鄂西地區(qū)上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖含氣性特征及保存條件

許露露，溫雅茹，張焱林，任志軍，楊 潔，文劍航，陳 威，羅 凡，段 軻

(湖北省地質(zhì)調(diào)查院，武漢 430034)

頁巖氣是指位于暗色富有機(jī)質(zhì)泥頁巖中，以吸附和游離態(tài)賦存的天然氣聚集。中國(guó)南方海相頁巖氣分布領(lǐng)域廣，資源豐富[1-2]。其中上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組是最具遠(yuǎn)景的頁巖氣勘探目的層之一[3-5]。四川盆地已在五峰組—龍馬溪組發(fā)現(xiàn)涪陵、威遠(yuǎn)等多個(gè)頁巖氣田，勘探開發(fā)成效顯著[6]。受到涪陵氣田商業(yè)成功的啟示，鄂西地區(qū)頁巖氣勘探也快速發(fā)展，目前已鉆井20余口，多口井已鉆獲良好的油氣顯示。以往的研究表明五峰組—龍馬溪組沉積于淺海陸棚相深水區(qū)域、分布面積廣、沉積厚度大、熱演化程度適中，具備形成頁巖氣的物質(zhì)基礎(chǔ)[7-11]，而后期的構(gòu)造作用和構(gòu)造類型是影響頁巖氣橫向上富集的控制因素[12-13]。相對(duì)于成藏地質(zhì)條件及儲(chǔ)層特征的研究，目前針對(duì)鄂西地區(qū)五峰組—龍馬溪組含氣性特征及保存條件的研究較少。因此本文以研究區(qū)10余口調(diào)查井為研究對(duì)象，對(duì)目的層縱向及橫向上含氣性特征及頁巖氣保存條件進(jìn)行了較為深入研究。研究成果將為鄂西地區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖氣的勘探提供可靠依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

鄂西地區(qū)橫跨揚(yáng)子地塊與秦嶺—大別造山帶兩個(gè)一級(jí)構(gòu)造單元。西部與四川盆地為鄰，東部靠近荊門—當(dāng)陽復(fù)向斜，北部以襄廣斷裂為界，南部毗鄰江南—雪峰推覆隆起帶。研究區(qū)主體部分位于湘鄂西褶皺帶。經(jīng)歷了加里東、海西、印支、燕山和喜馬拉雅等多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，主要發(fā)育北北東、北西及東西方向三組斷裂。其中齊岳山斷裂、新華斷裂、陽日斷裂及天陽坪斷裂為逆斷層，恩施—黔江斷裂和通城河斷裂為正斷層，其他斷裂帶性質(zhì)較為復(fù)雜(表1)。研究區(qū)中北部發(fā)育黃陵背斜和神農(nóng)架復(fù)背斜，從元古界、古生界、中生界及至新生界都有出露。本次研究的目的層為五峰組—龍馬溪組，鉆井主要分布在中央背斜帶、花果坪復(fù)向斜帶及黃陵背斜帶周緣(圖1)。

2 巖石及層序地層特征

以研究區(qū)黃陵背斜西南部秭地3井為例，分析了五峰組—龍馬溪組縱向上巖性及沉積相特征。五峰組—龍馬溪組下伏地層為寶塔組厚層狀泥質(zhì)瘤狀灰?guī)r。五峰組主體巖性為黑色含碳硅質(zhì)頁巖夾少量黑色碳質(zhì)頁巖，為深水硅質(zhì)陸棚沉積。頂部發(fā)育厚度極薄的觀音橋灰?guī)r，為臺(tái)地相沉積環(huán)境。觀音橋段往上為龍馬溪組，中下段以黑色碳質(zhì)頁巖為主，上段為灰黑色碳質(zhì)頁巖夾少量粉砂巖，主要為深水泥質(zhì)陸棚相沉積。上覆地層為下志留統(tǒng)新灘組，以深灰色含碳頁巖夾灰黑色碳質(zhì)頁巖及粉砂巖為巖性特征，粉砂巖含量比龍馬溪組有所增加，為砂泥質(zhì)混積陸棚沉積環(huán)境。總體上五峰組—龍馬溪組與新灘組下部可以組成2個(gè)完整的3級(jí)層序，五峰組為一個(gè)完整的3級(jí)層序，TST1巖性從灰色泥質(zhì)瘤狀灰?guī)r突變?yōu)楹谏栀|(zhì)頁巖，顯示沉積水深增加，最大海泛面位于黑色含碳硅質(zhì)頁巖與觀音橋段含碳灰?guī)r的分界面，HST1巖性為頂部觀音橋段含碳灰?guī)r，水深較淺。龍馬溪組與新灘組下部組成一個(gè)完整的3級(jí)層序。TST2巖性從含碳灰?guī)r突變?yōu)樘假|(zhì)頁巖，顯示沉積水深增加，最大海泛面位于黑色碳質(zhì)頁巖與灰黑色含碳粉砂巖的巖性界面，HST2由2個(gè)水退層序組成，第一個(gè)水退層序地層巖性由下往上，含碳粉砂巖有增加的趨勢(shì)，顯示水體逐漸變淺。第二個(gè)水退層序由新灘組下部組成，>由下往上碳質(zhì)含量呈降低的趨勢(shì)，粉砂巖增多，粒度變大(圖2)。

