漣源凹陷龍?zhí)督M頁巖氣儲(chǔ)層特征分析

張成龍，唐書恒，范二平 （中國地質(zhì)大學(xué) （北京）能源學(xué)院，北京 100083）

王善博 （天津地質(zhì)調(diào)查中心，天津 300170）

孫昌花 （中國地質(zhì)大學(xué) （北京）能源學(xué)院，北京 100083）

孫九江 （中石油天然氣股份有限公司山西煤層氣勘探開發(fā)分公司，山西 晉城 048000）

漣源凹陷龍?zhí)督M頁巖氣儲(chǔ)層特征分析

張成龍，唐書恒，范二平 （中國地質(zhì)大學(xué) （北京）能源學(xué)院，北京 100083）

王善博 （天津地質(zhì)調(diào)查中心，天津 300170）

孫昌花 （中國地質(zhì)大學(xué) （北京）能源學(xué)院，北京 100083）

孫九江 （中石油天然氣股份有限公司山西煤層氣勘探開發(fā)分公司，山西 晉城 048000）

通過總有機(jī)碳、熱解分析、鏡質(zhì)體反射率等試驗(yàn)測(cè)定，結(jié)合巖心觀察、鏡下觀察、掃描電鏡、壓汞試驗(yàn)及低溫氮吸附試驗(yàn)等多種方法，從宏觀裂隙、微觀裂隙、微觀孔隙3種尺度，定性、半定量、定量3種層次研究了漣源凹陷龍?zhí)督M泥頁巖的孔裂隙發(fā)育特征及儲(chǔ)集性能。研究結(jié)果表明：研究區(qū)龍?zhí)督M下段有效烴源巖的分布主要集中在漣源－雙峰地區(qū)，由東向西逐漸減薄；干酪根主要為Ⅱ1型 （腐殖－腐泥型）；鏡質(zhì)體反射率普遍較高，處于高成熟階段；泥頁巖節(jié)理和孔裂隙較為發(fā)育，黏土礦物含量較高，吸附能力較強(qiáng)。

漣源凹陷；龍?zhí)督M；頁巖氣；地球化學(xué)特征；儲(chǔ)層特征

我國頁巖氣資源豐富，主要發(fā)育在古生界海相、中新生界陸相及海陸過度相盆地，估測(cè)頁巖氣資源前景約為30×1012m3。漣源凹陷位于華南上揚(yáng)子地區(qū)西北部，是一個(gè)以下古生界淺變質(zhì)巖系為基底發(fā)展起來的晚古生代－中三疊世準(zhǔn)地臺(tái)型沉積坳陷區(qū)，以碳酸巖夾碎屑巖為特征，發(fā)育有機(jī)質(zhì)豐度高的南方海相頁巖層系，具有形成頁巖氣藏的基本地質(zhì)條件，探勘開發(fā)前景廣闊［1］。近年來，隨著南方海相油氣勘探的進(jìn)行，漣源凹陷成為了湘中地區(qū)非常規(guī)油氣探勘熱點(diǎn)地區(qū)。筆者旨在通過野外地質(zhì)調(diào)查并結(jié)合室內(nèi)測(cè)試結(jié)果，分析漣源凹陷上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M （P2l）泥頁巖的儲(chǔ)層特征，對(duì)該區(qū)頁巖氣勘探前景進(jìn)行初步探討。

1 研究區(qū)大地構(gòu)造及沉積環(huán)境特征

華南區(qū)是江南盆地東西兩側(cè)地體之間的縫合線在中生代造山運(yùn)動(dòng)中形成的產(chǎn)物，在二疊紀(jì)大地構(gòu)造環(huán)境中為一個(gè)大型的拗陷盆地，其上發(fā)育有北東向的 “微型裂陷帶”［2］。漣源凹陷大地構(gòu)造位于華南板塊北部的華夏地塊內(nèi)部，處在太平洋構(gòu)造域和特提斯構(gòu)造域的轉(zhuǎn)換區(qū)，構(gòu)造活動(dòng)頻繁。其四周均為隆起，東北為溈山凸起，西北為雪峰隆起，東南為龍山隆起，面積約6770km2。該凹陷屬于湘中坳陷，與零陵凹陷、邵陽凹陷、關(guān)帝廟凸起和龍山凸起構(gòu)成了 “三凹兩凸”的構(gòu)造格局，按蓋層樣式可分成東部滑覆疊瓦沖斷帶、中部褶斷帶和西部疊瓦逆掩沖斷帶3個(gè)構(gòu)造單元［3］（圖1）。該區(qū)以多期次、多層次的層滑構(gòu)造為主要特征，樣式復(fù)雜，但整體而言，其地臺(tái)構(gòu)造環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定。研究區(qū)在晚二疊世接受了海相碳酸鹽巖類、碎屑巖類及海陸交互相含煤沉積，由于地殼活動(dòng)相對(duì)平穩(wěn)，在古植物、古氣候、古地理?xiàng)l件的配合下，形成該區(qū)廣泛分布的P2l沉積體系。P2l也是該區(qū)賦含頁巖最多，頁巖分布面積最廣的層系之一。

