鄂西鹤峰区块大隆组含页岩气地层潜力评价

许露露，刘早学，张焱林，邱艳生，段 轲

(湖北省地质调查院，湖北 武汉 430034)

0 引 言

页岩气是一种新兴的能源资源，蕴藏量十分丰富，中国在上扬子地区的四川盆地及周缘地区已经获得页岩气勘探突破[1-3]。近年来，湖北省鄂西地区页岩气调查及钻探的目的层为陡山陀组、牛蹄塘组、龙马溪组3套地层，对二叠系多套黑色岩系地层研究较少。由于鹤峰地区二叠系大隆组黑色页岩层厚度较大，横向分布稳定，具有较好的页岩气成藏地质条件。通过分析大隆组地层岩性特征、地球化学及储层特征，估算页岩气资源潜力，可为鄂西页岩气勘探开发提供依据。

1 区域地质概况

湖北鹤峰区块位于鄂西南恩施州鹤峰县境内，面积为2 306.7 km2，属扬子板块中部湘鄂西褶皱断裂带，研究区总体表现为北东向展布的两背(走马背斜、白佳背斜)、两向(鹤峰向斜、陈家湾向斜)相间排列格局，局部存在较早期东西向短轴褶皱(图1)。研究区断裂主要分为北北东及北北西向2组。区内地层从南华系至三叠系均有发育，大隆组为此次地质调查的目标层，发育晚二叠世吴家坪晚期—长兴期的沉积产物，主要分布于鹤峰-燕子向斜带、陈家湾-石灰窑向斜带周缘。研究区大隆组地层中化石较为丰富，菊石、腕足类化石最为常见[4-6]。

图1 鹤峰区块位置

2 地层特征

在研究区内共测量6条大隆组地层剖面，调查了大隆组出露面积、厚度、岩性组合特征及沉积环境。选取露头新鲜、顶底界线清晰的容美镇大溪村剖面PM010进行介绍(表1)。该剖面大隆组共分11层，总厚度为51.6 m。岩性以黑色含炭硅质岩及黑色炭质页岩为主，局部发育微晶灰岩和含炭粉砂质泥岩或泥质粉砂岩。含炭硅质岩主要分布于大隆组底部和顶部，在中部多以夹层产出。黑色页岩主要分布于大隆组中上部地层，常与硅质岩或灰岩呈互层产出，页岩中见清晰的菊石化石。微晶灰岩及含炭粉砂质泥岩主要于大隆组中部发育。通过6条地层剖面测量发现，大隆组与下伏下窑组接触界线以微晶灰岩的消失、黑色硅质岩或炭质页岩的出现为分界标志，与上覆大冶组一段以顶部黑色炭质页岩消失、大冶组黄绿色泥页岩出现为分界标志。大隆组分布稳定，厚度在50 m左右。各剖面岩性均以黑色含炭硅质岩及黑色炭质页岩为主，但微晶灰岩和粉砂质泥岩在不同剖面上发育特征不同。

大隆组沉积环境具有较大的争议性，有少数学者认为大隆组形成于大陆边缘近滨带或者局限台地相沉积环境[7-9]，认为大隆组原岩是灰岩或者白云岩，在成岩期间硅化才成为硅质岩，因此，大隆组沉积于浅海陆棚中水深较浅的区域[10]。但更多的学者认为大隆组属于较深水盆地沉积，主要沉积于浅海的下部和半深海的上部[11-13]。此次剖面测量发现大隆组下部和顶部岩性主要为黑色薄层状硅质岩及炭质页岩，沉积时水体较深，为浅海外陆棚静水还原环境。中部灰岩较多，水体较浅，为浅海内陆棚相沉积环境。通过岩性观察表明，该区大隆组由下至上经历了浅海外陆棚相—内陆棚相—外陆棚相的沉积环境演变。

表1 鹤峰县容美镇大溪村大隆组实测地层剖面

3 富页岩气地层地质特征

3.1 地层分布特征

大隆组大部分抬升地表遭受剥蚀，露头分布面积约为355 km2。整体埋深较浅，主要分布在1 000 m以下，最大埋深约为2 500 m，位于鹤峰向斜核部附近(图2)。大隆组平均厚度为50.6 m，地层分布稳定。张金川等认为连续分布面积不低于50 km2、埋深不小于500 m、单层厚度为10～30 m，为页岩气有利核心区[14]。按照此标准，大隆组的埋深、厚度及分布面积均符合有利核心区的标准。

图2 大隆组地层底界分布范围及埋深

3.2 地球化学特征

页岩气有机碳含量和成熟度是评价页岩气能否开采的重要指标，根据国土资源部发布的《页岩气资源/储量计算评价技术规范》，对采集样品进行分类统计(表2)。

表2 大隆组页岩气层有机碳和成熟度分类标准及统计结果

共采集63块样品进行实验测试，结果显示，TOC最小值为0.2%，最大值为17.3%，平均值为6.03%。TOC含量为特高和高的样品分别占58.7%和14.3%。不同岩性TOC含量统计结果显示，炭质页岩TOC平均值达到8.6%，含炭粉砂质泥岩次之，炭硅质岩为4.5%，微晶灰岩仅为0.6%。大隆组样品Ro最小值为1.8%，最大值为2.7%，平均值为2.3%。其中，4.8%的样品达到高成熟阶段，95.2%的样品达到过成熟阶段。实验分析显示，大隆组有机质类型为腐泥腐殖型和腐殖型，表明物质来源主要以海洋浮游生物为主，也接受了少量陆源生物沉积，有利于页岩气生成。

