劉 安,包漢勇,李 海,危 凱,李繼濤,曾雄偉
(1.中國地質(zhì)調(diào)查局武漢地質(zhì)調(diào)查中心,武漢430205;2.中國石化江漢油田勘探開發(fā)研究院,武漢430223)
湖北省上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖氣地質(zhì)條件分析及有利區(qū)帶預測
劉安1,包漢勇2,李海1,危凱1,李繼濤1,曾雄偉1
(1.中國地質(zhì)調(diào)查局武漢地質(zhì)調(diào)查中心,武漢430205;2.中國石化江漢油田勘探開發(fā)研究院,武漢430223)
本文在調(diào)查和總結(jié)湖北省頁巖氣地質(zhì)調(diào)查成果資料基礎上,分析了湖北省上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖氣地質(zhì)條件。湖北省O3w-S1l富有機質(zhì)頁巖分布和TOC主要受到古隆起的控制,富有機質(zhì)頁巖在古隆起邊緣或古隆起之間的坳陷區(qū)發(fā)育,其中鄂西水下古隆起西部、黃陵隆起東北部、神農(nóng)架古隆起北部富有機質(zhì)頁巖厚度多大于40 m,TOC大于2%,頁巖成熟度一般為2%~3%。O3w-S1l富有機質(zhì)頁巖孔隙度多小于5%,石英礦物含量較高。頁巖含氣性受保存條件的影響較大,湖北地區(qū)頁巖氣保存條件相對較差,局部構造穩(wěn)定地區(qū)含氣性較好。綜合分析利川復向斜、秭歸盆地西部、當陽復向斜為頁巖氣勘探的有利區(qū)帶。
湖北??;五峰組;龍馬溪組;頁巖氣
Liu A,Bao H Y,Li H,Wei K,Li J T and Zeng X W.
Geology and Mineral Resources of South China,2016,32(2):126-134.
頁巖氣是一種清潔、高效的新能源,在我國于2011年12月被列為第172個獨立礦種以來[1],我國的頁巖氣勘探獲得了重大進展。上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖是中國南方一套區(qū)域性海相頁巖,具有很好的勘探潛力,并先后在四川盆地南緣的涪陵焦石壩、長寧、丁山地區(qū)獲得工業(yè)突破[2-3]。與四川盆地南緣相比,中揚子頁巖氣勘探與研究程度低,本文主要以湖北省上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖為研究對象,綜合分析頁巖氣地質(zhì)條件,預測頁巖氣勘探的有利區(qū)帶。
湖北省地處華中腹地,根據(jù)板塊構造理論及活動論觀點,大致以青峰—襄廣斷裂為界,本省橫跨秦嶺—大別造山帶和揚子克拉通兩個一級大地構造單元(圖1)。揚子克拉通經(jīng)歷了加里東期—海西期穩(wěn)定的揚子克拉通沉積、沉降發(fā)展階段,沉積了一套以碳酸鹽巖及碎屑巖為主的海相地層,構造相對穩(wěn)定,以差異升降運動為主,構造面貌主要表現(xiàn)為大隆大凹。印支期以來為構造變形、變位發(fā)展階段,早燕山期奠定了本區(qū)中、古生界的基本構造格局,為構造主要形成時期[4]。
圖1 湖北省地質(zhì)簡圖及構造單元劃分圖Fig.1 Geological and structure units subdivision map ofHubei Province
中奧陶世末期,揚子板塊進入前陸盆地構造演化階段[5],晚奧陶世—早志留世來自南東方向的擠壓作用增強,伴隨揚子周邊地區(qū)古陸上隆,華南海盆不斷向西遷移,使得揚子海處于半封閉的狀態(tài),海域自東南向西北逐漸加深。龍馬溪組底部黑色頁巖發(fā)育層位由南向北升高,例如宜昌王家灣一帶黑色頁巖發(fā)育的最高層位為埃隆階中部,而神農(nóng)架一帶最高層位可達特列奇階底部[6-7],因此黑色頁巖具有穿時的性質(zhì),同樣龍馬溪組為巖石地層單位,也具有穿時的性質(zhì)。前陸盆地形成階段,海平面具有下降的趨勢[8],五峰組與龍馬溪組黑色頁巖在中上揚子多處呈平行不整合接觸[9]也表明水體較淺,因此該套烴源巖的發(fā)育主要是造山運動形成的滯留盆地限制了表層含氧水與深層水的混合,形成還原環(huán)境,有利于有機質(zhì)富集保存,其中長期發(fā)育的坳陷區(qū)有利于富有機質(zhì)頁巖發(fā)育。
