張琳婷，郭建華，焦鵬 ，張振,

(1. 中南大學(xué) 地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，410083；2. 中石化勝利石油工程有限公司地質(zhì)錄井公司，山東 東營(yíng)，257064)

頁(yè)巖氣屬于非常規(guī)天然氣資源的一種，作為一種重要的能源礦產(chǎn)和戰(zhàn)略資源，在石油緊缺和能源安全日益嚴(yán)峻的今天，已引起國(guó)內(nèi)高度關(guān)注[1]。中國(guó)頁(yè)巖氣主要發(fā)育于南方、華北—東北、西北及青藏等四大地區(qū)[2-3]，研究區(qū)位于南方地區(qū)。Curtis[4]對(duì)頁(yè)巖氣進(jìn)行了界定并認(rèn)為，頁(yè)巖氣在本質(zhì)上就是連續(xù)生成的生物化學(xué)成因氣、熱成因氣或兩者的混合，它具有普遍的地層飽含氣性、含氣面積大、隱蔽聚集、多種巖性封閉以及相對(duì)很短的運(yùn)移距離等特點(diǎn)，可以在天然裂縫和孔隙中以游離方式存在、在干酪根和黏土顆粒表面上以吸附狀態(tài)存在，甚至在干酪根和瀝青質(zhì)中以溶解狀態(tài)存在。張金川等[5-6]認(rèn)為，頁(yè)巖氣是指主體位于暗色泥頁(yè)巖或高碳泥頁(yè)巖中，以吸附或游離狀態(tài)為主要存在方式的天然氣聚集。在頁(yè)巖氣藏中，天然氣也存在于夾層狀的粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖甚至砂巖地層中，為天然氣生成之后在源巖層內(nèi)就近聚集的結(jié)果，表現(xiàn)為典型的“原地”成藏模式。自生自儲(chǔ)、吸附作用及由此產(chǎn)生的大規(guī)模聚集是頁(yè)巖氣的重要地質(zhì)特點(diǎn)。湘西北地區(qū)油氣勘探工作已陸續(xù)開展了50余年，雖然取得了一定的勘探成果，但由于該區(qū)油氣地質(zhì)條件復(fù)雜，即油氣有機(jī)質(zhì)演化程度高、油氣成藏及保存條件復(fù)雜，造成對(duì)油氣勘探工作難度大，勘探成本高。而頁(yè)巖氣與常規(guī)天然氣藏不同，其成藏條件較常規(guī)天然氣藏簡(jiǎn)單，這為研究區(qū)天然氣的勘探帶來了新的契機(jī)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

圖1 所示為研究區(qū)位置示意圖。由圖1 可見：研究區(qū)位于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)東南緣上揚(yáng)子臺(tái)褶帶與江南地軸結(jié)合部位的武陵褶斷帶內(nèi)；西北側(cè)以NEE 向展布的慈利—保靖斷裂帶為界，與江南隆起帶相隔；在下寒武統(tǒng)的地層分區(qū)上，除龍山茨巖塘至桑植五道水一線的西北屬于揚(yáng)子區(qū)外，其余為武陵山過渡區(qū)，隸屬于揚(yáng)子區(qū)和江南區(qū)之間的過渡地帶[7]；武陵期至燕山期，研究區(qū)經(jīng)歷了多期次地殼構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，褶皺和斷裂構(gòu)造發(fā)育，構(gòu)造線方向由NNE 向逐漸偏轉(zhuǎn)為NE 向，構(gòu)成了湘西弧形構(gòu)造帶之西北端。

圖1 研究區(qū)位置示意圖Fig.1 Location map of research area in Northwestern Hunan

2 成藏條件分析

頁(yè)巖氣特殊的成藏機(jī)理使其成藏條件較常規(guī)氣藏要簡(jiǎn)單，從而使得頁(yè)巖氣藏能夠大面積展布，即與泥頁(yè)巖類烴源巖展布范圍基本一致。廣義上的頁(yè)巖氣普遍發(fā)育且分布廣泛，但要形成具有工業(yè)勘探開發(fā)價(jià)值的頁(yè)巖氣尚需具備相應(yīng)的地質(zhì)條件[6,7]：頁(yè)巖層總有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般大于2%，有機(jī)質(zhì)熱成熟度在生氣范圍之內(nèi)，鏡質(zhì)體反射率(Ro)一般超過1.1%，區(qū)域上連續(xù)分布的頁(yè)巖厚度一般在30 m 以上，埋藏深度小于3.5 km；裂縫發(fā)育，吸附氣含量高等。

