湘中和湘東南拗陷上古生界泥頁(yè)巖含氣性及其影響因素

徐國(guó)盛，張 震，羅小平，張 武，步少峰

（1.油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（成都理工大學(xué)），成都610059；2.中海石油（中國(guó)）有限公司 上海分公司，上海200030）

頁(yè)巖氣是指從頁(yè)巖層中開(kāi)采出來(lái)的天然氣，以游離相存在于天然裂縫與粒間孔隙中，吸附在干酪根或黏土顆粒表面，溶解于干酪根和瀝青里，表現(xiàn)為典型的“原地”成藏模式，是一種重要的非常規(guī)天然氣資源。頁(yè)巖氣在頁(yè)巖中的賦存狀態(tài)以游離態(tài)和吸附態(tài)（20%～80%）為主，以及相對(duì)少量的溶解態(tài)（5%）。游離態(tài)氣體主要存在于裂縫和孔隙中；吸附態(tài)由于黏土礦物的吸附作用，存在于有機(jī)質(zhì)和黏土礦物顆粒的表面［1－6］。

一般認(rèn)為理想的海相含氣頁(yè)巖有幾大主要特征：頁(yè)巖為區(qū)域性沉積，主要形成于盆地相、陸棚－斜坡相，或是封閉－半封閉的靜水環(huán)境，發(fā)育規(guī)模大、沉積穩(wěn)定，構(gòu)造樣式較為簡(jiǎn)單，受后期改造作用不明顯；通常在富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖厚度＞15m，泥頁(yè)巖層＞30m，頁(yè)巖越厚、地層壓力系數(shù)越大，含氣豐度越高。同時(shí)具有一定埋深，處于地下水停滯區(qū)，具備一定保存條件；總有機(jī)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)＞2%；Ⅰ型干酪根的鏡質(zhì)體反射率≥1.2%，Ⅱ型干酪根的鏡質(zhì)體反射率≥0.7%，現(xiàn)在仍然處于生烴演化階段的泥頁(yè)巖具有更好的成藏條件；此外，頁(yè)巖最好含有相對(duì)較高的硅質(zhì)或碳酸鹽，以及較低的黏土礦物含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)＜30%），才利于后期工程壓裂改造的實(shí)施［6，7］。

湘中拗陷和湘東南拗陷上古生界泥盆系－二疊系主要發(fā)育7套泥頁(yè)巖層系，本文在野外地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)上，對(duì)泥頁(yè)巖樣品進(jìn)行礦物X射線(xiàn)衍射定量分析、場(chǎng)發(fā)射電子顯微鏡掃描、等溫吸附模擬實(shí)驗(yàn)，重點(diǎn)分析有機(jī)地化參數(shù)、礦物組分及微觀孔喉結(jié)構(gòu)對(duì)含氣性的影響程度，為研究區(qū)頁(yè)巖氣的勘探開(kāi)發(fā)提供科學(xué)依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

湖南省位于華南板塊中段，湘中、湘東南屬華南加里東褶皺帶，兩者之間有一構(gòu)造過(guò)渡帶，通稱(chēng)江南復(fù)背斜或江南古陸，湖南稱(chēng)雪峰古陸（圖1）。

湘中地區(qū)隸屬華南構(gòu)造區(qū)，是疊加在江南－雪峰構(gòu)造帶東南側(cè)的一個(gè)凹陷盆地。加里東構(gòu)造運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致前泥盆系發(fā)生區(qū)域淺變質(zhì)作用，形成地臺(tái)型沉積蓋層的基底。自元古代至今，經(jīng)歷了海西運(yùn)動(dòng)、印支運(yùn)動(dòng)、燕山運(yùn)動(dòng)和喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)，以及新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)等5個(gè)大的構(gòu)造階段。湘中地區(qū)構(gòu)造形成早，加里東期構(gòu)造格局是基礎(chǔ)，后期演化具有印支期擠壓、燕山早期左行扭動(dòng)、燕山晚期上沖的特點(diǎn)。區(qū)域構(gòu)造演化大致經(jīng)歷了4個(gè)構(gòu)造旋回。東吳運(yùn)動(dòng)后，龍山凸起和關(guān)帝廟凸起初現(xiàn)雛形，印支運(yùn)動(dòng)使其進(jìn)一步強(qiáng)化，并使拗陷內(nèi)沉積蓋層褶皺。燕山期，在沖斷作用和巖漿侵入作用共同作用下，拗陷東面隆起迅速崛起，區(qū)內(nèi)蓋層遭受強(qiáng)烈沖斷改造，奠定了現(xiàn)今的沖斷構(gòu)造樣式。燕山晚期斷陷改造，之后的抬升剝蝕，進(jìn)一步使構(gòu)造格局復(fù)雜化［8］。