就湖北省而言,上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組主要受到鄂西水下古隆起、黃陵古隆起、神農(nóng)架古隆起的影響。隆起帶富有機質(zhì)頁巖厚度往往不到十米,在神農(nóng)架松柏鎮(zhèn)南、五峰紅漁坪可以看到缺失五峰組硅質(zhì)巖,僅數(shù)米厚暗色頁巖直接覆蓋在奧陶系臨湘組之上。古隆起之間的坳陷或古隆起的邊緣黑色頁巖往往較發(fā)育。湘鄂西水下古隆起和川中古隆起之間沿著貴州習水—重慶石柱—湖北利川—重慶巫山一帶上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組黑色頁巖極為發(fā)育,連續(xù)黑色頁巖段厚度達到40~60 m。鄂西受到前陸盆地由南東向北西遷移及黃陵隆起的砥柱作用,黑色頁巖整體向北有加厚的趨勢,在神農(nóng)架古隆起的北部邊緣房縣五峰組—龍馬溪組為硅質(zhì)巖夾黑色炭質(zhì)頁巖,厚度近200 m;該帶向西延伸至四川盆地北緣的城口厚度也較大[10]。黃陵隆起東北邊緣當陽復向斜一帶厚度也較大,一般為40~60 m,荊101井揭示了該套黑色頁巖的厚度近90 m。鄂東地區(qū)該套黑色頁巖的厚度相對穩(wěn)定,一般為20~40 m,在鄂東南地區(qū)前陸坳陷發(fā)育時間相對長,黑色頁巖厚度可達近百米(圖2)。
圖2 湖北省上奧陶統(tǒng)五峰組-下志留統(tǒng)龍馬溪組富有機質(zhì)頁巖等厚圖Fig.2TheorganicshalethicknessisogramofUpperOrdovicianWufengFormation-LowerSilurianLongmaxiFormationinHubeiProvince
本次研究頁巖地球化學特征數(shù)據(jù)主要來自鉆井,鄂西北、鄂東南沒有鉆井分布的地區(qū)則采用露頭樣品數(shù)據(jù)。
3.1有機質(zhì)豐度
中揚子地區(qū)奧陶志留之交隆坳相間的古地理格局控制了龍馬溪組烴源巖的分布,也影響了上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組有機質(zhì)含量。石柱—利川—巫溪一帶烴源巖發(fā)育,有機碳含量也較高,TOC達到2%~3%;秭歸盆地西部和北緣黑色頁巖TOC多大于2%,秭歸盆地南緣志留系底部黑色頁巖夾層TOC多小于1%。神農(nóng)架隆起、黃陵隆起、鄂西水下古隆起黑色頁巖不發(fā)育,TOC值也多小于1%。神農(nóng)架隆起、黃陵隆起的北緣和東緣志留系頁巖厚度增大,TOC也隨之增大,當陽復向斜一帶TOC一般大于2%,但靠近房縣一帶志留系龍馬溪組以硅質(zhì)巖為主,TOC又有降低的趨勢(圖3)。江漢平原及其以南志留系黑色頁巖TOC為0.8%~1.2%[11]。
3.2有機質(zhì)類型
上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組干酪根有機顯微組分以腐泥組占優(yōu)為主要特征,平均含量在80%以上,鏡質(zhì)組含量一般在15%~35%之間,平均為23.7%。五峰組—龍馬溪組的泥頁巖干酪根碳同位素在-32.04‰~-27.62‰之間,多處于-30.8‰左右,為Ⅱ2-Ⅱ1型。
圖3 湖北省上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖TOC等值線圖Fig.3 The organic shale TOCisogramofUpper Ordovician WufengFormation-Lower Silurian Longmaxi Formation in Hubei Province
3.3熱演化程度
