宜城市-京山縣頁巖氣資源調查區(qū)五峰組-龍馬溪組頁巖氣保存條件分析

廖文魁，張 號,吳先文,胡 磊

(湖北煤炭地質勘查院，武漢 430000)

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宜城市-京山縣頁巖氣資源調查區(qū)五峰組-龍馬溪組頁巖氣保存條件分析

廖文魁，張 號,吳先文,胡 磊

(湖北煤炭地質勘查院，武漢 430000)

宜城市-京山縣調查區(qū)古生界五峰組-龍馬溪組頁巖發(fā)育范圍廣，烴源巖品質較好。通過收集近年來調查區(qū)頁巖氣評價項目相關資料和數(shù)據(jù)，分析了五峰組-龍馬溪組頁巖保存條件。結果表明：該區(qū)頁巖厚度大，有機質豐度較高，生氣條件較好，有機質微孔隙較多，頂?shù)装迳w層封堵性較好，具備生氣、儲氣條件；但是由于本區(qū)巖石的裂縫發(fā)育，構造變形強烈，構造復雜，不利于頁巖氣的保存，這也是本區(qū)未見良好氣顯示的一個重要原因。

頁巖氣；有機碳；礦物成分；孔隙特征；微裂隙；構造

0 引言

頁巖氣作為一種資源量巨大的非常規(guī)清潔能源，由于在北美地區(qū)大量商業(yè)開發(fā)，已成為全世界能源勘探的熱點。宜城市-京山縣調查區(qū)古生界富有機質頁巖發(fā)育，調查區(qū)內(nèi)雖然未見良好氣顯示，但是本區(qū)富有機質頁巖出露范圍廣，烴源巖品質較好?？辈轱@示，湖北省潛在資源量9.48萬億方，位居全國第五。本文以宜城市-京山縣五峰組-龍馬溪組頁巖為例，以實驗數(shù)據(jù)為基礎對本區(qū)頁巖的生氣能力、儲氣能力及后期壓力改造的潛力；探討頁巖氣富集的主控因素，為后期的頁巖氣勘探提供借鑒。

1 地質特征

本區(qū)頁巖氣工作區(qū)以京山斷裂為界，東北部屬于大洪山疊瓦狀逆沖推覆構造帶，構造單元為巴洪沖斷背斜中東段的大洪山臺褶束(Ⅱ11-2)，為古生界組成的褶皺束，自北而南分三部分：大洪山復背斜、客店坡復向斜和楊集褶皺帶；西南部為鐘祥褶皺沖斷帶和京山?jīng)_斷褶皺滑脫帶，鐘祥褶皺沖斷帶(鄂中褶斷區(qū))

(Ⅱ12)位于樂鄉(xiāng)關-潛江復背斜的北部，構造單元為鐘祥臺褶束(Ⅱ12-5)，北北西向的中、新生代斷陷盆地將該區(qū)分割成二凸二凹的構造格局，自西而東為：荊門地塹(斷凹)、樂關鄉(xiāng)斷凸、漢水斷凹以永隆河隆起。南部為沉湖土地堂復向斜北端京山?jīng)_斷褶皺滑脫帶之京山褶皺群(圖1)[2、4]。

區(qū)內(nèi)頁巖主要發(fā)育在上奧陶統(tǒng)五峰組-下志留統(tǒng)龍馬溪組和中二疊統(tǒng)孤峰組。其中上奧陶統(tǒng)五峰組-下志留統(tǒng)龍馬溪組主要含頁巖氣層段巖性為灰黑色碳質頁巖、硅質巖、硅質頁巖，富含豐富的筆石化石等生物，含有機質豐度較高，頁巖厚度大，分布范圍廣。

圖1 構造綱要圖Figure 1 Structural outline map

2 頁巖氣生儲條件

2.1 有機質碳含量

頁巖中的有機碳是頁巖氣的物質來源，總有機碳含量是評價頁巖氣生成與賦存條件的重要指標，眾多含頁巖氣研究實例表明頁巖氣的吸附能力與頁巖的有機碳含量之間存在著線性關系，因而有機碳含量是進行頁巖氣生成潛力及含氣性評價的基本參數(shù)。

