湖南桑植地區(qū)牛蹄塘組頁巖氣儲(chǔ)層特征及有利區(qū)預(yù)測(cè)

崔 龍， 熊 濤， 朱寶存

(中煤地質(zhì)集團(tuán)有限公司，北京 100040)

0 引言

頁巖氣作為一種非常規(guī)天然氣，其在我國(guó)具有很好的勘探開發(fā)前景，是我國(guó)未來天然氣產(chǎn)業(yè)的重要組成部分之一[1-4]。隨著我國(guó)對(duì)頁巖氣勘探開發(fā)重視程度不斷提高，以及鉆井、完井、壓裂等關(guān)鍵技術(shù)的國(guó)產(chǎn)化，我國(guó)的頁巖氣產(chǎn)業(yè)也是喜報(bào)頻發(fā)，不斷涌現(xiàn)出新的進(jìn)展和成果。我國(guó)南方地區(qū)海相頁巖發(fā)育且分布廣，根據(jù)國(guó)土部、地調(diào)局、中國(guó)石化等開展頁巖氣調(diào)查工作的成果顯示，湘西北地區(qū)的牛蹄塘組黑色頁巖層發(fā)育，具有良好的成藏物質(zhì)基礎(chǔ)，具有較好的頁巖氣勘探開發(fā)前景，備受相關(guān)專家學(xué)者的關(guān)注，在該地區(qū)開展了系統(tǒng)的研究工作，通過系統(tǒng)的樣品采集，應(yīng)用薄片觀察、有機(jī)巖石學(xué)分析等實(shí)驗(yàn)分析測(cè)試，對(duì)該地區(qū)牛蹄塘組的頁巖氣的成藏條件、資源前景以及有利區(qū)進(jìn)行了分析[4-8]。

本文以湘西北桑植地區(qū)的頁巖氣調(diào)查井-桑頁2井獲得的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)該地區(qū)牛蹄塘組頁巖儲(chǔ)層的有機(jī)地化特征、礦物儲(chǔ)層、儲(chǔ)集空間特征等儲(chǔ)層特征進(jìn)行分析的同時(shí)，初步優(yōu)選了研究區(qū)內(nèi)的頁巖氣有利區(qū)，其對(duì)湖南桑植頁巖氣開展進(jìn)一步的勘探工作具有十分重要的理論指導(dǎo)意義。

1 區(qū)域地質(zhì)

研究區(qū)位于湖南省西北部地區(qū)，大地構(gòu)造位置屬于揚(yáng)子板塊[4]，處于桑植-石門復(fù)向斜帶和宜都-鶴峰復(fù)背斜帶交接位置(圖1)。桑植-石門復(fù)向斜中的次一級(jí)褶皺發(fā)育，依次為巖屋口向斜、兩河口向斜、打鼓泉背斜、谷羅山背斜和劉家坪向斜，大部分褶皺較為緊閉，褶皺的長(zhǎng)度和寬度差距巨大，褶皺的軸線往往呈向出北西凸出的“S”狀延伸，且定向排列整齊，背斜兩側(cè)的地層傾角介于20o～40o； 宜都-鶴峰復(fù)背斜走向?yàn)楸睎|向，次一級(jí)褶皺比較開闊，研究區(qū)鄰近區(qū)域發(fā)育五道水背斜和太平鄉(xiāng)向斜。與桑植-石門復(fù)向斜構(gòu)造帶類似，有斷層伴隨褶皺發(fā)育的現(xiàn)象，并且斷層走向平行于褶皺軸線。

圖1 湖南湘西北地區(qū)構(gòu)造綱要圖[9]Figure 1 Structural outline map of northwestern Hunan (after reference [9])

研究區(qū)內(nèi)發(fā)育多條斷裂，斷裂以北東走向?yàn)橹?，斷層性質(zhì)均為逆斷層，大斷層多位于東部緊閉褶皺段，較為密集，少數(shù)斷層貫穿全區(qū)。西部斷裂規(guī)模較小。斷裂體系發(fā)育詳細(xì)情況如圖1所示。

根據(jù)以往地質(zhì)調(diào)查資料，鉆井資料和區(qū)域露頭揭示，研究區(qū)內(nèi)發(fā)育的地層包括：震旦系、寒武系、奧陶系、志留系、泥盆系、二疊系和三疊系，上志留統(tǒng)-石炭系缺失，地表主要出露為寒武統(tǒng)-三疊系，三疊系以上已經(jīng)被剝蝕殆盡。

