天然气地球科学 >

2023 , Vol. 34 >Issue 5: 900 - 913

DOI: https://doi.org/10.11764/j.issn.1672-1926.2022.12.006

非常规天然气

湘中南中奥陶统烟溪组页岩储层特征及勘探潜力

  • 余烨 , 1, 2 ,
  • 蔡灵慧 1, 2 ,
  • 王莉 , 1 ,
  • 郭建华 3 ,
  • 黄俨然 1, 2 ,
  • 郭原草 2
展开
  • 1. 湖南科技大学地球科学与空间信息工程学院，湖南 湘潭 411201
  • 2. 湖南科技大学页岩气资源利用湖南省重点实验室，湖南 湘潭 411201
  • 3. 中南大学地球科学与信息物理学院，湖南 长沙 410083
王莉（1985-），女，湖北钟祥人，硕士，实验师，主要从事岩矿测试研究与教学工作.E-mail：.

余烨（1983-），男，湖南冷水江人，博士，副教授，硕士生导师，主要从事石油地质研究与教学工作.E-mail：.

收稿日期: 2022-10-11

  修回日期: 2022-12-06

  网络出版日期: 2023-05-06

收起

Characteristics and exploration potential of shale reservoirs of Middle Ordovician Yanxi Formation in central-southern Hunan

  • Ye YU , 1, 2 ,
  • Linghui CAI 1, 2 ,
  • Li WANG , 1 ,
  • Jianhua GUO 3 ,
  • Yanran HUANG 1, 2 ,
  • Yuancao GUO 2
Expand
  • 1. School of Earth Sciences and Spatial Information Engineering，Hunan University of Science and Technology，Xiangtan 411201，China
  • 2. Hunan Provincial Key Laboratory of Shale Gas Resource Utilization，Hunan University of Science and Technology，Xiangtan 411201，China
  • 3. School of Geosciences and Info⁃physics，Central South University，Changsha 410083，China

Received date: 2022-10-11

  Revised date: 2022-12-06

  Online published: 2023-05-06

Supported by

The Hunan Provincial Natural Science Foundation of China(2023JJ30229)

the Scientific Research Fund of China Hunan Provincial Education Department(18C0347)

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本文亮点

中奥陶统烟溪组作为湖南下古生界一个新的勘探层系广泛受到能源地质学家的重视。运用偏光显微镜、高分辨率扫描电镜、X射线全岩衍射、有机碳含量及低温液氮和二氧化碳吸附脱附等检测手段，对湘中南地区中奥陶统烟溪组页岩储层进行了综合研究。结果表明：湘中南地区中奥陶统烟溪组为斜坡—盆地相沉积，深水陆棚和深水盆地相页岩发育；矿物成分主要为石英和黏土，其次是黄铁矿和长石；脆性指数较高，有利于压裂开采；页岩储层主要发育有机质孔、生物结构孔、粒间孔、片间孔、晶间孔、溶蚀孔和黏土矿物层间微裂缝及矿物破裂缝；孔隙度中等，渗透率较好。研究区发育2种类型的孔隙结构，以介孔和微孔发育为主的孔隙结构，总孔容和微孔总孔容相对较大，比表面积也非常大，其储集性能和吸附能力相对较强，可作为烟溪组重点勘探的层段。中奥陶统烟溪组页岩孔隙发育主要受热演化程度的影响，其次受矿物组成和有机质丰度的控制。研究区中奥陶统烟溪组具有良好的生烃物质基础，有机质类型以Ⅰ型和Ⅱ2型为主，TOC含量介于0.05%~5.6%之间，R O值介于2.72%~3.82%之间，已达到高成熟或过成熟阶段，有利于页岩气的大量生成。湘中南地区中奥陶统烟溪组埋藏深度适中，储层物性较好，有机质丰富，具有较大的勘探潜力，有利勘探区主要位于零陵凹陷的东安—永州—祁阳一带。

本文引用格式

余烨 , 蔡灵慧 , 王莉 , 郭建华 , 黄俨然 , 郭原草 . 湘中南中奥陶统烟溪组页岩储层特征及勘探潜力[J]. 天然气地球科学, 2023 , 34(5) : 900 -913 . DOI: 10.11764/j.issn.1672-1926.2022.12.006

