湘鄂西—鄂西渝東地區(qū)上奧陶統(tǒng)五峰—下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖氣成藏條件研究

蔡 進，吉 婧，劉 莉，鄧佳琪，李 凱.

(中國石化江漢油田分公司勘探開發(fā)研究院，湖北武漢 430223)

中揚子地區(qū)是我國南方海相頁巖氣地層的重要富集區(qū)，該區(qū)泥頁巖分布廣、厚度大、有機質(zhì)豐富，具有廣闊的資源前景，目前區(qū)內(nèi)主要發(fā)育震旦系陡山陀組、寒武系水井沱組、上奧陶統(tǒng)五峰—下志留統(tǒng)龍馬溪組3套海相頁巖氣有利層位。2010年，中國石油化工股份有限公司江漢油田在中揚子湘鄂西地區(qū)實施了志留系頁巖氣重點資料井—HY1井，顯示出湘鄂西地區(qū)志留系頁巖氣良好的勘探前景[1]，同時對該層系的后續(xù)研究提供了大量的實物資料，本文將通過該井和該區(qū)大量野外露頭分析化驗資料進行中揚子湘鄂西—鄂西渝東地區(qū)上奧陶統(tǒng)五峰—下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖氣成藏條件分析。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

本文研究區(qū)主要為楊子板塊中部，襄樊-廣濟斷裂以南、江南-雪峰隆起以北，南北分別與東秦嶺-大別造山帶和雪峰-江南構(gòu)造帶毗鄰，涉及湖北省大部、湖南省西北部和重慶市東部[2]。大致以天陽坪斷裂、建始-彭水斷裂為界分為三個海相勘探區(qū)塊：鄂西渝東區(qū)、湘鄂西區(qū)和江漢平原及周緣區(qū)(圖1)，總面積約15×104km2。鄂西渝東區(qū)塊位于上揚子地塊川東褶皺帶，屬于四川盆地的一部分，區(qū)內(nèi)多出露中侏羅統(tǒng)沙溪廟組地層，地形溝壑縱橫，山高坡陡，平均地面海拔950余米[3]；湘鄂西區(qū)地表主要為灰?guī)r出露山區(qū)，地勢總體為南高北低、西高東低，貫穿全區(qū)的河流主要有長江、清江及其相關(guān)支流，平均海拔約為800 m左右；江漢平原及周緣地區(qū)地貌特征表現(xiàn)為南北兩側(cè)為山區(qū)，中部大部分為第四系淤積平原[4]，地勢平坦，平均海拔約為30 m。

2 沉積特征研究

2.1 區(qū)域地層發(fā)育特征

湘鄂西—鄂西渝東地區(qū)志留系主要發(fā)育一套碎屑巖，其主要巖石類型包括泥巖、粉砂巖、細砂巖和泥質(zhì)粉砂巖等，局部地區(qū)也發(fā)育有少量含生屑灰?guī)r，泥灰?guī)r等[5]。此外，還可見波痕、層理等原生沉積構(gòu)造，以及生物遺跡、古生物化石等[6]。志留系泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖等厚度普遍在1 000 m左右，橫向展布以湘鄂西的桑植—石門地區(qū)最厚，厚度達1 500 m，江漢平原地區(qū)普遍在900～1 300 m。

下志留統(tǒng)龍馬溪組巖性為深灰色、灰黑色碳質(zhì)泥巖、含碳泥頁巖、粉砂質(zhì)泥巖夾泥質(zhì)粉砂巖，高豐度含氣頁巖主要分布在五峰—龍馬溪組下段[7]。湘鄂西地區(qū)從西至東橫向展布看，龍馬溪組厚度一般150～650 m(圖2)，湘鄂西地區(qū)Y1井厚650 m，HY1井鉆井揭示厚度為400 m，H2井厚430 m，湖北五峰縣野外露頭紅漁坪剖面厚度620 m。

上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組底部主要是一套硅質(zhì)巖、硅質(zhì)頁巖、碳質(zhì)泥頁巖為主的沉積，代表海侵體系域；龍馬溪組底部含筆石極為豐富的碳質(zhì)頁巖具有最大海泛期沉積特征[8]；下志留統(tǒng)龍馬溪組中上部、羅惹坪組和中志留統(tǒng)紗帽組以粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖及細砂巖為主，向上粒度變粗，指示海水逐漸變淺，代表高水位體系域[9]。

