页岩气是以吸附态或游离态赋存于富有机质泥页岩孔隙中的一种天然气，是典型的“自生自储、原地成藏”的非常规天然气藏^[1-3]。随着美国页岩气商业化开发取得成功，我国页岩气的勘探开发也得到了快速发展。我国页岩气资源丰富，据测算，页岩气相当于陆上常规天然气资源量的2~3倍^[4-5]。我国南方发育有新元古界震旦系，古生界寒武系、志留系等多套海相泥页岩，目前，已在重庆涪陵焦石坝、四川威远及长宁等地区取得了页岩气勘探开发的重大突破^[6-7]。

现有资料表明，湘西北地区广泛发育新元古界震旦系陡山沱组暗色泥页岩^[8]，邻区鄂西黄陵背斜南翼ZD1井、ZD2井、EYY1井等均在陡山沱组发现良好的气显示，3口井陡山沱组泥页岩中气的质量体积分别高达1.50 m³/t，1.67 m³/t和4.00 m³/t（不含损失气和残余气），并且EYY1井目前已进行了直井压裂，取得了阶段性成功，揭示出新元古界陡山沱组具有较好的页岩气勘探开发潜力。目前，国内外针对新元古界热演化程度较高的古老地层的页岩气研究较少，湘西北地区新元古界页岩气研究及勘探程度均较低，亟待开展进一步深入研究。

利用野外露头资料、8条剖面实测数据、202块露头样品及相关地球化学分析、扫描电镜、X射线衍射、低温氮气吸附、等温吸附等共500多项分析测试结果，对湘西北地区新元古界陡山沱组暗色泥页岩的发育、地球化学特征、储层物性特征、吸附性能等页岩气成藏条件进行综合研究，以期为该区新元古界海相页岩气勘探开发提供理论依据。

湘西北地区位于中扬子西部的湘鄂西褶皱带，其边界为：建始—彭水断裂以东，高家堰—监利断裂以南，江南隆起带以西。研究区以保靖—慈利断裂带为界，东南部为江南隆起带；西北部隶属湘鄂西褶皱带，包括桑植—石门复向斜和宜都—鹤峰复背斜（图 1）。区内地壳运动经历了武陵期、雪峰期、加里东期、海西期、印支期和燕山期等发展阶段。从震旦纪到早古生代的构造早期，在稳定构造背景下，区内沉积了一系列海相地层；三叠纪以来，受区域构造演化影响，研究区发生构造反转，形成逆冲推覆和类前陆盆地等构造；经燕山期和喜马拉雅期等2期构造运动改造之后，区内褶皱、断裂等构造发育，区域构造线方向由NNE向逐渐转变为NE向，形成了湘西帚状弧形构造断裂带的西北端。

图 1

Fig. 1

下载eps/tif图 图 1 湘西北地区构造纲要（据文献[9]修改） Fig. 1 Structural system of NW Hunan province

研究区内新元古界属稳定—次稳定型沉积，主要发育青白口系板溪群，南华系南沱组，震旦系陡山沱组、灯影组等。板溪群岩性以紫红色、灰绿色板岩和长石石英砂岩为主，夹有火山碎屑岩。南沱组主要发育灰白色长石石英砂岩、青灰色—灰绿色冰碛泥砾岩。震旦系陡山沱组以黑色炭质泥页岩、硅质岩、板岩及碳酸盐岩（主要成分为白云岩）等为主；灯影组岩性以灰白色白云岩为主。其中，陡山沱组为页岩气勘查的主要目的层。

页岩气富集成藏因素主要包括烃源岩条件、储集条件及保存条件等。暗色泥页岩厚度、有机质丰度、有机质类型及热演化程度等共同影响烃源岩生烃条件。储层特征、吸附性能、含气性等决定了储集条件的优劣。与常规油气相比，页岩气的保存条件更具复杂性^[1-3]。

暗色泥页岩厚度是影响页岩气富集成藏的主要因素。南华纪晚期以来，全球气候转暖，冰川消融，早震旦世时期，海平面逐渐升高，扬子地区发展成为稳定的碳酸盐台地。研究区陡山陀组主要为碳酸盐台地体系沉积，部分为台缘斜坡过渡带^{[8, 10-11]}（图 2）。

图 2

Fig. 2

下载eps/tif图 图 2 湘西北地区陡山沱组沉积期岩相古地理及研究区陡山沱组暗色泥页岩沉积厚度图（据文献[12]修改） Ⅰ.局限台地；Ⅱ.开阔台地；Ⅲ.台缘斜坡；Ⅳ.陆棚相；Ⅴ.陆坡相 Fig. 2 Lithofacies-paleogeography and shale thickness of Doushantuo Formation in NW Hunan province

