湖北省主要目的层页岩气基本地质特征

熊智勇，何金平，龙幼康，邹 威

(1.中石化江汉油田分公司，湖北潜江 433124;2.中石化江汉油田分公司勘探开发研究院，湖北武汉 430223)

0 引言

页岩气是以吸附或游离状态赋存于暗色富有机质、极低渗透率的泥页岩、泥质粉砂岩和砂岩夹层系统中，为自生自储、连续聚集的天然气藏。在页岩气藏中，富有机质泥页岩既是天然气的储集层，又是天然气的源岩。页岩气与致密砂岩气、煤层气、溶解气、天然气水合物通称为非常规天然气资源。与常规天然气相比，页岩气在成藏条件及成藏机理等方面既有相似之处，又有不同点。美国学者John B.Curtis(2002)认为页岩气系统基本上是生物成因、热成因或者二者混合成因的连续型天然气聚集，页岩气可以是储存在泥页岩天然裂隙和粒间孔隙内的游离气，也可以是干酪根和页岩粘土颗粒表面的吸附气或是干酪根和沥青中的溶解气［1］。

湖北省位于中国中部，大地构造属扬子板块中北部，跨及扬子地(陆)块、秦岭—大别造山带两个一级构造单元。北以襄广断裂为界，西以方斗山为界，南以江南隆起为界，省境扬子克拉通可划分为鄂西渝东、湘鄂西和江汉平原及周缘三个区块。研究区震旦系—侏罗系广泛发育多套富有机质的泥页岩。据前人研究及本区下古生界众多油苗、沥青等油气显示表明，这些泥页岩具有较大的生烃潜力。研究区早古生代沉积盆地和后期热演化、构造改造等与美国东部页岩气盆地相似，预示本区具较大的页岩气资源潜力，是页岩气勘探的重要领域，目前已经有J111井、JYHF-1井等2口井获得工业气流。

1 区域地质背景

研究区经晋宁运动由前震旦纪沟、弧、盆活动沉积转化为稳定的扬子克拉通及大陆边缘坳陷沉积，先后经历了加里东、海西、印支、燕山以及喜山等多期重要构造运动，沉积了震旦系—侏罗系厚达万米的海陆相地层。在不同的时期发育不同类型的盆地，震旦纪—早奥陶世发育被动大陆边缘盆地、中晚奥陶世—志留纪为前陆盆地、泥盆纪—中三叠世为克拉通坳陷盆地，以及晚三叠世—侏罗纪前陆盆地和白垩—新近纪陆内断陷盆地等多种类型的沉积盆地，不同时代沉积盆地的发展都是以早期广泛沉降、海侵而开始，以晚期大规模的隆升海退而萎缩、消亡，纵向上具有多旋回沉积的特点。

2 富有机质泥页岩发育层位

从震旦纪到早侏罗世，本区发育了广泛的海相沉积和陆相碎屑岩沉积，分布面积大，累计最大地层厚度超过10 km，形成了下震旦统(陡山沱组)、下寒武统(牛蹄塘组)、上奥陶统(五峰组)—下志留统(龙马溪组)、下二叠统(梁山组)、上二叠统(龙潭组和大隆组)、下侏罗统等6套以黑色泥页岩为主体特点的烃源岩层系。研究认为，本区与美国东部页岩气产出地区(阿巴拉契亚等盆地)具有诸多的气藏条件可比性［2］。

根据页岩气成藏机理和成藏地质因素，控制页岩气成藏的因素有:总有机碳含量、有机质成熟度、孔隙度和渗透率、岩石矿物成分、孔渗特征、地层压力、温度、优质泥页岩厚度和分布面积等。结合研究区地质特点和现有资料，经研究认为，本区页岩气主要目的层是下震旦统陡山沱组(Z1d)、下寒武统牛蹄塘组(∈1n)、上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组(O3w－S1l)和下侏罗统(J1)。这些泥页岩主要处于还原—强还原性的沉积环境，有机质含量高，普遍TOC≥2%，厚度多＞50 m，有机质热演化成熟度高，分布面积广，具有页岩气成藏的有利条件。但平面上，在鄂西、鄂东及江汉平原有较大的差异性［3－4］。

