鄂西地區(qū)下震旦統(tǒng)陡山沱組二段剖面特征及頁巖氣地質(zhì)意義

李浩涵，包書景，張焱林，段 軻，陳 科，周 志，宋 騰，李 飛

（1.中國地質(zhì)調(diào)查局油氣資源調(diào)查中心，北京100083；2.湖北省地質(zhì)調(diào)查院，湖北武漢430074）

自中國開展頁巖氣勘探開發(fā)工作以來，在四川盆地已取得一系列海相頁巖氣重大突破[1-4]，但在盆地外圍還缺乏實質(zhì)進展。中揚子鄂西地區(qū)自震旦系起發(fā)育下震旦統(tǒng)陡山沱組、下寒武統(tǒng)牛蹄塘組等為代表的8 套黑色頁巖[5-6]，其中鄂陽頁1 井、秭地2 井在陡山沱組見到頁巖氣顯示，展示了良好的頁巖氣資源潛力[7-22]。

目前該層系含氣性雖已獲得證實，但鉆井取心不連續(xù)，尚不能覆蓋整個層段，層序和沉積相還有待劃分。與常規(guī)含氣頁巖頁理發(fā)育、泥質(zhì)含量高的特征不同，陡山沱組含氣層段巖性以高有機質(zhì)含量的泥質(zhì)白云巖為主，頁理等儲集空間較不發(fā)育，其頁巖氣地質(zhì)特征尚有待研究。該研究在鄂西地區(qū)選取震旦系典型剖面——三斗坪鎮(zhèn)頭頂石村早震旦世野外剖面，針對陡山沱組二段開展小層劃分和特征描述工作，結(jié)合地質(zhì)調(diào)查井秭地2井巖心資料及其測試分析數(shù)據(jù)，綜合探討了鄂西地區(qū)陡山沱組二段沉積特征、生烴條件和儲層條件，以探索該層段頁巖氣主控因素。

1 地質(zhì)概況

研究區(qū)位于鄂西地區(qū)東部，構(gòu)造位置位于中揚子地區(qū)湘鄂西褶皺帶北部，西起利川復(fù)向斜東緣，東至宜昌斜坡帶，具體包括黃陵背斜、神農(nóng)架背斜、秭歸盆地和花果坪復(fù)向斜等三級構(gòu)造單元。三斗坪鎮(zhèn)頭頂石村剖面位于黃陵隆起南部（圖1）。

圖1 鄂西地區(qū)下震旦統(tǒng)陡山沱組二段剖面交通與構(gòu)造位置Fig.1 Traffic position and tectonic location of outcrop in the second member in Doushantuo Formation of Lower Sinian in western Hubei

鄂西地區(qū)在新太古代—古元古代微型陸核的基礎(chǔ)上經(jīng)晉寧運動形成變質(zhì)基底，在南華紀(jì)伴隨伸展的構(gòu)造環(huán)境形成大陸邊緣裂谷盆地，快速沉降了一套磨拉石（碎屑巖）—冰磧巖沉積建造序列。震旦紀(jì)在先期裂陷盆地范圍內(nèi)沉積了下震旦統(tǒng)陡山沱組富有機質(zhì)頁巖層系，隨后在燈影期進入初始碳酸鹽臺地建設(shè)時期。

鄂西地區(qū)震旦系陡山沱組地層呈裙邊狀圍繞黃陵隆起、神農(nóng)架隆起周緣出露。從巖性組合上看，陡山沱組為一套整合于燈影組之下，平行不整合于南沱組之上的一套海相碳酸鹽巖。陡山沱組地層劃分為1 個二級層序和4 個三級層序：陡山沱組一段（Z1d1）為潮坪沉積環(huán)境的泥晶或細—微晶白云巖，也稱“蓋帽白云巖”；陡山沱組二段（Z1d2）為主要的烴源巖段，巖性主要為灰色—灰黑色中薄層泥灰?guī)r與炭質(zhì)頁巖互層，反映了水體相對開闊的臺內(nèi)盆地沉積環(huán)境；陡山沱組三段（Z1d3）以微晶白云巖為主，夾有少量的硅質(zhì)條帶及燧石結(jié)核，為淺水的潮坪相沉積；陡山沱組四段（Z1d4）以頂部含有大量的白云巖結(jié)核的黑色頁巖為主，反映了封閉的瀉湖沉積環(huán)境[14-15].。