Highlights

The Yanxi Formation of Middle Ordovician， as a new exploration layer of Lower Paleozoic in Hunan， has been widely valued by energy geologists. The shale reservoirs of Middle Ordovician Yanxi Formation in central-southern Hunan was comprehensively studied by means of polarizing microscope， high resolution scanning electron microscope， X-ray whole rock diffraction， organic carbon content， low temperature liquid nitrogen and carbon dioxide adsorption desorption. The results show that the Middle Ordovician Yanxi Formation in central-southern Hunan is deposited in slope and basin facies， and shale is developed in deep-water shelf and deep-water basin. Its minerals are mainly quartz and clay minerals， followed by pyrite and feldspar. The brittleness index of the reservoir is high， which is conducive to fracturing and exploitation. There are mainly organic pores， biological structural pores， intergranular pores， interstratified pores， intercrystalline pores， dissolution pores， clay mineral interlayer microcracks and mineral fractures developed in the shale reservoirs in the study area. It has medium porosity and good permeability. There are two types of pore structures developed in the study area. Among the pore structures dominated by mesopores and micropores， the total pore volume and the total pore volume of micropores are relatively large， and the specific surface area is also very large. Its reservoir performance and adsorption capacity are relatively strong， which can be used as the key exploration interval of Yanxi Formation. The pore development of Yanxi Formation shale in Middle Ordovician is mainly affected by thermal evolution， and secondly controlled by mineral composition and organic matter abundance. The Middle Ordovician Yanxi Formation in the study area has a good material basis for hydrocarbon generation. The organic matter in the source rocks are mainly types Ⅰ and Ⅱ2. The TOC content is 0.05%-5.6%. The R O value is 2.72%-3.82%， which has reached the high mature or over mature stage， which is conducive to the massive generation of shale gas. The Middle Ordovician Yanxi Formation in central-southern Hunan has moderate burial depth， good reservoir physical properties and rich organic matter， which has great exploration potential. The favorable exploration area is mainly located in the Dongan-Yongzhou-Qiyang area of Lingling Depression.

0 引言

我国富有机质页岩形成地质时代长、发育层位多、沉积类型杂、分布面积广，国内多个沉积盆地均可见其发育，页岩气资源量非常丰富［1-3］。通过多年的探索与实践，针对我国页岩气勘探已经形成了一系列基础理论和技术方法，从页岩形成的地质环境到页岩气保存的地质条件，都有效地指导了南方五峰组—龙马溪组海相地层、华北延长组陆相地层以及山西组和本溪组海陆过渡相地层等页岩气区块的商业化规模开采［3-6］。国家能源局公布2021年我国页岩气产量为230×108 m3、探明储量为26 000×108 m3，页岩气产量和资源量潜力非常可观。但是，随着国际地缘政治和国际环境的日趋复杂，不稳定和不确定性因素明显增加，我国石油、天然气对外依存度持续走高，国家能源安全面临严重考验；特别是2020年我国提出了碳达峰、碳中和的“3060”目标，将碳达峰、碳中和纳入生态文明建设的整体布局中，制定了碳达峰行动计划，而页岩气作为一种清洁低碳能源具有巨大潜力和优势［7］。因此，勘探开发页岩气不仅能增加我国能源安全的筹码，而且能改善我国能源消费结构、促进经济的健康平稳发展。
湘中南地区作为南方海相页岩气重点勘探的接替区，经多家科研院所的野外实地踏勘和室内整理分析，认为下寒武统牛蹄塘组和中奥陶统烟溪组2套地层是页岩气勘探最有可能获得突破的层系［8-11］，并针对中奥陶统烟溪组开展了沉积特征、有机地球化学特征及有机质富集机理的研究工作，指出该套地层形成于深水陆棚环境、沉积厚度较大、有机碳（TOC）含量较高、成藏条件有利，勘探潜力巨大［11-14］。但受开发现状的制约，目前针对湘中南地区中奥陶统烟溪组开展的系统性地质研究较少，特别是涉及到储层孔隙结构及物性特征方面的研究几乎是一片空白，作为南方海相地层可能获得突破的一种储层类型，其储集性能和资源潜力有待进一步分析与评价。因此，运用偏光显微镜、高分辨率扫描电镜、X射线全岩衍射、有机碳含量及低温液氮和二氧化碳吸附脱附等检测手段，从页岩的矿物组分、储集性能、有机地球化学特征及勘探潜力等方面对湘中南地区中奥陶统烟溪组页岩储层孔隙结构及物性特征进行综合研究，以期为湘中南地区烟溪组页岩气勘探获得突破提供基础资料。

1 区域地质概况

湘中南地区地处扬子板块东南缘、华夏板块西北侧，位于扬子陆块与华夏陆块的结合部位［15］，西北部以江南隆起（靖州—黔阳—安化—桃江一带）为界，南部与广西省和广东省接壤，东部与江西省交界（图1）。研究区遭受武陵运动、加里东运动、印支运动、燕山运动等多次构造运动的改造［16］，形成具“三隆两坳”的构造特征，自北西向南东方向发育有雪峰东缘隆起带、湘中坳陷（主要包括湘潭凹陷、涟源凹陷、邵阳凹陷和零陵凹陷）、衡山隆起带（衡阳盆地）、湘南坳陷（湘东南坳陷、宁江凸起和道县凹陷）及华夏褶皱带5个构造单元（图1）。
图1 研究区地质概况及中奥陶世烟溪期古地理图（据文献［13-15，18］修改）

