宜城市-京山县页岩气资源调查区五峰组-龙马溪组页岩气保存条件分析

廖文魁，张 号,吴先文,胡 磊

(湖北煤炭地质勘查院，武汉 430000)



宜城市-京山县页岩气资源调查区五峰组-龙马溪组页岩气保存条件分析

廖文魁，张 号,吴先文,胡 磊

(湖北煤炭地质勘查院，武汉 430000)

宜城市-京山县调查区古生界五峰组-龙马溪组页岩发育范围广，烃源岩品质较好。通过收集近年来调查区页岩气评价项目相关资料和数据，分析了五峰组-龙马溪组页岩保存条件。结果表明：该区页岩厚度大，有机质丰度较高，生气条件较好，有机质微孔隙较多，顶底板盖层封堵性较好，具备生气、储气条件；但是由于本区岩石的裂缝发育，构造变形强烈，构造复杂，不利于页岩气的保存，这也是本区未见良好气显示的一个重要原因。

页岩气；有机碳；矿物成分；孔隙特征；微裂隙；构造

0 引言

页岩气作为一种资源量巨大的非常规清洁能源，由于在北美地区大量商业开发，已成为全世界能源勘探的热点。宜城市-京山县调查区古生界富有机质页岩发育，调查区内虽然未见良好气显示，但是本区富有机质页岩出露范围广，烃源岩品质较好。勘查显示，湖北省潜在资源量9.48万亿方，位居全国第五。本文以宜城市-京山县五峰组-龙马溪组页岩为例，以实验数据为基础对本区页岩的生气能力、储气能力及后期压力改造的潜力；探讨页岩气富集的主控因素，为后期的页岩气勘探提供借鉴。

1 地质特征

本区页岩气工作区以京山断裂为界，东北部属于大洪山叠瓦状逆冲推覆构造带，构造单元为巴洪冲断背斜中东段的大洪山台褶束(Ⅱ11-2)，为古生界组成的褶皱束，自北而南分三部分：大洪山复背斜、客店坡复向斜和杨集褶皱带；西南部为钟祥褶皱冲断带和京山冲断褶皱滑脱带，钟祥褶皱冲断带(鄂中褶断区)

(Ⅱ12)位于乐乡关-潜江复背斜的北部，构造单元为钟祥台褶束(Ⅱ12-5)，北北西向的中、新生代断陷盆地将该区分割成二凸二凹的构造格局，自西而东为：荆门地堑(断凹)、乐关乡断凸、汉水断凹以永隆河隆起。南部为沉湖土地堂复向斜北端京山冲断褶皱滑脱带之京山褶皱群(图1)[2、4]。

区内页岩主要发育在上奥陶统五峰组-下志留统龙马溪组和中二叠统孤峰组。其中上奥陶统五峰组-下志留统龙马溪组主要含页岩气层段岩性为灰黑色碳质页岩、硅质岩、硅质页岩，富含丰富的笔石化石等生物，含有机质丰度较高，页岩厚度大，分布范围广。

图1 构造纲要图Figure 1 Structural outline map

2 页岩气生储条件

2.1 有机质碳含量

页岩中的有机碳是页岩气的物质来源，总有机碳含量是评价页岩气生成与赋存条件的重要指标，众多含页岩气研究实例表明页岩气的吸附能力与页岩的有机碳含量之间存在着线性关系，因而有机碳含量是进行页岩气生成潜力及含气性评价的基本参数。

本区上奥陶统五峰组-下志留统龙马溪组厚度为87.60%～142.48m，有机碳(TOC)质量分数为0.14%～3.53%，平均值为1.72%，总体属低-中页岩气层[10]。

2.2 页岩气储层特征

页岩气储层特征描述主要参数有孔隙度、渗透率、岩石密度、孔隙结构、矿物成分等。各项指标的评价标准主要参考《页岩含气量测定方法》(SY/T 6940-2013)、《页岩气资源/储量计算评价技术规范》(DZ/T 0254-2014)，见表1。

2.2.1 岩石矿物成分

页岩储层的矿物组成除常见的黏土矿物(伊利石、蒙脱石、高岭土)外，还混杂有石英、长石、方解石、白云石、黄铁矿、菱铁矿和磷灰石等脆性矿物。研究表明，页岩气储层中黏土矿物的含量与吸附气含量有一定关系，蒙脱石等膨胀性黏土矿物不利于后期压裂的改造，石英等脆性矿物含量高有利于后期的压裂改造形成裂缝，碳酸盐矿物含量高有利于产生溶孔。因此，关于页岩储层黏土矿物的研究对页岩气勘探开发具有重要意义[8-9]。

