許露露，劉早學，張焱林，邱艷生，段 軻

(湖北省地質(zhì)調(diào)查院，湖北 武漢 430034)

0 引 言

頁巖氣是一種新興的能源資源，蘊藏量十分豐富，中國在上揚子地區(qū)的四川盆地及周緣地區(qū)已經(jīng)獲得頁巖氣勘探突破[1-3]。近年來，湖北省鄂西地區(qū)頁巖氣調(diào)查及鉆探的目的層為陡山陀組、牛蹄塘組、龍馬溪組3套地層，對二疊系多套黑色巖系地層研究較少。由于鶴峰地區(qū)二疊系大隆組黑色頁巖層厚度較大，橫向分布穩(wěn)定，具有較好的頁巖氣成藏地質(zhì)條件。通過分析大隆組地層巖性特征、地球化學及儲層特征，估算頁巖氣資源潛力，可為鄂西頁巖氣勘探開發(fā)提供依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

湖北鶴峰區(qū)塊位于鄂西南恩施州鶴峰縣境內(nèi)，面積為2 306.7 km2，屬揚子板塊中部湘鄂西褶皺斷裂帶，研究區(qū)總體表現(xiàn)為北東向展布的兩背(走馬背斜、白佳背斜)、兩向(鶴峰向斜、陳家灣向斜)相間排列格局，局部存在較早期東西向短軸褶皺(圖1)。研究區(qū)斷裂主要分為北北東及北北西向2組。區(qū)內(nèi)地層從南華系至三疊系均有發(fā)育，大隆組為此次地質(zhì)調(diào)查的目標層，發(fā)育晚二疊世吳家坪晚期—長興期的沉積產(chǎn)物，主要分布于鶴峰-燕子向斜帶、陳家灣-石灰窯向斜帶周緣。研究區(qū)大隆組地層中化石較為豐富，菊石、腕足類化石最為常見[4-6]。

圖1 鶴峰區(qū)塊位置

2 地層特征

在研究區(qū)內(nèi)共測量6條大隆組地層剖面，調(diào)查了大隆組出露面積、厚度、巖性組合特征及沉積環(huán)境。選取露頭新鮮、頂?shù)捉缇€清晰的容美鎮(zhèn)大溪村剖面PM010進行介紹(表1)。該剖面大隆組共分11層，總厚度為51.6 m。巖性以黑色含炭硅質(zhì)巖及黑色炭質(zhì)頁巖為主，局部發(fā)育微晶灰?guī)r和含炭粉砂質(zhì)泥巖或泥質(zhì)粉砂巖。含炭硅質(zhì)巖主要分布于大隆組底部和頂部，在中部多以夾層產(chǎn)出。黑色頁巖主要分布于大隆組中上部地層，常與硅質(zhì)巖或灰?guī)r呈互層產(chǎn)出，頁巖中見清晰的菊石化石。微晶灰?guī)r及含炭粉砂質(zhì)泥巖主要于大隆組中部發(fā)育。通過6條地層剖面測量發(fā)現(xiàn)，大隆組與下伏下窯組接觸界線以微晶灰?guī)r的消失、黑色硅質(zhì)巖或炭質(zhì)頁巖的出現(xiàn)為分界標志，與上覆大冶組一段以頂部黑色炭質(zhì)頁巖消失、大冶組黃綠色泥頁巖出現(xiàn)為分界標志。大隆組分布穩(wěn)定，厚度在50 m左右。各剖面巖性均以黑色含炭硅質(zhì)巖及黑色炭質(zhì)頁巖為主，但微晶灰?guī)r和粉砂質(zhì)泥巖在不同剖面上發(fā)育特征不同。

大隆組沉積環(huán)境具有較大的爭議性，有少數(shù)學者認為大隆組形成于大陸邊緣近濱帶或者局限臺地相沉積環(huán)境[7-9]，認為大隆組原巖是灰?guī)r或者白云巖，在成巖期間硅化才成為硅質(zhì)巖，因此，大隆組沉積于淺海陸棚中水深較淺的區(qū)域[10]。但更多的學者認為大隆組屬于較深水盆地沉積，主要沉積于淺海的下部和半深海的上部[11-13]。此次剖面測量發(fā)現(xiàn)大隆組下部和頂部巖性主要為黑色薄層狀硅質(zhì)巖及炭質(zhì)頁巖，沉積時水體較深，為淺海外陸棚靜水還原環(huán)境。中部灰?guī)r較多，水體較淺，為淺海內(nèi)陸棚相沉積環(huán)境。通過巖性觀察表明，該區(qū)大隆組由下至上經(jīng)歷了淺海外陸棚相—內(nèi)陸棚相—外陸棚相的沉積環(huán)境演變。

