鄂西渝東區(qū)上二疊統(tǒng)吳家坪組頁巖氣地質(zhì)條件及勘探潛力

梁西文，李 樂

(中國石化 江漢油田分公司 勘探開發(fā)研究院，武漢 430223)

上二疊統(tǒng)是中國南方揚子地臺古生界4套區(qū)域性海相烴源巖層系之一[1-3]，也是繼上奧陶統(tǒng)—下志留統(tǒng)頁巖氣形成商業(yè)開發(fā)規(guī)模后的另一重點勘探層系。層系中的龍?zhí)督M(對應(yīng)研究區(qū)吳家坪組)早期即被認為具有良好的頁巖氣勘探開發(fā)前景[4]。聚焦于龍?zhí)督M頁巖，近10年中大量的勘探實踐工作在各地依序展開，涉及的區(qū)域包括下?lián)P子地塊中的蘇北—蘇南地區(qū)[5-6]和皖南地區(qū)[7-8]，以及中上揚子地塊中的湘東南—湘中[9-13]、川東—川南[14-18]、黔西北—黔西南[19-25]、鄂西[26-30]和滇東地區(qū)[31]。

上述各地的龍?zhí)督M中均展現(xiàn)了一定的頁巖氣資源潛力，部分地區(qū)亦已取得了重要發(fā)現(xiàn)。據(jù)《頁巖氣藏描述技術(shù)規(guī)范：NB/T 14001—2015》，Ⅱ類頁巖儲層含氣量以1.5 m3/t為界線，黔西北(解吸氣量平均6.65 m3/t)[23]、滇東(總含氣量2.91 m3/t)[31]、黔西(總含氣量0.89～5.057 m3/t)[32]及皖南地區(qū)(平均含氣量1.75 m3/t)[33]的龍?zhí)督M已展現(xiàn)出了可觀的頁巖氣勘探開發(fā)前景。對于鄂西渝東區(qū)，早期研究已顯示上二疊統(tǒng)吳家坪組具備頁巖氣成藏條件[34]，但其頁巖氣勘探開發(fā)潛力及前景仍不明確。鑒于此，中國石化江漢油田分公司在鄂西渝東區(qū)內(nèi)紅星地區(qū)的川東高陡褶皺帶石柱復向斜建南構(gòu)造上部署及實施了Jy3井的鉆探。針對吳家坪組進行了系統(tǒng)取心及分析化驗測試，同時結(jié)合前期地震、測井及錄井等資料，進一步落實該區(qū)吳家坪組頁巖氣勘探潛力，以期為新層系頁巖氣勘探開發(fā)突破提供基礎(chǔ)。

1 地質(zhì)背景

鄂西渝東區(qū)的地理范圍從湖北省西部的利川市延伸至重慶市東部的萬州區(qū)(圖1)。該區(qū)構(gòu)造上位于中揚子及上揚子地塊交界處[35]，整體處于川東斷褶帶及湘鄂西隆起帶之間。自西向東區(qū)內(nèi)發(fā)育萬縣復向斜、方斗山高陡復背斜、石柱復向斜、齊岳山高陡復背斜以及利川復向斜5個次級構(gòu)造單元[36-38]。

本研究范圍包括鄂西渝東區(qū)西部的復興地區(qū)及東部的紅星地區(qū)(圖1)，其中復興地區(qū)整體坐落于萬縣復向斜之上，紅星地區(qū)則橫跨方斗山復背斜及利川復向斜之間。區(qū)內(nèi)二疊系保存完整，與下伏的泥盆系—石炭系呈平行不整合接觸關(guān)系[39]，與上覆的三疊系呈整合接觸關(guān)系。按中國南方二疊系三分方案[40]，由下至上，中二疊統(tǒng)包括棲霞組及茅口組，上二疊統(tǒng)則包括吳家坪組及長興/大隆組。吳家坪組與下伏的茅口組多呈平行不整合接觸，與上覆的長興組為整合接觸關(guān)系。根據(jù)沉積旋回，研究區(qū)吳家坪組又可分為吳一段及吳二段2個次一級單元。其中，吳一段主要由厚層灰?guī)r、薄—中層泥頁巖及薄層煤層組成；吳二段則由厚層泥頁巖及中—薄層灰?guī)r組成，該段中的厚層泥頁巖為本研究聚焦之所在。