湘東南地區(qū)位于揚(yáng)子板塊與華夏板塊之間，經(jīng)歷了加里東期以前南華洋大陸邊緣演化階段、海西—印支期華南板塊及板內(nèi)裂陷演化階段、燕山－喜馬拉雅期板內(nèi)再活化演化階段。該區(qū)元古代早期地層不發(fā)育，因此其地質(zhì)演化歷史不清。元古代晚期，研究區(qū)處于揚(yáng)子板塊東南大陸邊緣，地殼運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)為以下降為主，接受了一套巨厚的、具有復(fù)理石特征的泥砂質(zhì)沉積，局部沉積了赤鐵礦。雪峰運(yùn)動(dòng)在研究區(qū)主要表現(xiàn)為上升運(yùn)動(dòng)，使研究區(qū)隆起，并局部露出海面。大地構(gòu)造上位于華南褶皺系的北部，具體構(gòu)造位置是：西北以衡山隆起與湘中拗陷為界，東界為桂東－汝城隆起，南與桂中拗陷毗連，歷經(jīng)了華南揚(yáng)子板塊與華夏板塊之間的贛湘桂大陸邊緣（加里東期）－板內(nèi)拗陷（海西－印支期）－板內(nèi)活化（印支－喜馬拉雅期）的構(gòu)造演化，整體呈NE向展布。湘東南地區(qū)自中、晚三疊世以來(lái)，歷經(jīng)印支－喜馬拉雅期的多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，形成了東西向、南北向、北東向（包括北北東向）的復(fù)雜構(gòu)造體系［9，10］。

在中泥盆世－中三疊世漫長(zhǎng)的歷史時(shí)期，湘中地區(qū)受4次大規(guī)模海侵和海西期、印支期構(gòu)造的控制，沉積相主要為臺(tái)地相－陸地邊緣相。其中臺(tái)地相主要發(fā)育開(kāi)闊臺(tái)地相、局限臺(tái)地相及凹槽臺(tái)地相帶，陸地邊緣相則包括潮坪和濱岸沼澤2個(gè)相帶。湘東南地區(qū)中上泥盆統(tǒng)發(fā)育典型的碳酸鹽巖臺(tái)地沉積，主要由臺(tái)地相－臺(tái)地邊緣相－陸棚淺海相－臺(tái)間裂陷盆地相等構(gòu)成。

圖1 湘中拗陷、湘東南拗陷構(gòu)造分區(qū)圖Fig.1 Tectonic division map of the Central Hunan depression and Southeast Hunan depression

湘中、湘東南拗陷自中泥盆世－中三疊世沉積了厚逾5km的碳酸鹽巖夾碎屑巖地層，其中7套泥頁(yè)巖沉積主要發(fā)育在中晚泥盆世跳馬澗期（D2t）－棋梓橋期（D2q）的海侵體系域、佘田橋期（D3s）高水位體系域和錫礦山期（D3x）海退體系域泥頁(yè)巖層系，下石炭統(tǒng)大塘階測(cè)水煤系（Cld2）、上二疊統(tǒng)龍?zhí)睹合担≒2l－P2d）層序序列。有利于泥頁(yè)巖發(fā)育的主要沉積相帶有：①潮坪相；②臺(tái)坪相；③濱海（海灣）沼澤相；④臺(tái)地海盆相；⑤沼澤－潮坪相。其中潮坪相是本區(qū)分布范圍最廣的一種沉積相帶，同時(shí)也是泥頁(yè)巖發(fā)育最好的相帶；濱海（海灣）沼澤相是本研究區(qū)泥頁(yè)巖沉積的另一個(gè)重要相帶［11－14］。

2 泥頁(yè)巖層基本地化特征

泥頁(yè)巖地層中有機(jī)質(zhì)的含量是油氣形成演化生烴的物質(zhì)基礎(chǔ)，頁(yè)巖氣儲(chǔ)量的大小主要決定于頁(yè)巖層系有機(jī)質(zhì)的豐度及其體積規(guī)模。有機(jī)質(zhì)的類(lèi)型是其質(zhì)量指標(biāo)，不同類(lèi)型的原始有機(jī)質(zhì)具有不同的油氣生成潛能。成熟度和成烴演化特征是頁(yè)巖氣藏主控因素之一，成熟度是干酪根演化程度的重要指標(biāo)參數(shù)，影響頁(yè)巖氣的資源潛力。