2.2 含氣頁巖段沉積特征

中上揚子地區(qū)上奧陶五峰—下志留統(tǒng)龍馬溪組總體上呈現(xiàn)淺海-潮坪-濱海的沉積序列，主體為陸棚-盆地相，湘鄂西—鄂西渝東地區(qū)主體為深水陸棚相，慈利—岳陽一代為淺水陸棚相(圖3)。發(fā)育的巖石相類型主要為泥、頁巖相、砂泥巖互層相[10]。不同巖石相類型具有不同的沉積特征，并可代表不同沉積環(huán)境(表1)。

(1)暗色碳質(zhì)筆石泥、頁巖相。

為黑色、深灰色碳質(zhì)頁巖、含碳粉砂質(zhì)泥巖、頁巖(圖4a)，野外露頭樣品污手，顏色普遍較深，一般為黑色、深灰色和灰黑色，碳質(zhì)含量較重，有些甚至為碳質(zhì)巖，一般含有大量的筆石化石(圖4b)，常見于滯留盆地和深水陸棚沉積環(huán)境中，主要分布在五峰—龍馬溪組底部。

(2)含粉砂質(zhì)泥巖相。

為深灰、灰色泥巖、頁巖，含粉砂泥巖、頁巖及粉砂質(zhì)泥巖、頁巖，普遍發(fā)育頁理和薄層的粉砂巖條帶，其層理表現(xiàn)為水平層理。生物化石和遺跡較少，泥巖中的碳質(zhì)含量少，常見于淺水陸棚沉積環(huán)境中。

圖2 湘鄂西—鄂西渝東地區(qū)五峰—龍馬溪組地層厚度對比圖Fig.2 Formation thickness comparison diagram of Wufeng-Longmaxi Formation in Western Hubei and Hunan-western hubei and eastern Chongqing area

圖3 研究區(qū)奧陶系五峰組—志留系龍馬溪組沉積相圖Fig.3 The sedimentary facies diagram of Ordovician Wufeng formation —Silurian Longmaxi formation in research area

(3)暗色泥頁巖和砂、泥巖互層相。

為薄層—中層狀粉砂巖、細砂巖與泥、頁巖的互層。常含有暗色的泥、頁巖，暗色可能為原生色，風化后常呈黃灰色。在較厚的砂巖上還可以見到斜層理和小型的槽狀交錯層理，巖層底面見底模構(gòu)造(圖4c)，垂向上砂巖總體向上增厚，層數(shù)增加，表現(xiàn)為進積式，由于常含暗色泥巖，為深水環(huán)境下的濁流沉積。此類型主要見于龍馬溪組下部，其下多發(fā)育中厚層狀細砂巖[11]。橫向上以湘鄂西地區(qū)多見，如石柱冷水溪、利川活龍坪、利川毛壩、宣恩兩河口等地，此外在黃陵隆起的西翼的興山建陽坪—秭歸五龍一帶也較發(fā)育。

3 烴源巖特征研究

3.1 泥頁巖展布特征

區(qū)內(nèi)在晚奧陶世五峰組—早志留世期間主要為一套淺海陸棚相碎屑巖沉積，縱向上主力烴源巖主要發(fā)育在五峰組—龍馬溪組下部，局部地區(qū)志留系中統(tǒng)韓家店和小河壩組(湘鄂西地區(qū)為紗帽和羅惹坪組)泥巖段亦具備生烴能力，但并非所有泥質(zhì)巖都具備生烴能力[12]。

根據(jù)烴源巖0.5%的有機質(zhì)豐度下限標準，JS1井志留系韓家店組泥頁巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖總厚208 m，其中有效烴源巖厚58 m，占該組泥頁巖總厚的27.88%；小河壩組泥頁巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖總厚442 m，其中有效烴源巖厚103 m，占該組泥頁巖總厚的23.3%；龍馬溪組從石柱冷水溪志留系剖面統(tǒng)計，泥頁巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖總厚447.94 m，其中有效烴源巖厚大于63.7 m。

表1 中揚子地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組主要巖相類型及特征Table 1 Main lithofacies type and characteristics of lower Silurian series Longmaxi Formation in Middle Yangtze area

圖4 湘鄂西—鄂西渝東地區(qū)野外露頭照片F(xiàn)ig.4 Photo of field outcrops in Western Hubei and Hunan-western hubei and eastern Chongqing areaa.恩施曉關(guān)龍馬溪組底部碳質(zhì)頁巖；b.五峰紅漁坪龍馬溪組底部筆石頁巖；c.利川毛壩龍馬溪組黑色頁巖與砂巖互層

