湖南永順區塊牛蹄塘組頁巖氣勘探前景及選區評價

董清源， 田建華， 冉　琦， 鄧　模， 許江橋， 陳　勇

( 1. 中國石油化工股份有限公司 石油物探技術研究院，江蘇 南京　211103；　2. 中國石化石油勘探開發研究院 無錫石油地質研究所，江蘇 無錫　214151；　3. 中國華電集團 清潔能源有限公司，北京　100035 )

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湖南永順區塊牛蹄塘組頁巖氣勘探前景及選區評價

董清源1， 田建華1， 冉琦1， 鄧模2， 許江橋3， 陳勇1

( 1. 中國石油化工股份有限公司 石油物探技術研究院，江蘇 南京211103；2. 中國石化石油勘探開發研究院 無錫石油地質研究所，江蘇 無錫214151；3. 中國華電集團 清潔能源有限公司，北京100035 )

永順區塊位于中上揚子地臺牛蹄塘組頁巖氣富集區，整體勘探程度較低，頁巖氣勘探前景不明。利用露頭、巖心、測試和地震等資料，分析研究區牛蹄塘組頁巖氣勘探前景，以頁巖氣富集理論為指導，結合地球化學分析技術、地質評價—地球物理聯合預測技術，評價有利勘探區塊。結果表明：永順區塊牛蹄塘組具有優越的烴源供給條件，厚度大，分布廣，燕山期是其主要的聚集及成藏期；頁巖儲層低孔低滲特征明顯，儲集類型多樣，脆性礦物豐富，有利于頁巖氣儲集及壓裂改造；研究區構造樣式相對簡單，斷裂、蓋層發育分區性明顯，關鍵構造事件控制源蓋動態匹配。殘留向斜斜坡是研究區有利的勘探目標，Ⅰ類有利區面積為102.1 km2，Ⅱ類有利區面積為88.2 km2。

永順區塊； 頁巖氣； 牛蹄塘組； 地質特征； 勘探前景； 選區評價

0　引言

隨著世界各國對油氣資源需求的不斷攀升，非常規油氣的勘探開發力度得到顯著提升。頁巖氣作為賦存于(以吸附態和游離態兩種方式)暗色泥頁巖及夾層的清潔、高效的非常規能源，已受到世界范圍的高度重視[1-5]。

中國頁巖氣資源十分豐富，特別是南方中上揚子地區的下古生界海相地層富有機質頁巖非常發育[6]，根據國土資源部2011～2015年的頁巖氣發展規劃調查[7]，近60%頁巖氣富集勘探開發區主要位于中上揚子地區，其中川南及渝東湘鄂西地區下寒武統牛蹄塘組和下志留統龍馬溪組中的頁巖氣資源量達到(8～10)×108m3。永順區塊位于湖南省西部，構造上屬于中揚子地臺，主要頁巖層系為下寒武統牛蹄塘組，志留系龍馬溪組頁巖在該區塊分布較為局限，且暗色頁巖厚度較薄。在2011～2013年全國頁巖氣資源潛力調查評價過程中，邢雅文、孫夢迪等對周緣的渝東南等地區牛蹄塘組頁巖氣地質—地球化學特征、成藏條件等方面進行論述[8-9]，但對湖南永順區塊牛蹄塘組的頁巖氣勘探研究相對較少。隨著上揚子地臺焦石壩、丁山和威遠等地區的龍馬溪組頁巖層系的勘探突破，中揚子地區牛蹄塘組頁巖層系勘探前景不明確。人們研究該地區牛蹄塘組地質條件[10-11]，發現存在三方面差異：首先，與北美頁巖產氣層比較，牛蹄塘組為下寒武統地層，層位較老，埋深較深；其次，頁巖儲層黏土礦物質量分數相對較高，脆性礦物質量分數相對較低，不利于后期完井壓裂；第三，中揚子地區比上揚子地區的構造活動相對劇烈，影響頁巖氣的聚集成藏。