富有機質(zhì)頁巖處于有效熱解氣范圍是控制氣源的重要因素,但過高的熱演化程度會導致有機質(zhì)炭化,有機孔塌陷,吸附能力降低[12]。目前學術界對于熱演化程度Ro的上限還沒有統(tǒng)一的認識,Ro在川南志留系分布在1.0%~3.0%,故研究頁巖氣評價指標未做限定[13],而勘探研究的結(jié)果也表明含氣性高的頁巖段Ro往往低于3%。上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組烴源巖多處于高—過成熟演化階段;烴源巖成熟度Ro值主要受到中新生代以來深埋藏的影響。神農(nóng)架隆起、黃陵隆起帶以及湖北省南邊的江南—雪峰隆起帶熱演化程度一般較低,成熟度Ro為1.5%~2.0%,當陽復向斜志留—白堊系為持續(xù)深埋型沉積,Ro多大于2.5%。江漢盆地覆蓋區(qū)在白堊紀沉積之前強烈抬升剝蝕,志留系黑色頁巖的Ro一般在2%左右,目前江漢盆地鉆遇下古生界的井少,志留系頁巖成熟度數(shù)據(jù)少,具體變化規(guī)律不詳。鄂西地區(qū)Ro等效值以大于2.0%為主,多數(shù)區(qū)域在2.0%~3.0%之間,利川復向斜建南地區(qū)以西志留系黑色頁巖成熟度Ro最大超過3.5%(圖4),研究區(qū)志留系頁巖整體適中的熱演化程度有利于生氣也有利于有機孔發(fā)育。
本次調(diào)查在鄂西地區(qū)實施的WZK01井頁巖脆性礦物和粘土礦物的平均含量分別為51.2%、39.3%;脆性礦物以石英為主、次為長石和黃鐵礦。WZK02井頁巖脆性礦物和粘土礦物平均含量分別為33.38%、62.5%,具有粘土礦物含量高、脆性礦物含量低的特點,可能與龍馬溪組上部黑色頁巖段粘土礦物整體偏高有關。河頁1井富有機質(zhì)頁巖段X射線熒光錄井結(jié)果顯示,石英含量為47.0%~85.5%,平均值63.1%;長石含量為2.0%~22.1%,平均值7.9%;碳酸鹽礦物含量為1.0%~15.1%,平均值2.0%;黃鐵礦含量為0.7%~10.3%,平均值2.8%;粘土礦物含量為9.2%~36.3%,平均值24.1%,其中以伊利石含量最高[14]。恩施、城口龍馬溪組剖面的泥頁巖中石英含量分布在34.6%~97.8%,平均值為61.3%;碳酸鹽礦物基本未見;粘土礦物含量分布在 3.2%~62.1%,平均值為34.5%;黃鐵礦含量較少,分布在1.2%~2.4%,平均值僅為1.4%;粘土礦物含量分布在20.63%~29.86%,平均值為27.2%,主要有伊/蒙混層(I/S)、伊利石(I)和綠泥石(C),其中伊利石含量最高[15]。
WZK01井頁巖樣品的孔隙度在5%左右,WZK02井頁巖樣品孔隙度多小于1%。河頁1井2139.0~2165.0 m井段中(五峰組頂部—龍馬溪組底部)頁巖孔隙度最大為6.5%,最小為1.52%,平均值為3.0%,滲透率為0.2×10-3μm2[14]。恩施白果坪龍馬溪組剖面中的2個露頭樣品測試顯示,頁巖孔隙度為3.15%和4.92%。鶴峰地區(qū)龍馬溪組頁巖孔隙度分布于0.47%~2.58%,平均值為1.23%,滲透率分布于0.004~1.64×10-3μm2[15]。因此上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組黑色頁巖具有低孔低滲的特點。
圖4 湖北省上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖Ro等值線圖Fig.4 The organic shale RoisogramofUpper Ordovician WufengFormation-Lower Silurian Longmaxi Formation in Hubei Province
5.1埋深條件
