周 志， 翟剛毅， 石砥石 ，王勝建， 郭天旭，劉一珉， 王 浩

(1.中國地質(zhì)調(diào)查局 油氣資源調(diào)查中心，北京 100083；2.中國地質(zhì)大學(北京)，北京 100083)

中國南方地區(qū)頁巖氣勘探開發(fā)已經(jīng)展開，但僅在局部地區(qū)、個別層系取得突破[1]。近年來的勘探實踐證實，上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)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(fā)層系[1-2]，已在四川盆地的重慶涪陵、四川長寧—威遠等地區(qū)獲得了頁巖氣重大突破，進入商業(yè)開發(fā)階段[3-4]?；A(chǔ)地質(zhì)調(diào)查表明，四川盆地周緣地區(qū)五峰—龍馬溪組黑色頁巖，尤其是鄂西—渝東北地區(qū)，黑色頁巖厚度大，有機質(zhì)豐度高，生烴潛力大[5-8]。1980年代以來，該區(qū)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(qū)域地質(zhì)構(gòu)造復雜，油氣地質(zhì)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(qū)富有機質(zhì)頁巖的空間分布、泥頁巖儲層物性、含氣性等參數(shù)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(qū)內(nèi)已有鉆井資料，研究了鄂西—渝東北地區(qū)五峰—龍馬溪組黑色頁巖的沉積相、分布、有機質(zhì)類型與豐度、熱成熟度、儲集性能等頁巖氣形成地質(zhì)條件，并結(jié)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(qū)頁巖氣勘探提供參考。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

鄂西—渝東北地區(qū)行政區(qū)劃上屬于湖北省西部，重慶市東北部；構(gòu)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(gòu)造單元；區(qū)域上經(jīng)歷了晉寧、澄江、加里東、印支、燕山、喜馬拉雅等多期構(gòu)造運動，經(jīng)過燕山運動以后，區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造基本定型，全區(qū)隆起成陸。雖受多期構(gòu)造運動影響，但鄂西—渝東北地區(qū)構(gòu)造活動相對較弱，大部分地區(qū)地層較為平緩，發(fā)育一系列北東向、近東西向褶皺和斷裂構(gòu)造(圖1)。

根據(jù)地表地質(zhì)特征和鉆井資料，研究區(qū)主要發(fā)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(tǒng)；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(qū)域上主要發(fā)育3套穩(wěn)定海相頁巖，分別為下震旦統(tǒng)陡山沱組、下寒武統(tǒng)牛蹄塘組和上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組，主要由富含黃鐵礦、有機質(zhì)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(fā)[5-7]。

圖1 鄂西—渝東北地區(qū)區(qū)域地質(zhì)及構(gòu)造單元

2 樣品采集與測試

2015年，中國地質(zhì)調(diào)查局在湖北建始地區(qū)部署實施了1口地質(zhì)調(diào)查井——JD1井，鉆遇五峰—龍馬溪組黑色頁巖45.2 m，現(xiàn)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(zhì)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(zhì)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(zhì)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(zhì)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(chǎn)資源監(jiān)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(zhì)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(gòu)造擠壓以及岡瓦納大陸冰川消融引發(fā)的全球海平面上升影響，中揚子地區(qū)形成了東南高、西北低的古地理格局，在鄂西—渝東北地區(qū)大范圍地發(fā)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(qū)發(fā)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?shù)ぴ缙谠摰貐^(qū)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(nèi)，自赫南特期—魯?shù)ぴ缙谏踔粮頃r間，存在地層沉積缺失現(xiàn)象，至少缺失了魯?shù)ぴ缙诘?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(jù)研究區(qū)內(nèi)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(zhì)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(qū)五峰—龍馬溪組黑色頁巖分布較穩(wěn)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(xiàn)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(qū)黑色頁巖最大厚度不超過30 m，建始南部地區(qū)HY1井頁巖厚度僅25.6 m[8]，巖性主要為灰黑色粉砂質(zhì)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(qū)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(qū)的LY1井黑色頁巖厚度50 m，渝東北地區(qū)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(qū)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(qū)五峰—龍馬溪組連井對比剖面

