湘鄂西區(qū)寒武系層序劃分及其對(duì)油氣勘探的意義

王必金，包漢勇，郭戰(zhàn)峰，陳綿琨

(中國石油化工股份有限公司 江漢油田分公司，武漢 430223)

湘鄂西區(qū)寒武系層序劃分及其對(duì)油氣勘探的意義

王必金，包漢勇，郭戰(zhàn)峰，陳綿琨

(中國石油化工股份有限公司 江漢油田分公司，武漢 430223)

通過對(duì)湘鄂西區(qū)寒武系大量露頭和鉆井剖面的系統(tǒng)分析及對(duì)寒武系主要儲(chǔ)層樣品和下部暗色泥頁巖樣品的分析測試，認(rèn)為湘鄂西區(qū)寒武系可劃分為6個(gè)三級(jí)層序，其層序界面主要為不整合面和巖性轉(zhuǎn)換面；鮞粒云巖/灰?guī)r是寒武系物性最好的儲(chǔ)集巖，其主要分布于SQ5的海侵體系域，另外在SQ4和SQ5的高位體系域也有少量發(fā)育；寒武系下部暗色泥頁巖中有機(jī)碳含量相差懸殊，豐度較高的暗色泥頁巖主要分布于SQ1高位體系域，之上的泥頁巖有機(jī)質(zhì)豐度均較低。發(fā)育了較厚鮞粒云巖/灰?guī)r的SQ5海侵體系域是常規(guī)油氣勘探的主要目的層，而有機(jī)碳含量較高的SQ1高位體系域?yàn)轫搸r氣勘探的主要目的層。

層序地層；儲(chǔ)層；頁巖氣；寒武系；湘鄂西

近年來，隨著頁巖氣勘探理論的逐步完善[1-5]及水平壓裂等開發(fā)技術(shù)的重大突破[6-8]，頁巖氣勘探已成為我國油氣地質(zhì)界研究的熱點(diǎn)，發(fā)育了巨厚暗色泥頁巖的湘鄂西區(qū)寒武系被認(rèn)為是我國南方海相頁巖氣勘探最有利的層系之一[9-10]，但對(duì)于其垂向上具體的展布規(guī)律還未見報(bào)道。另外，對(duì)于湘鄂西區(qū)常規(guī)油氣的勘探，盡管前人從基本油氣地質(zhì)特征[11]、古油氣藏解剖[12-13]等多個(gè)方面也作了大量的研究，但長期以來因受地腹構(gòu)造及儲(chǔ)層發(fā)育和展布特征認(rèn)識(shí)不清等因素的影響，湘鄂西區(qū)常規(guī)油氣的勘探尚未取得實(shí)質(zhì)性的突破。為此，本文試圖通過對(duì)湘鄂西區(qū)寒武系層序地層研究，結(jié)合寒武系下部暗色泥頁巖有機(jī)碳的測試及常規(guī)油氣儲(chǔ)層樣品物性分析，了解層序地層發(fā)育特點(diǎn)和規(guī)律，從而探討湘鄂西區(qū)寒武系頁巖氣及常規(guī)油氣勘探最為有利的層段。

1 研究區(qū)概況

湘鄂西區(qū)處于揚(yáng)子板塊中部，南東以慈利—保靖斷裂與江南隆起相鄰，北西以建始—彭水?dāng)嗔雅c鄂西渝東區(qū)接壤，東至宜昌—臨澧一帶，北抵巫山，依據(jù)構(gòu)造形變特征可將其分為中央復(fù)背斜、花果坪復(fù)向斜、宜都—鶴峰復(fù)背斜和桑植—石門復(fù)向斜4個(gè)次一級(jí)的構(gòu)造單元(圖1)。

圖1 湘鄂西區(qū)構(gòu)造區(qū)劃及寒武系重要剖面Fig.1 Main sections of Cambrian and structural units in western Hunan-Hubei

2 層序格架的建立

2.1層序劃分的標(biāo)準(zhǔn)

