湖北省來鳳—咸豐區(qū)塊五峰組—龍馬溪組頁巖氣地質(zhì)特征與資源潛力

劉小龍， 牟傳龍， 肖朝輝， 王秀平， 鄭宇龍， 陳 堯

1 山東科技大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院； 2 自然資源部沉積盆地與油氣資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3 中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局成都地質(zhì)調(diào)查中心； 4 華電華中清潔能源有限公司

我國(guó)南方中上揚(yáng)子區(qū)普遍發(fā)育多套海相黑色頁巖層系， 其中的上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組作為頁巖氣的主要勘探目的層， 受到業(yè)界的廣泛關(guān)注。 上揚(yáng)子區(qū)五峰組—龍馬溪組廣泛發(fā)育的厚層頁巖，具有硅質(zhì)含量豐富、有機(jī)碳含量高、熱演化程度適中、儲(chǔ)集物性好等特點(diǎn)[1-5]，在涪陵、長(zhǎng)寧、昭通等地區(qū)已實(shí)現(xiàn)了規(guī)模開發(fā)。 中揚(yáng)子區(qū)五峰組—龍馬溪組同樣廣泛發(fā)育富有機(jī)質(zhì)黑色巖系， 頁巖氣勘探潛力大[6-11]。 湖北省來鳳—咸豐區(qū)塊位于中上揚(yáng)子區(qū)頁巖氣勘探重點(diǎn)區(qū)域[12]，為原國(guó)土資源部第二輪頁巖氣招標(biāo)區(qū)塊。 前人曾對(duì)該區(qū)塊的單井開展過研究[12-13]，但目前還缺乏整體性、系統(tǒng)性的研究。 筆者基于露頭剖面、鉆井巖心資料、實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，對(duì)來鳳—咸豐區(qū)塊五峰組—龍馬溪組頁巖氣地質(zhì)條件進(jìn)行系統(tǒng)研究，分析研究區(qū)地質(zhì)要素空間展布特征，在此基礎(chǔ)上預(yù)測(cè)了頁巖氣有利區(qū)分布， 并通過與四川盆地焦石壩頁巖氣建產(chǎn)區(qū)對(duì)比， 淺析研究區(qū)頁巖氣資源潛力，以期為中上揚(yáng)子區(qū)頁巖氣評(píng)價(jià)提供依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

晚奧陶世—早志留世， 受加里東中期都勻運(yùn)動(dòng)的影響，上揚(yáng)子?xùn)|部發(fā)生陸內(nèi)拗陷，隨之快速海侵，使上揚(yáng)子區(qū)東南部形成了較大規(guī)模的深水陸棚沉積環(huán)境[10，14-15]（圖1a），分別發(fā)育了川東北、鄂西—渝東和川南等3個(gè)沉積中心[1]。 研究區(qū)來鳳—咸豐區(qū)塊位于湘鄂西褶皺沖斷帶， 區(qū)內(nèi)主體構(gòu)造有北東向展布的咸豐背斜和兩河口向斜（圖1b），其中，兩河口向斜西南端延伸出區(qū)外，東北端揚(yáng)起。

區(qū)域地質(zhì)資料顯示： 來鳳—咸豐區(qū)塊出露震旦系—三疊系，缺失侏羅系以上地層，累計(jì)地層厚度約為4 600 m。 受后期抬升剝蝕的影響，五峰組—龍馬溪組的露頭主要分布在兩河口向斜的西北和東南兩側(cè)（圖1b），地層較為平緩。 露頭和鉆井揭示： 這套頁巖目的層厚度變化不大（50~60m）；目的層埋藏較淺，埋深＜2 500 m，地層壓力系數(shù)為0.95~1.20。 目的層的頂板、底板分別為下志留統(tǒng)新灘組、上奧陶統(tǒng)寶塔組，兩河口向斜內(nèi)無大型通天斷層發(fā)育，保存條件良好。

五峰組—龍馬溪組巖性由下部的碳質(zhì)泥頁巖，向上過渡為粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖和含碳泥頁巖（圖2）。 五峰組—龍馬溪組下部的碳質(zhì)泥頁巖為優(yōu)質(zhì)泥頁巖段（主體TOC≥2.0%[16-17]），其厚度一般小于20 m（表1）：在位于北部的龍?zhí)镀浩拭婧穸葹?8.11 m，向南呈減薄趨勢(shì)，位于南端的來地2井區(qū)厚度僅為4.36 m。

