湖北省秭归盆地北缘牛蹄塘组页岩气储层特征及保存条件

谈红梅, 吴先文

(1.湖北煤炭地质局,湖北 武汉 430021; 2.湖北煤炭地质勘查院，湖北 武汉 430021)

湖北宜页1井探气成功，拉开了湖北省页岩气勘查的新篇章，从而也引起了广大地质工作者对老地层中页岩气成藏研究的兴趣。本文依托《湖北省秭归盆地及周缘页岩气资源调查评价》项目，根据露头剖面、钻井岩心采集的样品及化验分析数据，对研究区内寒武系牛蹄塘组页岩生气、储气能力、构造及保存条件进行研究，从而探讨页岩气地层、构造与保存条件之间的关系，为该区页岩气资源勘查提供依据。

1 地质概况

1.1 地层特征

研究区内出露的地层较为齐全，由老至新、从太古界至第四系均有出露，富有机质黑色页岩层系主要有四套,分别是下震旦统陡山沱组(Z1d)、下寒武统牛蹄塘组(∈1n)、奥陶统—下志留统龙马溪组(O3S1l)、二叠系上统大隆组(P3d)，这四套地层在研究区均有出露，只是埋深及厚度各不相同，而牛蹄塘组是四个层段中最厚的，其是本文研究的重点。

1.2 构造特征

秭归盆地位于大巴山构造带的东段，是侏罗纪发育较为完整的陆相沉积盆地，北接神农架隆起，东部紧邻黄陵背斜[1]。区内从左至右呈“川”字形依次发育有高桥断裂(①)、牛口周家山断裂(②)及水田坝断裂(③)，主体构造线分别为北东向、北北东向、近南北向(图1)。

图1 秭归盆地构造纲要图Fig.1 Sketch map of Zigui basin1.侏罗系;2.三叠系;3.二叠—泥盆系;4.志留—奥陶系;5.寒武系;6.震旦系;7.背斜;8.向斜;9.构造带;10.断层;11.省界;12.河流。

高桥断裂呈北东向展布，早期南东盘下降，北西盘上升，中期表现为强烈的挤压逆冲，并伴随左行平移错动，晚期表现为以张性正断层为主的特点；断裂切割基底，对区内地层破坏作用较大。牛口周家山断裂呈北北东向展布，以逆冲运动为主，兼有左行平移的特点。水田坝断裂近南北向展布，为压剪性断裂，由于强烈挤压导致断层带岩石破碎，切割较深[2]。

2 牛蹄塘组页岩特征

2.1 牛蹄塘组页岩岩性组合特征

2.1.1 岩性组合特征

牛蹄塘组页岩主要出露于秭归盆地周缘的东部、北部，岩性组合分为三段。下段(图2-c、d)主要为深灰色中层状含碳质粉晶灰岩、薄层状含碳质泥灰岩，黑色极薄层含碳质粉砂质泥岩互层,厚度20～207 m；中段(图2-b、c)黑色薄—极薄层碳质页岩、粉砂质页岩、泥质粉砂岩，下部常夹含硅质白云岩、白云岩、白云质灰岩透镜体，厚度约65～215 m；上段(图2-a)主要为深灰色薄—中层泥晶灰岩，厚度约70～208 m。

图2 牛蹄塘组岩性组合Fig.2 Lithology combination of Niutitang Formation

2.1.2 富有机质泥页岩厚度分布特征

根据地震资料及本次钻孔结果，牛蹄塘组页岩厚度大，具西厚东薄的特点(图3)，最厚达580 m，其中东部黄家河一带77 m。牛蹄塘组上段为碳酸盐岩建造，中段为碎屑岩建造，底部为含碳钙质页岩夹硅质岩及含硅质泥灰岩。牛蹄塘组富有机质泥页岩主要分布在下、中段。

2.1.3 埋深分布特征

依据研究区地震及本次钻探等资料综合分析，结合地质构造剖面,推测牛蹄塘组埋深分布特征整体呈现中间深，北、东部浅(图4)。秭归盆地最大埋深达10 000 m以上，盆地周缘埋深普遍在5 000 m以上,东部与黄陵背斜交界一带埋深分布在2 000～5 000 m之间,北部与神农架交界带埋深在1 000～5 000 m。根据已有勘探,表明牛蹄塘组在盆地北缘及东部相对较浅，是埋深适中区,宜勘探。

