中揚(yáng)子鄂西地區(qū)牛蹄塘組頁(yè)巖儲(chǔ)層特征及含氣性研究

許露露，劉早學(xué)，溫雅茹，周向輝，羅 凡

(湖北省地質(zhì)調(diào)查院，湖北 武漢 430034)

0 引 言

中國(guó)南方廣泛發(fā)育古生界海相富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖，其中，下寒武統(tǒng)牛蹄塘組是最具潛力的頁(yè)巖層之一[1-8]。四川盆地牛蹄塘組已在威遠(yuǎn)及長(zhǎng)寧等地發(fā)現(xiàn)多個(gè)頁(yè)巖氣田,富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖厚度平均為49.0 m，TOC平均為2.90%[9-10]。鄂西地區(qū)構(gòu)造位置毗鄰四川盆地東南緣，勘探實(shí)踐表明，牛蹄塘組富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖厚度平均為104.0 m，TOC平均為3.50%。勘探實(shí)踐及前人研究成果表明，牛蹄塘組形成于淺海陸棚深水區(qū)域，沉積厚度大，具備形成頁(yè)巖氣的物質(zhì)基礎(chǔ)[11-17]。但相比于四川盆地，鄂西地區(qū)牛蹄塘組研究程度較低，一是縱向上非均質(zhì)性的巖性變化特征需要進(jìn)一步描述，二是沉積相帶分布特征還需要進(jìn)一步闡明，牛蹄塘組含氣性特征還有待深入分析。因此，此次研究利用研究區(qū)鉆井及地層剖面資料，對(duì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層及含氣性特征進(jìn)行了綜合分析，研究成果將對(duì)鄂西地區(qū)牛蹄塘組頁(yè)巖氣進(jìn)一步勘探開(kāi)發(fā)提供科學(xué)依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

研究區(qū)跨越揚(yáng)子地塊與秦嶺-大別造山帶2個(gè)一級(jí)構(gòu)造單元，在大地構(gòu)造上主要處于揚(yáng)子板塊中北部，西與四川盆地毗鄰，北以襄廣斷裂為界(F5)，東以通城河斷裂帶為界(F11)，東南部與江漢盆地接壤，南靠桑植石門復(fù)向斜，與江南-雪峰推覆隆起帶毗鄰。研究區(qū)大部分處于湘鄂西褶皺斷裂帶內(nèi)，西北部少部分地區(qū)處于四川盆地東南緣。發(fā)育黃陵結(jié)晶基底和神龍架褶皺基底2種基底類型，出露元古代、古生代、中生代及新生代地層，不同構(gòu)造層次的構(gòu)造類型齊全，地質(zhì)構(gòu)造極為復(fù)雜(圖1)。

圖1 鄂西地區(qū)范圍及區(qū)域構(gòu)造特征

2 巖性及沉積相特征

2.1 巖性特征

以黃陵背斜南緣典型調(diào)查井秭地2井為例，對(duì)牛蹄塘組縱向上的巖性發(fā)育特征進(jìn)行分析(圖2)。由圖2可知，牛蹄塘組下伏地層為震旦系燈影組天柱山段及寒武系巖家河組。燈影組為淺灰色含硅質(zhì)白云巖地層，巖家河組底部為灰色泥質(zhì)粉砂巖，中上部為深灰色角礫狀灰?guī)r夾灰黑色炭質(zhì)頁(yè)巖。牛蹄塘組底界以灰?guī)r的消失、黑色炭質(zhì)頁(yè)巖的出現(xiàn)作為地層分界標(biāo)志。牛蹄塘組上覆地層為石牌組，以黑色頁(yè)巖的消失、深灰色泥質(zhì)粉砂巖大量出現(xiàn)為石牌組分界標(biāo)志。通過(guò)巖心觀察，牛蹄塘組縱向上可以分為2段，一段地層主要發(fā)育黑色炭質(zhì)頁(yè)巖，頂部炭質(zhì)含量稍微減少，為牛蹄塘組最重要的頁(yè)巖氣儲(chǔ)層，以灰?guī)r的頻繁出現(xiàn)作為一段與二段的分界線；二段巖性主要為灰—深灰色灰?guī)r與含炭粉砂質(zhì)泥巖互層。