五峰組底部的埋深主要依據(jù)地層剖面測量的厚度和殘余地層展布推測,在江漢盆地覆蓋區(qū)參考了地震剖面。鄂東南崇陽—通山?jīng)_斷帶、鄂東北巴洪沖斷帶頁巖埋深較淺,一般為1000 m左右;江漢平原地區(qū)志留系龍馬溪組黑色頁巖因深埋在白堊系斷陷盆地之下,深度多在4000 m以上,當陽復向斜呈南北向延伸的白堊系斷陷盆地,志留系黑色頁巖埋深為3000~4000 m。鄂西地區(qū)秭歸盆地、利川復向斜核部均為侏羅紀前陸盆地,發(fā)育數(shù)千米深的陸相碎屑巖沉積,志留系黑色頁巖埋深也超過4000 m,但在利川以北、秭歸盆地周緣,志留系黑色頁巖埋深一般為2000~3000 m。鄂西中央山復背斜、花果坪復向斜、宜都—鶴峰復背斜埋深等值線多呈NE向延伸密集分布,背斜、向斜相間發(fā)育,深度變化大,背斜志留系黑色頁巖埋深多在1000 m以下,或目的層已被剝蝕;向斜目的層埋深多在2000~3000 m(圖5)。
5.2頁巖的頂?shù)装鍡l件
頁巖的頂、底板條件是頁巖氣保存條件評價的另外一個重要參數(shù),就工區(qū)上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組黑色頁巖段而言,其頂板一般為數(shù)百米厚的龍馬溪組泥巖、粉砂質(zhì)泥巖,頂板條件好。底板為中上奧陶統(tǒng)瘤狀灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r、鈣質(zhì)泥巖,一般由下而上灰?guī)r中泥質(zhì)含量有增多的趨勢,底板條件也較好。
圖5 湖北省五峰組底部埋深等值線圖Fig.5 Bottomdepth isogramofWufengFormation in Hubei Province
5.3斷裂及構造改造
湖北省境內(nèi)自印支期以來受到北部秦嶺—大別、南部江南—雪峰兩個造山帶的影響,南北邊緣受到造山帶的影響最為強烈。秦嶺—大別造山帶強烈擠壓推掩發(fā)生在晚侏羅紀—早白堊紀,侏羅紀前陸盆地被擠壓破壞并成為逆沖推掩體系的組成部分;逆掩斷褶帶的主體為北西向,向南延伸為北北西向逆沖褶皺帶。江南—雪峰造山帶印支—燕山期的脆性擠壓褶皺帶可能繼承了前期的韌性帶再活動,形成了南東向北西不斷推進的北東向逆沖褶皺帶。沃玉進[16]以地質(zhì)結(jié)構類型為依據(jù)討論了中揚子地區(qū)油氣保存條件,不同構造帶的斷裂活動、褶皺變形差異較大,對油氣的保存條件影響也不同。其中監(jiān)利—通山、當陽—京山單層疊瓦構造區(qū)地層剝蝕強烈,斷層規(guī)模大,多為通天斷層,保存條件差。同屬單層疊瓦構造區(qū)的江漢盆地北部因為白堊紀—新生代構造反轉(zhuǎn)及碎屑巖的覆蓋,保存條件會在一定程度上得以重建。江漢盆地南部雙層斷褶反轉(zhuǎn)區(qū)的斷層多為散逸斷層,后期構造反轉(zhuǎn)的陸源碎屑沉積物厚度大,可以形成二次生烴和保存系統(tǒng)重建。鄂西雙層滑脫斷褶結(jié)構滑脫層深度較大,斷層多為散逸斷層,總體保存條件較差,僅在區(qū)域蓋層殘存的局部地區(qū)具有較好的保存條件(圖6)。
頁巖的含氣性是頁巖氣地質(zhì)條件評價的重要方面[17],目前湖北地區(qū)還沒有發(fā)現(xiàn)海相商業(yè)性氣田,頁巖含氣性數(shù)據(jù)相對較少。遠安的荊101、102井獲得了較好的效果,井深超過3000 m,平均含氣量分別達到4.2 m3/t、3 m3/t。巴東野三關香龍山背斜實施的WZK02頁巖氣淺鉆有微弱的氣顯示,現(xiàn)場解吸有一定的含氣性,但氣體成分也是以氮氣為主;河頁1井深度近2200 m,總含氣量僅為0.5~1.6m3/t[14],解吸氣含量更低。而在仙女山走滑斷裂帶附近,靠近斷裂壓性構造環(huán)境下,秭歸楊林地區(qū)的WZK06頁巖氣淺鉆深度僅200 m,現(xiàn)場解吸獲得可燃氣體含量為0.5~1.2 m3/t,表明不同構造環(huán)境下,含氣性差異較大??傮w而言穩(wěn)定地區(qū)、壓性構造環(huán)境、張性構造環(huán)境頁巖的含氣性有逐漸變差的趨勢。
圖6 中揚子地區(qū)地質(zhì)結(jié)構類型分布圖(據(jù)沃玉進[16]修改)Fig.6 Distribution ofthe geologic configuration types in the middle Yangtze region(after Wo[16])
