0 引言
湘中地区作为盆地外围页岩气调查与探索的新区，是实现我国南方页岩气勘探开发由长江上游向中游拓展的一个重要区域。区内分布着上古生界海相及海陆过渡相多套页岩层系，泥盆系佘田桥组页岩更是广泛发育，其厚度大、生烃物质基础优越，是页岩气勘探重要层系之一。随着页岩气勘探工作的持续推进，多口探井在该区佘田桥组获得不同规模的页岩气发现，因此，加强页岩气地质特征与富集成藏理论研究对深化该区勘探工作具有重要意义。相比于北美和我国四川盆地等主要页岩气产地，湘中地区存在构造活动更为复杂强烈、佘田桥组页岩基质物性偏差、区域和纵向上含气性差异显著等诸多问题。近年来，众多学者对该地区佘田桥组进行了研究，徐昉昊等［10］认为湘中地区佘田桥组泥页岩主要发育于海相台盆环境，并与美国典型页岩进行了对比；陈林等［11］将佘田桥组泥岩划分为硅质泥岩、混合质泥岩、硅质岩、钙质泥岩等4种岩相类型及5个岩相组合段；刘安等［12］通过建立碳氧同位素变化曲线发现佘田桥组富有机质页岩段对应着地层碳同位素高值，并认为是全球海平面上升的结果；田巍等［13］基于元素地球化学分析，认为海平面升降造成的缺氧环境是佘田桥组下部页岩有机质富集的主控因素；黄俨然等［14］对佘田桥组页岩的生烃和储集空间特征进行了研究，认为佘田桥组的生烃能力主要来自于台盆相区烃源岩中的泥质组分，生烃指标较好，储集空间主要有粒间孔、粒内孔、有机质孔和微裂缝４种类型，主体孔隙为中孔。前人的研究主要针对于沉积环境及岩相类型、地球化学特征、有机质富集机理、生储特征等方面，对该层系含气性差异特征及其控制因素涉及过少，因此，本文以湘中地区涟源凹陷为研究对象，通过对不同区域、不同含气井佘田桥组页岩沉积相、地层展布、有机地球化学、储层、含气性变化及成藏演化等页岩气地质条件的系统分析与对比，探讨了区内佘田桥组页岩气差异性富集的控制因素，并初步形成了适合该区的页岩气富集成藏模式，以期为地质条件复杂区的页岩气有利区、有利层段优选与资源潜力评价提供指导与帮助。
1 地质概况
湘中坳陷位于扬子大陆南缘与华南加里东褶皱构造带北部，西北为江南—雪峰隆起，南接桂北坳陷，东邻衡山隆起，是在下古生界变质岩系基底上发展起来的一个以上古生界—中三叠统碳酸盐岩和碎屑岩沉积为主的准地台型坳陷［15-16］。依据构造特征与变形差异，可将湘中坳陷近一步划分为涟源凹陷、龙山凸起、邵阳凹陷、关帝庙凸起和零陵凹陷5个次一级构造单元，组成区内“三凹两凸”的构造格局。其中，涟源凹陷位于湘中坳陷的北部，整体呈NWW向展布，面积约为6 770 km2，属典型的改造型盆地，经历过多期构造活动，以挤压逆冲与重力滑动改造为主，构造样式较为复杂，分布着新化—城步、新宁—灰汤等多条区域性断裂，构造线主体呈NE—NNE向，自前泥盆系浅变质基底形成后，上覆盖层持续沉积。依据构造样式的差异性可将涟源凹陷自西向东依次划分为西部叠瓦逆掩冲断带、中部褶断带和东部滑覆叠瓦冲断带3个次级构造带［17-18］（图1）。
中部褶断带东西分别以凤冠山断裂带和集云断裂带为界，区内主要发育了车田江向斜、桥头河向斜和恩口—斗笠山宽缓向斜，向斜之间为相对紧闭的背斜；西部叠瓦逆掩冲断带紧邻雪峰隆起东缘，以叠瓦状逆冲断层及其间的紧闭褶皱为主体构造样式，仅在东部发育了宽缓的青峰向斜构造；东部滑覆叠瓦冲断带与衡阳盆地西部隆起相接，发育一系列逆冲断层和张扭性断层，其内褶皱构造主要为洪山殿向斜和相邻背斜及次级褶皱［19-20］。区内自泥盆系至三叠系各层系地层沉积基本连续，在宽缓向斜区保存较为完整，厚度相对稳定，核部主要出露二叠系和三叠系下部地层；相对紧闭的背斜带，抬升剥蚀严重，核部层位较老，一般为石炭系或泥盆系。此外，涟源凹陷四周的花岗岩岩体较发育，形成于加里东、印支、燕山期等多期岩浆热液活动。
以往油气勘探主要集中在凹陷中部构造带，分布着多口天然气探井，于石炭系测水组、石磴子组、天鹅坪组、孟公坳组，二叠系龙潭组、大隆组等多个层位见到好的天然气、页岩气及煤层气显示，揭示出该区良好的天然气勘探潜力。
2 沉积与地层岩性特征
