湘鄂西—鄂西渝东地区上奥陶统五峰—下志留统龙马溪组页岩气成藏条件研究

蔡 进，吉 婧，刘 莉，邓佳琪，李 凯.

(中国石化江汉油田分公司勘探开发研究院，湖北武汉 430223)

中扬子地区是我国南方海相页岩气地层的重要富集区，该区泥页岩分布广、厚度大、有机质丰富，具有广阔的资源前景，目前区内主要发育震旦系陡山陀组、寒武系水井沱组、上奥陶统五峰—下志留统龙马溪组3套海相页岩气有利层位。2010年，中国石油化工股份有限公司江汉油田在中扬子湘鄂西地区实施了志留系页岩气重点资料井—HY1井，显示出湘鄂西地区志留系页岩气良好的勘探前景[1]，同时对该层系的后续研究提供了大量的实物资料，本文将通过该井和该区大量野外露头分析化验资料进行中扬子湘鄂西—鄂西渝东地区上奥陶统五峰—下志留统龙马溪组页岩气成藏条件分析。

1 区域地质背景

本文研究区主要为杨子板块中部，襄樊-广济断裂以南、江南-雪峰隆起以北，南北分别与东秦岭-大别造山带和雪峰-江南构造带毗邻，涉及湖北省大部、湖南省西北部和重庆市东部[2]。大致以天阳坪断裂、建始-彭水断裂为界分为三个海相勘探区块：鄂西渝东区、湘鄂西区和江汉平原及周缘区(图1)，总面积约15×104km2。鄂西渝东区块位于上扬子地块川东褶皱带，属于四川盆地的一部分，区内多出露中侏罗统沙溪庙组地层，地形沟壑纵横，山高坡陡，平均地面海拔950余米[3]；湘鄂西区地表主要为灰岩出露山区，地势总体为南高北低、西高东低，贯穿全区的河流主要有长江、清江及其相关支流，平均海拔约为800 m左右；江汉平原及周缘地区地貌特征表现为南北两侧为山区，中部大部分为第四系淤积平原[4]，地势平坦，平均海拔约为30 m。

2 沉积特征研究

2.1 区域地层发育特征

湘鄂西—鄂西渝东地区志留系主要发育一套碎屑岩，其主要岩石类型包括泥岩、粉砂岩、细砂岩和泥质粉砂岩等，局部地区也发育有少量含生屑灰岩，泥灰岩等[5]。此外，还可见波痕、层理等原生沉积构造，以及生物遗迹、古生物化石等[6]。志留系泥岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩等厚度普遍在1 000 m左右，横向展布以湘鄂西的桑植—石门地区最厚，厚度达1 500 m，江汉平原地区普遍在900～1 300 m。

下志留统龙马溪组岩性为深灰色、灰黑色碳质泥岩、含碳泥页岩、粉砂质泥岩夹泥质粉砂岩，高丰度含气页岩主要分布在五峰—龙马溪组下段[7]。湘鄂西地区从西至东横向展布看，龙马溪组厚度一般150～650 m(图2)，湘鄂西地区Y1井厚650 m，HY1井钻井揭示厚度为400 m，H2井厚430 m，湖北五峰县野外露头红渔坪剖面厚度620 m。

上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组底部主要是一套硅质岩、硅质页岩、碳质泥页岩为主的沉积，代表海侵体系域；龙马溪组底部含笔石极为丰富的碳质页岩具有最大海泛期沉积特征[8]；下志留统龙马溪组中上部、罗惹坪组和中志留统纱帽组以粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、粉砂岩及细砂岩为主，向上粒度变粗，指示海水逐渐变浅，代表高水位体系域[9]。

2.2 含气页岩段沉积特征

中上扬子地区上奥陶五峰—下志留统龙马溪组总体上呈现浅海-潮坪-滨海的沉积序列，主体为陆棚-盆地相，湘鄂西—鄂西渝东地区主体为深水陆棚相，慈利—岳阳一代为浅水陆棚相(图3)。发育的岩石相类型主要为泥、页岩相、砂泥岩互层相[10]。不同岩石相类型具有不同的沉积特征，并可代表不同沉积环境(表1)。

(1)暗色碳质笔石泥、页岩相。

为黑色、深灰色碳质页岩、含碳粉砂质泥岩、页岩(图4a)，野外露头样品污手，颜色普遍较深，一般为黑色、深灰色和灰黑色，碳质含量较重，有些甚至为碳质岩，一般含有大量的笔石化石(图4b)，常见于滞留盆地和深水陆棚沉积环境中，主要分布在五峰—龙马溪组底部。

(2)含粉砂质泥岩相。

为深灰、灰色泥岩、页岩，含粉砂泥岩、页岩及粉砂质泥岩、页岩，普遍发育页理和薄层的粉砂岩条带，其层理表现为水平层理。生物化石和遗迹较少，泥岩中的碳质含量少，常见于浅水陆棚沉积环境中。

图2 湘鄂西—鄂西渝东地区五峰—龙马溪组地层厚度对比图Fig.2 Formation thickness comparison diagram of Wufeng-Longmaxi Formation in Western Hubei and Hunan-western hubei and eastern Chongqing area

