龍山區塊牛蹄塘組頁巖氣資源評價與勘探有利區研究

黃江杰，李常輝，潘志剛

(1.湖南省水文地質環境地質調查監測所，湖南 長沙 410129；2.中國地質調查局長沙自然資源綜合調查中心，湖南 長沙 410600)

頁巖氣是一種清潔高效的非常規天然氣戰略資源，在實現“雙碳”目標和能源轉型過程中發揮著重要作用，影響著國家經濟發展與社會穩定[1]。近些年，中國的頁巖氣產業發展迅速[2]，年產量由2010年的0 m3增長到2020年的200×108m3，已逐漸成為中國天然氣產量的主要增長點[3]，初步預計2025年中國頁巖氣產量將達到300×108m3，2030年將達到350×108～400×108m3[4]。中國南方揚子陸塊海相頁巖氣勘探開發不斷取得突破，在涪陵、威遠、長寧、昭通和南川等地區已發現了數個探明儲量超千億立方米的頁巖氣田[5-8]。揚子陸塊廣泛發育震旦系、寒武系、奧陶系、志留系、石炭系和二疊系等多套海相富有機質頁巖，頁巖氣資源潛力巨大[5-8]。

對于頁巖氣的資源潛力評價指標，國內外學者所用參數基本相似。加拿大[9]、尼日爾[10]、巴基斯坦[11]、伊朗[12]等國家主要利用頁巖氣的TOC、Ro、有效儲層厚度、含氣量、黏土礦物含量以及埋深等參數開展評價頁巖氣評價。湖南省位于中上揚子地區，有龍山區塊、保靖區塊、花垣區塊、桑植區塊、永順區塊共5個頁巖氣勘查區塊，其中保靖區塊、花垣區塊、桑植區塊、永順區塊等4個區塊的頁巖氣地質特征及資源潛力綜合評價已有較為豐富的成果[13-15]。然而，前人對頁巖氣成藏的地質特征研究主要是與北美頁巖氣對比，忽視了地質背景及成巖時代的差別，同時對湖南省龍山區塊牛蹄塘組的頁巖氣地質特征及資源潛力尚未見相關文獻報道。因此，亟需對龍山區塊牛蹄塘組開展地質調查并采用實驗測試手段，研究其TOC、Ro、有機質類型、礦物組成、孔裂隙發育特征和頁巖氣成藏保存條件，評價資源潛力，估算頁巖氣資源量，優選頁巖氣有利區，為進一步勘探提供依據。

1 地質背景

1.1 地層

龍山區塊地層由老至新出露寒武系、奧陶系、志留系下統、二疊系、三疊系(圖1)，其中寒武系下統牛蹄塘組、志留系下統龍馬溪組為兩套富有機質黑色頁巖(圖2)。

圖2 龍山區塊地層野外照片Fig.2 Field photos of strata in Longshan Block

1.2 構造

龍山區塊大地構造位置處于中揚子武陵山脈西側，鶴峰復背斜南緣與桑植復向斜之間。自下寒武統沉積以來經歷了加里東運動、華力西運動、印支運動、燕山運動及喜馬拉雅運動等多期構造運動，對區內構造格局形成和演化產生了重大影響。龍山區塊位于典型的隔槽式褶皺帶中，地質構造條件較為復雜，由西向東有咱果坪背斜、洛塔向斜、比耳背斜和猛必向斜，整體構造呈NE向展布(圖1)。由于受多期構造運動影響，其中向斜軸部寬緩，兩翼相對較陡，地層傾角為20°～40°。

龍山區塊區內斷裂構造發育較少，以北東向斷裂構造為主，少量北西向斷裂構造。貫穿全區的斷裂構造為砂坪熱水洞逆斷層，走向NE，傾向SE。該斷裂在龍山區塊內中部的比耳背斜的軸部出露，切割了志留系、奧陶系和寒武系上統，對寒武系下統牛蹄塘組未造成破壞。

