湘西北頁巖氣牛蹄塘組和龍馬溪組成藏特征對比

文繼祖，胡陽田，謝睿，陳禎祥，楊磊（.湖南省核工業地質局三〇四大隊，湖南 長沙 40000；2.長江大學地球科學學院，湖北 武漢 43000）

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湘西北頁巖氣牛蹄塘組和龍馬溪組成藏特征對比

文繼祖1、2*，胡陽田1，謝睿1，陳禎祥1，楊磊1
（1.湖南省核工業地質局三〇四大隊，湖南 長沙 410000；2.長江大學地球科學學院，湖北 武漢 430100）

摘 要收集湘西北地區牛蹄塘組和龍馬溪組兩地層相關成藏特征、有利條件等評價指標或參數，通過對比分析得出湘西北地區頁巖厚度大、總有機碳和成熟度高、生烴能力強和孔隙等儲集能力好等特點，顯示在區域還原環境的缺氧沉積環境下，大量海洋生物在盆地堆積并保留下來，形成可觀的頁巖氣藏，因此推測該區具備良好的頁巖氣勘探潛力。牛蹄塘組頁巖厚度遠大于龍馬溪組頁巖，總有機碳含量、有機質成熟度、含氣量等頁巖氣評價參數均優于龍馬溪組，表明牛蹄塘組熱演化程度更高，生烴能力和儲集條件更好，牛蹄塘組頁巖層將是湘西北地區頁巖氣勘探開發的重點。

關鍵詞湘西北；頁巖氣；總有機碳；牛蹄塘組；龍馬溪組

頁巖氣是一種產生在富含有機質頁巖儲集體系中的非常規天然氣，華南早古生代地層中大面積分布著富含有機質的黑色頁巖，這為我國南方大規模進行頁巖氣勘探提供了可能[1～3,12]。以往關于這一非常規天然氣的研究，在世界上并不是很普遍，之前僅美國與加拿大等國對這種非常規油氣藏做過系統工作。近年隨著資源開發利用的新趨勢，我國的頁巖氣的勘探工作已經進入了大規模開發期，地質、地球物理、地球化學、泥漿、定向井等物理化學性質和工程施工方面相關研究也在逐步深入。對于國內頁巖氣勘探開發區塊的選取，國內學者普遍認為[4,5,7]，我國南方黑色頁巖不僅富含Mo、Ni、V、PGE、Au等礦產，也是頁巖氣勘探的重要區塊，因此認為南方黑色頁巖具有重要的研究和經濟價值。近年，華南頁巖氣開發已取得較大突破，以四川盆地及川鄂交接等周邊地段的工作為例，現已經在該區域發現具備工業開發價值的頁巖氣藏分布[13,27,28]，并已經投入生產。隨著頁巖氣勘查投入的加大，湖南省的頁巖氣勘探工作也已經起步。

湘西北地區與川鄂等頁巖氣重點開發地段接壤，且湘西北大面積分布的牛蹄塘組、龍馬溪組、陡山沱組等地層中黑色頁巖均廣泛發育。其中以牛蹄塘組、龍馬溪組為代表的湘西北黑色頁巖系具有沉積厚度較大且穩定、有機質含量高、生氣能力較強等優勢，顯示出湘西北地區具有較好的頁巖氣成藏條件與勘探開發潛力[2,3,5,18]。隨著野外工作的不斷開展，湖南省在常德至慈利、桑植、花垣等地區，已經率先實施了以常頁1井、慈頁1井等[18、24]為代表的深部驗證工程，湘西北地區黑色頁巖系的相關指標與特征正被逐步揭露。這些地質工作為湖南以及華南頁巖氣地質研究與經濟開發打下了基礎。目前，湘西北地區黑色頁巖揭露工作主要集中在牛蹄塘組和龍馬溪組地層，已形成了部分資料可以借鑒[1～5,18,21,24]。對于牛蹄塘組和龍馬溪組頁巖氣，國內學者已開展了部分相關的研究[7,27,28]，但工作主要集中在四川、重慶等地段。隨著工作范圍的擴大與工作程度的深入，關于湖南省湘西北地區頁巖氣成藏特征對比研究已經步入起步階段。本文對關于湖南省湘西北地區牛蹄塘組和龍馬溪組的資料進行了搜集整理，在前人工作成果的基礎上對湘西北地區牛蹄塘組與龍馬溪組頁巖氣有機地球化學與壓裂、孔隙等物理特征方面的成藏特征進行了綜合研究與對比，總結歸納了該區域內和地層中的頁巖氣的成藏特征，希望本次研究的結果能為湘西北地區的頁巖氣勘探開發提供一定的技術參考。

