湘西北页岩气牛蹄塘组和龙马溪组成藏特征对比

文继祖，胡阳田，谢睿，陈祯祥，杨磊（.湖南省核工业地质局三〇四大队，湖南 长沙 40000；2.长江大学地球科学学院，湖北 武汉 43000）



湘西北页岩气牛蹄塘组和龙马溪组成藏特征对比

文继祖1、2*，胡阳田1，谢睿1，陈祯祥1，杨磊1
（1.湖南省核工业地质局三〇四大队，湖南 长沙 410000；2.长江大学地球科学学院，湖北 武汉 430100）

摘 要收集湘西北地区牛蹄塘组和龙马溪组两地层相关成藏特征、有利条件等评价指标或参数，通过对比分析得出湘西北地区页岩厚度大、总有机碳和成熟度高、生烃能力强和孔隙等储集能力好等特点，显示在区域还原环境的缺氧沉积环境下，大量海洋生物在盆地堆积并保留下来，形成可观的页岩气藏，因此推测该区具备良好的页岩气勘探潜力。牛蹄塘组页岩厚度远大于龙马溪组页岩，总有机碳含量、有机质成熟度、含气量等页岩气评价参数均优于龙马溪组，表明牛蹄塘组热演化程度更高，生烃能力和储集条件更好，牛蹄塘组页岩层将是湘西北地区页岩气勘探开发的重点。

关键词湘西北；页岩气；总有机碳；牛蹄塘组；龙马溪组

页岩气是一种产生在富含有机质页岩储集体系中的非常规天然气，华南早古生代地层中大面积分布着富含有机质的黑色页岩，这为我国南方大规模进行页岩气勘探提供了可能[1～3,12]。以往关于这一非常规天然气的研究，在世界上并不是很普遍，之前仅美国与加拿大等国对这种非常规油气藏做过系统工作。近年随着资源开发利用的新趋势，我国的页岩气的勘探工作已经进入了大规模开发期，地质、地球物理、地球化学、泥浆、定向井等物理化学性质和工程施工方面相关研究也在逐步深入。对于国内页岩气勘探开发区块的选取，国内学者普遍认为[4,5,7]，我国南方黑色页岩不仅富含Mo、Ni、V、PGE、Au等矿产，也是页岩气勘探的重要区块，因此认为南方黑色页岩具有重要的研究和经济价值。近年，华南页岩气开发已取得较大突破，以四川盆地及川鄂交接等周边地段的工作为例，现已经在该区域发现具备工业开发价值的页岩气藏分布[13,27,28]，并已经投入生产。随着页岩气勘查投入的加大，湖南省的页岩气勘探工作也已经起步。

湘西北地区与川鄂等页岩气重点开发地段接壤，且湘西北大面积分布的牛蹄塘组、龙马溪组、陡山沱组等地层中黑色页岩均广泛发育。其中以牛蹄塘组、龙马溪组为代表的湘西北黑色页岩系具有沉积厚度较大且稳定、有机质含量高、生气能力较强等优势，显示出湘西北地区具有较好的页岩气成藏条件与勘探开发潜力[2,3,5,18]。随着野外工作的不断开展，湖南省在常德至慈利、桑植、花垣等地区，已经率先实施了以常页1井、慈页1井等[18、24]为代表的深部验证工程，湘西北地区黑色页岩系的相关指标与特征正被逐步揭露。这些地质工作为湖南以及华南页岩气地质研究与经济开发打下了基础。目前，湘西北地区黑色页岩揭露工作主要集中在牛蹄塘组和龙马溪组地层，已形成了部分资料可以借鉴[1～5,18,21,24]。对于牛蹄塘组和龙马溪组页岩气，国内学者已开展了部分相关的研究[7,27,28]，但工作主要集中在四川、重庆等地段。随着工作范围的扩大与工作程度的深入，关于湖南省湘西北地区页岩气成藏特征对比研究已经步入起步阶段。本文对关于湖南省湘西北地区牛蹄塘组和龙马溪组的资料进行了搜集整理，在前人工作成果的基础上对湘西北地区牛蹄塘组与龙马溪组页岩气有机地球化学与压裂、孔隙等物理特征方面的成藏特征进行了综合研究与对比，总结归纳了该区域内和地层中的页岩气的成藏特征，希望本次研究的结果能为湘西北地区的页岩气勘探开发提供一定的技术参考。

