湘中涟源—邵阳凹陷上二叠统大隆组页岩气储层特征

肖正辉，牛现强，杨荣丰，余　烨，黄俨然，陈新跃（.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420；2.湖南科技大学煤炭资源清洁利用与矿山环境保护湖南省重点实验室，湖南湘潭420）

湘中涟源—邵阳凹陷上二叠统大隆组页岩气储层特征

肖正辉1，2，牛现强1，杨荣丰1，余烨1，黄俨然1，陈新跃1
（1.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；2.湖南科技大学煤炭资源清洁利用与矿山环境保护湖南省重点实验室，湖南湘潭411201）

为评价湘中涟源—邵阳凹陷上二叠统大隆组页岩气的勘探潜力，分析其泥页岩的有机碳含量、矿物组成、孔隙及裂隙的微观特征、孔隙度和渗透率等，系统研究了页岩气的储层特征。研究区上二叠统大隆组岩石的有机碳含量与岩性关系密切，其中硅质泥岩的有机碳含量最高，平均质量分数大于3%，表明沉积环境是控制有机碳含量的最主要因素；硅质泥岩中石英等脆性矿物平均质量分数为67.7%，与美国Barnett硅质页岩基本相当，脆性矿物含量较高；硅质泥岩中构造裂缝较发育，其形成主要与其脆性矿物含量较高及地质构造较发育等因素有关；有机碳含量较高的硅质泥岩，其有机质微孔隙也是基质孔隙及裂隙的主要组成部分；硅质泥岩的孔隙度和渗透率均较低，分别小于5%和0.01 mD，构造裂缝发育程度是影响硅质泥岩孔隙度和渗透率的最主要因素。

页岩气；储层特征；上二叠统；大隆组；湘中涟源—邵阳凹陷

0　引言

页岩气是一种非常规气，具有低碳、洁净和低污染等特性。随着北美地区页岩气的成功开发，页岩气资源在我国已引起广泛而密切的关注，并受到高度重视［1-3］。湖南省是一个贫煤、缺油和无常规天然气的省份，但页岩气资源丰富［4-5］，开发并利用页岩气资源可以弥补天然气缺口，是湖南省解决自身能源问题的有效途径之一。

湘中涟源—邵阳凹陷是中扬子地台页岩气研究的重点区域，是湖南省重要的页岩气资源远景区之一［6-9］。湘中涟源—邵阳凹陷中泥盆统棋梓桥组、上泥盆统佘田桥组、下石炭统测水组、上二叠统龙潭组和大隆组富有机质泥页岩均较发育，有机碳含量较高，具备较雄厚的成烃物质条件［7-9］。其中，上二叠统大隆组是区内页岩气勘探最重要的目的层位［10］。湘页1井大隆组气测显示良好，压裂后试气点火成功。国内许多学者［7，9，11-14］已对区内大隆组的沉积环境、岩相古地理、烃源岩油气地球化学特征、页岩气赋存的地质特征及其勘探潜力进行了研究，但尚未系统地研究其页岩气储层特征。笔者通过对区内上二叠统大隆组野外露头剖面进行实测和系统采样分析，从泥页岩有机地球化学特征、矿物组成、储集空间及物性特征等方面，深入研究其页岩气储层特征，以期为页岩气勘探与开发提供地质依据。

1　地质背景

湘中坳陷是以下古生界变质岩系为基底发展起来的以晚古生界—中三叠统碳酸盐岩为主并夹碎屑岩为特征的准地台型沉积坳陷区，隶属华南构造区，是叠加在江南—雪峰构造带东南侧的一个坳陷盆地［15-17］。大地构造位置位于华南褶皱系北部，雪峰隆起东南缘，主要由涟源凹陷、龙山凸起、邵阳凹陷、关帝庙凸起和零陵凹陷5个二级构造单元组成［16，18］（图1）。

自早古生代以来，湘中坳陷主要经历了晚古生代—中三叠世准地台发展阶段和印支期后（包括印支运动在内）的板内构造变形阶段，其中前一阶段区内沉积了巨厚的海相地层（表1）［16-17］，发生在晚二叠世龙潭组沉积晚期的一次海侵，形成了一套滨海含煤建造和硅质岩沉积以及浅海薄层灰岩和泥灰岩沉积［16］。研究区上二叠统大隆组底部主要为硅质岩与硅质泥岩等，属斜坡—深海沉积，上部主要为硅质灰岩，属滨浅海沉积［11］。

