张家界地区下寒武统牛蹄塘组页岩气成藏潜力研究

时间：2024-05-22

邓翼，杨荣丰，肖正辉，王朝晖

DENG Yi1，YANG Rong-Feng2，XIAO Zheng-Hui2，WANG Zhao-Hui3

（1.湖南省地质矿产勘查开发局四一八队，湖南娄底417000；2.湖南科技大学资源环境与安全工程学院，湖南湘潭411100；3.重庆市万盛经开国土房管局，重庆404100）

（1.418GeologicalTeam，BureauofGeologyandMineralResourcesExplorationandDevelopmentofHunanProvince，Loudi417000，Hunan，China；2.College of Resources，Environment and Safety Engineering，Hunan University of Science and Technology，Xiangtan 411100，Hunan，China；3.Chongqing Wansheng Economic Development Land and Housing Bureau，Chongqing 404100，China）

张家界地区下寒武统牛蹄塘组发育一套黑色岩系，该黑色岩系素以“多金属富集层”而闻名于世，国内地学研究者从岩石学、矿物学、沉积学、地球化学、成矿规律和控矿因素等方面对其进行了研究[1-8]。但在油气方面的研究却比较少，近年来随着国家对页岩气研究的深入，有少数学者对中上扬子地区和湖南湘西北地区下寒武统页岩气的成藏条件、勘探潜力等进行了研究[9-12]。但目前专门对张家界地区页岩气的研究还比较少。本文以湖南张家界下寒武统牛蹄塘组黑色页岩为研究对象，以沉积学为基础结合室内测试分析，对张家界地区下寒武统牛蹄塘组页岩气成藏潜力进行研究，并对研究区页岩气资源勘探的有利区块进行预测。

1 区域地质概况与岩相古地理

1.1 研究区区域地质背景

张家界地区（以下简称“研究区”）位于湖南省西北部。归属于湖南湘西北地区，属于扬子地块大地构造单元。区内出露的地层由老至新主要有板溪群、南华系－震旦系、寒武系、奥陶系、志留系、白垩系等[13]（图1）。

1.2 研究区牛蹄塘组岩性与沉积环境

通过对研究区三岔、后坪、大坪、柑子坪等地剖面进行研究发现，研究区下寒武统牛蹄塘组（C1n）的岩性分为上下两段，上段以黑色炭质页岩为主夹砂质页岩，其间可见星点状黄铁矿和石煤分布。下段为硅质岩、薄层状磷块岩及黑色炭质页岩，其间发育一套多金属矿层[14]。与上伏的杷榔组（C1p）呈整合接触，与下伏的震旦系灯影组（Z2d）呈平行不整合接触（图2）。

研究区牛蹄塘组黑色页岩中的石煤，反映当时沉积环境为水体较深，水能量低的静水浅海环境[15]。根据汪建国等研究发现[16]，在研究区柑子坪一带，黑色泥页岩有机碳含量可达到10%左右，主要是由于该区位于热水喷口附近（图2）。该环境有利于有机质的保存形成较好的烃源岩，同时区内多金属矿层富集受热液活动的影响，属热水沉积模式。

1.3 研究区牛蹄塘组岩相古地理

图1张家界地区区域地质图（据黄燕等[14]修改）Fig．1 The regional geological map of Zhangjiajie area

研究区南华纪时为大陆边缘早期裂谷阶段。裂谷早期快速充填碎屑岩超层序-解体期断块或碳酸盐台地-黑色页岩海侵型超层序[17]。进入震旦纪，继承了南华纪的岩相古地理格局，灯影期扬子板块从陆源碎屑广布、古陆和陆缘海分布明显的古地理格局逐渐演变到碳酸盐台地广布的陆表海环境[18]。

