湘中坳陷与湘东南坳陷上二叠统龙潭组页岩气形成条件及资源潜力探讨

李 岩，鱼 磊，蔡宁波，郭 军

(1. 湖南省地质新能源勘探开发工程技术研究中心，湖南 长沙 410014；2. 湖南省煤炭地质勘查院，湖南 长沙 410014；3. 湖南省自然资源事务中心，湖南 长沙 410004

0 引言

页岩气是指主体位于暗色泥页岩或高碳泥页岩中，以吸附或游离状态为主要存在方式的天然气聚集[1-2]。随着世界经济的发展和人们物质文化生活水平的提高，对于油气等能源需求持续增长，常规油气经过大规模的勘探开发，增储上产难度越来越大，供需矛盾日益突出[3]。继常规油气资源、致密气和煤层气资源之后，页岩气成为我国最现实的待开发非常规油气资源[4]。受美国页岩气成功勘探开发[5-7]启示，中国在海相页岩和陆相页岩地层页岩气勘探中均取得重要突破，并且在海相页岩地层发现焦石坝页岩气大气田，取得了巨大的成就[8]。湖南是一个贫煤、缺油、少气的省份，湘西北地区是湖南乃至全国重要的油气勘探区，近40年来，陆续开展了针对湘西北地区下寒武统牛蹄塘组、上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组三套海相地层的油气勘探工作，取得了一些找矿勘探成果[9]，但由于该区油气地质条件复杂，即油气演化程度高及保存条件复杂等因素[10]，仍未取得实质性的突破。而湖南省海陆过渡相煤系地层页岩分布广泛，主要集中在湘中坳陷，累计厚度较大，频繁与煤层、致密砂岩层互层，具有可观的页岩气资源潜力[11]，湘东南坳陷次之。但对于海陆过渡相煤系地层页岩气的研究相对薄弱。

本研究以湘中、湘东南坳陷海陆过渡相煤系地层上二叠统龙潭组黑色页岩为研究对象，通过野外露头采样，运用扫描电镜、有机地球化学分析等多种实验分析方法，对目的层页岩气形成条件进行了探讨分析，在此基础上，并对湘中、湘东南坳陷上二叠统龙潭组页岩气资源潜力进行了预测。

1 地质背景

湘中坳陷隶属华南构造区，大地构造位置位于雪峰东缘加里东褶皱带东南缘，是以下古生界变质岩系为基底发展起来的一个晚古生代—中三叠世的碳酸盐岩为主夹碎屑岩为特征的准地台型沉积坳陷区[12]，是晚古生代华南陆表海盆在湘中残留的负向构造单元[13]。湘中坳陷主要由沩山隆起、涟源凹陷、龙山串珠状隆起、邵阳凹陷、关帝庙串珠状隆起和零陵凹陷6个二级构造单元组成[14-15](图1)。

湘东南坳陷大地构造位置处于华南褶皱系北部，华夏褶皱系西部，是自中晚三叠世历经了多期构造运动后形成的复杂构造体系，主要由衡山隆起、宁远凹陷、九巍山隆起和郴耒凹陷4个二级构造单元组成。

受新化—株洲断裂控制，龙潭组沉积特征分南型和北型两个亚型。而湘中、湘东南坳陷以南型龙潭组为主，总厚80～1300 m，其中泥页岩厚29～201 m，主要分布于邵阳—郴州一带，绝大部分地区与下伏地层当冲组呈连续沉积。按含煤性龙潭组可分为上部含煤段和下部不含煤段。含煤段岩性为细粒—中粒长石石英砂岩、粉砂岩、砂质泥岩、伊利石泥岩、蒙脱石-伊利石泥岩，含煤3～13层，可采1～5层，产腹足类和植物化石，厚22～165 m。不含煤段主要为薄层状泥岩、砂质泥岩及粉砂岩互层，上部夹细—中粒长石石英砂岩，偶见菊石及腕足类化石，沉积中心主要位于株洲攸县黄丰桥、宜章梅田，厚度为700～900 m。龙潭组泥页岩的埋藏深度在区域上变化也比较大，埋深为400～1800 m，以1000 m居多[16]。

2 有机地球化学特征

2.1 有机质类型

湘中和湘东南坳陷大部分地层泥页岩有机质类型为Ⅱ型(混合型)干酪根，部分有机质丰度较高的地区为Ⅰ型干酪根(即腐泥型，如棋梓桥组)，而煤系地层主要为Ⅲ型干酪根(即腐植型)，如湘中和湘东南坳陷龙潭组煤系地层。湘中和湘东南坳陷龙潭组页岩有机显微组分统计分析(表1)表明，湘中和湘东南坳陷龙潭组有机显微组分镜质组含量最多，平均含量分别为68.94%和70.10%，其次为惰质组和稳定组。故干酪根类型都以Ⅲ型为主。

