鄂西地区上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组页岩含气性特征及保存条件

许露露，温雅茹，张焱林，任志军，杨 洁，文剑航，陈 威，罗 凡，段 轲

(湖北省地质调查院，武汉 430034)

页岩气是指位于暗色富有机质泥页岩中，以吸附和游离态赋存的天然气聚集。中国南方海相页岩气分布领域广，资源丰富[1-2]。其中上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组是最具远景的页岩气勘探目的层之一[3-5]。四川盆地已在五峰组—龙马溪组发现涪陵、威远等多个页岩气田，勘探开发成效显著[6]。受到涪陵气田商业成功的启示，鄂西地区页岩气勘探也快速发展，目前已钻井20余口，多口井已钻获良好的油气显示。以往的研究表明五峰组—龙马溪组沉积于浅海陆棚相深水区域、分布面积广、沉积厚度大、热演化程度适中，具备形成页岩气的物质基础[7-11]，而后期的构造作用和构造类型是影响页岩气横向上富集的控制因素[12-13]。相对于成藏地质条件及储层特征的研究，目前针对鄂西地区五峰组—龙马溪组含气性特征及保存条件的研究较少。因此本文以研究区10余口调查井为研究对象，对目的层纵向及横向上含气性特征及页岩气保存条件进行了较为深入研究。研究成果将为鄂西地区五峰组—龙马溪组页岩气的勘探提供可靠依据。

1 区域地质概况

鄂西地区横跨扬子地块与秦岭—大别造山带两个一级构造单元。西部与四川盆地为邻，东部靠近荆门—当阳复向斜，北部以襄广断裂为界，南部毗邻江南—雪峰推覆隆起带。研究区主体部分位于湘鄂西褶皱带。经历了加里东、海西、印支、燕山和喜马拉雅等多期构造运动，主要发育北北东、北西及东西方向三组断裂。其中齐岳山断裂、新华断裂、阳日断裂及天阳坪断裂为逆断层，恩施—黔江断裂和通城河断裂为正断层，其他断裂带性质较为复杂(表1)。研究区中北部发育黄陵背斜和神农架复背斜，从元古界、古生界、中生界及至新生界都有出露。本次研究的目的层为五峰组—龙马溪组，钻井主要分布在中央背斜带、花果坪复向斜带及黄陵背斜带周缘(图1)。

2 岩石及层序地层特征

以研究区黄陵背斜西南部秭地3井为例，分析了五峰组—龙马溪组纵向上岩性及沉积相特征。五峰组—龙马溪组下伏地层为宝塔组厚层状泥质瘤状灰岩。五峰组主体岩性为黑色含碳硅质页岩夹少量黑色碳质页岩，为深水硅质陆棚沉积。顶部发育厚度极薄的观音桥灰岩，为台地相沉积环境。观音桥段往上为龙马溪组，中下段以黑色碳质页岩为主，上段为灰黑色碳质页岩夹少量粉砂岩，主要为深水泥质陆棚相沉积。上覆地层为下志留统新滩组，以深灰色含碳页岩夹灰黑色碳质页岩及粉砂岩为岩性特征，粉砂岩含量比龙马溪组有所增加，为砂泥质混积陆棚沉积环境。总体上五峰组—龙马溪组与新滩组下部可以组成2个完整的3级层序，五峰组为一个完整的3级层序，TST1岩性从灰色泥质瘤状灰岩突变为黑色硅质页岩，显示沉积水深增加，最大海泛面位于黑色含碳硅质页岩与观音桥段含碳灰岩的分界面，HST1岩性为顶部观音桥段含碳灰岩，水深较浅。龙马溪组与新滩组下部组成一个完整的3级层序。TST2岩性从含碳灰岩突变为碳质页岩，显示沉积水深增加，最大海泛面位于黑色碳质页岩与灰黑色含碳粉砂岩的岩性界面，HST2由2个水退层序组成，第一个水退层序地层岩性由下往上，含碳粉砂岩有增加的趋势，显示水体逐渐变浅。第二个水退层序由新滩组下部组成，>由下往上碳质含量呈降低的趋势，粉砂岩增多，粒度变大(图2)。

表1 鄂西地区主要区域断裂带特征Table 1 Characteristics of main regional fault zones in western Hubei province