Fig.1 Geological structure of the study area and paleogeographic map of Middle Ordovician Yanxi Period（modified from Refs.［13-15，18］）

早奥陶世湖南地区可分为湘西北、湘中和湘南3个沉积区：湘西北地区以含介壳类、瘤状灰岩为主；湘中地区发育粉砂质、泥质碎屑岩，中段富含笔石，局部夹薄层灰岩；湘南地区以富含笔石的砂质、泥质沉积为主，可见明显的重力流沉积特征［17］。中奥陶世烟溪期，海平面相对较高，江南隆起西北部（湘西北地区）发育碳酸盐岩台地相的瘤状灰岩、泥质条带状灰岩；江南隆起东南侧（湘中地区及周缘）以灰黑色炭质页岩、硅质页岩沉积为主，为深水斜坡—盆地相沉积；湘东南地区受南东部华夏板块不断隆升的影响，主要发育浊积扇沉积，以粉砂岩、泥质粉砂岩，具明显的重力流沉积特征［11，13-14，18］（图1）。
湘中南地区中奥陶统烟溪组整体以黑色炭质页岩和硅质岩沉积为主（图2），根据岩性组合特征可以将烟溪组分为下、中、上3段，其中烟溪组下段以黑色薄层状硅质岩、炭质页岩与硅质岩互层为特征，向上炭质页岩增加、硅质岩减少，表现为深水陆棚沉积的特征；烟溪组中段以黑色微薄层状炭质页岩为主，笔石发育，富含黄铁矿星点，局部揉皱严重，为深水盆地相沉积；烟溪组上段为黑色炭质页岩与硅质岩互层、中层状硅质岩，向上炭质页岩减少、硅质岩增加，表现为深水陆棚沉积的特征（图2）。
图2 湘中南地区中奥陶统烟溪组综合柱状图

Fig.2 Comprehensive histogram of Middle Ordovician Yanxi Formation in central-southern Hunan

2 矿物组成特征

通过棉花坪、沙子塘2条剖面（采样间隔约为3~5 m）共计38个炭质页岩样品的X射线全岩衍射分析可知，研究区烟溪组页岩以石英和黏土矿物为主，黄铁矿和长石次之，菱铁矿、硬石膏、方解石和白云石相对较少，个别样品见极少量重晶石和石膏（图3）。石英含量为44.5%~86.7%，平均为69.5%，常呈粒状和无定形状，主要为陆源和生物成因［13］；黏土矿物含量介于9.9%~43.9%之间，平均为25.9%，以伊利石、伊/蒙混层和高岭石为主，无蒙脱石，说明烟溪组页岩已经完成了蒙脱石向伊利石转化的过程，该过程促使矿物颗粒缩小、粒间孔隙增加，为页岩气聚集提供了大量的吸附点位和储存空间［19］；黄铁矿含量介于0.1%~14.5%之间，平均为1.7%，呈立方体微粒或聚集型草莓球状；长石主要为斜长石，含量介于0.2%~3.2%之间，平均为1.1%；菱铁矿含量介于0.2%~1.8%之间，平均为0.7%；方解石含量介于0.1%~0.7%之间，平均为0.3%；白云石含量介于0.1%~2.4%之间，平均为0.3%；脆性指数相对较高，介于50.9%~87.6%之间，平均为72.4%。综上可知，研究区烟溪组页岩中石英、黄铁矿、方解石等脆性矿物含量相对较高，而黏土矿物含量比较适中，脆性指数相对较大，有利于压裂开采［9］。
图3 湘中南地区中奥陶统烟溪组页岩全岩矿物组分特征杆状图

Fig.3 Diagram showing whole-rock mineral composition characteristics of Middle Ordovician Yanxi Formation shale in central-southern Hunan