中泥盆统易家湾组—棋梓桥组沉积期，海水由湘桂夹道进入湘中地区，受拉张断裂活动影响，湘中地区形成了宽台窄盆的台—盆相间古地理格局，台盆相区主要沉积泥页岩、泥质灰岩，台地相区则以厚层生物碎屑灰岩、泥质灰岩和礁灰岩沉积为主，分布腕足、珊瑚等化石，台地边缘常发育珊瑚礁［11，21-22］。上泥盆统佘田桥组沉积早期，伴随拉张裂谷活动的加剧及全球海平面的上升，在基本继承棋梓桥晚期台—盆相间的沉积格局基础上，台盆范围有所扩大，水体深度增加，形成佘田桥组下部富有机质暗色泥页岩与中下部厚度较大的暗色泥灰岩、泥质灰岩及泥质粉砂岩，而台地相区则主要为一套碳酸盐岩夹少量碎屑岩的沉积。到佘田桥组沉积中晚期，海平面逐渐下降，陆源碎屑物质供应增加，此时的湘中坳陷整体处于填平补齐阶段，前期台盆相区过渡为继承性的台内凹陷、台缘斜坡、开阔台地、潮坪相，形成佘田桥组中上部深灰色—灰色灰岩、泥灰岩、泥岩交替的岩性组合。
总体上，佘田桥组沉积时期，湘中地区的沉积环境主要受控于大规模海侵—海退旋回作用与构造活动控制，尤其是台地内的拉张裂谷活动对沉积相带的展布具有重要影响。早期，在湘中地区主要发育武冈—隆回—新化与永州—双峰2个大致呈北东—南西向带状展布的台间深水盆地相区，其中武冈—隆回—新化台盆相带进入涟源凹陷后分化为新化—白溪—田坪与涟源—陈家坊—快溪2个主要沉积中心（图2），而永州—祁阳—双峰台盆相区仅经过涟源凹陷东南缘的双峰一带。新化县—白溪—田坪台盆相区内湘新页1井、湘新地3井和湘新地1井等揭示出的佘田桥组下部暗色泥页岩、泥灰岩累计厚度超过100 m，涟源—陈家坊—快溪台盆相区内湘涟地1井和张家冲剖面揭示出的暗色泥页岩、泥灰岩厚度更大，超过150 m，远离2个台盆相区中心，暗色泥页岩逐渐减少，过渡为台地相沉积环境下的碳酸盐岩组合。
依据岩性组合和测井电性特征差异，可将台盆相区佘田桥组自下而上划分为4段，以湘新页1井为例（图3），佘田桥组钻探深度1 109~2 567 m，厚度为1 458 m。底部第一段深度为2 103~2 567 m，厚度为464 m，主要为深水台盆相沉积，该段下部主要为灰黑色泥页岩夹泥灰岩，厚度为100 m，具相对高伽马、低电阻率的测井电性特征；中部岩性变为深灰色泥质粉砂岩与深灰色—灰黑色泥页岩互层，粉砂岩主要为岩屑粉砂岩，属深水浊流沉积，电阻率升高；上部主要为深灰色—灰黑色泥页岩、钙质页岩夹泥质灰岩。第二段深度为1 824~2 103 m，岩性主要为深灰色—灰黑色泥灰岩、泥质灰岩夹泥页岩，相比一段，具有相对低自然伽马、高电阻率的电性特征，以台盆相—台缘斜坡相沉积为主。第三段深度为1 325~1 824 m，主要为深灰色—灰色泥质灰岩、灰岩夹钙质泥页岩，局部灰岩含云质，为开阔台地相沉积。第四段深度为1 109~1 325 m，岩性主要为灰色—灰绿色钙质泥页岩夹少量泥质灰岩，波状、脉状层理较常见，属潮坪相沉积。综合分析，佘田桥组连同下部棋梓桥组可划分为一个完整的三级层序，第一段下部为海侵体系域，主要沉积了暗色炭质页岩与泥灰岩的岩性组合，一段中上部与其上二、三、四段为高位体系域。总体而言，佘田桥组一段沉积期间水体相对较深，下部灰黑色页岩夹泥灰岩段对应该时期最大的沉积水体深度，具有较好的烃源岩形成条件。
3 页岩气地质特征
3.1 有机地球化学特征
有机质不仅是生烃的物质基础，其内复杂的微孔隙也是烃类气体的储集空间与吸附载体［23］。测试结果表明，佘田桥组一段115个样品的TOC（总有机碳含量）明显受到沉积环境所控制，台盆相区的佘田桥组泥页岩、泥灰岩段TOC值多大于1%，而台地相区的碳酸盐岩及所夹页岩、泥灰岩TOC则明显偏低。凹陷内佘田桥组一段的TOC分布主要表现为2个大致呈北东—南西向展布的高值带，即西部新化—白溪—田坪一带与中部涟源—娄底一带，凹陷东南边缘双峰一带亦存在一个高值区，与区域上台盆相带的展布趋势相似（图4）。以湘新页1井为例，纵向上，佘田桥组一段下部的灰黑色泥页岩TOC分布范围为1.46%~8.66%，平均为3.18%，有机质含量整体较高，向上至一段上部及二、三、四段的泥质粉砂岩、泥页岩、泥灰岩混合层，TOC值有所降低，主要介于0.40%~1.17之间，平均为0.67%，这种有机质含量纵向上明显的分层性决定佘田桥组一段下部的泥页岩夹泥灰岩层是页岩气勘探相对有利层位（图3）。
