湘中涟源凹陷泥盆系佘田桥组海相致密泥灰岩气藏特征

吕 嵘，张保民，苗凤彬，张国涛，周 鹏，王 强

中国地质调查局武汉地质调查中心（中南地质科技创新中心），湖北武汉 430205

泥灰岩油气藏是一类特殊岩性的致密油气藏，也是当今全球油气勘探领域重要的勘探目标（赵贤正等，2015；梁宏斌等，2017）。例如，我国渤海湾盆地束鹿凹陷古近系沙河街组陆相致密泥灰岩油藏已成为华北油田油气勘探开发的重要领域，致密泥灰岩油藏资源量达2.3亿吨（赵贤正等，2014；崔周旗等，2015；刘哲等，2020；张锐锋等，2021）。北美墨西哥湾盆地白垩系海相鹰滩组页岩油藏主力产油层也属于致密泥灰岩储层，页岩油可采资源量达4.66亿吨（赵靖舟等，2011；邱振等，2015；张延山等，2015；刘文卿等，2016）。

湘中坳陷是中扬子地区的重要含油气区，经过多年勘查，在二叠系、石炭系、寒武系等多个层位均已取得油气勘探突破（苗凤彬等，2016；张国涛等，2016；田巍等，2019；陈孝红等，2022）；但该区的泥盆系油气勘探程度却相对较低，仅初步评价了泥盆系页岩气藏的特征（陈林等，2019,2020；吕嵘等，2020，2021；刘安等，2021）。近期，中国地质调查局武汉地质调查中心在湘中涟源凹陷实施了中扬子地区第一口泥盆系参数井湘新页1井，在该井泥盆系佘田桥组致密泥灰岩层段钻获工业油气流，其气层厚280 m，全烃值持续大于1%，最高10.2%，后效显示活跃，优选两段压裂试气，采用8 mm油嘴放喷，火焰高度1.8～2 m，日产气3517 m3，无阻流量12221 m3/d。湘中涟源凹陷泥盆系海相致密泥灰岩气藏的发现，为该类型油气藏在中扬子地区首次发现，对其进行深入研究，将进一步丰富我国致密油气勘探理论，也为南方海相非常规油气勘探提供了新的思路。

1 区域地质背景

湘中坳陷位于华南褶皱系北部，雪峰隆起东南缘，东邻衡山隆起，南接桂中坳陷，是晚古生代华南陆表海盆地在湘中残留的负向构造单元。湘中坳陷具有“三凹二凸”的构造格局，自北而南依次为：涟源凹陷、龙山凸起、邵阳凹陷、关帝庙凸起和零陵凹陷。涟源凹陷整体呈北西西向展布，沉积基底为前泥盆系，盖层从泥盆系到第四系均有发育，面积约6770 km2。区域地质构造以多期、多层次的层滑构造为主要特色，构造样式较复杂，可进一步划分为西部断褶带、中部褶皱带和东部褶皱带。参数井湘新页1 井（XXY1）和地质调查井湘新地1 井（XXD1）、湘新地3井（XXD3）均位于涟源凹陷西部断褶带内（图1）。

图1 湘中坳陷构造单元划分Fig.1 Division of structural units in Xiangzhong Depression

2 佘田桥组地层划分和对比

参数井湘新页1 井全井钻遇地层自上而下依次为：下石炭统测水组（C1c）、石磴子组（C1s）、天鹅坪组（C1t）、马栏边组（C1m）；上泥盆统孟公坳组（D3m）、欧家冲组（D3o）、锡矿山组（D3x）、佘田桥组（D3s）；中泥盆统棋梓桥组（D2-3q）、易家湾组（D2y）。其中，佘田桥组厚度大，累计达1461 m（深度：1109～2570 m）。

湘新页1井泥灰岩段集中在佘田桥组（D3s），结合岩性与测井响应特征，可将佘田桥组划分为上、中、下三段（图2）：上段（深度：1109～1508 m）以泥岩、灰质泥岩为主夹灰岩，伽马值(GR)整体呈现中-高值，为50～90 API，双侧向电阻率(LLD)整体呈现为低-中值，为30～100 Ω·m；中段（深度：1508～2103 m）以泥灰岩为主夹泥质灰岩互层，伽马值整体呈现低-中值，为20～75 API，双侧向电阻率整体为低-中高值，为30～800 Ω·m，其中1520～1537 m 深度为该井佘田桥组纯灰岩标志段（伽马值为10 API，双侧向电阻率为5000 Ω·m左右）；下段（深度：2103～2570 m）以泥岩、泥页岩、砂泥岩为主，伽马值整体呈现中-高值，为50～100 API，双侧向电阻率曲线呈锯齿状，整体为中值，为100 Ω·m左右；其中2486～2567 m深度有一套高伽马值的页岩，伽马值为100～130 API，为该井佘田桥组伽马最高值处，双侧向电阻率呈现明显低值，为4～20 Ω·m，是该井佘田桥组电阻率最低值处（吕嵘等，2021）。佘田桥组底界的灰质页岩与下伏棋梓桥组顶部泥质灰岩接触界面处的电性特征变化明显，表现为双侧向电阻率值明显升高、伽马值明显下降，据此可划定湘新页1井佘田桥组底界深度为2570 m。

