張焱林，段 軻，劉早學，金春爽，陳 科，羅 凡

(1.湖北省地質調查院，武漢 430034；2.中國地質調查局 油氣資源調查中心，北京 100029)

隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展，我國能源需求越來越大，頁巖油氣勘探的不斷突破明顯地緩解了目前能源缺口不斷擴大的現(xiàn)狀。2011年，國土資源部首次完成了我國頁巖氣資源評價，其中湖北省頁巖氣地質資源量在全國排名第五[1]，表明湖北省頁巖氣資源勘探具有較大的潛力。

以美國Barnett頁巖、Marcellus頁巖和Woodford頁巖等為代表的頁巖氣藏勘探與開發(fā)的重大成功，表明對頁巖特征和頁巖氣富集的主控因素研究是頁巖氣成功勘探和開采的關鍵[2-4]。在中國，對頁巖氣的研究一直集中在上奧陶—下志留統(tǒng)的五峰組—龍馬溪組頁巖[5-13]，而對鄂西地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁巖的研究較少[14-15]。自2015年湖北省地質調查院實施的ZD1井在鄂西秭歸地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組首次發(fā)現(xiàn)頁巖氣以來，宜昌—秭歸地區(qū)頁巖氣勘查迅速發(fā)展，并且相繼取得重大發(fā)現(xiàn)。截至2016年底，已實施的5口頁巖氣調查井和2口頁巖氣參數(shù)井均在主要目標層牛蹄塘組取得了頁巖氣勘探的重要突破，可見宜昌—秭歸地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組具有較大的頁巖氣勘探前景。

目前已經(jīng)成為湖北省頁巖氣勘探最為熱點的地區(qū)。然而，由于前人對研究區(qū)內牛蹄塘組頁巖氣勘探的地質條件方面缺乏系統(tǒng)性的調查和研究，導致對牛蹄塘組頁巖特征和頁巖氣發(fā)育的控制因素尚不清楚。

本文綜合大量野外露頭、鉆井、氣測錄井、地震、巖石礦物學分析、有機地球化學以及現(xiàn)場解吸等數(shù)據(jù)，開展鄂西宜昌—秭歸地區(qū)牛蹄塘組頁巖特征及頁巖氣富集的控制因素研究，以期為該地區(qū)頁巖氣的勘探部署提供依據(jù)。

1 地質背景

宜昌—秭歸地區(qū)在大地構造上屬揚子(華南)板塊中北部湘鄂西褶皺帶黃陵背斜南緣，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。研究區(qū)發(fā)育北西向、北北西向、北東向等不同方向斷裂，主要區(qū)域性斷裂有北北西向的仙女山斷裂和北西向的天陽坪斷裂(圖1a)。

研究區(qū)地層出露齊全且連續(xù)，從元古界、古生界、中生界到新生界皆有不同程度分布。區(qū)內廣泛分布多套富有機質頁巖層系，主要包括下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁巖和震旦系陡山沱組頁巖，具有形成頁巖氣的物質基礎[14，16]。其中下寒武統(tǒng)牛蹄塘組與下伏震旦系燈影組和上覆石牌組均呈整合接觸，并通過巖性可將牛蹄塘組由下至上劃分為3個段，即牛一段、牛二段和牛三段(圖1b)。牛一段主要為深灰色含碳質灰?guī)r與黑色極薄層含碳質泥巖互層疊置，厚度約7.6～35 m；牛二段主要為一套黑色碳質頁巖(主要勘探目標層段)，水平層理發(fā)育，厚度約2～202 m；牛三段主要為一套灰色中層泥晶灰?guī)r，厚度約16.4～250 m。

圖1 鄂西宜昌地區(qū)地質背景和震旦系—寒武系地層柱狀圖

南方地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組主要沉積于淺水—深水陸棚環(huán)境[17-19]， 其中牛二段作為研究區(qū)內最有利的含氣富有機質頁巖層段，沉積于牛蹄塘組沉積的中期。根據(jù)鉆井巖心、露頭剖面和二維地震等資料，研究區(qū)牛二段富有機質頁巖沉積期，由西南往北東方向水體逐漸變淺，其中西南部宜都—土城—石牌以西為碎屑巖深水陸棚沉積，東北部YD3井和YC1井以東為碳酸鹽臺地沉積，兩者之間狹窄地帶為臺緣斜坡沉積。