由佘田桥组页岩有机质干酪根显微组分和碳同位素实验测试结果可知，显微组分主要为腐泥组与镜质组，腐泥组含量占比为75%~96%，以无定形体为主，类型指数TI值介于56~93之间 ，而干酪根碳同位素值分布在-28.0‰~29.6‰之间，因此，有机质类型主要为腐泥型—偏腐泥混合型（Ⅰ—Ⅱ1）。干酪根镜检分析结果显示，佘田桥组有机质热演化程度受埋藏历史与岩浆活动共同影响，热液活动在涟源凹陷周缘形成大范围的出露及隐伏岩体，以南西侧的龙山—白马山岩体与北东侧的沩山岩体最为显著，靠近这两侧区域，R O值明显偏高（R O>4.5%），同时在凹陷内形成一个北西—南东向展布的相对低值带，R O值主要介于2.0%~3.0%之间（图4），处于生气窗范围。2个台盆相区的主体区域位于该低值带内，其中，湘新页1井佘田桥组页岩（15个）R O值介于2.50%~2.84%之间，平均为2.73%，处于过成熟演化阶段。
3.2 岩石矿物特征
新化—白溪—田坪台盆相区内佘田桥组一段页岩样品（55个）的X射线矿物组分鉴定结果显示，石英含量占比为27.7%~58.2%，平均为42.2%，碳酸盐矿物含量为4.2%~44.2%，平均为20.5%，黏土矿物含量为13.0%~34.8%，平均为24.6%，长石含量均值为5.8%，云母、黄铁矿等含量相对低（图3），页岩的矿物组成总体上表现出硅质矿物含量较高、碳酸盐矿物与黏土矿物次之的特点。由矿物组成比例来看，佘田桥组页岩主要以硅质页岩与混合质页岩为主，两者占比分别为62.5%和32.5%，且大部分硅质页岩样品处于硅质向混合质过渡区（图5），反映出整体偏混合质页岩的特点。石英被作为主要的脆性矿物，其含量决定着页岩的脆性强弱［24］，随着对岩石学与矿物学的深入研究发现，除石英、长石、黄铁矿等脆性矿物外，碳酸盐矿物对增加脆性也起重要作用［25-26］，尤其对于碳酸盐矿物含量较高的混合质页岩和钙质页岩。凹陷内台盆相区佘田桥组页岩段中，石英、长石、黄铁矿、碳酸盐等脆性矿物含量占比超过70%，页岩整体脆性较强。
3.3 储层特征
3.3.1 储集空间类型
通过对台盆相区湘新地3井、湘新页1井岩心样品自然断面与氩离子抛光面的扫描电镜观察发现，佘田桥组页岩储集空间以无机质孔和微裂缝为主，有机质孔次之［图6（a）—图6（i）］。区内页岩中有机质孔整体发育程度一般，仅在高TOC区域和层段较发育，孔径一般介于2~300 nm之间，大多呈不规则形状，连通性较差。无机质孔中，决定孔隙空间的主要是粒间孔及溶蚀孔，粒间孔的发育与分布较复杂，溶蚀孔在钙质页岩与泥灰岩中较为发育，构造活动与地层变形强烈地区与层段，粒间孔与溶蚀孔更为发育，尤其是断层与裂缝带附近，此类孔隙分布密集，且孔径较大，纳米级和微米级均较常见。微裂缝主要有层间缝、顺层缝与粒缘缝，缝宽一般为纳米级，延伸长度多为微米级。层间缝主要形成于构造作用，呈直线或曲线状，多切穿不同矿物颗粒，宽度一般较大，延伸长度不一，对改善页岩的储集空间与增加各类孔隙的连通性有重要贡献；顺层缝多与成岩作用相关，主要为层理缝、收缩缝等，在顺层分布的片状矿物间较常见，其宽度一般小于层间缝；粒缘缝主要沿方解石及有机质等边缘展布，为应力作用下矿物颗粒相互挤压、体积收缩或岩矿溶蚀所形成。
图6 佘田桥组页岩段微观孔隙和裂缝特征（a）有机质与石英、方解石、黏土矿物等共生，湘新页1井，2 554 m；（b）有机质孔成群分布，湘新地3井，1 039 m；（c）有机质孔呈不规则状，湘新地3井，1 197 m；（d）粒间孔，湘新页1井，2 550 m；（e）黏土矿物粒间孔，湘新页1井，2 502 m；（f）方解石内溶蚀孔与粒缘缝，湘新页1井，2 121 m；（g）层间缝，湘新页1井，2 541 m；（h）粒缘缝，湘新页1井，2 560 m；（i）片状黏土矿物间顺层缝，湘新地3井，1 083 m Fig.6 Characteristics of microscopic pores and fractures in the Shetianqiao Formation shale |