2 頁巖氣儲(chǔ)層特征

2.1 有機(jī)地球化學(xué)特征

2.1.1 有機(jī)質(zhì)類型

根據(jù)桑頁2井牛蹄塘組頁巖樣品測(cè)試結(jié)果：干酪根顯微組主要為腐泥組，其含量介于75%～93%，平均含量達(dá)到85%，其次為惰質(zhì)組，但含量?jī)H為7%～25%，平均含量也僅僅為15%，未發(fā)現(xiàn)殼質(zhì)組和鏡質(zhì)組。由于腐泥組、殼質(zhì)組等富氫的顯微組分，具有良好的生烴能力，因此，可以說明桑植地區(qū)牛蹄塘組黑色頁巖十分有利于形成頁巖氣。對(duì)照干酪根顯微組分分類可以看出：桑植地區(qū)牛蹄塘組有機(jī)質(zhì)類型大部分可劃歸為Ⅱ1型，同時(shí)少量的樣品可以劃分為Ⅰ型(表1)。

表1 桑植地區(qū)頁巖干酪根類型Table 1 Sangzhi area Niutitang Formation shale kerogen types

續(xù)表

2.1.2 有機(jī)質(zhì)豐度

根據(jù)桑頁2井黑色頁巖段樣品有機(jī)碳含量測(cè)定結(jié)果：牛蹄塘組頁巖TOC含量在0.24%～7.06%，均值為1.99%，主體分布在1.0%～4.5%，其中TOC含量低于1.0%的樣品較少，大部高于1%，占總樣品數(shù)的70.49%，其中1 065～1 087m的TOC含量均大于2%，占總樣品數(shù)的37%。因此可以說明研究區(qū)的牛蹄塘組有機(jī)質(zhì)含量較高(圖2)。

圖2 牛蹄塘組TOC含量頻率分布直方圖Figure 2 Niutitang Formation TOC content frequency distribution histogram

在有機(jī)質(zhì)豐度方面，桑植地區(qū)牛蹄塘組樣品在縱向從淺到深存在逐步增大的趨勢(shì)(圖3)：1 026m以前所有樣品的TOC值均小于1.0%，有機(jī)質(zhì)豐度較低，不適合作為頁巖氣勘探與開發(fā)的有利層段；從1 026～1 087m，頁巖樣品的TOC值都達(dá)到1.0%以上，其中1 065～1 087m頁巖樣品的TOC值分布在2.02%～7.06%，平均值3.61%，可劃分為有利層段。

圖3 牛蹄塘組頁巖TOC含量隨深度變化分布圖Figure 3 Niutitang Formation shale TOC contents variation distribution with depth

2.1.3 有機(jī)質(zhì)成熟度

桑頁2井牛蹄塘組樣品測(cè)試結(jié)果：鏡質(zhì)體反射率分布介于0.54%～3.42%，平均值為1.47%(圖4)。根據(jù)測(cè)試結(jié)果來看，一半的樣品處于成熟階段或過成熟階段，三分之一的樣品則處于過成熟階段。表明桑植地區(qū)牛蹄塘組頁巖樣品處于高-過成熟的階段，熱演化程度較高。另外根據(jù)熱解峰溫值測(cè)定結(jié)果顯示，桑頁2井牛蹄塘組樣品數(shù)值分布介于424.2～447.9℃，平均值438.2℃。其中，87.5%的樣品達(dá)到了烴源巖為成熟生油階段(圖5)，同樣反映了頁巖的較高的演化程度。

圖4 桑植地區(qū)牛蹄塘組頁巖Ro分布圖Figure 4 Sangzhi area Niutitang Formation shale Ro distributions

圖5 桑植地區(qū)牛蹄塘組頁巖熱解峰溫分布圖Figure 5 Sangzhi area Niutitang Formation shale pyrolysis temperature peak distributions

2.2 礦物組成特征

根據(jù)黏土礦物及全巖X-射線衍射測(cè)定結(jié)果顯示，桑植地區(qū)牛蹄塘組頁巖樣品的礦物成分以石英、長(zhǎng)石、黏土為主。其中：石英為15%～57%，平均值為49.3%；黏土礦物為4%～26%，平均值為19.7%；長(zhǎng)石為0%～24%，平均值為16.5%；碳酸鹽巖(方解石+白云石)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0～70%，平均值為10.9%；黃鐵礦的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%～6%，平均值為3.1%；菱鐵礦的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%～7%，平均值為2.6%(圖6)。黏土礦物以伊蒙混層，伊利石，綠泥石為主。伊利石含量較高，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為31%～75%，平均值為44.5%；伊蒙混層礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為21%～48%，平均值為35.4%；綠泥石質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%～33%，平均值為20.1%(圖7)。