受沉积相影响，湘西北地区陡山沱组暗色泥页岩分布广泛，但沉积厚度变化较大。研究区内8条实测剖面显示：杨家坪地区陡山沱组暗色泥页岩主要发育在其底部，累积厚度大于20 m；南山坪地区陡山沱组暗色泥页岩厚度为10 m；向南至三岔、大坪、田坪地区，陡山沱组暗色泥页岩厚度增大，累积厚度为20~50 m；南部罗依溪、默戎、龙鼻咀地区，陡山沱组暗色泥页岩发育厚度较小，平均不足5 m。

对8条露头剖面84个样品的分析测试结果进行统计，发现陡山沱组暗色泥页岩的非均质性较强，有机碳（TOC）含量变化较大，质量分数为0.46%~11.48%，主体为0.5%~3.0%。杨家坪地区暗色泥页岩TOC含量相对较低，质量分数主体为0.5%~2.8%，最大为3.57%；南山坪地区TOC质量分数为0.7%~2.5%；大庸向斜地区TOC质量分数为0.8%~3.0%；默戎地区TOC质量分数为0.3%~1.0%。局部地区TOC含量较高，质量分数可达11.48%。

根据干酪根显微组分分析、镜下显微组分鉴定、有机元素以及热解分析等分析测试结果，湘西北地区陡山沱组暗色泥页岩中干酪根显微组分以腐泥质为主（图 3）。受高热演化程度影响，有机质中氢元素（H）大量释放，导致元素分析中H含量及热解分析中氢指数（HI）较低。有机质类型以Ⅰ型为主，含部分Ⅱ₁型（图 4）。

图 3

Fig. 3

下载eps/tif图 图 3 湘西北地区陡山沱组暗色泥页岩干酪根显微组分组成 Fig. 3 Kerogen macerals of Doushantuo shale in NW Hunan province

图 4

Fig. 4

下载eps/tif图 图 4 湘西北地区陡山沱组暗色泥页岩元素分析 Fig. 4 Organic matter types of Doushantuo shale in NW Hunan province

陡山沱组为比较古老的地层，高等植物不发育，反射率测定主要为沥青反射率，需要换算成等效的镜质体反射率（R_o）以反映有机质热演化程度，换算结果表明：陡山沱组暗色泥页岩R_o为3.0%~4.0%，已达到过成熟演化阶段。

泥页岩中矿物的组成与含量会影响页岩气的压裂和开采效果。研究显示，美国页岩气之所以高产，除了泥页岩具有很高的含气量外，较高的脆性矿物含量也是非常重要的影响因素。泥页岩中含有的伊利石、伊/蒙混层等黏土矿物颗粒，对烃类气体具有较强的吸附性，其含量直接影响泥页岩的含气量^[13-14]；石英、长石和碳酸盐岩等脆性矿物的存在，增强了泥页岩的脆性，有利于天然裂缝发育和人工压裂诱导裂缝形成，并使泥页岩孔隙度增大，储集空间增加，岩石内表面积扩大，有利于游离气和吸附气赋存，最终影响泥页岩的含气量^[15-16]。

对研究区30块露头样品进行X射线衍射测试分析，结果表明：陡山沱组暗色泥页岩以脆性矿物为主，质量分数为21.0%~78.7%[图 5（a）]，而脆性矿物又以石英为主，钾长石、斜长石含量较少。较高的脆性矿物含量有利于页岩气的生产压裂和开发。黏土矿物质量分数为11.1%~50.1%，平均为25.8%；碳酸盐岩矿物质量分数低于20%，部分样品为泥质白云岩。黏土矿物中伊利石和伊/蒙混层含量最高，其次为绿泥石，高岭石含量较少[图 5（b）]。研究区陡山沱组暗色泥页岩储层表现为低孔、特低渗的特征，孔隙度为0.2%~3.0%，渗透率为0.041~0.500 mD。

图 5

Fig. 5

下载eps/tif图 图 5 湘西北地区陡山沱组暗色泥页岩矿物组成（a）及黏土矿物组分（b） Fig. 5 Mineral composition(a)and clay minerals composition(b)of Doushantuo shale in NW Hunan province

泥页岩中微孔隙的发育是影响泥页岩储气性能的重要因素^[17]。Milner等^[18]认为，北美4套泥页岩中主要发育3种类型的孔隙，即粒间孔、基质晶间孔和有机质孔等。国内学者在四川盆地也作过诸多类似的研究^[19-23]。