图1 鄂西地区构造特征简图

3 含气性特征

3.1 纵向含气性

以研究区典型地质调查井秭地3井为例，研究了五峰组—龙马溪组纵向上含气量变化特征。分析表明，由下至上吸附含气量呈逐渐降低的趋势，总含气量和现场解吸含气量纵向上非均质性明显(图2)。统计表明五峰组现场解吸含气量和总含气量均大于龙马溪组(图3a)。不同体系域含气量统计特征表明，解吸含气量和总含气量大小呈现TST1>TST2>HST2>HST1的统计特征(图3b)。纵向上秭地3井解吸含气量、总含气量均与TOC含量具有较好的线性正相关性，表明仅就一口井而言TOC含量对含气量具有较大影响(图4a)。但对整个鄂西地区而言，多口钻井TOC含量与含气量相关性较弱，表明在平面上其他地质因素对含气量也具有较大的影响(图4b)。

3.2 横向含气性

统计了19口地质调查井的底界埋深、TOC、沉积相、构造部位与含气量数据(表2)。

分析表明现场解吸含气量分布在0～1.97 m3/t。不含气和含气量微弱(解吸含气量小于0.1 m3/t)的钻井主要分布在阳日断裂和新华断裂周缘，如红地1、巴地2、ZD1、ZD2井。含气性较好的井(解吸含气量大于1 m3/t)主要分布在东部雾渡河断裂以南天阳坪断裂以北，咸丰断裂带以东新华断裂带以西地区，如宜页2和来地1井含气量分别达到1.63，1.67 m3/t。沉积相分布特征以及沉积相与含气性相关性研究显示，研究区主要以深水陆棚沉积环境为主，仅东南部局部地区为浅水陆棚相沉积环境及水下隆起相带。分析表明长地2井远离断裂带而含气量微弱，与该井处于浅水陆棚相沉积环境，富有机质页岩厚度较薄，TOC含量较低有关。 除长地2井外，其他地质调查井均处于深水陆棚相沉积环境(图5)，但不同地区含气量差异较大，因此沉积相不是影响鄂西地区五峰组—龙马溪组含气性平面差异的主要因素，后期遭受构造作用强弱和保存条件的好坏，可能是影响含气性差异的主要原因。

图3 鄂西地区秭地3井上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组纵向上含气量特征Fig.3 Gas content characteristics on vertical direction of Wufeng-Longmaxi formations of well ZD3 in western Hubei province

图4 鄂西地区上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组TOC与含气量相关性分析Fig.4 Correlation between TOC and gas contents of Wufeng-Longmaxi formations in western Hubei province

表2 鄂西地区上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组含气性特征统计Table 2 Characteristics of gas content of Wufeng-Longmaxi formations in western Hubei province

图5 鄂西地区上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组平面上含气量分布特征Fig.5 Horizontal distribution characteristics of gas content of Wufeng-Longmaxi formations in western Hubei province

4 保存条件

齐岳山断裂为中、上扬子的分界，其西北侧四川盆地多发育盖层滑脱式的“隔档式”断褶组合，保存条件相对较好。而东南侧鄂西地区多发育基底卷入式的“隔槽式”断褶组合，构造陡倾且断裂发育，隆升幅度大，因此对油气的保存不利[14]。但研究区复杂构造带内也局部发育构造相对稳定的区域，需要对保存条件进行深入研究。本文从区域盖层封闭性、构造埋藏史、构造样式、埋深及与主要正断层的距离等几个方面论述研究区五峰组—龙马溪组的页岩气保存条件。

4.1 区域盖层封闭性

页岩气藏为自生自储的油气藏，页岩气成藏过程中大量的天然气聚集将导致页岩产生微裂缝使得封盖能力降低，因此页岩顶底板封盖性能对页岩气保存十分重要[15-16]。研究表明，鄂西地区五峰组—龙马溪组在咸丰县—恩施州一带泥页岩最厚可达70 m，在五峰县—松滋市一带页岩厚度小于10 m，主要分布在20～40 m，总体上厚度较为稳定。顶板新滩组发育粉砂质泥岩，处于深水陆棚相，厚度分布在393～626 m，横向分布稳定，是区域上良好的盖层。底板奥陶系属于台地相沉积环境，岩性为致密灰岩，全区厚度分布在57～185 m，封盖性能良好(图6a)。以秭地3井为例统计了五峰组—龙马溪组及顶底板脆性矿物含量，结果表明底板奥陶系灰岩脆性矿物含量占比85.3%，五峰组—龙马溪组占比59.1%，新滩组占比48.5%(图6b)。综合研究认为，鄂西地区五峰组—龙马溪组顶底板横向分布稳定，均具有良好的封闭性能。由于顶板新滩组厚度相对更大，且脆性矿物含量低，岩层塑形较强，与奥陶系相比，相对不容易形成裂隙，可能具有更好的盖层封闭性。