2.1 有機(jī)碳含量

根據(jù)地表露頭及構(gòu)造、沉積學(xué)研究揭示，湘中、湘東南拗陷各泥頁(yè)巖層厚度不等，平面分布也不均勻。據(jù)石油地質(zhì)綜合研究成果［15，16］，該區(qū)各泥頁(yè)巖體積巨大、層系較多，又都有一定的有機(jī)質(zhì)豐度，所以本區(qū)的有機(jī)質(zhì)數(shù)量較大。由于地表露頭多受風(fēng)化作用影響，對(duì)研究區(qū)各層位有機(jī)碳含量作了校正（據(jù)湘中拗陷新1井中泥頁(yè)層有機(jī)質(zhì)實(shí)測(cè)資料及湘東南拗陷碳酸鹽巖烴源層有機(jī)質(zhì)風(fēng)化恢復(fù)系數(shù)，綜合考慮研究區(qū)有機(jī)質(zhì)換算系數(shù)取1.45，表1）。從整體來(lái)看，研究區(qū)7個(gè)層位TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)（wTOC）平均值均已超過(guò)0.5%。其中，大隆組在湘東南、湘中地區(qū)分布較廣，wTOC＞2.5%；龍?zhí)督M在湘東南和湘中地區(qū)的wTOC＞3.5%；大塘階測(cè)水段在湘東南和湘中地區(qū)的wTOC＞1.3%；佘田橋組在湘中、湘東南地區(qū)的wTOC也超過(guò)了1.5%：此5個(gè)層位豐富的有機(jī)碳顯示擁有較高的頁(yè)巖氣勘探潛力。錫礦山組和跳馬澗組wTOC為0.5%～1.0%，從平面分布上來(lái)看，此2個(gè)層位有機(jī)碳含量相對(duì)貧乏，頁(yè)巖氣勘探潛力較小。

表1 湘中、湘東南地區(qū)海相泥頁(yè)巖層有機(jī)碳含量 （wTOC／%）Table 1 The organic carbon statistics of marine shale from the depressions of Central Hunan and Southeast Hunan

2.2 有機(jī)質(zhì)類(lèi)型

通過(guò)對(duì)比四川盆地與美國(guó)頁(yè)巖氣盆地相同海相泥頁(yè)巖可知，它們都具有較好的生烴條件，相似的有機(jī)質(zhì)類(lèi)型。湘中、湘東南地區(qū)大部分地層泥頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)類(lèi)型為Ⅱ型（混合型）干酪根，部分有機(jī)質(zhì)豐度較高的地區(qū)為Ⅰ型干酪根（即腐泥型，如棋梓橋組），而煤系地層主要為Ⅲ型干酪根（即腐植型，如湘中龍?zhí)睹合档貙樱?）。

湘中拗陷大隆、龍?zhí)督M為Ⅲ型干酪根，棋梓橋組為Ⅰ型干酪根，錫礦山組、佘田橋組和跳馬澗組均為Ⅱ型干酪根。

表2 湘中拗陷、湘東南拗陷泥頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)類(lèi)型Table 2 Identification of organic type the shale from the Central Hunan depression and Southeast Hunan depression

湘東南拗陷中上泥盆統(tǒng)的棋梓橋組和佘田橋組有機(jī)質(zhì)類(lèi)型較好，多以Ⅰ型干酪根（即腐泥型）為主；煤系地層如上二疊統(tǒng)的龍?zhí)督M和下石炭統(tǒng)的大塘階測(cè)水段多以Ⅱ型干酪根（即混合型）和Ⅲ型（即腐植型）為主。上二疊統(tǒng)的大隆組、中上泥盆統(tǒng)的錫礦山組和跳馬澗組多以混合Ⅱ型干酪根為主。

2.3 熱演化程度

根據(jù)研究區(qū)各個(gè)層段的泥頁(yè)巖樣品Ro的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，在充分吸收前人的研究成果的基礎(chǔ)上，可知湘中、湘東南地區(qū)二疊系相對(duì)來(lái)說(shuō)演化程度較低，但也達(dá)到高成熟階段，其他層位均達(dá)到高成熟－過(guò)成熟階段。一般來(lái)說(shuō)Ro＞1.3%時(shí)，處于高成熟階段的泥頁(yè)巖地層，先生油后裂解成氣，形成海相頁(yè)巖連續(xù)生氣與聚氣的優(yōu)勢(shì)。

2.3.1 湘中拗陷

地表所取的泥頁(yè)巖樣品進(jìn)行熱解分析獲得相關(guān)數(shù)據(jù)及鏡質(zhì)體反射率的分析資料表明（表3），湘中地區(qū)烴源巖有機(jī)質(zhì)的Ro值隨地層時(shí)代變老而明顯增高?？傮w來(lái)看跳馬澗組、棋梓橋組、佘田橋組、錫礦山組、大塘階測(cè)水段的Ro值（除局部地區(qū)外）一般大于2.0%，已進(jìn)入以生成干氣為主的過(guò)成熟演化階段。龍?zhí)督M和大隆組Ro值一般在1.45%～2.15%之間，處于高成熟演化階段。在縱向上，泥盆系、石炭系和二疊系全部進(jìn)入高熱演化生氣階段，二疊系熱演化程度相對(duì)較低。湘中拗陷演化程度最高的是漣源凹陷；就同一層位而言，西部地區(qū)演化程度高于東部地區(qū)。

