神農(nóng)架復(fù)背斜北緣牛蹄塘組頁巖氣成藏主控因素分析
——以SD1井為例

余江浩，王 登，金 朝，石先濱，謝 通，徐 聰

(湖北省地質(zhì)調(diào)查院，湖北 武漢 430034)

自2015年ZD1井在鄂西秭歸地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組首次鉆獲頁巖氣以來，宜昌—秭歸地區(qū)頁巖氣勘查如火如荼，并且相繼取得重大發(fā)現(xiàn)。截至2018年，在部分已實施的5口頁巖氣調(diào)查井(如YD2、YD3、YY1等)和2口頁巖氣參數(shù)井(YC1、YIY1)均在主要目標(biāo)層牛蹄塘組取得了頁巖氣勘探的重要突破。宜昌—秭歸地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組具有較大的頁巖氣勘探前景，為湖北省頁巖氣勘探最為熱點的地區(qū)，也是目前正在建設(shè)的鄂西頁巖氣勘探開發(fā)綜合示范區(qū)的核心區(qū)。神農(nóng)架復(fù)背斜北緣與黃陵背斜東南緣地區(qū)具有相似的構(gòu)造地質(zhì)背景，同樣處于古老隆起的邊緣，周緣地區(qū)在下古生界發(fā)育多套富有機質(zhì)頁巖，此前該地區(qū)頁巖氣地質(zhì)調(diào)查和評價工作很薄弱，基本屬于空白區(qū)。為此，部署實施了針對寒武系牛蹄塘組為勘探目標(biāo)的SD1井，在深度1 045 m鉆獲頁巖氣，并成功點火。神農(nóng)架復(fù)背斜北緣復(fù)雜構(gòu)造區(qū)頁巖氣勘探的初步成功，為湖北省寒武系頁巖氣勘探打開了新局面，拓展了新方向、新戰(zhàn)場。同時，也證實了“古老隆起邊緣控藏模式”頁巖氣成藏模式的可靠性。本文主要報道本次勘探獲得的一些新資料、新成果，旨在為該地區(qū)頁巖氣進一步勘探提供有益參考。

1 地質(zhì)背景

宜昌—秭歸地區(qū)發(fā)育很好的寒武系頁巖氣地層，歷來被地質(zhì)工作者所重視[1-7]。中國地質(zhì)調(diào)查局在對四川盆地內(nèi)威遠(yuǎn)頁巖氣發(fā)現(xiàn)研究的基礎(chǔ)上，認(rèn)為古隆起邊緣熱演化程度相對較低，創(chuàng)新提出“古老隆起邊緣控藏模式”頁巖氣成藏模式，認(rèn)為黃陵背斜古隆起周緣具有埋藏深度適中、抬升較早、構(gòu)造變形較弱的特點，有利于頁巖氣的富集和保存[8-11]。神農(nóng)架復(fù)背斜北緣與黃陵背斜東南緣地區(qū)具有相似的構(gòu)造地質(zhì)背景，同樣處于古老隆起的邊緣，周緣地區(qū)在下古生界發(fā)育多套富有機質(zhì)頁巖[12-14]。南華系—三疊系以來，研究區(qū)范圍內(nèi)發(fā)育廣泛的蓋層沉積，其間發(fā)育4套黑色頁巖層系，包括早震旦世陡山沱組、早寒武世牛蹄塘組、晚奧陶—早志留世龍馬溪組及晚二疊世大隆組。此前該地區(qū)頁巖氣地質(zhì)調(diào)查和評價工作很薄弱，基本屬于空白區(qū)。

神農(nóng)架復(fù)背斜處于中揚子板塊西北部，背靠巴洪褶皺沖斷背斜帶，南部倚靠秭歸復(fù)向斜(圖1)，核部出露中元古界神農(nóng)架群剛性基底，主要由海相碳酸鹽巖和少量火山碎屑巖組成，復(fù)背斜周緣沉積蓋層主要出露古生界南華系—志留系地層。神農(nóng)架復(fù)背斜及鄰區(qū)構(gòu)造復(fù)雜[15-17]，復(fù)背斜北部的巴洪褶皺沖斷背斜帶內(nèi)，地層受東西向近平行的兩條區(qū)域性斷裂，即青峰斷裂和陽日斷裂及其次級褶皺、斷裂破壞嚴(yán)重，地層呈斷塊—斷片式發(fā)育。

圖1 SD1井及鄰區(qū)構(gòu)造單元劃分圖Fig.1 Tectonic unit division of well SD1 and adjacent areas1.頁巖氣鉆井；2.地層剖面；3.地名；4.一級構(gòu)造界限；5.二級構(gòu)造界限；6.逆沖斷裂帶；7.省界；8.過井構(gòu)造剖面。

