龙山区块牛蹄塘组页岩气资源评价与勘探有利区研究

黄江杰，李常辉，潘志刚

(1.湖南省水文地质环境地质调查监测所，湖南 长沙 410129；2.中国地质调查局长沙自然资源综合调查中心，湖南 长沙 410600)

页岩气是一种清洁高效的非常规天然气战略资源，在实现“双碳”目标和能源转型过程中发挥着重要作用，影响着国家经济发展与社会稳定[1]。近些年，中国的页岩气产业发展迅速[2]，年产量由2010年的0 m3增长到2020年的200×108m3，已逐渐成为中国天然气产量的主要增长点[3]，初步预计2025年中国页岩气产量将达到300×108m3，2030年将达到350×108～400×108m3[4]。中国南方扬子陆块海相页岩气勘探开发不断取得突破，在涪陵、威远、长宁、昭通和南川等地区已发现了数个探明储量超千亿立方米的页岩气田[5-8]。扬子陆块广泛发育震旦系、寒武系、奥陶系、志留系、石炭系和二叠系等多套海相富有机质页岩，页岩气资源潜力巨大[5-8]。

对于页岩气的资源潜力评价指标，国内外学者所用参数基本相似。加拿大[9]、尼日尔[10]、巴基斯坦[11]、伊朗[12]等国家主要利用页岩气的TOC、Ro、有效储层厚度、含气量、黏土矿物含量以及埋深等参数开展评价页岩气评价。湖南省位于中上扬子地区，有龙山区块、保靖区块、花垣区块、桑植区块、永顺区块共5个页岩气勘查区块，其中保靖区块、花垣区块、桑植区块、永顺区块等4个区块的页岩气地质特征及资源潜力综合评价已有较为丰富的成果[13-15]。然而，前人对页岩气成藏的地质特征研究主要是与北美页岩气对比，忽视了地质背景及成岩时代的差别，同时对湖南省龙山区块牛蹄塘组的页岩气地质特征及资源潜力尚未见相关文献报道。因此，亟需对龙山区块牛蹄塘组开展地质调查并采用实验测试手段，研究其TOC、Ro、有机质类型、矿物组成、孔裂隙发育特征和页岩气成藏保存条件，评价资源潜力，估算页岩气资源量，优选页岩气有利区，为进一步勘探提供依据。

1 地质背景

1.1 地层

龙山区块地层由老至新出露寒武系、奥陶系、志留系下统、二叠系、三叠系(图1)，其中寒武系下统牛蹄塘组、志留系下统龙马溪组为两套富有机质黑色页岩(图2)。

图2 龙山区块地层野外照片Fig.2 Field photos of strata in Longshan Block

1.2 构造

龙山区块大地构造位置处于中扬子武陵山脉西侧，鹤峰复背斜南缘与桑植复向斜之间。自下寒武统沉积以来经历了加里东运动、华力西运动、印支运动、燕山运动及喜马拉雅运动等多期构造运动，对区内构造格局形成和演化产生了重大影响。龙山区块位于典型的隔槽式褶皱带中，地质构造条件较为复杂，由西向东有咱果坪背斜、洛塔向斜、比耳背斜和猛必向斜，整体构造呈NE向展布(图1)。由于受多期构造运动影响，其中向斜轴部宽缓，两翼相对较陡，地层倾角为20°～40°。

龙山区块区内断裂构造发育较少，以北东向断裂构造为主，少量北西向断裂构造。贯穿全区的断裂构造为砂坪热水洞逆断层，走向NE，倾向SE。该断裂在龙山区块内中部的比耳背斜的轴部出露，切割了志留系、奥陶系和寒武系上统，对寒武系下统牛蹄塘组未造成破坏。

1-三叠系下统；2-二叠系上统；3-二叠系下统；4-泥盆系上统；5-志留系上统；6-志留系中统；7-志留系下统；8-奥陶系；9-寒武系上统；10-寒武系中统；11-寒武系下统；12-震旦系；13-区块边界；14-断层图1 龙山区块地质及剖面简图Fig.1 Geological and section diagram of Longshan Block

2 页岩气成藏主控因素分析

本文研究在龙山区块牛蹄塘组共采集了62件具有代表性的富有机质黑色页岩样品，并对所采样品开展有机质含量、成熟度、干酪根类型、矿物组成、物性参数、孔隙类型和含气性等页岩气成藏主控因素测试分析。