本次研究的地層年代參考了國際地層委員會(huì)2013年公布的標(biāo)準(zhǔn)，將寒武系劃分為四統(tǒng)十階。4個(gè)統(tǒng)分別為：紐芬蘭統(tǒng)、第二統(tǒng)、第三統(tǒng)和芙蓉統(tǒng)，其中，湘鄂西區(qū)寒武系最下部的紐芬蘭統(tǒng)并不十分發(fā)育，區(qū)域上多小于5 m，因而相較于總厚度達(dá)千米的寒武系而言，層序的劃分更多考慮的是第二統(tǒng)至芙蓉統(tǒng)，這樣時(shí)間跨度上從下部紐芬蘭統(tǒng)頂(521 Ma)至芙蓉統(tǒng)頂(485.4±1.9 Ma)，共經(jīng)歷了約36 Ma。作者將寒武系共劃分為6個(gè)層序，這樣從時(shí)間跨度的角度來講，每個(gè)層序經(jīng)歷了約6 Ma，應(yīng)屬于三級(jí)層序范疇。此外，本次層序劃分時(shí)，因主要依據(jù)大量的野外露頭剖面，因而層序劃分重點(diǎn)考慮了野外露頭尺度的橫向可比性。

2.2層序界面特征與識(shí)別

層序地層的劃分關(guān)鍵之一是識(shí)別出具體的層序界面，以此界面將上下新老地層分開，使其具有年代地層學(xué)的意義，便于全區(qū)建立等時(shí)界面和對(duì)比。本次研究證實(shí)湘鄂西區(qū)主要的層序界面可大體分為不整合面和巖性巖相轉(zhuǎn)換面。其中不整合面主要出現(xiàn)在寒武系SQ1與下伏震旦系(伊迪卡拉系)交匯處(圖2A)，在鶴峰白果坪剖面寒武系底部發(fā)育了一套含鐵鋁質(zhì)結(jié)殼的風(fēng)化粘土層，證實(shí)經(jīng)歷了較長時(shí)間的沉積暴露，此界面全區(qū)發(fā)育，因而可以作為層序劃分的等時(shí)界面。而其它的層序界面在研究區(qū)都為巖性巖相突變面(圖2B)，這種巖性巖相的差異，大多也指示了區(qū)域上沉積構(gòu)造背景發(fā)生了重要轉(zhuǎn)化，因而也可以沿此界面開展全區(qū)層序地層的等時(shí)劃分。

2.3層序地層劃分

為了能夠全面地反映出桑植—石門復(fù)向斜及其鄰區(qū)各層序的具體變化特征，并使得劃分的層序便于區(qū)域?qū)Ρ?，本次研究共參考?0條野外露頭和鉆井剖面(圖1)。在此選取了一些較具代表性的剖面，對(duì)紐芬蘭統(tǒng)—第二統(tǒng)以及第三統(tǒng)—芙蓉統(tǒng)進(jìn)行層序?qū)Ρ确治觥?/p>

該區(qū)震旦系沉積結(jié)束后，區(qū)域上發(fā)生了大范圍的構(gòu)造抬升(常稱之為桐灣運(yùn)動(dòng))，導(dǎo)致在寒武系下部發(fā)育了一套粘土質(zhì)風(fēng)化殼(圖2A)，出現(xiàn)了明顯的沉積間斷，這個(gè)間斷面可全區(qū)對(duì)比，這也是SQ1與下伏地層的層序界面。之后發(fā)生了大規(guī)模的海侵，發(fā)育了以深水陸棚—盆地相為主的SQ1海侵體系域(TST)。區(qū)域上寒武系底部的紐芬蘭統(tǒng)多以薄層的硅質(zhì)頁巖為主，如王村剖面，但有些剖面如廖家槽中這套硅質(zhì)巖并不十分發(fā)育。隨著相對(duì)海平面繼續(xù)上升，在多個(gè)區(qū)域都可見到牛蹄塘組/水井沱組發(fā)育了一套暗色富碳質(zhì)、硅質(zhì)頁巖，之后進(jìn)入到杷榔組/石牌組等，相對(duì)海平面開始下降，區(qū)域上發(fā)育了SQ1的高位體系域(HST)，多為一套深水—淺水陸棚相的沉積。

圖2 湘鄂西區(qū)主要的層序界面類型Fig.2 Main boundaries of sequence in western Hunan-Hubei

圖3 湘鄂西區(qū)寒武系紐芬蘭統(tǒng)—第二統(tǒng)層序?qū)Ρ菷ig.3 Sequence comparison of the Terenevian and the Series 2 of Cambrian in western Hunan-Hubei

