湘西北地區牛蹄塘組頁巖氣有利地質條件及成藏區帶優選

張琳婷，郭建華，焦鵬，舒楚天，李杰

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湘西北地區牛蹄塘組頁巖氣有利地質條件及成藏區帶優選

張琳婷，郭建華，焦鵬，舒楚天，李杰

(中南大學地球科學與信息物理學院，湖南長沙，410083)

在對湘西北地區下寒武統牛蹄塘組黑色頁巖露頭觀察和取樣分析基礎上，對黑色頁巖的平面展布、巖性特征、有機質類型、有機碳質量分數、頁巖成熟度、儲層礦物特征、頁巖氣儲蓋特征等參數進行評價。應用地質類比法評價研究區的各地質參數。研究結果表明：區內頁巖厚度大，平面分布穩定，有機質類型以Ⅰ和Ⅱ1型為主，有機碳質量分數高，成熟度高，脆性礦物豐富，儲蓋條件較好；研究區與沃斯堡盆地Barnett頁巖較相似；評價區下寒武統牛蹄塘組黑色頁巖的評價參數的地質風險得分為0.052，下寒武統牛蹄塘組頁巖氣地質資源量為(2.54~3.38)×1012m3；溫塘—大庸—慈利一帶為頁巖氣勘探目標區，花垣—保靖—永順及龍山茨巖塘一帶為勘探有利區，桑植—石門復向斜南翼為勘探遠景區。

湘西北區；下寒武統；頁巖氣；地質條件；地質類比法；成藏區帶優選

頁巖氣是指富有機質頁巖地層中以吸附或游離狀態為主要存在方式存在并富集的天然氣。1821年美國就已經開始對頁巖氣進行勘探開發，2010年頁巖氣資源量達到1 379×108m3[1]。中國對頁巖氣的研究約始于2000年，分為2個階段：2000—2005年為老井復查與富有機質篩選階段；2007年以后才正式進入目標優選、實驗分析、鉆探資源評估階段。Ewing等[2?6]對頁巖氣的概念、成藏機理、頁巖氣評價方法、頁巖氣賦存方式等方面進行了研究，指出生氣機理、礦物組分、有機地球化學特征及有機碳質量分數與含氣性之間的關系。頁巖氣藏是烴源巖持續生氣、不間斷供氣和連續聚集形成的。本文針對頁巖氣成藏的主控因素[7]，對區內的會同、保靖、大坪、太陽山、拾柴坡等地區下寒武統牛蹄塘組黑色頁巖進行取樣分析，與沃斯堡盆地Barnett頁巖進行類比；根據地質類比法所得結果對區內下寒武統牛蹄塘組頁巖氣資源量進行計算，優選出湘西北區頁巖氣有利成藏區帶。

1 區域地質背景

研究區位于湖南省西北部，東經109°—111°50′、北緯27°56′—30°10′，南界西起懷化，經瀘溪、沅陵至常德石門。寒武系露頭出露廣泛，主要分布在慈利—大庸—吉首一線以南[8]。巖性由灰巖、泥灰巖、粉砂巖、炭質頁巖及硅質巖組成；寒武系下統牛蹄塘組(∈1n)以黑色炭質頁巖為主，底部為灰色硅質頁巖，夾磷鐵礦或磷結核及黃鐵礦。在地層分區上，研究區隸屬于揚子地臺區和江南區的過渡地帶。區內構造活動主要受慈利—保靖大斷裂控制，分為2個背斜帶，自北向南依此為宜都—鶴峰復背斜和桑植石門復向斜。圖1所示為湘西北區域構造剖面圖。從圖1可見：區內構造強烈，褶皺?斷裂發育目的層位均被斷層切穿。據此判斷區域內裂縫發育程度較高，能夠為天然氣提供大量的儲集空間。桑植石門復向斜是構造轉折帶和地應力相對集中的區帶，是頁巖氣富集的重要場所。

圖1 湘西北區域構造剖面示意圖

2 烴源條件

2.1 牛蹄塘組厚度分布

頁巖的厚度和埋深是控制頁巖氣成藏的關鍵因素。泥頁巖必須達到一定的厚度并具有連續分布面積，提供足夠的氣源和儲集空間，才能成為有效的烴源巖層和儲集層。研究區自震旦紀末進入地臺區，長期穩定地接受沉積，因此，牛蹄塘組在整個工區內平面上連續性較好。圖2所示為湘西區下寒武統牛蹄塘組厚度與有機碳(TOC)等值線疊合圖。從圖2可以看出：牛蹄塘組厚度從研究區中心90 m左右向四周逐漸變厚。區內共有3個較大的沉積中心，分別為：西部的龍山茨巖塘，厚度約為240 m；東部的常德太陽山，沉積厚度為270余m；南部鳳凰一帶，厚度約為150 m。美國阿巴拉契亞盆地富含有機質的黑色頁巖的有效厚度大于152 m；沃斯堡盆地的Barnett頁巖中心產區的平均厚度約106.7 m。可見湘西北地區下寒武統牛蹄塘組從厚度上分析滿足頁巖氣成藏條件。

