解祎恬, 印森林,2, 馮凱玥, 汪佩霖,范佳琳, 袁文杰, 席曉東

(1. 長江大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院,武漢 430100；2. 長江大學(xué) 錄井技術(shù)與工程研究院,湖北 荊州 434023；3. 長江大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,湖北 荊州 434023)

0 引言

海相頁巖是重要的頁巖油氣生成與儲(chǔ)集的重要載體,是當(dāng)前國內(nèi)外頁巖氣勘探開發(fā)的熱點(diǎn)領(lǐng)域。學(xué)者們研究發(fā)現(xiàn),國內(nèi)海相優(yōu)質(zhì)頁巖儲(chǔ)集層主要分布于深水陸棚亞相帶,地勢(shì)平緩、分布范圍廣,古氣候、古環(huán)境和古地理等因素在較大區(qū)域內(nèi)具有一致性,儲(chǔ)集層厚度分布十分穩(wěn)定且變化極小[1]。按礦物組分劃分方式,海相頁巖主要巖相包括硅質(zhì)頁巖相、黏土質(zhì)頁巖相、碳酸鹽質(zhì)頁巖相、硅質(zhì)-碳酸鹽質(zhì)頁巖相、碳酸鹽質(zhì)-硅質(zhì)頁巖相和硅質(zhì)巖/粉砂巖相及灰?guī)r相等類型；頁巖儲(chǔ)集空間主要包括基質(zhì)孔隙類和裂縫類,基質(zhì)孔隙包含黏土礦物間微孔、脆性礦物晶間孔、次生溶蝕孔以及有機(jī)質(zhì)孔,孔隙大小主要以納米級(jí)別為主。裂縫在構(gòu)造運(yùn)動(dòng)頻繁或者強(qiáng)烈的區(qū)域(如盆山耦合帶)發(fā)育程度很高[2-8]。然而,從頁巖油氣的高效開發(fā)來說,頁巖不同巖相的空間組合樣式及分布規(guī)模等的研究不足。

鄂西地區(qū)青林口震旦系陡山沱組頁巖氣儲(chǔ)量豐富,目前中國地質(zhì)調(diào)查局武漢地質(zhì)調(diào)查中心承擔(dān)的鄂宜頁3井發(fā)現(xiàn)工業(yè)氣流,體現(xiàn)了古老海相頁巖的重大勘探開發(fā)潛力,成為新的勘探領(lǐng)域。已有的針對(duì)陡山沱組的研究表明,其暗色泥頁巖廣泛分布,累計(jì)厚度較大,平均約為87.3 m,受沉積相的控制明顯；TOC為0.67%～2.90%,平均值為1.53%；其礦物成分主要為黏土礦物和碎屑礦物[9]。因目前資料較少,對(duì)海相頁巖不同巖相橫向和空間分布的研究存在不足。由于受露頭地形高陡、人工拍照視角不足的影響,該文利用野外頁巖露頭相似區(qū)并借助無人機(jī)開展研究。無人機(jī)具有敏捷、高精度、全局性視域和定量化程度較高等特點(diǎn),是表征頁巖露頭的關(guān)鍵技術(shù)手段。該研究不僅可以豐富海相細(xì)粒頁巖沉積學(xué)研究的技術(shù)方法,同時(shí)對(duì)下步指導(dǎo)震旦系陡山沱組頁巖油氣勘探開發(fā)具有重要實(shí)踐意義。

1 野外露頭區(qū)概況與研究方法

1.1 區(qū)域地質(zhì)概況

鄂西地區(qū)青林口野外露頭剖面地理上位于湖北省宜昌市秭歸縣境內(nèi),剖面位置坐標(biāo)為東經(jīng)110°55′、北緯30°48′,交通非常便利,剖面沿青林口—腳跡坪新修公路旁連續(xù)出露如圖1a所示。研究區(qū)是中國南方新元古界震旦系的標(biāo)準(zhǔn)命名地點(diǎn),也是中國年代地層建階體系中晚新元古代震旦系的經(jīng)典剖面所在地,主要包括震旦系蓮沱組、南沱組、陡山沱組和燈影組。目的層自下而上發(fā)育了陡山沱組二段、三段和四段,如圖1b所示[10-13]。巖性主要為深灰或灰黑色泥質(zhì)白云巖、深灰白云質(zhì)灰?guī)r及深黑色泥頁巖,常夾磷硅質(zhì)結(jié)核及團(tuán)塊,有微古植物和宏觀藻類存在,與下伏南沱組灰綠色冰磧礫巖呈不整合接觸。