此外，岩心上可观察与识别到较多的宏观裂缝，主要有后期构造应力作用下形成的构造缝、沉积成岩过程中形成的层理缝等（图7）。构造缝以中、高角度缝为主，延伸长度不一，常被方解石、石英等矿物充填或半充填，比例约为50%~80%，通过对裂缝交切关系、充填物成分与次序等的分析，佘田桥组存在多期构造缝，主要与该区挤压逆冲、重力滑动、层间滑脱等多期次、多类型的构造活动相关，其发育受岩性、层厚、岩石力学性质、所处构造部位、断层和褶皱发育特征等因素共同影响，局部可见多期多角度裂缝构成的裂缝网络，极大地增强了储层的连通性。层理缝在页岩段也比较发育，主要为一些低角度缝（倾角<20°），受上覆岩层影响，在地下多处于紧闭或半紧闭状态，对储渗空间的贡献要小于构造缝。
3.3.2 孔隙结构
依据不同实验测试手段在孔隙结构研究中的精度与适用性差异，本文主要采用高压压汞、氮气和二氧化碳吸附—脱附测试方法对佘田桥组页岩样品的宏孔（孔径>50 nm）、中孔（孔径2~50 nm）和微孔（孔径<2 nm）［27］分别进行分析，并联合3种测试全尺度表征页岩孔隙的孔径分布特征。联合测定结果表明，佘田桥组12个页岩样品中，中孔提供了主要的孔体积，宏孔提供了次要的孔体积，微孔仅提供少部分孔体积（图8）。同时，不同构造位置佘田桥组页岩的孔隙结构也存在一定差别，靠近断裂带且位于较高构造部位的湘新地3井佘田桥组页岩样品中，宏孔对总孔体积的贡献占比为23.42%~40.58%，而远离断层且位于低部位的湘新页1井，页岩样品中宏孔对总孔体积的贡献比例为7.54%~16.24%，明显低于前者。综合2口井的扫描电镜与岩心观察结果，湘新地3井页岩中的粒间孔、溶蚀孔、微宏观裂缝更为发育，导致大孔径孔隙占比提升。
3.3.3 储层物性
台盆相区内页岩样品（46个）的常规孔隙度和渗透率测定结果显示，孔隙度分布在0.70%~6.88%之间，平均为1.67%，大于2.0%的样品占比为28.1%；渗透率分布在（0.001~0.168）×10-3 μm2之间，平均为0.055×10-3 μm2，其中超过80%的样品渗透率介于（0.01~0.10）×10-3 μm2之间，因此，该页岩储层为典型的特低孔、特低渗型储层。同时，佘田桥组页岩段纵向上自上而下，孔隙度略有增大。
此外，对区内同一构造不同部位2口井数据分开统计发现，湘新页1井页岩孔隙度分布在0.70%~2.10%之间，平均为1.02%，其中孔隙度小于2.0%的样品占比为95%，渗透率分布在（0.001~0.097）×10-3 μm2之间，平均为0.045×10-3 μm2；湘新地3井页岩段孔隙度分布在0.83%~6.88%之间，平均为2.02%，孔隙度大于2.0%的样品占比为40.5%，渗透率分布在（0.048~0.168）×10-3 μm2之间，平均为0.083×10-3 μm2。两者对比表明，湘新地3井页岩段的孔隙度与渗透率明显大于湘新页1井（图9），与其所处的构造部位与经受的构造变形强度密切相关，受构造作用影响，湘新地3井页岩中大孔径的粒间孔、溶蚀孔及裂缝更为发育，极大地改善了页岩储层的储渗性能。此外，选取湘新页1井部分页岩样品采用核磁共振法来测定其核磁孔隙度，该方法是通过监测饱水样品孔隙水的核磁信号强度并根据其与孔隙度之间的关系标准来计算得到样品孔隙度，相比常规方法，核磁法可测定更小孔径的孔隙体积。结果发现，页岩样品核磁孔隙度分布在0.59%~4.05%之间，平均为2.49%，大于常规孔隙度测定值，孔隙度介于1%~4%之间的样品占比较大，孔隙度的增量主要来自于小孔径孔隙，样品的可动流体孔隙度分布在0.16%~2.28%之间，平均为1.22%，其中小于2.0%的样品占比为96%，与常规孔隙度测定值及分布结构相近（图9），反映出低孔低渗的储层特点。
3.4 含气性特征
3.4.1 典型井含气特征
通过对多口井含气特征的对比分析发现，涟源凹陷及周缘地区佘田桥组页岩的含气性变化较大，除了受不同沉积环境下页岩的发育情况控制外，不同构造区与构造样式页岩含气性也存在明显差异，即使是同一构造区不同构造部位，含气性也有一定的差别（图10）。如凹陷东南侧、龙山凸起东缘的湘双地1井，其夹于涟源凹陷、龙山凸起及东侧岩体之间，钻探中气显偏弱，录井气测全烃值低于0.5%，现场解析气含量低于0.2 m3/t；此外，位于凹陷南缘与龙山凸起过渡带的湘涟地1井，佘田桥组的含气性更差，钻探过程中几乎未见气体显示。而位于凹陷西部青峰向斜的3口井则表现出较好的含气性，由向斜翼部至核部，湘新地3井佘田桥组一段页岩（1 170~1 268 m）的录井气测全烃值为2.78%~7.58%，现场解析气含量最高可达2.39 m3/t，平均含气量在2.0 m3/t之上，湘新地1井虽未钻至主含气页岩段，但页岩之上的钙质页岩、泥灰岩夹粉砂岩层（1 490~1 610 m）仍具有较好的天然气显示，解析气含量为1.49~2.16 m3/t，平均为1.77 m3/t，湘新页1井主含气页岩段（2 490~2 567 m）录井气测全烃值为0.3%~1.5%，解析气含量低于1.0 m3/t。
