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基于页岩气的储藏潜力及沉积环境进行常德桃源下寒武统牛蹄塘组研究

2020-05-14 952 上传者：管理员

摘要：常德桃源地区发育一套有机质丰度高的海相泥页岩层系,利用野外地质调查、地球化学试验数据和现有地质资料等进行综合研究,研究表明该区牛蹄塘组的黑色岩系形成于深水闭塞海盆。黑色页岩有机碳含量和热演化程度高,孔隙度大,但渗透率较低,总体来说该区页岩气的储藏潜力较大。

关键词：
下寒武统牛蹄塘组
储藏潜力
地层学
常德桃源
页岩气
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页岩气是一种特殊的非常规天然气，是赋存于泥岩或页岩中的天然气，具有自生自储、无气水界面、大面积连续成藏、低孔、低渗、无天然裂缝等特征。页岩气资源储量丰富，但开发难度大，如果能够对页岩气进行有效的开发，有望能从根本上解决湖南对能源严重依赖的问题。

1、区域地质概况

常德桃源属于湘西北地区，隶属扬子地块大地构造单元，在地势上受武陵、雪峰两大山系影响，桃源县周边寒武系地层发育齐全，与下伏震旦系呈整合接触，主要分布于桃源县九溪、牛车河、鼎城区太阳山等地（见图1)。

马进洞（又名马金洞），是湖南常德桃源县理公港镇属下的一个行政村。该区沉积环境为早寒武世深水闭塞海盆—浅海陆棚—早寒武世晚期斜坡相碳酸盐沉积，在马进洞村的公路旁出露一套良好的剖面，剖面整体为一个背斜构造，地层包括震旦系留茶坡组、下寒武统牛蹄塘组、杷榔组、清虚洞组和中寒武统敖溪组，其中以下寒武统牛蹄塘组发育最为良好。本文旨在通过对桃源马进洞剖面下寒武统牛蹄塘组进行沉积环境、地球特征以及储层分析，进而对马进洞地区页岩气成藏能力进行初步评价。

2、沉积特征分析

通过对马进洞剖面的实地调查，牛蹄塘组的岩性主要以炭泥质硅质岩、炭质页岩和炭质灰岩为主[1]（见图2）。在剖面上发现了磷结核脱落后留下的空洞（图2c）和锰结核（图2b），同时该剖面水平层理发育（图2d），页岩中能零星地看到黄铁矿结核，结合区域地质背景推测早寒武世时该区处于深水闭塞的还原环境。在马进洞剖面背面见揉皱构造（图2a），推测该区在加里东运动后经历了多期次的构造运动和抬升剥蚀。

图1桃源县马进洞及周边地区地质图

3、矿物组成分析

通过对马进洞剖面下寒武牛蹄塘组的6块黑色页岩主要矿物成分进行测试分析，结果显示页岩样品的主要矿物成分为石英、粘土矿物和长石，其中石英的含量为20.5%～70.5%，平均为46.9%，粘土矿物含量为12.6%～49.9%，平均为32.5%。长石的含量变化为3.8%～11.2%，平均值为7.3%。黄铁矿含量平均值为3.3%，各矿物的平均含量见图3。矿物中的石英与长石含量高，这对后期的压裂改造形成裂缝是有利的。

图3马进洞剖面寒武系牛蹄塘组黑色页岩主要矿物

4、页岩气成藏潜力研究

富气有机质页岩中天然气的生成量主要取决于富有机质泥页岩厚度，有机碳含量及热演化程度、埋深、孔隙度和裂隙率等。以下将对影响常德桃源下寒武统牛蹄塘组黑色页岩的页岩气成藏潜力因素逐一进行分析。

4.1有机碳含量及有效厚度

有机碳含量是烃源岩丰度评价的重要指标，控制着页岩的物理化学性质，包括颜色、密度、抗风化能力等，并在一定程度上还控制着页岩的弹性和裂缝的发育程度[3]。通过对采集的样品进行TOC分析发现，马金洞剖面牛蹄塘组的黑色页岩有机碳含量为0.93%～3.36%，平均为2.19%。其中参照全国页岩气资源调查评价标准，将TOC含量大于2%黑色页岩的累计厚度定为有效厚度。马进洞剖面牛蹄塘组黑色页岩的有效厚度约70m，主要集中在牛蹄塘组从底至顶约40～110m的位置。该黑色页岩的有效厚度较大，有利于页岩气的生成。