分析研究区内露头样品氩离子抛光-扫描电镜观察结果，发现湘西北地区陡山沱组暗色泥页岩中发育多种类型微孔隙，包括粒间孔、基质晶间孔、溶蚀孔、凝絮成因孔、有机质生烃孔以及微裂缝等（图 6）。镜下观察到暗色泥页岩中孔径分布复杂，从微孔到大孔皆有分布，孔径大小为1 nm~10 μm。长石、石英等矿物颗粒之间主要发育粒间孔，黏土矿物颗粒之间和黄铁矿球形颗粒之间主要发育基质晶间孔，长石、方解石等易溶蚀矿物颗粒之间主要形成溶蚀孔，凝絮团状黏土矿物内部形成条带状或网格状凝絮孔等微孔隙。这几种孔隙的主要特点为：孔隙相对较大，微米级至纳米级孔皆有发育，孔隙结构比较复杂，孔隙连通性较好。有机质热演化生烃过程中发育的微孔隙较多，多为纳米级，吸附性能好，是有利的烃类气体吸附储集空间。沉积成岩过程中发育的微裂缝为烃类气体的运移提供了充足的空间。

图 6

Fig. 6

下载eps/tif图 图 6 湘西北地区陡山沱组暗色泥页岩孔隙类型（氩离子抛光扫描电镜） （a）粒间孔，泥页岩，南山坪剖面；（b）基质晶间孔，页岩，三岔剖面；（c）溶蚀孔，页岩，大坪剖面；（d）凝絮孔，泥岩，南山坪剖面；（e）有机质生烃孔，页岩，大坪剖面；（f）微裂缝，页岩，三岔剖面 Fig. 6 Pore types of Doushantuo shale from SEM in NW Hunan province

利用低温氮气（N₂）吸附法对陡山沱组暗色泥页岩孔隙分布特征进行了研究。在低温条件下，N₂吸附-脱附曲线可以反映泥页岩中的孔隙形态。据文献[19]报道，De Boer等根据N₂吸附-脱附曲线将孔隙划分为5种类型。国际纯化学与应用化学联合会又在De Boer等的基础上，将储层孔隙总结为H1，H2，H3和H4等4种类型^[24]，其中，H1代表了两端开口的规则管状孔，H2代表了四面开放的狭缝状孔，H3代表了平行壁的裂隙状孔，H4代表了细颈广体的墨水瓶状孔。

陡山沱组暗色泥页岩样品氮气吸附-脱附等温线整体呈现“反S型”，各样品回滞环发育程度虽有不同，但总体形态基本相似（图 7）。根据吸附-脱附曲线特征与孔隙形态对应关系，研究区泥页岩中孔隙的总体形态与国际纯化学与应用化学联合会分类^[24]中的H3型最为相似，同时兼具H2及H4型形态特征，对应于类片状颗粒形成的无规则的狭缝状孔或楔形孔，兼具圆锥形、圆柱形、裂缝形和墨水瓶形的孔隙特征。

图 7

Fig. 7

下载eps/tif图 图 7 湘西北地区陡山沱组暗色泥页岩氮气（N2）吸附-脱附曲线 Fig. 7 N2 adsorption-desorption isotherms of Doushantuo shale in NW Hunan province

在低温氮气吸附实验基础上，根据BET模型^[25]和BJH模型^[26]分别计算出陡山沱组暗色泥页岩的比表面积和孔隙体积。结果表明，BET模型^[25]计算的泥页岩比表面积为0.17~8.47 m²/g。比表面积较大的主要原因是由于泥页岩多由黏土矿物、有机质生烃及细粒度颗粒形成。较大的比表面积和较好的吸附性能有利于烃类气体赋存和聚集。微孔比表面积为0.23~2.12 m²/g，BJH模型^[26]计算的泥页岩吸附总孔体积为（0.72~9.93）×10^-3cm³/g，吸附孔径为7.1~16.5 nm。

泥页岩储层的吸附性和含气性是页岩气富集成藏的关键，也是进行泥页岩有利区带预测的重要参数。前人研究表明，含气泥页岩孔隙中吸附状态的天然气质量分数为20%~85% ^{[1, 16]}，游离状态的天然气质量分数为25%~30%，而溶解气的质量分数小于0.1%。

等温吸附实验可以测试泥页岩在特定温压条件下对甲烷的最大吸附量，反映出泥页岩的最大吸附能力^[27]。从图 8中可以看出，湘西北地区陡山沱组暗色泥页岩中吸附甲烷的质量体积为0.80~1.77 m³/t，与川东南地区、渝东地区牛蹄塘组及龙马溪组泥页岩相比，湘西北地区陡山沱组暗色泥页岩的吸附能力偏低。