图3 研究区奥陶系五峰组—志留系龙马溪组沉积相图Fig.3 The sedimentary facies diagram of Ordovician Wufeng formation —Silurian Longmaxi formation in research area

(3)暗色泥页岩和砂、泥岩互层相。

为薄层—中层状粉砂岩、细砂岩与泥、页岩的互层。常含有暗色的泥、页岩，暗色可能为原生色，风化后常呈黄灰色。在较厚的砂岩上还可以见到斜层理和小型的槽状交错层理，岩层底面见底模构造(图4c)，垂向上砂岩总体向上增厚，层数增加，表现为进积式，由于常含暗色泥岩，为深水环境下的浊流沉积。此类型主要见于龙马溪组下部，其下多发育中厚层状细砂岩[11]。横向上以湘鄂西地区多见，如石柱冷水溪、利川活龙坪、利川毛坝、宣恩两河口等地，此外在黄陵隆起的西翼的兴山建阳坪—秭归五龙一带也较发育。

3 烃源岩特征研究

3.1 泥页岩展布特征

区内在晚奥陶世五峰组—早志留世期间主要为一套浅海陆棚相碎屑岩沉积，纵向上主力烃源岩主要发育在五峰组—龙马溪组下部，局部地区志留系中统韩家店和小河坝组(湘鄂西地区为纱帽和罗惹坪组)泥岩段亦具备生烃能力，但并非所有泥质岩都具备生烃能力[12]。

根据烃源岩0.5%的有机质丰度下限标准，JS1井志留系韩家店组泥页岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩总厚208 m，其中有效烃源岩厚58 m，占该组泥页岩总厚的27.88%；小河坝组泥页岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩总厚442 m，其中有效烃源岩厚103 m，占该组泥页岩总厚的23.3%；龙马溪组从石柱冷水溪志留系剖面统计，泥页岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩总厚447.94 m，其中有效烃源岩厚大于63.7 m。

表1 中扬子地区下志留统龙马溪组主要岩相类型及特征Table 1 Main lithofacies type and characteristics of lower Silurian series Longmaxi Formation in Middle Yangtze area

图4 湘鄂西—鄂西渝东地区野外露头照片Fig.4 Photo of field outcrops in Western Hubei and Hunan-western hubei and eastern Chongqing areaa.恩施晓关龙马溪组底部碳质页岩；b.五峰红渔坪龙马溪组底部笔石页岩；c.利川毛坝龙马溪组黑色页岩与砂岩互层

上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组主要为灰黑色碳质页岩夹硅质泥页岩沉积。平面上，全区分布较稳定，厚20～70 m，湘鄂西区一般30～50 m，宣恩高罗50～60 m，龙山红岩溪厚30～40 m，红渔坪15～20 m(图5)。

图5 研究区奥陶系五峰组—志留系龙马溪组泥页岩厚度图Fig.5 The Shale thickness facies diagram of Ordovician Wufeng formation —Silurian Longmaxi formation in research area

3.2 有机质丰度

区内评价井HY1井全井段共分析有机碳样品206块，其中有机碳大于0.5%的主要集中在龙马溪组底部-五峰组，井段为2 139.4～2 165 m。该井段实验室共分析地化样43块，有机碳值分布在0.48%～5.28%(图6)，平均2.54%，其中仅两块样在1.0%以下，其余均大于1.0%，评价为较好烃源岩。

图6 HY1井奥陶系五峰组—志留系 龙马溪组TOC分析数据直方图Fig.6 Organic carbon constituent statistical histogram of Ordovician Wufeng formation —Silurian Longmaxi formation in Well HY1

3.3 有机质类型

上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组灰黑色碳质泥岩、含粉砂泥岩中干酪根显微组分主要以腐泥组+壳质组组分为主，惰质组含量很低，在1.0%以下，类型指数TI基本上为腐植腐泥型Ⅱ1，仅少量为腐泥腐植型Ⅱ2。以HY1井为例，龙马溪组含量为67.0%～77.7%，平均含量为70.7%，镜质组含量低，在22.0%～32.3%之间，惰质组含量很小，在1.0%以下，类型指数TI为腐植腐泥型Ⅱ1(图7)。

3.4 有机质成熟度

对于海相高演化区的烃源岩，镜质体反射率是评价其成熟度最主要、最有效的指标，划分标准见表2。

镜质体反射率(Ro)是国际上公认的标定有机质成熟度的指标，古生界地层干酪根组成缺乏镜质体，沥青反射率已成为表征那些缺乏镜质体而含有沥青的海相烃源岩有机质成熟度的一个重要指标[13]。可以通过测定沥青反射率换算为等效镜质体反射率来评价其有机质的热演化程度。换算公式根据刘德汉等的经验公式：Ro=0.66Rb+0.346(Rb为沥青反射率)[14]。

图7 HY1井志留系龙马溪组烃源岩 干酪根显微组分及有机质类型图Fig.7 Kerogen component and type of Silurian Longmaxi formation organic matter in Well HY1

