湘中地區(qū)漣源凹陷石炭系測水組泥頁巖儲層特征

苗鳳彬，王　強，白云山，譚　慧

（1.中國地質(zhì)調(diào)查局武漢地質(zhì)調(diào)查中心，武漢430205；2.湖南華晟能源投資發(fā)展有限公司，長沙410004）

湘中地區(qū)漣源凹陷石炭系測水組泥頁巖儲層特征

苗鳳彬1，王強1，白云山1，譚慧2

（1.中國地質(zhì)調(diào)查局武漢地質(zhì)調(diào)查中心，武漢430205；2.湖南華晟能源投資發(fā)展有限公司，長沙410004）

石炭系測水組是漣源凹陷重要的頁巖氣勘探層位，針對頁巖氣藏自生自儲、低孔低滲的特征，進行測水組泥頁巖儲層特征研究是該區(qū)頁巖氣勘探與開發(fā)的關(guān)鍵問題。本文基于野外露頭、鉆探井及樣品實驗測試數(shù)據(jù)等資料，對測水組泥頁巖儲層分布、礦物組成、物性、含氣性等特征進行了細致分析。測水組泥頁巖在凹陷中部褶皺帶厚度最大、埋深適合；泥頁巖中脆性礦物含量超過70%，有利于天然裂縫的發(fā)育與后期的壓裂改造。泥頁巖內(nèi)微孔隙與裂縫較為發(fā)育，孔徑分布范圍3.71 ～19.07 nm，以介孔為主，具有較大的孔比表面積，孔徑與總孔隙體積隨埋深增加呈減小趨勢。儲層孔隙度為1.0%～6.2%，平均為3.5%，滲透率變化較大，受裂縫發(fā)育程度的影響，為典型的低孔低滲非均質(zhì)儲層。受埋深較淺的影響，樣品整體含氣量較低，分布在0.16-0.49 m3/t，但等溫吸附測試的吸附氣量遠大于解析氣量，表明在合適的埋深下測水組仍具有較好的儲氣能力。綜合評價認(rèn)為，漣源凹陷測水組泥頁巖具有形成優(yōu)質(zhì)頁巖氣儲層的潛力。

泥頁巖儲層；孔隙類型；孔隙度；含氣性；測水組；漣源凹陷

Miao F B，Wang Q，Bai Y S and Tan H.

Geology and Mineral Resources of south China，2016，32（2）：172-179.

頁巖氣是指賦存于暗色泥頁巖及其它巖性夾層中，以吸附和游離態(tài)為主要存在方式的非常規(guī)天然氣［1-2］，因其清潔、低碳、高效等特性，在國際上受到高度重視。北美地區(qū)頁巖氣藏的成功開發(fā)改變了其原有的能源結(jié)構(gòu)，也引起了我國對頁巖氣資源的密切的關(guān)注，近年來，我國在全國范圍內(nèi)加大了頁巖氣藏的勘探開發(fā)力度。

湘中漣源凹陷地區(qū)油氣勘探工作始于上個世紀(jì)六十年代，先后完成了20多口常規(guī)天然氣鉆探井，且多口井有良好的氣體顯示或低產(chǎn)氣流。直至2012年，凹陷內(nèi)的第一口頁巖氣探井——湘頁1井順利完鉆，標(biāo)志著該區(qū)頁巖氣勘探工作的全面開始，湘頁1井位于漣源凹陷橋頭河向斜中心區(qū)，在目的層二疊系大隆組泥頁巖中獲得一定產(chǎn)氣量，預(yù)示了湘中地區(qū)良好的頁巖氣勘探前景。湘中漣源凹陷晚古生代地層中存在多個暗色泥頁巖層系，其中，石炭系測水組泥頁巖系是該區(qū)重要的頁巖氣勘探層位，其暗色泥頁巖累計厚度較大、分布廣泛、有機碳含量高，具有形成優(yōu)質(zhì)頁巖氣藏的潛力。頁巖氣藏具有典型的自生自儲、低孔低滲特征，因此進行測水組泥頁巖儲層特征的精細研究是該區(qū)頁巖氣勘探的關(guān)鍵問題。

