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    雪峰古隆起边缘下寒武统牛蹄塘组页岩气成藏地质特征及有利区预测

    彭中勤 田巍 苗凤彬 王保忠 王传尚

    彭中勤, 田巍, 苗凤彬, 王保忠, 王传尚, 2019. 雪峰古隆起边缘下寒武统牛蹄塘组页岩气成藏地质特征及有利区预测. 地球科学, 44(10): 3512-3528. doi: 10.3799/dqkx.2019.956
    引用本文: 彭中勤, 田巍, 苗凤彬, 王保忠, 王传尚, 2019. 雪峰古隆起边缘下寒武统牛蹄塘组页岩气成藏地质特征及有利区预测. 地球科学, 44(10): 3512-3528. doi: 10.3799/dqkx.2019.956
    Peng Zhongqin, Tian Wei, Miao Fengbin, Wang Baozhong, Wang Chuanshang, 2019. Geological Features and Favorable Area Prediction of Shale Gas in Lower Cambrian Niutitang Formation of Xuefeng Ancient Uplift and Its Periphery. Earth Science, 44(10): 3512-3528. doi: 10.3799/dqkx.2019.956
    Citation: Peng Zhongqin, Tian Wei, Miao Fengbin, Wang Baozhong, Wang Chuanshang, 2019. Geological Features and Favorable Area Prediction of Shale Gas in Lower Cambrian Niutitang Formation of Xuefeng Ancient Uplift and Its Periphery. Earth Science, 44(10): 3512-3528. doi: 10.3799/dqkx.2019.956

    雪峰古隆起边缘下寒武统牛蹄塘组页岩气成藏地质特征及有利区预测

    doi: 10.3799/dqkx.2019.956
    基金项目: 

    中国地质调查局地质调查项目 DD20160179

    详细信息
      作者简介:

      彭中勤(1981—), 男, 高级工程师, 硕士, 主要从事页岩气地质调查

      通讯作者: 田巍(1986—), 男
    • 中图分类号: P618.13

    Geological Features and Favorable Area Prediction of Shale Gas in Lower Cambrian Niutitang Formation of Xuefeng Ancient Uplift and Its Periphery

    图(9) / 表ll (3)
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    出版历程
    • 收稿日期:  2019-09-02
    • 刊出日期:  2019-10-01

    雪峰古隆起边缘下寒武统牛蹄塘组页岩气成藏地质特征及有利区预测

      通讯作者: 田巍, tianweijordan@163.com
      作者简介: 彭中勤(1981—), 男, 高级工程师, 硕士, 主要从事页岩气地质调查
    • 1. 中国地质大学地球科学学院, 湖北武汉 430074
    • 2. 中国地质调查局武汉地质调查中心, 湖北武汉 430205
    基金项目:  中国地质调查局地质调查项目 DD20160179

    摘要: 雪峰古隆起边缘下寒武统牛蹄塘组页岩具有良好的生烃和储集条件,是重要的页岩气勘探层位,但受多期构造运动改造,页岩气保存条件复杂,页岩气勘探一直未获突破.基于野外地质调查、钻探资料,结合有机地化分析测试等手段,对雪峰古隆起边缘即沅麻盆地及周缘下寒武统牛蹄塘组页岩气地质条件和勘探前景进行综合评价.研究表明:牛蹄塘组沉积于深水陆棚相,页岩有机碳含量TOC值普遍大于2.0%,一般在3.0%~5.0%之间;有机质类型为Ⅰ型;有机质成熟度2.17%~3.38%之间,平均为2.79%;页岩碎屑矿物平均含量77.25%;粘土矿物平均含量22.71%,硅质含量高,脆性较大,易于储层改造.综合地化、储层物性及保存条件等评价指标,提出沅麻盆地草堂凹陷及古隆起北缘凤凰-吉首-张家界一带为牛蹄塘组页岩气勘探有利区带.

