湘西北地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁巖氣儲層特征及有利目標區(qū)預測

王金龍，張 翔， 沈家仙 .

(1.長江大學研究生院，湖北武漢 430100； 2.非常規(guī)油氣湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北武漢 430100)

湘西北地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁巖氣儲層特征及有利目標區(qū)預測

王金龍1，張 翔1， 沈家仙2.

(1.長江大學研究生院，湖北武漢 430100； 2.非常規(guī)油氣湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北武漢 430100)

湘西北地區(qū)頁巖氣形成地質(zhì)條件良好，是實現(xiàn)突破的有利地區(qū)。為了查明湘西北地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁巖氣儲層特征，通過野外地質(zhì)調(diào)查、樣品地球化學分析、資料收集與分析等手段，剖析了牛蹄塘組泥頁巖的巖相、礦物學特征和儲集空間及含氣性等特征。研究結(jié)果表明：該區(qū)牛蹄塘組主要發(fā)育泥頁巖、碳質(zhì)頁巖、粉砂質(zhì)頁巖、硅質(zhì)頁巖等巖相；礦物成分以石英和黏土礦物為主，脆性礦物含量高，黏土礦物以伊利石和伊蒙混層為主；暗色泥頁巖微孔隙和微裂縫發(fā)育，儲集性能較好，含氣性較高。結(jié)合TOC平面展布圖、富有機質(zhì)頁巖厚度分布圖及頁巖埋深和剝蝕狀況初步預測湘西北牛蹄塘組頁巖氣有利勘探地區(qū)大致分布在石門-常德一帶和永順-龍山一帶。

湘西北地區(qū)；牛蹄塘組；巖相；頁巖氣儲層；有利勘探區(qū)

能源是現(xiàn)代社會發(fā)展的動脈?？v觀人類社會進步的歷程，人類利用能源經(jīng)歷了高碳、中碳到低碳的過程，并將發(fā)展到無碳時代[1]。長期以來我國以煤炭和石油為主導的能源結(jié)構(gòu)造成空氣污染比較嚴重，石油可開采量增長乏力，對外依存度不斷增大，而氫氣資源從技術(shù)、成本和安全上還沒有優(yōu)勢，但隨著低碳時代的到來，低碳、清潔、高效的天然氣已經(jīng)成為人們的必然選擇。近些年來，隨著水平鉆井技術(shù)、水力壓裂技術(shù)的進步以及天然氣價格的不斷攀升，一些滲透性差、開發(fā)難度大的非常規(guī)油氣資源逐漸受到人們的重視[2-3]。我國有豐富的非常規(guī)油氣資源，具有很好的勘探開發(fā)前景。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

研究區(qū)位于湖南省西北部，揚子準地臺東南緣上揚子褶皺帶與江南地軸結(jié)合部位的武陵褶斷束內(nèi)，構(gòu)造分區(qū)包括桑植-石門復向斜和馬蹄寨復向斜，地層分區(qū)方面，隸屬揚子和江南區(qū)的過渡地帶(圖1)[4]。區(qū)內(nèi)地層出露比較齊全，除缺失上志留統(tǒng)和下泥盆統(tǒng)外，從中元古界冷家溪群至第四系的其他地層都有分布[5]。

圖1 研究區(qū)地理位置簡圖Fig.1 Location map of study area

湖南早寒武世沉積從早寒武世梅樹村期開始，全區(qū)地勢西北高東南低，海水由西北向東南逐漸加深[5]。牛蹄塘組黑色、灰黑色泥頁巖主要發(fā)育于深水陸棚、斜坡-盆地相區(qū)，從西北向東南厚度逐漸減小，但整體厚度大，變化小。

2 頁巖氣儲層特征

頁巖氣指賦存于富有機質(zhì)泥頁巖及其夾層中，以吸附和游離狀態(tài)為主要存在方式的非常規(guī)天然氣。美國在頁巖氣勘探開發(fā)方面的成功極大地影響了各國在頁巖氣方面研究的熱情，研究頁巖及其儲層的學者越來越多，相關(guān)論文也不斷涌現(xiàn)。筆者經(jīng)過湘西北及其周緣野外多條剖面觀察和實測，采集頁巖樣品400余塊，經(jīng)過對樣品地球化學數(shù)據(jù)分析，結(jié)合前人研究成果，從頁巖巖相特征、礦物學特征和儲集空間特征等方面對該地區(qū)牛蹄塘組頁巖氣儲層進行論述。

2.1 巖相特征

牛蹄塘組頁巖氣儲層由多種巖相組成，主要有硅質(zhì)巖、硅質(zhì)頁(泥)巖相、碳質(zhì)(泥)頁巖、泥頁巖相、粉砂質(zhì)(泥)頁巖、泥質(zhì)粉砂巖相等。各巖相礦物成分和結(jié)構(gòu)構(gòu)造等特征如下：

