鄂西地區黃陵背斜周緣五峰組—龍馬溪組頁巖氣儲層及含氣性特征

許露露,張焱林,陳 程,周向輝，溫雅茹

(湖北省地質調查院頁巖氣中心,湖北 武漢 430034)

0 引 言

鄂西地區勘探實踐表明，五峰組—龍馬溪組為該區主要的富有機質頁巖儲層，具有較好的頁巖氣成藏潛力[1-3]。黃陵背斜周緣為五峰組—龍馬溪組頁巖氣勘探重點地區，目前已部署多口調查井，主要分布在黃陵背斜西南緣和東緣。前人對鄂西五峰組—龍馬溪組儲層特征及勘探前景進行過初步分析[4-11]，但針對黃陵背斜周緣五峰組—龍馬溪組頁巖氣儲層及含氣性特征研究較少，特別是西南緣與東緣儲層特征及頁巖氣含氣性的差異性研究還未見報道。該文主要利用黃陵背斜西南緣與東緣分布的調查井以及實測地層剖面資料，對研究區五峰組—龍馬溪組的巖石地層及地球化學特征、儲層特征及含氣性特征進行了分析，闡明了研究區不同構造部位的頁巖氣儲層及含氣性的差異性特征。

1 區域地質概況

研究區在大地構造上屬揚子板塊中北部，北與秦嶺-大別造山帶接壤，西與四川盆地毗鄰，東靠江南-雪峰滑脫推覆隆起帶。發育黃陵結晶基底和神龍架褶皺基底2種基底類型，南華紀以來的沉積蓋層則以角度不整合覆蓋于基底之上，東部疊加白堊系—第四系斷陷盆地構造。研究區內主要發育北北東向和北西—北北西向2組斷裂。北北東向斷裂屬于新華斷裂帶，分布在黃陵背斜西緣；北西—北北西向斷裂由西向東分布為仙女山斷裂、天陽坪斷裂、霧渡河斷裂及通城河斷裂。區內地層從南華系到白堊系均有發育，五峰組—龍馬溪組為此次研究目的層。目前,研究區調查井主要分布在黃陵背斜西南緣及東緣，西南緣主要調查井有ZD2、巴地2、秭地3井；東緣主要調查井有遠地1、宜地1、夷地1井(圖1)。

2 頁巖氣儲層特征

2.1 巖石地層特征

利用黃陵背斜東緣及西南緣調查井巖心及實測地層剖面資料，對研究區五峰組—龍馬溪組巖性特征、分布范圍、埋深及厚度進行了分析。研究區不同地點五峰組—龍馬溪組巖性基本一致，均由含炭硅質巖、炭質頁巖及粉砂巖3種主要巖性組成。現以具有較好頁巖氣顯示的秭地3井為例，對其縱向上巖性組合特征進行精細描述(表1)。五峰組巖性為黑色含炭硅質巖夾黑色炭質頁巖，筆石帶發育，頂部為觀音橋層，發育一層厚度為25.0 cm的碎裂石灰巖。觀音橋層之上為龍馬溪組，整體上可分為上下2段，均順層發育黃鐵礦層，筆石帶發育。下段巖性為黑色炭質頁巖，巖性均一，炭質含量較高；上段巖性為灰黑色炭質頁巖夾少量薄層粉砂巖，炭質含量相對較少，巖石顏色相對較淺。新灘組地層與龍馬溪組巖性漸變過渡，界線往往難以區分，因此，此次研究以炭質含量明顯減少、巖石顏色明顯變淺以及粉砂巖含量明顯增多的部位為地層界線。

研究區五峰組—龍馬溪組分布在黃陵背斜東緣及西南緣，黃陵基底及神龍架基底五峰組—龍馬溪組地層已剝蝕殆盡(圖2)。不同地區五峰組—龍馬溪組埋深差異較大，東緣調查井相對較少，埋深為600～1 400 m。黃陵背斜東緣向東埋深逐漸增加，遠安縣城附近埋深超過3 000 m。西南緣秭歸縣—興山縣一帶，埋深多超過3 000 m，局部超過6 000 m。調查井多分布在黃陵背斜西南緣秭歸縣以南地區，其五峰組—龍馬溪組埋深為1 000～3 000 m。五峰組—龍馬溪組厚度分布不穩定，分布范圍為19.0～93.8 m，研究區總體上具有由南向北、由東向西厚度逐漸增大的趨勢。黃陵背斜東緣厚度相對穩定，為26.1～34.8 m；西南緣厚度分布不穩定，WD2井厚度為19.0 m，而北部ZD2井厚度為93.8 m。

圖1 研究區地質構造簡圖及調查井位置示意圖

2.2 地球化學特征

采納國土資源部發布的《頁巖氣資源/儲量計算評價技術規范》對采集樣品分析結果進行了分類統計[12]，并對研究區8口調查井及6條實測地層剖面進行了有機碳和鏡質體反射率統計分析(表2)。測試結果表明：研究區五峰組—龍馬溪組TOC為1.16%～2.99%，平均為2.10%，大多數樣品屬于高含量。將黃陵背斜東緣與西南緣地球化學特征對比發現，西南緣有機質豐度比東緣高，東緣TOC為1.32%～2.14%，平均為1.75%，總體上屬于中等含量；西南緣TOC為1.86%～2.99%，平均為2.36%，總體上屬于高含量。地層縱向上TOC值分布特征呈現明顯的規律性，五峰組TOC為