    English Abstract

    • 页岩气作为一种非常规清洁能源,近年来受到国内外学者的广泛关注(张金川等,2004Montgomery et al., 2006Robert and Stephen, 2007李新景等,2009邹才能等,2010董大忠等,2012金之钧等,2016).目前,在四川盆地周缘长宁、昭通、富顺-永川、涪陵等地区龙马溪组已取得页岩气的勘探突破(郭彤楼和刘若冰,2013王玉满等,2016伍坤宇等,2016冷济高等,2016戴方尧等,2017林俊峰等,2017解习农等,2017).随着围绕四川盆地之外的页岩气地质调查和战略选区工作的开展,在贵州遵义、湖北宜昌等地相继获得了页岩气、油气的重大突破性成果(翟刚毅等,2017陈孝红等, 2017, 2018a, 2018b).翟刚毅等(2017)创新性提出“古老隆起边缘控藏模式”页岩气成藏模式,认为古隆起周缘具有埋藏深度适中、抬升较早、构造变形较弱的特点,有利于页岩气的富集和保存.本次研究的雪峰古隆起边缘,北西以慈利-保靖断裂为界,南东以安化-溆浦断裂为界,整体位于沅麻盆地及周缘.雪峰古隆起也是中扬子地区重要的构造单元,其演化特征与黄陵古隆起有相似之处.围绕雪峰古隆起边缘的页岩气勘探和研究从未停歇,许多学者对该区的页岩气前景充满了期待(范小林,1996张金川等,2008聂海宽等,2011刘家洪等,2012肖正辉等,2013张志平等,2013林拓等,2014邓义楠等,2014周庆华等,2014李启桂等,2016),但一直未取得勘探突破.而随着中国地质调查局公益性基础地质调查工作的开展,2012—2018年,中国地质调查局武汉地质调查中心和油气资源调查中心针对雪峰古隆起边缘下寒武统牛蹄塘组富有机质页岩先后部署实施了6口地质调查井和1口浅井(图 1),均发现了明显的页岩气显示,表明了区内寒武系牛蹄塘组具页岩气勘探潜力.

      图  1  雪峰隆起大地构造位置及构造单元划分

      Figure 1.  Geotectonic position and subdivision of tectonic units of the Xuefeng uplift

      因此,本文通过对雪峰古隆起边缘下寒武统牛蹄塘组开展泥页岩沉积环境、空间分布、矿物组成、储层物性等地质特征,有机质类型、有机质丰度及有机质成熟度等地球化学特征,以及泥页岩保存条件的系统总结和分析,初步评价研究区寒武系牛蹄塘组成藏的地质特征,进而优选页岩气成藏的有利区带,以期对雪峰古隆起边缘页岩气调查评价和后期勘探开发提供一定的指导.

      • 雪峰古隆起位于扬子板块的东南缘,属于江南弧形构造带的西段,总体呈向北西凸出的弧形构造带.隆起带东南邻湘中坳陷,西邻湘鄂渝黔坳陷.沉积演化可划分为6个阶段,即早震旦世-中奥陶世的斜坡-陆棚-盆地相沉积阶段;晚奥陶世-早志留世受加里东运动(广西运动)影响(陈旭等,2014),研究区经历短期沉积间断;中泥盆世-中三叠纪持续沉降;中侏罗世至早白垩世,研究区受印支运动影响强烈改造抬升;中白垩世,研究区受燕山运动影响经历短暂沉降;晚白垩世至今,研究区持续抬升.

        区内地层出露较全,雪峰古隆起东缘和南缘由于抬升剥蚀,元古界大量出露,古隆起西缘和北缘除古丈-张家界大坪一线为元古界出露外,其他地区古生界出露广泛(图 1a),主要为海相地层.寒武系为泥质和碳酸盐为主沉积,下寒武统牛蹄塘组主要以黑色炭质、硅质页岩为主,页岩中发育星点状黄铁矿.奥陶系主要以粉砂质板岩、炭质板岩、硅质板岩、硅质岩组合为特征.志留系为局限盆地相黑色笔石页岩沉积和滨浅海相碎屑岩沉积.泥盆系主要为浅海相碳酸盐岩、滨海相碎屑沉积为主.石炭系主要为碳酸盐岩类沉积.二叠系为一套浅海碳酸盐岩类沉积.沅麻盆地内部白垩系覆盖区主要表现为“隆凹相间”的构造格局,分为“两隆、两凹”4个次级构造单元(图 1b).地表地层出露情况、地震以及钻井资料显示,沅陵凸起及兴隆场凸起白垩系覆盖之下均为元古界(图 1b),为暗灰绿色砂质泥岩及变质的板岩、砂质板岩、绢云母板岩.辰溪、草堂凹陷内则为下古生界残留区,其中辰溪凹陷埋深最大,地层发育较全,西部边界受古隆起控制,东部表现为冲断特征.

      • 前人研究表明,中扬子地区在寒武纪早期海平面经历了先快速上升、后逐渐下降的过程(汪正江等,2012),研究区处于台棚环境,具体表现为由北西向南东方向由台地向陆棚和盆地过渡的特征.通过野外露头地质调查和钻井岩心分析发现,沅麻盆地周缘在牛蹄塘组沉积期以陆棚斜坡环境为主,其北西方向为深水陆棚环境,南东为盆地环境,横向上相带变化较为明显.棚外斜坡相以湘张地1井、2015H-D5井、龙鼻咀剖面、刀背溪剖面、四路溪剖面等为代表,可见较多的深水浊流沉积;盆地相以2015H-D1井、深子湖剖面等为代表,以发育硅质岩沉积为特征.结合有机碳测试分析数据,发现雪峰古隆起及周缘牛蹄塘组有机质丰度受沉积相控制明显,从北西至南东由深水陆棚过渡为盆地相(图 2),有机质丰度存在逐渐增大的趋势.但总体来看,区内寒武系牛蹄塘组黑色页岩有机质丰度普遍较高,表明研究区牛蹄塘组页岩具有较大的生烃潜力.