圖1 鄂西地區(qū)震旦系青林口剖面野外露頭區(qū)概況(據(jù)文獻(xiàn)[12]修改)Fig.1 Outcrop area of Sinian System Qinglinkou section in Western Hubei

1.2 研究方法

該研究是在傳統(tǒng)人工詳細(xì)考察的基礎(chǔ)上,結(jié)合無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)進(jìn)行的數(shù)據(jù)采集、分析處理、建模和解釋工作[14-19]。研究區(qū)露頭高度150～156 m,區(qū)域面積為0.5 km2,處理后的模型分辨率精度約為2 cm,三維模型如圖2所示。具體工作為：1)人工踏勘并收集露頭照片和露頭描述工作；2)利用無人機(jī)對(duì)研究區(qū)野外露頭進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,獲取三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)與海量的傾斜攝影信息數(shù)據(jù)；3)結(jié)合人工野外考察進(jìn)行了巖性識(shí)別與標(biāo)定,開展定量頁巖地質(zhì)知識(shí)庫的統(tǒng)計(jì)工作；4)開展典型露頭部位的精細(xì)構(gòu)型解剖工作。

圖2 無人機(jī)傾斜攝影露頭區(qū)震旦系陡山沱組三維模型Fig.2 3D model of UAV oblique photography outcrop area in Doushantuo Formation, Sinian System

2 露頭剖面特征與定量頁巖知識(shí)庫

2.1 露頭地層分布特征描述

分析圖2所示三維模型,參考前人研究成果和背景資料,將宜昌青林口露頭剖面陡山沱組二、三、四段劃分為18個(gè)層,具體如下：

1)無人機(jī)傾斜攝影野外露頭剖面顯示,陡山沱組二段與下伏一段呈整合接觸,上覆深色白云巖及黑色頁巖區(qū)別于陡三段白云巖。陡山沱組二段主要為灰色中層狀(含碳)白云巖與黑色碳質(zhì)頁巖呈不等厚互層,燧石結(jié)核發(fā)育程度高,總厚度約為92.5 m。

2)陡山沱組三段與下伏陡山沱組二段呈整合接觸。主要以深黑色薄層狀、透鏡狀硅質(zhì)條帶頁巖為主,底部為生物藻丘較為發(fā)育的中-厚層狀含礫屑微晶白云巖；中部為灰色中層狀燧石條帶泥-粉晶白云巖；頂部為灰色薄層狀白云石化泥晶灰?guī)r夾泥頁巖,或?yàn)榛野咨自剖嗑Щ規(guī)r、灰色薄-中層狀白云質(zhì)灰?guī)r組成,向上單層灰?guī)r厚度變薄,總厚度約為45.2 m。

3)陡山沱組四段與下伏陡山沱組三段呈整合接觸。主要為深黑色硅質(zhì)頁巖,夾白云巖和硅質(zhì)巖透鏡體。深黑色硅質(zhì)頁巖的巖石較硬,非常容易碎裂,脆性很好,該層的黑色頁巖與上下的白云巖巖石地層差異明顯,總厚度約為11.2 m。

2.2 頁巖露頭定量地質(zhì)知識(shí)庫

與砂泥巖剖面不同,頁巖的連續(xù)性普遍較好,分層界限很清晰。該文利用采集和處理之后的無人機(jī)傾斜攝影三維定量模型,主要從沉積相類型、巖性、厚度和連續(xù)性等方面開展定量知識(shí)庫描述與表征[20-21],見表1。

表1 頁巖露頭定量地質(zhì)知識(shí)庫Table 1 Quantitative outcrop geological knowledge database of shale rock

1)陡山沱組二段主要以淺海低能沉積相為主,根據(jù)巖性組合將其劃分9個(gè)旋回,總厚度約為131.1 m。

自下而上,第1旋回以深灰、灰白色薄層狀白云巖為主,夾薄層狀灰黑色泥頁巖,單層白云巖層厚約7.6 cm,單層頁巖層厚約20.0～32.0 cm,總厚度約為5.64 m；

