鄂西下寒武统牛蹄塘组页岩特征及页岩气富集主控因素

张焱林，段 轲，刘早学，金春爽，陈 科，罗 凡

(1.湖北省地质调查院，武汉 430034；2.中国地质调查局 油气资源调查中心，北京 100029)

随着经济的不断发展，我国能源需求越来越大，页岩油气勘探的不断突破明显地缓解了目前能源缺口不断扩大的现状。2011年，国土资源部首次完成了我国页岩气资源评价，其中湖北省页岩气地质资源量在全国排名第五[1]，表明湖北省页岩气资源勘探具有较大的潜力。

以美国Barnett页岩、Marcellus页岩和Woodford页岩等为代表的页岩气藏勘探与开发的重大成功，表明对页岩特征和页岩气富集的主控因素研究是页岩气成功勘探和开采的关键[2-4]。在中国，对页岩气的研究一直集中在上奥陶—下志留统的五峰组—龙马溪组页岩[5-13]，而对鄂西地区下寒武统牛蹄塘组页岩的研究较少[14-15]。自2015年湖北省地质调查院实施的ZD1井在鄂西秭归地区下寒武统牛蹄塘组首次发现页岩气以来，宜昌—秭归地区页岩气勘查迅速发展，并且相继取得重大发现。截至2016年底，已实施的5口页岩气调查井和2口页岩气参数井均在主要目标层牛蹄塘组取得了页岩气勘探的重要突破，可见宜昌—秭归地区下寒武统牛蹄塘组具有较大的页岩气勘探前景。

目前已经成为湖北省页岩气勘探最为热点的地区。然而，由于前人对研究区内牛蹄塘组页岩气勘探的地质条件方面缺乏系统性的调查和研究，导致对牛蹄塘组页岩特征和页岩气发育的控制因素尚不清楚。

本文综合大量野外露头、钻井、气测录井、地震、岩石矿物学分析、有机地球化学以及现场解吸等数据，开展鄂西宜昌—秭归地区牛蹄塘组页岩特征及页岩气富集的控制因素研究，以期为该地区页岩气的勘探部署提供依据。

1 地质背景

宜昌—秭归地区在大地构造上属扬子(华南)板块中北部湘鄂西褶皱带黄陵背斜南缘，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。研究区发育北西向、北北西向、北东向等不同方向断裂，主要区域性断裂有北北西向的仙女山断裂和北西向的天阳坪断裂(图1a)。

研究区地层出露齐全且连续，从元古界、古生界、中生界到新生界皆有不同程度分布。区内广泛分布多套富有机质页岩层系，主要包括下寒武统牛蹄塘组页岩和震旦系陡山沱组页岩，具有形成页岩气的物质基础[14，16]。其中下寒武统牛蹄塘组与下伏震旦系灯影组和上覆石牌组均呈整合接触，并通过岩性可将牛蹄塘组由下至上划分为3个段，即牛一段、牛二段和牛三段(图1b)。牛一段主要为深灰色含碳质灰岩与黑色极薄层含碳质泥岩互层叠置，厚度约7.6～35 m；牛二段主要为一套黑色碳质页岩(主要勘探目标层段)，水平层理发育，厚度约2～202 m；牛三段主要为一套灰色中层泥晶灰岩，厚度约16.4～250 m。

图1 鄂西宜昌地区地质背景和震旦系—寒武系地层柱状图

南方地区下寒武统牛蹄塘组主要沉积于浅水—深水陆棚环境[17-19]， 其中牛二段作为研究区内最有利的含气富有机质页岩层段，沉积于牛蹄塘组沉积的中期。根据钻井岩心、露头剖面和二维地震等资料，研究区牛二段富有机质页岩沉积期，由西南往北东方向水体逐渐变浅，其中西南部宜都—土城—石牌以西为碎屑岩深水陆棚沉积，东北部YD3井和YC1井以东为碳酸盐台地沉积，两者之间狭窄地带为台缘斜坡沉积。

2 牛蹄塘组页岩特征

2.1 富有机质页岩厚度

通过对研究区内的钻井和野外露头牛蹄塘组页岩(牛二段富有机质页岩)厚度的综合分析，编制了牛蹄塘组页岩的厚度等值线图(图2)。横向上，牛蹄塘组富有机质页岩厚度变化较大，从0～200 m不等，但研究区大部分地区富有机质页岩总厚度大于30 m，且厚度由西南往北东明显减薄(图2)。在研究区西南部的YY1井和ZD1井，牛蹄塘组富有机质页岩的厚度分别为142和125.2 m；至研究区中部的YIY1井、YD2井和ZD2井，牛蹄塘组富有机质页岩的厚度有所减薄，分别为86，76和63.3 m；至研究区北东部YD3井和YC1井，牛蹄塘组富有机质页岩的厚度减薄为3和2 m。