研究区早寒武世牛蹄塘组沉积从梅树村期开始一直持续到筇竹寺期。研究区牛蹄塘组的下段地层形成于梅树村期，该时期是在晚震旦世灯影期海退后古生界第一次海侵背景下形成的，继承了晚震旦世北西高南东低的古地理格局。此时正值华南泛大陆的解体，扬子陆块和华夏陆块拉张裂解，构造沉降加剧，相对海平面迅速上升，加之早寒武世的生物大爆发使得生物生产率提高，于是形成了研究区梅树村期的大面积海侵及早期的缺氧性地层“黑色岩系饥饿层”。区域上，自北西向南东水体逐渐加深，研究区普遍发育含磷矿、磷结核、石煤、黄铁矿结核及多种元素富集为特征的黑色岩系；该时期沉积环境主要为边缘海性质，沉积相较单一。而研究区牛蹄塘组的上段地层形成于早寒武世筇竹寺期中晚期，此时全球海平面继续上升也延续着大洋缺氧的古海水环境，全球海平面继续上升，在这一时期达到最大海泛面，而在区域构造上筇竹寺期上扬子地壳有所抬升，研究区的变化对本区水深影响不大。由于寒武纪生物大爆发的继续，加剧了本区滞留和缺氧的海水环境。总体来看研究区沉积相上属于深水陆棚相[19]。又由于研究区受热液活动的影响，可将研究区划分为热水深水陆棚相[20]（图3）。

2 材料与方法

为了获得研究区页岩气藏的成藏特征、赋存形式等关键参数，本次通过对研究区牛蹄塘组黑色页岩进行分析测试，获取研究区页岩气储层的有机碳含量、脆性矿物含量、有机质成熟度、孔隙度和渗透率等参数，进而对研究区页岩气资源开发利用前景进行评价。

由于受条件的限制，本次研究未能采集到钻孔或矿洞中的样品，只能对研究区三岔、柑子坪、后坪、大坪等野外露头地质剖面进行样品采集，样品采集尽可能取新鲜样品。采集的样品分为地球化学分析样、岩石储集性能分析样、岩石矿物分析样，共采集样品约25块。对不同类型的样品采样方法、测试仪器和依据标准分述如下：

图3研究区寒武纪牛蹄塘组岩相古地理图（据王朝晖[20]修改）Fig．3 Lithofacies paleogeographic map of Cambrian Niutitang Formation in the study area

（1）地球化学分析样主要用于做有机碳测试和有机质成熟度测试。采样方法除遵循一般采样原则外，尽量对应气体解吸岩心样等间距采取，页岩样品质量大于100 g[21]。其中有机碳测试利用TOC－II残余碳分析仪，依据国标GB/T18602－2001测定。有机质成熟度利用显微镜光度计（MVP－3），依据测试标准SY/T5124－1995测定，分析结果见表1。

（2）岩石储集性能分析样主要用于做孔隙度和渗透率测试。采样位置尽量对应气体解吸岩心样位置，采样规格6×6×6 cm[21]。其中孔隙度测试利用Ultrapore－200A氦孔隙仪，参照标准SY/T5336－2006测定。渗透率测试利用ULTRAPERMTM2001，参照标准SY/T5336－2006测定，分析结果见表1。

（3）岩石矿物分析样主要用于做脆性矿物含量测试。采样方法沿岩石性质变化最大的方向进行，所采集标本代表不同层位的变化标本。规格一般3×6×9 cm，质量一般大于100 g[21]。脆性矿物含量使用X射线衍射（XRD）分析仪参照标准SY/T5163－2010测定，分析结果见表2。

3 研究区页岩气地质特征分析

影响页岩气成藏的关键性因素包括富有机质泥页岩有效厚度、有机碳含量、脆性矿物含量、热演化程度、埋深、孔隙度和渗透率等。以下对影响研究区页岩气地质特征的要素逐一进行分析。

3.1 有机碳含量

有机碳的含量直接影响到页岩气的生烃量和吸附量，通过对研究区下寒武统牛蹄塘组露头地质剖面采集的样品进行分析，结果显示泥页岩有机碳含量为0.62%～14.91%，平均约8.94%（表1）。高于湘西北的其它地区，造成有机碳含量高的原因可能是受热水沉积的影响，热水携带的营养性物质使得藻类、线叶植物等底栖生物大量的繁殖有关[20]。

3.2 有机质泥页岩的有效厚度

有机质泥页岩的有效厚度是指页岩生烃排烃的厚度。李延钧等[22]总结认为页岩气有利区应满足有机碳含量（TOC）2.0%以上，单层厚度大于30 m的要求。本次研究将有机碳含量大于2%的泥页岩厚度认定为有效厚度，通过对研究区剖面的牛蹄塘组黑色页岩测试发现，研究区内牛蹄塘组有机碳含量2%以上的泥页岩的有效厚度大于60 m，主要分布在牛蹄塘组中下部。

