鄂西渝東五峰組—龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)頁巖小層劃分對比研究
——以咸地2井為例

王作華， 張 號， 何 俊， 朱傳偉， 肖明宏， 呂 星

(湖北煤炭地質(zhì)局 湖北煤炭地質(zhì)勘查院,湖北 武漢 430070)

鄂西渝東地區(qū)是目前中國頁巖氣勘探的重點(diǎn)地區(qū),上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組因其厚度大、有機(jī)質(zhì)豐度高、熱演化和埋深適中,為頁巖氣勘探的有利層系[1-3]。其中焦石壩地區(qū)是中國最早獲得工業(yè)氣流、勘探效果最好的頁巖氣區(qū)塊之一[4],近年在湖北咸豐地區(qū)開展頁巖氣調(diào)查研究的調(diào)查井——咸地2井現(xiàn)場解析含氣性測試顯示,咸地2井五峰組—龍馬溪組頁巖含氣量較高,勘探目的層段總含氣量介于1.34～3.45 m3/t,平均為2.56 m3/t[5]。這個重大發(fā)現(xiàn)極大地提振了對湖北西部地區(qū)頁巖氣進(jìn)一步的勘探研究,并有可能改變湖北省的能源格局,為湖北省建設(shè)淺層頁巖氣開發(fā)示范基地奠定基礎(chǔ)。因此對咸地2井開展精細(xì)化小層研究,并選擇國家級頁巖氣示范區(qū)的代表性單井焦頁1井和彭頁1井為對象,與咸地2井進(jìn)行精細(xì)化小層研究對比,進(jìn)一步歸納總結(jié)出適合咸豐地區(qū)的有利開發(fā)小層,對于指導(dǎo)該區(qū)頁巖氣的勘探具有重要意義。

1 咸地2井地質(zhì)概況

研究區(qū)大地構(gòu)造位置屬湘鄂西地區(qū),位于中揚(yáng)子地區(qū)的西部,西與四川盆地毗鄰,北靠秦嶺—大別造山帶,東接江南—雪峰滑脫推覆隆起帶,屬湘鄂西褶皺帶。根據(jù)區(qū)域構(gòu)造特征、現(xiàn)今構(gòu)造形跡以及前人研究成果[6],研究區(qū)地跨宜都—鶴峰復(fù)背斜帶、花果坪復(fù)向斜帶和中央復(fù)背斜帶(圖1)。

圖1 研究區(qū)位置及區(qū)域構(gòu)造特征

圖2 咸地2井五峰組—龍馬溪組層序地層及沉積相分析綜合柱狀圖

2 五峰組—龍馬溪組小層劃分

五峰組—龍馬溪組是目前四川涪陵—礁石壩地區(qū)頁巖氣主要目的產(chǎn)層[7-8],在四川盆地勘探開發(fā)過程中產(chǎn)生的一系列地質(zhì)、工程問題也集中于此,以往對五峰組—龍馬溪組內(nèi)亞段劃分較為粗糙,難以滿足頁巖氣進(jìn)入大規(guī)模效益開發(fā)的實際需求,目前焦石壩地區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖段根據(jù)巖性、電性、生物化石和有機(jī)質(zhì)豐度等特征,可細(xì)分為9小層,其中①—⑤小層為主力產(chǎn)氣頁巖段[9-10]。

通過選取國家級開發(fā)井——焦頁1井、彭頁1井的資料進(jìn)行類比,以咸地2井綜合資料為基礎(chǔ),擬從巖性、電性、生物化石、含氣性和有機(jī)質(zhì)豐度等特征將鄂西地區(qū)咸地2井頁巖段進(jìn)行精細(xì)小層劃分,以期弄清優(yōu)質(zhì)頁巖的發(fā)育區(qū)?？蓪⑾痰?井五峰組—龍馬溪組分為以下9個小層。

