湖南永顺区块牛蹄塘组页岩气勘探前景及选区评价

董清源， 田建华， 冉　琦， 邓　模， 许江桥， 陈　勇

( 1. 中国石油化工股份有限公司 石油物探技术研究院，江苏 南京　211103；　2. 中国石化石油勘探开发研究院 无锡石油地质研究所，江苏 无锡　214151；　3. 中国华电集团 清洁能源有限公司，北京　100035 )



湖南永顺区块牛蹄塘组页岩气勘探前景及选区评价

董清源1， 田建华1， 冉琦1， 邓模2， 许江桥3， 陈勇1

( 1. 中国石油化工股份有限公司 石油物探技术研究院，江苏 南京211103；2. 中国石化石油勘探开发研究院 无锡石油地质研究所，江苏 无锡214151；3. 中国华电集团 清洁能源有限公司，北京100035 )

永顺区块位于中上扬子地台牛蹄塘组页岩气富集区，整体勘探程度较低，页岩气勘探前景不明。利用露头、岩心、测试和地震等资料，分析研究区牛蹄塘组页岩气勘探前景，以页岩气富集理论为指导，结合地球化学分析技术、地质评价—地球物理联合预测技术，评价有利勘探区块。结果表明：永顺区块牛蹄塘组具有优越的烃源供给条件，厚度大，分布广，燕山期是其主要的聚集及成藏期；页岩储层低孔低渗特征明显，储集类型多样，脆性矿物丰富，有利于页岩气储集及压裂改造；研究区构造样式相对简单，断裂、盖层发育分区性明显，关键构造事件控制源盖动态匹配。残留向斜斜坡是研究区有利的勘探目标，Ⅰ类有利区面积为102.1 km2，Ⅱ类有利区面积为88.2 km2。

永顺区块； 页岩气； 牛蹄塘组； 地质特征； 勘探前景； 选区评价

0　引言

随着世界各国对油气资源需求的不断攀升，非常规油气的勘探开发力度得到显著提升。页岩气作为赋存于(以吸附态和游离态两种方式)暗色泥页岩及夹层的清洁、高效的非常规能源，已受到世界范围的高度重视[1-5]。

中国页岩气资源十分丰富，特别是南方中上扬子地区的下古生界海相地层富有机质页岩非常发育[6]，根据国土资源部2011～2015年的页岩气发展规划调查[7]，近60%页岩气富集勘探开发区主要位于中上扬子地区，其中川南及渝东湘鄂西地区下寒武统牛蹄塘组和下志留统龙马溪组中的页岩气资源量达到(8～10)×108m3。永顺区块位于湖南省西部，构造上属于中扬子地台，主要页岩层系为下寒武统牛蹄塘组，志留系龙马溪组页岩在该区块分布较为局限，且暗色页岩厚度较薄。在2011～2013年全国页岩气资源潜力调查评价过程中，邢雅文、孙梦迪等对周缘的渝东南等地区牛蹄塘组页岩气地质—地球化学特征、成藏条件等方面进行论述[8-9]，但对湖南永顺区块牛蹄塘组的页岩气勘探研究相对较少。随着上扬子地台焦石坝、丁山和威远等地区的龙马溪组页岩层系的勘探突破，中扬子地区牛蹄塘组页岩层系勘探前景不明确。人们研究该地区牛蹄塘组地质条件[10-11]，发现存在三方面差异：首先，与北美页岩产气层比较，牛蹄塘组为下寒武统地层，层位较老，埋深较深；其次，页岩储层黏土矿物质量分数相对较高，脆性矿物质量分数相对较低，不利于后期完井压裂；第三，中扬子地区比上扬子地区的构造活动相对剧烈，影响页岩气的聚集成藏。

根据永顺区块牛蹄塘组地质特征，笔者研究北美、四川盆地的页岩气成藏富集条件，运用地球化学—地质—地球物理综合研究技术，评价页岩品质及保存条件，分析研究区页岩气勘探前景，优选有利勘探目标，为后期页岩气勘探提供指导。

1　地质概况

永顺区块位于湖南省西部的湘鄂西冲断褶皱带，整体构造受断裂控制明显，发育两条北东向深大断裂，分别为保靖—铜仁深大断裂和永顺—慈利深大断裂，自北西向南东依次划分为中央复背斜带、花果坪复向斜带、宜都—鹤峰复背斜带和桑植—石门复向斜带等构造单元。永顺区块主体分布于桑植—石门复向斜构造单元(见图1)，自西向东依次发育呈北东向展布的马蹄寨向斜、盐井—首车背斜、龙家寨向斜、沙坝—也庄背斜和青安坪向斜，构造整体具有明显的隔挡式褶皱特征(背斜陡、向斜缓)，局部地层有倒转现象，主要断裂走向与褶皱轴线基本一致[12]。

