湘中拗陷泥盆_石炭系海相泥页岩地球化学特征及等温吸附性能

第３９卷　第２期 成都理工大学学报（自然科学版）Ｖｏｌ．３９Ｎｏ．２　２０１２年４月ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＣＨＥＮＧＤＵ　ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ　ＯＦ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ（Ｓｃｉｅｎｃｅ　＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｅｄｉｔｉｏｎ）Ａｐｒ．２０１２　［文章编号］１６７１－９７２７（２０１２）０２－０２０６－０９［收稿日期］２０１１－１１－３０［基金项目］国土资源部全国油气资源战略选区调查与评价专项（２００９ＧＹＸＱ１５）［作者简介］罗小平（１９６５－），男，博士，教授，从事石油地质学的教学与科研工作，Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｕｏｘｉａｏｐｉｎｇ０７＠ｃｄｕｔ．ｃｎ。

湘中拗陷泥盆－石炭系海相泥页岩地球化学特征及等温吸附性能罗小平　刘　军　徐国盛　马若龙　鲜志尧　徐　猛（油气藏地质及开发工程国家重点实验室（成都理工大学），成都６１００５９）［摘要］利用湘中地区泥盆－石炭系野外剖面泥页岩有机地球化学参数及泥页岩等温吸附特征参数，评价页岩气富集的关键地质参数特征。

海相泥页岩有机地球化学参数表明，其有机碳含量高，泥盆系泥页岩有机质类型为Ⅰ—Ⅱ１型，石炭系大塘阶测水段为Ⅱ１—Ⅲ型；泥盆—石炭系有机质的成熟度高，基本都达到高成熟—过成熟阶段。

泥页岩等温吸附曲线表明，泥页岩吸附容量较大。

这些参数表明，湘中拗陷页岩气的基础地质条件好，具备页岩气富集成藏的地化条件，泥盆系棋梓桥组、佘田桥组及石炭系大塘阶测水段３套海相泥页岩厚度大、分布范围广、有机质丰度高。

［关键词］页岩气；海相泥页岩；有机地球化学；等温吸附；湘中拗陷［分类号］ＴＥ１３２．２［文献标志码］Ａ 页岩气是以吸附和游离状态同时存在于泥页岩地层中的天然气［１－５］。

页岩中的天然气赋存相态具有多样性变化特点，主体上包括了游离态（大量存在于页岩孔隙和裂缝中）、吸附态（大量存在于黏土矿物颗粒、有机质颗粒、干酪根颗粒及孔隙表面上）及溶解态（少量存在于干酪根、沥青质、残留水以及液态原油中），包含了天然气存在的几乎所有可能的相态。

其中，吸附相态存在的天然气可占天然气赋存总量的２０％～８５％［１，２，６］。

页岩气分布具有地质影响因素多样性特点，其分布的变化特点受生气作用、吸附特点及赋存条件等多因素影响，如构造背景与沉积条件、泥页岩厚度与体积、有机质丰度与类型、热历史与有机质成熟度、孔隙度与渗透率、断裂与裂缝以及构造运动与现今埋藏深度等因素，它们均是影响页岩气分布并决定其是否具有工业勘探开发价值的重要因素，这些影响因素的多样性导致页岩气具有隐蔽性特点。

近年来随着美国页岩气的成功开发［７，８］，国内越来越多的学者开始注重页岩气的勘探与开发。

国土资源部油气战略研究中心组织全国页岩气资源大调查，摸清中国页岩气资源及分布，为页岩气选区评价及页岩气商业突破打下基础。

本文是在湘中拗陷野外地质调查的基础上，利用海相泥页岩层的有机地化分析资料及泥页岩等温吸附测定，对泥盆－石炭系海相泥页岩的有机碳含量、有机质类型、有机质成熟度及泥页岩的吸附性能等关键指标进行研究，初步探讨湘中地区海相页岩气的勘探前景。

从２０世纪６０年代开始在湘中地区开展油气勘探，经历了早期以地表油气苗调查为主的基础地质工作阶段、石油地质普查阶段到现今的煤成气及浅层天然气勘探阶段［９－１３］。

分别在涟源凹陷８口井见天然气或天然气显示，天然气层主要分布于下石炭统大塘阶石蹬子段（Ｃ１ｄ１）和岩关阶刘家塘段（Ｃ１ｙ３），均为低产气层，未达到商业气层标准，常规天然气勘探未获得突破［１０］；２０１１年中国石化华东分公司在涟源凹陷车田江向斜中部钻探的湘页１井，在二叠系大隆组—龙潭组见多套深灰—灰黑色含灰质页岩，加砂压裂后，对井深为６００～６２０ｍ的泥页岩地层测试，累计产气１　２４５．４ｍ３，首次在湘中拗陷页岩气勘探成功［１４］。