圖1 漣源凹陷構(gòu)造分區(qū)圖

2 頁巖氣成藏地質(zhì)條件分析

2.1 有機(jī)質(zhì)干酪根類型

通過對(duì)所采集樣品的光薄片觀察，研究區(qū)P2l泥頁巖主要有機(jī)顯微組分為褐色-黃褐色腐泥組絮狀無定形體和黑色無結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體，有殼質(zhì)組出現(xiàn)，無熒光出現(xiàn)。光片在油浸反射光下，主要可以分為3種類型 （圖2）：

圖2 漣源凹陷P2l泥頁巖顯微組分鏡下鑒定特征

1）可見大量的無結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體和結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體，且絲質(zhì)體含量較為豐富，以Ⅱ1型 （腐殖－腐泥型）干酪根居多，但因其成熟度過高，沒有熒光出現(xiàn)。

2）偶可見鏡質(zhì)體和惰質(zhì)組的碎片，其多出現(xiàn)于Ⅱ2型 （腐泥－腐殖型）干酪根中。

3）只可見到鏡質(zhì)組分呈分散碎屑狀，無其他具明顯形態(tài)的有機(jī)組分，以無定形態(tài)為主，Ⅱ1型（腐殖－腐泥型）和Ⅱ2型 （腐泥－腐殖型）干酪根均有出現(xiàn)，后者出現(xiàn)幾率更高。

由此可見，研究區(qū)P2l泥頁巖有機(jī)質(zhì)干酪根類型以Ⅱ1型 （腐殖-腐泥型）為主，局部為Ⅱ2型 （腐泥-腐殖型）干酪根

2.2 總有機(jī)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與分布

P2l是研究區(qū)頁巖氣的主要層位，共采集樣品10塊。整體而言，研究區(qū)P2l泥頁巖總有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù) （w（TOC））普遍較高，最高可達(dá)8.1%，最小僅為0.7%，平均為2.35%。平面上湘中漣源-邵東一帶，w（TOC）較高，在3%以上；雙峰洪山殿地區(qū)相對(duì)較低，但基本都在1.6%以上；而其他地區(qū)w（TOC）均在2%以上，如雙峰梓門橋?yàn)?.45%、爐觀為3.05%、七星街為2.57%（圖3）。

根據(jù)美國頁巖氣開采經(jīng)驗(yàn)［4］，產(chǎn)氣烴源巖的w（TOC）下限為0.5%，而有效烴源巖w（TOC）的下限定為2%。由此可知，研究區(qū)P2l泥頁巖w（TOC）較高，絕大多數(shù)地區(qū)大于2%，是較好的烴源巖，有利于頁巖氣的生成和富集。

2.3 有機(jī)質(zhì)成熟度

美國頁巖氣勘探開發(fā)已證實(shí)，Barnett頁巖的鏡質(zhì)體反射率 （Ro）介于1.0%～2.1%，屬于高成熟度頁巖氣藏，有利于頁巖氣成藏。當(dāng)Ro≤3%時(shí)，熱成因型氣藏隨著頁巖Ro的增高，含氣量也會(huì)逐漸增大；當(dāng)Ro＞3%后，有機(jī)質(zhì)進(jìn)入過成熟期，有機(jī)質(zhì)的大量減少，不利于吸附氣的形成［5］。通過對(duì)研究區(qū)P2l泥頁巖Ro數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，Ro普遍較高，分布集中，介于1.67%～1.98%，平均為1.76%，處于高成熟階段，有利于頁巖氣的形成及保存 （圖4）。

