湘中漣源—邵陽凹陷上二疊統(tǒng)大隆組頁巖氣儲(chǔ)層特征

肖正輝，牛現(xiàn)強(qiáng)，楊榮豐，余　燁，黃儼然，陳新躍（.湖南科技大學(xué)頁巖氣資源利用湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南湘潭420；2.湖南科技大學(xué)煤炭資源清潔利用與礦山環(huán)境保護(hù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南湘潭420）

湘中漣源—邵陽凹陷上二疊統(tǒng)大隆組頁巖氣儲(chǔ)層特征

肖正輝1，2，牛現(xiàn)強(qiáng)1，楊榮豐1，余燁1，黃儼然1，陳新躍1
（1.湖南科技大學(xué)頁巖氣資源利用湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南湘潭411201；2.湖南科技大學(xué)煤炭資源清潔利用與礦山環(huán)境保護(hù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南湘潭411201）

為評價(jià)湘中漣源—邵陽凹陷上二疊統(tǒng)大隆組頁巖氣的勘探潛力，分析其泥頁巖的有機(jī)碳含量、礦物組成、孔隙及裂隙的微觀特征、孔隙度和滲透率等，系統(tǒng)研究了頁巖氣的儲(chǔ)層特征。研究區(qū)上二疊統(tǒng)大隆組巖石的有機(jī)碳含量與巖性關(guān)系密切，其中硅質(zhì)泥巖的有機(jī)碳含量最高，平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于3%，表明沉積環(huán)境是控制有機(jī)碳含量的最主要因素；硅質(zhì)泥巖中石英等脆性礦物平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為67.7%，與美國Barnett硅質(zhì)頁巖基本相當(dāng)，脆性礦物含量較高；硅質(zhì)泥巖中構(gòu)造裂縫較發(fā)育，其形成主要與其脆性礦物含量較高及地質(zhì)構(gòu)造較發(fā)育等因素有關(guān)；有機(jī)碳含量較高的硅質(zhì)泥巖，其有機(jī)質(zhì)微孔隙也是基質(zhì)孔隙及裂隙的主要組成部分；硅質(zhì)泥巖的孔隙度和滲透率均較低，分別小于5%和0.01 mD，構(gòu)造裂縫發(fā)育程度是影響硅質(zhì)泥巖孔隙度和滲透率的最主要因素。

頁巖氣；儲(chǔ)層特征；上二疊統(tǒng)；大隆組；湘中漣源—邵陽凹陷

0　引言

頁巖氣是一種非常規(guī)氣，具有低碳、潔凈和低污染等特性。隨著北美地區(qū)頁巖氣的成功開發(fā)，頁巖氣資源在我國已引起廣泛而密切的關(guān)注，并受到高度重視［1-3］。湖南省是一個(gè)貧煤、缺油和無常規(guī)天然氣的省份，但頁巖氣資源豐富［4-5］，開發(fā)并利用頁巖氣資源可以彌補(bǔ)天然氣缺口，是湖南省解決自身能源問題的有效途徑之一。

湘中漣源—邵陽凹陷是中揚(yáng)子地臺(tái)頁巖氣研究的重點(diǎn)區(qū)域，是湖南省重要的頁巖氣資源遠(yuǎn)景區(qū)之一［6-9］。湘中漣源—邵陽凹陷中泥盆統(tǒng)棋梓橋組、上泥盆統(tǒng)佘田橋組、下石炭統(tǒng)測水組、上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M和大隆組富有機(jī)質(zhì)泥頁巖均較發(fā)育，有機(jī)碳含量較高，具備較雄厚的成烴物質(zhì)條件［7-9］。其中，上二疊統(tǒng)大隆組是區(qū)內(nèi)頁巖氣勘探最重要的目的層位［10］。湘頁1井大隆組氣測顯示良好，壓裂后試氣點(diǎn)火成功。國內(nèi)許多學(xué)者［7，9，11-14］已對區(qū)內(nèi)大隆組的沉積環(huán)境、巖相古地理、烴源巖油氣地球化學(xué)特征、頁巖氣賦存的地質(zhì)特征及其勘探潛力進(jìn)行了研究，但尚未系統(tǒng)地研究其頁巖氣儲(chǔ)層特征。筆者通過對區(qū)內(nèi)上二疊統(tǒng)大隆組野外露頭剖面進(jìn)行實(shí)測和系統(tǒng)采樣分析，從泥頁巖有機(jī)地球化學(xué)特征、礦物組成、儲(chǔ)集空間及物性特征等方面，深入研究其頁巖氣儲(chǔ)層特征，以期為頁巖氣勘探與開發(fā)提供地質(zhì)依據(jù)。