(1) ①小層,鉆井深度為1 519.98～1 513.60 m,厚6.38 m,巖性以黑色硅質(zhì)頁巖、炭質(zhì)頁巖為主。①小層發(fā)育多層斑脫土,呈灰黃色,松散土狀。斑脫土的發(fā)育反映了沉積時期周圍構(gòu)造活動頻繁,火山頻發(fā),沉降后的火山灰落到海面而緩慢沉積,從另一方面反映此時期咸豐地區(qū)為局限海沉積環(huán)境,未受開闊海流擾動影響[5,11-12]。同時黃鐵礦條帶大量發(fā)育,斷面筆石較發(fā)育。浸水實驗顯示大量氣泡,有機(jī)碳含量高,為2.46%～4.31%,平均為3.19%,含氣性較好,含氣性范圍為2.37～2.73 m3/t(圖3)。

(2) ②小層,鉆井深度為1 513.60～1 511.70 m,厚1.9 m,巖性以黑色硅質(zhì)頁巖與炭質(zhì)頁巖互層為主,本段有機(jī)碳含量為8.08%,含氣性為1.34 m3/t。②小層頂界為五峰組—龍馬溪組分界(圖4)。

(3) ③小層,鉆井深度為1 511.70～1 500.50 m,厚11.20 m,巖性以黑色炭質(zhì)頁巖、含炭頁巖為主,③小層斑脫土、黃鐵礦層發(fā)育,發(fā)育頁巖層理,局部見筆石化石。本段有機(jī)碳含量范圍為1.86%～2.44%,平均2.02%,含氣性較好,含氣性范圍為0.73～3.45 m3/t(圖5)。

圖3 ①小層斑脫土、黃鐵礦特征圖

圖4 ②小層巖芯特征

圖5 ③小層巖芯特征

(4) ④小層,鉆井深度為1 500.50～1 493.70 m,厚6.80 m,巖性以黑色炭質(zhì)頁巖為主,④小層斑脫土較發(fā)育，多發(fā)育黃鐵礦層,發(fā)育頁巖層理,斷面見大量筆石化石。本段有機(jī)碳含量范圍為1.31%～1.43%,平均為1.37%,含氣性較好,含氣性范圍為0.76～0.86 m3/t(圖6)。

(5) ⑤小層,鉆井深度為1 493.70～1 486.00 m,厚7.70 m,巖性以黑色炭質(zhì)頁巖、含炭頁巖、粉砂質(zhì)頁巖,⑤小層多發(fā)育黃鐵礦層,發(fā)育頁巖層理,斷面見大量筆石化石。發(fā)育粉砂巖透鏡體,代表此階段水動力較強(qiáng),陸源輸入增強(qiáng)[5,13]。本段有機(jī)碳含量范圍為0.92%～2.41%,平均為1.53%,含氣性較好,含氣性范圍為0.63～1.10 m3/t(圖7)。

圖6 ④小層巖芯特征

圖7 ⑤小層巖芯特征

(6) ⑥小層,鉆井深度為1 486.00～1 479.80 m,厚6.40 m,巖性以黑色炭質(zhì)頁巖、含炭頁巖、粉砂質(zhì)頁巖為主,下部為炭質(zhì)頁巖與粉砂質(zhì)頁巖互層,上部為黑色炭質(zhì)頁巖。⑥小層多發(fā)育黃鐵礦層,斷面見大量筆石化石。下部發(fā)育粉砂巖透鏡體。本段有機(jī)碳含量范圍為1.18%～1.42%,平均為1.28%,含氣性較好,含氣性范圍為1.30～1.53 m3/t(圖8)。

圖8 ⑥小層巖芯特征

(7) ⑦小層,鉆井深度為1 479.80～1 466.50 m,厚13.30 m,巖性主要為黑色炭質(zhì)頁巖,⑦小層多發(fā)育黃鐵礦層,筆石化石數(shù)量逐漸減小,見耙筆石。本段有機(jī)質(zhì)含量范圍為1.33%～2.13%,平均為1.65%,含氣性較好,含氣性范圍為1.30～2.15 m3/t(圖9)。

