鄂西—渝東北地區五峰組—龍馬溪組頁巖氣成藏地質條件分析

周 志， 翟剛毅， 石砥石 ，王勝建， 郭天旭，劉一珉， 王 浩

(1.中國地質調查局 油氣資源調查中心，北京 100083；2.中國地質大學(北京)，北京 100083)

中國南方地區頁巖氣勘探開發已經展開，但僅在局部地區、個別層系取得突破[1]。近年來的勘探實踐證實，上奧陶統五峰組—下志留統龍馬溪組(簡稱五峰—龍馬溪組)是我國目前最為有利、最具前景的頁巖氣勘探開發層系[1-2]，已在四川盆地的重慶涪陵、四川長寧—威遠等地區獲得了頁巖氣重大突破，進入商業開發階段[3-4]。基礎地質調查表明，四川盆地周緣地區五峰—龍馬溪組黑色頁巖，尤其是鄂西—渝東北地區，黑色頁巖厚度大，有機質豐度高，生烴潛力大[5-8]。1980年代以來，該區鉆遇的五峰—龍馬溪組均見到了不同程度的油氣異常顯示，展示了良好的頁巖氣勘探前景。由于區域地質構造復雜，油氣地質勘探工作程度低，早期完整揭示五峰—龍馬溪組的鉆井較少，使得該地區富有機質頁巖的空間分布、泥頁巖儲層物性、含氣性等參數不清，頁巖氣保存條件不落實，成藏富集主控因素不清。本文通過對JD1井五峰—龍馬溪組黑色頁巖巖心觀察和測試，對比分析區內已有鉆井資料，研究了鄂西—渝東北地區五峰—龍馬溪組黑色頁巖的沉積相、分布、有機質類型與豐度、熱成熟度、儲集性能等頁巖氣形成地質條件，并結合保存條件，分析了五峰—龍馬溪組頁巖氣富集成藏的主控因素，以期為該區頁巖氣勘探提供參考。

1 區域地質背景

鄂西—渝東北地區行政區劃上屬于湖北省西部，重慶市東北部；構造位置西與四川盆地毗鄰，東至黃陵背斜西緣，跨越利川復向斜、中央復背斜以及花果坪復向斜等多個構造單元；區域上經歷了晉寧、澄江、加里東、印支、燕山、喜馬拉雅等多期構造運動，經過燕山運動以后，區內地質構造基本定型，全區隆起成陸。雖受多期構造運動影響，但鄂西—渝東北地區構造活動相對較弱，大部分地區地層較為平緩，發育一系列北東向、近東西向褶皺和斷裂構造(圖1)。

根據地表地質特征和鉆井資料，研究區主要發育南華系、震旦系、寒武系、奧陶系、志留系、泥盆系、二疊系、三疊系和侏羅系，缺失上志留統；地表主要出露二疊系、三疊系和侏羅系，其中二疊系主要出露在背斜部位，三疊系巴東組、嘉陵江組和大冶組殘留于向斜，侏羅系則主要在秭歸盆地出露。區域上主要發育3套穩定海相頁巖，分別為下震旦統陡山沱組、下寒武統牛蹄塘組和上奧陶統五峰組—下志留統龍馬溪組，主要由富含黃鐵礦、有機質或生物化石的黑色頁巖組成，厚度大、分布廣。其中五峰—龍馬溪組頁巖埋藏相對較淺、熱演化程度適中，有利于頁巖氣的勘探和開發[5-7]。

