湖南永顺区块龙家寨向斜龙马溪组页岩地化特征及页岩气资源潜力评价

曾帆

摘要：湖南永顺区块内龙家寨向斜志留系龙马溪组页岩为深水陆棚沉积环境，具有页岩气成藏和保存条件，在X井的钻探过程中，运用油页岩综合评价仪分析岩心样品的实验方法，获得了TOC值，Tmax等参数，分析可知有效页岩有机质类型为Ⅰ型，且已经成熟演化，计算得生气强度为9×10m/km，利用成因体积法计算得该向斜页岩气总地质储量为288×10m，资源丰度类比法计算总地质储量为87×10m。

关键词：永顺;龙马溪;地化;页岩气;储量

前言

页岩气是以热成熟作用或连续生物作用为主以及两者相互作用的聚集在烃源岩中的天然气以吸附或游离状态存在于暗色泥页岩或高碳泥页岩的天然气聚集，表现为典型的烃源岩层内就近聚集“原地成藏”模式。自从2012年3月3日，国家发展改革委、财政部、国土资源部、国家能源局正式发布《页岩气发展规划》以来，基本完成全国页岩气资源潜力调查与评价，建成了涪陵国家页岩气示范区，湖南永顺区块与涪陵类似，在志留纪时期沉积了很厚的龙马溪组页岩，但是目前对永顺区块龙马溪组的页岩气资源量的评价、页岩气形成与保存条件和“甜点区”预测的基础地质研究较少。本文利用X井的钻井、录井原始资料和页岩地化分析测试，分析永顺区块龙家寨向斜龙马溪组烃源岩地化特征，并与A井，B井对比，为永顺区块页岩气资源量的评价提供理论依据。

1 区域概况

1.1 地理特征

湖南永顺页岩气区块位于湖南省西北部湘西土家族苗族自治州永顺县，东邻张家界市，西邻龙山县、保靖县，面积982.23km。永顺区块西部地区以发育山地地貌为主，海拔300～1000m，高差较大;东部地区以小丘陵和向斜谷地地貌为主，海拔450～650m。

1.2 区域构造概况

湖南永顺页岩气区块位于中扬子地块湘鄂西冲断褶皱带“桑植-石门复向斜带”的西南部，整体以发育具复杂结构的挤压逆冲构造为特征。受印支—燕山期区域挤压应力作用的控制，全区以发育北北东向展布的褶皱构造为主，由东南向北西方向依次分布贺虎-摇湾背斜、青安坪向斜、沙坝-也庄背斜、龙家寨向斜、盐井-首车背斜、马蹄寨向斜6个次级构造单元裂。X井位于永顺区块西部龙家寨向斜，该向斜呈北东向展布，呈近对称结构，向斜核部平缓，翼部较陡。地表出露地层产状西翼为12～15°，东翼为9～12°，西翼产状略陡于东翼。向斜在工区内长轴方向约33km，短轴方向约20km。地层分布相对较稳定，断裂发育较少，以發育逆冲断层为主。

1.3 地层特征

地层发育较全，除加里东晚期区内隆升缺失上志留统和下泥盆统，其他地层均有发育，其中下志留统龙马溪组大多与下伏上奥陶统平行不整合接触。晚奥陶世—早志留世，扬子地区海域多为半封闭滞流海沉积环境，龙马溪组下段发育黑色碳质泥页岩（有时含硅质），含有微粒黄铁矿和笔石化石。上段为灰色、黄绿色泥页岩、粉砂质页岩、粉砂岩，有时夹薄层砂岩或团块状泥质灰岩。其中，下段黑色页岩是主要目的层段。

2 实验方法

在地质历史时期，烃源岩经过长时间的演化生成烃类。在现实中对烃源岩进行生烃模拟，无法对时间进行模拟，则通过提高温度加快有机质演化来补偿有机质自然演化所需要的时间。油岩综合评价仪利用时-温互补的原理模拟有机质的演化过程，记录不同温度下烃源岩的生烃量，以对烃源岩进行相应的评价，将岩样粉碎后称取 100 mg，把其中一份岩样先在 380 ℃下恒温预热，直至不再产生烃类，岩样中的干酪根在此温度下瞬间不会热解生烃，热蒸发测定岩石中的游离烃量;然后，把经过恒温加热的岩样程序升温至 600 ℃，以测定该岩样的剩余热解烃量，直接测取的参数有S，S，S，S，Tmax。