表1 鄂西地區(qū)主要區(qū)域斷裂帶特征Table 1 Characteristics of main regional fault zones in western Hubei province

圖1 鄂西地區(qū)構(gòu)造特征簡(jiǎn)圖

3 含氣性特征

3.1 縱向含氣性

以研究區(qū)典型地質(zhì)調(diào)查井秭地3井為例，研究了五峰組—龍馬溪組縱向上含氣量變化特征。分析表明，由下至上吸附含氣量呈逐漸降低的趨勢(shì)，總含氣量和現(xiàn)場(chǎng)解吸含氣量縱向上非均質(zhì)性明顯(圖2)。統(tǒng)計(jì)表明五峰組現(xiàn)場(chǎng)解吸含氣量和總含氣量均大于龍馬溪組(圖3a)。不同體系域含氣量統(tǒng)計(jì)特征表明，解吸含氣量和總含氣量大小呈現(xiàn)TST1>TST2>HST2>HST1的統(tǒng)計(jì)特征(圖3b)?？v向上秭地3井解吸含氣量、總含氣量均與TOC含量具有較好的線性正相關(guān)性，表明僅就一口井而言TOC含量對(duì)含氣量具有較大影響(圖4a)。但對(duì)整個(gè)鄂西地區(qū)而言，多口鉆井TOC含量與含氣量相關(guān)性較弱，表明在平面上其他地質(zhì)因素對(duì)含氣量也具有較大的影響(圖4b)。

3.2 橫向含氣性

統(tǒng)計(jì)了19口地質(zhì)調(diào)查井的底界埋深、TOC、沉積相、構(gòu)造部位與含氣量數(shù)據(jù)(表2)。

分析表明現(xiàn)場(chǎng)解吸含氣量分布在0～1.97 m3/t。不含氣和含氣量微弱(解吸含氣量小于0.1 m3/t)的鉆井主要分布在陽日斷裂和新華斷裂周緣，如紅地1、巴地2、ZD1、ZD2井。含氣性較好的井(解吸含氣量大于1 m3/t)主要分布在東部霧渡河斷裂以南天陽坪斷裂以北，咸豐斷裂帶以東新華斷裂帶以西地區(qū)，如宜頁2和來地1井含氣量分別達(dá)到1.63，1.67 m3/t。沉積相分布特征以及沉積相與含氣性相關(guān)性研究顯示，研究區(qū)主要以深水陸棚沉積環(huán)境為主，僅東南部局部地區(qū)為淺水陸棚相沉積環(huán)境及水下隆起相帶。分析表明長(zhǎng)地2井遠(yuǎn)離斷裂帶而含氣量微弱，與該井處于淺水陸棚相沉積環(huán)境，富有機(jī)質(zhì)頁巖厚度較薄，TOC含量較低有關(guān)。 除長(zhǎng)地2井外，其他地質(zhì)調(diào)查井均處于深水陸棚相沉積環(huán)境(圖5)，但不同地區(qū)含氣量差異較大，因此沉積相不是影響鄂西地區(qū)五峰組—龍馬溪組含氣性平面差異的主要因素，后期遭受構(gòu)造作用強(qiáng)弱和保存條件的好壞，可能是影響含氣性差異的主要原因。

圖3 鄂西地區(qū)秭地3井上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組縱向上含氣量特征Fig.3 Gas content characteristics on vertical direction of Wufeng-Longmaxi formations of well ZD3 in western Hubei province

圖4 鄂西地區(qū)上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組TOC與含氣量相關(guān)性分析Fig.4 Correlation between TOC and gas contents of Wufeng-Longmaxi formations in western Hubei province

