四川盆地外復雜地質條件區海相頁巖氣“甜點區”優選：以湘西北地區古生界為例

秦明陽，郭建華，黃儼然, 3，焦鵬，劉辰生，鄭振華，張良平，郭軍，曹錚

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四川盆地外復雜地質條件區海相頁巖氣“甜點區”優選：以湘西北地區古生界為例

秦明陽1, 2，郭建華1，黃儼然1, 3，焦鵬1，劉辰生1，鄭振華2，張良平2，郭軍2，曹錚4

(1. 中南大學 地球科學與信息物理學院，湖南 長沙，410083；2. 湖南省煤炭地質勘查院，湖南 長沙，410014；3. 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；4. 中國石油大學 地球科學與技術學院，山東 青島，266580)

針對湘西北地區古生界頁巖氣勘探困難等問題，分析多年來鉆井地質成果，對海相頁巖氣聚集條件進行研究，提出四川盆地外復雜地質條件區“甜點區”評價參數體系，量化界線及權重，涵蓋4個方面16個指標，并強調生烴條件和保存條件，優選勘探“甜點區”。研究結果表明：黑色頁巖主要發育于深水陸棚相，有機質類型較好，以Ⅰ型干酪根為主；牛蹄塘組富有機質頁巖厚度及其豐度明顯比國內其他勘探層系的高；五峰組—龍馬溪組有機質豐度與四川盆地的相似，但厚度(僅20~30 m)不足；有機質熱演化進入高成熟階段，有利于勘探與開發；頁巖礦物質量分數具有“兩低—高”的特征，即低質量分數的碳酸鹽巖、低質量分數的黏土礦物和高質量分數的石英；頁巖儲層微觀發育多種類型孔隙和微裂縫，但有機質孔控制儲層特征，如滲透率、吸附能力等；對于五峰組—龍馬溪組，向斜核部屬于殘留型保存構造樣式；對于牛蹄塘組，背斜核部屬于破壞型保存構造樣式，而向斜核部屬于殘留型或完整型保存構造樣式；優選牛蹄塘組“甜點區”位于雪峰隆起的北西緣逆沖推覆帶下盤，而五峰組—龍馬溪組“甜點區”應該靠近四川盆地龍山一帶的殘留向斜。

復雜地質條件區；湘西北；古生界；頁巖氣；“甜點區”

頁巖氣作為一種清潔、高效的非常規天然氣資源，為中國日益嚴峻的能源緊缺和環境安全提供了新的解決途徑，目前，中國頁巖氣實現跨越式發展，成為第3個實現商業化開采的國家[1?2]，然而，也面臨一些挑戰，要實現2020年300×108m3產量目標，需要強化優選“甜點區”[3]。與四川盆地涪陵、長寧、威遠等區塊五峰組—龍馬溪組快速規模生產開發相比，作為遠景區的湘西北復雜地質條件區依舊停留在“點火成功”階段[4]。頁巖氣具有大面積連續分布特點，但前期勘探忽視了宏觀聚集條件和微觀結構的非均質 性，未重視“微氣藏”的差異導致含氣性空間非均質性[1]。董大忠等[3]指出，中國頁巖氣勘探開發中往往重視鉆井、分段壓裂等工藝技術突破，忽略了優質“甜點區”資源評價與選取，造成“工藝成功、產量不高”的尷尬局面，鄒才能等[5]強調選準“甜點區”是頁巖氣成功開發的首要條件。湘西北地區發育了寒武系牛蹄塘組和奧陶系五峰組—志留系龍馬溪組共2套頁巖層系，然而，多年的頁巖氣勘探尚未取得工業氣 流，這導致企業對頁巖氣勘探信心不足。為此，本文作者分析湘西北頁巖氣地質條件，研究生烴、儲集、保存及開采條件，提出四川盆地外復雜地質條件區頁巖氣“甜點區”評價參數體系并優選“甜點區”，為未來湘西北乃至整個南方復雜地質條件區頁巖氣勘探提供參考。