第2旋回以灰白色厚層狀白云巖為主,單層白云巖厚度約25.0～50.0 cm,總厚度約為6.49 m；

第3旋回為黑灰色中-厚層狀白云巖夾黑灰色薄層狀頁巖,單層白云巖層厚約25.0 cm,單層頁巖層厚約18 .0 cm,總厚度約為17.62 m；

第4旋回為黑灰色頁巖與灰色中薄層狀白云巖互層,單層白云巖層厚約21.5 cm,單層頁巖層厚約15.0～20.0 cm,總厚度約為14.51 m；

第5旋回為灰黑色薄層狀白云巖夾黑灰色頁巖,單層白云巖層厚約16.0 cm,單層頁巖層厚約11.0～ 26.2 cm,總厚度約為6.78 m；

第6旋回為灰色中薄層狀白云巖夾薄層狀灰黑色頁巖,此層植被覆蓋十分嚴(yán)重,單層白云巖層厚約18.0 cm,單層頁巖層厚約12.0～27.2 cm,硅質(zhì)條帶發(fā)育,總厚度約為21.78 m；

第7旋回為黑色頁巖夾灰黑色薄層狀白云巖,單層白云巖層厚約4.0～12.0 cm,下部頁巖中夾含灰黑色硅質(zhì)巖結(jié)核,總厚度約為11.32 m；

第8旋回以深灰、灰黑色厚層狀白云巖為主,單層白云巖厚度約30.0～70.0 cm,總厚度約為9.80 m；

第9旋回底部為黑灰色中厚層狀白云巖夾薄層狀黑色頁巖,單層白云巖厚約40.0 cm,黑灰色頁巖層厚約12.0 cm；頂部為黑灰色中厚層狀白云巖與薄層狀黑灰色頁巖互層,單層白云巖厚約31.0 cm,頁巖層最大厚度可達(dá)70.0 cm,總厚度約為12.27 m。

2)陡山沱組三段以淺海較高能沉積相為主,根據(jù)巖性組合將其劃分為6個(gè)旋回,總厚度約為49.6 m。

自下而上,第1旋回為灰白色、深灰色厚層狀白云巖夾硅質(zhì)條帶,單層白云巖厚度約16.0～35.0 cm,水平層理發(fā)育,向上單層漸漸變薄,總厚度約為5.84 m；

第2旋回為灰色厚層狀白云巖夾薄層狀灰黑色頁巖,單層白云巖厚度約10.0～18.0 cm,單層頁巖層厚度約2.0～5.4 cm,層內(nèi)發(fā)育硅質(zhì)條帶頁巖,總厚度約為3.98 m；

第3旋回為灰白色白云巖夾含硅質(zhì)條帶頁巖,單層白云巖厚度約10.0～47.0 cm。透鏡狀硅質(zhì)條帶頁巖,薄厚差異較大,白云巖夾含薄層狀頁巖,單層頁巖厚度約0.5～1.0 cm,總厚度約為5.0 m；

第4旋回為灰白色中薄層狀白云巖夾含硅質(zhì)條帶頁巖,單層白云巖厚度約8.0～32.0 cm,偶見1.0～ 3.0 cm薄層狀黑色頁巖,總厚度約為10.93 m；

第5旋回底部是7 m厚層狀灰白色塊狀白云巖,中部以灰白色塊狀白云巖為主,夾“扁平礫石”狀白云巖,厚度約15.0～20.0 cm,頂部呈現(xiàn)薄層狀褶皺,厚約10.0～20.0 cm,總厚度約為8.02 m；