2.1 页岩发育特征

寒武系下统牛蹄塘组黑色页岩，属于较为典型的海相沉积。湘西北地区在早寒武世发生的大规模海侵造成了牛蹄塘组与灯影组之间的沉积间断。随着海平面继续上升，牛蹄塘组下部沉积了一套含磷碎屑岩和黑色页岩的岩石组合。经历较长时间的海侵之后，海平面开始逐渐下降，牛蹄塘组上部以颗粒状碳酸盐岩沉积为主，纵向上颗粒逐渐变粗，沉积物主要为泥岩和页岩，粉砂岩较少。 综合纵向岩相特征，牛蹄塘组表现出明显的垂向岩性差异，底部为黑色碳质、硅质页岩，中上部逐渐过渡为深灰色粉砂质、砂质页岩，整体上呈现由深水相进入浅水相的沉积特征。

牛蹄塘组在湘西地区广泛发育，且沉积厚度大，一般达到70～250 m。根据本次野外调查及参考相关文献[13]，龙山区块牛蹄塘组黑色页岩厚度为30～150 m，平均约90 m，总体表现为东部厚、西部薄。

龙山区块主体构造形态为一系列北北东向向背斜构造组成的复式褶皱，地层保存较为完整，寒武系下统牛蹄塘组埋深受构造控制作用明显。据推测，区块内牛蹄塘组埋深一般大于800 m，猛比向斜、洛塔向斜轴部为埋藏深度最大区域(大于4 000 m)，其中猛比向斜轴部最深处埋深可能达到5 000 m(图3)。

图3 龙山区块牛蹄塘组黑色页岩综合评价图Fig.3 Comprehensive evaluation map of black shale in Niutitang Formation in Longshan Block

2.2 有机质含量

龙山区块牛蹄塘组页岩有机质含量为2.5%～3.3%，总体表现为由西向往东方向逐渐增高(图3)，平均值为2.73%，高于慈页1井(2.48%)[16]，低于黄地1井(3.55%)[17]和永顺区块(5.91%)[13]。对此美国和中国上扬子区处于开发中页岩气的页岩TOC含量一般大于2.0%，并且研究发现页岩中TOC>2.0%是产气页岩的门限条件。因此，龙山区块牛蹄塘组TOC含量高于2%，表明其生烃能力强，是页岩气理想的目标层系。

2.3 有机质类型

有机质的类型不但对黑色页岩的生烃能力有一定的影响作用，还会影响天然气的扩散率和吸附率[14]。龙山区块牛蹄塘组页岩干酪根类型为Ⅰ型(表1)，基本与慈页1井(Ⅰ型)[16]、黄地1井(Ⅰ型)[17]和永顺区块(Ⅰ型，少量Ⅱ1型)[13]一致。因此，牛蹄塘组页岩干酪根类型对页岩气的形成是十分有利的。

表1 龙山区块牛蹄塘组干酪根显微组分数据Table 1 Data of kerogen micro-components ofNiutitang Formation in Longshan Block

2.4 有机质成熟度

有机质成熟度(Ro)即有机质热演化程度，是控制页岩中有机质生烃能力的主要因素，直接关系到页岩气资源潜力。另外，适中的热演化(Ro=2%～3%)有利于页岩气的聚集保存，而过高的热演化(Ro>3.5%)将产生不利影响，因为随着成熟度增高，页岩中的比表面积和孔体积大的蒙脱石会转变为比表面积和孔体积小的绿泥石，导致含气性较差[18]。

龙山区块牛蹄塘组Ro=1.37%～3.11%，总体表现为由南向往北方向逐渐增高(图3)，平均值为2.57%，高于慈页1井(2.08%)[16]、黄地1井(2.37%)[17]和永顺区块(2.48%)[13]。研究表明，龙山区块牛蹄塘组黑色页岩有机质处于高成熟-过成熟阶段，热演化适中，气体以热演化直接生气和裂解气为主。

2.5 矿物组成

矿物组成是页岩气储层研究的基础，由于受物源输入、沉积环境及成岩演化等因素的控制，页岩的矿物组成表现出明显的非均质特性，影响了页岩的裂缝发育、岩石的力学性质、气体的吸附能力等，其中，脆性矿物和黏土矿物含量是后期压裂参数与工程工艺选择的有效依据[19]。根据研究成果具备商业开发条件的页岩，其脆性矿物含量一般高于40%，黏土矿物含量低于50%。目前国内外已经取得成功开采的经验显示，最有利于页岩气形成和开发的黏土矿物含量为20%～45%。

