湖南省保靖地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁巖氣成藏條件分析

李 斌, 崔春蘭， 張躍恒， 胡博文, 羅 群

(1.神華地質勘查有限責任公司，北京 100022； 2.中國石油大學(北京)地球科學學院，北京 102249)

0 引言

近年來，針對揚子地區(qū)牛蹄塘組和龍馬溪組開展了頁巖氣勘探研究工作，在四川盆地及周緣威遠—長寧、富順—永川、涪陵焦石壩地區(qū)的龍馬溪組頁巖取得重大發(fā)現(xiàn)，相繼建成頁巖氣先導試驗區(qū)和產(chǎn)能示范區(qū)，進行工業(yè)化開采[1-3]。而下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁巖分布面積廣、厚度大[4]，四川盆地周緣陸續(xù)在多口探井發(fā)現(xiàn)頁巖氣顯示或低產(chǎn)氣流，但無工業(yè)化開采的前景。近期，中國地質調查局在湖北宜昌古隆起斜坡帶鄂宜頁1井調查中取得了重大發(fā)現(xiàn)，該井初步顯示具有6.02×104m3/d、無阻流量12.38×104m3/d的高產(chǎn)頁巖氣流。這一發(fā)現(xiàn)，重新引起了人們對四川盆地周緣牛蹄塘組的重視。神華地質勘查有限責任公司從2013年開始在湖南保靖地區(qū)進行頁巖氣勘探，開展了專項區(qū)域地質調查和頁巖氣探井工作，針對牛蹄塘組實施了一口探井(保頁2井)，獲得了階段性研究成果。本文應用探井與野外地質調查資料，分析研究區(qū)頁巖氣成藏地質條件，以期為下一步頁巖氣勘探提供理論依據(jù)。

1 區(qū)域地質概況

湖南省保靖地區(qū)頁巖氣區(qū)塊大地構造位置處于中揚子地區(qū)的東南部，主體位于湘鄂西隔槽式?jīng)_斷褶皺帶內的桑植—石門復向斜內[5]，東南以保靖—慈利斷裂帶與雪峰隆起相接，西北以齊岳山斷裂帶與渝東隔擋式褶皺帶相隔，北部延伸至大巴山斷裂前黃陵背斜與宜昌背斜處，南部抵達滇黔桂交界區(qū)(圖1)。湖南保靖頁巖氣區(qū)塊主體為由3個NNE向的向斜和背斜組成的復合結構，背斜區(qū)出露寒武系婁山關組—奧陶系寶塔組，剝蝕嚴重，地形平緩，向斜區(qū)出露志留系—三疊系，地形崎嶇，地層傾角較大。研究區(qū)東南部發(fā)育由多條NNE—NE向逆沖斷層組成的保靖—慈利斷裂帶，斷裂帶經(jīng)歷了多期次活動，造成東南部出現(xiàn)多個地塹，地塹內地層平緩。

圖1 湖南保靖地區(qū)區(qū)域地質圖

湘鄂西隔槽式?jīng)_斷褶皺帶位于揚子板塊與華夏板塊兩大地質單元結合部的中揚子地區(qū)，經(jīng)歷了晉寧運動、加里東運動、海西運動、印支運動、燕山運動和喜馬拉雅運動等多期構造運動，形成現(xiàn)今的復雜山區(qū)地形[6-8]。晉寧運動以后，研究區(qū)作為揚子板塊的組成部分，基底基本固結，并開始接受蓋層沉積[9]。南華紀時，Rodinia超大陸裂解，揚子板塊沿東南緣與華夏板塊裂離，并接受沉積[10]。震旦紀南沱冰期后，中揚子東南部大陸拉張加劇，華南洋盆形成，冰川消融，海平面上升，發(fā)生海侵，湘鄂西地區(qū)發(fā)展為成熟的被動大陸邊緣淺海陸棚環(huán)境，沉積了廣泛分布的震旦系碳酸鹽巖和黑色頁巖[8，11]。寒武紀早期，華南洋盆持續(xù)擴張，海平面快速上升，湘鄂西地區(qū)海水底部流通不暢，形成了還原環(huán)境，沉積了下寒武統(tǒng)牛蹄塘組厚層黑色碳質頁巖，為頁巖氣的生成提供了物質基礎[6-7,12]。