SQ2與下伏SQ1之間沒有出現(xiàn)明顯的沉積暴露，其層序界面主要為巖性轉(zhuǎn)換面。如廖家槽剖面就由SQ1高位域的灰?guī)r變?yōu)镾Q2海侵域的砂質(zhì)頁巖。SQ2海侵體系域(TST)發(fā)育時(shí)，水體較SQ1高位域有了一定程度的加深，但其沉積環(huán)境仍較SQ1海侵域時(shí)要淺(圖3)，多為以粉砂質(zhì)泥、頁巖為主的深水陸棚環(huán)境，較為特別的是位于研究區(qū)西部的利1井—廖家槽一帶以及東部秭歸—宜昌一帶水體要略淺些，多為淺水陸棚環(huán)境。而在SQ2高位域時(shí)，區(qū)域上除南緣的王村一帶外，大部分區(qū)域均變?yōu)樘妓猁}巖淺—內(nèi)緩坡環(huán)境。

SQ3與下伏SQ2之間也不存在明顯的沉積暴露面，其層序界面也為巖性巖相轉(zhuǎn)換面，區(qū)域上大多數(shù)剖面都由灰?guī)r、泥灰?guī)r突變?yōu)榛屹|(zhì)泥巖或灰質(zhì)頁巖。沉積環(huán)境也多由SQ2高位域時(shí)的淺—內(nèi)緩坡變?yōu)樯睢獪\緩坡。SQ3高位域發(fā)育時(shí)，相對(duì)海平面較SQ3海侵域明顯變淺(圖3)，剖面多為一套以碳酸鹽巖臺(tái)地邊緣—臺(tái)地環(huán)境為主的灰?guī)r或是灰質(zhì)白云巖。

圖4 湘鄂西區(qū)寒武系第三統(tǒng)—芙蓉統(tǒng)層序?qū)Ρ菷ig.4 Sequence comparison of the Series 3 and the Furongian of Cambrian in western Hunan-Hubei

SQ4與下伏SQ3之間依舊不存在明顯的沉積間斷面，其層序界面也主要為巖性轉(zhuǎn)換面(圖2B)。在SQ4海侵域發(fā)育時(shí)，多個(gè)剖面顯示沉積了一套以開闊臺(tái)地灘間海亞相環(huán)境為主的灰質(zhì)頁巖或頁巖夾灰?guī)r，厚度較小，多小于20 m，大體相當(dāng)于通常所說的高臺(tái)頁巖。而高位域時(shí)相對(duì)海平面有了進(jìn)一步的下降，但研究區(qū)除南部的永順王村—慈利南山坪一帶為臺(tái)地邊緣—臺(tái)前斜坡的沉積環(huán)境外，其它大部分區(qū)域均以開闊—局限臺(tái)地的沉積環(huán)境為主。

SQ5與下伏SQ4之間以及SQ6與下伏SQ5之間的層序界面也為巖性轉(zhuǎn)換面。但這2個(gè)層序發(fā)育時(shí)有著較為相似的沉積特征，即除南部的王村—大坪一帶還依舊處于臺(tái)地邊緣的環(huán)境外，研究區(qū)其它大部分區(qū)域都為碳酸鹽巖臺(tái)地。并且相對(duì)海平面變化也不大，其沉積環(huán)境在海侵體系域時(shí)多由局限臺(tái)地變?yōu)殚_闊臺(tái)地的環(huán)境，而在高位體系域時(shí)則因相對(duì)海平面的變淺，由開闊臺(tái)地變?yōu)榫窒夼_(tái)地。王村剖面SQ5及SQ6海侵體系域發(fā)育時(shí)一直處于臺(tái)前斜坡的環(huán)境，直至SQ6晚期HST時(shí)，才處于臺(tái)地邊緣灘的環(huán)境，這一特征明顯區(qū)別于其它區(qū)域。

3 層序?qū)ΤＲ?guī)油氣儲(chǔ)層的控制

對(duì)于湘鄂西及其鄰區(qū)的儲(chǔ)層巖性的描述，學(xué)者們給予了較多關(guān)注[12,14-15]，可大體歸為：針孔云巖、晶洞云巖、鮞粒云巖/灰?guī)r和粉晶云巖。為此，本次研究針對(duì)這4類巖性進(jìn)行了取樣測試(表1)，以分析這4類巖性儲(chǔ)集物性的好壞。