2.3.2 湘東南拗陷

通過(guò)地表所取的泥頁(yè)巖樣品進(jìn)行熱解分析獲得相關(guān)數(shù)據(jù)分析資料（表3）來(lái)看，湘東南拗陷二疊系、石炭系各烴源巖層的鏡質(zhì)體反射率＜2.0%，但 ＞1.3%，熱 解 峰 溫 （tmax）平 均 值＞500℃，顯示其有機(jī)質(zhì)處于高成熟期，tmax值亦處在凝析油和濕氣階段。泥盆系烴源巖的Ro值為2.0%，甚至達(dá)到2.5%，處于過(guò)成熟階段，它們主要以生氣為主。泥盆系的Ro值還出現(xiàn)個(gè)別樣品明顯偏高，其原因可能是由于構(gòu)造運(yùn)動(dòng)造成地表樣品的物理變化而形成的，并不僅僅只是熱力作用的結(jié)果。但要特別說(shuō)明的是，泥盆系的tmax值發(fā)生“倒轉(zhuǎn)”，反而比上覆的二疊系、石炭系還要低，這不能代表其真實(shí)演化程度，而可能是由于其有機(jī)質(zhì)類(lèi)型好，其中的輕質(zhì)組分含量相對(duì)較高造成的。

3 泥頁(yè)巖層含氣性特征

3.1 現(xiàn)場(chǎng)解析

中國(guó)石化華東石油局針對(duì)研究區(qū)內(nèi)二疊系大隆組、龍?zhí)督M和石炭系大塘階測(cè)水段頁(yè)巖氣實(shí)施鉆探的湘頁(yè)1井，鉆遇大隆組和龍?zhí)督M泥頁(yè)巖，取心并現(xiàn)場(chǎng)解吸，共現(xiàn)場(chǎng)解吸樣品10個(gè)，數(shù)據(jù)顯示總含氣量分布范圍為0.164 4～1.413 8m3／t，平均為0.478 5m3／t，絕大部分＜1m3／t，僅1個(gè)碎煤樣品達(dá)到1.413 8m3／t。

3.2 等溫吸附模擬

湘中、湘東南地區(qū)海相頁(yè)巖層系資源評(píng)價(jià)中的吸附氣量參數(shù)，是采用等溫吸附實(shí)驗(yàn)測(cè)得Langmuir體積，運(yùn)用Langmuir方程計(jì)算獲取。通過(guò)等溫吸附模擬得到樣品的Langmuir體積，反映了泥頁(yè)巖的最大吸附能力，這取決于泥頁(yè)巖的性質(zhì)，而與溫度和壓力無(wú)關(guān)［18］。

在野外工作的基礎(chǔ)上，對(duì)湘中、湘東南地區(qū)野外采集的各層系泥頁(yè)巖樣品進(jìn)行了等溫吸附實(shí)驗(yàn)，送樣分析目的層系泥頁(yè)巖樣品24個(gè)，分別為湘中地區(qū)17個(gè)樣品，湘東南地區(qū)7個(gè)樣品。利用24個(gè)樣品測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分地區(qū)、分層系整理分析，探討泥頁(yè)巖的含氣量以及影響含氣量的相關(guān)因素。

表3 湘中、湘東南地區(qū)有機(jī)質(zhì)熱演化程度評(píng)價(jià)參數(shù)Table 3 The evaluation parameter statistics of thermal evolution of organic matter in the depressions of Central Hunan and Southeast Hunan

3.2.1 湘中地區(qū)

湘中地區(qū)各頁(yè)巖樣品等溫吸附實(shí)驗(yàn)測(cè)得其Langmuir體積存在一定差異，絕大部分樣品都在0.73～2.43cm3／g之間，平均為1.72cm3／g。僅二疊系龍?zhí)督M煤系樣品 ZZ－2、QXJ－1、HG－1異常大，分 別 達(dá) 到 22.42cm3／g、5.95cm3／g、20.58 cm3／g。同時(shí)，各樣品測(cè)得的Langmuir壓力也存在一定差異，在1～10.9MPa之間變化，平均為2.37MPa（圖2）。

圖2 湘中地區(qū)泥頁(yè)巖樣品甲烷等溫吸附曲線(xiàn)Fig.2 Methane adsorption isotherm of the shale samples from Central Hunan

3.2.2 湘東南地區(qū)

湘東南地區(qū)各測(cè)試頁(yè)巖樣品等溫吸附實(shí)驗(yàn)測(cè)得Langmuir體積也差異不大，其中6個(gè)樣品測(cè)得值分布在 1.36～2.36cm3／g之間，平均為1.775cm3／g。僅樣品 LT－1為煤樣，測(cè)得值較大，達(dá)到8.15cm3／g。同時(shí)，各樣品測(cè)得的Langmuir壓力差異不大，均在1.34～2.16MPa之間，平均為1.67MPa（圖3）。

