湘西北地区下寒武统牛蹄塘组页岩气储层特征及有利目标区预测

王金龙，张 翔， 沈家仙 .

(1.长江大学研究生院，湖北武汉 430100； 2.非常规油气湖北省协同创新中心，湖北武汉 430100)

湘西北地区下寒武统牛蹄塘组页岩气储层特征及有利目标区预测

王金龙1，张 翔1， 沈家仙2.

(1.长江大学研究生院，湖北武汉 430100； 2.非常规油气湖北省协同创新中心，湖北武汉 430100)

湘西北地区页岩气形成地质条件良好，是实现突破的有利地区。为了查明湘西北地区下寒武统牛蹄塘组页岩气储层特征，通过野外地质调查、样品地球化学分析、资料收集与分析等手段，剖析了牛蹄塘组泥页岩的岩相、矿物学特征和储集空间及含气性等特征。研究结果表明：该区牛蹄塘组主要发育泥页岩、碳质页岩、粉砂质页岩、硅质页岩等岩相；矿物成分以石英和黏土矿物为主，脆性矿物含量高，黏土矿物以伊利石和伊蒙混层为主；暗色泥页岩微孔隙和微裂缝发育，储集性能较好，含气性较高。结合TOC平面展布图、富有机质页岩厚度分布图及页岩埋深和剥蚀状况初步预测湘西北牛蹄塘组页岩气有利勘探地区大致分布在石门-常德一带和永顺-龙山一带。

湘西北地区；牛蹄塘组；岩相；页岩气储层；有利勘探区

能源是现代社会发展的动脉。纵观人类社会进步的历程，人类利用能源经历了高碳、中碳到低碳的过程，并将发展到无碳时代[1]。长期以来我国以煤炭和石油为主导的能源结构造成空气污染比较严重，石油可开采量增长乏力，对外依存度不断增大，而氢气资源从技术、成本和安全上还没有优势，但随着低碳时代的到来，低碳、清洁、高效的天然气已经成为人们的必然选择。近些年来，随着水平钻井技术、水力压裂技术的进步以及天然气价格的不断攀升，一些渗透性差、开发难度大的非常规油气资源逐渐受到人们的重视[2-3]。我国有丰富的非常规油气资源，具有很好的勘探开发前景。

1 区域地质概况

研究区位于湖南省西北部，扬子准地台东南缘上扬子褶皱带与江南地轴结合部位的武陵褶断束内，构造分区包括桑植-石门复向斜和马蹄寨复向斜，地层分区方面，隶属扬子和江南区的过渡地带(图1)[4]。区内地层出露比较齐全，除缺失上志留统和下泥盆统外，从中元古界冷家溪群至第四系的其他地层都有分布[5]。

图1 研究区地理位置简图Fig.1 Location map of study area

湖南早寒武世沉积从早寒武世梅树村期开始，全区地势西北高东南低，海水由西北向东南逐渐加深[5]。牛蹄塘组黑色、灰黑色泥页岩主要发育于深水陆棚、斜坡-盆地相区，从西北向东南厚度逐渐减小，但整体厚度大，变化小。

2 页岩气储层特征

页岩气指赋存于富有机质泥页岩及其夹层中，以吸附和游离状态为主要存在方式的非常规天然气。美国在页岩气勘探开发方面的成功极大地影响了各国在页岩气方面研究的热情，研究页岩及其储层的学者越来越多，相关论文也不断涌现。笔者经过湘西北及其周缘野外多条剖面观察和实测，采集页岩样品400余块，经过对样品地球化学数据分析，结合前人研究成果，从页岩岩相特征、矿物学特征和储集空间特征等方面对该地区牛蹄塘组页岩气储层进行论述。

2.1 岩相特征

牛蹄塘组页岩气储层由多种岩相组成，主要有硅质岩、硅质页(泥)岩相、碳质(泥)页岩、泥页岩相、粉砂质(泥)页岩、泥质粉砂岩相等。各岩相矿物成分和结构构造等特征如下：

(1)硅质岩相。硅质岩主要发育于牛蹄塘组底部，露头剖面主要以深灰色-灰黑色为主，呈薄到中层状或与硅质页岩互层产出。由于含生物硅比较多，质地坚硬，不易风化(图2a)。常含有硅藻、海绵骨针等化石，代表深水陆棚-斜坡的沉积环境。以沅陵地区为代表，该地处于斜坡区，水体深，沉积厚度大，往西北过渡到深水陆棚时沉积厚度减小。

(2)硅质(泥)页岩相。硅质(泥)页岩主要发育于牛蹄塘组底部-下部，露头剖面主要以黑色和灰黑色为主，性脆且硬，不易风化(图2b)。其代表了深水陆棚-半深海的环境，常与硅质岩和碳质页岩互层出现。剖面风化对总有机碳(TOC)含量有较大影响，该岩相脆性矿物含量为35.4%～81.2%，TOC含量为0.55%～6.94%。