受印支期以來的構(gòu)造影響，研究區(qū)發(fā)生較為強烈的抬升，使得大部分地區(qū)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(qū)，五峰—龍馬溪組埋深在1 300～2 000 m的范圍內(nèi)(JD1井五峰—龍馬溪組底界埋深1 779 m)。而三疊系覆蓋區(qū)，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(qū)，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(shù)據(jù)(表1)表明：五峰—龍馬溪組黑色頁巖總有機質(zhì)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(shù)占總數(shù)的80%，w(TOC)≥2.0%的樣品數(shù)占總數(shù)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(zhì)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(jù)研究區(qū)內(nèi)8條露頭剖面、12口井資料統(tǒng)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(jié)—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(qū)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(zhì)向烴類轉(zhuǎn)化的一項關(guān)鍵指標。但泥盆紀以前的地層不存在鏡質(zhì)組顯微組分，因此無法應用鏡質(zhì)組反射率來標定有機質(zhì)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(zhì)組反射率(eqVRo)[18]。JD1井五峰—龍馬溪組7塊樣品分析結(jié)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(qū)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(xiàn)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(qū)域差異可能與頁巖經(jīng)歷深埋藏過程有關(guān)，川東北地區(qū)五峰—龍馬溪組最大埋深約9 000 m，造成有機質(zhì)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(qū)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(jié)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(fā)現(xiàn)，其具有大量的殘余原生孔隙、粒內(nèi)粒間溶孔、有機質(zhì)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(zhì)生烴孔發(fā)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(zhì)礦物為主，其次為黏土礦物，碳酸鹽礦物很少，脆性指數(shù)高，有利于后期壓裂改造。

3.5 含氣性

鄂西—渝東北地區(qū)多數(shù)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(qū)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(qū)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(xù)冒泡，點火焰高60 cm，數(shù)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(qū)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(fā)現(xiàn)五峰—龍馬溪組頁巖含氣性主要受有機碳含量和構(gòu)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(guān)性(圖6)，含氣性好的層段主要集中分布在上奧陶統(tǒng)凱迪階、赫南特階和下志留統(tǒng)魯?shù)るA3個富有機質(zhì)頁巖發(fā)育層段(圖3)。

圖5 鄂西—渝東北地區(qū)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(qū)JD1井五峰—龍馬溪組頁巖含氣性與TOC關(guān)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(jié)果，表現(xiàn)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(tài)參數(shù)指標來評價、優(yōu)選頁巖氣有利區(qū)[21]。但近些年的勘探實踐證明，僅僅依靠上述參數(shù)指標，有利區(qū)往往難以落實，鉆探失利較多。鄂西—渝東北地區(qū)鉆井資料揭示，該地區(qū)五峰—龍馬溪組富有機質(zhì)頁巖多項靜態(tài)參數(shù)(實測TOC、富有機質(zhì)頁巖連續(xù)厚度、熱成熟度等)均與目前商業(yè)開發(fā)區(qū)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(fā)工作的不斷深入，國內(nèi)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(jié)底均強調(diào)2個方面：一是生烴的物質(zhì)基礎(chǔ)，從目前我國南方勘探開發(fā)來看，其主要與巖相古地理有關(guān)，深水陸棚相沉積的頁巖是頁巖氣富集成藏的生烴物質(zhì)基礎(chǔ)；二是構(gòu)造保存，穩(wěn)定的構(gòu)造保存和良好的區(qū)域蓋層是頁巖氣富集高產(chǎn)的關(guān)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(qū)富有機質(zhì)黑色頁巖分布時，發(fā)現(xiàn)下志留統(tǒng)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(zhì)黑色頁巖的發(fā)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?shù)るA、埃隆階和特列奇階5個生物階。南方頁巖氣勘探開發(fā)實踐揭示，凱迪階、赫南特階和魯?shù)るA3個生物階黑色頁巖的發(fā)育對頁巖氣的富集高產(chǎn)具有重要的控制作用[23]。特別是赫南特階和魯?shù)るA，這2個生物階黑色頁巖的發(fā)育，預示該地區(qū)在奧陶—志留紀之交長期處于深水陸棚沉積環(huán)境之中，這為五峰—龍馬溪組頁巖氣富集高產(chǎn)奠定了良好的生烴物質(zhì)基礎(chǔ)。

目前鄂西—渝東北地區(qū)獲得較好顯示的鉆井，均都鉆遇凱迪階、赫南特階和魯?shù)るA3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?shù)るA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?shù)るA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?shù)るA3個層段深水陸棚相沉積的頁巖是鄂西—渝東北地區(qū)五峰—龍馬溪組頁巖氣富集高產(chǎn)的物質(zhì)基礎(chǔ)。

