雪峰山西側(cè)埃迪卡拉系陡山沱組頁(yè)巖氣成藏體系評(píng)價(jià)

李旭兵，陳綿琨，劉 安，危 凱，王保忠

(1.武漢地質(zhì)礦產(chǎn)研究所，武漢 430205；2.中國(guó)石化 江漢油田分公司 勘探開發(fā)研究院，武漢 430223)

雪峰山西側(cè)埃迪卡拉系陡山沱組頁(yè)巖氣成藏體系評(píng)價(jià)

李旭兵1，陳綿琨2，劉 安1，危 凱1，王保忠1

(1.武漢地質(zhì)礦產(chǎn)研究所，武漢 430205；2.中國(guó)石化 江漢油田分公司 勘探開發(fā)研究院，武漢 430223)

頁(yè)巖氣是一個(gè)很有潛力的非常規(guī)油氣勘探新領(lǐng)域，資源豐富，屬于“持續(xù)式”聚集的非常規(guī)天然氣。目前我國(guó)還沒(méi)有大規(guī)模開展頁(yè)巖氣的資源評(píng)價(jià)。對(duì)雪峰山西側(cè)地區(qū)埃迪卡拉系陡山沱組碳質(zhì)頁(yè)巖的厚度、總有機(jī)碳含量、有機(jī)質(zhì)類型、成熟度、裂縫、孔隙度、滲透率、礦物組成、深度及烴源巖生烴強(qiáng)度等頁(yè)巖氣藏因素進(jìn)行了研究分析。結(jié)合陡山沱組地層對(duì)比以及巖相古地理特征，利用頁(yè)巖氣“甜點(diǎn)”的評(píng)價(jià)體系，指出雪峰山西側(cè)地區(qū)埃迪卡拉系陡山沱組頁(yè)巖氣的有利勘探區(qū)為桑植—石門復(fù)向斜及宜都鶴峰背斜區(qū)，可以作為雪峰山西側(cè)地區(qū)頁(yè)巖氣的戰(zhàn)略突破區(qū)。

頁(yè)巖氣；成藏體系；陡山沱組；埃迪卡拉系；雪峰山西側(cè)

1 研究概況

頁(yè)巖氣已經(jīng)成為非常規(guī)天然氣全球油氣資源勘探開發(fā)的新亮點(diǎn)[1-2]。世界頁(yè)巖氣資源豐富，中國(guó)頁(yè)巖氣技術(shù)可采資源量位列世界前十名[2]，具備頁(yè)巖氣大量發(fā)育的基礎(chǔ)地質(zhì)條件。初步計(jì)算中國(guó)頁(yè)巖氣資源量約為(15～30)×1012m3，平面上以中國(guó)南方和西北地區(qū)最為有利(也包括鄂爾多斯盆地及其周緣)，剖面上以古生界資源量最大，中生界位居其次[3-4]。

前人的調(diào)查、研究、總結(jié)都顯示中國(guó)南方下古生界是我國(guó)頁(yè)巖氣主要有利區(qū)[3-6]。中國(guó)南方頁(yè)巖氣資源在成藏機(jī)理上既具有吸附、游離、水溶等多重特征，又具有自生、自儲(chǔ)、自保、儲(chǔ)層致密的特點(diǎn)，在區(qū)域上形成連續(xù)性大、豐度低的非常規(guī)天然氣聚集區(qū)帶[7-12]。

