湘鄂西地区下寒武统牛蹄塘组页岩气聚集条件及含气性影响因素

我国南方地区下寒武统泥页岩分布范围广，厚度大，现今残留面积约90×104km2［1］。 该套地层是在浅水—深水陆棚环境下沉积形成的富有机质海相地层，广泛分布于扬子区。湘鄂西地区是中上扬子区页岩气勘探的重点区域，包括了国土资源部第二轮页岩气招标中60%的区块（如鹤峰、来凤、咸丰、永顺、花垣、保靖、龙山等）。湘鄂西地区属于盆缘（四川盆地周缘）改造区［2］，地质条件复杂，前人对该区域牛蹄塘组页岩气的研究集中体现在聚集条件［3-6］、资源潜力［7-9］及勘探前景（方向）［10-12］等方面，前期研究结果表明，湘鄂西地区牛蹄塘组受沉积相带的控制（深水陆棚—半深海—深海盆地）［13］，黑色页岩发育良好，具备页岩气形成的物质基础，同时，牛蹄塘组经历了复杂的热演化历史和深埋过程，具有成熟度高、改造强烈的地质背景［2，14］。目前关于牛蹄塘组保存条件及页岩含气性特征方面的研究［15-16］较少且尚欠深入。随着勘探的不断推进和大量钻井的实施，发现研究区牛蹄塘组页岩虽静态品质较好，但却表现出含气量偏低且氮气含量高的特征。本文将以钻井、野外露头测量、样品测试数据为资料依据，探讨湘鄂西地区牛蹄塘组页岩含气性特征及其主要影响因素。

(ⅲ) 当0

1 地质概况

湘鄂西地区在大地构造位置上位于中上扬子板块东南部，西与四川盆地毗邻，东接江南—雪峰推覆隆起，为一由北东—北东东向的齐岳山断裂和慈利—保靖断裂联合控制的向西北凸出的弧形构造带［17］（图1），由西北向东南依次划分为北东向延展的利川复向斜、中央复背斜、花果坪复向斜、宜都—鹤峰复背斜、桑植—石门复向斜等构造单元（图1）。

  

图1 湘鄂西地区区域构造单元划分

湘鄂西地区元古界至中生界均有不同程度发育，以古生代和中生代地层为主，呈北东—南西向分布。下寒武统牛蹄塘组几乎全区分布，岩性特征为：底部常见薄层状硅质岩，发育波状层理；下部以黑色碳质页岩、碳质粉砂岩夹碳质泥晶灰岩为主；中部以泥晶—细晶灰岩为主；上部为深灰色薄层灰质泥岩、黑色碳质页岩、中厚层灰质泥岩。该特征指示早寒武世区域上发生快速海侵，主要以深水陆棚沉积为主，之后水体逐渐变浅。

2 页岩气富集条件

2.1 有机质地化特征

湘鄂西地区牛蹄塘组有机碳含量整体较高，介于0.4%～14.64%之间，平均5.23%，其中，82%以上的样品有机碳含量大于2.0%（图2a），主体分布在2.0%～8.0%之间（占总样品数的60.94%），小于2.0%的样品数占总样品数的17.97%，大于8.0%的样品占21.09%。牛蹄塘组泥页岩总体上评价为优质烃源岩。

  

图2 湘鄂西地区牛蹄塘组泥页岩有机碳含量及镜质体反射率

根据牛蹄塘组泥页岩66块样品储集物性的测试分析，孔隙度分布在1.57%～13.9%之间，平均4.56%，高值主要出现在花垣地区（位置参见图1，图3），局部出现的高值可能与露头样品风化作用有关；孔隙度主体分布在2.0%～6.0%之间（图7a），占总样品数的75.76%，呈现较好的正态分布特征。渗透率分布在（0.00008～0.021）×10-3μm2之间，平均0.0047×10-3μm2，主体分布在（0～0.005）×10-3μm2之间（图7b），占总样品数的72.31%，其次为（0.005～0.01）×10-3μm2，占样品总数的13.85%，总体上呈现出对数正态分布的特征。从储集物性分析，牛蹄塘组泥页岩储层总体表现为低孔、超低渗的特征。

  

图3 湘鄂西地区牛蹄塘组泥页岩TOC及Ro平面分布图

纵向上，含气量相对较高的页岩段发育在牛蹄塘组底部，具体位置因不同地质条件略有差异。以CY1井为例，从742.73m开始钻遇牛蹄塘组黑色页岩，至1344.13m 处钻穿牛蹄塘组，完钻井深为1377m［16］，埋深较浅时含气量普遍较低，随着埋深的增加含气量呈增高的趋势（图10）：956～989m井段是CY1井黑色页岩含气量相对较高的层段，厚度达到了30m左右， 含气量介于 0.5～0.63m3/t之间；1100～1250m 井段是CY1井黑色页岩含气量最高的层段，厚度达到了150m左右，含气量介于0.5～2.1m3/t之间；受牛蹄塘组底部硅质页岩及底板硅质岩在强烈逆冲推覆作用下产生较大裂缝的影响［21］，1250～1344.13m 井段含气量降低，介于0.05～0.23m3/t之间。