圖3 湘東南地區(qū)泥頁(yè)巖樣品甲烷等溫吸附曲線(xiàn)Fig.3 Methane adsorption isotherm of the shale samples from Southeast Hunan

頁(yè)巖吸附氣量需運(yùn)用Langmuir方程求得，當(dāng)前無(wú)任何直接關(guān)于湘中、湘東南地區(qū)頁(yè)巖層段地層壓力的數(shù)據(jù)參數(shù)，因此，考慮各層系頁(yè)巖埋深不同，且同層段頁(yè)巖在研究區(qū)埋深存在很大變化，參考相關(guān)地質(zhì)資料和野外工作估計(jì)各層系泥頁(yè)巖平均埋深，地層壓力大致等于靜水壓力，利用下式求取各頁(yè)巖層系的含氣量（表4）［17］

式中：VL為L(zhǎng)angmuir體積；p為地層壓力，這里用靜水壓力代替；pL為L(zhǎng)angmuir壓力。

3.3 礦物組分

利用DMAX－3C型X射線(xiàn)衍射儀對(duì)研究區(qū)中泥盆統(tǒng)跳馬澗組－上二疊統(tǒng)大隆組21個(gè)泥頁(yè)巖樣品進(jìn)行黏土礦物總量和常見(jiàn)非黏土礦物X射線(xiàn)衍射定量分析。

從該區(qū)整體礦物定性分析可得：泥頁(yè)巖礦物成分復(fù)雜，除均含有黏土礦物、石英、斜長(zhǎng)石、鉀長(zhǎng)石、方解石、白云石等礦物外，某些樣品還含有石膏、黃鐵礦等自生礦物。其中黏土礦物、石英及碳酸鹽礦物為研究區(qū)泥頁(yè)巖的主要組成礦物。礦物成分定量分析結(jié)果表明，21個(gè)樣品礦物含量各不相同?？傮w而言，黏土礦物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，為19%～75%，平均達(dá)42.43%；其次為石英，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%～51%，平均為28.05%；還含有較多的方解石、白云石和黃鐵礦。雖然石英礦物的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)只有28.05%，但全部脆性礦物加起來(lái)的總質(zhì)量分?jǐn)?shù)可以達(dá)到51.7%。這些脆性礦物的存在，十分有利于泥頁(yè)巖儲(chǔ)層的水力壓裂與頁(yè)巖氣的開(kāi)發(fā)。

3.4 孔隙類(lèi)型及裂縫

由于泥頁(yè)巖中所含的溶解氣量極少，一般考慮泥頁(yè)巖含氣性時(shí)只考慮吸附含氣量和游離含氣量。因當(dāng)前鉆井資料較少，相關(guān)的數(shù)據(jù)也很缺乏，同時(shí)前人做過(guò)的湘中、湘東南地區(qū)油氣勘探工作中未涉及泥頁(yè)巖孔隙含氣飽和度數(shù)據(jù)。而游離含氣量受泥頁(yè)巖層系有效孔隙度和含氣飽和度的控制，與裂縫發(fā)育程度及保存條件密切相關(guān)［18］。針對(duì)這一研究現(xiàn)狀，本文利用超高分辨率場(chǎng)發(fā)射電子顯微鏡掃描儀對(duì)研究區(qū)頁(yè)巖氣的儲(chǔ)集特征進(jìn)行分析。

在超高精度電鏡下可以看到泥頁(yè)巖內(nèi)部的微小孔隙類(lèi)型。本次研究主要針對(duì)孔隙（直徑＜10 μm，包含納米孔隙）進(jìn)行研究，識(shí)別出黑色泥頁(yè)巖中微孔隙類(lèi)型包括：格架孔、溶蝕孔、有機(jī)質(zhì)孔、生物體腔孔和微裂縫等。其中格架孔主要由硅酸鹽礦物和碳酸鹽礦物格架支撐形成，孔隙相對(duì)較大，連通性好；溶蝕孔主要存在于碳酸鹽巖和長(zhǎng)石中，連通性相對(duì)較差；有機(jī)質(zhì)微孔一般相對(duì)較小，有機(jī)質(zhì)主要賦存于顆粒堆砌形成的格架孔中。格架孔本身都具備一定的連通性，因此后期生成的有機(jī)質(zhì)孔并不是孤立的，而是具有一定的連通性，加上有機(jī)質(zhì)的親油性，表面可以吸附大量的天然氣。生物體腔孔主要指生物死亡后，體內(nèi)軟體組織腐爛溶蝕之后形成的孔隙，連通性較好（圖4）。