1　地質(zhì)背景

湘中坳陷是以下古生界變質(zhì)巖系為基底發(fā)展起來的以晚古生界—中三疊統(tǒng)碳酸鹽巖為主并夾碎屑巖為特征的準(zhǔn)地臺(tái)型沉積坳陷區(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)坳陷盆地［15-17］。大地構(gòu)造位置位于華南褶皺系北部，雪峰隆起東南緣，主要由漣源凹陷、龍山凸起、邵陽凹陷、關(guān)帝廟凸起和零陵凹陷5個(gè)二級構(gòu)造單元組成［16，18］（圖1）。

自早古生代以來，湘中坳陷主要經(jīng)歷了晚古生代—中三疊世準(zhǔn)地臺(tái)發(fā)展階段和印支期后（包括印支運(yùn)動(dòng)在內(nèi)）的板內(nèi)構(gòu)造變形階段，其中前一階段區(qū)內(nèi)沉積了巨厚的海相地層（表1）［16-17］，發(fā)生在晚二疊世龍?zhí)督M沉積晚期的一次海侵，形成了一套濱海含煤建造和硅質(zhì)巖沉積以及淺海薄層灰?guī)r和泥灰?guī)r沉積［16］。研究區(qū)上二疊統(tǒng)大隆組底部主要為硅質(zhì)巖與硅質(zhì)泥巖等，屬斜坡—深海沉積，上部主要為硅質(zhì)灰?guī)r，屬濱淺海沉積［11］。

圖1　湘中坳陷區(qū)域構(gòu)造位置Fig.1Regional structural position of Xiangzhong depression

表1　湘中坳陷頁巖氣層系地層表（據(jù)文獻(xiàn)［16］與［17］修改）Table 1Stratigraphic chart of shale gas strata in Xiangzhong depression

續(xù)表

2　樣品采集及實(shí)驗(yàn)測試

2.1樣品采集

本次研究采集的樣品主要分布于湘中漣源—邵陽凹陷上二疊統(tǒng)大隆組出露的地區(qū)（漣源石鳴橋剖面、雙峰南塘剖面、邵陽田家塘剖面、腰子沖剖面和短陂橋剖面），共采集硅質(zhì)巖與硅質(zhì)泥巖等樣品80余塊（圖版Ⅰ）。

2.2實(shí)驗(yàn)測試

筆者選取了36塊樣品用于實(shí)驗(yàn)測試，主要分析了泥頁巖的有機(jī)碳含量（儀器：CS230HC碳硫分析儀；實(shí)驗(yàn)條件：室溫及標(biāo)準(zhǔn)大氣壓）、礦物組成（儀器：日本理學(xué)D/MAX-2500X衍射儀；實(shí)驗(yàn)條件：掃描速度為3°（2θ）/min、采樣步寬為0.01°（2θ）、管壓/管流40 kV/125 mA、靶材為銅靶）、孔隙和裂隙的微觀特征（儀器：TESCAN VEGAⅡ型掃描電子顯微鏡；實(shí)驗(yàn)條件：溫度為24℃、濕度為35%）、孔隙度和滲透率（儀器：Ultrapore-200A氦孔隙儀和ULTRAPERMTM200滲透率儀；實(shí)驗(yàn)條件：溫度為23℃、濕度為50%、大氣壓力為102.5 kPa）。

3　頁巖氣儲(chǔ)層特征

3.1有機(jī)碳含量

對野外露頭剖面樣品進(jìn)行分析，結(jié)果顯示湘中漣源—邵陽凹陷上二疊統(tǒng)大隆組硅質(zhì)泥巖、硅質(zhì)巖和硅質(zhì)灰?guī)r的有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為0.24%～7.39%，平均為2.7%，其中，有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于1%的樣品約占樣品總數(shù)的60%以上（圖2）。從不同巖性的有機(jī)碳含量來看，硅質(zhì)巖有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本上小于0.5%，硅質(zhì)灰?guī)r的有機(jī)碳含量相對較高，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%左右，硅質(zhì)泥巖的有機(jī)碳含量最高，平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于3%，說明研究區(qū)樣品的有機(jī)碳含量與巖性密切相關(guān)。已有研究表明，巖性受沉積環(huán)境控制［1-2，11］，說明沉積環(huán)境是控制研究區(qū)頁巖氣儲(chǔ)層有機(jī)碳含量的主要因素。