        图  2  雪峰古隆起边缘寒武纪牛蹄塘期岩相古地理图

        Figure 2.  Lithofacies paleogeography of the Niutitang epoch, Xuefeng ancient uplift

      • 陆棚-盆地沉积环境是黑色富有机质页岩发育的有利相带.在寒武纪早期,由于海平面快速上升,形成了牛蹄塘组黑色富有机质页岩.牛蹄塘组沉积厚度在吉首-常德一线及安化地区厚度较大,至慈利-张家界-吉首一线以北,靠近棚外斜坡与深水陆棚界线附近,厚度普遍小于100 m(图 2).在根据前人层序划分结果分析(王传尚等,2012),研究区内富有机质页岩主要发育在牛蹄塘组第1个三级层序的中下部(图 3),测井响应分析表明牛蹄塘组中下部自然伽马值高,普遍大于150 API,主要为一套碳质泥页岩和硅质岩,内部夹少量的浊积岩沉积.岩性展布特征受沉积相带控制明显,浊积砂以斜坡沉积为主,硅质岩则主要出现在斜坡-盆地相以内.

        图  3  雪峰古隆起边缘下寒武统牛蹄塘组富有机质页岩分布特征

        Figure 3.  Distribution characteristics of rich organic shale in the Lower Cambrian Niutitang Formation at the edge of the Xuefeng ancient uplift

      • 沅陵军大坪、刀背溪、吉首古者、溆浦水隘剖面30个泥页岩样品全岩和粘土矿物X-衍射定量分析由中国石油集团杭州地质研究所实验中心完成,2015H-D5井和吉浅1井20个泥页岩样品全岩和粘土矿物的X-衍射定量分析由湖南省勘查设计研究院试验检测中心完成,湘张地1井12个样品由通用标准技术服务有限公司(SGS)完成,均采用荷兰帕纳科X pert powder衍射仪.分析结果表明:雪峰古隆起边缘下寒武统牛蹄塘组页岩矿物组成以石英和粘土矿物为主,含少量钾长石、斜长石、方解石、白云石、黄铁矿等,石英含量为5.60%~94.62%,平均为57.97%;粘土矿物含量为9.64%~96.46%,平均为40.64%.由矿物组成的三角图可知(图 4),雪峰古隆起边缘下寒武统牛蹄塘组页岩矿物组成受沉积相控制作用明显,主体以硅质页岩为主,在张家界-吉首一带靠近深水陆棚,页岩中碳酸盐岩矿物含量相对较高,最高可达65%,页岩中含有少量混合型页岩与钙质页岩,向南东至刀背溪、安化、溆浦等地盆地相沉积,页岩矿物组成中碳酸盐岩矿物含量逐渐减少,脆性矿物含量逐渐增大,具有明显高硅质含量的特征.研究区牛蹄塘组页岩矿物组分特征与北美和焦石坝地区五峰-龙马溪组页岩相当,与宜昌地区水井沱组页岩高钙质特征明显不同(陈孝红等, 2018a, 2018b).牛蹄塘组页岩高脆性矿物和低黏土矿物的组成比例决定其具有较高的脆性系数,有利于后期储层压裂改造(焦鹏等,2018),且石英等脆性矿物含量高有利于孔隙与天然裂缝的形成与保存,对页岩储层的物性与含气性的改善有重要作用(蒋裕强等,2010琚宜文等,2014苗凤彬等,2016).同时,黏土矿物组成中,伊利石矿物含量占绝对主体,含量最高达84.45%,这在一定程度上说明下寒武统页岩储层虽然黏土矿物含量不够高,但是高含量的伊利石矿物仍然使页岩具有较高的吸附能力(Schettler and Parmely, 1989).

