涟源凹陷龙潭组页岩气储层特征分析

张成龙，唐书恒，范二平 （中国地质大学 （北京）能源学院，北京 100083）

王善博 （天津地质调查中心，天津 300170）

孙昌花 （中国地质大学 （北京）能源学院，北京 100083）

孙九江 （中石油天然气股份有限公司山西煤层气勘探开发分公司，山西 晋城 048000）

涟源凹陷龙潭组页岩气储层特征分析

张成龙，唐书恒，范二平 （中国地质大学 （北京）能源学院，北京 100083）

王善博 （天津地质调查中心，天津 300170）

孙昌花 （中国地质大学 （北京）能源学院，北京 100083）

孙九江 （中石油天然气股份有限公司山西煤层气勘探开发分公司，山西 晋城 048000）

通过总有机碳、热解分析、镜质体反射率等试验测定，结合岩心观察、镜下观察、扫描电镜、压汞试验及低温氮吸附试验等多种方法，从宏观裂隙、微观裂隙、微观孔隙3种尺度，定性、半定量、定量3种层次研究了涟源凹陷龙潭组泥页岩的孔裂隙发育特征及储集性能。研究结果表明：研究区龙潭组下段有效烃源岩的分布主要集中在涟源－双峰地区，由东向西逐渐减薄；干酪根主要为Ⅱ1型 （腐殖－腐泥型）；镜质体反射率普遍较高，处于高成熟阶段；泥页岩节理和孔裂隙较为发育，黏土矿物含量较高，吸附能力较强。

涟源凹陷；龙潭组；页岩气；地球化学特征；储层特征

我国页岩气资源丰富，主要发育在古生界海相、中新生界陆相及海陆过度相盆地，估测页岩气资源前景约为30×1012m3。涟源凹陷位于华南上扬子地区西北部，是一个以下古生界浅变质岩系为基底发展起来的晚古生代－中三叠世准地台型沉积坳陷区，以碳酸岩夹碎屑岩为特征，发育有机质丰度高的南方海相页岩层系，具有形成页岩气藏的基本地质条件，探勘开发前景广阔［1］。近年来，随着南方海相油气勘探的进行，涟源凹陷成为了湘中地区非常规油气探勘热点地区。笔者旨在通过野外地质调查并结合室内测试结果，分析涟源凹陷上二叠统龙潭组 （P2l）泥页岩的储层特征，对该区页岩气勘探前景进行初步探讨。

1 研究区大地构造及沉积环境特征

华南区是江南盆地东西两侧地体之间的缝合线在中生代造山运动中形成的产物，在二叠纪大地构造环境中为一个大型的拗陷盆地，其上发育有北东向的 “微型裂陷带”［2］。涟源凹陷大地构造位于华南板块北部的华夏地块内部，处在太平洋构造域和特提斯构造域的转换区，构造活动频繁。其四周均为隆起，东北为沩山凸起，西北为雪峰隆起，东南为龙山隆起，面积约6770km2。该凹陷属于湘中坳陷，与零陵凹陷、邵阳凹陷、关帝庙凸起和龙山凸起构成了 “三凹两凸”的构造格局，按盖层样式可分成东部滑覆叠瓦冲断带、中部褶断带和西部叠瓦逆掩冲断带3个构造单元［3］（图1）。该区以多期次、多层次的层滑构造为主要特征，样式复杂，但整体而言，其地台构造环境相对稳定。研究区在晚二叠世接受了海相碳酸盐岩类、碎屑岩类及海陆交互相含煤沉积，由于地壳活动相对平稳，在古植物、古气候、古地理条件的配合下，形成该区广泛分布的P2l沉积体系。P2l也是该区赋含页岩最多，页岩分布面积最广的层系之一。

图1 涟源凹陷构造分区图

2 页岩气成藏地质条件分析

2.1 有机质干酪根类型

通过对所采集样品的光薄片观察，研究区P2l泥页岩主要有机显微组分为褐色-黄褐色腐泥组絮状无定形体和黑色无结构镜质体，有壳质组出现，无荧光出现。光片在油浸反射光下，主要可以分为3种类型 （图2）：

图2 涟源凹陷P2l泥页岩显微组分镜下鉴定特征

1）可见大量的无结构镜质体和结构镜质体，且丝质体含量较为丰富，以Ⅱ1型 （腐殖－腐泥型）干酪根居多，但因其成熟度过高，没有荧光出现。

2）偶可见镜质体和惰质组的碎片，其多出现于Ⅱ2型 （腐泥－腐殖型）干酪根中。

3）只可见到镜质组分呈分散碎屑状，无其他具明显形态的有机组分，以无定形态为主，Ⅱ1型（腐殖－腐泥型）和Ⅱ2型 （腐泥－腐殖型）干酪根均有出现，后者出现几率更高。

由此可见，研究区P2l泥页岩有机质干酪根类型以Ⅱ1型 （腐殖-腐泥型）为主，局部为Ⅱ2型 （腐泥-腐殖型）干酪根

2.2 总有机碳的质量分数与分布

P2l是研究区页岩气的主要层位，共采集样品10块。整体而言，研究区P2l泥页岩总有机碳质量分数 （w（TOC））普遍较高，最高可达8.1%，最小仅为0.7%，平均为2.35%。平面上湘中涟源-邵东一带，w（TOC）较高，在3%以上；双峰洪山殿地区相对较低，但基本都在1.6%以上；而其他地区w（TOC）均在2%以上，如双峰梓门桥为2.45%、炉观为3.05%、七星街为2.57%（图3）。