2 剖面地層特征

該次測量剖面位于湖北省宜昌市夷陵區(qū)三斗坪鎮(zhèn)頭頂石村。剖面測量比例尺為1∶500，自南沱組底部起，測至陡山沱組二段未完（圖2），實測剖面長度386.00 m，導(dǎo)線數(shù)7 個，測量產(chǎn)狀9 個，劃分小層共26層。測量過程中共采集樣品3 個（表1）。剖面自下而上可劃分為南沱組、陡山沱組2個地層單元。

圖2 頭頂石剖面實測地層剖面Fig.2 Measured stratigraphic section of Toudingshi outcrop

表1 頭頂石剖面丈量數(shù)據(jù)Table 1 Measurement data of Toudingshi Section

南華系南沱組真厚度2.5 m，共劃分1 層（層號為0）。巖性組合為灰綠色塊狀含冰磧礫砂泥巖、中粗砂礫巖、粉砂礫巖、夾灰綠色塊狀冰磧含泥質(zhì)粉砂礫巖。礫石含量較少，10 %以下，分選較差，2～25 cm 不等，磨圓較好。上覆陡山沱組產(chǎn)狀一致、巖性突變，界面不平直，兩者應(yīng)為平行不整合接觸。

震旦系陡山沱組以陡一段的淺灰色泥晶或細—微晶結(jié)構(gòu)的“蓋帽白云巖”為主要標(biāo)志，根據(jù)巖性可進一步將該剖面陡山沱組劃分為陡山沱組一段和陡山沱組二段。陡山沱組一段真厚度3.3 m，共劃分3層（1—3層）。巖性主要為淺灰色厚層塊狀含砂藻砂屑微晶白云巖及灰色—灰白色粉晶白云巖、泥晶白云巖。礫石大小混雜，礫徑在8～18 cm，分選較差，磨圓較差，巖層表面可見硅質(zhì)紋層，砂屑白云巖單層厚度50～120 cm。

陡山沱組二段真厚度53.3 m，共劃分22 層（4—25層）。巖性主要為深灰色薄—中層粉晶白云巖、泥晶白云巖、灰質(zhì)白云巖夾灰黑色炭質(zhì)泥質(zhì)白云巖，泥質(zhì)含量明顯高于陡山沱組一段。粉晶白云巖、泥晶白云巖、灰質(zhì)白云巖單層厚度5～18 cm，炭質(zhì)泥質(zhì)白云巖為2～5 cm。局部磷質(zhì)結(jié)核發(fā)育，并呈向上增多的趨勢。

3 陡山沱組層序及沉積相劃分

3.1 層序地層劃分

根據(jù)露頭沉積結(jié)構(gòu)等特征，該剖面可識別出4個三級層序（圖3），其中南沱組—陡一段1 個，陡二段3個。

圖3 頭頂石剖面地層柱狀圖Fig.3 Stratigraphic histogram of Toudingshi outcrop

層序1（ZSQ1）為剖面1—3 層。其中1—2 層為海侵體系域（TST），厚度4.4 m。主要巖性為灰綠色塊狀含冰磧礫砂泥巖、中粗砂礫巖、淺灰色厚層塊狀含礫藻砂屑白云巖、粉砂礫巖夾灰綠色塊狀冰磧含泥質(zhì)粉砂礫巖、淺灰色厚層塊狀含礫藻砂屑白云巖。淺灰色厚層塊狀含礫藻砂屑白云巖礫石含量較少，10 %以下，分選較差，2～25 cm 不等，磨圓較好。剖面第3 層為高位體系域（HST），厚度1.40 m。主要巖性為淺灰色厚層粉晶白云巖，單層厚度大于70 cm，含燧石條帶。