2 沉積相與泥頁巖展布

基于區(qū)內(nèi)錄井、測井及分析化驗資料，結(jié)合周緣已有的研究認識，對鄂西渝東地區(qū)吳二段沉積相及泥頁巖展布特征進行了研究。

吳二段沉積相在平面上呈現(xiàn)出規(guī)律性的過渡轉(zhuǎn)變，整體為不規(guī)則的帶狀展布樣式(圖2)，由南西至北東依次為濱岸沼澤相、潮坪相、開闊臺地相、斜坡—淺水陸棚相和深水陸棚相。其中，綦江西南一帶為濱岸沼澤沉積區(qū)，重慶—綦江—南川一帶為潮坪沉積區(qū)，墊江—豐都—涪陵—彭水一帶為開闊陸棚碳酸鹽巖(灰?guī)r)沉積區(qū)，石柱一帶主要為斜坡淺水陸棚泥頁巖沉積區(qū)，梁平—萬州—利川—建始—恩施—鶴峰一帶則為深水陸棚泥頁巖沉積區(qū)。

圖1 鄂西渝東及其鄰區(qū)主要構(gòu)造單元劃分 據(jù)文獻[36]，有修改。Fig.1 Tectonic units in western Hubei and eastern Chongqing and its adjacent areas

圖2 鄂西渝東區(qū)上二疊統(tǒng)吳家坪組吳二段沉積相及頁巖厚度等值線Fig.2 Sedimentary facies and shale contour map of second member of Upper Permian Wujiaping Formation in western Hubei and eastern Chongqing

鄂西渝東區(qū)的吳二段頁巖整體為深水陸棚及斜坡淺水陸棚環(huán)境下的產(chǎn)物，其厚度由南西至北東整體呈現(xiàn)出漸厚趨勢(圖2)。對于紅星地區(qū)，吳二段頁巖為深水陸棚環(huán)境下的產(chǎn)物，厚度較大，介于10～30 m，縱向連續(xù)性較好，僅底部見中—薄層灰?guī)r(圖3)。吳二段在紅星地區(qū)最南部靠近石柱地區(qū)沉積于斜坡淺水陸棚環(huán)境之中，頁巖厚度相對減薄，普遍小于15 m。對于復興地區(qū)，吳二段頁巖厚度變化趨勢與紅星地區(qū)類似，整體由東向西出現(xiàn)減薄趨勢，厚度介于5～20 m。

圖3 鄂西渝東區(qū)上二疊統(tǒng)吳家坪組吳二段地層連井剖面對比 對比路線見圖2。Fig.3 Cross well stratigraphic correlation section of second member of Upper Permian Wujiaping Formation in western Hubei and eastern Chongqing

3 頁巖品質(zhì)與含氣性

3.1 礦物組成

吳二段32件頁巖樣品選送至江漢油田分公司勘探開發(fā)研究院開展全巖X射線粉晶衍射分析。實驗數(shù)據(jù)顯示：巖石主要由石英、黏土礦物及方解石3類礦物組成(圖4)，黃鐵礦及白云石在局部含量相對較高，長石含量整體較低，偶見菱鐵礦及重晶石。其中，石英含量介于12.5%～83.2%，平均43.1%；黏土礦物含量介于6.1%～67.1%，平均21.95%；方解石含量介于0～61.5%，平均17.2%；黃鐵礦含量介于1%～20.5%，平均8.3%；白云石含量介于0～49.7%，平均5.1%；長石含量介于0～8.7%，平均3.8%。

3.2 地球化學特征

吳二段31件頁巖巖樣選送至江漢油田分公司勘探開發(fā)研究院開展碳硫分析。實驗數(shù)據(jù)顯示：樣品總有機碳含量介于1.16%～28.94%，平均8.77%(圖4)；87%的樣品(27件)總有機碳含量均大于4%，達到《頁巖氣藏描述技術(shù)規(guī)范：NB/T 14001—2015》中I類指標范疇，I類總有機碳含量值樣點主要集中于層段中部，縱向連續(xù)厚度超過10 m(3 296.0～3 306.5 m)；9.7%的樣品(3件)總有機碳含量介于2%～4%，達到Ⅱ類指標范疇。

3件頁巖巖樣選送至中國石化石油勘探開發(fā)研究院無錫石油地質(zhì)研究所開展有機巖石學分析。實驗數(shù)據(jù)顯示：有機質(zhì)以腐泥組(分別為75%，67%，71%)和貧氫次生組分(分別為25%，30%，24%)為主，可見少量動物有機碎屑(分別為0，3%，5%)，殼質(zhì)組、鏡質(zhì)組及惰質(zhì)組均極為鮮見。藻類體大部分已發(fā)生降解，殘余結(jié)構(gòu)顯示存在層狀藻及結(jié)構(gòu)藻?？梢姙r青質(zhì)體分散分布在頁巖中，局部存在富集現(xiàn)象，另亦可見固體瀝青充填于微裂縫之中。根據(jù)干酪根類型指數(shù)算式(TI=100×腐泥組+50×殼質(zhì)組-75×鏡質(zhì)組-100×惰質(zhì)組)，吳二段頁巖的類型指數(shù)為67～75，歸屬于Ⅱ1型干酪根。