表1 页岩气储层分类

上奥陶统五峰组-下志留统龙马溪组钻孔矿物岩石X-衍射分析结果表明，上奥陶统五峰组-下志留统龙马溪组所含主要矿物为黏土矿物和石英，含有少量长石(表2，图2)。其中黏土矿物质量分数最小值28.4%，最大值52.2%，平均值42.46%；石英质量分数最小值27.9%，最大值55.4%，平均值37.99%；长石质量分数最小值为4.4%，最大值12.9%，平均值8.8%；钙芒硝+白云石最小值为零，最大值24.4%，平均值仅有9.61%；黄铁矿等矿物质量分数最小值为1.4%，最大值7%，平均值为4.10%。总体表现为黏土矿物正常，脆性矿物偏多，利于页岩气的吸附聚集和压裂改造[10]。

表2 上奥陶统五峰组-下志留统龙马溪组矿物成分分类统计表

图2 上奥陶统五峰组-下志留统龙马溪组矿物组成三角图Figure 2 Upper Ordovician Wufeng Formation-lower Silurian Longmaxi Formation mineral composition triangular chart

2.2.2 岩石物性

页岩具有低孔超低渗的特点，孔隙度一般不超过5%，渗透率一般为10-4～10-3mD。常规仪器用于测试相对高渗砂岩，由于在岩心样品室和接口、阀门等处存在气体微渗漏，测试值容易偏高，普遍在0.001mD以上。本测定采用专门低渗岩石渗透率测试装置，仅限于页岩基质孔隙，不包括微裂缝等影响，更接近真实值，采用的仪器与国际上几个主要实验室进行盲样比对也是类似结论[7]。

根据钻孔实验数据统计，上奥陶统五峰组-下志留统龙马溪组岩石物性特征表现为低孔-特低孔特低渗(表3)。

表3 上奥陶统五峰组-下志留统龙马溪组岩石物性统计表

孔隙度为0.74%～2.05%，集中段1.02%～1.60%，平均值1.27%，其中小于2%(特低孔)的样品占89%，大于2%小于5%(低孔)的样品占11%，属于特低孔储层[10]。

渗透率为0.002 14～0.205 25mD，集中段0.010 97～0.053 71mD，平均值0.005 363mD，所有样品值均远小于1mD，属于特低渗储层[10]。

2.2.3 孔隙特征

如前所述，页岩储层的孔隙度和渗透率极低，非均质性极强，因而，页岩气藏中的游离气主要储集在页岩基质孔隙和裂缝等空间中。由于页岩中矿物组成、富有机质等独特因素的存在，页岩除基质孔隙外，天然裂缝的发育、有机质经生烃演化后的消耗而增加的大量孔隙空间以及页岩层中的粉、细砂岩夹层等，均可极大地增加页岩的实际储集空间，从而提高页岩的储气能力[5-7]。

页岩储层的储渗空间可分为基质孔隙和裂缝，一般为nm级。基质孔隙有残余原生孔隙、有机质生烃形成的微孔隙、黏土矿物伊利石化形成的微裂(孔)隙和不稳定矿物(如长石、方解石)溶蚀形成的溶蚀孔等[5-7]。

①残余原生孔隙。主要是分散于片状黏土中的粉砂质颗粒间的孔隙。这部分孔隙与常规储层孔隙相似，随埋藏深度增加而迅速减少。孔隙大小一般较小，普遍在1～10μm[5-7](图3)。

②有机质孔隙。研究认为，页岩中的孔隙以有机质生烃形成的孔隙为主。据Jarvie等人研究，有机质质量分数为7 %的页岩在生烃演化过程中，消耗35 %的有机碳可使页岩孔隙度增加49 %。有机微孔的直径一般为0.01～1 μm，形态一般为蜂窝状、条带状、块状[5-7]。

五峰组-龙马溪组有机质孔隙较发育，形态主要为蜂窝状、块状、条带状。其中蜂窝状有机质孔隙大小一般为100～300 nm；条带状有机质孔隙一般较大，大小为1～5μm[10](图4)。

③次生溶蚀孔隙。次生溶蚀孔隙的孔径多数在0.01～0.05 mm，少数在0.05～0.6 mm，孔隙一般为不规则状， 碳酸盐含量较高时易形成溶蚀孔隙。该类次生孔隙是由于有机质脱羧后产生的酸性水对页岩储层的碳酸盐矿物强烈溶蚀形成的。

