湘中、湘东南及湘东北地区泥页岩层系地质特征与页岩气勘探潜力
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摘要
页岩气是在富含有机质的页岩中形成的天然气的富集，以游离相存在于天然裂缝与粒间孔隙中，吸附在干酪根或粘土颗粒表面，溶解于干酪根和沥青里。以热成熟作用或连续的生物作用为主以及两者相互作用生成的聚集在烃源岩中的天然气，已逐渐成为重要的非常规天然气资源。
页岩气资源的开发利用展示出了诱人的前景，它不仅符合国家产业政策和发展循环经济的要求，而且也将为企业带来良好的经济效益、环保效益和社会效益。页岩气一旦勘探突破形成产能，必将对缓解中国油气资源接替的压力产生至关重要的作用。
沉积盆地中，各地质时期的沉积物中泥页岩沉积约占80%，页岩储层包括暗色富有机质页岩及以薄的夹层状态存在的粉砂质泥岩、泥质粉砂岩等地层。页岩储层组合形式多样，不同类型页岩储层组合有明显不同的地质、地球化学特征。深水海相缺氧沉积环境页岩发育较好，有机质丰度高的炭质页岩附近常有煤层出现。通常与常规油气藏有着密切的成因关系，页岩气储集层具渗透率低，开采难度较大，开发潜力巨大，开采寿命长的优点。
中国南方海相页岩在各个地质历史时期都十分发育，层系多且分布范围广，是页岩气的主要富集地区，大量分布在向斜区、隆起区的低部位。研究区是以下古生界浅变质岩系为基底发展起来的晚古生代沉积坳陷区，发育有机质丰度高的页岩层系，有机质热演化进入高成熟生气阶段，具有形成页岩气藏的基本地质条件。
中国页岩气勘探开发还处在起步阶段，泥页岩储层的地质特征、成藏的主控因素与富集条件及页岩气资源潜力评价等还处在探索中。本论文旨在以现代沉积学和层序地层学理论为指导，结合区域构造背景，以湘中、湘东南、湘东北地区页岩层系为例，分析页岩层系沉积环境，恢复页岩层系的岩相古地理，确定富有机质页岩层系发育层段。探索海相页岩气资源潜力评价方法体系，从厚度、地化指标、脆性矿物含量、物性等方面确定页岩储层评价标准。阐述了非常规页岩气资源潜力体积法评价所涉及的参数选取确定原则，研究获得页岩气资源潜力，预测页岩气富集区带。为研究区页岩气的资源评价及勘探区块优选提供科学依据。
研究区中泥盆世－中三叠世总体沉积环境为台地相－陆地边缘相。有利于泥页岩发育的主要沉积相带是台地海盆相、滨海沼泽相、潮坪相和台坪相，分布在海侵体系域上部和高水位体系域下部，平面上多与凹槽台地相的发育和分布有关。台地海盆相主要发育于本区的中、晚泥盆世棋梓桥期、佘田桥期，其沉积物以泥页岩、泥灰岩为主，滨海沼泽相主要发育于本区的早石炭世大塘期测水时，晚二叠世龙潭期两个成煤时期。
研究区泥盆系中上统除个别地区外都已到达高成熟-过成熟阶段，石炭系下统的大塘阶测水段基本处于高成熟-过成熟阶段，二叠系上统的龙潭组和大隆组相对来说演化程度较低，但也达到高成熟阶段。总体表现为演化成熟度高-很高的特征。
研究区泥页岩矿物成分复杂，均含有粘土矿物、石英、斜长石、钾长石、方解石、白云石等矿物，大部分泥页岩含有黄铁矿，少数含有石膏。其泥页岩沉积于缺氧的强还原环境，脆性矿物含量是影响页岩基质孔隙和微裂缝发育程度、含气性及压裂改造方式等的重要因素。页岩中粘土矿物含量越低，石英、长石、方解石等脆性矿物含量越高，岩石脆性越强，在外力作用下越易形成天然裂缝和诱导裂缝，形成树状或网状结构缝，而粘土矿物含量高的页岩塑性强，吸收能量强，以形成平面裂缝为主，不利于页岩的后期改造。研究区脆性矿物石英平均含量偏低，但全部脆性矿物平均含量已达51.57%，有利于页岩气储层后期的压裂改造。
研究区页岩储层为低孔渗储集层，发育有多种类型微孔隙，主要有：格架孔、溶蚀孔、有机质孔、生物体腔孔和微裂缝等，为页岩气吸附和赋存的主要空间，具有结构复杂、比表面积较大等特点，丰富的内表面积可以通过吸附方式储存大量气体，是含气性的主要影响因素。
在测试实验的基础上，结合不同类型干酪根在不同的有机质热演化阶段的产气特征，系统分析了TOC、Ro及比表面（孔体积、孔径、孔喉分选性）等地化物性参数对含气量的影响，揭示了储集物性、矿物含量、地球化学特征与储层含气性之间的内在联系。确定了主要泥页岩层段的含气量，为研究区页岩气的资源潜力评价奠定了基础。
首次利用体积法计算了湘中、湘东南、湘东北地区的泥页岩层系的资源潜力，优选与评价了页岩气有利的勘探区块。研究区内湘页1井页岩气钻获成功获得自然产能，现场解析含气量最高值为0.7334cm3/g，证实了研究区广阔的页岩气勘探前景。
此研究成果对中扬子区乃至我国南方地区页岩气勘探与研究具有重要的指导意义。
The gas in the organic-rich shale formation is named the shale gas. The shale gas is mainlyfilled in the natural fractures and intergranular pore， or adsorb on the surface of kerogen or clayparticle， or even dissolve in kerogen and bitumen. The gas， from thermal maturation or thecontinuous biogenicagency or both， has gradually become an important unconventional gasresources.
The exploration and utilization of the shale gas indicates that it will become an attractiveprospect resources. Foe one thing， the shale gas will not only conform to the requirements ofthe national industrial policy and the development of recycling economy， for another thing， itwill also bring considerable economic， environmental and social benefits for the industries. Ifthe shale gas become a productive resource， it will play an important role in solving theproblem of the substitution of oil and gas in China.