(1)硅質(zhì)巖相。硅質(zhì)巖主要發(fā)育于牛蹄塘組底部，露頭剖面主要以深灰色-灰黑色為主，呈薄到中層狀或與硅質(zhì)頁巖互層產(chǎn)出。由于含生物硅比較多，質(zhì)地堅硬，不易風化(圖2a)。常含有硅藻、海綿骨針等化石，代表深水陸棚-斜坡的沉積環(huán)境。以沅陵地區(qū)為代表，該地處于斜坡區(qū)，水體深，沉積厚度大，往西北過渡到深水陸棚時沉積厚度減小。

(2)硅質(zhì)(泥)頁巖相。硅質(zhì)(泥)頁巖主要發(fā)育于牛蹄塘組底部-下部，露頭剖面主要以黑色和灰黑色為主，性脆且硬，不易風化(圖2b)。其代表了深水陸棚-半深海的環(huán)境，常與硅質(zhì)巖和碳質(zhì)頁巖互層出現(xiàn)。剖面風化對總有機碳(TOC)含量有較大影響，該巖相脆性礦物含量為35.4%～81.2%，TOC含量為0.55%～6.94%。

(3)碳質(zhì)(泥)頁巖相。碳質(zhì)(泥)頁巖相發(fā)育層段比較多，主要集中在剖面中部和下部，有些剖面從底至頂都有發(fā)育。露頭剖面呈黑色，中-厚層狀，質(zhì)軟，易風化，含有大量碳化有機質(zhì)(圖2c)。其中有些層位發(fā)育磷質(zhì)結(jié)核和黃鐵礦，代表相對安靜的深水陸棚環(huán)境，一般認為水深比硅質(zhì)(泥)頁巖稍小。該巖相脆性礦物含量為61.6%～81.7%，TOC含量為0.71%～13.4%。

(4)泥頁巖相。泥頁巖主要發(fā)育于牛蹄塘組中-上部，露頭以灰黑色厚層-塊狀為主(圖2d)。其發(fā)育的環(huán)境多為相對安靜的深水陸棚環(huán)境，指示深度一般比碳質(zhì)頁巖淺。該巖相的脆性礦物含量為64.3%～90.2%，TOC含量為0.3%～1.54%。

(5)粉砂質(zhì)泥(頁)巖相。粉砂質(zhì)泥(頁)巖主要發(fā)育在牛蹄塘組的頂部，露頭剖面呈灰黑色(圖2e)，中厚層-塊狀，指示水體較深的淺水陸棚環(huán)境，水體深度比泥頁巖相淺。該巖相的脆性礦物含量為80.1%～88.5%，TOC含量為0.34%～5.88%。

(6)泥質(zhì)粉砂巖相。泥質(zhì)粉砂巖主要發(fā)育在牛蹄塘組的頂部，露頭剖面主要呈灰黑色或者灰褐色(圖2f )，厚層-塊狀，指示淺水陸棚環(huán)境。該巖相的TOC含量為0.34%～7.04%。

圖2 湘西北地區(qū)牛蹄塘組泥頁巖特征Fig.2 Characteristic of the shale in Niutitang Formation, Northwestern Hunana.深灰色薄層硅質(zhì)巖，沅陵明溪口剖面第3層；b.黑色硅質(zhì)頁巖，沅陵借母溪剖面第3層； c.黑色碳質(zhì)頁巖中黃鐵礦團塊，沅陵借母溪剖面第18層；d.灰黑色泥巖，鶴峰白果坪剖面第9層； e.灰黑色含碳粉砂質(zhì)泥巖，龍山茨巖塘剖面第5層；f.淺褐色泥質(zhì)粉砂巖，龍山茨巖塘剖面第5層

以上6種巖相總體發(fā)育于深水陸棚-淺水陸棚的環(huán)境中，巖相發(fā)育在剖面部位的不同一方面與剖面所處位置有關(guān)，另一方面也顯示了牛蹄塘組沉積時期水體逐漸變淺的過程。總體來說，牛蹄塘組TOC含量和脆性礦物含量都比較高，不同剖面由于所處部位和風化淋濾程度不同差異較大。

2.2 礦物學特征

通過全巖礦物X射線衍射分析得到：研究區(qū)頁巖的礦物組成主要為石英和黏土礦物，方解石次之，含少量的長石、白云石、黃鐵礦等，石英含量在26.8%～88.4%之間，黏土礦物含量在3.6%～39.4%之間。黏土礦物的X射線衍射分析表明其主要成分是伊利石、伊蒙混層，其次為綠泥石、高嶺石，不含蒙皂石。黏土礦物特征表明本區(qū)頁巖演化程度高(圖3、圖4)。