3.4.2 气体组分
通过对湘新页1井页岩段钻探与直井压裂中的气体样品组分进行测定，页岩段天然气组成以甲烷为主，相对含量为64.66%~69.98%（表1），烷烃气中 重烃含量较少（仅0.07%~0.18%），天然气干燥系数在99%以上，具典型的干气特点，属高—过成熟天然气。此外，非烃类气体中N2和CO2含量略高，分别为17.1%~23.51%和9.4%~17.91%，He的相对含量为0.01%~1.01%。
表1 涟源凹陷湘新页1井佘田桥组页岩段天然气组成Table 1 Gas composition of the shale section of Shetianqiao Formation in Well XXY-1, Lianyuan Sag |
| 样品编号 | 深度 /m | 烃类含量/% | 非烃类含量/% | 干燥 系数 | |||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| C1 | CO2 | N2 | He | ||||
| XXY-Y1 | 2 541.1 ~ 2 567.6 | 64.66 | 0.09 | 17.91 | 17.10 | 0.24 | 0.998 6 |
| XXY-Y2 | 67.12 | 0.11 | 9.93 | 21.96 | 0.89 | 0.998 4 | |
| XXY-Y3 | 68.50 | 0.18 | 10.50 | 20.81 | / | 0.997 4 | |
| XXY-Y4 | 69.98 | 0.11 | 9.80 | 20.10 | 0.01 | 0.998 4 | |
| XXY-Y5 | 65.04 | 0.07 | 11.10 | 23.51 | 0.27 | 0.998 9 | |
| XXY-Y6 | 69.72 | 0.13 | 9.40 | 19.68 | 1.01 | 0.998 4 | |
3.5 成藏演化特征
根据区域构造演化与地层埋藏—抬升历史，涟源凹陷在晚泥盆世至新生代期间，主要经历了3次不同程度的沉降与构造抬升，结合区内湘新页1井的埋藏史资料（图11），将泥盆系佘田桥组页岩气藏划分为早期原地聚集、中期调整改造和晚期逸散—残留3个主要成藏演化阶段。
佘田桥组页岩自沉积后开始持续沉降，晚泥盆世末有机质进入生烃门限（R O>0.6%），此后，随着埋深和温压的增加，有机质开始持续生烃，并于早二叠世达到生油高峰（R O=1.3%）。早二叠世末期进入高成熟演化阶段，首先开始干酪根热降解生气（1.3%<R O<1.6%），随温度继续增加，逐渐进入原油裂解生气阶段（1.6%<R O<2.0%）。该阶段生成的烃类原地或层内就近聚集，主要赋存于生烃过程形成的有机质孔、基质孔隙及层理缝中，此阶段排烃运移的驱动力主要是生烃增压，此种排烃运移方式在低孔低渗的页岩储层中运移速度缓慢，距离较短。中三叠世印支运动发生，整个涟源凹陷形成以宽缓褶皱为主的构造样式，受构造挤压作用影响，该区进入第一次抬升期，抬升前页岩有机质已处于高成熟演化阶段（R O<2.0%），此次抬升增强了排烃与运移，但抬升幅度有限，对气藏整体改造作用不强，主要是使早期原地聚集的气体发生层内侧向运移，期间烃源岩生烃作用减弱至停止，到晚三叠世该期抬升活动结束。之后进入快速沉积沉降阶段，并一直持续至中侏罗世，此过程中，页岩有机质于早侏罗世进入到过成熟生气阶段（R O>2.0%），已形成的液态烃和重质气态烃大量裂解生成更多甲烷气体，仍以原地或层内就近聚集为主，此阶段，页岩中有机质孔隙更为发育，随成岩阶段的深入也产生一些成岩收缩与矿物转化相关孔缝，储集空间更加丰富。