2.1 牛蹄塘組泥頁(yè)巖分布特征

自震旦紀(jì)以來，湖南省內(nèi)經(jīng)歷了加里東早期、加里東晚期、海西早期、海西晚期—印支期及印支—喜山期5 次大的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)與成盆期。加里東早期成盆期，經(jīng)晉寧運(yùn)動(dòng)固結(jié)后的揚(yáng)子板塊在原特提斯擴(kuò)張作用下，形成震旦至早奧陶世末的揚(yáng)子?xùn)|南被動(dòng)陸緣盆地，其沉積充填由臺(tái)地碳酸鹽巖到陸棚斜坡-盆地相欠補(bǔ)償?shù)哪囗?yè)巖系構(gòu)成，縱向上逐漸變細(xì)、變薄，反映了從陸殼伸展到裂離的變化過程。湖南省內(nèi)泥頁(yè)巖發(fā)育于晚震旦世、早寒武世和晚奧陶世，其中最主要的是早寒武世。

湘西北下寒武統(tǒng)自下而上依次分為牛蹄塘組、杷榔組和清虛洞組[8]，下寒武統(tǒng)泥質(zhì)烴源巖主要發(fā)育于牛蹄塘組，對(duì)應(yīng)于最大海泛面低能環(huán)境，為碳酸鹽巖臺(tái)地的陸棚斜坡-盆地沉積。圖2 所示為湘西北下寒武統(tǒng)牛蹄塘組泥頁(yè)巖野外剖面。由圖2 可見：牛蹄塘組巖性主要為含磷碎屑巖和黑色碳質(zhì)硅質(zhì)泥頁(yè)巖組合，屬于較典型的海相黑色頁(yè)巖沉積模式，連續(xù)沉積于上震旦統(tǒng)燈影組白云巖、硅質(zhì)白云巖之上，可分為上、下2 段：下段以灰黑色碳質(zhì)頁(yè)巖為主，底部為薄層含磷硅質(zhì)碳質(zhì)頁(yè)巖與黑色硅質(zhì)巖互層，局部可見灰?guī)r透鏡體或泥灰?guī)r與碳質(zhì)頁(yè)巖互層；上段主要為黑色碳質(zhì)頁(yè)巖，少量碳質(zhì)、硅質(zhì)泥頁(yè)巖及含碳質(zhì)粉砂質(zhì)泥巖。圖3 所示為湘西北地區(qū)永定大坪下寒武統(tǒng)牛蹄塘組剖面。由圖3 可見：下寒武統(tǒng)牛蹄塘組厚106.7 m，巖性以黑色碳質(zhì)頁(yè)巖為主，黑色碳質(zhì)頁(yè)巖厚度占到剖面總厚度的70%以上。

圖2 湘西北下寒武統(tǒng)牛蹄塘組泥頁(yè)巖野外剖面照片F(xiàn)ig.2 Photos of shale outcrop of Lower Cambrian Niutitang Formation in Northwestern Hunan

圖3 湘西北地區(qū)永定大坪下寒武統(tǒng)牛蹄塘組剖面Fig.3 Outcrop of Lower Cambrian Niutitang Formation in the DaPing YongDing region, Northwestern Hunan

作為我國(guó)南方四套區(qū)域性海相烴源巖層系之一[10]，下寒武統(tǒng)牛蹄塘組烴源巖在研究區(qū)內(nèi)分布廣泛?？臻g上，由于受到燈影組沉積后的剝蝕古地形控制，湘西北地區(qū)顯示出北西低南東高的緩坡狀古構(gòu)造面貌，圖4 所示為湘西北下寒武統(tǒng)牛蹄塘組暗色泥頁(yè)巖厚度、有機(jī)質(zhì)豐度及熱演化程度疊合圖，圖5 所示為湘西北桑植—石門復(fù)向斜構(gòu)造大剖面綜合解釋圖[9]。由圖4 和圖5 可見：該區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組暗色泥頁(yè)巖在平面上分布穩(wěn)定，總體呈南東向北西遞增趨勢(shì)，厚度一般為50～200 m，現(xiàn)今殘留面積約為5.0×104km2，其中厚度大于30 m 的殘留面積約為4.4×104km2。

