湘西北牛蹄塘组探井页岩气富集要素的对比和启示

黄俨然，肖正辉，焦鹏，秦明阳，余烨，王玺凯，曹涛涛



湘西北牛蹄塘组探井页岩气富集要素的对比和启示

黄俨然1, 2, 3，肖正辉2，焦鹏3，秦明阳3，余烨1，王玺凯3，曹涛涛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 资源环境与安全工程学院，湖南 湘潭，411201；3. 中南大学 地球科学与信息物理学院，湖南 长沙，410083)

基于湘西北地区牛碲塘组是近年来南方页岩气勘探的重点目标，以该区井花页1井、慈页1井及常页1井为研究对象，根据目的层实钻地层及气显示特征，系统对比页岩气生烃、储集及保存等方面的富集条件。研究结果表明：慈页1井和常页1井的原牛牛蹄塘组可进一步划分为杷榔组和牛碲塘组，与花页1井一致；牛蹄塘组烃源岩具有良好的生烃条件，已经历大规模生烃的过程；各探井以吸附状态页岩气为主，且均含有一定的氮气，历史上牛蹄塘组含气层可能受到过破坏；牛蹄塘组基本表现出极低孔隙度及渗透率的物性特征，有较强的压裂改造能力；研究区具有生烃时期早、抬升时期早及幅度大的特征，大规模构造改造及断裂发育，总体上对页岩气保存不利；有机质丰度、成熟度、埋深、地层压力、储层物性、脆性矿物质量分数等因素与地层含气量的相关性均不明显，高吸附能力仅是牛蹄塘组页岩气富集的1个必要非充分条件；慈页1井及常页1井在局部较好的保存条件下有较高的含气性，常页1井高含气性反映出最后1次抬升的时间晚，对页岩气的保存非常有利，因此，保存条件是页岩气富集的关键指标，在勘探过程中需从构造样式、断裂空间分布特征、目的层产状和完整程度、埋藏深度及演化历史等方面进行综合分析和重点评价。

湘西北；牛蹄塘组；页岩气；富集因素；保存条件

湘西北下寒武统牛蹄塘组发育一套分布面积广、厚度大、有机质丰度高、类型好的黑色页岩，页岩气资源丰富[1]，但同时也具有形成时代老、热演化程度高、构造运动复杂多期、富集条件差异大等特点[2−3]。通过对比分析，发现研究区包括有机碳质量分数(TOC)、储层物性、脆性矿物质量分数等在内的页岩气富集条件并不差[4−5]，而在主要保存上与北美主要的页岩气盆地及国内四川盆地存在较大差异。北美重要的页岩气盆地整体构造稳定[6]，构造相对稳定的四川盆地内部也比周缘地区的保存条件好，且已取得很好的开发成果。需要指出的是，位于渝东南的彭水区块是紧邻四川盆地东南缘的弱构造改造区，彭水地区保存较好的封闭高压体系被破坏，含气地层压力系数仅为0.95~1.10[7]，但具有较好的产气效果。位于四川盆地东南缘的湘西北地区已成为南方页岩气勘探的重点地区[8]。近年来，中国地质调查局和华电等集团公司展开了一系列区域地质普查和预探井工作，但截至目前尚未取得突破性进展。湘西北牛蹄塘组富有机质泥页岩具有良好的生烃条件，经历了长期复杂的构造改造，工区页岩气富集甜点区是否存在、高含气性地层受哪些因素影响和控制尚不清楚。为此，本文作者根据目前页岩气探井的地质及地球化学资料，在地层、生烃、储集和保存等方面进行对比研究，并结合含气性特征，总结影响页岩气富集的主要控制因素，以期为该区下寒武统的页岩气勘探提供参考。

1 地质背景

研究区位于湖南省西北部，根据地层展布特征，其东南界大致自新晃向北经凤凰，折向东北经泸溪、沅陵、张家界、慈利，向东而没入洞庭湖。构造上属于杨子区和江南区的结合部位，区内地层大规模变形，褶皱和断裂构造均比较发育，并可以大体分为5个三级构造单元(图1)。区内大规模基底断裂有保靖—慈利(F1)和次一级的凤凰—张家界(F10)断裂带，至少自上震旦统开始F1南北两侧地层厚度、岩性岩相等均存在较大差异[9]，断裂带之间的断夹块向东北方向逐渐收敛，在张家界后坪地区汇合，继续向东延伸穿过慈利后消失[10]。研究区生烃的物质基础雄厚，牛蹄塘组分布稳定厚度大，一般为100~300 m，TOC平均大于2%。区内牛蹄塘组页岩气资源量达3.8×1012m3，约为龙马溪组资源量的4倍，约占全省资源量的70%[11]，因此，具有广阔的勘探前景，近年来正开展页岩气勘探评价工作，并已获得花页1、慈页1和常页1等参数井(图1)。

