鄂西下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁(yè)巖特征及頁(yè)巖氣富集主控因素

張焱林，段 軻，劉早學(xué)，金春爽，陳 科，羅 凡

(1.湖北省地質(zhì)調(diào)查院，武漢 430034；2.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局 油氣資源調(diào)查中心，北京 100029)

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，我國(guó)能源需求越來(lái)越大，頁(yè)巖油氣勘探的不斷突破明顯地緩解了目前能源缺口不斷擴(kuò)大的現(xiàn)狀。2011年，國(guó)土資源部首次完成了我國(guó)頁(yè)巖氣資源評(píng)價(jià)，其中湖北省頁(yè)巖氣地質(zhì)資源量在全國(guó)排名第五[1]，表明湖北省頁(yè)巖氣資源勘探具有較大的潛力。

以美國(guó)Barnett頁(yè)巖、Marcellus頁(yè)巖和Woodford頁(yè)巖等為代表的頁(yè)巖氣藏勘探與開發(fā)的重大成功，表明對(duì)頁(yè)巖特征和頁(yè)巖氣富集的主控因素研究是頁(yè)巖氣成功勘探和開采的關(guān)鍵[2-4]。在中國(guó)，對(duì)頁(yè)巖氣的研究一直集中在上奧陶—下志留統(tǒng)的五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖[5-13]，而對(duì)鄂西地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁(yè)巖的研究較少[14-15]。自2015年湖北省地質(zhì)調(diào)查院實(shí)施的ZD1井在鄂西秭歸地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組首次發(fā)現(xiàn)頁(yè)巖氣以來(lái)，宜昌—秭歸地區(qū)頁(yè)巖氣勘查迅速發(fā)展，并且相繼取得重大發(fā)現(xiàn)。截至2016年底，已實(shí)施的5口頁(yè)巖氣調(diào)查井和2口頁(yè)巖氣參數(shù)井均在主要目標(biāo)層牛蹄塘組取得了頁(yè)巖氣勘探的重要突破，可見宜昌—秭歸地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組具有較大的頁(yè)巖氣勘探前景。

目前已經(jīng)成為湖北省頁(yè)巖氣勘探最為熱點(diǎn)的地區(qū)。然而，由于前人對(duì)研究區(qū)內(nèi)牛蹄塘組頁(yè)巖氣勘探的地質(zhì)條件方面缺乏系統(tǒng)性的調(diào)查和研究，導(dǎo)致對(duì)牛蹄塘組頁(yè)巖特征和頁(yè)巖氣發(fā)育的控制因素尚不清楚。

本文綜合大量野外露頭、鉆井、氣測(cè)錄井、地震、巖石礦物學(xué)分析、有機(jī)地球化學(xué)以及現(xiàn)場(chǎng)解吸等數(shù)據(jù)，開展鄂西宜昌—秭歸地區(qū)牛蹄塘組頁(yè)巖特征及頁(yè)巖氣富集的控制因素研究，以期為該地區(qū)頁(yè)巖氣的勘探部署提供依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

宜昌—秭歸地區(qū)在大地構(gòu)造上屬揚(yáng)子(華南)板塊中北部湘鄂西褶皺帶黃陵背斜南緣，北與秦嶺—大別造山帶接壤，西與四川盆地毗鄰，東靠江南—雪峰滑脫推覆隆起帶。研究區(qū)發(fā)育北西向、北北西向、北東向等不同方向斷裂，主要區(qū)域性斷裂有北北西向的仙女山斷裂和北西向的天陽(yáng)坪斷裂(圖1a)。