1　區(qū)域地質(zhì)特征

漣源凹陷位于湘中地區(qū)北部，婁底—新化一帶，整體呈北西西向展布，沉積基底為前泥盆系，蓋層從泥盆系到第四系均有發(fā)育，區(qū)內(nèi)構(gòu)造線主要呈北東—北北東向，面積約6770 km2。

圖1　漣源凹陷構(gòu)造位置Fig.1 Tectoniclocation ofLianyuan depression

該凹陷西鄰雪峰山隆起，東部接衡陽盆地西部隆起，北部為溈山凸起，南部為龍山—白馬山凸起（圖1）。區(qū)域構(gòu)造以多期次、多層次的層滑構(gòu)造為主，構(gòu)造樣式較為復(fù)雜，凹陷內(nèi)可進一步劃分為西北斷褶帶，中部褶皺帶和東部斷褶帶。西北斷褶帶西與雪峰山隆起相接，東以集云斷裂為界，疊瓦狀逆沖斷層及其間的緊閉褶皺為其主體構(gòu)造樣式。中部褶皺帶東西分別以集云斷裂帶和鳳冠山斷裂帶為界，主要發(fā)育了青峰向斜、車田江向斜、橋頭河向斜、恩口-斗笠山向斜，向斜內(nèi)部構(gòu)造簡單，各層系保存較完整，地層厚度穩(wěn)定，向斜間以緊閉的背斜相隔，構(gòu)成了該區(qū)典型的隔檔式褶皺構(gòu)造樣式。東部斷褶帶位于鳳冠山逆沖斷裂帶以東，與衡陽盆地西部隆起相接，發(fā)育一系列逆沖斷層和張扭性斷層。凹陷內(nèi)從前泥盆系淺變質(zhì)基底形成后至早三疊世，地層基本連續(xù)沉積，泥盆系至三疊系沉積的各個層位原始沉積厚度相對穩(wěn)定，區(qū)內(nèi)缺乏中三疊統(tǒng)及以上層位，下石炭統(tǒng)幾乎在全區(qū)均有展布。中部構(gòu)造帶的向斜形態(tài)相對完整，核部地層年代較新，為上二疊系或三疊系下部層位；背斜的核部出露的地層較老，且抬升剝蝕嚴(yán)重，一般為早、中石炭統(tǒng)，部分地區(qū)出露泥盆系［3-4］，該帶是凹陷內(nèi)石炭系測水組頁巖氣勘探的主要區(qū)域，分布著多口常規(guī)天然氣與頁巖氣的鉆探井。

漣源凹陷區(qū)下石炭統(tǒng)測水組為一套濱海-濱海沼澤沉積的含煤碎屑巖，厚度幾十米至上百米不等，在整個湘中地區(qū)均有分布，其巖性主要為石英砂巖、炭質(zhì)泥頁巖、砂質(zhì)泥頁巖夾煤層及少量泥灰?guī)r［5］。泥頁巖在該組上下段均有分布，在下段較為集中，且多含炭質(zhì)，煤層也主要分布于中下段的泥頁巖與粉砂巖中，累計厚度1～15 m不等，上段泥頁巖有所減少，以石英砂巖、砂質(zhì)泥頁巖為主。從整個湘中地區(qū)來看，漣源凹陷測水組泥頁巖最為發(fā)育，最大累積厚度可達100余米，往南經(jīng)邵陽凹陷至零陵凹陷厚度逐漸減薄。

2　泥頁巖儲層分布特征

漣源凹陷測水組沉積中心位于冷水江—溫塘—安平一帶，該帶泥頁巖累計厚度也最大，鉆井資料顯示位于該帶上冷水江附近的漣8井與溫塘附近的邵5井泥頁巖厚度均超過70 m。中心區(qū)域泥頁巖厚度多大于20 m，向邊緣呈減薄趨勢，西北邊緣地區(qū)厚度接近10 m，厚度較大的泥頁巖均分布在中部褶皺帶上（圖2）。測水組在中部褶皺帶車田江、橋頭河、恩口-斗笠山三個向斜中心區(qū)域埋深均大于1000 m，而在向斜之間的背斜區(qū)埋深很淺甚至被剝蝕。

