湖北及周緣五峰組—龍馬溪組頁巖氣資源潛力

石 創，徐思煌，拜文華，吳 娟，4

(1.構造與油氣資源教育部重點實驗室 中國地質大學，湖北 武漢 430074；2.中海石油(中國)有限公司深圳分公司，廣東 廣州 510240；3.中國石油勘探開發研究院廊坊分院，河北 廊坊 065007；4.中海石油(中國)有限公司湛江分公司，廣東 湛江 524057)

?

湖北及周緣五峰組—龍馬溪組頁巖氣資源潛力

石 創1，2，徐思煌1，拜文華3，吳 娟1，4

(1.構造與油氣資源教育部重點實驗室 中國地質大學，湖北 武漢 430074；2.中海石油(中國)有限公司深圳分公司，廣東 廣州 510240；3.中國石油勘探開發研究院廊坊分院，河北 廊坊 065007；4.中海石油(中國)有限公司湛江分公司，廣東 湛江 524057)

奧陶世五峰期—志留世龍馬溪期湖北地區處于淺海陸棚環境中，以泥頁巖沉積為主。類比分析認為，該套泥頁巖層與北美頁巖氣高產層具有相似的構造演化和地質條件，具備形成頁巖氣聚集的有利條件。分析研究區頁巖氣成藏條件，提出頁巖氣勘探有利區的優選原則，結合TOC、鏡質體反射率、有效厚度與埋深等值線圖交集結果以及沉積相平面展布，優選勘探有利區塊。采用體積豐度類比法計算有利區資源量，初步估算五峰組—龍馬溪組頁巖氣資源量為2.48×1012m3，顯示出該區巨大的資源潛力。

頁巖氣；成藏條件；資源潛力；五峰組—龍馬溪組；湖北及其周緣

0 引 言

頁巖氣具有賦存狀態和成因類型多樣化、自生自儲、原地成藏的特點[1]。中國富有機質頁巖地層十分發育，特別是中揚子區古生界海相地層。中揚子區與北美頁巖氣產出盆地具有很多地質相似性，二者均是古生代海相沉積背景下發育的富有機碳頁巖，后期均經大幅度構造抬升和強烈地質改造，分析認為中揚子區具備頁巖氣勘探條件[2-3]，為此，重點研究湖北及其周緣五峰組—龍馬溪組頁巖氣成藏地質條件，分析其資源潛力。

1 區域地質背景

在大地構造位置上，湖北大部位于中揚子區(圖1)。

圖1 湖北及周緣奧陶世五峰期—志留世龍馬溪期沉積相

奧陶世五峰期—志留世龍馬溪期湖北省全部處于陸棚環境中。奧陶世五峰期，由于秦嶺—淮陽區和江南區基底斷塊上升，省內大部分地區轉變為淺海滯留盆地環境，發育了一套黑灰色，風化后為黃綠色、淺紫色的薄層狀黏土巖。志留世龍馬溪初期，大部分地區繼承了五峰期的淺海滯留盆地環境，巖性以黑色風化后呈紫灰、灰白色炭質頁巖，硅質頁巖為主。龍馬溪中晚期，大量陸源細碎屑物質快速向盆地傾注，使大部分地區發育陸源碎屑為主的淺海陸棚環境，發育了黃綠、藍灰色粉砂質頁巖、水云母頁巖[4]。

2 五峰組—龍馬溪組頁巖氣成藏條件及探區優選

2.1 頁巖氣成藏條件

頁巖氣的成藏受多種因素的影響，通過對美國頁巖氣盆地的地質特征和含氣頁巖成藏條件分析認為，泥頁巖的有機質豐度、類型、成熟度、巖石礦物組成、儲集空間類型與特征、厚度、埋深等影響到頁巖氣的形成、富集及勘探開發前景[1]。