圖2 鄂西地區(qū)秭地2井牛蹄塘組綜合柱狀圖

2.2 沉積相特征

鄂西地區(qū)秭地2井縱向上沉積相研究結(jié)果表明：燈影組天柱山段以淺灰色白云巖為主，為開(kāi)闊臺(tái)地相沉積環(huán)境；早寒武世巖家河組時(shí)期開(kāi)始海侵，沉積環(huán)境轉(zhuǎn)變?yōu)樯钏旆e陸棚，底部為灰黑色含炭泥質(zhì)粉砂巖，向上為角礫狀灰?guī)r夾灰黑色含炭頁(yè)巖；至牛蹄塘組一段沉積時(shí)期水體進(jìn)一步變深，為深水泥質(zhì)陸棚相沉積，巖性以黑色炭質(zhì)頁(yè)巖為主；牛蹄塘組二段沉積時(shí)期水體開(kāi)始變淺，為淺水混積陸棚相沉積，下部為灰?guī)r與含炭泥質(zhì)粉砂巖互層，中部發(fā)育泥巖，上部為灰?guī)r夾含炭頁(yè)巖；石牌組沉積時(shí)期，水體又開(kāi)始變深，為深水含泥砂質(zhì)陸棚沉積，以發(fā)育深灰色泥質(zhì)粉砂巖為主(圖2)。

依據(jù)研究區(qū)20余口鉆井以及10余條典型地層剖面的巖性特征，對(duì)牛蹄塘組區(qū)域橫向上的沉積相分布特征進(jìn)行了研究(圖3)。利川市以西及湖北西北角地區(qū)為淺水混積陸棚相沉積環(huán)境，主要巖性為泥質(zhì)灰?guī)r。西部利川市—東部長(zhǎng)陽(yáng)縣及北部神農(nóng)架—南部鶴峰縣一帶，為廣袤的深水陸棚相，相帶呈“啞鈴狀”，兩端開(kāi)口寬，中間較狹窄；該相帶主要巖性為黑色炭質(zhì)頁(yè)巖，局部夾少量硅質(zhì)巖、灰?guī)r、泥質(zhì)粉砂巖，且由北至南呈現(xiàn)粉砂巖及灰?guī)r逐漸變少、炭質(zhì)頁(yè)巖及硅質(zhì)巖逐漸增多的趨勢(shì)。?？悼h—宜昌市—松滋市一帶為淺水混積陸棚相帶，巖性以黑色炭質(zhì)頁(yè)巖與灰?guī)r不等厚互層為主；該相帶發(fā)育3個(gè)水下隆起帶，分別位于興地1井周緣、ZK9003井周緣及宜地3—宜地5井周緣，巖性主要為灰黑色含鈣炭質(zhì)頁(yè)巖；與深水陸棚相相比，該淺水混積陸棚相灰?guī)r明顯增多。淺水混積陸棚相以東為淺水緩坡沉積相帶，沉積巖性主要為碳酸鹽巖。南漳縣以南地區(qū)為鄂中古陸，牛蹄塘組在此區(qū)域沉積缺失。

圖3 鄂西地區(qū)牛蹄塘組沉積相分布特征

3 儲(chǔ)層地質(zhì)特征

3.1 厚度及埋深分布特征

研究區(qū)牛蹄塘組頁(yè)巖沉積中心主要有2個(gè)(圖4)。第1個(gè)沉積中心位于來(lái)鳳縣—恩施市一帶，厚度可達(dá)200.0 m以上，咸豐縣咸2井厚度可達(dá)214.0 m，向南厚度逐漸增大，湖北省界以南茅3井沉積厚度可達(dá)426.0 m；第2個(gè)沉積中心位于神農(nóng)架林區(qū)，厚度為250.0～300.0 m，神地1井牛蹄塘組頁(yè)巖厚度為258.5 m，向北部襄廣斷裂帶厚度仍有逐漸增大的趨勢(shì)。鄂西利川以西、神農(nóng)架林區(qū)以西、興山縣—宜昌市一帶為淺水陸棚沉積區(qū)，頁(yè)巖厚度較小，如宜頁(yè)3井厚度為42.0 m。3個(gè)水下隆起沉積厚度較小，一般不超過(guò)10.0 m，如興山縣興地1井頁(yè)巖沉積厚度僅為1.6 m，宜昌西北方向宜地3—宜地5井一帶頁(yè)巖厚度為3.0～9.0 m。

