湖北省秭歸盆地北緣牛蹄塘組頁巖氣儲層特征及保存條件

談紅梅, 吳先文

(1.湖北煤炭地質局,湖北 武漢 430021; 2.湖北煤炭地質勘查院，湖北 武漢 430021)

湖北宜頁1井探氣成功，拉開了湖北省頁巖氣勘查的新篇章，從而也引起了廣大地質工作者對老地層中頁巖氣成藏研究的興趣。本文依托《湖北省秭歸盆地及周緣頁巖氣資源調查評價》項目，根據露頭剖面、鉆井巖心采集的樣品及化驗分析數據，對研究區內寒武系牛蹄塘組頁巖生氣、儲氣能力、構造及保存條件進行研究，從而探討頁巖氣地層、構造與保存條件之間的關系，為該區頁巖氣資源勘查提供依據。

1 地質概況

1.1 地層特征

研究區內出露的地層較為齊全，由老至新、從太古界至第四系均有出露，富有機質黑色頁巖層系主要有四套,分別是下震旦統陡山沱組(Z1d)、下寒武統牛蹄塘組(∈1n)、奧陶統—下志留統龍馬溪組(O3S1l)、二疊系上統大隆組(P3d)，這四套地層在研究區均有出露，只是埋深及厚度各不相同，而牛蹄塘組是四個層段中最厚的，其是本文研究的重點。

1.2 構造特征

秭歸盆地位于大巴山構造帶的東段，是侏羅紀發育較為完整的陸相沉積盆地，北接神農架隆起，東部緊鄰黃陵背斜[1]。區內從左至右呈“川”字形依次發育有高橋斷裂(①)、牛口周家山斷裂(②)及水田壩斷裂(③)，主體構造線分別為北東向、北北東向、近南北向(圖1)。

圖1 秭歸盆地構造綱要圖Fig.1 Sketch map of Zigui basin1.侏羅系;2.三疊系;3.二疊—泥盆系;4.志留—奧陶系;5.寒武系;6.震旦系;7.背斜;8.向斜;9.構造帶;10.斷層;11.省界;12.河流。

高橋斷裂呈北東向展布，早期南東盤下降，北西盤上升，中期表現為強烈的擠壓逆沖，并伴隨左行平移錯動，晚期表現為以張性正斷層為主的特點；斷裂切割基底，對區內地層破壞作用較大。牛口周家山斷裂呈北北東向展布，以逆沖運動為主，兼有左行平移的特點。水田壩斷裂近南北向展布，為壓剪性斷裂，由于強烈擠壓導致斷層帶巖石破碎，切割較深[2]。

2 牛蹄塘組頁巖特征

2.1 牛蹄塘組頁巖巖性組合特征

2.1.1 巖性組合特征

牛蹄塘組頁巖主要出露于秭歸盆地周緣的東部、北部，巖性組合分為三段。下段(圖2-c、d)主要為深灰色中層狀含碳質粉晶灰巖、薄層狀含碳質泥灰巖，黑色極薄層含碳質粉砂質泥巖互層,厚度20～207 m；中段(圖2-b、c)黑色薄—極薄層碳質頁巖、粉砂質頁巖、泥質粉砂巖，下部常夾含硅質白云巖、白云巖、白云質灰巖透鏡體，厚度約65～215 m；上段(圖2-a)主要為深灰色薄—中層泥晶灰巖，厚度約70～208 m。

圖2 牛蹄塘組巖性組合Fig.2 Lithology combination of Niutitang Formation

2.1.2 富有機質泥頁巖厚度分布特征

根據地震資料及本次鉆孔結果，牛蹄塘組頁巖厚度大，具西厚東薄的特點(圖3)，最厚達580 m，其中東部黃家河一帶77 m。牛蹄塘組上段為碳酸鹽巖建造，中段為碎屑巖建造，底部為含碳鈣質頁巖夾硅質巖及含硅質泥灰巖。牛蹄塘組富有機質泥頁巖主要分布在下、中段。

2.1.3 埋深分布特征

依據研究區地震及本次鉆探等資料綜合分析，結合地質構造剖面,推測牛蹄塘組埋深分布特征整體呈現中間深，北、東部淺(圖4)。秭歸盆地最大埋深達10 000 m以上，盆地周緣埋深普遍在5 000 m以上,東部與黃陵背斜交界一帶埋深分布在2 000～5 000 m之間,北部與神農架交界帶埋深在1 000～5 000 m。根據已有勘探,表明牛蹄塘組在盆地北緣及東部相對較淺，是埋深適中區,宜勘探。

圖3 工作區牛蹄塘組富有機質泥頁巖厚度等值線圖Fig.3 Contour map of organic matter in rich shale thickness of Niutitang Formation1.剖面及編號;2.井位及編號;3.等值線及數值;4.地名。

