湖北省上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组页岩气地质条件分析及有利区带预测

刘　安，包汉勇，李　海，危　凯，李继涛，曾雄伟

（1.中国地质调查局武汉地质调查中心，武汉430205；2.中国石化江汉油田勘探开发研究院，武汉430223）

湖北省上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组页岩气地质条件分析及有利区带预测

刘安1，包汉勇2，李海1，危凯1，李继涛1，曾雄伟1

（1.中国地质调查局武汉地质调查中心，武汉430205；2.中国石化江汉油田勘探开发研究院，武汉430223）

本文在调查和总结湖北省页岩气地质调查成果资料基础上，分析了湖北省上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组页岩气地质条件。湖北省O3w-S1l富有机质页岩分布和TOC主要受到古隆起的控制，富有机质页岩在古隆起边缘或古隆起之间的坳陷区发育，其中鄂西水下古隆起西部、黄陵隆起东北部、神农架古隆起北部富有机质页岩厚度多大于40 m，TOC大于2%，页岩成熟度一般为2%～3%。O3w-S1l富有机质页岩孔隙度多小于5%，石英矿物含量较高。页岩含气性受保存条件的影响较大，湖北地区页岩气保存条件相对较差，局部构造稳定地区含气性较好。综合分析利川复向斜、秭归盆地西部、当阳复向斜为页岩气勘探的有利区带。

湖北省；五峰组；龙马溪组；页岩气

Liu A，Bao H Y，Li H，Wei K，Li J T and Zeng X W.

Geology and Mineral Resources of South China，2016，32（2）：126-134.

页岩气是一种清洁、高效的新能源，在我国于2011年12月被列为第172个独立矿种以来［1］，我国的页岩气勘探获得了重大进展。上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组页岩是中国南方一套区域性海相页岩，具有很好的勘探潜力，并先后在四川盆地南缘的涪陵焦石坝、长宁、丁山地区获得工业突破［2-3］。与四川盆地南缘相比，中扬子页岩气勘探与研究程度低，本文主要以湖北省上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组页岩为研究对象，综合分析页岩气地质条件，预测页岩气勘探的有利区带。

1　区域地质背景

湖北省地处华中腹地，根据板块构造理论及活动论观点，大致以青峰—襄广断裂为界，本省横跨秦岭—大别造山带和扬子克拉通两个一级大地构造单元（图1）。扬子克拉通经历了加里东期—海西期稳定的扬子克拉通沉积、沉降发展阶段，沉积了一套以碳酸盐岩及碎屑岩为主的海相地层，构造相对稳定，以差异升降运动为主，构造面貌主要表现为大隆大凹。印支期以来为构造变形、变位发展阶段，早燕山期奠定了本区中、古生界的基本构造格局，为构造主要形成时期［4］。

图1　湖北省地质简图及构造单元划分图Fig.1 Geological and structure units subdivision map ofHubei Province

2　富有机质页岩成因及展布

中奥陶世末期，扬子板块进入前陆盆地构造演化阶段［5］，晚奥陶世—早志留世来自南东方向的挤压作用增强，伴随扬子周边地区古陆上隆，华南海盆不断向西迁移，使得扬子海处于半封闭的状态，海域自东南向西北逐渐加深。龙马溪组底部黑色页岩发育层位由南向北升高，例如宜昌王家湾一带黑色页岩发育的最高层位为埃隆阶中部，而神农架一带最高层位可达特列奇阶底部［6-7］，因此黑色页岩具有穿时的性质，同样龙马溪组为岩石地层单位，也具有穿时的性质。前陆盆地形成阶段，海平面具有下降的趋势［8］，五峰组与龙马溪组黑色页岩在中上扬子多处呈平行不整合接触［9］也表明水体较浅，因此该套烃源岩的发育主要是造山运动形成的滞留盆地限制了表层含氧水与深层水的混合，形成还原环境，有利于有机质富集保存，其中长期发育的坳陷区有利于富有机质页岩发育。