在神農(nóng)架復(fù)背斜北緣、陽日斷裂以南的九道鄉(xiāng)—紅坪鎮(zhèn)地區(qū)地層受斷裂影響相對較小，地層較為平緩，是構(gòu)造影響相對較弱的區(qū)域,故優(yōu)選在該區(qū)部署實施針對寒武系牛蹄塘組的頁巖氣地質(zhì)調(diào)查井SD1井。該井位于神農(nóng)架復(fù)背斜北西翼一次級向斜單元內(nèi)，該向斜北西向以陽日斷裂為界，南東抵神農(nóng)架復(fù)背斜基底，呈寬緩的斷陷形態(tài)，井口處于向斜南西翼近核部位置。該向斜核部地層為龍馬溪組—羅惹坪組地層，南西翼翼部地層出露陡山沱組—寶塔組地層。地層產(chǎn)狀較平緩，傾向NNW∠340°，傾角∠5°～15°(圖2)；且井口距離邊界陽日斷裂超過5 km，周邊出露的地層無明顯的斷裂發(fā)育和改造現(xiàn)象，頁巖氣的保存條件良好，為復(fù)雜構(gòu)造背景區(qū)內(nèi)構(gòu)造相對簡單穩(wěn)定的地帶。

圖2 SD1井構(gòu)造剖面圖Fig.2 Structural profile of well SD11.泥質(zhì)瘤狀灰?guī)r；2.白云巖；3.鮞粒灰?guī)r；4.泥質(zhì)粉砂巖；5.炭質(zhì)頁巖；6.含礫砂巖；7.石英砂巖。

2 巖性組合及含氣性特征

2.1 巖性組合特征

SD1井鉆探顯示牛蹄塘組頂深986.7 m，底深1 370.75 m，厚度達到384 m，可以分為上下兩段，牛蹄塘組一段以灰黑色—深灰色含炭粉砂質(zhì)頁巖、鈣質(zhì)頁巖為主，水平層理發(fā)育；牛蹄塘組二段以灰黑色薄—中層狀含炭含鈣粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖與灰黑色、深灰色薄—中厚層狀粉晶、細(xì)晶灰?guī)r互層為主；牛蹄塘組二段與上覆石牌組灰—灰綠色粉砂質(zhì)泥巖漸變過渡，一段與下伏巖家河組淺灰色—灰色白云質(zhì)灰?guī)r、灰質(zhì)白云巖漸變過渡，均為整合接觸關(guān)系(圖3)。

圖3 SD1井牛蹄塘組鉆井綜合柱狀圖Fig.3 Comprehensive histogram of drilling in Niutitang Formation of well SD11.粉砂質(zhì)頁巖；2.鈣質(zhì)粉砂質(zhì)泥巖；3.粉砂質(zhì)泥巖；4.鈣質(zhì)泥巖；5.泥灰?guī)r；6.粉晶灰?guī)r；7.灰?guī)r。

2.2 含氣性特征

SD1井牛蹄塘組獲得了明顯的頁巖氣顯示，水浸試驗中可見整個巖芯表面均有不同程度的氣泡溢出(圖4-a)。水浸實驗效果較好的層段為1 045.17～1 134.6 m，厚度為89 m，深度介于牛蹄塘組一段和二段分界處；根據(jù)頁巖氣現(xiàn)場解吸結(jié)果，該段頁巖氣總含氣量為0.15～0.45 m3/t(不含殘余氣)，平均含氣量0.25 m3/t(表1)。巖性以灰黑色含炭泥質(zhì)灰?guī)r為主，夾少量鈣質(zhì)泥巖和粉晶灰?guī)r，點火試驗均成功燃燒，火焰呈淡藍(lán)—淡黃色，顯示氣體中可燃成分較高(圖4-b)。

表1 SD1井牛蹄塘組現(xiàn)場解吸結(jié)果數(shù)據(jù)(1 045.17～1 134.60 m)Table 1 Field desorption gas result data of Niutitang Formation core of well SD1(1 045.17～1 134.60 m)

圖4 SD1井牛蹄塘組現(xiàn)場解吸實驗Fig.4 Field desorption experiment of Niutitang Formation in well SD1