1　區域地質背景

湖南處于揚子陸塊和華夏古陸過渡區，湘西北地區位于揚子地臺[1～3,5,21]。該區自震旦紀開始至早古生代，為克拉通海相盆地，沉積了系列海相層系（圖1）。牛蹄塘組主要巖性為黑色頁巖、炭質板巖、黑色硅質巖，該地層分布很廣，沉積厚度大，沉積環境由NW向的碎屑巖深水陸棚沉積至SE向半深?！詈３练e環境過渡[18]。龍馬溪組巖性以灰綠色—灰色頁巖、粉砂質頁巖及泥質粉砂巖為主，夾有薄層至厚層狀石英細砂巖及泥質粉砂巖[1,24]。龍馬溪組沉積環境屬于陸棚滯留盆地環境，并屬于欠補償沉積盆地類型。

2　有機地球化學特征

作為頁巖氣形成的重要條件，良好的沉積條件與封閉的環境對頁巖氣的形成至關重要[17]。沉積環境和有機質物化特征是判定黑色頁巖是否具有良好生烴產氣能力的重要指標，故對有機地化指數、烴源巖類型、儲集性能、保存條件等指標的了解，是判定一個區塊前景的關鍵[13,17]。

2.1 埋深和有效厚度

研究[1,18]表明，頁巖的沉積厚度越大，其對頁巖氣藏的封閉效果就越好，氣體的保存能力就越強，從而利于頁巖氣的形成與保存。我國南方海相頁巖適合頁巖氣開發的頁巖厚度[13,27]為50～400 m，埋深1500～4000 m。部分文獻[7～9]認為，南方頁巖氣開發最大深度應不超過3500 m。已有工程揭露證明[24,25]，牛蹄塘組黑色頁巖平均厚度310 m，部分地段達675 m；而龍馬溪組黑色頁巖系厚度10～60 m。兩地層均滿足我國頁巖氣開發的要求[13]，達到了有效厚度。牛蹄塘組黑色頁巖埋深范圍535～1344 m，龍馬溪組地層埋深相對較大，在1000～2000 m。兩套地層的黑色頁巖產狀均較為平緩，利于頁巖氣藏的保存。就地層厚度對比而言，牛蹄塘組頁巖層更厚，比龍馬溪組頁巖更有利于頁巖氣的生烴與保存。

2.2 總有機碳含量

有機碳含量（TOC）是對烴源巖豐度、生烴強度和生烴量進行評價的重要參數指標[9,13,17]。美國頁巖氣開發將2～14%作為頁巖氣開發的開發條件，國內則以2～8%作為開發條件[17]。本文對國內目前已形成的關于湘西北黑色頁巖系的文獻進行了統計，并以李國亮[1]、林拓[18,24]等人的研究數據為基礎對湘西北牛蹄塘組和龍馬溪組有機碳含量及全區含量做了簡要評價（圖2）。

通過分析總結，本文認為湘西北地區有機碳含量分布在0.03～17.76%，平均值3.83%，滿足國內頁巖氣開發要求。其中以常頁1井[14、18、26]為代表的牛蹄塘組TOC值為0.03～17.6%，平均值4.36%。以松林剖面[1]和永頁1井[24]為代表的龍馬溪組TOC值為0.05～12.31%，平均值4.36%。從原始數據的直方圖分布可以看出，該區整體有機碳含量較高，反映出牛蹄塘組和龍馬溪組是良好的烴源巖，具備較強的產氣能力。兩地層的TOC均值近似，但牛蹄塘組TOC值的極值（17.6%）更大，且TOC值普遍＞2%。顯示牛蹄塘組比龍馬溪組具有更高的有機碳含量，具有更強的生烴潛能。

圖1　湘西北地區區域地質背景及部分工程位置Fig.1 Regional geological background and location of Geological Engineering

2.3 烴源巖類型

不同來源的有機質在不同沉積環境中形成的干酪根，在成分組成、物化性質和生烴潛能等方面差別很大。因此，研究干酪根類型及性質是頁巖氣開發的一項重要內容，也是評價與指導頁巖氣開發的研究基礎。以美國頁巖氣研究為例，Ⅰ型干酪根和Ⅱ型干酪根是主要的頁巖氣生烴類型，部分Ⅲ型干酪根也具有較好的生烴能力[11,13]。