(8) ⑧小層,鉆井深度為1 466.50～1 452.30 m,厚14.30 m,巖性主要為黑色炭質(zhì)頁巖,多見粉砂巖透鏡體。⑧小層多發(fā)育粉砂巖透鏡體,代表海平面下降,陸源輸入增強(qiáng),筆石化石發(fā)育。本段有機(jī)質(zhì)含量范圍為1.30%～2.15%,平均為1.68%,含氣性較好,含氣性范圍為0.99～2.28 m3/t(圖10)。

圖9 ⑦小層巖芯特征

圖10 ⑧小層巖芯特征

(9) ⑨小層,鉆井深度為1 452.30～1 446.87 m,厚5.43 m,巖性主要為黑色炭質(zhì)頁巖,夾少量灰色泥質(zhì)團(tuán)塊。⑨小層夾若干層黃鐵礦,層厚0.5 cm,斷面可見植物化石,浸水試驗顯示大量氣泡。表明此階段水體仍較深。本段有機(jī)質(zhì)含量范圍為1.33%～1.75%,平均為1.68%,含氣性較好,含氣性為1.35 m3/t(圖11)。

圖11 ⑨小層巖芯特征

3 小層對比研究分析

高精度層序地層格架的建立是進(jìn)行小層預(yù)測的關(guān)鍵[13-14],因此該部分用層序地層學(xué)的技術(shù)方法,通過編制區(qū)域以及研究區(qū)內(nèi)的連井沉積斷面,根據(jù)測井曲線、地化參數(shù)以及巖性等進(jìn)行系統(tǒng)的層序劃分和對比,最終建立鄂西—渝東地區(qū)上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組層序地層格架。

根據(jù)層序地層連井剖面(圖12)對比分析：在綜合分析焦頁1井及彭頁1井的基礎(chǔ)上,對咸地2井進(jìn)行單井層序高頻層序劃分時,將Sq1層序的海侵體系域劃分為2個準(zhǔn)層序組,高位體系域劃分為1個準(zhǔn)層序組。Sq2層序的海侵體系域則劃分出2個準(zhǔn)層序組,早期高位體系域劃分出3個準(zhǔn)層序組,晚期高位體系域同樣也由3個準(zhǔn)層序組組成。

區(qū)域上通過焦頁1井—彭頁1井—咸地2井的剖面進(jìn)行層序和高頻層序單元(四級準(zhǔn)層序組)與勘探開發(fā)小層對比(圖12)發(fā)現(xiàn)：Sq1層序的準(zhǔn)層序組在全區(qū)分布穩(wěn)定,其中海侵體系域的準(zhǔn)層序組①(咸地2井的準(zhǔn)層序組①和②)即開發(fā)小層①分布穩(wěn)定,為一套深水陸棚相的高硅富有機(jī)質(zhì)頁巖,為研究區(qū)內(nèi)的有利頁巖氣發(fā)育層段。高位體系域的準(zhǔn)層序組②(咸地2井的準(zhǔn)層序組③)即開發(fā)小層②廣泛發(fā)育幾十厘米厚的觀音橋段介殼灰?guī)r,但是有機(jī)碳含量以及含氣量較好[11]。

