鄂西地區(qū)頁巖儲層伽瑪能譜特征與沉積環(huán)境及綜合評價

梁學堂, 張祎然, 張海強

(湖北省地質局 地球物理勘探大隊,湖北 武漢 430056)

隨著中國經濟快速發(fā)展,對能源的需求急劇增大,在全球化石燃料總量減少及其開發(fā)利用給環(huán)境帶來惡化的情況下,勘探開發(fā)頁巖氣,是以中國地質調查局為首的決策部門提出的戰(zhàn)略遠景規(guī)劃。近年來,在鄂西揚子陸塊區(qū)部署了大量的頁巖氣調查工作,目前已取得了“湖北宜昌震旦、寒武、志留系獲得多層頁巖氣重大發(fā)現(xiàn)”的成果。

頁巖氣,是指主體上以吸附和游離狀態(tài)存在于低孔隙度、特低滲透率、富有機質的暗色泥頁巖或高碳泥頁巖層中的非常規(guī)天然氣。和其它能源相比,它更高效且清潔。2011年,國務院批準頁巖氣為新的獨立礦種,為中國第172種礦產。但世界上勘探開發(fā)頁巖氣,卻始于80多年前的美國。經過幾十年的不斷探索,美國已對包括密西根、印第安納等5個盆地的頁巖氣實現(xiàn)了大規(guī)模的商業(yè)性開采。目前,中國重慶涪陵礁石壩地區(qū)也成為全球北美地區(qū)以外第一個進行商業(yè)開采的大型頁巖氣田。而與重慶涪陵礁石壩地區(qū)同樣處于上揚子陸塊區(qū)的鄂西地區(qū),目前仍處于頁巖氣調查及勘探評價選區(qū)階段。因此,應用鄂西地區(qū)頁巖氣調查伽瑪能譜測井資料,對頁巖儲層進行沉積環(huán)境分析,結合頁巖儲層的巖石物理模型,開展頁巖儲層綜合評價,對提升該區(qū)頁巖氣找礦效果具有重要的科研及現(xiàn)實意義。

1 區(qū)域地質背景

包括鄂西在內的中揚子陸殼是在中太古代—古元古代微型陸核的基礎上,中新元古代經過多期褶皺、變質和巖漿活動等固結作用形成的。存在結晶基底和褶皺基底兩種類型的基底,以水月寺(巖)群、崆嶺(巖)群及TTG片麻巖巖套(古老深成侵入體)等剛性結晶基底為核心,局部周圍發(fā)育神農架群、冷家溪群等褶皺基底[1]。

鄂西地區(qū)廣泛分布多套富有機質泥頁巖層系,具有利的沉積相帶及巨厚的海相、過渡相及陸相沉積地層。初步分析表明,區(qū)內包括下震旦統(tǒng)陡山沱組、下寒武統(tǒng)牛蹄塘組、上奧陶統(tǒng)—下志留統(tǒng)龍馬溪組、上二疊統(tǒng)大隆組等4套海相富有機質泥頁巖地層,厚度較大,分布廣,具有形成頁巖氣良好的物質基礎[2-4]。

該區(qū)地層出露齊全,沉積序列完整,構造變形強弱不一,是尋找頁巖氣的理想地區(qū),2010年國土資源部把該地區(qū)列為國內頁巖氣勘探的第一梯次先導試驗區(qū)。據(jù)湖北省地質調查院2014年度實施的“秭地1井”的鉆探成果,首次在鄂西秭歸地區(qū)震旦系陡山沱組、寒武系牛蹄塘組發(fā)現(xiàn)頁巖氣顯示。2015年,中國地調局油氣調查中心與湖北省地質調查院又在該區(qū)聯(lián)合部署了“秭地2井”,該井在寒武系牛蹄塘組和震旦系陡山沱組獲得重大頁巖氣發(fā)現(xiàn),其中牛蹄塘組最高含氣量達4.45 m3/t,是截至目前武陵山地區(qū)牛蹄塘組獲得的最高含氣量;陡山沱組最高含氣量為1.67 m3/t,陡山沱組是全球目前已發(fā)現(xiàn)的最古老的含頁巖氣層位[3-4]。各種跡象表明,處于揚子陸塊上的鄂西地區(qū)具有巨大的頁巖氣找礦潛力。

