鄂西建南地區(qū)自流井組東岳廟段頁巖儲層特征及含氣性

王 登， 余江浩*， 陳 威， 溫雅茹， 許露露， 吳 龍， 謝 通， 黃佳琪

(1.湖北省地質(zhì)調(diào)查院，湖北 武漢 430034；2.湖北省地質(zhì)局 第四地質(zhì)大隊，湖北 咸寧 437100)

頁巖氣是指賦存于富有機質(zhì)泥頁巖及其夾層中，以吸附和游離態(tài)為主要存在方式的一種非常規(guī)天然氣[1-9]。

建南地區(qū)的常規(guī)油氣勘探始于20世紀60年代末，于1970年11月在三疊系飛仙關(guān)組飛三段獲得工業(yè)性氣流(建3井日產(chǎn)氣3.77×104m3)，標志著建南氣田的發(fā)現(xiàn)。至1981年，共完成探井33口，又相繼在二疊系長興組二段、石炭系黃龍組、三疊系嘉陵江組嘉一段等3套層位發(fā)現(xiàn)工業(yè)性氣流[10-11]。截至21世紀初，中國石化江漢油田分公司開始在建南地區(qū)部署一系列針對下侏羅統(tǒng)自流井組的頁巖氣資料井或探井，如建111井、建頁HF-1井等，多口井見到良好的頁巖氣顯示，并在建頁HF-1井獲得工業(yè)性氣流，日產(chǎn)氣1.2×104m3，預示著建南地區(qū)有著良好的頁巖氣勘探前景。本文旨在對建南地區(qū)下侏羅統(tǒng)自流井組東岳廟段頁巖儲層特征及含氣特征進行分析，以期為該區(qū)下一步的頁巖氣勘探提供依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

1.1 構(gòu)造特征

鄂西地區(qū)經(jīng)歷了早燕山期和喜馬拉雅期的擠壓褶皺變形，形成了方斗山背斜帶、石柱向斜帶、齊岳山背斜帶、利川向斜帶等數(shù)個巨型構(gòu)造單元。它們均呈典型的侏羅山式褶皺變形，主要表現(xiàn)為復背斜帶高陡、復向斜帶寬緩的區(qū)域構(gòu)造面貌[12-13]。建南地區(qū)在行政區(qū)劃上屬于湖北省西部利川市，面積約1×104km2，處在石柱向斜帶內(nèi)部(圖1)，主要由北東—南西向展布的褶皺和斷裂組成。

圖1 建南地區(qū)構(gòu)造位置簡圖
Fig.1 Structural location diagram of Jiannan area
1.研究區(qū)；2.地名；3.構(gòu)造邊界；4.省界。

1.2 地層發(fā)育特征

建南地區(qū)及鄰區(qū)在地層區(qū)劃上屬于上揚子地層分區(qū)中的恩施—咸豐地層小區(qū)，地表主要出露中新生代地層，包括下三疊系大冶組、須家河組，侏羅系自流井組、千佛崖組、沙溪廟組、遂寧組等[14-15]。其中，下侏羅統(tǒng)自流井組為一套陸相碎屑巖沉積，其在建南地區(qū)沉積厚度一般為600～640 m，主要巖性為深灰色、灰色砂巖、粉砂巖及泥巖、頁巖。以頂部灰黑色頁巖、泥質(zhì)粉砂巖出現(xiàn)為標志與上覆千佛崖組大套紫紅色泥巖、灰綠色粉砂巖分界；以底部出現(xiàn)珍珠沖段灰綠色、暗紫色泥巖、砂質(zhì)泥巖為底界與下伏須家河組灰—深灰色砂巖、泥質(zhì)粉砂巖分界。自上而下可分為四段，分別為大安寨段、馬鞍山段、東岳廟段和珍珠沖段。

1.3 泥頁巖厚度及分布特征

建南地區(qū)東岳廟段巖性主要以泥巖、頁巖為主，含灰質(zhì)或粉砂質(zhì)，為一套半深湖相沉積，地層厚度介于116～165 m，暗色泥頁巖厚度一般介于70～95 m，平均厚度為80 m，占地層總厚度的比例均在60%以上，一般為65%～75%，橫向上分布較穩(wěn)定(圖2)。其中，謀道剖面地層厚度151.3 m，泥頁巖厚度112.6 m，占地層厚度74.4%；建頁HF-1井地層厚度125 m，暗色泥頁巖厚度103.6 m，占地層厚度82.4%。

圖2 建南地區(qū)自流井組東岳廟段地層對比圖
Fig.2 Stratigraphic correlation profile of Dongyuemiao member of Ziliujing Formation in Jiannan area
1.泥巖；2.頁巖；3.粉砂巖；4.泥質(zhì)粉砂巖；5.細砂巖；6.鈣質(zhì)泥巖；7.泥灰?guī)r；8.介殼灰?guī)r；9.灰?guī)r；10.粉砂質(zhì)泥巖。

