李 巖，魚 磊，蔡寧波，郭 軍

(1. 湖南省地質(zhì)新能源勘探開發(fā)工程技術(shù)研究中心，湖南 長沙 410014；2. 湖南省煤炭地質(zhì)勘查院，湖南 長沙 410014；3. 湖南省自然資源事務(wù)中心，湖南 長沙 410004

0 引言

頁巖氣是指主體位于暗色泥頁巖或高碳泥頁巖中，以吸附或游離狀態(tài)為主要存在方式的天然氣聚集[1-2]。隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們物質(zhì)文化生活水平的提高，對于油氣等能源需求持續(xù)增長，常規(guī)油氣經(jīng)過大規(guī)模的勘探開發(fā)，增儲上產(chǎn)難度越來越大，供需矛盾日益突出[3]。繼常規(guī)油氣資源、致密氣和煤層氣資源之后，頁巖氣成為我國最現(xiàn)實(shí)的待開發(fā)非常規(guī)油氣資源[4]。受美國頁巖氣成功勘探開發(fā)[5-7]啟示，中國在海相頁巖和陸相頁巖地層頁巖氣勘探中均取得重要突破，并且在海相頁巖地層發(fā)現(xiàn)焦石壩頁巖氣大氣田，取得了巨大的成就[8]。湖南是一個貧煤、缺油、少氣的省份，湘西北地區(qū)是湖南乃至全國重要的油氣勘探區(qū)，近40年來，陸續(xù)開展了針對湘西北地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組、上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組三套海相地層的油氣勘探工作，取得了一些找礦勘探成果[9]，但由于該區(qū)油氣地質(zhì)條件復(fù)雜，即油氣演化程度高及保存條件復(fù)雜等因素[10]，仍未取得實(shí)質(zhì)性的突破。而湖南省海陸過渡相煤系地層頁巖分布廣泛，主要集中在湘中坳陷，累計(jì)厚度較大，頻繁與煤層、致密砂巖層互層，具有可觀的頁巖氣資源潛力[11]，湘東南坳陷次之。但對于海陸過渡相煤系地層頁巖氣的研究相對薄弱。

本研究以湘中、湘東南坳陷海陸過渡相煤系地層上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M黑色頁巖為研究對象，通過野外露頭采樣，運(yùn)用掃描電鏡、有機(jī)地球化學(xué)分析等多種實(shí)驗(yàn)分析方法，對目的層頁巖氣形成條件進(jìn)行了探討分析，在此基礎(chǔ)上，并對湘中、湘東南坳陷上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M頁巖氣資源潛力進(jìn)行了預(yù)測。

1 地質(zhì)背景

湘中坳陷隸屬華南構(gòu)造區(qū)，大地構(gòu)造位置位于雪峰東緣加里東褶皺帶東南緣，是以下古生界變質(zhì)巖系為基底發(fā)展起來的一個晚古生代—中三疊世的碳酸鹽巖為主夾碎屑巖為特征的準(zhǔn)地臺型沉積坳陷區(qū)[12]，是晚古生代華南陸表海盆在湘中殘留的負(fù)向構(gòu)造單元[13]。湘中坳陷主要由溈山隆起、漣源凹陷、龍山串珠狀隆起、邵陽凹陷、關(guān)帝廟串珠狀隆起和零陵凹陷6個二級構(gòu)造單元組成[14-15](圖1)。

湘東南坳陷大地構(gòu)造位置處于華南褶皺系北部，華夏褶皺系西部，是自中晚三疊世歷經(jīng)了多期構(gòu)造運(yùn)動后形成的復(fù)雜構(gòu)造體系，主要由衡山隆起、寧遠(yuǎn)凹陷、九巍山隆起和郴耒凹陷4個二級構(gòu)造單元組成。

受新化—株洲斷裂控制，龍?zhí)督M沉積特征分南型和北型兩個亞型。而湘中、湘東南坳陷以南型龍?zhí)督M為主，總厚80～1300 m，其中泥頁巖厚29～201 m，主要分布于邵陽—郴州一帶，絕大部分地區(qū)與下伏地層當(dāng)沖組呈連續(xù)沉積。按含煤性龍?zhí)督M可分為上部含煤段和下部不含煤段。含煤段巖性為細(xì)?！辛ｉL石石英砂巖、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖、伊利石泥巖、蒙脫石-伊利石泥巖，含煤3～13層，可采1～5層，產(chǎn)腹足類和植物化石，厚22～165 m。不含煤段主要為薄層狀泥巖、砂質(zhì)泥巖及粉砂巖互層，上部夾細(xì)—中粒長石石英砂巖，偶見菊石及腕足類化石，沉積中心主要位于株洲攸縣黃豐橋、宜章梅田，厚度為700～900 m。龍?zhí)督M泥頁巖的埋藏深度在區(qū)域上變化也比較大，埋深為400～1800 m，以1000 m居多[16]。