中侏罗世燕山运动爆发，该区在强烈的区域挤压应力作用下发生第二次大规模抬升活动，抬升强烈且地层剥蚀厚度大，并一直持续至早白垩世。该时期构造运动对印支期主体构造进行了强烈改造，使早期褶皱变得紧闭，形成了宽向斜、窄背斜相间的隔挡式褶皱构造样式，发育了一系列的逆冲断裂与大量的构造裂缝，并伴随相关流体活动。抬升之前，页岩有机质已处于过成熟阶段，抬升过程中生烃作用减弱至停止。该期构造运动对已有的佘田桥组气藏进行了较大程度的调整改造，早期原地或层内就近聚集的天然气在构造应力驱动下，整体沿层理、断层、裂缝及孔隙等通道发生一定的侧向与垂向运移，然而，断层和裂缝的过多发育与地层的抬升剥蚀也导致了气体的散失，使早期气藏遭受不同程度的破坏。早白垩世后，该区再次沉降接受沉积，但因燕山期的抬升过大，地层沉降幅度远小于之前的最大埋深，有机质生烃基本结束。古新世喜马拉雅运动发生，该区经历第三次抬升，并一直持续至今，对气藏的改造程度明显弱于之前，主要以气体缓慢散失为主，逸散程度受构造部位、地层埋深、顶底板及盖层条件、断层与裂缝特征及其封闭性等多因素共同影响，最终形成佘田桥组现今的残留型常压页岩气藏。
4 页岩气富集控制因素与成藏模式
4.1 页岩气富集主控因素
涟源凹陷及周缘地区佘田桥组页岩气藏的展布具有很强的非均质性，平面上与纵向上的含气性差异均较为显著，受沉积、构造、埋深、顶底板、盖层、热液活动等多重因素共同影响与控制。
4.1.1 台盆相带富有机质页岩的发育是页岩气富集成藏的基础
沉积相带控制着烃源岩的发育与品质，是决定页岩气形成与富集的物质基础。晚泥盆世佘田桥组沉积早期，在继承前期台—盆相间的沉积格局基础之上，湘中地区的台盆范围扩大，海平面上升至高位，沉积水体的加深使台盆内由前期常氧—贫氧的氧化环境转变为缺氧—厌氧的还原环境，有机质在这种深水缺氧的环境下得以保存，加之此时陆源碎屑输入较弱，从而发育了佘田桥组下部暗色富有机质页岩，而向台缘斜坡与台地相区过渡，沉积水体变浅，主要发育碳酸盐岩夹碎屑岩，整体处于常氧—贫氧的氧化环境，不利于有机质保存，有机质含量相对偏低（图12）。因此，受沉积环境影响，佘田桥组页岩段厚度与有机质富集程度具有明显的分区性，凹陷西部新化—白溪—田坪与中部涟源—娄底—快溪2个北东—南西向展布的台盆沉积相带内暗色页岩夹泥灰岩厚度大于80 m、有机质含量高，具有良好的生烃物质条件，为后期气藏的形成奠定了基础，而周围台地相区页岩厚度小、生烃条件差，难以形成自生自储的气藏。到佘田桥组沉积中晚期，海平面下降，陆源碎屑输入增加，湘中地区整体处于填平补齐阶段，前期台盆相区过渡为继承性的台内凹陷、台地、潮坪相，沉积水体的变浅使早期环境遭到破坏，变为不利于有机质保存的贫氧—常氧环境，且此时陆源物质供应的增加稀释了有机质的富集程度，从而形成佘田桥组上部的贫有机质页岩与碳酸盐岩为主的岩性组合，佘田桥组TOC纵向上的变化也反映出这一特征（图3）。综上所述，早期沉积与后期海平面升降造成的动态氧化—还原环境是佘田桥组页岩发育与有机质富集的主控因素，台盆相带形成的富有机质页岩是富集成藏的基础。
4.1.2 适宜热演化程度是页岩气富集成藏的重要因素
涟源凹陷佘田桥组页岩有机质除经历正常的埋藏热演化外，还受岩浆热液活动所影响，尤其是主要生排烃期间的印支期与燕山期热液活动，使上古生界地层的有机质热演化轨迹均产生变化。热液侵入带来的高温不仅会使临近区的源岩提前进入到过成熟阶段停止生烃，造成生烃不充分，也会导致已形成的气体发生逸散，破坏原有气藏的富集效应。受热液活动影响，不同地区佘田桥组页岩的热演化程度存在较大差别，R O值分布跨度大，凹陷北东与南西边界地区有机质热演化程度明显偏高，沿该两侧向凹陷内部呈逐渐降低趋势，在凹陷内形成一个北西—南东向展布的新化—涟源—双峰相对低值带，其内热演化程度适中，生烃条件优越，带内多口井在佘田桥组均获得好的页岩气显示，而部署于北东、南西两侧R O高值区的井（湘涟地1井、湘洞地1井）揭示的含气性整体偏差。
4.1.3 良好的保存条件是页岩气富集成藏的关键
湘中地区涟源凹陷现今的佘田桥组页岩气藏是多期构造活动调整改造与持续逸散叠加下形成的残留型常压气藏，成藏演化过程表明主生烃期后的燕山运动对气藏的改造作用最为显著，中侏罗世—早白垩世是最主要的改造期。因此，保存条件是该区佘田桥组页岩气能否富集成藏的关键。
