鄭和榮，彭勇民，2，唐建信，龍勝祥，2，劉光祥，高 波，何希鵬，王運(yùn)海，顧志翔

(1.中國石化 石油勘探開發(fā)研究院，北京100083； 2.中國石化 頁巖油氣勘探開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083；3.中國石化 華東油氣分公司，江蘇 南京 210019)

近幾年來，常壓頁巖氣領(lǐng)域業(yè)已成為我國研究前沿和勘探熱點(diǎn)，中國南方地區(qū)除四川盆地超壓型頁巖氣藏外，盆外分布廣泛的常壓型頁巖氣[1-2](圖1a)，面積大，資源多。

目前，中、上揚(yáng)子地區(qū)常壓頁巖氣領(lǐng)域已展示出良好的開發(fā)潛力。首先，頁巖氣鉆井實(shí)踐揭示四川盆地邊緣南川地區(qū)勝頁2井壓裂試氣超過30×104m3/d，平橋背斜以南的金佛山斜坡焦頁10井近20×104m3/d，均取得了克拉通盆地類型的頁巖氣商業(yè)發(fā)現(xiàn)。同時(shí)，在隔檔式褶皺帶的相對(duì)穩(wěn)定區(qū)，如武隆向斜與彭水向斜，頁巖氣勘探上獲得了隆頁1井試氣超過6×104m3/d，彭頁1井2.5×104m3/d的重要突破。其次，在大陸邊緣盆地以東的中揚(yáng)子地區(qū)宜昌斜坡帶,鄂宜頁1HF并(鏡質(zhì)體反射率Ro為2.31%)于2017年壓裂測(cè)試獲得6.02×104m3/d常壓頁巖氣流[3]。鎮(zhèn)巴地區(qū)城地1井、南江地區(qū)天星1井、湘西北地區(qū)的慈頁1井以及黔中隆起的黃頁1井均見到頁巖氣流和很好的油氣顯示(圖1a)，這些失利井(如秀頁2井)原因在正文中闡述。以西的金石1井2012年直井壓裂試氣得到頁巖氣2.78×104m3/d，2014年鉆探的金頁1HF并(Ro為2.9%)壓裂測(cè)試頁巖氣6×104m3/d。針對(duì)我國常壓頁巖氣的進(jìn)展，認(rèn)為有利的深水沉積相、好的頁巖氣儲(chǔ)層品質(zhì)等是商業(yè)發(fā)現(xiàn)和重要突破的關(guān)鍵因素[1,3]，而失利井則主要是因?yàn)楸４鏃l件變差所致。前人認(rèn)為雪峰構(gòu)造帶西北側(cè)下寒武統(tǒng)的頁巖儲(chǔ)層品質(zhì)較好，屬于深水陸棚與盆地相[4-6]，有機(jī)碳含量(TOC)值高達(dá)8.28%～15.00%[7-11]，優(yōu)質(zhì)頁巖厚度達(dá)到52 m以上[10-11]；有機(jī)質(zhì)孔發(fā)育并以中孔[11]或微孔[12]為主，下部的含氣量平均為2.0 m3/t以上[4，13]；這里的渝東-湘鄂西、川東北、中揚(yáng)子地區(qū)頁巖氣勘探潛力較大[4，7-10]。

國外常壓頁巖氣開發(fā)要早得多，對(duì)堅(jiān)定我國常壓頁巖氣勘探開發(fā)的信心具有重要啟發(fā)作用。美國阿克瑪盆地(Arkoma Basin)晚石炭世費(fèi)耶特維爾(Fayetteville)頁巖區(qū)是目前唯一開發(fā)成功的常壓頁巖氣田，既有高產(chǎn)井，又有中、低產(chǎn)井；它早在2004年就啟動(dòng)開發(fā)，僅用6 年時(shí)間至2009年鉆井?dāng)?shù)據(jù)達(dá)到2014口[14]，年產(chǎn)量達(dá)144.53×108m3(EIA，2013發(fā)布(1)美國能源信息署(EIA).全球頁巖油氣資源評(píng)價(jià)報(bào)告，2013.)。該氣藏典型水平井垂深為1 676 m，TOC值介于1.7%～9.8%[15]，平均為4.04%[16]，Ro介于1.2%～3.0%，孔隙度一般為2%～8%[14]，總含氣量為1.7～6.2 m3/t，地層壓力系數(shù)是0.90，地層溫度為57 ℃，脆性礦物含量為39%～72%。氬離子拋光掃描電鏡測(cè)量有機(jī)質(zhì)孔大小為5～50 nm，3D FIB測(cè)量有機(jī)質(zhì)孔眾數(shù)大小30 nm[15]。根據(jù)Fayetteville頁巖氣開發(fā)區(qū)的大數(shù)據(jù)、投產(chǎn)36個(gè)月 以上的EUR資料，劃分出高性能井(即高產(chǎn)量井)、中等性能井與低性能井[14]；通過動(dòng)態(tài)分析、遞減率和數(shù)值模擬，認(rèn)為高性能或高產(chǎn)量井占比達(dá)50%以上，并且其與高的頁巖氣資源豐度、高TOC、天然裂縫、水平段長度以及壓裂段數(shù)總體上呈現(xiàn)正相關(guān)，與水平井平行的天然裂縫是高產(chǎn)量的關(guān)鍵因素[14]。

相對(duì)來說，位于被動(dòng)大陸邊緣盆地以南的湘中坳陷屬于中揚(yáng)子地區(qū)常壓頁巖氣領(lǐng)域的構(gòu)造穩(wěn)定帶之一，該坳陷常壓油氣一直未取得重大突破，但頁巖氣勘探值得期待。本文以此坳陷為例闡述頁巖氣前景。