據陳蘭等試驗數據[21]表明，牛蹄塘組碳同位素在-29.49～34.41‰間，平均值為-31.75‰。而李國亮等研究[1]表明，龍馬溪組中碳同位素在-31.4～27.1‰之間，平均為-29.6‰。兩地層碳同位素均＜-28‰，表明兩套地層中黑色頁巖干酪根應均屬于Ⅰ型干酪根。研究還發現湘西北地區干酪根中腐泥質成分較高，且未發現殼質組和鏡質組，說明其母質應來源于低等水生生物。據此推測，牛蹄塘組與龍馬溪組地層共同特征在于均形成于還原條件下的缺氧沉積環境。在此環境下，大量的海洋生物在盆地中堆積并保留下來，為頁巖氣藏的形成提供了豐富的母質來源。

圖2　TOC值直方圖（數據引自文獻[1,14,24,30]）Fig.2 Histogram of the TOC numerical value

2.4 有機質成熟度

作為頁巖氣成藏條件評價的重要參數之一，有機質成熟度代表著沉積盆地中烴源巖各個演化階段的最高溫度[1,4,17]。研究[9]表明，隨著成熟度的增加，烴源巖中的原油組分開始向裂解氣轉化；而成熟度越低，產氣量就越低。

湘西北地區牛蹄塘組樣品分析顯示[14,18]，該地層鏡質體反射率Ro分布在1.56～4.5%之間，平均2.6%。湘西北地區龍馬溪組[1,24]與牛蹄塘組具有相似的成熟度，該地層鏡質體反射率Ro（圖3）分布在0.97～3.33%，平均值2.59%。以上反映出湘西北區域Ro值分布在0.97～4.5%間，平均值2.54%，其絕大部分Ro值＞2.0%，表現為成熟—過成熟階段，應以生產干氣為主[9,17]。對比兩套地層的鏡質體反射率Ro值不難發現，牛蹄塘組地層中Ro值分布具有更高值域，從側面反映出牛蹄塘組有機質熱演化程度更高。

圖3　Ro值直方圖（數據引自文獻[1、24]）Fig.3 Histogram of the Ro numerical value

3　巖礦特征

由于物理化學性質的差異，頁巖氣與巖石礦物表現出不同的相關性，礦物組成是研究頁巖儲集空間的重要指標[4,17]。牛蹄塘組頁巖層石英含量[14,18,30]為32～78%，平均值為50.1%。據常頁1井資料顯示[14,30]，石英含量隨著深度呈現正相關，較高的硅質含量為頁巖在構造活動中產生足夠的天然裂隙提供了可能，脆性礦物含量的增加使頁巖層的改造潛力得到了提升，進而為頁巖氣藏提供了足夠的賦存空間。從圖4中可以看出，牛蹄塘組頁巖中脆性礦物含量較高，顯示了該地層可作為良好的儲層。

龍馬溪組頁巖[1,24]以粘土礦物和脆性礦物為主，其中脆性礦物石英和長石的含量分布在60～80%，伊利石和蒙脫石為龍馬溪組地層主要粘土礦物，次為高嶺石和綠泥石。礦物組成顯示該地層對頁巖氣的成藏有利。從烴源巖礦物組成三角圖（圖4）可知，牛蹄塘組和龍馬溪組地層均集中分布在碳酸鹽含量低、高粘土、高脆性礦物一側，顯示為硅質型泥巖。兩套地層既含有豐富的利于裂隙改造的脆性礦物，也含有較高的利于氣藏吸附的粘土礦物，說明兩套地層均是湘西北地區勘探開發頁巖氣的有利層位。

圖4　礦物組成三角圖（a數據引自文獻[1,24]；b數據引自文獻[14,30]）Fig.4 Triangle graph of the mineral composition

圖5　全球典型非常規油氣儲層孔隙直徑對比圖（數據引自文獻[23,26]）Fig.5 Nanometer scale pore-throat diameters of global unconventional reservoirs

4　儲集特征

據文獻[25]顯示，湘西北地區牛蹄塘組地層頁巖有效孔隙度為1.2～1.9%，平均值為1.6%。滲透率在0.01～3.75×10-3μm2之間，平均為1.32×10-3μm2，該地層孔隙度與滲透率均較低，但隨著地層深度的加大，其孔隙度有相應增大，但均＜2.0%。牛蹄塘組地層的頁巖基質和有機質中微孔、中孔、宏孔發育，總孔體積為1.3～16.1×10-3ml/g，平均體積為5.1×10-3ml/g；孔隙直徑在4.54～13.09 nm間，平均7.2 nm。

