鄂西地区黄陵背斜周缘五峰组—龙马溪组页岩气储层及含气性特征

许露露,张焱林,陈 程,周向辉，温雅茹

(湖北省地质调查院页岩气中心,湖北 武汉 430034)

0 引 言

鄂西地区勘探实践表明，五峰组—龙马溪组为该区主要的富有机质页岩储层，具有较好的页岩气成藏潜力[1-3]。黄陵背斜周缘为五峰组—龙马溪组页岩气勘探重点地区，目前已部署多口调查井，主要分布在黄陵背斜西南缘和东缘。前人对鄂西五峰组—龙马溪组储层特征及勘探前景进行过初步分析[4-11]，但针对黄陵背斜周缘五峰组—龙马溪组页岩气储层及含气性特征研究较少，特别是西南缘与东缘储层特征及页岩气含气性的差异性研究还未见报道。该文主要利用黄陵背斜西南缘与东缘分布的调查井以及实测地层剖面资料，对研究区五峰组—龙马溪组的岩石地层及地球化学特征、储层特征及含气性特征进行了分析，阐明了研究区不同构造部位的页岩气储层及含气性的差异性特征。

1 区域地质概况

研究区在大地构造上属扬子板块中北部，北与秦岭-大别造山带接壤，西与四川盆地毗邻，东靠江南-雪峰滑脱推覆隆起带。发育黄陵结晶基底和神龙架褶皱基底2种基底类型，南华纪以来的沉积盖层则以角度不整合覆盖于基底之上，东部叠加白垩系—第四系断陷盆地构造。研究区内主要发育北北东向和北西—北北西向2组断裂。北北东向断裂属于新华断裂带，分布在黄陵背斜西缘；北西—北北西向断裂由西向东分布为仙女山断裂、天阳坪断裂、雾渡河断裂及通城河断裂。区内地层从南华系到白垩系均有发育，五峰组—龙马溪组为此次研究目的层。目前,研究区调查井主要分布在黄陵背斜西南缘及东缘，西南缘主要调查井有ZD2、巴地2、秭地3井；东缘主要调查井有远地1、宜地1、夷地1井(图1)。

2 页岩气储层特征

2.1 岩石地层特征

利用黄陵背斜东缘及西南缘调查井岩心及实测地层剖面资料，对研究区五峰组—龙马溪组岩性特征、分布范围、埋深及厚度进行了分析。研究区不同地点五峰组—龙马溪组岩性基本一致，均由含炭硅质岩、炭质页岩及粉砂岩3种主要岩性组成。现以具有较好页岩气显示的秭地3井为例，对其纵向上岩性组合特征进行精细描述(表1)。五峰组岩性为黑色含炭硅质岩夹黑色炭质页岩，笔石带发育，顶部为观音桥层，发育一层厚度为25.0 cm的碎裂石灰岩。观音桥层之上为龙马溪组，整体上可分为上下2段，均顺层发育黄铁矿层，笔石带发育。下段岩性为黑色炭质页岩，岩性均一，炭质含量较高；上段岩性为灰黑色炭质页岩夹少量薄层粉砂岩，炭质含量相对较少，岩石颜色相对较浅。新滩组地层与龙马溪组岩性渐变过渡，界线往往难以区分，因此，此次研究以炭质含量明显减少、岩石颜色明显变浅以及粉砂岩含量明显增多的部位为地层界线。

研究区五峰组—龙马溪组分布在黄陵背斜东缘及西南缘，黄陵基底及神龙架基底五峰组—龙马溪组地层已剥蚀殆尽(图2)。不同地区五峰组—龙马溪组埋深差异较大，东缘调查井相对较少，埋深为600～1 400 m。黄陵背斜东缘向东埋深逐渐增加，远安县城附近埋深超过3 000 m。西南缘秭归县—兴山县一带，埋深多超过3 000 m，局部超过6 000 m。调查井多分布在黄陵背斜西南缘秭归县以南地区，其五峰组—龙马溪组埋深为1 000～3 000 m。五峰组—龙马溪组厚度分布不稳定，分布范围为19.0～93.8 m，研究区总体上具有由南向北、由东向西厚度逐渐增大的趋势。黄陵背斜东缘厚度相对稳定，为26.1～34.8 m；西南缘厚度分布不稳定，WD2井厚度为19.0 m，而北部ZD2井厚度为93.8 m。