雪峰山西側(cè)地區(qū)，現(xiàn)今處于中上揚(yáng)子地塊東部邊緣與雪峰山基底拆離造山帶之間，屬于雪峰山前緣向四川盆地主體過(guò)渡的區(qū)域。自東向西依次為桑植石門復(fù)向斜、宜都鶴峰復(fù)背斜、花果坪復(fù)向斜、中央背斜帶、利川復(fù)向斜、齊岳山背斜和石柱復(fù)向斜。埃迪卡拉系陡山沱組碳質(zhì)頁(yè)巖的厚度相對(duì)較大，最大厚度為300 m，分布廣泛。2009年9月23日，在宜昌—秭歸陶家溪隧道中，陡山沱組頁(yè)巖氣被電焊火星點(diǎn)燃，焰高30～40 cm。再次表明在雪峰山西側(cè)地區(qū)埃迪卡拉系陡山沱組具備頁(yè)巖氣藏發(fā)育的條件，并具有一定的研究?jī)r(jià)值。筆者利用頁(yè)巖氣“甜點(diǎn)”的評(píng)價(jià)體系[13]，通過(guò)對(duì)雪峰山西側(cè)地區(qū)埃迪卡拉系陡山沱組碳質(zhì)頁(yè)巖的厚度、總有機(jī)碳含量、有機(jī)質(zhì)類型、成熟度、裂縫、孔隙度、滲透率、礦物組成、深度及烴源巖生烴強(qiáng)度等頁(yè)巖氣藏發(fā)育有利區(qū)的參數(shù)進(jìn)行研究分析，結(jié)合陡山沱組地層對(duì)比及巖相古地理特征，分析了埃迪卡拉系陡山沱組碳質(zhì)頁(yè)巖的分布、厚度、總有機(jī)碳含量等參數(shù)與沉積環(huán)境的關(guān)系，指出頁(yè)巖氣的有利勘探區(qū)。

2 頁(yè)巖氣成藏控制因素

盡管頁(yè)巖具有吸附作用機(jī)理和自生自儲(chǔ)的特點(diǎn)，二次運(yùn)移不是頁(yè)巖氣成藏的主要影響因素和分布預(yù)測(cè)的主要研究?jī)?nèi)容，但頁(yè)巖氣分布的隱蔽性特點(diǎn)不可忽視；另外，頁(yè)巖發(fā)育厚度、有機(jī)碳含量、有機(jī)質(zhì)豐度、孔隙度、滲透率、裂縫發(fā)育程度、古構(gòu)造配合以及后期保存條件等，均是影響頁(yè)巖含氣量、天然氣賦存狀態(tài)及是否具備工業(yè)勘探開發(fā)價(jià)值評(píng)價(jià)的重要因素[14]。而有機(jī)質(zhì)類型和含量、成熟度、裂縫及孔隙度和滲透率是控制頁(yè)巖氣成藏的主要因素[3]。

2.1 碳質(zhì)頁(yè)巖的分布特征

本文以秭歸黃牛巖、湖南慈利溪口、湖南石門中嶺、湖北鶴峰白果坪、湖南張家界田坪、湖南張家界大坪以及湖南安化大福等埃迪卡拉系陡山沱組實(shí)測(cè)地層剖面為主要研究對(duì)象，開展了雪峰山西側(cè)地區(qū)陡山沱組臺(tái)地相區(qū)—斜坡相區(qū)—盆地相區(qū)的地層劃分和對(duì)比研究(圖1)。

通過(guò)地層對(duì)比研究，筆者認(rèn)為陡山沱組碳質(zhì)頁(yè)巖主要分布在陡山沱組二段以及四段，重點(diǎn)在其二段地層中，并且厚度存在相當(dāng)大的差別。最大厚度達(dá)到300 m，分布在湖北鶴峰白果坪一帶，為臺(tái)盆相沉積(圖2a)。并以鶴峰白果坪為中心，厚度向外圍遞減。在白果坪以西的湖北恩施一帶，厚度變?yōu)?0 m，到湖北咸豐一帶厚度僅為10 m左右；在白果坪以東的湖北宜昌一帶，厚度變?yōu)?0 m，到湖北宜都一帶厚度亦僅為10 m左右。說(shuō)明在雪峰山西側(cè)地區(qū)，埃迪卡拉系陡山沱組碳質(zhì)頁(yè)巖的分布受控于沉積環(huán)境，其最大厚度為300 m，并向外圍遞減(圖2b)。

圖1 雪峰山西側(cè)陡山沱組地層層序?qū)Ρ?/p>

圖2 雪峰山西側(cè)陡山沱組黑色頁(yè)巖特征

2.2 有機(jī)質(zhì)類型及含量

有機(jī)碳含量和熱成熟度是決定頁(yè)巖產(chǎn)氣能力的重要變量[5,15]，產(chǎn)氣頁(yè)巖的有機(jī)碳含量(平均)下限值大約為2%[16]，獲得一個(gè)有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的勘探目標(biāo)，有機(jī)碳下限值為2.5%～3%[17]。