圖6 牛蹄塘組頁巖全巖礦物組成分布圖Figure 6 Niutitang Formation shale whole rock mineral components distribution

圖7 牛蹄塘組頁巖黏土礦物組成分布圖Figure 7 Niutitang Formation shale clay minerals distribution

2.3 儲(chǔ)集空間特征

2.3.1 頁巖儲(chǔ)集空間類型

頁巖的組成除了包含顆粒、孔隙、膠結(jié)物等與常規(guī)儲(chǔ)層相同的構(gòu)成之外，同時(shí)還額外增加了有機(jī)質(zhì)[10]。本次研究按照其形成原因和展布形態(tài)，針對(duì)桑植地區(qū)，劃分了牛蹄塘組中發(fā)育的黑色頁巖的儲(chǔ)集空間類型(表2)。

表2 頁巖儲(chǔ)集空間分類表Table 2 Shale reservoiring space classification

2.3.1.1 無機(jī)孔

無機(jī)孔主要是指發(fā)育在無機(jī)礦物內(nèi)部孔隙、顆粒間和晶體間的微小孔，根據(jù)實(shí)驗(yàn)觀察，研究區(qū)無機(jī)孔主要存在兩種類型：粒間孔和粒內(nèi)孔(圖8)。

(1)粒間孔。通過掃描電鏡觀察，粒間孔在研究區(qū)頁巖內(nèi)較為發(fā)育，主要包括顆粒間孔隙、晶體間孔隙及剛性礦物邊緣孔隙。顆粒間孔隙形狀各異，孔徑較小，大量存在于頁巖儲(chǔ)層中。桑植地區(qū)晶體間孔隙可以分為黏土礦物晶間孔及黃鐵礦晶間孔兩大類。黏土礦物晶間孔主要在伊利石、伊蒙混層等片狀黏土礦物間。此外，研究區(qū)頁巖儲(chǔ)層發(fā)育較多的黃鐵礦， 尤其是莓狀黃鐵礦礦物晶體有以三角形以及其他多邊形為主的孔隙，這些孔隙半徑較小，主要是納米級(jí)別，有的時(shí)候被黏土礦物所充填，使得連通性變差；剛性礦物邊緣孔隙一般存在于剛性礦物如石英、長(zhǎng)石等礦物與黏土礦物等塑性礦物之間，主要是由兩者在相同構(gòu)造壓實(shí)等作用下致使變形程度不同，從而發(fā)育又大量巖顆粒邊緣分布的孔隙。

圖8 桑植地區(qū)牛蹄塘組頁巖掃描電鏡照片F(xiàn)igure 8 Sangzhi area Niutitang Formation shale SEM photos

(2)粒內(nèi)孔。研究區(qū)牛蹄塘組頁巖中可分為溶蝕孔和鑄?？祝@些孔隙都是發(fā)育在礦物顆粒內(nèi)部。與此同時(shí)，頁巖樣品中多見黃鐵礦鑄?？祝@些孔隙主要是在溶解作用下黃鐵礦分解從而在塑性礦物中保存了原來形狀的孔隙，大多呈現(xiàn)原來黃鐵礦固有形狀，孔徑有大有小，大多獨(dú)立分布，從而導(dǎo)致連通能力變差。

2.3.1.2 有機(jī)孔

電鏡下觀察桑植區(qū)塊牛蹄塘頁巖樣品，有機(jī)質(zhì)呈填不規(guī)則形狀，含量較大，但與之聯(lián)系的有機(jī)質(zhì)孔隙卻不十分發(fā)育，形狀上以圓形或者圓形的變形結(jié)構(gòu)為主，大小不一，從幾個(gè)納米到幾百個(gè)納米再到幾個(gè)微米的有機(jī)質(zhì)孔都有所顯示(圖8)。

與此同時(shí)，桑植區(qū)塊牛蹄塘組頁巖中大多數(shù)生物孔是不易腐爛的生物的鈣質(zhì)外殼所形成的類似于生物骨架間的孔隙?？紫遁^大，微米級(jí)別，不過數(shù)量少且分布上較為獨(dú)立，不利于甲烷分子滲流。

2.3.1.3 微裂縫

研究區(qū)牛蹄塘組頁巖樣品中微裂縫主要發(fā)育有構(gòu)造縫和層間縫，長(zhǎng)度上一般延伸較遠(yuǎn)，大部分未被充填，開度的規(guī)模不一，少量被黏土礦物和有機(jī)質(zhì)充填。其次，還觀察到沿有機(jī)質(zhì)周圍及有機(jī)質(zhì)內(nèi)部發(fā)育的微裂縫，其原因可能是由于有機(jī)質(zhì)熱演化或成巖收縮作用而形成(圖8)。