2 頁巖氣成藏地質(zhì)條件

2.1 泥頁巖地球化學特征

2.1.1有機質(zhì)豐度

建南地區(qū)63個泥頁巖樣品分析數(shù)據(jù)表明(表1)，自流井組東岳廟段有機碳(TOC)含量介于0.42%～2.77%，均值為1.15%。其中，建111井TOC含量介于0.49%～1.61%，均值為1.02%，TOC>1%的樣品占40.6%；生烴潛量(S1+S2)介于0.09～8.13 mg/g，均值為1.51 mg/g，主要分布在1.0～2.0 mg/g；建1井TOC含量介于0.54%～1.87%，均值為1.25%，TOC>1%的樣品占41.2%；謀道剖面TOC含量介于0.42%～2.77%，均值為0.94%，TOC>1%的樣品占43.2%。由此可見，建南地區(qū)自流井組東岳廟段泥頁巖有機質(zhì)豐度總體較高，具有較好的生烴能力。

縱向上，建南地區(qū)東岳廟段泥頁巖有機質(zhì)豐度高值主要分布在中下部，且有從下到上逐漸降低的趨勢(圖2)，有機碳含量>1%的泥頁巖厚度介于32～52 m。

表1 建南地區(qū)自流井組東岳廟段有機質(zhì)豐度統(tǒng)計表Table 1 Organic matter abundance of shale in Dongyuemiao member ofZiliujing Formation, Jiannan area

2.1.2有機質(zhì)類型

建南地區(qū)自流井組東岳廟段主要以腐泥組為主，含量介于59.3%～73.7%，均值為65.8%；其次為鏡質(zhì)組，含量介于26.3%～40.0%，均值為33.9%；少量惰質(zhì)組、殼質(zhì)組，最多不超過0.8%(表2)。干酪根類型指數(shù)介于28.6～54.3，主要為Ⅱ1型和Ⅱ2型，分別占樣品總數(shù)的60.5%和39.5%。

表2 建南謀道剖面泥頁巖顯微組分Table 2 Macerals composition of shale from Moudao section in Jiannan area

2.1.3成熟度

20個成熟度數(shù)據(jù)分析表明(表3)，建南地區(qū)東岳廟段Ro值介于0.83%～1.40%，均值為1.13%。其中，謀道剖面自流井組東岳廟段泥頁巖Ro值介于1.02%～1.40%，均值為1.25%；巖石熱解最高峰溫(Tmax)值介于421～485 ℃，均值為463 ℃。由此可見，建南地區(qū)東岳廟段泥頁巖熱演化程度適中，處于成熟階段。

表3 東岳廟段成熟度參數(shù)統(tǒng)計表Table 3 Rock maturity parameters of Dongyuemiao member

2.2 泥頁巖儲層特征

2.2.1礦物組成

脆性礦物含量是影響頁巖基質(zhì)孔隙和微裂縫發(fā)育程度、含氣性及壓裂改造方式的重要因素[16]。謀道剖面自流井組東岳廟段18個樣品全巖X-衍射分析表明，其礦物成分以石英和粘土為主(圖3)，其次為長石和方解石，以及少量的黃鐵礦和菱鐵礦等。其中，石英含量為18.2%～54.1%，平均值為40.9%；粘土礦物含量為20.1%～55.3%，平均值為38.7%；長石含量為0.5%～9.4%，平均值為5.3%；方解石含量介于0～55.3%，平均值為14.6%?？傮w上東岳廟段脆性礦物含量較高，具有較好的壓裂改造性。

圖3 謀道剖面自流井組東岳廟段礦物組成含量圖
Fig.3 Content map of mineral compositions of Dongyuemiao member ofZiliujing Formation in Moudao section

2.2.2儲層物性

47個物性分析數(shù)據(jù)表明，建南地區(qū)自流井組東岳廟段孔隙度介于0.82%～6.85%，平均值為2.17%，孔隙度>2%的樣品占53.06%，孔隙度分布高峰區(qū)間為1%～3%，占樣品總數(shù)的67.34%；滲透率介于0.004×10-3～3.46×10-3μm2(圖4)，平均值為0.34×10-3μm2，滲透率>0.01×10-3μm2的樣品占83.7%，滲透率分布高峰區(qū)間為0.01%～0.1%，占樣品總數(shù)的53.06%?？傮w上，建南地區(qū)自流井組東岳廟段泥頁巖孔隙度、滲透率較低。

2.2.3孔隙類型

通過掃描電鏡可知，自流井組東岳廟段泥頁巖中可識別的孔隙類型包括有機質(zhì)孔隙、粒間孔隙、粒內(nèi)孔隙和微裂縫。有機質(zhì)孔隙比較發(fā)育，呈氣泡狀、斑點狀分布在有機質(zhì)內(nèi)部(圖5-a)，大小一般介于40～110 nm。

圖4 建南地區(qū)東岳廟段孔隙度和滲透率分布圖
Fig.4 Frequence histograms for porosity and permeability of Dongyuemiao member of Ziliujing Formation