图1　湘中坳陷区域构造位置Fig.1Regional structural position of Xiangzhong depression

表1　湘中坳陷页岩气层系地层表（据文献［16］与［17］修改）Table 1Stratigraphic chart of shale gas strata in Xiangzhong depression

续表

2　样品采集及实验测试

2.1样品采集

本次研究采集的样品主要分布于湘中涟源—邵阳凹陷上二叠统大隆组出露的地区（涟源石鸣桥剖面、双峰南塘剖面、邵阳田家塘剖面、腰子冲剖面和短陂桥剖面），共采集硅质岩与硅质泥岩等样品80余块（图版Ⅰ）。

2.2实验测试

笔者选取了36块样品用于实验测试，主要分析了泥页岩的有机碳含量（仪器：CS230HC碳硫分析仪；实验条件：室温及标准大气压）、矿物组成（仪器：日本理学D/MAX-2500X衍射仪；实验条件：扫描速度为3°（2θ）/min、采样步宽为0.01°（2θ）、管压/管流40 kV/125 mA、靶材为铜靶）、孔隙和裂隙的微观特征（仪器：TESCAN VEGAⅡ型扫描电子显微镜；实验条件：温度为24℃、湿度为35%）、孔隙度和渗透率（仪器：Ultrapore-200A氦孔隙仪和ULTRAPERMTM200渗透率仪；实验条件：温度为23℃、湿度为50%、大气压力为102.5 kPa）。

3　页岩气储层特征

3.1有机碳含量

对野外露头剖面样品进行分析，结果显示湘中涟源—邵阳凹陷上二叠统大隆组硅质泥岩、硅质岩和硅质灰岩的有机碳质量分数均为0.24%～7.39%，平均为2.7%，其中，有机碳质量分数大于1%的样品约占样品总数的60%以上（图2）。从不同岩性的有机碳含量来看，硅质岩有机碳质量分数基本上小于0.5%，硅质灰岩的有机碳含量相对较高，质量分数为1%左右，硅质泥岩的有机碳含量最高，平均质量分数大于3%，说明研究区样品的有机碳含量与岩性密切相关。已有研究表明，岩性受沉积环境控制［1-2，11］，说明沉积环境是控制研究区页岩气储层有机碳含量的主要因素。

图2　湘中涟源—邵阳凹陷上二叠统大隆组实测样品有机碳质量分数分布频率Fig.2The distribution frequency of measured total organic carbon content of Upper Permian Dalong Formation in Lianyuan-Shaoyang depression，central Hunan

已有研究表明，页岩气储层有机碳含量越高，越有利于页岩气的勘探与开发［2-3］。研究区上二叠统大隆组有机碳含量较高的区域主要分布于次级凹陷的沉降中心附近（图3），这些区域也正是硅质泥岩相对发育的地区，是下一步勘探与开发的重点区域。

图3　湘中涟源—邵阳凹陷上二叠统大隆组有机碳质量分数等值线图Fig.3Contour map of total organic carbon content in Upper Permian Dalong Formation in Lianyuan-Shaoyang depression，central Hunan

3.2矿物组成

对野外露头剖面部分样品的X射线衍射（XRD）分析表明，湘中涟源—邵阳凹陷上二叠统大隆组硅质泥岩的矿物成分以石英为主，其平均质量分数为51.1%，其次是黏土矿物，平均质量分数为28.3%（图4）。石英、长石和方解石等脆性矿物质量分数为19.7%～90.6%，平均为67.7%，脆性矿物含量高，有利于页岩气开发过程中的压裂改造。

与上扬子地区下古生界页岩气储层相比［5，19-21］，研究区硅质泥岩的脆性矿物含量相对更高，但明显低于扬子巢湖—泾县地区上二叠统大隆组泥页岩的脆性矿物含量［22］；与美国Barnett硅质页岩相比［23］，二者脆性矿物含量基本一致（图4）。

3.3孔隙、裂隙发育特征

3.3.1岩石薄片鉴定

岩石薄片鉴定结果表明，无论是硅质泥岩（图版Ⅱ-1～Ⅱ-4），还是硅质岩（图版Ⅱ-5）和硅质灰岩（图版Ⅱ-6），其构造裂缝均较发育，且多被方解石与硅质充填。构造裂缝发育的原因除与岩石的脆性矿物含量有关外，还与研究区地质构造较发育等因素有关。以YZC016样品为例，该样品为典型的硅质泥岩，其泥质与炭质质量分数高达40%，硅质质量分数为32%，可明显看出其经受了强烈的构造挤压与变形（图版II-2）。野外露头剖面的观测结果也可说明这一点，在脆性矿物含量较高及断裂构造发育区域，岩石的节理更为发育（图版Ⅰ）。