3 有机地球化学特征

3.1 有机质的丰度

页岩气作为一种典型的非常规天然气，其页岩的有机化学性质是控制页岩气成藏的关键内在因素之一。页岩有机质丰度、有机类型、热演化程度是单位体积内页岩气生成的物质基础。TOC含量是衡量岩石有机质丰度的重要指标，通常有机质含量越高，生烃能力越高，吸附甲烷气的能力也越强.聂海宽等曾发现黑色页岩在有机碳质量分数为5%和10%时的吸附气量分别是有机碳质量分数为2%时的2.6倍和5.5倍。可见，有机碳含量是控制页岩气含量的主要因素。而湘西北下志留统龙马溪组有机碳含量变化大，X井49个页岩样品中有机碳质 量分数最高达到2.9%，最小值仅为0.19%，平均为1.24%。

实验室现在所测的有机碳含量只是烃源岩生烃后残余的有机碳含量，因此用页岩残余有机碳的含量评价有机质丰度。

根据X井龙马溪组下部49块岩心样品实验分析结果统计，有机碳含量最小为0.19%，最大为2.9%，平均值为1.24%。并且具有自上而下有机碳含量逐渐增加的趋势，从井深2524.00-2532.00米有机碳含量开始明显抬升，最小0.19%，最大0.85%，平均0.43%，自2532.00米开始到龙马溪组底界（2548.50米），有机碳含量成跳跃式增长，最大高达2.9%，平均1.63%。由此可见，X井富含有机质页岩分布于龙马溪下部。

与A井对比，整体有机碳含量略有抬高，但和B井对比，整体偏低。

参照有机质丰度评价标准，本井龙马溪组下部页岩的可定判定为好的烃源岩类型。前人研究认为，在中国南方海相地区，残余有机碳含量达到1%可以作为页岩气的有效层段，以此结论统计可得X井有效页岩厚度为16.50m。

3.2 有机质的类型

南方志留系龙马溪组页岩的演化程度高，镜质体反射率（Ro）分布在 2.3%～3.5%，表明其处于高—过成熟阶段。由于在热演化过程中，干酪根不断降解脱氢、脱氧，导致碳元素相对富集，使得干酪根的成熟度级别“降低”。不同类型干酪根的成烃潜力有很大差别，产物性质也不同。对于页岩气而言，干酪根类型还关系其成藏机理及勘探思路的确定。因此，在页岩气勘探开发及油气资源评价中，正确判别干酪根的类型有着重要的意义

早古生代，全球范围内缺乏高等植物，干酪根的生物主要来源于低等水生生物、浮游动物。湘西北地区下志留统龙马溪组沉积颗粒细，富含笔石，为强还原环境。根据计算结果表明，X井井段从井深2524.00-2532.00米D指数为35%，表现为为II型腐殖腐泥干酪根的特征，自2532.00米-2548.5米D指数为80%，表现为为I型腐泥干酪根特征。

3.3有机质成熟度

干酪根的镜质体反射率是最直观的表征有机质成熟度的参数。针对龙马溪组页岩缺乏镜质组的情况下，可通过利用测定热解烃峰（S）峰顶温度Tmax值判断烃源岩成熟度，Tmax值是随成熟度的增高而增大。X井龙马溪组49个烃源岩样品的Tmax为433.00°～554.10°，平均为500.36°，总体而言，研究区龙马溪组页岩有机质进入过成熟演化阶段，以生成干气为主。X井位于龙家寨向斜轴部，因此分析结果在区域上具有的代表性。

4 页岩气资源潜力评价

4.1 有效页岩的生气强度

页岩有机质生成的天然气是页岩气成藏的物质基础，页岩气藏是泥质烃源岩中天然气排烃之后的残余原生气藏。页岩有机质生气强度计算涉及的主要参数为有效页岩厚度、页岩的岩石密度、TOC和有机质的产烃率。根据测井和分析化验资料，页岩的岩石密度平均值为2.60t/m。研究表明，腐泥型干酪根气态烃产率平均值为575.00m/t，本井页岩有效厚度为16.5m，残余有机碳含量平均值为1.63%。