2 有機(jī)地球化學(xué)特征

2.1 有機(jī)質(zhì)類型

湘中和湘東南坳陷大部分地層泥頁巖有機(jī)質(zhì)類型為Ⅱ型(混合型)干酪根，部分有機(jī)質(zhì)豐度較高的地區(qū)為Ⅰ型干酪根(即腐泥型，如棋梓橋組)，而煤系地層主要為Ⅲ型干酪根(即腐植型)，如湘中和湘東南坳陷龍?zhí)督M煤系地層。湘中和湘東南坳陷龍?zhí)督M頁巖有機(jī)顯微組分統(tǒng)計(jì)分析(表1)表明，湘中和湘東南坳陷龍?zhí)督M有機(jī)顯微組分鏡質(zhì)組含量最多，平均含量分別為68.94%和70.10%，其次為惰質(zhì)組和穩(wěn)定組。故干酪根類型都以Ⅲ型為主。

2.2 有機(jī)碳含量

有機(jī)碳含量(TOC)是頁巖儲層評價的重要參數(shù)之一，它既決定著頁巖的生烴強(qiáng)度，也是頁巖吸附氣的載體之一[17]。有機(jī)碳含量的高低直接影響頁巖氣的成藏潛力[18-19]。本次龍?zhí)督M共采集有機(jī)碳樣品50件(表2)，其中有7件為野外露頭樣品，其余43件來自湘東南的10口鉆井，且有5件樣品為煤樣或含泥煤樣。由圖2可知，湘中和湘東南坳陷TOC含量分布大致呈NE—SW走向，由南東至北西TOC含量逐漸增大。高值區(qū)主要分布于漣源、邵東、隆回及鄧家鋪一帶。而湘東南坳陷由北西向東南TOC含量逐漸增大。高值區(qū)主要分布在黃豐橋、馬水、耒陽和衡洞一帶。整體上TOC含量普遍較高，最大值高達(dá)22.6%，最小值僅為0.07%，平均值為2.52%。

表2 湘中和湘東南坳陷上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M頁巖TOC數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

圖2 湘中和湘東南坳陷上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M頁巖TOC分布圖

湘中湘東南坳陷雖有上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M發(fā)育，但由于厚度較小，且地表露頭極少，風(fēng)化嚴(yán)重，未采集到頁巖樣品，只在部分煤礦采集煤樣若干。

2.3 有機(jī)質(zhì)成熟度

有機(jī)質(zhì)成熟度是影響頁巖氣富集成藏的另一重要因素。有機(jī)質(zhì)的成熟度是表征其成烴有效性和產(chǎn)物性質(zhì)的重要參數(shù)。有機(jī)質(zhì)只有在達(dá)到一定的熱成熟度才能開始大量生烴和排烴。在一定范圍內(nèi)，含氣泥頁巖的熱成熟度越高表明泥頁巖生氣可能性越大[17]。本次龍?zhí)督M共采集有機(jī)碳樣品49件(表3)，其中有14件為野外露頭樣品，其余35件來自湘東南的鉆井。由圖3可知，湘中和湘東南坳陷Ro max呈EW向分布，由北至南Ro max值逐漸增大，且高值區(qū)主要分布在耒陽、邵陽至武岡一帶。其中，Ro max值最小值為1.24%，在Ro max值最大值高達(dá)5.97%，平均值為2.80%。

圖3 湘中和湘東南坳陷上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M頁巖Ro max分布圖

表3 湘中和湘東南坳陷上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M鏡質(zhì)體最大反射率(Ro max)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

3 含氣頁巖儲集性能

3.1 巖性組合特征

巖性組合是沉積環(huán)境變化的主要指示，也是預(yù)測煤層變化情況的主要依據(jù)。根據(jù)該地區(qū)鉆孔資料分析可將該地區(qū)的巖性組合分為以下幾種(表4)。

表4 湘中和湘東南坳陷上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M巖性組合特征

湖南省上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M分為龍?zhí)侗毙秃妄執(zhí)赌闲?，龍?zhí)赌闲偷貙又饕植加跐i源、邵陽南部、郴州及耒陽一帶；龍?zhí)侗毙偷貙又饕植加趭涞妆辈考伴L株潭地區(qū)。而湘中和湘東南坳陷龍?zhí)督M主要為龍?zhí)赌闲偷貙印：簬r系主要是以上五種巖性組合在橫向上展布和縱向上演化而形成，各種巖性組合代表了不同的沉積環(huán)境變化。