表明该地区页岩气具有一定的资源规模，有望获得非常规天然气的商业产能。

１　区域地质特征湘中地区是以下古生界浅变质岩系为基底发展起来的晚古生代—中生代准地台型陆表海沉积拗陷区，在长期稳定的沉降过程中，经历了４次较大规模的海进－海退沉积旋回。

湘中拗陷自印支运动后，强烈褶皱隆起，长期处于隆升剥蚀状态，仅在局部向斜盆地沉积陆相含煤碎屑岩。

中侏罗世后，受太平洋板块斜向俯冲的影响，沿雪峰山—江南隆起发生陆内造山，遭受强烈褶皱冲断并伴随火山作用［１５］；喜马拉雅运动再次抬升隆起，致使中－新生界遭受强烈剥蚀，仅局部地区残存。

湘中拗陷是由涟源凹陷、邵阳凹陷、零陵凹陷、龙山凸起和关帝庙凸起构成的“三凹两凸”的构造格局（图１）。

该区泥盆－石炭系主要有中泥盆统跳马涧组图１　湘中拗陷构造分区及剖面位置图Ｆｉｇ．１　Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｄｉｖｉｓｉｏｎ　ａｎｄ　ｐｒｏｆｉｌｅ　ｌｏｃａｔｉｏｎ　ｏｆｔｈｅ　Ｘｉａｎｇｚｈｏｎｇ　ｄｅｐｒｅｓｓｉｏｎ（Ｄ２ｔ）与棋梓桥组（Ｄ２ｑ）、上泥盆统佘田桥组（Ｄ３ｓ）与锡矿山组（Ｄ３ｘ）及下石炭统岩关阶与大塘阶、中上石炭统壶天群。

其中岩关阶分为３段，分别为邵东段（Ｃ１ｙ１）、孟公坳段（Ｃ１ｙ２）、刘家塘段（Ｃ１ｙ３），大塘阶分为石磴子段（Ｃ１ｄ１）、测水段（Ｃ１ｄ２）、梓门桥段（Ｃ１ｄ３）。

其中海相泥页岩主要分布在中上泥盆统的棋梓桥组、佘田桥组及大塘阶测水段（表１）。

在湘中拗陷观察的野外剖面主要位于龙山凸起与关帝庙凸起及凹陷边缘和凹陷内残留背斜的表１　湘中地区泥盆—石炭系地层简表［１３］Ｔａｂｌｅ　１　Ｓｔｒａｔｉｇｒａｐｈｉｃ　ｄｉｖｉｓｉｏｎ　ｏｆ　Ｄｅｖｏｎｉａｎ－Ｃａｒｂｏｎｉｆｅｒｏｕｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｃｅｎｔｒａｌ　ａｒｅａ　ｏｆ　Ｈｕｎａｎ地层系统代号厚度／ｍ岩性特征石炭系中上统下统壶天群大塘阶梓门桥段测水段石磴子段岩关阶刘家塘段孟公坳段邵东段Ｃ２＋３３０８．９～９３９．８上部：灰白色厚层灰岩夹白云质灰岩或白云岩。

下部：浅灰色巨厚层块状白云岩或云灰岩夹灰岩Ｃ１ｄ３　１２．５～３４２灰—浅灰色白云质灰岩、灰岩、泥灰岩，部分地区含石膏矿层Ｃ１ｄ２　１０～２００灰白—黄灰色砂岩、粉砂岩、含砾砂岩，夹页岩、煤层Ｃ１ｄ１　１１．８～３６２．８浅灰—灰黑色中—厚层状灰岩、泥质灰岩夹泥灰岩，钙质页岩Ｃ１ｙ３　１４１～３９０灰—深灰色中—厚层状灰岩、泥质灰岩夹泥灰岩，钙质页岩Ｃ１ｙ２　８４～２３７．５深灰色灰岩、白云质灰岩、泥灰岩夹砂质页岩或砂岩Ｃ１ｙ１　１１．２～１５３．２灰—黄灰色灰岩、泥灰岩、砂岩、粉砂岩，钙质页岩泥盆系上统中统锡矿山组上段下段佘田桥组棋梓桥组跳马涧组半山组Ｄ３ｘ　１５５．５～５７０．５上段：黄灰—黄褐色砂岩、粉砂岩、砂质页岩与深灰色泥灰岩互层或夹层。

下段：灰—黄灰—深灰色泥灰岩、泥质灰岩、灰岩、白云质灰岩夹鲕状赤铁矿Ｄ３ｓ　１１０～１５７５．８灰—深灰色中厚层状灰岩夹云灰岩，局部可相变为泥灰岩或碎屑岩夹灰云岩Ｄ２ｑ　９１～７６６．１灰—深灰色中厚层状灰岩夹云灰岩，局部可相变为泥灰岩Ｄ２ｔ　９５．５～４９１紫红—灰白色石英砂岩、粉砂岩，夹砂质泥页岩，含赤铁矿，底部皆为含砾砂岩或砾岩Ｄ２ｂ　０～１９８．０灰—灰绿色、黄灰色石英砂岩、粉砂岩，底部为砂砾岩前泥盆系·７０２·第２期罗小平等：湘中拗陷泥盆－石炭系海相泥页岩地球化学特征及等温吸附性能剥蚀区，以及正在施工的高速公路及高铁的隧道内，共观察野外剖面２０条。