        图  4  雪峰古隆起边缘寒武系牛蹄塘组全岩矿物含量

        Figure 4.  The content charts of whole rock minerals in the Lower Cambrian Niutitang Formation at the edge of the Xuefeng ancient uplift

      • 周庆华等(2014)对花垣区块牛蹄塘组泥页岩样品的分析表明,其孔隙度在0.4%~2.6%之间,平均为1.2%,渗透率为0.005 2×10-3~0.008 8×10-3 μm2,平均为0.006 0×10-3 μm2,具致密特低渗的物性特征.本文通过对钻井岩心和地层剖面牛蹄塘组泥页岩样品孔隙度和渗透率测试的统计发现(表 1),雪峰古隆起边缘下寒武统牛蹄塘组页岩孔隙度分布于0.4%~17.7%之间,沅陵刀背溪剖面页岩样品孔隙度相对较高,特别是牛蹄塘组底部,主要介于7.72%~17.7%,渗透率为0.002 38×10-3~0.023 90×10-3 µm2之间,平均约为0.004 2×10-3 μm2,其中花垣区块渗透率均值最高(周庆华等,2014),湘吉地1井(埋深1 883.00~2 043.70 m)次之,介于0.00021×10-3~0.036×10-3 μm2,均值为0.004 38×10-3 μm2.受埋深、地表风化和淋滤等因素的影响,牛蹄塘组页岩孔隙度普遍偏大,渗透率影响较小.整体来看,雪峰古隆起边缘下寒武统牛蹄塘组页岩具有低孔低渗的物性特征,且纵向上变化大,主要受孔缝影响,页岩孔隙度与渗透率是页岩内储集空间与渗流性能的定量表征,一定程度上决定着页岩储层含气性优劣.

        样品来源 孔隙度(%) 渗透率(10-3 μm2) 样品数(件) 备注
        沅陵刀背溪 (0.66~17.70)/10.86 (0.002 10~0.005 40)/0.004 20 4
        吉浅1井 (1.08~8.04)/4.71 (0.001 83~0.009 36)/0.004 00 10 围压3.71 MPa
        2015H-D5井 (1.01~4.40)/2.24 (0.000 38~0.018 40)/0.004 36 18 围压2.87 MPa
        湘张地1井 (1.39~4.48)/2.43 (0.004 60~0.014 90)/0.008 70 14
        花垣 (0.40~2.60)/1.20 (0.005 20~0.008 80)/0.006 00 / 周庆华等,2014
        2015H-D1 (0.70~5.05)/2.30 (0.000 28~0.023 90)/0.002 38 15
        湘吉地1井 (0.56~4.10)/1.17 (0.000 21~0.036 00)/0.004 38 14
        注:孔隙度=(最小值~最大值)/平均值;渗透率=(最小值~最大值)/平均值.

        表 1  雪峰古隆起边缘牛蹄塘组储层物性特征

        Table 1.  Physical properties in Niutitang Formation at the edge of the Xuefeng ancient uplift

        为进一步了解牛蹄塘组页岩发育的孔隙类型、孔径大小、孔隙微观结构和发育情况,利用场发射扫描电镜二次电子成像技术对研究区牛蹄塘组页岩样品进行了系统的观察后发现,雪峰古隆起边缘下寒武统牛蹄塘组页岩中存在较多微孔隙与微裂缝,微孔隙主要包括有机孔与粒间孔、晶间孔、溶蚀孔和铸模孔等无机孔,微裂缝主要为层间裂缝与顺层裂缝.其中有机孔多形成于有机质热演化与生排烃过程中,对泥页岩孔隙度具有一定贡献(马中良等,2017),研究区牛蹄塘组页岩有机质含量与热演化程度普遍较高,受其影响,有机质孔隙较为发育,多呈球粒结构,孔径以纳米级为主,少量达到微米级,孔隙载体主要为沥青质体,并与石英、黄铁矿等矿物质共生,呈条带状、散块状分布,有机孔间具有一定连通性,有储气及向有机质外的孔隙中运移气体的作用(图 5a, 5b);粒间孔多围绕晶粒边缘呈不规则分布,为构造作用或压实作用形成的,受压实或挤压作用收缩明显变小,但仍具有一定连通性(图 5c);溶蚀孔多分布于矿物晶粒内部与晶粒间,由长石、碳酸盐矿物等溶蚀所形成,以不规则状为主,在挤压破碎带尤为发育(图 5d).页岩中见石英、黄铁矿等矿物溶蚀或脱落后在有机质或粘土矿物内产生铸模孔(图 5e);页岩黏土矿物集合体内不同晶粒间或黄铁矿微球团晶粒之间常存在一些晶间孔,其大小与形态受矿物晶粒排列方式控制(图 5f).此外,牛蹄塘组页岩中见较多的挤压破碎带,带内发育较多的碎粒孔,导致破碎带往往具有较高的孔渗性(图 5g).镜下观察发现,泥岩中也存在较多的微裂缝,以层间裂缝与顺层裂缝为主,多在成岩作用与构造作用下形成,具有明显方向性,呈直线或曲线状,多穿越不同矿物晶粒,以不同角度与层理斜交,其长度多为几微米至数十微米,也见一些纳米级微缝.层间裂缝在整个牛蹄塘组泥岩中均有分布,下部较为发育,且纵向上具有局部集中的特征,尤其在岩心上宏观构造缝集中带与构造滑脱带强烈发育,与裂缝、滑脱带形成时的应力扰动作用造成局部明显应力集中有关(图 5h),对泥岩层储渗空间的提升具有重要作用.

