湖南省桑植地区下寒武统牛蹄塘组页岩气成藏条件分析

张成龙， 牛 雪， 金晓琳， 牛兆轩, 李旭峰， 胡丽莎

(1.中国地质调查局水文地质环境地质调查中心，河北 保定 071051； 2.中国地质调查局二氧化碳地质储存重点实验室，河北 保定 071051)

0 引言

作为拥有广阔前景的清洁能源，页岩气在我国的分布较为广泛。页岩气的勘探开发对于保障能源安全、改善能源结构，助推双碳目标的实现具有十分重要的战略意义[1-2]。前人对桑植地区古生界沉积古地理、地球化学以及成矿作用、控矿因素等方面研究较多，认为桑植地区隶属古生界海相地层，发育了一套下寒武统牛蹄塘组富有机质泥页岩，具有良好的页岩气成藏物质基础[3-5]，而对古生界下寒武统页岩气富集条件的研究相对较少。本文在文献调研的基础上，结合野外实地勘查和试验分析，研究桑植地区下寒武统牛蹄塘组页岩储层地质条件，以期为该区牛蹄塘组页岩气的下一步勘探开发提供借鉴与参考。

1 地质背景

湖南省桑植地区隶属新华夏构造体系，构造位置东南侧为慈利保靖大断裂，西北侧是宜都—鹤峰复背斜带(图1(a))。桑植地区历经印支期和燕山期等多幕次的构造活动，形成了多期次相互叠加、干扰、改造的复杂构造格局，以复向斜构造带为主，构造样式相对单一，呈现了由西南向东北的“S”型构造体系展布，大型褶皱和断层不发育，数量较少，且多见于东南部。在地层分区上，隶属于扬子区和江南区的过渡地带，出露地层相对齐全[6]。下寒武统牛蹄塘组为一套富含有机质的黑色碳质、硅质页岩，是该区页岩气勘探的优选层系。取样点主要位于研究区西北部牛蹄塘组出露岩层及邻县鹤峰、保靖牛蹄塘组出露岩层(图1(b))。

(a) 大区位置 (b) 研究区地质简图

2 页岩储层成藏条件

2.1 沉积环境

桑植地区仅北部出露牛蹄塘组，为查明该组的层序地层和沉积相特征，分析其厚度变化规律，在邻县湖北省鹤峰县走马镇王家台村开展了牛蹄塘组典型剖面实测。该剖面为本次野外地质调查过程中测绘的最为理想的牛蹄塘组剖面，剖面起始于牛蹄塘组下伏的震旦系灯影组，止于牛蹄塘组上覆的寒武系杷榔组，经整理后认为，该剖面牛蹄塘组真厚度达到80 m，富有机质黑色页岩累计层厚达40 m(图2)。

图2 湖北鹤峰县王家台村牛蹄塘组实测剖面

基于前人对该区岩相、沉积构造、古生物、地球化学等[3-5]认识和笔者对实测剖面分析和研究区沉积要素、有机地化条件的研究认为： 沉积相类型主要为陆棚相和斜坡相，早期处于深水陆棚、斜坡相的沉积环境，发育海侵体系域，主要沉积了牛蹄塘组下部碳质页岩、石煤； 晚期海平面下降，水体逐渐变浅，发育了浅水陆棚相沉积环境，沉积了牛蹄塘组上部的碳质页岩、硅质页岩以及砂质页岩地层(图3)，沉积相带控制了研究区泥页岩的发育。

图3 桑植地区牛蹄塘组沉积相模式

2.2 有机地化特征

总有机碳(total organic carbon,TOC)含量是衡量生烃强度和生烃量的重要指标，是控制页岩气含量的主要因素[7-8]，有机质含量越高，生烃能力越高，吸附甲烷气的能力也越强[9-10]。根据测定结果，桑植地区下寒武统牛蹄塘组20个泥页岩样品TOC含量为0.4%～6%，平均2.09%，变化大，且跟岩性关联密切，石煤、黑色页岩TOC含量高，砂质页岩、硅质页岩含量相对较低。受物源、沉积环境和保存条件控制，深部为还原环境，保存条件较好，随着深度变浅，缺氧环境遭到破坏，岩性发生改变，导致TOC含量逐级变小，在沉积相上，陆棚相泥页岩TOC含量低，斜坡相泥页岩TOC含量高(图3,图4)。

图4 桑植地区牛蹄塘组页岩TOC含量分布

2.2.2 干酪根类型

干酪根类型，不仅影响页岩的生烃，也影响着页岩气的吸附和扩散[11-13]。根据干酪根的腐泥组、壳质组、镜质组和惰质组显微组分相对含量的不同，可划分为Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型，每种类型也可进一步划分亚型。根据页岩气勘探与开发经验认为，Ⅰ型和Ⅱ型干酪根为页岩气生成的主要有机质类型[14-16]。