研究區(qū)地層出露齊全且連續(xù)，從元古界、古生界、中生界到新生界皆有不同程度分布。區(qū)內(nèi)廣泛分布多套富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖層系，主要包括下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁(yè)巖和震旦系陡山沱組頁(yè)巖，具有形成頁(yè)巖氣的物質(zhì)基礎(chǔ)[14，16]。其中下寒武統(tǒng)牛蹄塘組與下伏震旦系燈影組和上覆石牌組均呈整合接觸，并通過(guò)巖性可將牛蹄塘組由下至上劃分為3個(gè)段，即牛一段、牛二段和牛三段(圖1b)。牛一段主要為深灰色含碳質(zhì)灰?guī)r與黑色極薄層含碳質(zhì)泥巖互層疊置，厚度約7.6～35 m；牛二段主要為一套黑色碳質(zhì)頁(yè)巖(主要勘探目標(biāo)層段)，水平層理發(fā)育，厚度約2～202 m；牛三段主要為一套灰色中層泥晶灰?guī)r，厚度約16.4～250 m。

圖1 鄂西宜昌地區(qū)地質(zhì)背景和震旦系—寒武系地層柱狀圖

南方地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組主要沉積于淺水—深水陸棚環(huán)境[17-19]， 其中牛二段作為研究區(qū)內(nèi)最有利的含氣富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖層段，沉積于牛蹄塘組沉積的中期。根據(jù)鉆井巖心、露頭剖面和二維地震等資料，研究區(qū)牛二段富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖沉積期，由西南往北東方向水體逐漸變淺，其中西南部宜都—土城—石牌以西為碎屑巖深水陸棚沉積，東北部YD3井和YC1井以東為碳酸鹽臺(tái)地沉積，兩者之間狹窄地帶為臺(tái)緣斜坡沉積。

2 牛蹄塘組頁(yè)巖特征

2.1 富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖厚度

通過(guò)對(duì)研究區(qū)內(nèi)的鉆井和野外露頭牛蹄塘組頁(yè)巖(牛二段富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖)厚度的綜合分析，編制了牛蹄塘組頁(yè)巖的厚度等值線圖(圖2)。橫向上，牛蹄塘組富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖厚度變化較大，從0～200 m不等，但研究區(qū)大部分地區(qū)富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖總厚度大于30 m，且厚度由西南往北東明顯減薄(圖2)。在研究區(qū)西南部的YY1井和ZD1井，牛蹄塘組富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖的厚度分別為142和125.2 m；至研究區(qū)中部的YIY1井、YD2井和ZD2井，牛蹄塘組富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖的厚度有所減薄，分別為86，76和63.3 m；至研究區(qū)北東部YD3井和YC1井，牛蹄塘組富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖的厚度減薄為3和2 m。

2.2 有機(jī)質(zhì)豐度和有機(jī)質(zhì)類型

根據(jù)80塊樣品的分析測(cè)試數(shù)據(jù)，宜昌—秭歸地區(qū)牛蹄塘組頁(yè)巖總有機(jī)碳含量(TOC)主要分布在1.01%～8.72%之間，平均約3.2%，且大部分樣品TOC含量大于2%，該項(xiàng)測(cè)試在中國(guó)石化無(wú)錫石油地質(zhì)研究所完成。美國(guó)主要的含氣頁(yè)巖的有機(jī)碳含量主要分布于2.0%～7.0%，平均為4.2%，其有機(jī)碳含量與研究區(qū)牛蹄塘組頁(yè)巖類似[20]，表明研究區(qū)內(nèi)牛蹄塘組頁(yè)巖的總有機(jī)碳含量較高，且具有形成經(jīng)濟(jì)開采頁(yè)巖氣的潛力?？v向上，牛蹄塘組頁(yè)巖TOC自下而上逐步減小，高有機(jī)碳含量段主要分布在牛蹄塘組頁(yè)巖的中下部(圖3)；平面上，研究區(qū)牛蹄塘組頁(yè)巖的TOC主要呈現(xiàn)出由西南往北東方向逐步減小的趨勢(shì)，西南部最高，TOC含量平均約為5%，往東北部逐漸減至近1%。