3 成藏主控因素分析

3.1 沉積環(huán)境及地層特征

垂向上，震旦紀(jì)末—早寒武世牛蹄塘組早期，神農(nóng)架復(fù)背斜北緣及鄰區(qū)沉積環(huán)境為深水陸棚，沉積了灰—灰黑色含炭質(zhì)頁巖、含炭白云巖和含炭灰?guī)r[18-21]；牛蹄塘組沉積中晚期，海平面下降，沉積相漸變?yōu)闇\水碳酸鹽陸棚相，發(fā)育淺灰—灰色厚層塊狀泥—粉晶灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r夾少量薄層黑色含炭質(zhì)頁巖的碳酸巖地層，有機碳含量有明顯降低的趨勢。平面上，牛蹄塘組沉積厚度中心位于神農(nóng)架復(fù)背斜北緣的紅坪一帶，沉積厚度350～400 m，其中較優(yōu)質(zhì)的黑色巖系可達100 m左右，頁巖氣成藏物質(zhì)條件較好；但自紅坪地區(qū)向東以及黃陵背斜北緣一帶水體變淺，牛蹄塘組沉積相轉(zhuǎn)變?yōu)榕_地相，地層沉積厚度劇烈減小，且黑色巖系基本不發(fā)育，如宋洛螞蟥溝、XD1井(鉆井、剖面位置見圖1)，其鉆探揭示的牛蹄塘組沉積厚度20～30 m，黑色頁巖厚度僅數(shù)米，烴源巖沉積厚度不具備頁巖氣成藏的物質(zhì)基礎(chǔ)(圖5)。

圖5 SD1井及鄰區(qū)牛蹄塘組地層對比圖Fig.5 Stratigraphic correlation profile of Niutitang Formation of well SD1 and adjacent areas1.炭質(zhì)頁巖；2.粉砂質(zhì)頁巖；3.鈣質(zhì)粉砂質(zhì)泥巖；4.粉砂巖；5.泥質(zhì)粉砂巖；6.細(xì)砂巖；7.鈣質(zhì)石英砂巖；8.灰?guī)r；9.含炭灰?guī)r；10.鈣質(zhì)泥巖；11.泥灰?guī)r；12.粉晶灰?guī)r；13.粉砂質(zhì)灰?guī)r；14.白云巖；15.泥晶白云巖；16.粉晶白云巖。

3.2 有機地化特征

地化測試結(jié)果表明，SD1井牛蹄塘組巖芯樣品有機碳含量均值2.06%，有機碳含量>1%的樣品占87.9%，生烴潛力S1+S2均值0.13 mg/g，生烴潛力較好；縱向上，自下而上牛蹄塘組TOC值有減小趨勢。Ro平均值2.35%(見圖3綜合柱狀圖)，同黃陵背斜東南緣寒武系牛蹄塘組熱演化程度相當(dāng)，熱演化程度較高但相對適中，主要由神農(nóng)架復(fù)背斜抬升所致[9-10]。

SD1井泥頁巖干酪根鏡檢結(jié)果顯示，干酪根腐泥組含量均值73.2%，惰質(zhì)組含量均值26.8%；類型指數(shù)Ti值均值為53.1，有機質(zhì)類型主要為Ⅱ1型,少量Ⅱ2型，反映母質(zhì)類型以低等水生生物為主的特征。

3.3 儲層特征

3.3.1物性特征

SD1井牛蹄塘組泥頁巖孔隙度均值0.52%，主要介于0.1～1，占樣品總數(shù)的87.5%，滲透率均值0.002 4 mD；總體上牛蹄塘組泥頁巖孔隙度和滲透率相對較低，屬于特低孔、特低滲型儲層(圖6)。

圖6 SD1井牛蹄塘組孔隙度和滲透率分布圖Fig.6 Distribution map of porosity and permeability of Niutitang Formation in well SD1

3.3.2礦物組成特征

通過44個SD1井及7個鄰區(qū)剖面露頭牛蹄塘組泥頁巖樣品X衍射全巖分析結(jié)果顯示，牛蹄塘組主要礦物成分包括粘土礦物、石英和長石，含少量白云石、方解石和黃鐵礦。其中SD1井粘土礦物含量均值27.0%，石英含量均值40.7%，長石含量均值14.1%，碳酸鹽礦物均值14.7%，黃鐵礦含量均值3.3%(表2)。總體上泥頁巖脆性礦物含量較高，占比均值54.8%，易于后期儲層的壓裂改造。

表2 SD1井及鄰區(qū)牛蹄塘組樣品全巖X衍射結(jié)果表Table 2 Whole-rock X-ray diffraction results of samples from Niutitang Formation in well SD1 and adjacent areas

3.3.3孔隙結(jié)構(gòu)特征

SD1井牛蹄塘組泥頁巖樣品掃描電鏡結(jié)果顯示，泥頁巖中可以識別發(fā)現(xiàn)孔隙類型包括有機質(zhì)孔隙、粒間孔隙、粒內(nèi)孔隙以及微裂縫。

(1) 有機質(zhì)孔隙：泥頁巖中有機質(zhì)孔隙相對發(fā)育，為納米級，分布在有機質(zhì)內(nèi)部及有機質(zhì)顆粒邊緣，孔徑大小多介于100～500 nm，部分孔徑<100 nm，孔隙主要呈條帶狀、橢球狀、不規(guī)則狀等(圖7-a)；

