中扬子地区当阳复向斜奥陶系五峰组—志留系龙马溪组页岩储层特征

范家维，陈孔全，沈均均，朱 薇，唐协华，李君军，王鹏万，张 放

(1.长江大学 非常规油气湖北省协同创新中心，武汉 430100；2.中国石油 长庆实业集团有限公司，西安 710016；3.中国石油 浙江油田分公司，杭州 310023；4.中国石油 杭州地质研究院，杭州 310023)

中上扬子地区晚奥陶世—早志留世受加里东构造运动的影响，盆山格局发生重大的转变，伴随着华夏板块向扬子板块的强烈挤压作用，古陆上升形成古隆起，周缘的川西古陆、川中和黔中隆起范围进一步扩大，与雪峰隆起和江南隆起相连，形成了古隆起带半包围的局限陆表海(陆棚)沉积环境。与此同时该时期发生2次大规模全球海侵，海平面快速上升形成欠补偿和缺氧的水体，沉积了一套分布广泛的奥陶系五峰组—志留系龙马溪组富有机质黑色笔石页岩[1-4]，该套页岩是目前海相页岩气勘探开发的重点对象。

近期的国内页岩气勘探与研究成果表明，除了上扬子四川盆地及周缘以外，在中扬子地区，五峰组—龙马溪组页岩也有较大的勘探潜力，其储层具有富有机质页岩厚度大、分布广，有机质丰度较高，热演化程度适中的特点，成为目前页岩气勘探开发的又一热点[5-9]。前人研究表明中扬子地区当阳复向斜巡检—溪前向斜带及宜昌斜坡带地层平缓，构造稳定、断裂相对不发育、目的层埋深适中，是页岩气藏保存的有利区域，具备形成较好工业产能的条件[10]。中国石油浙江油田分公司在当阳复向斜相继钻探了Y101井、Y102井、DY1井和DY2井(图1)，优质页岩层段含气量平均值分别为3.23，3.65，3.16，2.97 m3/t，具备较好含气性显示；中国地质调查局在宜昌斜坡带南端钻探了YY2井，优质页岩层段含气量分布在1.76～2.66 m3/t之间，平均2.31 m3/t，同样具备一定含气性显示。然而当阳复向斜及周缘不同地区勘探效果却差异明显，对优质页岩的发育特征及空间分布规律认识不清楚，严重制约了本区页岩气的勘探开发进程。

据此，本文以当阳复向斜五峰组—龙马溪组为研究对象，从岩石学特征、有机地球化学特征、储集空间类型及特征和含气性等方面，精细描述当阳复向斜页岩储层发育特征，明确研究区优质页岩储层在纵向上和横向上的分布及变化规律，并优选水平箱体，为该研究区下一步页岩气勘探开发提供参考。

图1 中扬子地区当阳复向斜北部构造位置及构造区划

1 区域地质背景

当阳复向斜构造位置处于中扬子地块，属于江汉盆地的次级构造单元，主体位于南漳、远安、当阳、荆门和江陵等县市境内，复向斜北到巴洪冲断背斜带为止，南靠宜都—鹤峰背斜带，西邻黄陵—神农架背斜，东邻乐乡关—潜江复背斜[10]，呈近东南至西北向展布(图1)。当阳复向斜由东向西可进一步划分为龙坪—肖堰—栗溪背斜带、巡检—溪前向斜带、峡口—远安背斜带和宜昌斜坡带等4个次级构造单元。研究区在晋宁运动时形成稳定地台后，经历了加里东期、海西期、印支期、燕山期和喜马拉雅期等构造运动，在加里东期先后接受震旦纪—早奥陶世的拉张型被动大陆边缘沉积，发育巨厚海相碳酸盐岩；到中奥陶世—晚志留世的挤压型前陆盆地充填，普遍发育暗色细粒碎屑岩，其中包括纱帽组(S2s)、罗惹坪组(S1lr)、龙马溪组(S1l)和五峰组(O3w)[11]，五峰组—龙马溪组发育暗色泥页岩的厚度为500～600 m，五峰组与下伏临湘组瘤状灰岩呈整合接触。

2 研究样品采集与分析测试

本次研究的153块岩石样品均取自中扬子地区当阳复向斜内五峰组—龙一1亚段5口取心井，其中36块来自Y101井，44块来自Y102井，48块来自DY1井，5块来自DY2井，20块来自YY2井，分别进行有机碳测定、有机质成熟度、干酪根显微组分及类型、矿物含量分析、双束扫描电镜和低温低压氮气吸附分析；现场含气量测试是在钻井现场，岩心出筒后，第一时间将岩心放入解吸罐内进行。采样钻井分布如图1所示。