圖2 湘西北區下寒武統牛蹄塘組厚度與TOC質量分數等值線疊合圖

2.2 巖性特征

頁巖通常被定義為“細粒的碎屑沉積巖”，但它在礦物組成(黏土質、石英和有機碳等)、結構和構造上多種多樣。而含氣頁巖并不僅僅是單純的頁巖，它還包括細粒的粉砂巖、細砂巖、粉砂質泥巖及灰巖、白云巖等。圖3所示為湘西北野外剖面照片。從圖3可見：牛蹄塘組在湘西北地區主要為碳質頁巖，局部夾粉砂質頁巖，底部見有灰色硅質頁巖，夾磷礦層或磷結核及黃鐵礦并含多種伴生元素，整個湘西北地區的巖性基本上一致。

(a) 張家界大庸灰色硅質頁巖，夾磷礦層或磷結核及黃鐵礦；(b)常德拾柴坡黑色頁巖

3 有機地化特征

3.1 有機質類型

美國的勘探經驗證實Ⅰ型和Ⅱ型干酪根為頁巖氣生成的主要有機質類型，也有部分產自Ⅲ型。前人研究結果表明，湘西北下寒武統牛蹄塘組黑色泥頁巖有機質類型為Ⅰ型[9?10]。表1所示為湘西北下寒武統牛蹄塘組泥頁巖干酪根有機顯微組分統計表。從表1可見：湘西北下寒武統牛蹄塘組黑色泥頁巖干酪根以“腐殖無定型”為主，占97%以上，顯微組分類型指數分布在 46%~47%之間，屬Ⅱ1型干酪根，僅有馬進洞剖面1個樣品有機質類型為Ⅲ。

表1 干酪根有機顯微組分統計(質量分數)

3.2 有機碳質量分數

有機碳(TOC)質量分數是烴源巖豐度評價的重要指標，也是衡量生烴強度和生烴量的重要參數。Boyer 等[11?12]提出頁巖中有機碳質量分數為2.15%~3.00%，而國內大都認為(TOC)＞0.50%以上就是有利源巖[13]，本文作者選用(TOC)＞0.50%作為有利烴源巖評價標準。在研究區內共取得61塊樣品進行有機碳質量分數分析，圖4所示為湘西北地區下寒武統牛蹄塘組泥頁巖有機碳質量分數分布頻率。由圖4可見：有機碳質量分數大于2.0%的樣品數約占樣品總數的80%，大于4.0%的樣品數占樣品總數的30%以上。美國福特沃斯盆地NewarkEast氣田巴涅特頁巖巖心有機碳質量分數為4.0%~5.0%，阿巴拉契亞盆地俄亥俄頁巖Huron下段的總有機碳質量分數為0~4.7%，產氣層段的總有機碳質量分數為2.0%[14?17]。與美國主要產頁巖氣頁巖相比，下寒武統牛蹄塘組黑色頁巖有機碳質量分數較高。由圖2所示的湘西北下寒武統牛蹄塘組厚度與TOC等值線疊合圖可知：有機碳質量分數自南西向北北東方向有逐漸增加的趨勢，這可能與“熱水沉積”有關，即大坪—慈利一帶處于花垣—慈利大斷裂內側的斷陷盆地中，且呈NEE向帶狀延伸。在牛蹄塘組黑色頁巖形成階段盆地正處于拉張沉降狀態，且伴有海底熱液活動，為嗜熱微生物提供了廣闊的生存空間。在此過程中，伴隨著火山噴溢過程中產生的火山灰等物質會隨著海水的潮汐、波浪作用，擴散到深水斜坡方相，因此，有機質質量分數自大坪自常德一帶逐漸增大[18?20]。

圖4 湘西北地區下寒武統牛蹄塘組實測樣品有機碳質量分數分布頻率

3.3 有機質成熟度

頁巖層中的有機質達到了生烴標準，即鏡質組反射率o＞0.4%就可以生成天然氣。一般認為，當o＞1.0%時更易于生氣，1.0%＜o＜2.0%時為生氣窗，當o＞1.4%時則生成干氣；o＜0.6%時為未成熟階段，0.4%＜o＜0.6%時可生成生物成因氣。但是，在美國主要盆地產氣頁巖的成熟度變化大，從未成熟的生物氣、低成熟—成熟、高成熟—過成熟至二次生氣都可以在不同的頁巖盆地中找到實例。