2.3.2 儲(chǔ)集物性

儲(chǔ)集物性主要包含孔隙度和滲透率兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，是用來評(píng)價(jià)儲(chǔ)層特征的重要參數(shù)，根據(jù)測(cè)試結(jié)果顯示，桑植地區(qū)牛蹄塘組頁巖樣品孔隙度為1.53%～4.52%，平均值為3.03%，美國(guó)五大主要頁巖氣盆地孔隙度分布為3%～14%，平均為7%，與其相比略低。滲透率為0.000 04～0.000 99mD，平均值為0.000 16mD，滲透率極低，但目前頁巖氣的開采多借助于射孔壓裂進(jìn)行后期改造，故對(duì)本區(qū)頁巖氣的開采影響不大。

2.4 孔隙結(jié)構(gòu)特征

2.4.1 孔隙結(jié)構(gòu)類型

本次采用IUPAC的四分法對(duì)桑頁2井樣品的孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行劃分。但是，由于頁巖中存在的孔隙類型和孔隙結(jié)構(gòu)往往復(fù)雜多樣，低溫氮吸附的吸附回線對(duì)比孔隙類型的模型所得的結(jié)果僅僅能夠表明該頁巖樣品中以某一類型的孔隙為主。另外，根據(jù)測(cè)試結(jié)果所得的低溫氮吸附回線，其特征并不能夠與某類型曲線完成重合，往往是多種類型曲線的特點(diǎn)相互疊加的結(jié)果。

利用樣品低溫氮吸附的吸附回線，通過與IUPAC四分模型的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，所有樣品的吸附回線均與H3型相類似(表3、圖9)，表明桑植地區(qū)頁巖均已似片狀顆粒組成的非剛性聚集體槽狀孔為主，具有較好的連通性，有利于氣體的運(yùn)移。形成這種類型孔隙的原因可能是受到微裂縫的影響。

表3 桑植地區(qū)牛蹄塘組頁巖孔隙結(jié)構(gòu)類型Table 3 Sangzhi area Niutitang Formation shalepore structure types

2.4.2 孔隙結(jié)構(gòu)特征

根據(jù)孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)分布圖可以看出(圖10)桑植地區(qū)牛蹄塘組頁巖樣品總孔體積分布介于11.55×10-3～16.73×10-3cm3/g，平均為值13.95×10-3cm3/g。比表面積分布介于13.818～11.765m2/g，平均值為8.581m2/g。平均孔徑介于15.260 2～13.260 8nm，平均值為6.985 3nm。BJH最可幾孔徑分布介于14.068～4.198nm，平均值為4.135nm，表明本次采集的頁巖樣品中，孔隙孔徑主要分布在4.068nm至4.198nm，孔隙以中孔為主。

根據(jù)孔容-孔徑分布曲線的變化形態(tài)可以看出(圖11)，整體呈現(xiàn)為單峰的形態(tài)類型，單峰主要分布在3～5nm的孔徑范圍內(nèi)，表明桑植地區(qū)牛蹄塘組樣品在本區(qū)間的孔隙，對(duì)頁巖樣品總孔隙體積的貢獻(xiàn)為最大，根據(jù)測(cè)算，該區(qū)間的孔隙幾乎提供了頁巖樣品總孔隙體積的65%以上。因此可以推斷，桑植地區(qū)牛蹄塘組黑色頁巖，其孔徑以3～5nm的中孔為主，與之前的結(jié)論相吻合。

圖9 桑植地區(qū)牛蹄塘組頁巖吸附曲線Figure 9 Sangzhi area Niutitang Formation shale adsorption curve

圖10 桑植地區(qū)牛蹄塘組頁巖孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)分布圖Figure 10 Sangzhi area Niutitang Formation shale pore structure parameters distribution

2.5 等溫吸附特征

頁巖氣氣藏以吸附氣為主，為估算吸附氣量，針對(duì)桑植地區(qū)頁巖樣品等溫吸附測(cè)試的結(jié)果顯示：蘭石體積介于0.13～5.13m3/t，平均值為1.32m3/t；蘭氏壓力分布在0.39～2.83MPa，平均值為4.16MPa(表4)，表明桑植地區(qū)牛蹄塘組頁巖吸附能力較強(qiáng)。