图1 研究区地质构造简图及调查井位置示意图

2.2 地球化学特征

采纳国土资源部发布的《页岩气资源/储量计算评价技术规范》对采集样品分析结果进行了分类统计[12]，并对研究区8口调查井及6条实测地层剖面进行了有机碳和镜质体反射率统计分析(表2)。测试结果表明：研究区五峰组—龙马溪组TOC为1.16%～2.99%，平均为2.10%，大多数样品属于高含量。将黄陵背斜东缘与西南缘地球化学特征对比发现，西南缘有机质丰度比东缘高，东缘TOC为1.32%～2.14%，平均为1.75%，总体上属于中等含量；西南缘TOC为1.86%～2.99%，平均为2.36%，总体上属于高含量。地层纵向上TOC值分布特征呈现明显的规律性，五峰组TOC为

图2 研究区五峰组—龙马溪组埋深、厚度及TOC分布

1.66%～5.39%，平均为3.73%；龙马溪组下部TOC为0.54%～4.36%，平均为1.84%；龙马溪组上部TOC为0.08%～2.06%，平均为0.60%。研究表明，五峰组TOC含量最高，龙马溪组下部次之，上部含量最低(图3)。Ro为1.09%～2.82%，平均为2.35%，总体上属于高成熟度。黄陵背斜西南缘整体成熟度值略高于东缘。研究区五峰组—龙马溪组有机质类型以Ⅱ1腐殖-腐泥型为主。

表2 研究区调查井及地层剖面五峰组—龙马溪组地球化学及储层物性统计分析

2.3 物性特征

此次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。矿物组分统计显示(表2)：黏土矿物含量为27.2%～62.5%，平均为39.2%，脆性矿物(除黏土矿物以外)含量为60.8%，达到高脆性矿物分类标准。其中，石英含量为28.4%～69.3%，平均值48.3%；长石含量为1.3%～14.9%，平均为8.0%；方解石及白云石含量为0.0～5.3%，平均为1.2%；黄铁矿的含量为0.0～13.3%，平均为3.3%。分析表明，研究区五峰组—龙马溪组以石英矿物为主，黏土矿物次之，长石及黄铁矿含量较少，方解石及白云石含量最低。研究区孔渗性研究表明，孔隙度为1.15%～3.76%，平均为2.39%，为低孔—特低孔孔隙类型；渗透率为0.000 7～0.004 8 mD，平均为0.002 0 mD，为特低渗储层类型。

图3 研究区黄陵背斜周缘调查井五峰组—龙马溪组纵向上TOC与含气量分布特征

通过场发射扫描电镜技术方法，对研究区巴地2井五峰组—龙马溪组纵向上储层微观孔隙特征进行了分析。图4a—c为五峰组炭质硅质岩成像照片，深度为1 412 m。图4a样品较致密，可见不规则状孔隙、有机质条带及霉球状黄铁矿，为显微镜下放大1 000倍。有机质条带宽度为10～15 μm，长度为40～60 μm，黄铁矿多呈霉球状，分布在有机质条带周围，数量较多，直径为1～8 μm；粒间孔隙较为发育，直径为1～2 μm。图4b为图4a有机质条带放大照片，为显微镜下放大10 000倍，照片显示发育有机质纳米孔隙，呈不规则状、椭球状，孔径多分布在200～300 nm，有机质孔隙数量分布较多，均匀分布在整个有机质条带中。图4c为有机质条带与黏土矿物混合，发育有机质纳米孔隙，椭球状、不规则状，为显微镜下放大10 000倍，有机质孔隙直径约100 nm，孔隙多集中在有机质条带中。

图4d—f为龙马溪组下部炭质页岩，深度为1 402 m。图4d为显微镜下放大1 500倍成像图片，样品较致密，可见少量粒间孔隙及少量霉球状黄铁矿，未见有机质条带；粒间孔隙孔径及数量较五峰组明显减少，黄铁矿发育程度也较五峰组明显减少。图4e为放大1 000倍成像图片，可见有机质颗粒，多呈不规则椭圆状，有机质颗粒直径为5～20 μm。图4f为图4e放大后成像照片，放大倍数为5 000倍，发育有机质孔隙，椭球状、不规则状，孔径多小于1 μm。图4g、h为龙马溪组上部含炭泥质粉砂岩，深度为1 382 m。图4g可见明显粒间孔隙，呈不规则状、椭球状，孔隙直径约为2～5 μm，有机质颗粒分布与粒间孔隙周缘，颗粒直径较小，数量较少。图4h为图4g放大，放大倍数为10 000倍，有机质颗粒发育有机质纳米孔隙，不规则状、椭球状，有机质颗粒呈椭圆状，直径约为2 μm，颗粒中发育有机质孔隙发育，孔隙直径约为100 nm，相对于龙马溪组下部炭质页岩，上部含炭泥质粉砂岩有机质颗粒直径小，有机质孔隙孔径小。