巖性組合A：為厚層細(xì)砂巖和厚煤層組合，灰色細(xì)砂巖，中厚層狀，水平層理，硅質(zhì)、泥質(zhì)膠結(jié)。煤以黑色塊狀為主，半亮型煤。代表著龍?zhí)赌闲蜑槿侵尴啵诜至骱拥乐?，分流澗灣中發(fā)育的沼澤。為龍?zhí)赌闲偷闹饕擅涵h(huán)境。

巖性組合B：為厚層的鈣質(zhì)泥巖和薄層的粉砂巖、細(xì)砂巖組合，局部地區(qū)見細(xì)砂巖之上發(fā)育一薄煤層。鈣質(zhì)泥巖，灰—灰黑色，薄層狀，水平層理上部夾硅質(zhì)灰?guī)r，底部產(chǎn)豐富瓣鰓類、腕足類動物化石，含豐富黃鐵礦結(jié)核及少量菱鐵礦結(jié)核。細(xì)砂巖，灰—淺灰色，薄—中厚層狀，波狀交錯層理，黑色泥質(zhì)線紋，含云母等其他礦物。代表著龍?zhí)督M上段上部水逐漸變深的沉積環(huán)境。從三角洲相變成淺水陸棚相。

巖性組合C：厚層中砂巖、粉砂巖和可采煤層的組合，煤，黑色，塊狀為主，半亮型煤。中粒砂巖，淺灰—灰白色，濕后發(fā)綠，薄—中厚層狀，以平行層理為主，局部交錯層理，成分以石英為主，長石次之，少量綠色礦物，鈣質(zhì)、硅質(zhì)膠結(jié)。代表著龍?zhí)督M上段下部三角洲相的沉積組合。

3.2 孔隙結(jié)構(gòu)類型

頁巖孔隙是頁巖氣藏中氣體的儲集空間[20]，孔隙的微觀特征影響頁巖氣儲集性能[11]。頁巖中微裂縫的發(fā)育不僅為頁巖氣提供有利的儲集空間，而且利于吸附氣的解析[11]。頁巖在生烴過程中，隨著烴類生成量的增加，內(nèi)壓增大，當(dāng)達(dá)到突破壓力后，就會形成新的儲集空間。在成巖過程中，礦物相的變化也形成新的儲集空間。構(gòu)造活動本身會形成大量的微裂隙，在活動過程中，礦物相的變化也會使微裂隙形成。

上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M處于生物大發(fā)展期，有機(jī)質(zhì)(圖4)來源充足，區(qū)內(nèi)可見到生物化石，而研究區(qū)內(nèi)構(gòu)造運(yùn)動劇烈，有印支—燕山期巖漿活動的疊加，因而變質(zhì)程度較高，且多屬腐殖型有機(jī)質(zhì)，達(dá)到烴類生氣門限，具備生氣條件。因而分析觀察此類樣品，顯得尤為重要。掃描電鏡分析結(jié)果表明，上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M頁巖孔隙類型有裂隙孔(圖5)、溶蝕孔與有機(jī)質(zhì)孔(圖6)和粒間孔(圖7)等，孔隙類型多呈不規(guī)則形狀，以圓形、橢圓形為主，孔喉半徑最大值為3960 nm，最小值為70 nm，平均值為428 nm，且孔喉半徑整體上較為均一，溶蝕孔、微孔隙、微裂隙極為發(fā)育，導(dǎo)致了孔隙之間具有一定的連通性，并為游離頁巖氣提供了儲集空間。

圖4 掃描電子顯微鏡下有機(jī)質(zhì)形態(tài)

圖6 掃描電子顯微鏡下溶蝕孔與有機(jī)質(zhì)孔

圖7 掃描電子顯微鏡下粒間孔

湘中和湘東南坳陷上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M頁巖氣形成條件優(yōu)越，且在龍?zhí)督M頂部沉積了一套硅質(zhì)泥頁巖地層，具有良好的圈閉條件，但受多期構(gòu)造影響，斷裂發(fā)育，大氣淡水及地下水沿?cái)嗔鸦顒宇l繁，蓋層因此受到了構(gòu)造和溶蝕破壞作用，頁巖氣圈閉保存條件整體上較差。

4 資源潛力探討

4.1 地質(zhì)類比法

4.1.1 資源量計(jì)算方法

一般情況下，低勘探程度地區(qū)采用面積豐度類比法計(jì)算資源量，其計(jì)算公式(1)：

(1)