圖2 研究區五峰組—龍馬溪組埋深、厚度及TOC分布

1.66%～5.39%，平均為3.73%；龍馬溪組下部TOC為0.54%～4.36%，平均為1.84%；龍馬溪組上部TOC為0.08%～2.06%，平均為0.60%。研究表明，五峰組TOC含量最高，龍馬溪組下部次之，上部含量最低(圖3)。Ro為1.09%～2.82%，平均為2.35%，總體上屬于高成熟度。黃陵背斜西南緣整體成熟度值略高于東緣。研究區五峰組—龍馬溪組有機質類型以Ⅱ1腐殖-腐泥型為主。

表2 研究區調查井及地層剖面五峰組—龍馬溪組地球化學及儲層物性統計分析

2.3 物性特征

此次巖石物性及礦物成分評價標準參照國土資源部發布的《頁巖氣資源/儲量計算評價技術規范》執行。礦物組分統計顯示(表2)：黏土礦物含量為27.2%～62.5%，平均為39.2%，脆性礦物(除黏土礦物以外)含量為60.8%，達到高脆性礦物分類標準。其中，石英含量為28.4%～69.3%，平均值48.3%；長石含量為1.3%～14.9%，平均為8.0%；方解石及白云石含量為0.0～5.3%，平均為1.2%；黃鐵礦的含量為0.0～13.3%，平均為3.3%。分析表明，研究區五峰組—龍馬溪組以石英礦物為主，黏土礦物次之，長石及黃鐵礦含量較少，方解石及白云石含量最低。研究區孔滲性研究表明，孔隙度為1.15%～3.76%，平均為2.39%，為低孔—特低孔孔隙類型；滲透率為0.000 7～0.004 8 mD，平均為0.002 0 mD，為特低滲儲層類型。

圖3 研究區黃陵背斜周緣調查井五峰組—龍馬溪組縱向上TOC與含氣量分布特征

通過場發射掃描電鏡技術方法，對研究區巴地2井五峰組—龍馬溪組縱向上儲層微觀孔隙特征進行了分析。圖4a—c為五峰組炭質硅質巖成像照片，深度為1 412 m。圖4a樣品較致密，可見不規則狀孔隙、有機質條帶及霉球狀黃鐵礦，為顯微鏡下放大1 000倍。有機質條帶寬度為10～15 μm，長度為40～60 μm，黃鐵礦多呈霉球狀，分布在有機質條帶周圍，數量較多，直徑為1～8 μm；粒間孔隙較為發育，直徑為1～2 μm。圖4b為圖4a有機質條帶放大照片，為顯微鏡下放大10 000倍，照片顯示發育有機質納米孔隙，呈不規則狀、橢球狀，孔徑多分布在200～300 nm，有機質孔隙數量分布較多，均勻分布在整個有機質條帶中。圖4c為有機質條帶與黏土礦物混合，發育有機質納米孔隙，橢球狀、不規則狀，為顯微鏡下放大10 000倍，有機質孔隙直徑約100 nm，孔隙多集中在有機質條帶中。

圖4d—f為龍馬溪組下部炭質頁巖，深度為1 402 m。圖4d為顯微鏡下放大1 500倍成像圖片，樣品較致密，可見少量粒間孔隙及少量霉球狀黃鐵礦，未見有機質條帶；粒間孔隙孔徑及數量較五峰組明顯減少，黃鐵礦發育程度也較五峰組明顯減少。圖4e為放大1 000倍成像圖片，可見有機質顆粒，多呈不規則橢圓狀，有機質顆粒直徑為5～20 μm。圖4f為圖4e放大后成像照片，放大倍數為5 000倍，發育有機質孔隙，橢球狀、不規則狀，孔徑多小于1 μm。圖4g、h為龍馬溪組上部含炭泥質粉砂巖，深度為1 382 m。圖4g可見明顯粒間孔隙，呈不規則狀、橢球狀，孔隙直徑約為2～5 μm，有機質顆粒分布與粒間孔隙周緣，顆粒直徑較小，數量較少。圖4h為圖4g放大，放大倍數為10 000倍，有機質顆粒發育有機質納米孔隙，不規則狀、橢球狀，有機質顆粒呈橢圓狀，直徑約為2 μm，顆粒中發育有機質孔隙發育，孔隙直徑約為100 nm，相對于龍馬溪組下部炭質頁巖，上部含炭泥質粉砂巖有機質顆粒直徑小，有機質孔隙孔徑小。

