李 斌, 崔春蘭， 張躍恒， 胡博文, 羅 群

(1.神華地質(zhì)勘查有限責(zé)任公司，北京 100022； 2.中國石油大學(xué)(北京)地球科學(xué)學(xué)院，北京 102249)

0 引言

近年來，針對揚子地區(qū)牛蹄塘組和龍馬溪組開展了頁巖氣勘探研究工作，在四川盆地及周緣威遠—長寧、富順—永川、涪陵焦石壩地區(qū)的龍馬溪組頁巖取得重大發(fā)現(xiàn)，相繼建成頁巖氣先導(dǎo)試驗區(qū)和產(chǎn)能示范區(qū)，進行工業(yè)化開采[1-3]。而下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁巖分布面積廣、厚度大[4]，四川盆地周緣陸續(xù)在多口探井發(fā)現(xiàn)頁巖氣顯示或低產(chǎn)氣流，但無工業(yè)化開采的前景。近期，中國地質(zhì)調(diào)查局在湖北宜昌古隆起斜坡帶鄂宜頁1井調(diào)查中取得了重大發(fā)現(xiàn)，該井初步顯示具有6.02×104m3/d、無阻流量12.38×104m3/d的高產(chǎn)頁巖氣流。這一發(fā)現(xiàn)，重新引起了人們對四川盆地周緣牛蹄塘組的重視。神華地質(zhì)勘查有限責(zé)任公司從2013年開始在湖南保靖地區(qū)進行頁巖氣勘探，開展了專項區(qū)域地質(zhì)調(diào)查和頁巖氣探井工作，針對牛蹄塘組實施了一口探井(保頁2井)，獲得了階段性研究成果。本文應(yīng)用探井與野外地質(zhì)調(diào)查資料，分析研究區(qū)頁巖氣成藏地質(zhì)條件，以期為下一步頁巖氣勘探提供理論依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

湖南省保靖地區(qū)頁巖氣區(qū)塊大地構(gòu)造位置處于中揚子地區(qū)的東南部，主體位于湘鄂西隔槽式?jīng)_斷褶皺帶內(nèi)的桑植—石門復(fù)向斜內(nèi)[5]，東南以保靖—慈利斷裂帶與雪峰隆起相接，西北以齊岳山斷裂帶與渝東隔擋式褶皺帶相隔，北部延伸至大巴山斷裂前黃陵背斜與宜昌背斜處，南部抵達滇黔桂交界區(qū)(圖1)。湖南保靖頁巖氣區(qū)塊主體為由3個NNE向的向斜和背斜組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)，背斜區(qū)出露寒武系婁山關(guān)組—奧陶系寶塔組，剝蝕嚴重，地形平緩，向斜區(qū)出露志留系—三疊系，地形崎嶇，地層傾角較大。研究區(qū)東南部發(fā)育由多條NNE—NE向逆沖斷層組成的保靖—慈利斷裂帶，斷裂帶經(jīng)歷了多期次活動，造成東南部出現(xiàn)多個地塹，地塹內(nèi)地層平緩。

圖1 湖南保靖地區(qū)區(qū)域地質(zhì)圖

湘鄂西隔槽式?jīng)_斷褶皺帶位于揚子板塊與華夏板塊兩大地質(zhì)單元結(jié)合部的中揚子地區(qū)，經(jīng)歷了晉寧運動、加里東運動、海西運動、印支運動、燕山運動和喜馬拉雅運動等多期構(gòu)造運動，形成現(xiàn)今的復(fù)雜山區(qū)地形[6-8]。晉寧運動以后，研究區(qū)作為揚子板塊的組成部分，基底基本固結(jié)，并開始接受蓋層沉積[9]。南華紀時，Rodinia超大陸裂解，揚子板塊沿東南緣與華夏板塊裂離，并接受沉積[10]。震旦紀南沱冰期后，中揚子?xùn)|南部大陸拉張加劇，華南洋盆形成，冰川消融，海平面上升，發(fā)生海侵，湘鄂西地區(qū)發(fā)展為成熟的被動大陸邊緣淺海陸棚環(huán)境，沉積了廣泛分布的震旦系碳酸鹽巖和黑色頁巖[8，11]。寒武紀早期，華南洋盆持續(xù)擴張，海平面快速上升，湘鄂西地區(qū)海水底部流通不暢，形成了還原環(huán)境，沉積了下寒武統(tǒng)牛蹄塘組厚層黑色碳質(zhì)頁巖，為頁巖氣的生成提供了物質(zhì)基礎(chǔ)[6-7,12]。