表4 湘中、湘東南地區(qū)等溫吸附實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 4 The statistics of experimental adsorption isotherm data of the shale samples from the depressions of Central Hunan and Southeast Hunan

吸附氣主要存在于有機(jī)質(zhì)孔及黏土礦物表面，有機(jī)質(zhì)內(nèi)部賦存大量微孔隙和納米級(jí)孔隙，是主要的吸附介質(zhì)。游離氣的儲(chǔ)集空間主要由格架孔、溶蝕孔、成巖微裂縫及構(gòu)造裂縫組成。針對(duì)泥頁(yè)巖儲(chǔ)層的儲(chǔ)集物性特征，裂縫作為主要的滲流通道，直接決定了氣體滲透性，控制了頁(yè)巖的連通性及游離氣含量。由于現(xiàn)場(chǎng)解吸及鉆井資料的缺乏，本文主要利用的地表資料，無(wú)法定量對(duì)泥頁(yè)巖游離含氣量進(jìn)行分析，認(rèn)為孔徑越大、儲(chǔ)集物性好、裂縫發(fā)育、保存條件好，泥頁(yè)巖中游離氣含量越大。

研究區(qū)廣泛發(fā)育有垂直層面的裂縫，主要受構(gòu)造作用形成。此種裂縫利于各層系間氣體的串通，特別是高碳頁(yè)巖與硅質(zhì)頁(yè)巖等薄層極易形成裂縫。而微型裂縫主要在掃描電鏡下觀測(cè)到，為納米級(jí)與微米級(jí)的裂縫，一般為黏土礦物脫水與烴類(lèi)熱增壓等非構(gòu)造成因形成的。針對(duì)頁(yè)巖低滲透特性來(lái)說(shuō)，微裂縫的發(fā)育對(duì)于吸附氣體的滲流至關(guān)重要（圖4），它是吸附氣體經(jīng)過(guò)解吸成為游離狀態(tài)的主要通道。

4 泥頁(yè)巖層含氣性影響因素

影響泥頁(yè)巖含氣量的因素有很多，泥頁(yè)巖的有機(jī)質(zhì)含量、石英的含量、黏土礦物的含量、熱演化程度及儲(chǔ)層微觀特征等都對(duì)泥頁(yè)巖含氣量有著重要影響。

圖4 湘中、湘東南地區(qū)海相泥頁(yè)巖微孔隙類(lèi)型Fig.4 The type of marine shale micropores in the depressions of Central Hunan and Southeast Hunan

4.1 有機(jī)碳含量

有機(jī)碳含量決定了頁(yè)巖的生烴能力、孔隙空間的大小和吸附能力，對(duì)富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖的含氣量起決定性的作用。從國(guó)內(nèi)外的實(shí)測(cè)結(jié)果看，有機(jī)質(zhì)含量直接影響含氣量，有機(jī)質(zhì)含量越高，含氣量越大。兩者有近似線(xiàn)性的相關(guān)關(guān)系，相關(guān)程度很高。通過(guò)對(duì)區(qū)內(nèi)7個(gè)目的層系24個(gè)泥頁(yè)巖樣品進(jìn)行等溫吸附實(shí)驗(yàn)（包含4個(gè)煤樣），由Langmuir體積計(jì)算各樣品的吸附氣含量。同時(shí)，根據(jù)對(duì)應(yīng)樣品的熱解實(shí)驗(yàn)獲取其有機(jī)碳含量。部分樣品為野外露頭采樣，對(duì)其有機(jī)質(zhì)含量進(jìn)行相應(yīng)的恢復(fù)（恢復(fù)系數(shù)取1.45），做出吸附含氣量與有機(jī)碳含量線(xiàn)性相關(guān)圖，證實(shí)該地區(qū)泥頁(yè)巖的吸附含氣量與有機(jī)質(zhì)含量呈明顯正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R2為0.781（圖5）。

4.2 黏土礦物含量

根據(jù)研究區(qū)上古生界目的層段礦物組分特征分析，礦物組分中黏土礦物占很大比重，而泥頁(yè)巖中黏土礦物的含量對(duì)其吸附含氣量具有很大的影響。對(duì)湘中、湘東南地區(qū)等溫吸附實(shí)驗(yàn)測(cè)試的21個(gè)樣品的礦物組分進(jìn)行X射線(xiàn)衍射實(shí)驗(yàn)分析，其中4個(gè)煤樣有機(jī)碳含量遠(yuǎn)高于一般樣品。而有機(jī)碳是影響吸附氣含量最主要的影響因素，本文去掉煤樣再分析泥頁(yè)巖吸附含氣量與黏土礦物含量的相關(guān)性，可知泥頁(yè)巖吸附含氣量與黏土礦物含量呈正相關(guān)關(guān)系（圖6）。該地區(qū)黏土礦物的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)42.43%。一般來(lái)說(shuō)黏土礦物因?yàn)轭w粒細(xì)小，相同單位體積具有較多的微孔隙和較大的比表面積；而頁(yè)巖氣的主要成分為甲烷，甲烷是烴類(lèi)中分子體積最小的：因此，黏土礦物對(duì)頁(yè)巖氣有較強(qiáng)的吸附能力。但是也受巖層中其他因素的影響，例如巖層含水飽和度很高的情況下，黏土礦物對(duì)頁(yè)巖氣的吸附能力則明顯降低。