圖4 研究區巴地2井五峰組—龍馬溪組場發射掃描電鏡

綜上所述，五峰組—龍馬溪組以有機質孔隙及粒間孔隙為主，地層縱向上由下至上表現出有機質條帶、有機質孔隙及黃鐵礦數量逐漸減少的趨勢。粒間孔隙在龍馬溪組上部泥質粉砂巖最最為發育，五峰組炭硅質巖次之，龍馬溪組炭質頁巖中最少。

3 含氣性特征

頁巖氣富集受到頁巖氣形成地質條件、烴源巖及儲層微觀孔隙特征、構造特征及頁巖氣保存條件的影響[13-16]。其中目的層斷裂帶性質對頁巖氣含氣性的影響較大[17-19]，微觀孔隙特別是有機孔隙的發育對頁巖氣的富集也具有極為重要的控制作用[20-23]。3口調查井等溫吸附含氣性及現場解析含氣性(圖3)統計結果表明：3口調查井五峰組炭硅質巖等溫吸附含氣量(VL)最高，為2.36～3.91 m3/t,平均為3.16 m3/t；龍馬溪組下段炭質頁巖VL次之，為1.70～2.09 m3/t，平均為1.90 m3/t；而龍馬溪組上段含炭泥質粉砂巖VL最低，為0.84～1.07 m3/t，平均為0.96 m3/t。VL與TOC分布呈現良好的正相關性，TOC值越高，VL越大。

現場解析結果顯示，黃陵背斜東緣遠地1井現場解析含氣量(Vx)為0.13～1.19 m3/t，平均為0.62 m3/t。其中，五峰組Vx為0.13～0.64 m3/t，平均為0.44 m3/t；龍馬溪組下段Vx為0.33～1.19 m3/t，平均為0.73 m3/t；龍馬溪組上段Vx為0.35 m3/t。黃陵背斜西南緣秭地3井Vx為0.49～1.09 m3/t，平均為0.73 m3/t。其中，五峰組Vx為0.73～0.99 m3/t，平均為0.87 m3/t；龍馬溪組下段Vx為0.51～1.09 m3/t，平均為0.73 m3/t；龍馬溪組上段Vx為0.49～0.58 m3/t，平均為0.53 m3/t。巴地2井現場解析無含氣量顯示。現場解析結果表明，秭地3井現場解析含氣量稍微高于遠地1井，總體上地層縱向上Vx由高到低依次為五峰組、龍馬溪組下段、龍馬溪組上段，但遠地1井五峰組Vx小于龍馬溪組下部。

研究表明，同一調查井縱向上Vx與TOC同樣呈現較好的正相關性，五峰組含炭硅質巖地層由于具有更高的TOC，有機質孔隙更為發育，因而具有更高的等溫吸附氣和現場解析含氣量；不同調查井之間對比發現Vx與TOC不具有明顯相關性，如巴地2井TOC含量高于遠地1井，但含氣量不如遠地1井，表明研究區斷裂帶的發育對調查井含氣性影響較大，工作區西緣呈北北東向的新華斷裂帶，在其周緣已實施的巴地2井及ZD2井，距離斷裂帶距離近，均未見氣。而工作區內黃陵背斜西緣呈北西向的仙女山及天陽坪斷裂，在其周緣實施的秭地3井及WD6均見到良好的頁巖氣顯示；黃陵背斜東緣呈北西向的霧渡河及通城河斷裂，在其周緣實施的遠地1井及夷地1井也有較好的頁巖氣顯示。

4 結 論

(1) 研究區五峰組以黑色含炭硅質巖夾黑色炭質頁巖為特征，頂部發育25.0 cm厚的碎裂石灰巖觀音橋段，龍馬溪組下段為黑色炭質頁巖，上段為灰黑色炭質頁巖夾少量薄層粉砂巖。研究區五峰組—龍馬溪組埋深為1 000～3 000 m，西部秭歸—興山縣一帶埋深大。厚度總體上具有由南向北，由東向西厚度逐漸增大的趨勢，黃陵背斜東緣厚度較西南緣相對穩定。

(2) 研究區五峰組—龍馬溪組TOC為1.16%～2.99%，有機質豐度總體上屬于高含量，黃陵背斜西南緣有機質豐度比東緣高。五峰組含炭硅質巖TOC含量最高，龍馬溪組上段含量最低。有機質處于高成熟度階段，有機質類型以腐殖-腐泥型為主。

(3) 研究區五峰組—龍馬溪組以石英礦物和黏土礦物為主，脆性礦物含量為60.8%，達到高脆性礦物分類標準，頁巖儲層多為低孔特低滲孔隙類型；微觀孔隙類型以有機質孔隙及粒間孔隙為主，地層由下至上呈現有機質條帶、有機質孔隙及黃鐵礦數量逐漸減少的趨勢。

(4) 研究區北北東向新華斷裂帶附近頁巖氣含氣性較差，而北西向斷裂帶附近頁巖氣含氣性較好，地層縱向上TOC與等溫吸附及現場解析含氣量具有較好的正相關性，五峰組含炭硅質巖地層由于具有更高的TOC含量，有機質微孔隙發育，因而具有更高等溫吸附氣和現場解析含氣量。