2 地層分布特征與沉積相分布

2.1 地層分布特征

據(jù)保頁2井鉆井地質(zhì)研究，湘西北保靖地區(qū)牛蹄塘組沉積厚度為90 m，與下伏地層留茶坡組硅質(zhì)巖及上覆石牌組碎屑巖均為整合接觸(圖2)。

牛蹄塘組下部總體為黑色碳質(zhì)泥巖，致密塊狀構(gòu)造，裂縫不發(fā)育，沿層面發(fā)育脈狀、透鏡狀、條帶狀、粉末圈層狀、晶簇狀黃鐵礦，從下向上，黃鐵礦比例增加。

牛蹄塘組中部為深灰色鈣質(zhì)粉砂巖夾黑色碳質(zhì)泥巖。裂縫不發(fā)育，層面可見黃鐵礦及方解石脈狀條帶，黃鐵礦比例較下伏地層明顯減小。粉砂巖顆粒以碳屑、黃鐵礦及方解石晶體為主，鈣泥質(zhì)膠結(jié)。鈣質(zhì)膠結(jié)物、黃鐵礦粉末分布不均勻會在粉砂巖中形成多個紋層條帶，條帶呈灰白色，滴酸氣泡明顯。

牛蹄塘組中上部為黑色碳質(zhì)泥巖與深灰色含鈣粉砂巖互層。鈣質(zhì)含量不均勻分布會在粉砂巖中形成灰白色水平紋層。粉砂巖顆粒以碳屑、方解石晶體為主，鈣泥質(zhì)膠結(jié)，裂縫不發(fā)育，斷面處見黃鐵礦顆粒。黑色碳質(zhì)泥巖為致密塊狀構(gòu)造，裂縫不發(fā)育，順層面可見黃鐵礦脈體、黃鐵礦結(jié)合體，局部夾鈣質(zhì)粉砂巖。

牛蹄塘組頂部為深灰色鈣質(zhì)粉砂巖，致密塊狀構(gòu)造，發(fā)育灰白色條帶和水平紋層。粉砂巖顆粒以碳屑為主，膠結(jié)物為鈣質(zhì)或泥質(zhì)。裂縫不發(fā)育，局部見垂直層面的裂縫，被方解石脈充填。斷面處可見黃鐵礦顆粒，局部可見泥巖撕裂屑。

圖2 保頁2井牛蹄塘組地層綜合柱狀圖

Fig.2NiutitangFormationcomprehensivestratigraphiccolumnofBaoye2well

2.2 沉積相分布

從地層序列來看(圖2)，牛蹄塘組主要巖性為黑色、灰黑色、深灰色碳質(zhì)泥巖、鈣質(zhì)粉砂巖、泥巖等，黃鐵礦大量發(fā)育，為還原環(huán)境下沉積所致。從震旦系上統(tǒng)留茶坡組到寒武系下統(tǒng)石牌組均為淺海碎屑巖陸棚沉積相，沉積物均以黑色—深灰色碳質(zhì)泥巖、硅質(zhì)巖、粉砂質(zhì)泥巖、鈣質(zhì)粉砂巖等為主。從下向上分析，震旦系上統(tǒng)留茶坡組到寒武系下統(tǒng)牛蹄塘組中下部主要沉積了黑色碳質(zhì)泥巖和硅質(zhì)巖，為深水盆地亞相滯留盆地沉積微相； 而牛蹄塘組上部到石牌組，則主要沉積了深灰色粉砂質(zhì)泥巖、鈣質(zhì)粉砂巖，為陸棚緩坡亞相深緩坡—中緩坡沉積微相。