1　区域地质背景

湖南处于扬子陆块和华夏古陆过渡区，湘西北地区位于扬子地台[1～3,5,21]。该区自震旦纪开始至早古生代，为克拉通海相盆地，沉积了系列海相层系（图1）。牛蹄塘组主要岩性为黑色页岩、炭质板岩、黑色硅质岩，该地层分布很广，沉积厚度大，沉积环境由NW向的碎屑岩深水陆棚沉积至SE向半深海—深海沉积环境过渡[18]。龙马溪组岩性以灰绿色—灰色页岩、粉砂质页岩及泥质粉砂岩为主，夹有薄层至厚层状石英细砂岩及泥质粉砂岩[1,24]。龙马溪组沉积环境属于陆棚滞留盆地环境，并属于欠补偿沉积盆地类型。

2　有机地球化学特征

作为页岩气形成的重要条件，良好的沉积条件与封闭的环境对页岩气的形成至关重要[17]。沉积环境和有机质物化特征是判定黑色页岩是否具有良好生烃产气能力的重要指标，故对有机地化指数、烃源岩类型、储集性能、保存条件等指标的了解，是判定一个区块前景的关键[13,17]。

2.1 埋深和有效厚度

研究[1,18]表明，页岩的沉积厚度越大，其对页岩气藏的封闭效果就越好，气体的保存能力就越强，从而利于页岩气的形成与保存。我国南方海相页岩适合页岩气开发的页岩厚度[13,27]为50～400 m，埋深1500～4000 m。部分文献[7～9]认为，南方页岩气开发最大深度应不超过3500 m。已有工程揭露证明[24,25]，牛蹄塘组黑色页岩平均厚度310 m，部分地段达675 m；而龙马溪组黑色页岩系厚度10～60 m。两地层均满足我国页岩气开发的要求[13]，达到了有效厚度。牛蹄塘组黑色页岩埋深范围535～1344 m，龙马溪组地层埋深相对较大，在1000～2000 m。两套地层的黑色页岩产状均较为平缓，利于页岩气藏的保存。就地层厚度对比而言，牛蹄塘组页岩层更厚，比龙马溪组页岩更有利于页岩气的生烃与保存。

2.2 总有机碳含量

有机碳含量（TOC）是对烃源岩丰度、生烃强度和生烃量进行评价的重要参数指标[9,13,17]。美国页岩气开发将2～14%作为页岩气开发的开发条件，国内则以2～8%作为开发条件[17]。本文对国内目前已形成的关于湘西北黑色页岩系的文献进行了统计，并以李国亮[1]、林拓[18,24]等人的研究数据为基础对湘西北牛蹄塘组和龙马溪组有机碳含量及全区含量做了简要评价（图2）。

通过分析总结，本文认为湘西北地区有机碳含量分布在0.03～17.76%，平均值3.83%，满足国内页岩气开发要求。其中以常页1井[14、18、26]为代表的牛蹄塘组TOC值为0.03～17.6%，平均值4.36%。以松林剖面[1]和永页1井[24]为代表的龙马溪组TOC值为0.05～12.31%，平均值4.36%。从原始数据的直方图分布可以看出，该区整体有机碳含量较高，反映出牛蹄塘组和龙马溪组是良好的烃源岩，具备较强的产气能力。两地层的TOC均值近似，但牛蹄塘组TOC值的极值（17.6%）更大，且TOC值普遍＞2%。显示牛蹄塘组比龙马溪组具有更高的有机碳含量，具有更强的生烃潜能。

图1　湘西北地区区域地质背景及部分工程位置Fig.1 Regional geological background and location of Geological Engineering

2.3 烃源岩类型

不同来源的有机质在不同沉积环境中形成的干酪根，在成分组成、物化性质和生烃潜能等方面差别很大。因此，研究干酪根类型及性质是页岩气开发的一项重要内容，也是评价与指导页岩气开发的研究基础。以美国页岩气研究为例，Ⅰ型干酪根和Ⅱ型干酪根是主要的页岩气生烃类型，部分Ⅲ型干酪根也具有较好的生烃能力[11,13]。

据陈兰等试验数据[21]表明，牛蹄塘组碳同位素在-29.49～34.41‰间，平均值为-31.75‰。而李国亮等研究[1]表明，龙马溪组中碳同位素在-31.4～27.1‰之间，平均为-29.6‰。两地层碳同位素均＜-28‰，表明两套地层中黑色页岩干酪根应均属于Ⅰ型干酪根。研究还发现湘西北地区干酪根中腐泥质成分较高，且未发现壳质组和镜质组，说明其母质应来源于低等水生生物。据此推测，牛蹄塘组与龙马溪组地层共同特征在于均形成于还原条件下的缺氧沉积环境。在此环境下，大量的海洋生物在盆地中堆积并保留下来，为页岩气藏的形成提供了丰富的母质来源。

