湖北省主要目的層頁巖氣基本地質(zhì)特征

熊智勇，何金平，龍幼康，鄒 威

(1.中石化江漢油田分公司，湖北潛江 433124;2.中石化江漢油田分公司勘探開發(fā)研究院，湖北武漢 430223)

0 引言

頁巖氣是以吸附或游離狀態(tài)賦存于暗色富有機質(zhì)、極低滲透率的泥頁巖、泥質(zhì)粉砂巖和砂巖夾層系統(tǒng)中，為自生自儲、連續(xù)聚集的天然氣藏。在頁巖氣藏中，富有機質(zhì)泥頁巖既是天然氣的儲集層，又是天然氣的源巖。頁巖氣與致密砂巖氣、煤層氣、溶解氣、天然氣水合物通稱為非常規(guī)天然氣資源。與常規(guī)天然氣相比，頁巖氣在成藏條件及成藏機理等方面既有相似之處，又有不同點。美國學者John B.Curtis(2002)認為頁巖氣系統(tǒng)基本上是生物成因、熱成因或者二者混合成因的連續(xù)型天然氣聚集，頁巖氣可以是儲存在泥頁巖天然裂隙和粒間孔隙內(nèi)的游離氣，也可以是干酪根和頁巖粘土顆粒表面的吸附氣或是干酪根和瀝青中的溶解氣［1］。

湖北省位于中國中部，大地構(gòu)造屬揚子板塊中北部，跨及揚子地(陸)塊、秦嶺—大別造山帶兩個一級構(gòu)造單元。北以襄廣斷裂為界，西以方斗山為界，南以江南隆起為界，省境揚子克拉通可劃分為鄂西渝東、湘鄂西和江漢平原及周緣三個區(qū)塊。研究區(qū)震旦系—侏羅系廣泛發(fā)育多套富有機質(zhì)的泥頁巖。據(jù)前人研究及本區(qū)下古生界眾多油苗、瀝青等油氣顯示表明，這些泥頁巖具有較大的生烴潛力。研究區(qū)早古生代沉積盆地和后期熱演化、構(gòu)造改造等與美國東部頁巖氣盆地相似，預示本區(qū)具較大的頁巖氣資源潛力，是頁巖氣勘探的重要領(lǐng)域，目前已經(jīng)有J111井、JYHF-1井等2口井獲得工業(yè)氣流。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

研究區(qū)經(jīng)晉寧運動由前震旦紀溝、弧、盆活動沉積轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的揚子克拉通及大陸邊緣坳陷沉積，先后經(jīng)歷了加里東、海西、印支、燕山以及喜山等多期重要構(gòu)造運動，沉積了震旦系—侏羅系厚達萬米的海陸相地層。在不同的時期發(fā)育不同類型的盆地，震旦紀—早奧陶世發(fā)育被動大陸邊緣盆地、中晚奧陶世—志留紀為前陸盆地、泥盆紀—中三疊世為克拉通坳陷盆地，以及晚三疊世—侏羅紀前陸盆地和白堊—新近紀陸內(nèi)斷陷盆地等多種類型的沉積盆地，不同時代沉積盆地的發(fā)展都是以早期廣泛沉降、海侵而開始，以晚期大規(guī)模的隆升海退而萎縮、消亡，縱向上具有多旋回沉積的特點。

2 富有機質(zhì)泥頁巖發(fā)育層位

從震旦紀到早侏羅世，本區(qū)發(fā)育了廣泛的海相沉積和陸相碎屑巖沉積，分布面積大，累計最大地層厚度超過10 km，形成了下震旦統(tǒng)(陡山沱組)、下寒武統(tǒng)(牛蹄塘組)、上奧陶統(tǒng)(五峰組)—下志留統(tǒng)(龍馬溪組)、下二疊統(tǒng)(梁山組)、上二疊統(tǒng)(龍?zhí)督M和大隆組)、下侏羅統(tǒng)等6套以黑色泥頁巖為主體特點的烴源巖層系。研究認為，本區(qū)與美國東部頁巖氣產(chǎn)出地區(qū)(阿巴拉契亞等盆地)具有諸多的氣藏條件可比性［2］。