2.2 有机质丰度和有机质类型

根据80块样品的分析测试数据，宜昌—秭归地区牛蹄塘组页岩总有机碳含量(TOC)主要分布在1.01%～8.72%之间，平均约3.2%，且大部分样品TOC含量大于2%，该项测试在中国石化无锡石油地质研究所完成。美国主要的含气页岩的有机碳含量主要分布于2.0%～7.0%，平均为4.2%，其有机碳含量与研究区牛蹄塘组页岩类似[20]，表明研究区内牛蹄塘组页岩的总有机碳含量较高，且具有形成经济开采页岩气的潜力。纵向上，牛蹄塘组页岩TOC自下而上逐步减小，高有机碳含量段主要分布在牛蹄塘组页岩的中下部(图3)；平面上，研究区牛蹄塘组页岩的TOC主要呈现出由西南往北东方向逐步减小的趋势，西南部最高，TOC含量平均约为5%，往东北部逐渐减至近1%。

2.3 有机质成熟度

选取15块样品进行沥青反射率(Rb)的测定，并且通过公式：Ro=0.319 5+0.679 0Rb，换算镜质体反射率[20]，该项测试在中国石油渤海钻探工程公司录井实验中心完成。结果显示Ro主要分布在2.2%～2.7%，平均约2.5%，表明牛蹄塘组页岩已经进入过成熟演化阶段，以生气为主。纵向上，Ro值自下而上有略微减小的趋势(图3)；平面上，Ro整体呈现由西南往北东方向减小趋势(图4)。研究区牛蹄塘组Ro整体虽为过成熟，但是在南方地区寒武系整体演化程度较高的背景下，有机质演化程度相对适中。

2.4 矿物学特征

根据50块样品的分析测试数据，牛蹄塘组页岩主要矿物成分包括黏土矿物、石英、方解石、白云石，含少量长石、黄铁矿和石膏，该项测试在中国地质大学(武汉)地质过程与矿产资源国家重点实验室完成。其中方解石含量主要分布于12%～55%之间，白云石则分布于8%～30%之间，方解石和白云石总量的平均值达41.9%；石英含量次之，主要分布于11%～48%之间，平均为27.5%；黏土矿物含量较石英含量略低，平均为25.4%；长石和黄铁矿含量较少，平均各占4%；局部地区含少量的石膏，平均为0.1%(图5)。可见，研究区牛蹄塘组页岩的碳酸盐矿物和石英等脆性矿物的含量较高，当页岩中石英等硅质矿物和碳酸盐矿物的含量较多时，在外力作用下容易形成诱导裂缝和天然裂缝，不仅有利于游离气的富集，同时也有利于渗流作用[20-21]。

图2 鄂西宜昌—秭归地区牛蹄塘组富有机质页岩厚度

图3 鄂西宜昌地区ZD2井综合柱状图

图4 鄂西宜昌地区牛蹄塘组富有机质页岩Ro等值线

图5 鄂西宜昌地区牛蹄塘组富有机质页岩矿物组成

2.5 储层物性特征

2.5.1 孔渗特征

根据40块样品的孔隙度和渗透率分析测试数据，牛蹄塘组页岩的孔隙度分布在1.95%～4.72%之间，平均约3.62%；渗透率分布在(0.000 17～0.002 53)×10-3μm2之间，平均约0.001 04×10-3μm2，为低孔极低渗储层，该项测试在中国石油渤海钻探工程公司录井实验中心完成。美国主要的页岩气储层孔隙度一般在4%左右，渗透率(0.000 041～2)×10-3μm2，可见研究区牛蹄塘组页岩的孔隙度和渗透率与美国主要页岩气储层的孔隙度和渗透率类似，有利于页岩气的储存和渗流。

2.5.2 孔隙结构

结合氩离子抛光扫描电镜和扫描电镜的观察结果，研究区牛蹄塘组页岩孔隙类型主要有有机质孔隙、黄铁矿晶间孔、黏土矿物粒内孔、碳酸盐矿物粒内溶孔和微裂缝等(图6)。其中有机质孔隙较发育，形态主要为蜂窝状、团状、条带状等；有机质孔隙的孔径范围变化较大，从纳米级到微米级均有分布。无机矿物粒间孔隙多分布在1～12 μm，主要分散于碎屑颗粒之间。草莓状黄铁矿晶间孔，不规则状，孔径在100～900 nm。无机矿物中的不稳定矿物，如方解石和长石等，容易发生溶蚀，形成粒内溶蚀孔隙，通常呈椭球状、不规则状，孔径在0.3～1 μm。页岩中的裂缝系统对后期页岩气开发具有关键性的作用，它们不仅有利于游离气的富集，同样也是页岩气运移的主要通道，而且对后期人工诱导裂缝的形成有重要的作用[22-23]。