圖2　漣源凹陷測水組泥頁巖厚度分布Fig.2 ShalethicknessofCeshuiFormation in Lianyuan depression

3　儲層礦物學(xué)特征

泥頁巖礦物組分是影響其巖石力學(xué)性質(zhì)的根本因素。泥頁巖基質(zhì)孔隙度和滲透率一般較低，當(dāng)石英、長石、碳酸鹽等礦物含量較高時，巖石的脆性增強，其內(nèi)天然裂縫與孔隙易于發(fā)育，極大的改善了泥頁巖的儲集性能［6-7］。北美優(yōu)質(zhì)頁巖儲層礦物成分中，脆性礦物含量多大于30%，如Fort Worth盆地Barnett頁巖中石英的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35%～50%，San盆地Lewis頁巖中石英的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%～75%［3，8］，而黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般小于30%。對漣源凹陷測水組野外露頭與巖芯樣品的X射線衍射分析發(fā)現(xiàn)：測水組泥頁巖礦物成分以石英為主，其平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60.8%，其次是黏土礦物，平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為23.3%，長石和碳酸鹽礦物含量較低，黏土礦物中，占主要比例的是伊利石與伊蒙間層。測水組泥頁巖中，石英、長石、黃鐵礦和碳酸鹽礦物等脆性礦物所占比例在35.5%～93.5%之間，均值為73.7%，與北美優(yōu)質(zhì)頁巖儲層相比，其脆性礦物含量略高，黏土礦物含量略低，在外力作用下更容易形成誘導(dǎo)縫，對后期儲層的壓裂改造較為有利。

漣源凹陷針對測水組的鉆井LC1井與LY2井不同深度泥頁巖樣品中，石英、長石、黃鐵礦和碳酸鹽等脆性礦物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布在50.1%～93.5%，均值高達75%，其巖芯上天然裂縫較為發(fā)育，多個深度處裂縫密度大于3.0條/m，以構(gòu)造裂縫為主，層理縫次之，對比巖芯縱向上脆性礦物含量與天然裂縫的發(fā)育程度發(fā)現(xiàn)，二者之間具有較好的正相關(guān)性（圖3）。

4　儲層物性特征

對于頁巖氣藏，泥頁巖既是烴源巖又是儲集層，孔隙和裂縫是其主要的儲存空間與重要的滲流通道，二者發(fā)育程度決定著儲集層物性的優(yōu)劣，并直接關(guān)系到頁巖氣藏的儲量與開發(fā)的難易。

4.1儲集空間類型

通過對凹陷內(nèi)巖芯樣品的氬離子拋光-掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，測水組泥頁巖存在大量微孔隙與微裂縫。微孔隙主要包括礦物粒內(nèi)孔、粒間微孔、晶間微孔、礦物溶蝕孔、有機質(zhì)微孔5類，微裂縫主要為構(gòu)造縫。

測水組泥頁巖礦物粒間孔普遍發(fā)育，平面上形狀多樣，主要分布于礦物顆粒邊界處，孔徑范圍多為1～5 μm之間（圖4a）。粒內(nèi)孔多形成于成巖演化階段，在測水組泥頁巖中也較為常見，其孔徑明顯小于粒間孔隙。該區(qū)泥頁巖中局部發(fā)育一些晶間微孔，由晶粒間礦物溶蝕或有機質(zhì)熱演化消耗而形成，如黃鐵礦晶粒間多存在這類孔隙，其孔徑多小于1 μm（圖4b）。礦物溶蝕孔在礦物顆粒內(nèi)部與顆粒間皆有發(fā)育，因長石、碳酸鹽礦物等溶蝕所形成，其孔徑一般較大，以微米級為主，常與微裂縫相伴生（圖4c）。測水組有機質(zhì)微孔隙多存在于有機碳含量較高的泥頁巖中，其孔隙直徑一般小于1 μm，呈密集分布狀態(tài)，平面上呈不規(guī)則形狀，空間上形成洞穴狀、蜂窩狀等復(fù)雜結(jié)構(gòu)（圖4d）。且對照泥頁巖樣品有機質(zhì)成熟度發(fā)現(xiàn)，成熟度較高的樣品，其有機質(zhì)微孔隙也相對較為發(fā)育。

