鄂西地區(qū)黃陵背斜周緣五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖氣儲(chǔ)層及含氣性特征

許露露,張焱林,陳 程,周向輝，溫雅茹

(湖北省地質(zhì)調(diào)查院頁(yè)巖氣中心,湖北 武漢 430034)

0 引 言

鄂西地區(qū)勘探實(shí)踐表明，五峰組—龍馬溪組為該區(qū)主要的富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖儲(chǔ)層，具有較好的頁(yè)巖氣成藏潛力[1-3]。黃陵背斜周緣為五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖氣勘探重點(diǎn)地區(qū)，目前已部署多口調(diào)查井，主要分布在黃陵背斜西南緣和東緣。前人對(duì)鄂西五峰組—龍馬溪組儲(chǔ)層特征及勘探前景進(jìn)行過初步分析[4-11]，但針對(duì)黃陵背斜周緣五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖氣儲(chǔ)層及含氣性特征研究較少，特別是西南緣與東緣儲(chǔ)層特征及頁(yè)巖氣含氣性的差異性研究還未見報(bào)道。該文主要利用黃陵背斜西南緣與東緣分布的調(diào)查井以及實(shí)測(cè)地層剖面資料，對(duì)研究區(qū)五峰組—龍馬溪組的巖石地層及地球化學(xué)特征、儲(chǔ)層特征及含氣性特征進(jìn)行了分析，闡明了研究區(qū)不同構(gòu)造部位的頁(yè)巖氣儲(chǔ)層及含氣性的差異性特征。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

研究區(qū)在大地構(gòu)造上屬揚(yáng)子板塊中北部，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。發(fā)育黃陵結(jié)晶基底和神龍架褶皺基底2種基底類型，南華紀(jì)以來的沉積蓋層則以角度不整合覆蓋于基底之上，東部疊加白堊系—第四系斷陷盆地構(gòu)造。研究區(qū)內(nèi)主要發(fā)育北北東向和北西—北北西向2組斷裂。北北東向斷裂屬于新華斷裂帶，分布在黃陵背斜西緣；北西—北北西向斷裂由西向東分布為仙女山斷裂、天陽(yáng)坪斷裂、霧渡河斷裂及通城河斷裂。區(qū)內(nèi)地層從南華系到白堊系均有發(fā)育，五峰組—龍馬溪組為此次研究目的層。目前,研究區(qū)調(diào)查井主要分布在黃陵背斜西南緣及東緣，西南緣主要調(diào)查井有ZD2、巴地2、秭地3井；東緣主要調(diào)查井有遠(yuǎn)地1、宜地1、夷地1井(圖1)。

2 頁(yè)巖氣儲(chǔ)層特征

2.1 巖石地層特征

利用黃陵背斜東緣及西南緣調(diào)查井巖心及實(shí)測(cè)地層剖面資料，對(duì)研究區(qū)五峰組—龍馬溪組巖性特征、分布范圍、埋深及厚度進(jìn)行了分析。研究區(qū)不同地點(diǎn)五峰組—龍馬溪組巖性基本一致，均由含炭硅質(zhì)巖、炭質(zhì)頁(yè)巖及粉砂巖3種主要巖性組成。現(xiàn)以具有較好頁(yè)巖氣顯示的秭地3井為例，對(duì)其縱向上巖性組合特征進(jìn)行精細(xì)描述(表1)。五峰組巖性為黑色含炭硅質(zhì)巖夾黑色炭質(zhì)頁(yè)巖，筆石帶發(fā)育，頂部為觀音橋?qū)?，發(fā)育一層厚度為25.0 cm的碎裂石灰?guī)r。觀音橋?qū)又蠟辇堮R溪組，整體上可分為上下2段，均順層發(fā)育黃鐵礦層，筆石帶發(fā)育。下段巖性為黑色炭質(zhì)頁(yè)巖，巖性均一，炭質(zhì)含量較高；上段巖性為灰黑色炭質(zhì)頁(yè)巖夾少量薄層粉砂巖，炭質(zhì)含量相對(duì)較少，巖石顏色相對(duì)較淺。新灘組地層與龍馬溪組巖性漸變過渡，界線往往難以區(qū)分，因此，此次研究以炭質(zhì)含量明顯減少、巖石顏色明顯變淺以及粉砂巖含量明顯增多的部位為地層界線。