研究區(qū)利川盆地、花果坪復(fù)向斜及秭歸盆地埋深為2 000.0～4 000.0 m，如中央背斜帶李1井埋深為3 400.0 m。僅局部地區(qū)埋深大于4 000.0 m，如利川盆地利1井埋深為4 440.0 m。中央背斜帶、咸豐背斜帶、宜都-鶴峰復(fù)背斜帶、長(zhǎng)陽(yáng)背斜帶、神農(nóng)架背斜周緣、黃陵背斜周緣埋深多在2 000.0 m以內(nèi)，如中央背斜帶茶1井埋深為1 372.0 m；咸豐背斜帶咸2井埋深為1 079.0 m，長(zhǎng)陽(yáng)背斜帶長(zhǎng)地1井埋深為390.2 m，神農(nóng)架背斜帶北緣神地1井埋深為1 366.0 m，黃陵背斜帶南緣秭地2井埋深為804.9 m。

圖4 鄂西地區(qū)牛蹄塘組富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖厚度分布特征

3.2 地球化學(xué)特征

牛蹄塘組由底至頂TOC及Ro含量呈逐漸降低的趨勢(shì)，底部TOC可達(dá)5.00%，頂部TOC降低至1.00%(圖2)。平面分布圖顯示TOC主要有3個(gè)高值區(qū)，第1個(gè)高值區(qū)為咸豐縣—鶴峰縣地區(qū)，鶴峰江坪河村剖面TOC可達(dá)4.34%；第2個(gè)高值區(qū)為神龍架地區(qū)，學(xué)堂溝剖面TOC可達(dá)3.00%；第3個(gè)高值區(qū)為秭歸—長(zhǎng)陽(yáng)地區(qū)，五地1井TOC可達(dá)4.10%。Ro值分布趨勢(shì)與TOC較為相似，在鶴峰縣、神農(nóng)架及長(zhǎng)陽(yáng)縣地區(qū)Ro含量高，特別是鶴峰走馬鎮(zhèn)地區(qū)Ro甚至高于4.00%(圖5)。

統(tǒng)計(jì)了鉆井及地層剖面TOC數(shù)據(jù)點(diǎn)368個(gè)，Ro數(shù)據(jù)點(diǎn)89個(gè)(圖6)。分析表明，TOC以2.00%～4.00%的高含量樣品居多，其次為大于4.00%的特高含量，再次為1.00%～2.00%的中等含量，低含量和非烴源巖占比較少；Ro以2.00%～3.50%的高成熟樣品居多，占比達(dá)75.3%，其次為大于3.50%的過(guò)成熟樣品，再次為中成熟樣品，不含低成熟樣品。研究區(qū)牛蹄塘組有機(jī)質(zhì)類型主要屬于腐殖-腐泥型(Ⅱ1型)，少量腐泥-腐殖型(Ⅱ2型)。

3.3 儲(chǔ)層物性特征

頁(yè)巖儲(chǔ)層普遍具有較強(qiáng)的非均質(zhì)性，且多具有低孔低滲的特征[18-20]。不同鉆井及同一鉆井不同深度礦物組分統(tǒng)計(jì)表明，牛蹄塘組礦物組分均以黏土礦物和石英為主，脆性礦物含量高，平均為60.4%～84.4%。但不同構(gòu)造部位的鉆井礦物含量略有差異，黃陵背斜周緣秭地1及秭地2井、神農(nóng)架背斜周緣神地1井黃鐵礦含量較低，而長(zhǎng)陽(yáng)背斜周緣WD3及長(zhǎng)地1井，宜都-鶴峰背斜帶WD5及聶地1井黃鐵礦含量較高。秭地2井不同深度礦物組成表明，由下至上黏土礦物含量逐漸增多，碳酸鹽巖礦物(方解石+白云石)含量逐漸減少。

圖5 鄂西地區(qū)牛蹄塘組富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖TOC分布特征

圖6 鄂西地區(qū)牛蹄塘組富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖TOC及Ro分布頻率圖

統(tǒng)計(jì)了研究區(qū)5口鉆井及8個(gè)地層剖面共69個(gè)樣品的孔隙度數(shù)據(jù)，孔隙度為0.27%～6.76%，平均為2.69%，以低孔為主，其次為特低孔，中孔含量最少。滲透率為0.08×10-3～650.10×10-3mD，平均為21.30×10-3mD，為特低滲儲(chǔ)層。因此，研究區(qū)牛蹄塘組主要為低孔特低滲儲(chǔ)層類型。

3.4 含氣性特征

以秭地2井為例分析牛蹄塘組及其下伏地層縱向上含氣性變化規(guī)律(圖2)。研究表明，下伏巖家河組地層總含氣量為0.14～1.15 m3/t，平均為0.75 m3/t，牛蹄塘組一段地層總含氣量為0.78～4.44 m3/t，平均為2.27 m3/t，由底至頂含氣量呈現(xiàn)急劇變大，再緩慢降低的趨勢(shì)，牛蹄塘組二段僅一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，含氣量為0.58 m3/t。