輸入?yún)?shù)：Si為預(yù)測區(qū)類比單元的面積，km2；

輸出結(jié)果：Q為預(yù)測區(qū)的頁巖氣總資源量，108m3。

αi為預(yù)測區(qū)類比單元與標(biāo)準(zhǔn)區(qū)的類比相似系數(shù)，由公式(2)計(jì)算得到：

(2)

i為預(yù)測區(qū)子區(qū)的個數(shù)；

Ai為頁巖氣資源豐度(108m3/km2)，由標(biāo)準(zhǔn)區(qū)給出。

4.1.2 評價步驟

1)結(jié)合類比標(biāo)準(zhǔn)區(qū)，進(jìn)行盆地類比單元的劃分，分別確定每個單元的面積Si；

2)為每個評價單元確定標(biāo)準(zhǔn)區(qū)，得到Ai；

3)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)區(qū)與預(yù)測區(qū)的地質(zhì)類比，求出αi。類比過程分4個步驟：①分類整理類比標(biāo)準(zhǔn)區(qū)與預(yù)測區(qū)的地質(zhì)資料；②根據(jù)確定的類比內(nèi)容與標(biāo)準(zhǔn)逐項(xiàng)進(jìn)行地質(zhì)類比評分，類比內(nèi)容可以分為蓋層條件、儲層條件、油氣源條件、配套條件等四項(xiàng)；③應(yīng)用相關(guān)性分析求出影響資源量的主因素；④根據(jù)主因素的單因素評分，利用加法原則求出每一類比標(biāo)準(zhǔn)區(qū)與預(yù)測區(qū)的評價總分，求出預(yù)測區(qū)與每一類比標(biāo)準(zhǔn)區(qū)的類比系數(shù)。

4.1.3 資源潛力評價

根據(jù)頁巖氣成藏條件選定16項(xiàng)評價參數(shù)(表5)對標(biāo)準(zhǔn)區(qū)與類比區(qū)的頁巖氣資源進(jìn)行地質(zhì)類比評分。將湘中和湘東南坳陷上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M頁巖與美國五大頁巖氣系統(tǒng)進(jìn)行對比(表6)發(fā)現(xiàn)，阿巴拉契亞Ohio頁巖有效厚度為21 m，平均有機(jī)碳含量大于1.8%，Ro平均為0.85%，平均孔隙度達(dá)4.4%；而湘中和湘東南坳陷上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M頁巖有效厚度為25 m，平均有機(jī)碳含量為2.52%，Ro平均為2.80%，平均孔隙度為4.6%。綜上所述，無論盆地類型，還是源巖條件和儲集性能，均與阿巴拉契亞盆地Ohio頁巖比較相似，因此將此盆地的頁巖氣系統(tǒng)作為類比標(biāo)準(zhǔn)區(qū)[18-19]。

表5 頁巖氣資源預(yù)測類比參數(shù)取值標(biāo)準(zhǔn)

表6 湘中和湘東南坳陷上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M與美國五大頁巖氣系統(tǒng)頁巖主要地質(zhì)參數(shù)對比

依據(jù)選定的各項(xiàng)地質(zhì)指標(biāo)為各標(biāo)準(zhǔn)區(qū)及評價區(qū)分別進(jìn)行評分，每一大項(xiàng)中分別求出其相應(yīng)權(quán)值下的得分并相加，得出此項(xiàng)地質(zhì)指標(biāo)的地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)得分，4個大項(xiàng)得分的乘積便是其地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)總分。計(jì)算結(jié)果顯示，阿巴拉契亞泥盆系Ohio頁巖地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)得分為0.080，湘中和湘東南坳陷頁巖地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)得分為0.045(表7)。頁巖面積的有效性主要取決于其中有機(jī)碳含量的大小及頁巖厚度，本次計(jì)算是把TOC>0.5%且有效厚度>5 m的頁巖發(fā)育地區(qū)作為頁巖的有效面積。

表7 湘中和湘東南坳陷上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M頁巖與類比標(biāo)準(zhǔn)區(qū)頁巖地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)得分

根據(jù)公式(2)可以計(jì)算出省內(nèi)湘中和湘東南坳陷龍?zhí)督M頁巖與圣阿巴拉契亞泥盆系Ohio頁巖各項(xiàng)地質(zhì)指標(biāo)類比標(biāo)準(zhǔn)的相似系數(shù)為0.56。根據(jù)公式(1)，參照圣胡安盆地Ohio頁巖的資源豐度區(qū)間為(0.55～1.09)×108m3/km2，計(jì)算出湘中和湘東南坳陷上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M頁巖氣地質(zhì)資源量為(0.38～0.76)×1012m3(表8)。

