湖北京山地区孤峰组页岩气地质条件及远景区划分

王 登，冷双梁*，陈 威，刘红亮，吴 龙，周向辉，余江浩，居字龙

（1.湖北省地质调查院，武汉 430034； 2.湖北省地质勘查工程技术研究中心，武汉 430022; 3.湖北省地勘基金管理中心，武汉 430071）

非常规油气藏的勘探开发改变了全球能源格局，近年来页岩气、天然气水合物行业迅猛发展，特别是页岩气的研究与勘查已成为国内热点[1-3]。截至2019年，陆续在扬子陆块陡山沱组（Z1d）、牛蹄塘组（Є1n）、龙马溪组（O3S1l）等多套地层中发现页岩气，并在重庆涪陵、四川长宁-威远等地获得工业性突破[4-6]，证实了我国南方地区具有良好的页岩气资源潜力。迄今为止，由于中二叠世孤峰组（P2g）在中扬子地区分布局限，在过去并没有引起相应的重视，也没有被认为是中扬子地区的区域性烃源岩，因而关于孤峰组页岩气方面的相关研究较少，以往的研究主要集中于古生物化石和岩石学特征等[7-13]。近年来，孤峰组页岩气研究开始引起关注，并在鄂西五峰地区五地2井和鄂西建始地区建业1井相继钻遇页岩气[14-15]。研究表明，孤峰组为一套富含有机质的黑色岩系，生烃能力良好，也是扬子地区页岩气勘探潜在目的层[16-19]。目前孤峰组研究程度较低，尚未见到涉及湖北京山地区孤峰组页岩气地质条件的研究成果。鉴于此，本文对京山地区孤峰组黑色岩系开展了岩石组合、有机地球化学、储层特征等研究，分析其页岩气地质条件，探讨其资源潜力，以期为该地区下一步页岩气勘探提供参考。

1 区域地质背景

研究区主要位于湖北省京山县境内，西部和南部分别跨及钟祥市和天门市，面积约为3020.5 km2，在大地构造上属于中上扬子地块[20-21]沉湖-土地堂复向斜，东接巴洪冲断背斜带，西靠乐关乡-潜江复背斜（图1）。区内遭受多期构造运动，构造变形强烈，构造形态总体上以北西-北北西向为主，局部为北东-北北东向[20]。由于强烈的构造活动，研究区地层遭受不同程度剥蚀，志留纪到三叠纪地层均有出露；孤峰组在背斜区均已被剥蚀殆尽，主要分布于普济山向斜、柳门口向斜、七宝山向斜、义和向斜、宜家岭向斜和钱场向斜[20]，分布面积约1515.3 km2。

图1 研究区地质简图（据文献[22]修改）Fig. 1 Simplified geological map of the study area

本次研究涉及的京地2井位于京山县雁门口镇，构造上位于沉湖-土地堂复向斜带宜家岭向斜南东翼，是2017年完钻的一口页岩气调查井，完钻井深400.20 m，依次钻遇层位为三叠纪大冶组-二叠纪栖霞组，整井岩芯完整，未见明显破碎现象。

2 页岩气地质条件

2.1 泥页岩特征及沉积环境

研究区孤峰组不整合于茅口组（P2m）含燧石结核生屑灰岩之上，而与上覆武穴组（P2w）呈整合接触，为一套黑色富有机质层系。通过野外及薄片观察，结合岩石矿物组成、沉积结构、构造和古生物化石等特征，可识别多种岩石类型，主要为薄层状硅质页岩、硅质泥岩和硅质灰岩；岩石呈灰黑色-黑色，互层状分布，单层厚度多介于0.35 ～ 0.65 m，发育水平层理，见顺层分布黄铁矿（图2），并在显微镜下观察到黄铁矿主要为草莓状；这些均表明沉积环境为还原缺氧环境。其中，京地2井的孤峰组泥页岩厚度为58.3 m，京山钱场的孤峰组泥页岩厚度为55.2 m。

