鄂西鶴峰地區(qū)上二疊統(tǒng)大隆組頁(yè)巖儲(chǔ)層特征及資源潛力

王 登 ，余江浩 ＊，陳 威 ，周向輝 ，張焱林 ，許露露 ，周 豹，冷雙梁，黃佳琪

（1 湖北省地質(zhì)調(diào)查院，武漢430034；2 湖北省地質(zhì)局第四地質(zhì)大隊(duì)，湖北咸寧437100）

截止2019 年， 四川盆地及周緣多個(gè)地區(qū)已經(jīng)獲得頁(yè)巖氣勘探突破，特別是四川盆地涪陵氣田的發(fā)現(xiàn)[1－2]，極大的推動(dòng)了頁(yè)巖氣的勘探發(fā)展。 眾多學(xué)者研究表明，緊鄰四川盆地的鄂湘黔桂地區(qū)二疊系大隆組發(fā)育一套黑色巖系，其具有厚度大、分布廣的特點(diǎn)[3]，并具有形成大型油氣田的供烴能力[4]，可作為該地區(qū)的主力區(qū)域性烴源巖[5－7]，主要發(fā)育于廣元－旺蒼海槽、 開(kāi)江－梁平海槽及城口－鄂西海槽一帶[7－8]。周向輝等[9]通過(guò)對(duì)鄂西長(zhǎng)陽(yáng)－建始地區(qū)大隆組巖石微量元素的分析，認(rèn)為該地區(qū)大隆組形成于厭氧－缺氧沉積環(huán)境，具有良好的頁(yè)巖氣資源潛力。余江浩等[10]通過(guò)對(duì)鄂西大隆組地質(zhì)條件的分析，認(rèn)為鄂西大隆組具有良好的頁(yè)巖氣資源前景，其遠(yuǎn)景區(qū)資源量約6.3×1011m3。 目前，有關(guān)大隆組的研究主要集中在烴源巖地化條件及沉積特征方面，而關(guān)于頁(yè)巖氣地質(zhì)特征方面的研究較少。 鑒于此，本文以野外地質(zhì)調(diào)查為基礎(chǔ)，通過(guò)分析鶴峰地區(qū)6 條大隆組剖面的泥頁(yè)巖厚度、地化及儲(chǔ)層等特征，優(yōu)選頁(yè)巖氣有利區(qū)， 利用概率體積法估算頁(yè)巖氣資源量，以期為鄂西頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)提供依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

圖1 鄂西鶴峰地區(qū)地質(zhì)簡(jiǎn)圖Fig.1 Simplified geological map of Hefeng area in Western of Hubei Province

研究區(qū)位于鄂西鶴峰縣境內(nèi)，面積約為3666.5 km2， 構(gòu)造上屬揚(yáng)子板塊中部的湘鄂西褶皺帶[11－12]，跨及花果坪復(fù)向斜帶和宜都－鶴峰復(fù)背斜帶（圖1），構(gòu)造形態(tài)總體上為北北東-北東向，由北西至南東依次為石灰窯背斜、陳家灣向斜、白佳背斜、鶴峰向斜和走馬背斜。研究區(qū)中新元古界到三疊系均有出露，目的層大隆組主要分布于陳家灣向斜和鶴峰向斜，分布面積約995.0 km2。 本次研究涉及到的紅土溪石灰窯、紅土溪長(zhǎng)樹(shù)灣、燕子鄉(xiāng)董家、燕子鄉(xiāng)楠木、容美鎮(zhèn)大溪和容美鎮(zhèn)墻臺(tái)等6 條剖面位于分別位于陳家灣向斜北西翼和鶴峰向斜兩翼，地層出露情況較好。

2 泥頁(yè)巖特征

鶴峰地區(qū)大隆組巖性以灰黑色硅質(zhì)頁(yè)巖、炭質(zhì)頁(yè)巖、含灰質(zhì)硅質(zhì)頁(yè)巖為主，局部夾少量白云巖。以墻臺(tái)剖面為例，由底至頂共發(fā)育4 個(gè)巖性段：①含鐵質(zhì)炭質(zhì)頁(yè)巖段，②含炭質(zhì)硅質(zhì)頁(yè)巖與炭質(zhì)泥頁(yè)巖段，③炭質(zhì)泥質(zhì)白云巖段，④含灰質(zhì)硅質(zhì)頁(yè)巖與含灰炭質(zhì)硅質(zhì)頁(yè)巖段；水平層理和黃鐵礦發(fā)育（圖2），菊石、放射蟲(chóng)化石豐富，為一套臺(tái)盆相沉積物[10-11]。平面上， 各剖面的沉積及巖性特征與容美墻臺(tái)剖面相似，僅沉積厚度有差異。其中，大隆組泥頁(yè)巖最厚為53.9 m，位于燕子鄉(xiāng)董家村，最薄47.5 m，位于容美鎮(zhèn)墻臺(tái)村， 平均厚度50.4 m， 厚度分布在47.5 ～53.9 m 之間，變化范圍6.4 m，厚度較穩(wěn)定。