2.2 泥頁(yè)巖有機(jī)地化特征

2.2.1 有機(jī)質(zhì)豐度

高有機(jī)碳含量使得頁(yè)巖具有較好的成烴物質(zhì)基礎(chǔ)，同時(shí)有利于頁(yè)巖氣的吸附，對(duì)于形成頁(yè)巖氣藏具有積極意義。表1 所示為頁(yè)巖氣源巖有機(jī)碳含量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[19]。由表1 可見：斯倫貝謝公司在統(tǒng)計(jì)分析北美頁(yè)巖氣含氣盆地開發(fā)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，提出的頁(yè)巖氣源巖的有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到工業(yè)開采的最低標(biāo)準(zhǔn)原則上應(yīng)該超過2%。湘西北下寒武統(tǒng)牛蹄塘組泥頁(yè)巖具有高有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)，圖4 所示為湘西北下寒武統(tǒng)牛蹄塘組暗色泥頁(yè)巖厚度、有機(jī)質(zhì)豐度及熱演化程度疊合圖。由圖4 可見：在平面上，有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)受到沉積環(huán)境的控制，泥頁(yè)巖的沉積中心與有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高的區(qū)域比較吻合。本次野外共采集有機(jī)碳樣品46塊，樣品點(diǎn)分布在大庸、永順、古丈、桑植和石門等地。表2 所示為湘西北地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁(yè)巖測(cè)試結(jié)果，圖6 所示為湘西北牛蹄塘組實(shí)測(cè)樣品有機(jī)碳含量分布頻率。由表2 和圖6 可見：最高的樣品有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到23.25%，最小值僅為0.14%，平均為7.11%；在46 個(gè)數(shù)據(jù)中，有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.5%的為9 塊，占總樣數(shù)的19.6%；在0.5～1.0%區(qū)間的樣品僅4 塊，占總樣數(shù)的8.7%；1.0～2.0%區(qū)間的樣品僅1塊，占總樣數(shù)的2.2%；2.0%～4.0%區(qū)間的樣品為3 塊，占總樣數(shù)的6.5%；4.0%～12.0%區(qū)間的樣品為18 塊，占總樣數(shù)的39.1%；大于12.0%的樣品也為11 塊，占總樣數(shù)的23.9%。若以有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%為達(dá)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，則本次樣品測(cè)試分析達(dá)標(biāo)率為69.5%。

表1 頁(yè)巖氣源巖有機(jī)碳含量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Evaluation standard of organic carbon content of shale gas source rock[19]

圖4 湘西北下寒武統(tǒng)牛蹄塘組暗色泥頁(yè)巖厚度、有機(jī)質(zhì)豐度及熱演化程度疊合圖Fig.4 Congruence of thickness, TOC and Ro of dark shale of Lower Cambrian Niutitang Formation in Northwestern Hunan

圖5 湘西北桑植—石門復(fù)向斜構(gòu)造大剖面綜合解釋圖[9]Fig.5 Comprehensive interpretation of the large section with in Sangzhi—Shimen syncline region, Northwestern Hunan[9]

2.2.2 有機(jī)質(zhì)類型

有機(jī)質(zhì)類型決定了烴源巖生烴能力，是評(píng)價(jià)烴源巖生烴潛力的重要指標(biāo)。北美頁(yè)巖氣含氣盆地的頁(yè)巖烴源巖干酪根類型統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：干酪根主要為Ⅱ或Ⅰ型干酪根，少量為Ⅲ型干酪根[4,10-14]。頁(yè)巖中干酪根類型不同，不僅影響頁(yè)巖氣的數(shù)量，對(duì)天然氣的吸附和擴(kuò)散也有較大影響。

表2 湘西北地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁(yè)巖測(cè)試結(jié)果Table 2 Experiment results of Lower Cambrian Niutitang Formation shale in Northwestern Hunan

圖6 湘西北牛蹄塘組實(shí)測(cè)樣品有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布頻率Fig.6 Measured total organic carbon content of Niutitang Formation in Northwestern