根據永順區塊牛蹄塘組地質特征，筆者研究北美、四川盆地的頁巖氣成藏富集條件，運用地球化學—地質—地球物理綜合研究技術，評價頁巖品質及保存條件，分析研究區頁巖氣勘探前景，優選有利勘探目標，為后期頁巖氣勘探提供指導。

1　地質概況

永順區塊位于湖南省西部的湘鄂西沖斷褶皺帶，整體構造受斷裂控制明顯，發育兩條北東向深大斷裂，分別為保靖—銅仁深大斷裂和永順—慈利深大斷裂，自北西向南東依次劃分為中央復背斜帶、花果坪復向斜帶、宜都—鶴峰復背斜帶和桑植—石門復向斜帶等構造單元。永順區塊主體分布于桑植—石門復向斜構造單元(見圖1)，自西向東依次發育呈北東向展布的馬蹄寨向斜、鹽井—首車背斜、龍家寨向斜、沙壩—也莊背斜和青安坪向斜，構造整體具有明顯的隔擋式褶皺特征(背斜陡、向斜緩)，局部地層有倒轉現象，主要斷裂走向與褶皺軸線基本一致[12]。

圖1　永順區塊構造位置Fig.1 Structure location map of Yongshun block

研究區發育震旦系、寒武系、奧陶系和志留系等地層，主要目的層下寒武統牛蹄塘組為一套深水陸棚環境下沉積的海相地層[13]，發育較厚黑色—灰黑色炭質頁巖，巖性較純、沉積穩定，具有良好的頁巖氣形成基礎。

2　頁巖氣形成條件

2.1富有機質頁巖地球化學特征

早寒武世中上揚子地臺的大面積海侵，導致永順區塊整體處于廣海陸棚—半深海環境，浮游微生物非常發育，為牛蹄塘組有機質富集提供豐富的物質基礎[14]。

表1永順區塊及周緣地區牛蹄塘組野外露頭、鉆井頁巖樣品地球化學特征

Table 1 The geochemical characteristics of outcrop and drilling shale samples of Niutitang formation in the Yongshun block and surrounding area

w(TOC)/%(n=38)Ro/%(n=13)δ13C/‰(n=13)劃分范圍頻率平均劃分范圍頻率平均劃分范圍頻率/%平均<2.03<1.3-25.0～-21.02.0～4.0504.321.3～2.082.47-29.0～-25.0-29.55>4.047>2.092-33.0～-29.0100

分析研究區及周緣地區露頭牛蹄塘組38個頁巖樣品，永順區塊牛蹄塘組暗色頁巖顯微組分以腐泥型為主，富含藻類化石，干酪根δ13C為-30.21‰～-29.13‰，整體輕于-28‰，屬于典型的腐泥型(Ⅰ型)干酪根，類型好，生烴潛力大；w(TOC)在1.90%～9.42%之間，平均為4.32%，其中97%的樣品大于2.0%(見表1)，具有優越的生烴基礎。平面上，由于受到周緣區域內沉積微相的控制，整體呈現由西往東逐漸增加的趨勢(見圖2)，張家界以東地區為w(TOC)高值區，最高可達5.0%以上。

圖2　永順區塊及周緣地區牛蹄塘組頁巖w(TOC)、Ro分布

研究區烴源巖熱成熟度在1.92%～2.91%之間(見表1)，多數達到過成熟生氣階段，有利于油氣的生成及排出；熱成熟度由東南向西北逐漸增高，與w(TOC)變化趨勢呈對稱分布，表明后期的構造運動與早期的沉積背景存在明顯的分異性，一定程度上控制區域內頁巖氣的生烴階段及富集范圍(見圖2)。