湘中坳陷面積約為2.25×104km2，具有“三凹兩凸”的構(gòu)造格局[2](圖1b)，龍山凸起將北部漣源凹陷和邵陽凹陷分開。早古生代屬于揚(yáng)子大陸邊緣斜坡沉積，其中，留茶坡組為一套區(qū)域性厚為10.5～50.0 m的大陸斜坡相灰黑色硅質(zhì)巖夾炭質(zhì)頁巖。下寒武統(tǒng)發(fā)育一套厚為150.2～800.0 m的大陸斜坡-盆地相硅質(zhì)頁巖與炭質(zhì)頁巖構(gòu)成的細(xì)粒沉積物，下段為黑色硅質(zhì)巖或硅質(zhì)頁巖，中段為灰黑色硅質(zhì)頁巖與炭質(zhì)頁巖，上段為黑色頁巖夾少量灰?guī)r與砂巖；中、下段為優(yōu)質(zhì)烴源巖或含氣頁巖段。晚古生代中、上泥盆統(tǒng)臺(tái)盆相、下石炭統(tǒng)沼澤相和上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M沼澤相黑色頁巖為優(yōu)質(zhì)烴源巖[4，6]。

湘中油何在？這是我國著名地質(zhì)學(xué)家關(guān)士聰在1983年給出的有待破解的一道科學(xué)命題[17]。湘中地區(qū)油氣勘查工作起步于20世紀(jì)60年代，1991—1999年期間湘冷1井401.0～411.8 m井段裸眼酸洗后獲瞬時(shí)常規(guī)天然氣產(chǎn)量6 880 m3/d，2011 年湘頁1井大隆組約600 m井段直井壓裂試氣獲得了2 409.9 m3/d頁巖氣流(2)中國石化華東油氣分公司.華東局2011年中國南方頁巖氣參數(shù)井井位地質(zhì)論證.南京：中國石化華東油氣分公司，2011。，其他井如漣1井等均失利；但是，至今仍然未取得常規(guī)油氣、非常規(guī)頁巖氣重大突破與商業(yè)發(fā)現(xiàn)。在常規(guī)氣方面，自20世紀(jì)70年代的湘中地質(zhì)會(huì)戰(zhàn)以來[17]，主攻上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M (P2l)、下石炭統(tǒng)測(cè)水組(C1c)以及 中、上泥盆統(tǒng)等目的層已成為相當(dāng)一段時(shí)期的油氣勘探方向。該區(qū)上古生界具有優(yōu)良的天然氣成藏要素，臺(tái)盆相的深水與沼澤相交互[18]，臺(tái)盆相頁巖的有機(jī)質(zhì)含量高，具備良好的生氣烴源巖[19-20]，下石炭統(tǒng)高演化源巖以生氣為主且生氣高峰期為晚三疊世[21]，具有良好的砂巖與灰?guī)r儲(chǔ)層[17]，圈閉形成早(早于印支期)[19]。然而，構(gòu)造破壞作用是該坳陷常規(guī)氣富集的一個(gè)關(guān)鍵問題[22]。劉喜順進(jìn)一步提出該坳陷上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M因喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈剝蝕、保存欠佳而失去了勘探意義[23]；不過，他認(rèn)為下石炭統(tǒng)-中、上泥盆統(tǒng)在印支期形成的油氣藏遭受燕山運(yùn)動(dòng)破壞而變?yōu)榇紊鷼獠?，燕山期形成的油氣藏是源巖二次生烴的原生氣藏。在非常規(guī)頁巖氣方面，該坳陷因湘頁1井的二疊系頁巖氣發(fā)現(xiàn)而成為非常規(guī)油氣研究熱點(diǎn)；2000年以來在湘中坳陷二疊系海陸過渡相沼澤相[2，24]與頁巖氣資源評(píng)價(jià)[2]、泥盆系-石炭系海相頁巖生儲(chǔ)[24]與成藏條件[4]等方面取得了較大的進(jìn)展；認(rèn)為該坳陷保存條件對(duì)上古生界頁巖氣富集至關(guān)重要[2]，并具有一定的頁巖氣勘探潛力[5]。同時(shí)，湘中地區(qū)下寒武統(tǒng)頁巖氣的研究熱度也逐漸增加(3)彭勇民.南方海相頁巖氣形成條件與主控因素研究.北京：中國石化石油勘探開發(fā)研究院，2014。，具深水盆地相的生物成因的硅質(zhì)巖夾炭質(zhì)頁巖、硅質(zhì)頁巖[26-27]，在雙峰一帶黑色頁巖擁有高的TOC值(1.49%～17.40%)[12]。然而，湘中坳陷下寒武統(tǒng)這個(gè)新層系的油氣勘探一直處于薄弱環(huán)節(jié)。一是因?yàn)?0世紀(jì)70年代深層井邵深2井(井深3 058 m)未獲工業(yè)油流(圖1)，該井2 433 m井深之后的暗色頁巖TOC值過低以及地震測(cè)量未獲深層反射、鉆井成本高昂與技術(shù)條件考慮而放棄深層與下寒武統(tǒng)[17]；二是較多地質(zhì)工作者認(rèn)為下寒武統(tǒng)經(jīng)歷了高熱演化程度而成為淺變質(zhì)(板巖)(4)湖南省區(qū)域地質(zhì)測(cè)量隊(duì)． 湖南1 ∶ 20 萬溆浦幅區(qū)域地質(zhì)調(diào)查報(bào)告． 北京: 中國石化石油勘探開發(fā)研究院，1972?；?qū)儆谧冑|(zhì)基底[9]，變質(zhì)則意味著生烴條件差。

