湖南桑植地区牛蹄塘组页岩气储层特征及有利区预测

崔 龙， 熊 涛， 朱宝存

(中煤地质集团有限公司，北京 100040)

0 引言

页岩气作为一种非常规天然气，其在我国具有很好的勘探开发前景，是我国未来天然气产业的重要组成部分之一[1-4]。随着我国对页岩气勘探开发重视程度不断提高，以及钻井、完井、压裂等关键技术的国产化，我国的页岩气产业也是喜报频发，不断涌现出新的进展和成果。我国南方地区海相页岩发育且分布广，根据国土部、地调局、中国石化等开展页岩气调查工作的成果显示，湘西北地区的牛蹄塘组黑色页岩层发育，具有良好的成藏物质基础，具有较好的页岩气勘探开发前景，备受相关专家学者的关注，在该地区开展了系统的研究工作，通过系统的样品采集，应用薄片观察、有机岩石学分析等实验分析测试，对该地区牛蹄塘组的页岩气的成藏条件、资源前景以及有利区进行了分析[4-8]。

本文以湘西北桑植地区的页岩气调查井-桑页2井获得的数据为基础，对该地区牛蹄塘组页岩储层的有机地化特征、矿物储层、储集空间特征等储层特征进行分析的同时，初步优选了研究区内的页岩气有利区，其对湖南桑植页岩气开展进一步的勘探工作具有十分重要的理论指导意义。

1 区域地质

研究区位于湖南省西北部地区，大地构造位置属于扬子板块[4]，处于桑植-石门复向斜带和宜都-鹤峰复背斜带交接位置(图1)。桑植-石门复向斜中的次一级褶皱发育，依次为岩屋口向斜、两河口向斜、打鼓泉背斜、谷罗山背斜和刘家坪向斜，大部分褶皱较为紧闭，褶皱的长度和宽度差距巨大，褶皱的轴线往往呈向出北西凸出的“S”状延伸，且定向排列整齐，背斜两侧的地层倾角介于20o～40o； 宜都-鹤峰复背斜走向为北东向，次一级褶皱比较开阔，研究区邻近区域发育五道水背斜和太平乡向斜。与桑植-石门复向斜构造带类似，有断层伴随褶皱发育的现象，并且断层走向平行于褶皱轴线。

图1 湖南湘西北地区构造纲要图[9]Figure 1 Structural outline map of northwestern Hunan (after reference [9])

研究区内发育多条断裂，断裂以北东走向为主，断层性质均为逆断层，大断层多位于东部紧闭褶皱段，较为密集，少数断层贯穿全区。西部断裂规模较小。断裂体系发育详细情况如图1所示。

根据以往地质调查资料，钻井资料和区域露头揭示，研究区内发育的地层包括：震旦系、寒武系、奥陶系、志留系、泥盆系、二叠系和三叠系，上志留统-石炭系缺失，地表主要出露为寒武统-三叠系，三叠系以上已经被剥蚀殆尽。

2 页岩气储层特征

2.1 有机地球化学特征

2.1.1 有机质类型

根据桑页2井牛蹄塘组页岩样品测试结果：干酪根显微组主要为腐泥组，其含量介于75%～93%，平均含量达到85%，其次为惰质组，但含量仅为7%～25%，平均含量也仅仅为15%，未发现壳质组和镜质组。由于腐泥组、壳质组等富氢的显微组分，具有良好的生烃能力，因此，可以说明桑植地区牛蹄塘组黑色页岩十分有利于形成页岩气。对照干酪根显微组分分类可以看出：桑植地区牛蹄塘组有机质类型大部分可划归为Ⅱ1型，同时少量的样品可以划分为Ⅰ型(表1)。

表1 桑植地区页岩干酪根类型Table 1 Sangzhi area Niutitang Formation shale kerogen types

续表

2.1.2 有机质丰度

根据桑页2井黑色页岩段样品有机碳含量测定结果：牛蹄塘组页岩TOC含量在0.24%～7.06%，均值为1.99%，主体分布在1.0%～4.5%，其中TOC含量低于1.0%的样品较少，大部高于1%，占总样品数的70.49%，其中1 065～1 087m的TOC含量均大于2%，占总样品数的37%。因此可以说明研究区的牛蹄塘组有机质含量较高(图2)。