1 地質背景

湘西北地區與四川盆地同屬于上揚子板塊，從震旦紀至早古生代主要表現為克拉通海相盆地。在早寒武世初期，華南泛大陸解體導致區域構造沉降加劇，達到二級層序最大海泛面，鄂中古陸上升奠定了研究區北高南低的古地理格局，湘西北主體發育深水陸棚環境。大洋缺氧事件、上升洋流作用及海底熱液活動等綜合影響形成了大范圍黑色巖系，富含炭質、硅質、石煤、磷塊巖、黃鐵礦及重晶石等[6?7]。在早奧陶世，上揚子地區發生構造轉換，川中隆起范圍不斷擴大，黔中隆起、雪峰隆起及江南隆起基本連成了滇黔桂隆起帶，形成“三隆夾一坳”的古地理格局。湘西北處于川東—鄂西深水陸棚東緣，張家界一帶發育水下隆起，在上升洋流、滯留缺氧以及缺乏陸源碎屑等作用下，形成了一套富含硅質、炭質的筆石頁巖，觀音橋段發育少量泥灰巖[8?9]，見圖1。除西北緣位于宜都—鶴峰復背斜外，研究區主體屬于桑植—石門復向斜。受保靖—慈利大斷裂控制，江南雪峰隆起從燕山至喜山期向西北方向發生多期次壓扭性構造運動，形成如今NNE或NE走向為主的“基底卷入式”復雜褶皺和斷裂體系，見圖2。背斜核部多出露震旦系—奧陶系，且伴隨較大規模的逆沖斷層，而向斜核部出露二疊系—三疊系，保存較完好，呈孤立狀分布[10?11]。

圖1 湘西北五峰組—龍馬溪組富有機質頁巖沉積模式圖

圖2 湘西北構造

2 生烴條件

有機質類型、有機質質量分數及熱演化程度決定了頁巖烴源巖品質，是評價生烴條件的主要指標。

2.1 有機質類型

(a) 永順區塊永頁2井巖心筆石化石, O3w—S1l；(b) 花垣區塊花頁1井顯微鏡下放射蟲化石，∈1n

2.2 有機質質量分數

Barnett頁巖以及四川盆地涪陵頁巖氣田的開發證實，豐富的有機質質量分數決定了頁巖氣的“成烴控儲”[20]。針對南方海相高熱演化程度頁巖，國內學者普遍采用殘余有機碳質量分數即(TOC)評價有機質豐度。普遍認為(TOC)的下限應不低于2%，但可能會隨著開采技術的進步而適當降低[21?22]。

牛蹄塘組普遍發育2層富有機質頁巖，厚度可達70~100 m，(TOC)明顯高于國內其他勘探層系(見表1)，如常頁1井1 103~1 224 m的(TOC)平均值可達10.1%，花頁1井2 526~2 595 m的(TOC)平均值可達7.0%。五峰組—龍馬溪組發育1層富有機質頁巖，厚度為20~30 m，(TOC)普遍可達2.0%以上，如龍參2井的(TOC)最高可達5.96%，與四川盆地焦石壩地區的(TOC)相當。

2.3 有機質成熟度

有機質熱演化程度與頁巖氣聚集的關系較復雜，尚無確切定論[23?24]。南方海相頁巖氣屬于典型的“熱成因、間接型”生氣模式，有機質進入高成熟階段(成熟度o＞1.3%)才裂解形成大量天然氣，但過高的成熟度會導致有機質孔減少，保存條件變差，影響井產能[16, 21]。受埋深及構造抬升等因素影響，研究區古生界頁巖有機質成熟度o普遍介于2.0%~3.0%，達到高成熟階段(表1)。對比四川盆地焦石壩頁巖氣田，認為研究區有機質熱演化程度適中，有利于勘探與開發。

注：括號內數據為平均值。

3 儲集條件

作為致密儲層，頁巖的礦物組成、微觀孔隙?微裂縫特征決定了宏觀儲集條件，并進一步影響頁巖氣的賦存特征和開發效果。

3.1 礦物組成

國內外成功開發的頁巖層系礦物組成及質量分數差異較大，但均具有具備高質量分數的脆性礦物(質量分數＞40%)、低質量分數的黏土礦物(質量分數＜30%)的特征[15, 25?26]。從表1可見：古生界頁巖礦物組成具有“兩低一高”的特征，即碳酸巖鹽平均質量分數普遍低于20%，黏土礦物平均質量分數一般為25%~30%，石英平均質量分數高達40%~55%。與Barnett頁巖以及焦石壩地區類似，湘西北古生界頁巖較高的脆性礦物質量分數有利于在外力作用下形成天然或人工縫隙，提高頁巖儲集空間和滲流能力。