圖1 中、上揚(yáng)子地區(qū)常壓頁巖氣井與湘中坳陷構(gòu)造分區(qū)(據(jù)顧志翔等[2]，修改)Fig.1 The distribution of normal-pressure shale gas wells in Middle and Upper Yangtze regions and the structural division of Xiangzhong Depression(Modified after Gu et al.[2])

從前人研究來看，該坳陷泥盆系-石炭系尤其是下寒武統(tǒng)頁巖氣探井未見，其頁巖氣形成條件系統(tǒng)性研究較為薄弱，頁巖變質(zhì)與烴源條件也沒有證實(shí)。為此，本文旨在通過頁巖氣地質(zhì)條件的整體深入分析，為湘中坳陷新區(qū)與新層系頁巖氣勘探提供依據(jù)。

1 頁巖分布與有機(jī)地化特征

本次實(shí)測(cè)了頁巖剖面2條，長210 m；觀察剖面8條，長度超過1 500 m；采集樣品147件；觀察描述了zk08淺鉆井(靠近石牛剖面)巖心310.8 m，并按3～4 m間距系統(tǒng)采集了黑色頁巖與硅質(zhì)巖樣品23件。盡管沒有專門探井，但野外地質(zhì)、實(shí)驗(yàn)分析以及地震等第一手資料為室內(nèi)研究提供了豐富數(shù)據(jù)。本文所涉及的實(shí)驗(yàn)分析在中國石化石油勘探開發(fā)研究院無錫石油地質(zhì)研究所完成。

湘中地區(qū)下寒武統(tǒng)黑色頁巖厚度大，普遍超過150 m。厚度向東南方向增厚，一般厚度在200～400 m，最薄處也有150 m。雙峰石牛剖面顯示出較大的厚度，可達(dá)255.1 m；祁東西沖剖面較薄，僅150余m(圖2)。

由圖2看出，湘中坳陷下寒武統(tǒng)黑色頁巖形成于深水沉積環(huán)境。自北西至南東方向依次發(fā)育著呈北東向展布的上斜坡相、下斜坡相和盆地相，巖性分別為上斜坡相灰黑色炭質(zhì)頁巖夾灰?guī)r、下斜坡相少量白云化的硅質(zhì)頁巖以及盆地相硅質(zhì)頁巖夾炭質(zhì)頁巖與砂巖，湘中坳陷位于下斜坡相中。本文通過樣品采集與實(shí)驗(yàn)測(cè)試，表明10個(gè)硅質(zhì)巖樣品的硅同位素偏低值且變化范圍窄(δ30SiV-NBS28為-0.6‰～0.3‰)，說明硅質(zhì)巖屬于生物成因與深水沉積產(chǎn)物。

在野外觀察時(shí)，下寒武統(tǒng)黑色頁巖染手異常強(qiáng)烈，說明有機(jī)質(zhì)含量極高。其中，石牛剖面和zk08淺井的黑色硅質(zhì)頁巖與炭質(zhì)頁巖在顯微鏡下可見到炭質(zhì)與瀝青、放射蟲、硅質(zhì)海綿骨針和高角度裂縫(圖3a，c)；西沖剖面的黑色硅質(zhì)頁巖與炭質(zhì)頁巖在顯微鏡下可見到硅質(zhì)海綿骨針、層理縫與方解石紋層發(fā)育(圖3b，d)；曾家剖面的黑色硅質(zhì)頁巖在顯微鏡下可見到,放射蟲、硅質(zhì)

圖2 湘中坳陷下寒武統(tǒng)頁巖層段沉積相Fig.2 Sedimentary facies of the Lower Cambrian shale intervals in Xiangzhong Depression

圖3 湘中坳陷下寒武統(tǒng)頁巖照片F(xiàn)ig.3 Photos showing the features of the Lower Cambrian shales in Xiangzhong Depressiona.黑色硅質(zhì)頁巖與炭質(zhì)頁巖，雙峰縣石牛，zk08淺井巖心，井深90～92 m，牛蹄塘組；b.硅質(zhì)頁巖與炭質(zhì)頁巖，祁東縣馬杜橋鄉(xiāng)西沖露頭，牛蹄塘組；c.黑色硅質(zhì)頁巖，炭質(zhì)與瀝青、放射蟲、硅質(zhì)海綿骨針和高角縫裂縫，樣號(hào)zk08-4，雙峰縣石牛，zk08淺井，井深17 m，薄片(-)，牛蹄塘組；d.黑色炭質(zhì)頁巖，硅質(zhì)海綿骨針、層理縫與方解石紋層發(fā)育， 樣號(hào)XC-04，祁東縣西沖露頭剖面，薄片(-)，牛蹄塘組；e.硅質(zhì)頁巖,放射蟲、硅質(zhì)海綿骨針，樣號(hào)ZJ-07，曾家露頭，薄片(-)，牛蹄塘組；f.黑色含粉砂炭質(zhì)頁巖，層理縫與云母、粉砂質(zhì)紋層發(fā)育， 樣號(hào)CJ-13，冷水江市陳家露頭剖面，薄片(-)，牛蹄塘組；g.黑色含粉砂質(zhì)頁巖，云母、粉砂質(zhì)紋層發(fā)育，樣號(hào)CY-02，新寧縣茶園頭露頭剖面，薄片(-)，牛蹄塘組；h.黑色含硅炭質(zhì)頁巖，生物硅、少 量粉砂平行頁理均勻分布， 樣號(hào)YX-04，洞口縣江口鎮(zhèn)月溪鄉(xiāng)露頭剖面，薄片(-)，牛蹄塘組