钻井过程中的地质录井显示：慈页1井牛蹄塘组有8层累计81 m见气测异常，气显示指标全烃的最大值仅3.61%。而花页1井较差，仅有1层2.5 m的异常显示，且全烃为0.27%。解析法是测量页岩含气量最直接的方法，可以分为解析气体积(d)、残余气体积(r)和损失气体积(l) 3部分，其中，d及r可以直接测定，而l主要通过非线性回归而计算得到。表1所示为区内各探井含气量的特征。从表1可见：慈页1井和常页1井气显示较好，花页1井则基本不含页岩气；从赋存状态发现慈页1井的页岩气表现为r较大，平均为69.7%，而d较小，平均仅为14.9%，反映了在较强破坏作用背景下，以吸附状态为主的r所受影响较小，而以游离状态为主的d则损失较大。常页1井也表现出类似情况。而从解析气体成分发现花页1井N2质量分数平均达76.2%，慈页1井CH4质量分数平均为76.9%，但同时N2质量分数平均为22.87%；常页1井产气过程中CH4质量分数变化不大，但N2质量分数也较高。历史上，牛蹄塘组含气层可能不同程度地受到过破坏。

2 实钻地层认识

区内各探井实钻地层及岩性特征如图2所示。从图2可见：清虚洞组底界及灯影组的顶界非常清楚，而牛蹄塘组岩性相对复杂；各井均表现出牛蹄塘组由浅至深，其TOC质量分数呈逐渐增大的趋势，高含气层段也主要位于下部，牛蹄塘组下部才是页岩气勘探的主要层位。从花页1井中划分出杷榔组，其牛蹄塘组的厚度为379 m，而慈页1井厚度为745 m，常页1井厚度则达808 m。寒武系黔东统都匀阶的杷榔组是一套粉砂质泥、页岩，上部夹少量薄层泥质灰岩的地层，主要分布在黔东及湘西北地区，雷倩萍[12]在此发现有大量生物化石，而牛蹄塘组以发育大套黑色泥质、碳质及硅质页岩的黑色岩系为主要特征，两者差别明显但一般界限并不清楚。花页1井以大套地层岩性的明显差别作为划分标志，其界限如图2所示。通过对比发现慈页1井及常页1井原牛蹄塘组的上部和下部地层也有明显区别，上部页岩中粉砂质、灰质质量分数明显增大，颜色差别也较大，因此，根据地层岩性特征重新划分出杷榔组，地层界限如图2中虚线所示。另外，地层均有一定倾角，经换算后求取牛蹄塘组的真厚度分别为350，288及521 m。下面对目的层的研究均以本文所统一划分出的牛蹄塘组作为研究对象。

Ⅰ—宜都—鹤峰复背斜；Ⅱ—桑植—石门复向斜；Ⅲ—洞庭坳陷；Ⅳ—武陵断褶带；Ⅴ—沅麻盆地。

表1 湘西北牛蹄塘组页岩气探井含气性

注：对花页1井没有进行残余气测量，其总含气量是为解析气和损失气量之和。

图2 湘西北各页岩气探井实钻地层特征

3 探井富集条件对比

3.1 烃源岩

通过研究Barnett页岩发现高丰度有机质是页岩气富集的物质基础，同时还能改善储层性能[13]。一般认为当泥页岩层中TOC质量分数大于2%时，页岩气的开采才具有商业价值[14]。工区烃源岩岩性以黑色页岩为主，还有一定的硅质、灰质页岩及泥灰岩等，大部分页岩因过于成熟而被碳化。岩心残余有机碳质量分数如表2所示。从表2可见：TOC质量分数平均值普遍较高，花页1井为3.43%，慈页1井为2.55%，常页1井为3.72%。若再考虑到牛蹄塘组大部分为海相腐泥型烃源岩[1]，恢复系数最高可达1.68左右[15]，可见，成熟生烃前烃源岩的有机质丰度更高，具备良好的生烃条件。