東岳廟段粒內(nèi)孔多為石英、長石溶孔，孔徑寬一般為120～250 nm，個別可達700 nm(圖5-b、圖5-c)。微裂縫主要發(fā)育于有機質(zhì)內(nèi)部或泥質(zhì)層界面，裂縫一般寬約20～45 nm，最大寬約110～210 nm(圖5-d)。粒間孔隙分布在顆粒邊緣，為顆粒間或顆粒與粘土間孔隙，孔徑寬35～190 nm。

圖5 建南地區(qū)自流井組東岳廟段孔隙結(jié)構(gòu)特征
Fig.5 Pore characteristics of Dongyuemiao member of Ziliujing Formation

2.2.4比表面積

19個比表面積分析數(shù)據(jù)表明，東岳廟段泥頁巖比表面積介于5.62～12.32m2/g，平均值為8.53m2/g；按照IUPAC分類，東岳廟段泥頁巖孔隙體積主要為中孔，平均占64.5%，其次為宏孔，平均占33.2%；孔比表面積中以微孔和中孔比表面積為主，平均占97.6%(圖6)。總體上，東岳廟段泥頁巖比表面積較大，可為頁巖氣提供充足的空間，中孔和大孔提供了主要的孔隙體積空間，微孔和中孔提供了主要的比表面積。

2.3 含氣性特征

2.3.1吸附氣含量

根據(jù)鉆井資料可知，建南地區(qū)東岳廟段平均地層壓力為5.64 MPa，在此壓力下頁巖的吸附氣含量為2.15～2.32 m3/t，平均值為2.23 m3/t(圖7)，表明建南地區(qū)東岳廟段泥頁巖具有較強吸附氣體的能力。

2.3.2頁巖氣顯示

建南地區(qū)自流井組東岳廟段泥頁巖中氣顯示活躍，在建111井、建頁HF-1井等多口鉆井中均見氣顯示。其中，建111井在東岳廟段共發(fā)現(xiàn)氣測異常顯示27.0 m/2層，最大單層厚度25.0 m，測井解釋含氣層42 m/5層，壓裂后測試日均產(chǎn)氣0.316×104m3，最高6.84×103m3/d；建頁HF-1井在東岳廟段取芯鉆進過程中見良好氣顯示58.45 m/1層，顯示段巖芯浸水試驗普遍見氣泡逸出，多為針孔串珠狀，氣顯示點平均為15～55處/m，水平段測試獲得1.2萬m3/d工業(yè)氣流。

圖6 自流井組東岳廟段孔隙體積和比表面積分布直方圖
Fig.6 Histogram distribution of pore volume and specific surface area of Dongyuemiao member

圖7 建南地區(qū)自流井組東岳廟段泥頁巖等溫吸附氣模擬曲線
Fig.7 Isothermal adsorption graph of Dongyuemiao member ofZiliujing Formation in Jiannan area

2.4 埋深及保存條件

建南地區(qū)自流井組東岳廟段埋深多在500～2100 m，其中，建南北部地區(qū)大都<1 000 m，南部一般<2 000 m，以建111井、建頁HF-1井為例，其東岳廟段中下部頁巖氣集中顯示段分別在643.5 m和642.1 m以內(nèi)，單就埋深而言，建南地區(qū)埋深均未超過2 500 m，具有埋深較淺的特征。

露頭資料揭示，建南地區(qū)自流井組上覆地層為千佛崖組，巖性主要為紫紅色、黃綠色泥巖、粉砂巖、石英砂巖夾介殼灰?guī)r，厚度為140～160 m；孔隙度均值2.56%，突破壓力11.20 MPa；下伏地層為須家河組，巖性主要為泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖、細砂巖夾頁巖，厚度為130～146 m。孔隙度均值1.96%，突破壓力9.32 MPa;總體上，其頂?shù)装宸馍w性較好。同時，建南地區(qū)構(gòu)造變形較弱，地層平緩，傾角介于9°～13°,區(qū)內(nèi)大斷裂不發(fā)育，地下水活動較弱?？傮w來說，建南地區(qū)自流井組東岳廟段泥頁巖埋深適中，分布面積大，保存條件較好，為頁巖氣勘探的有利區(qū)域。

3 結(jié)論

(1) 鄂西建南地區(qū)自流井組東岳廟段黑色—灰黑色泥巖具有厚度大、有機質(zhì)豐度高、熱演化程度適中的特點。TOC含量介于0.42%～2.77%，均值為1.15%，>1%的泥頁巖厚度介于32～52 m，Ro值介于0.83%～1.40%，均值為1.13%，生烴能力良好，具備形成頁巖氣藏的物質(zhì)基礎(chǔ)。

(2) 鄂西建南地區(qū)自流井組東岳廟段泥頁巖為低孔、低滲型儲層，多種孔隙和微裂縫發(fā)育；同時，頁巖吸附氣量大，可為頁巖氣成藏提供充足的儲集空間。

(3) 脆性礦物含量高介于44.7%～79.9%，均值62.3%，具有較好的可壓性；埋深適中(<2 500 m)，頂?shù)追舛滦院茫⒃诙嗫诰姎怙@示。綜合認為，鄂西建南地區(qū)自流井組東岳廟段泥頁巖儲層條件好，具有良好的頁巖氣勘探前景。