圖5 湘中、湘東南地區(qū)泥頁(yè)巖含氣量與有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的線(xiàn)性關(guān)系圖Fig.5 The linear relationship of shale gas content and mass fraction of organic carbon in the depressions of Central Hunan and Southeast Hunan

圖6 湘中、湘東南地區(qū)泥頁(yè)巖含氣量與黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)的線(xiàn)性關(guān)系圖Fig.6 The linear relationship of shale gas content and mass fraction of clay mineral in the depressions of Central Hunan and Southeast Hunan

4.3 石英含量

泥頁(yè)巖中石英的含量也對(duì)其含氣量具有影響。對(duì)湘中、湘東南地區(qū)等溫吸附實(shí)驗(yàn)測(cè)試的21個(gè)樣品進(jìn)行X射線(xiàn)衍射實(shí)驗(yàn)分析其礦物組分，去掉4個(gè)煤樣，分析其吸附含氣量與石英含量的相關(guān)性，結(jié)果表明，泥頁(yè)巖含氣量與石英含量相關(guān)關(guān)系不明顯（圖7）。根據(jù)相關(guān)研究，一般認(rèn)為隨著泥頁(yè)巖中石英含量的增加，其吸附含氣量逐漸降低。根據(jù)前述的X射線(xiàn)衍射定量分析結(jié)果，石英平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低，為28.05%；而北美頁(yè)巖儲(chǔ)集層的石英的質(zhì)量分?jǐn)?shù)多接近50%。石英一方面減小了泥頁(yè)巖儲(chǔ)層中的原始孔隙及裂縫，另一方面石英抗壓實(shí)能力較強(qiáng)，對(duì)泥頁(yè)巖層起到支撐骨架的作用，防止孔滲進(jìn)一步變差。而研究區(qū)泥頁(yè)巖樣品中石英含量偏低，導(dǎo)致相關(guān)性不明顯。

圖7 湘中、湘東南地區(qū)頁(yè)巖含氣量與石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)的線(xiàn)性關(guān)系圖Fig.7 The linear relationship of shale gas content and the mass fraction of quartz in the depressions of Central Hunan and Southeast Hunan

然而，石英和碳酸鹽礦物含量的增加，將會(huì)降低頁(yè)巖的孔隙，使游離氣的儲(chǔ)集空間減少，特別是方解石在埋藏過(guò)程中的膠結(jié)作用，將進(jìn)一步減少孔隙。但由于石英的主要成分是SiO2，深水環(huán)境中，硅質(zhì)含量的增加會(huì)吸附更多的有機(jī)質(zhì)；而石英與黏土礦物含量則呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，在研究礦物成分與頁(yè)巖含氣性關(guān)系時(shí)，必須在黏土礦物、石英和碳酸鹽含量之間尋找一個(gè)平衡點(diǎn)。

4.4 成熟度

總體來(lái)看，湘中、湘東南地區(qū)上古生界除個(gè)別地區(qū)外基本都達(dá)到高成熟－過(guò)成熟階段。對(duì)研究區(qū)中泥盆統(tǒng)跳馬澗組－上二疊統(tǒng)大隆組除煤樣外的17個(gè)泥頁(yè)巖樣品的鏡質(zhì)組反射率進(jìn)行測(cè)試，部分樣品未測(cè)試出鏡質(zhì)組反射率值。分析吸附含氣量與成熟度的關(guān)系可知，吸附含氣量與成熟度呈正比關(guān)系，相關(guān)系數(shù)較低，R2約為0.3（圖8）。針對(duì)目的層段成熟度較高，認(rèn)為成熟度在1.2%～3.5%之間有利于頁(yè)巖氣的成藏，成熟度＞4.0%時(shí)頁(yè)巖氣的勘探風(fēng)險(xiǎn)極大。