層序2（ZSQ2）為剖面4—11 層。其中4—6 層為海侵體系域（TST），厚度7.7 m。主要巖性為淺灰色薄層含黃鐵礦含藻砂屑含灰質(zhì)微晶白云巖、中層狀灰質(zhì)紋層狀微—泥晶白云巖夾炭質(zhì)白云質(zhì)頁巖。藻砂屑白云巖單層厚度2～8 cm，灰質(zhì)白云巖單層厚度10～25 cm。剖面第7—11 層高位體系域（HST），厚度6.0 m。主要巖性為炭質(zhì)泥質(zhì)白云巖、深灰色薄—中層粉晶白云巖夾炭質(zhì)頁巖。粉晶白云巖以中層為主，夾少量薄層，單層厚度6～20 cm。

層序3（ZSQ3）為剖面第12—18 層。其中12—17層為海侵體系域（TST），厚度13.7 m。剖面主要巖性為深灰色薄層炭質(zhì)泥質(zhì)白云巖、炭質(zhì)頁巖夾深灰色含炭粉晶、微晶白云巖。炭質(zhì)泥質(zhì)白云巖單層厚度4～8 cm，粉晶、微晶白云巖單層厚度4～18 cm。。第18層為高位體系域（HST），厚度4 m。主要巖性為深灰色中層狀粉晶白云巖，單層厚度25～35 cm。

層序4（ZSQ4）為剖面第19—25層。其中19—23層為海侵體系域（TST），厚度15.4 m。主要巖性為黑色炭質(zhì)頁巖夾薄—中層粉晶白云巖，后者厚度4～20 cm。高位體系域（HST）為剖面第24—25 層，厚度2.6 m。主要巖性為淺灰色中—厚層紋層狀微—泥晶白云巖夾炭質(zhì)頁巖。

3.2 沉積相劃分

根據(jù)各組巖石類型、層厚、沉積構(gòu)造等特征，本剖面陡山沱組主要為一套局限臺地——臺地邊緣相沉積。

陡山沱組一段對應(yīng)著層序1（剖面1—3 層），主要巖性為淺灰色厚層塊狀含砂藻砂屑微晶白云巖，礫石大小混雜，礫徑在8～18 cm，分選較差，磨圓較差，巖層表面可見硅質(zhì)紋層，砂屑白云巖單層厚度50～120 cm。結(jié)合區(qū)域資料判斷為局限臺地相之潮間—潮上帶。

陡山沱組二段下部對應(yīng)著層序2 的海侵體系域（剖面4—6 層），主要巖性為淺灰色薄層含黃鐵礦含藻砂屑含灰質(zhì)微晶白云巖、中層狀灰質(zhì)紋層狀微—泥晶白云巖夾炭質(zhì)白云質(zhì)頁巖。藻砂屑白云巖單層厚度2～8 cm，灰質(zhì)白云巖單層厚度10～25 cm。結(jié)合區(qū)域資料判斷為開闊臺地相。

陡山沱組二段上部對應(yīng)著層序2 的高位體系域—層序4（剖面6—25 層）：主要巖性為深灰色薄—中層粉晶白云巖、泥晶白云巖、灰質(zhì)白云巖夾灰黑色炭質(zhì)泥質(zhì)白云巖、灰黑色炭質(zhì)泥質(zhì)白云巖夾深灰色薄—中層粉晶白云巖、泥晶白云巖、粉晶白云巖、泥晶白云巖。灰質(zhì)白云巖單層厚度5～18 cm，炭質(zhì)泥質(zhì)白云巖為2～5 cm。局部磷質(zhì)結(jié)核發(fā)育，并呈向上增多的趨勢。厚度53.3 m。為臺盆—臺盆邊緣相。

4 陡山沱組二段頁巖氣地質(zhì)特征

露頭樣品受采樣條件、風(fēng)化作用等影響難以獲得全面的測試參數(shù)，因此，該文結(jié)合臨井秭地2 井巖心樣品測試分析結(jié)果探討頁巖氣地質(zhì)特征。