表1 鶴峰縣容美鎮(zhèn)大溪村大隆組實測地層剖面

3 富頁巖氣地層地質(zhì)特征

3.1 地層分布特征

大隆組大部分抬升地表遭受剝蝕，露頭分布面積約為355 km2。整體埋深較淺，主要分布在1 000 m以下，最大埋深約為2 500 m，位于鶴峰向斜核部附近(圖2)。大隆組平均厚度為50.6 m，地層分布穩(wěn)定。張金川等認為連續(xù)分布面積不低于50 km2、埋深不小于500 m、單層厚度為10～30 m，為頁巖氣有利核心區(qū)[14]。按照此標準，大隆組的埋深、厚度及分布面積均符合有利核心區(qū)的標準。

圖2 大隆組地層底界分布范圍及埋深

3.2 地球化學特征

頁巖氣有機碳含量和成熟度是評價頁巖氣能否開采的重要指標，根據(jù)國土資源部發(fā)布的《頁巖氣資源/儲量計算評價技術規(guī)范》，對采集樣品進行分類統(tǒng)計(表2)。

表2 大隆組頁巖氣層有機碳和成熟度分類標準及統(tǒng)計結(jié)果

共采集63塊樣品進行實驗測試，結(jié)果顯示，TOC最小值為0.2%，最大值為17.3%，平均值為6.03%。TOC含量為特高和高的樣品分別占58.7%和14.3%。不同巖性TOC含量統(tǒng)計結(jié)果顯示，炭質(zhì)頁巖TOC平均值達到8.6%，含炭粉砂質(zhì)泥巖次之，炭硅質(zhì)巖為4.5%，微晶灰?guī)r僅為0.6%。大隆組樣品Ro最小值為1.8%，最大值為2.7%，平均值為2.3%。其中，4.8%的樣品達到高成熟階段，95.2%的樣品達到過成熟階段。實驗分析顯示，大隆組有機質(zhì)類型為腐泥腐殖型和腐殖型，表明物質(zhì)來源主要以海洋浮游生物為主，也接受了少量陸源生物沉積，有利于頁巖氣生成。

3.3 儲層特征

巖石物性及礦物成分評價標準參照國土資源部發(fā)布的《頁巖氣資源/儲量計算評價技術規(guī)范》執(zhí)行(表3)。

3.3.1 礦物成分

25塊樣品礦物成分分析結(jié)果表明：大隆組主要礦物為石英和黏土礦物，還含少量斜長石、方解石、白云石及黃鐵礦，其中，石英、長石及黃鐵礦含量平均值分別為60.40%、5.58%、0.76%，黏土礦物含量平均為18.60%，碳酸鹽礦物含量平均為14.70%；大隆組均以脆性礦物為主，平均為81.40%，各樣品脆性礦物均達到高級別。大隆組頁巖地層礦物成分與美國典型頁巖地層具有可比性，黏土礦物和碳酸鹽礦物含量與Barnett頁巖基本相當，石英長石礦物略多，具備較好的壓裂造縫條件(圖3)。不同巖性的脆性礦物含量統(tǒng)計結(jié)果顯示，灰?guī)r中脆性礦物含量最多，不含黏土礦物，硅質(zhì)巖次之，炭質(zhì)頁巖中脆性礦物含量最少。

表3 大隆組含頁巖氣儲層分類標準及統(tǒng)計結(jié)果

3.3.2 巖石物性

共采集大隆組63塊巖石樣品進行孔隙度和滲透率測試。結(jié)果表明：大隆組巖石孔隙度平均為2.22%；孔隙度小于2.00%的樣品占44.5%，介于2.00%～5.00%的樣品占55.5%，屬于低—特低孔儲層；滲透率平均為0.000 8×10-3μm2，統(tǒng)計結(jié)果表明，所有樣品均屬特低滲儲層。

