湘中坳陷东缘天马山组页岩气基础地质条件分析

巩书华， 蔡宁波

（湖南省煤炭地质勘查院，湖南 长沙410014）

页岩气是一种优质、高效、清洁的低碳能源，以美国为代表的国外页岩气已成功勘探开采，并掀起了页岩气革命浪潮［1］。 中国页岩气资源丰富，且在四川盆地也已取得较大的成果［2］。 近几年，湖南湘中地区针对泥盆系、石炭系地层开展过较多调查评价与研究工作，但对于奥陶系较老地层的工作相对缺乏。 本次工作主要研究了湘中坳陷东缘上奥陶统天马山组炭质板岩与页岩的页岩气成藏地质条件，为今后湘中坳陷页岩气勘查研究工作提供参考。

1 区域地质概况

湘中地区经历了多期次构造变形，造就了区内多期多次的构造复合联合的叠加形态，其构造样式以典型的穹盆叠加褶皱为主。 研究区地处邵阳凹陷和关帝庙隆起，位于邵阳—汨罗断裂和株洲—双牌断裂之间，祁阳弧断裂从研究区中部穿过，区内次生断裂发育，构造复杂。

2 天马山组沉积条件与泥页岩展布特征

2.1 沉积特征

研究区上奥陶统天马山组岩性主要为杂砂岩、粉砂岩、砂质板岩、板岩，局部可见含炭质板岩，呈纵向韵律旋回。 该组在晚奥陶世沉积时，地壳下降速度减慢，地壳震荡频繁，研究区处于海槽盆环境，物质供给充分，出现砂泥质交互沉积，具有近源快速堆积特征，鲍马序列明显，为成熟度低的具复理石建造特征的半深海陆棚边缘-斜坡相的陆源碎屑浊积岩沉积。

2.2 泥页岩厚度

泥页岩的发育厚度和埋深也是控制页岩气成藏的关键因素，泥页岩必须达到一定的厚度才能成为有效的烃源岩层和页岩气藏。 美国进入大规模商业开发的五大含气页岩系统页岩净厚度9～91 m，其中目前页岩气单井产量和年产量较高的Barnett 页岩系统净厚度15～60 m。

区内天马山组总厚度大于1 300 m，中、下段发育多层含炭质硅质板岩夹层，累计厚度4.43 ～76.19 m，平均49.39 m，但是单层厚度较小，层间距较大；整体呈向东南方向厚度增加的趋势（图1）。

图1 天马山组暗色泥页岩厚度等值线图

2.3 泥页岩埋深

泥页岩埋深一方面可以反映其保存条件和储集特征，另一方面也是评价能否进行经济技术可采的重要参数。 最新资料表明，美国目前商业开发的含气页岩深度超过3 000 m，页岩气藏勘查深度超过5 000 m。

研究区天马山组地层底界埋深为0 ～3 500 m。地层主要在四明山背斜、南部井塘排背斜及北部步云桥向斜扬起端部位出露，遭受剥蚀。 沿四明山背斜两翼依次向北西与南东方向埋深增大。 整体上该组大部分地区埋深均小于4 000 m，且地层埋深变化率相对较小，整体向南部倾伏端埋深逐渐加深。

3 暗色泥页岩有机地化特征

3.1 页岩有机质类型与丰度

在不同沉积环境中，由不同来源有机质形成的干酪根的成分和结构有很大差别，这直接影响干酪根生烃潜力。 而有机碳含量是反映页岩有机质丰度的指标，它既是页岩生气的物质基础，也是页岩吸附气的载体之一， 对页岩气成藏条件起着重要作用［4］。

研究区天马山组样品干酪根类型检测结果显示，天马山组炭质板岩及含炭质硅质页岩干酪根显微组分主要为腐泥组与惰质组，几乎不含镜质组与壳质组，类型指数均大于80，干酪根类型以Ⅰ型为主。 天马山组含炭质板岩有机碳含量整体较低，为0.1% ～0.96%，平均为0.34%；以东部榴木塘村天马山组出露较好，且TOC 含量相对较高，整体自研究区中部向东西两侧呈递增趋势（图2）。

图2 天马山组有机碳含量等值线图

3.2 有机质成熟度

有机质成熟度是评价页岩气资源的关键参数，一般来说，只有在合适的成熟度条件下泥页岩中才能富集气藏。 由于研究区上奥陶统天马山组显微组分缺少镜质组，因此先测试出沥青反射率Rb，然后运用公式Ro＝0.618Rb＋0.4（其中Ro为镜质体反射率，%；Rb为沥青反射率，% ）转化为镜质体反射率。得到该组成熟度Ro为1. 41% ～3. 67%， 平均为2.41%，显示热演化阶段已达到高熟－过成熟。 此外，最大热解温度Tmax在329～539.5 ℃之间，也表明天马山组已达到高演化阶段。