        图  5  雪峰古隆起边缘下寒武统牛蹄塘组泥页岩孔隙类型

        Figure 5.  Pore types of Niutitang Formation shale in the edge of the Xuefeng ancient uplift

      • 有机质丰度不仅控制着页岩的含气量,也在一定程度上控制着页岩的有机质孔发育程度.由于研究区烃源岩热演化程度普遍较高,氯仿沥青“A”、总烃、生烃潜量等表征烃源岩有机质丰度的指标均已失效,因此主要釆用TOC值来表征本区烃源岩有机质丰度.

        雪峰古隆起边缘下寒武统黑色页岩TOC值普遍大于2.0%,一般在3.0%~5.0%之间(图 2表 2),反映了大多数样品均属好生油岩.牛蹄塘黑色页岩地层有机碳含量由下至上逐渐减少,或者上下段分界区别较大,下段明显高值,上段明显下降,最好的烃源岩或者页岩生气源岩集中于牛蹄塘组中下部,纵向特征变化明显(周鹏等,2018).从区域上来看,牛蹄塘组黑色页岩有机质丰度具有自北西向南东方向增高的趋势,平面上以湘西的吉首-张家界-常德北一线为有机碳高值区,有机碳含量普遍大于4.0%.

        样品来源 层位 TOC(%) Ro(%) 解吸气含量
        (m3/t)
        实测
        张家界盐市 1n 9(1.45~3.14)/2.10 / 实测
        慈页1井 1n 24(1.63~7.90)4.83 14(3.02~3.55)/3.28 0.01~0.13 孟凡洋,2018
        沅陵军大坪 1n 19(0.14~16.30)/7.50 (3.15~3.39)/3.23 实测
        湘张地1井 1n 29(1.19~10.50)/4.38 8(2.56~3.30)/3.00 0.12~1.59 实测
        沅陵龙潭坪 1n 14(1.31~12.36)/6.98 (2.23~2.68)/2.52 实测
        桃源理公港 1n 6(1.21~11.00)/5.30 / 实测
        吉首龙鼻咀 1n 16(1.58~8.99)/4.60 / 实测
        古丈罗依溪 1n 9(1.41~8.71)/3.60 / 实测
        2015H-D5井 1n 152(0.53~14.05)/3.06 2.06 0.05~0.51 实测
        吉浅1井 1n 52(1.26~9.34)/3.73 / 0.003~1.260 实测
        吉首古者 1n 6(0.12~13.95)/5.23 3(2.07~2.25)/2.17 实测
        常页1井 1n 32(0.06~17.60)/3.90 13(2.02~3.13)/2.60 0.5~2.1 林拓等,2014
        四路溪 1n (1.27~11.30)/4.91 / 实测
        凤凰水打田 1n 5.86 / 李启桂等,2016
        2015H-D1 1n 46(3.17~14.80)/7.60 / 0.002 3~1.056 7 实测
        沅陵刀背溪 1n 15(0.41~16.30)/5.90 / 实测
        溆浦水隘 1n 17(0.84~20.24)/7.47 (2.41~2.72)/2.62 实测
        安化烟溪 1n 12(3.55~18.16)/7.30 / 实测
        注:TOC(%)=样品数(最大值~最小值)/平均值;Ro(%)=样品数(最大值~最小值)/平均值.

        表 2  雪峰古隆起边缘牛蹄塘组黑色页岩主要实验测试项目结果

        Table 2.  Results of major test items for the black shale of Niutitang Formation in the edge of the Xuefeng ancient uplift

      • 干酪根的类型不但对岩石的生烃能力有一定的影响作用,还可以影响天然气吸附率和扩散率.吉浅1井下寒武统牛蹄塘组黑色泥页岩干酪根有机显微组成:腐泥组含量90%~97%,平均93%;少量的镜质组和惰性组,不含壳质组,表明主要母质以菌藻类低等水生生物等有机质输入为主,没有高等植物混入,有机质类型为Ⅰ型(表 3).程克明等(1996)认为腐泥组来自于低等水生生物及降解产物,镜质组及惰质组分别来源于高等植物木质纤维组织凝胶化作用和丝炭化作用,壳质组则与高等植物类脂的膜质物质和分泌物有关.牛蹄塘组海洋生物类型主要为蓝绿藻、绿藻及疑源生物.