2 牛蹄塘組頁巖特征

2.1 富有機質頁巖厚度

通過對研究區(qū)內的鉆井和野外露頭牛蹄塘組頁巖(牛二段富有機質頁巖)厚度的綜合分析，編制了牛蹄塘組頁巖的厚度等值線圖(圖2)。橫向上，牛蹄塘組富有機質頁巖厚度變化較大，從0～200 m不等，但研究區(qū)大部分地區(qū)富有機質頁巖總厚度大于30 m，且厚度由西南往北東明顯減薄(圖2)。在研究區(qū)西南部的YY1井和ZD1井，牛蹄塘組富有機質頁巖的厚度分別為142和125.2 m；至研究區(qū)中部的YIY1井、YD2井和ZD2井，牛蹄塘組富有機質頁巖的厚度有所減薄，分別為86，76和63.3 m；至研究區(qū)北東部YD3井和YC1井，牛蹄塘組富有機質頁巖的厚度減薄為3和2 m。

2.2 有機質豐度和有機質類型

根據(jù)80塊樣品的分析測試數(shù)據(jù)，宜昌—秭歸地區(qū)牛蹄塘組頁巖總有機碳含量(TOC)主要分布在1.01%～8.72%之間，平均約3.2%，且大部分樣品TOC含量大于2%，該項測試在中國石化無錫石油地質研究所完成。美國主要的含氣頁巖的有機碳含量主要分布于2.0%～7.0%，平均為4.2%，其有機碳含量與研究區(qū)牛蹄塘組頁巖類似[20]，表明研究區(qū)內牛蹄塘組頁巖的總有機碳含量較高，且具有形成經(jīng)濟開采頁巖氣的潛力?？v向上，牛蹄塘組頁巖TOC自下而上逐步減小，高有機碳含量段主要分布在牛蹄塘組頁巖的中下部(圖3)；平面上，研究區(qū)牛蹄塘組頁巖的TOC主要呈現(xiàn)出由西南往北東方向逐步減小的趨勢，西南部最高，TOC含量平均約為5%，往東北部逐漸減至近1%。

2.3 有機質成熟度

選取15塊樣品進行瀝青反射率(Rb)的測定，并且通過公式：Ro=0.319 5+0.679 0Rb，換算鏡質體反射率[20]，該項測試在中國石油渤海鉆探工程公司錄井實驗中心完成。結果顯示Ro主要分布在2.2%～2.7%，平均約2.5%，表明牛蹄塘組頁巖已經(jīng)進入過成熟演化階段，以生氣為主?？v向上，Ro值自下而上有略微減小的趨勢(圖3)；平面上，Ro整體呈現(xiàn)由西南往北東方向減小趨勢(圖4)。研究區(qū)牛蹄塘組Ro整體雖為過成熟，但是在南方地區(qū)寒武系整體演化程度較高的背景下，有機質演化程度相對適中。

2.4 礦物學特征

根據(jù)50塊樣品的分析測試數(shù)據(jù)，牛蹄塘組頁巖主要礦物成分包括黏土礦物、石英、方解石、白云石，含少量長石、黃鐵礦和石膏，該項測試在中國地質大學(武漢)地質過程與礦產資源國家重點實驗室完成。其中方解石含量主要分布于12%～55%之間，白云石則分布于8%～30%之間，方解石和白云石總量的平均值達41.9%；石英含量次之，主要分布于11%～48%之間，平均為27.5%；黏土礦物含量較石英含量略低，平均為25.4%；長石和黃鐵礦含量較少，平均各占4%；局部地區(qū)含少量的石膏，平均為0.1%(圖5)?？梢?，研究區(qū)牛蹄塘組頁巖的碳酸鹽礦物和石英等脆性礦物的含量較高，當頁巖中石英等硅質礦物和碳酸鹽礦物的含量較多時，在外力作用下容易形成誘導裂縫和天然裂縫，不僅有利于游離氣的富集，同時也有利于滲流作用[20-21]。