秭地2井位于頭頂石剖面正南偏西方向約10 km，是一口以陡山沱組為目的層的頁巖氣地質(zhì)調(diào)查井（圖1）。秭地2 井控制陡山沱組二段厚度155 m，巖性組合上部為灰色中層狀微晶白云巖與黑色炭質(zhì)泥質(zhì)白云巖、炭質(zhì)白云質(zhì)泥巖互層，下部為灰黑色中薄層炭質(zhì)泥質(zhì)白云巖、含炭質(zhì)含粉砂微晶白云巖、炭質(zhì)白云質(zhì)泥巖，發(fā)育多層硅磷質(zhì)結(jié)核，厚度154.67 m。

4.1 地球化學(xué)特征

頭頂石剖面共測試烴源巖樣品3 個，其陡二段TOC（總有機碳含量）分布范圍0.35%～0.69%，平均為0.49 %（表2）。秭地2 井TOC范圍為0.53 %～1.78 %，平均值為0.85 %（圖4），考慮到露頭一般受風(fēng)化作用的影響TOC結(jié)果偏低較為合理[8]。

圖4 秭地2井陡山沱組綜合柱狀圖Fig.4 Comprehensive histogram of Doushantuo Formation in Well-ZD-2

頭頂石剖面陡二段樣品Ro（鏡質(zhì)體反射率）值為2.91 %～3.24 %，平均值為3.12 %；秭地2 井樣品Ro值為2.56%～3.19%，平均值為2.83%，均屬過成熟階段。根據(jù)有機質(zhì)鏡檢分型結(jié)果，測得有機質(zhì)類型均為Ⅱ1型，反應(yīng)了海相有機質(zhì)來源?？傮w而言，該地區(qū)陡二段TOC含量雖然低于傳統(tǒng)意義上的富有機制頁巖，但在碳酸鹽巖中相對較高，有機質(zhì)演化程度相對適中（相對于南方地區(qū)有機質(zhì)普遍過成熟度的背景下），頁巖氣地質(zhì)條件相對有利。

4.2 巖石礦物學(xué)特征

從巖性上看，頭頂石剖面陡二段以高白云質(zhì)含量為主要特征。剖面樣品受制于風(fēng)化作用，巖石X—衍射分析僅能檢出白云石、石英以及少量黏土礦物和方解石（表2）。

表2 頭頂石剖面陡山沱組測試分析數(shù)據(jù)Table 2 Testing results of Doushantuo Formation in Toudingshi outcrop

而秭地2井樣品更具參考價值，陡山沱組二段主要礦物成分包括白云石、石英、黏土礦物，含少量長石和黃鐵礦。其中黏土礦物含量介于4%～18%，平均值約13.3%；石英含量介于4%～22%，平均值約16%；白云石介于59%～84%，平均值約67.3%；長石含量介于1%～4%，平均值1.4%；黃鐵礦含量介于0～4 %，平均值約2 %?？傮w表現(xiàn)為白云石含量較高，不含方解石礦物，脆性礦物總含量較高，易于壓裂（圖5）。

圖5 秭地2井陡山沱組二段礦物成分分布Fig.5 Mineral constituents of the second member of Doushantuo Formation in Well-ZD-2

4.3 儲集空間特征

頭頂石剖面陡二段孔隙度平均為2.09 %，滲透率平均為0.000 8×10-3μm2；秭地2井陡二段孔隙度平均為2.27 %；滲透率平均為0.001 2×10-3μm2。說明孔隙度和滲透率相對較低，屬于低孔—特低孔、特低滲型儲層。

秭地2 井掃描電鏡結(jié)果顯示陡二段主要發(fā)育納米級有機質(zhì)孔隙和微米級粒內(nèi)孔隙，其中有機質(zhì)孔隙介于50～300 nm，形狀一般為不規(guī)則狀；粒內(nèi)孔隙大小1～5 μm，呈橢球狀或不規(guī)則狀，微裂縫常見，大小一般為納米級（圖6）。相較一般頁巖，層理及頁理不發(fā)育，鏡下可見微裂縫，裂縫寬度30～100 nm，分布不規(guī)則。