研究區內下古生界缺乏來源于高等植物的標準鏡質組，所以，用瀝青反射率b和鏡質組反射率o之間的換算關系式(o=0.618 8b+0.40)計算有機質成熟度[21]。通過計算，區內可分為2個演化區帶。大庸及三岔地區的黑色頁巖的鏡質體反射率o分別為 4.2%和3.2%，慈利南山坪黑色頁巖鏡質體反射率o為2.7%，為高熱演化區；吉首—永順—龍山一帶成熟度普遍小于2.5%，局部地區小于2%，為低熱演化區帶。

4 頁巖氣儲蓋條件

4.1 儲層礦物特征

頁巖礦物成分組成為頁巖儲層評價主要內容之一。通常認為頁巖中石英、長石、方解石等礦物質量分數高，黏土礦物質量分數低的巖石是有效儲層，因為巖石的脆性強，在外力的作用下易于壓裂。研究區內對20塊巖石樣品進行全巖樣分析，圖5所示為湘西北地區下寒武統牛蹄塘組礦物質量分數。由圖5可見：在大庸、三叉、古丈剖面樣品中黏土質量分數高，分布在6.75%~45.54%之間；在會同區巖樣的黏土質量分數低，最高為12.97%；脆性礦物質量分數最高，達80%以上。礦物特征表明：研究區內牛蹄塘組黑色頁巖脆性礦物豐富，在平面上表現為南西高—北東低的分布。黏土礦物演化程度高，缺乏蒙皂石等膨脹性黏土礦物，影響頁巖氣的吸附量。

圖5 湘西北地區下寒武統牛蹄塘組礦物質量分數

4.2 儲滲特征

本次研究應用的測試方法為掃描電鏡和壓汞測試，目的是通過掃描電鏡揭示出巖石內部的孔喉微觀特征；通過壓汞實驗研究巖石的毛管壓力及有效孔滲。在研究區共取得6塊樣品，僅有1塊樣品局部見少量溶蝕微孔等。圖6所示為掃描電鏡下頁巖孔隙結構。從圖6可見：樣品孔徑小于2 μm，巖石結構致密，溶蝕微孔極不發育，僅零星分布，連通性較差，面孔率小。

圖6頁巖孔隙結構的掃描電鏡成像

圖7所示為牛蹄塘組樣品壓汞測試曲線。由圖7可見：實驗測得的鉆孔巖樣孔隙體積為(63~143)×10?3cm3，孔隙度比較小，為1%~2%，滲透率為(0.001~ 0.034)×10?3μm2。由于注汞量未達到孔隙體積的50%，故沒有中值壓力；其排驅壓力比較大，為4~14 MPa，進汞迂曲度為0.10~0.34，退汞迂曲度為0.02~0.30，最大孔喉半徑為0.05~0.15 μm，平均孔喉半徑為0.019~0.024 μm；分選系數為0.006~0.022，結構系數為0.07~0.50；孔隙不發育，連通性較差。

圖7 牛蹄塘組樣品壓汞測試曲線

由掃描電鏡和壓汞測試分析結果可知：湘西北牛蹄塘組頁巖儲層物性較差。但結合儲層的礦物特征綜合判斷，由于儲層中的脆性礦物質量分數較高，故可以通過后期的壓裂技術有利地改造儲層。

4.3 頁巖氣蓋層

由圖1所示湘西北區域構造剖面可見：下寒武統—中奧陶統的上覆地層上奧陶統—下志留統僅在桑植石門復向斜區域內連續分布，在宜都—鶴峰復背斜區內大多已出露地表，頁巖氣封蓋和保存條件較差。受保靖—慈利深大斷裂影響，牛蹄塘組泥頁巖為源巖的頁巖氣基本上散溢。在桑植－石門復向斜一帶，以石門楊家坪剖面為例，下寒武統地層厚度為927 m，其中蓋層厚度666 m(泥巖541 m，碳酸鹽巖125 m)，最大單層厚度162 m，連續厚度220 m[22]。平面上，下寒武統蓋層普遍大于400 m，且向北、向西蓋層厚度不斷增大。由此可以看出：下寒武統區域蓋層不但遮擋能力強，而且厚度較大，基本連續分布，埋藏深，對其上地表能起隔擋作用，同時對其下油氣層起到保護作用，是有效的區域蓋層。

