李 海,刘 安,危 凯,李继涛
(中国地质调查局武汉地质调查中心,武汉430205)
鄂西地区寒武系黑色页岩地质特征及页岩气远景预测
李海,刘安,危凯,李继涛
(中国地质调查局武汉地质调查中心,武汉430205)
通过对野外地表露头、钻井岩心及典型剖面等基础资料的分析,从烃源岩品质、生烃演化阶段、储层特征和保存条件四个方面入手,阐述了鄂西地区寒武系黑色页岩的地质特征,采用综合信息叠合法预测了页岩气资源远景区。结果表明:寒武系牛蹄塘组黑色页岩分布广,厚度大,有机碳含量(TOC)高,有机质类型好,热演化程度高,具备良好的生烃潜力;在宣恩—鹤峰和宜昌—宜都一带,受构造活动改造弱,黑色页岩埋深适中,盖层分布连续,断裂不发育,流体封闭性强,可作为页岩气勘探的有利远景区。
寒武系;黑色页岩;地质条件;页岩气远景;鄂西地区
Li H,Liu A,Wei K and Li J T.
Geology and Mineral Resources of South China,2016,32(2):117-125.
湖北地区寒武系黑色页岩主要富集层位为岩家河组和水井沱组[1](湖北省岩石地层命名),其中岩家河组在区域上相变明显、分布范围有限,本文将以水井沱组为重点研究对象。按照中国地层年代表划分,中国南方早—中寒武世时期形成的黑色页岩跨越了两个统,各地区对其命名和时代界定都还有一定争议和差别,但为了方便统一对比,并且页岩气文献资料中多以“牛蹄塘组”来命名[2-7],后文中将要论述的水井沱组也将以牛蹄塘组代替。
自2008年国土资源部初步提出扬子地区为我国页岩气远景区以来,多家企业和科研单位先后在鄂西地区开展过页岩气资源调查评价工作,部署钻探了河页1井、恩页1井、利页1井、来地1井和秭地1井等多个参数井,最终优选出鹤峰和来凤—咸丰两个页岩气探矿区[8]。研究表明,寒武系牛蹄塘组和志留系龙马溪组是鄂西地区目前最有希望突破的两套主力页岩层位,随着相邻重庆涪陵地区龙马溪组页岩气已进入工业开采阶段,区内页岩气勘探工作逐步深入。但因热演化程度、构造复杂和埋藏深度等条件所限,以往的调查工作多偏重于龙马溪组展开,针对牛蹄塘组页岩气的钻探部署和综合研究相对滞后,系统地页岩气成藏地质条件研究存在一定不足。因此,本文在收集整理已有资料的基础上,结合近两年的野外调查工作,通过对牛蹄塘组黑色页岩的烃源条件、生烃演化阶段、储集性能和保存条件分析,预测页岩气远景区,以期为研究区页岩气勘探开发提供参考。
鄂西地区包括现在行政区划上秭归、长阳、五峰、恩施、利川等10余个县市,总面积约42万km2。在大地构造位置上处于中扬子西部,其东以天阳坪断裂为界与江汉平原区分隔,西以齐岳山断裂为界与川东褶皱带相接,南以省界与桑植—石门复向斜分隔。受多期造山运动的影响,区内地形复杂、山高谷深,发育以北东向为主的“隔槽式”褶皱单元[9],由西北向东南依次为利川复向斜、中央复背斜、花果坪复向斜、秭归复向斜和宜都—鹤峰复背斜(图1)。地层以古生界和中生界为主,普遍缺失新生界,除泥盆系和石炭系之外,从震旦系到侏罗系地表均有出露。
2.1页岩厚度
通过野外剖面观测和钻井资料分析,鄂西地区牛蹄塘组在纵向上可大致分为两段:下段是黑色页岩发育的主体部位,岩性为灰黑色—黑色炭质页岩和炭质泥岩,见灰岩透镜体;上段地层中灰岩比例增加,页岩逐渐减少直至消失,但是该段在地层中所占的比例由东向西逐渐降低、甚至消失。其中,宜昌长阳鸭子口牛蹄塘组厚度243.1 m,黑色页岩累计厚度76.45 m;长阳流溪牛蹄塘组厚度213.5 m,黑色页岩段累计厚度76.45 m;鹤峰白果坪牛蹄塘组厚度130.2 m,黑色页岩累计厚度112.7 m。据武汉地调中心“武陵—鄂西页岩气资源调查评价”项目组在长阳乐园钻探的ZK03井,牛蹄塘组黑色页岩厚度为92 m;宜都聂家河钻探的ZK05井,牛蹄塘组黑色页岩厚度为56 m。老井复查结果显示,咸丰地区咸2井牛蹄塘组岩性以炭质页岩、黑色页岩为主,累计厚度约240 m;钻探于鹤峰西北部湾潭构造上的FD1井显示,牛蹄塘组厚226.5 m,黑色页岩累计厚度120 m。