In sedimentary basins， about80%sediments of various geological periods are shale. Theshale reservoir consists of dark. organic-rich shale interbedded with silty mudstone， muddysiltstone. The shale reservoirs combination varies from basin to basin， because there aredifferent significantly geological and geochemical characteristics for different shale reservoirs indifferent petroliferous basins.The origin of the shale gas is closely connected with theconventional oil and gas accumulation， which indicates that the shale gas has a considerablepotential of exploration. As the coin has two sides，the shale gas also has it's positive factors andnegative factors. For the positive factors， the continuous enrichment of the shale gasaccumulation charactered by a thick source rock and a wide distribution in the basin， and arelative long production lead time. For the negative factors， the exploitation of the shale gas isdifficult， for the porosity of the shale gas reservoirs is low.
The shale gas is mainly enriched in marine shale in southern China.The marine shale occur in various strata of different geological history and they are well developed. Most of the marineshale is abundant in the syncline area or the lower portion of the uplift area.The study area islocated in the deposition depression area of the late paleozoic, which is developed from theepimetamorphic rocks basement of the lower part of the paleozoic. In the study area，theabundance of organic matter of the shale is high, which is matched with the basic geologicalconditions of the generation of shale gas.
The exploration shale gas in China has reached an early stage. the shale gas resourcepotential evaluation. It is difficult to estimate the potential shale gas accurately throughconventional oil and gas evaluation system,due to the evaluation of the shale gas resourcepotential is not accurate.This paper is guided by modern sedimentology and sequencestratigraphy theory, and is combined with the background of regional tectonic setting. The aimsof this paper are as the fellows: first of all, we will try to analysis the depositional environmentof the shale formation from the southeastern and northeastern Hunan Province; secondly, we willrecover the litho-facies palaeogeography of the study area; finally, we will locate the organic-richshale intervals of the study area. In this paper, the potential resource evaluation system of marineshale gas will be conducted. The thickness of shale reservoirs, geochemical indicators shalereservoirs, brittle mineral content shale reservoirs, physical properties shale reservoirs are usedin the forming of the evaluation criterion for shale reservoirs. This paper describes thevolumetric method in potential resource evaluation of the unconventional shale gas and thegeneral rule of selecting the parameters which is involved in. In this paper, the potentialresources of the shale gas is evaluated, and the prediction of the enrichment zone of the shale gashas been conducted. This paper provides scientific basis for the resource evaluation of the shalegas and for the selection of the preferred target of the shale gas exploration in the study area.