2.3 有機(jī)質(zhì)成熟度

選取15塊樣品進(jìn)行瀝青反射率(Rb)的測(cè)定，并且通過(guò)公式：Ro=0.319 5+0.679 0Rb，換算鏡質(zhì)體反射率[20]，該項(xiàng)測(cè)試在中國(guó)石油渤海鉆探工程公司錄井實(shí)驗(yàn)中心完成。結(jié)果顯示Ro主要分布在2.2%～2.7%，平均約2.5%，表明牛蹄塘組頁(yè)巖已經(jīng)進(jìn)入過(guò)成熟演化階段，以生氣為主?？v向上，Ro值自下而上有略微減小的趨勢(shì)(圖3)；平面上，Ro整體呈現(xiàn)由西南往北東方向減小趨勢(shì)(圖4)。研究區(qū)牛蹄塘組Ro整體雖為過(guò)成熟，但是在南方地區(qū)寒武系整體演化程度較高的背景下，有機(jī)質(zhì)演化程度相對(duì)適中。

2.4 礦物學(xué)特征

根據(jù)50塊樣品的分析測(cè)試數(shù)據(jù)，牛蹄塘組頁(yè)巖主要礦物成分包括黏土礦物、石英、方解石、白云石，含少量長(zhǎng)石、黃鐵礦和石膏，該項(xiàng)測(cè)試在中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)地質(zhì)過(guò)程與礦產(chǎn)資源國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。其中方解石含量主要分布于12%～55%之間，白云石則分布于8%～30%之間，方解石和白云石總量的平均值達(dá)41.9%；石英含量次之，主要分布于11%～48%之間，平均為27.5%；黏土礦物含量較石英含量略低，平均為25.4%；長(zhǎng)石和黃鐵礦含量較少，平均各占4%；局部地區(qū)含少量的石膏，平均為0.1%(圖5)。可見，研究區(qū)牛蹄塘組頁(yè)巖的碳酸鹽礦物和石英等脆性礦物的含量較高，當(dāng)頁(yè)巖中石英等硅質(zhì)礦物和碳酸鹽礦物的含量較多時(shí)，在外力作用下容易形成誘導(dǎo)裂縫和天然裂縫，不僅有利于游離氣的富集，同時(shí)也有利于滲流作用[20-21]。

圖2 鄂西宜昌—秭歸地區(qū)牛蹄塘組富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖厚度

圖3 鄂西宜昌地區(qū)ZD2井綜合柱狀圖

圖4 鄂西宜昌地區(qū)牛蹄塘組富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖Ro等值線

圖5 鄂西宜昌地區(qū)牛蹄塘組富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖礦物組成

2.5 儲(chǔ)層物性特征

2.5.1 孔滲特征

根據(jù)40塊樣品的孔隙度和滲透率分析測(cè)試數(shù)據(jù)，牛蹄塘組頁(yè)巖的孔隙度分布在1.95%～4.72%之間，平均約3.62%；滲透率分布在(0.000 17～0.002 53)×10-3μm2之間，平均約0.001 04×10-3μm2，為低孔極低滲儲(chǔ)層，該項(xiàng)測(cè)試在中國(guó)石油渤海鉆探工程公司錄井實(shí)驗(yàn)中心完成。美國(guó)主要的頁(yè)巖氣儲(chǔ)層孔隙度一般在4%左右，滲透率(0.000 041～2)×10-3μm2，可見研究區(qū)牛蹄塘組頁(yè)巖的孔隙度和滲透率與美國(guó)主要頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的孔隙度和滲透率類似，有利于頁(yè)巖氣的儲(chǔ)存和滲流。

2.5.2 孔隙結(jié)構(gòu)

