湘中涟源凹陷二叠系小江边组页岩气地质条件

田 巍,苗凤彬,陈 林,王 强,白云山

(中国地质调查局武汉地质调查中心,武汉 430205)

页岩气作为一种重要的非常规能源,且页岩气资源在我国十分丰富,其勘探潜力越来越受到重视。国内外学者在页岩气形成机理、富集条件、成藏特征等方面做了大量工作,形成了重要认识[1-6]。近年来,随着南方海相油气勘探的进行,湘中坳陷成为非常规油气勘探热点地区[7-8]。

湘中坳陷发育不同类型、 多套层系的烃源岩,包括泥盆系、石炭系和二叠系,其主要烃源岩的热演化值大多已达到过成熟阶段, 处于裂解气湿气—干气阶段。 因此, 广泛分布的泥页岩是湘中坳陷非常规天然气勘探的重要领域。 涟源凹陷作为湘中坳陷的主要构造单元之一, 具有优越的页岩气地质条件, 拥有多个优质的页岩气勘探目的层系, 其中二叠系大隆组、 龙潭组,石炭系测水组, 泥盆系佘田桥组、 棋梓桥组等多套泥页岩最有可能形成页岩气藏。 近年来, 较多的研究者对湘中坳陷主要页岩气目的层系展开了研究, 如: 文献[9-12]探讨了湘中坳陷二叠系龙潭组、 大隆组的页岩气地质条件； 文献[13-16]对湘中坳陷泥盆系佘田桥组、 棋梓桥组和石炭系测水组的地球化学特征进行了描述, 认为湘中坳陷泥页岩厚度大, 分布广, 生烃潜力大, 具备页岩气富集的基本条件。 而对二叠系小江边组泥页岩的研究程度较低, 仅文献[17]从地化、 物性特征方面初步探讨了该组的页岩气勘探潜力, 但未对该组富有机质页岩的平面展布特征进行细致分析。 本文通过对小江边组富有机质页岩的厚度、 TOC、Ro分布、 储层特征及含气性的综合分析, 预测出涟源凹陷小江边组的页岩气有利分布区。

1 区域地质特征及地层特征

1.1 区域地质特征

涟源凹陷位于湘中坳陷北部, 整体呈北西西向展布。 涟源凹陷基底为前泥盆系浅变质岩系, 盖层为泥盆系至三叠系沉积岩, 中泥盆世至早三叠世凹陷内连续沉积, 厚度变化不大。 涟源凹陷东西分别以凤冠山断裂带和集云断裂带为界, 划分为东部滑覆叠瓦冲断带、中部断褶带和西部叠瓦逆掩冲断带。中部断褶带自东向西由恩口-斗笠山向斜、桥头河向斜和车田江向斜组成，向斜呈NE向平行式展布(图1)。

图1 涟源凹陷构造格架及小江边组有效泥页岩厚度分布图Fig.1 Structural framework and effective shale thickness of Xiaojiangbian Formation in Lianyuan sag

在早二叠世小江边期,涟源凹陷沉积环境为台盆相-半局限台地相沉积,小江边组与下伏栖霞组呈整合接触,总体岩性表现为一套灰黑色炭质页岩、钙质页岩夹薄层状泥灰岩及少量硅质岩。本文以有机碳含量(TOC)大于1.0%为标准划分有效泥页岩厚度[18]。小江边组有效泥页岩厚度整体上具有由南向北增厚的趋势,厚度为12.46～49.89 m，最厚处位于桥头河向斜、车田江向斜和恩口-斗笠山向斜北部,厚度接近50 m(图1)。

1.2 沉积地层特征

小江边组和茅口组可划分为一个三级层序,其中小江边组主要划分为TST。涟源凹陷小江边组主要发育浅海陆棚-台盆相沉积,其岩性主要由泥岩、钙质泥岩、泥质碳酸盐岩及碳酸盐岩组成(图2)。其中,在涟页3井以南主要发育浅海陆棚相泥质夹碳酸盐岩沉积,在涟页3井以北主要发育台缘斜坡相滑塌灰岩及台盆相泥页岩、钙质页岩夹薄层状泥晶灰岩,局部见含磷结核发育。整体上，小江边组具有自下向上水体逐渐变深的演化特征；横向上，自南向北由浅海陆棚过渡到斜坡、台盆的沉积相展布格局。