4 暗色泥页岩储层特征

4.1 矿物成分

通过对天马山组样品进行X 衍射全岩分析，认为天马山组富有机质泥页岩主要矿物组分为碎屑矿物（石英与长石）与黏土矿物，含少量菱铁矿。 其中脆性矿物含量占41.5% ～65.6%，平均为50.88%。黏土矿物含量占34.4% ～58.5%，平均为49.1%；且黏土矿物以伊利石为主，平均约占90%，含部分绿泥石及极少量高岭石，这与天马山组埋深较深，经历晚成岩作用及浅变质作用有关。

4.2 储集空间特征

对于页岩气藏，泥页岩既是烃源岩又是储集层，孔隙和裂缝是其主要的储集空间与渗流通道，二者发育程度决定着储集层物性的优劣，并直接关系到页岩气藏的气量与开发的难易，因此对泥页岩储集空间特征的分析是页岩气储层研究的重要内容之一［5］。 本次工作对区内天马山组暗色泥页岩样品进行扫描电镜分析。 分析结果显示，天马山组主要发育残余原生孔隙，也发育较多溶蚀微孔隙。 溶蚀孔隙一般在2～10 μm，多见次生加大石英（Q）、蚀变高岭石和丝片状伊利石（I）包裹充填。

4.3 孔缝结构

通过对研究区天马山组泥页岩样品进行氮气吸附和解吸实验，分析了该组泥页岩孔径与比表面积。 结果显示，天马山组页岩孔径分布相对较简单，孔径分布曲线峰值相对集中。 各组峰值孔径多分布在3～9 nm，表明这个范围内的孔出现的概率最大。 页岩孔径为4.29～11.86 nm，平均为6.90 nm。 天马山组比表面积平均为9.04 m2／ g，总孔体积平均值为0.013 mL／ g。

4.4 储层物性特征

通过对研究区主要目的层位泥页岩样品进行覆压孔渗测定，结果表现为区内天马山组样品孔隙度约为2.16%，其渗透率主要分布在0.00013～0.0031 mD，平均为0.0016 mD，这主要与天马山组埋深大、埋藏时间较长以及其经历浅变质存在重结晶作用有关。

5 有利区优选评价指标

综合研究区内天马山组有机碳含量、成熟度、暗色泥页岩厚度及埋深等成藏条件分析，认为该组有机碳含量整体较低，普遍小于1.0%，仅个别TOC 数据略高；热演化程度整体较高，Ro值一般大于2%；含炭质板岩单层厚度较薄，为3～6 m，累积厚度平均可达50 m，但炭质板岩之间石英杂砂岩较厚，层间距大；该组底界埋深相对较深，基本在2 500 ～3 000 m。 综合分析认为，区内上奥陶统天马山组达不到有利区优选参考指标，故该组不能作为有利区优选目的层位。

6 结论

（1）研究区天马山组为一套成熟度低的具复理石建造特征的半深海陆棚边缘－斜坡相，岩性主要为杂砂岩、粉砂岩与板岩及含炭质板岩构成的韵律旋回。 其主要目的层段为中下段含炭质板岩夹层，单层厚度较薄，为3～6 m，累计厚度可达50 m；底界埋深为0～3 500 m，沿四明山背斜两翼依次向北西与南东方向埋深增大。

（2）天马山组有机质类型以Ⅰ型为主，有机碳含量整体较低，为0.1% ～0.96%，平均为0.34%；自东向西大致呈现为递减趋势；成熟度Ro平均为2.41%，已达到高熟-过成熟阶段。 该组矿物组分均以脆性矿物为主，占50.88% ～66.2%，黏土矿物为33.8% ～49.1%；泥页岩微孔隙均较发育，主体孔隙为中孔，且可见较多溶蚀孔隙；储层特征为低孔低渗储层，孔隙度平 均 为1. 30% ～2. 16%， 渗 透 率 为0. 0016 ～0.0067 mD。

（3）综合天马山组暗色泥页岩厚度发育情况、埋深、各项有机地化参数以及保存条件等成藏因素，参考页岩气有利区优选评价指标，认为该组不能作为有利区优选目的层位。