The sedimentary facies of the study area in the devonian-middle triassic was the platformfacies-the peripheral continental facies. There exists four types of sedimentary facies whichbenefits the deposition of the shales,namely, platform basin facies, coastal marsh facies, tidalflat facies and table facies. These sedimentary facies distribute in the lower part of thetransgressive system tract and the upper part of the highstand system tracts，which are connectedwith the development and distribution of groove platform.The development of the platformbasin facies,in the study area, is mainly occurred in the Qiziqiao stage and the Shetianqiao stagein the late devonian. Lithologically consists of argillutite and marlstone. The development of theseamarsh facies is mainly occurred in the coal-forming period of Ceshui time, Datang stage inthe early Carboniferous and the Longtan stage in the late Permian.
In the study area, most of the sediments of Devonian have reached the high maturity stage-over mature stage. The Ceshui formation, Datang stage of the lower Carboniferous havebasically reached the high mature-over mature stage. The degree of evolution of Longtan Formation and Dalong Formation in upper Permian is relatively low, but it has reached highmaturity stage. The evolution of the study area shows a character of reaching the high maturitystage-over mature stage.
The mineral composition of argillutite in the study area is very complicated, which consistsof clay minerals, quartz, plagioclase, potassic feldspar, calcite, dolomite and other minerals, andalso gypsum is observed in some samples. Most of the argillutite contains pyrite, which shows aneffect of the anoxic strong reducing environment during the deposition of the argillutite. Theaverage content of the brittle mineral quartz is low, which shows a greater effect on thecrack-forming ability of the shale gas reservoirs.
The matrix porosity of shale and micro-fracture development, gas-bearing properties andfracturing treatment methods are dominated by brittle mineral content in the shale. The lowcontent of clay mineral and high content of brittle mineral, like quartz, feldspar, calcite, in theshales, will turn the shale into brittle shale. If external force is applied, there will be more naturalfractures and induced cracks, such as the tree-shaped cracks or net-shaped cracks in the brittleshale, which benefits the exploitation of the shale gas. In contrast, the high content of clayminerals in the shales, will turn the shale into plastic shale,which can absorb the majorityexternal force applied on the shale. If external force is applied, there will be more planar cracks,which has negative effect on the post-transformation of the shale.Although in the study area thethe average content of quartz is low, but the content of all fragile mineral reached51.57%,it’s infavor of shale gas reservoirs in the late fracturing treatment, which is conducive to the fracturingtransformation of shale gas reservoirs.
The shale reservoir is characterized by the development of many types of micro-pore and ithas extreme low porosity and extreme low permeability. These micro-pore can be divided intothe following types: grid holes, corrosion holes, holes of organic matter, organisms bore andmicro-cracks, etc. The shale gas is mainly found in micro-pore, for high surface to volume ratio,the complex structure of micro-pore and the large internal surface area enable micro-pore to holdlarge amounts of adsorbed gas.
On the basis of the test experiment, combined with the gas production characteristics ofdifferent types of kerogen in different stage of organic matter evolution, systematic analysis theTOC, Ro geochemical parameters and specific (pore volume, pore size, pore throat sorting, etc.)impact factors on the gas content, determine the correspondence between the reservoir property,mineral content, geochemical characteristics and the gas containing of the shale reservoir.Determined the gas content of the key mud shale bed, provided information on the basis of shalegas resource potential assessment in the study area.
First calculated the resource potential of the mud shale system in central Hunan,southeastern Hunan, Hunan northeastern region by volume method, preferred favorable shale gas exploration and development blocks. In the study area, XiangYe1well is successful with naturaldeliverability of shale gas, on-site desorption with the highest gas0.7334cm3/g, confirmed thebroad shale gas exploration prospects in the study area.