圖4 工作區牛蹄塘組埋深等值線圖Fig.4 Buried depth contour map of Niutitang Formation in work area1.鉆孔及編號;2.工作區范圍;3.等值線及數值;4.地名。

2.2 牛蹄塘組有機地球化學特征

本次共采集地表露頭樣46件、鉆孔巖心樣品35件，分析結果顯示，牛蹄塘組有機碳(TOC)豐度最大值達4.72%，最小值0.26%，分布范圍主要集中在0.94%～3.58%之間，平均值2.02%，總體達到高頁巖氣層標準。牛蹄塘組富有機質泥頁巖干酪根鏡檢分析12項，有機質類型為Ⅰ型。鏡質體反射率(Ro)最大值達3.58%，最小值2.12%，分布范圍主要集中在2.82%～3.20%之間，平均值3.05%，總體為過成熟階段。

2.3 牛蹄塘組頁巖儲層特征

2.3.1 礦物成分

牛蹄塘組礦物成分取鉆孔樣16件，分析結果顯示見表1和圖5。主要礦物為石英、粘土礦物和長石，含少量碳酸鹽礦物和黃鐵礦。其中石英含量最小值18%，最大值55%，平均值42.4%；粘土礦物含量最小值4%，最大值25%，平均值14.7%；長石含量最小值為13%，最大值45%，平均值30.5%；碳酸鹽礦物含量最小值為1%，最大值57%，平均值11.6%。總體表現為脆性礦物偏多，粘土礦物略偏少，利于頁巖氣的吸附聚集和壓裂改造。

圖6 牛蹄塘組殘余原生孔隙發育特征Fig.6 Characteristics of the development of residual primary pores of Niutitang formation

表1 工作區富有機質泥頁巖礦物成分統計表Table 1 Statistical table of mineral composition of organic matter in rich shale

圖5 牛蹄塘組礦物組成含量圖Fig.5 Content diagram of mineral composition of Niutitang Formation

2.3.2 巖石物性

(1) 孔隙度及滲透率。牛蹄塘組巖石物性分析10件,其結果表明(表2)，巖石物性特征總體表現為低孔、特低滲透特點。其中孔隙度范圍1.76%～3.56%，平均值2.625%；滲透率范圍0.000 152～0.021 532 mD，平均值0.003 902 mD；巖石密度范圍2.59～2.85 g/cm3，平均值2.676 g/cm3。

表2 牛蹄塘組巖石物性統計表Table 2 Statistics of rock property of Niutitang Formation

(2) 孔隙結構。①殘余原生孔隙。牛蹄塘組僅在鉆孔深部,樣品中可見零星殘余原生孔隙，整體發育很少。孔隙大小一般較小，普遍在1～10μm之間(圖6),其主要分散于粘土礦物中的粉砂質顆粒間。②有機質孔隙。據Jarvie等人[1]研究，有機質含量為7%的頁巖在生烴演化過程中，消耗35%的有機碳可使頁巖孔隙度增加49%。有機微孔的直徑一般為0.01～1μm，形態一般為蜂窩狀、條帶狀、塊狀。牛蹄塘組有機質孔隙不發育，僅見少量條帶狀有機質孔隙，有機質孔隙呈不規則狀，孔徑較大,一般為1～10μm(圖7)。③次生溶蝕孔隙。據研究，次生溶蝕孔隙在碳酸鹽礦物含量相對較高時發育。牛蹄塘組碳酸鹽礦物含量偏少，所以次生溶蝕孔隙發育較少，僅見少量粒內溶孔，為不規則狀，大小為納米—微米(nm-μm)級,其中有石英粒內溶孔、方解石粒內溶孔(圖8)。④無機微裂(孔)隙。頁巖中的粘土礦物碎屑是源區巖石粘土礦物特征的反映。在頁巖的成巖過程中，存在高嶺石、蒙脫石減少,而綠泥石與伊利石增加的趨勢，蒙脫石向伊利石轉化也是頁巖中最重要的成巖變化。隨著深度的增加，當孔隙水偏堿性、富鉀離子時，蒙脫石向伊利石轉化，伴隨體積減小而產生微孔隙。牛蹄塘組巖石中無機微裂(孔)隙很發育，具有隨著深度增加，微孔隙增多、寬度變大的趨勢(圖9)。