2 地層分布特征與沉積相分布

2.1 地層分布特征

據(jù)保頁2井鉆井地質研究，湘西北保靖地區(qū)牛蹄塘組沉積厚度為90 m，與下伏地層留茶坡組硅質巖及上覆石牌組碎屑巖均為整合接觸(圖2)。

牛蹄塘組下部總體為黑色碳質泥巖，致密塊狀構造，裂縫不發(fā)育，沿層面發(fā)育脈狀、透鏡狀、條帶狀、粉末圈層狀、晶簇狀黃鐵礦，從下向上，黃鐵礦比例增加。

牛蹄塘組中部為深灰色鈣質粉砂巖夾黑色碳質泥巖。裂縫不發(fā)育，層面可見黃鐵礦及方解石脈狀條帶，黃鐵礦比例較下伏地層明顯減小。粉砂巖顆粒以碳屑、黃鐵礦及方解石晶體為主，鈣泥質膠結。鈣質膠結物、黃鐵礦粉末分布不均勻會在粉砂巖中形成多個紋層條帶，條帶呈灰白色，滴酸氣泡明顯。

牛蹄塘組中上部為黑色碳質泥巖與深灰色含鈣粉砂巖互層。鈣質含量不均勻分布會在粉砂巖中形成灰白色水平紋層。粉砂巖顆粒以碳屑、方解石晶體為主，鈣泥質膠結，裂縫不發(fā)育，斷面處見黃鐵礦顆粒。黑色碳質泥巖為致密塊狀構造，裂縫不發(fā)育，順層面可見黃鐵礦脈體、黃鐵礦結合體，局部夾鈣質粉砂巖。

牛蹄塘組頂部為深灰色鈣質粉砂巖，致密塊狀構造，發(fā)育灰白色條帶和水平紋層。粉砂巖顆粒以碳屑為主，膠結物為鈣質或泥質。裂縫不發(fā)育，局部見垂直層面的裂縫，被方解石脈充填。斷面處可見黃鐵礦顆粒，局部可見泥巖撕裂屑。

圖2 保頁2井牛蹄塘組地層綜合柱狀圖

Fig.2NiutitangFormationcomprehensivestratigraphiccolumnofBaoye2well

2.2 沉積相分布

從地層序列來看(圖2)，牛蹄塘組主要巖性為黑色、灰黑色、深灰色碳質泥巖、鈣質粉砂巖、泥巖等，黃鐵礦大量發(fā)育，為還原環(huán)境下沉積所致。從震旦系上統(tǒng)留茶坡組到寒武系下統(tǒng)石牌組均為淺海碎屑巖陸棚沉積相，沉積物均以黑色—深灰色碳質泥巖、硅質巖、粉砂質泥巖、鈣質粉砂巖等為主。從下向上分析，震旦系上統(tǒng)留茶坡組到寒武系下統(tǒng)牛蹄塘組中下部主要沉積了黑色碳質泥巖和硅質巖，為深水盆地亞相滯留盆地沉積微相； 而牛蹄塘組上部到石牌組，則主要沉積了深灰色粉砂質泥巖、鈣質粉砂巖，為陸棚緩坡亞相深緩坡—中緩坡沉積微相。

經(jīng)與湖南古丈剖面、常頁1井剖面對比研究，并參閱前人研究成果[13]，可以推斷保靖—慈利斷裂帶以西地區(qū)為淺海碎屑巖陸棚沉積相，而保靖—慈利斷裂帶以東地區(qū)為陸棚斜坡沉積相，沉積了黑色碳質泥巖或黑色硅質泥巖，而湖北省南部地區(qū)，由于鶴峰古陸的存在，主要分布碎屑巖臺地沉積相(圖3)。

圖3 湘西地區(qū)沉積相展布[14]

3 頁巖氣成藏地質條件分析

3.1 有機地化特征

多數(shù)盆地研究表明，頁巖氣的含量與有機質豐度具有良好的正相關關系。保頁2井地球化學測試表明，寒武系牛蹄塘組有機質豐度為0.43%～1.82%(表1)，從下向上有機質豐度逐漸降低。古丈野外實測剖面中寒武系牛蹄塘組有機質豐度為1.98%～8.99%，常頁1井寒武系牛蹄塘組有機質豐度為2.0%～17.6%[14]。平面上從西北向東南有機質豐度增高。受沉積環(huán)境控制，斜坡區(qū)的有機質含量明顯高于淺海碎屑巖陸棚區(qū)，總體上都有較好的生烴能力。