图2　TOC值直方图（数据引自文献[1,14,24,30]）Fig.2 Histogram of the TOC numerical value

2.4 有机质成熟度

作为页岩气成藏条件评价的重要参数之一，有机质成熟度代表着沉积盆地中烃源岩各个演化阶段的最高温度[1,4,17]。研究[9]表明，随着成熟度的增加，烃源岩中的原油组分开始向裂解气转化；而成熟度越低，产气量就越低。

湘西北地区牛蹄塘组样品分析显示[14,18]，该地层镜质体反射率Ro分布在1.56～4.5%之间，平均2.6%。湘西北地区龙马溪组[1,24]与牛蹄塘组具有相似的成熟度，该地层镜质体反射率Ro（图3）分布在0.97～3.33%，平均值2.59%。以上反映出湘西北区域Ro值分布在0.97～4.5%间，平均值2.54%，其绝大部分Ro值＞2.0%，表现为成熟—过成熟阶段，应以生产干气为主[9,17]。对比两套地层的镜质体反射率Ro值不难发现，牛蹄塘组地层中Ro值分布具有更高值域，从侧面反映出牛蹄塘组有机质热演化程度更高。

图3　Ro值直方图（数据引自文献[1、24]）Fig.3 Histogram of the Ro numerical value

3　岩矿特征

由于物理化学性质的差异，页岩气与岩石矿物表现出不同的相关性，矿物组成是研究页岩储集空间的重要指标[4,17]。牛蹄塘组页岩层石英含量[14,18,30]为32～78%，平均值为50.1%。据常页1井资料显示[14,30]，石英含量随着深度呈现正相关，较高的硅质含量为页岩在构造活动中产生足够的天然裂隙提供了可能，脆性矿物含量的增加使页岩层的改造潜力得到了提升，进而为页岩气藏提供了足够的赋存空间。从图4中可以看出，牛蹄塘组页岩中脆性矿物含量较高，显示了该地层可作为良好的储层。

龙马溪组页岩[1,24]以粘土矿物和脆性矿物为主，其中脆性矿物石英和长石的含量分布在60～80%，伊利石和蒙脱石为龙马溪组地层主要粘土矿物，次为高岭石和绿泥石。矿物组成显示该地层对页岩气的成藏有利。从烃源岩矿物组成三角图（图4）可知，牛蹄塘组和龙马溪组地层均集中分布在碳酸盐含量低、高粘土、高脆性矿物一侧，显示为硅质型泥岩。两套地层既含有丰富的利于裂隙改造的脆性矿物，也含有较高的利于气藏吸附的粘土矿物，说明两套地层均是湘西北地区勘探开发页岩气的有利层位。

图4　矿物组成三角图（a数据引自文献[1,24]；b数据引自文献[14,30]）Fig.4 Triangle graph of the mineral composition

图5　全球典型非常规油气储层孔隙直径对比图（数据引自文献[23,26]）Fig.5 Nanometer scale pore-throat diameters of global unconventional reservoirs

4　储集特征

据文献[25]显示，湘西北地区牛蹄塘组地层页岩有效孔隙度为1.2～1.9%，平均值为1.6%。渗透率在0.01～3.75×10-3μm2之间，平均为1.32×10-3μm2，该地层孔隙度与渗透率均较低，但随着地层深度的加大，其孔隙度有相应增大，但均＜2.0%。牛蹄塘组地层的页岩基质和有机质中微孔、中孔、宏孔发育，总孔体积为1.3～16.1×10-3ml/g，平均体积为5.1×10-3ml/g；孔隙直径在4.54～13.09 nm间，平均7.2 nm。

龙马溪组[1、24]孔隙度为1.6～2.0%，平均1.7%。该组地层渗透率极低，基本＜0.01×10-3μm2。与牛蹄塘组类似，微小孔洞和裂隙大量发育在该地层中。对比国内外页岩气开发资料表明[13,17,27]，世界大多数页岩气藏均有低孔隙度低渗透率的特点。总结湘西北发育的这两套地层中微小孔隙特征，发现这些广泛发育纳米级的微小孔隙，为游离态及吸附态的页岩气藏提供了储集空间，使得牛蹄塘组与龙马溪组页岩层具备良好的页岩气储集能力。