五峰组-龙马溪组次生溶蚀孔隙较为发育，主要有石英粒内粒间溶孔，方解石粒内溶孔，钠长石粒内溶孔等(图5)，孔隙大小μm级[10]。

2.3 顶底板封堵条件

常规油气勘探一般将盖层分为两类， 即直接盖层和间接盖层。直接盖层是指直接覆于烃源岩之上的岩层系；间接盖层是指区域上连片分布的泥页岩或膏盐层系等，且厚度大。页岩气属于非常规油气藏，其富有机质泥页岩是典型的自身自储式层系，上奥陶统五峰组-下志留统龙马溪组顶板为下志留统(新滩组、罗惹坪组、纱帽组)页岩、粉砂质页岩、粉-细砂岩等，厚度1100～2500 m，具有良好的封盖性能；底板为奥陶系生物碎屑灰岩、砂屑灰岩、瘤状泥质灰岩、页岩等，厚度60～300 m，其中宝塔组、庙坡组、牯牛潭组、大湾组、红花园组、南津关组为较致密的瘤状泥质灰岩、生物碎屑灰岩、页岩，具有一定的封堵性能。

μm级孔隙(×1000倍)(O3w-S1l，ZK1/Ty01) μm级孔隙(×5000倍)(O3w-S1l，ZK1/Ty01)图3 上奥陶统五峰组-下志留统龙马溪组残余原生孔隙发育特征Figure 3 Upper Ordovician Wufeng Formation-lower Silurian Longmaxi Formation residual primary pore development features

多处有机质分布(×1千倍)(O3w-S1l，ZK1/Ty53) 进一步放大，有机质内有矿物诞生，有两条裂隙，最长约30um (×5千倍)(O3w-S1l，ZK1/Ty53)图4 上奥陶统五峰组-下志留统龙马溪组条带状nm级有机质孔隙(O3w-S1l，ZK1/Ty53)Figure 4 Upper Ordovician Wufeng Formation-lower Silurian Longmaxi Formation banded nanosized organic matter pores(O3w-S1l，ZK1/Ty53)

粒间孔与粒内孔，溶蚀特征明显(×2万倍)(O3w-S1l，ZK1/Ty22) 40μm溶蚀孔隙(×1000倍)(O3w-S1l，ZK1/Ty32)图5 上奥陶统五峰组-下志留统龙马溪组粒内粒间溶孔特征Figure 5 Upper Ordovician Wufeng Formation-lower Silurian Longmaxi Formation intragranular and intergranular dissolved pore features

虽然本区五峰组-龙马溪组顶板岩性多为致密性岩层，但是结合实际钻孔发现，本区下志留统各组段岩性多发育裂缝或石英脉体(方解石脉体)发育，裂缝的发育也不利于本区页岩气的保存[10]。

3 页岩气后期改造条件

3.1 裂缝

页岩储层中的裂缝多以微裂缝形式存在。其产生可能与断层和褶皱等构造运动相关，也可能与有机质生烃时形成的轻微超压而使页岩储层破裂有关。

微裂缝对页岩气储层的影响是双重的。一方面，微裂缝发育不但可以为页岩气的游离富集提供储渗空间，增加页岩气游离态天然气的含量；而且，微裂缝也有助于吸附态天然气的解析，并成为页岩气运移、开采的通道。另一方面，微裂缝发育如与大型断裂连通，对于页岩气的保存条件极为不利；地层水也会通过裂缝进入页岩储层，使气井见水早，含水上升快，甚至可能暴性水淹[8-9]。

从钻孔清水试验来看，在五峰组-龙马溪组富有机质泥页岩中，凡裂缝发育者(即使有方解石等充填)，入水冒泡则有一定量显示，页岩气显示较活跃，反映了页岩气聚集较多，推测相应页岩气藏愈富集[10]。

上奥陶统五峰组-下志留统龙马溪组微裂缝主要见于黏土、钠长石和石英中，大小200 nm(图6)。

3.2 构造

五峰组-龙马溪组含气页岩层段沉积后，工作区处于扬子大陆边缘盆地稳定发展阶段，在早泥盆世，海陆面貌发生了重大变化，秦岭-大别-桐柏隆起成陆，扬子板块也受加里东运动的影响抬升成陆，完成了两个板块的对接，扬子区普遍缺失这一地史时期的沉积。此后，海水再度入侵，继续扬子浅海盆地的发展，直至晚三叠世，受印支运动的影响，扬子板块与秦岭板块发生碰撞而隆起成陆，构造运动进入燕山旋迴。燕山运动对工作区含气页岩层段的改造甚剧，扬子板块向秦岭板块俯冲，区域上发育了一系列的逆冲推覆构造，形成规模较大的断裂，具代表性的为青寨子、京山、胡集、荆门等断裂。根据收集的资料来看：本区印支期以来的构造运动对页岩气保存有利与不利并存，但是燕山期构造运动对页岩气保存破坏较大[1-6]。