1-三疊系下統；2-二疊系上統；3-二疊系下統；4-泥盆系上統；5-志留系上統；6-志留系中統；7-志留系下統；8-奧陶系；9-寒武系上統；10-寒武系中統；11-寒武系下統；12-震旦系；13-區塊邊界；14-斷層圖1 龍山區塊地質及剖面簡圖Fig.1 Geological and section diagram of Longshan Block

2 頁巖氣成藏主控因素分析

本文研究在龍山區塊牛蹄塘組共采集了62件具有代表性的富有機質黑色頁巖樣品，并對所采樣品開展有機質含量、成熟度、干酪根類型、礦物組成、物性參數、孔隙類型和含氣性等頁巖氣成藏主控因素測試分析。

2.1 頁巖發育特征

寒武系下統牛蹄塘組黑色頁巖，屬于較為典型的海相沉積。湘西北地區在早寒武世發生的大規模海侵造成了牛蹄塘組與燈影組之間的沉積間斷。隨著海平面繼續上升，牛蹄塘組下部沉積了一套含磷碎屑巖和黑色頁巖的巖石組合。經歷較長時間的海侵之后，海平面開始逐漸下降，牛蹄塘組上部以顆粒狀碳酸鹽巖沉積為主，縱向上顆粒逐漸變粗，沉積物主要為泥巖和頁巖，粉砂巖較少。 綜合縱向巖相特征，牛蹄塘組表現出明顯的垂向巖性差異，底部為黑色碳質、硅質頁巖，中上部逐漸過渡為深灰色粉砂質、砂質頁巖，整體上呈現由深水相進入淺水相的沉積特征。

牛蹄塘組在湘西地區廣泛發育，且沉積厚度大，一般達到70～250 m。根據本次野外調查及參考相關文獻[13]，龍山區塊牛蹄塘組黑色頁巖厚度為30～150 m，平均約90 m，總體表現為東部厚、西部薄。

龍山區塊主體構造形態為一系列北北東向向背斜構造組成的復式褶皺，地層保存較為完整，寒武系下統牛蹄塘組埋深受構造控制作用明顯。據推測，區塊內牛蹄塘組埋深一般大于800 m，猛比向斜、洛塔向斜軸部為埋藏深度最大區域(大于4 000 m)，其中猛比向斜軸部最深處埋深可能達到5 000 m(圖3)。

圖3 龍山區塊牛蹄塘組黑色頁巖綜合評價圖Fig.3 Comprehensive evaluation map of black shale in Niutitang Formation in Longshan Block

2.2 有機質含量

龍山區塊牛蹄塘組頁巖有機質含量為2.5%～3.3%，總體表現為由西向往東方向逐漸增高(圖3)，平均值為2.73%，高于慈頁1井(2.48%)[16]，低于黃地1井(3.55%)[17]和永順區塊(5.91%)[13]。對此美國和中國上揚子區處于開發中頁巖氣的頁巖TOC含量一般大于2.0%，并且研究發現頁巖中TOC>2.0%是產氣頁巖的門限條件。因此，龍山區塊牛蹄塘組TOC含量高于2%，表明其生烴能力強，是頁巖氣理想的目標層系。

2.3 有機質類型

有機質的類型不但對黑色頁巖的生烴能力有一定的影響作用，還會影響天然氣的擴散率和吸附率[14]。龍山區塊牛蹄塘組頁巖干酪根類型為Ⅰ型(表1)，基本與慈頁1井(Ⅰ型)[16]、黃地1井(Ⅰ型)[17]和永順區塊(Ⅰ型，少量Ⅱ1型)[13]一致。因此，牛蹄塘組頁巖干酪根類型對頁巖氣的形成是十分有利的。

表1 龍山區塊牛蹄塘組干酪根顯微組分數據Table 1 Data of kerogen micro-components ofNiutitang Formation in Longshan Block