3.2 儲層微觀特征

雖然頁巖孔隙具有類型多樣、形態復雜、尺度小等特征，但借助氬離子拋光、電子掃描電鏡觀察(SEM)等手段發現頁巖發育多種類型無機質孔、有機質孔以及微裂縫[27]。YANG等[28]指出四川盆地五峰組—龍馬溪組原始儲層中有機質孔儲集了78%的頁巖氣(55%吸附氣和23%游離氣)，而無機質孔僅儲集了22%游離氣。湘西北古生界頁巖發育了多種類型無機質孔，如晶間孔、粒間孔、粒內孔、溶蝕孔等，但以有機質孔最為發育和常見[29]。有機質體內部發育大量納米級孔隙，孔徑為5~500 nm，平均為100 nm左右，控制了頁巖儲層特征，見圖4。頁巖滲透率以及儲氣能力如BJH體積、Langmuir體積等均隨著(TOC)的增大而增大，見圖5(其中，2為擬合系數)。

4 保存條件

四川盆地及周緣經歷多期次復雜構造運動，下古生界頁巖氣富集與分布取決于差異性埋藏—隆升剝蝕—構造變形作用[30]。翟剛毅等[31]總結了南方頁巖氣3大保存構造樣式，即“完整型、殘留型、破壞型”，強調地層超壓是頁巖氣高產的必要條件。多年來在湘西北地區的勘探實踐表明，頁巖氣保存條件取決于埋深、構造樣式及地層壓力系數等。

湘西北區塊內構造樣式以向斜為主，見圖6。對于寒武系牛蹄塘組，背斜部位普遍埋深較淺，為1~ 2 km，甚至出露地表，且伴隨著大規模通天斷裂，屬于破壞型構造樣式，保存條件較差；向斜部位埋深較大，桑植巖屋口向斜達3~5 km，龍山馬蹄寨向斜甚至達6~7 km，地層可能存在超壓，屬于殘留型甚至完整型構造樣式，保存條件較好。

(a) 慈頁1井2 725 m，∈1n；(b) 花頁1井2 499 m，∈1n；(c) 永頁2井，1 508 m，O3w—S1l

(a) 滲透率；(b) BJH體積；(c) Langmuir體積(VL)

(a) 桑植區塊14SZ-NW05 線；(b) 龍山區塊LS-03線；(c) 保靖區塊13BJD-02線

對于五峰組—龍馬溪組，區塊內背斜部位屬于剝蝕區，失去了勘探價值；而向斜(如桑植區塊巖屋口向斜、龍山區塊馬蹄寨向斜)翼部一側往往出露，導致頁巖氣長期散失，但是向斜核部埋深適中，為2~4 km；斷裂不發育，處于常壓—超壓地層，屬于殘留型構造樣式，保存條件較好。

5 開采條件

頁巖氣的成功開發離不開水力壓裂技術，但只有低泊松比、高彈性模量、富有機質的脆性頁巖才具備大規模水力壓裂條件[32?33]。四川盆地內五峰組—龍馬溪組頁巖彈性模量一般大于30 GPa，泊松比為0.20左右，有利于水力壓裂形成人造裂縫，大幅度提高儲層滲透性和井產量[34]。研究區花頁1井牛蹄塘組彈性模量為23.1~47.2 GPa，平均為30.6 GPa；泊松比為0.15~0.31，平均為0.21。桑頁1井五峰組—龍馬溪組彈性模量為35.5~63.3 GPa，平均為51.0 GPa；泊松比為0.21~0.28，平均為0.26。龍參2井五峰組—龍馬溪組彈性模量為20.24~25.30 GPa，平均為22.10 GPa；泊松比為0.20~0.22，平均為0.21。總體上，湘西北古生界頁巖具有低泊松比和高彈性模量特征，開采條件較好，見表2。

6 討論

6.1 “甜點區”評價參數體系

針對不同的地區、層系以及勘探程度，國內研究者對于海相頁巖氣“甜點區”的識別與優選存在一定分歧。潘仁芳等[35?37]指出頁巖氣“甜點”包括“地質甜點”(生烴能力、儲氣條件)及“工程甜點”(易開采性)。梁興等[34, 38]強調保存條件(斷裂與地層孔隙壓力)是作為“甜點區”評價的重要參數。鄒才能等[5]指出“高點區”是優選頁巖氣“甜點”必須考慮的重要因素，但不是必備要素。鄒才能等[1]提出四川盆地海相頁巖氣富集高產“經濟甜點區”需具備“甜、脆、好”特征，即地質上“含氣性優”，工程上“可壓性優”，效益上“經濟性優”。