3.3 储层特征

岩石物性及矿物成分评价标准参照国土资源部发布的《页岩气资源/储量计算评价技术规范》执行(表3)。

3.3.1 矿物成分

25块样品矿物成分分析结果表明：大隆组主要矿物为石英和黏土矿物，还含少量斜长石、方解石、白云石及黄铁矿，其中，石英、长石及黄铁矿含量平均值分别为60.40%、5.58%、0.76%，黏土矿物含量平均为18.60%，碳酸盐矿物含量平均为14.70%；大隆组均以脆性矿物为主，平均为81.40%，各样品脆性矿物均达到高级别。大隆组页岩地层矿物成分与美国典型页岩地层具有可比性，黏土矿物和碳酸盐矿物含量与Barnett页岩基本相当，石英长石矿物略多，具备较好的压裂造缝条件(图3)。不同岩性的脆性矿物含量统计结果显示，灰岩中脆性矿物含量最多，不含黏土矿物，硅质岩次之，炭质页岩中脆性矿物含量最少。

表3 大隆组含页岩气储层分类标准及统计结果

3.3.2 岩石物性

共采集大隆组63块岩石样品进行孔隙度和渗透率测试。结果表明：大隆组岩石孔隙度平均为2.22%；孔隙度小于2.00%的样品占44.5%，介于2.00%～5.00%的样品占55.5%，属于低—特低孔储层；渗透率平均为0.000 8×10-3μm2，统计结果表明，所有样品均属特低渗储层。

图3 鹤峰大隆组与北美Barnett页岩矿物成分对比

3.3.3 微孔裂隙

页岩储渗空间可分为基质孔隙和裂缝。基质孔隙有残余原生孔隙、有机质孔隙、不稳定矿物溶蚀形成的溶蚀孔等。大隆组残余原生孔隙主要是由分散于片状黏土中的粉砂岩颗粒间的孔隙组成，孔隙形态以椭圆形居多，孔隙之间相互连通，孔径为5～50 μm(图4a、b)。有机质孔隙以蜂窝状、条带状为主，蜂窝状有机质孔隙多呈圆状，孔径约为0.5 μm，孔隙连通较好(图4c)，条带状有机质孔隙呈不规则状，长轴为1～2 μm(图4d)。次生溶蚀呈不规则椭圆状，主要为方解石粒内溶孔和长石粒内溶孔，方解石粒内溶孔孔径约为5 μm(图4e)，长石粒内溶孔孔径10～20 μm(图4f)。分析表明，残余原生孔隙最大，有机质生烃形成孔隙最小。微裂缝主要见于黏土和有机质中，有机质边缘裂隙较小，宽度为50～100 nm(图4g)，黏土矿物中裂缝较大，宽度约为5 μm(图4h)。

图4 大隆组基质孔裂隙类型

3.4 含气性

等温吸附模拟实验可以得到页岩储层的最大含气量，实际页岩气含气量总是小于等温吸附得到的页岩气含量。模拟实验显示，6块样品含气量最小值为1.02 m3/t，最大值为7.40 m3/t，平均值为3.76 m3/t，粉砂质页岩含气量最高，灰岩含气量最低(表4)。

表4 大隆组露头样品等温吸附测试

3.5 页岩气潜力评价

与同区寒武系牛蹄塘组及上奥陶统—下志留统龙马溪组相比(表5)，大隆组在研究区内分布面积小，埋藏浅，厚度中等，有机碳含量高，成熟度低，脆性矿物含量高，孔渗性与其他2套地层相当，吸附含气量高。通过比较发现，大隆组具备较好的页岩气生气潜力。通过体积法可以计算页岩气吸附气资源量，分布面积选取图2中埋深大于500 m的面积来计算，为355 km2；有效厚度为实测地层剖面厚度平均值，为50.6 m；页岩密度根据实验室岩石密度分析测得，为2.45 g/cm3；等温吸附气含量平均值为3.76 m3/t。计算得到鹤峰区块大隆组页岩气资源量为1 654.8×108m3，低于同区牛蹄塘组，高于龙马溪组。

表5 不同烃源岩层地质条件对比

4 结 论

(1) 鹤峰区块大隆组分布面积小，厚度稳定，与下伏地层以黑色硅质岩出现为分界标志，与上覆地层以顶部黑色页岩的消失、黄绿色页岩的出现为分界标志。岩性均以黑色炭质、炭硅质岩为主，由下至上经历了浅海外陆棚—内陆棚—外陆棚沉积环境的演变。

(2) 大隆组TOC平均值为6.03%，炭质页岩TOC平均值最高，炭硅质岩较低，灰岩最低；Ro平均值为2.29%，达到高成熟—过成熟阶段；有机质类型为腐泥腐殖型和腐殖型。

(3) 大隆组主要矿物为石英和黏土矿物，脆性矿物含量高，大隆组属于低—特低孔、特低渗储层，微孔微裂隙较发育。残余原生孔隙最大，有机质孔隙最小，有机质边缘裂隙较窄，黏土矿物裂隙较宽。

(4) 与同区寒武系牛蹄塘组及上奥陶统—下志留统龙马溪组相比，大隆组有机碳含量、脆性矿物含量及吸附气含量较高，具备较好的生气潜力，根据体积法估算页岩气吸附气资源量为1 654.8×108m3，低于牛蹄塘组而高于龙马溪组。

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