總體上，鶴峰地區(qū)位于鄂西海槽沉積區(qū)，其泥頁(yè)巖厚度主要受臺(tái)盆相控制。區(qū)域上鄂西海槽沉積中心大致分布于恩施東部-建始一線[7-8]， 近似呈NE-SW 向展布，而研究區(qū)位于鄂西海槽東緣，其西北部紅土溪一帶的沉積環(huán)境較其東南部燕子鄉(xiāng)一帶更有利于優(yōu)質(zhì)烴源巖的發(fā)育，具有西部泥頁(yè)巖厚度較東南部大的特征。

3 有機(jī)地化特征

3.1 有機(jī)碳含量

圖2 鶴峰墻臺(tái)剖面大隆組綜合柱狀圖Fig.2 Geochemical and physical properties of Dalong Formation in Qiangtai section

表1 鶴峰地區(qū)大隆組有機(jī)碳含量數(shù)據(jù)Table 1 Organic carbon data of Dalong formation in Hefeng Area，Western of Hubei Province

有機(jī)碳含量是生成油氣的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是吸附氣的載體[13-15]，與頁(yè)巖含氣量呈正相關(guān)關(guān)系。 68 個(gè)樣品分析結(jié)果表明， 鶴峰地區(qū) TOC 最大值為17.34%，最小值為 0.33%，平均值 6.03%（表 1），分布范圍主要集中在1.72% ～12.71%之間，TOC 大于1.0%和4.0%的樣品分別占比89.71%和55.88%（圖3a）。 以容美鎮(zhèn)墻臺(tái)剖面為例，大隆組采樣間距介于 1.10 ～2.80 m 之間， 泥頁(yè)巖 TOC 介于 1.19%～ 12.68%（表 1）， 平均值 5.24%，TOC 含量大于2.0%和4.0%的樣品分別占82.14%和46.43%（圖3b），TOC 大于 1%的泥頁(yè)巖厚度為 45.7 m。 參照《頁(yè)巖氣資源／儲(chǔ)量計(jì)算評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》[16]進(jìn)行評(píng)價(jià)，鶴峰地區(qū)大隆組有機(jī)碳含量為整體高-特高。

縱向上，以墻臺(tái)剖面為例（圖2），大隆組泥頁(yè)巖TOC 具有明顯的上下低，中間高的特征。 即墻臺(tái)剖面第4-14 層泥頁(yè)巖TOC 相對(duì)高， 介于1.44% ～12.68%，均值為 6.65%；而第 15 ～ 16 層、第 1 ～ 3 層泥頁(yè)巖TOC 相對(duì)較低， 分別介于1.19% ～4.20%和1.35%～5.70%，均值為3.37%和2.80%。 平面上，研究區(qū)西北部長(zhǎng)樹(shù)灣剖面、 石灰窯剖面TOC 均值為3.87%和8.44%， 而東部董家剖面、 楠木剖面TOC均值為8.39%和6.67%， 南部大溪和墻臺(tái)剖面TOC均值5.38%和5.24%， 整體為以中營(yíng)-下坪一帶為中心，往東有減小趨勢(shì)，這也與研究區(qū)處于鄂西海槽東緣的地質(zhì)背景是相符的?？傮w上，鶴峰地區(qū)大隆組泥頁(yè)巖厚度大，連續(xù)性好，TOC 高，生烴潛力好。