海綿骨針(圖3e)；陳家剖面的黑色含粉砂炭質(zhì)頁巖在顯微鏡下可見到，層理縫與云母、粉砂質(zhì)紋層發(fā)育(圖3f)；茶園頭剖面的黑色含粉砂質(zhì)頁巖在顯微鏡下可見到云母、粉砂質(zhì)紋層(圖3g)；月溪剖面的黑色含硅炭質(zhì)頁巖在顯微鏡下可見到生物硅(即由生物作用形成的石英礦物)、少量粉砂平行頁理均勻分布(圖3h)。

值得一提的是，現(xiàn)今的龍山凸起因構(gòu)造抬升剝蝕而出露震旦系至下古生界，下寒武統(tǒng)下段硅質(zhì)頁巖與炭質(zhì)頁巖厚度明顯變薄至57 m，為湘中坳陷最薄者；位于該凸起的茶園頭剖面代表下寒武統(tǒng)下段的中、上部，與其他剖面相比粉砂質(zhì)增多并以黑色頁巖為主，反映水體變淺，推測(cè)當(dāng)時(shí)存在水下隆起。

沉積相對(duì)富有機(jī)質(zhì)頁巖形成具有控制作用，受大陸斜坡相深水沉積的影響，本區(qū)有機(jī)質(zhì)非常富集，實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)顯示TOC值含量高(表1)。最高者為湘中坳陷東側(cè)的石牛與西沖剖面，以及西側(cè)的陳家剖面。其中，石牛剖面和zk08淺井，下寒武統(tǒng)優(yōu)質(zhì)頁巖(指TOC≥2%的連續(xù)頁巖段)厚度為96.2 m，16件樣品有機(jī)碳含量分布在2.12%～22.07%，平均可達(dá)4.64%(圖4)；1個(gè)樣品的Ro為2.5%，表明已進(jìn)入過成熟的干氣階段，頁巖未變質(zhì)；Ro類似于金頁1井 2.9%與黃頁1井3.01%。西沖剖面優(yōu)質(zhì)頁巖厚度為87.8 m，17件樣品有機(jī)碳含量分布在在1.23%～22.09%，平均可達(dá)5.65%；3個(gè)樣品的Ro為3.4%，表明已進(jìn)入過成熟的干氣階段，頁巖未變質(zhì)。陳家剖面優(yōu)質(zhì)頁巖厚度為65.0 m，13件樣品有機(jī)碳含量分布在1.03%～6.00%，平均為3.95%。

此外，玄八沖剖面或曾家剖面優(yōu)質(zhì)頁巖厚度為59.7 m，4件樣品有機(jī)碳含量分布在在1.12%～10.67%，平均為7.56%。袁家坳剖面優(yōu)質(zhì)頁巖厚度為62.8 m，10件樣品TOC分布在2.01%～3.45%，平均為2.69%(圖4)；1個(gè)樣品的Ro為2.91%，表明已進(jìn)入過成熟的干氣階段，頁巖未變質(zhì)。月溪剖面因上部斷層的影響，所觀察到的優(yōu)質(zhì)頁巖厚度大于37.3 m，12件樣品有TOC分布在1.51%～4.95%，平均可達(dá)3.74%。因此，下寒武統(tǒng)頁巖盡管成熟度較高，但未發(fā)生變質(zhì)。

對(duì)比來看，湘中坳陷下寒武統(tǒng)頁巖具有高的TOC值優(yōu)勢(shì)，與四川盆地以北的南江地區(qū)天星1井和鎮(zhèn)巴地區(qū)的城地1井相當(dāng)；但好于四川盆地及周緣地區(qū)下志留統(tǒng)的厚約40 m優(yōu)質(zhì)頁巖，其平均TOC值為3.20%～3.65%[28-29]。與美國五大頁巖氣盆地相比，TOC值相當(dāng)，但優(yōu)質(zhì)頁巖厚度大。Barnett，Haynesville，Marcellus和Doig頁巖的TOC值均為4.77%以上，優(yōu)質(zhì)頁巖或有效厚度為15～61 m，高產(chǎn)區(qū)Ro為1.8%～2.0%[30-33]；伊利諾斯盆地上泥盆統(tǒng)New Albany頁巖TOC值達(dá)到4%，優(yōu)質(zhì)頁巖厚度為21～37 m[34]。加拿大西加盆地泥盆系-石炭系Lower Besa River組(貝薩河組)頁巖TOC值大于5.7%，Horn River組與 Muskwa組(霍恩河組和穆斯夸組)TOC值大于3.0%的頁巖厚度累計(jì)達(dá)200 m，屬于超高壓頁巖氣藏[35]。

從有機(jī)質(zhì)類型看，湘中地區(qū)27件黑色頁巖的干酪根碳同位素分布在-33.1‰～-26.3‰(表1)，平均為-30.3‰，除3個(gè)樣品干酪根碳同位素較重，介于-27.9‰～-26.3‰外，其余樣品的碳同位素值均小于-28‰;這表明有機(jī)質(zhì)類型以腐泥型(Ⅰ型)為主。

表1 湘中坳陷下寒武統(tǒng)頁巖有機(jī)地球化學(xué)參數(shù)Table 1 Organic geochemistry parameters of the Lower Cambrian shales in Xiangzhong Depression