3 储层特征

3.1　储层孔隙结构特征

3.1.1　储层孔隙类型

根据湘中南地区中奥陶统烟溪组样品高分辨率扫描电子显微镜观察结果，烟溪组泥页岩主要发育有机质孔、生物结构孔、粒间孔、片间孔、晶间孔、溶蚀孔和黏土矿物层间微裂缝及矿物微裂缝（图4）：①有机质孔单个呈圆点状，集合体多呈絮状［20］，以蜂窝状形式存在，孔径可达数十到数百纳米［图4（a）］，湘中南地区烟溪组泥页中有机质孔较发育，在沙子塘、棉花坪和九湾岭等剖面均可见；②生物结构孔呈圆状（可能为藻类）和不规则状（可能为藻类残屑、生物碎片），一般较密集分布［图4（b）］，在棉花坪剖面比较常见，生物结构孔保存较好的地方残余较多炭质和硅质，保存较差的地方充填黏土矿物高岭石；③粒间孔主要由刚性颗粒与塑性颗粒接触、有机质收缩、蚀变作用等形成，研究区烟溪组泥页岩中常见石英、钾长石、黑云母、伊利石等矿物之间以及与有机质之间未完全接触而形成的孔隙［图4（c）］；④片间孔主要发育于伊利石定向顺层分布之间［图4（d）］，伊利石多数由长石蚀变形成；⑤晶间孔主要由矿物晶体之间的孔隙组成，研究区烟溪组发育石英晶体之间的孔隙［图4（e）］、黄铁矿晶体之间的孔隙［图4（f）］以及石英晶体与伊利石晶体之间的孔隙［图4（g）］，石英晶间孔中充填有机质与伊利石加大，生物碎屑黄铁矿化发育黄铁矿晶间孔，定向分布的石英和黏土矿物伊利石晶间孔较发育，但连通性不强；⑥研究区发育3种类型的溶蚀孔：第1种类型溶蚀孔（洞）顺层分布，孔洞中充填石英［图4（h）］；第2种类型溶蚀孔（洞）主要由硅质呈不规则溶蚀形成，局部可见绿泥石胶结物充填［图4（i）］；第3种类型溶蚀孔（洞）主要由石英脉内溶蚀作用形成，溶蚀孔（洞）内部见较多自形程度高的更晚期石英晶体充填［图4（j）］；⑦微裂缝主要包括黏土矿物层间微裂缝［图4（k）］和矿物破裂缝［图4（l）］：黏土矿物层间微裂缝主要在成岩过程中发育，由黏土矿物层间脱水收缩形成，这种微裂缝主要存在于黏土矿物伊利石定向排列中，一般顺层发育，近似平行分布［图4（k）］；矿物破裂缝主要顺着矿物排列方向发育［图4（l）］，可能受局部构造应力影响形成。
图4 湘中南地区中奥陶统烟溪组页岩储层孔隙微观特征

（a）有机质孔呈蜂窝状被伊利石片层间包裹，沙子塘剖面；（b）生物结构孔保存较好的地方残余较多炭质和硅质，保存较差的地方充填黏土矿物高岭石，棉花坪剖面；（c）粒间孔位于石英、钾长石、黑云母和伊利石之间，沙子塘剖面；（d）长石向伊利石蚀变，伊利石定向顺层分布，发育片间孔，九湾岭剖面；（e）石英晶间孔中充填有机质与伊利石放大，九湾岭剖面；（f）生物碎屑黄铁矿化发育晶间孔，沙子塘剖面；（g）组成矿物主要为定向分布的石英和黏土矿物伊利石，晶间孔隙较发育，连通性不强，祁水源剖面；（h）溶蚀孔洞顺层分布，孔洞中充填石英，祁水源剖面；（i）硅质溶蚀呈不规则状，局部可见绿泥石胶结物，发育溶蚀孔洞，九湾岭剖面；（j）两条石英脉有连通，一条石英脉内溶蚀作用强烈，并见较多自形程度高的更晚期石英晶体充填，九湾岭剖面；（k）层间微裂缝较发育，近似平行分布，黏土矿物伊利石沿裂隙定向排列分布，九湾岭剖面；（l）破裂缝顺着矿物排列方向发育，沙子塘剖面

Fig.4 Microscopic characteristics of pores of Middle Ordovician Yanxi Formation shale reservoir in central-southern Hunan

3.1.2　储层孔隙结构

选取棉花坪剖面烟溪组泥页岩样品，采用低温氮气和二氧化碳吸附脱附测试方法，对湘中南地区中奥陶统烟溪组泥页岩储层孔隙结构开展研究，通过计算孔体积、比表面积和平均孔径以及宏孔、介孔和微孔的占比，指示泥页岩样品的储集特征和吸附能力［21-22］。
（1）氮气吸附脱附分析
氮气吸附脱附实验主要分析孔径大于1 nm的孔隙。参照IUPAC吸附曲线特征，研究区烟溪组泥页岩样品的氮气吸附曲线形态特征大体一致（图5），在P/P 0值低于0.01时，吸附量快速上升，表现呈Ⅰ型单层吸附的特征，指示烟溪组泥页岩中微孔相对较发育［23］；当P/P 0值介于0.01~0.95之间时，吸附量缓慢上升，表现为Ⅳ型介孔发育的多层吸附特征，此时滞后回线出现；当P/P 0值大于0.95时，吸附还在继续，未达到吸附饱和的状态，呈现出Ⅱ型毛细凝聚吸附的特征，表明泥页岩中发育有中孔或大孔［24-25］。参照IUPAC滞后回线特征可知，烟溪组泥页岩等温吸附曲线滞后回线大多呈类似一个三角形形状的H2型（图5中样品1、4、5和6），少数呈重合度较好的平缓状的H4型（图5中样品2和样品3），说明研究区泥页岩以细颈广体的墨水瓶状孔为主，并存在少量比较窄的狭缝状孔［23，26］。
图5 湘中南地区中奥陶统烟溪组页岩氮气吸附—脱附特征曲线