2.1.1 有機質豐度

研究區五峰組—龍馬溪組以優質氣源巖為主[5-7](表1)。

表1 湖北及周緣五峰組—龍馬溪組總有機碳含量、鏡質體反射率統計

除江漢平原區外，鄂西渝東區、湘鄂西區、甚至鄂東南區，TOC基本大于2.0%。比較而言，鄂西渝東區TOC最高，為3.0%～4.0%。有機質豐度是評價油氣生成能力的關鍵指標，目前多認為TOC等于1.0%或2.0%為頁巖氣氣源巖下限，考慮到研究區后期構造運動強烈，不利于游離氣的保存，而TOC與吸附氣含量存在密切的正相關關系，有機質豐度高，吸附性強，有利于頁巖氣的賦存；同時，受限于目前中國頁巖氣勘探開發技術的制約，將TOC=2.0%作為此次研究下限值。

2.1.2 有機質類型

根據美國主要頁巖氣盆地的資料，產氣頁巖中的干酪根主要以Ⅰ型與Ⅱ1型為主，也有部分為Ⅲ型。根據前人研究成果，研究區五峰組—龍馬溪組泥頁巖干酪根類型好，屬易于生油氣的腐泥型(Ⅰ)和腐殖—腐泥型(Ⅱ1)。

2.1.3 有機質成熟度

不同類型干酪根主生氣期對應的鏡質體反射率不同，I型干酪根Ro為1.2%～2.3%，Ⅱ1型干酪根Ro為1.1%～2.6%，Ⅲ型干酪根Ro為0.7%～2.0%，海相石油Ro為1.5%～3.5%。根據北美頁巖氣勘探開發結果，形成頁巖氣的泥頁巖Ro為0.4%～3.0%，甚至更高。考慮到研究區泥頁巖干酪根類型及海相沉積背景，將頁巖氣有利發育區的含氣頁巖Ro確定為1.5%～3.0%。資料顯示，研究區五峰組—龍馬溪組泥頁巖成熟度有利于頁巖氣勘探(表1)。

2.1.4 儲層巖石礦物組成

黏土礦物有利于頁巖氣的吸附，脆性礦物是決定頁巖儲層特性的重要因素。北美含氣頁巖脆性礦物含量高達30%～70%，最好的Barnett頁巖產層石英含量為45%，黏土含量僅為27%[8]。研究區五峰組—龍馬溪組海相頁巖的脆性礦物和黏土礦物含量與Barnett頁巖相似(圖2)，目的層方解石含量極低，分析認為樣品為露頭樣品，方解石等碳酸鹽巖礦物多被分解。參考國內外標準，有利區頁巖的黏土礦物含量上限為30%，脆性礦物含量下限為40%。

圖2 研究區目的層泥頁巖與美國Barnett頁巖礦物含量對比

2.1.5 儲集空間類型

泥頁巖中的微孔隙、微裂縫發育程度直接關系到頁巖氣的儲量大小和勘探開發價值。泥頁巖樣品掃描電鏡結果顯示，研究區大部分樣品中微孔隙和微裂縫均較發育。由于構造變形強烈地區斷層活化不利于游離氣的保存，同時造成孔隙系統的壓力降低，降低吸附氣含量。因此，變形弱、距離斷裂帶遠且微孔、縫較發育地區為有利區塊。

2.1.6 厚度和埋深

一定的頁巖厚度和埋深是形成頁巖氣富集區的基本條件，是影響頁巖氣產能、保存和開采的重要因素。研究區五峰組—龍馬溪組厚度較大，有效厚度(TOC>2.0%)普遍為20～80 m。在江漢平原區埋藏較深，多大于5 000 m，鄂西渝東區和湘鄂西區埋深較淺，多小于3 000 m。根據湖北地區的實際情況，確定有利區的有效泥頁巖厚度下限為30 m，埋深范圍為500～3 500 m。