龍馬溪組[1、24]孔隙度為1.6～2.0%，平均1.7%。該組地層滲透率極低，基本＜0.01×10-3μm2。與牛蹄塘組類似，微小孔洞和裂隙大量發育在該地層中。對比國內外頁巖氣開發資料表明[13,17,27]，世界大多數頁巖氣藏均有低孔隙度低滲透率的特點?？偨Y湘西北發育的這兩套地層中微小孔隙特征，發現這些廣泛發育納米級的微小孔隙，為游離態及吸附態的頁巖氣藏提供了儲集空間，使得牛蹄塘組與龍馬溪組頁巖層具備良好的頁巖氣儲集能力。

孔隙是頁巖氣存儲和運移的重要空間，孔隙的發育程度也影響了頁巖氣的含氣能力。實驗表明，龍馬溪組頁巖含氣量[24]為0.09～0.9 m3/t，表現出非常低的含氣量。牛蹄塘組[18]含氣量0.5～2.1 m3/t，相對較高。兩組地層含氣量對比說明，牛蹄塘組為更為有利的頁巖氣勘探地層。

圖6　地層有機地化綜合特征對比圖（Ⅰ數據引自文獻[1,24]；Ⅱ數據引自文獻[14,16,18,30]）Fig.6 The comparison chart of Organic geochemical characteristics

5　結論

（1）通過對黑色頁巖系中有機質物理化學條件進行對比，發現牛蹄塘組和龍馬溪組兩地層埋深均＜3500 m，滿足頁巖氣開發的深度。頁巖厚度、有機地球化學、烴源巖類型、儲集性能等頁巖氣評價指標均表明兩地層的沉積環境利于生烴演化與成藏。認為湘西北地區牛蹄塘組和龍馬溪組都是頁巖氣勘探的有利地層。

（2）湘西北地區有機質的鏡質體反射率分布在0.97～3.32%間，平均值2.54%，其絕大部分Ro值＞2.0%，表現為成熟—過成熟階段。兩地層中有機質烴源巖均屬于Ⅰ型干酪根，母質來源為低等水生生物。兩地層中的黑色頁巖均在還原環境的缺氧條件下沉積形成。在此環境下，大量的海洋生物在盆地中堆積并保留下來，可能形成具備開發價值的頁巖氣藏。

（3）牛蹄塘組和龍馬溪組地層巖石礦物組分靠近硅質泥巖，高含量的脆性礦物為湘西北地區頁巖中微小裂隙發育提供了可能。兩套地層均具有孔隙度較低的特點，但發育較好且均勻的微小孔隙，增大了烴類的吸附面積，為烴類成藏提供了儲集空間。

（4）牛蹄塘組頁巖厚度明顯大于龍馬溪組頁巖，總有機碳含量、有機質成熟度、含氣量等頁巖氣綜合評價指標均優于龍馬溪組頁巖層。說明牛蹄塘組的頁巖成藏條件更好，具備更好的頁巖氣勘探開發的潛能。

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Reservoir Forming Characteristics Contrast between Niutitang Formation and Longmaxi Formation of Shale Gas in Northwestern Hunan

Wen Jizu1,2,Hu Yangtian1,Xie Rui1,Chen Zhenxiang1,Yang Lei1
(1.Hunan Bureau of Geology for Nuclear Industry 304 Brigade,Changsha Hunan 410000;2.Geoscience School of Yangtze University,Wuhan Hubei 430100)

Abstract:Based on the by open published database of shale gas development home and abroad,there was a summarizes about reservoir forming characteristics contrast between niutitang fm and longmaxi fm of shale gas in northwestern hunan,and got a conclusion that this area are characterized by high content and maturation of TOC,good pore reservoir performance strong source capability.The data showed that under oxygen-deficient facies environment,a large number of Marine lives piled up and preserved in the basin and formed a considerable shale gas reservoir.Thus speculated that northwestern hunan had a good exploration potential of shale gas.The shale’s thickness of niutitang fm was thicker than longmaxi fm’s,Shale gas evaluation parameters,such as Total organic carbon content,organic matter maturity,air content,were all better than longmaxi fm’s.these showed that niutitang fm had a higher thermal evolution degree and a better hydrocarbon generation ability and reservoir conditions.From data above,niutitang shale formation will be the focus of shale gas exploration and development in northwestern hunan.

Key Words:Northwestern Hunan;shale gas;total organic carbon;Niutitang formation;Longmaxi formation

*第一作者簡介文繼祖，男，1986年生，助理工程師，主要從事地質勘查工作。E-mail:shajiakakaxi@163.com

收稿日期：2016-1-21；改回日期：2016-3-2。

文章編號：1672-5603（2016）01-001-7

中圖分類號：P618.12

文獻標識碼：A