Fig.5 Nitrogen adsorption desorption characteristic curve of Middle Ordovician Yanxi Formation shale in central-southern Hunan

从图6孔径分布可以看出，研究区烟溪组页岩的储层孔隙以介孔（2~50 nm）和微孔（<2 nm）为主，同时发育少量的宏孔（>50 nm），该类型页岩储层孔隙较大，孔隙体积相对较大（图6中样品1、4、5和6）。另有少量页岩储层孔隙以宏孔和介孔为主，微孔发育较少，该类型页岩储层孔隙较小，孔隙体积相对较小（图6中样品2和样品3）。这也说明页岩储层孔隙结构的复杂性，即大孔隙发育的储层并不代表储层孔隙体积也大。
图6 湘中南地区中奥陶统烟溪组页岩氮气吸附孔径分布

Fig.6 Pore size distribution of Middle Ordovician Yanxi Formation shale in central-southern Hunan

（2）二氧化碳吸附脱附分析
二氧化碳吸附脱附实验主要分析孔径小于1 nm的孔隙。烟溪组泥页岩样品二氧化碳等温吸附曲线呈明显的Ⅰ型单层吸附的特征［图7（a）］，说明泥页岩中存在大量的微孔孔隙［26］。同时，可以看出在P/P 0值低于0.01时，样品5和样品4吸附量快速上升［图7（a）］，说明该类样品微孔孔隙相对较多，总微孔孔容相对较大；而样品3和样品2吸附量上升缓慢［图7（a）］，说明该类样品微观孔隙相对较少，总微孔孔容也相对较小。
图7 湘中南地区中奥陶统烟溪组页岩二氧化碳吸附—脱附特征曲线（a）和孔径分布（b）

Fig.7 Carbon dioxide adsorption-desorption characteristic curve（a） and pore size distribution（b） of Middle Ordovician Yanxi Formation shale in central-southern Hunan

从烟溪组页岩二氧化碳吸附孔径分布特征［图7（b）］可知，孔体积随孔径的变化率在0.5~1 nm之间时相对较大，说明烟溪组泥页岩样品微孔中以0.5~1 nm的微孔为主。同时也可以看出样品5和样品4的孔体积随孔径的变化率明显比样品3和样品2高［图7（b）］，表明样品5和样品4在0.5~1 nm之间的孔隙数量多于样品3和样品2在0.5~1 nm之间的孔隙数量。
（3）综合表征
根据氮气和二氧化碳等温吸附获取的孔隙结构参数（表1），宏孔占比为14.56%~54.54%，平均值为30.79%；介孔占比为32.37%~56.81%，平均值为45.19%；微孔占比为10.64%~35.03%，平均值为24.02%；其中微孔又以0.5~1 nm之间的孔隙为主，占比为55.43%~64.95%，平均值为60.08%。研究区烟溪组页岩的总孔容为0.000 99~0.010 47 mL/g（平均值为0.005 42 mL/g），微孔的总孔容为0.000 92~0.002 30 mL/g（平均值为0.001 54 mL/g），比表面积为0.256 8~5.890 5 m2/g（平均值为3.39 m2/g）（表1）。同时，可以看到主要发育2种类型的孔隙结构特征：一种以宏孔发育为主，总孔容和微孔总孔容相对较小，比表面积也非常小，其储集性能和吸附能力相对较差，如样品2和样品3泥页岩；另一种则以发育介孔和微孔为特征，总孔容、微孔总孔容都比较大，比表面积也非常大，其储集性能和吸附能力相对较强，如样品1、4、5和6泥页岩。
表1 湘中南地区中奥陶统烟溪组页岩孔隙结构参数

Table 1 Pore structure parameters of Middle Ordovician Yanxi Formation shale in central-southern Hunan