  

图4 湘鄂西地区牛蹄塘组优质泥页岩段（TOC＞2.0%）对比图

 

A—A′剖面位置见图3

湘鄂西地区牛蹄塘组热演化程度高，通过对82块样品分析，结果表明：Ro普遍大于2.0%，主体分布在2.0%～5.0%之间，占总样品数的95.12%（图2b），牛蹄塘组有机质演化处于高成熟—过成熟阶段，属于生干气阶段，该高演化特征与牛蹄塘组泥页岩时代老、埋藏深度大、经历多期热事件密切相关。平面上，高值区主要出现在吉首—保靖—张家界和鹤峰—五峰一带（图3），Ro均在3.5%以上，最大值可达4.13%。

构造运动 自寒武纪页岩沉积后，经历了志留纪—泥盆纪、三叠纪两个生烃高峰，其后又经历了印支、燕山、喜马拉雅三期构造运动，形成了逆冲推覆、走滑与拉张等复杂的构造样式［22-23］。总体上，湘鄂西地区抬升剥蚀改造的持续时间长，并以褶皱抬升为主，隆升幅度大，牛蹄塘组局部有出露［24-25］，复向斜区地层分布连续性较好。印支运动及其以后的一系列构造运动对页岩气的富集、保存、成藏产生了再分配、再调整作用，尤其是大规模隆升和剥蚀作用对牛蹄塘组页岩气的富集产生重要影响。

2.2 矿物含量

  

图5 湘鄂西地区牛蹄塘组泥页岩矿物组成三角图

根据湘鄂西及其相邻地区14口钻井牛蹄塘组泥页岩气体组分的统计分析［14］（表 1），其中：11 口钻井（占比78%以上）氮气含量高（超过60%），分布在61.37%～97.40%之间；3 口钻井 （TX1、SY-1、CY-1）甲烷含量较高，分布在79.57%～82.20%之间。

黏土矿物含量主要以伊利石为主，伊利石含量为51%～77%，平均为62.21%，28块测试样品中，伊利石含量均在50%以上；伊蒙混层含量为10%～41%，平均23.07%；绿泥石含量为0～28%，平均8.36%；高岭石含量为0～16%，平均6.36%。

受造山带的影响，湘鄂西地区牛蹄塘组历经多期构造变动，大型逆冲断层、大型褶皱十分发育，形成了向斜、背斜相间的构造格局（图12），其中，复向斜区中远离大型断裂的、形态清楚完整且稳定分布的向斜和背斜，有利于牛蹄塘组页岩气的富集和保存。

两种治疗方法在手术治疗后均通过气囊尿管导尿，每天使用新洁尔灭棉球擦拭患者外阴部，抗感染治疗适量使用抗生素，拔除气囊导管后，患者与一天三次进行坐浴，性生活禁止一个月。

2.3 储集特征

牛蹄塘组泥页岩发育微米—纳米级孔隙，从扫描电镜结果分析，储集空间类型主要为残余原生孔隙、有机质生烃形成的微孔隙、不稳定矿物溶蚀形成的微孔隙，以及微裂缝等（图6），其中孔隙的孔径主要分布在4.5nm～25μm之间，且分布均匀，微裂缝宽约1～3μm。多种孔隙、裂缝的发育为页岩气的储集提供了空间，同时也为后期压裂、提高气体渗流能力提供了良好的基础。

  

图6 湘鄂西地区牛蹄塘组泥页岩扫描电镜照片(样品所在剖面位置见图3)

平面上，有机碳含量的变化趋势与沉积环境密切相关（图3），在浅水陆棚沉积区域，道真—武隆—石柱一带有机碳含量1.0%左右；深水陆棚沉积区，酉阳—桑植—五峰一带有机碳含量在2.0%～4.0%之间；在半深海—深海沉积区，吉首—常德一带达到最大，主体分布在4.0%～6.0%之间，总体上，有机碳含量呈现出由西北向东南方向逐渐增大的趋势（图3）。