5 資源量預測

湘西北地區是低程度研究區，因此，選用地質類比法對研究區進行資源量預測。頁巖氣地質評價系數的主控因素為源巖有機碳質量分數((TOC))、熱成熟度(o)、分布面積、產層厚度、埋深、氣體成因及類型、巖性和沉積環境、原始壓力和溫度等[23]。本文選定沃斯堡盆地Barnett頁巖作為標準區。根據頁巖氣成藏條件選定的16項評價參數，對標準區與類比區的頁巖進行地質類比評分。表2所示為湘西北下寒武統牛蹄塘組頁巖與美國Barnett頁巖系統主要地質地化參數對比。由表2可見：標準區沃斯堡盆地Barnett頁巖地質風險得分為0.094；評價區下寒武統牛蹄塘組頁巖的地質條件(評價參數)的地質風險得分為0.052。本次計算將(TOC)＞0.5%且厚度＞30 m的頁巖發育地區作為頁巖有效面積。參照標準區頁巖的資源豐度區間(3.28~4.37)×108m3/km2及牛蹄塘組頁巖厚度，計算評價區頁巖氣地質資源量為(2.54~3.38)×1012m3。

表2 湘西北下寒武統牛蹄塘組頁巖與美國Barnett頁巖系統主要地質地化參數對比

6 有利成藏區帶優選

本次頁巖氣有利成藏區帶優選主要考慮黑色頁巖中總有機碳質量分數大于0.5%，o為1.0%~4%，埋深為200~4 000 m，有效厚度大于30 m的頁巖發育區。圖8所示為湘西北地區下寒武統牛蹄塘組頁巖氣有利成藏區帶評價圖。從圖8可見：花垣—保靖—永順及龍山茨巖塘一帶，其下寒武統牛蹄塘組頁巖厚度為90~240 m，有機碳質量分數為2.0%~2.5%，有機質成熟度o為2.5%~3.5%，儲蓋條件相對較好，可作為頁巖氣勘探的有利區帶；溫塘—大庸—慈利周邊下寒武統牛蹄塘組頁巖有機碳質量分數逐漸升高，為0.70%~ 9.16%；有機質成熟度o為2.5%~4.0%，埋藏深度在4 000 m內，脆性礦物質量分數為54.45%~93.25%，蓋層厚度普遍大于400 m，是頁巖氣生成的目標區帶。在桑植—石門復向斜南翼，常德拾柴坡剖面中牛蹄塘組頁巖有機碳質量分數最低都達到16.72%，最高為23.25%，o為2.32%~3.06%，黏土礦物質量分數為11.73%~27.61%，表明該地區具有形成頁巖氣藏的巨大潛力，為頁巖氣勘探遠景區。

7 結論

1) 湘西北下寒武統牛蹄塘組全區發育，巖性以含碳質頁巖和硅質頁巖為主的黑色巖系。有機碳質量發數高，有機質類型以Ⅰ和Ⅱ1型為主。

2) 研究區內黑色頁巖TOC質量分數自西南向北東方向逐漸增加，可以分為2個演化區帶。大庸及三岔地區的下寒武統黑色頁巖的鏡質體反射率分別為 4.2%和3.2%，慈利南山坪黑色頁巖鏡質體反射率為2.7%，為高熱演化區。吉首—永順—龍山一帶成熟度普遍小于2.5%，局部地區小于2%，為低熱演化區。

3) 研究區內脆性礦物質量分數由北東方向至西南增加，正好與TOC質量分數的分布規律相反。

4) 研究區內頁巖結構致密，溶蝕微孔極不發育，僅零星分布，連通性較差，面孔率小。孔隙度為1%~2%，滲透率為(0.001~0.034)×10?3μm2。

5) 桑植－石門復向斜一帶下寒武統蓋層普遍厚度大于400 m，且向北、向西蓋層厚度不斷增大，遮蓋能力強，厚度較大，基本連續分布，埋藏深，是有效的區域蓋層。

6) 湘西北地區下寒武統牛蹄塘組頁巖氣的資源量為(2.54~3.38)×1012m3。綜合各項地質條件，指出溫塘—大庸—慈利一帶為頁巖氣勘探目標區，花垣—保靖—永順及龍山茨巖塘一帶為勘探有利區，桑植—石門復向斜南翼為勘探遠景區。

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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)

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 Ⅱ1type 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)×1012m3by 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.

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

10.11817/j.issn.1672-7207.2015.05.020

TE112

A

1672?7207(2015)05?1715?08

2014?10?29；

2014?12?12

湖南省國土資源廳軟科學計劃項目(2010-12)；湖南省自然科學基金資助項目(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)

郭建華，教授，博士生導師，從事層序地層學及儲層地質學研究；E-mail: gjh796@csu.edu.cn

(編輯 陳燦華)