表1研究区牛蹄塘组页岩有机碳含量、有机质成熟度、孔隙度和渗透率测试结果表Table 1 The total organic carbon content，thermal evolution degree，porosity and permeability of the shale of Lower Cambrian Niutitang Formation in the study area

表2研究区牛蹄塘组页岩的矿物组成分析结果表Table 2 Mineral composition of the shale of Lower Cambrian Niutitang Formation in the study area

3.3 脆性矿物含量

通过对研究区下寒武统牛蹄塘组泥页岩中的脆性矿物分析发现，页岩中石英、长石、方解石和白云石等脆性矿物含量为89.8%～98.1%，平均94.1%（表2），远高于湘西北周边地区的脆性矿物约70%含量。脆性矿物含量高的原因可能与该时期地下热液与海底喷流沉积有关[1]，热水携带喷流硅质岩有利于脆性矿物的形成。

3.4 热演化程度

镜质组反射率（Ro）虽是一项国际公认的标定有机质成熟阶段的独立指标，但下古生界缺乏来源于高等植物的标准镜质组，因此无法直接获得镜质组反射率，该情况下沥青反射率成为表征有机质成熟度的一个重要指标。应用沥青反射率作为成熟指标时，国内学者通常按丰国秀等[23]、Jacob[24]等换算公式求出等效镜质组反射率。本研究采用Jacob[24]的换算公式计算出的等效镜质组反射率来评价泥页岩热演化程度。

通过对研究区的样品进行测试，测试结果显示研究区等效镜质体反射率平均3%以上（表1），属于过成熟阶段，处于干起带。成熟度较高可能与保靖—慈利深大断裂的运动有关，同时也可能反映了该地区自加里东期以来经历了多期构造运动和挤压作用，以及抬升剥蚀前最大埋藏时的热演化程度。

3.5 孔隙度和渗透率

孔隙度用于确定页岩气储层的性质和特征，分析游离态页岩气含量，是页岩气地质评价中的重要参数[25－27]。测试结果显示，研究区泥页岩孔隙度2.3%～5.1%，平均约3.18%（表1）。低于美国已开采5套页岩气系统的孔隙度的平均值。

渗透率是指在一定压差下，岩石允许流体通过的能力，其大小与孔隙度、液体渗透方向上空隙的几何形状、颗粒大小以及排列方向等因素有关。测试结果显示，研究区的渗透率值0.002×10－3μm2（0.002 mD）～0.06×10－3μm2（0.06 mD），同样低于美国已开采5套页岩气系统渗透率的平均值。

此外，以往许多学者研究表明泥页岩孔隙度大小具有随TOC含量的增加而增大的正相关关系[28－29]。但本次研究发现，当页岩样品有机碳含量较高，热演化程度超过某一临界值时，孔隙度可能与热演化程度呈负相关关系，但这仍需要更多的实验数据去进一步证实[20]。

3.6 埋深与构造

埋深对页岩气的生成及储藏是极其重要的因素，泥页岩的埋深不宜过深或过浅，李延钧等[22]认为页岩埋深在300～3000 m最为合适。深于3000 m可作为资源潜力区。本次研究根据研究区下寒武统牛蹄塘组（C1n）的埋深情况分为北、中、南三部分。（1）研究区北部为桑植与永定之间，该区域断裂构造不发育，出露地层包括泥盆系（D）和志留系（S）。该区域下寒武统牛蹄塘组埋藏深度3000～4000 m。（2）研究区中部为永定至沅古坪之间，出露地层包括白垩系（K）、奥陶系（O）、寒武系（C）、南华系－震旦系（Nh－Z）、板溪群（Pt）。该区域大部出露地层年代较老，寒武系（C）大部分已遭受剥蚀，整体埋藏深度较浅，同时区内受保靖－慈利等基底深大断裂切割影响严重，断裂可能成为页岩气逸散的通道，不利于页岩气的保存。（3）研究区南部为沅古坪及以南区域。断裂构造不发育，出露地层包括白垩系（K）、寒武系（C）和奥陶系（O）。其中白垩系（K）露头区，牛蹄塘组埋藏深度大于5000 m，寒武系（C）地层露头区牛蹄塘组埋深小于300 m，均不利于页岩气的勘探或保存。该区内奥陶系（O）露头区内下寒武统牛蹄塘组的埋藏深度根据中国地质调查局武汉地质调查中心实施的湘张地1井资料显示在1900 m左右[30]，深度适中。