圖2　湘中漣源—邵陽凹陷上二疊統(tǒng)大隆組實(shí)測樣品有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布頻率Fig.2The distribution frequency of measured total organic carbon content of Upper Permian Dalong Formation in Lianyuan-Shaoyang depression，central Hunan

已有研究表明，頁巖氣儲(chǔ)層有機(jī)碳含量越高，越有利于頁巖氣的勘探與開發(fā)［2-3］。研究區(qū)上二疊統(tǒng)大隆組有機(jī)碳含量較高的區(qū)域主要分布于次級凹陷的沉降中心附近（圖3），這些區(qū)域也正是硅質(zhì)泥巖相對發(fā)育的地區(qū)，是下一步勘探與開發(fā)的重點(diǎn)區(qū)域。

圖3　湘中漣源—邵陽凹陷上二疊統(tǒng)大隆組有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)等值線圖Fig.3Contour map of total organic carbon content in Upper Permian Dalong Formation in Lianyuan-Shaoyang depression，central Hunan

3.2礦物組成

對野外露頭剖面部分樣品的X射線衍射（XRD）分析表明，湘中漣源—邵陽凹陷上二疊統(tǒng)大隆組硅質(zhì)泥巖的礦物成分以石英為主，其平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為51.1%，其次是黏土礦物，平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為28.3%（圖4）。石英、長石和方解石等脆性礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為19.7%～90.6%，平均為67.7%，脆性礦物含量高，有利于頁巖氣開發(fā)過程中的壓裂改造。

與上揚(yáng)子地區(qū)下古生界頁巖氣儲(chǔ)層相比［5，19-21］，研究區(qū)硅質(zhì)泥巖的脆性礦物含量相對更高，但明顯低于揚(yáng)子巢湖—涇縣地區(qū)上二疊統(tǒng)大隆組泥頁巖的脆性礦物含量［22］；與美國Barnett硅質(zhì)頁巖相比［23］，二者脆性礦物含量基本一致（圖4）。

3.3孔隙、裂隙發(fā)育特征

3.3.1巖石薄片鑒定

巖石薄片鑒定結(jié)果表明，無論是硅質(zhì)泥巖（圖版Ⅱ-1～Ⅱ-4），還是硅質(zhì)巖（圖版Ⅱ-5）和硅質(zhì)灰?guī)r（圖版Ⅱ-6），其構(gòu)造裂縫均較發(fā)育，且多被方解石與硅質(zhì)充填。構(gòu)造裂縫發(fā)育的原因除與巖石的脆性礦物含量有關(guān)外，還與研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造較發(fā)育等因素有關(guān)。以YZC016樣品為例，該樣品為典型的硅質(zhì)泥巖，其泥質(zhì)與炭質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)40%，硅質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為32%，可明顯看出其經(jīng)受了強(qiáng)烈的構(gòu)造擠壓與變形（圖版II-2）。野外露頭剖面的觀測結(jié)果也可說明這一點(diǎn)，在脆性礦物含量較高及斷裂構(gòu)造發(fā)育區(qū)域，巖石的節(jié)理更為發(fā)育（圖版Ⅰ）。

表2　湘中漣源—邵陽凹陷上二疊統(tǒng)大隆組代表性樣品的孔隙度和滲透率Table 2Porosity and permeability of the representative samples in Upper Permian Dalong Formation in Lianyuan-Shaoyang depression，central Hunan

3.3.2掃描電鏡分析

高倍掃描電鏡分析結(jié)果表明，研究區(qū)硅質(zhì)泥巖發(fā)育大量的構(gòu)造裂縫，主要原因是褶皺與斷裂構(gòu)造均發(fā)育，再加上泥頁巖脆性礦物含量高，應(yīng)力集中處往往發(fā)育大量構(gòu)造裂縫。不同樣品的裂縫發(fā)育程度、裂縫寬度和裂縫延伸長度均差異較大，高倍掃描電鏡下YZC016樣品的裂縫多、延伸遠(yuǎn)（圖版Ⅲ-1），而DBQ022樣品的裂縫相對較少，且延伸不遠(yuǎn)（圖版Ⅲ-2）。不僅如此，硅質(zhì)泥巖中有機(jī)質(zhì)微孔隙發(fā)育，特別是在有機(jī)碳含量較高的硅質(zhì)泥巖中，有機(jī)質(zhì)微孔隙最發(fā)育（圖版Ⅲ-3）；其次，方解石含量較高的硅質(zhì)泥巖中還可見較多的不穩(wěn)定礦物溶蝕孔（圖版Ⅲ-4）。除此以外，在一些硅質(zhì)泥巖中可見少量的殘余原生孔隙（圖版Ⅲ-5）和礦物層間微裂縫（圖版Ⅲ-6）。硅質(zhì)泥巖中殘余原生孔隙較少的原因與研究區(qū)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，巖層受擠壓作用較強(qiáng)，巖石結(jié)構(gòu)致密等因素有關(guān)。

