談紅梅, 吳先文

(1.湖北煤炭地質(zhì)局,湖北 武漢 430021; 2.湖北煤炭地質(zhì)勘查院，湖北 武漢 430021)

湖北宜頁1井探氣成功，拉開了湖北省頁巖氣勘查的新篇章，從而也引起了廣大地質(zhì)工作者對老地層中頁巖氣成藏研究的興趣。本文依托《湖北省秭歸盆地及周緣頁巖氣資源調(diào)查評價》項(xiàng)目，根據(jù)露頭剖面、鉆井巖心采集的樣品及化驗(yàn)分析數(shù)據(jù)，對研究區(qū)內(nèi)寒武系牛蹄塘組頁巖生氣、儲氣能力、構(gòu)造及保存條件進(jìn)行研究，從而探討頁巖氣地層、構(gòu)造與保存條件之間的關(guān)系，為該區(qū)頁巖氣資源勘查提供依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

1.1 地層特征

研究區(qū)內(nèi)出露的地層較為齊全，由老至新、從太古界至第四系均有出露，富有機(jī)質(zhì)黑色頁巖層系主要有四套,分別是下震旦統(tǒng)陡山沱組(Z1d)、下寒武統(tǒng)牛蹄塘組(∈1n)、奧陶統(tǒng)—下志留統(tǒng)龍馬溪組(O3S1l)、二疊系上統(tǒng)大隆組(P3d)，這四套地層在研究區(qū)均有出露，只是埋深及厚度各不相同，而牛蹄塘組是四個層段中最厚的，其是本文研究的重點(diǎn)。

1.2 構(gòu)造特征

秭歸盆地位于大巴山構(gòu)造帶的東段，是侏羅紀(jì)發(fā)育較為完整的陸相沉積盆地，北接神農(nóng)架隆起，東部緊鄰黃陵背斜[1]。區(qū)內(nèi)從左至右呈“川”字形依次發(fā)育有高橋斷裂(①)、?？谥芗疑綌嗔?②)及水田壩斷裂(③)，主體構(gòu)造線分別為北東向、北北東向、近南北向(圖1)。

圖1 秭歸盆地構(gòu)造綱要圖Fig.1 Sketch map of Zigui basin1.侏羅系;2.三疊系;3.二疊—泥盆系;4.志留—奧陶系;5.寒武系;6.震旦系;7.背斜;8.向斜;9.構(gòu)造帶;10.斷層;11.省界;12.河流。

高橋斷裂呈北東向展布，早期南東盤下降，北西盤上升，中期表現(xiàn)為強(qiáng)烈的擠壓逆沖，并伴隨左行平移錯動，晚期表現(xiàn)為以張性正斷層為主的特點(diǎn)；斷裂切割基底，對區(qū)內(nèi)地層破壞作用較大。?？谥芗疑綌嗔殉时北睎|向展布，以逆沖運(yùn)動為主，兼有左行平移的特點(diǎn)。水田壩斷裂近南北向展布，為壓剪性斷裂，由于強(qiáng)烈擠壓導(dǎo)致斷層帶巖石破碎，切割較深[2]。

2 牛蹄塘組頁巖特征

2.1 牛蹄塘組頁巖巖性組合特征

2.1.1 巖性組合特征

牛蹄塘組頁巖主要出露于秭歸盆地周緣的東部、北部，巖性組合分為三段。下段(圖2-c、d)主要為深灰色中層狀含碳質(zhì)粉晶灰?guī)r、薄層狀含碳質(zhì)泥灰?guī)r，黑色極薄層含碳質(zhì)粉砂質(zhì)泥巖互層,厚度20～207 m；中段(圖2-b、c)黑色薄—極薄層碳質(zhì)頁巖、粉砂質(zhì)頁巖、泥質(zhì)粉砂巖，下部常夾含硅質(zhì)白云巖、白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r透鏡體，厚度約65～215 m；上段(圖2-a)主要為深灰色薄—中層泥晶灰?guī)r，厚度約70～208 m。