在湖北鶴峰白果坪一帶，陡山沱組有機(jī)碳含量為0.55%～2.14%，平均為1.14%；永順王村有機(jī)碳含量為1.31%～2.23%，平均為1.63%；宜昌花雞坡剖面有機(jī)碳含量為0.51%～1.79%，平均為1.09%。從平面分布看，泥頁(yè)巖有機(jī)碳含量一般為1.0%～2.0%，高值區(qū)分布在臺(tái)緣斜坡—臺(tái)盆過(guò)渡帶(圖2c)。

陡山沱組烴源巖中干酪根顯微組分以富含腐泥組及殼質(zhì)組的組分為主體，體現(xiàn)了腐泥Ⅰ型或腐植腐泥Ⅱ1型的母質(zhì)特征。

2.3 成熟度

根據(jù)頁(yè)巖成熟度可將頁(yè)巖氣藏分為對(duì)應(yīng)的3種類型：高成熟度頁(yè)巖氣藏、低成熟度頁(yè)巖氣藏以及高低成熟度混合頁(yè)巖氣藏[5]。陡山沱組烴源巖總體演化程度較高，成熟度普遍大于2.0%，一般為3.0%～3.5%，主體處于過(guò)成熟階段。受黃陵隆起影響，其周緣地區(qū)相對(duì)稍低，Ro值介于2.0%～2.5%之間，部分小于2.0%。相對(duì)高值區(qū)集中于湘鄂西恩施、桑植一帶(圖2d)，為高成熟度頁(yè)巖氣藏。美國(guó)阿巴拉契亞盆地頁(yè)巖成熟度的變化范圍為0.5%～4.0%[12]，在西弗吉尼亞州南部最高可達(dá)4.0%，且只有在成熟度較高的區(qū)域才有頁(yè)巖氣產(chǎn)出[18]。由此可見，在雪峰山西側(cè)地區(qū)埃迪卡拉系陡山沱組碳質(zhì)頁(yè)巖的成熟度大于2%，不是制約頁(yè)巖氣成藏的主要因素，相反，成熟度越高越有利于頁(yè)巖氣成藏。

2.4 裂縫、孔隙度與滲透率

陡山沱組泥頁(yè)巖具有較低的基質(zhì)孔隙度，一般為0.61%～6%，孔隙以粒間孔為主，發(fā)育少量粒內(nèi)孔和溶蝕孔。黃牛巖陡山沱組地層見微裂縫和溶蝕孔發(fā)育，含黃鐵礦。

宜昌黃牛巖剖面掃描電鏡分析顯示，陡山沱組底部灰黑色碳質(zhì)泥頁(yè)巖中孔隙不發(fā)育，面孔率小，孔徑狹窄(圖3a)，泥晶白云石、彎曲狀泥質(zhì)相互混雜，陸源碎屑顆粒少，絹云母片少，黃鐵礦呈球粒狀結(jié)構(gòu)分布于巖石中(圖3b)。陡山沱組下部深灰色含碳泥巖中粒間孔隙不發(fā)育，巖石面孔率小，溶蝕孔隙孤立分布，溶蝕微縫隙中被硬石膏部分充填(圖3c)。中部含碳泥巖陸源碎屑顆粒等少量，巖石孔隙不發(fā)育，面孔率小。泥質(zhì)呈片狀結(jié)構(gòu)，充填或覆蓋于晶粒表面，晶間溶蝕微孔隙少量(圖3d)。