2.4 牛蹄塘組頁巖含氣性特征

2.4.1 巖心浸水試驗及現場解析

取鉆孔巖心(牛蹄塘組頁巖)6塊，共做浸水試驗6次，均無氣泡顯示；同時進行6次巖心現場解析測試，也無氣顯示。

2.4.2 等溫吸附

根據牛蹄塘組等溫吸附室內試驗分析結果，發現吸附氣含量中等,吸附氣最小值0.94 m3/t，最大值2.87 m3/t，平均值1.92 m3/t。

圖7 牛蹄塘組有機質孔隙Fig.7 Organic matter pore of Niutitang formation

圖8 牛蹄塘組粒內溶孔特征Fig.8 Characteristics of intragranular dissolution of Niutitang formation

圖9 牛蹄塘組無機微裂(孔)隙特征Fig.9 Characteristics of inorganic fissure (hole) gap of Niutitang formation

3 牛蹄塘組頁巖氣保存條件分析

3.1 構造運動及構造演化

秭歸盆地形成前后經歷過多期次構造運動，具多旋回性。宜昌運動始于中寒武世，終止于早志留世，表現為沉降并接受五峰組、龍馬溪組沉積。廣西運動促使揚子陸殼抬升，從而缺失了晚志留世晚期和早泥盆世早期的沉積。海西—印支旋回以地殼頻繁振蕩為特點，共發生了柳江、淮南、云南、東吳、印支五次地殼運動，也結束了本區海侵的歷史，轉入陸內沉積階段。喜馬拉雅旋回發生在新老第三紀之間，其對本區影響較小。

3.2 牛蹄塘組頂底板

牛蹄塘組地層普遍埋深在5 000 m以下，具有埋深大、上覆地層厚的特點。其直接頂板是石牌組,厚達200～290 m，主要巖性為泥質粉砂巖、泥頁巖，為一套區域性蓋層，總體封蓋性好,且與牛蹄塘組為整合接觸,有利于頁巖氣的保存。

牛蹄塘組直接底板為燈影組，為厚層的白云巖，致密堅硬，但溶孔、溶洞及裂隙等較發育，總體封蓋性較差，為區域性較好的常規油氣儲層。

3.3 斷層發育特征

研究區地理位置特殊，北與神農隆起相接，東與黃陵背斜相鄰，造就了區內地層多扭曲疊加。尤其是高橋斷裂和周口影像斷裂深切基底，不僅規模宏大，而且具有多期次活動的特點，次級斷裂發育，對儲層及上覆地層均具有較大的破壞作用，從而增大了裂隙與裂縫，會導致頁巖氣不同程度的散失，不利于頁巖氣的保存。水田壩斷裂為張性正斷裂，對上覆蓋層有一定的破壞作用，也不利于頁巖氣的保存，但影響相對前二者來說要小些。整體來看，高橋斷裂以西，受構造運動影響較小，加之牛蹄塘組埋深相對較淺，是相對穩定有利的區塊。

4 結論

(1) 牛蹄塘組主要分布于秭歸盆地及周緣的北部和東部，有東薄西厚特點，整體厚度大，有機質豐度較高，為頁巖氣的形成提供良好的物質基礎。

(2) 牛蹄塘組有機碳(TOC)豐度平均值2.02%，有機質類型為Ⅰ型,鏡質體反射率(Ro值)主要分布在2.0%～3.0%之間，為好的烴源巖，處于過成熟階段。

(3) 牛蹄塘組主要礦物為石英、粘土礦物和長石，含少量碳酸鹽礦物和黃鐵礦。其中石英含量平均值42.4%、粘土礦物含量平均值14.7%、長石含量平均值30.5%、碳酸鹽礦物含量平均值11.6%。總體表現為脆性礦物偏多，粘土礦物略一般，利于后期壓裂改造。

(4) 牛蹄塘組孔隙度范圍1.76%～3.56%，平均值2.625%；滲透率范圍0.000 152～0.021 532 mD，平均值0.003 902 mD；巖石密度范圍2.59～2.85 g/cm3，平均值2.676 g/cm3。巖石物性特征總體表現為低孔、特低滲透特點。

(5) 牛蹄塘組殘余原生孔隙很少，有機質孔隙不發育，粒內溶孔少量可見，但無機微裂(孔)隙很發育，具有隨著深度的增加微孔隙增多、寬度變大的趨勢。

(6) 研究區構造活動對頁巖氣保存條件影響較大，二條大斷層切割基底和上覆蓋層，不利于保存。但高橋斷裂以西區塊相對穩定，是頁巖氣保存條件較好區塊。

參考文獻：

[1] 渠洪杰,胡健民,崔建軍,等.大巴山構造帶東段秭歸盆地侏羅紀沉積充填過程及其構造演化[J].地質學報,2009,83(9):1255-1268.

[2] 姜福杰,龐雄奇,歐陽學成,等.世界頁巖氣研究概況及中國頁巖氣資源潛力分析[J].地學前緣,2012,19(2):198-211.