圖4 湘中坳陷雙峰縣石牛下寒武統(tǒng)頁巖段實(shí)測(cè)地層綜合柱狀圖Fig.4 The field measured column of the Lower Cambrian shale intervals in Shiniu,Shuangfeng County

總之，下寒武統(tǒng)頁巖有機(jī)質(zhì)豐度高(普通大于3.5%)，類型好(以Ⅰ型為主)，處于過成熟階段且未發(fā)生變質(zhì)，對(duì)頁巖氣成藏有利。

2 頁巖儲(chǔ)集性能與吸附特征

利用野外露頭與淺鉆井巖心的系統(tǒng)采樣與實(shí)驗(yàn)分析，包括61件薄片、17件掃描電鏡、23件物性測(cè)定以及4件等溫吸附實(shí)驗(yàn)測(cè)試，開展了富有機(jī)質(zhì)頁巖的儲(chǔ)集性能、吸附特征研究。

湘中坳陷下寒武統(tǒng)頁巖儲(chǔ)層的儲(chǔ)集空間發(fā)育，類型多樣，包括有機(jī)質(zhì)納米孔、黃鐵礦晶間孔、粘土礦物晶間孔、溶蝕孔、層理縫或頁理縫、高角度縫和極少量的分布于石英與長石間的碎屑粒間孔等(圖5)，以有機(jī)質(zhì)孔為主。有機(jī)質(zhì)納米孔因泄壓后暴露于地表而形成長條、不規(guī)則多邊形的納米孔(圖5c，f)，粒徑大小為21.8～328.4 nm；黃鐵礦晶間孔與粘土礦物晶間孔孔徑大小在幾百個(gè)納米，黃鐵礦集合體呈園形狀球體且內(nèi)部納米大小、規(guī)則排列的黑色空心或假孔為單個(gè)黃鐵礦晶體因拋光磨掉留下的幻影孔(圖5e頁理縫的右下)。頁理縫或?qū)永砜p在肉眼下似閉合但在電鏡下呈張開狀態(tài)(縫寬或張開度為1.26 μm)。與鉆井地下不同的是，地表樣品見大量的大氣淡水成因的溶蝕孔(圖5b)與構(gòu)造成因的高角度裂縫(圖5a)，鉆井巖心是極少或罕見的；這也是導(dǎo)致地表樣品的孔隙度偏大的主要原因。

值得一提的是，具幻影孔的黃鐵礦集合體(圖5e)被不少地質(zhì)學(xué)家誤當(dāng)作藻類或細(xì)菌類化石，這是不妥的；放大后，可以看到這些規(guī)則的、清晰邊界的黑色空心或假孔多為四邊形、六邊形印模，實(shí)為單個(gè)黃鐵礦晶形因拋光、磨掉而留下來的擬鑄?？?圖5g,h)。

物性測(cè)定表明，孔隙度介于2.2%～12.2%，平均為6.05%(圖6)，儲(chǔ)集性能好。其中，鉆深310.8 m的ZK08淺井3個(gè)巖心樣品的孔隙度介于2.22%～8.65%，平均為5.49%。14個(gè)露頭樣品中，有5個(gè)頁巖樣品因高角度裂縫、溶蝕孔和鉆取小柱塞樣時(shí)的人工裂縫，引起孔隙度偏高且均大于12%。例如，月溪剖面因人工裂縫而高達(dá)23.97%，這類數(shù)據(jù)需要扣除，僅作參考?？鄢芰芽p影響的9個(gè)露頭樣品的孔隙度為3.01%～12.20%，平均為7.56%，明顯高于淺井zk08。

與相鄰的四川盆地和雪峰構(gòu)造帶北部下寒武統(tǒng)頁巖相比，具有類似于宜昌地區(qū)宜地2井或鄂陽頁1井的儲(chǔ)集性能，略好于四川盆地威遠(yuǎn)地區(qū)的金頁1井，好于黔中隆起的黃頁1井與中揚(yáng)子的恩頁1井；與下志留統(tǒng)頁巖相比則差一些?？傊?，湘中坳陷下寒武統(tǒng)頁巖儲(chǔ)集性能較好。

圖5 湘中坳陷下寒武統(tǒng)頁巖儲(chǔ)層儲(chǔ)集空間特征Fig.5 Characteristics of the reservoir space in the Lower Cambrian shale layers in Xiangzhong Depressiona.硅質(zhì)頁巖，孔隙未見發(fā)育，網(wǎng)狀縫寬0.03～0.10 mm，局部未被充填，樣號(hào)zk08-4，zk08淺井,鑄體薄片(-)；b.硅質(zhì)頁巖，硅質(zhì)放射蟲、硅質(zhì)海綿骨針顆粒受地表淡水溶蝕而成的次生溶孔，樣號(hào)XC-04，西沖露頭剖面,鑄體薄片(-)；c.炭質(zhì)頁巖，有機(jī)質(zhì)與大量的壓扁長條狀納米孔，樣號(hào)SN-05，石牛剖面,氬離子掃描電鏡；d.炭質(zhì)頁巖，粘土質(zhì)絮凝粒與伊利石粘土礦物晶間孔，樣號(hào)YX-10，新化縣月溪，氬離子掃描電鏡；e.炭質(zhì)頁巖，頁理縫或?qū)永砜p在肉眼下似閉合但電鏡下張開寬1.26 μm，樣號(hào)SN-05，雙峰縣石牛楊柳塘剖面，氬離子掃描電鏡；f.黑色頁巖，有機(jī)質(zhì)與地表卸壓后的壓扁、長條與多邊形狀納米孔，樣號(hào) CJ-13，陳家剖面,氬離子掃描電鏡；g.炭質(zhì)頁巖，單個(gè)黃鐵礦集合體的擬鑄?？?內(nèi)部多個(gè)規(guī)則的、清晰邊界的黑色空心或假孔呈四邊形、六邊形印模，樣號(hào)SN-05；h.炭質(zhì)頁巖，單個(gè)黃鐵礦集合體的擬鑄?？?內(nèi)部多個(gè)規(guī)則的、清 晰邊界的黑色空心或假孔呈四邊形、六邊形印模，樣號(hào)YJ-04