3 页岩含气性

3.1 等温吸附

泥页岩的等温吸附特征一般采用Langmuir等温吸附曲线来描述，Langmuir体积是指理论上的饱和吸附量，表征最大吸附能力，Langmuir体积一半时所对应的的压力为Langmuir压力［19］。在湿度1.65%、温度30℃的实验室条件下，对25块样品进行了等温吸附实验，结果表明，Langmuir体积分布在1.19～7.82m3/t之间，平均3.34m3/t，主体分布在1.50～3.80m3/t之间，占总样品数的68%，这表明湘鄂西地区牛蹄塘组泥页岩具有较强的吸附能力。如图8所示，野外露头样品（均取自牛蹄塘组下部优质页岩段）Langmuir体积介于3.2～6.60m3/t之间；CY1井牛蹄塘组1166m样品的Langmuir体积（图8中的VL）为6.87 m3/t，明显优于牛蹄塘组上部752m样品的3.42m3/t，这表明牛蹄塘组下部页岩对甲烷具有更强的吸附能力。

  

图7 湘鄂西地区牛蹄塘组泥页岩孔隙度和渗透率统计

  

图8 湘鄂西地区牛蹄塘组泥页岩等温吸附曲线

 

样品点位置参见图3 VLLangmuir体积； PLLangmuir压力

3.2 现场解吸

湘鄂西地区牛蹄塘组泥页岩现场解吸总含气量总体较低。据统计，在研究区中部(有机碳含量、热演化程度均较高)，YY1井总含气量0.03～1.12m3/t，XY6井0.02～2.2 m3/t，CY-1井0.32～0.94 m3/t，BY2井0.11～0.71 m3/t，HY1井＜0.029 m3/t（表1，钻井位置见图3）。以CY1井现场解吸为例（图9），51个总含气量数据，总体分布在0～0.5 m3/t之间（频率高达80%），总含气量大于2.0%的样品数仅占4%。

垂向上，牛蹄塘组下部的有机碳含量高于上部，有机碳含量大于2.0%的泥页岩段主要集中在下部的深水陆棚、半深海—深海沉积环境中（图4），厚度介于40～150m之间。以CY1井为例，钻遇牛蹄塘组厚601.4m，有机碳含量分布在0.03%～17.6%之间，平均3.91%；TOC＞2.0%的页岩段厚约244.13m，分布于牛蹄塘组下部，有机碳含量分布在2.0%～12.0%之间，平均6.54%。

 

表1 四川盆地周缘牛蹄塘组已钻井气体组分统计表［14，20］

  

*钻井位置参见图3

 

地区 井名* 含气量(m3/t)N2平均含量(%)CH4平均含量(%)重庆酉阳 YY1 0.03～1.12 97.40 1.20 YC1— 84.1015.81秀山 XY6 0.02～2.2 85.60 3.86贵州凤岗 FC1 0.4～3.5 84.00 5.00绥阳 SY1 0.02～0.6 85.36 13.04湄潭 MY1 0.06～0.64 94.62 4.63岑巩 TX1 1.10～2.88 16.20 79.57 TM1 0.1～0.4 ＞95 —正安 ZY1 0.9～2.05 61.37 6.68松桃 SY-1 0.02～0.85 12.23 82.20湖南慈利 CY-1 0.32～0.94 20.00 80.00常德 CY1 0.5～2.1 72.09 8.65保靖 BY2 0.11～0.71 91.45 8.55花垣 HY1 ＜0.029 83.87 12.5

  

图9 CY1井牛蹄塘组泥页岩含气量统计

  

图10 CY1井牛蹄塘组泥页岩含气量纵向分布

3.3 气体组分

对CY1井高含气量井段的6个样品进行天然气组分分析（表2），可见：以氮气（扣除空气含氮量）为主，介于64.48%～78.55%之间，平均72.09%；同时含有甲烷和乙烷，其中甲烷含量7.29%～10.58%，平均8.65%，乙烷0.07%～0.83%，平均0.28%；在1056.3m和1230.6m井段发现少量的丙烷。总体上，该井的天然气主要组分依次为N2、CO2和CH4，烃含量较低。

 

表2 CY1井牛蹄塘组泥页岩解吸气成分含量%

  

深度(m) CH4 C2H6 C3H8 CO2 O2 N2 1056.3 7.75 0.10 0.01 16.30 3.69 72.15 1150.9 8.70 0.07 0 13.24 1.42 76.57 1158.0 7.74 0.21 0 22.29 2.18 67.58 1166.5 7.29 0.83 0 8.95 4.38 78.55 1230.6 10.58 0.31 0.01 22.26 2.36 64.48 1237.0 9.83 0.14 0 12.40 4.41 73.22