图 8

Fig. 8

下载eps/tif图 图 8 湘西北地区陡山沱组与邻区龙马溪组、牛蹄塘组暗色泥页岩吸附性能对比 Fig. 8 Methane adsorption performance of shale from different formations in NW Hunan province

TOC是影响暗色泥页岩吸附性能的主控因素^[28]。陡山沱组暗色泥页岩甲烷最大等温吸附气量与TOC含量、BET模型计算的比表面积均呈良好的正相关关系（图 9）。较高的原始有机质含量为页岩气生成提供了重要的物质基础，而高过成熟演化阶段的有机质热裂解形成的大量纳米级孔隙，为页岩气赋存提供了主要的储存空间。

图 9

Fig. 9

下载eps/tif图 图 9 湘西北地区陡山沱组暗色泥页岩甲烷最大吸附气量与TOC含量（a）和比表面积（b）关系图 Fig. 9 Relationships of the maximum methane absorbance with TOC content(a)and specific surface area(b)of Doushantuo shale in NW Hunan province

目前，国内有关页岩气勘探开发的理论研究已取得了一定进展，找气方向由盆内转向盆外，由新层位转向老层位，形成了复杂地质构造带页岩气富集成藏理论与勘查技术方法，归纳出了5种页岩气成藏新模式，即“简单背斜控藏型、逆断背斜控藏型、残留向斜控藏型、逆断向斜控藏型、基底隆起控藏型”，并强调“在复杂构造带发育的相对稳定的小型凹陷，保存条件较好，具有一定的页岩气成藏潜力”。在新理论、新技术方法的指导下，研究区周边实现了ZD1井、ZD2井、EYY1井等页岩油气的重大勘探突破。

湘西北地区经历了多期构造运动，形成了现今隔槽式褶皱带，地质条件复杂。调查发现，桑植—石门复向斜南翼发育有一个小型残留向斜，即大庸向斜。震旦系地层在大庸向斜东翼出露，向斜内陡山沱组埋深为0~4 000 m，构造条件相对稳定，具有较好的页岩气保存条件。

湘西北地区陡山沱组页岩气勘探程度较低。结合我国页岩气资源特点，依据页岩气基础地质调查选区评价方法，采用综合信息叠合法，并根据富有机质泥页岩厚度、有机质含量及类型、热成熟度、埋藏深度、储层特征、含气性等指标对湘西北地区陡山沱组页岩气发育有利区进行预测。

结合页岩气富集成藏理论和研究区陡山沱组暗色泥页岩特征，并参考美国页岩气勘探开发经验，以富有机质暗色泥页岩厚度≥15 m，TOC含量＞0.5%，有机质演化达到高过成熟阶段（R_o＞1.1%），埋深适中（＜4 500 m），较高的脆性矿物含量（>40%），较好的吸附性能（>1.0 m³/t），适当的保存条件等为主要评价依据，对研究区陡山沱组暗色泥页岩特征进行综合评价分析。结果表明：桑植—石门复向斜南翼大庸向斜地区陡山沱组暗色泥页岩的累积厚度超过20 m；有机碳质量分数为0.8%~3.0%；有机质类型以Ⅰ型为主；有机质热成熟度大于3.0%，达到过成熟演化阶段；脆性矿物含量高；孔隙空间发育；吸附能力达到1.77 m³/t；目的层区域埋深在4 500 m以内；且构造条件相对稳定，具有较好的页岩气保存条件，为湘西北地区陡山沱组页岩气勘探有利区带。

（1）陡山沱组暗色泥页岩具有良好的生气条件，为页岩气富集成藏提供了充足的物质基础。受沉积相控制，湘西北地区陡山沱组暗色泥页岩区域分布变化大，仅在大庸向斜一带沉积厚度较大，为20~50 m；TOC含量较高，质量分数为0.5%~3.0%；有机质类型以Ⅰ型为主；有机质成熟度为3.0%~4.0%，达到过成熟演化阶段。

（2）陡山沱组暗色泥页岩具备良好的页岩气储集条件，压实程度及脆性矿物含量都很高，有利于压裂开发；泥页岩储层发育多种孔隙类型，具有较高的比表面积和孔体积，具有较好的页岩气储集空间；泥页岩储层吸附性能较好，吸附甲烷的质量体积为0.80~1.77 m³/t。

（3）湘西北大庸向斜为陡山沱组页岩气有利勘探区带。该区陡山沱组暗色泥页岩发育较厚，有机碳含量高，有机质类型好，热演化程度高，储层物性好，孔隙空间发育，吸附性能较高，埋深适中，构造条件相对稳定，具有较好的页岩气保存条件。