图1（Fig.1）引用本文
Liang Feng,Zhu Yanming,Qi Lin,et al.Accumulation condition and gas content influence factors of Niutitang Formation organic-rich shale in Changde area,Hunan Province[J].Natural Gas Geoscience,2016,27(1):180-188.[梁峰，朱炎铭，漆麟，等.湖南常德地区牛蹄塘组富有机质页岩成藏条件及含气性控制因素[J].天然气地球科学，2016,27(1):180-188.]
doi:10.11764/j.issn.1672-1926.2016.01.0180
湖南常德地区牛蹄塘组富有机质页岩成藏条件及含气性控制因素
梁峰1，2，3，4
，朱炎铭1，漆麟5，王红岩2，3，4，拜文华2，3，4，马超2，3，4，张琴2，3，4，崔会英3，武瑾2，3，4
关键词： 常德地区 页岩气 成藏过程 影响因素 散失模式 含气性
中图分类号:TE122.3 文献标志码:A 文章编号:1672-1926(2016)01-0180-09
Accumulation condition and gas content influence factors ofNiutitang Formation organic-rich shale in Changde area,Hunan Province
Liang Feng1，2，3，4 ，Zhu Yan-ming1，Qi Lin5，Wang Hong-yan2，3，4，Bai Wen-hua2，3，4，Ma Chao2，3，4，Zhang Qin2，3，4，Cui Hui-ying3，Wu Jin2，3，4
Key words： Changde area; Shale gas; Accumulation process; Influence factors; Dissipation model; Gas-bearing properties;
引言
湖南地区页岩气资源丰富，地质资源量大约为9.2×1012m3，约占全国的7%，位居全国第六位，页岩气资源主要分布于湘西北地区，约占全省资源量70%[1]。据湖南省天然气“十二五”发展规划，预测页岩气资源量为(4.67~7.35)×1012m3，具有非常可观的勘探开发前景[2,3]，如湘西的花垣页岩气区块，牛蹄塘组底部具较好页岩气资源潜力[4,5]。常德地区位于湖南省西北部，区域内发育了厚度较大的黑色富有机质页岩，2013年，中国石油勘探开发研究院廊坊分院在该地区进行勘探发现，该地区牛蹄塘组页岩具有一定的含气性，且见到气、水同产现象；同时，湖南省煤田地质局联合湖南省页岩气开发有限公司在常德地区施工了一口页岩气参数井——常页1井，揭露牛蹄塘组黑色页岩视厚度697m以上，真厚度310m，含气量测试情况良好[3]，显现出该地区具有较好的勘探前景。
1 地质概况