經(jīng)與湖南古丈剖面、常頁1井剖面對比研究，并參閱前人研究成果[13]，可以推斷保靖—慈利斷裂帶以西地區(qū)為淺海碎屑巖陸棚沉積相，而保靖—慈利斷裂帶以東地區(qū)為陸棚斜坡沉積相，沉積了黑色碳質(zhì)泥巖或黑色硅質(zhì)泥巖，而湖北省南部地區(qū)，由于鶴峰古陸的存在，主要分布碎屑巖臺地沉積相(圖3)。

圖3 湘西地區(qū)沉積相展布[14]

3 頁巖氣成藏地質(zhì)條件分析

3.1 有機地化特征

多數(shù)盆地研究表明，頁巖氣的含量與有機質(zhì)豐度具有良好的正相關(guān)關(guān)系。保頁2井地球化學(xué)測試表明，寒武系牛蹄塘組有機質(zhì)豐度為0.43%～1.82%(表1)，從下向上有機質(zhì)豐度逐漸降低。古丈野外實測剖面中寒武系牛蹄塘組有機質(zhì)豐度為1.98%～8.99%，常頁1井寒武系牛蹄塘組有機質(zhì)豐度為2.0%～17.6%[14]。平面上從西北向東南有機質(zhì)豐度增高。受沉積環(huán)境控制，斜坡區(qū)的有機質(zhì)含量明顯高于淺海碎屑巖陸棚區(qū)，總體上都有較好的生烴能力。

表1 保頁2井牛蹄塘組有機質(zhì)豐度

泥頁巖中干酪根成熟度不僅可以用來預(yù)測烴源巖的生烴潛能，還能影響頁巖中吸附在有機物質(zhì)表面的頁巖氣產(chǎn)量，是頁巖氣成藏的重要因素之一。從目前美國勘探開發(fā)情況看，對于熱成因的頁巖氣藏，頁巖的高成熟度(>2.0%)有利于頁巖氣的生成[14]。保頁2井中實測牛蹄塘組成熟度為3.17%～5.02%，平均為4.92%，處于過成熟階段，從上向下鏡質(zhì)體反射率(Ro)值逐漸增大(表2)。在古丈野外實測剖面中測得牛蹄塘組有機質(zhì)成熟度為3.48%～4.96%，平均為4.41%。常頁1井中測得牛蹄塘組成熟度為2.0%～4.5%，平均為3.92%?？傮w上，碎屑巖陸棚區(qū)和陸棚斜坡區(qū)牛蹄塘組頁巖熱演化程度均較高。根據(jù)鄰區(qū)熱演化史和生烴史研究[14]，牛蹄塘組頁巖在侏羅紀經(jīng)歷生氣高峰，之后進入晚期干氣階段，具備形成頁巖氣藏的成熟度條件。

表2 保頁2井牛蹄塘組有機質(zhì)成熟度

3.2 地層厚度與埋深

有機質(zhì)頁巖的厚度是頁巖氣成藏富集的基本條件。據(jù)國內(nèi)外研究報道[15-16]，有機質(zhì)頁巖厚度超過30 m才具有頁巖氣開發(fā)的商業(yè)價值。保頁2井寒武系牛蹄塘組厚度為90 m，古丈野外實測剖面為80 m，慈利南坪剖面牛蹄塘組厚度為426 m，常頁1井牛蹄塘組厚度為500 m。從西北向東南，從碎屑巖陸棚區(qū)到陸棚斜坡區(qū)，牛蹄塘組厚度增加。