总体而言,寒武系牛蹄组黑色页岩厚度在平面上基本呈环带状分布,最高值位于宣恩—咸丰一线,厚度分布在160~280 m,以此为中心向四周逐渐减薄,向西北至建始、利川一带变为80~100 m,向东至宜昌—长阳一带逐渐进入碳酸盐台地相区,黑色页岩厚度多在60 m以下(图2)。
图2 鄂西地区牛蹄塘组黑色页岩厚度平面展布特征Fig.2 Distribution characteristic ofblack shale ofNiutitaugFormation in western Hubei Province
2.2有机碳含量
系统选取了黑色页岩样品进行有机碳含量测试,有机碳测试在中国地质大学(北京)能源实验室完成,测试仪器为LECO碳硫仪。结果显示,长阳鸭子口牛蹄塘组泥页岩的有机碳含量(TOC)都在3.0%以上,分布在3.09%~8.96%之间,主要集中于3.48%~5.29%,平均值为4.78%;宜昌乐天溪剖面的泥页岩有机碳含量(TOC)都在1.0%以上,分布在1.14%~5.37%之间,主要集中于1.4%~3.86%之间,平均值为2.72%;长阳津洋口剖面的泥页岩有机碳在0.94%~7.34%,多数都在2.0%以上,平均值为3.50%;鹤峰白果坪剖面中泥质岩有机碳含量分布在0.87%~15.04%,平均值为3.62%。此外,武汉调查中心在长阳乐园钻探的ZK03井中泥页岩有机碳含量在0.99%~9.45%,平均值2.97%;据江汉油田老井复查资料,位于咸丰县的咸2井中泥页岩有机碳含量分布于0.23%~9.40%,多数大于2.0%,平均值为4.52%;钻探于五峰湾潭构造的峰地 1井中泥页岩有机碳含量分布于 0.92%~9.72%,平均值为3.64%。
分析可知,鄂西牛蹄塘组有机碳含量基本都在1.0%以上,主要集中在1.5%~5.4%之间,最高可达15.04%,具备较好的生烃潜力。在纵向上,牛蹄塘组底部的黑色页岩有机碳含量普遍较高(TOC>2.0%),从底部到黑色页岩消失的层段有机碳含量表现出明显的降低趋势。在平面上,有机碳含量呈现出环带状分布特征,与厚度分布较吻合,表明受沉积控制作用明显,高值区位于宣恩—咸丰一线,由此高值区向西至利川、向北东到巴东—秭归—长阳一带有机碳含量逐渐降低(图3)。
图3 鄂西地区牛蹄塘组有机碳含量等值线图Fig.3 The isopach map oforganic carbon ofNiutitangFormation in western Hubei Province
2.3有机质类型
由不同来源有机质形成的干酪根,其性质和生烃潜能存在很大差别,为有效判别牛蹄塘组黑色页岩中的有机碳类型,将综合干酪根显微组分和碳同位素信息进行分析。李艳霞[10]对包括鄂西地区在内的中扬子地区牛蹄塘组干酪根镜下观察发现,泥页岩中的生烃生物主要为褐藻、线叶植物、红藻和蓝藻,显微组分包括藻类体、动物碎屑和沥青,其中藻类体较多,占总有机显微组分的41%,说明其为有机质的主要来源。通过对不同地区黑色页岩取样分析发现,鹤峰杨家坪剖面中泥页岩干酪根显微组分中腐泥组+壳质组的平均含量为85.0%;其次为镜质组分,在10.3%~17.0%之间,平均为13.6%;长阳鸭子口剖面泥页岩干酪根显微组分中腐泥组+壳质组的平均含量为73.3%,其次为镜质组分,在23.7%~29.0%之间,平均为25.7%。此外,干酪根碳同位素测试结果显示,长阳鸭子口和宜昌黄牛岩剖面中泥页岩的δ13C基本都在-28‰以下,分布在-32.97‰~-28.02‰;鹤峰走马剖面中泥页岩的δ13C分布在-32.76‰~-27.89‰。由此说明,牛蹄塘组泥页岩的有机质类型为Ⅰ型[11](腐泥型干酪根)。
随着沉积有机质被保存埋藏,当温度和压力达到一定条件时,有机质开始成熟进入生烃阶段[12],正确界定页岩所处的生烃演化阶段对页岩气资源前景具有重要意义。镜质体反射率(Ro)是业内研究有机质热演化程度的关键指标,但由于下古生界海相地层中的沉积有机质多来源于海洋中的低等生物,干酪根中缺少镜质体组分,加之长时间的埋深和热演化,很难在镜下精确区别各组分的差别。因此,在实际操作过程中都是首先获得某种光性与成熟度具有较好相关性的显微组分的反射率(如沥青、几丁虫、笔石等),进而通过经验公式换算获得等效的镜质体反射率来表征有机质的热演化程度[13-15]。