已有研究表明[15-17]：湘西北下寒武統(tǒng)牛蹄塘組烴源巖干酪根類型以Ⅰ型(腐泥型)為主，有少量Ⅱ1型(腐殖腐泥型)。烴源巖有機(jī)顯微組分所占比例由大到小依次為藻類體、動(dòng)物碎屑、鏡狀體、瀝青和藻類體，生烴物質(zhì)來源以藻類為主。

2.2.3 有機(jī)質(zhì)演化程度

有機(jī)質(zhì)成熟度是影響頁(yè)巖氣富集成藏的另一重要因素。有機(jī)質(zhì)成熟作用的過程能使泥頁(yè)巖大量生成天然氣供泥頁(yè)巖達(dá)到飽和吸附；隨著成熟度的增加，泥頁(yè)巖對(duì)天然氣的吸附量也會(huì)增加；高的熱演化可以改善泥頁(yè)巖的微觀孔隙結(jié)構(gòu)，增加游離氣含量；高演化的頁(yè)巖增加巖石的脆性，有利于對(duì)泥頁(yè)巖儲(chǔ)層的人造壓裂。

統(tǒng)計(jì)、分析湘西北及鄰區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組13個(gè)剖面40 塊烴源巖樣品鏡質(zhì)體反射率，結(jié)果見表2：從表2 可見：該套暗色泥頁(yè)巖演化程度總體較高，Ro為1.37%～3.36%，平均值為2.87%，其中7.5%的樣品Ro為1%～2%，45%的樣品Ro為2%～3%，高于3%的樣品Ro為47.5%。由圖4 可見：研究區(qū)牛蹄塘組暗色泥頁(yè)巖演化程度總體較高，Ro為2.5%～4.0%，大部分已進(jìn)入過成熟階段，局部地區(qū)已變質(zhì)，失去生烴能力。不過，根據(jù)北美頁(yè)巖氣成功的勘探經(jīng)驗(yàn)，高成熟度條件下同樣能夠形成頁(yè)巖氣藏[4,14,18]。平面上其成熟度等值線近北東向展布，高值區(qū)在桑植—石門楊家坪一線。

3 儲(chǔ)集條件分析

3.1 礦物組成

頁(yè)巖儲(chǔ)層中常見黏土礦物除高嶺土、蒙皂石、伊利石和綠泥石外，還混雜有石英、長(zhǎng)石、云母以及自生礦物鐵、鋁、錳的氧化物與氫氧化物等[13,19]。目前，美國(guó)發(fā)現(xiàn)的含氣頁(yè)巖的主要礦物組成為石英、碳酸鹽巖、黏土及干酪根。其中石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)為28%～52%，碳酸鹽巖為4%～16%，黏土為8%～25%，干酪根為2%～12%[19]。石英的質(zhì)量分?jǐn)?shù)直接影響了頁(yè)巖的脆性，石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)高的頁(yè)巖更容易在外力作用下形成天然裂縫和誘導(dǎo)裂縫，有利于天然氣滲流。所以，在實(shí)際勘探中，首選的目標(biāo)就是低泊松比、高彈性模量、富含有機(jī)質(zhì)的脆性頁(yè)巖。

表3 所示為湘西北地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組暗色頁(yè)巖儲(chǔ)層XRD 分析結(jié)果，圖7 所示為湘西北牛蹄塘組黑色頁(yè)巖與北美Barnett 頁(yè)巖礦物組成對(duì)比三角圖。由表3 和圖7 可見：湘西北下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁(yè)巖的X線衍射分析結(jié)果總體上與Barnett 頁(yè)巖的相似。由表3可見：目的層位的主要礦物成分是黏土礦物和石英；石英、長(zhǎng)石和黃鐵礦的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%～90%，碳酸鹽巖的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)往往低于20%，少數(shù)接近于0；黏土礦物(以伊利石為主)的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%～50%；與Barnett 頁(yè)巖相比，牛蹄塘組的脆性礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)偏高，說明研究區(qū)頁(yè)巖脆性礦物發(fā)育，有利于后期壓裂改造形成裂縫，有利于頁(yè)巖氣滲流。值得注意的是：碳酸鹽巖質(zhì)量分?jǐn)?shù)低，尤其是方解石的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低，對(duì)產(chǎn)生溶蝕溶孔不利[20]。