图1　永顺区块构造位置Fig.1 Structure location map of Yongshun block

研究区发育震旦系、寒武系、奥陶系和志留系等地层，主要目的层下寒武统牛蹄塘组为一套深水陆棚环境下沉积的海相地层[13]，发育较厚黑色—灰黑色炭质页岩，岩性较纯、沉积稳定，具有良好的页岩气形成基础。

2　页岩气形成条件

2.1富有机质页岩地球化学特征

早寒武世中上扬子地台的大面积海侵，导致永顺区块整体处于广海陆棚—半深海环境，浮游微生物非常发育，为牛蹄塘组有机质富集提供丰富的物质基础[14]。

表1永顺区块及周缘地区牛蹄塘组野外露头、钻井页岩样品地球化学特征

Table 1 The geochemical characteristics of outcrop and drilling shale samples of Niutitang formation in the Yongshun block and surrounding area

w(TOC)/%(n=38)Ro/%(n=13)δ13C/‰(n=13)划分范围频率平均划分范围频率平均划分范围频率/%平均<2.03<1.3-25.0～-21.02.0～4.0504.321.3～2.082.47-29.0～-25.0-29.55>4.047>2.092-33.0～-29.0100

分析研究区及周缘地区露头牛蹄塘组38个页岩样品，永顺区块牛蹄塘组暗色页岩显微组分以腐泥型为主，富含藻类化石，干酪根δ13C为-30.21‰～-29.13‰，整体轻于-28‰，属于典型的腐泥型(Ⅰ型)干酪根，类型好，生烃潜力大；w(TOC)在1.90%～9.42%之间，平均为4.32%，其中97%的样品大于2.0%(见表1)，具有优越的生烃基础。平面上，由于受到周缘区域内沉积微相的控制，整体呈现由西往东逐渐增加的趋势(见图2)，张家界以东地区为w(TOC)高值区，最高可达5.0%以上。

图2　永顺区块及周缘地区牛蹄塘组页岩w(TOC)、Ro分布

研究区烃源岩热成熟度在1.92%～2.91%之间(见表1)，多数达到过成熟生气阶段，有利于油气的生成及排出；热成熟度由东南向西北逐渐增高，与w(TOC)变化趋势呈对称分布，表明后期的构造运动与早期的沉积背景存在明显的分异性，一定程度上控制区域内页岩气的生烃阶段及富集范围(见图2)。

2.2优质页岩发育及分布特征

北美Barrnet页岩及中国焦石坝地区页岩气勘探评价实例调研表明，优质页岩的发育对页岩气藏的形成具有重要作用，是页岩气“成烃控储”的基础。郭旭生[15]在焦石坝页岩气勘探实践中将优质页岩定义为位于深水陆棚且w(TOC)大于2.0%的暗色泥页岩。

根据优质页岩的勘探定义，结合周缘地区及研究区内露头—地球化学资料，对区域内优质页岩(w(TOC)>2.0%)厚度进行精细地质统计。以永顺区块及周缘地区牛蹄塘组优质页岩连井剖面为例，由于纵向上受深水陆棚相的控制，研究区优质页岩主要发育于牛蹄塘组的中下部，厚度较大(100～150 m)，连续性好，分布稳定(见图3)。

图3　永顺区块及周缘地区牛蹄塘组优质页岩剖面Fig.3 The Niutitang formation quality shale comparative profile of Yongshun block and surrounding area

由于横向上受到采样点的制约，主要运用测井—地震联合约束法，精细刻画优质页岩的发育。对牛蹄塘组进行岩石物理分析，研究区目的层底部优质页岩段呈现低速、低密度的特征(4 000 m/s、2.599 g/cm3)，与上覆的砂质泥岩、下伏的灯影组白云岩具有较大岩石物理差异；在基于地质模型的地震正演模拟中，该差异主要表现为两中—强波峰夹一中—强波谷的地震响应特征，其中部波谷越宽，优质页岩发育厚度越大(见图4)，说明最大波谷属性可以较好地反映优质页岩的平面变化规律。以前期的地质统计为约束，预测研究区牛蹄塘组优质页岩厚度在80～130 m之间，受水体深度的影响，自西北向东南逐渐增厚(见图5)。

图4　永顺区块及周缘地区牛蹄塘组优质页岩地震响应特征正演模拟Fig.4 The seismic forward modelling of Niutitang formation quality shale in Yongshun block and surrounding area

