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質(zhì)泥頁巖中，以吸附和游離態(tài)賦存的天然氣聚集。中國南方海相頁巖氣分布領域廣，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、威遠等多個頁巖氣田，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[7-11]，而后期的構造作用和構造類型是影響頁巖氣橫向上富集的控制因素[12-13]。相對于成藏地質(zhì)條件及儲層特征的研究，目前針對鄂西地區(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)查井為研究對象，對目的層縱向及橫向上含氣性特征及頁巖氣保存條件進行了較為深入研究。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)橫跨揚子地塊與秦嶺—大別造山帶兩個一級構造單元。西部與四川盆地為鄰，東部靠近荊門—當陽復向斜，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造運動，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)較為復雜(表1)。研究區(qū)中北部發(fā)育黃陵背斜和神農(nóng)架復背斜，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?？傮w上五峰組—龍馬溪組與新灘組下部可以組成2個完整的3級層序，五峰組為一個完整的3級層序，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完整的3級層序。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個水退層序組成，第一個水退層序地層巖性由下往上，含碳粉砂巖有增加的趨勢，顯示水體逐漸變淺。第二個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，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)構造特征簡圖

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，總含氣量和現(xiàn)場解吸含氣量縱向上非均質(zhì)性明顯(圖2)。統(tǒng)計表明五峰組現(xiàn)場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)計特征(圖3b)。縱向上秭地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性，表明僅就一口井而言TOC含量對含氣量具有較大影響(圖4a)。但對整個鄂西地區(qū)而言，多口鉆井TOC含量與含氣量相關性較弱，表明在平面上其他地質(zhì)因素對含氣量也具有較大的影響(圖4b)。

3.2 橫向含氣性

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

分析表明現(xiàn)場解吸含氣量分布在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。分析表明長地2井遠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，富有機質(zhì)頁巖厚度較薄，TOC含量較低有關。 除長地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，后期遭受構造作用強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、上揚子的分界，其西北側四川盆地多發(fā)育蓋層滑脫式的“隔檔式”斷褶組合，保存條件相對較好。而東南側鄂西地區(qū)多發(fā)育基底卷入式的“隔槽式”斷褶組合，構造陡傾且斷裂發(fā)育，隆升幅度大，因此對油氣的保存不利[14]。但研究區(qū)復雜構造帶內(nèi)也局部發(fā)育構造相對穩(wěn)定的區(qū)域，需要對保存條件進行深入研究。本文從區(qū)域蓋層封閉性、構造埋藏史、構造樣式、埋深及與主要正斷層的距離等幾個方面論述研究區(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的油氣藏，頁巖氣成藏過程中大量的天然氣聚集將導致頁巖產(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)計了五峰組—龍馬溪組及頂?shù)装宕嘈缘V物含量，結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更大，且脆性礦物含量低，巖層塑形較強，與奧陶系相比，相對不容易形成裂隙，可能具有更好的蓋層封閉性。

4.2 構造埋藏史

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

研究表明秭地3井構造埋藏可以分為4個階段(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)“抬升時間偏早”和“抬升速率過快”的特征[17-19]。但研究區(qū)內(nèi)復雜構造內(nèi)也有局部相對構造穩(wěn)定的區(qū)域，因此接下來對研究區(qū)鉆井構造樣式與含氣量相關性進行分析，以期識別對頁巖氣聚集成藏有利的構造類型。

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 構造樣式

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

統(tǒng)計表明咸地2、來地1、夷地1及宜頁2等4口鉆井現(xiàn)場解吸含氣性好，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，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—彭水斷裂較近，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造樣式相關性分析Fig.8 Correlation between gas content and structural style of survey wells for Wufeng-Longmaxi formations in western Hubei province

通過構造樣式與含氣性的相關性分析，總結出鄂西地區(qū)鉆井所處的6種構造樣式(圖9)，其中含氣量較好(大于1.0 m3/t)的2種構造樣式分別是遠離正斷層且位于向斜核部或翼部；離正斷層較遠、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

通過構造樣式與含氣性的相關性分析表明，解吸含氣量受到鉆井所處構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性，分析表明含氣量與埋深呈現(xiàn)一定的正相關性，線性擬合度為0.276 5。當含氣量小于0.5 m3/t時，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，偏離趨勢線的主要有5口井(圖10a)，趨勢線上面的夷地1井遠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井遠離咸豐斷裂帶，且鉆井位于次級向斜的核部，因此含氣量好。趨勢線下的巴地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井遠離通城河斷裂，埋深大，含氣量好，偏離趨勢線的原因主要為當埋深大于1 500 m后，埋深的增加對含氣量影響作用有限；建地1井具有一定的含氣性，但含氣量僅0.53 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造樣式歸納總結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)場解吸含氣量與埋深、井位與區(qū)域正斷層距離的相關性分析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)計了深水陸棚相區(qū)17口井現(xiàn)場解吸含氣量與鉆井和區(qū)域正斷層的距離之間的相關性，由于紅地1井位于逆斷層陽日斷層周緣，此次不予統(tǒng)計。研究表明，相對于埋深而言鉆井與區(qū)域斷裂帶的距離與含氣量呈現(xiàn)更好的相關性，擬合度好，達到0.561 7，當含氣量大于0.5 m3/t時，絕大多數(shù)井距離大于4 km，當含氣量大于1.0 m3/t時，所有井距離大于7 km(圖10c)。

5 結論

(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個三級層序。

(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個階段，與四川盆地相比，鄂西地區(qū)的埋藏史呈現(xiàn)“抬升時間偏早”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鍵因素。遠離正斷層且位于向斜核部或者翼部，或遠離正斷層、位于斷層下盤且上傾方向未與斷層溝通這2種構造樣式有利于頁巖氣成藏聚集。