        原编号 深度
        (m)
        腐泥组(%) 镜质组(%) 惰质组(%) 类型指数
        浮游藻类体 腐泥无定形体 小计 富氢镜质体 正常镜质体 小计 丝质体
        15JSQ-8R 810.66 / 91 91 / 1 1 8 82.25
        15JSQ-10R 500.38 / 93 93 / / / 7 86.00
        15JSQ-12R 495.90 / 94 94 / / / 6 88.00
        15JSQ-16R 484.25 / 96 96 / / / 4 92.00
        15JSQ-17R 481.35 / 95 95 / / / 5 90.00
        15JSQ-20R 472.95 / 97 97 / / / 3 94.00
        15JSQ-23R 146.63 / 92 92 / / / 8 84.00
        15JSQ-25R 453.40 / 93 93 / 1 1 6 86.25
        15JSQ-30R 436.80 / 94 94 / / / 6 88.00
        15JSQ-35R 416.80 / 91 91 / / / 9 82.00
        15JSQ-39R 407.30 / 92 92 / 1 1 7 84.25
        15JSQ-43R 394.40 / 90 90 / 1 1 9 80.25
        15JSQ-46R 386.12 / 92 92 / / / 8 84.00
        15JSQ-50R 372.90 / 92 92 / / / 8 84.00
        15JSQ-55R 350.00 / 94 94 / / / 6 88.00
        15JSQ-57R 346.10 / 92 92 / / / 8 84.00
        15JSQ-59R 331.33 / 93 93 / / / 7 86.00
        15JSQ-62R 323.93 / 93 93 / 1 1 6 86.25
        15JSQ-71R 296.20 / 94 94 / / / 6 88.00
        15JSQ-74R 288.15 / 92 92 / / / 8 84.00
        15JSQ-78R 276.20 / 93 93 / 1 1 6 86.25
        15JSQ-86R 239.30 / 94 94 / / / 6 88.00
        15JSQ-90R 200.00 / 92 92 / 1 1 7 84.25

        表 3  吉浅1井下寒武统牛蹄塘组有机质类型分布

        Table 3.  Organic matter types of Niutitang Formation shale in the edge of the Xuefeng ancient uplift

      • 热成熟度是表征含气页岩的一个重要地球化学参数,常用镜质体反射率作为评价指标.镜质体反射率(Ro)是国际上公认的标定有机质成熟度的指标,但由于区内寒武系页岩中缺乏来源于高等植物的标准镜质组,却富含沥青,故本次研究利用显微光度计测定固体沥青反射率换算得到镜质体反射率,换算公式采用Jacob(1985)对比研究得出的相关关系式Ro=0.618Rb+0.4,其中Rb为页岩中的沥青反射率,Ro为等效的有机质反射率.从区域上看,雪峰古隆起边缘样品有机质成熟度(Ro)分布范围在2.17%~3.28%之间,平均值为2.79%.

        利用有机显微组分法对雪峰古隆起边缘露头及钻井牛蹄塘组页岩热演化程度进行分析(表 3),牛蹄塘组页岩有机质成熟度(Ro)普遍大于2%,均处于过成熟演化阶段,由于不同构造位置及后期地层叠加和构造改造的差异不同,其演化程度差异显著.整体来看,雪峰古隆起北西岩头寨-军大坪-牛车河-常德一线Ro为2.5%~3.0%;盆地东南凤凰水打田-溆浦-水隘一线Ro为2.5%~3.0%,往湘中坳陷Ro有逐渐增大的趋势.沅麻盆地麻阳-沅陵-桃源一带热演化程度最低,Ro为2.0%,吉首古者、排碧一带Ro为2.1%左右.

      • 雪峰古隆起边缘下寒武统牛蹄塘组页岩保存时代老,先后经历了多期的构造运动,页岩气保存条件复杂,不同时期构造运动的变形程度、变形方式和变形特征各异.区域上分带明显,从北西-南东可划分为3个平行的NNE-NEE向弧形构造带,即武陵断弯褶皱带、中央挤压逆冲带和雪峰造山带南缘冲断褶隆带,呈现出深层韧性变形-中层脆韧性变形-浅层脆性变形的特征(白云山等,2010;柏道远等,2016).