2.6 含气性特征

研究区内7口钻井中有5口有非常好的页岩气显示，其中ZD2井在井深754.23～817.95 m层段钻遇牛蹄塘组页岩时获显著的页岩气显示，全层段水浸实验均剧烈起泡，点火实验解吸气均成功燃烧，火焰呈淡蓝色，显示甲烷含量较高，其中解吸气最高达2.52 m3/t，总含气量最高达4.45 m3/t，平均2.15 m3/t。整体上，牛蹄塘组页岩的含气量由下至上逐渐减小，这一趋势与TOC的垂向变化趋势基本一致。上述结果表明，牛蹄塘组页岩的有机碳含量越高，其页岩的含气量越高，同时也说明牛蹄塘组页岩可能以自生气为主，同时有机质内部的有机质孔隙有大量的吸附点位，吸附了大量的天然气，使绝大部分页岩气原地保存下来[24]。

3 页岩气富集的控制因素

控制页岩气富集的因素主要有沉积古地理环境、页岩厚度、构造保存条件和矿物成分等[25-28]。根据近几年的勘探成果，结合区域资料，初步总结了宜昌—秭归地区下寒武统牛蹄塘组页岩气富集的控制因素，主要包括以下4个方面：

图6 鄂西宜昌地区牛蹄塘组孔隙特征

3.1 页岩总厚度和单层有效厚度

研究区页岩总厚度和页岩单层有效厚度与含气量的关系表明，页岩的含气量与富有机质页岩总厚度呈较明显的正相关(图7a)。在单个钻井中，页岩的单层有效厚度与页岩的含气量也具有明显的正相关。上述结果表明，页岩的总厚度和单层有效厚度越大，越有利于页岩气的富集(图7b)。

3.2 页岩沉积环境和TOC含量

垂向上，ZD2井牛蹄塘组二段有机碳含量由上至下先增大后减小，至二段中下部达最大值，与总含气量的垂向分布规律一致(图3)。平面上，研究区ZD1井、ZD2井、YY1井、YIY1井的牛蹄塘组页岩沉积于深水陆棚环境，其有机碳含量分别为2.95%，2.84%，3.05%，2.8%，且含气量均大于2.2 m3/t(图8)。然而，YD3井和YC1井的牛蹄塘组页岩沉积于台缘斜坡环境，其有机碳含量均小于2.0%，基本不含气。上述分析表明，深水陆棚环境下沉积的页岩具有较高的有机质含量，也具有较高的含气量。

3.3 微裂缝发育程度

页岩气主要包括吸附气和游离气，其中，前者主要赋存于有机质或基质表面，后者赋存于微裂缝等孔隙中。ZD1井、ZD2井等浸水实验表明，页岩凡裂缝(层间缝或页理缝、斜交缝、垂直缝)发育者(即使有方解石等充填)，不仅储集空间增大，而且入水冒泡剧烈，页岩气显示活跃，反映页岩气聚集较多，推测相应页岩气更加富集。

图7 鄂西宜昌地区牛蹄塘组页岩总厚度、ZD2井牛蹄塘组页岩单层有效厚度与总含气量的关系

图8 鄂西宜昌地区牛蹄塘组页岩沉积期沉积相和含气量关系

3.4 保存条件

野外地质调查和二维地震资料表明，研究区北部位于黄陵背斜南翼，总体为一缓倾单斜构造，地层产状平缓，倾角一般不超过20°，断裂不发育，属构造稳定区。牛蹄塘组顶底板条件也较好，顶板为厚度大的石牌组泥岩，底板为灯影组顶部天柱山段致密硅质白云岩，均具良好的封堵性。总体而言，该区保存条件良好，目前已完钻的ZD1井、ZD2井、YD2井、YIY1井、YY1井等钻井钻遇牛蹄塘组时均见显著页岩气显示或页岩气流即为佐证。

5 结论

(1)宜昌—秭归地区下寒武统牛蹄塘组页岩总有机碳含量(TOC)较高，平均约3.2%，自下而上逐渐减少，生烃能力较强；有机质成熟度(Ro)分布于2.2%～2.7%，处于过成熟演化阶段，以生气为主；石英和碳酸盐矿物是研究区牛蹄塘组页岩主要的脆性矿物，且含量较高，有利于产生天然裂缝和诱导缝。

(2)牛蹄塘组页岩的孔隙度平均约3.62%，渗透率平均约0.001 04×10-3μm2，为低孔极低渗储层；孔隙类型主要有有机质孔隙、黄铁矿晶间孔、黏土矿物粒内孔、碳酸盐矿物粒内溶孔和微裂缝等，且有机质孔隙较发育。

(3)研究区牛蹄塘组页岩的含气量与TOC的垂向变化趋势基本一致，说明牛蹄塘组页岩的有机碳含量越高，其页岩的含气量越高，同时也说明牛蹄塘组页岩以自生气为主，并绝大部分原地保存。

(4)较大的页岩单层有效厚度和总厚度、深水陆棚沉积环境、较高的有机碳含量、微裂缝发育和地层平缓且具有良好的顶底板条件是研究区牛蹄塘组页岩气富集的主要控制因素。