圖2 牛蹄塘組巖性組合Fig.2 Lithology combination of Niutitang Formation

2.1.2 富有機(jī)質(zhì)泥頁巖厚度分布特征

根據(jù)地震資料及本次鉆孔結(jié)果，牛蹄塘組頁巖厚度大，具西厚東薄的特點(diǎn)(圖3)，最厚達(dá)580 m，其中東部黃家河一帶77 m。牛蹄塘組上段為碳酸鹽巖建造，中段為碎屑巖建造，底部為含碳鈣質(zhì)頁巖夾硅質(zhì)巖及含硅質(zhì)泥灰?guī)r。牛蹄塘組富有機(jī)質(zhì)泥頁巖主要分布在下、中段。

2.1.3 埋深分布特征

依據(jù)研究區(qū)地震及本次鉆探等資料綜合分析，結(jié)合地質(zhì)構(gòu)造剖面,推測牛蹄塘組埋深分布特征整體呈現(xiàn)中間深，北、東部淺(圖4)。秭歸盆地最大埋深達(dá)10 000 m以上，盆地周緣埋深普遍在5 000 m以上,東部與黃陵背斜交界一帶埋深分布在2 000～5 000 m之間,北部與神農(nóng)架交界帶埋深在1 000～5 000 m。根據(jù)已有勘探,表明牛蹄塘組在盆地北緣及東部相對較淺，是埋深適中區(qū),宜勘探。

圖3 工作區(qū)牛蹄塘組富有機(jī)質(zhì)泥頁巖厚度等值線圖Fig.3 Contour map of organic matter in rich shale thickness of Niutitang Formation1.剖面及編號;2.井位及編號;3.等值線及數(shù)值;4.地名。

圖4 工作區(qū)牛蹄塘組埋深等值線圖Fig.4 Buried depth contour map of Niutitang Formation in work area1.鉆孔及編號;2.工作區(qū)范圍;3.等值線及數(shù)值;4.地名。

2.2 牛蹄塘組有機(jī)地球化學(xué)特征

本次共采集地表露頭樣46件、鉆孔巖心樣品35件，分析結(jié)果顯示，牛蹄塘組有機(jī)碳(TOC)豐度最大值達(dá)4.72%，最小值0.26%，分布范圍主要集中在0.94%～3.58%之間，平均值2.02%，總體達(dá)到高頁巖氣層標(biāo)準(zhǔn)。牛蹄塘組富有機(jī)質(zhì)泥頁巖干酪根鏡檢分析12項(xiàng)，有機(jī)質(zhì)類型為Ⅰ型。鏡質(zhì)體反射率(Ro)最大值達(dá)3.58%，最小值2.12%，分布范圍主要集中在2.82%～3.20%之間，平均值3.05%，總體為過成熟階段。

2.3 牛蹄塘組頁巖儲層特征

2.3.1 礦物成分

牛蹄塘組礦物成分取鉆孔樣16件，分析結(jié)果顯示見表1和圖5。主要礦物為石英、粘土礦物和長石，含少量碳酸鹽礦物和黃鐵礦。其中石英含量最小值18%，最大值55%，平均值42.4%；粘土礦物含量最小值4%，最大值25%，平均值14.7%；長石含量最小值為13%，最大值45%，平均值30.5%；碳酸鹽礦物含量最小值為1%，最大值57%，平均值11.6%?？傮w表現(xiàn)為脆性礦物偏多，粘土礦物略偏少，利于頁巖氣的吸附聚集和壓裂改造。

圖6 牛蹄塘組殘余原生孔隙發(fā)育特征Fig.6 Characteristics of the development of residual primary pores of Niutitang formation

表1 工作區(qū)富有機(jī)質(zhì)泥頁巖礦物成分統(tǒng)計表Table 1 Statistical table of mineral composition of organic matter in rich shale

圖5 牛蹄塘組礦物組成含量圖Fig.5 Content diagram of mineral composition of Niutitang Formation