就湖北省而言，上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组主要受到鄂西水下古隆起、黄陵古隆起、神农架古隆起的影响。隆起带富有机质页岩厚度往往不到十米，在神农架松柏镇南、五峰红渔坪可以看到缺失五峰组硅质岩，仅数米厚暗色页岩直接覆盖在奥陶系临湘组之上。古隆起之间的坳陷或古隆起的边缘黑色页岩往往较发育。湘鄂西水下古隆起和川中古隆起之间沿着贵州习水—重庆石柱—湖北利川—重庆巫山一带上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组黑色页岩极为发育，连续黑色页岩段厚度达到40～60 m。鄂西受到前陆盆地由南东向北西迁移及黄陵隆起的砥柱作用，黑色页岩整体向北有加厚的趋势，在神农架古隆起的北部边缘房县五峰组—龙马溪组为硅质岩夹黑色炭质页岩，厚度近200 m；该带向西延伸至四川盆地北缘的城口厚度也较大［10］。黄陵隆起东北边缘当阳复向斜一带厚度也较大，一般为40～60 m，荆101井揭示了该套黑色页岩的厚度近90 m。鄂东地区该套黑色页岩的厚度相对稳定，一般为20～40 m，在鄂东南地区前陆坳陷发育时间相对长，黑色页岩厚度可达近百米（图2）。

图2　湖北省上奥陶统五峰组-下志留统龙马溪组富有机质页岩等厚图Fig.2TheorganicshalethicknessisogramofUpperOrdovicianWufengFormation-LowerSilurianLongmaxiFormationinHubeiProvince

3　富有机质页岩地球化学特征

本次研究页岩地球化学特征数据主要来自钻井，鄂西北、鄂东南没有钻井分布的地区则采用露头样品数据。

3.1有机质丰度

中扬子地区奥陶志留之交隆坳相间的古地理格局控制了龙马溪组烃源岩的分布，也影响了上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组有机质含量。石柱—利川—巫溪一带烃源岩发育，有机碳含量也较高，TOC达到2%～3%；秭归盆地西部和北缘黑色页岩TOC多大于2%，秭归盆地南缘志留系底部黑色页岩夹层TOC多小于1%。神农架隆起、黄陵隆起、鄂西水下古隆起黑色页岩不发育，TOC值也多小于1%。神农架隆起、黄陵隆起的北缘和东缘志留系页岩厚度增大，TOC也随之增大，当阳复向斜一带TOC一般大于2%，但靠近房县一带志留系龙马溪组以硅质岩为主，TOC又有降低的趋势（图3）。江汉平原及其以南志留系黑色页岩TOC为0.8%～1.2%［11］。

3.2有机质类型

上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组干酪根有机显微组分以腐泥组占优为主要特征，平均含量在80%以上，镜质组含量一般在15%～35%之间，平均为23.7%。五峰组—龙马溪组的泥页岩干酪根碳同位素在-32.04‰～-27.62‰之间，多处于-30.8‰左右，为Ⅱ2-Ⅱ1型。

图3　湖北省上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组页岩TOC等值线图Fig.3 The organic shale TOCisogramofUpper Ordovician WufengFormation-Lower Silurian Longmaxi Formation in Hubei Province

3.3热演化程度

富有机质页岩处于有效热解气范围是控制气源的重要因素，但过高的热演化程度会导致有机质炭化，有机孔塌陷，吸附能力降低［12］。目前学术界对于热演化程度Ro的上限还没有统一的认识，Ro在川南志留系分布在1.0%～3.0%，故研究页岩气评价指标未做限定［13］，而勘探研究的结果也表明含气性高的页岩段Ro往往低于3%。上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组烃源岩多处于高—过成熟演化阶段；烃源岩成熟度Ro值主要受到中新生代以来深埋藏的影响。神农架隆起、黄陵隆起带以及湖北省南边的江南—雪峰隆起带热演化程度一般较低，成熟度Ro为1.5%～2.0%，当阳复向斜志留—白垩系为持续深埋型沉积，Ro多大于2.5%。江汉盆地覆盖区在白垩纪沉积之前强烈抬升剥蚀，志留系黑色页岩的Ro一般在2%左右，目前江汉盆地钻遇下古生界的井少，志留系页岩成熟度数据少，具体变化规律不详。鄂西地区Ro等效值以大于2.0%为主，多数区域在2.0%～3.0%之间，利川复向斜建南地区以西志留系黑色页岩成熟度Ro最大超过3.5%（图4），研究区志留系页岩整体适中的热演化程度有利于生气也有利于有机孔发育。