測水組泥頁巖中發(fā)育較多的微裂縫，與其脆性礦物含量較高及該地區(qū)經(jīng)受的多期構(gòu)造應(yīng)力作用相關(guān)。微裂縫寬度主要為納米級，其延伸長度從納米—微米不等，最大可達幾十微米，以構(gòu)造裂縫為主，在礦物內(nèi)與礦物間均有分布（圖4e）。此外，在不同礦物顆粒分界處或有機質(zhì)與礦物分界處微裂縫也比較發(fā)育，為應(yīng)力作用下礦物顆粒相互擠壓與溶蝕作用所形成（圖4f）。

測水組泥頁巖除微孔隙與微裂縫較發(fā)育外，縱向上多個深度段宏觀裂縫也發(fā)育強烈，主要為構(gòu)造縫和層理縫（圖5）。對于低孔、低滲的泥頁巖儲層，孔隙與裂縫系統(tǒng)不僅為氣體提供了有效的儲集空間，也是重要的滲流通道，對改善泥頁巖的儲集性能及開發(fā)過程中壓裂縫的形成與擴展具有重要作用。裂縫對滲流的貢獻大于孔隙，尤其是多角度裂縫構(gòu)成的網(wǎng)狀裂縫系統(tǒng)，對于連接縱橫向氣體的運移有重要貢獻。

4.2孔隙結(jié)構(gòu)

泥頁巖儲層的孔隙結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，孔徑較小，納米級孔隙普遍發(fā)育。LY2井測水組泥頁巖樣品的高壓壓汞測試結(jié)果顯示，最大進汞壓力為227 MPa，探測孔隙半徑下限為2.7 nm，反映出該區(qū)泥頁巖微孔隙主要為納米級，納米級孔隙決定了其具有較大的比表面積。LY2井與LC1井泥頁巖樣品比表面積與孔徑分布測試結(jié)果顯示，其平均孔徑分布范圍在3.71～19.07 nm之間，主要集中在5.0～10.0 nm，屬于介孔級別，而前人研究證明，對滲透率起貢獻的主要為介孔與大孔，且介孔提供了主要的孔比表面積［9-10］。測水組泥頁巖比表面積主要分布在3.01～15.64 m2/g之間，平均為11.89 m2/g，總孔體積分布在0.013～0.047 mL/g之間，其中，LY2井總孔體積平均值為0.030 mL/g，LC1井平均值為0.018 mL/g。對比兩口井測試數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，LY2井泥頁巖孔徑與總孔隙體積整體大于LC1井，其樣品所在深度小于LC1井，表明該區(qū)泥頁巖孔徑與總孔隙體積隨深度增加呈較小趨勢（表1）。

圖3　測水組泥頁巖礦物組成與裂縫密度關(guān)系（上圖為LC1井，下圖為LY2井）Fig.3 Relationship between themineralcomposition and thefracturedensityin coresofCeshuiFormation

