湘西北下寒武统牛蹄塘组页岩含气性影响因素分析

黄俨然，杨荣丰，肖正辉，余　烨，杨　仙（湖南科技大学页岩气资源利用湖南省重点实验室，湖南湘潭411201）

湘西北下寒武统牛蹄塘组页岩含气性影响因素分析

黄俨然，杨荣丰，肖正辉，余烨，杨仙
（湖南科技大学页岩气资源利用湖南省重点实验室，湖南湘潭411201）

湘西北地区下寒武统牛蹄塘组发育了一套富有机质泥页岩，其分布稳定且厚度较大，在桑植—石门复向斜一带埋深大，保存较完整。牛蹄塘组页岩气富集“甜点区”的页岩气质量体积为1.48～8.75 m3/t，具有很好的工业开发价值。有机碳含量既决定了页岩气的资源潜力，同时也影响页岩气的吸附和存储能力。对牛蹄塘组页岩气的研究认为：储集空间主要可分为原生晶间或粒间微孔隙、有机质微孔隙、不稳定矿物溶蚀孔、构造裂缝和解理缝等5种成因类型；页岩气较易发生吸附和解吸作用，吸附态气所占较大比例；页岩气存储状态主要受有机碳含量和储集空间类型的综合影响；高—过成熟富有机质页岩生成的天然气在较好的保存条件下仍然可以聚集并成藏；温压条件、埋藏深度和矿物组成等对页岩含气性的影响均相对较小。

页岩气；含气性；牛蹄塘组；湘西北地区

0　引言

湘西北地区普遍发育一套下寒武统牛蹄塘组富有机质泥页岩，其分布稳定、厚度大、有机碳（TOC）含量高、有机质类型好、处于高—过成熟阶段［1-3］，具有良好的页岩气生成条件。据初步估算，湘西北地区牛蹄塘组页岩气地质资源量为3.81亿m3，约占湖南省页岩气资源量的53%［4］，是湖南省页岩气资源潜力的主要区块，也是目前我国南方页岩气资源评价和勘探开发的重点地区之一。页岩气富集成藏的主要条件为高TOC含量、高热演化程度、高脆性矿物含量、高含气性和一定厚度的有效页岩等［5-7］。许多学者［2-3，8-9］分别对区内牛蹄塘组泥页岩岩石学特征、沉积演化特征、储层特征、古油藏成因和成藏条件等进行了研究，发现其生烃条件较好，但是高—过成熟的富有机质泥页岩和复杂的构造运动等因素均制约了页岩气的富集成藏，高含气性的泥页岩是否存在和主要受哪些地质因素影响等问题亟待解决。笔者通过野外地质调查和室内系统分析TOC、有机质成熟度（Ro）、储集条件、埋藏深度、赋存状态及构造运动等特征，探讨泥页岩的含气特征和主控因素，以期为湘西北地区牛蹄塘组的页岩气勘探提供依据。

1　区域地质背景

湘西北地区早寒武世时，海平面上升并形成最大海侵的欠补偿盆地，发育了一套富含有机质的牛蹄塘组泥页岩。对其分布特征，不同学者［4，9，10-11］的认识存在一定差异，但基本上都认为其具有由北西向南东逐渐减薄的趋势，沉积厚度主要受深水陆棚至陆坡沉积相带的控制，沉积中心位于永顺—龙山—桑植一带，最大厚度大于200 m（图1）。研究区牛蹄塘组的埋藏深度相差很大，从地层展布特征来看，古丈复背斜（凤凰—张家界一带），由于受印支期以来的构造运动改造作用强烈，地层被大幅度地抬升，褶皱变形严重；桑植—石门复向斜一带，由一系列北东向至东西向背斜和向斜组成，总体呈南北凹、中间隆的构造形态，地层保存较为完整，埋藏深度一般大于2 000 m。野外地质调查发现，牛蹄塘组岩性以灰黑—黑色硅质、炭质富有机质泥页岩为主。底部为黑色薄层硅质岩、“石煤”层及磷矿层，可以作为野外地质调查的标志层。室内分析测试全部采用露头样品，露头剖面位置如图1所示。

图1　湘西北地区下寒武统牛蹄塘组泥页岩分布特征Fig.1The shale distribution characteristics of the Lower Cambrian Niutitang Formation in northwestern Hunan