图2 牛蹄塘组TOC含量频率分布直方图Figure 2 Niutitang Formation TOC content frequency distribution histogram

在有机质丰度方面，桑植地区牛蹄塘组样品在纵向从浅到深存在逐步增大的趋势(图3)：1 026m以前所有样品的TOC值均小于1.0%，有机质丰度较低，不适合作为页岩气勘探与开发的有利层段；从1 026～1 087m，页岩样品的TOC值都达到1.0%以上，其中1 065～1 087m页岩样品的TOC值分布在2.02%～7.06%，平均值3.61%，可划分为有利层段。

图3 牛蹄塘组页岩TOC含量随深度变化分布图Figure 3 Niutitang Formation shale TOC contents variation distribution with depth

2.1.3 有机质成熟度

桑页2井牛蹄塘组样品测试结果：镜质体反射率分布介于0.54%～3.42%，平均值为1.47%(图4)。根据测试结果来看，一半的样品处于成熟阶段或过成熟阶段，三分之一的样品则处于过成熟阶段。表明桑植地区牛蹄塘组页岩样品处于高-过成熟的阶段，热演化程度较高。另外根据热解峰温值测定结果显示，桑页2井牛蹄塘组样品数值分布介于424.2～447.9℃，平均值438.2℃。其中，87.5%的样品达到了烃源岩为成熟生油阶段(图5)，同样反映了页岩的较高的演化程度。

图4 桑植地区牛蹄塘组页岩Ro分布图Figure 4 Sangzhi area Niutitang Formation shale Ro distributions

图5 桑植地区牛蹄塘组页岩热解峰温分布图Figure 5 Sangzhi area Niutitang Formation shale pyrolysis temperature peak distributions

2.2 矿物组成特征

根据黏土矿物及全岩X-射线衍射测定结果显示，桑植地区牛蹄塘组页岩样品的矿物成分以石英、长石、黏土为主。其中：石英为15%～57%，平均值为49.3%；黏土矿物为4%～26%，平均值为19.7%；长石为0%～24%，平均值为16.5%；碳酸盐岩(方解石+白云石)质量分数为0～70%，平均值为10.9%；黄铁矿的质量分数为0%～6%，平均值为3.1%；菱铁矿的质量分数为0%～7%，平均值为2.6%(图6)。黏土矿物以伊蒙混层，伊利石，绿泥石为主。伊利石含量较高，质量分数为31%～75%，平均值为44.5%；伊蒙混层矿物质量分数为21%～48%，平均值为35.4%；绿泥石质量分数为4%～33%，平均值为20.1%(图7)。

图6 牛蹄塘组页岩全岩矿物组成分布图Figure 6 Niutitang Formation shale whole rock mineral components distribution

图7 牛蹄塘组页岩黏土矿物组成分布图Figure 7 Niutitang Formation shale clay minerals distribution

2.3 储集空间特征

2.3.1 页岩储集空间类型

页岩的组成除了包含颗粒、孔隙、胶结物等与常规储层相同的构成之外，同时还额外增加了有机质[10]。本次研究按照其形成原因和展布形态，针对桑植地区，划分了牛蹄塘组中发育的黑色页岩的储集空间类型(表2)。

表2 页岩储集空间分类表Table 2 Shale reservoiring space classification

2.3.1.1 无机孔

无机孔主要是指发育在无机矿物内部孔隙、颗粒间和晶体间的微小孔，根据实验观察，研究区无机孔主要存在两种类型：粒间孔和粒内孔(图8)。

(1)粒间孔。通过扫描电镜观察，粒间孔在研究区页岩内较为发育，主要包括颗粒间孔隙、晶体间孔隙及刚性矿物边缘孔隙。颗粒间孔隙形状各异，孔径较小，大量存在于页岩储层中。桑植地区晶体间孔隙可以分为黏土矿物晶间孔及黄铁矿晶间孔两大类。黏土矿物晶间孔主要在伊利石、伊蒙混层等片状黏土矿物间。此外，研究区页岩储层发育较多的黄铁矿， 尤其是莓状黄铁矿矿物晶体有以三角形以及其他多边形为主的孔隙，这些孔隙半径较小，主要是纳米级别，有的时候被黏土矿物所充填，使得连通性变差；刚性矿物边缘孔隙一般存在于刚性矿物如石英、长石等矿物与黏土矿物等塑性矿物之间，主要是由两者在相同构造压实等作用下致使变形程度不同，从而发育又大量岩颗粒边缘分布的孔隙。