2.5 礦物組成

埃迪卡拉系陡山沱組二段和四段黑色巖系多含白云質(zhì)，二段以泥質(zhì)白云巖為主，因此礦物組成具有脆性礦物含量高、黏土礦物含量低的特點(diǎn)。據(jù)宜昌黃牛巖剖面陡山沱二段16塊樣品X衍射，其中石英11.5%～31.0%/24.6%、長(zhǎng)石1.1%～8.5%/4.0%、碳酸鹽巖53.7%～78.7%/65.1%、黃鐵礦0.5%～5.8/1.8、菱鐵礦0.4%～1.2%/0.8%，黏土含量為2.0%～8.0%/4.41%。在峽東黃山洞剖面陡山沱組黏土礦物含量較高，達(dá)到23.07%，張家界大坪剖面陡山沱組黏土礦物也只有10.95%(表1)。長(zhǎng)英質(zhì)和碳酸鹽等脆性礦物含量高有利于壓裂改造。黏土礦物組成以伊利石為主，次為伊/蒙間層，高嶺石和綠泥石的含量很低。黏土礦物組成不僅反映了陡山沱組烴源巖高演化程度的特征，以伊利石為主的黏土礦物也有利于形成吸附氣[19]，有利于成熟階段生產(chǎn)頁(yè)巖氣的保存。

圖3 雪峰山西側(cè)陡山沱組泥頁(yè)巖典型顯微照片

剖面層位樣品數(shù)量黏土礦物含量/%黏土總量伊/蒙間層含量間層比伊利石高嶺石綠泥石張家界大坪陡山沱組310.952.77104.51峽東黃山洞陡山沱組323.079.322310.771.433.04

2.6 埋深

埃迪卡拉系陡山沱組在研究區(qū)出露較少，主要分布在鄂西黃陵穹窿周邊、東山峰—走馬帶，南部桑植—石門復(fù)向斜以南則分布廣泛?，F(xiàn)今埋藏深度主要受到燕山運(yùn)動(dòng)(165～95 Ma)陸內(nèi)遞進(jìn)變形的影響，剝蝕作用由南東向北西推進(jìn)[20]，復(fù)背斜的剝蝕強(qiáng)度要明顯大于向斜的剝蝕強(qiáng)度。桑植—石門復(fù)向斜核部陡山沱組在晚三疊—早侏羅世的最大埋深近萬(wàn)米，現(xiàn)今的最大埋深仍超過(guò)6 000 m，兩翼多出露志留—二疊系地層，埋深減小至4 000～5 000 m。宜都—鶴峰復(fù)背斜多出露寒武系—下志留統(tǒng)地層，陡山沱組埋深多在2 000～3 000 m(圖4)。因此，雪峰山西側(cè)陡山沱組頁(yè)巖氣勘探有利區(qū)域主要分布在桑植—石門復(fù)向斜兩翼及宜都—鶴峰復(fù)背斜。

2.7 生烴強(qiáng)度及含氣量

生烴強(qiáng)度是表征烴源巖母質(zhì)生油氣潛力的一個(gè)重要標(biāo)志。前人已經(jīng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)做過(guò)這方面的研究[21]，并對(duì)中下?lián)P子中—古生界烴源巖進(jìn)行過(guò)系統(tǒng)評(píng)價(jià)[22]。研究顯示，烴源巖母質(zhì)類型好，烴類降解率高，生烴強(qiáng)度大，形成油氣藏的排給效率也就高。陡山沱組烴源巖在湘鄂西區(qū)較發(fā)育，主力生烴在加里東期，尤以灣潭周邊生烴強(qiáng)度最大，階段生烴強(qiáng)度為49.87×108m3/km2，排烴強(qiáng)度為37.69×108m3/km2。海西—早印支期，湘鄂西區(qū)階段生排烴強(qiáng)度較低，多數(shù)地區(qū)在(10～20)×108m3/km2。湘鄂西區(qū)以泥質(zhì)烴源巖占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，尤以鶴峰—桑植—灣潭區(qū)域生烴強(qiáng)度最大，高效烴源灶主要集中在此區(qū)域，屬于有利生烴區(qū)。