4　储层条件

本次调查在鄂西地区实施的WZK01井页岩脆性矿物和粘土矿物的平均含量分别为51.2%、39.3%；脆性矿物以石英为主、次为长石和黄铁矿。WZK02井页岩脆性矿物和粘土矿物平均含量分别为33.38%、62.5%，具有粘土矿物含量高、脆性矿物含量低的特点，可能与龙马溪组上部黑色页岩段粘土矿物整体偏高有关。河页1井富有机质页岩段X射线荧光录井结果显示，石英含量为47.0%～85.5%，平均值63.1%；长石含量为2.0%～22.1%，平均值7.9%；碳酸盐矿物含量为1.0%～15.1%，平均值2.0%；黄铁矿含量为0.7%～10.3%，平均值2.8%；粘土矿物含量为9.2%～36.3%，平均值24.1%，其中以伊利石含量最高［14］。恩施、城口龙马溪组剖面的泥页岩中石英含量分布在34.6%～97.8%，平均值为61.3%；碳酸盐矿物基本未见；粘土矿物含量分布在 3.2%～62.1%，平均值为34.5%；黄铁矿含量较少，分布在1.2%～2.4%，平均值仅为1.4%；粘土矿物含量分布在20.63%～29.86%，平均值为27.2%，主要有伊/蒙混层（I/S）、伊利石（I）和绿泥石（C），其中伊利石含量最高［15］。

WZK01井页岩样品的孔隙度在5%左右，WZK02井页岩样品孔隙度多小于1%。河页1井2139.0～2165.0 m井段中（五峰组顶部—龙马溪组底部）页岩孔隙度最大为6.5%，最小为1.52%，平均值为3.0%，渗透率为0.2×10-3μm2［14］。恩施白果坪龙马溪组剖面中的2个露头样品测试显示，页岩孔隙度为3.15%和4.92%。鹤峰地区龙马溪组页岩孔隙度分布于0.47%～2.58%，平均值为1.23%，渗透率分布于0.004～1.64×10-3μm2［15］。因此上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组黑色页岩具有低孔低渗的特点。

图4　湖北省上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组页岩Ro等值线图Fig.4 The organic shale RoisogramofUpper Ordovician WufengFormation-Lower Silurian Longmaxi Formation in Hubei Province

5　保存条件

5.1埋深条件

五峰组底部的埋深主要依据地层剖面测量的厚度和残余地层展布推测，在江汉盆地覆盖区参考了地震剖面。鄂东南崇阳—通山冲断带、鄂东北巴洪冲断带页岩埋深较浅，一般为1000 m左右；江汉平原地区志留系龙马溪组黑色页岩因深埋在白垩系断陷盆地之下，深度多在4000 m以上，当阳复向斜呈南北向延伸的白垩系断陷盆地，志留系黑色页岩埋深为3000～4000 m。鄂西地区秭归盆地、利川复向斜核部均为侏罗纪前陆盆地，发育数千米深的陆相碎屑岩沉积，志留系黑色页岩埋深也超过4000 m，但在利川以北、秭归盆地周缘，志留系黑色页岩埋深一般为2000～3000 m。鄂西中央山复背斜、花果坪复向斜、宜都—鹤峰复背斜埋深等值线多呈NE向延伸密集分布，背斜、向斜相间发育，深度变化大，背斜志留系黑色页岩埋深多在1000 m以下，或目的层已被剥蚀；向斜目的层埋深多在2000～3000 m（图5）。

5.2页岩的顶底板条件

页岩的顶、底板条件是页岩气保存条件评价的另外一个重要参数，就工区上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组黑色页岩段而言，其顶板一般为数百米厚的龙马溪组泥岩、粉砂质泥岩，顶板条件好。底板为中上奥陶统瘤状灰岩、泥质灰岩、钙质泥岩，一般由下而上灰岩中泥质含量有增多的趋势，底板条件也较好。