表2 國內外典型富有機質頁巖力學性能

注：括號內數據為平均值。

美國海相頁巖發育于克拉通盆地或前陸盆地，基底穩定，后期構造運動簡單，而中國南方古生界海相頁巖普遍具有“三高”特點。與四川盆地焦石壩、長寧、威遠等區塊相比，湘西北地區經歷了更加復雜的構造擠壓和抬升剝蝕，造成頁巖氣逸散[30]。湘西北頁巖氣勘探長期面臨兩大困境：1)牛蹄塘組“有巖無氣”，如花頁1井、常頁1井等烴類體積分數低，氮氣體積分數普遍超過90%；2) 五峰組—龍馬溪組“有氣無流、有流無量”，如保頁1井、龍參2井烴類體積組分超過90%，壓裂后日產僅約1 000 m3，未獲得工業氣流。

據此，本文提出南方復雜地質條件區海相頁巖氣“甜點區”評價參數體系，包括4個方面16個指標，且量化了各評價參數界限，賦以權重，見表3。頁巖氣“甜點區”評價首要考慮“地質甜點”，尤其是生烴能力(權重為0.30)和保存條件(權重為0.35)，它們決定了區域含氣性和勘探潛力；其次要考慮“工程甜點”，即易開采性(權重為0.20)；最后考慮儲集條件(權重為0.15)。

頁巖氣具有區域性連續聚集的特征，“甜點區”首要條件是頁巖生烴能力較強，即深水陸棚相下頁巖(TOC)超過2%，有機質進入生氣窗(成熟度o＞2%)，且具有一定厚度(＞30 m)和展布面積(＞300 km2)，故對生烴條件賦以權重0.30。根據國內外頁巖氣勘探開發成效，構造復雜條件區，選取“甜點區”的關鍵是保存條件，即埋深適中(1 500~3 500 m)、遠離通天斷層(＞10 km)和露頭(＞15 km)，且地層壓力系數大于1.20，含氣性較高(烴類含量超過3 m3/t，游離氣體積分數大于50%)，因此，對保存條件賦加權重0.35。“甜點區”頁巖必須具備易開采性，即高彈性模量 (＞30 GPa)和低泊松比(＜0.30)，有利于水力壓裂，對其賦以0.20的權重。此外，良好的儲集條件有利于頁巖氣賦存及后期開發，即孔隙度大于2%，滲透率大于50 nD，脆性礦物質量分數大于30%，但儲集條件差，可以通過人工手段彌補，故權重僅賦0.15。

表3 復雜地質條件區海相頁巖氣“甜點區”評價參數體系

注：括號內數據為權重。

6.2 “甜點區”優選

“甜點區”評價指標之間并非相互孤立，而是存在復雜的關聯或制約關系[35]。本次選擇頁巖厚度、(TOC)、含氣量、o、游離氣比例、脆性礦物質量分數、壓力系數及埋深等關鍵指標制作雷達圖(見圖7)，分析湘西北地區古生界富有機質頁巖評價參數與美國Barnett 頁巖以及四川盆地焦石壩地區的異同點。

研究區牛蹄塘組靜態指標較高，尤其是厚度、(TOC)、脆性礦物質量分數及埋深等參數明顯比國內外其他層系的高，但保存條件較差，即地層壓力屬于常壓，含氣性差，這可能是較老的牛蹄塘組經歷了多期次構造運動，背斜或者淺層部位頁巖氣已損失殆盡。翟剛毅等[39]根據湖北宜昌水井沱組發現全球最古老的頁巖氣聚集，獲得工業氣流，提出“古老隆起邊緣控藏模式”。因此，未來對湘西北地區牛蹄塘組的勘探應高度警惕因保存條件差而導致的較大風險，采取“高中找低、強中找弱”原則[40]，優選江南雪峰隆起的西北緣逆沖推覆帶下盤為“甜點區”。

湘西北地區五峰組—龍馬溪組具有“五性一體”(有機質質量分數、有機質孔發育程度、層理(縫)、硅質質量分數和壓力系數)特征[41]，呈現截然不同的特點，各項指標與Barnett頁巖和四川盆地焦石壩地區的相應指標相類似，但頁巖厚度明顯不足。這是由于湘西北地區位于晚奧陶世—早志留世深水陸棚東部邊緣，頁巖厚度與展布范圍成為頁巖氣“甜點區”優選的“木桶短板”。因此，優選靠近四川盆地龍山一帶的殘留向斜為“甜點區”。

(a) Fort worth 盆地Barnett頁巖；(b) 四川盆地焦石壩，O3w—S1l；(c) 湘西北永順—龍山，O3w—S1l；(d) 湘西北花垣—常德，∈1n