第6旋回為灰白色厚層狀白云巖,單層厚度約50.0 cm,總厚度約為12.11 m。

3)陡山沱組四段以淺海低能沉積相為主,頁巖發(fā)育程度較高。根據(jù)巖性組合將其劃分為3個(gè)旋回,總厚度約為12.66 m。

自下而上,第1旋回為灰黑色頁巖,單層頁巖厚度約8.0～22.0 cm,水平層理發(fā)育,向上單層漸漸變厚,總厚度約為3.01 m；

第2旋回為灰黑色中厚層狀頁巖夾薄層狀白云巖,單層頁巖厚約11.7～17.8 cm,總厚度約為4.69 m；

第3旋回為灰黑色中薄層狀頁巖,單層頁巖厚約5.34～9.69 cm,總厚度約為6.88 m。

3 露頭剖面精細(xì)解剖與演化

根據(jù)不同的顏色、巖性、巖相組合和沉積環(huán)境演化等特征,選取3個(gè)典型露頭剖面開展巖相構(gòu)型解剖。

1)針對(duì)圖2所示無人機(jī)傾斜攝影處理后的三維模型,選取露頭剖面L1-L′1典型位置Ⅰ開展巖相構(gòu)型解剖與分析,如圖3所示。露頭剖面L1-L′1位于工區(qū)的右下角,成層性較強(qiáng),剖面寬度約80 m,高度約25 m,無人機(jī)傾斜攝影分辨率約為5 cm,可以較為精細(xì)地表征各不同層的巖性及其組合特征,疊置關(guān)系十分清晰。該工區(qū)巖性主要為中厚層灰色白云巖與中薄層頁巖不等厚互層夾雜少量硅質(zhì)條帶,發(fā)育水平層理,白云巖單層厚度約4～37 cm,頁巖單層厚度約8～20 cm。自下而上主要呈Dh和MSh→Dh兩種樣式的多個(gè)旋回的疊置,巖相組合樣式以頁巖/白云巖的厚度比例大于1為主。其中白云巖厚度較大,呈厚層狀,頁巖厚度相對(duì)較薄,呈薄層狀,整體呈厚層白云巖與薄層頁巖的互層特征。體現(xiàn)了從深海相向碳酸鹽巖臺(tái)地相的演化及水體從深變淺的過程。

圖3 露頭剖面L1-L′1巖相構(gòu)型分析Fig.3 Interpretation of lithofacies architecture of outcrop section L1-L′1

2)針對(duì)圖2所示無人機(jī)傾斜攝影處理后的三維模型,選取露頭剖面L2-L′2典型位置Ⅱ開展巖相構(gòu)型解剖與分析,如圖4所示。露頭剖面L2-L′2位于工區(qū)的右下角,成層性較強(qiáng),剖面寬度約60 m,高度約20 m,無人機(jī)傾斜攝影分辨率約為2 cm,可以較為精細(xì)地表征各不同層的巖性及其組合特征,疊置關(guān)系十分清晰。該工區(qū)巖性主要為灰黑色中厚層狀白云巖與黑色頁巖互層,發(fā)育水平層理,向上逐漸變薄。白云巖厚度約15～50 cm,呈中層狀,頁巖厚度約15～30 cm,也為中層狀。自下而上主要呈Dh和MSh→Dh兩種樣式的多個(gè)旋回的疊置,巖相組合樣式以頁巖/白云巖的厚度比例等于1為主。其中白云巖與頁巖厚度相當(dāng),體現(xiàn)了碳酸鹽臺(tái)地及緩坡沉積水體為深淺交互的變化過程。

圖4 露頭剖面L2-L′2巖相構(gòu)型分析Fig.4 Interpretation of lithofacies architecture of outcrop section L2-L′2

3)針對(duì)圖2所示無人機(jī)傾斜攝影處理后三維模型,選取露頭剖面L3-L′3為典型位置Ⅲ開展巖相構(gòu)型解剖與分析,如圖5所示。露頭剖面L3-L′3位于工區(qū)的右下角,成層性較強(qiáng),剖面寬度約為50 m,高度約12 m,無人機(jī)傾斜攝影分辨率約為5 cm,可以較為精細(xì)地表征各不同層的巖性及其組合特征,疊置關(guān)系十分清晰。剖面巖性主要為深灰色、灰白色厚層狀白云巖夾少量硅質(zhì)條帶,發(fā)育水平層理。白云巖單層厚度約11～120 cm,為中-厚層狀,向上層變薄,總厚度約為7.10 m。自下而上主要呈Dh樣式的多個(gè)旋回的疊置,巖相組合樣式以頁巖/白云巖的厚度比例小于1為主。整體從深海相向碳酸鹽巖臺(tái)地相的演化及水體從深變淺的過程。

圖5 露頭剖面L3-L′3巖相構(gòu)型分析Fig.5 Interpretation of lithofacies architecture of outcrop section L3-L′3

4 對(duì)頁巖油氣勘探開發(fā)的啟示

已有頁巖油氣的勘探開發(fā)表明,頁巖油氣的開發(fā)過程有2個(gè)十分關(guān)鍵的點(diǎn),一是源儲(chǔ)巖相的組合樣式,二是優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)集層的空間分布特征。通過前面的研究可以發(fā)現(xiàn),研究區(qū)陡山沱組的組合樣式包括各類頁巖與白云巖的厚度比例大于1、等于1和小于1等3種。目前海相頁巖主要以頁巖氣為主,尤以第1種樣式為最有利巖相組合和產(chǎn)能特征。其次,優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的空間分布與白云巖含量關(guān)系較大,適量的白云巖是優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層發(fā)育的關(guān)鍵脆性礦物,因此頁巖與白云巖比例等于1的組合,即陡二段頂部與陡三段底部是優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的發(fā)育區(qū)域,是下步勘探開發(fā)的重點(diǎn)。海相頁巖露頭剖面甜點(diǎn)分布模式如圖6所示。

