湘中坳陷上泥盆统锡矿山组页岩气成藏条件及资源量预测

张琳婷，孟宁宁，冷春鹏.

(1.华北理工大学矿业工程学院石油工程系，河北唐山　063009； 2.华北理工大学剩余油—提高采收率实验室，河北唐山　063009)

页岩气是一种非常规油气资源，指主体位于暗色泥页岩或高炭泥页岩中，以吸附或游离状态为主要存在方式的天然气[1-2]。页岩产生的烃一部分被运移到背斜等高部位构造单元，形成常规的天然气，尚未散逸的部分就以吸附或游离的状态以“原地”成藏模式富集下来。在页岩气众多的评价因素中，识别页岩的岩性是评价页岩气的关键步骤[3]。2012年调查评价结果指出，湖南页岩气资源在全国居第6位，其主要的区块位于湘西北及湘中区。湘中区早在20世纪60年代初就打了多口钻井，其中涟源凹陷区内就完成20多口。邵10井、涟8井、涟10井及4082孔天然气喷高在15 m以上，且有3口井获得工业气流[4-5]。湘页1井位于涟源市桥头河镇白刘村，压后最高产气量为2700 m3/d，完钻井深为2067.85 m。但是，前人都是对下石炭统孟公坳组、测水组及上二叠统龙潭组的页岩气成藏条件进行研究[6-7]，对于上泥盆统锡矿山组下段所发育的泥页岩而言，前人一直将其作为储、盖层进行研究，对其页岩气成藏情况没有关注[8-9]。本文通过野外地质调查，结合室内试验测试结果等，从页岩气成藏的各个方面指出其成藏条件并计算资源量。

1　区域地质概况

行政区域位于湖南省中部，处于娄底、邵阳、永州及衡阳市境内，是上古生界构造残余盆地，以下古生界变质岩系为基底，以晚古生界—中三叠世的碳酸盐岩(主)夹碎屑岩为特征，是一个准地台型沉积坳陷区。湘中坳陷叠加在江南-雪峰构造带东南侧，隶属华南构造区。该凹陷贯通南北，整体向西突出，由一系列褶皱、断裂组成的“祁阳弧”隔挡式构造[10]，自西向东发育城步-新化、新宁-新邵、邵阳-汨罗和祁阳弧4条主要断裂[11]。据构造特征、地质构造实际情况以及构造面貌和地层分布等特点，将湘中坳陷划分为涟源凹陷、龙山凸起、邵阳凹陷、关帝庙凸起和零陵凹陷等5个二级构造单元，坳陷总面积为22500 km2，坳陷的凸起带和周缘主要发育岩浆岩，但对于凹陷的影响有限[9,12]。

2　烃源岩条件研究

页岩气“原地”成藏模式的特殊性使得其成藏条件相对于常规油气藏较简单。

(1)烃源岩发育环境：暗色泥页岩主要形成于缺氧的闭塞海湾、潟湖、湖泊深水区、欠补偿盆地及深水陆棚等沉积环境中。

(2)岩性特征：泥页岩类型有泥质页岩、炭质泥页岩、硅质泥页岩、钙质泥页岩和砂质泥页岩等。

(3)厚度与分布：满足区域上页岩连续分布且厚度一般在30 m以上，埋藏深度小于3500 m。

(4)有机地球化学特征：页岩层总有机碳含量(TOC)一般大于1%，演化程度适中，有机质热成熟度即镜质体反射率(Ro)一般不超过3%。

(5)储集条件：脆性矿物、微裂缝发育。

2.1　烃源岩发育环境

锡矿山组下段泥页岩主要来源于锡矿山中晚期，一方面，雪峰弧形古陆随着柳江运动的加剧开始海退，活跃程度超过锡矿山早期；另一方面，海底沉降幅度小于沉积补偿速度，海退体系明显以陆源碎屑岩潮坪沉积为主，仅在本区的东南角有碳酸盐岩混积于碎屑岩之中。本区主要发育泥质灰岩及砂质泥岩，如图1所示，由北向南依次发育三角洲相、碎屑岩潮坪相、碳酸盐岩潮坪相、生物礁滩相，在潮坪的低洼地带、生物礁滩后面和三角洲相之间形成了潟湖沉积，此沉积组合形成了整个上泥盆统页岩层系。且沉积水体从下到上逐渐变浅，有利于富含有机质的泥页岩层系的生长发育[13-15]。