4 页岩气勘探开发有利区块预测分析

4.1 勘探开发有利区块参数选择及标准

页岩气勘探开发的选区须考虑页岩气的资源潜力和开发潜能。众多的研究结果表明，页岩气成藏要求各参数都有一个底限条件，但不同地质条件下，不同学者研究得出的参数底限条件可能有所不同。李延钧等[22]认为页岩气选区的有利区应满足（1）页岩埋深小于3000 m，深于3000 m作为资源潜力区；（2）页岩单层厚度大于30 m；（3）有机质含量≥2.0%；（4）有机质成熟度1.4%～3.0%；（5）硅质含量大于35%；（6）储层物性K≥1 mD、孔隙度φ≥4%。根据以上六项页岩气评价指标提出了页岩气各项评级参数分级表（表3）。根据研究区下寒武统页岩气赋存的地质条件，本文采用李延钧等[22]总结的各项参数分级表对研究区牛蹄塘组页岩有机碳含量、泥页岩有效厚度、有机质成熟度、埋深和孔隙度、脆性矿物含量进行综合信息叠合法，最终对研究区页岩气有利区块进行评分优选。

4.2 研究区页岩气勘探开发有利区块预测

基于湘西北页岩气勘探开发的有利区块参数及其标准，本研究通过对研究区页岩有效厚度、有机碳含量、有机质成熟度、脆性矿物含量、埋深和孔隙度6个因素进行初步约束勘探目标，并结合页岩气保存条件、地形地貌和交通条件等，初步确定桑植－永定和沅古坪奥陶系露头区为页岩气勘探开发有利区块。然后依据表3，对上述两个有利区块进行综合评分。

4.2.1 桑植－永定资源潜力区块

根据肖正辉、王朝晖等[12，20]对湘西北地区牛蹄塘组页岩气研究以及本次对张家界地区的研究，桑植－永定有机碳含量平均在4%以上，有机碳大于2%的页岩有效厚度大于100 m，等效镜质组反射率平均在3%以上，达到过成熟阶段。脆性矿物含量50%以上，孔隙度1%～3%，泥页岩埋深在3000～5000 m，根据表3进行评分，桑植－永定综合评分为76.8分（表4）。

从页岩气的保存条件来看，泥页岩的主体埋深3000～5000 m，有利于页岩气的富集成藏，只是泥页岩埋藏较深，会增加勘探成本。从地表条件来看，永定区、桑植及周边地区地形高差相对较小，交通方便，有利于页岩气的开发。总体来说桑植－永定可以作为研究区页岩气资源勘探的潜力区，区块范围见图1。

4.2.2 沅古坪奥陶系露头区有利区块

根据本次对研究区剖面的测试成果以及结合中国地质调查局在张家界地区湘张地1井资料[28]，该区域平均有机碳含量>6%，有机碳大于2%的页岩有效厚度大于60 m，等效镜质组反射率平均在3%以上，达到过成熟阶段。脆性矿物含量90%以上，孔隙度1%～3%，泥页岩埋深约1900 m，湘张1井在牛蹄塘组显示良好的含气性。根据表4－1进行评分，沅古坪奥陶系露头区综合评分见为83.4分（表5）。

从页岩气的保存条件来看，泥页岩的主体埋深约1900 m，有利于页岩气的富集成藏，埋藏深度适中，有利于勘探开发。从地表条件来看，沅古坪及周边地区地形高差相对较小，交通方便，有利于页岩气的开发。总体来说沅古坪奥陶系露头区可以作为研究区页岩气资源勘探的有利区块，区块范围见图1。

通过对研究区泥页岩有效厚度、有机碳含量、有机质成熟度、埋深和孔隙度、脆性矿物含量进行综合信息叠合法，结合有利区的地形地貌与交通条件，最终确定桑植-永定为页岩气资源勘探的潜力区块，沅古坪奥陶系露头区为研究区页岩气资源勘探的有利区块。

表3页岩气各项评级参数分级表[22]Table 3 Classification of the evaluationindexes from shale gas

表4桑植-永定资源勘探潜力区综合评分表Table 4 Comprehensive evaluation table of resourcesex ploration potential area of Sangzhi-yongding

表5沅古坪奥陶系露头区有利区综合评分表Table 5 Comprehensive evaluation table of favorable area of Ordovician outcrop area around Yuanguping