湘中坳陷與湘東南坳陷上二疊統龍潭組頁巖氣形成條件及資源潛力探討

李 巖，魚 磊，蔡寧波，郭 軍

(1. 湖南省地質新能源勘探開發工程技術研究中心，湖南 長沙 410014；2. 湖南省煤炭地質勘查院，湖南 長沙 410014；3. 湖南省自然資源事務中心，湖南 長沙 410004

0 引言

頁巖氣是指主體位于暗色泥頁巖或高碳泥頁巖中，以吸附或游離狀態為主要存在方式的天然氣聚集[1-2]。隨著世界經濟的發展和人們物質文化生活水平的提高，對于油氣等能源需求持續增長，常規油氣經過大規模的勘探開發，增儲上產難度越來越大，供需矛盾日益突出[3]。繼常規油氣資源、致密氣和煤層氣資源之后，頁巖氣成為我國最現實的待開發非常規油氣資源[4]。受美國頁巖氣成功勘探開發[5-7]啟示，中國在海相頁巖和陸相頁巖地層頁巖氣勘探中均取得重要突破，并且在海相頁巖地層發現焦石壩頁巖氣大氣田，取得了巨大的成就[8]。湖南是一個貧煤、缺油、少氣的省份，湘西北地區是湖南乃至全國重要的油氣勘探區，近40年來，陸續開展了針對湘西北地區下寒武統牛蹄塘組、上奧陶統五峰組—下志留統龍馬溪組三套海相地層的油氣勘探工作，取得了一些找礦勘探成果[9]，但由于該區油氣地質條件復雜，即油氣演化程度高及保存條件復雜等因素[10]，仍未取得實質性的突破。而湖南省海陸過渡相煤系地層頁巖分布廣泛，主要集中在湘中坳陷，累計厚度較大，頻繁與煤層、致密砂巖層互層，具有可觀的頁巖氣資源潛力[11]，湘東南坳陷次之。但對于海陸過渡相煤系地層頁巖氣的研究相對薄弱。

本研究以湘中、湘東南坳陷海陸過渡相煤系地層上二疊統龍潭組黑色頁巖為研究對象，通過野外露頭采樣，運用掃描電鏡、有機地球化學分析等多種實驗分析方法，對目的層頁巖氣形成條件進行了探討分析，在此基礎上，并對湘中、湘東南坳陷上二疊統龍潭組頁巖氣資源潛力進行了預測。

1 地質背景

湘中坳陷隸屬華南構造區，大地構造位置位于雪峰東緣加里東褶皺帶東南緣，是以下古生界變質巖系為基底發展起來的一個晚古生代—中三疊世的碳酸鹽巖為主夾碎屑巖為特征的準地臺型沉積坳陷區[12]，是晚古生代華南陸表海盆在湘中殘留的負向構造單元[13]。湘中坳陷主要由溈山隆起、漣源凹陷、龍山串珠狀隆起、邵陽凹陷、關帝廟串珠狀隆起和零陵凹陷6個二級構造單元組成[14-15](圖1)。

湘東南坳陷大地構造位置處于華南褶皺系北部，華夏褶皺系西部，是自中晚三疊世歷經了多期構造運動后形成的復雜構造體系，主要由衡山隆起、寧遠凹陷、九巍山隆起和郴耒凹陷4個二級構造單元組成。

受新化—株洲斷裂控制，龍潭組沉積特征分南型和北型兩個亞型。而湘中、湘東南坳陷以南型龍潭組為主，總厚80～1300 m，其中泥頁巖厚29～201 m，主要分布于邵陽—郴州一帶，絕大部分地區與下伏地層當沖組呈連續沉積。按含煤性龍潭組可分為上部含煤段和下部不含煤段。含煤段巖性為細粒—中粒長石石英砂巖、粉砂巖、砂質泥巖、伊利石泥巖、蒙脫石-伊利石泥巖，含煤3～13層，可采1～5層，產腹足類和植物化石，厚22～165 m。不含煤段主要為薄層狀泥巖、砂質泥巖及粉砂巖互層，上部夾細—中粒長石石英砂巖，偶見菊石及腕足類化石，沉積中心主要位于株洲攸縣黃豐橋、宜章梅田，厚度為700～900 m。龍潭組泥頁巖的埋藏深度在區域上變化也比較大，埋深為400～1800 m，以1000 m居多[16]。