2件頁巖樣品選送至無錫石油地質(zhì)研究所進行全巖反射率測定。實驗數(shù)據(jù)顯示：2件樣品的瀝青反射率(Rb)均值分別為2.56%和2.69%。由公式Ro=0.656 9×Rb+0.336 4轉(zhuǎn)換所得鏡質(zhì)體反射率(Ro)介于2.02%～2.10%，平均為2.06%，指示吳二段頁巖已進入過成熟演化階段。

3.3 儲集特征

吳二段17件頁巖巖樣選送至江漢油田分公司勘探開發(fā)研究院開展孔隙度分析，實驗結(jié)果顯示：氦氣孔隙度介于3.03%～9.88%，平均為5.59%(圖4)；88%的樣品(15件)孔隙度大于4%，達到Ⅰ類指標范疇，高孔隙度層段同樣集中于層段中部，以3 300.64 m為界可分出3 292～3 300 m及3 301～3 309 m兩個連續(xù)Ⅰ類儲集厚度段；另12%的樣品(2件)孔隙度在2%～4%之間，達到Ⅱ類指標范疇。

圖4 鄂西渝東區(qū)Jy3井上二疊統(tǒng)吳家坪組吳二段綜合地質(zhì)評價Fig.4 Comprehensive geological evaluation of second member of Upper Permian Wujiaping Formation in well Jy3, western Hubei and eastern Chongqing

6件頁巖巖樣選送至無錫石油地質(zhì)研究所進行氬離子拋光掃描電鏡觀察。觀察結(jié)果顯示：頁巖中的孔隙主要由有機質(zhì)提供，孔徑主要介于50～100 nm，無機礦物粒間孔及粒內(nèi)孔較為少見。有機質(zhì)孔的發(fā)育受控于干酪根顯微組分類型，其中，高等植物組分內(nèi)基本不發(fā)育有機質(zhì)孔(圖5a，b)，腐泥組發(fā)育簇狀孔(圖5a)，固體瀝青中發(fā)育蜂窩及氣泡狀孔(圖5c,d)。

3.4 含氣性

在鉆井液密度1.27～1.30 g/cm3條件下，Jy3井吳二段頁巖取心層段氣測全烴值介于1.27%～5.98%(圖4)。16塊頁巖巖樣于現(xiàn)場由江漢油田分公司勘探開發(fā)研究院開展了含氣量測試。測試結(jié)果顯示：解吸氣量介于0.55～3.48 m3/t，平均1.77 m3/t?？偤瑲饬拷橛?.85～6.99 m3/t，平均3.73 m3/t，其中81%的樣品(13件)的總含氣量大于2.5 m3/t，達到Ⅰ 類含氣性指標范疇，縱向連續(xù)厚度約9 m(3 296～3 305 m)，6%的樣品(1件)介于1.5～2.5 m3/t，達到Ⅱ 類含氣性指標范疇。結(jié)合Jy3井在吳二段發(fā)生的后效顯示(由0.01%提至12.46%)，表明該層段頁巖具有優(yōu)越的含氣性條件。

4 保存條件

研究區(qū)內(nèi)包含多個復背斜及復向斜，其中，紅星地區(qū)所在的石柱復向斜中由北東至南西依次發(fā)育龍駒壩、建南及茶園坪—鹽井3個正向構(gòu)造單元。其中，龍駒壩構(gòu)造位于復向斜北部，為高陡背斜構(gòu)造，變形程度強，斷裂發(fā)育程度高(圖6a)。建南構(gòu)造位于復向斜中部，為一箱狀背斜，具有構(gòu)造寬緩及變形程度弱的特點(圖6b)。茶園坪—鹽井構(gòu)造位于復向斜南部，為斷鼻—斷背斜構(gòu)造，變形程度中等。復興地區(qū)所在的萬縣復向斜中由東向西依次發(fā)育拔山寺和梁平向斜，二者均為平底向斜，構(gòu)造寬緩；其余均為高陡背斜構(gòu)造，構(gòu)造變形強，內(nèi)部斷裂極為發(fā)育。