根据露头及京地2井资料，结合区域沉积特征可知，孤峰组含丰富生物化石[11-18]，普遍含菊石类Altudocerascf.zitteli，Paragastrioceras hubeiense，Shouchangocerassp.，Kufengocerassp.，Paraceltitescf.multicastatus；腕 足 类Crurithyrissp.，Spinomarginiferasp.，Reticuchonetes leei等；其他如放射虫、海绵骨针等亦常见（图2）。综合分析认为，研究区孤峰组为深水还原环境，下伏茅口组沉积时为浅水台地相，至孤峰组沉积时水体变深，为深水台盆相，这种还原环境有利于有机质富集和保存。

2.2 有机地化特征

2.2.1 有机碳含量

无论是生物成因还是热成因页岩气，拥有足够数量的有机质是形成气藏的物质基础[23-25]。京山地区孤峰组泥页岩有机碳（TOC）含量整体较高，具有较好的生烃物质基础。以京地2井为例，孤峰组TOC含量介于1.75%～6.39%，均值4.48%（图3），TOC大于2.0%和4.0%的样品占比分别达到97.06%和58.82%（图4a）。其中，泥页岩TOC含量介于1.75%～5.00%，均值3.29%；硅质灰岩TOC含量介于3.19%～6.21%，均值4.69%；硅质岩TOC含量介于2.49%～6.39%，均值4.96%。总体上，泥页岩-硅质灰岩-硅质岩有机碳含量呈现增加的趋势（图4b）。

图4 京地2井孤峰组TOC分布图Fig. 4 Total organic carbon content distribution of the Gufeng Formation in JD2 well

纵向上（图3），京地2井岩心的TOC含量呈现两端高、中间略低的“三段式”分布，下段（井深250～265 m）TOC介于2.49～6.02%，平均值为 4.02%；中段（井深240～250m）TOC介于1.75～ 3.92%，平均值为3.08%；上段（井深216～240 m）TOC介于3.22～6.39%，平均值为5.24%。总体上，纵向上孤峰组有机碳分布有一定差别，但均属于高-特高级别的泥页岩。

图3 京地2井孤峰组地球化学剖面Fig. 3 Geochemical profile of the Gufeng Formation in JD2 well

2.2.2 有机质类型

有机质类型决定了烃源岩的生烃能力和烃类性质[26-27]。镜检结果分析表明，孤峰组泥页岩有机质类型主要以腐泥组为主，少量惰质组（表1）。以京地2井为例，腐泥组含量为90.0%～96.0%，均值为93.4%；其次为镜质组和惰质组，含量分别为3.0%～6.0%和1.0%～5.0%，均值分别为4.3%和2.3%；未检测到壳质组。孤峰组泥页岩有机质干酪根类型指数介于81.3 ～ 92.8，均值87.8，全部为Ⅰ型有机质，为有利的生油型有机质。这与京山地区孤峰组沉积于受围限的台盆沉积环境是相符的，具备发育生油型有机质的条件。

表1 京地2井孤峰组泥页岩显微组分Table 1 Macerals of mud shale in the Gufeng Formation of JD2 well

2.2.3 有机质成熟度

成熟度是烃源岩能否生成油气的关键因素，烃源岩只有达到一定成熟度才能大量生烃，不同的热演化阶段有机质的产烃能力和产物性质不同[25-27]。成熟度分析表明（表2），京地2井孤峰组Ro值介 于1.23%～1.57%，均 值1.43%；Tmax值 介 于470～486℃，均值479.4℃；京山钱场剖面孤峰组Ro值介于1.56%～1.72%，均值1.64%。总体上来看，孤峰组Ro值较高，处于成熟-高成熟阶段。

表2 京山地区京地2井孤峰组有机质成熟度参数Table 2 Maturity parameters of the Gufeng Formation in JD2 well