圖3 漣源凹陷P2l泥頁巖w（TOC）分布圖

圖4 漣源凹陷P2l泥頁巖Ro分布圖

2.4 頁巖地層厚度與分布

頁巖地層厚度是評(píng)價(jià)頁巖氣藏的主要指標(biāo)之一，最小厚度下限值與w（TOC）和Ro呈反比，w（TOC）越大，Ro越高，厚度下限值越低［4］。為確定龍?zhí)赌囗搸r厚度，筆者在研究區(qū)實(shí)測(cè)剖面5條（圖5（a））。

圖5 漣源凹陷P2l實(shí)測(cè)剖面與頁巖厚度分布圖

湖南省雙峰縣洪山殿鎮(zhèn)前塘村P2l剖面可見頂?shù)祝偤穸?80.1m（圖5（b））。底部以灰－深灰色薄層狀粉砂巖、細(xì)砂巖與砂質(zhì)泥巖為主，節(jié)理發(fā)育；中部為灰－深灰色?。泻駥訝罴?xì)砂巖夾薄層粉砂巖，節(jié)理發(fā)育；中上部以灰－深灰色?。泻駥訝罴?xì)砂巖為主，夾黑灰色薄層磷片狀炭質(zhì)泥巖，可見硅質(zhì)膠結(jié)，方解石脈充填，節(jié)理發(fā)育。

湖南省漣源縣楓坪鎮(zhèn)觀山村P2l剖面龍?zhí)督M總厚114.7m，未見底 （圖5（c））。巖性以灰－深灰色?。泻駥訝钅鄮r、菱鐵質(zhì)泥巖為主夾粉砂巖、細(xì)砂巖，見水平層理、平行層理及緩波狀層理，含大量菱鐵質(zhì)結(jié)核，菱形節(jié)理發(fā)育，性脆。

P2l上段地層中主要為砂巖、砂質(zhì)泥巖及烴源巖層，單層厚度均小于最低有效厚度 （30m），故未列入研究的目的層；下段發(fā)育了一套灰黑色－黑色薄層狀泥巖、頁巖，性脆易碎，節(jié)理發(fā)育，富含炭質(zhì)及大量的植物化石，易染手，單層厚度均大于最低有效厚度?？傮w來說，研究區(qū)P2l下段有效烴源巖主要集中在漣源－雙峰地區(qū)，且遵循由東向西逐漸變薄的趨勢(shì)，其厚度與該地區(qū)P2l下段地層厚度呈正相關(guān)。

3 巖儲(chǔ)層物性特征

3.1 孔裂隙發(fā)育特征

圖6 漣源凹陷P2l泥頁巖宏觀、微觀裂隙圖

我國南方的頁巖成熟度高，頁巖儲(chǔ)層孔隙、裂隙類型多樣，微米－納米級(jí)孔隙發(fā)育。裂縫發(fā)育的儲(chǔ)層是泥質(zhì)巖類氣藏成藏的關(guān)鍵因素［6］。黏土礦物影響著泥頁巖中有機(jī)質(zhì)的賦存形式，在一定程度上有利于有機(jī)質(zhì)的富集，控制著有機(jī)質(zhì)生烴演化的進(jìn)行，同時(shí)黏土礦物含量高，也有利于頁巖儲(chǔ)層原始微孔隙和微裂隙的發(fā)育，為頁巖氣提供儲(chǔ)集空間。為此，采用宏觀觀察、光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡相結(jié)合的研究方法，從宏觀裂隙、微觀裂隙、微觀孔隙3種尺度，定性、半定量、定量3種層次對(duì)P2l泥頁巖的孔裂隙發(fā)育特征進(jìn)行了研究。

研究區(qū)泥頁巖黏土礦物含量較高，以伊利石和綠泥石為主。宏觀上，P2l泥頁巖節(jié)理和裂隙較為發(fā)育，巖心可見大量天然裂隙，其形態(tài)多樣，尺寸大小不一，形成了復(fù)雜的裂隙網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，有利于頁巖氣的排出；微觀上，在光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡下可觀測(cè)到泥頁巖大量張性裂隙，其中較大的可貫穿整體，壓性裂隙次之，少見剪性裂隙。此外，還可以觀測(cè)到鏡質(zhì)體內(nèi)生裂隙、鏡質(zhì)體收縮縫等微小裂隙。微觀孔隙雖普遍發(fā)育，但分布不均勻。