4.3孔隙度與滲透率

漣源凹陷測水組泥頁巖儲層整體表現(xiàn)為低孔、低滲特性。從覆壓孔滲測定結(jié)果來看，LC1井、LY2井泥頁巖樣品孔隙度介于1.0%～6.2%，平均為3.5%，測試樣品多取自巖芯上裂縫不發(fā)育處，滲透率主要集中在0.0002～0.0053 mD，但變化較大，部分樣品滲透率達0.75 mD，可能與其內(nèi)部存在較多微裂縫有關(guān)。測水組泥頁巖儲層孔隙度和滲透率總體較低，但樣品間存在較強的差異，二者整體呈正相關(guān)關(guān)系，但相關(guān)性不好，表明儲層物性受裂縫發(fā)育程度影響，具非均質(zhì)性，裂縫發(fā)育帶或溶蝕作用強烈?guī)囗搸r滲透率呈現(xiàn)較高值。依據(jù)目前國際上頁巖氣勘探開發(fā)實踐與頁巖儲層參數(shù)評價標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)質(zhì)頁巖氣儲層孔隙度一般不低于4.00%，美國主要產(chǎn)氣頁巖儲層孔隙度集中在4.22%～6.51%，滲透率普遍低于0.1 mD［11-12］。與美國主要頁巖氣儲層孔隙度和滲透率相比，漣源凹陷測水組泥頁巖孔隙度略低、滲透率相當(dāng)，但測水組儲層存在較強烈的差異性，兩口井測水組縱向上存在多個裂縫發(fā)育帶，有利于氣體的儲集與滲流，能夠達到優(yōu)質(zhì)頁巖氣儲層的標(biāo)準(zhǔn)。

圖4　測水組泥頁巖孔隙類型（a、b、c、d、f來自LY2井，e來自LC1井）Fig.4 PoretypesforshaleofCeshuiFormation

圖5　測水組泥頁巖巖芯裂縫Fig.5 Thenaturalfracturesin shalecoresofCeshuiFormation

表1　漣源凹陷測水組泥頁巖孔隙分布Table 1 Pore distribution for shale of Ceshui Formation in Lianyuan depression

5　儲層含氣性特征

頁巖氣主要以吸附態(tài)和游離狀態(tài)賦存于泥頁巖儲層之中。從LY2井測水組泥頁巖含氣量現(xiàn)場解析測試結(jié)果來看，泥頁巖層段所含氣以解吸氣為主，氣量分布在0.13～0.37 m3/t，其損失氣量次之，殘余氣含量較少，樣品總含氣量分布在0.16～0.49 m3/t，平均為0.31 m3/t，且含氣量隨深度呈明顯分段性規(guī)律，不同層段含氣量差異較大（圖6）。LY2井測水組泥頁巖解析氣含量整體較低，考慮到樣品所處深度均小于200 m，埋藏較淺影響到氣體的保存效果從而導(dǎo)致解析氣含量較低。對6塊測水組樣品的等溫吸附實驗結(jié)果顯示，泥頁巖對甲烷的吸附量隨著壓力增加而增大，飽和吸附量分布在0.78～1.56 m3/t，平均為1.26 m3/t，樣品等溫吸附測試得到的吸附氣量遠大于解析氣總量（圖6），表明測水組泥頁巖仍具有較好的儲氣能力，在適合的埋藏深度與保存條件下，能夠形成好的頁巖氣藏。

通過對巖芯裂縫的統(tǒng)計，測水組泥頁巖巖芯宏觀裂縫發(fā)育程度較高，縱向上多個深度段密度大于2.0條/m，有些層段甚至超過4.0條/m，其對應(yīng)的巖芯嚴(yán)重破碎，且宏觀裂縫發(fā)育段所取樣品的微觀薄片與掃描電鏡觀察結(jié)果顯示，微裂縫和微孔隙也較為發(fā)育，極大的改善了儲層物性。對比所取樣品的解析氣量與其所處深度段宏觀裂縫與微裂縫發(fā)育程度發(fā)現(xiàn)，含氣量較高的樣品對應(yīng)深度處巖芯裂縫密度一般較大，二者具有較好的正相關(guān)性，鉆探現(xiàn)場的樣品清水試氣實驗也發(fā)現(xiàn)，存在裂縫的樣品，裂縫中有較多的氣泡溢出，且持續(xù)時間較長。以上分析均表明，在較好的封存條件下測水組泥頁巖較高的裂縫發(fā)育程度對提高產(chǎn)氣量有重要作用。

6　結(jié)論

（1）測水組泥頁巖在凹陷中部構(gòu)造帶沉積厚度較大，尤其冷水江—溫塘—安平一帶，泥頁巖厚度達到最大值；其在中部構(gòu)造帶的向斜區(qū)埋藏較深，而在背斜區(qū)埋深較淺甚至被剝蝕。