表2 各探井牛蹄塘组残余有机碳(TOC)质量分数

下寒武统牛蹄塘组将实测沥青反射率换算为等效镜质体反射率(o)，花垣区块露头样品o为2.0%~ 3.6%(平均为2.8%)，慈页1井o为2.3%~3.9%(平均为3.1%)，常页1井o为2%~3.1%(平均为2.6%)，均处于过成熟阶段。岩心热解分析显示绝大部分样品的参数可溶烃1不超过0.1 mg/g，参数热解烃2不超过0.2 mg/g，已基本无生烃潜力。慈利南山坪古油藏初步估算沥青储量可达(100~800)×104t[16]，可见区内牛蹄塘组烃源岩已经历大量生烃的过程。

3.2 储集性能

湘西北牛蹄塘组基本表现出极低孔隙度及渗透率的物性特征，其黑色岩系矿物组成特征见图3。花页1井牛蹄塘组埋深远比常页1井的大，但在物性、比表面积、总孔体积、兰氏体积等方面显示其储集性能比常页岩1井的好(见表3)。两者均以中孔为主(2＜＜50 nm，其中，为孔径)。中孔孔隙体积所占比例中，花页1井平均为60.3%，常页1井平均为79.9%，而花页1井大孔(≥50 nm)孔隙体积所占比例更高。在扫描电镜下观察孔隙特征发现：不同井样品均具有定向构造的特征，以纳米级微孔隙—裂缝系统为主，蜂窝状有机质孔非常发育，还有一定的粒间孔、粒内孔及晶间缝，局部发育溶蚀孔。

XRD分析显示花页1井、慈页1井及常页1井矿物组成和质量分数非常相近，主要矿物成分为石英，还有斜长石、方解石、钾长石、黄铁矿、黏土矿物以及少量的白云石、菱铁矿等。黏土矿物中以伊利石占绝对多数，其他为少量绿泥石和伊蒙混层等。将各井页岩样品代入石英+长石+黄铁矿、碳酸盐及黏土矿物三端元，所得结果见图3(其中，为质量分数)，可见各井平均脆性矿物质量分数分别达58.5%，51.0%和55.4%，且脆性指数分别为0.52，0.47和0.59，显示出较强的压裂改造能力。

图3 牛蹄塘组黑色岩系矿物组成特征

3.3 埋藏演化

湘西北处于四川盆地外东南缘的强改造区内，大部分区域的三叠系及以上地层被剥蚀，剥蚀深度可达 4 500~6 000 m[17]。裂变径迹和地史模拟显示抬升时间由东南向西北逐渐变晚，递进变形[18]。慈页1井地应力最大水平主应力分向为近东—西向(北偏东95°)。根据实测地层温度和o，慈页1井埋藏演化历史如图4所示。从图4可见：牛蹄塘组的烃源岩在志留纪进入生油窗，在三叠纪时已达到高—过成熟进入生干气阶段，在侏罗纪末以来持续快速抬升。与四川盆地内部相比，具有生烃时期较早、抬升时期早及幅度大的特点，总体上对页岩气的富集和保存不利。

根据页岩气地质评价标准GB/T 31483—2015，埋深越大对页岩气的最低工业性气流量标准的要求越高。四川盆地页岩气的开发已证实含气层超压(地层压力系数＞1.2)会带来更高的产量[3]，埋藏深度与压力系数之间具有明显的相关性[17]。区内花页1井、慈页1井及常页1井的压力系数分别为1.03~1.12，1.08~1.12和0.90，均属正常压实地层，且随深度增加，地层压力有增大趋势。在构造变形强烈、地层剥蚀严重情况下，对页岩气保存不利，主要表现在封堵条件变差和含气页岩层压力降低等[19]。因此，一定的埋藏深度对区内页岩气的保存非常重要，深埋的含气层可能因为生成的页岩气未能及时排出或排出受阻而形成欠压实作用，地层压力升高；同时，埋藏较深意味着抬升幅度和改造程度较低，即构造保存条件可能会变好。