圖3 鶴峰大隆組與北美Barnett頁巖礦物成分對比

3.3.3 微孔裂隙

頁巖儲滲空間可分為基質(zhì)孔隙和裂縫?；|(zhì)孔隙有殘余原生孔隙、有機質(zhì)孔隙、不穩(wěn)定礦物溶蝕形成的溶蝕孔等。大隆組殘余原生孔隙主要是由分散于片狀黏土中的粉砂巖顆粒間的孔隙組成，孔隙形態(tài)以橢圓形居多，孔隙之間相互連通，孔徑為5～50 μm(圖4a、b)。有機質(zhì)孔隙以蜂窩狀、條帶狀為主，蜂窩狀有機質(zhì)孔隙多呈圓狀，孔徑約為0.5 μm，孔隙連通較好(圖4c)，條帶狀有機質(zhì)孔隙呈不規(guī)則狀，長軸為1～2 μm(圖4d)。次生溶蝕呈不規(guī)則橢圓狀，主要為方解石粒內(nèi)溶孔和長石粒內(nèi)溶孔，方解石粒內(nèi)溶孔孔徑約為5 μm(圖4e)，長石粒內(nèi)溶孔孔徑10～20 μm(圖4f)。分析表明，殘余原生孔隙最大，有機質(zhì)生烴形成孔隙最小。微裂縫主要見于黏土和有機質(zhì)中，有機質(zhì)邊緣裂隙較小，寬度為50～100 nm(圖4g)，黏土礦物中裂縫較大，寬度約為5 μm(圖4h)。

圖4 大隆組基質(zhì)孔裂隙類型

3.4 含氣性

等溫吸附模擬實驗可以得到頁巖儲層的最大含氣量，實際頁巖氣含氣量總是小于等溫吸附得到的頁巖氣含量。模擬實驗顯示，6塊樣品含氣量最小值為1.02 m3/t，最大值為7.40 m3/t，平均值為3.76 m3/t，粉砂質(zhì)頁巖含氣量最高，灰?guī)r含氣量最低(表4)。

表4 大隆組露頭樣品等溫吸附測試

3.5 頁巖氣潛力評價

與同區(qū)寒武系牛蹄塘組及上奧陶統(tǒng)—下志留統(tǒng)龍馬溪組相比(表5)，大隆組在研究區(qū)內(nèi)分布面積小，埋藏淺，厚度中等，有機碳含量高，成熟度低，脆性礦物含量高，孔滲性與其他2套地層相當，吸附含氣量高。通過比較發(fā)現(xiàn)，大隆組具備較好的頁巖氣生氣潛力。通過體積法可以計算頁巖氣吸附氣資源量，分布面積選取圖2中埋深大于500 m的面積來計算，為355 km2；有效厚度為實測地層剖面厚度平均值，為50.6 m；頁巖密度根據(jù)實驗室?guī)r石密度分析測得，為2.45 g/cm3；等溫吸附氣含量平均值為3.76 m3/t。計算得到鶴峰區(qū)塊大隆組頁巖氣資源量為1 654.8×108m3，低于同區(qū)牛蹄塘組，高于龍馬溪組。

表5 不同烴源巖層地質(zhì)條件對比

4 結(jié) 論

(1) 鶴峰區(qū)塊大隆組分布面積小，厚度穩(wěn)定，與下伏地層以黑色硅質(zhì)巖出現(xiàn)為分界標志，與上覆地層以頂部黑色頁巖的消失、黃綠色頁巖的出現(xiàn)為分界標志。巖性均以黑色炭質(zhì)、炭硅質(zhì)巖為主，由下至上經(jīng)歷了淺海外陸棚—內(nèi)陸棚—外陸棚沉積環(huán)境的演變。

(2) 大隆組TOC平均值為6.03%，炭質(zhì)頁巖TOC平均值最高，炭硅質(zhì)巖較低，灰?guī)r最低；Ro平均值為2.29%，達到高成熟—過成熟階段；有機質(zhì)類型為腐泥腐殖型和腐殖型。

(3) 大隆組主要礦物為石英和黏土礦物，脆性礦物含量高，大隆組屬于低—特低孔、特低滲儲層，微孔微裂隙較發(fā)育。殘余原生孔隙最大，有機質(zhì)孔隙最小，有機質(zhì)邊緣裂隙較窄，黏土礦物裂隙較寬。

(4) 與同區(qū)寒武系牛蹄塘組及上奧陶統(tǒng)—下志留統(tǒng)龍馬溪組相比，大隆組有機碳含量、脆性礦物含量及吸附氣含量較高，具備較好的生氣潛力，根據(jù)體積法估算頁巖氣吸附氣資源量為1 654.8×108m3，低于牛蹄塘組而高于龍馬溪組。

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