根据美国页岩气开采经验［4］，产气烃源岩的w（TOC）下限为0.5%，而有效烃源岩w（TOC）的下限定为2%。由此可知，研究区P2l泥页岩w（TOC）较高，绝大多数地区大于2%，是较好的烃源岩，有利于页岩气的生成和富集。

2.3 有机质成熟度

美国页岩气勘探开发已证实，Barnett页岩的镜质体反射率 （Ro）介于1.0%～2.1%，属于高成熟度页岩气藏，有利于页岩气成藏。当Ro≤3%时，热成因型气藏随着页岩Ro的增高，含气量也会逐渐增大；当Ro＞3%后，有机质进入过成熟期，有机质的大量减少，不利于吸附气的形成［5］。通过对研究区P2l泥页岩Ro数据统计发现，Ro普遍较高，分布集中，介于1.67%～1.98%，平均为1.76%，处于高成熟阶段，有利于页岩气的形成及保存 （图4）。

图3 涟源凹陷P2l泥页岩w（TOC）分布图

图4 涟源凹陷P2l泥页岩Ro分布图

2.4 页岩地层厚度与分布

页岩地层厚度是评价页岩气藏的主要指标之一，最小厚度下限值与w（TOC）和Ro呈反比，w（TOC）越大，Ro越高，厚度下限值越低［4］。为确定龙潭泥页岩厚度，笔者在研究区实测剖面5条（图5（a））。

图5 涟源凹陷P2l实测剖面与页岩厚度分布图

湖南省双峰县洪山殿镇前塘村P2l剖面可见顶底，总厚度180.1m（图5（b））。底部以灰－深灰色薄层状粉砂岩、细砂岩与砂质泥岩为主，节理发育；中部为灰－深灰色薄－中厚层状细砂岩夹薄层粉砂岩，节理发育；中上部以灰－深灰色薄－中厚层状细砂岩为主，夹黑灰色薄层磷片状炭质泥岩，可见硅质胶结，方解石脉充填，节理发育。

湖南省涟源县枫坪镇观山村P2l剖面龙潭组总厚114.7m，未见底 （图5（c））。岩性以灰－深灰色薄－中厚层状泥岩、菱铁质泥岩为主夹粉砂岩、细砂岩，见水平层理、平行层理及缓波状层理，含大量菱铁质结核，菱形节理发育，性脆。

P2l上段地层中主要为砂岩、砂质泥岩及烃源岩层，单层厚度均小于最低有效厚度 （30m），故未列入研究的目的层；下段发育了一套灰黑色－黑色薄层状泥岩、页岩，性脆易碎，节理发育，富含炭质及大量的植物化石，易染手，单层厚度均大于最低有效厚度。总体来说，研究区P2l下段有效烃源岩主要集中在涟源－双峰地区，且遵循由东向西逐渐变薄的趋势，其厚度与该地区P2l下段地层厚度呈正相关。

3 岩储层物性特征

3.1 孔裂隙发育特征

图6 涟源凹陷P2l泥页岩宏观、微观裂隙图

我国南方的页岩成熟度高，页岩储层孔隙、裂隙类型多样，微米－纳米级孔隙发育。裂缝发育的储层是泥质岩类气藏成藏的关键因素［6］。黏土矿物影响着泥页岩中有机质的赋存形式，在一定程度上有利于有机质的富集，控制着有机质生烃演化的进行，同时黏土矿物含量高，也有利于页岩储层原始微孔隙和微裂隙的发育，为页岩气提供储集空间。为此，采用宏观观察、光学显微镜、扫描电镜相结合的研究方法，从宏观裂隙、微观裂隙、微观孔隙3种尺度，定性、半定量、定量3种层次对P2l泥页岩的孔裂隙发育特征进行了研究。

研究区泥页岩黏土矿物含量较高，以伊利石和绿泥石为主。宏观上，P2l泥页岩节理和裂隙较为发育，岩心可见大量天然裂隙，其形态多样，尺寸大小不一，形成了复杂的裂隙网络系统，有利于页岩气的排出；微观上，在光学显微镜和扫描电镜下可观测到泥页岩大量张性裂隙，其中较大的可贯穿整体，压性裂隙次之，少见剪性裂隙。此外，还可以观测到镜质体内生裂隙、镜质体收缩缝等微小裂隙。微观孔隙虽普遍发育，但分布不均匀。