表2　湘中涟源—邵阳凹陷上二叠统大隆组代表性样品的孔隙度和渗透率Table 2Porosity and permeability of the representative samples in Upper Permian Dalong Formation in Lianyuan-Shaoyang depression，central Hunan

3.3.2扫描电镜分析

高倍扫描电镜分析结果表明，研究区硅质泥岩发育大量的构造裂缝，主要原因是褶皱与断裂构造均发育，再加上泥页岩脆性矿物含量高，应力集中处往往发育大量构造裂缝。不同样品的裂缝发育程度、裂缝宽度和裂缝延伸长度均差异较大，高倍扫描电镜下YZC016样品的裂缝多、延伸远（图版Ⅲ-1），而DBQ022样品的裂缝相对较少，且延伸不远（图版Ⅲ-2）。不仅如此，硅质泥岩中有机质微孔隙发育，特别是在有机碳含量较高的硅质泥岩中，有机质微孔隙最发育（图版Ⅲ-3）；其次，方解石含量较高的硅质泥岩中还可见较多的不稳定矿物溶蚀孔（图版Ⅲ-4）。除此以外，在一些硅质泥岩中可见少量的残余原生孔隙（图版Ⅲ-5）和矿物层间微裂缝（图版Ⅲ-6）。硅质泥岩中残余原生孔隙较少的原因与研究区构造运动强烈，岩层受挤压作用较强，岩石结构致密等因素有关。

3.4孔隙度和渗透率

湘中涟源—邵阳凹陷上二叠统大隆组硅质泥岩的孔隙度大多小于5%，但个别样品的孔隙度也可高达23.8%（表2）。四川盆地下古生界页岩的孔隙度一般为2.59%～10.94%［1］，高于研究区页岩气储层的孔隙度。据美国页岩气研究资料表明，其五大含气页岩的孔隙度为3%～14%，平均约7%［24］，同样高于研究区页岩气储层的孔隙度。因此，研究区硅质泥岩的孔隙度总体较低，但样品间差异较大。

研究区上二叠统大隆组硅质泥岩的渗透率大多小于0.01 mD，但个别样品的渗透率可高达3.780 mD（参见表2）。据美国页岩气研究资料表明，其页岩渗透率一般小于0.1 mD［24］。因此，研究区硅质泥岩的渗透率总体较低，但样品间差异性较大。

对研究区硅质泥岩的孔隙度与渗透率进行相关性分析发现，孔隙度高的样品往往有着较高的渗透率（参见表2），这反映了硅质泥岩孔隙度和渗透率的主要影响因素相同。结合岩石薄片鉴定及扫描电镜分析结果发现，构造裂缝出现频次高、裂缝宽且延伸远的样品，其渗透率相对较高。YZC016样品受构造作用明显（图版Ⅱ-2），扫描电镜分析显示其构造裂缝相对最发育，裂缝延伸相对最远，裂缝宽度相对最大，部分裂缝延伸长度可达数百微米，裂缝宽度高达60 μm左右（图版Ⅲ-1），其孔隙度和渗透率分别高达23.8%和3.78 mD（参见表2）。四川盆地泥页岩由片状构造或由构造运动造成的裂缝致使某些样品的孔隙度高达20%或以上［1］，同样表明构造裂缝是影响页岩气储层孔隙度的主要因素。构造裂缝出现频次相对较高、裂缝宽度和延伸长度均相对较大的样品（图版Ⅱ-3和图版Ⅲ-2，其裂缝宽度一般为5 μm，裂缝延伸长度一般为几十微米），其孔隙度和渗透率均相对较高，分别为4.2%和0.007mD（参见表2）。然而，构造裂缝出现频次相对较低、裂缝宽度和延伸长度均相对较小的样品（图版Ⅲ-4～Ⅲ-6），其孔隙度和渗透率往往较小（参见表2）。因此，构造裂缝发育程度是影响研究区大隆组硅质泥岩孔隙度和渗透率的最主要因素。