3 富有机质泥页岩层系的基本特征

3.1 侏罗系自流井组东岳庙段

3.1.1 东岳庙段地层沉积特征

侏罗纪地层主要分布于江汉平原和鄂西渝东地区。江汉平原侏罗纪碎屑岩地层中富有机质泥页岩发育较差，生烃能力弱，页岩气潜力小;鄂西渝东的利川等地位于四川盆地东部，具有形成页岩气的物质基础。

图1 鄂西渝东区侏罗系地层层序柱状图Fig.1 Sequence histogram of Jurassic formation in Western Hubei

早侏罗世是整个扬子区内陆湖沼含煤沉积盆地形成时期，整体为一个大的旋回。晚三叠世时期，受印支运动的影响，地壳发生差异升降运动，随着凹陷低洼地填平补齐和南、北缘隆升活动，湖水向四川中部收缩。早侏罗世时期，盆地内平原化程度较高，水系纵横发育，汇集呈东西向内陆浅湖沼泽，早期接受河流相碎屑沉积，晚期由于地壳沉降，形成统一的大型湖泊，接受浅湖沼泽沉积，形成粗—细—粗的沉积旋回。早侏罗世大安寨及东岳庙时期，沉积水体加深，鄂西渝东区处于浅湖—半深湖的沉积环境，沉积物以黑色、黑灰色页岩、深灰色及黑色泥岩为主(图1)，夹深灰色薄层粉砂岩、灰白色灰岩，底部介壳泥页岩发育。中—晚侏罗世，由于地壳差异隆升活动加剧湖水向西撤离，气候炎热干旱，周围山系加剧冲刷搬运，河道不断被冲积，造成盆地内粗碎屑物堆积，形成广阔的泛滥平原和山系前缘洪泛平原冲积环境，结束了湖泊沉积历史。

总体上该区自流井组东岳庙段、大安寨段以湖相泥质岩沉积为主，是富有机质泥页岩主要发育层段。

通过对比，各井之间东岳庙段地层厚度差异不大，区内东岳庙段由北向南逐渐增厚，厚度为120～150 m。其岩性按颜色可分为三段:上部颜色较浅，以灰色为主，为浅灰色泥岩夹薄层泥质灰岩;中、下部颜色较深，以深灰色、灰黑色为主，泥页岩厚40～80 m。整体上该段由上至下颜色变深，以深灰色泥页岩为主，夹少量介壳灰岩，分布稳定。

3.1.2 东岳庙段地球化学特征

通过部分探井及地面剖面的地化分析，平面上鄂西渝东地区下侏罗统东岳庙段TOC的分布由东向西增大(图2)，纵向上TOC＞1%主要分布在东岳庙段下部灰黑色、黑色页岩中，且具有自上至下逐渐增大的趋势。

在含碳质泥岩、含粉砂泥岩及灰色泥岩中干酪根显微组分主要以腐泥组+壳质组组分为主，含量为43.6% ～77.7%，镜质组含量较少，在20.0% ～32.3%之间，惰质组含量很小，在1.0%以下，类型指数TI基本上为腐植腐泥型-腐泥腐植型(Ⅱ1-Ⅱ2)。

东岳庙段泥页岩中干酪根镜质体反射率大多分布在1.0% ～1.4%，有机质以成熟阶段为主，少量达到高成熟，热演化程度适中。从平面分布看，Ro大都在1.0% ～1.2%左右，处于高成熟生气阶段，自东往西富有机质泥页岩Ro有变大趋势。

图2 鄂西渝东地区东岳庙段TOC、R o等值线图Fig.2 Contourmap about TOC、R o in Dongyuemiao Section in Western Hubei