2.3.2 巖石物性

(1) 孔隙度及滲透率。牛蹄塘組巖石物性分析10件,其結(jié)果表明(表2)，巖石物性特征總體表現(xiàn)為低孔、特低滲透特點(diǎn)。其中孔隙度范圍1.76%～3.56%，平均值2.625%；滲透率范圍0.000 152～0.021 532 mD，平均值0.003 902 mD；巖石密度范圍2.59～2.85 g/cm3，平均值2.676 g/cm3。

表2 牛蹄塘組巖石物性統(tǒng)計表Table 2 Statistics of rock property of Niutitang Formation

(2) 孔隙結(jié)構(gòu)。①殘余原生孔隙。牛蹄塘組僅在鉆孔深部,樣品中可見零星殘余原生孔隙，整體發(fā)育很少?？紫洞笮∫话爿^小，普遍在1～10μm之間(圖6),其主要分散于粘土礦物中的粉砂質(zhì)顆粒間。②有機(jī)質(zhì)孔隙。據(jù)Jarvie等人[1]研究，有機(jī)質(zhì)含量為7%的頁巖在生烴演化過程中，消耗35%的有機(jī)碳可使頁巖孔隙度增加49%。有機(jī)微孔的直徑一般為0.01～1μm，形態(tài)一般為蜂窩狀、條帶狀、塊狀。牛蹄塘組有機(jī)質(zhì)孔隙不發(fā)育，僅見少量條帶狀有機(jī)質(zhì)孔隙，有機(jī)質(zhì)孔隙呈不規(guī)則狀，孔徑較大,一般為1～10μm(圖7)。③次生溶蝕孔隙。據(jù)研究，次生溶蝕孔隙在碳酸鹽礦物含量相對較高時發(fā)育。牛蹄塘組碳酸鹽礦物含量偏少，所以次生溶蝕孔隙發(fā)育較少，僅見少量粒內(nèi)溶孔，為不規(guī)則狀，大小為納米—微米(nm-μm)級,其中有石英粒內(nèi)溶孔、方解石粒內(nèi)溶孔(圖8)。④無機(jī)微裂(孔)隙。頁巖中的粘土礦物碎屑是源區(qū)巖石粘土礦物特征的反映。在頁巖的成巖過程中，存在高嶺石、蒙脫石減少,而綠泥石與伊利石增加的趨勢，蒙脫石向伊利石轉(zhuǎn)化也是頁巖中最重要的成巖變化。隨著深度的增加，當(dāng)孔隙水偏堿性、富鉀離子時，蒙脫石向伊利石轉(zhuǎn)化，伴隨體積減小而產(chǎn)生微孔隙。牛蹄塘組巖石中無機(jī)微裂(孔)隙很發(fā)育，具有隨著深度增加，微孔隙增多、寬度變大的趨勢(圖9)。

2.4 牛蹄塘組頁巖含氣性特征

2.4.1 巖心浸水試驗(yàn)及現(xiàn)場解析

取鉆孔巖心(牛蹄塘組頁巖)6塊，共做浸水試驗(yàn)6次，均無氣泡顯示；同時進(jìn)行6次巖心現(xiàn)場解析測試，也無氣顯示。

2.4.2 等溫吸附

根據(jù)牛蹄塘組等溫吸附室內(nèi)試驗(yàn)分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)吸附氣含量中等,吸附氣最小值0.94 m3/t，最大值2.87 m3/t，平均值1.92 m3/t。

圖7 牛蹄塘組有機(jī)質(zhì)孔隙Fig.7 Organic matter pore of Niutitang formation

圖8 牛蹄塘組粒內(nèi)溶孔特征Fig.8 Characteristics of intragranular dissolution of Niutitang formation

圖9 牛蹄塘組無機(jī)微裂(孔)隙特征Fig.9 Characteristics of inorganic fissure (hole) gap of Niutitang formation