结合不同样品的主要孔隙、裂隙类型及其与孔隙度的相关性分析发现，残余原生孔较发育的样品（图版Ⅲ-5），即使其构造裂缝不发育，也可具有相对较高的孔隙度（参见表2），表明残余原生孔是区内控制页岩气储层孔隙度的主要因素之一。同样，即使是构造裂缝不甚发育的样品，由于有机质微孔隙发育，其孔隙度也相对较高，表明有机质微孔隙同样是区内控制页岩气储层孔隙度的主要因素之一。前人研究结果［25-26］表明，泥页岩有机碳含量是影响其孔隙度大小的一个重要因素，与本次研究结论基本一致。

4　结论

（1）湘中涟源—邵阳凹陷上二叠统大隆组岩石的有机碳含量与其岩性关系密切，其中硅质泥岩有机碳含量最高，平均质量分数大于3%，其次是硅质灰岩（有机碳质量分数为1%左右）和硅质岩（有机碳质量分数小于0.5%），表明沉积环境是控制有机碳含量的主要因素。

（2）湘中涟源—邵阳凹陷上二叠统大隆组硅质泥岩中石英、长石和方解石等脆性矿物质量分数为19.7%～90.6%，平均为67.7%，与美国Barnett硅质页岩的脆性矿物含量基本相当，脆性矿物含量高。

（3）湘中涟源—邵阳凹陷大隆组硅质泥岩的构造裂缝较发育，但多被方解石和硅质充填。大隆组硅质泥岩中构造裂缝及有机质微孔隙均是泥页岩基质孔隙和裂隙的主要组成部分，其次是不稳定矿物溶蚀孔、矿物层间微裂隙和残余原生孔隙。

（4）湘中涟源—邵阳凹陷大隆组硅质泥岩的孔隙度和渗透率差异较大，但绝大部分样品的孔隙度和渗透率分别小于5%和0.01 mD，页岩气储集物性较差。构造裂缝发育程度是影响研究区大隆组硅质泥岩孔隙度和渗透率的最主要因素。此外，硅质泥岩中残余原生孔隙和有机质微孔隙发育程度是影响其孔隙度的主要因素。

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图版Ⅰ

图版Ⅱ

图版Ⅲ

（本文编辑：李在光）

Reservoir characteristics of shale gas of Upper Permian Dalong Formation in Lianyuan-Shaoyang depression，central Hunan

Xiao Zhenghui1，2，Niu Xianqiang1，Yang Rongfeng1，Yu Ye1，Huang Yanran1，Chen Xinyue1
（1.Hunan Provincial Key Laboratory of Shale Gas Resource Utilization，Hunan University of Science and Technology，Xiangtan 411201，Hunan，China；2.Hunan Provincial Key Laboratory of Coal Resources Clean-utilization and Mine Environment Protection，Hunan University of Science and Technology，Xiangtan 411201，Hunan，China）

To evaluate shale gas exploration potential in Upper Permian Dalong Formation in Lianyuan-Shaoyang depression，central Hunan，the reservoir characteristics of shale gas were investigated by the analysis of total organic carbon（TOC）content，mineral composition，microscopic characteristics of pores and fractures，porosity and permeability of shale.The results show that the TOC content has close relationship with lithology，the TOC content of siliceous mudstones were the highest，with an average value over 3%，which shows that it is obviously controlled by sedimentary environment.The brittle mineral contents in the siliceous mudstones were 67.7%on average，which is essentially the same as the brittle mineral contents in Barnett siliceous shale of America.The tectonic fractures developed well，and they are related to the brittle mineral contents and geological structure.The organic micropore is the main composition of pore-fracture system in the siliceous mudstones with higher TOC content.The porosity and permeability of siliceousmudstones were both low，being lower than 5%and 0.01 mD respectively.Fracture development degree is the dominant factor for influencing porosity and permeability of siliceous mudstones.

shale gas；reservoir characteristics；Upper Permian；DalongFormation；Lianyuan-Shaoyangdepression in central Hunan

TE132.2

A

1673-8926（2015）04-017-08

2015-01-26；

2015-04-29

湖南省科技厅重大专项“湖南页岩气资源潜力评价及电磁探测系统研发”（编号：2012FJ1006）、湖南省科技厅科技计划项目“湘西北下寒武统牛蹄塘组页岩气富集规律研究”（编号：2013SK3163）、成都理工大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室开放基金项目“湘西北地区复杂地质条件下页岩气富集规律研究”（编号：PLC201302）和湖南省教育厅优秀青年项目“湘中盆地演化与非常规天然气资源潜力分析研究”（编号：12B039）联合资助

肖正辉（1973-），男，博士，副教授，主要从事非常规天然气方面的教学和科研工作。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：xiaozhenghui2003@163.com。