2 頁巖儲層沉積環(huán)境分析交會圖法

2.1 沉積環(huán)境影響有機質保存的機理

頁巖氣聚集成藏需要豐富的氣源物質基礎,要求生烴有機質含量達到一定標準。有機質豐度高的黑色泥頁巖是頁巖氣成藏的最好源巖,它們的形成需要較快速的沉積條件和封閉性較好的還原環(huán)境。沉積速率較快可以使得富含有機質頁巖在被氧化破壞之前能夠大量沉積下來,而水體缺氧可以抑制微生物的活動性,減小其對有機質的破壞作用。在沉積埋藏后控制甲烷產量的因素是缺氧、缺硫酸鹽環(huán)境,低溫、富含有機物質和具有充足的儲存氣體的空間。

泥頁巖是否具有頁巖氣的生氣潛力,與其形成環(huán)境有很大的關系。高能環(huán)境為淺水氧化環(huán)境,水體動蕩較大,多沉積粗粒沉積物;低能環(huán)境一般是深水還原環(huán)境,水體安靜,多沉積細粒沉積物或化學沉積物,而后者更有利于有機質的沉積和保存。

一般情況下,高能環(huán)境下的釷含量比低能環(huán)境下高,低能環(huán)境下鈾和鉀含量較高。另外,鈾含量與氧化還原環(huán)境有關,還原環(huán)境有機質含量高、鈾含量高,氧化環(huán)境下釷含量比較高。釷、鉀含量還與粘土關系密切。

Th/K主要反映沉積能量大小,在高能環(huán)境下Th/K比值高,低能環(huán)境下Th/K比值低。比值在10以上為高能環(huán)境,10～6為亞高能環(huán)境,6～3為低能環(huán)境[5-7]。

Th/U主要反映化學相,氧化環(huán)境下Th/U比值高,還原環(huán)境下Th/U比值低。據(jù)經驗統(tǒng)計,Th/U值>7時,主要為陸相泥巖和鋁土礦,屬風化完全、有氧化和淋濾作用的陸相沉積;2～7一般為氧化—還原過渡帶的沉積環(huán)境;<2為強還原環(huán)境的海相沉積,巖性為海相暗色泥巖、石灰?guī)r及磷酸鹽巖。

良好頁巖氣儲層一般顯示為高放射性。導致頁巖氣儲層放射性元素增高的原因有二:其一是泥頁巖在形成過程中吸附了放射性元素,粘土顆粒吸附放射性物質能力較強,最常見的為鈾、釷、鉀三種元素;其二是有機質含量豐富,干酪根形成與鈾沉積環(huán)境有很好的正相關性,同為低能、強還原環(huán)境,鈾元素沒被氧化而被保存。

自然伽瑪能譜測井,可以測量出鈾(U)、釷(Th)、鉀(K)等放射性元素各自不同能譜段的計數(shù)率,并通過換算系數(shù),求出地層中鈾(10-6)、釷(10-6)的濃度和鉀(%)的含量[8-9]。將測量的鈾、釷、鉀忽略各自的單位,計算比值Th/U、Th/K。研究表明,這些比值在研究沉積環(huán)境、識別高放射性儲層、計算儲層參數(shù)、評價生氣巖等方面具有重要意義。

2.2 交會圖分析方法簡介

測井交會圖是由兩種測井參數(shù)組成一個直角坐標系,然后分別把各個巖性的測井值畫到該坐標系里,對一些已進行巖性分層的測井統(tǒng)計值的觀測,可以看出不同巖性的點分布在不同的區(qū)域,根據(jù)不同巖性的物性分區(qū)特點就可以進一步進行儲層或巖性識別。

伽瑪能譜測井交會圖一般分為兩種,即Th、K交會圖,Th、U交會圖。

(1) 以Th含量為縱坐標,其單位為10-6,以K含量為橫坐標,其單位為%;以Th/K比值(直線斜率)為象限,分別以10、6、3為斜率來劃分區(qū)域;然后把各個儲層的測井值落點到該坐標系里,分析落點在哪個區(qū)域,就可以分析儲層的沉積能量的大小。據(jù)此可以判別儲層是高能環(huán)境、亞高能環(huán)境,還是低能環(huán)境。