2　构造运动

湘西北地区位于扬子准地台南东缘上扬子台褶带与江南地轴结合部位的武陵褶断束内，在地层分区上隶属于扬子区和江南区的过渡地带。区域性断裂带的发育及展布与扬子和华夏古陆块多期次会聚及裂解密切相关。它们一般在早期裂解阶段形成，在后续的构造运动中或挤压逆冲，或继续拉张裂解，或多期次聚合分离。构造运动经历了武陵期、雪峰期、加里东期、海西期、印支期至燕山期等发展阶段，褶皱和断裂构造均非常发育，分别有花垣—慈利断裂带（F1）、常德—安仁构造带（F4）等二级断裂带和凤凰—张家界断裂带（F10）等三级断裂带（参见图1），但岩浆活动比较微弱，在凤凰水田一带曾有局部火山喷溢活动［4］。湘西北地区的构造运动对页岩气保存的影响较大，扫描电镜下可见页岩储层构造裂缝较发育。

3　页岩气富集条件

3.1有机碳含量

国外大量的研究和勘探实践均表明，泥页岩生烃是页岩气富集成藏的前提和基础，如Barnett页岩含气量与TOC含量呈明显的线性相关关系［12］。由于页岩气主要为“原地”富集成藏，TOC含量很大程度上决定了页岩气的资源潜力。较高的TOC值也有利于页岩中微孔隙的发育，且一般富含黏土矿物，而黏土矿物由于粒度细小并具有较大的比表面积，因此有利于吸附游离的页岩气。前人研究表明，湘西北地区牛蹄塘组泥页岩具有较高TOC含量，质量分数大多大于2%［3，13］，这与本文样品的分析结果基本一致。由于露头样品无法进行含气量测试，在此根据开发最为成熟的Barnett页岩的TOC值与含气量经验公式［14］，计算得到湘西北地区牛蹄塘组页岩气富集“甜点区”的页岩气质量体积为1.48～8.75 m3/t，与北美主要产页岩气盆地的页岩含气量相当，因此推测其具有很好的工业开发价值。

在等温吸附实验中，Langmuir压力（PL）反映页岩吸附气体的难易程度，Langmuir体积（VL）反映页岩吸附气体的能力大小。岩石越致密，物性越差，则VL越大，PL越小。实验结果（表1）表明，TOC含量与VL关系密切，吉首古者样品虽然孔隙度较低，仅为2.3%，但TOC质量分数高达8.76%，其VL反而较其他样品大，主要是因为在致密的泥页岩中TOC在吸附和存储页岩气方面均起到更为关键的作用。表1也反映了泥页岩的密度与PL的相关性比TOC及物性与PL的相关性更大，岩石密度能更完整地反映致密泥页岩储层中页岩气的渗流能力。

表1　湘西北地区牛蹄塘组泥页岩特征及吸附特性参数Table 1Characteristics of shale samples and absorption property parameters of Niutitang Formation in northwestern Hunan

3.2成熟度

北美页岩气盆地Barnett页岩Ro的上限为1.5%，也有Marcellus页岩Ro大于3.0%的个别案例。通常Ro在不超过2.0%时，其值越高越有利于页岩气的开发［15］。在同样为高—过成熟泥页岩的四川盆地，钻遇的页岩层段发现大量的气测显示，甚至有井涌和井喷现象发生，证明其含气性很好［16］。相邻的湘中坳陷石炭系也有大量气测显示，如邵10井钻遇到多层段气喷，天然气喷高达15 m，其石炭系烃源岩Ro在2.2%以上［17］。本次样品分析采用等效镜质组反射率换算为Ro，结果显示湘西北地区牛蹄塘组现今泥页岩Ro基本都在3.0%以上，最大可达3.93%。程鹏等［18］认为，若将Ro为2.0%～3.5%作为气源岩生气的Ro门限，牛蹄塘组泥页岩现今已基本无生气潜能。根据研究区牛蹄塘组泥页岩构造-埋藏深度-生烃演化历史［14］，晚志留世其已开始进入高—过成熟期并大量生气，在燕山期及之后遭受了强烈的抬升和剥蚀，对已形成的页岩气藏造成了巨大破坏。对于页岩气储层来讲，强烈构造运动背景下的富有机质泥页岩仍然具有一定的孔隙度和较大的比表面积，因此只要有适当的保存条件，在构造复杂而强烈的区域仍然可以富集。

3.3温度和压力

温度和压力均直接影响页岩气的存储状态，而深度的增加会导致温度和压力均升高。通常随着温度的升高，页岩吸附气体的能力迅速降低，而压力越大越有利于页岩气的储存。Hildenbrand煤层气吸附模型，在35℃/km和10 MPa/km的条件下，深度为1 000 m处将出现吸附量的最大值［19］，反映了温度和压力与煤层气吸附能力的相关关系。在不考虑其他影响因素的情况下，必然存在一个吸附气量为最大值的埋藏深度。前人模拟实验表明，从30℃到60℃条件下的等温吸附过程中，VL也只下降了约10%左右［20］，由此可见温度和压力的作用相对不明显。湘西北地区牛蹄塘组页岩埋藏深度变化范围较大，从暴露剥蚀到大于4 000 m均有分布。按现行的页岩气资源潜力评价方法与有利区优选标准，埋藏深度为500～4 000 m均属于潜在的页岩气目标核心区［21］。因此，相对而言，埋藏深度对含气性的影响应属于次要因素。