圖4 雪峰山西側(cè)桑植—石門復(fù)向斜埋藏史

2009年9月23日，在宜昌—秭歸陶家溪隧道中，陡山沱組頁(yè)巖氣被電焊火星點(diǎn)燃，焰高30～40 cm。之后保持24 h不間斷以8.2×104m3/h送風(fēng)量通風(fēng)，6 d后仍燃燒。直到10月11日火焰完全熄滅(在人為通風(fēng)條件下熄滅)，共18 d。中國(guó)石化宜10井，在陡山沱組961～986 m和1 150～1 222 m，見2層氣測(cè)異常；咸2井在陡山沱組1 160～1 219 m，見1層氣測(cè)異常。表明在雪峰山西側(cè)地區(qū)埃迪卡拉系陡山沱組具備頁(yè)巖氣藏發(fā)育的條件，并具有一定的研究?jī)r(jià)值。

3 結(jié)論

(1)雪峰山西側(cè)地區(qū)埃迪卡拉系陡山沱組碳質(zhì)頁(yè)巖的分布、厚度以及有機(jī)碳含量與沉積環(huán)境存在較大關(guān)系。碳質(zhì)頁(yè)巖主要分布在陡山沱組二段以及四段，重點(diǎn)在其二段地層中，并且厚度存在相當(dāng)大的差別。最大厚度達(dá)到300 m，分布在湖北鶴峰白果坪一帶，為臺(tái)盆相沉積。并以鶴峰白果坪為中心，厚度向外圍遞減。

(2)在臺(tái)緣斜坡—臺(tái)盆過(guò)渡帶(湖南桑植—張家界一帶)，陡山沱組有機(jī)碳含量較大，為0.55%～2.23%，平均有機(jī)碳含量1.40%。干酪根顯微組分以富含腐泥組及殼質(zhì)組的組分為主體，體現(xiàn)了腐泥Ⅰ型或腐植腐泥Ⅱ1型的母質(zhì)特征。總體演化程度較高，成熟度普遍較高，普遍大于2.0。成熟度、有機(jī)碳含量在湘西張家界—桑植一帶相對(duì)較高，是形成頁(yè)巖氣藏的良好參數(shù)。

(3)陡山沱組泥頁(yè)巖具有較低的基質(zhì)孔隙度，孔隙以粒間孔為主，發(fā)育少量粒內(nèi)孔和溶蝕孔。見微裂縫和溶蝕孔發(fā)育，含黃鐵礦。

(4)雪峰山西側(cè)地區(qū)埃迪卡拉系陡山沱組頁(yè)巖氣的有利勘探區(qū)為桑植—石門復(fù)向斜及宜都鶴峰背斜區(qū)。

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(編輯 韓 彧)

Evaluation of accumulation system for shale gas of Doushantuo Formation in western Xuefeng Mountain

Li Xubing1, Chen Miankun2, Liu An1, Wei Kai1, Wang Baozhong1

(1.WuhanInstituteofGeologyandMineralResources,Wuhan,Hubei430205,China;2.ExplorationandProductionResearchInstituteofSINOPECJianghanOilfieldCompany,Wuhan,Hubei430223,China)

Shale gas is an unconventional resource with great exploration potential and continuous accumulation. At present, our country has not carried out large-scale shale gas resource evaluation. The accumulation factors such as TOC, organic matter type, maturity, crack, porosity, permeability, brittle mineral content, thickness and depth of shale, and hydrocarbon potentials are analyzed in this paper. Based on the study of stratigraphic correlation and paleogeographic characteristics of the Doushantuo Formation, and the key parameters for shale gas sweet spots, the results suggest that the Sangzhi-Shimen synclinorium and the Yidu Hefeng anticline zone are the most favorable areas for shale gas exploration which will become strategic breakthrough areas in the western Xuefeng Mountain.

shale gas; accumulation system; Doushantuo Formation; Ediacaran; western Xuefeng Mountain

1001-6112(2014)02-0188-06

10.11781/sysydz201402188

2012-10-10；

2014-01-06。

李旭兵(1974—)，男，副研究員，從事油氣地質(zhì)及地層古生物研究。E-mail: yclxubing@163.com。

中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局項(xiàng)目“桑植—石門及鄰區(qū)油氣地質(zhì)綜合調(diào)查及地層對(duì)比研究”(1212011220745)資助。

TE132.2

A