研究區(qū)五峰組—龍馬溪組分布在黃陵背斜東緣及西南緣，黃陵基底及神龍架基底五峰組—龍馬溪組地層已剝蝕殆盡(圖2)。不同地區(qū)五峰組—龍馬溪組埋深差異較大，東緣調(diào)查井相對(duì)較少，埋深為600～1 400 m。黃陵背斜東緣向東埋深逐漸增加，遠(yuǎn)安縣城附近埋深超過3 000 m。西南緣秭歸縣—興山縣一帶，埋深多超過3 000 m，局部超過6 000 m。調(diào)查井多分布在黃陵背斜西南緣秭歸縣以南地區(qū)，其五峰組—龍馬溪組埋深為1 000～3 000 m。五峰組—龍馬溪組厚度分布不穩(wěn)定，分布范圍為19.0～93.8 m，研究區(qū)總體上具有由南向北、由東向西厚度逐漸增大的趨勢(shì)。黃陵背斜東緣厚度相對(duì)穩(wěn)定，為26.1～34.8 m；西南緣厚度分布不穩(wěn)定，WD2井厚度為19.0 m，而北部ZD2井厚度為93.8 m。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)圖及調(diào)查井位置示意圖

2.2 地球化學(xué)特征

采納國(guó)土資源部發(fā)布的《頁(yè)巖氣資源/儲(chǔ)量計(jì)算評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》對(duì)采集樣品分析結(jié)果進(jìn)行了分類統(tǒng)計(jì)[12]，并對(duì)研究區(qū)8口調(diào)查井及6條實(shí)測(cè)地層剖面進(jìn)行了有機(jī)碳和鏡質(zhì)體反射率統(tǒng)計(jì)分析(表2)。測(cè)試結(jié)果表明：研究區(qū)五峰組—龍馬溪組TOC為1.16%～2.99%，平均為2.10%，大多數(shù)樣品屬于高含量。將黃陵背斜東緣與西南緣地球化學(xué)特征對(duì)比發(fā)現(xiàn)，西南緣有機(jī)質(zhì)豐度比東緣高，東緣TOC為1.32%～2.14%，平均為1.75%，總體上屬于中等含量；西南緣TOC為1.86%～2.99%，平均為2.36%，總體上屬于高含量。地層縱向上TOC值分布特征呈現(xiàn)明顯的規(guī)律性，五峰組TOC為

圖2 研究區(qū)五峰組—龍馬溪組埋深、厚度及TOC分布

1.66%～5.39%，平均為3.73%；龍馬溪組下部TOC為0.54%～4.36%，平均為1.84%；龍馬溪組上部TOC為0.08%～2.06%，平均為0.60%。研究表明，五峰組TOC含量最高，龍馬溪組下部次之，上部含量最低(圖3)。Ro為1.09%～2.82%，平均為2.35%，總體上屬于高成熟度。黃陵背斜西南緣整體成熟度值略高于東緣。研究區(qū)五峰組—龍馬溪組有機(jī)質(zhì)類型以Ⅱ1腐殖-腐泥型為主。

表2 研究區(qū)調(diào)查井及地層剖面五峰組—龍馬溪組地球化學(xué)及儲(chǔ)層物性統(tǒng)計(jì)分析

2.3 物性特征

此次巖石物性及礦物成分評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)參照國(guó)土資源部發(fā)布的《頁(yè)巖氣資源/儲(chǔ)量計(jì)算評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》執(zhí)行。礦物組分統(tǒng)計(jì)顯示(表2)：黏土礦物含量為27.2%～62.5%，平均為39.2%，脆性礦物(除黏土礦物以外)含量為60.8%，達(dá)到高脆性礦物分類標(biāo)準(zhǔn)。其中，石英含量為28.4%～69.3%，平均值48.3%；長(zhǎng)石含量為1.3%～14.9%，平均為8.0%；方解石及白云石含量為0.0～5.3%，平均為1.2%；黃鐵礦的含量為0.0～13.3%，平均為3.3%。分析表明，研究區(qū)五峰組—龍馬溪組以石英礦物為主，黏土礦物次之，長(zhǎng)石及黃鐵礦含量較少，方解石及白云石含量最低。研究區(qū)孔滲性研究表明，孔隙度為1.15%～3.76%，平均為2.39%，為低孔—特低孔孔隙類型；滲透率為0.000 7～0.004 8 mD，平均為0.002 0 mD，為特低滲儲(chǔ)層類型。