区域上，京山地区孤峰组热演化程度差别不大，Ro值多在1.40～1.70%之间，但明显低于恩施-鹤峰-五峰地区的二叠系热演化程度（Ro均值2.50%）[14,28-29]，而与建始-巴东地区相当（Ro均值1.70%）[15]。

2.3 储层特征

2.3.1 矿物组成

页岩储层的形成，不仅需要高的有机碳含量，而且要有一定量的石英等脆性矿物。脆性矿物含量控制页岩的造缝能力，高含量的脆性矿物有利于后期的压裂改造；粘土矿物的含量影响着页岩的吸附能力；同时，碳酸盐矿物含量高有利于产生溶孔[30-31]。

以京地2井为例（表3），孤峰组样品矿物成分中石英含量为25.0%～65.0%，平均为42.4%；碳酸盐矿物含量为32.0%～69.0%，平均为51.0%，且主要为方解石（含量为32.0%～69.0%，平均为49.2%）；粘土矿物含量为2.0%～11.0%，平均为4.4%；黄铁矿含量为2.0%～7.0%，平均为4.4%；此外，还有少量菱铁矿和长石。

表3 京地2井孤峰组矿物组分组成Table 3 Mineral composition of the Gufeng Formation in JD2 well

总体上来看，孤峰组泥页岩以石英和碳酸盐矿物为主，其次为粘土矿物，脆性矿物含量较高（占比84.0%～98.0%，平均为93.5%），利于储层压裂改造。

2.3.2 物性

物性分析结果表明，京山地区京地2井孤峰组岩心孔隙度介于1.51%～7.29%，平均为4.29%；渗透率介于0.00011～0.00738 mD，平均为0.00159 mD；岩石密度介于2.48～2.64 g/cm3，平均为2.56 g/cm3。总体上，孤峰组泥页岩孔隙度和渗透率相对较低，纵向上变化不大，属于低孔-特低孔、特低渗型储层（图5）。此外，京地2井揭示孤峰组脆性矿物含量高（均值93.5%），易产生高角度裂缝（图2d），局部未被完全充填，可有效改善页岩物性。

图5 京地2井孤峰组岩心孔隙度和渗透率分布图Fig. 5 Core porosity and permeability distribution of the Gufeng Formation in JD2 well

2.3.3 孔隙结构

扫描电镜观察表明，京山地区孤峰组主要发育有机质孔隙、次生溶蚀孔隙及微裂隙（图6）。其中，次生溶蚀孔隙发育很多，主要为方解石、白云石颗粒间溶蚀孔和颗粒内溶蚀孔等，孔隙大小主要为μm级， 一般为1～150 μm。其次为有机质孔隙，形态主要为团状、条带状；其中，条带状孔隙大小一般为10～ 50 nm，团状有机质孔隙大小一般为0.1～1 μm。含炭白云岩或灰岩中粘土、石英和钠长石中可见微裂缝发育，宽度一般较小，为0.5～3 μm。

图6 京山钱场剖面孤峰组样品孔隙结构特征Fig. 6 Pore structure of the Gufeng Formation from the Qianchang section in the Jingshan area

2.4 含气量特征

页岩含气性直接决定页岩气资源潜力[25]。由于 京地2井孤峰组埋深较浅，埋深介于207.10～ 267.10 m，构造上位于向斜翼部，紧邻露头出露区，保存条件较差，钻井过程中未见明显气测显示异常，水浸试验也未见气体显示，未获得有效的解析含气量数据，因此，本次采用等温吸附实验数据表征其含气性特征。等温吸附结果表明，在14.0 Mpa时，京山地区孤峰组模拟吸附气量介于1.91 ～ 2.52 m3/t（图7），平均值2.21 m3/t，显示出孤峰组吸附气含量较高，且具有较强的页岩气吸附能力。

图7 京山地区孤峰组泥页岩等温吸附模拟Fig. 7 Isothermal adsorption test of mud shale from the Gufeng Formation in Jingshan area