結(jié)合氬離子拋光掃描電鏡和掃描電鏡的觀察結(jié)果，研究區(qū)牛蹄塘組頁(yè)巖孔隙類型主要有有機(jī)質(zhì)孔隙、黃鐵礦晶間孔、黏土礦物粒內(nèi)孔、碳酸鹽礦物粒內(nèi)溶孔和微裂縫等(圖6)。其中有機(jī)質(zhì)孔隙較發(fā)育，形態(tài)主要為蜂窩狀、團(tuán)狀、條帶狀等；有機(jī)質(zhì)孔隙的孔徑范圍變化較大，從納米級(jí)到微米級(jí)均有分布。無(wú)機(jī)礦物粒間孔隙多分布在1～12 μm，主要分散于碎屑顆粒之間。草莓狀黃鐵礦晶間孔，不規(guī)則狀，孔徑在100～900 nm。無(wú)機(jī)礦物中的不穩(wěn)定礦物，如方解石和長(zhǎng)石等，容易發(fā)生溶蝕，形成粒內(nèi)溶蝕孔隙，通常呈橢球狀、不規(guī)則狀，孔徑在0.3～1 μm。頁(yè)巖中的裂縫系統(tǒng)對(duì)后期頁(yè)巖氣開發(fā)具有關(guān)鍵性的作用，它們不僅有利于游離氣的富集，同樣也是頁(yè)巖氣運(yùn)移的主要通道，而且對(duì)后期人工誘導(dǎo)裂縫的形成有重要的作用[22-23]。

2.6 含氣性特征

研究區(qū)內(nèi)7口鉆井中有5口有非常好的頁(yè)巖氣顯示，其中ZD2井在井深754.23～817.95 m層段鉆遇牛蹄塘組頁(yè)巖時(shí)獲顯著的頁(yè)巖氣顯示，全層段水浸實(shí)驗(yàn)均劇烈起泡，點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)解吸氣均成功燃燒，火焰呈淡藍(lán)色，顯示甲烷含量較高，其中解吸氣最高達(dá)2.52 m3/t，總含氣量最高達(dá)4.45 m3/t，平均2.15 m3/t。整體上，牛蹄塘組頁(yè)巖的含氣量由下至上逐漸減小，這一趨勢(shì)與TOC的垂向變化趨勢(shì)基本一致。上述結(jié)果表明，牛蹄塘組頁(yè)巖的有機(jī)碳含量越高，其頁(yè)巖的含氣量越高，同時(shí)也說(shuō)明牛蹄塘組頁(yè)巖可能以自生氣為主，同時(shí)有機(jī)質(zhì)內(nèi)部的有機(jī)質(zhì)孔隙有大量的吸附點(diǎn)位，吸附了大量的天然氣，使絕大部分頁(yè)巖氣原地保存下來(lái)[24]。

3 頁(yè)巖氣富集的控制因素

控制頁(yè)巖氣富集的因素主要有沉積古地理環(huán)境、頁(yè)巖厚度、構(gòu)造保存條件和礦物成分等[25-28]。根據(jù)近幾年的勘探成果，結(jié)合區(qū)域資料，初步總結(jié)了宜昌—秭歸地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁(yè)巖氣富集的控制因素，主要包括以下4個(gè)方面：

圖6 鄂西宜昌地區(qū)牛蹄塘組孔隙特征

3.1 頁(yè)巖總厚度和單層有效厚度

研究區(qū)頁(yè)巖總厚度和頁(yè)巖單層有效厚度與含氣量的關(guān)系表明，頁(yè)巖的含氣量與富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖總厚度呈較明顯的正相關(guān)(圖7a)。在單個(gè)鉆井中，頁(yè)巖的單層有效厚度與頁(yè)巖的含氣量也具有明顯的正相關(guān)。上述結(jié)果表明，頁(yè)巖的總厚度和單層有效厚度越大，越有利于頁(yè)巖氣的富集(圖7b)。

3.2 頁(yè)巖沉積環(huán)境和TOC含量

垂向上，ZD2井牛蹄塘組二段有機(jī)碳含量由上至下先增大后減小，至二段中下部達(dá)最大值，與總含氣量的垂向分布規(guī)律一致(圖3)。平面上，研究區(qū)ZD1井、ZD2井、YY1井、YIY1井的牛蹄塘組頁(yè)巖沉積于深水陸棚環(huán)境，其有機(jī)碳含量分別為2.95%，2.84%，3.05%，2.8%，且含氣量均大于2.2 m3/t(圖8)。然而，YD3井和YC1井的牛蹄塘組頁(yè)巖沉積于臺(tái)緣斜坡環(huán)境，其有機(jī)碳含量均小于2.0%，基本不含氣。上述分析表明，深水陸棚環(huán)境下沉積的頁(yè)巖具有較高的有機(jī)質(zhì)含量，也具有較高的含氣量。