长阳鸭子口牛蹄塘组剖面中,黑色页岩的Ro等效值为2.56%和2.67%;宜昌黄山洞牛蹄塘组剖面中黑色页岩中的有机质极细,测点数仅为4~7个,Ro等效值为2.73%、2.75%和2.87%,仅具有一定参考价值;秭归庙河地区牛蹄塘组的Ro等效值为3.10%;鹤峰地区泥页岩的Ro等效值分布于2.6%~3.5%,平均值为3.12%,高值位于西南部;位于中央背斜李子溪构造上的李2井,牛蹄塘组泥页岩Ro等效值高达4.7%;钻探于湖北咸丰构造上的咸2井,下寒武统牛蹄塘组Ro等效值分布于3.30%~3.45%,平均值为3.37%;钻探于宣恩洗马坪构造上洗1井,牛蹄塘组Ro等效值平均达3.06%;位于利川复向斜中的利1井,牛蹄塘组泥页岩Ro等效值为2.73%。
总体而言,鄂西地区寒武系牛蹄塘组有机质成熟度较高,一般在2.7%~3.4%之间,平均值为3.0%,主要处于过成熟生干气阶段。有机质热演化高值区位于鄂西的咸丰东南部—鹤峰一带,等效镜质体反射率普遍大于3.2%,向周边逐渐降低。同时,受黄陵背斜隆升的影响,有机质成熟度由宜昌—长阳一带的低值区向周围又呈现出逐渐增大的趋势(图4)。
图4 鄂西地区牛蹄塘组Ro平面分布特征Fig.4 The isopach map oforganic matter maturityofNiutitangFormation in western Hubei Province
长阳两河口剖面中的2个露头样品测试显示,页岩孔隙度为2.71%和5.27%[16];长阳鸭子口牛蹄塘组页岩孔隙度为6.0%,咸丰马河坝牛蹄塘组页岩孔隙度为6.5%[17];据国土资源部第二轮页岩气招标区块资料,鹤峰区内牛蹄塘组泥页岩孔隙度为0.80%~3.72%,平均值为2.06%,渗透率分布于0.006×10-3μm2~1.47×10-3μm2。通过实地采样观察发现,鹤峰走马地区牛蹄塘组页岩颗粒较为致密,孔隙类型以次生溶孔为主,连通性较差,局部溶蚀孔隙被硅质和粘土矿物充填(图5)。
付小东等[18]对中扬子地区牛蹄塘组黑色页岩的矿物组成分析表明,黑色页岩中粘土矿物含量多在15%以下,在少数剖面可达40%左右,平均含量为9.3%;石英与长石类矿物总含量平均达83.2%,其中石英含量分布在31.0%~99.9%,平均值为74.9%。通过野外露头和钻井岩心分析发现,鹤峰走马地区牛蹄塘组页岩以石英矿物为主,基本都在55%以上,平均值为65.2%;粘土矿物含量分布在10.37%~24.25%,平均值为17%。长阳乐园ZK03井中牛蹄塘组页岩以石英矿物为主,基本都在37%以上,平均值为41.2%;粘土矿物含量分布在8.4%~35.8%,平均值为18.4%;长石矿物含量在2.1%~12.1%,平均值为6.7%;方解石含量在3.4%~25.7%,平均值为10.92%;白云石矿物含量在7.9% ~18.2%,平均值为11.75%;黄铁矿含量在6.3%~12.8%,平均值为8.85%;宜都聂河ZK05井中牛蹄塘组页岩石英矿物含量相对较低,分布在16.7%~50.6%,平均值为31.72%;粘土矿物含量分布在19.9%~37.2%,平均值为24.79%;长石矿物含量在3.4%~12.8%,平均值为5.89%;方解石含量在0% ~27.5%,平均值为15.3%;白云石矿物含量在5.6% ~44.7%,平均值为16.67%;黄铁矿含量在0%~10.9%,平均值为8.85%;(图6)。
图5 鹤峰县走马地区牛蹄塘组泥页岩孔隙特征Fig.5 Micropore characteristics ofNiutitangFormation black shale in Zouma,HefengCounty 左.蜂窝状溶孔;右.较大的溶孔(0.1mm).