表4 桑植地區(qū)牛蹄塘組頁巖等溫吸附數(shù)據(jù)表Table 4 Sangzhi area Niutitang Formation shale isothermaladsorption data sheet

圖11 桑植地區(qū)牛蹄塘組頁巖孔徑分布圖Figure 11 Sangzhi area Niutitang Formation shale pore sizes distribution

對(duì)牛蹄塘組等溫吸附曲線分析可以發(fā)現(xiàn)，整體表現(xiàn)為相似的形態(tài)特征，根據(jù)等溫吸附曲線不同的曲率及吸附量數(shù)值，可初步劃分為三個(gè)階段(圖12)：

圖12 桑植地區(qū)頁巖等溫吸附曲線Figure 12 Sangzhi area Niutitang Formation shale isothermal adsorption curve

第一階段：壓力<1MPa，此階段樣品對(duì)氣體的吸附量快速增加，總吸附勢(shì)為所有階段的最大值，按照侯曉偉(2016)[11]的定義，在此時(shí)的頁巖樣品在整個(gè)吸附過程中處于“饑餓期”。

第二階段：1MPa<壓力<10MPa，此階段樣品對(duì)氣體的吸附量增加速度逐漸的降低，頁巖中的孔隙逐步的由“饑餓狀態(tài)”向飽和狀態(tài)過度，由于部分微孔優(yōu)先達(dá)到飽和狀態(tài)，導(dǎo)致吸附總量增加緩慢。

第三階段：10MPa<壓力，在此階段，多數(shù)孔隙對(duì)氣體的吸附量逐步變?yōu)轱柡蜖顟B(tài)，總吸附勢(shì)一般為所有階段的最小值，伴隨壓力的增加，按照正常理論推算，總氣體吸附量微量增加或者不在產(chǎn)生變化。

但是曲線的變化情況來看， 部分樣品的吸附總量在達(dá)到高值后，反而有降低的趨勢(shì)，推測(cè)為壓力達(dá)到一定水平后，對(duì)氣體體積造成了壓縮，但具體的原因還需進(jìn)一步的分析研究。

3 頁巖氣有利區(qū)預(yù)測(cè)

參照北美及四川盆地海相頁巖氣的勘探開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)《頁巖氣地質(zhì)評(píng)價(jià)方法》GB/T31483-2015附錄B.1的下限標(biāo)準(zhǔn)，選取厚度大于30m、TOC大于2%、Ro大于1.1%、埋深適中、黏土含量小于30%、脆性礦物含量大于40%的區(qū)域，結(jié)合目標(biāo)層系展布及構(gòu)造發(fā)育情況，得出湖南桑植地區(qū)牛蹄塘組層有利區(qū)：牛蹄塘組黑色頁巖有利范圍主要位于巖屋口向斜西部斜坡。有利區(qū)內(nèi)黑色頁巖厚度大，埋深適中，離東部一級(jí)斷裂位置較遠(yuǎn)，斷裂總體不發(fā)育，地層相對(duì)穩(wěn)定，傾角5°～20°，資料品質(zhì)較好。(圖13)

圖13 桑植地區(qū)牛蹄塘組頁巖有利區(qū)預(yù)測(cè)圖Figure 13 Sangzhi area Niutitang Formation shale gas favorable areas prediction

4 結(jié)論

湖南桑植地區(qū)牛蹄塘組頁巖干酪根的類型以Ⅰ型干酪根為主，有機(jī)碳含量均在3%以上，為好-很好的頁巖氣源巖；鏡質(zhì)體反射率Ro平均值達(dá)到3.6%，達(dá)到了高成熟至過成熟階段。頁巖石英平均含量為45.2%，平均黏土礦物含量為29.6%，平均脆性指數(shù)為69%，具備良好的可壓裂性；孔隙度平均為8.6%，滲透率平均為437nD。頁巖多種裂隙發(fā)育，連通性好。頁巖蘭氏體積平均體積為2.24 m3/t，整體吸附能力較高。

湖南桑植地區(qū)從物源、儲(chǔ)集、運(yùn)聚和保存等方面，結(jié)合構(gòu)造特征、地層傾角、斷裂分布位置等多方面考慮，有利范圍主要位于巖屋口向斜西部斜坡，斷裂不發(fā)育，地層形變較小，保存條件相對(duì)較好。有利區(qū)內(nèi)黑色頁巖厚度大，埋深適中，離東部一級(jí)斷裂位置較遠(yuǎn)，斷裂總體不發(fā)育，地穩(wěn)定，傾角5°～20°，資料品質(zhì)較好，具有進(jìn)一步勘探開發(fā)的潛力。