圖6 湘中坳陷下寒武統(tǒng)頁巖物性分布Fig.6 Petrophysical properties of the Lower Cambrian shales in Xiangzhong Depression

其中，對(duì)于下寒武統(tǒng)頁巖氣中等產(chǎn)量井，金頁1井主力頁巖氣層的TOC值較低，平均為1.12%，以有機(jī)質(zhì)孔與粘土礦物層間孔為主;在孔隙為2～50 nm的中孔范圍，2～10，10～20以及20～50 nm各占1/3，平均為15 nm，孔徑較小；孔隙度為2.39%。中揚(yáng)子地區(qū)宜地2井緊靠鄂陽頁1井，其優(yōu)質(zhì)頁巖的TOC值高，平均為3.2%，以有機(jī)質(zhì)孔和粒內(nèi)溶蝕孔為主，孔隙主要為20～30 nm的中孔，有機(jī)質(zhì)孔較大；孔隙度是3.1%，該井單個(gè)有機(jī)質(zhì)顆粒挑選最發(fā)育的有機(jī)質(zhì)孔面孔率為9.81%，較低。

對(duì)于下寒武統(tǒng)頁巖氣極低產(chǎn)井或空井，黃頁1井優(yōu)質(zhì)頁巖的TOC值很高，平均為6.93%，以有機(jī)質(zhì)孔為主，無機(jī)質(zhì)孔基本不發(fā)育；孔隙為2～10 nm的中孔，有機(jī)質(zhì)孔小，孔隙度為1.95%，相對(duì)很低，主要由后期保存條件差導(dǎo)致頁巖氣散失而引起孔徑壓扁、撕裂與變小，孔隙度降低。類似地，恩頁1井TOC很高，平均為6.09%，孔隙直徑為2～15 nm的中孔，孔隙度為2.13%，較低。慈頁1 井發(fā)育52 m的富有機(jī)質(zhì)頁巖，TOC值很高，達(dá)到6.09%以上；孔隙直徑為2～25 nm的中孔，孔隙度約為2%，數(shù)值較低[9]。

對(duì)于該坳陷之外的西北側(cè)張家界與常德地區(qū)露頭樣品測(cè)量孔隙度平均為9.5%，孔喉均值為10.2～16.3 nm[11]，與湘中坳陷露頭樣品的物性相當(dāng)。

對(duì)于下志留統(tǒng)頁巖氣高產(chǎn)井，涪陵地區(qū)的焦頁1井主力頁巖氣層或優(yōu)質(zhì)頁巖段的TOC值高，平均為3.6%，有機(jī)質(zhì)孔占60%以上，以有機(jī)質(zhì)孔為主;孔隙為16～50 nm的中孔，孔徑大，孔隙度為4.8%，相對(duì)最高；焦頁11-4井單個(gè)有機(jī)質(zhì)顆粒挑選最發(fā)育的有機(jī)質(zhì)孔面孔率為36.0%，該值較高。

總體來說，與下志留統(tǒng)鉆井相比，除下寒武統(tǒng)TOC值變高外，頁巖儲(chǔ)層具有孔隙直徑小、孔隙度低以及單個(gè)有機(jī)質(zhì)顆粒的面孔率低等特征。

通過等溫吸附實(shí)驗(yàn)方法，分析研究了zk08淺井頁巖的等溫吸附特征，探討了頁巖儲(chǔ)層吸附能力。4件樣品的TOC值分別為9.93%，10.77%，11.72%和13.20%，測(cè)試數(shù)據(jù)表明，30 ℃和10 MPa條件下平均最大吸附氣量達(dá)到5.95 m3/t(圖7)，TOC值越高則相同溫壓條件下的吸附能力越強(qiáng)；從圖7看出，湘中坳陷下寒武統(tǒng)頁巖超出國內(nèi)的焦頁1井與彭頁1井下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖的吸附能力。

3 礦物組成與可壓性

通過全巖X-射線衍射測(cè)試，分析了湘中地區(qū)下寒武統(tǒng)頁巖巖石礦物組成與變化特征。礦物組成中主要以石英為主，次為粘土礦物(圖8)。其中，石英含量為35%～77%，平均含量為61.2%；粘土礦物含量為12%～34%，平均含量為23.5%，粘土礦物以伊利石為主。斜長石含量為1%～3%，平均為1.52%；方解石含量為1%～43%，平均為5.0%；黃鐵礦含量為1%～16%，平均為4.66%。總體而言，頁巖脆性礦物含量高，平均為73.38%，脆性指數(shù)為66.0%～87.6%，平均為75.9%，粘土礦物含量低于40%；從礦物組成看，頁巖可壓性評(píng)價(jià)為一類；該區(qū)下寒武統(tǒng)頁巖具有高脆性，對(duì)于儲(chǔ)層壓裂改造非常有利。