4.2 构造埋藏史

以鄂西地区咸地2井和四川盆地威2井为例，对比分析了鄂西地区及四川盆地五峰组—龙马溪组构造埋藏史特征(图7)。

研究表明秭地3井构造埋藏可以分为4个阶段(图7a)。第1阶段为晚奥陶世至晚志留世的快速埋藏，埋深至 2 km 以深，地层温度在 110 ℃左右，此阶段为生油早中期阶段；第2阶段为早泥盆世至中三叠世的缓慢抬升和沉降阶段，埋深近 3 km，地层温度在 150 ℃左右，此阶段为生油晚期阶段；第3阶段为中三叠世至早白垩世的快速深埋，埋藏深度近 6 km，地层温度超过 200 ℃，此阶段为主要的生气阶段；第4阶段为早白垩世以来的抬升阶段，抬升幅度较大。分析表明，该井经历了第3 阶段快速深埋，有利于页岩气的大量生成，而第四阶段的大幅抬升，则不利于页岩气的保存。与四川盆地威2井五峰组—龙马溪组埋藏史相比(图7b)，鄂西地区的埋藏史图呈现“抬升时间偏早”和“抬升速率过快”的特征[17-19]。但研究区内复杂构造内也有局部相对构造稳定的区域，因此接下来对研究区钻井构造样式与含气量相关性进行分析，以期识别对页岩气聚集成藏有利的构造类型。

图6 鄂西地区上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组及顶底板厚度以及脆性矿物含量Fig.6 Thickness and brittle mineral contents of Wufeng-Longmaxi formations and it’s Roof and floor in western Hubei province

图7 鄂西地区咸地2井及四川盆地威2井上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组构造埋藏史Fig.7 Tectonic burial history for Wufeng-Longmaxi formations of well XD2 in western Hubei province and well W2 in Sichuan Basin

4.3 构造样式

良好的构造样式是页岩气保存的关键，不同构造样式的褶皱变形、破裂程度、剥蚀程度存在差异，弱构造改造带之间的构造样式对页岩气保存较为有利[20-22]。本次选取由西向东3条构造剖面共11口调查井研究了构造样式与含气性的相关性(图8a-c)。

统计表明咸地2、来地1、夷地1及宜页2等4口钻井现场解吸含气性好，含气量值大于1.0 m3/t，其中，咸地2及来地1井分别位于向斜带近核部和翼部，远离区域性主要张性断裂带恩施—黔江断裂及咸丰断裂，钻井岩心较为完整；夷地1及宜页2井位于黄陵背斜带东翼，距离区域性张性断裂带通城河断裂较远，且目的层上倾方向无断裂沟通，钻井岩心完整。ZY1、WD1、秭地3及 WD6井含气量介于0.1～1.0 m3/t。这4口钻井位于褶皱翼部，距离主断裂带相对较近，钻井岩心局部破碎，发育少量顺层和穿层的裂隙。茅地1、WD2、巴地2井含气性较差，含气量小于0.1 m3/t，这3口钻井距离主断裂带距离均小于5 km。其中，茅地1井距离建始—彭水断裂较近，不足5 km，且目的层上倾方向与建始断裂相通，保存条件差。岩心较为破碎，顺层和高角度裂隙发育，多充填方解石脉；WD2井位于香龙山背斜近核部，完钻井深仅320 m，距离早期压剪性，后期呈张性的新华断裂带仅3 km；巴地2井位于香龙山背斜东南翼，距离新华断裂带仅2 km，且目的层产状较陡，上倾方向与断裂带相通，岩心高角度裂隙发育，充填方解石脉。

图8 鄂西地区研究区地质调查井上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组含气性与构造样式相关性分析Fig.8 Correlation between gas content and structural style of survey wells for Wufeng-Longmaxi formations in western Hubei province

