中扬子鄂西地区牛蹄塘组页岩储层特征及含气性研究

许露露，刘早学，温雅茹，周向辉，罗 凡

(湖北省地质调查院，湖北 武汉 430034)

0 引 言

中国南方广泛发育古生界海相富有机质页岩，其中，下寒武统牛蹄塘组是最具潜力的页岩层之一[1-8]。四川盆地牛蹄塘组已在威远及长宁等地发现多个页岩气田,富有机质页岩厚度平均为49.0 m，TOC平均为2.90%[9-10]。鄂西地区构造位置毗邻四川盆地东南缘，勘探实践表明，牛蹄塘组富有机质页岩厚度平均为104.0 m，TOC平均为3.50%。勘探实践及前人研究成果表明，牛蹄塘组形成于浅海陆棚深水区域，沉积厚度大，具备形成页岩气的物质基础[11-17]。但相比于四川盆地，鄂西地区牛蹄塘组研究程度较低，一是纵向上非均质性的岩性变化特征需要进一步描述，二是沉积相带分布特征还需要进一步阐明，牛蹄塘组含气性特征还有待深入分析。因此，此次研究利用研究区钻井及地层剖面资料，对页岩气储层及含气性特征进行了综合分析，研究成果将对鄂西地区牛蹄塘组页岩气进一步勘探开发提供科学依据。

1 区域地质概况

研究区跨越扬子地块与秦岭-大别造山带2个一级构造单元，在大地构造上主要处于扬子板块中北部，西与四川盆地毗邻，北以襄广断裂为界(F5)，东以通城河断裂带为界(F11)，东南部与江汉盆地接壤，南靠桑植石门复向斜，与江南-雪峰推覆隆起带毗邻。研究区大部分处于湘鄂西褶皱断裂带内，西北部少部分地区处于四川盆地东南缘。发育黄陵结晶基底和神龙架褶皱基底2种基底类型，出露元古代、古生代、中生代及新生代地层，不同构造层次的构造类型齐全，地质构造极为复杂(图1)。

图1 鄂西地区范围及区域构造特征

2 岩性及沉积相特征

2.1 岩性特征

以黄陵背斜南缘典型调查井秭地2井为例，对牛蹄塘组纵向上的岩性发育特征进行分析(图2)。由图2可知，牛蹄塘组下伏地层为震旦系灯影组天柱山段及寒武系岩家河组。灯影组为浅灰色含硅质白云岩地层，岩家河组底部为灰色泥质粉砂岩，中上部为深灰色角砾状灰岩夹灰黑色炭质页岩。牛蹄塘组底界以灰岩的消失、黑色炭质页岩的出现作为地层分界标志。牛蹄塘组上覆地层为石牌组，以黑色页岩的消失、深灰色泥质粉砂岩大量出现为石牌组分界标志。通过岩心观察，牛蹄塘组纵向上可以分为2段，一段地层主要发育黑色炭质页岩，顶部炭质含量稍微减少，为牛蹄塘组最重要的页岩气储层，以灰岩的频繁出现作为一段与二段的分界线；二段岩性主要为灰—深灰色灰岩与含炭粉砂质泥岩互层。

图2 鄂西地区秭地2井牛蹄塘组综合柱状图

2.2 沉积相特征

鄂西地区秭地2井纵向上沉积相研究结果表明：灯影组天柱山段以浅灰色白云岩为主，为开阔台地相沉积环境；早寒武世岩家河组时期开始海侵，沉积环境转变为深水混积陆棚，底部为灰黑色含炭泥质粉砂岩，向上为角砾状灰岩夹灰黑色含炭页岩；至牛蹄塘组一段沉积时期水体进一步变深，为深水泥质陆棚相沉积，岩性以黑色炭质页岩为主；牛蹄塘组二段沉积时期水体开始变浅，为浅水混积陆棚相沉积，下部为灰岩与含炭泥质粉砂岩互层，中部发育泥岩，上部为灰岩夹含炭页岩；石牌组沉积时期，水体又开始变深，为深水含泥砂质陆棚沉积，以发育深灰色泥质粉砂岩为主(图2)。