2 有機地球化學特征

2.1 有機質類型

湘中和湘東南坳陷大部分地層泥頁巖有機質類型為Ⅱ型(混合型)干酪根，部分有機質豐度較高的地區為Ⅰ型干酪根(即腐泥型，如棋梓橋組)，而煤系地層主要為Ⅲ型干酪根(即腐植型)，如湘中和湘東南坳陷龍潭組煤系地層。湘中和湘東南坳陷龍潭組頁巖有機顯微組分統計分析(表1)表明，湘中和湘東南坳陷龍潭組有機顯微組分鏡質組含量最多，平均含量分別為68.94%和70.10%，其次為惰質組和穩定組。故干酪根類型都以Ⅲ型為主。

2.2 有機碳含量

有機碳含量(TOC)是頁巖儲層評價的重要參數之一，它既決定著頁巖的生烴強度，也是頁巖吸附氣的載體之一[17]。有機碳含量的高低直接影響頁巖氣的成藏潛力[18-19]。本次龍潭組共采集有機碳樣品50件(表2)，其中有7件為野外露頭樣品，其余43件來自湘東南的10口鉆井，且有5件樣品為煤樣或含泥煤樣。由圖2可知，湘中和湘東南坳陷TOC含量分布大致呈NE—SW走向，由南東至北西TOC含量逐漸增大。高值區主要分布于漣源、邵東、隆回及鄧家鋪一帶。而湘東南坳陷由北西向東南TOC含量逐漸增大。高值區主要分布在黃豐橋、馬水、耒陽和衡洞一帶。整體上TOC含量普遍較高，最大值高達22.6%，最小值僅為0.07%，平均值為2.52%。

表2 湘中和湘東南坳陷上二疊統龍潭組頁巖TOC數據統計

圖2 湘中和湘東南坳陷上二疊統龍潭組頁巖TOC分布圖

湘中湘東南坳陷雖有上二疊統龍潭組發育，但由于厚度較小，且地表露頭極少，風化嚴重，未采集到頁巖樣品，只在部分煤礦采集煤樣若干。

2.3 有機質成熟度

有機質成熟度是影響頁巖氣富集成藏的另一重要因素。有機質的成熟度是表征其成烴有效性和產物性質的重要參數。有機質只有在達到一定的熱成熟度才能開始大量生烴和排烴。在一定范圍內，含氣泥頁巖的熱成熟度越高表明泥頁巖生氣可能性越大[17]。本次龍潭組共采集有機碳樣品49件(表3)，其中有14件為野外露頭樣品，其余35件來自湘東南的鉆井。由圖3可知，湘中和湘東南坳陷Ro max呈EW向分布，由北至南Ro max值逐漸增大，且高值區主要分布在耒陽、邵陽至武岡一帶。其中，Ro max值最小值為1.24%，在Ro max值最大值高達5.97%，平均值為2.80%。

圖3 湘中和湘東南坳陷上二疊統龍潭組頁巖Ro max分布圖

表3 湘中和湘東南坳陷上二疊統龍潭組鏡質體最大反射率(Ro max)數據統計

3 含氣頁巖儲集性能

3.1 巖性組合特征

巖性組合是沉積環境變化的主要指示，也是預測煤層變化情況的主要依據。根據該地區鉆孔資料分析可將該地區的巖性組合分為以下幾種(表4)。

表4 湘中和湘東南坳陷上二疊統龍潭組巖性組合特征

湖南省上二疊統龍潭組分為龍潭北型和龍潭南型，龍潭南型地層主要分布于漣源、邵陽南部、郴州及耒陽一帶；龍潭北型地層主要分布于婁底北部及長株潭地區。而湘中和湘東南坳陷龍潭組主要為龍潭南型地層。含煤巖系主要是以上五種巖性組合在橫向上展布和縱向上演化而形成，各種巖性組合代表了不同的沉積環境變化。

巖性組合A：為厚層細砂巖和厚煤層組合，灰色細砂巖，中厚層狀，水平層理，硅質、泥質膠結。煤以黑色塊狀為主，半亮型煤。代表著龍潭南型為三角洲相，在分流河道之上，分流澗灣中發育的沼澤。為龍潭南型的主要成煤環境。

巖性組合B：為厚層的鈣質泥巖和薄層的粉砂巖、細砂巖組合，局部地區見細砂巖之上發育一薄煤層。鈣質泥巖，灰—灰黑色，薄層狀，水平層理上部夾硅質灰巖，底部產豐富瓣鰓類、腕足類動物化石，含豐富黃鐵礦結核及少量菱鐵礦結核。細砂巖，灰—淺灰色，薄—中厚層狀，波狀交錯層理，黑色泥質線紋，含云母等其他礦物。代表著龍潭組上段上部水逐漸變深的沉積環境。從三角洲相變成淺水陸棚相。

巖性組合C：厚層中砂巖、粉砂巖和可采煤層的組合，煤，黑色，塊狀為主，半亮型煤。中粒砂巖，淺灰—灰白色，濕后發綠，薄—中厚層狀，以平行層理為主，局部交錯層理，成分以石英為主，長石次之，少量綠色礦物，鈣質、硅質膠結。代表著龍潭組上段下部三角洲相的沉積組合。