演化阶段成熟高成熟过成熟早期中期晚期Ro(%)0.6～1.01.0～1.351.35～2.02.0～3.0>3.0油气形成阶段成油阶段凝析油—湿气阶段干气阶段

志留系各层段沥青反射率较分散，多数样品测量数据中均有异常高值及异常低值存在。从HY1井19块岩样分析结果表明，志留系龙马溪组目的层2 150～2 173 m黑色泥页岩镜质体反射率Ro介于2.6～4.8%(图8)，表明其有机质热演化程度已达到过成熟阶段,成熟度较高区域主要在湘鄂西中西部，Ro值达到3.0%以上。

4 储集特征研究

4.1 岩石矿物学特征

本区志留系为一套海相碎屑岩沉积，广泛出露在巴东地区、长阳地区、建始地区、恩施地区、宣恩地区和咸丰地区等地。龙马溪组底部普遍发育黑色碳质页岩，中下部发育一套致密灰色细砂岩，上部为灰色泥岩、粉砂质泥岩。罗惹坪组以灰色泥质粉砂岩为主夹有薄层灰岩沉积，水平层理发育；纱帽组以粉粉砂岩为主。龙马溪组矿物岩石组成主要为硅酸盐矿物(石英、长石)、其次为碳酸盐矿物、黏土及少量的黄铁矿和菱铁矿，其中石英含量为50.8%～67.7%。

湘鄂西花果坪复向斜的H2井罗惹坪组钻厚为561 m，上部为灰色泥岩为主，中部为灰色泥岩夹粉砂岩，下部为灰色粉砂质泥岩与粉砂岩互层。龙马溪组钻厚429 m，以灰-深灰色页岩、黑色碳质页岩夹粉砂岩为主。

HY1井在上奥陶统五峰—下志留统龙马溪组2 139.4～2 165 m井段， X衍射全岩分析41块(图9)，其中石英含量主要为47.0%～85.46%，平均为63.12%、长石含量主要为2.0%～22.08%，平均为7.91%、碳酸盐岩含量主要为1.0%～15.08%，平均为1.95%、黄铁矿含量主要为0.71%～10.32%，平均为2.77%；此外，黏土含量为9.25%～36.29%，平均24.1%。X衍射黏土分析17块，主要为伊利石，其中伊蒙间层平均占35%，伊利石平均占41%、绿泥石平均占24%，不含高岭石。

4.2 孔渗特征

上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组储层主要为碎屑岩，还有少量碳酸盐岩。但泥页岩本身作为页岩气储层提供储集空间，页岩储层段发育的无机孔隙主要包括粒间孔、粒内溶孔、黏土矿物晶间孔三种主要孔隙类型，无机孔隙整体孔径较大，多处于数百纳米-微米级。此外，微裂缝在志留系较为发育，HY1井上奥陶统五峰—下志留统龙马溪组(2 139.4～2 165 m)总孔隙度1.23%～1.84%(图10)，孔隙度较低。纳米级微孔隙和微裂隙发育，总体表现为低孔低渗的物性特征。

图10 HY1井奥陶系五峰组—志留系 龙马溪组实测孔隙度直方图Fig.10 Porosity constituent statistical histogram of Ordovician Wufeng formation —Silurian Longmaxi formation in Well HY1

4.3 微裂缝发育特征

志留统砂岩地层中裂缝产生的原因在于岩石的破裂，其地质成因可分为两大类，构造成因裂缝和非构造成因裂缝[15]。JS1井志留系岩芯统计总缝62条(表3)，缝密度为7.3条/米，岩芯常规分析渗透率样品43个中，有15个样品的渗透率小于0.01×10-3μm2，占总数的34.9%，分布在0.01～0.10×10～3μm2之间的样品有21个，占样品总数的48.8%；大于0.1×10～3μm2的渗透率样品7个，占样品总数的16.3%。这表明JS1井志留系储层基质渗透率低，但裂缝较发育，渗透能力较强(图11)。

表3 JS1井志留系岩心裂缝描述统计表Table 3 Statistical of Silurian of Core fissure in well JS1

图11 JS1井志留系岩心裂缝照片Fig.11 Photo of Core fissure of Silurian in well JS1

5 结论

(1)中扬子湘鄂西—鄂西渝东地区上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组属于深水陆棚沉积体系，其中五峰组—龙马溪组底部发育一套含大量笔石化石的暗色富有机质碳质、硅质页岩，平面分布广泛，厚度20～70 m，是一套较好的页岩气勘探目的层系。

(2)湘鄂西地区页岩气井HY1井上奥陶统五峰—下志留统龙马溪组分析样品测试总有机碳为0.48%～5.28%，平均值2.54%，有机质类型Ⅱ1为主，镜质体反射率为2.6%～4.8%，平均值3.44%，具备较好的有机地化条件。

(3)HY1井在上奥陶统五峰—下志留统龙马溪组2 139.4～2 165 m井段， X衍射全岩分析结果显示石英含量为47.0%～85.46%，平均为63.12%，具有较高的脆性矿物含量，有利于页岩气后期压裂改造，是较好的页岩气开发储层。