(2) 以Th含量為縱坐標,其單位為10-6,以U含量為橫坐標,其單位為10-6;以Th/U比值(直線斜率)為象限,分別以7、2為斜率劃分區(qū)域;然后分別把各個儲層的測井值落點到該坐標系里,分析落點在哪個區(qū)域,就可以分析儲層的化學相。據(jù)此可以判別儲層是屬于風化完全、有氧化和淋濾作用的陸相沉積,還是氧化—還原過渡帶的沉積環(huán)境,還是強還原環(huán)境的海相沉積。

舉例:圖1為Th、K交會圖,其為用于劃分巖性的參考圖,圖2為鄂西地區(qū)某測井頁巖儲層進行巖性劃分和沉積環(huán)境分析所做的交會圖。

圖1 釷/鉀用于劃分巖性的交會圖Fig.1 Thorium/potassium cross plot for lithology classification

從圖2可看出,某頁巖儲層Th、K含量值落點在Th/K比值3.5～12變化范圍內,參考圖1知道,該儲層粘土類型為蒙脫石,沉積能量為亞高能環(huán)境。Th、U含量值落點在Th/U比值<2的范圍內,表明該頁巖儲層化學相為強還原環(huán)境的海相沉積,巖性為黑色海相泥巖、石灰?guī)r及磷酸鹽巖。強還原環(huán)境有利于有機質的保存,有較好的生氣潛力。

圖2 某頁巖儲層Th-K、Th-U交會圖Fig.2 Th-K and Th-U cross plot of a shale reservoir

3 鄂西頁巖儲層伽瑪能譜特征及沉積環(huán)境分析

本次研究共收集了5口有頁巖氣顯示、涵蓋鄂西四套頁巖儲層的伽瑪能譜測井資料(鉆井分布位置詳見圖3),其中大隆組1口、龍馬溪組與牛蹄塘組各2口、陡山沱組1口(見表1)。

根據(jù)伽瑪能譜特征與沉積環(huán)境關系,簡要分析如下:

3.1 陡山沱組(Z1d)頁巖儲層伽瑪能譜特征及沉積環(huán)境

圖3 測井位置分布略圖Fig.3 Map of well location distribution

表1 頁巖儲層伽瑪能譜特征分析表Table 1 Analysis of gamma spectrum characteristics of shale reservoirs

地層層位井號層位深度/mGR均值/APITh/10-6K/%U/10-6Th/KTh/U沉積環(huán)境大隆組D1700～7202337.9～12.8均值10.70.6～1.6均值1.011.0～18.0均值14.75.2～20.5均值11.20.6～1.1均值0.7高能還原環(huán)境龍馬溪組L1770～7802830.1～72.8均值22.20.3～9.9均值3.02.9～64.5均值17.70.1～20.2均值7.60.1～4.8均值1.5亞高能還原環(huán)境L2615～6252644.2～45.9均值19.32.3～5.2均值2.817.1～78.8均值19.31.8～10.0均值6.90.3～2.0均值1.3亞高能還原環(huán)境牛蹄塘組N11 775～1 7853004.1～42.4均值17.41.0～8.4均值4.22.2～20.7均值8.33.0～6.2均值4.21.0～3.2均值1.9低能還原環(huán)境Z1805～8154736.8～63.8均值33.61.4～9.2均值5.05.0～100.2均值37.42.4～10均值6.70.1～3.4均值1.9亞高能還原環(huán)境陡山沱組Z11 320～1 330110.1～4.8均值2.50.1～1.0均值0.60.11～1均值0.60.2～23.6均值5.20.3～9.7均值4.5亞高能過渡環(huán)境

圖4 Z1井頁巖儲層Th-K、Th-U交會圖Fig.4 Th-K and Th-U cross sections of shale reservoirs in well Z1

圖5 N1井頁巖儲層Th-K、Th-U交會圖Fig.5 Th-K and Th-U cross sections of shale reservoirs in well N1

圖6 Z1井(牛蹄塘組)頁巖儲層Th-K、Th-U交會圖Fig.6 Th-K and Th-U cross sections of shale reservoirs in Z1 well(Niutitang Formation)