圖6　LY2井不同深度樣品含氣量分布Fig.6 Thegascontentchangewith depth ofsamplesin LY2 Well

（2）測水組泥頁巖礦物組成中石英等脆性礦物含量較高，均值超過70%，黏土礦物所占比例為23.3%，主要為伊利石與伊蒙間層，泥頁巖中較高的脆性礦物含量有利于天然裂縫的發(fā)育與后期的壓裂改造。

（3）測水組泥頁巖內(nèi)微孔隙與裂縫較為發(fā)育，孔隙主要包括礦物粒內(nèi)孔、粒間孔、晶間孔、礦物溶蝕孔和有機質(zhì)孔，孔徑分布范圍3.71～19.07 nm，屬介孔級別，且孔徑與總孔隙體積隨埋深增加呈減小趨勢，裂縫主要為構(gòu)造縫和層理縫。該區(qū)測水組泥頁巖具有典型的低孔低滲與強烈的非均質(zhì)性，其孔隙度介于1.0%～6.2%，滲透率集中在0.0002～0.0053 mD，均相對較低，但裂縫發(fā)育的層段，其滲透率則呈現(xiàn)較高的值。

（4）LY2井測水組泥頁巖受埋深較淺的影響總體含氣量較低，但其等溫吸附測試得到的吸附氣量遠大于解析氣量，表明凹陷內(nèi)測水組埋深適合、保存條件較好，具有形成優(yōu)質(zhì)氣藏的潛力，應(yīng)作為重要的勘探靶區(qū)，且泥頁巖中孔隙與裂縫的發(fā)育程度對產(chǎn)氣量有重要作用。

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MIAO Feng-Bin1，WANG Qiang1，BAI Yun-Shan1，TAN Hui2

（1.Wuhan Center of China Geological Survey，Wuhan 430205，China；2.Hunan Huasheng Energy Resource and Investment Development Co.，Ltd.，Changsha 410004，China）

Shale Reservoir Characteristics of Ceshui Formation in Lianyuan Depression in the Middle of Hunan Province.

The Carboniferous Ceshui Formation in Lianyuan Depression is regarded as an important shale gas exploration layer.Based on the characteristics of"self-generation and self-accumulation"and"lowporosityand low permeability"，the study on shale reservoir is a key issue in the exploration and development of shale gas.Based on a vast amount of data from outcrops，well cores and experimental analysis，the reservoir characteristics of Ceshui Formation are analyzed in detail，such as the regional distribution，mineral composition，physical properties and gas content.The shale reservoir of Ceshui Formation in the central fold belt have a greatest thickness and an appropriate buried depth.And it has high contents of brittle minerals more than 70%，which is favorable for the generation of natural fractures and the late fracturing treatment.Pores and natural fractures in shale reservoir are common.The micro-pore size is ranged in 3.71～19.07nmand the mesoporous with high specific surface area are predominant.The micro-pore size and pore volume have a general trend of decreasing with increasing burial depth.Reservoir porosity is ranged from 1.0%～6.2%with an average of 3.5%.The permeability which is affected bythe natural fractures in reservoir varies greatlyand the shale reservoir have a severe inhomogeneous proper-ty.The gas content of shale samples with 0.16-0.49 m3/t is lowbecause of the shallowburial depth.But the adsorbed gas content of the samples is more than the gas content，and the shales still have a large storage capacity with an appropriate burial depth.The comprehensive evaluation indicate that the Ceshui Formation in Lianyuan Depression can be an excellent reservoir for shale gas.

shale reservoir；pore type；porosity；gas content；Ceshui Formation；Lianyuan depression

中圖分類法：P534.45，P618.13A

1007-3701（2016）02-172-08

10.3969/j.issn.1007-3701.2016.02.010

2016-04-23；

2016-06-08.

中國地質(zhì)調(diào)查局項目“湘中坳陷頁巖氣資源遠景調(diào)查（12120114049701）”資助.

苗鳳彬（1986—），男，碩士，主要從事非常規(guī)油氣勘探與低滲透儲層研究工作，E-mail：mfb.52163@163.com.