圖3 研究區(qū)黃陵背斜周緣調(diào)查井五峰組—龍馬溪組縱向上TOC與含氣量分布特征

通過場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡技術(shù)方法，對(duì)研究區(qū)巴地2井五峰組—龍馬溪組縱向上儲(chǔ)層微觀孔隙特征進(jìn)行了分析。圖4a—c為五峰組炭質(zhì)硅質(zhì)巖成像照片，深度為1 412 m。圖4a樣品較致密，可見不規(guī)則狀孔隙、有機(jī)質(zhì)條帶及霉球狀黃鐵礦，為顯微鏡下放大1 000倍。有機(jī)質(zhì)條帶寬度為10～15 μm，長(zhǎng)度為40～60 μm，黃鐵礦多呈霉球狀，分布在有機(jī)質(zhì)條帶周圍，數(shù)量較多，直徑為1～8 μm；粒間孔隙較為發(fā)育，直徑為1～2 μm。圖4b為圖4a有機(jī)質(zhì)條帶放大照片，為顯微鏡下放大10 000倍，照片顯示發(fā)育有機(jī)質(zhì)納米孔隙，呈不規(guī)則狀、橢球狀，孔徑多分布在200～300 nm，有機(jī)質(zhì)孔隙數(shù)量分布較多，均勻分布在整個(gè)有機(jī)質(zhì)條帶中。圖4c為有機(jī)質(zhì)條帶與黏土礦物混合，發(fā)育有機(jī)質(zhì)納米孔隙，橢球狀、不規(guī)則狀，為顯微鏡下放大10 000倍，有機(jī)質(zhì)孔隙直徑約100 nm，孔隙多集中在有機(jī)質(zhì)條帶中。

圖4d—f為龍馬溪組下部炭質(zhì)頁(yè)巖，深度為1 402 m。圖4d為顯微鏡下放大1 500倍成像圖片，樣品較致密，可見少量粒間孔隙及少量霉球狀黃鐵礦，未見有機(jī)質(zhì)條帶；粒間孔隙孔徑及數(shù)量較五峰組明顯減少，黃鐵礦發(fā)育程度也較五峰組明顯減少。圖4e為放大1 000倍成像圖片，可見有機(jī)質(zhì)顆粒，多呈不規(guī)則橢圓狀，有機(jī)質(zhì)顆粒直徑為5～20 μm。圖4f為圖4e放大后成像照片，放大倍數(shù)為5 000倍，發(fā)育有機(jī)質(zhì)孔隙，橢球狀、不規(guī)則狀，孔徑多小于1 μm。圖4g、h為龍馬溪組上部含炭泥質(zhì)粉砂巖，深度為1 382 m。圖4g可見明顯粒間孔隙，呈不規(guī)則狀、橢球狀，孔隙直徑約為2～5 μm，有機(jī)質(zhì)顆粒分布與粒間孔隙周緣，顆粒直徑較小，數(shù)量較少。圖4h為圖4g放大，放大倍數(shù)為10 000倍，有機(jī)質(zhì)顆粒發(fā)育有機(jī)質(zhì)納米孔隙，不規(guī)則狀、橢球狀，有機(jī)質(zhì)顆粒呈橢圓狀，直徑約為2 μm，顆粒中發(fā)育有機(jī)質(zhì)孔隙發(fā)育，孔隙直徑約為100 nm，相對(duì)于龍馬溪組下部炭質(zhì)頁(yè)巖，上部含炭泥質(zhì)粉砂巖有機(jī)質(zhì)顆粒直徑小，有機(jī)質(zhì)孔隙孔徑小。

圖4 研究區(qū)巴地2井五峰組—龍馬溪組場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡

綜上所述，五峰組—龍馬溪組以有機(jī)質(zhì)孔隙及粒間孔隙為主，地層縱向上由下至上表現(xiàn)出有機(jī)質(zhì)條帶、有機(jī)質(zhì)孔隙及黃鐵礦數(shù)量逐漸減少的趨勢(shì)。粒間孔隙在龍馬溪組上部泥質(zhì)粉砂巖最最為發(fā)育，五峰組炭硅質(zhì)巖次之，龍馬溪組炭質(zhì)頁(yè)巖中最少。

3 含氣性特征

頁(yè)巖氣富集受到頁(yè)巖氣形成地質(zhì)條件、烴源巖及儲(chǔ)層微觀孔隙特征、構(gòu)造特征及頁(yè)巖氣保存條件的影響[13-16]。其中目的層斷裂帶性質(zhì)對(duì)頁(yè)巖氣含氣性的影響較大[17-19]，微觀孔隙特別是有機(jī)孔隙的發(fā)育對(duì)頁(yè)巖氣的富集也具有極為重要的控制作用[20-23]。3口調(diào)查井等溫吸附含氣性及現(xiàn)場(chǎng)解析含氣性(圖3)統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：3口調(diào)查井五峰組炭硅質(zhì)巖等溫吸附含氣量(VL)最高，為2.36～3.91 m3/t,平均為3.16 m3/t；龍馬溪組下段炭質(zhì)頁(yè)巖VL次之，為1.70～2.09 m3/t，平均為1.90 m3/t；而龍馬溪組上段含炭泥質(zhì)粉砂巖VL最低，為0.84～1.07 m3/t，平均為0.96 m3/t。VL與TOC分布呈現(xiàn)良好的正相關(guān)性，TOC值越高，VL越大。