上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組主要為灰黑色碳質(zhì)頁巖夾硅質(zhì)泥頁巖沉積。平面上，全區(qū)分布較穩(wěn)定，厚20～70 m，湘鄂西區(qū)一般30～50 m，宣恩高羅50～60 m，龍山紅巖溪厚30～40 m，紅漁坪15～20 m(圖5)。

圖5 研究區(qū)奧陶系五峰組—志留系龍馬溪組泥頁巖厚度圖Fig.5 The Shale thickness facies diagram of Ordovician Wufeng formation —Silurian Longmaxi formation in research area

3.2 有機質(zhì)豐度

區(qū)內(nèi)評價井HY1井全井段共分析有機碳樣品206塊，其中有機碳大于0.5%的主要集中在龍馬溪組底部-五峰組，井段為2 139.4～2 165 m。該井段實驗室共分析地化樣43塊，有機碳值分布在0.48%～5.28%(圖6)，平均2.54%，其中僅兩塊樣在1.0%以下，其余均大于1.0%，評價為較好烴源巖。

圖6 HY1井奧陶系五峰組—志留系 龍馬溪組TOC分析數(shù)據(jù)直方圖Fig.6 Organic carbon constituent statistical histogram of Ordovician Wufeng formation —Silurian Longmaxi formation in Well HY1

3.3 有機質(zhì)類型

上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組灰黑色碳質(zhì)泥巖、含粉砂泥巖中干酪根顯微組分主要以腐泥組+殼質(zhì)組組分為主，惰質(zhì)組含量很低，在1.0%以下，類型指數(shù)TI基本上為腐植腐泥型Ⅱ1，僅少量為腐泥腐植型Ⅱ2。以HY1井為例，龍馬溪組含量為67.0%～77.7%，平均含量為70.7%，鏡質(zhì)組含量低，在22.0%～32.3%之間，惰質(zhì)組含量很小，在1.0%以下，類型指數(shù)TI為腐植腐泥型Ⅱ1(圖7)。

3.4 有機質(zhì)成熟度

對于海相高演化區(qū)的烴源巖，鏡質(zhì)體反射率是評價其成熟度最主要、最有效的指標，劃分標準見表2。

鏡質(zhì)體反射率(Ro)是國際上公認的標定有機質(zhì)成熟度的指標，古生界地層干酪根組成缺乏鏡質(zhì)體，瀝青反射率已成為表征那些缺乏鏡質(zhì)體而含有瀝青的海相烴源巖有機質(zhì)成熟度的一個重要指標[13]?？梢酝ㄟ^測定瀝青反射率換算為等效鏡質(zhì)體反射率來評價其有機質(zhì)的熱演化程度。換算公式根據(jù)劉德漢等的經(jīng)驗公式：Ro=0.66Rb+0.346(Rb為瀝青反射率)[14]。

圖7 HY1井志留系龍馬溪組烴源巖 干酪根顯微組分及有機質(zhì)類型圖Fig.7 Kerogen component and type of Silurian Longmaxi formation organic matter in Well HY1

演化階段成熟高成熟過成熟早期中期晚期Ro(%)0.6～1.01.0～1.351.35～2.02.0～3.0>3.0油氣形成階段成油階段凝析油—濕氣階段干氣階段

志留系各層段瀝青反射率較分散，多數(shù)樣品測量數(shù)據(jù)中均有異常高值及異常低值存在。從HY1井19塊巖樣分析結(jié)果表明，志留系龍馬溪組目的層2 150～2 173 m黑色泥頁巖鏡質(zhì)體反射率Ro介于2.6～4.8%(圖8)，表明其有機質(zhì)熱演化程度已達到過成熟階段,成熟度較高區(qū)域主要在湘鄂西中西部，Ro值達到3.0%以上。

4 儲集特征研究

4.1 巖石礦物學特征

本區(qū)志留系為一套海相碎屑巖沉積，廣泛出露在巴東地區(qū)、長陽地區(qū)、建始地區(qū)、恩施地區(qū)、宣恩地區(qū)和咸豐地區(qū)等地。龍馬溪組底部普遍發(fā)育黑色碳質(zhì)頁巖，中下部發(fā)育一套致密灰色細砂巖，上部為灰色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖。羅惹坪組以灰色泥質(zhì)粉砂巖為主夾有薄層灰?guī)r沉積，水平層理發(fā)育；紗帽組以粉粉砂巖為主。龍馬溪組礦物巖石組成主要為硅酸鹽礦物(石英、長石)、其次為碳酸鹽礦物、黏土及少量的黃鐵礦和菱鐵礦，其中石英含量為50.8%～67.7%。