3.2 物性特征

在頁(yè)巖氣藏儲(chǔ)層研究中，孔隙度和滲透率這2 個(gè)常規(guī)儲(chǔ)層特征研究中最重要的參數(shù)依然適用。頁(yè)巖儲(chǔ)層中游離態(tài)天然氣的含量受孔隙度的影響，而可由滲透率能夠判斷頁(yè)巖氣藏是否具有經(jīng)濟(jì)開發(fā)價(jià)值。頁(yè)巖氣儲(chǔ)層最顯著的物性特征就是低孔、致密和特低滲。北美主要產(chǎn)氣頁(yè)巖儲(chǔ)層巖心分析總孔隙度為2.0%～14.0%，平均為4.22%～6.51%；測(cè)井孔隙度為4.0%～12.0%，平均為5.2%；充氣孔隙度為1.0%～7.5%，充水孔隙度為1.0%～8.0%。滲透率普遍低于0.1 mD，平均喉道半徑低于0.005 μm[20]。

在研究區(qū)取得6 塊頁(yè)巖樣品的儲(chǔ)層孔滲參數(shù)。分析的孔隙度分布區(qū)間為0.90%～4.28%，平均孔隙度為2.02%；滲透率為0.001～0.061 mD，平均為0.020 mD，平均孔喉半徑為0.019～0.024 μm。龍山、保靖等地鉆遇牛蹄塘組的井中的氣流顯示湘西北下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁(yè)巖具備儲(chǔ)集條件。

含水飽和度和含油飽和度過高都會(huì)降低頁(yè)巖產(chǎn)氣效率[20]。這是因?yàn)椋核葰獾奈叫阅芎?，甲烷吸附容量?huì)因部分活性表面被水占據(jù)而降低；含水飽和度往往隨頁(yè)巖成熟度增加而減小，高成熟度的頁(yè)巖含氣量可能更高；含油飽和度過大除了會(huì)降低含氣飽和度外，還會(huì)因油分子太大堵塞微孔隙和喉道，減小氣體的流速，對(duì)頁(yè)巖氣產(chǎn)出不利。在評(píng)價(jià)頁(yè)巖氣有利勘探區(qū)時(shí)，國(guó)外將頁(yè)巖儲(chǔ)層含水飽和度和含油飽和度下限值分別設(shè)定為45%和5%。

表3 湘西北地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組暗色頁(yè)巖儲(chǔ)層XRD 分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 3 XRD analysis results of Lower Cambrian Niutitang Formation dark shale reservoirs in Northwestern Hunan %

圖7 湘西北牛蹄塘組黑色頁(yè)巖與北美Barnett 頁(yè)巖礦物組成對(duì)比三角圖Fig.7 Contrast of triangular diagram of mineral composition of shale between Niutitang Formation and Barnett

3.3 儲(chǔ)滲空間特征

頁(yè)巖基質(zhì)孔隙和裂縫是頁(yè)巖儲(chǔ)層的主要儲(chǔ)滲空間。常見的基質(zhì)孔隙有殘余原生孔隙、有機(jī)質(zhì)生烴形成的微孔隙及不穩(wěn)定礦物溶蝕形成的溶蝕孔等。頁(yè)巖儲(chǔ)層原生孔隙一般由微細(xì)的孔隙組成，具有極大的內(nèi)表面積，擁有相當(dāng)大的潛在吸附空間，可以吸附和儲(chǔ)存大量氣體。Jarvie 等[21]認(rèn)為，在生烴演化過程中，有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%的頁(yè)巖消耗質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35%的有機(jī)碳可使頁(yè)巖孔隙度增大4.9%。圖8 所示為掃描電鏡下頁(yè)巖孔隙結(jié)構(gòu)和構(gòu)造縫特征。由圖8(a)和8(b)可見：研究區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組黑色頁(yè)巖中顆粒被溶蝕現(xiàn)象，溶蝕孔以微米級(jí)孔隙較發(fā)育，少量納米級(jí)孔隙，孔徑幾百納米至幾十微米不等?？紫兜拇嬖跒轫?yè)巖儲(chǔ)層提供了儲(chǔ)集空間，也證明牛蹄塘組具有良好的儲(chǔ)集條件。