图5　永顺区块及周缘地区牛蹄塘组优质页岩平面分布特征Fig.5 The distribution of Niutitang formation quality shale in Yongshun block and surrounding area

永顺区块牛蹄塘组是一套有机质类型好、丰度高、热演化适中、优质页岩厚度大的页岩储层，与国内外页岩气产区(如川东南地区页岩、Barnett页岩)页岩地质特征有良好的可比性，具有优越的页岩气富集基础和勘探潜力[16-17]。

2.3储集条件

永顺区块牛蹄塘组页岩储集空间类型可以分为原生微孔、矿物颗粒溶蚀微孔隙、有机质生烃形成的微孔隙和微裂缝等4种。结合电子脉冲的物性测试实验结果，研究区牛蹄塘组优质页岩段较为致密，孔隙度为2.32%～3.94%，平均为2.55%；渗透率为(0.004～1.490)×10-3μm2，平均为0.220×10-3μm2，低孔低渗特征明显，与彭水—焦石坝地区页岩物性具有一定的相似性(彭页1井、焦页1井优质页岩段平均孔隙度分别为2.20%、4.65%)，物性条件相对较好。对比扫描电镜微观图片，虽然研究区优质页岩致密，但内部整体发育较多的有机孔、粒间孔及微裂缝(见图6)，且孔—缝相互连通，延伸距离较长，为页岩气的聚集提供有效的储集空间和渗流通道。

图6　永顺区块牛蹄塘组页岩微观孔隙特征Fig.6 The microscopic pore characteristics of Niutitang formation of Yongshun block

矿物X线衍射分析结果显示，永顺区块牛蹄塘组页岩储层发育大量的石英、长石及黄铁矿，其中硅质矿物质量分数在61.1%～91.6%之间，平均高达84.9%；脆性特征明显，高于北美Barrnet页岩及四川盆地筇竹寺组页岩(40.0%～50.0%)的脆性矿物质量分数[18]，易于后期压裂改造，有利于提高页岩单位面积内的产气能力。

2.4盖层条件

中生界的三叠系膏盐层是中上扬子地区下寒武统地层良好的区域盖层，其次为志留系较厚泥页岩[19]。研究区受到区域构造运动的影响，三叠系地层几乎剥蚀殆尽，但残留较厚的志留系地层，为研究区牛蹄塘组页岩气成藏提供一定遮挡条件。三轴抗剪抗压实验研究表明：随埋深增加，围压增加，盖层封闭性能增强[20]，说明构造运动导致地层剥蚀程度及埋深的地区差异性，控制现今盖层的保存状况及封闭性能。

由于研究区背斜区域受到应力的多期挤压抬升，埋藏较浅，志留系地层厚度较薄、断裂发育，导致盖层封闭能力较差；向斜区域埋藏较深，稳定性较好，厚度较大(700～1 000 m)，且泥岩可塑性较强，压力突破中等，压力因数相对较高(1.2左右)，反映其封盖能力较好；上覆的深灰色页岩夹钙质页岩耙榔组地层，以及下伏的致密灰色白云岩、硅质岩的灯影组地层厚度大(400 m左右)，对牛蹄塘组页岩层形成较好的直接封盖空间。

3　勘探前景及目标区优选

3.1页岩气成藏期与构造运动

在充分利用Ro数据的基础上 ，结合“沉积盆地热史恢复模拟系统”的热史反演模块[21]，进行盆地热史—埋藏史—生烃史分析。热史方面，永顺区块的大地热流从255 Ma的45 mW/m2升高到140 Ma的95 mW/m2，之后逐渐降低到现今的50 mW/m2；埋藏史方面，研究区古生代海相地层在海西期后具有更大的沉积厚度，经历印支运动和燕山运动后抬升剥蚀。

通过热史重建及埋藏史恢复研究，描述牛蹄塘组热演化程度和生烃特征：加里东期该套烃源岩进入初始生烃期(Ro>0.5%)，为低成熟阶段；印支期进入成熟晚期阶段(Ro为1.0%～1.3%)，为生油高峰，后期经过盆地的叠加和较高地温场的作用，开始生气(Ro为1.3%～2.0%)；燕山期达到过成熟干气阶段(Ro>2.0%)，整体生烃时期较长，具有明显早期生烃的特点(见图7)。

燕山运动对早期形成的海相页岩气藏影响最大，一方面促使区域隆凹相间格局的形成；另一方面导致缺乏连续区域盖层的背斜部位海相页岩气藏破坏殆尽。由于研究区残留向斜斜坡持续埋深增加，变形强度相对较弱，断裂发育规模较小，封盖能力相对较强，构成良好有效的运聚成藏空间配置，其斜坡部位为枢纽区域，受力相对小于核部的，更有利于先前形成的页岩气的保存和聚集。鉴于牛蹄塘组源盖动态演化关系，残留向斜斜坡为研究区页岩气富集区域，其中向斜斜坡最优，核部次之。