The findings and the methodology adopted in the study can provide important guidancereferences for the exploration of the shale gas in the central of Yangtze region or even insouthern China.
页岩气资源的开发利用展示出了诱人的前景，它不仅符合国家产业政策和发展循环经济的要求，而且也将为企业带来良好的经济效益、环保效益和社会效益。页岩气一旦勘探突破形成产能，必将对缓解中国油气资源接替的压力产生至关重要的作用。
沉积盆地中，各地质时期的沉积物中泥页岩沉积约占80%，页岩储层包括暗色富有机质页岩及以薄的夹层状态存在的粉砂质泥岩、泥质粉砂岩等地层。页岩储层组合形式多样，不同类型页岩储层组合有明显不同的地质、地球化学特征。深水海相缺氧沉积环境页岩发育较好，有机质丰度高的炭质页岩附近常有煤层出现。通常与常规油气藏有着密切的成因关系，页岩气储集层具渗透率低，开采难度较大，开发潜力巨大，开采寿命长的优点。
中国南方海相页岩在各个地质历史时期都十分发育，层系多且分布范围广，是页岩气的主要富集地区，大量分布在向斜区、隆起区的低部位。研究区是以下古生界浅变质岩系为基底发展起来的晚古生代沉积坳陷区，发育有机质丰度高的页岩层系，有机质热演化进入高成熟生气阶段，具有形成页岩气藏的基本地质条件。
中国页岩气勘探开发还处在起步阶段，泥页岩储层的地质特征、成藏的主控因素与富集条件及页岩气资源潜力评价等还处在探索中。本论文旨在以现代沉积学和层序地层学理论为指导，结合区域构造背景，以湘中、湘东南、湘东北地区页岩层系为例，分析页岩层系沉积环境，恢复页岩层系的岩相古地理，确定富有机质页岩层系发育层段。探索海相页岩气资源潜力评价方法体系，从厚度、地化指标、脆性矿物含量、物性等方面确定页岩储层评价标准。阐述了非常规页岩气资源潜力体积法评价所涉及的参数选取确定原则，研究获得页岩气资源潜力，预测页岩气富集区带。为研究区页岩气的资源评价及勘探区块优选提供科学依据。
研究区中泥盆世－中三叠世总体沉积环境为台地相－陆地边缘相。有利于泥页岩发育的主要沉积相带是台地海盆相、滨海沼泽相、潮坪相和台坪相，分布在海侵体系域上部和高水位体系域下部，平面上多与凹槽台地相的发育和分布有关。台地海盆相主要发育于本区的中、晚泥盆世棋梓桥期、佘田桥期，其沉积物以泥页岩、泥灰岩为主，滨海沼泽相主要发育于本区的早石炭世大塘期测水时，晚二叠世龙潭期两个成煤时期。
研究区泥盆系中上统除个别地区外都已到达高成熟-过成熟阶段，石炭系下统的大塘阶测水段基本处于高成熟-过成熟阶段，二叠系上统的龙潭组和大隆组相对来说演化程度较低，但也达到高成熟阶段。总体表现为演化成熟度高-很高的特征。
研究区泥页岩矿物成分复杂，均含有粘土矿物、石英、斜长石、钾长石、方解石、白云石等矿物，大部分泥页岩含有黄铁矿，少数含有石膏。其泥页岩沉积于缺氧的强还原环境，脆性矿物含量是影响页岩基质孔隙和微裂缝发育程度、含气性及压裂改造方式等的重要因素。页岩中粘土矿物含量越低，石英、长石、方解石等脆性矿物含量越高，岩石脆性越强，在外力作用下越易形成天然裂缝和诱导裂缝，形成树状或网状结构缝，而粘土矿物含量高的页岩塑性强，吸收能量强，以形成平面裂缝为主，不利于页岩的后期改造。研究区脆性矿物石英平均含量偏低，但全部脆性矿物平均含量已达51.57%，有利于页岩气储层后期的压裂改造。
研究区页岩储层为低孔渗储集层，发育有多种类型微孔隙，主要有：格架孔、溶蚀孔、有机质孔、生物体腔孔和微裂缝等，为页岩气吸附和赋存的主要空间，具有结构复杂、比表面积较大等特点，丰富的内表面积可以通过吸附方式储存大量气体，是含气性的主要影响因素。
在测试实验的基础上，结合不同类型干酪根在不同的有机质热演化阶段的产气特征，系统分析了TOC、Ro及比表面（孔体积、孔径、孔喉分选性）等地化物性参数对含气量的影响，揭示了储集物性、矿物含量、地球化学特征与储层含气性之间的内在联系。确定了主要泥页岩层段的含气量，为研究区页岩气的资源潜力评价奠定了基础。
首次利用体积法计算了湘中、湘东南、湘东北地区的泥页岩层系的资源潜力，优选与评价了页岩气有利的勘探区块。研究区内湘页1井页岩气钻获成功获得自然产能，现场解析含气量最高值为0.7334cm3/g，证实了研究区广阔的页岩气勘探前景。
此研究成果对中扬子区乃至我国南方地区页岩气勘探与研究具有重要的指导意义。
The gas in the organic-rich shale formation is named the shale gas. The shale gas is mainlyfilled in the natural fractures and intergranular pore， or adsorb on the surface of kerogen or clayparticle， or even dissolve in kerogen and bitumen. The gas， from thermal maturation or thecontinuous biogenicagency or both， has gradually become an important unconventional gasresources.
The exploration and utilization of the shale gas indicates that it will become an attractiveprospect resources. Foe one thing， the shale gas will not only conform to the requirements ofthe national industrial policy and the development of recycling economy， for another thing， itwill also bring considerable economic， environmental and social benefits for the industries. Ifthe shale gas become a productive resource， it will play an important role in solving theproblem of the substitution of oil and gas in China.