3.4储集条件

页岩气储层都表现为低孔、特低渗的致密储层特征。通过对湘西北地区露头样品的测试分析，孔隙度为0.6%～11.7%，平均为4.6%，与北美主要页岩气盆地储层孔隙度值基本相当［14-15］；渗透率值很低，主要为0.002～0.010 mD，占全部样品的78.6%。扫描电镜观察发现，有原生晶间或粒间微孔隙、有机质微孔隙、不稳定矿物溶蚀孔、构造裂缝和解理缝等5种成因类型的纳米—微米级孔隙、裂隙，其中原生晶间或粒间微孔隙较常见，为岩石原生孔隙系统随压实与成岩等作用演化并残留下来的储集空间，直径主要为1～10 μm，一般粒间微孔隙比晶间微孔隙要大（图版Ⅰ-1～Ⅰ-2）。有机质微孔隙在TOC含量较高的泥页岩中大量存在，微孔隙呈“蜂窝”结构近球状密集分布（图版Ⅰ-3），大小以纳米级为主。不稳定矿物溶蚀孔也较常见，主要由溶蚀作用产生，既可发育于颗粒内部，也可发育于颗粒之间，一般镜下颗粒之间的溶蚀孔与原生的粒间孔不易区分；溶蚀孔的大小可以相差很大，但主要为微米级（图版Ⅰ-4）。湘西北地区构造发育，应力集中，因此构造成因微裂隙在脆性矿物含量高的区域较发育，缝宽为纳米—微米级，微裂隙长度可达十几微米（图版Ⅰ-5）。在一些页理发育的牛蹄塘组泥页岩中，由于受到应力的作用，也可形成大量纳米级的解理缝，对改善储层渗流能力具有较大作用（图版Ⅰ-6）。上述这些不同成因的微孔隙及微裂隙共同构成了页岩气主要的储集空间和运移通道。

通过电子探针在5 μm×5 μm范围内分析牛蹄塘组泥页岩的颗粒特征，发现牛蹄塘组泥页岩在结构上属泥质结构，粒度较小，粒径为几十至上千纳米，不同粒径的颗粒均有分布，主要为200～300 nm，非均质性较强（表2）。三维形貌图显示颗粒表面平均粗糙度为26～69 nm，颗粒表面的不平度占颗粒粒径的10%左右，比较容易吸附和解吸直径为0.38 nm的甲烷分子。由于泥页岩的粒度小和非均质性强，孔隙度与颗粒粒径并没有直接的对应关系，极低的渗透率可能受制于某些纳米级孔隙的连通性。泥页岩总的孔隙度大小在不同页岩气盆地相差不大，因此对牛蹄塘组泥页岩含气性影响更大的应该是有效孔隙发育及其连通性，对低孔、特低渗的页岩气储层更应关注其受人工改造的效果而不是其本身的渗流能力。

表2　湘西北地区牛蹄塘组泥页岩颗粒粒径分布特征Table 2The distribution characteristics of shale particle diameter of Niutitang Formation in northwestern Hunan

3.5矿物组成

石英、长石和方解石等脆性矿物含量是影响页岩基质孔隙和微裂隙发育程度、含气性及压裂改造方式的重要因素。高脆性矿物含量容易导致天然裂缝或应力诱导裂缝的产生，有利于改善储层物性。前人对北美产气页岩矿物组成统计发现，优质页岩储层矿物组成并不存在统一模式，但通常认为，页岩储层中石英等脆性矿物质量分数应大于40%，而黏土矿物质量分数应小于30%。湘西北地区牛蹄塘组泥页岩脆性矿物含量较高（表3），张家界后坪、三岔、大坪及其周边地区，脆性矿物含量很高，其原因主要是该区域位于热液喷口附近［22］，热液携带的富硅物质有利于脆性矿物的形成。研究区脆性矿物含量与北美主要页岩气盆地及我国四川盆地等相比并不低，在外力作用下容易形成天然裂缝和诱导裂缝，显微镜下可见泥页岩发育大量构造裂缝。

表3　湘西北地区牛蹄塘组泥页岩不同矿物含量统计表Table 3The characteristics of mineral composition of shale of Niutitang Formation in northwestern Hunan