根據(jù)頁巖氣成藏機理和成藏地質(zhì)因素，控制頁巖氣成藏的因素有:總有機碳含量、有機質(zhì)成熟度、孔隙度和滲透率、巖石礦物成分、孔滲特征、地層壓力、溫度、優(yōu)質(zhì)泥頁巖厚度和分布面積等。結(jié)合研究區(qū)地質(zhì)特點和現(xiàn)有資料，經(jīng)研究認為，本區(qū)頁巖氣主要目的層是下震旦統(tǒng)陡山沱組(Z1d)、下寒武統(tǒng)牛蹄塘組(∈1n)、上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組(O3w－S1l)和下侏羅統(tǒng)(J1)。這些泥頁巖主要處于還原—強還原性的沉積環(huán)境，有機質(zhì)含量高，普遍TOC≥2%，厚度多＞50 m，有機質(zhì)熱演化成熟度高，分布面積廣，具有頁巖氣成藏的有利條件。但平面上，在鄂西、鄂東及江漢平原有較大的差異性［3－4］。

3 富有機質(zhì)泥頁巖層系的基本特征

3.1 侏羅系自流井組東岳廟段

3.1.1 東岳廟段地層沉積特征

侏羅紀地層主要分布于江漢平原和鄂西渝東地區(qū)。江漢平原侏羅紀碎屑巖地層中富有機質(zhì)泥頁巖發(fā)育較差，生烴能力弱，頁巖氣潛力小;鄂西渝東的利川等地位于四川盆地東部，具有形成頁巖氣的物質(zhì)基礎。

圖1 鄂西渝東區(qū)侏羅系地層層序柱狀圖Fig.1 Sequence histogram of Jurassic formation in Western Hubei

早侏羅世是整個揚子區(qū)內(nèi)陸湖沼含煤沉積盆地形成時期，整體為一個大的旋回。晚三疊世時期，受印支運動的影響，地殼發(fā)生差異升降運動，隨著凹陷低洼地填平補齊和南、北緣隆升活動，湖水向四川中部收縮。早侏羅世時期，盆地內(nèi)平原化程度較高，水系縱橫發(fā)育，匯集呈東西向內(nèi)陸淺湖沼澤，早期接受河流相碎屑沉積，晚期由于地殼沉降，形成統(tǒng)一的大型湖泊，接受淺湖沼澤沉積，形成粗—細—粗的沉積旋回。早侏羅世大安寨及東岳廟時期，沉積水體加深，鄂西渝東區(qū)處于淺湖—半深湖的沉積環(huán)境，沉積物以黑色、黑灰色頁巖、深灰色及黑色泥巖為主(圖1)，夾深灰色薄層粉砂巖、灰白色灰?guī)r，底部介殼泥頁巖發(fā)育。中—晚侏羅世，由于地殼差異隆升活動加劇湖水向西撤離，氣候炎熱干旱，周圍山系加劇沖刷搬運，河道不斷被沖積，造成盆地內(nèi)粗碎屑物堆積，形成廣闊的泛濫平原和山系前緣洪泛平原沖積環(huán)境，結(jié)束了湖泊沉積歷史。

總體上該區(qū)自流井組東岳廟段、大安寨段以湖相泥質(zhì)巖沉積為主，是富有機質(zhì)泥頁巖主要發(fā)育層段。

通過對比，各井之間東岳廟段地層厚度差異不大，區(qū)內(nèi)東岳廟段由北向南逐漸增厚，厚度為120～150 m。其巖性按顏色可分為三段:上部顏色較淺，以灰色為主，為淺灰色泥巖夾薄層泥質(zhì)灰?guī)r;中、下部顏色較深，以深灰色、灰黑色為主，泥頁巖厚40～80 m。整體上該段由上至下顏色變深，以深灰色泥頁巖為主，夾少量介殼灰?guī)r，分布穩(wěn)定。