4.2 構(gòu)造保存

保存條件是頁巖氣富集高產(chǎn)的關(guān)鍵要素。鄂西—渝東北地區(qū)經(jīng)歷了多旋回構(gòu)造運動，特別是印支期以來的構(gòu)造運動，一方面造成研究區(qū)褶皺和斷裂、裂縫構(gòu)造發(fā)育，另一方面大部分地區(qū)遭受抬升剝蝕[26-28]。其中斷裂是構(gòu)造運動積累的應力釋放而破裂的結(jié)果，常與裂縫相伴而生。裂縫的發(fā)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(qū)LY1井和WD2井。LY1井鉆遇五峰—龍馬溪組w(TOC)≥2%的優(yōu)質(zhì)頁巖厚30余m(與焦頁1井相當)，但所處構(gòu)造內(nèi)部斷裂發(fā)育，巖心顯示高角度的裂縫極其發(fā)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?？梢姅嗔褜搸r氣藏具有明顯的改造破壞作用。重慶涪陵地區(qū)五峰—龍馬溪組頁巖氣勘查開發(fā)實踐證實，氣田主體構(gòu)造穩(wěn)定區(qū)與斷裂、裂縫發(fā)育帶保存條件差異明顯，靠近斷裂發(fā)育帶壓力系數(shù)明顯降低，產(chǎn)量降低明顯。

區(qū)域蓋層的發(fā)育對頁巖氣的富集保存至關(guān)重要。金之鈞等[29]研究認為有三疊系膏鹽巖分布的地區(qū)，五峰—龍馬溪組地層壓力系數(shù)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(qū)蓋層、壓力系數(shù)和壓裂后初始產(chǎn)量發(fā)現(xiàn)：在中下三疊統(tǒng)蓋層發(fā)育的區(qū)帶鉆井，五峰—龍馬溪組基本上都獲得了超過萬方的工業(yè)氣流，而在中下三疊統(tǒng)蓋層缺失的區(qū)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(qū)目前鉆遇五峰—龍馬溪組優(yōu)質(zhì)黑色頁巖的井有12口。其中參數(shù)井WY1井、LY1井三疊系開孔，但由于五峰—龍馬溪組裂縫發(fā)育，未見到明顯的頁巖氣顯示。而地質(zhì)調(diào)查井多在二疊系開孔，雖然多數(shù)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(yè)氣流，原因可能與中下三疊統(tǒng)區(qū)域蓋層缺失有關(guān)。究其原因：一是中下三疊統(tǒng)膏鹽巖具有低孔隙度、低滲透性、流動性強的特點，在后期構(gòu)造變形過程中表現(xiàn)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(fā)育的地區(qū)，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(xiàn)今仍處于超高壓狀態(tài)。

綜合以上分析，認為凱迪階、赫南特階和魯?shù)るA3個層段深水陸棚相頁巖，中下三疊統(tǒng)蓋層發(fā)育，斷裂欠發(fā)育的穩(wěn)定構(gòu)造是鄂西—渝東北地區(qū)頁巖氣富集高產(chǎn)的關(guān)鍵因素。因此，該區(qū)在湘鄂水下高地范圍之外，尋找斷裂欠發(fā)育的構(gòu)造穩(wěn)定區(qū)，有望獲得頁巖氣勘探突破。

5 結(jié)論

(1)鄂西—渝東北地區(qū)五峰—龍馬溪組黑色頁巖發(fā)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(zhì)熱成熟度適中(Ro=2.5%～3.9%)，有機質(zhì)類型以I—II型為主，鉆井氣測顯示活躍，現(xiàn)場解析氣含量較高，具有良好的頁巖氣成藏地質(zhì)條件。

(2)凱迪階、赫南特階和魯?shù)るA3個層段深水陸棚相沉積的富有機質(zhì)頁巖、斷裂欠發(fā)育的穩(wěn)定構(gòu)造、中下三疊統(tǒng)區(qū)域蓋層發(fā)育，是鄂西—渝東北地區(qū)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(zhì)調(diào)查局任收麥研究員的指導；實驗測試工作得到國家地質(zhì)實驗測試中心孫瑋琳高級工程師、中國地質(zhì)調(diào)查局油氣資源調(diào)查中心楊玉茹高級工程師的大力支持，在此一并表示感謝。