样品

编号

 液氮吸附法孔隙结构参数 二氧化碳静态吸附法孔隙结构参数
孔体积占比/% 总孔容/（mL/g） 比表面积/（m2/g） 孔体积占比/%

微孔总孔容

/（mL/g）

微孔 介孔 宏孔 <0.5 nm 0.5~1 nm >1 nm
样品1 35.03 37.93 27.03 0.005 87 4.364 5 17.27 64.03 18.71 0.001 39
样品2 13.10 32.37 54.54 0.000 99 0.270 2 26.09 55.43 18.48 0.000 92
样品3 10.64 36.81 52.55 0.001 06 0.256 8 17.39 57.61 25.00 0.000 92
样品4 28.88 53.43 17.69 0.007 68 5.021 2 11.21 64.95 23.83 0.002 14
样品5 24.80 56.81 18.39 0.010 47 5.890 5 30.87 55.65 13.48 0.002 30
样品6 31.67 53.77 14.56 0.006 47 4.510 8 18.59 62.82 18.59 0.001 56
平均值 24.02 45.19 30.79 0.005 42 3.39 20.24 60.08 19.68 0.001 54

3.2　储层物性特征

储层物性是评价页岩气勘探潜力的重要参数之一，包括孔隙度和渗透率，前者决定了页岩中游离气的质量分数，影响页岩气的富集程度；后者指示了页岩中孔喉与孔隙之间的连通情况，决定页岩气能否实现大规模渗流开采［27］。通过湘中南地区中奥陶统烟溪组大屋村、马杜桥、祁水源、九湾岭、大桥村、长溪水、青草村、棉花坪、蒲陇村、何家洞、沙子塘等11条剖面共计51个页岩样品的孔隙度测定［图8（a）］，烟溪组孔隙度介于1%~27.7%之间，以1%~8%区间样品个数相对较多，平均值为4.88%，这与美国已获得经济开采页岩气区块的孔隙度（4.22%~6.51%［28］）和四川盆地已获得工业气流的页岩气区块孔隙度（2%~10%［29］）相当，说明烟溪组页岩有效储层孔隙较大。通过湘中南地区中奥陶统烟溪组大屋村、马杜桥、祁水源、九湾岭、大桥村、青草村、棉花坪、蒲陇村、何家洞、沙子塘等10条剖面共计19个页岩样品的渗透率测定［图8（b）］，烟溪组渗透率介于（0.001~2.32）×10-3 µm2之间，主要分布在（0.001~0.06）×10-3 µm2区间和>0.14×10-3 µm2的范畴，平均值为0.319×10-3 µm2，比美国商业性开发的页岩气储层渗透率（40.9×10-9 µm2［28］）和四川五峰组—龙马溪组的页岩储层渗透率（<0.01×10-3 µm2［29］）都大，指示烟溪组页岩渗流能力较强，有利于进行大规模开采。
图8 湘中南地区中奥陶统烟溪组页岩孔隙度(a)和渗透率(b)分布直方图

Fig.8 Histogram of porosity(a) and permeability(b) distribution of Middle Ordovician Yanxi Formation shale in central-southern Hunan

3.3　页岩孔隙发育的影响因素

上述分析可以看出，虽然中奥陶统烟溪组页岩储层发育有机质孔、粒间孔、溶蚀孔和黏土矿物层间微裂缝等多种孔隙，但不同成因类型的有机质页岩孔隙类型、孔隙结构及储层物性存在差异，可见影响页岩孔隙发育的因素比较复杂。综合分析认为，其整体受到矿物组成、有机质丰度及热演化程度等多种因素共同制约。

3.3.1　矿物组成

页岩中各种矿物组成是构成各类孔隙空间的载体，各类脆性矿物及黏土矿物含量的多少，决定了页岩储层抗压实能力的强弱［30］。一般情况下，脆性矿物含量比较高的页岩刚性结构比较稳定，抗压实能力比较强，有利于粒间孔、晶间孔的保存；而黏土矿物含量比较高的页岩，抗压实能力比较弱，且自身容易发生塑性变形，导致各类孔隙不断减小，甚至消失。研究区中奥陶统烟溪组页岩硅质含量较高，抗压实能力较强，孔隙度与石英含量之间呈现出一定的正相关［图9（a）］，说明石英颗粒作为刚性骨架，为页岩增强了一定的抗压实能力，有利于页岩中粒间孔、片间孔及晶间孔的形成及保存；而孔隙度与黏土矿物含量之间呈现明显的负相关［图9（b）］，表明黏土矿物不利于上述孔隙的形成及保存，这与黏土矿物容易塑性变形、抗压实能力弱有关。
图9 湘中南地区中奥陶统烟溪组页岩矿物含量与孔隙度关系

(a)石英含量与孔隙度关系;(b)黏土矿物含量与孔隙度关系

Fig.9 The relationship between mineral content and porosity in the Middle Ordovician Yanxi Formation shale in central-southern Hunan