与美国页岩气商业开发核心区相比,中国南方自古生代以来经历了加里东期、海西—印支期、早燕山期和晚燕山—喜山期四个构造演化阶段,多旋回、多期性的构造叠加使得区内原生油气藏大都遭受改造和破坏,这也决定了保存条件成为页岩气富集的关键所在。但由于影响页岩气保存的地质因素较多,详细讨论此项内容的文献已经发表,在此不再赘述,将主要以构造单元为研究对象,分析不同地区的页岩气保存条件。
5.1利川复向斜
利川复向斜地区受构造运动影响较弱,地表出露地层为上古生界,多为三叠系,局部甚至可见侏罗系。牛蹄塘组埋深多大于3500 m,其上覆区域盖层为厚度大、分布面积广的二叠系—中生界泥质岩层,并且发育抗破坏性较强的中寒武统膏岩,具有良好的盖层条件。区内在漫长的地质历史时期中几乎没有张性正断层活动,区域断裂活动以挤压为主,向斜腹地内断层不发育,页岩气保存条件良好。依据水文地质条件由东南向西北逐渐变好的规律,推测向斜区内页岩层系处于交替阻滞—交替停止带,受渗入水影响较弱,流体封闭性能较好[19]。但是,此区内牛蹄塘组埋深太大,并且缺少地质资料,目前来看具有较大的勘探风险。
5.2中央复背斜
中央复背斜紧邻彭水—建始大断裂,整体构造褶皱强烈,隆升幅度和剥蚀强度较大,富有机质页岩多处于浅埋藏状态,深度多在1000 m以浅,特别是在中央复背斜的南侧,受构造隆升影响强烈,后期地层剥蚀总厚度大于4000 m,地表广泛出露下古生界,上覆盖层条件破坏严重。此外,区内断裂发育,地表多以正断层为主,并且活动期次频繁,背斜轴部的多级断层切穿了寒武系牛蹄塘组黑色页岩,在地表水的交替溶蚀作用下,页岩气保存条件遭受一定破化,不利于页岩气聚集。
图6 ZK03和ZK05钻井牛蹄塘组黑色页岩矿物组分Fig.6 The mineral composition ofNiutitangFormation black shale in ZK03 and ZK05 well
5.3花果坪复向斜
花果坪复向斜地表主要出露志留系—三叠系,且,且以二叠系为主,牛蹄塘组黑色页岩都埋藏较好,深度都在1000 m以下。尤其是在中北部的长岭岗、朝阳坡、河涝子和三岔等地区,断裂不甚发育,切割层位为泥盆系和二叠、三叠系;地表大面积分布二叠系—中生界,并且发育中寒武统的膏岩层,具有较好的盖层条件;据水文地质资料显示,区域水动力场属于受大气渗水影响较小的沉积承压水动力系统[20]。总体上看,花果坪复向斜带保存条件良好,尤其是在中北部地区的向斜腹地,页岩气保存条件优越。
5.4秭归复向斜
秭归复向斜处于构造环境相对稳定的地区,除在香龙山背斜及其东侧的五龙褶皱带出露古生界,地表广泛分布三叠系和侏罗系,牛蹄塘组在背斜周缘埋深在2500m以浅,其它地区基本都大于3500 m。区内主要发育北北东向、近东西向和北西向三组断裂,前两组分布在香龙山背斜地区,常呈等距线性排列,且规模较大;北西向断裂主要分布于五龙褶皱带的东段,一般规模较小,常沿次级褶皱轴线平行展布,局部形成破碎带,以逆断层为主[21]。因此,在目前的勘探技术条件下,区内背斜周缘埋深适中、断裂影响较小的地带适合进一步开展页岩气勘探。
5.5宜都-鹤峰复背斜
宜都—鹤峰背斜带地表出露以下古生界为主,局部甚至可见震旦系,地下水与地表水的交替程度大;此外,东部地区断裂十分发育,具有多期活动特征,早期表现为压性断裂,局部断层发生正反转,断层活动使保存系统开启,不利于页岩气的保存。但在宜都—鹤峰背斜带中部的五峰—庙岭地区,构造幅度低缓,断裂以压扭、逆断层为主,多数断裂切割止于上志留统,页岩地层埋深基本在1500 m以下,区域水动力场属于沉积承压水动力系统,相对于供、泄水区保存条件变好[19],有利于牛蹄塘组页岩气的保存。
综合利用黑色页岩地质特征和保存条件分析认为,建始—彭水断裂带以西,靠近四川盆地地区的牛蹄塘组富有机质泥岩的底板条件变差,埃迪卡拉系灯影组古岩溶发育,且牛蹄塘组埋深较大,因此最有利的区域分布在建始—彭水断裂以东的地区。进一步研究认为,牛蹄塘组页岩气勘探有利区位于宣恩—鹤峰一带:该区内早寒武世牛蹄塘期为陆棚边缘—盆地沉积相带,是黑色页岩厚度的高值区,其中牛蹄塘组下部为富有机质页岩的发育层段,累计厚度至少为100 m;有机碳含量都在3.0%以上,主要分布在3.23%~5.12%;泥页岩等效镜质体反射率Ro分布于3.0%~3.4%,处于过成熟演化阶段。构造平缓带地层倾角为5°~10°;地表出露地层以奥陶系—志留系为主,上覆盖层条件完整,并发育中寒武统的膏岩层,盖层条件完好;区域上构造变形较弱,远离大型断裂构造,保存条件较好,具有良好的勘探潜力。此外,据武汉地质调查中心“宜昌—保康页岩气资源调查评价”项目组在土城部署的宜地2井在牛蹄塘组获得重要突破,气体显示强烈,现场解析气含量较高,由此认为黄陵背斜东南缘至宜都一线也是牛蹄塘组页岩气有利区带(图7)。
