湘中漣源—邵陽凹陷上二疊統大隆組頁巖氣儲層特征

肖正輝，牛現強，楊榮豐，余　燁，黃儼然，陳新躍（.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420；2.湖南科技大學煤炭資源清潔利用與礦山環境保護湖南省重點實驗室，湖南湘潭420）

湘中漣源—邵陽凹陷上二疊統大隆組頁巖氣儲層特征

肖正輝1，2，牛現強1，楊榮豐1，余燁1，黃儼然1，陳新躍1
（1.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；2.湖南科技大學煤炭資源清潔利用與礦山環境保護湖南省重點實驗室，湖南湘潭411201）

為評價湘中漣源—邵陽凹陷上二疊統大隆組頁巖氣的勘探潛力，分析其泥頁巖的有機碳含量、礦物組成、孔隙及裂隙的微觀特征、孔隙度和滲透率等，系統研究了頁巖氣的儲層特征。研究區上二疊統大隆組巖石的有機碳含量與巖性關系密切，其中硅質泥巖的有機碳含量最高，平均質量分數大于3%，表明沉積環境是控制有機碳含量的最主要因素；硅質泥巖中石英等脆性礦物平均質量分數為67.7%，與美國Barnett硅質頁巖基本相當，脆性礦物含量較高；硅質泥巖中構造裂縫較發育，其形成主要與其脆性礦物含量較高及地質構造較發育等因素有關；有機碳含量較高的硅質泥巖，其有機質微孔隙也是基質孔隙及裂隙的主要組成部分；硅質泥巖的孔隙度和滲透率均較低，分別小于5%和0.01 mD，構造裂縫發育程度是影響硅質泥巖孔隙度和滲透率的最主要因素。

頁巖氣；儲層特征；上二疊統；大隆組；湘中漣源—邵陽凹陷

0　引言

頁巖氣是一種非常規氣，具有低碳、潔凈和低污染等特性。隨著北美地區頁巖氣的成功開發，頁巖氣資源在我國已引起廣泛而密切的關注，并受到高度重視［1-3］。湖南省是一個貧煤、缺油和無常規天然氣的省份，但頁巖氣資源豐富［4-5］，開發并利用頁巖氣資源可以彌補天然氣缺口，是湖南省解決自身能源問題的有效途徑之一。

湘中漣源—邵陽凹陷是中揚子地臺頁巖氣研究的重點區域，是湖南省重要的頁巖氣資源遠景區之一［6-9］。湘中漣源—邵陽凹陷中泥盆統棋梓橋組、上泥盆統佘田橋組、下石炭統測水組、上二疊統龍潭組和大隆組富有機質泥頁巖均較發育，有機碳含量較高，具備較雄厚的成烴物質條件［7-9］。其中，上二疊統大隆組是區內頁巖氣勘探最重要的目的層位［10］。湘頁1井大隆組氣測顯示良好，壓裂后試氣點火成功。國內許多學者［7，9，11-14］已對區內大隆組的沉積環境、巖相古地理、烴源巖油氣地球化學特征、頁巖氣賦存的地質特征及其勘探潛力進行了研究，但尚未系統地研究其頁巖氣儲層特征。筆者通過對區內上二疊統大隆組野外露頭剖面進行實測和系統采樣分析，從泥頁巖有機地球化學特征、礦物組成、儲集空間及物性特征等方面，深入研究其頁巖氣儲層特征，以期為頁巖氣勘探與開發提供地質依據。

1　地質背景

湘中坳陷是以下古生界變質巖系為基底發展起來的以晚古生界—中三疊統碳酸鹽巖為主并夾碎屑巖為特征的準地臺型沉積坳陷區，隸屬華南構造區，是疊加在江南—雪峰構造帶東南側的一個坳陷盆地［15-17］。大地構造位置位于華南褶皺系北部，雪峰隆起東南緣，主要由漣源凹陷、龍山凸起、邵陽凹陷、關帝廟凸起和零陵凹陷5個二級構造單元組成［16，18］（圖1）。

自早古生代以來，湘中坳陷主要經歷了晚古生代—中三疊世準地臺發展階段和印支期后（包括印支運動在內）的板內構造變形階段，其中前一階段區內沉積了巨厚的海相地層（表1）［16-17］，發生在晚二疊世龍潭組沉積晚期的一次海侵，形成了一套濱海含煤建造和硅質巖沉積以及淺海薄層灰巖和泥灰巖沉積［16］。研究區上二疊統大隆組底部主要為硅質巖與硅質泥巖等，屬斜坡—深海沉積，上部主要為硅質灰巖，屬濱淺海沉積［11］。