7 結論

1) 湘西北地區古生界富有機質頁巖發育于深水陸棚相，牛蹄塘組生烴條件優越，厚度及(TOC)質量分數明顯比其他勘探層系的高；五峰組—龍馬溪組與四川盆地焦石壩地區類似，但厚度不足。

2) 頁巖礦物組成均具有“兩低一高”的特征，微觀發育的有機質孔控制了頁巖儲層特征；頁巖具有低泊松比和高彈性模量特征，具備良好的開采條件。

3) 研究區構造地質條件復雜，向斜核部對于五峰組—龍馬溪組屬于殘留型構造樣式，而對于牛蹄塘組屬于殘留型或完整型構造樣式。

4) 四川盆地外復雜地質條件區海相頁巖氣“甜點區”評價參數體系涵蓋了4個方面16個指標，生烴條件和保存條件是核心。牛蹄塘組“甜點區”位于雪峰隆起的北西緣逆沖推覆帶下盤，而五峰組—龍馬溪組“甜點區”應靠近四川盆地的龍山一帶殘留向斜位置。

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“Sweet spots zone” optimization of marine shale gas in complex geological conditions area out of Sichuan basin: a case of Paleozoic in Northwestern Hunan, China

QIN Mingyang1, 2, GUO Jianhua1, HUANG Yanran1, 3, JIAO Peng1,LIU Chensheng1, ZHENG Zhenhua2, ZHANG Liangping2, GUO Jun2, CAO Zheng4

(1. School of Geosciences and Info-Physics, Central South University, Changsha 410083, China;2. The Survey Academy of Coal Geology in Hunan, Changsha 410014, China;3. Hunan Provincial Key Laboratory of Shale Gas Resource Utilization, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, China;4. School of Geosciences, China University of Petroleum, Qingdao 266580, China)

Aiming at the predicament of Paleozoic shale gas exploration in Northwestern Hunan Province, the drilling geological results for many years were analyzed, the accumulation conditions of marine shale gas were conducted, and the evaluation parameter system of “sweet spots zone” in the complex geological conditions outside the Sichuan basin was proposed. Boundaries and weights were also quantified, covering 16 indicators in 4 aspects, and the hydrocarbon generation and preservation conditions were emphasized. “Sweet spots zone” in the study area was optimized. The results show that the black shale is mainly developed in deep-water shelf with high total organic matter mass fraction(TOC), and the organic matter is mainly type I. The thickness and abundance of organic-rich shale in the Niutitang Formation(∈1n) are significantly higher than that in other exploration layers in China. Although the(TOC) of Wufeng—Longmaxi Formation(O3w—S1l) is similar to that of the Sichuan basin, the thickness (only 20—30 m) is insufficient. These two sets shales both reach high maturity stage, which is conducive to exploration and development of shale gas. Shale minerals are characterized by “low carbonate, low clay and high quartz contents”. Shale reservoirs are microscopically developed with various types of pores and micro-cracks, but organic pores control reservoir characteristics, such as permeability and adsorption capacity. Syncline core belongs to residual preservation tectonic type for O3w—S1l. For ∈1n, syncline core is intact or residual preservation tectonic type, but anticline core belongs to destructive preservation tectonic type. “Sweet spots zone” of the ∈1n is located in footplate of thrust nappe zone in the northwestern marginal of the Xuefeng uplift, while sweet spots zone of O3w—S1l should be located in the residual syncline of the Longshan area, which is close to Sichuan basin.

complex geological conditions; northwestern Hunan; Paleozoic; shale gas; “sweet spots zone”

TE122

A

1672?7207(2019)03?0596?11

10.11817/j.issn.1672-7207.2019.03.013

2018?06?10；

2018?08?12

國家自然科學基金資助項目(41603046)；湖南省自然科學基金資助項目(2017JJ1034)；湖南省科學技術廳軟科學計劃項目(2014ZK3043)；湖南省國土資源廳軟科學研究項目(2014-01) (Project(41603046) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(2017JJ1034) supported by the Natural Science Foundation of Hunan Province; Project(2014ZK3043) by the Soft Science Plan of Department of Science and Technology of Hunan Province; Project(2014-01) supported by Soft Science Plan of Department of Land and Resources of Hunan Province)

郭建華，教授，博士生導師，從事沉積學與石油地質研究；E-mail: gjh796@csu.edu.cn

(編輯 陳燦華)