圖1 中上揚(yáng)子區(qū)奧陶紀(jì)末沉積相分布圖(a)與來鳳—咸豐區(qū)塊地質(zhì)簡(jiǎn)圖(b)Fig. 1 Sedimentary background at the end of Ordovician in the Middle-Upper Yangtze Region (a) and geological map of Laifeng- Xianfeng block (b)

圖2 湖北省來鳳—咸豐區(qū)塊五峰組—龍馬溪組對(duì)比剖面Fig. 2 Correlation section of Wufeng Formation and Longmaxi Formation in Laifeng- Xianfeng block, Hubei Province

表1 湖北省來鳳—咸豐區(qū)塊五峰組—龍馬溪組優(yōu)質(zhì)泥頁巖段厚度及有機(jī)碳含量Table 1 Thickness and organic carbon content of high quality shale section of Wufeng Formation and Longmaxi Formation in Laifeng-Xianfeng block, Hubei Province

2 頁巖生氣潛力

除有機(jī)碳含量外， 有機(jī)質(zhì)的生烴潛力還與有機(jī)質(zhì)類型密切相關(guān)。 來鳳—咸豐區(qū)塊優(yōu)質(zhì)泥頁巖段的黑色頁巖樣品顯微組分特征（表2）表明：干酪根類型主要為Ⅱ1型，Ⅱ2型次之，顯微組分主要為腐泥組和惰質(zhì)組，具有一定的生烴潛力。

表2 湖北省來鳳—咸豐區(qū)塊來地1 井五峰組—龍馬溪組頁巖有機(jī)質(zhì)顯微組分Table 2 Organic macerals of shale of Wufeng Formation and Longmaxi Formation of Well Laidi 1 in Laifeng-Xianfeng block, Hubei Province

有機(jī)質(zhì)熱演化程度決定了天然氣的生成方式和氣體的組分構(gòu)成[11]，它是影響頁巖生烴潛力的關(guān)鍵指標(biāo)[18-19]。 對(duì)研究區(qū)內(nèi)頁巖鏡質(zhì)組反射率（Ro）的分析（表3） 表明： 五峰組—龍馬溪組Ro平均值為2.80%，處于過成熟階段，以生成干氣為主。 需要說明的是：胡家臺(tái)剖面Ro為2.56%~4.85%，平均值高達(dá)3.31%，是區(qū)內(nèi)熱演化程度最高的；該剖面優(yōu)質(zhì)頁巖段的TOC平均值為1.82%（表1），小于2%，可能與有機(jī)質(zhì)的高熱演化程度有關(guān)。

表3 湖北省來鳳—咸豐區(qū)塊五峰組—龍馬溪組Ro 統(tǒng)計(jì)表Table 3 Ro of Wufeng Formation and Longmaxi Formation in Laifeng-Xianfeng block, Hubei Province

3 頁巖儲(chǔ)集條件

有機(jī)碳含量在一定程度上控制著頁巖裂縫的發(fā)育和頁巖的含氣量[11]：有機(jī)碳含量如果較高，在生烴演化過程中可使微孔增多、微孔隙度增大，從而使頁巖吸附氣含量增加[20]。 過高的熱演化程度也會(huì)促進(jìn)有機(jī)質(zhì)微孔隙、微裂縫的發(fā)育[21-23]。 脆性礦物的存在有利于微孔隙、微裂縫的形成[24-26]。

3.1 礦物組分

以來鳳—咸豐區(qū)塊樣品較多的2 口鉆井為例，對(duì)五峰組—龍馬溪組泥頁巖全巖礦物組成的分析（表4）表明：頁巖礦物成分以石英和黏土礦物為主，其次為長(zhǎng)石、碳酸鹽礦物等，其中石英、長(zhǎng)石、碳酸鹽礦物等脆性礦物的平均含量大于60%，因此具有較好的壓裂條件。

表4 湖北省來鳳—咸豐區(qū)塊五峰組—龍馬溪組礦物組成統(tǒng)計(jì)表Table 4 Mineral composition of Wufeng Formation and Longmaxi Formation in Laifeng- Xianfeng block, Hubei Province