图2 湘新页1井佘田桥组测井解释图（深度：1109～2570 m）Fig.2 Log interpretation of the Shetianqiao Formation in the well XXY1(depth:1109～2570 m)

在湘新页1井佘田桥组地层划分的基础上，与调查井湘新地1井和湘新地3井开展地层对比工作（图3）。虽然湘新地1井、湘新地3井佘田桥组上段有缺失，但中段顶部的标志层纯灰岩段(GR 低值)三口井均存在，可划分出佘田桥组中段的顶界面。佘田桥组中段底部泥灰岩存在伽马低值，与下段泥页岩高值伽马曲线呈突变关系，特征明显，可划分为其中段的底界面。三口井佘田桥组中段岩性组合均为纯灰岩之下的“上泥岩下泥灰岩”的特征，湘新页1井与湘新地1井的该套岩性组合伽马曲线特征为泥岩伽马高值，曲线平直，岩性稳定，与下伏泥灰岩含气段伽马曲线为突变接触，泥灰岩含气段伽马曲线为“箱型”，特征明显。而湘新地3 井的“上泥岩下泥灰岩”岩性组合曲线特征则呈现出较明显的“漏斗型”，为下细上粗的反旋回特征，反映出该时期湘新地3 井处于局部海退环境。湘新地1井钻至佘田桥组下段（砂岩段）已终孔。湘新地3井的砂岩段伽马曲线缺失，钻遇的粉砂岩岩性与湘新页1井一致，且其下部页岩段伽马曲线仍与湘新页1井特征可对比，与下伏棋梓桥组灰岩曲线特征差异明显。

整体而言，湘新地3 井、湘新地1 井和湘新页1 井佘田桥组地层展布稳定，岩电特征清晰，具有较好的可对比性，含气层主要集中在该组中段下部泥灰岩段，且厚度均大于150 m，含气特征明显。

3 泥灰岩成藏富集条件

3.1 岩石矿物组分

湘新页1井泥灰岩段矿物组分（表1）以碳酸盐矿物为主，质量百分比为6.9%～80.5%，平均57.2%；Q-F-M（石英+长石+云母）质量百分比为8.0%～46.8%，平均22.2%；黏土矿物质量百分比为8.1%～44.2%，平均13.5%；黄铁矿质量百分比为0.4%～2.9%，平均1.3%，泥灰岩段脆性矿物平均含量达到79.4%，有利于后期压裂成缝。

表1 湘新页1井泥灰岩段矿物组分表Table 1 Mineral composition table of Marl section in XXY1 well

3.2 烃源岩评价

（1）有机质类型

湘新页1 井佘田桥组泥灰岩干酪根显微组分存在2 种：腐泥组与镜质组，含量平均值分别为81.2%、18.8%，类型指数TI为39.9～80.2，以Ⅱ型为主，少量Ⅰ型。湘新地1 井泥灰岩段腐泥组含量为11%～82%，壳质组含量为8%～59%，类型指数TI为9～73，有机质类型主要为Ⅱ1、Ⅱ2型。湘新地3井腐泥组含量13%～81%，类型指数TI 为-3～87，有机质类型为Ⅰ、Ⅱ1、Ⅱ2型（表2）。

表2 湘中地区佘田桥组泥灰岩有机质类型一览表Table 2 List of organic matter types in marl of Shetianqiao Formation,central Hunan

（2）有机质丰度

湘新页1 井佘田桥组泥灰岩段TOC（有机碳）含量在0.55%～1.55%之间，平均0.95%。湘新地1 井和湘新地3 井佘田桥组泥灰岩TOC 含量略微不同，前者为0.17%～2.23%，平均0.74%；后者为0.13%～2.80%，平均0.64%。平面上佘田桥组泥灰岩生烃范围集中在新化以北的湘新页1 井区(图4)。

图4 湘中涟源凹陷佘田桥组泥灰岩段TOC平面分布图Fig.4 TOC distribution of the marl in the Shetianqiao Formation in Lianyuan sag,central Hunan