圖1 鄂西—渝東北地區區域地質及構造單元

2 樣品采集與測試

2015年，中國地質調查局在湖北建始地區部署實施了1口地質調查井——JD1井，鉆遇五峰—龍馬溪組黑色頁巖45.2 m，現場采集22件頁巖樣品，開展巖石含氣量解吸實驗，使用YSQ-IV型巖石含氣量解析儀。本文針對JD1井五峰—龍馬溪組黑色頁巖層段，共采集25塊巖心樣品，進行了詳細的TOC、黏土礦物X-射線衍射定量檢測、全巖X-射線衍射定量檢測、鏡質組反射率測定、掃描電鏡實驗、巖石熱解等實驗測試分析。其中TOC、鏡質組反射率、巖石熱解等有機地化測試以及黏土礦物X-射線衍射定量檢測、全巖X-射線衍射定量檢測工作在國家地質實驗測試中心完成。黏土礦物X-射線衍射定量檢測和全巖X-射線衍射定量檢測所用儀器為ZJ207 Bruker D8 advance_X射線衍射儀，鏡質組反射率測定使用儀器為Leica DM4500P偏光顯微鏡(ZJ257)和CRAIC顯微光度計(ZJ280)。掃描電鏡實驗在國土資源部重慶礦產資源監督檢測中心完成，實驗使用儀器為ZJ266+ZJ263 JEOL JSM-6610LV掃描電鏡和OXFORD X-max能譜儀。

3 頁巖地質特征

3.1 頁巖沉積相

五峰—龍馬溪組沉積時期，受加里東運動晚幕的構造擠壓以及岡瓦納大陸冰川消融引發的全球海平面上升影響，中揚子地區形成了東南高、西北低的古地理格局，在鄂西—渝東北地區大范圍地發育面向秦嶺洋的北東向延伸深水陸棚，沉積了一套富含筆石化石的黑色頁巖。受晚奧陶世宜昌上升的影響，早志留世在湖北、湖南、重慶交界地區發育一湘鄂水下高地[9-10](圖2)。前人通過對比晚奧陶世赫南特期和志留紀魯丹早期該地區黑色頁巖中的筆石，大致圈定赫南特期湘鄂水下高地的范圍[9-11]。在水下高地范圍內，自赫南特期—魯丹早期甚至更晚時間，存在地層沉積缺失現象，至少缺失了魯丹早期的2個筆石帶的地層[12]，造成部分筆石帶的黑色頁巖缺失[9-16]。

3.2 頁巖分布

根據研究區內JD1、WD1、HY1等12口鉆井資料，以及思陽橋、白果坪、高羅等15條野外地質剖面編制的五峰—龍馬溪組厚度等值線圖(圖2)可以看出，鄂西—渝東北地區五峰—龍馬溪組黑色頁巖分布較穩定，厚20～60 m，整體厚度大于30 m。受巖相古地理控制，頁巖厚度總體呈現自東南向西北逐漸增厚的趨勢。東南部受湘鄂西水下高地控制，黑色頁巖厚度較薄，主要為一套淺水沉積的灰黑—黑色頁巖，如宜恩、長陽和五峰(湘鄂水下高地范圍)等地區黑色頁巖最大厚度不超過30 m，建始南部地區HY1井頁巖厚度僅25.6 m[8]，巖性主要為灰黑色粉砂質泥巖夾薄層狀粉砂巖條帶。向西北，黑色頁巖厚度逐漸增大，在宜昌—巴東—巫山以北、建始—恩施以西的區域，黑色頁巖厚度可達到80 m，平均超過40 m。如鄂西利川地區的LY1井黑色頁巖厚度50 m，渝東北地區WX2井黑色頁巖厚度超過89.8 m[17]，主要為一套水體相對較深的深水陸棚相沉積的黑色頁巖(圖3)。

圖2 鄂西—渝東北地區五峰—龍馬溪組巖相古地理及黑色頁巖厚度分布

圖3 鄂西—渝東北地區五峰—龍馬溪組連井對比剖面

受印支期以來的構造影響，研究區發生較為強烈的抬升，使得大部分地區三疊系及其以上地層遭受抬升剝蝕，出露三疊系和二疊系。其中二疊系覆蓋區，五峰—龍馬溪組埋深在1 300～2 000 m的范圍內(JD1井五峰—龍馬溪組底界埋深1 779 m)。而三疊系覆蓋區，五峰—龍馬溪組埋深主要分布在2 500～3 500 m。另外，在秭歸盆地侏羅系覆蓋區，五峰—龍馬溪組最大埋深可超過5 000 m(圖1)。