3.1.2 東岳廟段地球化學特征

通過部分探井及地面剖面的地化分析，平面上鄂西渝東地區(qū)下侏羅統(tǒng)東岳廟段TOC的分布由東向西增大(圖2)，縱向上TOC＞1%主要分布在東岳廟段下部灰黑色、黑色頁巖中，且具有自上至下逐漸增大的趨勢。

在含碳質(zhì)泥巖、含粉砂泥巖及灰色泥巖中干酪根顯微組分主要以腐泥組+殼質(zhì)組組分為主，含量為43.6% ～77.7%，鏡質(zhì)組含量較少，在20.0% ～32.3%之間，惰質(zhì)組含量很小，在1.0%以下，類型指數(shù)TI基本上為腐植腐泥型-腐泥腐植型(Ⅱ1-Ⅱ2)。

東岳廟段泥頁巖中干酪根鏡質(zhì)體反射率大多分布在1.0% ～1.4%，有機質(zhì)以成熟階段為主，少量達到高成熟，熱演化程度適中。從平面分布看，Ro大都在1.0% ～1.2%左右，處于高成熟生氣階段，自東往西富有機質(zhì)泥頁巖Ro有變大趨勢。

圖2 鄂西渝東地區(qū)東岳廟段TOC、R o等值線圖Fig.2 Contourmap about TOC、R o in Dongyuemiao Section in Western Hubei

3.1.3 東岳廟段物性特征

鄂西渝東地區(qū)下侏羅統(tǒng)自流井組東岳廟段孔隙及裂縫較發(fā)育，具有基質(zhì)孔隙度高、滲透率低的特征。下部泥頁巖巖心物性分析結(jié)果:孔隙度最小0.095%，最大6.9%，平均 2.31%，集中分布在 1.0% ～3.0%，其次為3.0% ～4.0%，＞4%的孔隙較少(圖3)，含氣頁巖段孔隙度平均為2.35%，對應水平段泥頁巖孔隙度平均為3.65%;測井解釋取心段孔隙度最大為4.9%，最小為1.7%，平均為3.8%;泥頁巖水平段解釋結(jié)果孔隙度最大為6.9%，最小為1.3%，平均為3.6%。

東岳廟段下部泥頁巖取心段滲透率最大為12.00 mD，最小0.004 mD，平均 0.589 mD，滲透率大部分 ＜0.1 mD，＞0.1 mD 的約占 30%(圖 3)，含氣泥頁巖段滲透率平均為0.626 mD;水平段泥頁巖滲透率平均為0.407 mD。

3.1.4 東岳廟段含氣性

在鄂西渝東區(qū)內(nèi)鉆遇東岳廟段的探井中均有不同程度的氣測異常顯示，并多集中在該段中下部(圖4)，泥頁巖取心段現(xiàn)場巖心含氣實驗，普遍見針孔狀氣泡沿微裂縫、微孔隙連續(xù)逸出，氣泡呈連續(xù)的串珠狀。

針對在東岳廟段鉆探的頁巖氣水平井測試獲得工業(yè)氣流，試采獲得穩(wěn)定產(chǎn)量2 000～2 450 m3/d的產(chǎn)能，實現(xiàn)了商業(yè)開采，取得了較好的效果。

圖3 J××井取心段孔隙度、滲透率分布直方圖Fig.3 Distribution histogram of porosity and permeability about J× ×well

3.2 下志留統(tǒng)龍馬溪組—上奧陶統(tǒng)五峰組

根據(jù)野外露頭剖面、鉆井地層、巖性剖面、沉積構(gòu)造、巖性組合垂向序列、測井曲線響應特征和分析化驗資料分析，湖北省晚奧陶世五峰組和早志留世龍馬溪組地層劃分為盆地相、陸棚相2種沉積相類型。