3.1.3 东岳庙段物性特征

鄂西渝东地区下侏罗统自流井组东岳庙段孔隙及裂缝较发育，具有基质孔隙度高、渗透率低的特征。下部泥页岩岩心物性分析结果:孔隙度最小0.095%，最大6.9%，平均 2.31%，集中分布在 1.0% ～3.0%，其次为3.0% ～4.0%，＞4%的孔隙较少(图3)，含气页岩段孔隙度平均为2.35%，对应水平段泥页岩孔隙度平均为3.65%;测井解释取心段孔隙度最大为4.9%，最小为1.7%，平均为3.8%;泥页岩水平段解释结果孔隙度最大为6.9%，最小为1.3%，平均为3.6%。

东岳庙段下部泥页岩取心段渗透率最大为12.00 mD，最小0.004 mD，平均 0.589 mD，渗透率大部分 ＜0.1 mD，＞0.1 mD 的约占 30%(图 3)，含气泥页岩段渗透率平均为0.626 mD;水平段泥页岩渗透率平均为0.407 mD。

3.1.4 东岳庙段含气性

在鄂西渝东区内钻遇东岳庙段的探井中均有不同程度的气测异常显示，并多集中在该段中下部(图4)，泥页岩取心段现场岩心含气实验，普遍见针孔状气泡沿微裂缝、微孔隙连续逸出，气泡呈连续的串珠状。

针对在东岳庙段钻探的页岩气水平井测试获得工业气流，试采获得稳定产量2 000～2 450 m3/d的产能，实现了商业开采，取得了较好的效果。

图3 J××井取心段孔隙度、渗透率分布直方图Fig.3 Distribution histogram of porosity and permeability about J× ×well

3.2 下志留统龙马溪组—上奥陶统五峰组

根据野外露头剖面、钻井地层、岩性剖面、沉积构造、岩性组合垂向序列、测井曲线响应特征和分析化验资料分析，湖北省晚奥陶世五峰组和早志留世龙马溪组地层划分为盆地相、陆棚相2种沉积相类型。

湖北省大部分地区的龙马溪组底部—五峰组以深水陆棚相沉积为主，岩性主要由黑色、深灰色碳质泥、页岩、硅质岩，含粉砂、粉砂质泥页岩，粉砂岩薄层或透镜体组成，富含笔石化石，一般含黄铁矿晶粒，水平层理发育。在省境内刘家场东南地区存在一浅水陆棚沉积区或水下高地(隆起)，岩性主要以灰色含粉砂、粉砂质泥、页岩为主夹一些粉砂岩条带和薄层粉砂岩，这些区域无或缺失暗色泥页岩沉积。与深水陆棚主要区别是砂质的含量明显增加，粉砂质条带和粉砂岩夹层的数量增多。

五峰组—龙马溪组下部富有机质泥页岩分布广泛，厚度一般40～60 m，TOC含量一般1.0% ～6.0%，平均2.0% ～3.0%;灰黑色碳质泥岩、泥岩中干酪根显微组分以腐泥组为主，镜质组组分少量，惰质组和壳质组含量很低，在1.0%以下。干酪根类型主要属Ⅱ1型，占94%，Ⅱ2型仅占6%，反映烃源层有机母源以低等水生生物为主的特征。

五峰组—龙马溪组的暗色富有机质泥页岩的热演化程度主要介于2.5～3.0之间，整体处于过成熟阶段。从志留系泥质烃源岩成熟度平面分布看，有机质处于高—过成熟阶段，Ro为1.5% ～2.5%，成熟度较高区域主要分布在湘鄂西西部和北部，Ro值达到3.0%以上，仅东南部介于1.5% ～2.0%。

HY1井在下志留统龙马溪组—上奥陶统五峰组的取心过程中，见17.34 m的碳质泥页岩岩心冒气泡，上部岩心表面可见零星状气泡分布，下部岩心表面针孔状气泡相对较多，气泡最大直径可达3 mm。现场解析总含气量均 ＜1，分布范围为 0.19～0.86 m3/t，平均0.41 m3/t。

图4 鄂西渝东×××井东岳庙段含气性柱状图Fig.4 Histogram of gas-bearing properties about J× ×well in Western Hubei