图4 研究区巴地2井五峰组—龙马溪组场发射扫描电镜

综上所述，五峰组—龙马溪组以有机质孔隙及粒间孔隙为主，地层纵向上由下至上表现出有机质条带、有机质孔隙及黄铁矿数量逐渐减少的趋势。粒间孔隙在龙马溪组上部泥质粉砂岩最最为发育，五峰组炭硅质岩次之，龙马溪组炭质页岩中最少。

3 含气性特征

页岩气富集受到页岩气形成地质条件、烃源岩及储层微观孔隙特征、构造特征及页岩气保存条件的影响[13-16]。其中目的层断裂带性质对页岩气含气性的影响较大[17-19]，微观孔隙特别是有机孔隙的发育对页岩气的富集也具有极为重要的控制作用[20-23]。3口调查井等温吸附含气性及现场解析含气性(图3)统计结果表明：3口调查井五峰组炭硅质岩等温吸附含气量(VL)最高，为2.36～3.91 m3/t,平均为3.16 m3/t；龙马溪组下段炭质页岩VL次之，为1.70～2.09 m3/t，平均为1.90 m3/t；而龙马溪组上段含炭泥质粉砂岩VL最低，为0.84～1.07 m3/t，平均为0.96 m3/t。VL与TOC分布呈现良好的正相关性，TOC值越高，VL越大。

现场解析结果显示，黄陵背斜东缘远地1井现场解析含气量(Vx)为0.13～1.19 m3/t，平均为0.62 m3/t。其中，五峰组Vx为0.13～0.64 m3/t，平均为0.44 m3/t；龙马溪组下段Vx为0.33～1.19 m3/t，平均为0.73 m3/t；龙马溪组上段Vx为0.35 m3/t。黄陵背斜西南缘秭地3井Vx为0.49～1.09 m3/t，平均为0.73 m3/t。其中，五峰组Vx为0.73～0.99 m3/t，平均为0.87 m3/t；龙马溪组下段Vx为0.51～1.09 m3/t，平均为0.73 m3/t；龙马溪组上段Vx为0.49～0.58 m3/t，平均为0.53 m3/t。巴地2井现场解析无含气量显示。现场解析结果表明，秭地3井现场解析含气量稍微高于远地1井，总体上地层纵向上Vx由高到低依次为五峰组、龙马溪组下段、龙马溪组上段，但远地1井五峰组Vx小于龙马溪组下部。

研究表明，同一调查井纵向上Vx与TOC同样呈现较好的正相关性，五峰组含炭硅质岩地层由于具有更高的TOC，有机质孔隙更为发育，因而具有更高的等温吸附气和现场解析含气量；不同调查井之间对比发现Vx与TOC不具有明显相关性，如巴地2井TOC含量高于远地1井，但含气量不如远地1井，表明研究区断裂带的发育对调查井含气性影响较大，工作区西缘呈北北东向的新华断裂带，在其周缘已实施的巴地2井及ZD2井，距离断裂带距离近，均未见气。而工作区内黄陵背斜西缘呈北西向的仙女山及天阳坪断裂，在其周缘实施的秭地3井及WD6均见到良好的页岩气显示；黄陵背斜东缘呈北西向的雾渡河及通城河断裂，在其周缘实施的远地1井及夷地1井也有较好的页岩气显示。

4 结 论

(1) 研究区五峰组以黑色含炭硅质岩夹黑色炭质页岩为特征，顶部发育25.0 cm厚的碎裂石灰岩观音桥段，龙马溪组下段为黑色炭质页岩，上段为灰黑色炭质页岩夹少量薄层粉砂岩。研究区五峰组—龙马溪组埋深为1 000～3 000 m，西部秭归—兴山县一带埋深大。厚度总体上具有由南向北，由东向西厚度逐渐增大的趋势，黄陵背斜东缘厚度较西南缘相对稳定。

(2) 研究区五峰组—龙马溪组TOC为1.16%～2.99%，有机质丰度总体上属于高含量，黄陵背斜西南缘有机质丰度比东缘高。五峰组含炭硅质岩TOC含量最高，龙马溪组上段含量最低。有机质处于高成熟度阶段，有机质类型以腐殖-腐泥型为主。

(3) 研究区五峰组—龙马溪组以石英矿物和黏土矿物为主，脆性矿物含量为60.8%，达到高脆性矿物分类标准，页岩储层多为低孔特低渗孔隙类型；微观孔隙类型以有机质孔隙及粒间孔隙为主，地层由下至上呈现有机质条带、有机质孔隙及黄铁矿数量逐渐减少的趋势。

(4) 研究区北北东向新华断裂带附近页岩气含气性较差，而北西向断裂带附近页岩气含气性较好，地层纵向上TOC与等温吸附及现场解析含气量具有较好的正相关性，五峰组含炭硅质岩地层由于具有更高的TOC含量，有机质微孔隙发育，因而具有更高等温吸附气和现场解析含气量。