圖6 秭地2井陡山沱組微孔隙、微裂縫特征Fig.6 Characteristics of micro-pores and micro-fractures of Doushantuo Formation in Well-ZD-2

4.4 含氣性特征

秭地2 井1 295.46～1 431.06 m 鉆遇陡山沱組黑色炭質(zhì)泥質(zhì)白云巖時均獲顯著的含氣性顯示：水浸實驗均劇烈起泡，點火試驗均成功燃燒，火焰呈淡藍色，顯示甲烷含量較高。陡山沱組二段等溫吸附分析含氣量為0.64～1.51 m3/t，解吸氣最高含量達0.92 m3/t，總含氣量最高達1.67 m3/t（圖4）。

針對剖面樣品甲烷等溫吸附結(jié)果表明，在8.70 MPa的壓力下吸附氣量值1.17 m3/t，與秭地2 井陡二段等溫吸附結(jié)果相近，與解析結(jié)果相吻合（圖7）。

圖7 頭頂石剖面陡山沱組甲烷等溫吸附曲線Fig.7 Methane isothermal adsorption curve of Doushantuo Formation in Toudingshi Section

5 討論

頁巖氣含量主要由游離氣、吸附氣和溶解氣組成，一般溶解氣占比重極小，以游離氣和吸附氣為主。

其中游離氣以頁巖層理、頁理間孔隙和微米至納米級孔隙、微裂縫為主要儲集空間，并受地層壓力控制。頭頂石剖面及秭地2 井陡山沱組二段樣品巖性以黑色炭質(zhì)泥質(zhì)白云巖為主，非傳統(tǒng)頁巖，其層理、頁理等儲集空間較不發(fā)育，孔隙度均為2%左右，滲透率也僅為0.001×10-3μm2級別?？紤]到秭地2井含氣層埋深僅1 300～1 400 m，且為常壓地層，因此其游離氣聚集條件較為不利。

吸附氣主要受黏土礦物和有機質(zhì)含量影響。較多的黏土礦物和較高的TOC含量可以帶來更多的納米級孔隙，大大提升礦物的比表面積。在秭地2井樣品中黏土礦物含量不高，平均不到15%對含氣量影響較為有限，但其TOC隨深度變化曲線與總含氣量隨深度變化曲線高度吻合（圖8）。秭地2 井TOC含量與含氣性關(guān)系研究表明，總含氣量與TOC含量明顯呈正相關(guān)性，關(guān)系式為y=0.799 9x+0.039 5（R2=0.647）。因此TOC含量是陡山沱組二段含氣性的主控因素。此外剖面和鉆井樣品的Ⅱ1 型干酪根在Ro值介于2.8%～3.1%高過成熟度條件下在生氣過程中可產(chǎn)生更多的納米孔隙從而提高了礦物比表面積，為吸附氣提供了更多的儲集空間。

圖8 秭地2井TOC與總含氣量關(guān)系Fig.8 Relation between TOC and total gas content in Well-ZD-2

6 結(jié)論

1）頭頂石剖面陡山沱組發(fā)育一套局限臺地—臺地邊緣相沉積。其中陡二段為臺盆—臺盆邊緣相沉積，可劃分出3 個三級層序（ZSQ2—ZSQ4），并可進一步劃分出3個海侵體系域（TST）和3個高位體系域（HST）。

2）陡山沱組二段以高白云石含量（平均67.3%）的碳質(zhì)泥質(zhì)白云巖—碳質(zhì)白云質(zhì)泥巖為主要巖性組合。巖性致密、孔滲性能較差，層理和裂縫較不發(fā)育，游離氣儲集空間少；但礦物粒間孔、有機質(zhì)孔等納米級孔隙和微裂縫較發(fā)育，吸附氣儲集空間豐富。

3）陡山沱組二段含氣性主要受有機質(zhì)豐度控制，吸附于高過成熟度干酪根大量發(fā)育的納米級有機質(zhì)孔中的吸附氣是該常壓層段頁巖氣的主要組成部分。