      • 研究区自牛蹄塘组沉积以来,经历了加里东、海西、印支、燕山和喜山5次大规模构造运动.本文综合对比湘张地1井周边地层、古地温梯度(李艳霞等,2011)及页岩有机质成熟度资料,并在湘张地1井牛蹄塘组Ro值反演基础上,初步估算了湘张地1井古热流值,恢复该井的生烃埋藏史(图 6):湘张地1井牛蹄塘组页岩在早奥陶世和早志留世先后进入生油、生气高峰,受加里东运动影响(在中国南方表现为广西运动,陈旭等,2014),在渝东、鄂西和湘西北等地志留系兰多维列统鲁丹阶至埃隆阶下部的地层存在不同程度的缺失,这一地区性的抬升被称为宜昌上升(陈旭等, 2001, 2018),湖南张家界地区位于宜昌上升的边缘,虽无明显的沉积间断,但受此影响,区内牛蹄塘组页岩在中晚奥陶世处于生油停滞期;海西运动初期,研究区经历短暂抬升剥蚀,大部分地区缺失晚志留世-早泥盆世地层,自中泥盆世再次接受沉积开始,牛蹄塘组页岩先后经历石炭纪、二叠纪、三叠纪持续沉积,早石炭世转入干气生成阶段,晚三叠世达6 500 m最大埋深,处于干气生成晚期阶段;中侏罗世至早白垩世,受印支运动强烈改造抬升作用,研究区先存的油气藏被大量破坏,沿江南、雪峰古隆起一线大量形成古油藏;中白垩世,研究区受燕山运动影响经历短暂沉降,发育不同规模断陷红盆,有利区内页岩气保存;晚白垩世至今,研究区持续抬升,部分区域牛蹄塘组已出露地表,仍有可观的沅麻盆地北西白垩系覆盖区(草堂凹陷)及北缘上寒武统-下奥陶统覆盖区的牛蹄塘组页岩埋藏深度超过2 000 m,具备一定的页岩气勘探潜力.

        图  6  湘张地1井单井热史、埋藏史模拟

        Figure 6.  Single well simulation of the thermal and burial history for Xiangzhangdi well 1

      • 研究区在平面上呈北北东-北东东向展布,整体呈向北西突出的弧形,剖面上是由加里东复式向斜构造构成现今盆地的基底构造格架.东西两侧变形差异悬殊,东强西弱,褶皱、断裂多集中出现在沅麻盆地中央的沅陵、乌宿、泸溪、麻阳一带及东南缘的辰溪-怀化一线,并表现为多期次的褶皱、断裂复合叠加.整体上,研究区向斜地层相对完整、平缓,构造简单.东部、北部为应力集中区,断层及裂缝较为发育,而西北部断层及裂缝发育较少.以区内草堂凹陷和辰溪凹陷地层结构特征为例(图 7),草堂凹陷向斜核部断层不发育,构造形态宽缓,仅在两侧发育规模较大的2条逆断层(图 7DD′),保存条件相对较好.辰溪凹陷北西侧受兴隆场凸起的控制,寒武系和二叠系地层具有向凸起方向削蚀尖灭的特征.东南侧断裂较发育,为一系列逆断层形成的冲断带,受断层切割的上盘部位,保存条件差,下盘构造变弱,断裂不发育,后期中生界盖层发育,保存条件好(图 7EE′).

        图  7  沅麻盆地过草堂凹陷和辰溪凹陷地层结构特征

        Figure 7.  The stratigraphic architecture of the Caotang sag and Chenxi sag

      • 页岩气藏具有“生、储、盖”自成一体的成藏特征,并且相对砂岩、碳酸盐岩而言,泥岩塑性特征也具有一定的抗破坏能力,页岩层顶底板条件不仅影响页岩压裂改造效果,并且对页岩气保存条件非常关键(冷济高等,2016).雪峰古隆起边缘下寒武统牛蹄塘组富有机质页岩垂向盖层条件非常有利,其直接顶板为牛蹄塘组中上部灰黑色泥岩和灰-灰黑色粉砂质泥岩,孔隙度、渗透率都比较低,孔隙度在1.0%~3.1%的范围内,平均值约为2.01%,渗透率在0.000 8×10-3~0.014 6×10-3 μm2的范围内,平均值约为0.003×10-3 μm2.间接顶板为杷榔组以深灰色、灰黑色页岩夹钙质页岩、泥灰岩及灰岩为主的岩性组合,或污泥塘组黑色含碳质、钙质泥岩,厚度超过200 m,孔隙度、渗透率均很小,受构造作用影响,易发生塑性变形,是很好的盖层.

        古隆起边缘大部分地区牛蹄塘组之下为震旦系留茶坡组,岩性为棕色、灰色致密硅质岩夹板状硅质页岩,厚度超过30 m,孔隙度小于1%,渗透率小于0.001×10-3 μm2,远小于牛蹄塘组页岩层段的孔隙度、渗透率,是典型的特低孔、低渗的致密地层(图 3),因此留茶坡组硅质岩作为牛蹄塘组页岩层段的底板具有较好的物性条件,但硅质岩性脆,受不同期次构造作用影响,易形成多期裂缝.区域上留茶坡组硅质岩普遍夹黑色炭质页岩,尽管页岩夹层厚度不大,但一定程度上封闭了页岩气的下渗逃逸通道.顶底板良好的封闭性使得页岩气在富集成藏的过程中直接渗透性逃逸的天然气量很少,研究区页岩气的散失与封盖层遭构造活动破坏程度有关.