表1 保頁2井牛蹄塘組有機質豐度

泥頁巖中干酪根成熟度不僅可以用來預測烴源巖的生烴潛能，還能影響頁巖中吸附在有機物質表面的頁巖氣產(chǎn)量，是頁巖氣成藏的重要因素之一。從目前美國勘探開發(fā)情況看，對于熱成因的頁巖氣藏，頁巖的高成熟度(>2.0%)有利于頁巖氣的生成[14]。保頁2井中實測牛蹄塘組成熟度為3.17%～5.02%，平均為4.92%，處于過成熟階段，從上向下鏡質體反射率(Ro)值逐漸增大(表2)。在古丈野外實測剖面中測得牛蹄塘組有機質成熟度為3.48%～4.96%，平均為4.41%。常頁1井中測得牛蹄塘組成熟度為2.0%～4.5%，平均為3.92%。總體上，碎屑巖陸棚區(qū)和陸棚斜坡區(qū)牛蹄塘組頁巖熱演化程度均較高。根據(jù)鄰區(qū)熱演化史和生烴史研究[14]，牛蹄塘組頁巖在侏羅紀經(jīng)歷生氣高峰，之后進入晚期干氣階段，具備形成頁巖氣藏的成熟度條件。

表2 保頁2井牛蹄塘組有機質成熟度

3.2 地層厚度與埋深

有機質頁巖的厚度是頁巖氣成藏富集的基本條件。據(jù)國內外研究報道[15-16]，有機質頁巖厚度超過30 m才具有頁巖氣開發(fā)的商業(yè)價值。保頁2井寒武系牛蹄塘組厚度為90 m，古丈野外實測剖面為80 m，慈利南坪剖面牛蹄塘組厚度為426 m，常頁1井牛蹄塘組厚度為500 m。從西北向東南，從碎屑巖陸棚區(qū)到陸棚斜坡區(qū)，牛蹄塘組厚度增加。

寒武系牛蹄塘組在中上揚子地區(qū)全區(qū)分布，但由于后期的強烈構造運動在湘鄂西形成了隔槽式褶皺帶，向斜區(qū)剝蝕較少，背斜區(qū)剝蝕較多。湖南保靖地區(qū)馬蹄寨向斜中心埋深2 800～7 253 m，背斜區(qū)埋深1 800～2 411 m。保頁2井布置在馬蹄寨向斜的東南翼，開孔層位為志留系龍馬溪組，完鉆井深3 275 m，牛蹄塘組埋深3 000 m。湖南保靖地區(qū)的埋深范圍適宜于頁巖氣的封存。

3.3 儲層巖礦特征

據(jù)保頁2井探井巖芯及野外地質剖面測試可知，湖南保靖寒武系牛蹄塘組脆性礦物含量較高(38.4%～50.5%)，從上向下脆性礦物的含量有增加的趨勢。其脆性礦物的成分主要為石英(72.4%～83.5%)、鉀長石(13.4%～23.5%)、黃鐵礦(3.4%～7.5%)、斜長石(0.4%～0.8%)，方解石含量較少(0.04%～0.08%)。黏土礦物以伊利石(57%～66%)、綠泥石(16%～23%)和伊蒙混層(5%～10%)為主，說明湖南保靖寒武系牛蹄塘組已經(jīng)歷了晚成巖作用階段，其原生孔隙較少，次生孔隙增多。

3.4 儲層物性

物性測試分析可知：頁巖孔隙度中等(0.50%～4.24%)，從上向下有增加的趨勢； 滲透率極低(0.000 5×10-3～0.014 6×10-3μm2)，從上向下也有增加的趨勢，滿足頁巖氣開發(fā)的下限(1.0×10-7μm2)[17]。

3.5 儲集空間特征

湖南保靖地區(qū)寒武系牛蹄塘組中主要發(fā)育溶蝕孔、基質晶間孔、有機質孔、微裂縫4種儲集空間類型。

溶蝕孔指泥頁巖中碎屑顆粒內部、礦物晶體表面及其邊緣由于溶蝕作用形成的次生孔隙。溶蝕孔隙可以進一步分為礦物邊緣溶蝕孔(圖4(a))和礦物晶面溶蝕孔(圖4(b))。掃描電鏡下觀察到礦物晶面溶蝕孔隙呈不規(guī)則似橢圓狀，長軸直徑0.2～0.8 μm； 礦物邊緣溶蝕孔多呈縫隙狀或三角形孔隙-縫隙狀，寬0.01～0.1 μm，長5～10 μm。