依据研究区20余口钻井以及10余条典型地层剖面的岩性特征，对牛蹄塘组区域横向上的沉积相分布特征进行了研究(图3)。利川市以西及湖北西北角地区为浅水混积陆棚相沉积环境，主要岩性为泥质灰岩。西部利川市—东部长阳县及北部神农架—南部鹤峰县一带，为广袤的深水陆棚相，相带呈“哑铃状”，两端开口宽，中间较狭窄；该相带主要岩性为黑色炭质页岩，局部夹少量硅质岩、灰岩、泥质粉砂岩，且由北至南呈现粉砂岩及灰岩逐渐变少、炭质页岩及硅质岩逐渐增多的趋势。保康县—宜昌市—松滋市一带为浅水混积陆棚相带，岩性以黑色炭质页岩与灰岩不等厚互层为主；该相带发育3个水下隆起带，分别位于兴地1井周缘、ZK9003井周缘及宜地3—宜地5井周缘，岩性主要为灰黑色含钙炭质页岩；与深水陆棚相相比，该浅水混积陆棚相灰岩明显增多。浅水混积陆棚相以东为浅水缓坡沉积相带，沉积岩性主要为碳酸盐岩。南漳县以南地区为鄂中古陆，牛蹄塘组在此区域沉积缺失。

图3 鄂西地区牛蹄塘组沉积相分布特征

3 储层地质特征

3.1 厚度及埋深分布特征

研究区牛蹄塘组页岩沉积中心主要有2个(图4)。第1个沉积中心位于来凤县—恩施市一带，厚度可达200.0 m以上，咸丰县咸2井厚度可达214.0 m，向南厚度逐渐增大，湖北省界以南茅3井沉积厚度可达426.0 m；第2个沉积中心位于神农架林区，厚度为250.0～300.0 m，神地1井牛蹄塘组页岩厚度为258.5 m，向北部襄广断裂带厚度仍有逐渐增大的趋势。鄂西利川以西、神农架林区以西、兴山县—宜昌市一带为浅水陆棚沉积区，页岩厚度较小，如宜页3井厚度为42.0 m。3个水下隆起沉积厚度较小，一般不超过10.0 m，如兴山县兴地1井页岩沉积厚度仅为1.6 m，宜昌西北方向宜地3—宜地5井一带页岩厚度为3.0～9.0 m。

研究区利川盆地、花果坪复向斜及秭归盆地埋深为2 000.0～4 000.0 m，如中央背斜带李1井埋深为3 400.0 m。仅局部地区埋深大于4 000.0 m，如利川盆地利1井埋深为4 440.0 m。中央背斜带、咸丰背斜带、宜都-鹤峰复背斜带、长阳背斜带、神农架背斜周缘、黄陵背斜周缘埋深多在2 000.0 m以内，如中央背斜带茶1井埋深为1 372.0 m；咸丰背斜带咸2井埋深为1 079.0 m，长阳背斜带长地1井埋深为390.2 m，神农架背斜带北缘神地1井埋深为1 366.0 m，黄陵背斜带南缘秭地2井埋深为804.9 m。

图4 鄂西地区牛蹄塘组富有机质页岩厚度分布特征

3.2 地球化学特征

牛蹄塘组由底至顶TOC及Ro含量呈逐渐降低的趋势，底部TOC可达5.00%，顶部TOC降低至1.00%(图2)。平面分布图显示TOC主要有3个高值区，第1个高值区为咸丰县—鹤峰县地区，鹤峰江坪河村剖面TOC可达4.34%；第2个高值区为神龙架地区，学堂沟剖面TOC可达3.00%；第3个高值区为秭归—长阳地区，五地1井TOC可达4.10%。Ro值分布趋势与TOC较为相似，在鹤峰县、神农架及长阳县地区Ro含量高，特别是鹤峰走马镇地区Ro甚至高于4.00%(图5)。

统计了钻井及地层剖面TOC数据点368个，Ro数据点89个(图6)。分析表明，TOC以2.00%～4.00%的高含量样品居多，其次为大于4.00%的特高含量，再次为1.00%～2.00%的中等含量，低含量和非烃源岩占比较少；Ro以2.00%～3.50%的高成熟样品居多，占比达75.3%，其次为大于3.50%的过成熟样品，再次为中成熟样品，不含低成熟样品。研究区牛蹄塘组有机质类型主要属于腐殖-腐泥型(Ⅱ1型)，少量腐泥-腐殖型(Ⅱ2型)。

3.3 储层物性特征

页岩储层普遍具有较强的非均质性，且多具有低孔低渗的特征[18-20]。不同钻井及同一钻井不同深度矿物组分统计表明，牛蹄塘组矿物组分均以黏土矿物和石英为主，脆性矿物含量高，平均为60.4%～84.4%。但不同构造部位的钻井矿物含量略有差异，黄陵背斜周缘秭地1及秭地2井、神农架背斜周缘神地1井黄铁矿含量较低，而长阳背斜周缘WD3及长地1井，宜都-鹤峰背斜带WD5及聂地1井黄铁矿含量较高。秭地2井不同深度矿物组成表明，由下至上黏土矿物含量逐渐增多，碳酸盐岩矿物(方解石+白云石)含量逐渐减少。