文中关于有机碳测定、有机质成熟度、干酪根显微组分及类型、矿物含量分析、低温低压氮气吸附和双束扫描电镜样品的分析测试工作由中国石油西南油气田分公司勘探开发研究院地质实验室完成。X-衍射分析所用仪器为Phillips Xpert-MPD型X射线衍射仪，根据2θ角度(扫描范围在20°～40°之间)和谱峰强度确定矿物种类和含量；双束扫描电镜测试仪器为聚焦离子束发射扫描双束电镜，仪器型号为Zeiss Auriga；低温低压氮气吸附测定是根据氮气在低温低压(-196 ℃和127 kPa)条件下的超临界性质，利用美国麦克公司生产的ASAP2020比表面积与孔径分析仪器进行分析。现场含气量测试工作由中国石化江汉油田分公司勘探开发研究院石油地质测试中心完成，测试仪器为QXCS-3A型气体自动计量系统。

3 页岩储层发育特征

3.1 有机地球化学特征

3.1.1 有机质丰度

图2 中扬子地区当阳复向斜DY1井五峰组—龙马溪组页岩沉积—储层评价综合柱状图

3.1.2 有机质成熟度与类型

对Y101井5块样品、DY1井3块样品和DY2井5块样品进行沥青反射率测试，并根据前人研究成果换算为等效镜质体反射率[16]，结果表明(表1)，研究区五峰组—龙一1亚段等效镜质体反射率(EqVRo)分布在2.30%～4.05%，平均值为2.80%，处于高温、裂解气生气阶段。干酪根显微组分主要为腐泥无定形及部分惰质组，类型主要为Ⅱ2型，小部分为Ⅱ1型。在早志留世，海水中大量的浮游生物和少量的陆生植物发育，这是形成Ⅱ型干酪根的物质基础。

图3 中扬子地区当阳复向斜五峰组—龙一1亚段TOC含量横向变化特征

表1 中扬子地区当阳复向斜五峰组—龙一1亚段页岩样品有机质成熟度、类型及干酪根显微组分

井号样品编号层位深度/mEqVRo/%BRo/%组分含量/%腐泥组沥青组壳质组镜质组惰质组类型Y101Y101-1龙一1亚段4小层4 061.6 4.05 5.65 62 ---38 Ⅱ2Y101Y101-10龙一1亚段4小层4 071.2 2.68 3.57 65 ---35 Ⅱ2Y101Y101-16龙一1亚段3小层4 077.3 3.01 4.07 58 ---42 Ⅱ2Y101Y101-26龙一1亚段2小层4 087.8 2.73 3.64 52 ---48 Ⅱ2Y101Y101-33五峰组4 095.1 2.82 3.78 51 ---49 Ⅱ2DY1DY1-3龙一1亚段1小层3 497.0 2.96 3.99 76 22 --2 ⅠDY1DY1-6五峰组3 498.4 3.01 4.07 74 20 -2 4 Ⅱ1DY1DY1-14五峰组3 503.0 3.09 4.19 70 23 -2 5 Ⅱ1DY2DY2-5龙一1亚段4小层3 958.2 2.30 2.99 60 ---40 Ⅱ2DY2DY2-7龙一1亚段4小层3 962.0 2.54 3.35 58 ---42 Ⅱ2DY2DY2-11龙一1亚段3小层3 973.2 2.40 3.14 55 ---45 Ⅱ2DY2DY2-13龙一1亚段2小层3 980.0 2.46 3.23 54 ---46 Ⅱ2DY2DY2-15龙一1亚段1小层3 982.8 2.30 2.99 60 ---40 Ⅱ2

注：沥青反射率(BRo)与镜质体反射率(EqVRo)相关关系：EqVRo=0.656 9BRo+0.336 4[16]。

3.2 岩石学特征

当阳复向斜内Y101井、Y102井和DY1井128块五峰组—龙一1亚段泥页岩样品全岩X射线衍射分析结果表明，页岩矿物成分以石英、碳酸盐矿物和黏土矿物为主，长石和黄铁矿含量较少，其中黏土矿物以伊利石为主，绿泥石和伊蒙混层含量较低，成岩程度较高。具体特征如下：