剖面位置及分布见图１。

２　海相泥页岩特征及分布一般而言，在海相沉积体系中，富有机质页岩主要形成于盆地相、大陆斜坡、台地凹陷等水体相对稳定的环境，这些沉积相带空间展布范围较大。

湘中拗陷主要的沉积相带为陆棚浅海盆地的一部分。

根据野外剖面与钻井资料，湘中拗陷泥盆—石炭系泥页岩地层主要分布于下石炭统大塘阶测水段、上泥盆统佘田桥组、中泥盆统棋梓桥组，其他地层也有零星分布，单层厚度及整体规模都比较小。

大塘阶测水段为一套海陆交互相含煤地层，主要岩性为碳质泥页岩、深灰色泥页岩、灰白色石英砂岩及１～２ｍ煤层。

泥页岩单层厚度一般６～７ｍ，最大厚度可达２２．７ｍ（金竹山剖面）；以涟源凹陷最发育，泥页岩发育区厚度可达１５０ｍ；邵阳凹陷至零陵凹陷，泥页岩厚度减薄。

佘田桥组上部地层主要为灰岩及泥灰岩，下部地层为泥页岩及泥灰岩夹灰岩透镜体。

在西北部及中部地区主要为陆棚环境的洼槽台地，为页岩发育区，地层岩性以泥页岩、泥灰岩为主，夹泥晶灰岩或生物碎屑灰岩。

泥页岩中均含有灰质，少见纯的泥页岩，泥页岩的累计厚度可达４００ｍ。

工区东南部为局限—开阔台地，主要为灰岩发育区，泥页岩多为薄层，规模较小。

棋梓桥组主要沉积相为陆棚环境洼槽台地及局限台地—开阔台地，页岩主要发育在洼槽台地，分布在金凤、四都、坪上、涟源等地区；地层岩性具有两分性，下段以页岩及泥灰岩为主，夹少量的泥灰岩及灰岩透镜体；上段为灰黑色泥灰岩及灰岩互层。

泥页岩最大厚度可达４００ｍ。

湘中拗陷棋梓桥组、佘田桥组的泥页岩分布主要受沉积相控制，陆棚环境的洼槽台地为页岩发育区，局限—开阔台地为灰岩发育区，泥页岩累计厚度可达４００多米。

西北部厚度比较大，而东南部的厚度则较小。

其中以涟源凹陷有效泥页岩的累计厚度最大，其次为邵阳凹陷，零陵凹陷厚度最小。

大塘阶测水段为海陆交互相含煤地层，以涟源凹陷分布最厚，最大厚度可达１５０ｍ。

３　有机地球化学特征泥页岩的有机碳是油气生成的物质基础，决定页岩的生烃强度，也是页岩气吸附的重要载体［９］。

泥页岩有机碳含量越高，泥页岩吸附气含量也越高；有机碳还是页岩孔隙空间增加的重要因素之一，决定着页岩中游离气的多少。

在相同的地质条件及演化阶段下，页岩生烃强度、吸附气量多少及新增游离气能力与页岩中有机碳含量呈明显的线性正相关性，有机碳含量是页岩气富集的关键参数［２，５］。

３．１　地表泥页岩的风化作用及有机碳的恢复湘中拗陷泥盆—石炭系海相地层因为印支期以来长期处于抬升剥蚀状态，泥页岩地层长期暴露于地表，遭受风化剥蚀、氧化及淋滤作用，露头区的岩石风化程度较高。

野外剖面观察，长期暴露地表的纯泥页岩已经完全风化，变为浅黄色或褐黄色的黏土层；而含灰质的泥页岩为部分风化或半风化，纯的灰岩或砂岩风化程度低或未被风化。

因此，地表剖面观察到深灰色或黑色泥页岩往往是含有灰质的泥页岩，地层中有机质含量高的纯泥页岩往往经历高热演化及风化、淋滤，变为浅黄色或褐黄色的黏土，黏土层中基本不含有机质。

暴露地表的棋梓桥组—佘田桥组泥页岩风化程度高，大塘阶测水段泥页岩风化程度低（图２－Ｃ）。

泥页岩抗风化的强弱与泥页岩的沉积环境相关，大塘阶测水段的泥页岩形成于滨海沼泽及潮坪环境，为弱氧化条件，岩石中还原硫含量低，抗风化能力强；而泥盆系沉积于还原条件下的海相陆棚环境，岩石中还原硫含量高，极易被风化，其中有机质易被氧化分解。

据野外剖面观察，棋梓桥组与佘田桥组地表泥页岩层完全风化层厚４ｍ左右，部分风化层厚度为５ｍ左右，风化层厚度在８～９ｍ（图３－Ａ）。