成等對其影響均相對較小。頁巖氣存儲狀態受TOC含量和儲集空間類型的綜合影響，吸附氣含量較大。

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（本文編輯：李在光）

Influencing factors of shale gas-bearing property of Lower Cambrian Niutitang Formation in northwestern Hunan

Huang Yanran，Yang Rongfen，Xiao Zhenghui，Yu Ye，Yang Xian
（Hunan Provincial Key Laboratory of Shale Gas Resource Utilization，Hunan University of Science and Technology，Xiangtan 411201，Hunan，China）

The Lower Cambrian Niutitang Formation in northwestern Hunan developed a set of organic-rich shale which is characterized by stable distribution and large size，with great burial depth and relatively complete conservation in synclinorium of Sangzhi-Shimen area.The gas content of the enriched shale gas area of Niutitang Formation is between 1.48 m3/t and 8.75 m3/t，so these areas have a good potential of industrial development.Organic carbon content determines the resources potential of shale gas，and meanwhile affects the adsorption and storing capacity.There are five genetic types reservoir space，including primary intercrystalline or intergranular micropores，organic material micropores，dissolved micropores of unstable mineral，structural fractures and cleavage fissures.The adsorption and resolution of shale gas is easy to happen.The storage state of shale gas is under the combined influence of organic material content and the type of reservoir space.The natural gas generated by high and over-matured organic-rich shale can accumulate and form reservoir under good preservation conditions.Temperature，pressure，burial depth and mineral composition have little effects on the gas-bearing property of Niutitang Formation.

shale gas；gas-bearingproperty；NiutitangFormation；northwestern Hunan

TE132.2

A

1673-8926（2015）04-0011-06

2014-12-20；

2015-03-16

湖南省自然科學基金項目“湘中拗陷石炭系頁巖氣生成特征和對成藏的影響”（編號：14JJ6032）、湖南省科技廳重大專項“湖南頁巖氣資源潛力評價及其電磁探測系統研發”（編號：2012FJ1006）和湖南省教育廳科學研究項目“頁巖氣壓裂開采中流固耦合機制研究”（編號：13C309）聯合資助

黃儼然（1983-），男，博士，講師，主要從事頁巖氣成藏機理及油氣地球化學方面的研究工作。地址：（411201）湖南省湘潭市桃園路湖南科技大學頁巖氣資源利用湖南省重點實驗室。E-mail：hyanran2006@163.com。