3.2 孔隙結構類型

頁巖孔隙是頁巖氣藏中氣體的儲集空間[20]，孔隙的微觀特征影響頁巖氣儲集性能[11]。頁巖中微裂縫的發育不僅為頁巖氣提供有利的儲集空間，而且利于吸附氣的解析[11]。頁巖在生烴過程中，隨著烴類生成量的增加，內壓增大，當達到突破壓力后，就會形成新的儲集空間。在成巖過程中，礦物相的變化也形成新的儲集空間。構造活動本身會形成大量的微裂隙，在活動過程中，礦物相的變化也會使微裂隙形成。

上二疊統龍潭組處于生物大發展期，有機質(圖4)來源充足，區內可見到生物化石，而研究區內構造運動劇烈，有印支—燕山期巖漿活動的疊加，因而變質程度較高，且多屬腐殖型有機質，達到烴類生氣門限，具備生氣條件。因而分析觀察此類樣品，顯得尤為重要。掃描電鏡分析結果表明，上二疊統龍潭組頁巖孔隙類型有裂隙孔(圖5)、溶蝕孔與有機質孔(圖6)和粒間孔(圖7)等，孔隙類型多呈不規則形狀，以圓形、橢圓形為主，孔喉半徑最大值為3960 nm，最小值為70 nm，平均值為428 nm，且孔喉半徑整體上較為均一，溶蝕孔、微孔隙、微裂隙極為發育，導致了孔隙之間具有一定的連通性，并為游離頁巖氣提供了儲集空間。

圖4 掃描電子顯微鏡下有機質形態

圖6 掃描電子顯微鏡下溶蝕孔與有機質孔

圖7 掃描電子顯微鏡下粒間孔

湘中和湘東南坳陷上二疊統龍潭組頁巖氣形成條件優越，且在龍潭組頂部沉積了一套硅質泥頁巖地層，具有良好的圈閉條件，但受多期構造影響，斷裂發育，大氣淡水及地下水沿斷裂活動頻繁，蓋層因此受到了構造和溶蝕破壞作用，頁巖氣圈閉保存條件整體上較差。

4 資源潛力探討

4.1 地質類比法

4.1.1 資源量計算方法

一般情況下，低勘探程度地區采用面積豐度類比法計算資源量，其計算公式(1)：

(1)

輸入參數：Si為預測區類比單元的面積，km2；

輸出結果：Q為預測區的頁巖氣總資源量，108m3。

αi為預測區類比單元與標準區的類比相似系數，由公式(2)計算得到：

(2)

i為預測區子區的個數；

Ai為頁巖氣資源豐度(108m3/km2)，由標準區給出。

4.1.2 評價步驟

1)結合類比標準區，進行盆地類比單元的劃分，分別確定每個單元的面積Si；

2)為每個評價單元確定標準區，得到Ai；

3)進行標準區與預測區的地質類比，求出αi。類比過程分4個步驟：①分類整理類比標準區與預測區的地質資料；②根據確定的類比內容與標準逐項進行地質類比評分，類比內容可以分為蓋層條件、儲層條件、油氣源條件、配套條件等四項；③應用相關性分析求出影響資源量的主因素；④根據主因素的單因素評分，利用加法原則求出每一類比標準區與預測區的評價總分，求出預測區與每一類比標準區的類比系數。

4.1.3 資源潛力評價

根據頁巖氣成藏條件選定16項評價參數(表5)對標準區與類比區的頁巖氣資源進行地質類比評分。將湘中和湘東南坳陷上二疊統龍潭組頁巖與美國五大頁巖氣系統進行對比(表6)發現，阿巴拉契亞Ohio頁巖有效厚度為21 m，平均有機碳含量大于1.8%，Ro平均為0.85%，平均孔隙度達4.4%；而湘中和湘東南坳陷上二疊統龍潭組頁巖有效厚度為25 m，平均有機碳含量為2.52%，Ro平均為2.80%，平均孔隙度為4.6%。綜上所述，無論盆地類型，還是源巖條件和儲集性能，均與阿巴拉契亞盆地Ohio頁巖比較相似，因此將此盆地的頁巖氣系統作為類比標準區[18-19]。

