郴耒凹陷龙潭组页岩气基本地质特征

2020-09-22曹晖，姜文，钟响，熊雄.

非常规油气 2020年4期

曹晖，姜文，钟响，熊雄.

(1.湖南省煤田地质局油气勘探队，湖南长沙 410114；2.湖南省地质调查院，湖南长沙 410116)

随着全球各国对非常规油气资源的重视及相关技术的突破，页岩气已成为各国能源结构中的新宠[1-4]。页岩气系指泥页岩地层中以游离态或吸附态等形式聚集的天然气，具有地层饱含气、运移距离短、自生自储、成藏隐蔽等特征[5-6]。

我国页岩气资源丰富，形成地质条件复杂，具有层系分布广、成因类型多、后期改造复杂等特点[5]。作为我国南方海相页岩气重点区域，郴耒凹陷上二叠统龙潭组勘探程度较低，且龙潭组常作为湖南省主力煤层来开采，对其可能含有的页岩气没有充分关注。本文通过野外地质调查、剖面实测、样品实验、钻孔对比分析等手段，研究了该区沉积特征、页岩气形成条件、储层物性特征，探讨了郴耒凹陷龙潭组页岩气的成藏潜力，为该区下一步勘探开发奠定理论基础。

1 地质背景

郴耒凹陷位于扬子地块与华南地块结合带，其西北以长寿街—双牌断裂带为界与衡山隆起带相接，东部以茶陵—临武断裂带为界与华夏褶皱带相接，西南部为宁江凸起[7](图1)。由于受长期多旋回构造叠加，区内构造复杂，褶皱、断裂均发育，岩浆活动频繁。构造线方向多呈南北向，在北部偏向北北东向。向斜宽缓，背斜较紧密，呈隔挡式构造。

图1 郴耒凹陷构造纲要简图Fig.1 Structural outline of Chenlei depression

研究区地层发育较为齐全，中元古界至新生界均有出露。其中，早二叠世为台地相碳酸盐沉积，中二叠世为台盆—开阔对地相硅质、碳酸盐沉积，晚二叠世早期为三角洲—沼泽、潟湖相含煤碎屑沉积，晚期为台盆相硅质夹碳酸盐沉积。自下而上可划分为栖霞组、小江边组、孤峰组、龙潭组、大隆组或吴家坪组。

二叠世后，研究区先后经历了早三叠世—中三叠世早期前造山阶段、中三叠世后期—中侏罗世初陆内造山阶段、中侏罗世早期—晚侏罗世后造山阶段及白垩纪板内裂谷阶段等4 个地质阶段，形成了大量断裂构造和岩浆活动，致使二叠纪地层受到不同程度的破坏。

2 沉积特征及展布

2.1 岩性及岩相组合特征

通过对野外剖面及钻孔岩心观测，将研究区龙潭组划分为上、下两段。下段主要由深灰色、灰绿色细粒石英砂岩、粉砂岩和粉砂质泥岩为主，夹有黑色泥岩、碳质泥岩，常见菱铁质结核和条带；上段主要为长石石英砂岩、碳质泥岩、砂质泥岩、粉砂质泥岩、碳质硅质页岩、碳质泥灰岩及煤层。

岩相组合指示沉积环境变化，也是预测煤层发育情况的主要依据[8]，收集对比该区钻孔资料[9-10]，将该地区岩相组合分为以下4类(图2)。

图2 晚二叠世龙潭组岩相组合类型Fig.2 Types of lithofacies of Longtan formation in the Late Permian

岩相组合A：厚煤层、厚碳质页岩及细砂岩组合，为龙潭组潮坪相成煤环境。碳质泥岩，呈灰黑色薄层状，水平层理，略污手。煤层，黑至黑灰色，半暗型，结构简单。中厚层状细砂岩，灰白至土黄色，分选较好，楔形、交错层理。

岩相组合B：厚层细砂岩和厚煤层组合，为龙潭组三角洲相，分流河道之上，分流间湾发育的沼泽环境。细砂岩，灰色，中厚层状，水平层理，硅质、泥质胶结。煤，黑色，块状为主，半亮型煤。