2.4 有機質成熟度

有機質成熟度(Ro)即有機質熱演化程度，是控制頁巖中有機質生烴能力的主要因素，直接關系到頁巖氣資源潛力。另外，適中的熱演化(Ro=2%～3%)有利于頁巖氣的聚集保存，而過高的熱演化(Ro>3.5%)將產生不利影響，因為隨著成熟度增高，頁巖中的比表面積和孔體積大的蒙脫石會轉變為比表面積和孔體積小的綠泥石，導致含氣性較差[18]。

龍山區塊牛蹄塘組Ro=1.37%～3.11%，總體表現為由南向往北方向逐漸增高(圖3)，平均值為2.57%，高于慈頁1井(2.08%)[16]、黃地1井(2.37%)[17]和永順區塊(2.48%)[13]。研究表明，龍山區塊牛蹄塘組黑色頁巖有機質處于高成熟-過成熟階段，熱演化適中，氣體以熱演化直接生氣和裂解氣為主。

2.5 礦物組成

礦物組成是頁巖氣儲層研究的基礎，由于受物源輸入、沉積環境及成巖演化等因素的控制，頁巖的礦物組成表現出明顯的非均質特性，影響了頁巖的裂縫發育、巖石的力學性質、氣體的吸附能力等，其中，脆性礦物和黏土礦物含量是后期壓裂參數與工程工藝選擇的有效依據[19]。根據研究成果具備商業開發條件的頁巖，其脆性礦物含量一般高于40%，黏土礦物含量低于50%。目前國內外已經取得成功開采的經驗顯示，最有利于頁巖氣形成和開發的黏土礦物含量為20%～45%。

龍山區塊牛蹄塘組脆性礦物以石英礦物為主，其次為長石、碳酸鹽、黃鐵礦等，其中石英含量為3.73%～74.75%、鉀長石含量為0.97%～4.68%、斜長石含量為2.86%～24.44%、鐵白云石含量為0.79%～24.14%、菱鐵礦含量為0.40%～0.93%、黃鐵礦含量為0.41%～3.11%。通過計算脆性礦物含量為32.10%～96.87%，平均值為60.42%，高于慈頁1井(57.4%)[16]和黃地1井(51%)[17]，低于永順區塊(84.6%)[13]。黏土礦物含量為1.94%～42.83%，平均值為25.73%，低于慈頁1井(26.4%)[16]和黃地1井(38.3%)[17]，高于永順區塊(14.87%)[13]。另外，經研究發現石英含量低，碳酸鹽含量高時，酸液進入儲層后與其發生反應形成二次沉淀，會導致孔隙度減小，甚至堵塞孔喉，造成儲層滲透率降低[19]。龍山區塊牛蹄塘組石英含量明顯高于碳酸鹽，其礦物組成有利于天然裂隙的發育和后期人工造縫。

2.6 孔裂隙發育特征

頁巖氣可以游離于大孔隙和裂縫中，也能吸附在微小孔隙的表面，因此不同尺度的孔隙和裂隙在一定程度上控制了吸附氣和游離氣比例[19]。根據所采樣品掃描電鏡分析顯示(圖4)，龍山區塊牛蹄塘組頁巖中孔隙類型主要包括有機質孔隙、粒間孔隙、粒內孔隙。其中有機質孔隙分布于有機質內部及邊緣，孔徑一般小于100 nm，呈長條狀、球狀、不規則狀等；粒間孔隙分布于黏土礦物邊緣，常見黏土礦物層間片孔隙，呈狹縫狀、鍥狀，孔徑一般為5～30 μm；粒內孔隙多分布于長石、石英，以溶蝕孔隙為主，呈球狀、不規則狀，孔徑一般為100～300 nm。根據脈沖法實驗結果顯示，牛蹄塘組樣品孔隙度為0.8%～3.7%，平均值為2.09%，高于黃地1井(0.5%)[17]，低于永順區塊(2.97%)[13]。樣品進行氮氣滲透率測試顯示，牛蹄塘組樣品的滲透率為0.006～1.470 mD，平均值為0.017 6 mD，高于黃地1井(0.001 4 mD)[17]和永順區塊(0.014 67)[13]。