图8 桑植地区牛蹄塘组页岩扫描电镜照片Figure 8 Sangzhi area Niutitang Formation shale SEM photos

(2)粒内孔。研究区牛蹄塘组页岩中可分为溶蚀孔和铸模孔，这些孔隙都是发育在矿物颗粒内部。与此同时，页岩样品中多见黄铁矿铸模孔，这些孔隙主要是在溶解作用下黄铁矿分解从而在塑性矿物中保存了原来形状的孔隙，大多呈现原来黄铁矿固有形状，孔径有大有小，大多独立分布，从而导致连通能力变差。

2.3.1.2 有机孔

电镜下观察桑植区块牛蹄塘页岩样品，有机质呈填不规则形状，含量较大，但与之联系的有机质孔隙却不十分发育，形状上以圆形或者圆形的变形结构为主，大小不一，从几个纳米到几百个纳米再到几个微米的有机质孔都有所显示(图8)。

与此同时，桑植区块牛蹄塘组页岩中大多数生物孔是不易腐烂的生物的钙质外壳所形成的类似于生物骨架间的孔隙。孔隙较大，微米级别，不过数量少且分布上较为独立，不利于甲烷分子渗流。

2.3.1.3 微裂缝

研究区牛蹄塘组页岩样品中微裂缝主要发育有构造缝和层间缝，长度上一般延伸较远，大部分未被充填，开度的规模不一，少量被黏土矿物和有机质充填。其次，还观察到沿有机质周围及有机质内部发育的微裂缝，其原因可能是由于有机质热演化或成岩收缩作用而形成(图8)。

2.3.2 储集物性

储集物性主要包含孔隙度和渗透率两个关键参数，是用来评价储层特征的重要参数，根据测试结果显示，桑植地区牛蹄塘组页岩样品孔隙度为1.53%～4.52%，平均值为3.03%，美国五大主要页岩气盆地孔隙度分布为3%～14%，平均为7%，与其相比略低。渗透率为0.000 04～0.000 99mD，平均值为0.000 16mD，渗透率极低，但目前页岩气的开采多借助于射孔压裂进行后期改造，故对本区页岩气的开采影响不大。

2.4 孔隙结构特征

2.4.1 孔隙结构类型

本次采用IUPAC的四分法对桑页2井样品的孔隙结构进行划分。但是，由于页岩中存在的孔隙类型和孔隙结构往往复杂多样，低温氮吸附的吸附回线对比孔隙类型的模型所得的结果仅仅能够表明该页岩样品中以某一类型的孔隙为主。另外，根据测试结果所得的低温氮吸附回线，其特征并不能够与某类型曲线完成重合，往往是多种类型曲线的特点相互叠加的结果。

利用样品低温氮吸附的吸附回线，通过与IUPAC四分模型的对比可以发现，所有样品的吸附回线均与H3型相类似(表3、图9)，表明桑植地区页岩均已似片状颗粒组成的非刚性聚集体槽状孔为主，具有较好的连通性，有利于气体的运移。形成这种类型孔隙的原因可能是受到微裂缝的影响。

表3 桑植地区牛蹄塘组页岩孔隙结构类型Table 3 Sangzhi area Niutitang Formation shalepore structure types

2.4.2 孔隙结构特征

根据孔隙结构参数分布图可以看出(图10)桑植地区牛蹄塘组页岩样品总孔体积分布介于11.55×10-3～16.73×10-3cm3/g，平均为值13.95×10-3cm3/g。比表面积分布介于13.818～11.765m2/g，平均值为8.581m2/g。平均孔径介于15.260 2～13.260 8nm，平均值为6.985 3nm。BJH最可几孔径分布介于14.068～4.198nm，平均值为4.135nm，表明本次采集的页岩样品中，孔隙孔径主要分布在4.068nm至4.198nm，孔隙以中孔为主。

根据孔容-孔径分布曲线的变化形态可以看出(图11)，整体呈现为单峰的形态类型，单峰主要分布在3～5nm的孔径范围内，表明桑植地区牛蹄塘组样品在本区间的孔隙，对页岩样品总孔隙体积的贡献为最大，根据测算，该区间的孔隙几乎提供了页岩样品总孔隙体积的65%以上。因此可以推断，桑植地区牛蹄塘组黑色页岩，其孔径以3～5nm的中孔为主，与之前的结论相吻合。