3.3 有機地化特征

JD1井25塊泥頁巖樣品測試數據(表1)表明：五峰—龍馬溪組黑色頁巖總有機質類型以Ⅰ—Ⅱ型為主，偏腐泥型。頁巖有機碳含量(TOC)普遍較高，介于0.11%～11.24%，平均為4.39%，其中w(TOC)≥1.0%的樣品數占總數的80%，w(TOC)≥2.0%的樣品數占總數的72%(圖4)，表明五峰—龍馬溪組黑色頁巖的有機碳含量高。黑色頁巖TOC具有明顯的由上至下逐漸增高的趨勢，其中JD1井黑色頁巖w(TOC)>2%的頁巖厚度約25 m，主要位于五峰—龍馬溪組底部(表1)；HY1井五峰—龍馬溪組富有機質泥頁巖TOC值介于1.28%～5.28%，w(TOC)>2%的頁巖厚12.56 m，也主要位于五峰—龍馬溪組底部(圖3)。平面上，根據研究區內8條露頭剖面、12口井資料統計，五峰—龍馬溪組TOC整體分布具有自東向西增高的趨勢，存在奉節—巫溪和彭水—黔江2個高值中心，黑色頁巖TOC平均值普遍大于3%(圖5a)。

圖4 鄂西建始地區JD1井五峰—龍馬溪組頁巖有機碳含量分布

熱成熟度(Ro)是頁巖有機質向烴類轉化的一項關鍵指標。但泥盆紀以前的地層不存在鏡質組顯微組分，因此無法應用鏡質組反射率來標定有機質熱演化程度。本文采用瀝青反射率、巖石最高熱解峰對應溫度(Tmax)等方法，折算出等效鏡質組反射率(eqVRo)[18]。JD1井五峰—龍馬溪組7塊樣品分析結果表明，頁巖熱演化程度總體較高，eqVRo為2.62%～3.05%，平均2.82%，其中85.7%樣品eqVRo小于3.0%，總體處于過成熟演化階段。平面上，鄂西—渝東北地區五峰—龍馬溪組頁巖eqVRo普遍大于2.0%，介于2.5%～3.9%，總體呈現出自東南向西北增高的趨勢(圖5b)。其中重慶巫山一帶最高，東南部整體較低，平均為2.5%。eqVRo區域差異可能與頁巖經歷深埋藏過程有關，川東北地區五峰—龍馬溪組最大埋深約9 000 m，造成有機質的熱演化程度也相對較高[19]。

3.4 儲集性能

鄂西—渝東北地區五峰—龍馬溪組頁巖孔隙度整體較低。JD1井巖心脈沖衰減法孔滲測試結果表明，其孔隙度范圍在0.60%～4.33%，滲透率介于(0.000 018 8～0.045 5)×10-3μm2，平均0.006 383×10-3μm2，所有樣品值均遠小于1×10-3μm2，屬于特低孔、特低滲儲層。頁巖孔隙類型多樣，JD1井五峰—龍馬溪組頁巖掃描電鏡發現，其具有大量的殘余原生孔隙、粒內粒間溶孔、有機質生烴孔、黏土礦物伊利石化體積縮小形成的微孔隙以及微裂縫等，多以微米—納米級為主；尤其是有機質生烴孔發育，孔徑以2～20 μm居多，連通性良好，為頁巖氣賦存提供了良好的儲集空間。

五峰—龍馬溪組頁巖所含主要礦物為石英和黏土礦物，含少量長石。其中石英含量最少46%，最多73%，平均52.62%；黏土礦物含量最小13%，最大53%，平均31.14%；長石含量最少4%，最大20%，平均13.67%。總體來說，五峰—龍馬溪組頁巖以長英質礦物為主，其次為黏土礦物，碳酸鹽礦物很少，脆性指數高，有利于后期壓裂改造。