圖1　湘中坳陷區域構造位置Fig.1Regional structural position of Xiangzhong depression

表1　湘中坳陷頁巖氣層系地層表（據文獻［16］與［17］修改）Table 1Stratigraphic chart of shale gas strata in Xiangzhong depression

續表

2　樣品采集及實驗測試

2.1樣品采集

本次研究采集的樣品主要分布于湘中漣源—邵陽凹陷上二疊統大隆組出露的地區（漣源石鳴橋剖面、雙峰南塘剖面、邵陽田家塘剖面、腰子沖剖面和短陂橋剖面），共采集硅質巖與硅質泥巖等樣品80余塊（圖版Ⅰ）。

2.2實驗測試

筆者選取了36塊樣品用于實驗測試，主要分析了泥頁巖的有機碳含量（儀器：CS230HC碳硫分析儀；實驗條件：室溫及標準大氣壓）、礦物組成（儀器：日本理學D/MAX-2500X衍射儀；實驗條件：掃描速度為3°（2θ）/min、采樣步寬為0.01°（2θ）、管壓/管流40 kV/125 mA、靶材為銅靶）、孔隙和裂隙的微觀特征（儀器：TESCAN VEGAⅡ型掃描電子顯微鏡；實驗條件：溫度為24℃、濕度為35%）、孔隙度和滲透率（儀器：Ultrapore-200A氦孔隙儀和ULTRAPERMTM200滲透率儀；實驗條件：溫度為23℃、濕度為50%、大氣壓力為102.5 kPa）。

3　頁巖氣儲層特征

3.1有機碳含量

對野外露頭剖面樣品進行分析，結果顯示湘中漣源—邵陽凹陷上二疊統大隆組硅質泥巖、硅質巖和硅質灰巖的有機碳質量分數均為0.24%～7.39%，平均為2.7%，其中，有機碳質量分數大于1%的樣品約占樣品總數的60%以上（圖2）。從不同巖性的有機碳含量來看，硅質巖有機碳質量分數基本上小于0.5%，硅質灰巖的有機碳含量相對較高，質量分數為1%左右，硅質泥巖的有機碳含量最高，平均質量分數大于3%，說明研究區樣品的有機碳含量與巖性密切相關。已有研究表明，巖性受沉積環境控制［1-2，11］，說明沉積環境是控制研究區頁巖氣儲層有機碳含量的主要因素。

圖2　湘中漣源—邵陽凹陷上二疊統大隆組實測樣品有機碳質量分數分布頻率Fig.2The distribution frequency of measured total organic carbon content of Upper Permian Dalong Formation in Lianyuan-Shaoyang depression，central Hunan

已有研究表明，頁巖氣儲層有機碳含量越高，越有利于頁巖氣的勘探與開發［2-3］。研究區上二疊統大隆組有機碳含量較高的區域主要分布于次級凹陷的沉降中心附近（圖3），這些區域也正是硅質泥巖相對發育的地區，是下一步勘探與開發的重點區域。

圖3　湘中漣源—邵陽凹陷上二疊統大隆組有機碳質量分數等值線圖Fig.3Contour map of total organic carbon content in Upper Permian Dalong Formation in Lianyuan-Shaoyang depression，central Hunan

3.2礦物組成

對野外露頭剖面部分樣品的X射線衍射（XRD）分析表明，湘中漣源—邵陽凹陷上二疊統大隆組硅質泥巖的礦物成分以石英為主，其平均質量分數為51.1%，其次是黏土礦物，平均質量分數為28.3%（圖4）。石英、長石和方解石等脆性礦物質量分數為19.7%～90.6%，平均為67.7%，脆性礦物含量高，有利于頁巖氣開發過程中的壓裂改造。

與上揚子地區下古生界頁巖氣儲層相比［5，19-21］，研究區硅質泥巖的脆性礦物含量相對更高，但明顯低于揚子巢湖—涇縣地區上二疊統大隆組泥頁巖的脆性礦物含量［22］；與美國Barnett硅質頁巖相比［23］，二者脆性礦物含量基本一致（圖4）。

3.3孔隙、裂隙發育特征

3.3.1巖石薄片鑒定

巖石薄片鑒定結果表明，無論是硅質泥巖（圖版Ⅱ-1～Ⅱ-4），還是硅質巖（圖版Ⅱ-5）和硅質灰巖（圖版Ⅱ-6），其構造裂縫均較發育，且多被方解石與硅質充填。構造裂縫發育的原因除與巖石的脆性礦物含量有關外，還與研究區地質構造較發育等因素有關。以YZC016樣品為例，該樣品為典型的硅質泥巖，其泥質與炭質質量分數高達40%，硅質質量分數為32%，可明顯看出其經受了強烈的構造擠壓與變形（圖版II-2）。野外露頭剖面的觀測結果也可說明這一點，在脆性礦物含量較高及斷裂構造發育區域，巖石的節理更為發育（圖版Ⅰ）。