吳二段泥頁巖與頂?shù)撞康貙泳鶠檎辖佑|關(guān)系，其中底部的吳一段下部發(fā)育一套厚層致密灰?guī)r，厚度一般大于8 m(圖3)；上部發(fā)育長興組致密灰?guī)r，厚度普遍大于40 m，頂?shù)變商字旅芑規(guī)r橫向覆蓋面積均較為廣泛。此外，多口鉆井中頂?shù)谆規(guī)r層段內(nèi)的全烴氣測值均極低，表明二者具有優(yōu)良的封隔性能。

綜合上述分析，鄂西渝東區(qū)紅星地區(qū)的建南構(gòu)造與復興地區(qū)的拔山寺向斜和梁平向斜構(gòu)造變形程度及斷裂發(fā)育程度低，配合頂?shù)缀駥又旅芑規(guī)r的發(fā)育，整體具有優(yōu)良的保存條件。

圖5 鄂西渝東區(qū)上二疊統(tǒng)吳家坪組吳二段頁巖中的有機質(zhì)孔Fig.5 Organic pores in second member of Upper Permian Wujiaping Formation in western Hubei and eastern Chongqing

圖6 鄂西渝東區(qū)石柱復向斜龍駒壩構(gòu)造(a)及建南構(gòu)造(b)地震剖面 剖面位置見圖1。Fig.6 Seismic profiles of Longjuba structure (a) and Jiannan structure (b) of Shizhu syncline in western Hubei and eastern Chongqing

5 埋深條件及資源規(guī)模

地震資料顯示：紅星地區(qū)吳家坪組頁巖埋深整體介于2 000～6 000 m，局部淺于1 000 m。埋深小于4 500 m的區(qū)域面積為1 500 km2。其中，中部至南部建南構(gòu)造及鹽井構(gòu)造所在區(qū)域所占面積最廣，為1 100 km2；北部龍駒壩構(gòu)造所占區(qū)域次之，為400 km2(圖7)。復興地區(qū)吳家坪組頁巖埋深普遍介于5 000～5 500 m，埋深小于4 500 m的區(qū)域主要存在于區(qū)內(nèi)中部及西南部的高陡背斜帶，面積約400 km2；此外，區(qū)內(nèi)東北角一帶存有100 km2左右埋深小于5 000 m的區(qū)域。

鑒于工程可動用條件，本研究僅對埋深小于4 500 m有利區(qū)面積采用體積法(計算公式Qt=0.01S×H×ρ×G)進行了資源量的初步計算，公式中頁巖厚度(H)的獲取依據(jù)本研究中頁巖厚度平面圖，密度(ρ)依據(jù)多口鉆井中測井參數(shù)，含氣量(G)依據(jù)本研究中現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)。以頁巖厚度(大于15 m)、埋深條件(小于4 500 m)、地面條件及保存條件綜合獲得研究區(qū)的頁巖氣有利區(qū)面積并計算資源量。其中，紅星地區(qū)吳二段有利區(qū)面積合計905 km2，資源量為2 609.8×108m3；復興地區(qū)雖存在埋深小于4 500 m及頁巖厚度大于15 m的區(qū)域，但均位于高陡背斜帶，不利于水平井鉆井及后期井組部署。綜合以上分析，紅星地區(qū)被評估為鄂西渝東區(qū)內(nèi)頁巖氣勘探開發(fā)的最有利區(qū)帶。

6 結(jié)論

鄂西渝東區(qū)上二疊統(tǒng)吳家坪組吳二段發(fā)育深水陸棚及斜坡—淺水陸棚相富有機質(zhì)泥頁巖，厚度>介于5～30 m，整體呈現(xiàn)西薄東厚的變化特征。

圖7 鄂西渝東區(qū)吳家坪組底界埋深Fig.7 Burial depth of Wujiaping Formation in western Hubei and eastern Chongqing

吳二段深水陸棚相頁巖主要由石英、黏土礦物及方解石3類礦物組成；有機質(zhì)類型歸屬于Ⅱ1型，有機質(zhì)豐度高，已進入過成熟熱演化階段；巖石孔隙性優(yōu)良，有機質(zhì)孔極為發(fā)育，無機礦物孔相對少見；巖石含氣性良好。

紅星地區(qū)吳二段頁巖厚度大，構(gòu)造變形程度弱，且裂縫發(fā)育程度低，頂?shù)装宸飧魲l件優(yōu)良，埋深整體介于2 000～6 000 m。埋深小于4 500 m頁巖面積在鄂西渝東區(qū)內(nèi)最廣，資源量最為豐富，有望成為頁巖氣勘探開發(fā)的接替區(qū)塊及層系。