有机碳产气率计算页岩气生气强度公式如下：

Q = H× ρ ×C ×D×1000/（1000-D）×10

式中：H为有效页岩厚度，m;ρ为页 岩 的密度，t/m;C 为页岩残余有机碳含量，%;D为原始有机质气态烃产率，m/t;Q 为生气强度，10m/km。

可以看出，X井龙马溪组有效页岩生气强度与永页1井相当，为（9-10）×10m/km，在涪陵页岩气示范区，龙马溪组有效页岩的生气强度较高，可达60×10m/km以上。

4.2 资源量估算

永顺区块龙马溪组页岩气勘探程度较低，故本文采用静态法中的成因体积法与体积丰度类比法，估算研究区龙马溪组有效页岩的天然气资源量。

体积成因法是目前国内使用最普遍的方法。计算公式如下：

Q=0.01×Q×S×（100-Kp）

式中：Q为页岩气资源量，10m;Q为有效页岩生气强度，10m/km;Kp为页岩的排烃系数，%;S为有效页岩分布面积，km。

成因体积法估算页岩气资源量的关键参数是排烃系数。国内外学者关于页岩研究结果的统计表明，高-过成熟页岩的排烃系数一般在50%以上。研究区龙马溪组下部有效页岩的页岩单层厚度较小，参考涪陵龙马溪组下部有效页岩平均排烃系数取值 90%，本区块取值80%，永顺龙家寨向斜龙马溪组一类有利区面积为152km。计算得研究区页岩气资源量为288×10m。

资源丰度类比法是勘探开发程度较低地区常用的方法，也是一种简单快速的评价方法。简要过程是：首先确定评价区页岩系统展布面积、有效页岩厚度、评价区页岩吸附气含量等关键评价参数;需要考虑到吸附气和游离气的含量，但为了简便，不用仔细计算游离气的含量，以岩心解析后产生的气量加上损失气量的值作为计算参数，A井解析0.59m/t的含气量，C井解析1.69m/t的含气量，X井解析1.34m/t的含气量，王世谦等（2013）对四川盆地南部五峰组-龙马溪组及北美地区多套页岩气的含气量进行统计分析，指出随着页岩埋藏较深、储层压力产生异常高压时，页岩含气量也随之而升高。由于A井龙马溪组页岩仅530.00m埋深，虽然具有生烃能力，可是保存条件差，本井龙马溪组有效页岩埋深达2532.00m，具有代表性。

类比法的计算公式如下：

Q=S×H×ρ ×Q×10

式中：S为有效页岩面积，km，H为有效页岩厚度，m，ρ为页岩密度，t/m，Q为页岩气含气量，m/t，Q为资源量，10m。计算得研究区页岩气资源量87×10m。

5 结论

（1）永顺区块龙家寨向斜龙马溪组下部页岩可定判定为好的烃源岩类型，有效页岩层段表现为为I型腐泥干酪根特征，有利于页岩气的生成。

（2）研究區龙马溪组下部页岩Tmax值平均为500.36°，有机质进入过成熟演化阶段，以生成干气为主。

（3）研究区龙马溪组下部有效页岩生气强度为9×10m/km，与涪陵区块对比，相对偏低，页岩气总地质储量为（87-288）×10m，具有商业开采价值。

参考文献：

[1]卢双舫，张敏.油气地球化学[M].北京：石油工业出版社，2008，23～26.

[2]张琴，王洪岩，拜文华等.南方海相志留系页岩有机质类型恢复研究[J].断块油气田，2013，20（2）：155.

[3]范二平，唐书恒等.湘西北下志留统龙马溪组页岩气成藏条件及勘探潜力分析[J].西安石油大学学报（自然科学版），2014，29（4）：18-19.

[4]李延钧，刘欢，刘家霞等.页岩气地质选区及资源潜力评价方法[J].西南石油大学学报（自然科学版），2011，33（2）：33.

[5]付亚荣.中国页岩气发展现状及前景展望[J].石油地质与工程，2013，27（6）：20.

[6]聂海宽，张金川.页岩气聚集条件及含气量计算[J].地质学报，2012，86（2）：349-361.