3.2 有機(jī)質(zhì)類(lèi)型

有機(jī)質(zhì)類(lèi)型決定了烴源巖的生烴能力和烴類(lèi)性質(zhì)[15，17-18]。鏡檢結(jié)果分析表明，鶴峰地區(qū)大隆組頁(yè)巖腐泥組含量介于55.2% ～65.3%， 平均值59.5%（表 2）； 惰質(zhì)組含量介于 20.3% ～ 25.0%， 平均值22.1%； 鏡質(zhì)組含量介于 7.2% ～11.1%， 平均值9.2%。 類(lèi)型指數(shù) Ti 值介于 28.4 ～ 43.2， 平均值為35.1，主要為Ⅱ2 型、少量Ⅱ1 型，分別占樣品總數(shù)的83.3%和 16.7%。 同時(shí)， 干酪根 δ13C 介于 25.5‰ ～26.8‰，均值26.4‰，與前述分析結(jié)果一致。 兩者均表明大隆組有機(jī)質(zhì)類(lèi)型較好，具有良好的生氣能力。

圖3 鶴峰地區(qū)大隆組TOC分布圖Fig.3 Organic carban content distribution of Dalong Formation in Hefeng area， Western of Hubei Province

表2 鄂西鶴峰地區(qū)大隆組頁(yè)巖顯微組分Table 2 Macerals composition of shale in Dalong Formation of Hefeng area，Western of Hubei Province

3.3 有機(jī)質(zhì)成熟度

成熟度是烴源巖能否生成油氣的關(guān)鍵因素，烴源巖只有到達(dá)一定成熟度才能大量生烴，不同的熱演化階段有機(jī)質(zhì)的產(chǎn)烴能力和產(chǎn)物性質(zhì)不同[19-21]。另外，熱成熟度與有機(jī)質(zhì)顆粒中納米級(jí)孔隙豐度密切相關(guān)，隨著有機(jī)質(zhì)的熱解生成烴，巖石中會(huì)產(chǎn)生蜂窩狀納米級(jí)孔隙。 6 條剖面成熟度數(shù)據(jù)顯示 （表3）， 大隆組 Ro 值介于 1.81% ～ 2.61%， 平均值為2.40%；Tmax 介于 511 ～ 520 ℃，平均值為 516.3 ℃；總體而言，鶴峰地區(qū)大隆組熱演化程度較高，處于生干氣的過(guò)成熟階段。

4 儲(chǔ)層特征

4.1 礦物組成

對(duì)鶴峰地區(qū)大隆組10 塊樣品進(jìn)行了X 衍射分析（表4）。 測(cè)試結(jié)果表明，大隆組主要由石英和粘土礦物組成，其次為長(zhǎng)石，部分樣品碳酸鹽礦物含量較高，少量黃鐵礦。 其中，粘土礦物含量介于8.6% ～26.9%，均值為17.7%；石英礦物含量介于39.3% ～79.9%，均值為55.9%，鉀長(zhǎng)石＋鈉長(zhǎng)石含量介于2.4% ～12.2%，均值為6.2%；部分樣品見(jiàn)碳酸鹽礦物，含量介于6.7% ～46.7%，均值為26.8%?？傮w上， 大隆組脆性礦物豐富， 含量為70.3% ～91.4%，均值為81.0%，具有較好的壓裂改造條件。

4.2 物性特征

巖石孔隙是油氣儲(chǔ)存的主要空間，是評(píng)價(jià)儲(chǔ)集層特征的關(guān)鍵參數(shù)[22]。 鶴峰地區(qū)大隆組23 個(gè)樣品孔隙度介于1.47% ～3.01%，平均值為2.11%，主要介于1.0% ～3.0%，占樣品總數(shù)的91.3%；滲透率介于 0.17×10-3～ 1.27×10-3md，平均值為 0.523×10-3md（圖 4）；密度值變化不大，介于 2.42 ～ 2.48 g／m3，平均值為2.44 g／m3。 同時(shí)，平面上和縱向上物性值變化不大。 表明鶴峰地區(qū)大隆組泥頁(yè)巖結(jié)構(gòu)致密，屬于低孔-特低孔、特低滲型儲(chǔ)層。

表3 鶴峰地區(qū)大隆組成熟度數(shù)據(jù)Table 3 Maturity data of Dalong formation in Hefeng area，Western of Hubei Province

表4 鶴峰地區(qū)大隆組泥頁(yè)巖礦物組成Table 4 Mineral composition of shale in Dalong Formation in Hefeng area，Western of Hubei Province

圖4 大隆組孔隙度和滲透率分布圖Fig.4 Porosity and permeability distribution frequency of Dalong Formation in Hefeng area， Western of Hubei Province