In sedimentary basins， about80%sediments of various geological periods are shale. Theshale reservoir consists of dark. organic-rich shale interbedded with silty mudstone， muddysiltstone. The shale reservoirs combination varies from basin to basin， because there aredifferent significantly geological and geochemical characteristics for different shale reservoirs indifferent petroliferous basins.The origin of the shale gas is closely connected with theconventional oil and gas accumulation， which indicates that the shale gas has a considerablepotential of exploration. As the coin has two sides，the shale gas also has it's positive factors andnegative factors. For the positive factors， the continuous enrichment of the shale gasaccumulation charactered by a thick source rock and a wide distribution in the basin， and arelative long production lead time. For the negative factors， the exploitation of the shale gas isdifficult， for the porosity of the shale gas reservoirs is low.
The shale gas is mainly enriched in marine shale in southern China.The marine shale occur in various strata of different geological history and they are well developed. Most of the marineshale is abundant in the syncline area or the lower portion of the uplift area.The study area islocated in the deposition depression area of the late paleozoic, which is developed from theepimetamorphic rocks basement of the lower part of the paleozoic. In the study area，theabundance of organic matter of the shale is high, which is matched with the basic geologicalconditions of the generation of shale gas.
The exploration shale gas in China has reached an early stage. the shale gas resourcepotential evaluation. It is difficult to estimate the potential shale gas accurately throughconventional oil and gas evaluation system,due to the evaluation of the shale gas resourcepotential is not accurate.This paper is guided by modern sedimentology and sequencestratigraphy theory, and is combined with the background of regional tectonic setting. The aimsof this paper are as the fellows: first of all, we will try to analysis the depositional environmentof the shale formation from the southeastern and northeastern Hunan Province; secondly, we willrecover the litho-facies palaeogeography of the study area; finally, we will locate the organic-richshale intervals of the study area. In this paper, the potential resource evaluation system of marineshale gas will be conducted. The thickness of shale reservoirs, geochemical indicators shalereservoirs, brittle mineral content shale reservoirs, physical properties shale reservoirs are usedin the forming of the evaluation criterion for shale reservoirs. This paper describes thevolumetric method in potential resource evaluation of the unconventional shale gas and thegeneral rule of selecting the parameters which is involved in. In this paper, the potentialresources of the shale gas is evaluated, and the prediction of the enrichment zone of the shale gashas been conducted. This paper provides scientific basis for the resource evaluation of the shalegas and for the selection of the preferred target of the shale gas exploration in the study area.