研究区位于湖南省常德市区西北部，东部毗邻太阳山，区域内地势较平缓，大部分属于平原区域，仅东部太阳山凸起以山地为主，区域交通便利，207国道贯穿整个区域。 研究区主要出露的地层有:板溪群、震旦系、寒武系、奥陶系、志留系、泥盆系、白垩系和第四系。下寒武统牛蹄塘组为页岩气分布的目的层位，其主要出露于研究区的东部，太阳山凸起附近，其岩石类型主要分上、下2个部分，其中下部以炭质页岩为主，底部夹黑色薄层硅质岩、石煤，上部以深灰色页岩为主，局部夹含钙质的页岩和泥灰岩，指示在早期沉积主要以深水陆棚相沉积为主，后期水体逐渐变浅。 研究区在区域构造上位于雪峰山构造带东北部，张家界—花垣断裂带以南，处于扬子地台内的二级构造单元江南古陆和江汉—洞庭盆地的交接地带。研究区在早寒武世—早奥陶世为扬子陆内海盆稳定沉降阶段，加里东运动时期受到变形作用由东向西逐渐减弱，印支期发生了强烈的褶皱作用，褶皱变形呈现向西逐渐减弱趋势[6]。由于受到雪峰山隆起的影响，研究区古生界—中生界已经大面积出露地表，泥盆系、石炭系普遍处于被剥蚀的状态[7,8]，二叠纪—中三叠世，研究区处于总体沉降阶段，以浅海相沉积为主，晚三叠世主要以剥蚀作用为主[9]。而研究区所处的江汉—洞庭盆地是燕山运动产生的中、新生代裂陷区[10]，其主轴走向NNE向，华容隆起将其分成北部的江汉坳陷和南部的洞庭坳陷，太阳山隆起位于洞庭湖坳陷的西南端，燕山期后，又开始接受沉积。洞庭湖盆地是在古隆起背景下发育的断陷盆地，普遍沉积了白垩系、古近系和新近系[11]，研究区位于太阳山凸起及以西区域，而太阳山隆起区是一个晚新生代时期隆起的低山丘陵区[12]，仅沉积白垩系，在太阳山西侧总体呈现出向斜的特征（图1）。
2 页岩气成藏条件分析
页岩气是一种储集在泥页岩储层中主要由游离气和吸附气组成的天然气。页岩气的最终成藏，与页岩中天然气的生成、储集和保存有着密切的关系。
2.1 有机地球化学特征
页岩的有机地球化学特征主要包括有机质类型、有机质丰度和有机质的成熟度。有机质是页岩生气的物质基础，同时也是影响页岩吸附气量的重要因素。通过对常德地区富有机质页岩干酪根显微观察发现，岩样有机显微组分主要以腐泥组和惰质组为主，有机质类型主要以Ⅰ—Ⅱ1型为主，有机质类型较好。且该地区目的层段的总有机碳含量(TOC)普遍较高，一般大于2%，部分层段总有机碳含量(TOC)甚至超过10%，为页岩气的生成奠定了物质基础。 泥页岩有机质的成熟度对页岩气富集也起较大的作用。有机质成熟作用的过程不仅使泥页岩大量生成天然气，可供泥页岩达到饱和吸附；而且随着成熟度的增加，泥页岩对天然气的吸附量也会增加；同时，高的热演化可以改善泥页岩的微观孔隙结构，增加游离气含量[13]。中上扬子地区牛蹄塘组底部富有机质页岩的热演化程度普遍较高，其等效镜质体反射率一般都在2%～4%之间，整体上处于高—过成熟阶段[14]，以生气为主。常德地区牛蹄塘组底部富有机质页岩的热演化程度较高，邻近区域的沥青反射率折合的镜质体反射率为3.5%～4%[15]，普遍处于高—过成熟演化阶段。
2.2 矿物特征
美国五大页岩气盆地页岩SiO2含量一般均超过30%[16]，硅质含量越高页岩脆性越大，越有利于形成裂缝。常德地区牛蹄塘组底部富有机质页岩(TOC>2%)的脆性矿物含量普遍较高，各组分平均含量:石英为41.56%、黏土矿物为20.47%、长石为8.97%、碳酸盐矿物为19.56%、黄铁矿为9.42%。脆性矿物含量较高，利于储层裂缝的形成，利于压裂工作的开展。
2.3 储集特征
2.3.1 孔隙发育特征
常德1井目的层段页岩的气测有效孔隙度主要分布于2%～5%之间，孔隙度普遍低于5%。通过对常德1井页岩岩样的压汞曲线分析发现，页岩样品均表现出排驱压力高、细歪度及孔喉直径小等特点。从曲线形态、退汞效率和孔喉分布来看，主要存在2种类型，反映出页岩储层的2类储集特点。一类为致密基质型孔隙结构，裂缝不发育或极少发育，储集空间以微孔隙为主，相对均质，进汞百分含量低，压汞退出效率高，细歪度，分选好[图2(a)]，孔隙主要集中在小于20nm孔径的范围内。一类裂缝孔隙型孔隙结构，进汞百分含量相对较高，但孔喉比大，退出效率低，储集空间以微裂隙和微孔隙为主，孔喉分布均值程度较低[图2(b)]。