2.2 探區優選

綜合以上分析提出頁巖氣勘探有利區優選原則，即：TOC>2.0%；干酪根類型主要為Ⅰ和Ⅱ1型；Ro為1.5%～3.0%；脆性礦物含量大于40%；黏土礦物含量小于30%；變形弱、距離斷裂帶遠且微孔、縫較發育；有效厚度下限為30～50 m；埋深為500～3 500 m；構造運動早于生排烴時期或二者同時。通過等值線圖多參數交集，結合沉積相平面展布，依據優選原則對五峰組—龍馬溪組進行有利區優選(圖3)。共優選5個有利區，分別為利川區塊(A1)、咸豐—恩施—宣恩區塊(A2)、來鳳區塊(A3)、遠安區塊(A4)和鐘祥區塊(A5)。

圖3 湖北及周緣五峰組—龍馬溪組頁巖氣勘探有利區

3 資源量計算

研究區目前處于頁巖氣勘探開發初期，普遍缺乏基礎地質資料，類比法成為該區資源量估算最為合理和有效的方法。有效泥頁巖厚度是影響頁巖氣成藏的重要因素之一，為了消除有效泥頁巖厚度對類比法估算評價區資源量的影響，采用體積豐度類比法進行資源量估算：

Q=aqV

(1)

式中：Q為評價區資源量，108m3；a為類比系數，等于評價區地質類比總分與刻度區地質類比總分之比；q為刻度區資源豐度，108m3/km3；V為評價區有效泥頁巖體積，km3。

3.1 刻度區優擇

五峰組—龍馬溪組泥頁巖地質特征(表2)與美國五大頁巖氣系統特征對比分析得到，Appalachian盆地Ohio頁巖與研究區具有相似的地質背景和沉積環境。二者皆為前陸撓曲形成滯留沉積環境，有利于還原環境的形成，且目的層位形成時代最為接近，勘探程度高，因此，選擇Appalachian盆地Ohio頁巖作為類比刻度區。

表2 湖北及周緣五峰組—龍馬溪組和Ohio頁巖各類參數特征

3.2 評分標準擬定

以頁巖氣探區優選參數為依據，參考前人頁巖氣資源量預測類比參數得分標準[9-10]，擬定較為合適的頁巖氣資源量預測類比參數得分標準(表3)。美國主要頁巖氣盆地產氣泥頁巖中不同干酪根類型的泥頁巖均生成了大量的氣，說明干酪根類型對于頁巖氣成藏的影響相對較小，因此干酪根類型不作為湖北及周緣五峰組—龍馬溪組頁巖氣資源潛力類比評分參數。

表3 頁巖氣資源量預測類比參數得分標準

3.3 類比系數求取及資源量計算

按照評分標準，對湖北及周緣五峰組—龍馬溪組頁巖氣各單項條件進行打分(表4)。對各參數得分進行極大值標準化處理，消除不同數量級和觀測量綱造成的影響。對處理后的參數得分進行主因子分析，提取公共因子，得到初始特征值和因子載荷矩陣(表5)。

表4 頁巖氣資源量評價區類比參數得分

表5 類比參數因子分析矩陣及因子得分系數矩陣

為更好地找出公共因子的意義，運用加入Kaiser常態化的方差最大旋轉法，得到3個公共因子。這3個因子的方差貢獻率分別為36.658%、32.734%、24.635%，累計方差貢獻率為94.028%，基本可反映這8個參數的信息。因子1包括TOC、Ro和孔、縫發育程度，反映生烴條件和儲集物性；因子2涵蓋了黏土礦物含量、有效厚度、匹配關系，反映儲層有效性；因子3由脆性礦物含量和有效泥頁巖埋深組成，主要反映開采條件。

根據因子得分系數矩陣建立各公共因子與類比參數得分的計算公式，分別求取公共因子F1、F2、F3。在得出公共因子的基礎上，結合各公共因子的方差貢獻率，得到刻度區和評價區綜合得分F的計算公式，即F=(36.658F1+32.734F2+24.635F3)/94.028。