图3 工作区牛蹄塘组富有机质泥页岩厚度等值线图Fig.3 Contour map of organic matter in rich shale thickness of Niutitang Formation1.剖面及编号;2.井位及编号;3.等值线及数值;4.地名。

图4 工作区牛蹄塘组埋深等值线图Fig.4 Buried depth contour map of Niutitang Formation in work area1.钻孔及编号;2.工作区范围;3.等值线及数值;4.地名。

2.2 牛蹄塘组有机地球化学特征

本次共采集地表露头样46件、钻孔岩心样品35件，分析结果显示，牛蹄塘组有机碳(TOC)丰度最大值达4.72%，最小值0.26%，分布范围主要集中在0.94%～3.58%之间，平均值2.02%，总体达到高页岩气层标准。牛蹄塘组富有机质泥页岩干酪根镜检分析12项，有机质类型为Ⅰ型。镜质体反射率(Ro)最大值达3.58%，最小值2.12%，分布范围主要集中在2.82%～3.20%之间，平均值3.05%，总体为过成熟阶段。

2.3 牛蹄塘组页岩储层特征

2.3.1 矿物成分

牛蹄塘组矿物成分取钻孔样16件，分析结果显示见表1和图5。主要矿物为石英、粘土矿物和长石，含少量碳酸盐矿物和黄铁矿。其中石英含量最小值18%，最大值55%，平均值42.4%；粘土矿物含量最小值4%，最大值25%，平均值14.7%；长石含量最小值为13%，最大值45%，平均值30.5%；碳酸盐矿物含量最小值为1%，最大值57%，平均值11.6%。总体表现为脆性矿物偏多，粘土矿物略偏少，利于页岩气的吸附聚集和压裂改造。

图6 牛蹄塘组残余原生孔隙发育特征Fig.6 Characteristics of the development of residual primary pores of Niutitang formation

表1 工作区富有机质泥页岩矿物成分统计表Table 1 Statistical table of mineral composition of organic matter in rich shale

图5 牛蹄塘组矿物组成含量图Fig.5 Content diagram of mineral composition of Niutitang Formation

2.3.2 岩石物性

(1) 孔隙度及渗透率。牛蹄塘组岩石物性分析10件,其结果表明(表2)，岩石物性特征总体表现为低孔、特低渗透特点。其中孔隙度范围1.76%～3.56%，平均值2.625%；渗透率范围0.000 152～0.021 532 mD，平均值0.003 902 mD；岩石密度范围2.59～2.85 g/cm3，平均值2.676 g/cm3。

表2 牛蹄塘组岩石物性统计表Table 2 Statistics of rock property of Niutitang Formation

(2) 孔隙结构。①残余原生孔隙。牛蹄塘组仅在钻孔深部,样品中可见零星残余原生孔隙，整体发育很少。孔隙大小一般较小，普遍在1～10μm之间(图6),其主要分散于粘土矿物中的粉砂质颗粒间。②有机质孔隙。据Jarvie等人[1]研究，有机质含量为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0.01～1μm，形态一般为蜂窝状、条带状、块状。牛蹄塘组有机质孔隙不发育，仅见少量条带状有机质孔隙，有机质孔隙呈不规则状，孔径较大,一般为1～10μm(图7)。③次生溶蚀孔隙。据研究，次生溶蚀孔隙在碳酸盐矿物含量相对较高时发育。牛蹄塘组碳酸盐矿物含量偏少，所以次生溶蚀孔隙发育较少，仅见少量粒内溶孔，为不规则状，大小为纳米—微米(nm-μm)级,其中有石英粒内溶孔、方解石粒内溶孔(图8)。④无机微裂(孔)隙。页岩中的粘土矿物碎屑是源区岩石粘土矿物特征的反映。在页岩的成岩过程中，存在高岭石、蒙脱石减少,而绿泥石与伊利石增加的趋势，蒙脱石向伊利石转化也是页岩中最重要的成岩变化。随着深度的增加，当孔隙水偏碱性、富钾离子时，蒙脱石向伊利石转化，伴随体积减小而产生微孔隙。牛蹄塘组岩石中无机微裂(孔)隙很发育，具有随着深度增加，微孔隙增多、宽度变大的趋势(图9)。