2.2優質頁巖發育及分布特征

北美Barrnet頁巖及中國焦石壩地區頁巖氣勘探評價實例調研表明，優質頁巖的發育對頁巖氣藏的形成具有重要作用，是頁巖氣“成烴控儲”的基礎。郭旭生[15]在焦石壩頁巖氣勘探實踐中將優質頁巖定義為位于深水陸棚且w(TOC)大于2.0%的暗色泥頁巖。

根據優質頁巖的勘探定義，結合周緣地區及研究區內露頭—地球化學資料，對區域內優質頁巖(w(TOC)>2.0%)厚度進行精細地質統計。以永順區塊及周緣地區牛蹄塘組優質頁巖連井剖面為例，由于縱向上受深水陸棚相的控制，研究區優質頁巖主要發育于牛蹄塘組的中下部，厚度較大(100～150 m)，連續性好，分布穩定(見圖3)。

圖3　永順區塊及周緣地區牛蹄塘組優質頁巖剖面Fig.3 The Niutitang formation quality shale comparative profile of Yongshun block and surrounding area

由于橫向上受到采樣點的制約，主要運用測井—地震聯合約束法，精細刻畫優質頁巖的發育。對牛蹄塘組進行巖石物理分析，研究區目的層底部優質頁巖段呈現低速、低密度的特征(4 000 m/s、2.599 g/cm3)，與上覆的砂質泥巖、下伏的燈影組白云巖具有較大巖石物理差異；在基于地質模型的地震正演模擬中，該差異主要表現為兩中—強波峰夾一中—強波谷的地震響應特征，其中部波谷越寬，優質頁巖發育厚度越大(見圖4)，說明最大波谷屬性可以較好地反映優質頁巖的平面變化規律。以前期的地質統計為約束，預測研究區牛蹄塘組優質頁巖厚度在80～130 m之間，受水體深度的影響，自西北向東南逐漸增厚(見圖5)。

圖4　永順區塊及周緣地區牛蹄塘組優質頁巖地震響應特征正演模擬Fig.4 The seismic forward modelling of Niutitang formation quality shale in Yongshun block and surrounding area

圖5　永順區塊及周緣地區牛蹄塘組優質頁巖平面分布特征Fig.5 The distribution of Niutitang formation quality shale in Yongshun block and surrounding area

永順區塊牛蹄塘組是一套有機質類型好、豐度高、熱演化適中、優質頁巖厚度大的頁巖儲層，與國內外頁巖氣產區(如川東南地區頁巖、Barnett頁巖)頁巖地質特征有良好的可比性，具有優越的頁巖氣富集基礎和勘探潛力[16-17]。

2.3儲集條件

永順區塊牛蹄塘組頁巖儲集空間類型可以分為原生微孔、礦物顆粒溶蝕微孔隙、有機質生烴形成的微孔隙和微裂縫等4種。結合電子脈沖的物性測試實驗結果，研究區牛蹄塘組優質頁巖段較為致密，孔隙度為2.32%～3.94%，平均為2.55%；滲透率為(0.004～1.490)×10-3μm2，平均為0.220×10-3μm2，低孔低滲特征明顯，與彭水—焦石壩地區頁巖物性具有一定的相似性(彭頁1井、焦頁1井優質頁巖段平均孔隙度分別為2.20%、4.65%)，物性條件相對較好。對比掃描電鏡微觀圖片，雖然研究區優質頁巖致密，但內部整體發育較多的有機孔、粒間孔及微裂縫(見圖6)，且孔—縫相互連通，延伸距離較長，為頁巖氣的聚集提供有效的儲集空間和滲流通道。

圖6　永順區塊牛蹄塘組頁巖微觀孔隙特征Fig.6 The microscopic pore characteristics of Niutitang formation of Yongshun block

礦物X線衍射分析結果顯示，永順區塊牛蹄塘組頁巖儲層發育大量的石英、長石及黃鐵礦，其中硅質礦物質量分數在61.1%～91.6%之間，平均高達84.9%；脆性特征明顯，高于北美Barrnet頁巖及四川盆地筇竹寺組頁巖(40.0%～50.0%)的脆性礦物質量分數[18]，易于后期壓裂改造，有利于提高頁巖單位面積內的產氣能力。