图2 研究区牛蹄塘组泥页岩压汞曲线
Fig.2 Mercury injection curve of Niutitang shale research area
2.3.2 裂缝发育特征
裂缝对页岩气藏具有双重作用:一方面裂缝发育程度直接影响到页岩气的富集与产出，裂缝改善了泥页岩的渗流能力，有助于页岩总含气量的增加，一般裂缝较发育的页岩气藏，其品质也较好；另一方面，裂缝发育规模过大，可能导致天然气散失。构造特征对裂缝的形成有重要影响，从而影响页岩气储层的储集性能。 牛蹄塘组黑色页岩有机碳含量高，页岩中的沥青质和干酪根在热解生烃过程中定然会促使页岩中压力不断升高，随着热演化程度的增大，页岩储层压力不断增大，达到排烃压力时，页岩内部将产生的大量微裂缝使生成的烃类排出页岩，微裂缝的发育对页岩气成藏起到积极的作用。自加里东运动以来湘西经历多期构造的叠加改造，尤其是燕山期和喜马拉雅期挤压构造运动，在下寒武统牛蹄塘组泥页岩中产生大量的构造裂缝[18]。研究区内牛蹄塘组页岩裂缝较为发育，在资料井岩心中能够观察到大量的方解石充填裂缝及微裂缝存在，在少量裂缝充填的方解石中见有溶蚀孔隙。裂缝的存在增加了天然气的储集空间，控制着页岩的连通程度，但同时也可以作为天然气运移的通道，使天然气通过裂缝散失，从而影响页岩气藏的最终保存。常德1井底部富有机质页岩段高角度裂缝发育，局部裂缝连为一体，形成网状的裂缝，部分裂缝中见镜面特征，底部岩心破碎，裂缝大量发育（图3）。
图3 常德1井牛蹄塘组富有机质页岩层段裂缝
Fig.3 The fractures of organic-rich shale of Niutitang Formation in well Changde 1
(a)高角度方解石充填裂缝;(b)网状裂缝;(c)、(d)滑脱面中的镜面特征
2.3.3 吸附特征
吸附气在页岩气成藏中占有重要的地位。页岩中的有机质和黏土矿物是吸附态天然气的主要载体[16-19]。有机质内部含有大量微孔隙和纳米级孔隙[20]，是吸附天然气的主要介质，此外，黏土矿物也是吸附天然气的重要介质[21]。 我国南方地区页岩的兰氏体积普遍小于3m3/t，以1～2m3/t为主，当压力大于10MPa时，页岩吸附气量基本稳定，反映页岩埋深大于1 000m 后，随着压力增大，页岩的吸附气含量基本稳定，增量很小[21]。常德1井富有机质页岩样品的兰氏体积主要分布于1～3.5m3/t之间，优于上述分析的南方其他区域页岩的最大吸附气量，显示出页岩具有较好的吸附能力。
2.4 保存条件
2.4.1 页岩盖层条件
牛蹄塘组底部富有机质页岩上部盖层厚度较大，常德1井钻探资料显示，富有机质页岩上部的暗色页岩盖层厚度超过200m，且未见大型的裂缝出现，盖层条件较好。底部页岩气水同产现象也反映了上覆盖层的封盖效果较好。但部分裂缝的出现，对页岩气的最终成藏起到了破坏作用。通过对常德1井页岩中方解石裂缝中包裹体分析发现，方解石脉中主要以气水包裹体和盐水包裹体为主，表明裂缝形成时期裂缝中存在天然气，对盖层有一定的破坏作用，不利于页岩气的保存。
2.4.2 地层水特征及成因