图4 中扬子地区当阳复向斜五峰组—龙一1亚段脆性矿物和黏土矿物含量横向变化特征

3.3 储集空间类型及特征

3.3.1 储集空间类型

本次研究基于氩离子抛光聚焦离子束扫描电镜(FIB-SEM)对研究区五峰组—龙一1亚段页岩储集空间进行大量的系统性观察，发现该套页岩储层中储集空间类型以有机质孔隙为主，此外还发育无机孔隙和微裂缝。

有机质孔隙的形成、大小及分布与页岩中有机质丰度、类型和热演化程度有直接的关系[19]。研究区五峰组—龙一1亚段页岩有机质丰度高，热演化程度处于高—过成熟阶段，其储层储集空间类型以有机孔隙为主，有机孔隙对总孔隙起主要贡献作用。有机质大多呈团块状、条带状分布在矿物颗粒中，呈现出“千疮百孔”的形态特征，常伴生发育在黄铁矿晶粒间和石英颗粒间(图5a，b)。无机孔隙包括黏土矿物层间孔隙、黄铁矿晶间孔、颗粒边缘缝、溶蚀孔和粒内孔，在成岩作用过程中形成的黏土矿物层间孔隙常呈薄片状或纤维状，片层之间易发育狭缝型孔或楔形孔，大部分被有机质所充填，连通性好(图5c)；莓粒状黄铁矿集合体在缺氧环境下形成，内部由小的黄铁矿晶粒组成，晶间孔隙连通性较差(图5d)；在石英和白云石等刚性矿物颗粒边缘形成微孔缝，形态不规则(图5e)；粒内孔发育在石英和磷灰石颗粒内部的孔隙，多因为颗粒内部晶格缺陷或矿物溶蚀等原因造成，以多边形形态为主，连通性较差(图5f,g)。微裂缝为纳米—微米级呈条带状或树枝状分布(图5h)，延伸较远，为游离气提供储集空间，与其他类型的孔隙连通组成错综复杂的立体孔隙网络，也有助于吸附气的解析，是气体渗流的重要通道[20]。

图5 中扬子地区当阳复向斜五峰组—龙一1亚段泥页岩储集空间特征

3.3.2 孔隙结构特征

通过低温低压氮气吸附实验能够得到样品的氮气吸附—脱附曲线、比表面积、孔隙体积和孔径分布等孔隙结构参数，从而研究其孔隙结构和孔隙发育特征，进而在一定程度上认识五峰组—龙一1亚段页岩储层孔隙结构的差异。依据IUPAC的分类方案，根据孔隙直径大小将页岩孔隙分为3种类型：微孔(<2 nm)、介孔(2～50 nm)、宏孔(>50 nm)，其中介孔又可分为小介孔(2～10 nm)和大介孔(10～50 nm)[21]。

(1)氮气吸附—脱附曲线特征

(2)页岩孔隙结构参数特征

(3)页岩孔径分布特征

图6 中扬子地区当阳复向斜五峰组—龙一1亚段页岩样品孔隙结构特征

表2 中扬子地区当阳复向斜五峰组—龙一1亚段页岩样品孔隙结构参数

井号样品编号层位深度/mBET比表面积/(m2·g-1)BJH总孔容/(cm3·g-1)t-plot微孔比表面积/(m2·g-1)t-plot微孔孔容/(cm3·g-1)微孔比表面积比例/%微孔孔容比例/%平均孔径/nmDY1DY1-4龙一1亚段1小层3 498.0 36.51 0.012 6 21.04 0.008 5 57.62 67.516.15 DY1DY1-6五峰组3 498.4 38.77 0.011 7 22.87 0.009 3 59.00 79.345.44 DY1DY1-8五峰组3 502.1 14.25 0.012 9 6.05 0.002 5 42.4719.396.60 DY2DY2-5龙一1亚段4小层3 958.2 5.39 0.020 6 0.68 0.000 3 12.691.4114.96 DY2DY2-7龙一1亚段4小层3 962.0 5.26 0.021 0 0.60 0.000 3 11.461.1915.44 DY2DY2-11龙一1亚段3小层3 973.2 21.84 0.025 2 8.14 0.003 9 37.26 15.54 8.42 DY2DY2-13龙一1亚段2小层3 980.0 18.65 0.021 9 6.20 0.003 0 33.27 13.49 8.22 DY2DY2-15龙一1亚段1小层3 982.8 18.07 0.023 9 6.02 0.002 9 33.3212.029.04

3.4 含气性特征

4 水平箱体的选取

4.1 储层各项参数

4.2 井轨迹控制

5 结论