（3）有机质成熟度

岩石热解烃峰S2 峰顶温度Tmax值是判断烃源岩有机质成熟度的指标，Tmax＜432 ℃时属未成熟阶段，Tmax=[432，460]℃时为成 熟 阶段，Tmax=(460，490]℃属高成熟阶段，Tmax＞490 ℃时进入过成熟阶段。湘新页1井泥盆系佘田桥组泥灰岩段除了最顶部处于成熟阶段以外，其余大部分属于过成熟阶段（图5）。湘中地区泥盆系以海相地层为主，缺乏镜质体成分，通过等效沥青质换算Ro 主要介于2.7%～3.0%之间。湘新地1 井数据显示Ro 值为2.46%～2.65%，平均2.51%，湘新地3 井平均为2.47%，基本相当。

图5 湘新页1井佘田桥组地化Tmax分析结果图Fig.5 Geochemical Tmax analysis results of Shetianqiao Formation in well XXY1

3.3 储集空间特征

孔隙和裂缝是致密储层主要的储集空间与油气渗流通道，二者发育程度决定着储集层物性的优劣，并直接关系到气藏质量好坏与开发的难易程度。裂缝不仅是有效的储集空间，对渗流的贡献远大于孔隙，尤其是多期多角度裂缝构成的网状裂缝系统，对于连接纵、横向油气运移有重要贡献（殷红和潘泽雄，2012；徐国盛等，2013；赵迪斐等，2016；刘安等，2021；李海等，2022）。研究区内佘田桥组泥灰岩储集空间类型主要包括有机质孔、无机孔、微裂缝及岩心裂缝四种。

（1）有机质孔

研究区佘田桥组泥灰岩富含有机质，有机质孔均较为发育，主要为有机质在热演化过程中生排烃所形成的次生孔隙，孔隙载体主要为沥青质体，此外也有少量与生物化石有关的原生和次生孔隙，往往以蜂窝状分布于有机质内部，单个孔呈椭圆形、三角形或其它不规则形状，孔径相对较小，一般小于0.3 μm，少量可达微米级。尽管有机质孔隙直径较小，但其多密集发育，单个有机质上可能发育多达数十或数百个，这些孔隙相互间具有一定连通性，且可与基质孔缝相连通，对改善储集空间具有重要作用（图6）。

图6 湘新页1井佘田桥组泥灰岩段有机质孔隙发育特征Fig.6 Organic pores in the marl member of Shetanqiao Formation in well XXY1

（2）无机孔

该类型孔隙主要形成于有机质生排烃过程中，具有一定的连通性，其直径一般为0.01～1 μm，其对泥灰岩的吸附具有较大的控制作用。利用扫描电镜观察显示，研究区内泥盆系佘田桥组无机质孔在泥灰岩中普遍发育，主要包括粒间孔、晶间孔、溶蚀孔和铸模孔等(图7)，其直径变化大，从0.01～5 μm 不等。粒间孔多围绕颗粒边缘呈不规则状，主要为构造作用或不同矿物间差异压实作用形成，分布于碳酸盐矿物、黏土矿物、石英、长石等矿物颗粒之间，后期可能会被有机质、泥质等充填，佘田桥组片状黏土矿物间的孔隙在镜下最为常见，具有一定连通性；黄铁矿微球团颗粒之间或泥页岩黏土矿物集合体内的不同颗粒间常存在一些晶间孔，其大小与形态受矿物颗粒排列方式控制；黄铁矿、石英等矿物溶蚀或脱落后在有机质或黏土矿物内产生铸模孔；泥灰岩中溶蚀孔也较为发育，主要分布于泥灰岩、长石等矿物颗粒内部与颗粒间接触部位，多呈不规则相对孤立状，孔径为几十纳米至几十微米，可作为游离态气储集的空间。在挤压破碎带无机孔尤为发育，部分孔隙呈被石英等矿物充填或半充填状态。与有机质孔相比，无机孔更加分散，孔径更大。

图7 湘中佘田桥组泥灰岩无机质孔隙与裂缝类型Fig.7 Types of inorganic pores and fractures in the marl of Shetianqiao Formation in central Hunan

（3）微观裂缝

微观裂缝主要表征在扫描电镜下观察到的缝宽为纳米级、延伸为纳米-微米级别的裂缝，能够为致密储层提供重要的储集空间，同时可作为流体渗流通道。该区泥盆系佘田桥组泥灰岩微裂缝主要为层间缝、顺层缝与粒缘缝（图8），层间缝多形成于构造作用，呈直线或曲线状，多切穿不同矿物颗粒，以不同角度与层理斜交，一般宽度较大，延伸可达微米级，对改善页岩的储集空间与提供各类孔隙的连通性有重要贡献；顺层缝多与成岩作用或构造作用相关，如层理缝、收缩缝等，在顺层分布的片状矿物间也较常见，其宽度普遍小于层间缝。此外，粒缘缝在佘田桥组也较为常见，主要沿方解石等碳酸盐矿物或有机质边缘展布，为应力作用下矿物颗粒相互挤压、体积收缩或岩矿组分被溶蚀所形成。