圖2 鄂西宜昌—秭歸地區(qū)牛蹄塘組富有機質頁巖厚度

圖3 鄂西宜昌地區(qū)ZD2井綜合柱狀圖

圖4 鄂西宜昌地區(qū)牛蹄塘組富有機質頁巖Ro等值線

圖5 鄂西宜昌地區(qū)牛蹄塘組富有機質頁巖礦物組成

2.5 儲層物性特征

2.5.1 孔滲特征

根據(jù)40塊樣品的孔隙度和滲透率分析測試數(shù)據(jù)，牛蹄塘組頁巖的孔隙度分布在1.95%～4.72%之間，平均約3.62%；滲透率分布在(0.000 17～0.002 53)×10-3μm2之間，平均約0.001 04×10-3μm2，為低孔極低滲儲層，該項測試在中國石油渤海鉆探工程公司錄井實驗中心完成。美國主要的頁巖氣儲層孔隙度一般在4%左右，滲透率(0.000 041～2)×10-3μm2，可見研究區(qū)牛蹄塘組頁巖的孔隙度和滲透率與美國主要頁巖氣儲層的孔隙度和滲透率類似，有利于頁巖氣的儲存和滲流。

2.5.2 孔隙結構

結合氬離子拋光掃描電鏡和掃描電鏡的觀察結果，研究區(qū)牛蹄塘組頁巖孔隙類型主要有有機質孔隙、黃鐵礦晶間孔、黏土礦物粒內孔、碳酸鹽礦物粒內溶孔和微裂縫等(圖6)。其中有機質孔隙較發(fā)育，形態(tài)主要為蜂窩狀、團狀、條帶狀等；有機質孔隙的孔徑范圍變化較大，從納米級到微米級均有分布。無機礦物粒間孔隙多分布在1～12 μm，主要分散于碎屑顆粒之間。草莓狀黃鐵礦晶間孔，不規(guī)則狀，孔徑在100～900 nm。無機礦物中的不穩(wěn)定礦物，如方解石和長石等，容易發(fā)生溶蝕，形成粒內溶蝕孔隙，通常呈橢球狀、不規(guī)則狀，孔徑在0.3～1 μm。頁巖中的裂縫系統(tǒng)對后期頁巖氣開發(fā)具有關鍵性的作用，它們不僅有利于游離氣的富集，同樣也是頁巖氣運移的主要通道，而且對后期人工誘導裂縫的形成有重要的作用[22-23]。

2.6 含氣性特征

研究區(qū)內7口鉆井中有5口有非常好的頁巖氣顯示，其中ZD2井在井深754.23～817.95 m層段鉆遇牛蹄塘組頁巖時獲顯著的頁巖氣顯示，全層段水浸實驗均劇烈起泡，點火實驗解吸氣均成功燃燒，火焰呈淡藍色，顯示甲烷含量較高，其中解吸氣最高達2.52 m3/t，總含氣量最高達4.45 m3/t，平均2.15 m3/t。整體上，牛蹄塘組頁巖的含氣量由下至上逐漸減小，這一趨勢與TOC的垂向變化趨勢基本一致。上述結果表明，牛蹄塘組頁巖的有機碳含量越高，其頁巖的含氣量越高，同時也說明牛蹄塘組頁巖可能以自生氣為主，同時有機質內部的有機質孔隙有大量的吸附點位，吸附了大量的天然氣，使絕大部分頁巖氣原地保存下來[24]。

3 頁巖氣富集的控制因素

控制頁巖氣富集的因素主要有沉積古地理環(huán)境、頁巖厚度、構造保存條件和礦物成分等[25-28]。根據(jù)近幾年的勘探成果，結合區(qū)域資料，初步總結了宜昌—秭歸地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁巖氣富集的控制因素，主要包括以下4個方面：