表5 頁巖氣資源預測類比參數取值標準

表6 湘中和湘東南坳陷上二疊統龍潭組與美國五大頁巖氣系統頁巖主要地質參數對比

依據選定的各項地質指標為各標準區及評價區分別進行評分，每一大項中分別求出其相應權值下的得分并相加，得出此項地質指標的地質風險得分，4個大項得分的乘積便是其地質風險總分。計算結果顯示，阿巴拉契亞泥盆系Ohio頁巖地質風險得分為0.080，湘中和湘東南坳陷頁巖地質風險得分為0.045(表7)。頁巖面積的有效性主要取決于其中有機碳含量的大小及頁巖厚度，本次計算是把TOC>0.5%且有效厚度>5 m的頁巖發育地區作為頁巖的有效面積。

表7 湘中和湘東南坳陷上二疊統龍潭組頁巖與類比標準區頁巖地質風險得分

根據公式(2)可以計算出省內湘中和湘東南坳陷龍潭組頁巖與圣阿巴拉契亞泥盆系Ohio頁巖各項地質指標類比標準的相似系數為0.56。根據公式(1)，參照圣胡安盆地Ohio頁巖的資源豐度區間為(0.55～1.09)×108m3/km2，計算出湘中和湘東南坳陷上二疊統龍潭組頁巖氣地質資源量為(0.38～0.76)×1012m3(表8)。

表8 湘中和湘東南坳陷上二疊統龍潭組頁巖氣地質資源量類比法計算結果

4.2 體積法

用體積統計法對頁巖氣進行資源量計算主要是以滿足TOC>0.3%、Ro>0.4%、埋藏深度不超過4 km的頁巖發育面積和厚度求得頁巖氣含氣體積，進而求得資源量。假設頁巖的有效體積為V，單位重量頁巖總含氣量為A，巖石密度為ρ，則由公式(3)可求得資源量或儲量Q：

Q=A·V·ρ

(3)

吸附要素分析法主要考慮頁巖氣賦存狀態與其約束因素之間的統計關系，頁巖總含氣量Qa與其總有機碳含量x1、有機質類型x2、有機質成熟度x3、伴生礦物類型x4等存在一定的統計關系，即

Qa=f(x1，x2，x3，x4，……，xn)

(4)

進一步，根據上述各影響因素自身的概率函數分布對其進行概率賦值，可求得頁巖氣資源分布的概率

分布函數，據此可計算不同概率條件下的頁巖氣資源/儲量，即

Qp=f(Sp，Hp，φp，Kp……)

(5)

式中：Qp表示概率p條件時的資源量，Sp、Hp、φp、Kp分別表示面積、厚度、孔隙度、滲透率等參數。

本次資源評價還利用體積統計法對省內資料相對豐富的部分地區進行了頁巖氣資源預測。上二疊統龍潭組總面積約為1.25×104km2，有效厚度為12～38 m，總有機碳含量平均為2.52%，Ro平均為2.80%。以TOC=0.3%和Ro=0.4%的頁巖氣發育條件為下限，以頁巖中的工業含氣量標準為依據，龍潭組頁巖發育有效體積為375～625 km3。研究區泥質烴源巖密度平均值為2.4 t/m3。結合相鄰區塊泥頁巖含氣量進行的統計分析，可選擇吸附量2～3 m3/t進行計算。頁巖氣中以吸附狀態存在的天然氣含量變化于20%～80%之間。根據相關公式計算可得上二疊統龍潭組頁巖氣遠景資源量為(0.21～0.42)×1012m3(表9)。

表9 湘中和湘東南坳陷上二疊統龍潭組頁巖氣地質資源量體積法計算結果

由以上兩種不同方法計算的資源量在數值上有一定的差別，但是差別不大，結果可靠。由此可見，湘中和湘東南坳陷上二疊統龍潭組頁巖氣資源潛力巨大，勘探開發前景可觀。

5 結論與建議

5.1 結論

1)湘中和湘東南坳陷上二疊統龍潭組黑色頁巖有機碳含量高、熱成熟度適中，孔隙結構類型以裂隙孔、溶蝕孔、有機質孔和粒間孔為主，綜合分析認為，頁巖氣形成條件良好，是頁巖氣發育的有利層段，具有良好的勘探潛力。

2)湘中和湘東南坳陷上二疊統龍潭組頁巖氣含量為(0.21～0.42)×1012m3，資源潛力巨大。

5.2 建議

針對湖南省湘西北地區牛蹄塘組和龍馬溪組頁巖氣一直未取得突破，而湘中和湘東南坳陷龍潭組暗色泥頁巖具備了良好的生烴條件，但構造較為發育且勘探程度低的現狀，結合四川盆地頁巖氣勘探的經驗，相關政府機構應該加大資金投入，調動企事業單位、高校及科研單位的積極性，使得其加快湘中和湘東南坳陷頁巖氣基礎地質調查工作，并以尋找頁巖氣構造圈閉為主，以發現巖性圈閉等為輔，為后期尋找頁巖氣的“甜點”打下堅實的地質基礎。