图9 桑植地区牛蹄塘组页岩吸附曲线Figure 9 Sangzhi area Niutitang Formation shale adsorption curve

图10 桑植地区牛蹄塘组页岩孔隙结构参数分布图Figure 10 Sangzhi area Niutitang Formation shale pore structure parameters distribution

2.5 等温吸附特征

页岩气气藏以吸附气为主，为估算吸附气量，针对桑植地区页岩样品等温吸附测试的结果显示：兰石体积介于0.13～5.13m3/t，平均值为1.32m3/t；兰氏压力分布在0.39～2.83MPa，平均值为4.16MPa(表4)，表明桑植地区牛蹄塘组页岩吸附能力较强。

表4 桑植地区牛蹄塘组页岩等温吸附数据表Table 4 Sangzhi area Niutitang Formation shale isothermaladsorption data sheet

图11 桑植地区牛蹄塘组页岩孔径分布图Figure 11 Sangzhi area Niutitang Formation shale pore sizes distribution

对牛蹄塘组等温吸附曲线分析可以发现，整体表现为相似的形态特征，根据等温吸附曲线不同的曲率及吸附量数值，可初步划分为三个阶段(图12)：

图12 桑植地区页岩等温吸附曲线Figure 12 Sangzhi area Niutitang Formation shale isothermal adsorption curve

第一阶段：压力<1MPa，此阶段样品对气体的吸附量快速增加，总吸附势为所有阶段的最大值，按照侯晓伟(2016)[11]的定义，在此时的页岩样品在整个吸附过程中处于“饥饿期”。

第二阶段：1MPa<压力<10MPa，此阶段样品对气体的吸附量增加速度逐渐的降低，页岩中的孔隙逐步的由“饥饿状态”向饱和状态过度，由于部分微孔优先达到饱和状态，导致吸附总量增加缓慢。

第三阶段：10MPa<压力，在此阶段，多数孔隙对气体的吸附量逐步变为饱和状态，总吸附势一般为所有阶段的最小值，伴随压力的增加，按照正常理论推算，总气体吸附量微量增加或者不在产生变化。

但是曲线的变化情况来看， 部分样品的吸附总量在达到高值后，反而有降低的趋势，推测为压力达到一定水平后，对气体体积造成了压缩，但具体的原因还需进一步的分析研究。

3 页岩气有利区预测

参照北美及四川盆地海相页岩气的勘探开发经验，根据《页岩气地质评价方法》GB/T31483-2015附录B.1的下限标准，选取厚度大于30m、TOC大于2%、Ro大于1.1%、埋深适中、黏土含量小于30%、脆性矿物含量大于40%的区域，结合目标层系展布及构造发育情况，得出湖南桑植地区牛蹄塘组层有利区：牛蹄塘组黑色页岩有利范围主要位于岩屋口向斜西部斜坡。有利区内黑色页岩厚度大，埋深适中，离东部一级断裂位置较远，断裂总体不发育，地层相对稳定，倾角5°～20°，资料品质较好。(图13)

图13 桑植地区牛蹄塘组页岩有利区预测图Figure 13 Sangzhi area Niutitang Formation shale gas favorable areas prediction

4 结论

湖南桑植地区牛蹄塘组页岩干酪根的类型以Ⅰ型干酪根为主，有机碳含量均在3%以上，为好-很好的页岩气源岩；镜质体反射率Ro平均值达到3.6%，达到了高成熟至过成熟阶段。页岩石英平均含量为45.2%，平均黏土矿物含量为29.6%，平均脆性指数为69%，具备良好的可压裂性；孔隙度平均为8.6%，渗透率平均为437nD。页岩多种裂隙发育，连通性好。页岩兰氏体积平均体积为2.24 m3/t，整体吸附能力较高。

湖南桑植地区从物源、储集、运聚和保存等方面，结合构造特征、地层倾角、断裂分布位置等多方面考虑，有利范围主要位于岩屋口向斜西部斜坡，断裂不发育，地层形变较小，保存条件相对较好。有利区内黑色页岩厚度大，埋深适中，离东部一级断裂位置较远，断裂总体不发育，地稳定，倾角5°～20°，资料品质较好，具有进一步勘探开发的潜力。