岩相组合C：厚层钙质泥岩和薄层粉砂岩、细砂岩组合，局部地区细砂岩之上发育一薄煤层，为龙潭组上段上部水逐渐变深，三角洲相过渡为浅水陆棚相的沉积环境。碳质泥岩，上部夹硅质灰岩，灰—灰黑色，为薄层状，具水平层理，底部见较多瓣鳃类、腕足类化石，含较多黄铁矿结核。细砂岩，灰—浅灰色，薄—中厚层状，波状交错层理，黑色泥质线纹，含云母等其他矿物。

岩相组合D：厚层中砂岩、粉砂岩和可采煤层的组合，为龙潭组上段下部三角洲相沉积组合。煤，黑色，块状为主，半亮型煤。砂岩，浅灰—灰白色，粒度中等，薄—中厚层状，平行层理，局部可见交错层理，矿物成分主要为石英、长石，钙质、硅质胶结，含少量绿色矿物。

2.2 沉积环境特征

根据钻孔资料、勘探报告及野外岩芯的观察，编制了晚二叠世不同时期的沉积相图(图3)，共分为3个层序期次：

(1)层序Ⅰ沉积期：晚二叠世早期，龙潭组上段底部地层。总体为三角洲沉积(图3a)，主要发育三角洲相沉积，可见前三角沉积、三角洲前缘沉积及三角洲平原中的分流河道、分流间湾沉积。

(2)层序Ⅱ沉积期：晚二叠世中期，随着海侵向北东迁移，水深逐渐增加，研究区西部浅海陆棚范围也随之增大，东部大部分区域处于潮坪环境之中(图3b)。

(3)层序Ⅲ沉积期：晚二叠世晚期，随着海侵进一步扩大，整个研究区基本处于浅海陆棚环境，仅在南部贵阳和北部攸县一带为滨浅海沉积(图3c)。浅海陆棚非常有利于生物聚集繁衍，有利于有机质的聚集。

图3 郴耒凹陷上二叠统龙潭组沉积环境Fig.3 Sedimentary environment of the Upper Permian Longtan formation in Chenlei depression

3 页岩烃源岩特征

3.1 页岩分布特征

页岩气的形成以泥页岩广泛分布为基础，泥页岩沉积厚度则是保证足够的有机质及充足的储集空间的前提，沉积厚度越大，页岩的封盖能力则越强，越有利于气体的保存[11-13]。本文统计了郴耒凹陷13个煤田的45个钻孔数据(图4)，数据显示上二叠统龙潭组黑色页岩非常发育，出露多，分布面积广。其黑色页岩主要分布于鲁塘—袁家—华堂铺和攸县—衡东一线。从图4中可以看出，龙潭组在鲁塘地区为210 m，袁家为100 m，华塘附近为150 m，总体南边厚，北边薄。除出露区部分剥蚀之外，区域厚度变化主要受沉积相带的控制，由湘北台地边缘向湘南盆地沉积逐渐变厚。

图4 郴耒凹陷上二叠统龙潭组泥页岩厚度等值线图Fig.4 Mud shale thickness contour map of the Upper Permian Longtan formation in Chenlei depression

3.2 有机质丰度

湘中—湘东南龙潭组下段，主要岩性有泥岩、砂质泥岩、粉砂质泥岩、粉砂岩、细粒砂岩、中粒砂岩及煤层等，烃源岩厚度平均可达230 m。沉积环境属于滨外陆棚、潮坪、三角洲、古陆等。取样分析结果表明，有机碳含量最高可达3.23%，一般为0.42%～2.30%，品质较好(表1、图5a)。TOC等值线显示，TOC数值有利区主要发育在马水、街洞和鲁塘等地。

表1 龙潭组泥页岩有机地球化学数据统计表Table 1 Statistical data of organic geochemistry test of mud shale samples from Longtan formation

3.3 有机质成熟度

通过对区内湘中烃源岩反射率统计，湘中涟邵地区Romax值最小值在廉桥地区为0.9%，在邓家铺地区高达5.43%；郴耒地区较涟邵地区Ro值大幅度增加，为1.24%～5.97%，平均为2.80%。整个湘中—湘南地区镜质体反射率均大于0.6%，总体属于处于高—过成熟阶段，以生气为主(表1、图5b)。