(2) 粒間孔隙：泥頁巖以原生孔隙為主，受壓實作用影響，分布在粘土礦物、方解石和黃鐵礦顆粒邊緣或顆粒間，以發(fā)育于粘土礦物的層間片狀孔隙較常見，形態(tài)像層間縫，呈圓孔狀、不規(guī)則狀，孔徑可達1～8 μm(圖7-b)；

圖7 SD1井牛蹄塘組孔隙發(fā)育特征Fig.7 Pore structure of Niutitang Formation of well SD1a.有機質(zhì)孔隙,橢球狀、不規(guī)則狀,孔徑20～300 nm,×100 000倍,SD1井,1 046 m；b.粘土粒間孔隙,圓孔狀、不規(guī)則狀,孔徑1～8 μm,×5 000倍,SD1井,1 095 m；c.白云石顆粒,可見粒內(nèi)孔,不規(guī)則狀,孔徑10 μm,×6 500倍,SD1井,1 106 m；d.微裂縫,寬度1～2 μm,×5 000倍,SD1井,1 118 m。

(3) 粒內(nèi)孔隙：泥頁巖中粒內(nèi)孔隙十分發(fā)育，包括溶蝕孔和晶間孔，以溶蝕孔隙為主，多為長石溶孔、石英溶孔，少量白云石溶孔，呈橢球狀、不規(guī)則狀，孔徑一般<300 nm，部分可達微米級(圖7-c)；

(4) 微裂縫：泥頁巖中微裂縫主要發(fā)育在有機質(zhì)內(nèi)部或泥質(zhì)層界面處，呈規(guī)則直線或不規(guī)則曲線，裂縫寬約200～500 nm，個別可達1～2 μm，長約幾十—上百微米不等(圖7-d)。

3.4 保存條件

3.4.1頂?shù)装宸舛滦?/p>

牛蹄塘組蓋層為石牌組灰綠色粉砂質(zhì)頁巖、泥質(zhì)粉砂巖，具有較好的封蓋性能。底板為巖家河組灰白色中厚層微晶灰?guī)r，厚度較大，可達50～100 m，常發(fā)育穿層的方解石脈和方解石溶孔，且節(jié)理裂隙較發(fā)育，因而封堵性稍差，但牛蹄塘組一段底部的含炭鈣質(zhì)泥質(zhì)本身就具備較好的封閉性。

3.4.2斷裂影響

斷裂的性質(zhì)不同，其封堵性也具一定差異。一般而言，逆(沖)斷層封堵性較好，張性正斷層具明顯開啟性，封堵性差。SD1井及周緣地區(qū)地層受斷裂影響相對較小，距離區(qū)域主要大斷裂陽日斷裂較遠(yuǎn)，且地層較為平緩，是構(gòu)造影響相對較弱的區(qū)域，頁巖氣的保存條件良好。

4 結(jié)論

(1) 在與黃陵背斜東南緣地區(qū)具有相似的構(gòu)造地質(zhì)背景的神農(nóng)架復(fù)背斜北緣實施針對寒武系牛蹄塘組的頁巖氣地質(zhì)調(diào)查井SD1井，在深度1 045 m鉆獲頁巖氣，不含殘余氣的現(xiàn)場解吸氣量均值0.25 m3/t，并成功點火，顯示了“古老隆起邊緣控藏模式”頁巖氣成藏模式的適用性，同時也打開了神農(nóng)架復(fù)背斜北緣復(fù)雜構(gòu)造區(qū)頁巖氣勘探的新局面。

(2) 牛蹄塘組早期SD1井及鄰區(qū)沉積環(huán)境為深水陸棚，沉積較厚的灰—灰黑色含炭質(zhì)頁巖等烴源巖，且TOC含量較高；神農(nóng)架復(fù)背斜抬升致Ro值適中，生氣條件較優(yōu)越；泥頁巖孔隙度和滲透率均很低，屬特低孔、特低滲型儲層；泥頁巖中脆性礦物含量較高，易于后期壓裂；有機質(zhì)孔隙和微裂縫較發(fā)育，且后期構(gòu)造擾動影響小，頁巖氣保存條件良好；上述條件缺一不可，是神農(nóng)架復(fù)背斜復(fù)雜構(gòu)造地區(qū)頁巖氣成藏的主控因素。

(3) 神農(nóng)架復(fù)背斜北緣的九道—紅坪地區(qū)處于牛蹄塘組沉積厚度中心，黑色巖系厚度大；在地層抬升的有利構(gòu)造背景下，成熟度較為適中；且地層受構(gòu)造影響較小，為下一步頁巖氣勘探的有利區(qū)帶。