頁(yè)巖地層中可以發(fā)育不同規(guī)模的微裂縫或裂縫，在成因上分為內(nèi)、外因2 個(gè)方面。內(nèi)因主要是巖石類型和礦物學(xué)特征；外因如生烴過程、地層孔隙壓力、各向異性的水平壓力、褶皺作用和斷層作用等都與裂縫的形成密切相關(guān)。美國(guó)在開發(fā)東部頁(yè)巖氣初期，選擇天然裂縫相對(duì)發(fā)育區(qū)帶作為主要勘探目標(biāo)，因?yàn)樵谕葪l件下，裂縫的發(fā)育會(huì)大大提高頁(yè)巖的孔隙度，改善滲透能力，提高頁(yè)巖氣生產(chǎn)速率。

圖8 掃描電鏡下頁(yè)巖孔隙結(jié)構(gòu)和構(gòu)造縫特征Fig.8 Pore-fracture and structural seam characteristic under SEM

研究區(qū)與美國(guó)東部地區(qū)頁(yè)巖氣發(fā)育盆地均是古生代海相沉積背景下形成的富含有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖，后期都經(jīng)歷了大幅度的構(gòu)造抬升和強(qiáng)烈的地質(zhì)改造。研究區(qū)地層大幅度抬升，使得上覆地層剝蝕嚴(yán)重，下伏地層壓力得以釋放。在此過程中，下古生界泥頁(yè)巖巖層層面裂縫發(fā)育，提高游離儲(chǔ)集空間的同時(shí)還增加了頁(yè)巖氣的吸附面積。由圖8(c)可見：掃描電鏡觀測(cè)結(jié)果中發(fā)現(xiàn)構(gòu)造縫3 條，兩期形成：一期寬0.03 mm 左右；二期為平行分布的2 條，切割1 期，寬分別為0.07 mm和0.6 mm 左右，縫內(nèi)充填硅質(zhì)完全，其晶粒具它形結(jié)構(gòu)。利用測(cè)井曲線響應(yīng)特征也能夠達(dá)到預(yù)測(cè)頁(yè)巖儲(chǔ)層裂縫位置的目的，綜合密度與井徑曲線的反映特征，在井徑曲線上顯示為相對(duì)平直的井段, 若補(bǔ)償密度減小，則說明可能有裂縫存在[22]。

3.4 含氣量

頁(yè)巖含氣量是指每噸巖石中所含天然氣折算到標(biāo)準(zhǔn)溫度和壓力條件下(101.325 kPa，25 ℃)的天然氣總量，主要包括吸附氣含量和游離氣含量。吸附氣賦存于有機(jī)質(zhì)顆粒與黏土礦物表面，與煤層氣類似；游離氣賦存于頁(yè)巖基質(zhì)孔隙和微裂縫中，與常規(guī)天然氣相似。國(guó)外已證實(shí)的吸附氣含量占頁(yè)巖總含氣量區(qū)間為20%～85%，變化范圍較大[4,13]。由于吸附氣含量受到巖石組成、有機(jī)質(zhì)含量、地層壓力、裂縫發(fā)育程度等因素的影響，要準(zhǔn)確判斷吸附氣含量難度很大。

頁(yè)巖含氣量測(cè)定方法分為直接測(cè)定和分類測(cè)定[8]。目前應(yīng)用最廣泛的是分類測(cè)定方法，解吸和等溫吸附模擬是分類測(cè)定中常用的手段，兩者互為逆過程。由于研究區(qū)沒有鉆井取心直接進(jìn)行頁(yè)巖含氣量測(cè)試結(jié)果，只能通過頁(yè)巖的等溫吸附曲線和頁(yè)巖賦存的地質(zhì)條件估算含氣量。由圖9 可見：取埋深1.0 km，按靜水壓力估算，地層壓力為10 MPa，投影到等溫吸附曲線上得到的吸附氣含氣量為0.43～1.02 m3/t，均值為0.73 m3/t[16]。若吸附態(tài)天然氣能夠占到天然氣總量的50%(取國(guó)外吸附氣占總含氣量比例的中間值)，則頁(yè)巖含氣量為0.86～2.04 m3/t。

圖9 湘西北牛蹄塘組頁(yè)巖等溫吸附曲線[16]Fig.9 Adsorption isotherm curves of Niutitang shale in Northwestern Hunan[16]

4 有利區(qū)預(yù)測(cè)及資源潛力分析

4.1 資源潛力預(yù)測(cè)

本次采用體積法計(jì)算資源量，其計(jì)算式為[16,23-24]