3.3 微裂縫發(fā)育程度

頁(yè)巖氣主要包括吸附氣和游離氣，其中，前者主要賦存于有機(jī)質(zhì)或基質(zhì)表面，后者賦存于微裂縫等孔隙中。ZD1井、ZD2井等浸水實(shí)驗(yàn)表明，頁(yè)巖凡裂縫(層間縫或頁(yè)理縫、斜交縫、垂直縫)發(fā)育者(即使有方解石等充填)，不僅儲(chǔ)集空間增大，而且入水冒泡劇烈，頁(yè)巖氣顯示活躍，反映頁(yè)巖氣聚集較多，推測(cè)相應(yīng)頁(yè)巖氣更加富集。

圖7 鄂西宜昌地區(qū)牛蹄塘組頁(yè)巖總厚度、ZD2井牛蹄塘組頁(yè)巖單層有效厚度與總含氣量的關(guān)系

圖8 鄂西宜昌地區(qū)牛蹄塘組頁(yè)巖沉積期沉積相和含氣量關(guān)系

3.4 保存條件

野外地質(zhì)調(diào)查和二維地震資料表明，研究區(qū)北部位于黃陵背斜南翼，總體為一緩傾單斜構(gòu)造，地層產(chǎn)狀平緩，傾角一般不超過(guò)20°，斷裂不發(fā)育，屬構(gòu)造穩(wěn)定區(qū)。牛蹄塘組頂?shù)装鍡l件也較好，頂板為厚度大的石牌組泥巖，底板為燈影組頂部天柱山段致密硅質(zhì)白云巖，均具良好的封堵性?？傮w而言，該區(qū)保存條件良好，目前已完鉆的ZD1井、ZD2井、YD2井、YIY1井、YY1井等鉆井鉆遇牛蹄塘組時(shí)均見顯著頁(yè)巖氣顯示或頁(yè)巖氣流即為佐證。

5 結(jié)論

(1)宜昌—秭歸地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁(yè)巖總有機(jī)碳含量(TOC)較高，平均約3.2%，自下而上逐漸減少，生烴能力較強(qiáng)；有機(jī)質(zhì)成熟度(Ro)分布于2.2%～2.7%，處于過(guò)成熟演化階段，以生氣為主；石英和碳酸鹽礦物是研究區(qū)牛蹄塘組頁(yè)巖主要的脆性礦物，且含量較高，有利于產(chǎn)生天然裂縫和誘導(dǎo)縫。

(2)牛蹄塘組頁(yè)巖的孔隙度平均約3.62%，滲透率平均約0.001 04×10-3μm2，為低孔極低滲儲(chǔ)層；孔隙類型主要有有機(jī)質(zhì)孔隙、黃鐵礦晶間孔、黏土礦物粒內(nèi)孔、碳酸鹽礦物粒內(nèi)溶孔和微裂縫等，且有機(jī)質(zhì)孔隙較發(fā)育。

(3)研究區(qū)牛蹄塘組頁(yè)巖的含氣量與TOC的垂向變化趨勢(shì)基本一致，說(shuō)明牛蹄塘組頁(yè)巖的有機(jī)碳含量越高，其頁(yè)巖的含氣量越高，同時(shí)也說(shuō)明牛蹄塘組頁(yè)巖以自生氣為主，并絕大部分原地保存。

(4)較大的頁(yè)巖單層有效厚度和總厚度、深水陸棚沉積環(huán)境、較高的有機(jī)碳含量、微裂縫發(fā)育和地層平緩且具有良好的頂?shù)装鍡l件是研究區(qū)牛蹄塘組頁(yè)巖氣富集的主要控制因素。