2 小江边组泥页岩储层特征

2.1 地球化学特征

2.1.1 有机质丰度 有机质丰度是评价烃源岩的主要指标,页岩中有机质的含量是页岩气富集的物质基础。基于涟源凹陷内钻井、露头剖面的42件小江边组泥页岩有机碳含量分析测试结果绘制的TOC平面分布图上,凹陷内主体部位自南东向北西TOC逐渐变大,TOC值分布在0.89%～1.99%,多数样品TOC大于1%,局部个别样品最高可达3%，平均1.48%(图3)。

2.1.2 有机质成熟度 根据露头剖面、钻井岩心39个小江边组泥页岩样品干酪根镜质体反射率测试分析数据统计,小江边组镜质体反射率Ro值范围为1.61%～2.31%,均值为1.88%,处于高成熟—过成熟阶段。从图3中可以看出,构造主体部位自西南向北东成熟度呈增大趋势,最大值位于恩口-斗笠山向斜北部,高达2.0%以上。

2.1.3 有机质类型 有机质类型是决定泥质岩产气效率、 生产方式及烃源岩评价的重要因素。 通过对小江边组13个泥页岩样品的干酪根显微组分鉴定分析发现:主要成分为腐泥组和壳质组,有少量镜质组和惰质组,无树脂体。腐泥组在54%～92%,壳质组在5%～41%,惰质组很少(0～3%),其主要有机质类型为Ⅰ型(腐泥型),少数为Ⅱ1型(图4),具有良好的生油生烃能力。

图2 涟源凹陷涟页4井-隆回石塘小江边组沉积相对比Fig.2 Sedimentary facies contrast of Xiaojiangbian Formation from Well LY4 to Shitang in Lianyuan sag

图3 小江边组泥页岩有机碳含量与镜质体反射率平面分布图Fig.3 Distribution of TOC and Ro of Xiaojiangbian Formation shales1—TOC等值线;2—Ro等值线

2.2 岩石学特征

剖面露头和钻井岩心样品的全岩及粘土矿物X射线衍射定量分析结果显示, 涟源凹陷小江边组泥页岩粘土矿物含量低、 脆性矿物含量高。 粘土矿物平均含量为19.8%, 石英平均含量为33%, 碳酸盐矿物(主要为方解石、 白云石)平均含量为40%(表1)。 此外, 泥页岩样品中含有一定量的黄铁矿, 为强还原环境沉积的泥页岩, 这种沉积条件对有机质的沉积与保存十分有利。

图4 小江边组泥页岩干酪根显微组分及类型Fig.4 Kerogen component and type of Xiaojiangbian Formation shales in Lianyuan sag

3 储集空间特征

3.1 孔隙结构特征

对涟源凹陷小江边组泥页岩样品进行压汞测试发现:总孔比表面积1.23～5.26 m2/g;孔径16.3～23.7 nm; 孔隙度1.74%～5.63%, 平均3.28%。 根据压汞实验测得的泥页岩中值孔径绘制阶段进汞量与孔径的关系图(图5)可知, 小江边组泥页岩孔径多为微孔、小孔和中孔,对页岩气的储存与富集比较有利。

表1 小江边组泥页岩XRD全岩矿物成分

注： “-”为未检出。

图5 小江边组泥页岩压汞实验阶段进汞量与孔径关系Fig.5 Relationship between differential intrusion and pore diameter of the shale samples in Xiaojiangbian Formation

小江边组泥页岩样品比表面积与孔径分布测试结果显示: BJH比表面积为13.26～22.21 m2/g; 吸附孔隙体积为0.031～0.034 mL/g; BJH吸附孔径为16.85～19.04 nm, 平均18.47 nm; BJH脱附孔径为18.85～18.99 nm, 平均18.89 nm， 说明样品中孔孔隙发育丰富,单位岩石比表面积大,可以为孔隙中气体的吸附提供大量的吸着点位。从样品的BJH氮气吸附体积与孔径关系曲线也能看出,氮气吸附体积的最高峰值位于孔径20 nm处附近(图6),属于中孔级别,对渗透率有较大贡献,且中孔提供了主要的孔比表面积。

3. 2 孔隙连通性

根据低温液氮吸附脱附曲线类型可以判别样品孔隙的另一特点。从小江边组泥页岩吸附脱附曲线形态来看(图7),当相对压力大于0.45时,脱附曲线趋势产生向上的拐点,随后回归趋势与吸附曲线上下并行,呈现较大幅度的滞后环,表明小江边组黑色页岩孔隙形态属狭缝状孔。