2.4蓋層條件

中生界的三疊系膏鹽層是中上揚子地區下寒武統地層良好的區域蓋層，其次為志留系較厚泥頁巖[19]。研究區受到區域構造運動的影響，三疊系地層幾乎剝蝕殆盡，但殘留較厚的志留系地層，為研究區牛蹄塘組頁巖氣成藏提供一定遮擋條件。三軸抗剪抗壓實驗研究表明：隨埋深增加，圍壓增加，蓋層封閉性能增強[20]，說明構造運動導致地層剝蝕程度及埋深的地區差異性，控制現今蓋層的保存狀況及封閉性能。

由于研究區背斜區域受到應力的多期擠壓抬升，埋藏較淺，志留系地層厚度較薄、斷裂發育，導致蓋層封閉能力較差；向斜區域埋藏較深，穩定性較好，厚度較大(700～1 000 m)，且泥巖可塑性較強，壓力突破中等，壓力因數相對較高(1.2左右)，反映其封蓋能力較好；上覆的深灰色頁巖夾鈣質頁巖耙榔組地層，以及下伏的致密灰色白云巖、硅質巖的燈影組地層厚度大(400 m左右)，對牛蹄塘組頁巖層形成較好的直接封蓋空間。

3　勘探前景及目標區優選

3.1頁巖氣成藏期與構造運動

在充分利用Ro數據的基礎上 ，結合“沉積盆地熱史恢復模擬系統”的熱史反演模塊[21]，進行盆地熱史—埋藏史—生烴史分析。熱史方面，永順區塊的大地熱流從255 Ma的45 mW/m2升高到140 Ma的95 mW/m2，之后逐漸降低到現今的50 mW/m2；埋藏史方面，研究區古生代海相地層在海西期后具有更大的沉積厚度，經歷印支運動和燕山運動后抬升剝蝕。

通過熱史重建及埋藏史恢復研究，描述牛蹄塘組熱演化程度和生烴特征：加里東期該套烴源巖進入初始生烴期(Ro>0.5%)，為低成熟階段；印支期進入成熟晚期階段(Ro為1.0%～1.3%)，為生油高峰，后期經過盆地的疊加和較高地溫場的作用，開始生氣(Ro為1.3%～2.0%)；燕山期達到過成熟干氣階段(Ro>2.0%)，整體生烴時期較長，具有明顯早期生烴的特點(見圖7)。

燕山運動對早期形成的海相頁巖氣藏影響最大，一方面促使區域隆凹相間格局的形成；另一方面導致缺乏連續區域蓋層的背斜部位海相頁巖氣藏破壞殆盡。由于研究區殘留向斜斜坡持續埋深增加，變形強度相對較弱，斷裂發育規模較小，封蓋能力相對較強，構成良好有效的運聚成藏空間配置，其斜坡部位為樞紐區域，受力相對小于核部的，更有利于先前形成的頁巖氣的保存和聚集。鑒于牛蹄塘組源蓋動態演化關系，殘留向斜斜坡為研究區頁巖氣富集區域，其中向斜斜坡最優，核部次之。

圖8　永順區塊及周緣地區牛蹄塘組頁巖氣含氣量與瞬時頻率關系Fig.8 The relationship of shale gas content and instantaneous frequency of Niutitang formation in Yongshun block and surrounding area

3.2含氣量預測

由于地震波的運動學特點和動力學特點與地震介質的特征有關，從而導致強振幅的優質頁巖層含氣后振幅明顯降低，且隨著含氣量的增加，頻率具有一定衰減現象[22-23]。對永順區塊及周緣地區的常頁1井、茅頁1井等進行多屬性頁巖氣實驗分析測試，瞬時頻率與含氣量具有較好的負相關關系，通過建立等量對比關系(見圖8)，進一步預測有利的含氣目標，認為龍家寨向斜斜坡中部、東南部及青安坪向斜斜坡含氣量相對較好(見圖9)。