图5　湖北省五峰组底部埋深等值线图Fig.5 Bottomdepth isogramofWufengFormation in Hubei Province

5.3断裂及构造改造

湖北省境内自印支期以来受到北部秦岭—大别、南部江南—雪峰两个造山带的影响，南北边缘受到造山带的影响最为强烈。秦岭—大别造山带强烈挤压推掩发生在晚侏罗纪—早白垩纪，侏罗纪前陆盆地被挤压破坏并成为逆冲推掩体系的组成部分；逆掩断褶带的主体为北西向，向南延伸为北北西向逆冲褶皱带。江南—雪峰造山带印支—燕山期的脆性挤压褶皱带可能继承了前期的韧性带再活动，形成了南东向北西不断推进的北东向逆冲褶皱带。沃玉进［16］以地质结构类型为依据讨论了中扬子地区油气保存条件，不同构造带的断裂活动、褶皱变形差异较大，对油气的保存条件影响也不同。其中监利—通山、当阳—京山单层叠瓦构造区地层剥蚀强烈，断层规模大，多为通天断层，保存条件差。同属单层叠瓦构造区的江汉盆地北部因为白垩纪—新生代构造反转及碎屑岩的覆盖，保存条件会在一定程度上得以重建。江汉盆地南部双层断褶反转区的断层多为散逸断层，后期构造反转的陆源碎屑沉积物厚度大，可以形成二次生烃和保存系统重建。鄂西双层滑脱断褶结构滑脱层深度较大，断层多为散逸断层，总体保存条件较差，仅在区域盖层残存的局部地区具有较好的保存条件（图6）。

6　含气性

页岩的含气性是页岩气地质条件评价的重要方面［17］，目前湖北地区还没有发现海相商业性气田，页岩含气性数据相对较少。远安的荆101、102井获得了较好的效果，井深超过3000 m，平均含气量分别达到4.2 m3/t、3 m3/t。巴东野三关香龙山背斜实施的WZK02页岩气浅钻有微弱的气显示，现场解吸有一定的含气性，但气体成分也是以氮气为主；河页1井深度近2200 m，总含气量仅为0.5～1.6m3/t［14］，解吸气含量更低。而在仙女山走滑断裂带附近，靠近断裂压性构造环境下，秭归杨林地区的WZK06页岩气浅钻深度仅200 m，现场解吸获得可燃气体含量为0.5～1.2 m3/t，表明不同构造环境下，含气性差异较大。总体而言稳定地区、压性构造环境、张性构造环境页岩的含气性有逐渐变差的趋势。

图6　中扬子地区地质结构类型分布图（据沃玉进［16］修改）Fig.6 Distribution ofthe geologic configuration types in the middle Yangtze region（after Wo［16］）

7　页岩气有利区带预测

页岩气有利区带预测一般综合分析页岩的形成环境、TOC、Ro、厚度、埋深、保存条件、含气量等指标获得［18］。本区域调查研究程度较低，综合上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组页岩气地质条件认为鄂东北当阳—京山一带、鄂西南秭归盆地周缘及其以西地区、利川复向斜地区页岩气地质条件相对较好（图7）。

鄂东南、鄂东北地区页岩相对发育，但构造上属于江南冲断带、巴洪冲断带，断层极为发育、地层较破碎，抬升剥蚀严重致使该套泥岩的保存条件差。

当阳—荆门一带当阳复向斜志留系之上发育上古生界、中生界盖层，后期的抬升剥蚀有限，目的层埋深一般为3000～4000 m，且页岩有机质含量高，TOC＞2%的厚度可达到40m以上，保存条件较好。

江汉盆地覆盖区古生界构造复杂，且埋深多大于4000 m，页岩气地质条件差。

秭归盆地及其以西地区晚奥陶世—早志留世为浅水陆棚—深水陆棚沉积相带，黑色页岩较发育，五峰组—龙马溪组发育一套或两套黑色页岩，其中下部连续黑色页岩段厚度多在30 m以上，有机碳含量都在2.0%以上，一般为2.3%～3.2%，平均值为2.45%；泥页岩等效镜质体反射率Ro分布于2.5%～3.0%，处于过成熟演化阶段；且上覆三叠系区域性盖层，保存条件相对较好。