Z1井1 320～1 330 m井段為陡山沱組泥頁巖,放射性元素含量及其比值詳見表1,該層厚為10 m,GR值很小,均值為11 API,幾乎無任何放射性異常,說明該井段Th、K、U放射性元素含量極少,有機質含量低。從陡山沱組Th/K、Th/U交會圖(圖4)知道,Th、K含量值落點在Th/K比值<10范圍內,該儲層粘土類型為蒙脫石、伊利石混層,沉積能量為亞高能環(huán)境。Th、U含量值落點在Th/U比值為2～7范圍內,化學相為氧化—還原過渡帶的沉積環(huán)境。綜合分析認為,該層泥頁巖有機質含量較低,沉積環(huán)境不甚有利,生烴潛力一般。

3.2 牛蹄塘組(∈1n)頁巖儲層伽瑪能譜特征及沉積環(huán)境

N1井1 775～1 785 m井段、Z1井805～815 m井段為牛蹄塘組泥頁巖,放射性元素含量及其比值詳見表1。該層厚為10 m,GR值很高,變化范圍為300～473 API,為四個頁巖氣儲層最高值,說明該儲層Th、K、U放射性元素含量極高,有機質很豐富。從陡山沱組Th/K、Th/U交會圖(圖5、圖6)知道,N1井 Th、K含量值落點在Th/K比值為3～6范圍內,該儲層粘土類型為蒙脫石,沉積能量為低能環(huán)境;Z1井 Th、K含量值落點在Th/K比值為3～10范圍內,該儲層粘土類型以蒙脫石為主,伊利石少量,沉積能量為亞高能—低能環(huán)境。兩口井Th、U含量值落點在Th/U比值<2范圍內,化學相為強還原沉積環(huán)境。綜合分析認為,該層泥頁巖有機質含量很高,沉積環(huán)境有利,有很好的生烴潛力。

3.3 龍馬溪組(O3S1l)頁巖儲層伽瑪能譜特征及沉積環(huán)境

L1井770～780 m井段、L2井615～625 m井段為龍馬溪組泥頁巖,放射性元素含量及其比值詳見表1。該層厚為10 m,GR值高,僅次于牛蹄塘組,變化范圍為264～283 API,說明該儲層Th、K、U放射性元素含量較高,有機質較豐富。從龍馬溪組Th/K、Th/U交會圖(圖7、圖8)知道,兩口井 Th、K含量值落點大多在Th/K比值為2～10范圍內,該儲層粘土類型為蒙脫石、伊利石、云母混層,沉積能量為亞高能—低能環(huán)境。兩口井Th、U含量值落點大多在Th/U比值<2范圍內,L1井有少量落點在2～7范圍內,化學相綜合為還原沉積環(huán)境。綜合分析認為,該層泥頁巖有機質含量較高,沉積環(huán)境有利,具有良好的生烴潛力。

圖7 L1井頁巖儲層Th-K、Th-U交會圖Fig.7 Th-K and Th-U cross sections of shale reservoirs in well L1

圖8 L2井頁巖儲層Th-K、Th-U交會圖Fig.8 Th-K and Th-U cross sections of shale reservoirs in well L2

圖9 D1井頁巖儲層Th-K、Th-U交會圖Fig.9 Th-K and Th-U cross sections of shale reservoirs in D1 well

3.4 大隆組(P3d)頁巖儲層伽瑪能譜特征及沉積環(huán)境

D1井700～720 m井段為大隆組泥頁巖,放射性元素含量及其比值詳見表1。該層厚為20 m,GR值較高,均值為233 API,說明該井段Th、K、U放射性元素含量較高,有機質較豐富。從大隆組Th/K、Th/U交會圖(圖9)知道,Th、K含量值落點在Th/K比值為11.2,該儲層粘土類型為蒙脫石,沉積能量為高能環(huán)境。Th、U含量值落點在Th/U比值<2范圍內,化學相為強還原沉積環(huán)境。綜合分析認為,該層泥頁巖有機質含量較高,沉積環(huán)境較有利,具有一定的生烴潛力。

4 鄂西頁巖儲層綜合評價

為了頁巖儲層綜合評價結果更符合客觀實際,并盡可能具有代表性,本文共收集、利用了2口陡山沱組、5口牛蹄塘組、4口龍馬溪組、2口大隆組共13口地球物理測井數(shù)據(jù),通過建立巖石物理模型,計算出儲層參數(shù),結合收集的鄂西地區(qū)有機地化特征等資料來開展綜合評價。