圖4 龍山區塊牛蹄塘組頁巖掃描電鏡圖Fig.4 SEM of shale of Niutitang Formation in Longshan Block

龍山區塊牛蹄塘組頁巖屬于低孔-特低滲頁巖氣儲層，頁巖裂隙沒有普遍發育，孔隙之間的連通性較差，在一定程度上降低了頁巖的導流效果。與已點火成功的鄰區相比[13,17]，本區牛蹄塘組頁巖的滲透率均相對較高，另外通過壓裂可以增加孔隙之間的連通性，進一步提高頁巖氣的解析效率和儲層的滲透率，有利于頁巖氣的勘探開發。

3 頁巖氣成藏保存條件

龍山區塊牛蹄塘組富有機質頁巖厚度較大(平均為90 m)，TOC含量高(平均值為2.73%)，Ro達到生烴標準(平均值為2.57%)，頁巖裂隙沒有普遍發育，孔隙之間的連通性較差，因此牛蹄塘組頁巖可以形成一個封閉不滲漏的儲集體將頁巖氣封存在頁巖層中，相當于常規油氣藏中的圈閉。

3.1 頂底板條件與頁巖氣保存

牛蹄塘組頂板為杷榔組，巖性主要為深灰色、灰黃色頁巖夾鈣質頁巖、泥灰巖及灰巖，底部見一層灰色中-厚層灰巖，厚度為196 m，橫向分布穩定，為發育良好的區域性蓋層。灰巖巖性致密，可以對頁巖氣向上逸散起到很好的隔板作用，形成良好的蓋層。牛蹄塘組底板為震旦系燈影組，巖性主要為一套灰黑色-灰色薄層硅質巖、灰巖，厚度大于50 m，橫向分布穩定，巖性致密，在底部能起到較好的封堵作用。另外牛蹄塘組頁巖屬于低孔-特低滲頁巖氣儲層，孔隙連通性較差，其自封閉條件較好。因此，龍山區塊牛蹄塘組頁巖氣保存條件較好。

3.2 構造運動與頁巖氣保存

龍山區塊受多期構造運動影響，構造類型較為復雜。前人研究發現寬緩褶皺、逆沖斷層的下盤且遠離區域正斷層的頁巖含氣性較好，而構造變形強烈，地層產狀變化大，斷層發育、地層破碎，其頁巖含氣性差[20]。

龍山區塊洛塔向斜和猛必向斜，向斜軸部寬緩，兩翼相對較陡，地層保存較為完整，斷裂構造發育較少。砂坪熱水洞逆斷層為區域性斷裂，其在洛塔向斜和猛必向斜之間的比耳背斜軸部出露，切割了志留系、奧陶系和寒武系上統，對寒武系下統牛蹄塘組未造成破壞(圖1)，因此，龍山區塊牛蹄塘組具有良好的頁巖氣保存條件。

4 頁巖氣資源潛力分析及勘探有利區研究

4.1 資源潛力分析

按照頁巖氣遠景區優選指標[21]：①富有機質頁巖層段厚度大于15 m；②有機質含量≥0.5%；③有機質成熟度Ro=0.5%～3.5%；④埋深介于500～4 500 m。

龍山區塊牛蹄塘組黑色頁巖平均厚度約為90 m，TOC平均值為2.73%，Ro平均值為2.57%，推測埋深為800～4 500 m。根據上述頁巖氣遠景區優選指標，結合龍山區塊牛蹄塘組頁巖成藏地質條件及儲層參數，初步圈定研究區內牛蹄塘組頁巖有效分布面積為868 km2。

采用體積法，估算龍山區塊牛蹄塘組頁巖氣資源潛力(表2)。 體積法計算頁巖氣資源量公式見式(1)。

表2 龍山區塊牛蹄塘組頁巖氣資源量Table 2 Shale gas resources of Niutitang Formationin Longshan Block

Q=0.01h×S×ρ×Φ

(1)