(a) 石英邊緣溶蝕孔 (b) 石英晶面溶蝕孔

(c) 黃鐵礦晶間孔 (d) 有機質溶蝕孔

(e) 方解石解理縫 (f) 構造微裂縫

圖4 保頁2井牛蹄塘組頁巖存儲空間類型

Fig.4ShalereservoirspacetypeofNiutitangFormationinBaoye2well

基質晶間孔主要有黏土礦物層間孔或礦物晶體間孔隙(以黃鐵礦為主)2類，研究區(qū)多見礦物晶體間孔隙(圖4(c))。牛蹄塘組黑色泥頁巖中黃鐵礦極其發(fā)育，電鏡下多呈草莓狀集合體出現(xiàn)，晶粒間存在大量孔隙，直徑為0.1～0.3 μm，儲集能力較強，其連通性較好，是重要的頁巖氣儲集空間。

有機質孔指有機質內部原生孔隙或有機質生烴后內部殘余的次生孔隙或溶蝕孔隙。湖南保靖地區(qū)牛蹄塘組有機質在成巖礦物間主要呈浸染狀分布，局部呈條帶狀或呈云層狀，形成的原生孔隙一般較大，直徑0.1～0.5 μm。由于成巖作用較深，酸性物質的溶蝕作用強烈，常在有機質內部形成篩狀孔隙(圖4(d))，直徑0.01～0.08 μm。有機質孔隙發(fā)育較多，且儲集能力較強，也是重要的頁巖氣儲集空間。

微裂縫按其成因可分為成巖縫和構造縫。成巖縫是在成巖過程中形成的巖屑顆粒、礦物晶體、黏土礦物、有機質等內部或邊緣形成的微裂縫。研究區(qū)發(fā)現(xiàn)方解石重結晶形成的解理縫，寬0.01 μm，長12 μm(圖4(e))[13]，該種裂縫連通性較好，儲集空間較大，但研究區(qū)發(fā)育較少。構造縫是因構造作用形成的裂縫，一般定向性排列，且規(guī)模較大，常以多組相關裂縫共生排列存在。構造性裂縫是頁巖儲層中最重要的一類儲集空間，也是頁巖氣運移的滲流通道(圖4(f))，但研究區(qū)構造型裂縫發(fā)育僅存在于某一段巖層中，且裂縫的密度較小。

3.6 含氣性特征

湖南保靖地區(qū)保頁2井牛蹄塘組中零星發(fā)現(xiàn)頁巖氣顯示，氣測值很低，但等溫吸附測試分析可知，在溫度30 ℃、壓力10 MPa下，實驗顯示吸附氣量為3.02～4.68 m3/t。頁巖的吸附量與壓力、總有機碳含量(Total Organic Carbon，TOC)呈線性關系，顯示頁巖具有較強的吸附能力(圖5，圖6)。常頁1井牛蹄塘組中實測含氣量為0.5～2.1 m3/t，達到頁巖氣開發(fā)的潛能。常頁1井牛蹄塘組巖芯中有機碳含量略高于保頁1井，但儲層中裂縫的發(fā)育密度遠大于保頁1井裂縫的發(fā)育密度，是頁巖氣能夠富集的根本原因。湖南保靖地區(qū)裂縫發(fā)育區(qū)為下一步的勘探方向。經(jīng)區(qū)域地質綜合分析，位于保靖—慈利斷裂帶附近的保靖縣東部昂洞—澤碧一帶，夾于多條斷層之間，微小斷裂發(fā)育，協(xié)調性裂縫極其發(fā)育，埋深1 900～2 000 m，可能為頁巖氣富集區(qū)，應加大勘探力度。

圖5 頁巖的吸附氣量與壓力的關系

圖6 頁巖的吸附氣量與TOC含量的關系

4 結論

(1)湖南保靖下寒武統(tǒng)牛蹄塘組形成于被動大陸邊緣淺海碎屑巖陸棚沉積環(huán)境，發(fā)育厚層黑色碳質泥頁巖，為頁巖氣的生成提供了物質條件。

(2)湖南省保靖地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組分布穩(wěn)定，有機質豐度較高(1.48%～3.49%)，成熟度較高(3.90%～4.86%)，脆性礦物含量較高，具備頁巖氣生成的基本條件。

(3)湖南保靖地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁巖氣最重要的儲集空間為溶蝕孔隙、黃鐵礦晶間孔隙、有機質孔隙和微裂縫4種類型。

(4)構造型裂縫不僅是重要的儲集空間，也是孔隙連通的重要途徑。裂縫發(fā)育區(qū)具有頁巖氣勘探前景，是下一步的勘探方向，應加大勘探力度。