其中，鶴峰鐵爐剖面下部的TL-58-W1、宜昌兆吉坪剖面石龍洞組上部的ZJP-SL-WX-1及彭水萬寶剖面的WB-WX-1樣品均為針孔云巖，可以看出其孔隙度介于3.4%～9.6%之間，滲透率區(qū)間值在(0.071～2.5)×10-3μm2；鶴峰五里剖面的WL-WX-1和WL-WX-2樣品都取自石龍洞組頂部的晶洞云巖中，其孔隙度分別為4.0%和3.4%，滲透率分別為0.084×10-3μm2和0.081×10-3μm2；另外取自張家界溫塘剖面的4個(gè)鮞粒云巖孔隙度也都在2.4%以上，滲透率都在0.05×10-3μm2以上，這些樣品物性也都較好。而取自鶴峰五里剖面石龍洞組頂晶洞云巖層之下的WL-WX-3、WL-WX-4和WL-WX-5樣品，其孔隙度均小于1%，滲透率也多小于0.05×10-3μm2，物性較差。另外，取自鶴峰鐵爐剖面覃家廟和三游洞組粉晶云巖/灰?guī)r的樣品TL-1-W1、TL-5-W1、TL-7-W1、TL-10-W1和TL-32-W1其物性也較差。因而，綜合來看研究區(qū)內(nèi)物性較好的應(yīng)為針孔云巖、晶洞云巖和鮞粒云巖/灰?guī)r。

表1 湘鄂西區(qū)寒武系儲(chǔ)層物性特征Table 1 Physical property of Cambrian reservoir in western Hunan-Hubei

但是這三者中針孔云巖的分布非均質(zhì)性很強(qiáng)，連片度不高，難以進(jìn)行橫向上有效追蹤。晶洞云巖在石龍洞/清虛洞組中上部均較發(fā)育，但除鄂西渝東區(qū)厚度較大外，本次研究發(fā)現(xiàn)其在湘鄂西區(qū)的多個(gè)露頭中石龍洞/清虛洞組頂部的晶洞云巖厚度多僅有1～3 m，因而盡管石龍洞組/清虛洞組頂部晶洞云巖物性好，但厚度太薄，勘探潛力有限。

而代表臺(tái)地邊緣相或臺(tái)內(nèi)灘相環(huán)境的鮞粒云巖/灰?guī)r，縱向上厚度較大，平面上分布較廣。如圖4所示，溫塘剖面僅在SQ5海侵體系域時(shí)鮞粒云巖/灰?guī)r的厚度就有近90 m。另外，隆頭比耳剖面也發(fā)育了一套厚約100 m的臺(tái)地邊緣灘相鮞粒云巖和角礫云巖，慈利南山坪剖面在SQ5海侵體系域時(shí)也發(fā)育了一套厚約近百米的臺(tái)地邊緣灘相沉積，說明SQ5海侵體系域時(shí)發(fā)育了大量的優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層。此外，從溫塘、比耳及南山坪等剖面還可看出，SQ4高位體系域和SQ5高位體系域中，也有表征臺(tái)地邊緣相的顆粒云巖/灰?guī)r的發(fā)育，只是其厚度較SQ5發(fā)育時(shí)要薄。

4 層序劃分對(duì)油氣勘探的啟示

近年來，不同的學(xué)者從有機(jī)地化特征、礦物組成、天然裂縫發(fā)育情況等[16-19]多個(gè)方面對(duì)湘鄂西及其鄰區(qū)寒武系下部暗色泥頁巖的頁巖氣勘探潛力進(jìn)行了評(píng)價(jià)，均認(rèn)為其具有較好的勘探前景，但事實(shí)上，寒武系紐芬蘭統(tǒng)—第二統(tǒng)(傳統(tǒng)意義上的下寒武統(tǒng))的水井沱組/清虛洞組以及之上的石牌組和天河板組/杷榔組等也發(fā)育了暗色泥頁巖，是否寒武系下部這些暗色泥頁巖都具有較好的頁巖氣勘探前景還有待落實(shí)。為此，本文以石門楊家坪剖面為例對(duì)寒武系下部暗色泥頁巖進(jìn)行了系統(tǒng)的取樣測試(圖5)，以期對(duì)上述問題作出初步回答。