4.3 孔隙類(lèi)型

泥頁(yè)巖中基質(zhì)孔隙發(fā)育，主要包括原生孔隙和次生孔隙[22]。如圖5，鶴峰地區(qū)大隆組發(fā)育多種孔隙類(lèi)型。 其中，粒間孔多為納米級(jí)，孔徑一般為40 ～160 nm，個(gè)別達(dá) 500 ～ 600 nm（圖 5a）；大隆組粒內(nèi)孔比較發(fā)育，包括石英、長(zhǎng)石和白云石等溶孔，以石英和方解石溶孔為主， 孔徑一般為310 ～600 nm，個(gè)別達(dá) 1.5～4.5 μm（圖 5b、c、d）；有機(jī)質(zhì)孔多為蜂窩狀，一般為65 ～190 nm（圖5e）；微裂縫主要為礦物顆粒間裂隙，寬度一般在110 nm 左右，最寬處可達(dá) 2.5 ～ 3.0 μm（圖 5f）。

5 含氣性與保存條件

5.1 含氣性特征

頁(yè)巖含氣性直接決定頁(yè)巖氣資源潛力[17-20]。 鄂西多口大隆組鉆井見(jiàn)氣顯示，巴頁(yè)1 井現(xiàn)場(chǎng)解析氣體積最大達(dá)2.21 m3／t；鶴地1 井現(xiàn)場(chǎng)解析氣體積最大達(dá)4.39 m3／t；以高地1 井為例，現(xiàn)場(chǎng)解吸氣含量介于 0.16 ～ 2.92 m3／t，均值 1.18 m3／t；總含氣量介于 0.19 ～ 3.70 m3／t，均值 1.43 m3／t。 本文通過(guò)等溫吸附進(jìn)一步表征其含氣性，由等溫吸附得到的氣體含量反映了頁(yè)巖儲(chǔ)層所具有的最大容量。 共選取4塊露頭樣品進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明在14.5 Mpa 時(shí)，大隆組模擬吸附氣量介于 0.70 ～ 2.95 m3／t（圖 6），平均值2.08 m3／t，具有較好的吸附能力。 但是由等溫吸附獲取的含氣量最大值明顯低于現(xiàn)場(chǎng)解析氣，這可能與露頭樣品遭受風(fēng)化作用有關(guān)。

圖5 鶴峰地區(qū)大隆組泥頁(yè)巖孔隙特征Fig.5 Pore characteristics of shale of Dalong formation in Hefeng area， Western of Hubei Province

5.2 保存條件

鶴峰地區(qū)大隆組主要分布在陳家灣向斜和鶴峰向斜一帶，其構(gòu)造變形較弱，地層產(chǎn)狀平緩，傾角為 12° ～ 20°， 斷裂不發(fā)育。 大隆組最大埋深約2000 m，位于鶴峰向斜鶴峰縣城附近，其次為陳家灣向斜核部，最大埋深約1700 m，埋深主要分布在600 ～1500 m 之間，約占工區(qū)總面積的18.32%（圖1）。大隆組頂板為大冶組一段及二段泥頁(yè)巖與泥晶灰?guī)r互層，屬致密灰?guī)r，厚度約150 ～200 m，封蓋性好；底板為下窯組生物屑灰?guī)r、泥?；?guī)r，厚度25 ～58 m，封堵性好。 總體來(lái)看，研究區(qū)大隆組具有形成和保存頁(yè)巖氣的良好條件。

需要指出的是，大隆組頁(yè)巖氣保存存在一些不利因素。首先，鶴峰地區(qū)二疊系大隆組分布具有小、淺、窄的特征，所謂小就是單個(gè)有利區(qū)分布面積小，所謂淺就是埋深最大不超過(guò)2000 m，多介于600 ～1500 m，所謂窄就是大隆組分布呈現(xiàn)長(zhǎng)條形，平面上最寬處不超過(guò)20 km，最窄處小于5 km，這就造成有些地區(qū)不具備實(shí)施水平井的條件，不利于頁(yè)巖氣勘探。其次，工作區(qū)碳酸鹽地層發(fā)育，上覆嘉陵江組和大冶組三段-四段巖溶洞穴、 地下暗河十分發(fā)育，對(duì)后期的勘探開(kāi)發(fā)可能存在安全風(fēng)險(xiǎn)。