3 牛蹄塘組頁巖氣保存條件分析

3.1 構(gòu)造運(yùn)動及構(gòu)造演化

秭歸盆地形成前后經(jīng)歷過多期次構(gòu)造運(yùn)動，具多旋回性。宜昌運(yùn)動始于中寒武世，終止于早志留世，表現(xiàn)為沉降并接受五峰組、龍馬溪組沉積。廣西運(yùn)動促使揚(yáng)子陸殼抬升，從而缺失了晚志留世晚期和早泥盆世早期的沉積。海西—印支旋回以地殼頻繁振蕩為特點(diǎn)，共發(fā)生了柳江、淮南、云南、東吳、印支五次地殼運(yùn)動，也結(jié)束了本區(qū)海侵的歷史，轉(zhuǎn)入陸內(nèi)沉積階段。喜馬拉雅旋回發(fā)生在新老第三紀(jì)之間，其對本區(qū)影響較小。

3.2 牛蹄塘組頂?shù)装?/h3>

牛蹄塘組地層普遍埋深在5 000 m以下，具有埋深大、上覆地層厚的特點(diǎn)。其直接頂板是石牌組,厚達(dá)200～290 m，主要巖性為泥質(zhì)粉砂巖、泥頁巖，為一套區(qū)域性蓋層，總體封蓋性好,且與牛蹄塘組為整合接觸,有利于頁巖氣的保存。

牛蹄塘組直接底板為燈影組，為厚層的白云巖，致密堅(jiān)硬，但溶孔、溶洞及裂隙等較發(fā)育，總體封蓋性較差，為區(qū)域性較好的常規(guī)油氣儲層。

3.3 斷層發(fā)育特征

研究區(qū)地理位置特殊，北與神農(nóng)隆起相接，東與黃陵背斜相鄰，造就了區(qū)內(nèi)地層多扭曲疊加。尤其是高橋斷裂和周口影像斷裂深切基底，不僅規(guī)模宏大，而且具有多期次活動的特點(diǎn)，次級斷裂發(fā)育，對儲層及上覆地層均具有較大的破壞作用，從而增大了裂隙與裂縫，會導(dǎo)致頁巖氣不同程度的散失，不利于頁巖氣的保存。水田壩斷裂為張性正斷裂，對上覆蓋層有一定的破壞作用，也不利于頁巖氣的保存，但影響相對前二者來說要小些。整體來看，高橋斷裂以西，受構(gòu)造運(yùn)動影響較小，加之牛蹄塘組埋深相對較淺，是相對穩(wěn)定有利的區(qū)塊。

4 結(jié)論

(1) 牛蹄塘組主要分布于秭歸盆地及周緣的北部和東部，有東薄西厚特點(diǎn)，整體厚度大，有機(jī)質(zhì)豐度較高，為頁巖氣的形成提供良好的物質(zhì)基礎(chǔ)。

(2) 牛蹄塘組有機(jī)碳(TOC)豐度平均值2.02%，有機(jī)質(zhì)類型為Ⅰ型,鏡質(zhì)體反射率(Ro值)主要分布在2.0%～3.0%之間，為好的烴源巖，處于過成熟階段。

(3) 牛蹄塘組主要礦物為石英、粘土礦物和長石，含少量碳酸鹽礦物和黃鐵礦。其中石英含量平均值42.4%、粘土礦物含量平均值14.7%、長石含量平均值30.5%、碳酸鹽礦物含量平均值11.6%?？傮w表現(xiàn)為脆性礦物偏多，粘土礦物略一般，利于后期壓裂改造。

(4) 牛蹄塘組孔隙度范圍1.76%～3.56%，平均值2.625%；滲透率范圍0.000 152～0.021 532 mD，平均值0.003 902 mD；巖石密度范圍2.59～2.85 g/cm3，平均值2.676 g/cm3。巖石物性特征總體表現(xiàn)為低孔、特低滲透特點(diǎn)。

(5) 牛蹄塘組殘余原生孔隙很少，有機(jī)質(zhì)孔隙不發(fā)育，粒內(nèi)溶孔少量可見，但無機(jī)微裂(孔)隙很發(fā)育，具有隨著深度的增加微孔隙增多、寬度變大的趨勢。

(6) 研究區(qū)構(gòu)造活動對頁巖氣保存條件影響較大，二條大斷層切割基底和上覆蓋層，不利于保存。但高橋斷裂以西區(qū)塊相對穩(wěn)定，是頁巖氣保存條件較好區(qū)塊。

參考文獻(xiàn)：

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