寒武系牛蹄塘組在中上揚子地區(qū)全區(qū)分布，但由于后期的強烈構(gòu)造運動在湘鄂西形成了隔槽式褶皺帶，向斜區(qū)剝蝕較少，背斜區(qū)剝蝕較多。湖南保靖地區(qū)馬蹄寨向斜中心埋深2 800～7 253 m，背斜區(qū)埋深1 800～2 411 m。保頁2井布置在馬蹄寨向斜的東南翼，開孔層位為志留系龍馬溪組，完鉆井深3 275 m，牛蹄塘組埋深3 000 m。湖南保靖地區(qū)的埋深范圍適宜于頁巖氣的封存。

3.3 儲層巖礦特征

據(jù)保頁2井探井巖芯及野外地質(zhì)剖面測試可知，湖南保靖寒武系牛蹄塘組脆性礦物含量較高(38.4%～50.5%)，從上向下脆性礦物的含量有增加的趨勢。其脆性礦物的成分主要為石英(72.4%～83.5%)、鉀長石(13.4%～23.5%)、黃鐵礦(3.4%～7.5%)、斜長石(0.4%～0.8%)，方解石含量較少(0.04%～0.08%)。黏土礦物以伊利石(57%～66%)、綠泥石(16%～23%)和伊蒙混層(5%～10%)為主，說明湖南保靖寒武系牛蹄塘組已經(jīng)歷了晚成巖作用階段，其原生孔隙較少，次生孔隙增多。

3.4 儲層物性

物性測試分析可知：頁巖孔隙度中等(0.50%～4.24%)，從上向下有增加的趨勢； 滲透率極低(0.000 5×10-3～0.014 6×10-3μm2)，從上向下也有增加的趨勢，滿足頁巖氣開發(fā)的下限(1.0×10-7μm2)[17]。

3.5 儲集空間特征

湖南保靖地區(qū)寒武系牛蹄塘組中主要發(fā)育溶蝕孔、基質(zhì)晶間孔、有機質(zhì)孔、微裂縫4種儲集空間類型。

溶蝕孔指泥頁巖中碎屑顆粒內(nèi)部、礦物晶體表面及其邊緣由于溶蝕作用形成的次生孔隙。溶蝕孔隙可以進一步分為礦物邊緣溶蝕孔(圖4(a))和礦物晶面溶蝕孔(圖4(b))。掃描電鏡下觀察到礦物晶面溶蝕孔隙呈不規(guī)則似橢圓狀，長軸直徑0.2～0.8 μm； 礦物邊緣溶蝕孔多呈縫隙狀或三角形孔隙-縫隙狀，寬0.01～0.1 μm，長5～10 μm。

(a) 石英邊緣溶蝕孔 (b) 石英晶面溶蝕孔

(c) 黃鐵礦晶間孔 (d) 有機質(zhì)溶蝕孔

(e) 方解石解理縫 (f) 構(gòu)造微裂縫

圖4 保頁2井牛蹄塘組頁巖存儲空間類型

Fig.4ShalereservoirspacetypeofNiutitangFormationinBaoye2well

基質(zhì)晶間孔主要有黏土礦物層間孔或礦物晶體間孔隙(以黃鐵礦為主)2類，研究區(qū)多見礦物晶體間孔隙(圖4(c))。牛蹄塘組黑色泥頁巖中黃鐵礦極其發(fā)育，電鏡下多呈草莓狀集合體出現(xiàn)，晶粒間存在大量孔隙，直徑為0.1～0.3 μm，儲集能力較強，其連通性較好，是重要的頁巖氣儲集空間。