4.5 孔徑與比表面積

選用成都理工大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中美國(guó)Quantachrome公司生產(chǎn)的比表面積及孔徑測(cè)定儀測(cè)試研究區(qū)泥（頁(yè)）巖比表面及孔徑。根據(jù)在研究區(qū)選取的21個(gè)泥頁(yè)巖樣品的比表面積測(cè)試結(jié)果來(lái)看，比表面積在1.068～11.638m2／g之間，平均為5.189m2／g。孔徑在3.349～34.273nm 之間，平均為10.123nm：可知泥頁(yè)巖儲(chǔ)層的孔隙以小孔為主。從層位上來(lái)看，二疊系大隆組、龍?zhí)督M比表面積值相對(duì)較大，石炭系大塘階測(cè)水段、泥盆系佘田橋組的孔徑最大。比表面積大的泥（頁(yè)）巖，其吸附天然氣的能力較強(qiáng)（圖9），孔徑大的泥（頁(yè)）巖，其儲(chǔ)存游離氣的能力則較強(qiáng)，與吸附含氣量關(guān)系不明顯（圖10）。

圖8 湘中、湘東南地區(qū)頁(yè)巖含氣量與成熟度線(xiàn)性關(guān)系圖Fig.8 The linear relationship of shale gas content and maturity in the depressions of Central Hunan and Southeast Hunan

4.6 其他因素

圖9 湘中、湘東南地區(qū)泥頁(yè)巖含氣量與比表面積線(xiàn)性關(guān)系圖Fig.9 The linear relationship of shale gas content and specific surface in the depressions of Central Hunan and Southeast Hunan

圖10 湘中、湘東南地區(qū)泥頁(yè)巖含氣量與主要孔徑線(xiàn)性關(guān)系圖Fig.10 The linear relationship of shale gas content and the main pore in the depressions of Central Hunan and Southeast Hunan

除以上影響因素外，巖石的濕度、地層水礦化度、有機(jī)質(zhì)類(lèi)型、地層壓力與埋深等對(duì)泥頁(yè)巖層系中的富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖的含氣量也有影響。因?yàn)槟囗?yè)巖一般較為疏松，很容易風(fēng)化，黏土礦物遇水容易生成結(jié)晶化合物，能夠顯著降低孔隙度和連通條件，使得儲(chǔ)集空間變小，所以干巖石的含氣量明顯高于“濕”巖石。各種黏土礦物與巖石的甲烷吸附容量次序?yàn)槊擅撌?伊蒙混層＞高嶺石＞綠泥石＞伊利石＞粉砂巖＞石英巖，泥頁(yè)巖礦物中蒙脫石含量越高其含氣量就越大［19］。因?yàn)槟囗?yè)巖儲(chǔ)層的特殊性，吸附在各個(gè)孔隙裂縫中的頁(yè)巖氣總量很是可觀，但是因?yàn)槟囗?yè)巖相對(duì)比較致密，儲(chǔ)集空間也以微孔隙為主，孔隙之間連通性很差，如果不能通過(guò)人工壓裂的手段把這些微孔隙連通起來(lái)，天然氣產(chǎn)量也不高。因此對(duì)頁(yè)巖氣的儲(chǔ)層評(píng)價(jià)，必須在石英、方解石、水分、碳酸鹽巖、黏土礦物含量等對(duì)頁(yè)巖氣的儲(chǔ)層改善、生產(chǎn)開(kāi)發(fā)之間尋找一種平衡。深入開(kāi)展礦物成分研究，才能在未來(lái)尋找到一種最優(yōu)的匹配關(guān)系，使得頁(yè)巖氣總產(chǎn)量、單井產(chǎn)量、壓裂的容易程度之間達(dá)到最優(yōu)化，最大程度地勘探開(kāi)發(fā)頁(yè)巖氣。

5 結(jié)論

a.吸附氣主要存在于有機(jī)質(zhì)內(nèi)部大量微孔隙和納米級(jí)孔隙中。游離氣的儲(chǔ)集空間主要由格架孔、溶蝕孔、成巖微裂縫及構(gòu)造裂縫組成。

b.湘中地區(qū)泥頁(yè)巖樣品吸附氣含量為0.63～2.17cm3／g，平均為1.51cm3／g；龍?zhí)督M煤樣品吸附氣含量達(dá)到19.28cm3／g。湘東南地區(qū)泥頁(yè)巖樣品吸附氣含量為1.24～2.12cm3／g，平均為1.60cm3／g；石炭系大塘階測(cè)水段煤樣品吸附氣含量達(dá)到7.12cm3／g。湘頁(yè)1井頁(yè)巖氣鉆探成功獲得自然產(chǎn)能，現(xiàn)場(chǎng)解吸碎煤樣含氣量最高值達(dá)到1.413 8cm3／g，證實(shí)了研究區(qū)廣闊的頁(yè)巖氣勘探前景。

c.系統(tǒng)分析了有機(jī)碳含量、黏土礦物含量、石英含量、成熟度、孔徑及比表面積等對(duì)含氣量的影響，揭示了儲(chǔ)集物性、礦物組分、地球化學(xué)特征與儲(chǔ)層含氣性之間的內(nèi)在聯(lián)系。

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