当相对压力趋近1时,脱吸附曲线都出现向上剧增现象,并未表现出饱和吸附的情况, 表明样品在吸附氮气过程中出现了毛细凝聚的现象, 反映出页岩中除了介孔外可能含有一定量的过渡孔和中孔。陈尚斌等[19]认为孔隙的开放程度也与吸附线的上升速率有关, 上升越快说明孔隙开放度越大。小江边组泥页岩样品在最高压处都呈现出快速上升过程,表明大孔孔隙开放程度大,而在中压区上升缓慢,说明这个区间的孔隙开放程度小,即中孔(介孔)开放程度小。整体而言,小江边组孔隙间的连通性比较好。

图6 泥页岩样品氮气吸附体积与孔径关系Fig.6 Relationship between nitrogen adsorption volume and pore diameter of shale samples

图7 小江边组泥页岩氮气吸附脱附曲线Fig.7 Adsorption and desorption isotherms of Xiaojiangbian Formation shales

3.3 储集空间类型

野外露头观察和氩离子抛光-扫描电镜观察结果显示,涟源凹陷小江边组泥页岩储层孔隙、裂隙类型多样:野外露头可见垂直或斜交层面的构造裂缝发育(图8a);岩心裂隙以高角度构造缝为主,亦可见小型裂缝发育,多数后期被方解石脉填充(图8b); 镜下观察显示，小江边组泥页岩微孔隙主要发育有机质孔、 微裂缝、 黄铁矿间粒内孔和收缩缝等类型(图8c—f)。其中,有机质微孔隙直径分布在160～400 nm,呈密集分布状态,平面上呈不规则形状,空间上形成洞穴状、蜂窝状等复杂结构(图8c); 微裂缝与其脆性矿物含量较高及涟源凹陷地区经受的多期构造应力作用相关(图8d)。这些微孔隙和微裂缝的发育为页岩气提供了大量的储集空间。

图8 小江边组泥页岩孔隙类型Fig.8 Pore characteristics of Xiaojiangbian Formation shalesa—露头裂缝;b—岩心高角度构造缝;c—有机质孔;d—微裂缝;e—黄铁矿间粒内孔;f—收缩缝

4 勘探潜力

4.1 含气量

页岩气主要以吸附态和游离状态赋存于泥页岩之中,含气性是页岩气资源评价的直接参数之一,也是评价页岩气保存条件及是否具有开发价值的重要标准。

为了解小江边组泥页岩的吸附能力,利用Langmuir等温吸附模型对该组泥页岩进行等温吸附试验。在测试温度30 ℃下, 等温条件下吸附气量随着压力增大而呈线性增长,然后趋于平稳,得出小江边组泥页岩最大吸附量为0.37～0.78 cm3/g(图9)。

图9 小江边组不同深度泥页岩等温吸附曲线Fig.9 Isothermal adsorption curves of Xiaojiangbian Formation shale at different depths

4.2 勘探潜力分析

结合涟源凹陷小江边组沉积特征,得出其页岩气成藏的有利条件为:富有机质泥页岩厚度大于20 m;总有机碳含量(TOC)大于1.0%;有机质成熟度Ro大于1.0%。涟源凹陷小江边组中广泛分布富含有机质的泥页岩,其厚度满足页岩气聚集的条件(一般为12～50 m)、 有机质丰度高(平均1.48%)、 演化程度高(Ro平均为1.88%),具有较强的生烃能力,属于较为有利的生气泥页岩。综合考虑泥页岩气聚集的各项关键参数及指标,小江边组泥页岩在车田江向斜北部、桥头河北部以及恩口-斗笠山向斜北部等区域具有较大的勘探潜力(图10)。

图10 涟源凹陷小江边组页岩气有利区分布Fig.10 Distribution of shale gas favorable area of Xiaojiangbian Formation in Lianyuan sag1—TOC等值线;2—Ro等值线；3—等厚线；4—有利区

5 结 论

(1)涟源凹陷二叠系小江边组泥页岩累计厚度一般为12.46～49.89 m;有机质含量丰富,TOC平均为1.48%;干酪根类型为Ⅰ型,含少量Ⅱ1型;热演化程度高,Ro均值为1.88%,处于高成熟—过成熟阶段,利于页岩气生成,具备页岩气成藏的基本地质条件。

(2)氩离子抛光-扫描电镜观察结果显示,小江边组泥页岩孔隙发育且类型多样,发育有机质孔隙、晶间微孔隙,以及收缩缝、微裂缝,为页岩气赋存提供了较好的储集空间。压汞及氮气吸附脱附试验表明，小江边组泥页岩孔隙结构以中孔为主,孔隙间连通性较好。

(3)综合泥页岩有效厚度、有机质含量及类型、热演化程度和含气量等因素,预测涟源凹陷小江边组页岩气有利区主要位于车田江向斜北部、桥头河北部以及恩口-斗笠山向斜北部等区域。