湖北省大部分地區(qū)的龍馬溪組底部—五峰組以深水陸棚相沉積為主，巖性主要由黑色、深灰色碳質(zhì)泥、頁巖、硅質(zhì)巖，含粉砂、粉砂質(zhì)泥頁巖，粉砂巖薄層或透鏡體組成，富含筆石化石，一般含黃鐵礦晶粒，水平層理發(fā)育。在省境內(nèi)劉家場東南地區(qū)存在一淺水陸棚沉積區(qū)或水下高地(隆起)，巖性主要以灰色含粉砂、粉砂質(zhì)泥、頁巖為主夾一些粉砂巖條帶和薄層粉砂巖，這些區(qū)域無或缺失暗色泥頁巖沉積。與深水陸棚主要區(qū)別是砂質(zhì)的含量明顯增加，粉砂質(zhì)條帶和粉砂巖夾層的數(shù)量增多。

五峰組—龍馬溪組下部富有機質(zhì)泥頁巖分布廣泛，厚度一般40～60 m，TOC含量一般1.0% ～6.0%，平均2.0% ～3.0%;灰黑色碳質(zhì)泥巖、泥巖中干酪根顯微組分以腐泥組為主，鏡質(zhì)組組分少量，惰質(zhì)組和殼質(zhì)組含量很低，在1.0%以下。干酪根類型主要屬Ⅱ1型，占94%，Ⅱ2型僅占6%，反映烴源層有機母源以低等水生生物為主的特征。

五峰組—龍馬溪組的暗色富有機質(zhì)泥頁巖的熱演化程度主要介于2.5～3.0之間，整體處于過成熟階段。從志留系泥質(zhì)烴源巖成熟度平面分布看，有機質(zhì)處于高—過成熟階段，Ro為1.5% ～2.5%，成熟度較高區(qū)域主要分布在湘鄂西西部和北部，Ro值達到3.0%以上，僅東南部介于1.5% ～2.0%。

HY1井在下志留統(tǒng)龍馬溪組—上奧陶統(tǒng)五峰組的取心過程中，見17.34 m的碳質(zhì)泥頁巖巖心冒氣泡，上部巖心表面可見零星狀氣泡分布，下部巖心表面針孔狀氣泡相對較多，氣泡最大直徑可達3 mm?，F(xiàn)場解析總含氣量均 ＜1，分布范圍為 0.19～0.86 m3/t，平均0.41 m3/t。

圖4 鄂西渝東×××井東岳廟段含氣性柱狀圖Fig.4 Histogram of gas-bearing properties about J× ×well in Western Hubei

3.3 下寒武統(tǒng)牛蹄塘組

在經(jīng)過震旦紀穩(wěn)定熱沉降的演化階段后，早寒武世時期揚子地塊南、北兩側(cè)的拉張裂解作用再次活躍，海水快速侵入，鄂西及鄂東南地區(qū)形成臺緣坳陷，而鐘祥—京山地區(qū)仍為鄂中古陸，并缺失了牛蹄塘期沉積。隨著海侵進一步擴大，海平面上升，鄂中古陸范圍縮小。早寒武世梅樹村期和筇竹寺期海侵達最大，成為包括省境在內(nèi)的中國南方早古生代最大海泛期，并導致晚震旦世發(fā)育的碳酸鹽臺地第一次淹沒。在揚子克拉通盆地中大部分地區(qū)沉積了黑色泥頁巖及硅質(zhì)巖，是本區(qū)發(fā)育的主要泥頁巖段。

牛蹄塘組富有機質(zhì)泥頁巖由灰黑—黑色碳質(zhì)泥頁巖及灰黑色薄層泥灰?guī)r組成，均分布于下寒武統(tǒng)下部。其層位分布穩(wěn)定，厚度100～300 m。