        研究区地表调查和钻井资料显示,越靠近雪峰隆起构造活动越强烈,在隆起北西晚寒武世或早奥陶世地层覆盖区,在雪峰构造推覆作用下,在牛蹄塘组页岩段主要发生揉皱和顺层滑脱变形,岩心较为破碎,孔缝异常发育(图 8a),为气体提供了较大的储集空间.同时,其上下完整而致密的泥页岩和泥质灰岩对该含气层起到很好的封隔作用,抑制了漫长的历史时期与多期构造活动造成的气体散失,使得层内气体得以保存.2017年,由中国地质调查局武汉地质调查中心组织实施的湘吉地1井在滑脱带牛蹄塘组页岩段获得了较好的气体显示(图 8b),现场解析气含量均值为1.78 m3/t,录井全烃值最高为16.6%,随钻反排气体直接点火成功,也证实了牛蹄塘组下部滑脱带为优质储层.

        图  8  湘吉地1井牛蹄塘组滑脱带岩心特征(a)及浸水实验(b)

        Figure 8.  Core characteristics (a) and flooding experiment (b) of Niutitang Formation slip belt of Xiangjidi well 1

      • 根据已钻井资料、区域地质调查资料、野外露头样品采集和分析测试,以及对前人成果资料收集及整理,对雪峰古隆起边缘下寒武统牛蹄塘组页岩气远景区和有利区进行了划分(图 9).选区评价标准主要借鉴四川盆地及周缘、宜昌等地(郭彤楼和刘若冰,2013张鉴等,2016陈孝红等, 2018a, 2018b),并充分考虑雪峰古隆起边缘牛蹄塘组页岩气地质条件,远景区优选依据页岩埋深1 000~5 000 m,页岩有机质丰度≥1.0%,页岩有机质成熟度1.0%~3.0%,页岩厚度≥30 m,含气量以钻井实测结果为主要依据,解吸气含量≥0.5 m3/t,无实钻数据的评价单元,在充分考虑页岩的储层品质、储层厚度、沉积环境、有机质丰度、有机质成熟度等参数的情况下,选取相似单元采用类比法取值.在远景区优选结果基础上对有利区进行优选,页岩埋深、有机质丰度、有机质成熟度和页岩厚度与远景区相同,含量数据采用实钻岩心解吸气含量≥1.0 m3/t且构造变形较弱的武陵段弯褶皱带.研究认为牛蹄塘组页岩气的有利勘探地区大致分布在沅麻盆地草堂凹陷及古隆起北缘凤凰-吉首-张家界一带(图 9),辰溪凹陷和溆浦盆地牛蹄塘组泥页岩TOC含量高,可作为页岩气勘探的远景区(图 9).

        图  9  雪峰古隆起边缘寒武系牛蹄塘组页岩气有利区分布

        Figure 9.  The favorable area distribution of Cambrian Niutitang Formation at the edge of the Xuefeng ancient uplift

      • (1)雪峰古隆起边缘下寒武统牛蹄塘组为一套浅水陆棚-深水陆棚-盆地相沉积,泥页岩有机质含量丰富,TOC平均为5.53%,有机质类型为Ⅰ型腐泥型.热演化程度高,Ro平均为2.79%,处于过成熟阶段,具有一定生干气能力.

        (2)X射线衍射分析结果表明,雪峰古隆起边缘下寒武统牛蹄塘组富有机质泥页岩中脆性矿物含量为52.11%~94.97%,平均为77.25%,脆性矿物含量高,有利于后期页岩气的压裂改造,粘土矿物含量为9.78%~28.78%,平均为22.71%,主要为伊利石(平均含量为89%),页岩储层特征有利于页岩气吸附.

        (3)沅麻盆地西北白垩系覆盖区(草堂凹陷)及北缘上寒武统-下奥陶统覆盖区,即凤凰-吉首-沅古坪-常德一带,下寒武统牛蹄塘组页岩有机碳含量高,热演化程度适中,Ro小于3.0%,埋深在1 000~5 000 m之间,富有机质泥页岩段厚度大,在80~150 m之间,构造相对简单,可作为页岩气勘探的有利区.

        (4)辰溪凹陷和溆浦凹陷白垩系和上古生界地层覆盖区,有机碳含量最高达7.47%,热演化程度在2.0%~3.0%之间,埋深在1 000~4 000 m以上,由于靠近雪峰古隆起,构造较为复杂,但断层下盘构造变弱,断裂不发育,可作为页岩气勘探的远景区.

    参考文献 (93)

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