有機質(zhì)孔指有機質(zhì)內(nèi)部原生孔隙或有機質(zhì)生烴后內(nèi)部殘余的次生孔隙或溶蝕孔隙。湖南保靖地區(qū)牛蹄塘組有機質(zhì)在成巖礦物間主要呈浸染狀分布，局部呈條帶狀或呈云層狀，形成的原生孔隙一般較大，直徑0.1～0.5 μm。由于成巖作用較深，酸性物質(zhì)的溶蝕作用強烈，常在有機質(zhì)內(nèi)部形成篩狀孔隙(圖4(d))，直徑0.01～0.08 μm。有機質(zhì)孔隙發(fā)育較多，且儲集能力較強，也是重要的頁巖氣儲集空間。

微裂縫按其成因可分為成巖縫和構(gòu)造縫。成巖縫是在成巖過程中形成的巖屑顆粒、礦物晶體、黏土礦物、有機質(zhì)等內(nèi)部或邊緣形成的微裂縫。研究區(qū)發(fā)現(xiàn)方解石重結(jié)晶形成的解理縫，寬0.01 μm，長12 μm(圖4(e))[13]，該種裂縫連通性較好，儲集空間較大，但研究區(qū)發(fā)育較少。構(gòu)造縫是因構(gòu)造作用形成的裂縫，一般定向性排列，且規(guī)模較大，常以多組相關(guān)裂縫共生排列存在。構(gòu)造性裂縫是頁巖儲層中最重要的一類儲集空間，也是頁巖氣運移的滲流通道(圖4(f))，但研究區(qū)構(gòu)造型裂縫發(fā)育僅存在于某一段巖層中，且裂縫的密度較小。

3.6 含氣性特征

湖南保靖地區(qū)保頁2井牛蹄塘組中零星發(fā)現(xiàn)頁巖氣顯示，氣測值很低，但等溫吸附測試分析可知，在溫度30 ℃、壓力10 MPa下，實驗顯示吸附氣量為3.02～4.68 m3/t。頁巖的吸附量與壓力、總有機碳含量(Total Organic Carbon，TOC)呈線性關(guān)系，顯示頁巖具有較強的吸附能力(圖5，圖6)。常頁1井牛蹄塘組中實測含氣量為0.5～2.1 m3/t，達到頁巖氣開發(fā)的潛能。常頁1井牛蹄塘組巖芯中有機碳含量略高于保頁1井，但儲層中裂縫的發(fā)育密度遠大于保頁1井裂縫的發(fā)育密度，是頁巖氣能夠富集的根本原因。湖南保靖地區(qū)裂縫發(fā)育區(qū)為下一步的勘探方向。經(jīng)區(qū)域地質(zhì)綜合分析，位于保靖—慈利斷裂帶附近的保靖縣東部昂洞—澤碧一帶，夾于多條斷層之間，微小斷裂發(fā)育，協(xié)調(diào)性裂縫極其發(fā)育，埋深1 900～2 000 m，可能為頁巖氣富集區(qū)，應(yīng)加大勘探力度。

圖5 頁巖的吸附氣量與壓力的關(guān)系

圖6 頁巖的吸附氣量與TOC含量的關(guān)系

4 結(jié)論

(1)湖南保靖下寒武統(tǒng)牛蹄塘組形成于被動大陸邊緣淺海碎屑巖陸棚沉積環(huán)境，發(fā)育厚層黑色碳質(zhì)泥頁巖，為頁巖氣的生成提供了物質(zhì)條件。

(2)湖南省保靖地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組分布穩(wěn)定，有機質(zhì)豐度較高(1.48%～3.49%)，成熟度較高(3.90%～4.86%)，脆性礦物含量較高，具備頁巖氣生成的基本條件。

(3)湖南保靖地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁巖氣最重要的儲集空間為溶蝕孔隙、黃鐵礦晶間孔隙、有機質(zhì)孔隙和微裂縫4種類型。

(4)構(gòu)造型裂縫不僅是重要的儲集空間，也是孔隙連通的重要途徑。裂縫發(fā)育區(qū)具有頁巖氣勘探前景，是下一步的勘探方向，應(yīng)加大勘探力度。