龙山区块牛蹄塘组脆性矿物以石英矿物为主，其次为长石、碳酸盐、黄铁矿等，其中石英含量为3.73%～74.75%、钾长石含量为0.97%～4.68%、斜长石含量为2.86%～24.44%、铁白云石含量为0.79%～24.14%、菱铁矿含量为0.40%～0.93%、黄铁矿含量为0.41%～3.11%。通过计算脆性矿物含量为32.10%～96.87%，平均值为60.42%，高于慈页1井(57.4%)[16]和黄地1井(51%)[17]，低于永顺区块(84.6%)[13]。黏土矿物含量为1.94%～42.83%，平均值为25.73%，低于慈页1井(26.4%)[16]和黄地1井(38.3%)[17]，高于永顺区块(14.87%)[13]。另外，经研究发现石英含量低，碳酸盐含量高时，酸液进入储层后与其发生反应形成二次沉淀，会导致孔隙度减小，甚至堵塞孔喉，造成储层渗透率降低[19]。龙山区块牛蹄塘组石英含量明显高于碳酸盐，其矿物组成有利于天然裂隙的发育和后期人工造缝。

2.6 孔裂隙发育特征

页岩气可以游离于大孔隙和裂缝中，也能吸附在微小孔隙的表面，因此不同尺度的孔隙和裂隙在一定程度上控制了吸附气和游离气比例[19]。根据所采样品扫描电镜分析显示(图4)，龙山区块牛蹄塘组页岩中孔隙类型主要包括有机质孔隙、粒间孔隙、粒内孔隙。其中有机质孔隙分布于有机质内部及边缘，孔径一般小于100 nm，呈长条状、球状、不规则状等；粒间孔隙分布于黏土矿物边缘，常见黏土矿物层间片孔隙，呈狭缝状、锲状，孔径一般为5～30 μm；粒内孔隙多分布于长石、石英，以溶蚀孔隙为主，呈球状、不规则状，孔径一般为100～300 nm。根据脉冲法实验结果显示，牛蹄塘组样品孔隙度为0.8%～3.7%，平均值为2.09%，高于黄地1井(0.5%)[17]，低于永顺区块(2.97%)[13]。样品进行氮气渗透率测试显示，牛蹄塘组样品的渗透率为0.006～1.470 mD，平均值为0.017 6 mD，高于黄地1井(0.001 4 mD)[17]和永顺区块(0.014 67)[13]。

图4 龙山区块牛蹄塘组页岩扫描电镜图Fig.4 SEM of shale of Niutitang Formation in Longshan Block

龙山区块牛蹄塘组页岩属于低孔-特低渗页岩气储层，页岩裂隙没有普遍发育，孔隙之间的连通性较差，在一定程度上降低了页岩的导流效果。与已点火成功的邻区相比[13,17]，本区牛蹄塘组页岩的渗透率均相对较高，另外通过压裂可以增加孔隙之间的连通性，进一步提高页岩气的解析效率和储层的渗透率，有利于页岩气的勘探开发。

3 页岩气成藏保存条件

龙山区块牛蹄塘组富有机质页岩厚度较大(平均为90 m)，TOC含量高(平均值为2.73%)，Ro达到生烃标准(平均值为2.57%)，页岩裂隙没有普遍发育，孔隙之间的连通性较差，因此牛蹄塘组页岩可以形成一个封闭不渗漏的储集体将页岩气封存在页岩层中，相当于常规油气藏中的圈闭。

3.1 顶底板条件与页岩气保存

牛蹄塘组顶板为杷榔组，岩性主要为深灰色、灰黄色页岩夹钙质页岩、泥灰岩及灰岩，底部见一层灰色中-厚层灰岩，厚度为196 m，横向分布稳定，为发育良好的区域性盖层。灰岩岩性致密，可以对页岩气向上逸散起到很好的隔板作用，形成良好的盖层。牛蹄塘组底板为震旦系灯影组，岩性主要为一套灰黑色-灰色薄层硅质岩、灰岩，厚度大于50 m，横向分布稳定，岩性致密，在底部能起到较好的封堵作用。另外牛蹄塘组页岩属于低孔-特低渗页岩气储层，孔隙连通性较差，其自封闭条件较好。因此，龙山区块牛蹄塘组页岩气保存条件较好。

3.2 构造运动与页岩气保存

龙山区块受多期构造运动影响，构造类型较为复杂。前人研究发现宽缓褶皱、逆冲断层的下盘且远离区域正断层的页岩含气性较好，而构造变形强烈，地层产状变化大，断层发育、地层破碎，其页岩含气性差[20]。

龙山区块洛塔向斜和猛必向斜，向斜轴部宽缓，两翼相对较陡，地层保存较为完整，断裂构造发育较少。砂坪热水洞逆断层为区域性断裂，其在洛塔向斜和猛必向斜之间的比耳背斜轴部出露，切割了志留系、奥陶系和寒武系上统，对寒武系下统牛蹄塘组未造成破坏(图1)，因此，龙山区块牛蹄塘组具有良好的页岩气保存条件。