2.5 保存条件

2.5.1 顶底板条件

顶底板条件是阻碍页岩气垂向运移散失的关键因素，也影响着压裂改造效果[30-31]。京山地区孤峰组顶板为中二叠世武穴组含生物碎屑灰岩和含燧石结核灰岩，厚度150～160 m，同时还覆盖了上千米厚的晚二叠世灰岩至白垩纪碎屑岩；底板为茅口组灰色含生物碎屑泥晶灰岩，厚度20.5～42.5 m，一般为27.2 m；两者均为致密性岩石，具有良好的封堵性，顶底板条件均较好。需要指出的是，区域上茅口组与孤峰组之间存在一个大的不整合面，古岩溶、岩溶角砾岩非常发育[20]，但在研究区内露头和京地2井为平行不整合接触，并没有见到古岩溶、岩溶角砾岩（图8），这可能是局部地下水淋滤作用较弱，不能排除其它地区可能发育溶洞和地下暗河的情况，而溶洞和地下暗河不利于页岩气的保存，这些还需要进一步研究。

图8 京山地区茅口组野外典型照片Fig. 8 Outcrops of the Maokou Formation in the Jingshan area

2.5.2 埋深条件

由于强烈的构造活动[20]，孤峰组在背斜区均已剥蚀殆尽，仅分布于向斜核部。其中，柳门口向斜和七宝山向斜内孤峰组分布面积小，埋深浅（多小于300 m），整体岩层较陡，两翼地层倾角介于50°～80°，核部地层倾角介于35°～45°，在七宝山向斜内尖山凹一带发育一正断层，断层面倾角60°，切割了二叠纪栖霞组到三叠纪嘉陵江组，页岩气保存条件较差。义和向斜由志留系-三叠系组成，孤峰组埋深介于300～1000 m，西段倾向SW，东段近直立，为一倒转向斜，页岩气保存条件较差。

普济山向斜主要由志留纪罗惹坪组-三叠纪嘉陵江组组成，靠近南西翼，侏罗系不整合于三叠系之上。普济山向斜的中新生代地层厚度1200～1800 m，结合各套地层厚度计算出孤峰组最大埋深约3100 m，埋深主要介于600～2500 m之间，总面积约为410.5 km2，核部地层平缓（倾角多为15°～20°）。钱场向斜主要也由罗惹坪组-嘉陵江组组成，往南多被第四系覆盖，经过钱场向斜的地震剖面解释成果显示（图9），钱场向斜核部不发育中新生代地层，结合二叠系-三叠系各套地层厚度，计算出孤峰组最大埋深约1100 m，埋深主要分布在600～1000 m之间，总面积约为505.6 km2（图1）。宜家岭向斜由志留纪罗惹坪组-三叠纪大冶组组成，轴向约为北东向30°，向斜宽约4 ～ 5 km，核部地层平缓（倾角多介于13°～20°），埋深最大为800 m。

2.5.3 断裂及裂缝条件

断裂和裂缝对页岩气保存具有双重作用[31-32]。京山地区受多期构造运动影响，整体抬升，持续叠加改造，断层特别是通天断层发育，以逆冲、反冲及对冲为主[20]，绝大部分地区页岩气已散失殆尽。区域地质资料显示，普济山向斜内发育多条叠瓦状断裂，断层走向NW，倾向NE，主要切穿三叠系及之前地层；中新生代再次沉积了厚达上千米的地层，可以有效充填并封闭早期形成的断裂，阻止页岩气的散失。地震资料显示，钱场向斜翼部发育多条通天断裂，切穿志留系，而在向斜核部通天断裂不发育（图9）。同时，区域资料显示宜家岭向斜核部通天断裂不发育。此外，孤峰组内发育大量的页岩夹层，这些夹层容易产生滑脱破碎构造，但在京地2井岩心中并未见到大规模的滑脱现象，这也预示着研究区滑脱构造对页岩气保存条件影响有限。

图9 京山地区经过钱场向斜的二维地震解释剖面Fig. 9 2-D seismic interpretation section through the Qianchang Syncline in the Jingshan area