4.2有机质成熟度

镜质体反射率是在油气勘探中作为评价烃源岩成熟度广泛使用的方法，但是下古生界缺乏真正意义上的镜质体，根据有机岩石学研究，目前广泛运用的是一种利用有机组分反射率通过相差计算转化成镜质体反射率的方法，也就是“等效镜质体反射率”[4]。现在已经得到了广泛的认可。根据Tissot划分方案将成熟度指标划分为5个阶段[5]，见表1。

表1烃源岩成熟度划分表

本研究采用沥青体反射率（Rb)来转换等效镜质体反射率（R′o），目前采用两种公式，一种是丰国秀、陈盛吉1988年提出的R′o=0.6569Rb+0.3364[6],另一个是Jacob1985年提出的R′o=0.618Rb+0.4。本研究采用陈盛吉的换算公式来评价该地区的热演化程度。

通过实验分析发现该套黑色页岩的干酪根类型为Ⅰ型与Ⅱ型干酪根，将实验结果换算后结果均在2.5%以上，说明黑色页岩的热演化程度已经达到了过成熟阶段，推断该区黑色页岩以热解气和裂解气为主。牛蹄塘组黑色页岩的成熟度较高，反映了该区自加里东以来经历了多期构造运动和挤压作用。

4.3埋深

埋深对页岩气的保存也非常重要，根据已有的研究结果表明，泥页岩深度不宜过浅，但也不能过深。泥页岩埋藏深度太浅，有机质转化为油气提供必需的温度和压力可能会不足，其不利于页岩气的保存。页岩埋藏深度过大又会增加页岩气勘探开发成本。

通过查阅湘西北黑色页岩的埋深资料,常德桃源地区黑色页岩的埋深一般在2000m左右。埋藏深度较为适中。

4.4物性条件分析

通过利用CSPM5500扫描探针显微镜对黑色页岩进行扫描，能够看到页岩表面的三维形貌图，可以看出在页岩中纳米级的孔隙是比较发育的，而且孔隙的分布呈蜂窝状（图4），通过实验测得马进洞牛蹄塘组黑色页岩的孔隙度变化为7.3%～11.7%，平均为9.8%。而美国已开采5套页岩气系统孔隙度，Antrim平均为9%,Ohio为4.7%,NewAlbany为12%,Barnett为4.5%,Lewis为28%[7]，跟美国的5套页岩气系统相比总的来说该页岩的孔隙度总体条件较好。但研究区页岩的渗透率为（0.0054～0.0215）×10-3μm2，平均为0.0135×10-3μm2，远低于美国已有页岩气资料显示的0.1×10-3μm2渗透率值[8]，可以推断该地区牛蹄塘组黑色页岩孔隙内部的连通性较差。

5、结论

（1）马进洞剖面牛蹄塘组主要以黑色炭质硅质页岩为主，其间夹杂着磷质和锰质结核，矿物分析显示其中黄铁矿含量也较高，推断当时该区处于深水闭塞海盆环境。页岩的有机质成熟度高，反映了该区自加里东以来经历了多期构造运动和挤压作用。

（2）试验结果表明：该区的黑色页岩的有机碳含量大于2%的有效厚度约70m，埋深约2000m，有机质成熟度属于过成熟阶段，以热解气和裂解气为主。孔隙度平均为9.8%，厚度大，对于页岩气赋存条件是较好的。

（3）马进洞黑色页岩渗透率平均只有0.0135×10-3μm2，低于美国已有页岩气的标准水平，可能造成后期页岩气的开采改造难度较大。

图4桃源马进洞样品表面的三维图像（a）及扫描范围（b)

参考文献：

[1]庞维华.湖南下寒武统层序地层格架与古环境演化变迁[D].中国地质科学院,2011.

[2]蒋裕强,董大忠,漆麟,沈妍斐,蒋婵,何溥为.页岩气储层的基本特征及其评价[J].天然气工业,2010(10):7-12,113-114.

[3]聂海宽,张金川.页岩气聚集条件及含气量计算——以四川盆地及其周缘下古生界为例[J].地质学报,2012(2):349-361.

[4]陶树.南方重点片区下组合海相烃源岩演化特征及生排烃模拟[D].中国地质大学(北京),2008.

[5]李新景,吕宗刚,董大忠,等.北美页岩气资源形成的地质条件[J].天然气工业,2009(5):27-32,135-136.

[6]丰国秀,陈盛吉.岩石中沥青反射率与镜质体反射率之间的关系[J].天然气工业,1988(3):20-25.