3.4 有机质类型及特征

生油岩有机质主要有腐泥型(Ⅰ类)、混合类(Ⅱ类)和腐殖型(Ⅲ类)三类[14-16]。Ⅰ型干酪根多由富含蛋白质、类脂体的低等水生生物生成，如藻类、细菌，大部分为海相或陆相深水湖泊环境，可产大量油气；Ⅱ型干酪根多由混合有机质生成，如孢子、花粉、浮游生物、微生物等，大部分为陆相深水—半深水湖泊，利于油气的生成；Ⅲ型干酪根由陆地高等植物，如木质素、纤维素等生成，以气体为主[17-18]。

郴耒凹陷二叠系上统龙潭组下段岩性以泥页岩、砂质泥岩、粉砂岩为主，沉积环境主要有广海潮坪、障壁潮坪以及浅深海环境，有机质干酪根主要为Ⅰ型(腐型)和Ⅲ型，局部有富含基质镜质组、腐泥组和壳质组的Ⅱ型干酪根(表1)。

4 页岩储层微观孔隙特征

为探讨该区块页岩储层微观孔隙特征，本次研究首先通过扫描电子显微镜定性观察页岩孔隙、裂隙形态特征，之后运用压汞实验和低温氮吸附实验定量分析页岩样品的孔隙、裂隙信息，进而探讨页岩气的生储潜力。

4.1 扫描电镜下页岩的微观孔隙特征

扫描电镜结果显示，上二叠统龙潭组黑色页岩裂隙发育，以微裂隙为主，此外还见有溶蚀缝、粒间缝、挤压裂缝、镜质组收缩裂缝、类镜质体缝、片状伊利石晶间缝等(图6)。

图6 龙潭组泥页岩样扫描电子显微镜下裂缝的形态Fig.6 Fracture morphology of Longtan formation shale sample under scanning electron microscopea.溶蚀缝；b.粒间缝；c.镜质组收缩裂缝；d.挤压裂缝；e.片状伊利石晶间缝；f.类镜质体缝。

上二叠统龙潭组页岩的孔隙度相对较小，一般无法用肉眼鉴别。扫描电镜下可观测到微孔(≥0.75 μm)和纳米级孔(<0.75 μm)[19-20]。本次研究借助扫描电镜观察上二叠统龙潭组孔隙类型有溶蚀孔、絮凝作用连通孔、均质镜质体内部孔、有机质气泡孔等(图7)。

4.2 基于压汞实验的页岩孔隙特征分析

上二叠统龙潭组泥页岩样压汞实验数据显示，其孔隙度在1.1%～4.8%之间，均大于1%，平均值为2.26%，孔隙度中等(表2)。实验数据也反映出了较高的退汞效率，样品退汞效率在30.33%～63.73%之间，平均值为50.35%，表明样品孔隙与喉道尺寸大小相对均匀，孔喉均一性较好，利于页岩气产出。

图7 龙潭组泥页岩样扫描电子显微镜下孔隙的形态Fig.7 Pore morphology of Longtan formation shale sample under scanning electron microscopea.溶蚀孔；b.絮凝作用连通孔；c.均质镜质体内部孔；d.有机质气泡孔。

表2 龙潭组泥页岩压汞及渗透率实验数据统计表[9]Table 2 Statistical data of mercury pressure test and permeability test of mud shale samples from Longtan formation

4.3 基于低温氮吸附实验的页岩孔隙特征

上二叠统龙潭组泥页岩样低温氮吸附实验结果(表3)显示，测试的9块样品比表面积值在0.464～3.123 m2/g之间，平均值为1.114 m2/g，反映出了较高的比表面积，有利于甲烷气体的赋存。总孔体积值在0.001 37～0.008 94 mL/g之间，平均值为0.003 94 mL/g，孔容体积较大，有利于页岩气的赋存。平均孔直径在7.629～11.450 nm之间，平均为14.940 nm，孔隙结构较好。