3.3選區評價

根據牛蹄塘組頁巖早期生烴、晚期動態成藏的特點，在源蓋匹配的思路指導下，運用地質—地球化學—地球物理等研究手段，以焦石壩頁巖氣田內部評價參數為標準[24-25]，考慮研究區牛蹄塘組地質情況，篩選優質頁巖厚度、w(TOC)、Ro、含氣量、蓋層條件、埋深、距斷層距離和壓力因數等8個關鍵地質因素，進行勘探選區評價(由于有機質類型、礦物組成和物性等在永順區塊變化不大，不作為重點參數)，將永順區塊主要劃分為Ⅰ類區、Ⅱ類區(見表2)。

圖9　永順區塊牛蹄塘組頁巖氣有利區分布Fig.9 The prediction of shale gas "favorable paly" distribution of Niutitang formation in Yongshun block

選區優質頁巖厚度/mw(TOC)/%Ro/%含氣量/(m3·t-1)蓋層條件埋深/m距斷層距離/km壓力因數Ⅰ類>40>3.02.0～3.0≥2三疊系1500～3500>1.0>1.2Ⅱ類30～402.0～3.03.0～3.51～2志留系3500～45000.5～1.01.0～1.2

Ⅰ類區主要分布于永順區塊的龍家寨向斜斜坡及青安坪向斜斜坡的東南坡，勘探面積約為102.1 km2，構造相對穩定，優質頁巖厚度為100～130 m，熱成熟度適中，埋深在1 500～3 500 m之間，壓力因數相對較高，含氣量在2～3 m3/t之間，是研究區首選的頁巖氣勘探區帶。Ⅱ類區主要分布于永順區塊青安坪向斜斜坡及龍家寨向斜斜坡的中部，勘探面積約為88.2 km2，在頁巖品質方面，與Ⅰ類區相差不大，但含氣量相對較低，整體相對較深，在3 500～4 500 m之間，為較有利的勘探區帶，可作為后續儲備勘探區域，其中龍家寨向斜斜坡中部的周緣發育斷裂相對多于青安坪向斜斜坡中部的，前者勘探風險相對大于后者。

4　結論

(1)永順區塊牛蹄塘組為深水陸棚相沉積，優質頁巖大面積發育，厚度在80～130 m之間，總體上有機碳質量分數高，有機質類型以Ⅰ型為主，成熟度適中；泥頁巖儲集空間類型豐富，脆性礦物大量發育，黏土礦物質量分數較少，有利于后期儲層壓裂改造。在頁巖氣形成條件方面與國內外產氣頁巖層系具有較好的可比性，資源潛力巨大。

(2)研究區頁巖生烴的主要時期是晚二疊世—白堊紀早期，具有明顯的早期生烴、晚期成藏的特征，生烴期間關鍵的構造運動控制烴源巖的生烴過程、蓋層的封閉性能，決定牛蹄塘組頁巖氣的保存和破壞。

(3)基于地質—二維地震資料的低勘探區頁巖氣選區評價流程，評價—識別研究區牛蹄塘組頁巖氣有利勘探區。綜合考慮多種因素，建議將Ⅰ類區作為首選的目標進行勘探；在Ⅰ類區勘探成功基礎上，再向Ⅱ類區進行勘探，擴大含氣范圍，為研究區頁巖氣勘探提供指導。

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2016-01-31；編輯：劉麗麗

全國油氣資源戰略選區調查與評價專項 (2009GYXQ15)；中國石化石油物探技術研究院橫向課題(2014HNSG-SGEP-YS)

董清源(1987-)，男，碩士，工程師，主要從事油氣成藏地質學和地震綜合解釋方面的研究。

10.3969/j.issn.2095-4107.2016.03.008

TE132

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2095-4107(2016)03-0061-09