孔隙是页岩气存储和运移的重要空间，孔隙的发育程度也影响了页岩气的含气能力。实验表明，龙马溪组页岩含气量[24]为0.09～0.9 m3/t，表现出非常低的含气量。牛蹄塘组[18]含气量0.5～2.1 m3/t，相对较高。两组地层含气量对比说明，牛蹄塘组为更为有利的页岩气勘探地层。

图6　地层有机地化综合特征对比图（Ⅰ数据引自文献[1,24]；Ⅱ数据引自文献[14,16,18,30]）Fig.6 The comparison chart of Organic geochemical characteristics

5　结论

（1）通过对黑色页岩系中有机质物理化学条件进行对比，发现牛蹄塘组和龙马溪组两地层埋深均＜3500 m，满足页岩气开发的深度。页岩厚度、有机地球化学、烃源岩类型、储集性能等页岩气评价指标均表明两地层的沉积环境利于生烃演化与成藏。认为湘西北地区牛蹄塘组和龙马溪组都是页岩气勘探的有利地层。

（2）湘西北地区有机质的镜质体反射率分布在0.97～3.32%间，平均值2.54%，其绝大部分Ro值＞2.0%，表现为成熟—过成熟阶段。两地层中有机质烃源岩均属于Ⅰ型干酪根，母质来源为低等水生生物。两地层中的黑色页岩均在还原环境的缺氧条件下沉积形成。在此环境下，大量的海洋生物在盆地中堆积并保留下来，可能形成具备开发价值的页岩气藏。

（3）牛蹄塘组和龙马溪组地层岩石矿物组分靠近硅质泥岩，高含量的脆性矿物为湘西北地区页岩中微小裂隙发育提供了可能。两套地层均具有孔隙度较低的特点，但发育较好且均匀的微小孔隙，增大了烃类的吸附面积，为烃类成藏提供了储集空间。

（4）牛蹄塘组页岩厚度明显大于龙马溪组页岩，总有机碳含量、有机质成熟度、含气量等页岩气综合评价指标均优于龙马溪组页岩层。说明牛蹄塘组的页岩成藏条件更好，具备更好的页岩气勘探开发的潜能。

参考文献/References

[1]李国亮，王先辉，等.湖南扬子地区志留系龙马溪组页岩气成藏条件及前景评价[J].华南地质与矿产，2014.30(3)：285-292.

[2]黄燕，林丽，等.湘西北张家界地区早寒武世牛蹄塘组黑色岩系镍钼矿层生物标志物的特征[J].地质通报，2011.30(1)：126-133.

[3]吴朝东，杨承运，等.湘西黑色岩系地球化学特征和成因意义[J].岩石矿物学杂志，1999.18(1):26-38.

[4]张林晔，李锯源，等.湖相页岩有机储集空间发育特点与成因机制[J].地球科学，201540(11)：1824-1833.

[5]江永宏.湘、黔下寒武统黑色岩系型Ni、Mo矿床中有机质与PGE成矿作用研究[J].地质与勘探，2009.45(1)：1-6.

[6]施春华，曹剑，等.黑色岩系矿床成因及其海水、热水与生物有机成矿作用[J].地学前缘，2013.20(1)：19-31.

[7]张慧，焦淑静，等.中国南方早古生代页岩有机质的扫描电镜研究[J].石油与天然气地质，2015.36(4)：675-681.

[8]聂海宽，唐玄，等.页岩气成藏控制因素及中国南方页岩气发育有利区预测[J].石油学报，2009.30(4)：484-491.

[9]王祥，刘玉华，等.页岩气形成条件及成藏影响因素研究[J].天然气地球科学，2010.21(2)：350-356.

[10]杨镱婷，张金川，等.陆相页岩气的泥页岩评价—以延长下寺湾上三叠统延长组长7段为例[J].东北石油大学学报，2012.36(4)：10-17.

[11]刘金钟，唐永春，等.用干酪根生烃动力学方法预测甲烷生成量之一例[J].科学通报，1998.43(11)：1187-1191.

[12]刘德汉，林茂福.碳沥青中几种钒、镍矿物的发现和成因讨论[J].中国科学，1983.(10)：935-939.

[13]王红岩，刘玉章，等.中国南方海相页岩气高效开发的科学问题[J].石油勘探开发，2013.40(5)：574-579.

[14]周庆华，宋宁，等.湖南常德地区牛蹄塘组页岩特征及含气性[J].天然气地球科学，2015.26(2)：301-311.

[15]王家生，甘华阳，等.三峡“盖帽”白云岩的碳、硫稳定同位素研究及其成因探讨[J].现代地质，2005.19(1)：14-20.