3.3 下寒武统牛蹄塘组

在经过震旦纪稳定热沉降的演化阶段后，早寒武世时期扬子地块南、北两侧的拉张裂解作用再次活跃，海水快速侵入，鄂西及鄂东南地区形成台缘坳陷，而钟祥—京山地区仍为鄂中古陆，并缺失了牛蹄塘期沉积。随着海侵进一步扩大，海平面上升，鄂中古陆范围缩小。早寒武世梅树村期和筇竹寺期海侵达最大，成为包括省境在内的中国南方早古生代最大海泛期，并导致晚震旦世发育的碳酸盐台地第一次淹没。在扬子克拉通盆地中大部分地区沉积了黑色泥页岩及硅质岩，是本区发育的主要泥页岩段。

牛蹄塘组富有机质泥页岩由灰黑—黑色碳质泥页岩及灰黑色薄层泥灰岩组成，均分布于下寒武统下部。其层位分布稳定，厚度100～300 m。

分析结果表明，有机碳含量范围为 0.55% ～9.64%，平均值为3.08%，其中品质较好泥页岩(TOC＞2%)分布在牛蹄塘组下部，平面上有机碳含量一般2.0% ～3.0%，最好的分布在鄂西南部，平均有机碳为3.0% ～6.0%。

干酪根显微组分鉴定结果，牛蹄塘组灰黑色碳质泥岩、碳质页岩中干酪根显微组分主要以腐泥组为主，少量为镜质组，惰质组和壳质组含量较低，反映母质类型以低等水生生物为主的特征。干酪根类型以Ⅱ1型为主，占74%，Ⅰ和Ⅱ2型仅占6%和2%。

下寒武统热演化程度均已经达到高—过成熟演化阶段，通过牛蹄塘组沥青质反射率计算镜质体反射率(Ro)值范围为 2.89% ～4.49%，平均 3.29% ～3.56%。

3.4 下震旦统陡山沱组

震旦纪初期，地壳由南沱期后短暂的上升转为下降，海水快速上升，在冰碛物之上沉积了一套厚度不大的碎屑碳酸盐建造，构成陡山沱期的初始沉积。这次海侵短暂而迅速，沉积厚度较小。由于不均一的沉降及早期古地理的影响，在南部长阳—宜昌和北部竹溪—随南两地形成浅海滞留盆地，沉积了一套黑色碳质页岩岩系，是本区具有重要意义的一个含气页岩层段。但需要指出的是，竹溪—随南地区分布的下震旦统(江西沟组)因受后期变形变质改造及古生代岩浆活动影响，现为黑色碳质板岩或千枚岩。从热演化角度分析，基本失去了页岩气勘探的意义。荆门地区依然为碳酸盐台地，在台地周边发育一系列的小型泻湖沉积，形成含磷岩系。陡山沱晚期，海平面下降，沉积环境由盆地相逐步转变为台地相。

陡山沱组地层厚度变化较大，厚40～445 m。在鹤峰白果坪一带厚445 m，以深灰色、灰黑色泥岩、碳质页岩为主，夹深灰色灰岩。长阳王子石以薄—中层状白云岩、碳质页岩、硅质岩及磷块岩为主，厚100～160 m。宜昌花鸡坡剖面陡山沱组下部以深灰色、灰黑色页岩、粉砂质页岩、碳质页岩为主，连续厚度78.5 m;在鄂东南地区的咸宁高桥、通山岭内陡山沱组主要为黑色、灰黑色页岩，碳质页岩，硅质页岩，厚30～70 m。

暗色泥页岩主要发育在陡山沱组下部。在鹤峰白果坪剖面陡山沱组有机碳为0.74% ～2.14%，平均1.24%;宜昌花鸡坡剖面有机碳为0.45% ～1.72%，平均1.13%。平面分布看，泥页岩有机碳含量一般为1.0% ～2.0%，高值区分布在中扬子中部台缘斜坡—台盆过渡带。