(3)碳质(泥)页岩相。碳质(泥)页岩相发育层段比较多，主要集中在剖面中部和下部，有些剖面从底至顶都有发育。露头剖面呈黑色，中-厚层状，质软，易风化，含有大量碳化有机质(图2c)。其中有些层位发育磷质结核和黄铁矿，代表相对安静的深水陆棚环境，一般认为水深比硅质(泥)页岩稍小。该岩相脆性矿物含量为61.6%～81.7%，TOC含量为0.71%～13.4%。

(4)泥页岩相。泥页岩主要发育于牛蹄塘组中-上部，露头以灰黑色厚层-块状为主(图2d)。其发育的环境多为相对安静的深水陆棚环境，指示深度一般比碳质页岩浅。该岩相的脆性矿物含量为64.3%～90.2%，TOC含量为0.3%～1.54%。

(5)粉砂质泥(页)岩相。粉砂质泥(页)岩主要发育在牛蹄塘组的顶部，露头剖面呈灰黑色(图2e)，中厚层-块状，指示水体较深的浅水陆棚环境，水体深度比泥页岩相浅。该岩相的脆性矿物含量为80.1%～88.5%，TOC含量为0.34%～5.88%。

(6)泥质粉砂岩相。泥质粉砂岩主要发育在牛蹄塘组的顶部，露头剖面主要呈灰黑色或者灰褐色(图2f )，厚层-块状，指示浅水陆棚环境。该岩相的TOC含量为0.34%～7.04%。

图2 湘西北地区牛蹄塘组泥页岩特征Fig.2 Characteristic of the shale in Niutitang Formation, Northwestern Hunana.深灰色薄层硅质岩，沅陵明溪口剖面第3层；b.黑色硅质页岩，沅陵借母溪剖面第3层； c.黑色碳质页岩中黄铁矿团块，沅陵借母溪剖面第18层；d.灰黑色泥岩，鹤峰白果坪剖面第9层； e.灰黑色含碳粉砂质泥岩，龙山茨岩塘剖面第5层；f.浅褐色泥质粉砂岩，龙山茨岩塘剖面第5层

以上6种岩相总体发育于深水陆棚-浅水陆棚的环境中，岩相发育在剖面部位的不同一方面与剖面所处位置有关，另一方面也显示了牛蹄塘组沉积时期水体逐渐变浅的过程。总体来说，牛蹄塘组TOC含量和脆性矿物含量都比较高，不同剖面由于所处部位和风化淋滤程度不同差异较大。

2.2 矿物学特征

通过全岩矿物X射线衍射分析得到：研究区页岩的矿物组成主要为石英和黏土矿物，方解石次之，含少量的长石、白云石、黄铁矿等，石英含量在26.8%～88.4%之间，黏土矿物含量在3.6%～39.4%之间。黏土矿物的X射线衍射分析表明其主要成分是伊利石、伊蒙混层，其次为绿泥石、高岭石，不含蒙皂石。黏土矿物特征表明本区页岩演化程度高(图3、图4)。

石英和碳酸盐岩等脆性矿物含量越高，页岩的可压裂性就越强，越容易开展人工压裂增产处理。研究区下寒武统牛蹄塘组泥页岩石英+碳酸盐岩含量为56.9%～95.4%，脆性矿物含量过半，利于页岩储层改造。其中张家界大坪剖面石英含量相对较低，但是碳酸盐岩矿物所占比例较高，其他剖面石英含量大都超过了50%(图4)。据统计，美国福特沃斯盆地Barnett页岩的石英含量在40%～60%之间，与研究区下寒武统牛蹄塘组和下志留统龙马溪组泥页岩相当，这表明研究区牛蹄塘组泥页岩是易于产生裂缝的，有利于后期的压裂改造[6-9]。

图3 湘西北各剖面牛蹄塘组黏土矿物组分含量Fig.3 Clay minerals component content of shale in Niutitang Formation, Northwestern Hunan

图4 湘西北各剖面牛蹄塘组页岩矿物组分含量Fig.4 Mineral component content of shale in Niutitang Formation, Northwestern Hunan

2.3 储集空间特征

页岩的储集空间类型比较丰富，包括残余原生孔隙、有机质生烃后形成的孔隙、次生溶蚀孔隙、黏土矿物伊利石化体积缩小形成的微孔隙以及微裂缝等。不同类型的孔隙和微裂缝构成了复杂的多孔系统，为页岩中游离气的赋存提供了储集空间[10-12]。

湘西北地区深色页岩段的储集空间主要包括微孔隙(纳米级)和微裂缝两种类型(图5)，孔隙以基质孔、有机质孔、溶蚀孔等为主，微裂缝分为黏土矿物层间缝、溶蚀缝、构造缝等。