多期构造运动奠定了涟源凹陷现今宽缓向斜和紧闭背斜相间的隔挡式盖层褶皱与逆冲断层组合为主的基本构造格局。不同构造带、构造样式与构造部位，褶皱、断层及裂缝发育特征有所不同，造成了页岩气保存条件的差异。区内主要的褶皱轴向及断层走向方位均为北东—北北东向，向斜多为短轴形态，构造相对简单，变形强度较弱，岩层平缓稳定，而背斜则多呈紧闭线状形态，岩层产状变化大；断层主要为逆冲性质，在凹陷东、西部主要表现为叠瓦冲断构造特征，中部则由一系列倾向北西及南东的逆断层构成背冲或对冲式构造样式，此外，局部沿测水组等软弱地层也发育有滑脱构造和重力滑动构造。整个凹陷内，断裂更多的分布在向斜间的紧闭背斜带内，导致背斜形态多被破坏，而向斜形态保持相对完整，因此，宽缓的向斜区构造保存条件整体优于紧闭的线状背斜。此外，凹陷周缘区因与相邻凸起构造相接触，无论是抬升剥蚀、构造变形，还是褶皱、断层及裂缝发育程度都明显强于凹陷内部，构造样式也更为复杂，地层强烈变形，大量发育的断层和裂缝构成相互连通的系统，使含气页岩层封闭性与保存条件遭受严重破坏，最终气藏难以保留，部署于凹陷周缘的井佘田桥组整体含气性差，岩心上构造变形异常强烈，见多个断裂破碎带。
对于整个涟源凹陷，佘田桥组的埋深呈现出凹陷内部大、向边缘变浅甚至出露遭受剥蚀的特点，其中，凹陷内的宽缓向斜核部区埋深最大，向两翼及相邻背斜区依次变浅，主要的向斜区页岩层的埋深范围主体分布在500~4 500 m之间，就埋深条件而言，凹陷内部优于边缘、向斜区优于背斜区。此外，凹陷内向斜区佘田桥组往往具有良好的垂向和侧向封闭性，以凹陷内青峰向斜西翼的新化含气区为例，区内发育的叠瓦逆冲断裂组合后期主要受与其呈大角度相交的区域构造挤压应力作用影响，逆断层在该应力环境下对两侧地层具有一定的封闭性与遮挡性，断层之间易形成稳定封闭带，有效减缓了气体在侧向上的散失。并且，佘田桥组页岩具有较好的垂向封闭性，下伏棋梓桥组与上覆锡矿山组致密灰岩、泥灰岩层封盖作用强、厚度大，可作为佘田桥组直接有效的盖层；佘田桥组本身的泥质粉砂岩、泥页岩、泥灰岩及灰岩层也具有好的自封闭性，彼此间可成为封隔层，从而使页岩气层具备良好的顶底板条件与盖层封闭性。这种侧向与垂向上稳定而有效的封闭条件，有效降低了后期构造活动对气藏的破坏，使之在调整改造过程中得以保存。因此，从佘田桥组页岩层的埋深、盖层、构造变形、褶皱和断裂发育特征等综合考虑，凹陷内的宽缓向斜区保存条件最佳。
4.1.4 裂缝控制优质储层发育与页岩气富集程度
页岩储层为典型的低孔低渗储层，孔隙和裂缝是主要的储集空间与渗流通道，二者的发育情况决定着气体的富集程度与储层品质，尤其是裂缝，对页岩储层物性的改善极为重要，同时对天然气的运移、聚集成藏及形成后期产能影响显著，优势裂缝方位对气藏的空间展布也具有一定的控制作用。然而，当裂缝发育过多、尺度过大，与断裂系统过于连通，甚至沟通至浅层或地表时，将导致含气层封闭性遭到破坏，保存环境变差。涟源凹陷佘田桥组属于以裂缝为主、孔隙为辅的裂缝—孔隙型储层，裂缝在气藏形成中扮演重要角色。凹陷周缘与相邻凸起构造接触，地层整体变形强烈，构造裂缝与断裂过于发育，且彼此相互连通，导致气体易于发生侧向和垂向扩散，对气藏的破坏极大，如位于凹陷南缘与龙山凸起交会区的湘涟地1井，岩心上构造变形与裂缝密度明显偏大（图7），见多处破碎，且临近区域断层极为发育，该井几乎不含气；此外，部署于凹陷东南缘与龙山凸起东侧接触带内的湘双地1井，岩心上变形同样强烈，构造破碎带和滑脱变形带常见，佘田桥组页岩段构造裂缝密度最高可达35条/m，一些层段内低角度滑脱缝也甚为发育，两者相互交错对气体的保存极其不利，该井揭示的含气性也较差（图13）。对于凹陷内部的紧闭背斜构造，佘田桥组裂缝同样发育强烈，不易形成有效的气藏，而宽缓向斜区的裂缝发育程度低于相邻背斜及凹陷周缘区，所部署的井多揭示出一定的含气性。