圖6 鄂西宜昌地區(qū)牛蹄塘組孔隙特征

3.1 頁巖總厚度和單層有效厚度

研究區(qū)頁巖總厚度和頁巖單層有效厚度與含氣量的關系表明，頁巖的含氣量與富有機質頁巖總厚度呈較明顯的正相關(圖7a)。在單個鉆井中，頁巖的單層有效厚度與頁巖的含氣量也具有明顯的正相關。上述結果表明，頁巖的總厚度和單層有效厚度越大，越有利于頁巖氣的富集(圖7b)。

3.2 頁巖沉積環(huán)境和TOC含量

垂向上，ZD2井牛蹄塘組二段有機碳含量由上至下先增大后減小，至二段中下部達最大值，與總含氣量的垂向分布規(guī)律一致(圖3)。平面上，研究區(qū)ZD1井、ZD2井、YY1井、YIY1井的牛蹄塘組頁巖沉積于深水陸棚環(huán)境，其有機碳含量分別為2.95%，2.84%，3.05%，2.8%，且含氣量均大于2.2 m3/t(圖8)。然而，YD3井和YC1井的牛蹄塘組頁巖沉積于臺緣斜坡環(huán)境，其有機碳含量均小于2.0%，基本不含氣。上述分析表明，深水陸棚環(huán)境下沉積的頁巖具有較高的有機質含量，也具有較高的含氣量。

3.3 微裂縫發(fā)育程度

頁巖氣主要包括吸附氣和游離氣，其中，前者主要賦存于有機質或基質表面，后者賦存于微裂縫等孔隙中。ZD1井、ZD2井等浸水實驗表明，頁巖凡裂縫(層間縫或頁理縫、斜交縫、垂直縫)發(fā)育者(即使有方解石等充填)，不僅儲集空間增大，而且入水冒泡劇烈，頁巖氣顯示活躍，反映頁巖氣聚集較多，推測相應頁巖氣更加富集。

圖7 鄂西宜昌地區(qū)牛蹄塘組頁巖總厚度、ZD2井牛蹄塘組頁巖單層有效厚度與總含氣量的關系

圖8 鄂西宜昌地區(qū)牛蹄塘組頁巖沉積期沉積相和含氣量關系

3.4 保存條件

野外地質調查和二維地震資料表明，研究區(qū)北部位于黃陵背斜南翼，總體為一緩傾單斜構造，地層產狀平緩，傾角一般不超過20°，斷裂不發(fā)育，屬構造穩(wěn)定區(qū)。牛蹄塘組頂?shù)装鍡l件也較好，頂板為厚度大的石牌組泥巖，底板為燈影組頂部天柱山段致密硅質白云巖，均具良好的封堵性?？傮w而言，該區(qū)保存條件良好，目前已完鉆的ZD1井、ZD2井、YD2井、YIY1井、YY1井等鉆井鉆遇牛蹄塘組時均見顯著頁巖氣顯示或頁巖氣流即為佐證。

5 結論

(1)宜昌—秭歸地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁巖總有機碳含量(TOC)較高，平均約3.2%，自下而上逐漸減少，生烴能力較強；有機質成熟度(Ro)分布于2.2%～2.7%，處于過成熟演化階段，以生氣為主；石英和碳酸鹽礦物是研究區(qū)牛蹄塘組頁巖主要的脆性礦物，且含量較高，有利于產生天然裂縫和誘導縫。

(2)牛蹄塘組頁巖的孔隙度平均約3.62%，滲透率平均約0.001 04×10-3μm2，為低孔極低滲儲層；孔隙類型主要有有機質孔隙、黃鐵礦晶間孔、黏土礦物粒內孔、碳酸鹽礦物粒內溶孔和微裂縫等，且有機質孔隙較發(fā)育。

(3)研究區(qū)牛蹄塘組頁巖的含氣量與TOC的垂向變化趨勢基本一致，說明牛蹄塘組頁巖的有機碳含量越高，其頁巖的含氣量越高，同時也說明牛蹄塘組頁巖以自生氣為主，并絕大部分原地保存。

(4)較大的頁巖單層有效厚度和總厚度、深水陸棚沉積環(huán)境、較高的有機碳含量、微裂縫發(fā)育和地層平緩且具有良好的頂?shù)装鍡l件是研究區(qū)牛蹄塘組頁巖氣富集的主要控制因素。