表2 鄂西地區(qū)上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組含氣性特征統(tǒng)計(jì)Table 2 Characteristics of gas content of Wufeng-Longmaxi formations in western Hubei province

圖5 鄂西地區(qū)上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組平面上含氣量分布特征Fig.5 Horizontal distribution characteristics of gas content of Wufeng-Longmaxi formations in western Hubei province

4 保存條件

齊岳山斷裂為中、上揚(yáng)子的分界，其西北側(cè)四川盆地多發(fā)育蓋層滑脫式的“隔檔式”斷褶組合，保存條件相對(duì)較好。而東南側(cè)鄂西地區(qū)多發(fā)育基底卷入式的“隔槽式”斷褶組合，構(gòu)造陡傾且斷裂發(fā)育，隆升幅度大，因此對(duì)油氣的保存不利[14]。但研究區(qū)復(fù)雜構(gòu)造帶內(nèi)也局部發(fā)育構(gòu)造相對(duì)穩(wěn)定的區(qū)域，需要對(duì)保存條件進(jìn)行深入研究。本文從區(qū)域蓋層封閉性、構(gòu)造埋藏史、構(gòu)造樣式、埋深及與主要正斷層的距離等幾個(gè)方面論述研究區(qū)五峰組—龍馬溪組的頁巖氣保存條件。

4.1 區(qū)域蓋層封閉性

頁巖氣藏為自生自儲(chǔ)的油氣藏，頁巖氣成藏過程中大量的天然氣聚集將導(dǎo)致頁巖產(chǎn)生微裂縫使得封蓋能力降低，因此頁巖頂?shù)装宸馍w性能對(duì)頁巖氣保存十分重要[15-16]。研究表明，鄂西地區(qū)五峰組—龍馬溪組在咸豐縣—恩施州一帶泥頁巖最厚可達(dá)70 m，在五峰縣—松滋市一帶頁巖厚度小于10 m，主要分布在20～40 m，總體上厚度較為穩(wěn)定。頂板新灘組發(fā)育粉砂質(zhì)泥巖，處于深水陸棚相，厚度分布在393～626 m，橫向分布穩(wěn)定，是區(qū)域上良好的蓋層。底板奧陶系屬于臺(tái)地相沉積環(huán)境，巖性為致密灰?guī)r，全區(qū)厚度分布在57～185 m，封蓋性能良好(圖6a)。以秭地3井為例統(tǒng)計(jì)了五峰組—龍馬溪組及頂?shù)装宕嘈缘V物含量，結(jié)果表明底板奧陶系灰?guī)r脆性礦物含量占比85.3%，五峰組—龍馬溪組占比59.1%，新灘組占比48.5%(圖6b)。綜合研究認(rèn)為，鄂西地區(qū)五峰組—龍馬溪組頂?shù)装鍣M向分布穩(wěn)定，均具有良好的封閉性能。由于頂板新灘組厚度相對(duì)更大，且脆性礦物含量低，巖層塑形較強(qiáng)，與奧陶系相比，相對(duì)不容易形成裂隙，可能具有更好的蓋層封閉性。

4.2 構(gòu)造埋藏史

以鄂西地區(qū)咸地2井和四川盆地威2井為例，對(duì)比分析了鄂西地區(qū)及四川盆地五峰組—龍馬溪組構(gòu)造埋藏史特征(圖7)。

研究表明秭地3井構(gòu)造埋藏可以分為4個(gè)階段(圖7a)。第1階段為晚奧陶世至晚志留世的快速埋藏，埋深至 2 km 以深，地層溫度在 110 ℃左右，此階段為生油早中期階段；第2階段為早泥盆世至中三疊世的緩慢抬升和沉降階段，埋深近 3 km，地層溫度在 150 ℃左右，此階段為生油晚期階段；第3階段為中三疊世至早白堊世的快速深埋，埋藏深度近 6 km，地層溫度超過 200 ℃，此階段為主要的生氣階段；第4階段為早白堊世以來的抬升階段，抬升幅度較大。分析表明，該井經(jīng)歷了第3 階段快速深埋，有利于頁巖氣的大量生成，而第四階段的大幅抬升，則不利于頁巖氣的保存。與四川盆地威2井五峰組—龍馬溪組埋藏史相比(圖7b)，鄂西地區(qū)的埋藏史圖呈現(xiàn)“抬升時(shí)間偏早”和“抬升速率過快”的特征[17-19]。但研究區(qū)內(nèi)復(fù)雜構(gòu)造內(nèi)也有局部相對(duì)構(gòu)造穩(wěn)定的區(qū)域，因此接下來對(duì)研究區(qū)鉆井構(gòu)造樣式與含氣量相關(guān)性進(jìn)行分析，以期識(shí)別對(duì)頁巖氣聚集成藏有利的構(gòu)造類型。