通过对凹陷内宽缓的青峰向斜西翼2口井佘田桥组页岩段裂缝的发育特征与含气性分析发现，区内裂缝整体发育程度明显低于背斜区及凹陷周缘，同时，二者虽位于同一构造带，裂缝的发育也有所差别，远离向斜核部的湘新地3井，岩心变形强度与裂缝的发育明显强于靠近核部的湘新页1井（图7，图13），结合区内地表调查发现，由向斜中心向翼部过渡，构造部位由低升高，构造变形与断层发育随之增强，裂缝的发育亦呈现出逐渐增强趋势；在整体保存条件相近的情况下，湘新地3井揭示出的含气性优于湘新页1井，主要是由于湘新地3井佘田桥组页岩除裂缝发育外，与裂缝及构造活动相关的微裂缝、粒间孔、溶蚀孔也相应增加，且孔隙结构中宏孔的比例增大，极大地丰富了页岩的储集空间，使储层物性得到有效改善，而湘新页1井佘田桥组裂缝及相关孔隙发育相对减弱，宏孔比例偏低，储集空间有限，从而影响了含气性，2口井的孔渗测试数据也体现了这一特点。综合研究表明，对佘田桥组页岩储层，裂缝过于发育将影响保存环境，加速气体逸散，导致气藏后期遭到破坏，而裂缝不发育又使储层储集空间受限，物性整体较差，无法形成优质气藏，因此，宽缓向斜的翼部是页岩气富集的有利部位。
4.2 页岩气成藏模式
佘田桥组沉积早期，缺氧的深水台盆相环境在区内形成富有机质页岩，并在适宜的热演化程度下充分生烃，为气藏的形成提供了可靠气源，同时，台盆相区范围也控制着气藏的平面分布与整体规模。主生烃期后，受燕山期和喜马拉雅期的挤压作用影响，构造变形与抬升剥蚀呈现出凹陷内部弱周缘及相邻凸起区强、向斜构造弱背斜构造强的特点。凹陷周缘和内部紧闭背斜带构造样式复杂、地层变形严重、断层和裂缝大量发育并相互连通，使早期气藏的封闭性与保存条件遭受破坏；而凹陷内的宽缓向斜区构造样式简单、变形与抬升相对弱、断层和裂缝发育不强，在两翼逆断层侧向遮挡封堵及顶底板和盖层纵向封闭条件下，气藏得以保存。基于佘田桥组页岩气地质特征与富集控制因素分析，以TOC>2.0%、R O<3.5%、埋深在500~4 500 m之间、泥页岩累积厚度≥50 m、远离紧闭背斜核部和凹陷周缘凸起等构造变形与断层发育强烈带作为有利区划分标准，在凹陷圈定了2个佘田桥组页岩气有利区（图14）。
对于同一含气向斜构造，页岩气富集程度同样存在差异，早期原地或就近聚集形成的气藏在后期调整改造过程中，会发生由低部位向高部位的整体性侧向运移，受逆断层封闭性的影响在两翼的构造高部位与封闭性断层带附近依次汇聚，最终形成封闭性断层间由高部位向低部位含气性逐渐变差的富集规律。此外，构造高部位更为发育的孔缝组合可为气体提供良好的储集空间，气体在后期改造运移过程中会优先进入孔缝发育带内聚集，在逆断层及顶底板和盖层稳定有效的封闭条件下，裂缝及相关孔隙越发育，含气性越好，这种孔缝差异是造成不同构造部位、不同层段气体差异富集的重要因素（图14）。
基于沉积环境、有机地球化学、源—储特征，结合区内构造样式与构造变形、页岩气成藏演化、裂缝发育、保存条件及含气性等特征的综合分析，形成了涟源凹陷佘田桥组“源储一体、差异分布、沉积相供烃控区、构造—裂缝控保定富”的页岩气富集成藏模式。
5 结论
（1）涟源凹陷台盆相区佘田桥组一段下部岩性主要为灰黑色—黑色泥页岩、钙质页岩夹泥质灰岩，厚度大于80 m，TOC值大于1%，有机质类型为腐泥型—偏腐泥混合型，R O值主要介于2.0%~3.0%之间，具备良好的生烃条件；岩相类型主要为硅质页岩和混合质页岩，脆性矿物含量超过70%，储集空间以无机质孔和裂缝为主，为裂缝—孔隙型储层，具有特低孔特低渗特征，孔体积主要由中孔和宏孔提供。
（2）佘田桥组页岩含气性在区内整体上呈现出凹陷内部好、周缘差，向斜区好、背斜区差，向斜翼部好、核部差的差异性分布特征。
（3）佘田桥组页岩气藏为多期构造活动调整改造下形成的残留型常压气藏，主要经历早期原地聚集、中期调整改造和晚期逸散—残留3个成藏演化阶段，中侏罗世—早白垩世是最主要的成藏改造期。
（4）深水缺氧的台盆相环境形成的富有机质页岩是涟源凹陷佘田桥组页岩气富集成藏的物质基础，台盆相带控制气藏区平面展布；适宜热演化程度是富集成藏的重要影响因素。良好的保存条件是富集成藏的关键，宽缓向斜构造是保存有利区；裂缝及构造活动相关孔隙控制优质储层分布与页岩气富集程度，向斜两翼孔缝发育且强封闭性部位是富集有利位置。气藏在区内呈现出“源储一体、差异分布、沉积相供烃控区、构造—裂缝控保定富”的富集成藏模式。
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