通过对样品(80块)、薄片(65个)镜下观察和样品测试(13组)分析得出，干酪根显微组分主要是腐泥组和壳质组，含量一般>90%，富氢贫氧，H/C值>1.45%，O/C值<0.05%，δ13C同位素组成偏轻，大体为-30.41‰～-32.92‰，干酪根类型主要为Ⅱ1型，少见Ⅰ型，生气潜力大。在扫描电镜和透射光显微镜下，可见后生低等生物、云雾状和无定形状藻类生物及有机质纹层等(图5)。

(a) 硅质页岩,见磷质结核(b) 碳质页岩(c) SEM,后生低等生物

2.2.3 有机质成熟度

镜质体反射率(RO)是有机质成熟度指标，是评价页岩气成藏条件的重要参数之一, 其热解峰温Tmax表示达到最高温度时所持续时间的函数，并用来标定从早期成岩作用直至深变质阶段有机质的热演化。一般而言，RO在0.5%～0.7%为未成熟阶段，0.7%2%为过成熟阶段—生干气阶段[17]； 而北美页岩生气RO上限界为1.5%～2%，在上限内，成熟度越高越利于页岩气的生成[18-19]； 根据测定结果，桑植地区下寒武统牛蹄塘组泥页岩RO值普遍高，为2%～5%，平均为3.5%(图6)，结合该区页岩构造-埋藏-生烃演化史，普遍达到了页岩的高—过成熟阶段，大量生气，只要保存得当，有利于页岩气富集成藏。

图6 桑植地区牛蹄塘组页岩RO散点分布

2.2.4 有机质热演化模式

黏土矿物类型主要有伊利石、高岭石、蒙皂石、绿泥石、伊蒙混层等，是页岩中最主要的成岩矿物，影响着页岩气的富集和有机质演化，对页岩气的成藏与开发影响大。黏土矿物的含量与页岩气富集存在一定的正相关关系，页岩中黏土矿物影响着有机质的赋存，其含量越大，对气体的吸附能力越强[20-21]，同时，黏土矿物成岩阶段与有机质演化有着密切的对应关系[22]。

所有数据运用SPSS 21.0软件进行统计分析。计量资料以x±s表示，采用t检验进行组间比较。P＜0.05为差异有统计学意义。

在正常模式下，根据这种对应关系就可以利用泥页岩中黏土矿物的纵向分布特征和地温特征推断有机质的热演化程度和生油气门限[23-26]。桑植地区牛蹄塘组页岩黏土矿物的伊利石(I)含量为2%～100%，平均为85.5%; 伊利石-蒙皂石(I/S)含量为0%～98%，平均为4.9%; 有机质成熟度(RO)为2%～4.3%，平均为3.5%; 最高热解峰温(Tmax)为338～514 ℃，平均为440 ℃。蒙皂石及无序混层带向伊蒙有序混层转化的界限与泥页岩有机质生油门限基本一致，混层消失及生成伊利石和绿泥石的界限与液态烃消失生成干气、裂解气的界限基本一致。在成岩阶段上是伊利石带，处于中成岩晚期到晚成岩阶段，在有机质成熟度上处于高成熟到过成熟阶段，大量生成干气和裂解气，其热演化模式基本和牛蹄塘组页岩黏土矿物转化、成岩阶段与有机质演化关系一致(图7)。

图7 桑植地区牛蹄塘组页岩黏土矿物转化、成岩阶段与有机质演化关系及有机质演化模式

2.3 储集条件

页岩气是自生自储富集成藏，其储层一般具有低孔、特低渗性质[27-28]。

通过查阅文献[27-28]得知，桑植地区所处的湘西北地区牛蹄塘组页岩样品孔隙度差别较大，介于1%～25%，平均为9%，相对于美国页岩气开发程度较高的储层的孔隙度3%～14%而言[18，31]，该区孔隙度中等偏高。孔隙吼道直径多为13～16 nm[28]，分选较好，孔渗条件较好。