2.4 牛蹄塘组页岩含气性特征

2.4.1 岩心浸水试验及现场解析

取钻孔岩心(牛蹄塘组页岩)6块，共做浸水试验6次，均无气泡显示；同时进行6次岩心现场解析测试，也无气显示。

2.4.2 等温吸附

根据牛蹄塘组等温吸附室内试验分析结果，发现吸附气含量中等,吸附气最小值0.94 m3/t，最大值2.87 m3/t，平均值1.92 m3/t。

图7 牛蹄塘组有机质孔隙Fig.7 Organic matter pore of Niutitang formation

图8 牛蹄塘组粒内溶孔特征Fig.8 Characteristics of intragranular dissolution of Niutitang formation

图9 牛蹄塘组无机微裂(孔)隙特征Fig.9 Characteristics of inorganic fissure (hole) gap of Niutitang formation

3 牛蹄塘组页岩气保存条件分析

3.1 构造运动及构造演化

秭归盆地形成前后经历过多期次构造运动，具多旋回性。宜昌运动始于中寒武世，终止于早志留世，表现为沉降并接受五峰组、龙马溪组沉积。广西运动促使扬子陆壳抬升，从而缺失了晚志留世晚期和早泥盆世早期的沉积。海西—印支旋回以地壳频繁振荡为特点，共发生了柳江、淮南、云南、东吴、印支五次地壳运动，也结束了本区海侵的历史，转入陆内沉积阶段。喜马拉雅旋回发生在新老第三纪之间，其对本区影响较小。

3.2 牛蹄塘组顶底板

牛蹄塘组地层普遍埋深在5 000 m以下，具有埋深大、上覆地层厚的特点。其直接顶板是石牌组,厚达200～290 m，主要岩性为泥质粉砂岩、泥页岩，为一套区域性盖层，总体封盖性好,且与牛蹄塘组为整合接触,有利于页岩气的保存。

牛蹄塘组直接底板为灯影组，为厚层的白云岩，致密坚硬，但溶孔、溶洞及裂隙等较发育，总体封盖性较差，为区域性较好的常规油气储层。

3.3 断层发育特征

研究区地理位置特殊，北与神农隆起相接，东与黄陵背斜相邻，造就了区内地层多扭曲叠加。尤其是高桥断裂和周口影像断裂深切基底，不仅规模宏大，而且具有多期次活动的特点，次级断裂发育，对储层及上覆地层均具有较大的破坏作用，从而增大了裂隙与裂缝，会导致页岩气不同程度的散失，不利于页岩气的保存。水田坝断裂为张性正断裂，对上覆盖层有一定的破坏作用，也不利于页岩气的保存，但影响相对前二者来说要小些。整体来看，高桥断裂以西，受构造运动影响较小，加之牛蹄塘组埋深相对较浅，是相对稳定有利的区块。

4 结论

(1) 牛蹄塘组主要分布于秭归盆地及周缘的北部和东部，有东薄西厚特点，整体厚度大，有机质丰度较高，为页岩气的形成提供良好的物质基础。

(2) 牛蹄塘组有机碳(TOC)丰度平均值2.02%，有机质类型为Ⅰ型,镜质体反射率(Ro值)主要分布在2.0%～3.0%之间，为好的烃源岩，处于过成熟阶段。

(3) 牛蹄塘组主要矿物为石英、粘土矿物和长石，含少量碳酸盐矿物和黄铁矿。其中石英含量平均值42.4%、粘土矿物含量平均值14.7%、长石含量平均值30.5%、碳酸盐矿物含量平均值11.6%。总体表现为脆性矿物偏多，粘土矿物略一般，利于后期压裂改造。

(4) 牛蹄塘组孔隙度范围1.76%～3.56%，平均值2.625%；渗透率范围0.000 152～0.021 532 mD，平均值0.003 902 mD；岩石密度范围2.59～2.85 g/cm3，平均值2.676 g/cm3。岩石物性特征总体表现为低孔、特低渗透特点。

(5) 牛蹄塘组残余原生孔隙很少，有机质孔隙不发育，粒内溶孔少量可见，但无机微裂(孔)隙很发育，具有随着深度的增加微孔隙增多、宽度变大的趋势。

(6) 研究区构造活动对页岩气保存条件影响较大，二条大断层切割基底和上覆盖层，不利于保存。但高桥断裂以西区块相对稳定，是页岩气保存条件较好区块。

参考文献：

[1] 渠洪杰,胡健民,崔建军,等.大巴山构造带东段秭归盆地侏罗纪沉积充填过程及其构造演化[J].地质学报,2009,83(9):1255-1268.

[2] 姜福杰,庞雄奇,欧阳学成,等.世界页岩气研究概况及中国页岩气资源潜力分析[J].地学前缘,2012,19(2):198-211.