3.2 吸附性能

在泥頁巖中天然氣的賦存狀態(tài)多種多樣，吸附態(tài)為主要形式，以此形式賦存的天然氣約占總含氣量20%～85%［7］。因此，研究頁巖中不同組分對(duì)氣體的吸附作用在頁巖氣資源潛力評(píng)價(jià)中顯得尤為重要。國際上主要流行為2種觀點(diǎn)，有機(jī)質(zhì)組分吸附和黏土礦物組分吸附。Nuttall［8］認(rèn)為頁巖中有機(jī)質(zhì)作為吸附氣的核心載體，w（TOC）的高低會(huì)導(dǎo)致吸附氣數(shù)量級(jí)的變化。而Ross［9］認(rèn)為黏土礦物往往具有較高的微孔隙體積和較大的比表面積，吸附能力較強(qiáng)；Schettler等［10］甚至認(rèn)為頁巖中吸附態(tài)甲烷主要分布在伊利石表面，其次才吸附于干酪根之中。對(duì)P2l泥頁巖樣品進(jìn)行了等溫吸附試驗(yàn)，測(cè)得其平均吸附量大于1m3／t，吸附能力較強(qiáng)，與該區(qū)具有較高的w（TOC）和黏土含量有關(guān)。

4 結(jié)論

1）漣源凹陷龍?zhí)督M泥頁巖有機(jī)質(zhì)干酪根類型以Ⅱ1型 （腐殖－腐泥型）為主，局部為Ⅱ2型 （腐泥－腐殖型）干酪根。

2）龍?zhí)督M下段有效烴源巖的分布主要集中在漣源－雙峰地區(qū)，由東向西逐漸變薄，其厚度基本與該地區(qū)龍?zhí)督M下段地層厚度呈正相關(guān)。

3）龍?zhí)督M泥頁巖的有機(jī)質(zhì)成熟度普遍較高，處于高成熟階段，有利于頁巖氣的形成和保存。

4）龍?zhí)督M泥頁巖節(jié)理和裂隙較為發(fā)育，黏土礦物含量較高，吸附能力較強(qiáng)。

［1］劉喜順 .湘中坳陷泥盆－石炭系油氣成藏與保存條件研究 ［D］.長沙：中南大學(xué)，2009.

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［3］王明艷，郭建華，曠理雄，等 .湘中坳陷漣源凹陷烴源巖油氣地球化學(xué)特征 ［J］.天然氣地球科學(xué)，2010，21（5）：721～726.

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［編輯］ 鄧?yán)?/p>

Shale Gas Reservoir Characteristics of Longtan Form ation in Lianyuan Depression

ZHANG Chenglong，TANG Shuheng，F(xiàn)AN Erping，WANG Shanbo，SUN Changhua，SUN Jiujiang (First Author's Address:School of Energy Resources，China University of Geosciences，Beijing 100083，China)

By detecting the total organic content，pyrolysis analysis and reflectance of vitrinite in combination with core observation，microscope observation，scanning electron microscope，mercury injection test and nitrogen adsorption experiment，the pore fracture characteristics of shale and reservoir performance in Longtan Formation were studied qualitatively，quantitatively and semi-quantitatively from the aspects ofmacroscopic，microscopic fractures and microscopic pores.The study result shows the effective source rocks of lower Longtan Formation aremainly distributed in Lianyuan-Shuangfeng Area，they are gradually thinning from the east to thewest.Typesof kerogen there aremainly TypeⅡ1(humic-sapropelic type).Rois generally high，it indicates that the source rocks are at the high maturity stage.The mud-shale joint and porosity are well developed and the content of claym ineral is higher with high adsorption ability.

Lianyuan Depression;Longtan Formation;shale gas;geochemical characteristics;reservoir characteristics

TE122.2

A

1000-9752（2014）05-0032-05

2013-10-02

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目 （41272176）；教育部博士點(diǎn)基金項(xiàng)目 （20110022110007）。

張成龍 （1988-），男，2011年大學(xué)畢業(yè)，碩士生，現(xiàn)主要從事非常規(guī)油氣地質(zhì)研究工作。