在扫描电镜(scanning electron Microscope,SEM)和透射光显微镜下，可见原生孔、次生孔、矿物质孔、有机质孔及天然裂缝、构造裂缝等，孔裂缝形态多样、相对发育(图8)。受控于强构造活动，裂缝形态多样，压性、张性、扭性构造共存，SEM下常见“X”“T”“Y”型缝(图8(a)，(b)，(c))，产状和大小变化较大，裂缝宽度可到纳米～微米级，为页岩气主要运移通道。有机质孔和矿物孔多为10 μm～100 nm的微米级和纳米级孔，结构复杂，连通性较好—好(图8(d)，(e)，(f))，其中，有机质化石孔在矿物成岩和有机质热演化作用由于石化而得以保存下的孔隙，多为成片圆孔出现，孔隙较小，多为纳米级，但表面积大，极大的增加了页岩的吸附能力(图8(d))，矿物孔可见骨架孔、晶间孔、黏土矿物孔等，成因多样，可为矿物碎屑支撑形成、差异压实形成、矿物溶解形成等，孔径较小，吼道分选较好，连通较好(图8(e)，(f))，为页岩游离气主要赋存场所和渗流通道。透射光显微镜下(单偏光、正交偏光)，可以发现裂缝发育，且多有交叉，有的见碳酸盐矿物充填(图8(h)，(i)，(g))。微孔、裂缝发育为页岩气提供充足的储集空间与运移通道，对页岩气储存和后期开发起到积极意义。

2.4 矿物组成

黏土矿物、石英、长石和方解石是页岩中主要的无机矿物组分，其脆性矿物的含量和相对组成影响了页岩孔裂缝结构和发育程度、岩石的力学性质、页岩气的富集程度和后期压裂改造效果[32]。脆性矿物含量高的页岩容易产生天然裂缝和应力诱导裂缝，有利于改善储层物性，增大页岩气的储集空间，同时，黏土矿物由于具有更大的比表面积，对气体有更强的吸附能力，在有机质演化程度高和TOC含量低的页岩中伊利石吸附作用更为显著[33]。通常认为，页岩中石英、长石、方解石等脆性矿物的含量大于40%、黏土矿物含量小于30%为优质矿物组成[9]。通过对近30块页岩样品分析来看，桑植地区下寒武统牛蹄塘组页岩中脆性矿物含量接近70%，黏土矿物含量接近30%，其中，石英含量为45.4%，方解石含量为10.1%，长石含量为8.3%(图9)，结合前文分析的页岩的孔渗条件、孔隙结构等综合表征，可初步认定为优质的页岩储层。在热演化、地应力等多种作用下可以产生大量的微裂缝和应力诱导裂缝，为游离气提供储集空间。

图9 桑植地区牛蹄塘组页岩成岩矿物含量

美国主要页岩气盆地Barnett页岩碳酸盐矿物、硅质矿物等脆性矿物含量大，页岩储层压裂易形成缝网，获高产气流，开采效果好，同时较高的黏土矿物含量，也保证了页岩气产量的有序和稳定[19]。通过桑植牛蹄塘组页岩与美国Barnett页岩中的硅质矿物、碳酸盐矿物及黏土矿物三端元分布对比(图10)，可以看出，桑植牛蹄塘组页岩三端的矿物含量和组成较为相似，脆性矿物含量并不算低，黏土矿物含量较高，可以预测，同等条件硅质矿物及黏土矿物含量对比下，如果工艺选择得当，压裂增产措施有效，便可获得较为可观的页岩气流。

图10 桑植地区牛蹄塘组页岩与美国Barnett页岩[19]的碳酸盐矿物、硅质矿物及黏土矿物含量对比

3 结论

(1)桑植牛蹄塘组页岩沉积相类型为陆棚相和斜坡相，发育了石煤、碳质页岩和硅质页岩，有效厚度大，邻区走马镇牛蹄塘组剖面显示，黑色页岩累积厚度达40 m。

(2)桑植牛蹄塘组页岩有机地化特征方面： 有机质丰度在2%以上，干酪根类型主要为Ⅱ1型、少见Ⅰ型，有机质成熟度平均3.5%，为较好烃源岩； 有机质演化与黏土矿物成岩阶段有较好的对应关系，成岩矿物转化阶段与有机质生油、生气门限基本一致，处于中成岩晚期至晚成岩阶段，有机质处于高成熟到过成熟阶段，大量生成干气和裂解气。

(3)桑植牛蹄塘组页岩平均孔隙度为9%，孔裂缝形态各异,原生孔、次生孔、矿物质孔及天然裂缝、构造裂缝等为页岩气富集提供了空间和运移通道； 与北美主要页岩气盆地的页岩矿物含量和组成较为相似，脆性矿物含量高，易造缝造储。

综上所述，牛蹄塘组页岩为优质页岩，页岩气的成藏条件较好—好，其勘探、开发潜力大。如果工艺选择得当，压裂增产措施有效，可获得较为可观的页岩气流。

致谢：感谢山西省地质调查院赵俊斌同志和湖南省地质调查院姜文同志对本文页岩样品采集、实验数据及分析方面给予的支持。