圖6 海相頁巖露頭剖面甜點(diǎn)分布模式Fig.6 Sweet spot distribution pattern of marine shale outcrop profile

通過對(duì)已有鉆井進(jìn)行研究也發(fā)現(xiàn)有類似特點(diǎn)。下震旦統(tǒng)時(shí)期頁巖儲(chǔ)層主要發(fā)育在陡山沱組二段和四段地層之中,頁巖顏色較深,有機(jī)質(zhì)豐富；這種巖相主要分布在水體閉塞的缺氧環(huán)境中,主要為黑色頁巖,或黑色-灰黑色(含碳質(zhì))、具有紋層及由頁理構(gòu)造的頁巖。頁巖均為顯微晶質(zhì)結(jié)構(gòu),通常含有數(shù)量不等的石英、長石和黃鐵礦等脆性礦物。從成分和結(jié)構(gòu)上看,該套黑色巖系主要形成于滯流缺氧的深水潟湖或臺(tái)內(nèi)盆地環(huán)境中。

依據(jù)鉆遇震旦系頁巖的鉆孔鄂陽頁1井開展分析。采用細(xì)粒沉積層序地層學(xué)研究方法,將研究區(qū)陡山沱組劃分為DST1,DST2,DST3和DST4等4個(gè)3級(jí)層序。其中,露頭區(qū)DST2層序?qū)?yīng)于陡山沱組二段,DST3對(duì)應(yīng)于陡山沱組三段,DST4對(duì)應(yīng)于陡山沱組四段。研究發(fā)現(xiàn),DST2中部及DST3底部為優(yōu)質(zhì)頁巖甜點(diǎn)段。優(yōu)質(zhì)頁巖段厚度為90～110 m,由海侵體系域(TST)和高位體系域(HST)組成。海侵體系域?qū)?yīng)陡山沱組二段中、上部,厚度較為穩(wěn)定,約50 m,為深水相,主要發(fā)育黑色頁巖,可見大量的黃鐵礦紋層、頁理和磷質(zhì)結(jié)核,說明該時(shí)期水體較深,主要以還原沉積環(huán)境為主；該體系域自然伽馬及測(cè)井曲線上數(shù)值變化總體較為穩(wěn)定,表明該時(shí)期水體變化較為穩(wěn)定,頁巖厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于白云巖,為厚度比例大于1的區(qū)域,是Ⅱ類儲(chǔ)層。高位體系域下部以斜坡相的頁巖、薄層白云巖為主,頁巖與白云巖的厚度比大體等于1；從測(cè)井曲線上來看,該體系域自然伽馬曲線值變小,說明水體逐漸變淺,云質(zhì)含量逐漸增多,TOC較高,為優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層。對(duì)于碳酸鹽巖的臺(tái)地相來說,主要以白云巖為主,TOC較低,氣測(cè)甲烷含量低,為Ⅲ類儲(chǔ)層。鄂陽頁1井陡山沱組甜點(diǎn)分布特征如圖7所示[22]。

圖7 鄂陽頁1井陡山沱組甜點(diǎn)分布特征(據(jù)文獻(xiàn)[22]修改)Fig.7 Sweet spot distribution characteristics of Doushantuo Formation in well EYangye1

5 結(jié)論

通過上述研究,得出如下結(jié)論：

1)采用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)將露頭三維模型數(shù)字化和可視化,建立了頁巖定量儲(chǔ)層知識(shí)庫。通過三維數(shù)字化露頭模型,對(duì)目的層巖性組合、厚度及分布特征進(jìn)行了精細(xì)表征,建立了陡山沱組海相頁巖定量儲(chǔ)層地質(zhì)知識(shí)庫。

2)陡山沱組發(fā)育深水盆地和碳酸鹽臺(tái)地沉積。陡三段以發(fā)育碳酸鹽臺(tái)地沉積為特征,陡二段和陡四段主要為深水海盆沉積。主要組合樣式為海相頁巖與白云巖的3種不同比例組合,即頁巖與白云巖互層比例大于1、等于1和小于1。

3)通過理論模式與地下鉆井的對(duì)比發(fā)現(xiàn),陡山沱組海相巖相組合的3種類型中,頁巖與白云巖比例等于1的組合是勘探開發(fā)的優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層,對(duì)下步頁巖氣勘探具有重要指導(dǎo)意義。