[16]卢双舫，陈方文，等.页岩储层有机、无机孔隙定量评价研究—以黔南坳陷下寒武统牛蹄塘组为例[J].高校地质学报，2013.19：578.

[17]张金川，林腊梅，等.页岩油分类与评价[J].地学前缘，2012.19(5)：322-331.

[18]林拓，张金川，等.湘西北下寒武统牛蹄塘组页岩气井位优选及含气性特征——以常页1井为例[J].天然气地球科学，2015.26(2)：312-319.

[19]夏大平，王振，等.煤层气与页岩气吸附差异性分析[J].煤田地质与勘探，2015.42(6)：36-38.

[20]王新强，史晓颖，等.华南埃迪卡拉纪-寒武纪过渡期的有机碳同位素梯度和海洋分层[J].中国科学：地球科学，2014.44(6)：1142-1154.

[21]陈兰，钟宏，等.湘黔地区早寒武世黑色页岩有机碳同位素组成变化及其意义[J].矿物岩石，2006.26(1)：81-85.

[22]张秀芝，鲍征宇，等.富集因子在环境地球化学重金属污染评价中的应用[J].地质科技情报，2006.25(1)：65-72.

[23]邹才能，朱如凯，等.常规与非常规油气聚集类型、特征、机理及展望—以中国致密油和致密气为例[J].石油学报，2012.33(2)：173-187.

[24]林拓，张金川，等.湘西北地区龙马溪组页岩气聚集条件与含气性分析[J].新疆石油地质，2014.35(5)：507-510.

[25]范文斐，侯读杰，等.中国南方页岩气牛蹄塘组与龙马溪组成藏条件对比研究—以渝东南地区为例[J].科学技术工程 ，2015.15(27)：123-22.

[26]黄俨然，杨荣丰，等.湘西北下寒武统牛蹄塘组页岩含气性影响因素分析[J].岩性油气藏，2015.27(4)：11-16.

[27]邹才能，董大忠，等.中国页岩气特征、挑战及前景（一）[J]石油勘探与开发，2015.42(6)：689-702.

[28]秦明阳，蔡宁波，等.海相页岩气目标区优选研究—以湖南某中标区块为例[J].中国煤炭地质，2015.27(3)：24-29.

[29]张晓玲，肖立志，等.页岩气藏评价中的岩石物理方法[J].地球物理学进展，2013.28(4)：1962-1974.

[30]何伟，张金川，等.湘西北常页1井下寒武统牛蹄塘组页岩气储层特征[J].中国煤炭地质，2015.27(1)：31-39.

[31]曹剑，吴明，等.油源对比微量元素地球化学研究进展[J].地球科学进展，2012.27(9)：925-936.

Reservoir Forming Characteristics Contrast between Niutitang Formation and Longmaxi Formation of Shale Gas in Northwestern Hunan

Wen Jizu1,2,Hu Yangtian1,Xie Rui1,Chen Zhenxiang1,Yang Lei1
(1.Hunan Bureau of Geology for Nuclear Industry 304 Brigade,Changsha Hunan 410000;2.Geoscience School of Yangtze University,Wuhan Hubei 430100)

Abstract:Based on the by open published database of shale gas development home and abroad,there was a summarizes about reservoir forming characteristics contrast between niutitang fm and longmaxi fm of shale gas in northwestern hunan,and got a conclusion that this area are characterized by high content and maturation of TOC,good pore reservoir performance strong source capability.The data showed that under oxygen-deficient facies environment,a large number of Marine lives piled up and preserved in the basin and formed a considerable shale gas reservoir.Thus speculated that northwestern hunan had a good exploration potential of shale gas.The shale’s thickness of niutitang fm was thicker than longmaxi fm’s,Shale gas evaluation parameters,such as Total organic carbon content,organic matter maturity,air content,were all better than longmaxi fm’s.these showed that niutitang fm had a higher thermal evolution degree and a better hydrocarbon generation ability and reservoir conditions.From data above,niutitang shale formation will be the focus of shale gas exploration and development in northwestern hunan.

Key Words:Northwestern Hunan;shale gas;total organic carbon;Niutitang formation;Longmaxi formation

*第一作者简介文继祖，男，1986年生，助理工程师，主要从事地质勘查工作。E-mail:shajiakakaxi@163.com

收稿日期：2016-1-21；改回日期：2016-3-2。

文章编号：1672-5603（2016）01-001-7

中图分类号：P618.12

文献标识码：A