4.1 頁巖儲層綜合評價標準

評價泥頁巖儲層的關鍵地質要素主要有儲層物性、儲層礦物成分、有機質類型、有機質豐度、有機質成熟度、儲層含氣性、頁巖力學性質、頁巖氣層埋深、頁巖氣藏厚度等。美國作為頁巖氣勘探技術成熟國家,通常把富集、可采性的頁巖氣藏的基本標準定義為:有機質豐度較高,成熟度較高,一般有機質類型較好,脆性礦物含量較高。

在參考地區(qū)經驗的基礎上、結合掌握的實際材料,建立簡化的評價標準(見表2)。

4.2 震旦系陡山沱組頁巖儲層綜合評價

陡山沱組含碳泥頁巖有機質成熟度高,干酪根類型為Ⅰ型,裂隙發(fā)育、孔隙度大、滲透率高,是較好的頁巖氣儲層。雖然通過測井參數(shù)計算的有機碳(TOC)含量相對較低,但據(jù)相關研究,前古生界地層碳酸鹽巖有機碳含量下限>0.1%～0.2%,即可適于生成油氣[10-11]。

表2 鄂西上揚子陸塊區(qū)頁巖氣層分類評價參考表Table 2 Reference table for shale gas classification evaluation in Upper Yangtze block of Western Hubei Province

注:1) Ⅰ型干酪根—腐泥型來自藻類沉積物,或有機質被細菌改造而成,生油潛能大;Ⅱ型干酪根—混合型來源于海相浮游生物和微生物,生油潛能中等;Ⅲ型干酪根—腐殖型來源于陸地高等植物,對生油不利,但可成為有利的生氣來源。

2) 根據(jù)常用的烴源巖有機質豐度指標,按有機碳含量,泥質烴源巖可分類為好烴源巖TOC>1.0%,較好烴源巖TOC 0.6%～1.0%,烴源巖下限TOC>0.4%。

3) 有機質成烴演化階段中過成熟為深部高溫生氣階段,高成熟為熱裂解生凝析氣階段,成熟為熱催化生油氣階段,未成熟為生物化學生氣階段。

陡山沱組儲層泥質成分含量低,說明吸附氣較少;但含氣飽和度、孔隙度均較高,說明頁巖氣以游離氣為主。經綜合評價,陡山沱組頁巖儲層為Ⅲ類頁巖(表3)。

在鄂西地區(qū),陡山沱組炭質頁巖廣泛分布,黑色頁巖厚度一般為20～55 m,天陽坪斷裂以北厚度達105 m。有機碳含量范圍值為0.5%～1.3%,平均值約為0.7%。鏡質體反射率值(Ro)為2.8%～3.5%,總體處于過成熟階段,有機質類型屬于Ⅰ型。但伽瑪能譜分析結果表明,該儲層泥頁巖沉積能量為亞高能,化學相為氧化—還原過渡帶的沉積環(huán)境,沉積環(huán)境不甚有利,且有機質含量較低。綜合考慮其它儲層參數(shù),認為區(qū)內天陽坪斷裂以北地區(qū)陡山沱組有一定的頁巖氣資源勘探潛力。

表3 陡山沱組頁巖儲層綜合評價表Table 3 Comprehensive evaluation table for shale reservoirs in Doushantuo Formation

4.3 寒武系牛蹄塘組頁巖儲層綜合評價

牛蹄塘組含碳泥頁巖有機質成熟度高,干酪根類型為Ⅰ型,微裂隙相對發(fā)育,孔隙度較大,滲透率中等(小于陡山沱組),是良好的頁巖氣儲層。通過測井參數(shù)計算的有機碳含量高、泥質含量高、含氣飽和度高、孔隙度高,說明頁巖氣以游離氣為主,但因泥質含量高造成吸附氣與游離氣的比值要高于陡山沱組儲層。經綜合評價,牛蹄塘組頁巖氣儲層為Ⅱ類頁巖(表4)。

表4 牛蹄塘組頁巖儲層綜合評價表Table 4 Comprehensive evaluation table for shale reservoir of Niutitang Formation