本區(qū)上奧陶統(tǒng)五峰組-下志留統(tǒng)龍馬溪組厚度為87.60%～142.48m，有機碳(TOC)質量分數(shù)為0.14%～3.53%，平均值為1.72%，總體屬低-中頁巖氣層[10]。

2.2 頁巖氣儲層特征

頁巖氣儲層特征描述主要參數(shù)有孔隙度、滲透率、巖石密度、孔隙結構、礦物成分等。各項指標的評價標準主要參考《頁巖含氣量測定方法》(SY/T 6940-2013)、《頁巖氣資源/儲量計算評價技術規(guī)范》(DZ/T 0254-2014)，見表1。

2.2.1 巖石礦物成分

頁巖儲層的礦物組成除常見的黏土礦物(伊利石、蒙脫石、高嶺土)外，還混雜有石英、長石、方解石、白云石、黃鐵礦、菱鐵礦和磷灰石等脆性礦物。研究表明，頁巖氣儲層中黏土礦物的含量與吸附氣含量有一定關系，蒙脫石等膨脹性黏土礦物不利于后期壓裂的改造，石英等脆性礦物含量高有利于后期的壓裂改造形成裂縫，碳酸鹽礦物含量高有利于產(chǎn)生溶孔。因此，關于頁巖儲層黏土礦物的研究對頁巖氣勘探開發(fā)具有重要意義[8-9]。

表1 頁巖氣儲層分類

上奧陶統(tǒng)五峰組-下志留統(tǒng)龍馬溪組鉆孔礦物巖石X-衍射分析結果表明，上奧陶統(tǒng)五峰組-下志留統(tǒng)龍馬溪組所含主要礦物為黏土礦物和石英，含有少量長石(表2，圖2)。其中黏土礦物質量分數(shù)最小值28.4%，最大值52.2%，平均值42.46%；石英質量分數(shù)最小值27.9%，最大值55.4%，平均值37.99%；長石質量分數(shù)最小值為4.4%，最大值12.9%，平均值8.8%；鈣芒硝+白云石最小值為零，最大值24.4%，平均值僅有9.61%；黃鐵礦等礦物質量分數(shù)最小值為1.4%，最大值7%，平均值為4.10%?？傮w表現(xiàn)為黏土礦物正常，脆性礦物偏多，利于頁巖氣的吸附聚集和壓裂改造[10]。

表2 上奧陶統(tǒng)五峰組-下志留統(tǒng)龍馬溪組礦物成分分類統(tǒng)計表

圖2 上奧陶統(tǒng)五峰組-下志留統(tǒng)龍馬溪組礦物組成三角圖Figure 2 Upper Ordovician Wufeng Formation-lower Silurian Longmaxi Formation mineral composition triangular chart

2.2.2 巖石物性

頁巖具有低孔超低滲的特點，孔隙度一般不超過5%，滲透率一般為10-4～10-3mD。常規(guī)儀器用于測試相對高滲砂巖，由于在巖心樣品室和接口、閥門等處存在氣體微滲漏，測試值容易偏高，普遍在0.001mD以上。本測定采用專門低滲巖石滲透率測試裝置，僅限于頁巖基質孔隙，不包括微裂縫等影響，更接近真實值，采用的儀器與國際上幾個主要實驗室進行盲樣比對也是類似結論[7]。

根據(jù)鉆孔實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計，上奧陶統(tǒng)五峰組-下志留統(tǒng)龍馬溪組巖石物性特征表現(xiàn)為低孔-特低孔特低滲(表3)。