通过构造样式与含气性的相关性分析，总结出鄂西地区钻井所处的6种构造样式(图9)，其中含气量较好(大于1.0 m3/t)的2种构造样式分别是远离正断层且位于向斜核部或翼部；离正断层较远、位于断层下盘且上倾方向未与断层沟通。含气性较差(小于0.1 m3/t)的2种构造样式分别为距离正断层近且位于背斜核部；距离正断层近且位于褶皱翼部、断层上盘、上倾方向与断裂相通。

4.4 目的层埋深

通过构造样式与含气性的相关性分析表明，解吸含气量受到钻井所处构造部位包括褶皱类型、断裂性质、钻井与断裂带距离、埋深等多种因素的综合影响。统计了研究区深水陆棚相区18口井的解吸含气量与埋深的相关性，分析表明含气量与埋深呈现一定的正相关性，线性拟合度为0.276 5。当含气量小于0.5 m3/t时，埋深多浅于1 km。研究区埋深与含气量的线性拟合度并不高，偏离趋势线的主要有5口井(图10a)，趋势线上面的夷地1井远离通城河断裂且位于断裂下盘，目的层上倾方向与断裂不相通，封盖性能好，因此含气性较好；来地1井远离咸丰断裂带，且钻井位于次级向斜的核部，因此含气量好。趋势线下的巴地2井与断裂相距仅2 km，且目的层上倾方向与断裂相通，保存条件较差，岩心解吸未见含气性；宜页2井远离通城河断裂，埋深大，含气量好，偏离趋势线的原因主要为当埋深大于1 500 m后，埋深的增加对含气量影响作用有限；建地1井具有一定的含气性，但含气量仅0.53 m3/t，地震剖面显示，该井位于叠瓦状逆冲断裂的上盘，由于断层倾角大，后期的断层由于重力作用滑落导致页岩气的部分散失(图10b)。

图9 鄂西地区上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组钻井所处构造样式归纳总结Fig.9 Summary of well structure patterns of Wufeng-Longmaxi formations in western Hubei province

图10 鄂西地区上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组现场解吸含气量与埋深、井位与区域正断层距离的相关性分析Fig.10 Correlation between gas content and buried depth and distance between well location and regional normal fault of Wufeng-Longmaxi formations in western Hubei province

4.5 钻井与断裂带距离

大型断裂带的发育不利于页岩气富集[23]。本次研究统计了深水陆棚相区17口井现场解吸含气量与钻井和区域正断层的距离之间的相关性，由于红地1井位于逆断层阳日断层周缘，此次不予统计。研究表明，相对于埋深而言钻井与区域断裂带的距离与含气量呈现更好的相关性，拟合度好，达到0.561 7，当含气量大于0.5 m3/t时，绝大多数井距离大于4 km，当含气量大于1.0 m3/t时，所有井距离大于7 km(图10c)。

5 结论

(1)五峰组主要以黑色含碳硅质页岩为主，为深水硅泥质陆棚沉积，顶部发育观音桥段灰岩，为台地相沉积。龙马溪组中下段以黑色碳质页岩为主，上段为灰黑色碳质页岩夹少量粉砂岩，为深水泥质陆棚相沉积。五峰组、龙马溪组与新滩组下部组成2个三级层序。

(2)纵向上五峰组含气性好于龙马溪组，不同体系域含气量呈现TST1>TST2>HST2>HST1的特征；横向上阳日断裂带和新华断裂带周缘钻井含气性较差，而天阳坪断裂以北、咸丰断裂带以东新华断裂带以西地区钻井含气性好，沉积相分布对含气性影响较小。

(3)五峰组—龙马溪组顶板新滩组泥质粉砂岩和底板奥陶系致密灰岩横向分布稳定，均具有较好的封闭性能。埋藏史可以划分为4个阶段，与四川盆地相比，鄂西地区的埋藏史呈现“抬升时间偏早”和“抬升速率过快”的特征。

(4)目的层埋深、与正断层的距离对含气性有一定影响，但断裂和褶皱的匹配样式是影响含气量高低最关键因素。远离正断层且位于向斜核部或者翼部，或远离正断层、位于断层下盘且上倾方向未与断层沟通这2种构造样式有利于页岩气成藏聚集。