石英和碳酸鹽巖等脆性礦物含量越高，頁巖的可壓裂性就越強，越容易開展人工壓裂增產(chǎn)處理。研究區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組泥頁巖石英+碳酸鹽巖含量為56.9%～95.4%，脆性礦物含量過半，利于頁巖儲層改造。其中張家界大坪剖面石英含量相對較低，但是碳酸鹽巖礦物所占比例較高，其他剖面石英含量大都超過了50%(圖4)。據(jù)統(tǒng)計，美國福特沃斯盆地Barnett頁巖的石英含量在40%～60%之間，與研究區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組和下志留統(tǒng)龍馬溪組泥頁巖相當，這表明研究區(qū)牛蹄塘組泥頁巖是易于產(chǎn)生裂縫的，有利于后期的壓裂改造[6-9]。

圖3 湘西北各剖面牛蹄塘組黏土礦物組分含量Fig.3 Clay minerals component content of shale in Niutitang Formation, Northwestern Hunan

圖4 湘西北各剖面牛蹄塘組頁巖礦物組分含量Fig.4 Mineral component content of shale in Niutitang Formation, Northwestern Hunan

2.3 儲集空間特征

頁巖的儲集空間類型比較豐富，包括殘余原生孔隙、有機質(zhì)生烴后形成的孔隙、次生溶蝕孔隙、黏土礦物伊利石化體積縮小形成的微孔隙以及微裂縫等。不同類型的孔隙和微裂縫構(gòu)成了復雜的多孔系統(tǒng)，為頁巖中游離氣的賦存提供了儲集空間[10-12]。

湘西北地區(qū)深色頁巖段的儲集空間主要包括微孔隙(納米級)和微裂縫兩種類型(圖5)，孔隙以基質(zhì)孔、有機質(zhì)孔、溶蝕孔等為主，微裂縫分為黏土礦物層間縫、溶蝕縫、構(gòu)造縫等。

2.4 頁巖孔隙度、滲透率特征

牛蹄塘組暗色泥頁巖物性特征為：孔隙度為0.4%～21.3%，平均7.05%；滲透率為0.006～0.496 mD(圖6、圖7)，具備良好的儲集條件。由于野外剖面樣品風化程度相對較高，孔隙度、滲透率值比井下數(shù)據(jù)偏高。

2.5 含氣性特征

對湘西北牛蹄塘組兩個樣品進行了等溫吸附試驗，張家界大坪和沅陵借母溪牛蹄塘組頁巖等溫吸附量分別為1.38m3/t，4.49 m3/t，平均為2.5725 m3/t。

圖5 湘西北地區(qū)牛蹄塘組泥頁巖儲集空間特征Fig.5 Reservoir space characteristics of shale in Niutitang Formation, Northwestern Hunan

圖6 湘西北牛蹄塘組野外剖面樣品孔隙度分布直方圖Fig.6 Histogram of porosity distribution in field profile of Niutitang Formation in Northwest Hunan

圖7 湘西北牛蹄塘組野外剖面頁巖樣品滲透率分布直方圖Fig.7 Histogram of permeability distribution of shale samples in the field of Niutitang Formation in Northwestern Hunan

參考常頁1井含氣量0.5～2.1 m3/t,基本達到了工業(yè)開發(fā)下限[13-14]。

3 有利區(qū)預測

牛蹄塘組暗色泥頁巖TOC分布于0.1%～9.64%，平均值為2.23%(圖8)，TOC含量普遍較高；母質(zhì)類型以I型和II1(腐泥-腐殖型)為主；Ro分布范圍為2.31%～4.46%，處于干氣熱演化階段，具備良好的生烴條件。富有機質(zhì)頁巖沉積厚度大，厚度變化小(圖9)?？紤]埋深和剝蝕的影響，預測石門-常德一帶和永順-龍山一帶為較有利勘探區(qū)。

圖8 湘西北牛蹄塘組富有機質(zhì)頁巖TOC分布圖Fig.8 TOC distribution of oragnic-rich shale in Niutitang Formation of Northwestern Hunan

圖9 湘西北牛蹄塘組富有機質(zhì)頁巖厚度分布圖Fig.9 Thickness distribution of organic-rich shale of the Niutitang Formation in Northwestern Hunan

4 結(jié)論

(1)湘西北地區(qū)牛蹄塘組暗色泥頁巖主要發(fā)育于深水陸棚和斜坡-盆地相帶，碳質(zhì)(泥)頁巖和硅質(zhì)(泥)頁巖是有利的頁巖巖石相?？傮w來看，暗色泥頁巖TOC含量較高，分布范圍廣，沉積厚度大，資源前景較好。

(2)湘西北地區(qū)牛蹄塘組暗色泥頁巖脆性礦物特別是石英含量高，有利于后期的壓裂改造。黏土礦物主要以伊利石和伊蒙混層為主，不含蒙脫石，表明本區(qū)頁巖演化程度高。湘西北地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁巖儲集空間類型豐富，微孔隙和微裂縫發(fā)育，孔隙度較高，滲透率和含氣性較好。

(3)利用富有機質(zhì)頁巖厚度、TOC含量、熱演化程度考慮埋深及剝蝕等因素, 初步預測牛蹄塘組頁巖氣有利勘探地區(qū)大致分布在湘西北地區(qū)石門-常德一帶和永順-龍山一帶。

[1] 肖鋼,唐穎.頁巖氣及其勘探開發(fā)[M].北京:高等教育出版社,2012.