图8 湘中佘田桥组岩石薄片中微观裂缝特征Fig.8 Micro-crack characteristics in thin slices of Shetianqiao Formation in central Hunan

（4）岩心裂缝

根据湘新页1井泥灰岩段岩心观察，佘田桥组泥灰岩段裂缝较为发育（图9），其中构造成因的裂缝以中、高角度缝为主，低角度缝较少，缝宽0.05～10 mm，部分被方解石、少量泥质及黄铁矿充填；此外岩心上也见一些顺层缝，多为层理缝或岩心上顺层泥质条带、纹层及早期方解石充填物界面等薄弱面开裂所形成。

图9 湘新页1井佘田桥组泥灰岩岩心裂缝特征Fig.9 Fracture characteristics of marl core of Shetianqiao Formation in well XXY1

4 泥灰岩含气性特征

从湘新页1井泥灰岩段裂缝、TOC和含气性关系图（图10）可以看出，湘新页1井泥灰岩含气段集中在底部（深度：1840～2100 m），厚280 m，全烃值1.06%～10.2%（泥浆密度1.28 g/cm3），全烃曲线饱满，形态显示垂向气水分异作用不明显，为典型致密气藏特征。泥灰岩含气性与孔隙裂缝发育的相关性一致，裂缝对含气性的控制作用明显，TOC与气显具有相关性，反映出自生自储的特征，上部纯泥岩段为直接盖层，形成自生自储型致密泥灰岩气藏（图11）。

图10 湘新页1井泥灰岩段裂缝、TOC与含气性关系图（深度：1840～2100 m）Fig.10 Relationship between fracture,TOC,and gas bearing property in marl section of well XXY1（depth:1840～2100 m）

图11 湘新地3井-湘新地1井-湘新页1井佘田桥组气藏剖面示意图Fig.11 Profile diagram of Shetianqiao Formation gas reservoir of well XXD3-XXD1-XXY1

平面上，湘新地3 井距离湘新页1 井7 km，泥灰岩储层厚度大于200 m，具有含气厚度大，岩性连续稳定的特征，反映出佘田桥组泥灰岩气藏在平面上具有较大的分布范围。裂缝为致密储层油气疏导的重要通道，并能有效改善储层物性，是含气性差异的主控因素。

5 与国外泥灰岩油气藏对比

国内渤海湾盆地束鹿凹陷沙河街组和国外墨西哥湾盆地鹰滩组均为泥灰岩储层，且已成为重要的油气勘探开发领域(张抗和张葵叶，2013；张林晔等，2014；秦长文和秦璇，2015；张延山等，2015；赵贤正等，2015；刘文卿等，2016；梁宏斌等，2017)。本文对涟源凹陷、束鹿凹陷和墨西哥湾盆地致密泥灰岩油气藏的沉积环境、矿物组分、储层厚度、地化特征、储集物性和矿物含量等方面进行了初步对比（表3），结果显示，湘中涟源凹陷泥盆系泥灰岩气藏具有埋藏浅、厚度大、地化指标好等特征，具有较好的勘探开发潜力。

表3 涟源凹陷-束鹿凹陷-鹰滩区块基本地质特征对比表Table 3 Comparison of basic geological characteristics of Lianyuan sag,Shulu sag,and Eagle Ford block

6 结论

（1）湘新页1井是中扬子地区第一口泥盆系参数井，佘田桥组泥灰岩段烃源岩TOC 平均值为1.3%，Tmax平均值为523 ℃，通过等效沥青质换算Ro为2.7%～3.0%，有机质类型以Ⅱ1为主，为过成熟阶段优质烃源岩。泥灰岩气藏层厚度280 m，全烃值持续大于1%，最高10.2%，采用8 mm 油嘴压裂试气产量3517 m3/d，计算无阻流量12221 m3/d。

（2）涟源凹陷泥盆系佘田桥组泥灰岩气藏为自生自储型致密气藏，具有埋藏浅、厚度大、分布稳定、生烃指标好、气显活跃等特征。与国内外同类型的渤海湾盆地束鹿凹陷沙河街组泥灰岩油藏和墨西哥湾盆地鹰滩组泥灰岩油藏基础地质条件的初步对比，反映湘中泥盆系佘田桥组泥灰岩气藏具有较好的勘探开发潜力。

（3）湘中涟源凹陷泥盆系海相致密泥灰岩气藏试气已获得工业气流。该类型在湘中地区为首次发现，其地质特征及规模仍需深入开展研究。该类型气藏的发现将进一步丰富我国致密油气藏勘探理论，也表明我国南方海相非常规油气勘查具有广阔的空间。