綜合得分涵蓋了頁巖氣藏的多種影響因素，可用來評價頁巖氣成藏條件，綜合得分越高，勘探潛力越大。用評價區綜合得分除以刻度區綜合得分，得到相似系數。利用刻度區和評價區頁巖氣特征參數，結合式(1)，計算得出評價區頁巖氣資源量。刻度區頁巖氣含量為1.7～2.8 m3/t，評價區泥頁巖密度取值為2.47 t/m3[11]，計算結果求取均值，得到研究區五峰組—龍馬溪組頁巖氣勘探開發有利區資源量排序為A1(8 529.0×108m3)、A2(7 172.3×108m3)、A5(3 873.7×108m3)、A3(3 533.8×108m3)、A4(1 644.9×108m3)，總資源量估值為2.48×1012m3。

4 結 論

(1) 湖北及周緣五峰組—龍馬溪組頁巖與北美高產頁巖氣頁巖在頁巖氣形成條件上具有諸多相似性，具備形成頁巖氣聚集的有利地質條件。

(2) 分析對比國內外頁巖氣成藏條件，提出頁巖氣勘探有利區塊優選原則。針對研究區目的層優選出利川區塊、咸豐—恩施—宣恩區塊、來鳳區塊、遠安區塊和鐘祥區塊。

(3) 采用體積豐度類比法計算有利區資源量，利用因子分析求取類比系數，初步估算五峰組—龍馬溪組頁巖氣資源量為2.48×1012m3，顯示出該區巨大的頁巖氣資源潛力。

[1] Curtis J B. Fractured shale-gas systems[J].AAPG Bulletin，2002，86(11)：1921-1938.

[2] 張麗雅，李艷霞，李凈紅，等.頁巖氣成藏條件及中上揚子區志留系頁巖氣勘探前景分析[J].地質科技情報，2011，30(6)：90-93.

[3] 黃盛，王國芝，鄒波，等.中上揚子區志留系龍馬溪組頁巖氣勘探區優選[J].成都理工大學學報：自然科學版，2012，39(2)：190-197.

[4] 文玲，胡書毅，田海芹.揚子地區志留紀巖相古地理與石油地質條件研究[J].石油勘探與開發，2002，29(6)：11-14.

[5] 張志平，程禮軍，曾春林，等.渝東北志留系下統龍馬溪組頁巖氣成藏地質條件研究[J].特種油氣藏，2012，19(4)：25-28.

[6] 楊振恒，騰格爾，李志明.頁巖氣勘探選區模型——以中上揚子下寒武統海相地層頁巖氣勘探評價為例[J].天然氣地球科學，2011，22(1)：8-14.

[7] 梁狄剛，郭彤樓，邊立曾，等.中國南方海相生烴成藏研究的若干進展(三)——南方四套區域性海相烴源巖的沉積相及發育控制因素[J].海相油氣地質，2009，14(2)：1-19.

[8] Bowker K A.Barnett shale gas production，Fort Worth Basin：Issues and discussion[J].AAPG Bulletin，2007，91(4)：523-533.

[9] 馬寧，侯讀杰，包書景，等.頁巖氣資源潛力評價方法[J].油氣地質與采收率，2012，19(6)：25-29.

[10] 朱華，姜文利，邊瑞康，等.頁巖氣資源評價方法體系及其應用——以川西坳陷為例[J].天然氣工業，2009，29(12)：130-134.

[11] 聶海寬，張金川.頁巖氣聚集條件及含氣量計算——以四川盆地及其周緣下古生界為例[J].地質學報，2012，86(2)：349-361.

編輯 姜 嶺

20150515；改回日期：20151107

國家科技重大專項“頁巖氣勘探開發關鍵技術”(2011ZX05018)

石創(1988-)，男，助理工程師，2011年畢業于中國地質大學(武漢)資源勘查專業，2014年畢業于該校礦產普查與勘探專業，獲碩士學位，現從事資源評價、油氣成藏研究工作

徐思煌(1964-)，男，教授，1985年畢業于長春地質學院礦產地質調查專業，2000年畢業于中國地質大學(武漢)古生物與地層學專業，獲博士學位，現從事石油及天然氣地質學研究與教學工作。

10.3969/j.issn.1006-6535.2015.06.014

TE122.2

A

1006-6535(2015)06-0065-05