式中：Q為體積法計算的資源量，108m3；h為有效頁巖厚度，m；S為頁巖有效展布面積，km2；ρ為頁巖密度，g/cm3；Φ為頁巖含氣量，m3/t。

通過估算，龍山區塊牛蹄塘組頁巖氣資源量為1 499.90×108～4 555.96×108m3，資源豐度為1.73×108～5.23×108m3/km2。 與鄰區花垣頁巖氣區塊的資源豐度(1.50×108～2.61×108m3/km2)相比較[14]，龍山區塊牛蹄塘組頁巖氣資源具備較好的資源潛力。

4.2 勘探有利區研究

1) 綜合風險評價標準。龍山區塊具有較為良好的頁巖氣成藏主控因素和頁巖氣保存條件，但并不代表能形成高含氣量的頁巖氣藏。在系統分析頁巖氣成藏基礎地質特征和保存條件的基礎上，參考頁巖氣遠景區、有利區和目標區的評價標準(表3)，綜合考慮頁巖發育厚度、有機質豐度、有機質熱演化程度、脆性礦物含量、孔隙度、區域性斷裂發育情況、自封閉條件、頂底板厚度、頂底板封蓋條件、構造條件、埋深及地形條件等因素[14,22]，對牛蹄塘組頁巖層系開展勘查綜合風險評價，將龍山區塊劃分為低風險區、中風險區、高風險區，其中低風險區即為勘探的首要優選區。

表3 龍山區塊頁巖氣綜合風險評價標準Table 3 Comprehensive risk assessment criteria for shale gas in Longshan Block

2) 評價結果及勘探優選區。 寒武系下統牛蹄塘組在龍山區塊全區發育，通過綜合風險評價發現(表4)，區塊內牛蹄塘組頁巖厚度、TOC、Ro等評價因素均達到低風險水平，勘探風險主要取決于黑色頁巖埋深。 根據地層埋深分布規律，可將牛蹄塘組劃分為低風險勘探區和中風險勘探區，低風險勘探區面積約為627.7 km2，中風險面積約為240.3 km2，其中低風險區主要分布在洛塔向斜兩翼及猛必向斜內埋深4 000 m以淺的位置(圖5)，為下一步勘探的主要優選區。

圖5 龍山區塊寒武系下統牛蹄塘組頁巖氣勘探風險評價圖Fig.5 Risk assessment of shale gas exploration in the Niutitang Formation of the Lower Cambrian in the Longshan Block

表4 龍山區塊牛蹄塘組綜合風險評價結果Table 4 Comprehensive risk assessment results of Niutitang Formation in Longshan Block

5 結 論

通過對龍山區塊牛蹄塘組頁巖開展TOC、Ro、有機質類型、礦物組成、孔裂隙發育特征和頁巖氣成藏保存條件等研究，并與鄰區進行對比，分析頁巖氣成藏條件，評價資源潛力，優選頁巖氣有利區，估算頁巖氣資源量，得到結論如下所述。

1) 牛蹄塘組為海相沉積，黑色頁巖厚度平均約90 m，TOC平均值為2.73%，Ro平均值為2.57%，屬于高成熟-過成熟階段，在有機地化方面與鄰區相似，生烴條件良好，具有較好的頁巖氣資源潛力。

2) 牛蹄塘組頁巖脆性礦物含量平均值為60.42%，黏土礦物含量平均值為25.73%，孔隙度平均值為2.09%，滲透率平均值為0.017 6 mD，在儲層特征方面與鄰區相近，具備較好的儲集空間及開發條件。

3) 牛蹄塘組頁巖頂底板均有致密巖性封堵，且無斷裂切入，具有良好的頁巖氣保存條件；采用體積法計算頁巖氣資源量為1 499.90×108～4 555.96×108m3，資源豐度優于鄰區；通過綜合風險評價，勘探有利區主要分布在洛塔向斜兩翼及猛必向斜內埋深4 000 m以淺的位置，是下一步勘探的首要優選區。