3.4孔隙度和滲透率

湘中漣源—邵陽凹陷上二疊統(tǒng)大隆組硅質(zhì)泥巖的孔隙度大多小于5%，但個(gè)別樣品的孔隙度也可高達(dá)23.8%（表2）。四川盆地下古生界頁巖的孔隙度一般為2.59%～10.94%［1］，高于研究區(qū)頁巖氣儲(chǔ)層的孔隙度。據(jù)美國頁巖氣研究資料表明，其五大含氣頁巖的孔隙度為3%～14%，平均約7%［24］，同樣高于研究區(qū)頁巖氣儲(chǔ)層的孔隙度。因此，研究區(qū)硅質(zhì)泥巖的孔隙度總體較低，但樣品間差異較大。

研究區(qū)上二疊統(tǒng)大隆組硅質(zhì)泥巖的滲透率大多小于0.01 mD，但個(gè)別樣品的滲透率可高達(dá)3.780 mD（參見表2）。據(jù)美國頁巖氣研究資料表明，其頁巖滲透率一般小于0.1 mD［24］。因此，研究區(qū)硅質(zhì)泥巖的滲透率總體較低，但樣品間差異性較大。

對研究區(qū)硅質(zhì)泥巖的孔隙度與滲透率進(jìn)行相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，孔隙度高的樣品往往有著較高的滲透率（參見表2），這反映了硅質(zhì)泥巖孔隙度和滲透率的主要影響因素相同。結(jié)合巖石薄片鑒定及掃描電鏡分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，構(gòu)造裂縫出現(xiàn)頻次高、裂縫寬且延伸遠(yuǎn)的樣品，其滲透率相對較高。YZC016樣品受構(gòu)造作用明顯（圖版Ⅱ-2），掃描電鏡分析顯示其構(gòu)造裂縫相對最發(fā)育，裂縫延伸相對最遠(yuǎn)，裂縫寬度相對最大，部分裂縫延伸長度可達(dá)數(shù)百微米，裂縫寬度高達(dá)60 μm左右（圖版Ⅲ-1），其孔隙度和滲透率分別高達(dá)23.8%和3.78 mD（參見表2）。四川盆地泥頁巖由片狀構(gòu)造或由構(gòu)造運(yùn)動(dòng)造成的裂縫致使某些樣品的孔隙度高達(dá)20%或以上［1］，同樣表明構(gòu)造裂縫是影響頁巖氣儲(chǔ)層孔隙度的主要因素。構(gòu)造裂縫出現(xiàn)頻次相對較高、裂縫寬度和延伸長度均相對較大的樣品（圖版Ⅱ-3和圖版Ⅲ-2，其裂縫寬度一般為5 μm，裂縫延伸長度一般為幾十微米），其孔隙度和滲透率均相對較高，分別為4.2%和0.007mD（參見表2）。然而，構(gòu)造裂縫出現(xiàn)頻次相對較低、裂縫寬度和延伸長度均相對較小的樣品（圖版Ⅲ-4～Ⅲ-6），其孔隙度和滲透率往往較小（參見表2）。因此，構(gòu)造裂縫發(fā)育程度是影響研究區(qū)大隆組硅質(zhì)泥巖孔隙度和滲透率的最主要因素。

結(jié)合不同樣品的主要孔隙、裂隙類型及其與孔隙度的相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，殘余原生孔較發(fā)育的樣品（圖版Ⅲ-5），即使其構(gòu)造裂縫不發(fā)育，也可具有相對較高的孔隙度（參見表2），表明殘余原生孔是區(qū)內(nèi)控制頁巖氣儲(chǔ)層孔隙度的主要因素之一。同樣，即使是構(gòu)造裂縫不甚發(fā)育的樣品，由于有機(jī)質(zhì)微孔隙發(fā)育，其孔隙度也相對較高，表明有機(jī)質(zhì)微孔隙同樣是區(qū)內(nèi)控制頁巖氣儲(chǔ)層孔隙度的主要因素之一。前人研究結(jié)果［25-26］表明，泥頁巖有機(jī)碳含量是影響其孔隙度大小的一個(gè)重要因素，與本次研究結(jié)論基本一致。