3.2 吸附性能

在泥页岩中天然气的赋存状态多种多样，吸附态为主要形式，以此形式赋存的天然气约占总含气量20%～85%［7］。因此，研究页岩中不同组分对气体的吸附作用在页岩气资源潜力评价中显得尤为重要。国际上主要流行为2种观点，有机质组分吸附和黏土矿物组分吸附。Nuttall［8］认为页岩中有机质作为吸附气的核心载体，w（TOC）的高低会导致吸附气数量级的变化。而Ross［9］认为黏土矿物往往具有较高的微孔隙体积和较大的比表面积，吸附能力较强；Schettler等［10］甚至认为页岩中吸附态甲烷主要分布在伊利石表面，其次才吸附于干酪根之中。对P2l泥页岩样品进行了等温吸附试验，测得其平均吸附量大于1m3／t，吸附能力较强，与该区具有较高的w（TOC）和黏土含量有关。

4 结论

1）涟源凹陷龙潭组泥页岩有机质干酪根类型以Ⅱ1型 （腐殖－腐泥型）为主，局部为Ⅱ2型 （腐泥－腐殖型）干酪根。

2）龙潭组下段有效烃源岩的分布主要集中在涟源－双峰地区，由东向西逐渐变薄，其厚度基本与该地区龙潭组下段地层厚度呈正相关。

3）龙潭组泥页岩的有机质成熟度普遍较高，处于高成熟阶段，有利于页岩气的形成和保存。

4）龙潭组泥页岩节理和裂隙较为发育，黏土矿物含量较高，吸附能力较强。

［1］刘喜顺 .湘中坳陷泥盆－石炭系油气成藏与保存条件研究 ［D］.长沙：中南大学，2009.

［2］赵时久 .岩相古地理文集 ［M］.北京：地质出版社，1992.57～67.

［3］王明艳，郭建华，旷理雄，等 .湘中坳陷涟源凹陷烃源岩油气地球化学特征 ［J］.天然气地球科学，2010，21（5）：721～726.

［4］马文辛，刘树根，黄文明，等 .鄂西渝东志留系储层特征及非常规气勘探前景 ［J］.西南石油大学学报 （自然科学版），2012，34（6）：27～37.

［5］李新景，胡素云，程克明 .北美裂缝性页岩气勘探开发启示 ［J］.石油勘探与开发，2007，34（4）：392～400.

［6］韩城斌 .页岩气藏中孔隙特征及其作用 ［J］.内蒙古石油化工，2011，21（2）：147～148.

［7］John B，Curtis.Fractured shale-gas systems［J］.AAPG Bulletin，2002，86（11）：1921～1938.

［8］Nuttall C A，Paul L Y，Curtis.Hydrochemical stratification in flooded underground mines：an overlooked pitfall［J］.Journal of Contaminant Hydrology，2004，69（1-2）：101～114.

［9］Schettler G，Romer R L，Ming R Q，etal.Size-dependent geochemical signatures of Holocene loess deposits from the Hexi Corridor（China）［J］.Journal of Asian Earth Sciences，2009，35（2）：103～136.

［10］Ross D J，Bustin R M.Shale gas potential of the Lower Jurassic Gordondale Member，northeastern British Colun-bia，Canada［J］.AAPG Bulletin，2007，55（1）：51～75.

［编辑］ 邓磊

Shale Gas Reservoir Characteristics of Longtan Form ation in Lianyuan Depression

ZHANG Chenglong，TANG Shuheng，FAN Erping，WANG Shanbo，SUN Changhua，SUN Jiujiang (First Author's Address:School of Energy Resources，China University of Geosciences，Beijing 100083，China)

By detecting the total organic content，pyrolysis analysis and reflectance of vitrinite in combination with core observation，microscope observation，scanning electron microscope，mercury injection test and nitrogen adsorption experiment，the pore fracture characteristics of shale and reservoir performance in Longtan Formation were studied qualitatively，quantitatively and semi-quantitatively from the aspects ofmacroscopic，microscopic fractures and microscopic pores.The study result shows the effective source rocks of lower Longtan Formation aremainly distributed in Lianyuan-Shuangfeng Area，they are gradually thinning from the east to thewest.Typesof kerogen there aremainly TypeⅡ1(humic-sapropelic type).Rois generally high，it indicates that the source rocks are at the high maturity stage.The mud-shale joint and porosity are well developed and the content of claym ineral is higher with high adsorption ability.

Lianyuan Depression;Longtan Formation;shale gas;geochemical characteristics;reservoir characteristics

TE122.2

A

1000-9752（2014）05-0032-05

2013-10-02

国家自然科学基金项目 （41272176）；教育部博士点基金项目 （20110022110007）。

张成龙 （1988-），男，2011年大学毕业，硕士生，现主要从事非常规油气地质研究工作。