表3 上奧陶統(tǒng)五峰組-下志留統(tǒng)龍馬溪組巖石物性統(tǒng)計表

孔隙度為0.74%～2.05%，集中段1.02%～1.60%，平均值1.27%，其中小于2%(特低孔)的樣品占89%，大于2%小于5%(低孔)的樣品占11%，屬于特低孔儲層[10]。

滲透率為0.002 14～0.205 25mD，集中段0.010 97～0.053 71mD，平均值0.005 363mD，所有樣品值均遠小于1mD，屬于特低滲儲層[10]。

2.2.3 孔隙特征

如前所述，頁巖儲層的孔隙度和滲透率極低，非均質性極強，因而，頁巖氣藏中的游離氣主要儲集在頁巖基質孔隙和裂縫等空間中。由于頁巖中礦物組成、富有機質等獨特因素的存在，頁巖除基質孔隙外，天然裂縫的發(fā)育、有機質經(jīng)生烴演化后的消耗而增加的大量孔隙空間以及頁巖層中的粉、細砂巖夾層等，均可極大地增加頁巖的實際儲集空間，從而提高頁巖的儲氣能力[5-7]。

頁巖儲層的儲滲空間可分為基質孔隙和裂縫，一般為nm級。基質孔隙有殘余原生孔隙、有機質生烴形成的微孔隙、黏土礦物伊利石化形成的微裂(孔)隙和不穩(wěn)定礦物(如長石、方解石)溶蝕形成的溶蝕孔等[5-7]。

①殘余原生孔隙。主要是分散于片狀黏土中的粉砂質顆粒間的孔隙。這部分孔隙與常規(guī)儲層孔隙相似，隨埋藏深度增加而迅速減少?？紫洞笮∫话爿^小，普遍在1～10μm[5-7](圖3)。

②有機質孔隙。研究認為，頁巖中的孔隙以有機質生烴形成的孔隙為主。據(jù)Jarvie等人研究，有機質質量分數(shù)為7 %的頁巖在生烴演化過程中，消耗35 %的有機碳可使頁巖孔隙度增加49 %。有機微孔的直徑一般為0.01～1 μm，形態(tài)一般為蜂窩狀、條帶狀、塊狀[5-7]。

五峰組-龍馬溪組有機質孔隙較發(fā)育，形態(tài)主要為蜂窩狀、塊狀、條帶狀。其中蜂窩狀有機質孔隙大小一般為100～300 nm；條帶狀有機質孔隙一般較大，大小為1～5μm[10](圖4)。

③次生溶蝕孔隙。次生溶蝕孔隙的孔徑多數(shù)在0.01～0.05 mm，少數(shù)在0.05～0.6 mm，孔隙一般為不規(guī)則狀， 碳酸鹽含量較高時易形成溶蝕孔隙。該類次生孔隙是由于有機質脫羧后產(chǎn)生的酸性水對頁巖儲層的碳酸鹽礦物強烈溶蝕形成的。

五峰組-龍馬溪組次生溶蝕孔隙較為發(fā)育，主要有石英粒內(nèi)粒間溶孔，方解石粒內(nèi)溶孔，鈉長石粒內(nèi)溶孔等(圖5)，孔隙大小μm級[10]。

2.3 頂?shù)装宸舛聴l件

常規(guī)油氣勘探一般將蓋層分為兩類， 即直接蓋層和間接蓋層。直接蓋層是指直接覆于烴源巖之上的巖層系；間接蓋層是指區(qū)域上連片分布的泥頁巖或膏鹽層系等，且厚度大。頁巖氣屬于非常規(guī)油氣藏，其富有機質泥頁巖是典型的自身自儲式層系，上奧陶統(tǒng)五峰組-下志留統(tǒng)龍馬溪組頂板為下志留統(tǒng)(新灘組、羅惹坪組、紗帽組)頁巖、粉砂質頁巖、粉-細砂巖等，厚度1100～2500 m，具有良好的封蓋性能；底板為奧陶系生物碎屑灰?guī)r、砂屑灰?guī)r、瘤狀泥質灰?guī)r、頁巖等，厚度60～300 m，其中寶塔組、廟坡組、牯牛潭組、大灣組、紅花園組、南津關組為較致密的瘤狀泥質灰?guī)r、生物碎屑灰?guī)r、頁巖，具有一定的封堵性能。