图8　永顺区块及周缘地区牛蹄塘组页岩气含气量与瞬时频率关系Fig.8 The relationship of shale gas content and instantaneous frequency of Niutitang formation in Yongshun block and surrounding area

3.2含气量预测

由于地震波的运动学特点和动力学特点与地震介质的特征有关，从而导致强振幅的优质页岩层含气后振幅明显降低，且随着含气量的增加，频率具有一定衰减现象[22-23]。对永顺区块及周缘地区的常页1井、茅页1井等进行多属性页岩气实验分析测试，瞬时频率与含气量具有较好的负相关关系，通过建立等量对比关系(见图8)，进一步预测有利的含气目标，认为龙家寨向斜斜坡中部、东南部及青安坪向斜斜坡含气量相对较好(见图9)。

3.3选区评价

根据牛蹄塘组页岩早期生烃、晚期动态成藏的特点，在源盖匹配的思路指导下，运用地质—地球化学—地球物理等研究手段，以焦石坝页岩气田内部评价参数为标准[24-25]，考虑研究区牛蹄塘组地质情况，筛选优质页岩厚度、w(TOC)、Ro、含气量、盖层条件、埋深、距断层距离和压力因数等8个关键地质因素，进行勘探选区评价(由于有机质类型、矿物组成和物性等在永顺区块变化不大，不作为重点参数)，将永顺区块主要划分为Ⅰ类区、Ⅱ类区(见表2)。

图9　永顺区块牛蹄塘组页岩气有利区分布Fig.9 The prediction of shale gas "favorable paly" distribution of Niutitang formation in Yongshun block

选区优质页岩厚度/mw(TOC)/%Ro/%含气量/(m3·t-1)盖层条件埋深/m距断层距离/km压力因数Ⅰ类>40>3.02.0～3.0≥2三叠系1500～3500>1.0>1.2Ⅱ类30～402.0～3.03.0～3.51～2志留系3500～45000.5～1.01.0～1.2

Ⅰ类区主要分布于永顺区块的龙家寨向斜斜坡及青安坪向斜斜坡的东南坡，勘探面积约为102.1 km2，构造相对稳定，优质页岩厚度为100～130 m，热成熟度适中，埋深在1 500～3 500 m之间，压力因数相对较高，含气量在2～3 m3/t之间，是研究区首选的页岩气勘探区带。Ⅱ类区主要分布于永顺区块青安坪向斜斜坡及龙家寨向斜斜坡的中部，勘探面积约为88.2 km2，在页岩品质方面，与Ⅰ类区相差不大，但含气量相对较低，整体相对较深，在3 500～4 500 m之间，为较有利的勘探区带，可作为后续储备勘探区域，其中龙家寨向斜斜坡中部的周缘发育断裂相对多于青安坪向斜斜坡中部的，前者勘探风险相对大于后者。

4　结论

(1)永顺区块牛蹄塘组为深水陆棚相沉积，优质页岩大面积发育，厚度在80～130 m之间，总体上有机碳质量分数高，有机质类型以Ⅰ型为主，成熟度适中；泥页岩储集空间类型丰富，脆性矿物大量发育，黏土矿物质量分数较少，有利于后期储层压裂改造。在页岩气形成条件方面与国内外产气页岩层系具有较好的可比性，资源潜力巨大。

(2)研究区页岩生烃的主要时期是晚二叠世—白垩纪早期，具有明显的早期生烃、晚期成藏的特征，生烃期间关键的构造运动控制烃源岩的生烃过程、盖层的封闭性能，决定牛蹄塘组页岩气的保存和破坏。

(3)基于地质—二维地震资料的低勘探区页岩气选区评价流程，评价—识别研究区牛蹄塘组页岩气有利勘探区。综合考虑多种因素，建议将Ⅰ类区作为首选的目标进行勘探；在Ⅰ类区勘探成功基础上，再向Ⅱ类区进行勘探，扩大含气范围，为研究区页岩气勘探提供指导。

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2016-01-31；编辑：刘丽丽

全国油气资源战略选区调查与评价专项 (2009GYXQ15)；中国石化石油物探技术研究院横向课题(2014HNSG-SGEP-YS)

董清源(1987-)，男，硕士，工程师，主要从事油气成藏地质学和地震综合解释方面的研究。

10.3969/j.issn.2095-4107.2016.03.008

TE132

A

2095-4107(2016)03-0061-09