湘西北地区五峰-龙马溪组页岩气地质特征——以龙山红岩溪剖面为例

师天琛陈孔全孟江辉

（1.非常规油气湖北省协同创新中心，湖北 武汉 430100）（2.长江大学地球科学学院，湖北 武汉 430100）

湘西北地区五峰-龙马溪组页岩气地质特征
——以龙山红岩溪剖面为例

师天琛1,2陈孔全1,2孟江辉1,2

（1.非常规油气湖北省协同创新中心，湖北 武汉 430100）（2.长江大学地球科学学院，湖北 武汉 430100）

本文的研究内容来自于对湘西北古生界页岩和烃源岩的调查这一研究项目，重点选取了其中一个剖面，通过对该剖面的实地测量，并对所集的采样品进行有机地化分析测试，综合分析所得地化数据，以对该区域龙马溪组页岩气的地质特征有进一步的认识。

湘西北；页岩；有机地化；地质特征

1 剖面简介

龙山红岩溪剖面位于湖南省湘西土家族苗族自治州龙山县红岩溪镇，在构造划分上隶属于中扬子台地东南部的桑植-石门复向斜，桑植-官地坪向斜（图1-1）。

图1-1 龙山红岩溪剖面位置与地区构造图

1.1 剖面沉积演化史

晚奥陶世时期,扬子陆块发生快速海侵,形成广阔陆棚相沉积环境，奥陶纪末期的宜昌运动使局部地区沉积间断，早志留世地壳再次下沉，广泛海侵，该剖面所在处的上奥陶-下志留统龙马溪组富有机质页岩层系即是于此时形成。中志留世开始海退，均为巨厚砂、泥质碎屑岩沉积。晚志留世时期的加里东构造运动使该地区隆升，使志留系地层遭受严重剥蚀，且华南陆块间海槽全部关闭，中扬子陆块的沉积盆地发育阶段就此结束。

1.2 剖面实测简介

该剖面的起点为一处五峰组与临湘组的分界处，到龙马溪组与罗惹坪组的分界处为终点，导线共9根，总长度达692.4m。一共分为21层，其中第0层为临湘组，第1、2层为五峰组，第3至20层均为龙马溪组。临湘组地层的沉积相为碳酸盐岩缓坡相，深水缓坡亚相；五峰-龙马溪组地层的沉积相为碎屑岩陆棚相，自下而上亚相从深水陆棚转变为浅水陆棚。本次剖面的野外实测共取泥页岩样品32块。

2 页岩有机地化特征

泥页岩的生烃能力与多种条件相关，包括有机质类型、有机质丰度、有机质热演化程度、沉积相类型等。为了获取所需要的数据，我们将该剖面所采样品进行分析测试，其测试结果如图所示（图2-1）。

2.1 有机质类型

从干酪根显微组分和有机质类型数据表（表2-1）和干酪根同位素数据表（表2-2）可以看出该剖面显微组分中腐泥组的含量为89%～96%，腐泥组占绝对优势，干酪根碳同位素在-28‰至-29‰之间，总体偏轻，表现为I型和IA型，原始生油母质为混合型，主要来自于水生生物和藻类，属于较好的烃源岩。

表2-1 龙山红岩溪泥页岩干酪根显微组分及有机质类型

表2-2 湘西北地区牛蹄塘组和五峰-龙马溪组泥页岩干酪根碳同位素数据表

2.2 有机质丰度

烃源岩中的有机质是形成油气的物质基础，有机质在岩石中的含量，是决定岩石生烃能力的主要因素。有机质在岩石中的相对含量称为有机质的丰度，目前常用的丰度指标主要包括有机碳含量（TOC）、氯仿沥青“A”、总烃含量（HC）和岩石热解生烃潜量（S1＋S2）等。由于我国海相地层发育时代早、经历的构造运动多、埋深较大，目前的残留氯仿沥青“A”含量普遍很低，介于0.003%～0.104%，不能准确反映该区海相页岩的生烃能力，故主要采用有机碳含量对海相页岩进行评价。

图2-1 龙山红岩溪剖面五峰-龙马溪组岩矿—有机地化综合柱状图

该剖面TOC数据点共有31个，范围为0.155%～1.65%（图2-2），大都在1%以下，均值为0.636%，以中国海相烃源岩常用的等级划分标准来进行评价，显示为差-中等烃源岩，然而从图2-1上可以看出，TOC含量较高的地层主要位于五峰组以及龙马溪组底部，其含量远高于比龙马溪组上部，均值为1.34%，显示为中等烃源岩。其生烃能力较好，具有一定的潜力。

图2-2 龙山红岩溪剖面五峰-龙马溪组TOC分布图

2.3 有机质热演化程度

2.3.1 镜质体反射率Ro

镜质体反射率（Ro）是一项国际公认的划分有机质成熟度的独立指标，但是由于该剖面所采样品形成于早志留世的海相环境中，缺乏高等植物的标准镜质组，因而难以直接获得Ro数据，在此情况下沥青反射率（BRo）就成为表征有机质成熟度的一个重要指标。应用沥青反射率作为成熟指标是，本文按照丰国秀（1988）、Jacob(1989)等求出等效镜质组反射率的换算公式计算出的等效镜质组反射率来评价泥页岩热演化程度，计算所得的数据如表2-2所示。