X射线衍射全岩分析表明，湘鄂西地区牛蹄塘组泥页岩矿物含量主要以碎屑脆性矿物为主（图5），石英+长石的含量介于35%～92%之间，平均68.6%，在53块野外露头样品中，大于40%的样品占到96%以上；其次为黏土矿物，含量介于7.0%～51%，平均25.6%；碳酸盐类的含量较低，方解石+白云石的含量介于0～39%之间，平均2.92%；黄铁矿0～9.0%，平均1.54%。碎屑脆性矿物含量越高，岩石骨架对孔隙的支撑作用就越强，也越容易在外力的作用下形成裂缝［18］。从矿物含量构成分析，脆性矿物含量均在40%以上，达到了后期压裂造缝的标准。

4 页岩含气性影响因素

等温吸附实验表明，湘鄂西地区牛蹄塘组页岩具有较强的天然气吸附能力；但现场解吸结果显示，牛蹄塘组总体上具有含气量偏低且氮气含量高、甲烷含量低的特点，仅个别样品甲烷含量较高。从地质条件分析，构造保存条件是牛蹄塘组页岩气富集的关键因素，牛蹄塘组过高的热演化程度对含气性也有一定影响。

案例中关于P企业多元化管理战略的综合探究过程，就是充分企业管理模式更新计划，企业文化理念更新的要点，促进企业管理现代化发展的协调性实践的过程。

断裂发育 断裂发育的程度和规模对页岩气富集具有重要影响，尤其是与外界沟通的大型断裂为页岩排烃提供了良好的通道，同时也为空气（或以地层水为载体）进入到页岩气藏提供了通道，导致含气量降低且氮气含量增加，因此，大型断裂发育不利于页岩气富集。如：位于渝东南、黔北、湘鄂西等地区的XY6、FC1、BY2、HY1等井因距离断裂较近［14］，故受断裂影响严重，牛蹄塘组页岩含气量较低，且氮气含量平均达84%以上，尤其是位于湖南花垣地区的HY1井，钻遇了断层，最大含气量仅0.029m3/t（表1），氮气含量却高达83.87%。在贵州岑巩，位于走滑断裂带的TM1井（图11），牛蹄塘组含气量仅0.1～0.4m3/t，但氮气含量超过95%（表1）［20］，而位于构造稳定区的TX1井（图11），距离断裂较远，含气量达1.10～2.88m3/t，甲烷含量达79.57%（表1）［20］。 又如，位于湖南慈利的CY-1井，因周缘仅发育小型断裂［14］，故虽含气量较低，但甲烷含量却相对较高，可达80%。

  

图11 贵州岑巩地区过TX1井地质剖面图（据文献［20］修改）

 

B—B′剖面位置见图3

马连长把全连的班长、副班长排在了“敢死队”前面，倪二泉自告奋勇，排在了第一，排在第三位的则是四班长陈山利。

3.1 SLNB的意义 前哨淋巴结作为肿瘤转移的首站部位，对其活检能够较准确地预测区域淋巴结的状态[4]。SLNB已在乳腺癌[5]、胃癌[6]的治疗中应用于判断区域淋巴结的转移情况，同时更加精确的指导清扫范围。有学者在甲状腺癌术中引入SLNB技术帮助发现淋巴结隐匿性转移灶并取得成功[3]。

  

图12 鄂西鹤峰地区地震地质解释剖面

 

C—C′剖面位置见图3

热演化程度 有研究表明，有机质类型以Ⅰ、Ⅱ型为主的海相页岩，当有机质Ro超过3.0%时，页岩开始逐渐石墨化而产生焦沥青基质［26-27］，逐步降低或失去生烃能力。此外，有机质孔隙度随着Ro的增加，存在先增大至峰值再减小的趋势，当Ro超过3.0%之后，有机质孔隙开始减小［28］，而随着有机质微孔体积的减小，影响页岩吸附能力的比表面积也随之进一步减小，进而影响页岩含气量。湘鄂西地区牛蹄塘组页岩热演化程度高，近50%的样品Ro超过3.0%。牛塘组黏土矿物成分以伊利石为主，这表明随着成熟度的增高和成岩作用的增强，蒙脱石、伊蒙混层等比表面积较大的矿物已经转化为比表面积较小的伊利石。因此，牛蹄塘组页岩处于过成熟、成岩晚期—变质阶段，成熟度对含气量具有一定影响。

5 结 论

（1）湘鄂西地区牛蹄塘组富有机质页岩段发育于牛蹄塘组中下部，厚度介于40～150m之间，从有机碳含量、热演化程度及矿物含量综合评价，页岩的品质好。

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（2）等温吸附实验表明，牛蹄塘组页岩具有较强的天然气吸附能力。现场解吸显示牛蹄塘组总体上具有含气量偏低且氮气含量高的特点。

（3）湘鄂西地区地质历史上多期构造运动的改造和大型通天断层的发育，是影响牛蹄塘组页岩含气性的主要因素，过高的热演化程度对含气性亦有一定影响。

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