μm級孔隙(×1000倍)(O3w-S1l，ZK1/Ty01) μm級孔隙(×5000倍)(O3w-S1l，ZK1/Ty01)圖3 上奧陶統(tǒng)五峰組-下志留統(tǒng)龍馬溪組殘余原生孔隙發(fā)育特征Figure 3 Upper Ordovician Wufeng Formation-lower Silurian Longmaxi Formation residual primary pore development features

多處有機質分布(×1千倍)(O3w-S1l，ZK1/Ty53) 進一步放大，有機質內(nèi)有礦物誕生，有兩條裂隙，最長約30um (×5千倍)(O3w-S1l，ZK1/Ty53)圖4 上奧陶統(tǒng)五峰組-下志留統(tǒng)龍馬溪組條帶狀nm級有機質孔隙(O3w-S1l，ZK1/Ty53)Figure 4 Upper Ordovician Wufeng Formation-lower Silurian Longmaxi Formation banded nanosized organic matter pores(O3w-S1l，ZK1/Ty53)

粒間孔與粒內(nèi)孔，溶蝕特征明顯(×2萬倍)(O3w-S1l，ZK1/Ty22) 40μm溶蝕孔隙(×1000倍)(O3w-S1l，ZK1/Ty32)圖5 上奧陶統(tǒng)五峰組-下志留統(tǒng)龍馬溪組粒內(nèi)粒間溶孔特征Figure 5 Upper Ordovician Wufeng Formation-lower Silurian Longmaxi Formation intragranular and intergranular dissolved pore features

雖然本區(qū)五峰組-龍馬溪組頂板巖性多為致密性巖層，但是結合實際鉆孔發(fā)現(xiàn)，本區(qū)下志留統(tǒng)各組段巖性多發(fā)育裂縫或石英脈體(方解石脈體)發(fā)育，裂縫的發(fā)育也不利于本區(qū)頁巖氣的保存[10]。

3 頁巖氣后期改造條件

3.1 裂縫

頁巖儲層中的裂縫多以微裂縫形式存在。其產(chǎn)生可能與斷層和褶皺等構造運動相關，也可能與有機質生烴時形成的輕微超壓而使頁巖儲層破裂有關。

微裂縫對頁巖氣儲層的影響是雙重的。一方面，微裂縫發(fā)育不但可以為頁巖氣的游離富集提供儲滲空間，增加頁巖氣游離態(tài)天然氣的含量；而且，微裂縫也有助于吸附態(tài)天然氣的解析，并成為頁巖氣運移、開采的通道。另一方面，微裂縫發(fā)育如與大型斷裂連通，對于頁巖氣的保存條件極為不利；地層水也會通過裂縫進入頁巖儲層，使氣井見水早，含水上升快，甚至可能暴性水淹[8-9]。

從鉆孔清水試驗來看，在五峰組-龍馬溪組富有機質泥頁巖中，凡裂縫發(fā)育者(即使有方解石等充填)，入水冒泡則有一定量顯示，頁巖氣顯示較活躍，反映了頁巖氣聚集較多，推測相應頁巖氣藏愈富集[10]。