3.3.2　有机质丰度

有机质是有机质孔形成的物质基础，因此，有机质丰度（TOC含量）在一定程度上决定了有机质孔的发育程度。此外，TOC与页岩的吸附能力关系密切，TOC含量高的页岩，其比表面积也大，吸附页岩气的能力也越强，指示其孔隙空间越大［30］。研究区中奥陶统烟溪组页岩中TOC含量与孔隙度具有一定的正相关性（图10），其相关系数为0.26，说明有机质含量高的页岩有利于有机质孔的发育及保存，但由于有机质自身的可塑性、抗压实能力弱，这一特点又限制了有机孔的进一步发育，所以表现为正相关性相对较弱。
图10 湘中南地区中奥陶统烟溪组页岩TOC与孔隙度关系

Fig.10 The relationship between TOC and porosity of Middle Ordovician Yanxi Formation shale in central-southern Hunan

3.3.3　热演化程度

有机质孔隙是由干酪根热降解或热裂解过程中形成的，或者是由其生成的液态烃充填在无机孔隙中进一步裂解成气态烃而形成的次生孔隙［31］。因此，随着有机质热演化过程的进行，有机质孔越来越发育。研究区中奥陶统烟溪组页岩的镜质体反射率R O值与孔隙度具有明显的正相关（图11），其相关系数为0.57，表明页岩中孔隙度随着成熟度的升高而增加，同时也进一步指出研究区中奥陶统烟溪组页岩储层中孔隙类型以有机质孔为主，即有机质孔在页岩储集空间中所占的比重较大。
图11 湘中南地区中奥陶统烟溪组页岩R O与孔隙度关系

Fig.11 The relationship between R O and porosity of Middle Ordovician Yanxi Formation shale in central-southern Hunan

4 勘探潜力分析

4.1　有机质类型

有机质类型决定了烃源岩的生烃潜力，通常认为Ⅰ型干酪根主要由藻类沉积物及各种有机质被细菌改造形成，生油潜力巨大；Ⅱ型干酪根以海洋中浮游生物、微生物作为有机质来源，生油潜力中等；Ⅲ型干酪根以陆地上的高大植物作为有机质来源，生油潜力较差［32-33］。干酪根显微组分镜下鉴定是识别有机质类型的方法之一，通过对烃源岩中动植物的各种组织、器官的残余成分进行鉴定，确定不同显微组分的体积分数，再计算类型指数（TI）以明确有机质类型［20］。通过干酪根显微组分鉴定结果（表2）可知，研究区烟溪组页岩中有机质的腐泥组分含量相对较多，体积分数介于44%~93%之间（平均值为68.72%），主要是一些腐泥无定型体和腐泥碎屑体；镜质组分相对较少，体积分数介于7%~56%之间（平均值为31.28%），主要是一些无结构镜质体和镜质碎屑体。类型指数（TI）值主要分布在≥80和0~40这2个区间（表2），指示烟溪组干酪根类型以Ⅰ型和Ⅱ2型为主，其转化生成油气的潜能巨大。
表2 湘中南地区中奥陶统烟溪组页岩干酪根显微组分划分

Table 2 Classification of kerogen macerals of Middle Ordovician Yanxi Formation shale in central-southern Hunan

剖面名称 样品编号 显微组分/% 类型指数（TI） 类型
腐泥组 壳质组 镜质组 惰质组
安化大屋村 DWC-9 55.3 / 44.7 / 21.8 Ⅱ2
安化大屋村 DWC-10 62 / 38 / 33.3 Ⅱ2
益阳泥江口 NJK-2 68.7 / 31.3 / 45.2 Ⅱ1
益阳泥江口 NJK-3 61.7 / 38.3 / 33 Ⅱ2
双峰石牛乡 SNX-2 59.3 / 40.7 / 28.8 Ⅱ2
双峰石牛乡 SNX-4 56.3 / 43.7 / 23.5 Ⅱ2
双峰石牛乡 SNX-6 89 / 11 / 80.8 Ⅰ
祁阳司马源 SMY-3 91.3 / 8.7 / 84.8 Ⅰ
祁阳司马源 SMY-4 93 / 7 / 87.8 Ⅰ
祁东祁水源 QSY-3 44 / 56 / 2 Ⅱ2
祁东祁水源 QSY-4 75.3 / 24.7 / 56.8 Ⅱ1

4.2　有机质成熟度

有机质成熟度是反映有机质转变成油气的一项重要参数，一般用镜质体反射率（R O）表征。由于奥陶纪没有高等植物、故显微组分中无法找到标准镜质体，丰国秀等［34］提出了利用沥青反射率代替镜质体反射率的方法，并得到了广泛的认可及应用。通过对湘中南地区中奥陶统烟溪组29个泥页岩样品的反射率测定（图12）可知，等效镜质体反射率R O值介于2.72%~3.82%之间，以3.0%~3.8%区间样品频数最为集中，已处于高成熟或过成熟时期，最利于天然气（页岩气）的生成。
图12 湘中南地区中奥陶统烟溪组页岩R O分布直方图