常德1井地层水产于寒武系底部的炭质页岩中，产水层位岩心破碎成粉末状，岩心收获率极低，上部层位镜面特征明显[图3(c)，图3(d)]，常德1井处于破碎带上。常德1井出水量呈递减趋势，且完全靠自身的能量驱动，无有效供给，显示出了封闭水体的特征。通过对地层水矿物成分的分析，地层水的矿化度介于11.8～12.0g/L之间，属于NaHCO3型地层水，应属交替阻滞带上部或自由水交替带的下部区域。结合现场的产水情况及周边钻孔数据(相同层位未钻遇气水层)，笔者推断常德1井产水层段应为构造运动致使页岩段局部破碎产生裂缝后形成的，目前裂缝为未充填或半充填网状裂缝，具有储集一定规模气体和地层水的能力。由于距离露头及地表较近，区域构造复杂，该层段地层水曾遭受过大气降水和地表水渗入的影响。
3 常德1井产气成因探讨
在常德1井钻遇富有机质页岩厚度超过50m，且底部页岩含气性较好，局部含气量超过2m3/t。同时在页岩气的勘探过程中,在富有机质页岩层段中见气水同产的现象，连续产气产水超过1周后封孔。其产水量随时间的推移不断减小，产气量变化较小，总体上呈下降趋势。在此通过对页岩气井所产的气水的地球化学分析、地质特征分析及其现场观察，分析了常德1井不同组分气体成因。
3.1 气体组分及产气特征
井口气样分析结果显示，常德1井所产天然气成分主要有CO2、N2和CH4，此外还含有微量的C2H6、He等气体。井口产气总体上随时间的增加N2含量呈上升趋势，CO2含量呈下降趋势，CH4含量变化程度较小，地层水产量逐渐降低。
3.2 气体成因探讨
3.2.1 CH4成因
CH4碳同位素δ13CCH4值分布在-39.1‰～-39.7‰之间， 显示出有机成因的特征，而其干燥系数大于99.9%，应属于高演化阶段所形成的干气。常德地区牛蹄塘组底部所产气体与威远、资阳地区灯影组所产气体烃源均来自于下寒武统，具有一定的相似性，由于常德地区除常德1井外没有产气井的资料，故对2个地区进行类比分析。常德1井所产气体δ13CCH4值相对干酪根裂解气较低，且在常德地区附近存在南山坪古油藏，页岩裂缝体系中所产CH4主要组成应为原油裂解气，可能含有部分干酪根裂解气，其成因与资阳气田具有一定的相似性[22]。
3.2.2 CO2成因
气水层的CO2碳同位素δ13CCO2值分布在-10.3‰～-11.6‰之间，而在页岩底部解吸出来的样品中检测的CO2碳同位素δ13CCO2值为-22‰，显示出两者的来源不同或受同位素分馏作用影响。页岩底部样品处于气水层上部，地层中不含水，CO2同位素值显示其属于有机成因。通过气水层中CO2组分和碳同位素值δ13CCO2代入戴金星[23]的CO2成因鉴别图版分析，CO2全部落在了有机无机CO2混合气区，属于混源成因（图4）。笔者推测气水层中的CO2是页岩中有机质热成因和碳酸盐岩矿物分解2种成因形成的。气水层含有裂缝型地层水，当有地下水参与的碳酸盐岩或岩石中含有Al、Mg等杂质时，碳酸盐矿物热解生成CO2所需要的温度便大大降低，即在98～200℃时也能逸出相当数量的CO2，且这种成因的CO2含量大于35%，δ13CCO2值一般大于-8‰[24]，气水层的页岩中碳酸盐岩矿物含量为13.7%～44.8%，可为无机成因CO2的生成提供了物质来源。
3.2.3 N2成因
气水层中N2氮同位素δ15NN2值分布在2‰～5‰之间，体积分数所占比例较大。沉积有机质在过成熟阶段裂解产生的N2被认为是高N2天然气中N2的最主要来源，其一般烃源岩成熟度RO>2%，N2含量大于15%，δ15NN2值大于 4‰等特征[25]。同时，由于常德１井处于地层水交替阻滞带，与地表水系统有一定的联系，必然会混入大气中的N2。所以推断N2的成因应为过成熟阶段有机质裂解的产物与大气N2的混合物。