從圖5上可以看出，石門楊家坪剖面牛蹄塘組SQ1海侵體系域的有機(jī)碳含量分布在0.5%～1.5%之間，絕大部分樣品TOC值均在1%以上。而SQ1高位體系域及其之上的暗色泥頁巖樣品有機(jī)碳含量多小于0.5%。結(jié)合目前國外頁巖氣勘探開發(fā)的主產(chǎn)區(qū)如美國的5大頁巖氣盆地[2,20]，即Fort Worth盆地的Barnett頁巖，San Juan盆地的Lewis頁巖，Michigan盆地的Antrim頁巖，Appalachian盆地的Ohio頁巖和Illinois盆地的New Albany頁巖TOC含量來看，其下限值多為0.5%，而主產(chǎn)層的TOC含量多在1%以上，因而，基于本次測試結(jié)果來看，湘鄂西區(qū)寒武系下部SQ1海侵體系域發(fā)育層段其有機(jī)碳含量較高，單從有機(jī)質(zhì)的豐度來看，此層段應(yīng)為頁巖氣勘探的主要目的層。而之上的暗色泥頁巖有機(jī)碳含量并不太高，多處于目前國外頁巖氣勘探開發(fā)的下限值之下。

圖5 湘鄂西楊家坪剖面紐芬蘭統(tǒng)及第二統(tǒng)的TOC含量Fig.5 Total organic carbon content of the Terenevian and the Series 2 of Cambrian, Yangjiaping section

5 結(jié)論

1)湘鄂西區(qū)寒武系底部的紐芬蘭統(tǒng)不太發(fā)育，主體部分為第二統(tǒng)—芙蓉統(tǒng)，持續(xù)了約36 Ma，寒武系可分為6個(gè)三級(jí)層序，其層序界面可分為不整合面和與之相對(duì)應(yīng)的巖性巖相轉(zhuǎn)換面。

2)湘鄂西區(qū)以鮞粒云巖/灰?guī)r為主的臺(tái)地邊緣或臺(tái)內(nèi)灘型儲(chǔ)層物性較好，厚度較大，連片分布，是研究區(qū)主要的儲(chǔ)集類型。其主要分布于SQ5的海侵體系域，另外在SQ4和SQ5的高位體系域也有發(fā)育，但規(guī)模較小。

3)研究區(qū)寒武系下部的暗色泥頁巖中，并不是所有的泥頁巖都具有較好的頁巖氣勘探潛力?；趯?duì)楊家坪剖面寒武系下部暗色泥頁巖TOC含量的系統(tǒng)測試，SQ1海侵體系域有機(jī)碳含量較高，應(yīng)為頁巖氣勘探的主要目的層。

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(編輯黃 娟)

SequencestratigraphicdivisionofCambrianinwesternHunan-Hubeiandapplicationsforpetroleumexploration

Wang Bijin, Bao Hanyong, Guo Zhanfeng, Chen Miankun

(SINOPECJianghanOilfieldCompany,Wuhan,Hubei430223,China)

The systematic analyses of outcrops and drilling profiles and the tests of reservoir samples and dark mudstones from Cambrian in the western Hunan-Hubei indicate that the Cambrian in the study area can be divided into 6 third-order sequences, and the sequence boundaries are mainly unconformity surfaces and lithologic transitional surfaces. Oolitic limestones/dolomites are the most favorable reservoirs in Cambrian. They mainly distribute in the transgressive system tract of sequence 5, and a few of them locate in the highstand system tract of sequences 4 and 5. The content of total organic carbon (TOC) varies obviously among dark mudstones in the Lower Cambrian. The dark mudstones rich in TOC distribute in the highstand system tract of sequences 1, while those in the upper formation have lower TOC content. The transgressive system tract of sequence 5 which deve-lops thick oolitic limestones/dolomites is the main target for normal exploration. The highstand system tract of sequences 1 which has higher TOC content is the main target for shale gas exploration.

sequence stratigraphy; reservoir; shale gas; Cambrian; western Hunan-Hubei

1001-6112(2013)04-0372-06

10.11781/sysydz201304372

TE121.3+4

A

2013-03-13；

2013-05-14。

王必金(1968—)，男，高級(jí)工程師，從事油氣勘探方面的研究工作。E-mail: wbj_jhyjy@163.com。