4 页岩气资源潜力分析及勘探有利区研究

4.1 资源潜力分析

按照页岩气远景区优选指标[21]：①富有机质页岩层段厚度大于15 m；②有机质含量≥0.5%；③有机质成熟度Ro=0.5%～3.5%；④埋深介于500～4 500 m。

龙山区块牛蹄塘组黑色页岩平均厚度约为90 m，TOC平均值为2.73%，Ro平均值为2.57%，推测埋深为800～4 500 m。根据上述页岩气远景区优选指标，结合龙山区块牛蹄塘组页岩成藏地质条件及储层参数，初步圈定研究区内牛蹄塘组页岩有效分布面积为868 km2。

采用体积法，估算龙山区块牛蹄塘组页岩气资源潜力(表2)。 体积法计算页岩气资源量公式见式(1)。

表2 龙山区块牛蹄塘组页岩气资源量Table 2 Shale gas resources of Niutitang Formationin Longshan Block

Q=0.01h×S×ρ×Φ

(1)

式中：Q为体积法计算的资源量，108m3；h为有效页岩厚度，m；S为页岩有效展布面积，km2；ρ为页岩密度，g/cm3；Φ为页岩含气量，m3/t。

通过估算，龙山区块牛蹄塘组页岩气资源量为1 499.90×108～4 555.96×108m3，资源丰度为1.73×108～5.23×108m3/km2。 与邻区花垣页岩气区块的资源丰度(1.50×108～2.61×108m3/km2)相比较[14]，龙山区块牛蹄塘组页岩气资源具备较好的资源潜力。

4.2 勘探有利区研究

1) 综合风险评价标准。龙山区块具有较为良好的页岩气成藏主控因素和页岩气保存条件，但并不代表能形成高含气量的页岩气藏。在系统分析页岩气成藏基础地质特征和保存条件的基础上，参考页岩气远景区、有利区和目标区的评价标准(表3)，综合考虑页岩发育厚度、有机质丰度、有机质热演化程度、脆性矿物含量、孔隙度、区域性断裂发育情况、自封闭条件、顶底板厚度、顶底板封盖条件、构造条件、埋深及地形条件等因素[14,22]，对牛蹄塘组页岩层系开展勘查综合风险评价，将龙山区块划分为低风险区、中风险区、高风险区，其中低风险区即为勘探的首要优选区。

表3 龙山区块页岩气综合风险评价标准Table 3 Comprehensive risk assessment criteria for shale gas in Longshan Block

2) 评价结果及勘探优选区。 寒武系下统牛蹄塘组在龙山区块全区发育，通过综合风险评价发现(表4)，区块内牛蹄塘组页岩厚度、TOC、Ro等评价因素均达到低风险水平，勘探风险主要取决于黑色页岩埋深。 根据地层埋深分布规律，可将牛蹄塘组划分为低风险勘探区和中风险勘探区，低风险勘探区面积约为627.7 km2，中风险面积约为240.3 km2，其中低风险区主要分布在洛塔向斜两翼及猛必向斜内埋深4 000 m以浅的位置(图5)，为下一步勘探的主要优选区。

图5 龙山区块寒武系下统牛蹄塘组页岩气勘探风险评价图Fig.5 Risk assessment of shale gas exploration in the Niutitang Formation of the Lower Cambrian in the Longshan Block

表4 龙山区块牛蹄塘组综合风险评价结果Table 4 Comprehensive risk assessment results of Niutitang Formation in Longshan Block

5 结 论

通过对龙山区块牛蹄塘组页岩开展TOC、Ro、有机质类型、矿物组成、孔裂隙发育特征和页岩气成藏保存条件等研究，并与邻区进行对比，分析页岩气成藏条件，评价资源潜力，优选页岩气有利区，估算页岩气资源量，得到结论如下所述。

1) 牛蹄塘组为海相沉积，黑色页岩厚度平均约90 m，TOC平均值为2.73%，Ro平均值为2.57%，属于高成熟-过成熟阶段，在有机地化方面与邻区相似，生烃条件良好，具有较好的页岩气资源潜力。

2) 牛蹄塘组页岩脆性矿物含量平均值为60.42%，黏土矿物含量平均值为25.73%，孔隙度平均值为2.09%，渗透率平均值为0.017 6 mD，在储层特征方面与邻区相近，具备较好的储集空间及开发条件。

3) 牛蹄塘组页岩顶底板均有致密岩性封堵，且无断裂切入，具有良好的页岩气保存条件；采用体积法计算页岩气资源量为1 499.90×108～4 555.96×108m3，资源丰度优于邻区；通过综合风险评价，勘探有利区主要分布在洛塔向斜两翼及猛必向斜内埋深4 000 m以浅的位置，是下一步勘探的首要优选区。