表3 储层物性特征统计表

注：1) 括号内数据为平均值；2) 花页1井采用脉冲衰减法测量孔隙度及渗透率；3) 常页1井则采用氦孔隙仪测量孔隙度，采用脉冲衰减法测量渗透率。

3.4 构造改造

断裂对页岩气的保存具有两面性：一方面改善储层物性，沟通页岩气的渗流；另一方面造成页岩气散失，降低地层页岩气的含气性，高角度裂缝的破坏性尤为严重[20]。根据探井和露头揭示的地质特征，湘西北的构造演化从大的角度可以概括为“早期震荡小幅抬升，长期反复褶皱与伸展变形相对稳定，后期强烈改造”。工区断裂非常发育(图1)，图5也显示出花页1井及常页1井牛蹄塘组均钻遇断层，而慈页1井岩心破碎严重，倾角测井也发现地层倾角混乱，证实在2 481 m及2 600 m处发育有横穿慈页1井的小断层，且观察岩心发现各探井的裂缝均较发育。湘西北区内以挤压环境为主，属盖层滑脱型(薄皮型)，滑脱面较发育，图5显示均发育有高角度逆断层。具体来说，花页1井构造上属于武陵断褶区带，局部构造上位于叭岩向斜西翼，目的层段地层倾角为20°~25°，剖面显示推覆断层之下目的层连续性较好，但平面上据水田河—地所坪大断裂距离不足1 km。慈页1井也属武陵断褶区，局部构造上位于景龙桥复向斜，实际上为单斜构造，西北部地层平缓且埋深较浅，测井显示倾角在6°~12°之间，靠近东南侧断层附近逐渐变陡，埋深急剧增加。常页1井构造上则属洞庭坳陷，局部构造上位于太阳山背斜西翼，断层及地层产状也较陡，实测地层倾角为27°~32°，目的层埋深较浅。

图4 湘西北慈页1井埋藏史图

(a) 花页1井；(b) 慈页1井；(c) 常页1井

单从构造样式看，常页1井的构造保存条件应该是最差的，但其地层含气性较好(表1)。究其原因是：常页1井所处的洞庭坳陷属中—新生代裂陷区，与其他构造单元截然不同。所处的局部构造太阳山凸起更是晚新生代才隆起的低山丘陵区，现今的地貌和水系明显受更新世活动的铺断层的影响[21]。常页1井在裂陷区内整体沉降，抬升时间非常晚，因此，页岩气的保存仍然较好。而花页1井与慈页1井相比，构造演化历史相似，埋藏深度相差不大，地层层序一致且正常，晚期抬升幅度应相似，形成时间甚至比慈页1井略晚，但地层基本不含气，其主要原因应该是大规模构造改造和断裂被破坏。慈页1井则在整体保存条件较好的情况下显示出较高的含气性。因此，对于强改造构造环境的工区来说，探井应尽量避免靠近断裂，尤其应避免大规模高角度的逆冲断裂，寻找保存相对完整的目的层，地层和裂缝的产状应尽量平缓。

4 纵向含气性分析

同一口井的分析测试条件相同，纵向上含气性的变化也可以进行对比。前人对常页1井进行了研究，认为高含气层段位于1 067~1 250 m，岩性主要是黑色页岩、黑色硅质、碳质页岩等[22]。高含气性主要与等温吸附兰氏体积正相关，其次与比表面积、宏孔体积等较相关，而与其他因素的相关性均不明显。因此，常页1井的高含气性通常对应较强的吸附能力，而黑色页岩层系较强的吸附能力则不能确定是否对应有较高的含气量。花页1井页岩气综合剖面也显示相似情况(见图6)，慈页1井气测异常显示井段与岩心现场解析高含气量有一定对应关系，且往往测井资料也显示有效孔隙度高。花页1井的储集性能优于常页1井，但含气性较差，因此，对于强构造改造背景下的研究区来说，泥页岩层的高吸附能力是页岩气富集的必要非充分条件，构造保存条件才是关键。

图6 花页1井牛蹄塘组黑色岩系页岩气综合剖面图

通过对比与分析发现：有机质丰度、成熟度、埋深、地层压力、储层物性、脆性矿物质量分数等众多影响页岩气富集的因素相关性均不明显，仅吸附能力与含气量的相关性较好。在湘西北牛蹄塘组具体的页岩气勘探过程中，应着重关注构造保存条件，进行地震剖面资料的精细解释，重点分析断裂的空间分布特征、目的层产状和完整程度，在要求有一定埋深的情况下，研究埋藏演化特征，着重关注晚期抬升的时间及幅度，系统评价保存条件。