2.2 有机碳含量

有机碳含量(TOC)是页岩储层评价的重要参数之一，它既决定着页岩的生烃强度，也是页岩吸附气的载体之一[17]。有机碳含量的高低直接影响页岩气的成藏潜力[18-19]。本次龙潭组共采集有机碳样品50件(表2)，其中有7件为野外露头样品，其余43件来自湘东南的10口钻井，且有5件样品为煤样或含泥煤样。由图2可知，湘中和湘东南坳陷TOC含量分布大致呈NE—SW走向，由南东至北西TOC含量逐渐增大。高值区主要分布于涟源、邵东、隆回及邓家铺一带。而湘东南坳陷由北西向东南TOC含量逐渐增大。高值区主要分布在黄丰桥、马水、耒阳和衡洞一带。整体上TOC含量普遍较高，最大值高达22.6%，最小值仅为0.07%，平均值为2.52%。

表2 湘中和湘东南坳陷上二叠统龙潭组页岩TOC数据统计

图2 湘中和湘东南坳陷上二叠统龙潭组页岩TOC分布图

湘中湘东南坳陷虽有上二叠统龙潭组发育，但由于厚度较小，且地表露头极少，风化严重，未采集到页岩样品，只在部分煤矿采集煤样若干。

2.3 有机质成熟度

有机质成熟度是影响页岩气富集成藏的另一重要因素。有机质的成熟度是表征其成烃有效性和产物性质的重要参数。有机质只有在达到一定的热成熟度才能开始大量生烃和排烃。在一定范围内，含气泥页岩的热成熟度越高表明泥页岩生气可能性越大[17]。本次龙潭组共采集有机碳样品49件(表3)，其中有14件为野外露头样品，其余35件来自湘东南的钻井。由图3可知，湘中和湘东南坳陷Ro max呈EW向分布，由北至南Ro max值逐渐增大，且高值区主要分布在耒阳、邵阳至武冈一带。其中，Ro max值最小值为1.24%，在Ro max值最大值高达5.97%，平均值为2.80%。

图3 湘中和湘东南坳陷上二叠统龙潭组页岩Ro max分布图

表3 湘中和湘东南坳陷上二叠统龙潭组镜质体最大反射率(Ro max)数据统计

3 含气页岩储集性能

3.1 岩性组合特征

岩性组合是沉积环境变化的主要指示，也是预测煤层变化情况的主要依据。根据该地区钻孔资料分析可将该地区的岩性组合分为以下几种(表4)。

表4 湘中和湘东南坳陷上二叠统龙潭组岩性组合特征

湖南省上二叠统龙潭组分为龙潭北型和龙潭南型，龙潭南型地层主要分布于涟源、邵阳南部、郴州及耒阳一带；龙潭北型地层主要分布于娄底北部及长株潭地区。而湘中和湘东南坳陷龙潭组主要为龙潭南型地层。含煤岩系主要是以上五种岩性组合在横向上展布和纵向上演化而形成，各种岩性组合代表了不同的沉积环境变化。

岩性组合A：为厚层细砂岩和厚煤层组合，灰色细砂岩，中厚层状，水平层理，硅质、泥质胶结。煤以黑色块状为主，半亮型煤。代表着龙潭南型为三角洲相，在分流河道之上，分流涧湾中发育的沼泽。为龙潭南型的主要成煤环境。

岩性组合B：为厚层的钙质泥岩和薄层的粉砂岩、细砂岩组合，局部地区见细砂岩之上发育一薄煤层。钙质泥岩，灰—灰黑色，薄层状，水平层理上部夹硅质灰岩，底部产丰富瓣鳃类、腕足类动物化石，含丰富黄铁矿结核及少量菱铁矿结核。细砂岩，灰—浅灰色，薄—中厚层状，波状交错层理，黑色泥质线纹，含云母等其他矿物。代表着龙潭组上段上部水逐渐变深的沉积环境。从三角洲相变成浅水陆棚相。

岩性组合C：厚层中砂岩、粉砂岩和可采煤层的组合，煤，黑色，块状为主，半亮型煤。中粒砂岩，浅灰—灰白色，湿后发绿，薄—中厚层状，以平行层理为主，局部交错层理，成分以石英为主，长石次之，少量绿色矿物，钙质、硅质胶结。代表着龙潭组上段下部三角洲相的沉积组合。