式中：GIP為頁(yè)巖氣資源量，1012m3；A 為頁(yè)巖分布面積，106m2；h 為有效頁(yè)巖厚度，m；ρ 為頁(yè)巖密度，t/m3；q 為頁(yè)巖含氣量，m3/ t；Sg為含氣飽和度，%。

參數(shù)取值上，研究區(qū)牛蹄塘組暗色頁(yè)巖殘留最大面積約為50 000×106m2，頁(yè)巖密度采用鄰區(qū)的實(shí)測(cè)平均值2.51 t/m3；總含氣量取平均值1.45 m3/t；含氣飽和度按經(jīng)驗(yàn)值10%計(jì)算。依據(jù)上述參數(shù)由式(1)計(jì)算結(jié)果，研究區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁(yè)巖氣資源量為(0.5～2.1) ×1012m3，中間值為1.3×1012m3。

4.2 有利區(qū)預(yù)測(cè)

表4 所示為美國(guó)5 個(gè)大頁(yè)巖氣盆地與湘西北牛蹄塘組地質(zhì)評(píng)價(jià)參數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果。由表4 可見：湘西北地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組暗色頁(yè)巖與美國(guó)東部5 個(gè)主要產(chǎn)頁(yè)巖氣盆地產(chǎn)氣頁(yè)巖類似，亦具有暗色頁(yè)巖區(qū)域分布面積廣、頁(yè)巖的厚度大、有機(jī)碳含量高、成熟度高和埋深適中的特點(diǎn)。

鑒于研究區(qū)頁(yè)巖氣研究處于起步階段，可供研究的資料較少，因此，采用綜合信息疊合法，利用頁(yè)巖厚度、有機(jī)碳含量、在機(jī)質(zhì)類型及成熟度、埋藏深度、含氣量、孔隙與裂縫和區(qū)域構(gòu)造改造強(qiáng)度等指標(biāo)。對(duì)湘西北地區(qū)頁(yè)巖氣發(fā)育有利區(qū)進(jìn)行預(yù)測(cè)。結(jié)合頁(yè)巖氣成藏主控因素和湘西北地區(qū)暗色頁(yè)巖特征，并參照北美頁(yè)巖氣勘探開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，以富含有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖厚度(≥30 m)，殘余有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)(＞2.0%)、有機(jī)質(zhì)成熟度(Ro＞1.1%)、現(xiàn)有泥頁(yè)巖埋藏深度(Dp＜3.5 km)及區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)相對(duì)較弱等為主要評(píng)價(jià)依據(jù)。初步分析表明，研究區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁(yè)巖氣藏發(fā)育最有利區(qū)塊位于吉首—花垣—龍山一帶和桑植石門復(fù)向斜南翼斜坡帶。

表4 美國(guó)5 個(gè)大頁(yè)巖氣盆地與湘西北牛蹄塘組地質(zhì)評(píng)價(jià)參數(shù)統(tǒng)計(jì)Table 4 Geological evaluation parameters in 5 great shale gas basins and Niutitang Formation in Northwestern Hunan

5 結(jié)論

(1) 湘西北地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組暗色頁(yè)巖具有區(qū)域分布廣、厚度大、埋藏深度適中，有機(jī)質(zhì)豐度高、熱演化程度高、脆性礦物豐富、物性良好、儲(chǔ)滲空間發(fā)育等特點(diǎn)，具備頁(yè)巖氣聚集成藏的有利地質(zhì)條件。

(2) 以富含有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖(厚度≥30 m)、殘余有機(jī)碳(質(zhì)量分?jǐn)?shù)＞2.0%)、有機(jī)質(zhì)成熟度(＞1.1%)、現(xiàn)有泥頁(yè)巖埋藏深度(＜3. 5 km)及區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)相對(duì)較弱等為主要評(píng)價(jià)依據(jù)，對(duì)湘西北下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁(yè)巖氣藏發(fā)育有利區(qū)進(jìn)行預(yù)測(cè)。初步分析認(rèn)為吉首—花垣—龍山一帶和桑植石門復(fù)向斜南翼斜坡帶是研究區(qū)頁(yè)巖氣發(fā)育最有利區(qū)。

(3) 采用體積法對(duì)研究區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁(yè)巖氣資源量初步估算，資源量區(qū)間值為(0.5～2.1)×1012m3，中間值為1.3×1012m3。

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