表2　湘中漣源—邵陽凹陷上二疊統大隆組代表性樣品的孔隙度和滲透率Table 2Porosity and permeability of the representative samples in Upper Permian Dalong Formation in Lianyuan-Shaoyang depression，central Hunan

3.3.2掃描電鏡分析

高倍掃描電鏡分析結果表明，研究區硅質泥巖發育大量的構造裂縫，主要原因是褶皺與斷裂構造均發育，再加上泥頁巖脆性礦物含量高，應力集中處往往發育大量構造裂縫。不同樣品的裂縫發育程度、裂縫寬度和裂縫延伸長度均差異較大，高倍掃描電鏡下YZC016樣品的裂縫多、延伸遠（圖版Ⅲ-1），而DBQ022樣品的裂縫相對較少，且延伸不遠（圖版Ⅲ-2）。不僅如此，硅質泥巖中有機質微孔隙發育，特別是在有機碳含量較高的硅質泥巖中，有機質微孔隙最發育（圖版Ⅲ-3）；其次，方解石含量較高的硅質泥巖中還可見較多的不穩定礦物溶蝕孔（圖版Ⅲ-4）。除此以外，在一些硅質泥巖中可見少量的殘余原生孔隙（圖版Ⅲ-5）和礦物層間微裂縫（圖版Ⅲ-6）。硅質泥巖中殘余原生孔隙較少的原因與研究區構造運動強烈，巖層受擠壓作用較強，巖石結構致密等因素有關。

3.4孔隙度和滲透率

湘中漣源—邵陽凹陷上二疊統大隆組硅質泥巖的孔隙度大多小于5%，但個別樣品的孔隙度也可高達23.8%（表2）。四川盆地下古生界頁巖的孔隙度一般為2.59%～10.94%［1］，高于研究區頁巖氣儲層的孔隙度。據美國頁巖氣研究資料表明，其五大含氣頁巖的孔隙度為3%～14%，平均約7%［24］，同樣高于研究區頁巖氣儲層的孔隙度。因此，研究區硅質泥巖的孔隙度總體較低，但樣品間差異較大。

研究區上二疊統大隆組硅質泥巖的滲透率大多小于0.01 mD，但個別樣品的滲透率可高達3.780 mD（參見表2）。據美國頁巖氣研究資料表明，其頁巖滲透率一般小于0.1 mD［24］。因此，研究區硅質泥巖的滲透率總體較低，但樣品間差異性較大。

對研究區硅質泥巖的孔隙度與滲透率進行相關性分析發現，孔隙度高的樣品往往有著較高的滲透率（參見表2），這反映了硅質泥巖孔隙度和滲透率的主要影響因素相同。結合巖石薄片鑒定及掃描電鏡分析結果發現，構造裂縫出現頻次高、裂縫寬且延伸遠的樣品，其滲透率相對較高。YZC016樣品受構造作用明顯（圖版Ⅱ-2），掃描電鏡分析顯示其構造裂縫相對最發育，裂縫延伸相對最遠，裂縫寬度相對最大，部分裂縫延伸長度可達數百微米，裂縫寬度高達60 μm左右（圖版Ⅲ-1），其孔隙度和滲透率分別高達23.8%和3.78 mD（參見表2）。四川盆地泥頁巖由片狀構造或由構造運動造成的裂縫致使某些樣品的孔隙度高達20%或以上［1］，同樣表明構造裂縫是影響頁巖氣儲層孔隙度的主要因素。構造裂縫出現頻次相對較高、裂縫寬度和延伸長度均相對較大的樣品（圖版Ⅱ-3和圖版Ⅲ-2，其裂縫寬度一般為5 μm，裂縫延伸長度一般為幾十微米），其孔隙度和滲透率均相對較高，分別為4.2%和0.007mD（參見表2）。然而，構造裂縫出現頻次相對較低、裂縫寬度和延伸長度均相對較小的樣品（圖版Ⅲ-4～Ⅲ-6），其孔隙度和滲透率往往較小（參見表2）。因此，構造裂縫發育程度是影響研究區大隆組硅質泥巖孔隙度和滲透率的最主要因素。