3.2 孔隙结构类型

页岩孔隙是页岩气藏中气体的储集空间[20]，孔隙的微观特征影响页岩气储集性能[11]。页岩中微裂缝的发育不仅为页岩气提供有利的储集空间，而且利于吸附气的解析[11]。页岩在生烃过程中，随着烃类生成量的增加，内压增大，当达到突破压力后，就会形成新的储集空间。在成岩过程中，矿物相的变化也形成新的储集空间。构造活动本身会形成大量的微裂隙，在活动过程中，矿物相的变化也会使微裂隙形成。

上二叠统龙潭组处于生物大发展期，有机质(图4)来源充足，区内可见到生物化石，而研究区内构造运动剧烈，有印支—燕山期岩浆活动的叠加，因而变质程度较高，且多属腐殖型有机质，达到烃类生气门限，具备生气条件。因而分析观察此类样品，显得尤为重要。扫描电镜分析结果表明，上二叠统龙潭组页岩孔隙类型有裂隙孔(图5)、溶蚀孔与有机质孔(图6)和粒间孔(图7)等，孔隙类型多呈不规则形状，以圆形、椭圆形为主，孔喉半径最大值为3960 nm，最小值为70 nm，平均值为428 nm，且孔喉半径整体上较为均一，溶蚀孔、微孔隙、微裂隙极为发育，导致了孔隙之间具有一定的连通性，并为游离页岩气提供了储集空间。

图4 扫描电子显微镜下有机质形态

图6 扫描电子显微镜下溶蚀孔与有机质孔

图7 扫描电子显微镜下粒间孔

湘中和湘东南坳陷上二叠统龙潭组页岩气形成条件优越，且在龙潭组顶部沉积了一套硅质泥页岩地层，具有良好的圈闭条件，但受多期构造影响，断裂发育，大气淡水及地下水沿断裂活动频繁，盖层因此受到了构造和溶蚀破坏作用，页岩气圈闭保存条件整体上较差。

4 资源潜力探讨

4.1 地质类比法

4.1.1 资源量计算方法

一般情况下，低勘探程度地区采用面积丰度类比法计算资源量，其计算公式(1)：

(1)

输入参数：Si为预测区类比单元的面积，km2；

输出结果：Q为预测区的页岩气总资源量，108m3。

αi为预测区类比单元与标准区的类比相似系数，由公式(2)计算得到：

(2)

i为预测区子区的个数；

Ai为页岩气资源丰度(108m3/km2)，由标准区给出。

4.1.2 评价步骤

1)结合类比标准区，进行盆地类比单元的划分，分别确定每个单元的面积Si；

2)为每个评价单元确定标准区，得到Ai；

3)进行标准区与预测区的地质类比，求出αi。类比过程分4个步骤：①分类整理类比标准区与预测区的地质资料；②根据确定的类比内容与标准逐项进行地质类比评分，类比内容可以分为盖层条件、储层条件、油气源条件、配套条件等四项；③应用相关性分析求出影响资源量的主因素；④根据主因素的单因素评分，利用加法原则求出每一类比标准区与预测区的评价总分，求出预测区与每一类比标准区的类比系数。

4.1.3 资源潜力评价

根据页岩气成藏条件选定16项评价参数(表5)对标准区与类比区的页岩气资源进行地质类比评分。将湘中和湘东南坳陷上二叠统龙潭组页岩与美国五大页岩气系统进行对比(表6)发现，阿巴拉契亚Ohio页岩有效厚度为21 m，平均有机碳含量大于1.8%，Ro平均为0.85%，平均孔隙度达4.4%；而湘中和湘东南坳陷上二叠统龙潭组页岩有效厚度为25 m，平均有机碳含量为2.52%，Ro平均为2.80%，平均孔隙度为4.6%。综上所述，无论盆地类型，还是源岩条件和储集性能，均与阿巴拉契亚盆地Ohio页岩比较相似，因此将此盆地的页岩气系统作为类比标准区[18-19]。