图7 鄂西地区牛蹄塘组页岩气勘探远景区预测Fig.7 The favorable areas ofNiutitangFormation in western Hubei area
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LI Hai,LI UAn,WEI Kai,LI Ji-Tao
(Wuhan Center of China Geological Survey,Wuhan 430205,China)
Geological Characteristic of Cambrian Black Shale and Prediction of Shale Gas Prospective Area in Western Hubei Province.
Through the analysis of basic data such as field surface outcrops,drilling cores and typical profile,source rock quality,four items including evolution stage of organic matter,reservoir characteristic and preservation condition have been studied to illustrate the geological characteristics of Cambrian black shale in Western Hubei.It was on this basis that shale gas prospective areas were predicted using comprehensive information method.The result indicate that the Niutitang Formation of Cambrian black shale in the study area were characterized by wide distribution,great thickness,high organic content,good kerogen type,high thermal evolution degree and great hydrocarbon generation potential.In addition,the region in western Hubei,where were weakly affected by tectonic activity,well buried depth for shale,continuous distribution for cover layer,reservoir undeveloped fault-fracture and great sealing property,could be considered as favorable prospect areas for the shale gas exploration.
Cambrian;black shale;geological condition;shale gas prospective area;western Hubei Province
中图分类法:P534.41;P618.13A
1007-3701(2016)02-117-09
10.3969/j.issn.1007-3701.2016.02.003
2016-03-22;
2016-06-02.
中国地质调查局项目“武陵—湘鄂西页岩气资源调查评价(12120114049801)”和国家科技重大专项“中杨子海相高演化页岩气赋存机理与富集规律研究(2016ZX05034-001-002)”联合资助.
李海(1988—),男,工程师,主要从事油气成藏机理与页岩气资源调查评价工作,E-mail:lihai6248592@163.com.