現(xiàn)場(chǎng)解析結(jié)果顯示，黃陵背斜東緣遠(yuǎn)地1井現(xiàn)場(chǎng)解析含氣量(Vx)為0.13～1.19 m3/t，平均為0.62 m3/t。其中，五峰組Vx為0.13～0.64 m3/t，平均為0.44 m3/t；龍馬溪組下段Vx為0.33～1.19 m3/t，平均為0.73 m3/t；龍馬溪組上段Vx為0.35 m3/t。黃陵背斜西南緣秭地3井Vx為0.49～1.09 m3/t，平均為0.73 m3/t。其中，五峰組Vx為0.73～0.99 m3/t，平均為0.87 m3/t；龍馬溪組下段Vx為0.51～1.09 m3/t，平均為0.73 m3/t；龍馬溪組上段Vx為0.49～0.58 m3/t，平均為0.53 m3/t。巴地2井現(xiàn)場(chǎng)解析無(wú)含氣量顯示?，F(xiàn)場(chǎng)解析結(jié)果表明，秭地3井現(xiàn)場(chǎng)解析含氣量稍微高于遠(yuǎn)地1井，總體上地層縱向上Vx由高到低依次為五峰組、龍馬溪組下段、龍馬溪組上段，但遠(yuǎn)地1井五峰組Vx小于龍馬溪組下部。

研究表明，同一調(diào)查井縱向上Vx與TOC同樣呈現(xiàn)較好的正相關(guān)性，五峰組含炭硅質(zhì)巖地層由于具有更高的TOC，有機(jī)質(zhì)孔隙更為發(fā)育，因而具有更高的等溫吸附氣和現(xiàn)場(chǎng)解析含氣量；不同調(diào)查井之間對(duì)比發(fā)現(xiàn)Vx與TOC不具有明顯相關(guān)性，如巴地2井TOC含量高于遠(yuǎn)地1井，但含氣量不如遠(yuǎn)地1井，表明研究區(qū)斷裂帶的發(fā)育對(duì)調(diào)查井含氣性影響較大，工作區(qū)西緣呈北北東向的新華斷裂帶，在其周緣已實(shí)施的巴地2井及ZD2井，距離斷裂帶距離近，均未見氣。而工作區(qū)內(nèi)黃陵背斜西緣呈北西向的仙女山及天陽(yáng)坪斷裂，在其周緣實(shí)施的秭地3井及WD6均見到良好的頁(yè)巖氣顯示；黃陵背斜東緣呈北西向的霧渡河及通城河斷裂，在其周緣實(shí)施的遠(yuǎn)地1井及夷地1井也有較好的頁(yè)巖氣顯示。

4 結(jié) 論

(1) 研究區(qū)五峰組以黑色含炭硅質(zhì)巖夾黑色炭質(zhì)頁(yè)巖為特征，頂部發(fā)育25.0 cm厚的碎裂石灰?guī)r觀音橋段，龍馬溪組下段為黑色炭質(zhì)頁(yè)巖，上段為灰黑色炭質(zhì)頁(yè)巖夾少量薄層粉砂巖。研究區(qū)五峰組—龍馬溪組埋深為1 000～3 000 m，西部秭歸—興山縣一帶埋深大。厚度總體上具有由南向北，由東向西厚度逐漸增大的趨勢(shì)，黃陵背斜東緣厚度較西南緣相對(duì)穩(wěn)定。

(2) 研究區(qū)五峰組—龍馬溪組TOC為1.16%～2.99%，有機(jī)質(zhì)豐度總體上屬于高含量，黃陵背斜西南緣有機(jī)質(zhì)豐度比東緣高。五峰組含炭硅質(zhì)巖TOC含量最高，龍馬溪組上段含量最低。有機(jī)質(zhì)處于高成熟度階段，有機(jī)質(zhì)類型以腐殖-腐泥型為主。

(3) 研究區(qū)五峰組—龍馬溪組以石英礦物和黏土礦物為主，脆性礦物含量為60.8%，達(dá)到高脆性礦物分類標(biāo)準(zhǔn)，頁(yè)巖儲(chǔ)層多為低孔特低滲孔隙類型；微觀孔隙類型以有機(jī)質(zhì)孔隙及粒間孔隙為主，地層由下至上呈現(xiàn)有機(jī)質(zhì)條帶、有機(jī)質(zhì)孔隙及黃鐵礦數(shù)量逐漸減少的趨勢(shì)。

(4) 研究區(qū)北北東向新華斷裂帶附近頁(yè)巖氣含氣性較差，而北西向斷裂帶附近頁(yè)巖氣含氣性較好，地層縱向上TOC與等溫吸附及現(xiàn)場(chǎng)解析含氣量具有較好的正相關(guān)性，五峰組含炭硅質(zhì)巖地層由于具有更高的TOC含量，有機(jī)質(zhì)微孔隙發(fā)育，因而具有更高等溫吸附氣和現(xiàn)場(chǎng)解析含氣量。