在鄂西地區(qū),牛蹄塘組炭質頁巖廣泛分布,黑色頁巖厚度大、連續(xù)性好(秭地1井牛蹄塘組下部連續(xù)的優(yōu)質黑色頁巖厚度近120 m),有機碳分布范圍主要集中在1.5%～6.5%之間,平均值3.5%;有機質類型為Ⅰ型(腐泥型);Ro分布范圍主要集中在2.5%～3.5%之間,平均值2.8%,總體為過成熟[3-7]。伽瑪能譜分析結果表明,該儲層泥頁巖沉積能量為低能,化學相為強還原沉積環(huán)境,沉積環(huán)境很有利,且有機質含量很高。因此,區(qū)內牛蹄塘組具有很大的勘探潛力,是目前鄂西地區(qū)頁巖氣顯示最好層段。

4.4 志留系龍馬溪組頁巖儲層綜合評價

志留系下統(tǒng)龍馬溪組含碳泥頁巖主要為深水陸棚相,沉積環(huán)境優(yōu)越,孔隙度較大,滲透率較高,微孔隙相對發(fā)育,含氣頁巖厚度相對較大,是良好的頁巖氣儲層。干酪根類型好,有機質成熟度高;通過測井參數(shù)計算的有機碳含量高、泥質含量高、含氣飽和度高、孔隙度高,頁巖氣游離氣高于吸附氣。經綜合評價,龍馬溪組頁巖儲層以Ⅲ類為主,部分為Ⅱ類頁巖氣(表5)。

表5 龍馬溪組頁巖儲層綜合評價表Table 5 Comprehensive evaluation of shale reservoirs in Longmaxi Formation

在鄂西地區(qū),龍馬溪組暗色頁巖分布較廣,黑色頁巖厚度中等、連續(xù)性好,有機碳分布范圍主要集中在1.8%～5.5%之間,平均值2.5%;有機質類型為Ⅰ型(腐泥型),部分為Ⅱ1型(混合型);Ro分布范圍主要集中在2.5%～2.9%之間,平均值2.7%,總體處于高成熟—過成熟階段[10,12],處于有利生氣階段。伽瑪能譜分析結果表明,該儲層泥頁巖沉積能量為亞高能—低能環(huán)境,化學相為還原環(huán)境,沉積環(huán)境有利,有機質含量很高,有良好的生氣潛力,鄂西地區(qū)龍馬溪組具有好的勘探潛力。

4.5 二疊系大隆組頁巖儲層綜合評價

從收集的兩口測井資料上來看,大隆組有機碳含量值分布范圍主要集中在4.8%～8.5%之間,平均值高達5.5%,和其它頁巖氣儲層相比高很多(但實測資料計算的結果與其它儲層相比是一個數(shù)量級,可能為測井數(shù)較少,不具備統(tǒng)計規(guī)律);有機質類型主要為Ⅲ型(腐殖型),部分為Ⅱ1型(混合型);Ro分布范圍主要集中在1.5%～1.9%之間,平均值1.7%,總體處于高成熟階段。另外,從計算出的其它儲層參數(shù)上來看,相比較而言,區(qū)內大隆組泥質含量較低,不利于吸附氣的形成;含氣飽和度、孔隙度、滲透率等與其它儲層相比也較低,屬于低孔—特低孔、特低滲型儲層[7],這一方面說明儲藏條件相對較差,另一方面也說明游離氣較少。總之,不論是有機質類型、干酪根成熟度,還是頁巖氣生、儲、蓋條件,大隆組和其它三個頁巖氣儲層相比皆有一定的差距。但從目前的勘探結果來看,比如巴頁1井,鉆遇大隆組黑色頁巖厚度達60 m,現(xiàn)場解析頁巖氣顯示較好。因大隆組有機碳含量很高,富有機質泥頁巖厚度較大,處于高成熟階段,熱演化程度適中,故在保存條件較好的地區(qū)仍具有較好的頁巖氣勘探潛力。另外,伽瑪能譜分析結果表明,該儲層粘土類型為蒙脫石,沉積能量為高能環(huán)境,化學相為強還原沉積環(huán)境。綜合分析認為,該層泥頁巖有機質含量較高,化學相有利,有一定的生氣潛力,為Ⅲ類頁巖(表6)。

表6 大隆組頁巖儲層綜合評價表Table 6 Comprehensive evaluation table of shale reservoir in Dalong Formation