分析結(jié)果表明，有機碳含量范圍為 0.55% ～9.64%，平均值為3.08%，其中品質(zhì)較好泥頁巖(TOC＞2%)分布在牛蹄塘組下部，平面上有機碳含量一般2.0% ～3.0%，最好的分布在鄂西南部，平均有機碳為3.0% ～6.0%。

干酪根顯微組分鑒定結(jié)果，牛蹄塘組灰黑色碳質(zhì)泥巖、碳質(zhì)頁巖中干酪根顯微組分主要以腐泥組為主，少量為鏡質(zhì)組，惰質(zhì)組和殼質(zhì)組含量較低，反映母質(zhì)類型以低等水生生物為主的特征。干酪根類型以Ⅱ1型為主，占74%，Ⅰ和Ⅱ2型僅占6%和2%。

下寒武統(tǒng)熱演化程度均已經(jīng)達到高—過成熟演化階段，通過牛蹄塘組瀝青質(zhì)反射率計算鏡質(zhì)體反射率(Ro)值范圍為 2.89% ～4.49%，平均 3.29% ～3.56%。

3.4 下震旦統(tǒng)陡山沱組

震旦紀初期，地殼由南沱期后短暫的上升轉(zhuǎn)為下降，海水快速上升，在冰磧物之上沉積了一套厚度不大的碎屑碳酸鹽建造，構(gòu)成陡山沱期的初始沉積。這次海侵短暫而迅速，沉積厚度較小。由于不均一的沉降及早期古地理的影響，在南部長陽—宜昌和北部竹溪—隨南兩地形成淺海滯留盆地，沉積了一套黑色碳質(zhì)頁巖巖系，是本區(qū)具有重要意義的一個含氣頁巖層段。但需要指出的是，竹溪—隨南地區(qū)分布的下震旦統(tǒng)(江西溝組)因受后期變形變質(zhì)改造及古生代巖漿活動影響，現(xiàn)為黑色碳質(zhì)板巖或千枚巖。從熱演化角度分析，基本失去了頁巖氣勘探的意義。荊門地區(qū)依然為碳酸鹽臺地，在臺地周邊發(fā)育一系列的小型瀉湖沉積，形成含磷巖系。陡山沱晚期，海平面下降，沉積環(huán)境由盆地相逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榕_地相。

陡山沱組地層厚度變化較大，厚40～445 m。在鶴峰白果坪一帶厚445 m，以深灰色、灰黑色泥巖、碳質(zhì)頁巖為主，夾深灰色灰?guī)r。長陽王子石以薄—中層狀白云巖、碳質(zhì)頁巖、硅質(zhì)巖及磷塊巖為主，厚100～160 m。宜昌花雞坡剖面陡山沱組下部以深灰色、灰黑色頁巖、粉砂質(zhì)頁巖、碳質(zhì)頁巖為主，連續(xù)厚度78.5 m;在鄂東南地區(qū)的咸寧高橋、通山嶺內(nèi)陡山沱組主要為黑色、灰黑色頁巖，碳質(zhì)頁巖，硅質(zhì)頁巖，厚30～70 m。

暗色泥頁巖主要發(fā)育在陡山沱組下部。在鶴峰白果坪剖面陡山沱組有機碳為0.74% ～2.14%，平均1.24%;宜昌花雞坡剖面有機碳為0.45% ～1.72%，平均1.13%。平面分布看，泥頁巖有機碳含量一般為1.0% ～2.0%，高值區(qū)分布在中揚子中部臺緣斜坡—臺盆過渡帶。