湘鄂西花果坪復向斜的H2井羅惹坪組鉆厚為561 m，上部為灰色泥巖為主，中部為灰色泥巖夾粉砂巖，下部為灰色粉砂質(zhì)泥巖與粉砂巖互層。龍馬溪組鉆厚429 m，以灰-深灰色頁巖、黑色碳質(zhì)頁巖夾粉砂巖為主。

HY1井在上奧陶統(tǒng)五峰—下志留統(tǒng)龍馬溪組2 139.4～2 165 m井段， X衍射全巖分析41塊(圖9)，其中石英含量主要為47.0%～85.46%，平均為63.12%、長石含量主要為2.0%～22.08%，平均為7.91%、碳酸鹽巖含量主要為1.0%～15.08%，平均為1.95%、黃鐵礦含量主要為0.71%～10.32%，平均為2.77%；此外，黏土含量為9.25%～36.29%，平均24.1%。X衍射黏土分析17塊，主要為伊利石，其中伊蒙間層平均占35%，伊利石平均占41%、綠泥石平均占24%，不含高嶺石。

4.2 孔滲特征

上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組儲層主要為碎屑巖，還有少量碳酸鹽巖。但泥頁巖本身作為頁巖氣儲層提供儲集空間，頁巖儲層段發(fā)育的無機孔隙主要包括粒間孔、粒內(nèi)溶孔、黏土礦物晶間孔三種主要孔隙類型，無機孔隙整體孔徑較大，多處于數(shù)百納米-微米級。此外，微裂縫在志留系較為發(fā)育，HY1井上奧陶統(tǒng)五峰—下志留統(tǒng)龍馬溪組(2 139.4～2 165 m)總孔隙度1.23%～1.84%(圖10)，孔隙度較低。納米級微孔隙和微裂隙發(fā)育，總體表現(xiàn)為低孔低滲的物性特征。

圖10 HY1井奧陶系五峰組—志留系 龍馬溪組實測孔隙度直方圖Fig.10 Porosity constituent statistical histogram of Ordovician Wufeng formation —Silurian Longmaxi formation in Well HY1

4.3 微裂縫發(fā)育特征

志留統(tǒng)砂巖地層中裂縫產(chǎn)生的原因在于巖石的破裂，其地質(zhì)成因可分為兩大類，構(gòu)造成因裂縫和非構(gòu)造成因裂縫[15]。JS1井志留系巖芯統(tǒng)計總縫62條(表3)，縫密度為7.3條/米，巖芯常規(guī)分析滲透率樣品43個中，有15個樣品的滲透率小于0.01×10-3μm2，占總數(shù)的34.9%，分布在0.01～0.10×10～3μm2之間的樣品有21個，占樣品總數(shù)的48.8%；大于0.1×10～3μm2的滲透率樣品7個，占樣品總數(shù)的16.3%。這表明JS1井志留系儲層基質(zhì)滲透率低，但裂縫較發(fā)育，滲透能力較強(圖11)。

表3 JS1井志留系巖心裂縫描述統(tǒng)計表Table 3 Statistical of Silurian of Core fissure in well JS1

圖11 JS1井志留系巖心裂縫照片F(xiàn)ig.11 Photo of Core fissure of Silurian in well JS1

5 結(jié)論

(1)中揚子湘鄂西—鄂西渝東地區(qū)上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組屬于深水陸棚沉積體系，其中五峰組—龍馬溪組底部發(fā)育一套含大量筆石化石的暗色富有機質(zhì)碳質(zhì)、硅質(zhì)頁巖，平面分布廣泛，厚度20～70 m，是一套較好的頁巖氣勘探目的層系。

(2)湘鄂西地區(qū)頁巖氣井HY1井上奧陶統(tǒng)五峰—下志留統(tǒng)龍馬溪組分析樣品測試總有機碳為0.48%～5.28%，平均值2.54%，有機質(zhì)類型Ⅱ1為主，鏡質(zhì)體反射率為2.6%～4.8%，平均值3.44%，具備較好的有機地化條件。

(3)HY1井在上奧陶統(tǒng)五峰—下志留統(tǒng)龍馬溪組2 139.4～2 165 m井段， X衍射全巖分析結(jié)果顯示石英含量為47.0%～85.46%，平均為63.12%，具有較高的脆性礦物含量，有利于頁巖氣后期壓裂改造，是較好的頁巖氣開發(fā)儲層。