表8 湘中和湘東南坳陷上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M頁巖氣地質(zhì)資源量類比法計(jì)算結(jié)果

4.2 體積法

用體積統(tǒng)計(jì)法對頁巖氣進(jìn)行資源量計(jì)算主要是以滿足TOC>0.3%、Ro>0.4%、埋藏深度不超過4 km的頁巖發(fā)育面積和厚度求得頁巖氣含氣體積，進(jìn)而求得資源量。假設(shè)頁巖的有效體積為V，單位重量頁巖總含氣量為A，巖石密度為ρ，則由公式(3)可求得資源量或儲量Q：

Q=A·V·ρ

(3)

吸附要素分析法主要考慮頁巖氣賦存狀態(tài)與其約束因素之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，頁巖總含氣量Qa與其總有機(jī)碳含量x1、有機(jī)質(zhì)類型x2、有機(jī)質(zhì)成熟度x3、伴生礦物類型x4等存在一定的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，即

Qa=f(x1，x2，x3，x4，……，xn)

(4)

進(jìn)一步，根據(jù)上述各影響因素自身的概率函數(shù)分布對其進(jìn)行概率賦值，可求得頁巖氣資源分布的概率

分布函數(shù)，據(jù)此可計(jì)算不同概率條件下的頁巖氣資源/儲量，即

Qp=f(Sp，Hp，φp，Kp……)

(5)

式中：Qp表示概率p條件時的資源量，Sp、Hp、φp、Kp分別表示面積、厚度、孔隙度、滲透率等參數(shù)。

本次資源評價還利用體積統(tǒng)計(jì)法對省內(nèi)資料相對豐富的部分地區(qū)進(jìn)行了頁巖氣資源預(yù)測。上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M總面積約為1.25×104km2，有效厚度為12～38 m，總有機(jī)碳含量平均為2.52%，Ro平均為2.80%。以TOC=0.3%和Ro=0.4%的頁巖氣發(fā)育條件為下限，以頁巖中的工業(yè)含氣量標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，龍?zhí)督M頁巖發(fā)育有效體積為375～625 km3。研究區(qū)泥質(zhì)烴源巖密度平均值為2.4 t/m3。結(jié)合相鄰區(qū)塊泥頁巖含氣量進(jìn)行的統(tǒng)計(jì)分析，可選擇吸附量2～3 m3/t進(jìn)行計(jì)算。頁巖氣中以吸附狀態(tài)存在的天然氣含量變化于20%～80%之間。根據(jù)相關(guān)公式計(jì)算可得上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M頁巖氣遠(yuǎn)景資源量為(0.21～0.42)×1012m3(表9)。

表9 湘中和湘東南坳陷上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M頁巖氣地質(zhì)資源量體積法計(jì)算結(jié)果

由以上兩種不同方法計(jì)算的資源量在數(shù)值上有一定的差別，但是差別不大，結(jié)果可靠。由此可見，湘中和湘東南坳陷上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M頁巖氣資源潛力巨大，勘探開發(fā)前景可觀。

5 結(jié)論與建議

5.1 結(jié)論

1)湘中和湘東南坳陷上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M黑色頁巖有機(jī)碳含量高、熱成熟度適中，孔隙結(jié)構(gòu)類型以裂隙孔、溶蝕孔、有機(jī)質(zhì)孔和粒間孔為主，綜合分析認(rèn)為，頁巖氣形成條件良好，是頁巖氣發(fā)育的有利層段，具有良好的勘探潛力。

2)湘中和湘東南坳陷上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M頁巖氣含量為(0.21～0.42)×1012m3，資源潛力巨大。

5.2 建議

針對湖南省湘西北地區(qū)牛蹄塘組和龍馬溪組頁巖氣一直未取得突破，而湘中和湘東南坳陷龍?zhí)督M暗色泥頁巖具備了良好的生烴條件，但構(gòu)造較為發(fā)育且勘探程度低的現(xiàn)狀，結(jié)合四川盆地頁巖氣勘探的經(jīng)驗(yàn)，相關(guān)政府機(jī)構(gòu)應(yīng)該加大資金投入，調(diào)動企事業(yè)單位、高校及科研單位的積極性，使得其加快湘中和湘東南坳陷頁巖氣基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查工作，并以尋找頁巖氣構(gòu)造圈閉為主，以發(fā)現(xiàn)巖性圈閉等為輔，為后期尋找頁巖氣的“甜點(diǎn)”打下堅(jiān)實(shí)的地質(zhì)基礎(chǔ)。