图1　湘中坳陷泥盆系锡矿山组沉积相Fig.1　The sedimentary facies of Devonian Xikuangshan formation in middle Hunan depression

2.2　泥页岩厚度与分布

如图2所示，区内锡矿山组下段以泥灰岩、页岩、泥质灰岩、灰岩呈互层出现为特征，东北部碎屑增多，以泥灰岩及砂岩、粉砂岩为主。依据钻井资料、野外露头资料编制湘中地区锡矿山组上的泥页岩厚度分布图(图3)，从图3可见，锡矿山组泥页岩在研究区整体呈现出北厚南薄的趋势。涟源凹陷主要分布于凹陷南部边缘部分以及锡矿山地区，厚度从30～70 m不等，沉积中心位于锡矿山附近。往南至邵阳、隆回、陵零等地厚度变化趋势稳定，邵阳凹陷内厚度通常在30～50 m，沉积中心位于武岗倪家湾至邵深2井附近。零陵凹陷从苏家坪到道县大坪均有分布，沉积厚度相对其他两个凹陷较薄，主要集中分布于30 m左右。

图2　锡矿山组下段泥页岩Fig.2　Mud shale of Devonian Xikuangshan formation

2.3　有机质丰度

根据美国阿巴拉契亚盆地Ohio页岩Hu-Ron段的勘探经验，有利的页岩气目标区总有机碳含量(TOC)下限值为1%。湘中地区有机碳含量主要是由地表样品实测恢复至地层条件后获取，将区内泥页岩的地表样品TOC的恢复系数定为1.45。由此恢复锡矿山组泥页岩野外剖面样品有机碳分析结果表明，本组样品TOC主要集中在0.5%～2.0%之间，涟源凹陷优于邵阳凹陷及零陵凹陷(图3)。

2.4　有机质成熟度

泥页岩有机质的成熟度对页岩气富集也起较大的作用。有机质成熟作用的过程不仅使泥页岩大量生成天然气，而且随着成熟度的增加，泥页岩对天然气的吸附量也会增加；同时，高的热演化可以改善泥页岩的微观孔隙结构，增加游离气含量[12]；此外，高演化的页岩增加岩石的脆性，有利于对泥页岩储层的大型压裂。锡矿山组镜质体反射率Ro绝大部分在2%～3%之间，涟源凹陷七星街剖面及炉观剖面Ro都大于2%，尤其是靠近凹陷的南部，Ro值受到龙山凸起的影响，其值大部分高于2.5%。平面上，涟源凹陷热演化程度明显高于其他两个凹陷，但是总体上都已进入了高成熟～过成熟阶段(图3)。

图3　湘中坳陷锡矿山组黑色页岩厚度、TOC、Ro等值线叠合图Fig.3　Congruence of thickness, TOC and Ro of dark shale of Devonian Xikuangshan formation inmiddle Hunan depression

2.5　烃源岩热演化史

依据各时代的地层埋深厚度在古地表温度32 ℃、古地表梯度3.4 ℃/100 m的情况下进行推测，建立区内燕山运动前的地层埋深与油气形成演化关系(图4)。上泥盆统的烃源岩在早石炭末—中石炭世初期大量进入生油门限，晚石炭世中后期时达到生油高峰。干酪根镜质体反射率Ro介于2.03%～2.58%之间，H/C原子比约为0.4，几乎所有样品的热失重小于10%，顺磁共振的自由基浓度大部分近于消失，这些指数都说明上泥盆统锡矿山泥页岩处于过成熟期的湿气晚期及干气阶段，有利于大量的常规与非常规气体富集(表1)。

图4　湘中地区地层埋深与油气形成演化关系Fig.4　The evolution relationship between stratigraphic depth and formation of oil and gas in middle Hunan

层位采样点镜质体反射率Ro/%干酪根H/C原子比热失重Δm/%自由基浓度n×1018/g综合判断D3x棋梓桥2.290.496.28→0过成熟D3x武岗2.580.205.89→0过成熟D3x邵8井2.030.329.78→0(3)过成熟D3x佘田桥2.630.4511.1627过成熟D3x东安2.320.52——过成熟