The sedimentary facies of the study area in the devonian-middle triassic was the platformfacies-the peripheral continental facies. There exists four types of sedimentary facies whichbenefits the deposition of the shales,namely, platform basin facies, coastal marsh facies, tidalflat facies and table facies. These sedimentary facies distribute in the lower part of thetransgressive system tract and the upper part of the highstand system tracts，which are connectedwith the development and distribution of groove platform.The development of the platformbasin facies,in the study area, is mainly occurred in the Qiziqiao stage and the Shetianqiao stagein the late devonian. Lithologically consists of argillutite and marlstone. The development of theseamarsh facies is mainly occurred in the coal-forming period of Ceshui time, Datang stage inthe early Carboniferous and the Longtan stage in the late Permian.
In the study area, most of the sediments of Devonian have reached the high maturity stage-over mature stage. The Ceshui formation, Datang stage of the lower Carboniferous havebasically reached the high mature-over mature stage. The degree of evolution of Longtan Formation and Dalong Formation in upper Permian is relatively low, but it has reached highmaturity stage. The evolution of the study area shows a character of reaching the high maturitystage-over mature stage.
The mineral composition of argillutite in the study area is very complicated, which consistsof clay minerals, quartz, plagioclase, potassic feldspar, calcite, dolomite and other minerals, andalso gypsum is observed in some samples. Most of the argillutite contains pyrite, which shows aneffect of the anoxic strong reducing environment during the deposition of the argillutite. Theaverage content of the brittle mineral quartz is low, which shows a greater effect on thecrack-forming ability of the shale gas reservoirs.
The matrix porosity of shale and micro-fracture development, gas-bearing properties andfracturing treatment methods are dominated by brittle mineral content in the shale. The lowcontent of clay mineral and high content of brittle mineral, like quartz, feldspar, calcite, in theshales, will turn the shale into brittle shale. If external force is applied, there will be more naturalfractures and induced cracks, such as the tree-shaped cracks or net-shaped cracks in the brittleshale, which benefits the exploitation of the shale gas. In contrast, the high content of clayminerals in the shales, will turn the shale into plastic shale,which can absorb the majorityexternal force applied on the shale. If external force is applied, there will be more planar cracks,which has negative effect on the post-transformation of the shale.Although in the study area thethe average content of quartz is low, but the content of all fragile mineral reached51.57%,it’s infavor of shale gas reservoirs in the late fracturing treatment, which is conducive to the fracturingtransformation of shale gas reservoirs.
The shale reservoir is characterized by the development of many types of micro-pore and ithas extreme low porosity and extreme low permeability. These micro-pore can be divided intothe following types: grid holes, corrosion holes, holes of organic matter, organisms bore andmicro-cracks, etc. The shale gas is mainly found in micro-pore, for high surface to volume ratio,the complex structure of micro-pore and the large internal surface area enable micro-pore to holdlarge amounts of adsorbed gas.
On the basis of the test experiment, combined with the gas production characteristics ofdifferent types of kerogen in different stage of organic matter evolution, systematic analysis theTOC, Ro geochemical parameters and specific (pore volume, pore size, pore throat sorting, etc.)impact factors on the gas content, determine the correspondence between the reservoir property,mineral content, geochemical characteristics and the gas containing of the shale reservoir.Determined the gas content of the key mud shale bed, provided information on the basis of shalegas resource potential assessment in the study area.
First calculated the resource potential of the mud shale system in central Hunan,southeastern Hunan, Hunan northeastern region by volume method, preferred favorable shale gas exploration and development blocks. In the study area, XiangYe1well is successful with naturaldeliverability of shale gas, on-site desorption with the highest gas0.7334cm3/g, confirmed thebroad shale gas exploration prospects in the study area.
The findings and the methodology adopted in the study can provide important guidancereferences for the exploration of the shale gas in the central of Yangtze region or even insouthern China.
引文
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