圖6 鄂西地區(qū)上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組及頂?shù)装搴穸纫约按嘈缘V物含量Fig.6 Thickness and brittle mineral contents of Wufeng-Longmaxi formations and it’s Roof and floor in western Hubei province

圖7 鄂西地區(qū)咸地2井及四川盆地威2井上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組構(gòu)造埋藏史Fig.7 Tectonic burial history for Wufeng-Longmaxi formations of well XD2 in western Hubei province and well W2 in Sichuan Basin

4.3 構(gòu)造樣式

良好的構(gòu)造樣式是頁巖氣保存的關(guān)鍵，不同構(gòu)造樣式的褶皺變形、破裂程度、剝蝕程度存在差異，弱構(gòu)造改造帶之間的構(gòu)造樣式對(duì)頁巖氣保存較為有利[20-22]。本次選取由西向東3條構(gòu)造剖面共11口調(diào)查井研究了構(gòu)造樣式與含氣性的相關(guān)性(圖8a-c)。

統(tǒng)計(jì)表明咸地2、來地1、夷地1及宜頁2等4口鉆井現(xiàn)場(chǎng)解吸含氣性好，含氣量值大于1.0 m3/t，其中，咸地2及來地1井分別位于向斜帶近核部和翼部，遠(yuǎn)離區(qū)域性主要張性斷裂帶恩施—黔江斷裂及咸豐斷裂，鉆井巖心較為完整；夷地1及宜頁2井位于黃陵背斜帶東翼，距離區(qū)域性張性斷裂帶通城河斷裂較遠(yuǎn)，且目的層上傾方向無斷裂溝通，鉆井巖心完整。ZY1、WD1、秭地3及 WD6井含氣量介于0.1～1.0 m3/t。這4口鉆井位于褶皺翼部，距離主斷裂帶相對(duì)較近，鉆井巖心局部破碎，發(fā)育少量順層和穿層的裂隙。茅地1、WD2、巴地2井含氣性較差，含氣量小于0.1 m3/t，這3口鉆井距離主斷裂帶距離均小于5 km。其中，茅地1井距離建始—彭水?dāng)嗔演^近，不足5 km，且目的層上傾方向與建始斷裂相通，保存條件差。巖心較為破碎，順層和高角度裂隙發(fā)育，多充填方解石脈；WD2井位于香龍山背斜近核部，完鉆井深僅320 m，距離早期壓剪性，后期呈張性的新華斷裂帶僅3 km；巴地2井位于香龍山背斜東南翼，距離新華斷裂帶僅2 km，且目的層產(chǎn)狀較陡，上傾方向與斷裂帶相通，巖心高角度裂隙發(fā)育，充填方解石脈。

圖8 鄂西地區(qū)研究區(qū)地質(zhì)調(diào)查井上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組含氣性與構(gòu)造樣式相關(guān)性分析Fig.8 Correlation between gas content and structural style of survey wells for Wufeng-Longmaxi formations in western Hubei province

通過構(gòu)造樣式與含氣性的相關(guān)性分析，總結(jié)出鄂西地區(qū)鉆井所處的6種構(gòu)造樣式(圖9)，其中含氣量較好(大于1.0 m3/t)的2種構(gòu)造樣式分別是遠(yuǎn)離正斷層且位于向斜核部或翼部；離正斷層較遠(yuǎn)、位于斷層下盤且上傾方向未與斷層溝通。含氣性較差(小于0.1 m3/t)的2種構(gòu)造樣式分別為距離正斷層近且位于背斜核部；距離正斷層近且位于褶皺翼部、斷層上盤、上傾方向與斷裂相通。