图4 有机与无机成因CO2鉴别
Fig.4 Discriminating organicorigin CO2 from inorganic one
3.2.4 稀有气体成因
由于取样条件限制，所取样品没有进行稀有气体同位素及Ar含量分析测试工作，但结果显示出了He异常的特征。常德地区底部可能有隐伏断裂，部分断裂具有中更新世早中期活动的特征[12-26,27]，故不排除常德１井所产He有地幔来源的可能，但常德地区未见侵入岩和火成岩，且页岩埋藏深度较浅，稀有气体为幔源成因的可能性较小。由于湘西地区寒武系富有机质页岩中富含铀钍元素，可为He的生成提供物质来源，故笔者认为常德地区类似于威远气田[28]，He主要为壳源成因。 通过上述分析表明，常德1井气水层中的天然气为过成熟阶段的产物，其中3种主量组分CH4、N2、CO2都与过成熟阶段生气有关，同时也反映在一定的地质时期，牛蹄塘组富有机质页岩储层遭受过地表水系统的破坏，使大气进入储层。
4 常德地区页岩气成藏过程及含气性影响因素分析
通过对常德1井岩心样品进行的现场含气量测试，得出常德1井牛蹄塘组页岩含气量分布在0.11~2.81m3/t之间，显示出了一定的含气性。然而常德1井所处的位置位于断裂带附近且埋深相对较小，故保存条件相对较差，在研究区中部及西部构造相对稳定，埋深适中的区域页岩的含气性会优于常德1井。
4.1 常德地区页岩气成藏过程分析
研究区经历了多期的构造运动，对页岩气的最终保存起到了重要影响。笔者通过对研究区西部约40km的南山坪古油藏的分析发现，研究区和南山坪古油藏地区具有相似的构造演化条件，早寒武世(∈1)到晚奥陶世(O3)，牛蹄塘组底部富有机质页岩处于稳定沉降阶段，并在早志留世(S1)末期进入生烃门限，中志留世(S2)开始规模生油。晚志留世到晚二叠世，研究区普遍处于抬升阶段，仅仅小部分地区沉积了中泥盆统，此时期寒武系烃源岩的热演化速度缓慢。早三叠世(T1)初期，下寒武统页岩开始进入第二次生油高峰，至早三叠世(T1)末期，烃源岩开始生气，直至晚三叠世生气基本结束[15]。之后研究区经历了燕山期和喜马拉雅期的构造运动，对页岩气的保存产生了不利影响。 常德1井牛蹄塘组富有机质页岩在晚三叠世达到最大埋深，进入到了高过成熟阶段，此时生烃速率降低，主要以生干气为主，并伴生部分N2和CO2，而此时烃源岩压实程度高，埋深大，页岩储层超压。随着地层的抬升，生烃作用终止，但随着埋深的不断减小，页岩上覆地层压力减小，超压逐渐增大，致使页岩储层破裂，进一步排烃，导致页岩储层压力呈阶梯型降低过程。此后，构造运动对页岩储层的影响较大。常德1井牛蹄塘组页岩岩心中见大量方解石充填裂缝，其包裹体均一温度主要分布在80～120℃之间，集中分布在90～100℃之间（图5），表明裂缝形成时期主要为喜马拉雅期大幅度构造抬升阶段，也有部分裂缝形成于燕山期构造活动阶段。裂缝形成时间晚于牛蹄塘组页岩气生气高峰，页岩气容易通过构造活动所产生的断裂及裂缝散失，对页岩气的最终保存影响较大。由于目前地层水的矿化度约为12g/L，矿化度相对较低，反映常德1井曾受到了地表水渗入的影响。
4.2 常德地区页岩气含气性影响因素分析
4.2.1 构造运动