頁巖氣有利區(qū)帶預測一般綜合分析頁巖的形成環(huán)境、TOC、Ro、厚度、埋深、保存條件、含氣量等指標獲得[18]。本區(qū)域調(diào)查研究程度較低,綜合上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖氣地質(zhì)條件認為鄂東北當陽—京山一帶、鄂西南秭歸盆地周緣及其以西地區(qū)、利川復向斜地區(qū)頁巖氣地質(zhì)條件相對較好(圖7)。
鄂東南、鄂東北地區(qū)頁巖相對發(fā)育,但構造上屬于江南沖斷帶、巴洪沖斷帶,斷層極為發(fā)育、地層較破碎,抬升剝蝕嚴重致使該套泥巖的保存條件差。
當陽—荊門一帶當陽復向斜志留系之上發(fā)育上古生界、中生界蓋層,后期的抬升剝蝕有限,目的層埋深一般為3000~4000 m,且頁巖有機質(zhì)含量高,TOC>2%的厚度可達到40m以上,保存條件較好。
江漢盆地覆蓋區(qū)古生界構造復雜,且埋深多大于4000 m,頁巖氣地質(zhì)條件差。
秭歸盆地及其以西地區(qū)晚奧陶世—早志留世為淺水陸棚—深水陸棚沉積相帶,黑色頁巖較發(fā)育,五峰組—龍馬溪組發(fā)育一套或兩套黑色頁巖,其中下部連續(xù)黑色頁巖段厚度多在30 m以上,有機碳含量都在2.0%以上,一般為2.3%~3.2%,平均值為2.45%;泥頁巖等效鏡質(zhì)體反射率Ro分布于2.5%~3.0%,處于過成熟演化階段;且上覆三疊系區(qū)域性蓋層,保存條件相對較好。
利川復向斜在湖北省境內(nèi)從利川—建始西一帶五峰—龍馬溪組暗色泥巖厚度較大,一般多大于30 m,且多上覆三疊系蓋層,向斜的地層產(chǎn)狀平緩,地下水總礦化度較高,屬交替阻滯帶,受外來流體影響和破壞較小,為勘探的有利區(qū)帶。該帶向北經(jīng)重慶巫山一直延伸到巴洪沖斷帶前緣為上奧陶同五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖氣勘探有利區(qū)帶。
鄂西中央山復背斜、花果坪復向斜、宜都鶴峰復背斜頁巖的厚度一般小于30 m,且多為緊閉的褶皺,蓋層剝蝕后僅殘留在向斜的核部,區(qū)域上沒連成片,頁巖氣保存條件差。僅在鄂西南靠近重慶局部地區(qū)頁巖氣地質(zhì)條件相對較好。
圖7 湖北省上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖氣有利區(qū)帶預測Fig.7 The shale gas favorable area distribution for Upper Ordovician WufengFormation-Lower Silurian Longmaxi Formation in Hubei Province
湖北省上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組富有機質(zhì)頁巖主要分布在鄂西水下古隆起西側(cè)利川復向斜、黃陵隆起東緣當陽復向斜、神農(nóng)架隆起北緣等地,厚度一般為40~60 m,而古隆起帶該套黑色頁巖一般為10~20 m。
富有機質(zhì)頁巖有機碳含量一般為1%~3%,有機質(zhì)類型以Ⅱ型為主,成熟度為高—過成熟,整體上隆起帶具有低有機碳含量、低成熟度特征。
上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組富有機質(zhì)頁巖的石英礦物平均含量超過60%,孔隙度多小于5%,屬于低孔低滲型儲層;不同構造環(huán)境下,含氣性差異性較大,穩(wěn)定地區(qū)、壓性構造環(huán)境、張性構造環(huán)境頁巖的含氣性逐漸變差,當陽復向斜獲得的含氣量超過4 m3/t。
綜合考慮頁巖氣地質(zhì)條件,初步圈定利川復向斜、秭歸盆地西部、當陽復向斜為湖北省上奧陶統(tǒng)—下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖氣勘探的有利區(qū)帶。