4.4 目的層埋深

通過構(gòu)造樣式與含氣性的相關(guān)性分析表明，解吸含氣量受到鉆井所處構(gòu)造部位包括褶皺類型、斷裂性質(zhì)、鉆井與斷裂帶距離、埋深等多種因素的綜合影響。統(tǒng)計(jì)了研究區(qū)深水陸棚相區(qū)18口井的解吸含氣量與埋深的相關(guān)性，分析表明含氣量與埋深呈現(xiàn)一定的正相關(guān)性，線性擬合度為0.276 5。當(dāng)含氣量小于0.5 m3/t時(shí)，埋深多淺于1 km。研究區(qū)埋深與含氣量的線性擬合度并不高，偏離趨勢(shì)線的主要有5口井(圖10a)，趨勢(shì)線上面的夷地1井遠(yuǎn)離通城河斷裂且位于斷裂下盤，目的層上傾方向與斷裂不相通，封蓋性能好，因此含氣性較好；來地1井遠(yuǎn)離咸豐斷裂帶，且鉆井位于次級(jí)向斜的核部，因此含氣量好。趨勢(shì)線下的巴地2井與斷裂相距僅2 km，且目的層上傾方向與斷裂相通，保存條件較差，巖心解吸未見含氣性；宜頁2井遠(yuǎn)離通城河斷裂，埋深大，含氣量好，偏離趨勢(shì)線的原因主要為當(dāng)埋深大于1 500 m后，埋深的增加對(duì)含氣量影響作用有限；建地1井具有一定的含氣性，但含氣量?jī)H0.53 m3/t，地震剖面顯示，該井位于疊瓦狀逆沖斷裂的上盤，由于斷層傾角大，后期的斷層由于重力作用滑落導(dǎo)致頁巖氣的部分散失(圖10b)。

圖9 鄂西地區(qū)上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組鉆井所處構(gòu)造樣式歸納總結(jié)Fig.9 Summary of well structure patterns of Wufeng-Longmaxi formations in western Hubei province

圖10 鄂西地區(qū)上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組現(xiàn)場(chǎng)解吸含氣量與埋深、井位與區(qū)域正斷層距離的相關(guān)性分析Fig.10 Correlation between gas content and buried depth and distance between well location and regional normal fault of Wufeng-Longmaxi formations in western Hubei province

4.5 鉆井與斷裂帶距離

大型斷裂帶的發(fā)育不利于頁巖氣富集[23]。本次研究統(tǒng)計(jì)了深水陸棚相區(qū)17口井現(xiàn)場(chǎng)解吸含氣量與鉆井和區(qū)域正斷層的距離之間的相關(guān)性，由于紅地1井位于逆斷層陽日斷層周緣，此次不予統(tǒng)計(jì)。研究表明，相對(duì)于埋深而言鉆井與區(qū)域斷裂帶的距離與含氣量呈現(xiàn)更好的相關(guān)性，擬合度好，達(dá)到0.561 7，當(dāng)含氣量大于0.5 m3/t時(shí)，絕大多數(shù)井距離大于4 km，當(dāng)含氣量大于1.0 m3/t時(shí)，所有井距離大于7 km(圖10c)。

5 結(jié)論

(1)五峰組主要以黑色含碳硅質(zhì)頁巖為主，為深水硅泥質(zhì)陸棚沉積，頂部發(fā)育觀音橋段灰?guī)r，為臺(tái)地相沉積。龍馬溪組中下段以黑色碳質(zhì)頁巖為主，上段為灰黑色碳質(zhì)頁巖夾少量粉砂巖，為深水泥質(zhì)陸棚相沉積。五峰組、龍馬溪組與新灘組下部組成2個(gè)三級(jí)層序。

(2)縱向上五峰組含氣性好于龍馬溪組，不同體系域含氣量呈現(xiàn)TST1>TST2>HST2>HST1的特征；橫向上陽日斷裂帶和新華斷裂帶周緣鉆井含氣性較差，而天陽坪斷裂以北、咸豐斷裂帶以東新華斷裂帶以西地區(qū)鉆井含氣性好，沉積相分布對(duì)含氣性影響較小。

(3)五峰組—龍馬溪組頂板新灘組泥質(zhì)粉砂巖和底板奧陶系致密灰?guī)r橫向分布穩(wěn)定，均具有較好的封閉性能。埋藏史可以劃分為4個(gè)階段，與四川盆地相比，鄂西地區(qū)的埋藏史呈現(xiàn)“抬升時(shí)間偏早”和“抬升速率過快”的特征。

(4)目的層埋深、與正斷層的距離對(duì)含氣性有一定影響，但斷裂和褶皺的匹配樣式是影響含氣量高低最關(guān)鍵因素。遠(yuǎn)離正斷層且位于向斜核部或者翼部，或遠(yuǎn)離正斷層、位于斷層下盤且上傾方向未與斷層溝通這2種構(gòu)造樣式有利于頁巖氣成藏聚集。