等效镜质组反射率计算公式[1]：

从表2-2可以看出，该剖面样品的Ro值在2.87%～3.14%之间，属于中晚期过成熟阶段，处在生气晚期或进入生气下限值阶段。

以北美地区页岩气产量高的地区为参照来看，其页岩成熟度主值处于1.0%～2.5%之间[5]，成熟度远低于所取样品。然而由于我国的海相页岩与北美海相页岩的形成环境不同，中扬子台地经历的构造活动更多，断裂也更多，加之保存环境不同，与北美差别较大，所以其标准只能作为借鉴。我国南方下古生界页岩过高的成熟度（Ro=2.5%～4.0%）并不是没有生气潜力，例如在2012年中石油在四川盆地南部地区下志留统黑色页岩中也获得了20万～40万m3/d的高产量，说明过高的成熟度并没有使页岩的生气能力大幅降低，因而红岩溪地区龙马溪组的页岩仍然具有相当可观的生烃潜力。

表3-2 龙山红岩溪剖面全岩X-射线衍射定量分析表

但是，由于气源岩演化的复杂性，高演化程度的气源岩有机质镜质体反射率影响因素较多，如原始沉积物在压实和成岩过程中异常压力的产生或存在，以及富氢镜质组都会对Ro值产生抑制作用，在同等演化程度下，煤的反射率最高，泥岩次之，碳酸盐岩最低，使得Ro值的变化更加复杂。另外，由于下古生界海相奥陶系-志留系地层中尚未出现高等植物，其干酪根组成中无镜质体，只能通过测试沥青反射率，然后根据经验公式换算而得。所以海相气源岩中可能出现原始物质直接转变的沥青和由原始物质热降解产物——沥青质和非烃转变成的高度聚合的沥青两组相差较大的沥青反射率值。因此，单独应用Ro值评价有机质成熟度应慎重，在研究成熟度时应综合考虑各种因素的影响。

表2-2 龙山红岩溪剖面Ro

2.3.2 岩石热解

本剖面所测得的岩石热解数据如下，Tmax值为448℃，S1为0.03mg/g，S2为0.06mg/g，HCI=57.7mg烃/gTOC，HI=139.13mg烃/gTOC。具有热解峰温（Tmax，℃）和氢指数（HI）高，热解烃（S2）低的特点。与Ro数据均显示出该处页岩处于过成熟阶段。

从以上镜质体反射率和岩石热解资料的结果来看，红岩溪地区五峰-龙马溪组烃源岩热演化程度较高，基本已经完全进入过成熟干气阶段。

3 页岩气储层物性

3.1 孔渗性

表3-1为利用该剖面的3个样品所测得的泥页岩孔渗数据，其有效孔隙度均值为1.499%，渗透率均值为0.00813×10-3μm2，推测其孔渗性一般的原因是由于地层较高的热演化成熟度导致的，但是热演化程度在超过一定临界值后，其储集物性并没有发生根本性改变[8]，且依然有大量层间缝发育，并没有受到过成熟演化的影响（图3-1），因而据此可以预测该地层仍具备一定的页岩游离气储集条件。

表3-1 龙山红岩溪泥页岩物性分析统计表

图3-1 龙山红岩溪剖面，龙马溪组第3层处硅质泥岩层间缝

3.2 泥页岩全岩矿物组成特征

对于页岩气勘探开发而言，矿物学分析是很重要的部分，因为现在的页岩气开采大都需要人工压裂增产处理，页岩的可压裂性是决定页岩气产量的一种重要因素，而页岩的可压裂性则取决于页岩中的脆性矿物含量。脆性矿物含量越高，页岩的可压裂性就越强，也就更利于进行增产处理。

如表3-2所示，本剖面所选取的两个样品测量出的脆性矿物含量均在70%以上，我国多数页岩气所取岩心的测量分析结果显示黏土矿物基本小于30%，说明本地区五峰-龙马溪组页岩易于产生裂缝，有利于后期的压裂改造。

4 结语

龙山红岩溪剖面的五峰-龙马溪组地层形成于晚奥陶世-早志留世中扬子陆块地壳下沉的海侵阶段，因而存在大量的藻类和无脊椎水生生物，使该时期形成的泥页岩富含有机质，对于生烃是极为有利的条件。在沉积盆地发育结束后又发生了多次构造运动，盆地内存在多次断裂，这种沉积盆地的分割性对有机质的堆积与保存都有利。从剖面所采样品获取的有机地化数据表明页岩中TOC含量总体来看为中等水平，其中有机碳含量较高的页岩层段主要位于五峰组和龙马溪组底部，尽管热演化程度高，处于过成熟生气阶段，但仍然具有较好的生烃能力。实验数据表明本地区五峰-龙马溪组的页岩具有不错的孔渗性，并存在大量存在的层间缝，说明其作为储层也具有较好的储集物性。且X-射线衍射分析表明黏土矿物含量小于30%，非常有利于进行储层改造，如果进行开采工作，人工压裂增产的效果将会较为显著。

综上所述，龙山红岩溪剖面的实地测量以及有机地化分析表明湘西北地区五峰-龙马溪组具有较好的页岩气生烃以及储集条件，以及相对较好的开采条件，具有在未来继续深入进行该地区页岩气勘探开发工作的价值。

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师天琛（1992-），男，汉族，河南濮阳人，在读研究生，单位：长江大学地球科学学院，研究方向：油藏描述。