上奧陶統(tǒng)五峰組-下志留統(tǒng)龍馬溪組微裂縫主要見于黏土、鈉長石和石英中，大小200 nm(圖6)。

3.2 構造

五峰組-龍馬溪組含氣頁巖層段沉積后，工作區(qū)處于揚子大陸邊緣盆地穩(wěn)定發(fā)展階段，在早泥盆世，海陸面貌發(fā)生了重大變化，秦嶺-大別-桐柏隆起成陸，揚子板塊也受加里東運動的影響抬升成陸，完成了兩個板塊的對接，揚子區(qū)普遍缺失這一地史時期的沉積。此后，海水再度入侵，繼續(xù)揚子淺海盆地的發(fā)展，直至晚三疊世，受印支運動的影響，揚子板塊與秦嶺板塊發(fā)生碰撞而隆起成陸，構造運動進入燕山旋迴。燕山運動對工作區(qū)含氣頁巖層段的改造甚劇，揚子板塊向秦嶺板塊俯沖，區(qū)域上發(fā)育了一系列的逆沖推覆構造，形成規(guī)模較大的斷裂，具代表性的為青寨子、京山、胡集、荊門等斷裂。根據(jù)收集的資料來看：本區(qū)印支期以來的構造運動對頁巖氣保存有利與不利并存，但是燕山期構造運動對頁巖氣保存破壞較大[1-6]。

從平面上，京山斷裂以北，構造變形十分強烈，對頁巖氣的保存十分不利。京山斷裂以南，構造變形的影響相對較小，是含氣頁巖層段保存相對完好的地段，這一范圍是：永興鎮(zhèn)-京山-長壽-客店-謳樂-雅口-豐樂-石龍等城鎮(zhèn)圍限的范圍。

發(fā)育微裂縫，寬度200nm(×1萬倍)(O3w-S1l，ZK1/Ty06) 發(fā)育微裂縫，寬度200nm(×2萬倍) (O3w-S1l，ZK1/Ty06) 圖6 上奧陶統(tǒng)五峰組-下志留統(tǒng)龍馬溪組微裂縫特征Figure 6 Upper Ordovician Wufeng Formation-lower Silurian Longmaxi Formation microfissure features

4 結論

(1)本區(qū)五峰組-龍馬溪組厚度大、分布面積廣，有機質豐度較高，是頁巖氣的生氣層；

(2)該組孔隙度為0.74%～2.05 %，平均值1.27 %，屬于低孔-特低孔儲層；滲透率為0.00214～0.20525 mD，平均值0.005363 mD，所有樣品值均遠小于1 mD，屬于特低滲儲層；

(3)該組殘余原生孔隙、次生溶蝕孔隙和裂縫均較發(fā)育，有機質孔隙不發(fā)育。石英等脆性礦物含量高，石英質量分數(shù)為27.9%～55.4 %，平均值37.99 %；屬較易壓裂開采類；

(4)該組地層頂、底板具有一定的封堵性，但是裂隙、石英脈(方解石脈)的發(fā)育對頁巖氣的保存不利；

(5)五峰組-龍馬溪組頁巖微裂縫發(fā)育，本區(qū)微裂縫對頁巖氣儲層的影響是有利的；但是本區(qū)構造變形十分強烈，不利于頁巖氣的保存。

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Wufeng and Longmaxi Formations Shale Gas Preservation Condition Analysisin Yicheng-Jingshan Shale Gas Resources Investigation Area

Liao Wenkui, Zhang Hao, Wu Xianwen and Hu Lei

(Hubei Coal Geological Exploration Institute, Wuhan, Hubei 430000)

The shale in Paleozoic Wufeng and Longmaxi formations has widely developed in the Yicheng-Jingshan shale gas investigation area, and source rock quality is rather good. Based on investigation area shale gas assessment projects related information and data in recent years, analyzed the preservation condition in the formations. The result has shown that shale in the area has large thickness, higher organic matter abundance, better gas generation condition, more organic matter microfissures, roof, floor and overburden have better sealing ability, thus possess gas generation and preservation conditions. But because of developed fissure in rocks, stronger structural deformation in the area and complicated structures count against to shale gas preservation, thus the major reason without good gas indications in the area.

shale gas; organic carbon; mineral composition; pore features; microfissure; structure

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.06.07

1674-1803(2017)06-0039-06

廖文魁(1964—)，2011年畢業(yè)于武漢科技大學(成教)采礦工程專業(yè)，從事地質工作。

2017-04-05

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責任編輯：宋博輦