陡山沱組灰黑色碳質(zhì)泥巖干酪根顯微組分以腐泥組+殼質(zhì)組組分為主，惰質(zhì)組含量低，類型指數(shù)TI基本上為腐植腐泥Ⅱ1型。宜昌花雞坡剖面腐泥組+殼質(zhì)組組分含量為66.3% ～69%，平均含量為68%，鏡質(zhì)組含量較低，在31% ～33.7%之間，平均含量為32%，類型指數(shù)TI為腐植腐泥Ⅱ1型;鶴峰白果坪剖面腐泥組+殼質(zhì)組組分含量為68.7% ～82.0%，平均含量為76.2%，鏡質(zhì)組平均含量23.8%，惰質(zhì)組含量在1.0%以下，類型指數(shù)TI為腐植腐泥Ⅱ1型，反映母質(zhì)類型以低等水生生物為主的特征。

陡山沱組烴源巖總體演化程度較高，一般為3.0% ～3.5%，主體處于過成熟階段。受黃陵隆起影響，江漢平原及周緣地區(qū)相對稍低，Ro值位于2.0% ～2.5%之間。

另需指出的是，2009年修筑宜昌—秭歸的三峽翻壩高速公路陶家溪隧道中，在震旦系陡山沱組泥頁巖中見可燃天然氣顯示，預示該目的層具頁巖氣勘探前景。

4 湖北省頁巖氣資源潛力

根據(jù)國土資源部“全國頁巖氣資源潛力調(diào)查評價及有利區(qū)優(yōu)選”結(jié)果?? 李玉喜、喬德武、姜文利等，全國頁巖氣資源潛力調(diào)查評價及有利區(qū)優(yōu)選，國土資源部油氣戰(zhàn)略研究中心，2012。，采用體積法對湖北省頁巖氣的資源量進行計算，湖北省頁巖氣資源量為9.48×1012m3，可采資源量為1.5×1012m3，占全國總資源量的7.15%，排名第5位。

5 有利區(qū)預測

綜合分析TOC、成熟度(Ro)、有機質(zhì)類型、富有機質(zhì)泥頁巖厚度、分布等特征，采用多因素疊加、綜合地質(zhì)評價、地質(zhì)類比等多種方法，對湖北省頁巖氣分布的有利區(qū)進行了預測。湖北省下震旦統(tǒng)陡山沱組頁巖氣有利區(qū)主要分布于保康—巴東、湘鄂西和鄂東地區(qū);下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁巖氣有利區(qū)主要分布于鄂西地區(qū);上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖氣有利區(qū)主要分布于鄂西渝東、湘鄂西和?？怠錆h地區(qū);下侏羅統(tǒng)頁巖氣有利區(qū)主要分布于鄂西的石柱復向斜、利川復向斜和秭歸盆地。

6 結(jié)論

(1)湖北省頁巖氣主要勘探目的層是下震旦統(tǒng)陡山沱組(Z1d)、下寒武統(tǒng)牛蹄塘組(∈1n)、上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組(O3w－S1l)和下侏羅統(tǒng)(J1)，這些泥頁巖具有有機質(zhì)含量高，普遍TOC≥2%，厚度多＞50 m，有機質(zhì)熱演化成熟度高，分布面積廣，具有頁巖氣成藏的有利條件。

(2)通過對本區(qū)泥頁巖厚度、有機質(zhì)豐度、成熟度、巖性組合及其分布面積分析，對比美國東部典型頁巖氣產(chǎn)出地區(qū)(阿巴拉契亞等盆地)頁巖氣藏地質(zhì)條件，下震旦統(tǒng)陡山沱組頁巖氣有利區(qū)主要分布于?？怠蜄|、鄂西和鄂東地區(qū);下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁巖氣有利區(qū)主要分布于鄂西地區(qū);上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖氣有利區(qū)主要分布于鄂西及?？怠錆h地區(qū);下侏羅統(tǒng)有利區(qū)主要分布于鄂西的石柱復向斜、利川復向斜和秭歸盆地。

(3)從沉積背景和成藏條件分析，研究區(qū)頁巖氣勘探潛力大，但受勘探程度限制，頁巖氣選區(qū)評價尚處于探索階段，有待進一步研究。

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