强烈的构造运动致使页岩中形成不同的裂缝体系，形成的相对封闭的裂缝可为气体提供有利的储集场所，利于页岩气的储集和保存。但形成的贯穿整个储层的网状裂缝则不利于页岩气的最终保存，其成为页岩气散失的主要途径之一。如常德１井气水同产主要是由于钻遇地层中的相对封闭含水网状裂缝（图5中裂缝型页岩气藏），位于地层水的交替阻滞带上部，牛蹄塘组富有机质页岩受到了喜马拉雅期构造剧烈抬升的影响，致使页岩气部分散失，大气进入页岩储层中。 常德地区下伏地层主要灯影组的硅质岩为主，其脆性高于富有机质页岩层段，可形成裂缝构成裂缝型气藏（图5裂缝型气藏），当裂缝与地表水系统进行连通时，尤其是再与富有机质页岩段连通时，会造成富有机质页岩地层中的气体随地表水散失，对页岩气的最终保存产生不利影响（图6）。
4.2.2 扩散作用
扩散作用作为地下天然气运移的重要机制，尤其是压实成岩晚期气源岩的向外排气以及深部致密而无断裂破坏时气藏中天然气的散失，扩散起到了其他机制无法起到的作用[29]。笔者认为，晚三叠世末期以来，研究区的富有机质页岩生烃能力迅速下降或终止，在后来的抬升过程主要以排烃作用为主，在三叠纪末至今，在贯穿型裂缝不发育地区富有机质页岩主要通过扩散作用进行排烃（图6），由于时间较长，其排烃量也不容小觑，此亦是影响页岩气含气性的因素之一。
4.2.3 页岩气散失模式
在受构造运动影响强烈的地区，页岩气主要通过构造裂缝以及地层水进行散失；在相对较稳定的区域，页岩气在抬升过程中当内部压力超过页岩的排烃压力时通过微裂隙进行排烃，当页岩储层在常压或在排烃压力之内时页岩气主要通过扩散作用进行散失，由于过高的成熟度和生烃结束时间早，致使页岩生烃潜力下降以及扩散时间较长，对常德地区较稳定区块的页岩气最终成藏起到了不利的影响（图6）。
5 页岩气资源潜力及有利区预测
通过对常德地区页岩气地质资料井的钻探，发现常德1井牛蹄塘组页岩含气量分布范围为0.26～2.81m3/t，其中底部黑色富有机质页岩含气量较高，可达2.81m3/t，显示出该区域具备一定的页岩气资源潜力。且研究区地形以平原为主，地势平坦，交通发达，利于页岩气开发工作的开展。
图6 常德地区牛蹄塘组页岩气散失模式
Fig.6 The dissipation model of Niutitang shale gas in Changde area
图7 常德地区牛蹄塘组页岩气有利区分布
Fig.7 The distribution map of favorable area of Niutitang shale gas in Changde area
6 结论
研究区内牛蹄塘组富有机质页岩具有较好的页岩气生成及储集条件。常德1井TOC值大于2%的页岩厚度普遍大于50m，成熟度较高，富有机质页岩层段气测有效孔隙度为2%～5%，裂缝较发育，兰氏体积主要分布于1.5～2.5m3/t之间。 常德地区牛蹄组富有机质页岩具有一定的含气性(常德1井含气量在0.26~2.81m3/t之间)，而区域内含气性差异主要受构造及保存条件影响。多期构造抬升致使页岩气通过贯穿性裂缝和地层水散失，而页岩过早的生烃结束增加了页岩气的扩散时间，也对页岩气保存产生了不利影响。地层水及所产气体特征也表明常德1井在一定地质时期也曾遭受了地表水的渗入影响。 常德地区有利区位于构造运动相对较弱、远离露头区和水动力影响较小的区域。常德１井以西地区富有机质页岩埋深适中，构造相对稳定，为页岩气分布的有利区块，初步估算其页岩气资源量为0.45×1012m3， 资源潜力巨大,勘探开发前景有待进一步勘探证实。
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