5 結語

綜上所述,湖北省鄂西地區(qū)四套頁巖儲層的沉積環(huán)境是不同的,生氣能力也有一定的差異。

(1) 陡山沱組總體為淺海臺地—盆地邊緣或臺凹(盆)環(huán)境沉積,為相對有利相帶。但該儲層放射性元素Th、U、K含量非常低,這一方面說明了在新元古代晚期,海洋生物(藻類)不甚發(fā)育,有機碳含量低,生氣烴源巖質量差;另一方面,也說明了該儲層泥質含量少,有別于鄂西地區(qū)其它三套泥頁巖儲層,實為致密碳酸鹽巖儲層[11],與美國鷹灘頁巖相似,仍屬典型的自生自儲非常規(guī)儲層,為廣義的頁巖儲層。

(2) 牛蹄塘組為淺水陸棚—深水陸棚邊緣相沉積,為有利相帶。該儲層放射性元素U、K含量非常高,且Th/K、Th/U比值低,這說明該層有機質含量非常高,是寒武紀生物大暴發(fā)的具體表現(xiàn)。在鄂西四套頁巖氣儲層中,U含量最高,是放射性儲層,為典型的低能強還原環(huán)境,是鄂西頁巖氣最有找礦潛力的目標地層。

(3) 龍馬溪組主體為較深水陸棚沉積,沉積相帶較為有利。該儲層放射性元素Th、U、K含量高,僅次于牛蹄塘組地層,但和牛蹄塘組地層相比,Th含量較高,說明該地層形成的環(huán)境為亞高能環(huán)境,為氧化—還原過渡帶的沉積環(huán)境,生氣潛力和牛蹄塘組地層相比略差。但這并非是絕對的,著名的重慶礁石壩頁巖氣田就是產于龍馬溪組地層,這可能與鄂西地區(qū)相隔齊岳山背斜,二者的沉積相不同或者是后期構造環(huán)境不同造成的。另外,產氣能力評價是多因素的評價,并非沉積環(huán)境這樣一個因素所決定的。

(4) 大隆組為臺盆—臺地邊緣沉積,沉積環(huán)境總體相對有利。該儲層放射性元素Th、U含量高,有機質含量高,Th/K比值>10、Th/U<1.5,為高能—強還原環(huán)境,生氣能力比牛蹄塘組、龍馬溪組要相對低些。

若要對鄂西地區(qū)頁巖儲層生氣能力進行排序的話,單純以伽瑪能譜分析結果來考量,大致是牛蹄塘組>龍馬溪組>大隆組>陡山沱組這樣的一個結果。這個結果從目前在鄂西地區(qū)開展的頁巖氣調查井見氣情況來看是基本吻合的。當然,要實現(xiàn)商業(yè)性開采,需要考慮的關鍵地質要素有很多,主要有儲層物性、儲層礦物成分、有機質類型、有機質豐度、有機質成熟度、儲層含氣性、頁巖力學性質、頁巖氣層埋深、頁巖氣藏厚度等等。因此,這種排序只能具參考意義。

總之,利用伽瑪能譜測井技術,通過對Th、U、K含量及其Th/K、Th/U比值大小的分析,可以了解頁巖儲層沉積環(huán)境。通過對頁巖儲層沉積環(huán)境的分析,判別出儲層是高能或是低能環(huán)境,是氧化或是還原環(huán)境,對頁巖氣綜合評價具有重要的參考意義。該方法廣泛應用于石油勘探、常規(guī)天然氣勘探、煤層氣勘探,但應用于鄂西頁巖氣調查中對儲層生氣能力進行概略分析,在湖北省尚屬首次,這是一種有益的探索和嘗試,同時,也可以為后期開展鄂西地區(qū)頁巖氣調查、勘探開發(fā)提供可靠的地球物理信息。

致謝:本文是在本人承擔的《綜合數(shù)字測井系統(tǒng)在鄂西地區(qū)頁巖氣調查中的應用與研究》項目基礎上完成的,感謝湖北省地質局物探隊物探所測井室提供的測井資料,感謝湖北省地質局科技處對本項目的支持,感謝中國地質大學地空學院潘和平、馬火林兩位教授的技術指導,感謝武漢地質調查中心王傳尚、湖北省地質調查院劉早學、李雄偉等專家對頁巖氣地球物理測井工作的支持。