6 資源潛力

鶴峰地區(qū)大隆組泥頁(yè)巖厚度大， 生烴能力良好，具備形成頁(yè)巖氣藏的物質(zhì)基礎(chǔ)。參考了《頁(yè)巖氣資源潛力評(píng)價(jià)方法與有利區(qū)優(yōu)選標(biāo)準(zhǔn)》[23]， 選取泥頁(yè)巖埋深、厚度、TOC、Ro 等參數(shù)，采取疊合法預(yù)測(cè)鶴峰地區(qū)頁(yè)巖氣勘探有利區(qū)，利用蒙特卡羅概率統(tǒng)法對(duì)頁(yè)巖氣參數(shù)分別進(jìn)行賦值，選取概率體積法進(jìn)行資源量計(jì)算[24]。

6.1 參數(shù)選取

圖6 鶴峰墻臺(tái)剖面泥頁(yè)巖等溫吸附模擬Fig.6 Isothermal adsorption test of shale sample in Qiangtai section， Hefeng area， Western Hubei Province

表5 鶴峰地區(qū)大隆組頁(yè)巖氣資源評(píng)價(jià)參數(shù)賦值表Table 5 Evaluation parameters of shale gas resources of Dalong formation in Hefeng area，Western Hubei Province

面積為大隆組底板埋深大于500 m 時(shí)的頁(yè)巖分布面積， 并用疊合法選取頁(yè)巖有效面積， 合計(jì)591.92 km2。 密度根據(jù)實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果， 取平均值2.70 g／cm3（表 5）。 有效厚度為實(shí)測(cè)地層剖面厚度，大隆組頁(yè)巖在不同概率95%、75%、50%、25%、5%條件下的厚度賦值（m）分別為30.04 m，34.34 m，38.09 m，40.52 m，43.95 m。 含氣量為巖心現(xiàn)場(chǎng)解析的總含氣量，取值根據(jù)鶴地1 井和高地1 井、恩地1 井、建地3 井、綠地1 井等鉆井實(shí)測(cè)結(jié)果，不同概率下的賦值（m3／t）分別為 0.96，0.96，1.32，1.40，2.71。

6.2 評(píng)價(jià)結(jié)果

鶴峰地區(qū)共優(yōu)選出頁(yè)巖氣有利區(qū)2 個(gè)（圖7），分別為鶴峰茅坪-石灰窯和鶴峰太平-咸盈有利區(qū)，面積合計(jì)591.92 km2（表5）。其中，鶴峰茅坪-石灰窯有利區(qū)位于花果坪復(fù)向斜之陳家灣向斜， 有利區(qū)面積為 224.10 km2， 頁(yè)巖氣地質(zhì)資源總量 （P50）為303.56×108m3，地質(zhì)資源豐度 1.35×108m3／km2；鶴峰太平-咸盈有利區(qū)位于宜都鶴峰復(fù)背斜之鶴峰向斜，有利區(qū)面積為367.82 km2，頁(yè)巖氣地質(zhì)資源總量（P50）為 533.33×108m3，地質(zhì)資源豐度 1.45×108m3／km2。

7 結(jié)論

（1）鶴峰地區(qū)位于鄂西海槽東緣，發(fā)育一套大隆組黑色泥頁(yè)巖系，具有厚度大，有機(jī)碳含量高，成熟度高等特點(diǎn)。 TOC 含量介于0.33% ～17.34%，平均值6.03%，大于1%的頁(yè)巖厚度達(dá)45.7 m；Ro 值介于1.81% ～2.61%，平均值為2.40%，生氣條件好。

圖7 鶴峰地區(qū)大隆組頁(yè)巖氣有利區(qū)預(yù)測(cè)Fig.7 Prediction of shale gas from Dalong Formation in Hefeng area， Western Hubei Province

（2）鶴峰地區(qū)大隆組頁(yè)巖為“低孔-超低滲型”儲(chǔ)層， 發(fā)育多種孔隙類(lèi)型， 脆性礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70.3% ～91.4%，均值為81.0%，可壓裂性較好，埋深小于 2 000 m，頁(yè)巖氣顯示情況良好，具有頁(yè)巖氣形成和保存的有利條件。 同時(shí)也存在著不利因素，鶴峰地區(qū)二疊系大隆組分布具有小、淺、窄的特征，因而能進(jìn)行水平井施工的區(qū)域有限，不利于后期頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)。

（3） 采用疊合法預(yù)測(cè)出鶴峰茅坪-石灰窯和鶴峰太平-咸盈2 個(gè)頁(yè)巖氣勘探有利區(qū)， 面積分別約為224.10 km2和 367.82 km2， 概率體積法估算頁(yè)巖氣地質(zhì)資源量 （P50） 分別約為 303.56×108m3和533.33×108m3，資源潛力良好。