結合不同樣品的主要孔隙、裂隙類型及其與孔隙度的相關性分析發現，殘余原生孔較發育的樣品（圖版Ⅲ-5），即使其構造裂縫不發育，也可具有相對較高的孔隙度（參見表2），表明殘余原生孔是區內控制頁巖氣儲層孔隙度的主要因素之一。同樣，即使是構造裂縫不甚發育的樣品，由于有機質微孔隙發育，其孔隙度也相對較高，表明有機質微孔隙同樣是區內控制頁巖氣儲層孔隙度的主要因素之一。前人研究結果［25-26］表明，泥頁巖有機碳含量是影響其孔隙度大小的一個重要因素，與本次研究結論基本一致。

4　結論

（1）湘中漣源—邵陽凹陷上二疊統大隆組巖石的有機碳含量與其巖性關系密切，其中硅質泥巖有機碳含量最高，平均質量分數大于3%，其次是硅質灰巖（有機碳質量分數為1%左右）和硅質巖（有機碳質量分數小于0.5%），表明沉積環境是控制有機碳含量的主要因素。

（2）湘中漣源—邵陽凹陷上二疊統大隆組硅質泥巖中石英、長石和方解石等脆性礦物質量分數為19.7%～90.6%，平均為67.7%，與美國Barnett硅質頁巖的脆性礦物含量基本相當，脆性礦物含量高。

（3）湘中漣源—邵陽凹陷大隆組硅質泥巖的構造裂縫較發育，但多被方解石和硅質充填。大隆組硅質泥巖中構造裂縫及有機質微孔隙均是泥頁巖基質孔隙和裂隙的主要組成部分，其次是不穩定礦物溶蝕孔、礦物層間微裂隙和殘余原生孔隙。

（4）湘中漣源—邵陽凹陷大隆組硅質泥巖的孔隙度和滲透率差異較大，但絕大部分樣品的孔隙度和滲透率分別小于5%和0.01 mD，頁巖氣儲集物性較差。構造裂縫發育程度是影響研究區大隆組硅質泥巖孔隙度和滲透率的最主要因素。此外，硅質泥巖中殘余原生孔隙和有機質微孔隙發育程度是影響其孔隙度的主要因素。

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圖版Ⅰ

圖版Ⅱ

圖版Ⅲ

（本文編輯：李在光）

Reservoir characteristics of shale gas of Upper Permian Dalong Formation in Lianyuan-Shaoyang depression，central Hunan

Xiao Zhenghui1，2，Niu Xianqiang1，Yang Rongfeng1，Yu Ye1，Huang Yanran1，Chen Xinyue1
（1.Hunan Provincial Key Laboratory of Shale Gas Resource Utilization，Hunan University of Science and Technology，Xiangtan 411201，Hunan，China；2.Hunan Provincial Key Laboratory of Coal Resources Clean-utilization and Mine Environment Protection，Hunan University of Science and Technology，Xiangtan 411201，Hunan，China）

To evaluate shale gas exploration potential in Upper Permian Dalong Formation in Lianyuan-Shaoyang depression，central Hunan，the reservoir characteristics of shale gas were investigated by the analysis of total organic carbon（TOC）content，mineral composition，microscopic characteristics of pores and fractures，porosity and permeability of shale.The results show that the TOC content has close relationship with lithology，the TOC content of siliceous mudstones were the highest，with an average value over 3%，which shows that it is obviously controlled by sedimentary environment.The brittle mineral contents in the siliceous mudstones were 67.7%on average，which is essentially the same as the brittle mineral contents in Barnett siliceous shale of America.The tectonic fractures developed well，and they are related to the brittle mineral contents and geological structure.The organic micropore is the main composition of pore-fracture system in the siliceous mudstones with higher TOC content.The porosity and permeability of siliceousmudstones were both low，being lower than 5%and 0.01 mD respectively.Fracture development degree is the dominant factor for influencing porosity and permeability of siliceous mudstones.

shale gas；reservoir characteristics；Upper Permian；DalongFormation；Lianyuan-Shaoyangdepression in central Hunan

TE132.2

A

1673-8926（2015）04-017-08

2015-01-26；

2015-04-29

湖南省科技廳重大專項“湖南頁巖氣資源潛力評價及電磁探測系統研發”（編號：2012FJ1006）、湖南省科技廳科技計劃項目“湘西北下寒武統牛蹄塘組頁巖氣富集規律研究”（編號：2013SK3163）、成都理工大學油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室開放基金項目“湘西北地區復雜地質條件下頁巖氣富集規律研究”（編號：PLC201302）和湖南省教育廳優秀青年項目“湘中盆地演化與非常規天然氣資源潛力分析研究”（編號：12B039）聯合資助

肖正輝（1973-），男，博士，副教授，主要從事非常規天然氣方面的教學和科研工作。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：xiaozhenghui2003@163.com。