表5 页岩气资源预测类比参数取值标准

表6 湘中和湘东南坳陷上二叠统龙潭组与美国五大页岩气系统页岩主要地质参数对比

依据选定的各项地质指标为各标准区及评价区分别进行评分，每一大项中分别求出其相应权值下的得分并相加，得出此项地质指标的地质风险得分，4个大项得分的乘积便是其地质风险总分。计算结果显示，阿巴拉契亚泥盆系Ohio页岩地质风险得分为0.080，湘中和湘东南坳陷页岩地质风险得分为0.045(表7)。页岩面积的有效性主要取决于其中有机碳含量的大小及页岩厚度，本次计算是把TOC>0.5%且有效厚度>5 m的页岩发育地区作为页岩的有效面积。

表7 湘中和湘东南坳陷上二叠统龙潭组页岩与类比标准区页岩地质风险得分

根据公式(2)可以计算出省内湘中和湘东南坳陷龙潭组页岩与圣阿巴拉契亚泥盆系Ohio页岩各项地质指标类比标准的相似系数为0.56。根据公式(1)，参照圣胡安盆地Ohio页岩的资源丰度区间为(0.55～1.09)×108m3/km2，计算出湘中和湘东南坳陷上二叠统龙潭组页岩气地质资源量为(0.38～0.76)×1012m3(表8)。

表8 湘中和湘东南坳陷上二叠统龙潭组页岩气地质资源量类比法计算结果

4.2 体积法

用体积统计法对页岩气进行资源量计算主要是以满足TOC>0.3%、Ro>0.4%、埋藏深度不超过4 km的页岩发育面积和厚度求得页岩气含气体积，进而求得资源量。假设页岩的有效体积为V，单位重量页岩总含气量为A，岩石密度为ρ，则由公式(3)可求得资源量或储量Q：

Q=A·V·ρ

(3)

吸附要素分析法主要考虑页岩气赋存状态与其约束因素之间的统计关系，页岩总含气量Qa与其总有机碳含量x1、有机质类型x2、有机质成熟度x3、伴生矿物类型x4等存在一定的统计关系，即

Qa=f(x1，x2，x3，x4，……，xn)

(4)

进一步，根据上述各影响因素自身的概率函数分布对其进行概率赋值，可求得页岩气资源分布的概率

分布函数，据此可计算不同概率条件下的页岩气资源/储量，即

Qp=f(Sp，Hp，φp，Kp……)

(5)

式中：Qp表示概率p条件时的资源量，Sp、Hp、φp、Kp分别表示面积、厚度、孔隙度、渗透率等参数。

本次资源评价还利用体积统计法对省内资料相对丰富的部分地区进行了页岩气资源预测。上二叠统龙潭组总面积约为1.25×104km2，有效厚度为12～38 m，总有机碳含量平均为2.52%，Ro平均为2.80%。以TOC=0.3%和Ro=0.4%的页岩气发育条件为下限，以页岩中的工业含气量标准为依据，龙潭组页岩发育有效体积为375～625 km3。研究区泥质烃源岩密度平均值为2.4 t/m3。结合相邻区块泥页岩含气量进行的统计分析，可选择吸附量2～3 m3/t进行计算。页岩气中以吸附状态存在的天然气含量变化于20%～80%之间。根据相关公式计算可得上二叠统龙潭组页岩气远景资源量为(0.21～0.42)×1012m3(表9)。

表9 湘中和湘东南坳陷上二叠统龙潭组页岩气地质资源量体积法计算结果

由以上两种不同方法计算的资源量在数值上有一定的差别，但是差别不大，结果可靠。由此可见，湘中和湘东南坳陷上二叠统龙潭组页岩气资源潜力巨大，勘探开发前景可观。

5 结论与建议

5.1 结论

1)湘中和湘东南坳陷上二叠统龙潭组黑色页岩有机碳含量高、热成熟度适中，孔隙结构类型以裂隙孔、溶蚀孔、有机质孔和粒间孔为主，综合分析认为，页岩气形成条件良好，是页岩气发育的有利层段，具有良好的勘探潜力。

2)湘中和湘东南坳陷上二叠统龙潭组页岩气含量为(0.21～0.42)×1012m3，资源潜力巨大。

5.2 建议

针对湖南省湘西北地区牛蹄塘组和龙马溪组页岩气一直未取得突破，而湘中和湘东南坳陷龙潭组暗色泥页岩具备了良好的生烃条件，但构造较为发育且勘探程度低的现状，结合四川盆地页岩气勘探的经验，相关政府机构应该加大资金投入，调动企事业单位、高校及科研单位的积极性，使得其加快湘中和湘东南坳陷页岩气基础地质调查工作，并以寻找页岩气构造圈闭为主，以发现岩性圈闭等为辅，为后期寻找页岩气的“甜点”打下坚实的地质基础。