3.5 含氣性

鄂西—渝東北地區多數井鉆遇五峰—龍馬溪組均見到較好的頁巖氣顯示，但含氣性差異較大。其中渝東北地區的WX2井五峰—龍馬溪組主體含氣量大于3 m3/t的高含氣層段 34 m，最高含氣量超過 8 m3/t，氣體組分以甲烷為主(甲烷平均含量 95.17%)[17]。秭歸地區的WD6井鉆遇五峰—龍馬溪組見明顯氣顯示，鉆至近目的層后井口持續冒泡，點火焰高60 cm，數小時不滅。建始北部的JD1井在五峰—龍馬溪組頁巖解析含氣量0.92 m3/t(不含損失氣、殘余氣)，氣測組分以甲烷為主。而建始南部的HY1井以及利川地區的LY1井等五峰—龍馬溪組含氣性則比較差，鉆井過程中氣測顯示比較差，綜合解釋為干層[8]。對比分析不同井頁巖含氣性，發現五峰—龍馬溪組頁巖含氣性主要受有機碳含量和構造保存控制。其中頁巖有機碳含量與含氣性具有較好的正相關性(圖6)，含氣性好的層段主要集中分布在上奧陶統凱迪階、赫南特階和下志留統魯丹階3個富有機質頁巖發育層段(圖3)。

圖5 鄂西—渝東北地區五峰—龍馬溪組頁巖有機碳含量、熱成熟度平面分布

圖6 鄂西建始地區JD1井五峰—龍馬溪組頁巖含氣性與TOC關系

4 頁巖氣富集主控因素分析

頁巖氣是天然氣在烴源巖中生成之后就近聚集的結果，表現為典型的“原地”成藏模式[20]。因此，早期有學者用泥頁巖厚度、埋深、TOC、Ro等靜態參數指標來評價、優選頁巖氣有利區[21]。但近些年的勘探實踐證明，僅僅依靠上述參數指標，有利區往往難以落實，鉆探失利較多。鄂西—渝東北地區鉆井資料揭示，該地區五峰—龍馬溪組富有機質頁巖多項靜態參數(實測TOC、富有機質頁巖連續厚度、熱成熟度等)均與目前商業開發區塊的評價井相當[22-24]，但含氣性差異卻比較大。2012年以來，隨著我國頁巖氣勘查開發工作的不斷深入，國內學者先后提出了頁巖氣“二元富集”理論[25]、“源蓋控藏”富集理論[24]，歸根結底均強調2個方面：一是生烴的物質基礎，從目前我國南方勘探開發來看，其主要與巖相古地理有關，深水陸棚相沉積的頁巖是頁巖氣富集成藏的生烴物質基礎；二是構造保存，穩定的構造保存和良好的區域蓋層是頁巖氣富集高產的關鍵要素。

4.1 深水陸棚相頁巖

董大忠等[22]在研究上揚子地區富有機質黑色頁巖分布時，發現下志留統龍馬溪組有機碳含量大于2.0%的黑色頁巖厚度分布與深水陸棚沉積相帶的分布十分一致，可見深水陸棚沉積相帶控制了富有機質黑色頁巖的發育。參考國際通用的筆石帶，陳旭等[23]提出了五峰組和龍馬溪組黑色頁巖筆石帶的劃分標準，將五峰—龍馬溪組自下而上依次劃分為凱迪階、赫南特階、魯丹階、埃隆階和特列奇階5個生物階。南方頁巖氣勘探開發實踐揭示，凱迪階、赫南特階和魯丹階3個生物階黑色頁巖的發育對頁巖氣的富集高產具有重要的控制作用[23]。特別是赫南特階和魯丹階，這2個生物階黑色頁巖的發育，預示該地區在奧陶—志留紀之交長期處于深水陸棚沉積環境之中，這為五峰—龍馬溪組頁巖氣富集高產奠定了良好的生烴物質基礎。

目前鄂西—渝東北地區獲得較好顯示的鉆井，均都鉆遇凱迪階、赫南特階和魯丹階3個生物階深水陸棚相沉積的頁巖，如WX2井和WD6井等[17]；而缺失赫南特階和魯丹階黑色頁巖的鉆井頁巖氣顯示總體均較差。如HY1井缺失赫南特階和魯丹階深水陸棚相頁巖(圖3)，五峰—龍馬溪組有機碳含量大于2.0%頁巖僅12.56 m，含氣性差，鉆探過程氣測異常不明顯[8]。綜上所述，凱迪階、赫南特階和魯丹階3個層段深水陸棚相沉積的頁巖是鄂西—渝東北地區五峰—龍馬溪組頁巖氣富集高產的物質基礎。