Fig.12 Histogram of R O distribution of Middle Ordovician Yanxi Formation shale in central-southern Hunan

4.3　有机质丰度

有机质丰度是确定资源潜力的重要指标，也是评价储层质量的主要参数，一般用总有机碳（TOC）表征。王思波等［35］、石学文等［36］研究指出，TOC值与页岩气吸附量成正比关系，即TOC值越大，页岩中吸附的天然气就越多，其储层中页岩气的含量自然就会增加。通过对湘中南地区中奥陶统烟溪组151个泥页岩样品的TOC值测定（图13）可知，研究区烟溪组TOC值介于0.05%~5.6%之间，主要集中在0.5%~4%区间，平均值为1.76%，接近页岩气工业开采价值的下限值2%［37-38］，说明烟溪组整体资源潜力较大，是优质的烃源岩。
图13 湘中南地区中奥陶统烟溪组页岩TOC分布直方图

Fig.13 Histogram of TOC distribution of Middle Ordovician Yanxi Formation shale in central-southern Hunan

4.4　有利勘探区

中奥陶统烟溪组沉积时期，湘中南地区位于大陆斜坡—深水盆地的古地理环境，深水陆棚和深水盆地相发育富有机质页岩，该沉积相带沿扬子板块与华夏板块结合部位向北东和南西2个方向延伸［13-15，18］（图1）。在此环境中，海洋中低等动物和菌藻类发育，具有良好的生烃物质基础，有机质类型以Ⅰ型和Ⅱ2型为主，热演化程度为高—过成熟，有利于天然气（页岩气）的大量生成。烟溪组页岩分布广泛，富有机质页岩厚度介于40~160 m之间，以永州—衡阳—醴陵一线相对较厚（图14）。烟溪组总有机碳（TOC）含量主要介于0.5%~4%之间，以零陵凹陷、涟源凹陷东南部和邵阳凹陷西北部相对较高，达到2.5%以上（图14）。烟溪组埋深分布很不均匀，邵阳凹陷和零陵凹陷埋深相对较浅，一般为2 000~4 000 m；涟源凹陷和衡阳盆地埋深相对较深，一般为4 000~6 000 m（图14）。以TOC>2.0%和页岩厚度大于100 m作为限定条件，结合现有技术对页岩气开采的中浅层深度要求［4］，认为零陵凹陷东安—永州—祁阳一带是有利的页岩气勘探区（图14），该区烟溪组埋深主要为2 000~4 000 m，与大范围剥蚀区的距离较远，且远离一级断层，有利于页岩气保存和大规模开采。综上所述，湘中南地区中奥陶统烟溪组沉积环境有利，埋深适中，物性较好，有机质丰富，具有较大的勘探潜力，有利勘探区主要位于零陵凹陷东安—永州—祁阳一带（图14）。
图14 湘中南地区中奥陶统烟溪组页岩气综合评价

Fig.14 Comprehensive evaluation of shale gas of Middle Ordovician Yanxi Formation in central-southern Hunan

5 结论

（1）湘中南地区中奥陶统烟溪组矿物主要为石英和黏土，其次是黄铁矿和长石，少量菱铁矿、硬石膏、方解石和白云石。石英质量分数为44.5%~86.7%，平均为69.5%；黏土矿物质量分数为9.9%~43.9%，平均为25.9%；脆性指数介于50.9%~87.6%之间，平均为72.4%，有利于压裂开采。
（2）烟溪组页岩主要发育有机质孔、生物结构孔、粒间孔、片间孔、晶间孔、溶蚀孔和黏土矿物层间微裂缝及矿物破裂缝。孔隙结构组成主要是介孔，其次是宏孔和微孔；总孔容为0.000 99~0.010 47 mL/g（平均为0.005 42 mL/g），比表面积为0.256 8~5.890 5 m2/g（平均为3.39 m2/g）。烟溪组页岩储层物性与国内外商业开采区对比，孔隙度中等，渗透率较好。
（3）烟溪组发育2种类型的孔隙结构：一种以宏孔发育为主，总孔容和微孔总孔容相对较小，比表面积也非常小，其储集性能和吸附能力相对也较差；另一种则以介孔和微孔发育为主，总孔容和微孔总孔容相对较大，比表面积也非常大，其储集性能和吸附能力相对较强，可作为烟溪组重点勘探的层段。
（4）烟溪组具有良好的生烃物质基础，有机质类型以Ⅰ型和Ⅱ2型为主，热演化程度为高—过成熟，有利于页岩气的大量生成。湘中南地区中奥陶统烟溪组沉积环境有利，埋藏深度适中，储层物性较好，有机质丰富，具有较大的勘探潜力，有利勘探区主要位于零陵凹陷东安—永州—祁阳一带。

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