3　储集条件分析

研究区内对雷鸣桥和炉观镇两个剖面的6块岩石样品做了XRD数据分析。主要矿物成分是石英等脆性矿物和黏土矿物，其中石英、长石和黄铁矿的平均含量为55.58%；碳酸盐岩的平均含量为14.10%，约50%样品的碳酸盐岩含量为0；黏土矿物的含量在24.60%～53.10%之间，平均为39.20%。与Barnett页岩主要的产气岩相的矿物成分基本相似(图5)，黏土矿物演化程度相对较高，但是缺乏蒙皂石等膨胀性黏土矿物，尤其是碳酸盐岩含量低，对产生溶蚀溶孔不利。从矿物特征分析，湘中地区锡矿山组储层物性相对较好，并且伊利石的吸附能力大于蒙脱石、高岭石，泥页岩矿物含气量相对较大。

图5　湘中地区上泥盆统锡矿山组矿物百分含量Fig.5　Percentage content of minerals in Upper Devonian Xikuangshan formation

4　含气量

参照马若龙等在2012年对湘东北地区上泥盆统锡矿山组测试的试验数据[16](图6)，样品测得值分别为1.63 cm3/g，测得的Langmuir压力差异值为1.495 MPa。通过与美国五大页岩气盆地的页岩等温吸附曲线对比认为：湘中地区上泥盆统锡矿山组页岩的吸附能力仅与圣胡安盆地白垩系Lewis页岩相近，比其他四个盆地都低。本文认为吸附能力低与成熟度有关，因为成熟度高，其游离气含量高，吸附气含量相对较少。热成因的页岩气藏页岩成熟度较高，大多在1.1%以上，最高不超过3%。湘中地区上泥盆统锡矿山组页岩的成熟度Ro大都超过2.5%，很多达到3%以上，已进入高过成熟阶段，导致其吸附能力较低。

图6　湘东北地区上泥盆统锡矿山组泥页岩样品等温吸附曲线[16]Fig.6　Adsorption isotherm curve of mud-shale in Upper Devonian Xikuangshan formation

5　资源量预测

本次采用体积法计算资源量，其计算公式如下：

GIP=A·h·ρ·q·Sg

(1)

式中GIP——页岩气资源量，1012m3；

A——页岩分布面积，104m2；

h——有效页岩厚度，m；

ρ——页岩密度，t/m3；

q——页岩含气量，m3/t；

Sg——含气饱和度，%。

参数取值上，湘中地区上泥盆统锡矿山组页岩残余面积约为1.13×104km2，总厚度为30～70 m，总有机碳含量在0.5%～2.0%之间，Ro在2.5%～3.0%之间；页岩密度平均值为2.4 t/m3，页岩含气量为1.63 cm3/g。依据公式，计算出涟源凹陷上泥盆统锡矿山组页岩气资源量为(0.101～0.197)×1012m3，邵阳凹陷页岩气资源量为(0.118～0.223)×1012m3，总资源量为(0.219～0.420)×1012m3。

6　结论

(1)湘中地区属于海相沉积体系，锡矿山组富有机质泥页岩大部分形成于前三角洲相、陆源碎屑岩潮坪相及台地凹陷等水体相对稳定的环境，这些沉积相带空间展布范围较大，泥页岩沉积厚度较大，分布较集中，可作为页岩气勘探的层位进行关注。

(2)上泥盆统锡矿山组泥页岩整体呈现出北厚南薄的趋势，有机碳含量主要集中在0.5%～2.0%之间，镜质体反射率Ro绝大部分在2%～3%之间，正处于高热演化阶段，有利于大量的天然气生成及页岩气富集，具备良好的页岩气成藏物质基础；高演化的页岩增加岩石的脆性，有利于对泥页岩储层的大型压裂，由于该区页岩的成熟度高，因此页岩气的赋存方式大多为游离状态。

(3)矿物成分主要为石英等脆性矿物和黏土矿物，与Barnett页岩主要产气岩相的矿物成分基本相似，发育页岩气赋存空间，且伊利石吸附性能高。

(4)本次采用体积法计算资源量，计算出涟源凹陷上泥盆统锡矿山组页岩气资源量为(0.101～0.197)×1012m3，邵阳凹陷页岩气资源量为(0.118～0.223)×1012m3，总资源量为(0.219～0.420)×1012m3。初步研究分析后认为，此层段泥页岩具有良好的页岩气勘探前景，区域上以涟源凹陷最为有利，其次为邵阳凹陷，零陵凹陷无生气潜力。

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