利川复向斜在湖北省境内从利川—建始西一带五峰—龙马溪组暗色泥岩厚度较大，一般多大于30 m，且多上覆三叠系盖层，向斜的地层产状平缓，地下水总矿化度较高，属交替阻滞带，受外来流体影响和破坏较小，为勘探的有利区带。该带向北经重庆巫山一直延伸到巴洪冲断带前缘为上奥陶同五峰组—下志留统龙马溪组页岩气勘探有利区带。

鄂西中央山复背斜、花果坪复向斜、宜都鹤峰复背斜页岩的厚度一般小于30 m，且多为紧闭的褶皱，盖层剥蚀后仅残留在向斜的核部，区域上没连成片，页岩气保存条件差。仅在鄂西南靠近重庆局部地区页岩气地质条件相对较好。

图7　湖北省上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组页岩气有利区带预测Fig.7 The shale gas favorable area distribution for Upper Ordovician WufengFormation-Lower Silurian Longmaxi Formation in Hubei Province

8　结论

湖北省上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组富有机质页岩主要分布在鄂西水下古隆起西侧利川复向斜、黄陵隆起东缘当阳复向斜、神农架隆起北缘等地，厚度一般为40～60 m，而古隆起带该套黑色页岩一般为10～20 m。

富有机质页岩有机碳含量一般为1%～3%，有机质类型以Ⅱ型为主，成熟度为高—过成熟，整体上隆起带具有低有机碳含量、低成熟度特征。

上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组富有机质页岩的石英矿物平均含量超过60%，孔隙度多小于5%，属于低孔低渗型储层；不同构造环境下，含气性差异性较大，稳定地区、压性构造环境、张性构造环境页岩的含气性逐渐变差，当阳复向斜获得的含气量超过4 m3/t。

综合考虑页岩气地质条件，初步圈定利川复向斜、秭归盆地西部、当阳复向斜为湖北省上奥陶统—下志留统龙马溪组页岩气勘探的有利区带。

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LI UAn1，BAO Han-Yong2，LI Hai1，WEI Kai1，LI Ji-Tao1，ZENG Xiong-Wei1

（1.Wuhan Center of China Geological Survey，Wuhan 430205，China；2.Exploration and Development Research Institute of SINOPEC Jianghan Oilfield，Wuhan 430223，China）

Analysis of the Shale Gas Geological Conditions of the Upper Ordovician Wufeng Formation-Lower Silurian Longmaxi Formation in Hubei Province and Predict the Favorable Zone.

We analysis the geological conditions of shale gas at the bottom of the Upper Ordovician Wufeng Formation-Lower Silurian Longmaxi Formation in Hubei Province，based on field geology investigation and previous studies of shale gas in Hubei Province.The distribution of black shale ofO3w-S1land its TOC were controlled by paleohigh；The black shales were thicker between the paleohighes or on the margin of paleohighes，The balck shales thickess is more than 40 m in West of Hubei submarine high，Northeast of Huangling paleohigh，North of Shennongjia paleohigh，and with TOC more than 2%，Ro between 2%to 3%.The porosity is less than 5%，with high content ofbrittle minerals such quartz.The gas content is controlled bypreservation condition，and most area of Hubei Province with bad preservation condition，structure stable area is better in gas content.Lichuan synclinorium，west of Zigui basin，Dangyang synclinorium are the favorable area zones for shale gas exploration in Hubei Province.

Hubei Province；Wufeng Formation；Longmaxi Formation；shale gas

中图分类法：P534.42；P618.13A

1007-3701（2016）02-126-09

10.3969/j.issn.1007-3701.2016.02.004

2016-03-22；

2016-05-29.

中国地质调查局“武陵—湘鄂西页岩气资源调查评价（12120114049801）”、“湖北宜昌—保康地区页岩气基础地质调查（1210115005701）”项目资助.

刘安（1981—），男，硕士，从事油气地质调查与研究，E-mail：globstar@163.com.