图5 鄂西地区牛蹄塘组富有机质页岩TOC分布特征

图6 鄂西地区牛蹄塘组富有机质页岩TOC及Ro分布频率图

统计了研究区5口钻井及8个地层剖面共69个样品的孔隙度数据，孔隙度为0.27%～6.76%，平均为2.69%，以低孔为主，其次为特低孔，中孔含量最少。渗透率为0.08×10-3～650.10×10-3mD，平均为21.30×10-3mD，为特低渗储层。因此，研究区牛蹄塘组主要为低孔特低渗储层类型。

3.4 含气性特征

以秭地2井为例分析牛蹄塘组及其下伏地层纵向上含气性变化规律(图2)。研究表明，下伏岩家河组地层总含气量为0.14～1.15 m3/t，平均为0.75 m3/t，牛蹄塘组一段地层总含气量为0.78～4.44 m3/t，平均为2.27 m3/t，由底至顶含气量呈现急剧变大，再缓慢降低的趋势，牛蹄塘组二段仅一个数据点，含气量为0.58 m3/t。

统计了研究区14口调查井的含气性(表1)。分析表明，含气性较好的井均处于深水陆棚相，其中，宜地2、宜页1、秭地2及阳页1井位于黄陵背斜东南翼，宜地4井位于宜都-鹤峰背斜北翼。气显效果最好的井为宜页1井，现场解析含气量平均值达到2.05 m3/t。除上述5口井气显较好外，其余井气显微弱或者不含气，其中，黄陵背斜东南翼宜地3井位于浅水混积陆棚相带水下隆起区，页岩厚度仅为4.0 m，几乎无气显；秭地1井埋深仅为358.0 m，含气量较低，总含气量为0.59 m3/t；神农架背斜北翼神地1及红地1井处于深水陆棚相带，页岩沉积厚度大，埋深适中，但2口井几乎无气显，这可能与近东西走向的阳日断裂有关，该断裂带形成于印支期，为一由北向南逆冲的活动断层，该时期牛蹄塘组富有机质页岩正处于大量生烃时期，对烃源岩起到极大的破坏作用；长阳县长地1及阳地1井由于位于长阳背斜核部，处于张性应力状态，且与仙女山断裂带距离近，不利于页岩气保存。位于宜都-鹤峰背斜南翼的五地1井以及中央背斜带的恩页1井均位于深水陆棚相带，页岩厚度较大，埋深适中且与断裂带距离较远，但几乎无气显，可能与这2口井牛蹄塘组页岩热演化程度过高有关，五地1及恩页1井Ro平均值分别达到3.5%和3.6%，处于过成熟阶段，导致页岩气散失。聂地1井处于宜都-鹤峰背斜近核部，处于张性应力状态，不利于页岩气保存，气显较为微弱。

表1 鄂西地区牛蹄塘组含气性特征统计Table 1 statistics of Gas-bearing properties in the Niutitang Formation of western Hubei

4 结 论

(1) 鄂西地区牛蹄塘组可以分为2段，一段岩性主要为黑色炭质页岩，二段岩性为灰岩与含炭粉砂质泥岩互层；研究区东西部为浅水混积陆棚相，中部为分布面积广阔的深水陆棚相，宜昌—兴山一带发育3个水下隆起带。

(2) 研究区牛蹄塘组主要有来凤县—恩施市一带及神农架林区2个沉积中心，厚度超过200.0 m，均位于深水陆棚相区，浅水混积陆棚相区页岩厚度小。牛蹄塘组埋深多浅于4 000.0 m,特别是背斜两翼钻井埋深多在2 000.0 m以内。

(3) 纵向上由下至上TOC含量逐渐降低，横向上高值区分布在咸丰—鹤峰县、神农架及长阳地区，TOC以大于2.00%的高及特高级别为主，Ro以2.00%～3.50%的高成熟为主，矿物组分以黏土及石英为主，且纵向上由下至上黏土矿物逐渐增多，主要为低孔特低渗储层。

(4) 纵向上牛蹄塘组由底至顶含气量呈现急剧变大、再缓慢降低的趋势，含气量峰值位于牛蹄塘组一段下部；区域上含气性较好的钻井均位于深水陆棚相带内，构造上位于宽缓背斜翼部且远离区域大断裂带的地区。