5 结论

1) 湘西北区牛蹄塘组具有良好的页岩气生烃条件，已经历大量生烃过程，探井显示游离状态损失大而占比小；页岩气以吸附状态为主，且不同程度地含有N2，在强构造改造背景下富集的页岩气历史上可能受到过破坏。

2) 慈页1及常页1井原牛蹄塘组可分为上覆杷榔组与下覆牛蹄塘组。区内杷榔组粉砂质、灰质质量分数明显增大，整体颜色也较牛蹄塘组的浅，其与下覆地层界限是以大套地层岩性明显差别作为主要标志，牛蹄塘组厚度与露头及浅钻揭示的厚度基本一致。

3) 湘西北区的牛蹄塘组整体生烃时间早，抬升时期早，幅度大，演化时间长，大规模构造改造及断裂发育，对页岩气的保存不利。但慈页1井及常页1井则在局部较好的保存条件下有较高的含气性，显示出较强的勘探潜力。

4) 通过各探井的分析与对比，最后1次抬升的时间晚，对页岩气的保存非常有利。保存条件是页岩气富集的关键指标，需要从构造样式、断裂空间分布特征、目的层产状和完整程度、埋藏深度及演化历史等方面进行综合分析和评价。

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(编辑 陈灿华)

Comparison of factors for shale gas accumulation in Niutitang formation wells in northwestern Hunan and its implications

HUANG Yanran1, 2, 3, XIAO Zhenghui2, JIAO Peng3, QIN Mingyang3, YU Ye1, WANG Xikai3, CAO Taotao1

(1. Key Laboratory of Shale Gas Resource Utilization of Hunan Province, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, China;2. School of Resource, Environment and Safety Engineering, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, China;3. School of Geosciences and Info-physics Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

Considering that the Niutitang formation in northwestern Hunan is a key target for shale gas exploration in south China in recent years, the key parameter wells including Huaye 1, Ciye 1 and Changye 1 in the study area were studied. According to the characteristics of target stratum and gas showings, the conditions of shale gas enrichment such as hydrocarbon generation, accumulation and conservation were systematically compared. The results show that the original Niutitang formation of Ciye 1 and Changye 1 well can be further divided into Palang and Niutitang formation,which is the same as those with Huaye 1 well. The source rocks in these wells have good conditions of hydrocarbon generation and experience a large-scale hydrocarbon generation. The shale gas in Niutitang formation of the wells is in absorbed state, and all of wells have some nitrogens, which shows that the enriched shale gas may be destroyed in history. The Niutitang formation has the characteristics of very low porosity and permeability, but has good abilities of fracture reconstruction. In northwestern Hunan, the Niutitang formation source rocks have the characteristics of hydrocarbon generation in the early stage, and uplift with early time and large extent through the buried evolutionary history. The large scale of tectonic reconstruction and fracture is developed, which is not good for shale gas enrichment. Many factors such as the abundance of organic matter, maturity, buried depth, formation pressure, reservoir features, brittle minerals content and so on, have no significant correlation with shale gas content. High adsorption ability of shale is only a necessary but not sufficient condition for shale gas enrichment. In relatively well preservation local condition, Ciye 1 and Changye 1 show the relatively high shale gas content, which shows that the late time of last tectonic uplift is very beneficial for shale gas preservation. Therefore, the preservation conditions are the key factors for shale gas enrichment, and must be synthetically analyzed and evaluated from many aspects in the shale gas exploration process, such as tectonic styles, the distribution characteristics of faults, the attitudes and completeness of target stratum, the buried depth and history and so on.

northwestern Hunan; Niutitang formation; shale gas; main controlling factors; preservation conditions

10.11817/j.issn.1672-7207.2018.09.017

TE112

A

1672−7207(2018)09−2240−09

2017−10−12；

2017−12−21

国家自然科学基金资助项目(41603046)；湖南省科技厅重大专项(2012FJ1006) (Project(41603046) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(2012FJ1006) supported by the Major Science and Technology Program of Department of Science & Technology of Hunan Province)

黄俨然，博士，讲师，从事非常规油气地质综合研究；E-mail: hyanran2006@163.com