陡山沱组灰黑色碳质泥岩干酪根显微组分以腐泥组+壳质组组分为主，惰质组含量低，类型指数TI基本上为腐植腐泥Ⅱ1型。宜昌花鸡坡剖面腐泥组+壳质组组分含量为66.3% ～69%，平均含量为68%，镜质组含量较低，在31% ～33.7%之间，平均含量为32%，类型指数TI为腐植腐泥Ⅱ1型;鹤峰白果坪剖面腐泥组+壳质组组分含量为68.7% ～82.0%，平均含量为76.2%，镜质组平均含量23.8%，惰质组含量在1.0%以下，类型指数TI为腐植腐泥Ⅱ1型，反映母质类型以低等水生生物为主的特征。

陡山沱组烃源岩总体演化程度较高，一般为3.0% ～3.5%，主体处于过成熟阶段。受黄陵隆起影响，江汉平原及周缘地区相对稍低，Ro值位于2.0% ～2.5%之间。

另需指出的是，2009年修筑宜昌—秭归的三峡翻坝高速公路陶家溪隧道中，在震旦系陡山沱组泥页岩中见可燃天然气显示，预示该目的层具页岩气勘探前景。

4 湖北省页岩气资源潜力

根据国土资源部“全国页岩气资源潜力调查评价及有利区优选”结果❶❶ 李玉喜、乔德武、姜文利等，全国页岩气资源潜力调查评价及有利区优选，国土资源部油气战略研究中心，2012。，采用体积法对湖北省页岩气的资源量进行计算，湖北省页岩气资源量为9.48×1012m3，可采资源量为1.5×1012m3，占全国总资源量的7.15%，排名第5位。

5 有利区预测

综合分析TOC、成熟度(Ro)、有机质类型、富有机质泥页岩厚度、分布等特征，采用多因素叠加、综合地质评价、地质类比等多种方法，对湖北省页岩气分布的有利区进行了预测。湖北省下震旦统陡山沱组页岩气有利区主要分布于保康—巴东、湘鄂西和鄂东地区;下寒武统牛蹄塘组页岩气有利区主要分布于鄂西地区;上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组页岩气有利区主要分布于鄂西渝东、湘鄂西和保康—武汉地区;下侏罗统页岩气有利区主要分布于鄂西的石柱复向斜、利川复向斜和秭归盆地。

6 结论

(1)湖北省页岩气主要勘探目的层是下震旦统陡山沱组(Z1d)、下寒武统牛蹄塘组(∈1n)、上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组(O3w－S1l)和下侏罗统(J1)，这些泥页岩具有有机质含量高，普遍TOC≥2%，厚度多＞50 m，有机质热演化成熟度高，分布面积广，具有页岩气成藏的有利条件。

(2)通过对本区泥页岩厚度、有机质丰度、成熟度、岩性组合及其分布面积分析，对比美国东部典型页岩气产出地区(阿巴拉契亚等盆地)页岩气藏地质条件，下震旦统陡山沱组页岩气有利区主要分布于保康—巴东、鄂西和鄂东地区;下寒武统牛蹄塘组页岩气有利区主要分布于鄂西地区;上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组页岩气有利区主要分布于鄂西及保康—武汉地区;下侏罗统有利区主要分布于鄂西的石柱复向斜、利川复向斜和秭归盆地。

(3)从沉积背景和成藏条件分析，研究区页岩气勘探潜力大，但受勘探程度限制，页岩气选区评价尚处于探索阶段，有待进一步研究。

［1］JohnB Curtis.裂缝性页岩含气系统［J］.李大荣，译.国外油气地质信息，2002(4):18－27.

［2］张金川，金之均，袁明生.页岩气成藏机理和分布［J］.天然气工业，2004，24(7):15 －18.

［3］蒲泊伶，包书景，王毅，等.页岩气成藏条件分析——以美国页岩气盆地为例［J］.石油地质与工程，2008，22(3):33 －36.

［4］张金川，徐波，聂海宽，等.中国页岩气资源勘探潜力［J］.新能源，2008，28(6):136 －140.