3.2 儲(chǔ)集空間

基于掃描電鏡觀察，來鳳—咸豐區(qū)塊五峰組—龍馬溪組黑色頁巖的儲(chǔ)集空間類型主要包括粒間孔、粒內(nèi)孔、有機(jī)質(zhì)孔和微裂縫（圖3）。

粒間孔 由各種顆粒間的原生孔隙經(jīng)不完全膠結(jié)保留或后期成巖改造產(chǎn)生。 研究區(qū)內(nèi)五峰組—龍馬溪組黑色頁巖中見有黏土礦物凝絮成團(tuán)后在其內(nèi)部形成的孔隙（圖3a），呈網(wǎng)格狀；黃鐵礦顆粒之間的孔隙（圖3b），可見三角形、多邊形和長(zhǎng)條形等形態(tài)，孔徑多為1~5 μm。

粒內(nèi)孔 常見于石英等礦物顆粒的內(nèi)部，孔徑為2~5 μm，通常呈不規(guī)則形態(tài)（圖3c），在成巖過程中產(chǎn)生，連通性較差。

有機(jī)質(zhì)孔 多為納米級(jí)的中孔隙和宏孔隙，常局部富集，具有一定的連通性，可作為吸附氣的儲(chǔ)集空間。 研究區(qū)五峰組—龍馬溪組黑色頁巖樣品中，發(fā)育大量的有機(jī)質(zhì)孔隙，呈蜂窩狀，孔徑可達(dá)幾十到數(shù)百納米，孔隙邊緣較清晰（圖3d，3e），未見坍塌現(xiàn)象。

微裂縫 頁巖儲(chǔ)層中發(fā)育的微裂縫，在提高滲透性的同時(shí)，還有利于頁巖氣的大量存儲(chǔ)[27]。除巖心見到的共軛節(jié)理外， 研究區(qū)五峰組—龍馬溪組微裂縫較為發(fā)育（圖3f），而且微裂縫的縫面不規(guī)則，不成組系。

圖3 湖北省來鳳—咸豐區(qū)塊五峰組—龍馬溪組泥頁巖儲(chǔ)集空間顯微特征（掃描電鏡）Fig. 3 Micro characteristics of shale reservoir space of Wufeng Formation and Longmaxi Formation in Laifeng- Xianfeng block, Hubei Province (SEM)

對(duì)研究區(qū)各類儲(chǔ)集空間的統(tǒng)計(jì)分析表明： 五峰組—龍馬溪組黑色頁巖有機(jī)質(zhì)孔和微裂縫較為發(fā)育，優(yōu)質(zhì)頁巖段有機(jī)質(zhì)孔占比略高。大量有機(jī)質(zhì)孔和微裂縫的發(fā)育， 是形成豐富的頁巖氣資源的基礎(chǔ)條件[27-28]。

對(duì)研究區(qū)內(nèi)五峰組—龍馬溪組泥頁巖樣品（3口井合計(jì)133個(gè)）的孔滲分析表明：頁巖孔隙度為0.001%~2.09%，平均為0.68%，滲透率為（0.000 18~0.60）×10-3μm2，平均為0.034×10-3μm2，具有超低孔、超低滲特征。 來地2 井區(qū)泥頁巖滲透率平均值小于0.001×10-3μm2， 滲透率如此之低推斷與有機(jī)質(zhì)熱演化程度相對(duì)較低有關(guān)（表3）。

4 頁巖含氣量與有利區(qū)評(píng)價(jià)

優(yōu)質(zhì)泥頁巖段的含氣量分析顯示（表5）：北部的龍?zhí)镀浩拭骓搸r含氣量最高達(dá)5.34 m3/t， 平均為4.17 m3/t；其次為來地1井區(qū)，含氣量平均為3.0 m3/t；向南含氣量呈減少趨勢(shì)， 來地2井含氣量最大值僅為0.72 m3/t。 來地2井區(qū)頁巖含氣量偏低，推斷與熱演化程度相對(duì)較低、 保存條件受到破壞有一定關(guān)系[12]。研究區(qū)優(yōu)質(zhì)泥頁巖段含氣量平均達(dá)2.52 m3/t，整體含氣量較高。

表5 湖北省來鳳—咸豐區(qū)塊五峰組—龍馬溪組優(yōu)質(zhì)泥頁巖段含氣量Table 5 Gas content of high quality shale of Wufeng Formation and Longmaxi Formation in Laifeng- Xianfeng block, Hubei Province