[2] 鄒才能,陶士振,袁選俊,等.“連續(xù)型”油氣藏及其在全球的重要性:成藏、分布與評價[J].石油勘探與開發(fā),2009,36(6):669-628.

[3] 邱曉松,胡明毅,楊波.中楊子地區(qū)五峰組-龍馬溪組頁巖氣儲層及含氣性特征[J].天然氣地球科學,2013,24(6):1274-1283.

[4] 肖正輝,楊榮豐,馮濤,等.湘西北下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁巖氣成藏條件及其勘探潛力分析[J].湖南科技大學學報(自然科學版),2012,27(1):50-54.

[5] 龐維華.湖南下寒武統(tǒng)層序地層格架與古環(huán)境演化變遷[D].北京:中國地質(zhì)科學院,2011.

[6] 胡明毅,鄧慶杰,胡忠貴.上楊子地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁巖氣成藏條件[J].石油與天然氣地質(zhì),2014,35(2):232-279.

[7] 周慶華,宋寧,王成章,等.湖南花垣頁巖氣區(qū)塊地質(zhì)評價與勘探展望[J].天然氣地球科學.2014,25(1):130-140.

[8] 張金川,薛會,張德明,等.頁巖氣及其成藏機理[J].現(xiàn)代地質(zhì),2013,17(4):466.

[9] 湖南省地質(zhì)礦產(chǎn)局,湖南省區(qū)域地質(zhì)志[M].北京:地質(zhì)出版社,1988.

[10] 王曉龍,蔡寧波.湖南省下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁巖孔隙結(jié)構(gòu)特征[J].中國煤炭地質(zhì),2016,28(1):33-40.

[11] 林拓,張金川,李博,等.湘西北常頁1井下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁巖氣聚集條件及含氣特征[J].石油學報,2014,35(5):839-846.

[12] Krishna R. Describing the Diffusion of Guest Molecules inside Porous Structures[J]. The Journal of Physical Chemistry C, 2009, 113(46): 19756-19781.

[13] 姜文,唐書恒,龔玉紅,等.湘西北牛蹄塘組頁巖氣形成條件及有利區(qū)預測[J].西南石油大學學報,2014,5(36):16-23.

[14] 肖擁軍,雷隆賢,楊仙,等.湘西北頁巖氣勘探慈頁1井地質(zhì)背景及鉆探效果[J].西部探礦工程,2016,3(70):70-75.

Characteristic of Shale Reservoirs of Lower Cambrian Series Niutitang Formation, Northwestern Hunan

Wang Jinlong1, Zhang Xiang1, Shen Jiaxian2

(1.SchoolofGraduate,YangtzeUniversity,Wuhan,Hubei430100,China； 2.HubeiCooperativeInnovationCenterofUnconventionalOilandGas,Wuhan,Hubei430100,China)

The formation of shale gas in northwestern Hunan has favorable geologic conditions and is a favorable area for breakthrough. In order to identify the characteristics of shale gas reservoirs in the Niutitang Formation of the Lower Cambrian in the northwestern Hunan Province, the lithofacies, Mineralogical characteristics, reservoir space, gas and other characteristics of the shale of the Niutitang Formation were analyzed by means of field geological survey, geochemical analysis, data collection and analysis. The results show that the Niutitang Formation is characterized by shale, carbonaceous shale, silty shale, siliceous shale and other lithofacies. The minerals are mainly composed of quartz and clay minerals, and the content of brittle minerals is high, the clay minerals are dominated by illite and smectite mixed layers. The micro-pores and micro-fractures of dark shale are developed, the reservoir performance is good and higher gas content. Based on the TOC plane distribution map, the thickness distribution of organic-rich shale and the shale depth and denudation, the favorable exploration area of Niushitang Formation in the northwestern Hunan is mainly distributed in Shimen-Changde and Yongshun-Longshan areas.

Northern Hunan; Niutitang Formation; lithofacies; shale reservoirs; favorable exploration area

TE122

A

*第一作者簡介：王金龍(1989—)，男，碩士生，主要從事頁巖氣勘探方面的研究。郵箱:1519010060@qq.com.