4　結(jié)論

（1）湘中漣源—邵陽凹陷上二疊統(tǒng)大隆組巖石的有機(jī)碳含量與其巖性關(guān)系密切，其中硅質(zhì)泥巖有機(jī)碳含量最高，平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于3%，其次是硅質(zhì)灰?guī)r（有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%左右）和硅質(zhì)巖（有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.5%），表明沉積環(huán)境是控制有機(jī)碳含量的主要因素。

（2）湘中漣源—邵陽凹陷上二疊統(tǒng)大隆組硅質(zhì)泥巖中石英、長石和方解石等脆性礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為19.7%～90.6%，平均為67.7%，與美國Barnett硅質(zhì)頁巖的脆性礦物含量基本相當(dāng)，脆性礦物含量高。

（3）湘中漣源—邵陽凹陷大隆組硅質(zhì)泥巖的構(gòu)造裂縫較發(fā)育，但多被方解石和硅質(zhì)充填。大隆組硅質(zhì)泥巖中構(gòu)造裂縫及有機(jī)質(zhì)微孔隙均是泥頁巖基質(zhì)孔隙和裂隙的主要組成部分，其次是不穩(wěn)定礦物溶蝕孔、礦物層間微裂隙和殘余原生孔隙。

（4）湘中漣源—邵陽凹陷大隆組硅質(zhì)泥巖的孔隙度和滲透率差異較大，但絕大部分樣品的孔隙度和滲透率分別小于5%和0.01 mD，頁巖氣儲(chǔ)集物性較差。構(gòu)造裂縫發(fā)育程度是影響研究區(qū)大隆組硅質(zhì)泥巖孔隙度和滲透率的最主要因素。此外，硅質(zhì)泥巖中殘余原生孔隙和有機(jī)質(zhì)微孔隙發(fā)育程度是影響其孔隙度的主要因素。

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圖版Ⅰ

圖版Ⅱ

圖版Ⅲ

（本文編輯：李在光）

Reservoir characteristics of shale gas of Upper Permian Dalong Formation in Lianyuan-Shaoyang depression，central Hunan

Xiao Zhenghui1，2，Niu Xianqiang1，Yang Rongfeng1，Yu Ye1，Huang Yanran1，Chen Xinyue1
（1.Hunan Provincial Key Laboratory of Shale Gas Resource Utilization，Hunan University of Science and Technology，Xiangtan 411201，Hunan，China；2.Hunan Provincial Key Laboratory of Coal Resources Clean-utilization and Mine Environment Protection，Hunan University of Science and Technology，Xiangtan 411201，Hunan，China）

To evaluate shale gas exploration potential in Upper Permian Dalong Formation in Lianyuan-Shaoyang depression，central Hunan，the reservoir characteristics of shale gas were investigated by the analysis of total organic carbon（TOC）content，mineral composition，microscopic characteristics of pores and fractures，porosity and permeability of shale.The results show that the TOC content has close relationship with lithology，the TOC content of siliceous mudstones were the highest，with an average value over 3%，which shows that it is obviously controlled by sedimentary environment.The brittle mineral contents in the siliceous mudstones were 67.7%on average，which is essentially the same as the brittle mineral contents in Barnett siliceous shale of America.The tectonic fractures developed well，and they are related to the brittle mineral contents and geological structure.The organic micropore is the main composition of pore-fracture system in the siliceous mudstones with higher TOC content.The porosity and permeability of siliceousmudstones were both low，being lower than 5%and 0.01 mD respectively.Fracture development degree is the dominant factor for influencing porosity and permeability of siliceous mudstones.

shale gas；reservoir characteristics；Upper Permian；DalongFormation；Lianyuan-Shaoyangdepression in central Hunan

TE132.2

A

1673-8926（2015）04-017-08

2015-01-26；

2015-04-29

湖南省科技廳重大專項(xiàng)“湖南頁巖氣資源潛力評價(jià)及電磁探測系統(tǒng)研發(fā)”（編號：2012FJ1006）、湖南省科技廳科技計(jì)劃項(xiàng)目“湘西北下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁巖氣富集規(guī)律研究”（編號：2013SK3163）、成都理工大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目“湘西北地區(qū)復(fù)雜地質(zhì)條件下頁巖氣富集規(guī)律研究”（編號：PLC201302）和湖南省教育廳優(yōu)秀青年項(xiàng)目“湘中盆地演化與非常規(guī)天然氣資源潛力分析研究”（編號：12B039）聯(lián)合資助

肖正輝（1973-），男，博士，副教授，主要從事非常規(guī)天然氣方面的教學(xué)和科研工作。地址：（411201）湖南省湘潭市桃園路湖南科技大學(xué)頁巖氣資源利用湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。E-mail：xiaozhenghui2003@163.com。