圖7 湘中坳陷下寒武統(tǒng)頁巖等溫吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.7 Isothermal adsorption experiment results of the Lower Cambrian shales in Xiangzhong Depressiona.硅質(zhì)炭質(zhì)頁巖，TOC為9.93%，樣號(hào)zk08-5，zk08淺井；b.硅質(zhì)頁巖，TOC為10.77%，樣號(hào)zk08-9，zk08淺井；c.硅質(zhì)炭頎頁巖，TOC為11.72%,樣號(hào)zk08-15，zk08淺井；d.硅質(zhì)炭質(zhì)頁巖，TOC為13.20%，樣號(hào)zk08-19，zk08淺井

圖8 湘中坳陷下寒武統(tǒng)頁巖礦物組成特征Fig.8 Mineral composition of the Lower Cambrian shales in Xiangzhong Depression

4 保存條件

研究區(qū)構(gòu)造復(fù)雜，保存條件是影響頁巖氣富集的關(guān)鍵因素之一。根據(jù)斷裂與蓋層的連續(xù)性，結(jié)合頁巖氣井試氣結(jié)果，開展了頁巖氣保存條件研究。

從圖9可以看到，較大斷裂已斜切了湘頁1井及穿透了下石炭統(tǒng)蓋層，壓裂試氣產(chǎn)量低，說明下石炭統(tǒng)頁巖氣的保存條件變差。從平面上看，上部構(gòu)造層斷裂發(fā)育，每隔1 km發(fā)育1條斷層，并且大多數(shù)是通天斷裂[22](圖9)，反映了上古生界的構(gòu)造變形比較強(qiáng)烈。

另外，從區(qū)域地質(zhì)圖上看，該坳陷二疊系、石炭系和泥盆系目的層受抬升剝蝕的影響已大部暴露地表[9]，而本區(qū)又是丘陵地貌，溝谷(或水溝)縱橫，山丘相對(duì)高差在300～1 000 m，溝谷往往也是通天斷層在地表的起點(diǎn)(圖9);燕山期的通天斷層或較大斷裂切割蓋層，造成大部分區(qū)域封蓋失效[6-7]或者保存條件變差；湘頁1井低產(chǎn)可能受到了保存條件變差的影響。與此同時(shí)，這些溝谷兩側(cè)的陡峭山壁加上頁巖中的層理縫(或頁理縫)和高孔滲儲(chǔ)層，導(dǎo)致頁巖氣發(fā)生側(cè)向遷移至溝谷或通天斷層處而散失。這些垂向上的通天斷層與水平方向上的輸導(dǎo)層是破壞上古生界原生油氣藏的根本原因。中上揚(yáng)子地區(qū)以下寒武統(tǒng)為目的層的黃頁1井、龍頁3井、岑頁1井、秀頁2井、保頁2井、長生1井、慈頁1井以及恩頁1井等10多口頁巖氣探井均受此影響，它們?cè)诤湎祷驃W陶系或志留系層位開孔鉆探，均失利或僅有很低的頁巖氣流。相反，中揚(yáng)子地區(qū)鄂宜頁1井被上白堊統(tǒng)地層覆蓋，類似于四川盆地內(nèi)部的中新生代“厚棉被”封蓋作用，保存條件相對(duì)較利；這也是該井取得重要突破的原因。圖10地質(zhì)剖面圖從縱向更加詳細(xì)說明了通天斷裂與目的層暴露地表情況以及地質(zhì)結(jié)構(gòu)；在切過漣源凹陷的近東西向地質(zhì)構(gòu)造剖面中，具有淺、深雙層結(jié)構(gòu)現(xiàn)象；其中，淺層結(jié)構(gòu)即上部構(gòu)造層以隔檔式褶皺和雙沖斷層系為典型特征。隔擋式褶皺的背斜緊閉，在強(qiáng)烈構(gòu)造應(yīng)力的作用下破壞比較嚴(yán)重；其向斜寬緩，向斜核部地層局部保存完整；由雙沖式斷層變?yōu)楸硾_式斷層，為北西-南東向的強(qiáng)烈擠壓的產(chǎn)物。

圖9 北東向過湘頁1井地震-地質(zhì)解釋剖面(地震測(cè)線LY-04-116位置見圖1)Fig.9 The seismic and geological interpretation of a NE section through-Well Xiangye 1 (see Fig.1 for the location of seismic survey line LY-04-116)

圖10 湘中坳陷切過漣源凹陷的近東西向地質(zhì)構(gòu)造剖面(5) 中國石化華東油氣分公司.華東局2011年中國南方頁巖氣參數(shù)井井位地質(zhì)論證.南京：中國石化華東油氣分公司，2011。 Fig.10 A approximately W-E-trending geological section through the Lianyuan Sag in Xiangzhong Depression(6) 中國石化華東油氣分公司.華東局2011年中國南方頁巖氣參數(shù)井井位地質(zhì)論證.南京：中國石化華東油氣分公司，2011。

但是，在深層結(jié)構(gòu)即下部構(gòu)造層中，結(jié)合重、磁、電勘探資料，發(fā)現(xiàn)泥盆系之下則相對(duì)平緩(圖11中的2 800 ms對(duì)應(yīng)同相軸)，構(gòu)造變形與斷裂作用較弱，通天斷裂未達(dá)此深度，說明下寒武統(tǒng)之上具有上古生界“厚棉被”的封蓋層，保存條件較好，對(duì)頁巖氣成藏有利。

根據(jù)區(qū)域地層資料，湘中坳陷下寒武統(tǒng)頂界以上地層厚度為7 290～10 300 m，泥盆系測(cè)水組底界以上地層厚度為4 390～7 440 m，石炭系底界以上地層厚度為2 790～4 090 m；結(jié)合湘頁1井實(shí)鉆石炭系測(cè)水組埋深及地震速度(圖11)，初步可以判斷：沿龍山凸起的南北兩側(cè)尤其是下石炭統(tǒng)測(cè)水組、泥盆系地層覆蓋的地區(qū)(圖10)，推測(cè)下寒武統(tǒng)頁巖埋深大多不會(huì)超過3 500 m(圖11，地層由北東向南西對(duì)著龍山凸起上超變薄)，適合于頁巖氣的勘探開發(fā)。