3.6存储状态

页岩气的赋存方式以游离态和吸附态为主，据北美页岩气盆地开发经验，吸附气体积分数一般为20%～85%［5］。假设在储层温压条件下，页岩孔隙部分被游离的页岩气充填，页岩孔隙度与甲烷饱和度呈一定的负相关关系，取甲烷平均饱和度为60%［23］，则可根据孔隙度计算最大游离气含量，吸附气量则根据等温吸附实验取值。假设地层压力为10 MPa，则计算结果如表4所列，与常页1井实测数据吻合［24］，表明吸附态的页岩气所占比例较大，与Barnett页岩40%～60%的吸附气含量相当。其中吉首古者样品游离的页岩气量很少，虽然孔隙度很低，但是高丰度有机质组分吸附了大量页岩气，总含气量仍很高，造成了吸附气所占比例很高。在湘西北地区复杂而强烈的构造运动背景下，较高含量的吸附气有利于页岩气的保存。总体来看，页岩气存储状态受TOC含量和储集空间类型的综合影响，TOC是物质基础；由于页岩气是原地富集成藏，很大程度上决定了吸附气中甲烷的饱和度，因此TOC含量应是更为关键的条件和影响因素。

表4　湘西北地区牛蹄塘组不同样品页岩气存储数据Table 4The data of stored shale gas in different samples in Niutitang Formation in northwestern Hunan

4　结论

（1）湘西北地区下寒武统牛蹄塘组发育一套富有机质页岩，其分布稳定且厚度较大，处于高—过成熟阶段，具有良好的页岩气生成条件。研究区牛蹄塘组埋藏和保存条件均较好的地区主要位于桑植—石门复向斜一带。

（2）湘西北地区下寒武统牛蹄塘组储集空间主要为原生晶间或粒间微孔隙、有机质微孔隙、不稳定矿物溶蚀孔、构造裂缝和解理缝等5种类型，储层非均质性较强，较易发生页岩气的吸附和解吸作用。

（3）湘西北地区下寒武统牛蹄塘组页岩的TOC含量很大程度上影响页岩气的富集，高—过成熟富有机质页岩生成的天然气在较好的保存条件下仍可聚集并成藏，而温压条件、埋藏深度和矿物组成等对其影响均相对较小。页岩气存储状态受TOC含量和储集空间类型的综合影响，吸附气含量较大。

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（本文编辑：李在光）

Influencing factors of shale gas-bearing property of Lower Cambrian Niutitang Formation in northwestern Hunan

Huang Yanran，Yang Rongfen，Xiao Zhenghui，Yu Ye，Yang Xian
（Hunan Provincial Key Laboratory of Shale Gas Resource Utilization，Hunan University of Science and Technology，Xiangtan 411201，Hunan，China）

The Lower Cambrian Niutitang Formation in northwestern Hunan developed a set of organic-rich shale which is characterized by stable distribution and large size，with great burial depth and relatively complete conservation in synclinorium of Sangzhi-Shimen area.The gas content of the enriched shale gas area of Niutitang Formation is between 1.48 m3/t and 8.75 m3/t，so these areas have a good potential of industrial development.Organic carbon content determines the resources potential of shale gas，and meanwhile affects the adsorption and storing capacity.There are five genetic types reservoir space，including primary intercrystalline or intergranular micropores，organic material micropores，dissolved micropores of unstable mineral，structural fractures and cleavage fissures.The adsorption and resolution of shale gas is easy to happen.The storage state of shale gas is under the combined influence of organic material content and the type of reservoir space.The natural gas generated by high and over-matured organic-rich shale can accumulate and form reservoir under good preservation conditions.Temperature，pressure，burial depth and mineral composition have little effects on the gas-bearing property of Niutitang Formation.

shale gas；gas-bearingproperty；NiutitangFormation；northwestern Hunan

TE132.2

A

1673-8926（2015）04-0011-06

2014-12-20；

2015-03-16

湖南省自然科学基金项目“湘中拗陷石炭系页岩气生成特征和对成藏的影响”（编号：14JJ6032）、湖南省科技厅重大专项“湖南页岩气资源潜力评价及其电磁探测系统研发”（编号：2012FJ1006）和湖南省教育厅科学研究项目“页岩气压裂开采中流固耦合机制研究”（编号：13C309）联合资助

黄俨然（1983-），男，博士，讲师，主要从事页岩气成藏机理及油气地球化学方面的研究工作。地址：（411201）湖南省湘潭市桃园路湖南科技大学页岩气资源利用湖南省重点实验室。E-mail：hyanran2006@163.com。