Sq2層序海侵體系域的2個準(zhǔn)層序組——準(zhǔn)層序組①(即開發(fā)小層③)和準(zhǔn)層序組②(即開發(fā)小層④)同樣具有可對比性,其中咸地2井開發(fā)小層③、④和焦頁1井的開發(fā)小層③、④分別在厚度、巖性、電性等特征上相似,都是高GR，低RT、RS特征,而彭頁1井的開發(fā)小層③和④厚度較焦頁1井和咸地2井薄,但也是高GR、高U特征。其以高硅富有機(jī)質(zhì)頁巖沉積為主,是頁巖氣富集的有利層段。早期高位體系域的4個準(zhǔn)層序組(其中咸地2井為3個準(zhǔn)層序組；焦頁1井和彭頁1井中的準(zhǔn)層序組⑥在咸地2井中發(fā)育很薄,故劃分到其準(zhǔn)層序組⑤中)——準(zhǔn)層序組③(即開發(fā)小層⑤)、準(zhǔn)層序組④(即開發(fā)小層⑥)和準(zhǔn)層序組⑤(即開發(fā)小層⑦)同樣在全區(qū)可對比,在焦頁1井和彭頁1井為三套等深流沉積旋回,為粉砂質(zhì)頁巖與黑色炭質(zhì)頁巖互層,GR值為周期性的減小,而在咸地2井也發(fā)育一套粉砂質(zhì)頁巖與黑色炭質(zhì)頁巖互層,但是未在斷面上發(fā)現(xiàn)有明顯標(biāo)志性的大量筆石定向,含氣量和有機(jī)質(zhì)含量不如開發(fā)小層③和④好。焦頁1井、彭頁1井晚期高位體系域的3個準(zhǔn)層序組——準(zhǔn)層序組⑥、⑦和⑧(對應(yīng)咸地2井為準(zhǔn)層序組⑥、⑦和⑧)同樣在全區(qū)可對比,在焦頁1井和彭頁1井主要為淺水陸棚沉積,而在咸地2井仍沉積一套富有機(jī)質(zhì)黑色炭質(zhì)頁巖,有機(jī)碳含量高,含氣性較好,因此沉積為深水泥質(zhì)陸棚。準(zhǔn)層序組⑥和⑦統(tǒng)一劃歸到開發(fā)小層⑧,GR值為周期性的降低,為低GR、RT、RS,準(zhǔn)層序組套高硅富有機(jī)質(zhì)頁巖,而準(zhǔn)層序組⑥、⑦粘土含量較高。準(zhǔn)層序組⑧(即開發(fā)小層⑨)粘土含量較高,在焦頁1井巖性為灰色泥巖,在彭頁1井沉積巖性為灰質(zhì)泥巖,而在咸地2井仍為黑色炭質(zhì)頁巖沉積。

焦石壩地區(qū)和彭水地區(qū)為國家級頁巖氣先行開發(fā)區(qū),其中開發(fā)小層①—④因其有機(jī)碳含量、含氣性、電性、儲集性等都優(yōu)良,而被列為優(yōu)先開采小層[8-9,15]。通過區(qū)域精細(xì)開發(fā)小層對比發(fā)現(xiàn)咸地2井開發(fā)小層①—④與焦頁1井和彭頁1井的開發(fā)小層①—④具有橫向可對比性,因此咸地2井開發(fā)小層①—④也為優(yōu)先開發(fā)小層。另因咸地2井的開發(fā)小層⑧的巖性、有機(jī)碳含量、含氣性好,故也被列為優(yōu)先開發(fā)小層。

圖12 鄂西渝東典型層序地層連井剖面對比

4 主要認(rèn)識及結(jié)論

選取鄂西地區(qū)五峰組—龍馬溪組典型單井剖面,以地質(zhì)評價手段為依據(jù)，重點(diǎn)對其巖石特性、沉積環(huán)境等作細(xì)致的研究,并結(jié)合測井?dāng)?shù)據(jù)、TOC、含氣量以及地化分析數(shù)據(jù),綜合焦頁1井及彭頁1井劃分方案,將咸地2井五峰組—龍馬溪組劃分出9個開發(fā)小層。

通過對比分析發(fā)現(xiàn)咸地2井開發(fā)小層①—④與焦頁1井和彭頁1井的開發(fā)小層①—④具有橫向可對比性,因此咸地2井開發(fā)小層①—④也為優(yōu)先開發(fā)小層。另因咸地2井的開發(fā)小層⑧的巖性、有機(jī)碳含量、含氣性好,故也被列為優(yōu)先開發(fā)小層。