圖11 湘中坳陷北東向過湘頁1井二維地震剖面(地震測(cè)線LY-04-116位置見圖1)Fig.11 A 2D NE-trending seismic section through Well Xiangye 1 in Xiangzhong Depression (see Fig.1 for the location of seismic survey lines LY-04-116)

5 有利區(qū)塊預(yù)測(cè)

綜合上述研究認(rèn)識(shí)，結(jié)合油氣顯示等，采用疊合法對(duì)湘中坳陷下寒武統(tǒng)頁巖氣有利區(qū)進(jìn)行了預(yù)測(cè)。

考慮到該區(qū)下寒武統(tǒng)烴源巖有機(jī)碳含量高(TOC>2.0%)、厚度較大(普遍大于150 m)的實(shí)際，以頁巖氣保存條件為關(guān)鍵，選取TOC和Ro主要評(píng)價(jià)參數(shù)，制定參數(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，評(píng)價(jià)出Ⅰ，Ⅱ和Ⅲ類區(qū)(圖12)。

在湘中坳陷之內(nèi)的保存條件較好的地區(qū)，將TOC>3%和Ro介于2.0%～3.5%的區(qū)域評(píng)價(jià)為Ⅰ類有利區(qū)；將TOC>2%和Ro<3.5%的區(qū)域評(píng)價(jià)為Ⅱ類有利區(qū)；在湘中坳陷之外的保存條件較差的地區(qū)，以及下寒武統(tǒng)目的層暴露地表的剝蝕區(qū)及以剝蝕線3 km以內(nèi)的區(qū)域(7)彭勇民.彭水武隆地區(qū)頁巖氣富集主控因素及開發(fā)技術(shù)政策研究.北京：中國石化石油勘探開發(fā)研究院，2016。，共同評(píng)價(jià)為Ⅲ類不利區(qū)。

預(yù)測(cè)結(jié)果表明，湘中坳陷下寒武統(tǒng)發(fā)育 Ⅰ 類有利區(qū)、 Ⅱ 類l較有利區(qū)各1個(gè)。其中，Ⅰ 類有利區(qū)面積較大，為8 766.1 km2，沿龍山隆起周邊分布，呈東西向延伸；漣源區(qū)塊的866.5 km2以及邵陽區(qū)塊的2 388.27 km2位于 Ⅰ 類有利區(qū)內(nèi)；這些 Ⅰ 類區(qū)屬于非常有利的下斜坡深水沉積環(huán)境；可將其作為頁巖氣勘探的優(yōu)先區(qū)。Ⅱ類較有利區(qū)的面積次之，沿Ⅰ類有利區(qū)的南、北兩側(cè)分布，同樣呈東西向延伸；漣源區(qū)塊的1 994.659 km2以及邵陽區(qū)塊的550.4 km2位于Ⅱ類有利區(qū)內(nèi)；可望成為潛在的頁巖氣勘探接替區(qū)。Ⅲ類不利區(qū)面積大，但是均位于湘中坳陷之外，因保存條件很差，不利于頁巖氣成藏。

綜上所述，湘中坳陷面積可觀，達(dá)20 000 km2；下寒武統(tǒng)黑色炭質(zhì)頁巖、硅質(zhì)頁巖非常發(fā)育，連續(xù)厚度大于150 m，處于有利的大陸斜坡-盆地相帶；TOC值高；保存條件較好，龍山凸起兩側(cè)埋深多在3 000～4 000 m，頁巖氣勘探前景良好。

圖12 湘中坳陷下寒武統(tǒng)頁巖氣有利區(qū)預(yù)測(cè)Fig.12 The prediction of favorable shale gas areas in the Lower Cambrian in Xiangzhong Depression

6 結(jié)論及建議

1) 常壓頁巖氣勘探前景較好，南江地區(qū)、鎮(zhèn)巴地區(qū)、宜昌斜坡、湘中地區(qū)以及黔中隆起等均有望取得更多的勘探突破。湘中坳陷下寒武統(tǒng)常壓頁巖氣具有優(yōu)越的形成條件，該新層系的黑色炭質(zhì)頁巖、硅質(zhì)頁巖形成于大陸斜坡-盆地相深水環(huán)境，厚度大于150 m，優(yōu)質(zhì)頁巖厚度為50～90 m；TOC平均為4.64%，Ro達(dá)到2.78%；有機(jī)質(zhì)納米孔發(fā)育，孔徑為21.8～328.4 nm，平均孔隙度為6.05%；脆性礦物含量為73.38%；等溫吸附氣量達(dá)5.95 m3/t。

2) 湘中坳陷下寒武統(tǒng)頁巖氣具有良好的保存條件，埋深適中，該新層系是頁巖氣勘探的潛在領(lǐng)域，應(yīng)加強(qiáng)研究及勘探力度。

3) 湘中坳陷保存條件是頁巖氣勘探的最大風(fēng)險(xiǎn)因素，在中新生界至上古生界構(gòu)造層之中斷裂較發(fā)育，下古生界構(gòu)造與埋深因二維地震測(cè)線極少而具有很大不確定性；建議加大勘探力度，部署2～3條二維地震工作量，落實(shí)下寒武統(tǒng)構(gòu)造與保存條件。