統(tǒng)計(jì)了研究區(qū)14口調(diào)查井的含氣性(表1)。分析表明，含氣性較好的井均處于深水陸棚相，其中，宜地2、宜頁(yè)1、秭地2及陽(yáng)頁(yè)1井位于黃陵背斜東南翼，宜地4井位于宜都-鶴峰背斜北翼。氣顯效果最好的井為宜頁(yè)1井，現(xiàn)場(chǎng)解析含氣量平均值達(dá)到2.05 m3/t。除上述5口井氣顯較好外，其余井氣顯微弱或者不含氣，其中，黃陵背斜東南翼宜地3井位于淺水混積陸棚相帶水下隆起區(qū)，頁(yè)巖厚度僅為4.0 m，幾乎無(wú)氣顯；秭地1井埋深僅為358.0 m，含氣量較低，總含氣量為0.59 m3/t；神農(nóng)架背斜北翼神地1及紅地1井處于深水陸棚相帶，頁(yè)巖沉積厚度大，埋深適中，但2口井幾乎無(wú)氣顯，這可能與近東西走向的陽(yáng)日斷裂有關(guān)，該斷裂帶形成于印支期，為一由北向南逆沖的活動(dòng)斷層，該時(shí)期牛蹄塘組富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖正處于大量生烴時(shí)期，對(duì)烴源巖起到極大的破壞作用；長(zhǎng)陽(yáng)縣長(zhǎng)地1及陽(yáng)地1井由于位于長(zhǎng)陽(yáng)背斜核部，處于張性應(yīng)力狀態(tài)，且與仙女山斷裂帶距離近，不利于頁(yè)巖氣保存。位于宜都-鶴峰背斜南翼的五地1井以及中央背斜帶的恩頁(yè)1井均位于深水陸棚相帶，頁(yè)巖厚度較大，埋深適中且與斷裂帶距離較遠(yuǎn)，但幾乎無(wú)氣顯，可能與這2口井牛蹄塘組頁(yè)巖熱演化程度過(guò)高有關(guān)，五地1及恩頁(yè)1井Ro平均值分別達(dá)到3.5%和3.6%，處于過(guò)成熟階段，導(dǎo)致頁(yè)巖氣散失。聶地1井處于宜都-鶴峰背斜近核部，處于張性應(yīng)力狀態(tài)，不利于頁(yè)巖氣保存，氣顯較為微弱。

表1 鄂西地區(qū)牛蹄塘組含氣性特征統(tǒng)計(jì)Table 1 statistics of Gas-bearing properties in the Niutitang Formation of western Hubei

4 結(jié) 論

(1) 鄂西地區(qū)牛蹄塘組可以分為2段，一段巖性主要為黑色炭質(zhì)頁(yè)巖，二段巖性為灰?guī)r與含炭粉砂質(zhì)泥巖互層；研究區(qū)東西部為淺水混積陸棚相，中部為分布面積廣闊的深水陸棚相，宜昌—興山一帶發(fā)育3個(gè)水下隆起帶。

(2) 研究區(qū)牛蹄塘組主要有來(lái)鳳縣—恩施市一帶及神農(nóng)架林區(qū)2個(gè)沉積中心，厚度超過(guò)200.0 m，均位于深水陸棚相區(qū)，淺水混積陸棚相區(qū)頁(yè)巖厚度小。牛蹄塘組埋深多淺于4 000.0 m,特別是背斜兩翼鉆井埋深多在2 000.0 m以內(nèi)。

(3) 縱向上由下至上TOC含量逐漸降低，橫向上高值區(qū)分布在咸豐—鶴峰縣、神農(nóng)架及長(zhǎng)陽(yáng)地區(qū)，TOC以大于2.00%的高及特高級(jí)別為主，Ro以2.00%～3.50%的高成熟為主，礦物組分以黏土及石英為主，且縱向上由下至上黏土礦物逐漸增多，主要為低孔特低滲儲(chǔ)層。

(4) 縱向上牛蹄塘組由底至頂含氣量呈現(xiàn)急劇變大、再緩慢降低的趨勢(shì)，含氣量峰值位于牛蹄塘組一段下部；區(qū)域上含氣性較好的鉆井均位于深水陸棚相帶內(nèi)，構(gòu)造上位于寬緩背斜翼部且遠(yuǎn)離區(qū)域大斷裂帶的地區(qū)。