从平面上，京山断裂以北，构造变形十分强烈，对页岩气的保存十分不利。京山断裂以南，构造变形的影响相对较小，是含气页岩层段保存相对完好的地段，这一范围是：永兴镇-京山-长寿-客店-讴乐-雅口-丰乐-石龙等城镇围限的范围。

发育微裂缝，宽度200nm(×1万倍)(O3w-S1l，ZK1/Ty06) 发育微裂缝，宽度200nm(×2万倍) (O3w-S1l，ZK1/Ty06) 图6 上奥陶统五峰组-下志留统龙马溪组微裂缝特征Figure 6 Upper Ordovician Wufeng Formation-lower Silurian Longmaxi Formation microfissure features

4 结论

(1)本区五峰组-龙马溪组厚度大、分布面积广，有机质丰度较高，是页岩气的生气层；

(2)该组孔隙度为0.74%～2.05 %，平均值1.27 %，属于低孔-特低孔储层；渗透率为0.00214～0.20525 mD，平均值0.005363 mD，所有样品值均远小于1 mD，属于特低渗储层；

(3)该组残余原生孔隙、次生溶蚀孔隙和裂缝均较发育，有机质孔隙不发育。石英等脆性矿物含量高，石英质量分数为27.9%～55.4 %，平均值37.99 %；属较易压裂开采类；

(4)该组地层顶、底板具有一定的封堵性，但是裂隙、石英脉(方解石脉)的发育对页岩气的保存不利；

(5)五峰组-龙马溪组页岩微裂缝发育，本区微裂缝对页岩气储层的影响是有利的；但是本区构造变形十分强烈，不利于页岩气的保存。

[1]杨波，胡明毅,等.中扬子地区五峰组—龙马溪组页岩气储层及含气性特征[J].天然气地球科学，2013, 24(6):1274-1283.

[2]张涛，尹宏伟，贾东，等. 下扬子区构造变形特征与页岩气保存条件[J].煤炭学报 - 2013.

[3]陈尚斌，秦勇，王阳，等.中上扬子区海相页岩气储层孔隙结构非均质性特征[J].天然气地球科学, 2015, 26(8):1455-1463.

[4]郑和荣，高波，彭勇民，等.中上扬子地区下志留统沉积演化与页岩气勘探方向[J].古地理学报, 2013, 15(5):645-656.

[5]赵群，王红岩，刘大锰,等.中上扬子地区龙马溪组页岩气成藏特征[J].辽宁工程技术大学学报, 2013(7):896-900.

[6]YANG Zhenheng，TENGER，LI Zhiming，杨振恒，腾格尔，An Example of Shale Gas Selected Marine Area Model of Lower Cambrian on the Middle and Upper Yangtze页岩气勘探选区模型——以中上扬子下寒武统海相地层页岩气.Natural Gas Geoscience, 2011, 22(1):8-14.

[7]潘磊，肖贤明.上扬子地区下志留统龙马溪组页岩的孔隙特性[C].全国有机地球化学学术会议, 2013.

[8]董大忠，程克明，王社教，等.中国上扬子地区下古生界页岩气藏形成条件剖析[C].全国有机地球化学学术会议, 2009.

[9]周文，王浩，谢润成，等.中上扬子地区下古生界海相页岩气储层特征及勘探潜力[J].成都理工大学学报:自然科学版, 2013, 40(5):569-576.

[10]廖文魁 ,吴志雄, 胡磊, 等.荆门-京山地区页岩气资源远景调查总结报告[R].湖北武汉:湖北煤炭地质勘查院，2015.

Wufeng and Longmaxi Formations Shale Gas Preservation Condition Analysisin Yicheng-Jingshan Shale Gas Resources Investigation Area

Liao Wenkui, Zhang Hao, Wu Xianwen and Hu Lei

(Hubei Coal Geological Exploration Institute, Wuhan, Hubei 430000)

The shale in Paleozoic Wufeng and Longmaxi formations has widely developed in the Yicheng-Jingshan shale gas investigation area, and source rock quality is rather good. Based on investigation area shale gas assessment projects related information and data in recent years, analyzed the preservation condition in the formations. The result has shown that shale in the area has large thickness, higher organic matter abundance, better gas generation condition, more organic matter microfissures, roof, floor and overburden have better sealing ability, thus possess gas generation and preservation conditions. But because of developed fissure in rocks, stronger structural deformation in the area and complicated structures count against to shale gas preservation, thus the major reason without good gas indications in the area.

shale gas; organic carbon; mineral composition; pore features; microfissure; structure

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.06.07

1674-1803(2017)06-0039-06

廖文魁(1964—)，2011年毕业于武汉科技大学(成教)采矿工程专业，从事地质工作。

2017-04-05

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责任编辑：宋博辇