4.2 構造保存

保存條件是頁巖氣富集高產的關鍵要素。鄂西—渝東北地區經歷了多旋回構造運動，特別是印支期以來的構造運動，一方面造成研究區褶皺和斷裂、裂縫構造發育，另一方面大部分地區遭受抬升剝蝕[26-28]。其中斷裂是構造運動積累的應力釋放而破裂的結果，常與裂縫相伴而生。裂縫的發育使得頁巖滲透率增大，頁巖氣以滲流的方式快速向斷裂運移。如果斷裂開啟，尤其是“通天”的開啟斷裂，將對頁巖氣保存非常不利，如鄂西地區LY1井和WD2井。LY1井鉆遇五峰—龍馬溪組w(TOC)≥2%的優質頁巖厚30余m(與焦頁1井相當)，但所處構造內部斷裂發育，巖心顯示高角度的裂縫極其發育，原有的氣藏遭到破壞；鉆探過程中全烴顯示低，測井解釋含氣量僅0.26 m3/t。可見斷裂對頁巖氣藏具有明顯的改造破壞作用。重慶涪陵地區五峰—龍馬溪組頁巖氣勘查開發實踐證實，氣田主體構造穩定區與斷裂、裂縫發育帶保存條件差異明顯，靠近斷裂發育帶壓力系數明顯降低，產量降低明顯。

區域蓋層的發育對頁巖氣的富集保存至關重要。金之鈞等[29]研究認為有三疊系膏鹽巖分布的地區，五峰—龍馬溪組地層壓力系數高，頁巖氣富集程度高。聶海寬等[24]通過對比四川盆地及周緣主要頁巖氣藏區蓋層、壓力系數和壓裂后初始產量發現：在中下三疊統蓋層發育的區帶鉆井，五峰—龍馬溪組基本上都獲得了超過萬方的工業氣流，而在中下三疊統蓋層缺失的區帶鉆井，雖有頁巖氣較好的顯示，但地層壓力都比較低。鄂西—渝東北地區目前鉆遇五峰—龍馬溪組優質黑色頁巖的井有12口。其中參數井WY1井、LY1井三疊系開孔，但由于五峰—龍馬溪組裂縫發育，未見到明顯的頁巖氣顯示。而地質調查井多在二疊系開孔，雖然多數井見到較好的頁巖氣顯示，但地層壓力較低，多為常壓地層，未獲得工業氣流，原因可能與中下三疊統區域蓋層缺失有關。究其原因：一是中下三疊統膏鹽巖具有低孔隙度、低滲透性、流動性強的特點，在后期構造變形過程中表現為典型的塑性變形，對油氣藏具有很好的封蓋作用[30]；二是三疊系蓋層發育的地區，整體抬升剝蝕相對較晚，泄壓時間也較晚，天然氣尚有大量保存，現今仍處于超高壓狀態。

綜合以上分析，認為凱迪階、赫南特階和魯丹階3個層段深水陸棚相頁巖，中下三疊統蓋層發育，斷裂欠發育的穩定構造是鄂西—渝東北地區頁巖氣富集高產的關鍵因素。因此，該區在湘鄂水下高地范圍之外，尋找斷裂欠發育的構造穩定區，有望獲得頁巖氣勘探突破。

5 結論

(1)鄂西—渝東北地區五峰—龍馬溪組黑色頁巖發育，黑色頁巖厚度大(40～60 m)，地層埋深適中(2 000～3 000 m)、總有機碳含量高(TOC平均4.39%)、有機質熱成熟度適中(Ro=2.5%～3.9%)，有機質類型以I—II型為主，鉆井氣測顯示活躍，現場解析氣含量較高，具有良好的頁巖氣成藏地質條件。

(2)凱迪階、赫南特階和魯丹階3個層段深水陸棚相沉積的富有機質頁巖、斷裂欠發育的穩定構造、中下三疊統區域蓋層發育，是鄂西—渝東北地區五峰—龍馬溪組頁巖氣富集成藏的主控因素。

致謝：在成文過程中得到中國科學院南京古生物研究所陳旭院士、中國地質調查局任收麥研究員的指導；實驗測試工作得到國家地質實驗測試中心孫瑋琳高級工程師、中國地質調查局油氣資源調查中心楊玉茹高級工程師的大力支持，在此一并表示感謝。