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LI UAn1,BAO Han-Yong2,LI Hai1,WEI Kai1,LI Ji-Tao1,ZENG Xiong-Wei1
(1.Wuhan Center of China Geological Survey,Wuhan 430205,China;2.Exploration and Development Research Institute of SINOPEC Jianghan Oilfield,Wuhan 430223,China)
Analysis of the Shale Gas Geological Conditions of the Upper Ordovician Wufeng Formation-Lower Silurian Longmaxi Formation in Hubei Province and Predict the Favorable Zone.
We analysis the geological conditions of shale gas at the bottom of the Upper Ordovician Wufeng Formation-Lower Silurian Longmaxi Formation in Hubei Province,based on field geology investigation and previous studies of shale gas in Hubei Province.The distribution of black shale ofO3w-S1land its TOC were controlled by paleohigh;The black shales were thicker between the paleohighes or on the margin of paleohighes,The balck shales thickess is more than 40 m in West of Hubei submarine high,Northeast of Huangling paleohigh,North of Shennongjia paleohigh,and with TOC more than 2%,Ro between 2%to 3%.The porosity is less than 5%,with high content ofbrittle minerals such quartz.The gas content is controlled bypreservation condition,and most area of Hubei Province with bad preservation condition,structure stable area is better in gas content.Lichuan synclinorium,west of Zigui basin,Dangyang synclinorium are the favorable area zones for shale gas exploration in Hubei Province.
Hubei Province;Wufeng Formation;Longmaxi Formation;shale gas
中圖分類法:P534.42;P618.13A
1007-3701(2016)02-126-09
10.3969/j.issn.1007-3701.2016.02.004
2016-03-22;
2016-05-29.
中國地質(zhì)調(diào)查局“武陵—湘鄂西頁巖氣資源調(diào)查評價(12120114049801)”、“湖北宜昌—??档貐^(qū)頁巖氣基礎地質(zhì)調(diào)查(1210115005701)”項目資助.
劉安(1981—),男,碩士,從事油氣地質(zhì)調(diào)查與研究,E-mail:globstar@163.com.