综上所述，普济山向斜、钱场向斜和宜家岭向斜保存条件好于其它向斜，是下一步页岩气勘探的潜在区域。

3 资源潜力

与鄂西孤峰组页岩[14-15]相比较（表4），京山地区孤峰组页岩的TOC低于鄂西建始地区和五峰地区孤峰组，但其连续厚度明显大于鄂西地区，且TOC大于2.0%的连续厚度较大，达到50多米，具有形成页岩气藏的物质基础；干酪根类型略好于鄂西地区孤峰组，全部为Ⅰ型，表明其具有更好的生气能力。京山地区孤峰组热演化程度明显低于五峰地区，而与建始地区孤峰组相差不大。建始地区建页1井现场解吸气最大超过1.50 m3/t，表明京山地区孤峰组与建始地区一样均达到生成页岩气的阶段。京山地区孤峰组石英含量与鄂西孤峰组类似，较高含量的脆性矿物有利于压裂改造。总体上，京山地区孤峰组泥页岩厚度大，生烃能力良好，具备形成页岩气藏的物质基础。

表4 京山地区与鄂西地区孤峰组页岩主要地质参数对比Table 4 Comparisons of main parameters of the Gufeng Formation in the Jingshan area and western Hubei Province

在参考页岩气相关技术规范[33-34]基础上，选取泥页岩埋深、厚度、TOC、Ro等参数，以埋深大于300 m为界，采取叠合法预测京山地区页岩气远景区，共优选出2个远景区（图10），分别为永隆-长滩远景区和钱场-渔薪远景区。

永隆-长滩远景区位于京山县永隆镇北西和长滩镇东南一带，构造上处于沉湖-土地堂复向斜之普济山向斜和宜家岭向斜，面积701.4 km2，构造变形相对较弱（图10）。该区西南部小面积地形为平原，其余大部为丘陵-岗地，海拔高度一般100～300 m。富有机质泥页岩厚度主要介于40～60 m之间，自南西向北东递增；有机碳含量较高，大多在2.0%之上；页岩成熟度介于1.5%～1.7%之间；孤峰组埋深适中，主要介于600～2500 m。总体表明该地区具有页岩气勘探潜力。

钱场-渔薪远景区位于京山县钱场镇南东一带，构造上处于沉湖-土地堂复向斜之钱场向斜，面积613.5 km2，构造变形相对较弱（图10）。该区东南部小面积地形为平原，其余大部为丘陵-岗地，海拔高度一般100～300 m。富有机质泥页岩厚度主要介于40～60 m之间，自南西向北东递增；有机碳含量较高，大多在2.0%之上；页岩成熟度介于1.5%～1.7%之间；孤峰组埋深浅，主要介于600～1000 m。总体表明该地区具有页岩气勘探潜力。

图10 京山地区孤峰组页岩气远景区综合评价图Fig. 10 Comprehensive evaluation map of shale gas prospective area of the Gufeng Formation in the Jingshan area

4 结论

（1）京山地区发育孤峰组富有机质泥页岩，具有有机碳含量高（TOC含量介于1.75%～6.39%，均值4.48%）、有机质类型好（Ⅰ型）、热演化程度高（Ro平均值为1.43%）的特征，具备良好的页岩气成藏物质基础。

（2）京山地区孤峰组泥页岩为特低孔、特低渗储层；孔隙结构类型多样，脆性矿物含量高，达84.0%～98.0%，平均含量为93.5%，利于储层压裂改造；拟合含气量介于1.91～2.52 m3/t之间，平均值2.21m3/t，具有较好的页岩气吸附能力。

（3）采用叠合法在京山地区共优选出永隆-长滩远景区（I1）和钱场-渔薪远景区（I2）2个远景区。

论文在撰写过程中得到湖北省地质调查院许露露博士、温雅茹博士的指导和帮助，同时审稿人给本文也提出了十分宝贵的修改意见，在此深表谢意。