基于前述分析，綜合考慮優(yōu)質(zhì)泥頁巖段的厚度、有機(jī)碳含量、成熟度和含氣量等條件，對(duì)來鳳—咸豐區(qū)塊兩河口向斜頁巖氣有利選區(qū)進(jìn)行評(píng)價(jià)：大致以來頁2井—大面坡剖面一線為界， 北部泥頁巖厚度大、有機(jī)碳含量高、熱演化程度高、含氣量大，有利于頁巖氣富集（圖4）；南部次之。

圖4 湖北省來鳳—咸豐區(qū)塊兩河口向斜五峰組—龍馬溪組頁巖氣有利區(qū)預(yù)測(cè)Fig. 4 Favorable shale gas area of Wufeng Formation and Longmaxi Formation in Lianghekou Syncline, Laifeng-Xianfeng block, Hubei Province

5 與焦石壩頁巖氣田對(duì)比

為了進(jìn)一步分析來鳳—咸豐區(qū)塊五峰組—龍馬溪組頁巖氣潛力，將其與四川盆地五峰組—龍馬溪組主要建產(chǎn)區(qū)之一的焦石壩地區(qū)進(jìn)行了對(duì)比。選擇研究區(qū)來地1井與焦石壩地區(qū)焦頁1井對(duì)優(yōu)質(zhì)頁巖段進(jìn)行綜合對(duì)比（表6），從而預(yù)測(cè)研究區(qū)頁巖氣資源潛力。

（1）五峰組—龍馬溪組同處于深水陸棚沉積環(huán)境（圖1a），下部發(fā)育黑色碳質(zhì)泥頁巖。 焦頁1井優(yōu)質(zhì)泥頁巖段厚度達(dá)37 m，來鳳—咸豐區(qū)塊一般小于20 m。

（2）從目的層埋深看，焦石壩地區(qū)埋藏較深（大于2 300 m），地層壓力系數(shù)高，表現(xiàn)為超壓[2-3]；來鳳—咸豐區(qū)塊受后期抬升剝蝕影響，埋深相對(duì)較淺，來地1井區(qū)小于1 000 m，地層壓力系數(shù)相對(duì)較低。

（3）焦石壩地區(qū)優(yōu)質(zhì)泥頁巖TOC為2%~8%[29-30]，焦頁1井TOC平均為3.39%， 有機(jī)質(zhì)類型多為Ⅰ型或Ⅱ1型[31-32]；而研究區(qū)TOC相對(duì)較低，一般小于3%，有機(jī)質(zhì)類型多為Ⅱ1型。 熱演化程度二者均處于過成熟演化階段。 脆性礦物含量大致相當(dāng)，均超過60%，有利于后期壓裂造縫。

（4）焦石壩地區(qū)頁巖含氣量為1.7~4.5 m3/t[33]，焦頁1井含氣量平均為2.99 m3/t，研究區(qū)來地1井含氣量為3.0 m3/t，兩者基本相當(dāng)，反映出研究區(qū)具有一定的頁巖氣潛力。

表6 來地1井與焦頁1井五峰組—龍馬溪組優(yōu)質(zhì)泥頁巖段地質(zhì)參數(shù)對(duì)比表Table 6 Comparison of geological parameters between Well Laidi 1 and Well Jiaoye 1 in the high quality shale section of Wufeng Formation and Longmaxi Formation

6 結(jié) 語

基于露頭剖面、鉆井巖心及實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，從優(yōu)質(zhì)頁巖段厚度、有機(jī)碳含量、有機(jī)質(zhì)類型、礦物含量以及含氣量等方面綜合評(píng)價(jià)， 認(rèn)為湖北省來鳳—咸豐區(qū)塊上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組具備較好的頁巖氣地質(zhì)條件，兩河口向斜北部為有利區(qū)。與四川盆地五峰組—龍馬溪組頁巖氣建產(chǎn)區(qū)之一的焦石壩地區(qū)開展典型井地質(zhì)參數(shù)對(duì)比， 表明來鳳—咸豐區(qū)塊具有一定的頁巖氣資源潛力。 研究成果對(duì)中上揚(yáng)子區(qū)頁巖氣勘探從四川盆地拓展到盆地以外具有一定意義。