2.4 页岩孔隙度、渗透率特征

牛蹄塘组暗色泥页岩物性特征为：孔隙度为0.4%～21.3%，平均7.05%；渗透率为0.006～0.496 mD(图6、图7)，具备良好的储集条件。由于野外剖面样品风化程度相对较高，孔隙度、渗透率值比井下数据偏高。

2.5 含气性特征

对湘西北牛蹄塘组两个样品进行了等温吸附试验，张家界大坪和沅陵借母溪牛蹄塘组页岩等温吸附量分别为1.38m3/t，4.49 m3/t，平均为2.5725 m3/t。

图5 湘西北地区牛蹄塘组泥页岩储集空间特征Fig.5 Reservoir space characteristics of shale in Niutitang Formation, Northwestern Hunan

图6 湘西北牛蹄塘组野外剖面样品孔隙度分布直方图Fig.6 Histogram of porosity distribution in field profile of Niutitang Formation in Northwest Hunan

图7 湘西北牛蹄塘组野外剖面页岩样品渗透率分布直方图Fig.7 Histogram of permeability distribution of shale samples in the field of Niutitang Formation in Northwestern Hunan

参考常页1井含气量0.5～2.1 m3/t,基本达到了工业开发下限[13-14]。

3 有利区预测

牛蹄塘组暗色泥页岩TOC分布于0.1%～9.64%，平均值为2.23%(图8)，TOC含量普遍较高；母质类型以I型和II1(腐泥-腐殖型)为主；Ro分布范围为2.31%～4.46%，处于干气热演化阶段，具备良好的生烃条件。富有机质页岩沉积厚度大，厚度变化小(图9)。考虑埋深和剥蚀的影响，预测石门-常德一带和永顺-龙山一带为较有利勘探区。

图8 湘西北牛蹄塘组富有机质页岩TOC分布图Fig.8 TOC distribution of oragnic-rich shale in Niutitang Formation of Northwestern Hunan

图9 湘西北牛蹄塘组富有机质页岩厚度分布图Fig.9 Thickness distribution of organic-rich shale of the Niutitang Formation in Northwestern Hunan

4 结论

(1)湘西北地区牛蹄塘组暗色泥页岩主要发育于深水陆棚和斜坡-盆地相带，碳质(泥)页岩和硅质(泥)页岩是有利的页岩岩石相。总体来看，暗色泥页岩TOC含量较高，分布范围广，沉积厚度大，资源前景较好。

(2)湘西北地区牛蹄塘组暗色泥页岩脆性矿物特别是石英含量高，有利于后期的压裂改造。黏土矿物主要以伊利石和伊蒙混层为主，不含蒙脱石，表明本区页岩演化程度高。湘西北地区下寒武统牛蹄塘组页岩储集空间类型丰富，微孔隙和微裂缝发育，孔隙度较高，渗透率和含气性较好。

(3)利用富有机质页岩厚度、TOC含量、热演化程度考虑埋深及剥蚀等因素, 初步预测牛蹄塘组页岩气有利勘探地区大致分布在湘西北地区石门-常德一带和永顺-龙山一带。

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Characteristic of Shale Reservoirs of Lower Cambrian Series Niutitang Formation, Northwestern Hunan

Wang Jinlong1, Zhang Xiang1, Shen Jiaxian2

(1.SchoolofGraduate,YangtzeUniversity,Wuhan,Hubei430100,China； 2.HubeiCooperativeInnovationCenterofUnconventionalOilandGas,Wuhan,Hubei430100,China)

The formation of shale gas in northwestern Hunan has favorable geologic conditions and is a favorable area for breakthrough. In order to identify the characteristics of shale gas reservoirs in the Niutitang Formation of the Lower Cambrian in the northwestern Hunan Province, the lithofacies, Mineralogical characteristics, reservoir space, gas and other characteristics of the shale of the Niutitang Formation were analyzed by means of field geological survey, geochemical analysis, data collection and analysis. The results show that the Niutitang Formation is characterized by shale, carbonaceous shale, silty shale, siliceous shale and other lithofacies. The minerals are mainly composed of quartz and clay minerals, and the content of brittle minerals is high, the clay minerals are dominated by illite and smectite mixed layers. The micro-pores and micro-fractures of dark shale are developed, the reservoir performance is good and higher gas content. Based on the TOC plane distribution map, the thickness distribution of organic-rich shale and the shale depth and denudation, the favorable exploration area of Niushitang Formation in the northwestern Hunan is mainly distributed in Shimen-Changde and Yongshun-Longshan areas.

Northern Hunan; Niutitang Formation; lithofacies; shale reservoirs; favorable exploration area

TE122

A

*第一作者简介：王金龙(1989—)，男，硕士生，主要从事页岩气勘探方面的研究。邮箱:1519010060@qq.com.