胡忠貴 秦 鵬 胡明毅 邱小松 左洺滔

（ 1非常規(guī)油氣湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心；2長江大學沉積盆地研究中心；3中國石油勘探開發(fā)研究院 ）

頁巖氣是指主體位于黑色富有機質(zhì)泥頁巖中，以吸附或游離狀態(tài)為主要存在方式的天然氣聚集，屬于自生自儲、原位飽和氣藏[1]。頁巖氣作為一種非常規(guī)氣，具有巨大的資源前景，可以有效增加中國天然氣儲量，頁巖氣相關研究已經(jīng)成為國內(nèi)外學者研究的熱點和前沿問題[2-8]。近年來，國內(nèi)部分學者對中上揚子地區(qū)海相頁巖氣勘探開發(fā)做了大量的研究工作，結(jié)果表明該區(qū)海相地層中發(fā)育下寒武統(tǒng)牛蹄塘組或水井沱組、上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組等兩套穩(wěn)定分布的暗色泥頁巖，具有分布面積廣、沉積厚度大、有機質(zhì)豐度高和烴源巖成熟度較高的特點，具備頁巖氣成藏的基本地質(zhì)條件，有望成為中國頁巖氣勘探開發(fā)的熱點區(qū)域[9-12]。

近年來中國石化在重慶涪陵地區(qū)開展的頁巖氣勘探開發(fā)實踐工作初見成效[13-17]，截至2016年底，以五峰組—龍馬溪組為主力頁巖氣產(chǎn)層的焦石壩區(qū)塊累計開鉆310口井，2016年年產(chǎn)氣量超50×108m3。針對重慶及周緣下古生界海相頁巖氣相關的研究成果也日漸豐碩，涉及頁巖氣形成及保存條件[18-19]、儲層特征[20-21]、成藏機理[22]、資源潛力評價及有利區(qū)帶預測等[23]，為指導下古生界海相頁巖氣勘探提供了重要依據(jù)?？v觀前人研究成果，在研究區(qū)域的選擇上或是不同層位研究精細程度上還存在差異，如勘探程度較高的上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組研究程度相對較高，而受限于鉆井資料少及埋深大等現(xiàn)實問題，針對湘鄂西地區(qū)下寒武統(tǒng)水井沱組的研究程度相對較低。此外，勘探實踐中還存在很多難以解釋的現(xiàn)象，如：同一口井不同層段的頁巖氣日產(chǎn)量差別較大；有些同一穩(wěn)定區(qū)塊內(nèi)的頁巖氣井，同一層位頁巖氣日產(chǎn)量差別較大；有些有機碳含量高的地區(qū)其頁巖氣產(chǎn)量較低，而有機碳含量較低的地區(qū)頁巖氣產(chǎn)量反而很高等；這些現(xiàn)象可能與頁巖儲層非均質(zhì)性有關。基于以上問題，有必要對富有機質(zhì)頁巖儲層的綜合特征及其垂向和平面上的非均質(zhì)性開展研究，雖然部分學者已經(jīng)做了有意義的探索研究[24-27]，但還存在諸多問題尚待深入研究，如儲層精細描述及非均質(zhì)性認識尚不深入[28]，不同區(qū)域和層位上研究程度不均一等[29-30]。本文擬對湘鄂西地區(qū)下寒武統(tǒng)水井沱組富有機質(zhì)頁巖開展儲層分布及非均質(zhì)性研究，探討造成這種非均質(zhì)性的原因，進而優(yōu)選出較有利富有機質(zhì)頁巖儲層發(fā)育層段，對指導南方海相頁巖氣勘探開發(fā)具有重要的科學意義。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

湘鄂西地區(qū)東起湖北宜昌—湖南臨澧一線，西至湖北建始—重慶忠縣、彭水一線（以省界分隔），北抵湖北興山—巴東一線，南達湖南張家界、古丈—重慶酉陽一線，總面積約為5.88×104km2。研究區(qū)在大地構(gòu)造背景上處于揚子地塊中部的湘鄂西褶皺帶，東鄰江漢平原區(qū)的當陽復向斜，西至齊岳山復背斜，北與神農(nóng)架復背斜和黃陵背斜相接，南與江南沖斷隆起帶相鄰）（圖1）[29]。湘鄂西褶皺帶是在印支—燕山早期壓性構(gòu)造環(huán)境和燕山晚期區(qū)域性拉張構(gòu)造環(huán)境下所形成的呈北北東向的“隔擋式”褶皺帶，自東而西依次為桑植—石門復向斜、宜都—鶴峰復背斜、花果坪復向斜、中央復背斜、利川復向斜和齊岳山復背斜（圖 1）[31]。

圖 1 研究區(qū)位置圖

湘鄂西地區(qū)下寒武統(tǒng)自下而上依次為水井沱組（牛蹄塘組）、石牌組、天河板組和石龍洞組。水井沱組（牛蹄塘組）主要發(fā)育灰黑色頁巖、碳質(zhì)頁巖、鈣質(zhì)頁巖等暗色碎屑巖，暗色泥頁巖系常連續(xù)發(fā)育，區(qū)域分布穩(wěn)定，局部夾薄層碳酸鹽巖，為主要的頁巖儲層發(fā)育段。區(qū)域上水井沱組自襄廣斷裂帶向南依次發(fā)育碳酸鹽緩坡—淺水陸棚—深水陸棚—盆地沉積體系，富有機質(zhì)頁巖主要發(fā)育于深水陸棚環(huán)境[19]。

2 富有機質(zhì)頁巖層序地層格架

湘鄂西地區(qū)下寒武統(tǒng)由于頁巖氣鉆井和地球物理資料較少，充分利用野外露頭資料開展研究工作就顯得非常重要。通過對宜昌王家坪、石門楊家坪、張家界大坪、鶴峰白果坪、龍山茨巖塘、永順王村等野外剖面的觀測及對利1井、李1井、宜10井等20余口鉆井資料分析，水井沱組層序界面主要表現(xiàn)為局部沉積暴露面和巖性—巖相轉(zhuǎn)換界面。在野外剖面上，許多沉積暴露面是由于海平面的變化，前期高位體系域沉積物頂部長期暴露氧化，形成了風化暴露面。如鶴峰白果坪剖面和張家界大坪剖面上均可見震旦系和寒武系接觸面，燈影組頂部為灰色塊狀白云巖，寒武系底部為黑色泥頁巖，沉積界面處夾薄層氧化古土壤層，確定為古風化殼（圖2），反映了此界面為一沉積間斷面。當海平面下降形成層序界面時，在盆地邊緣暴露區(qū)可形成不同類型的暴露不整合面，但是在盆地內(nèi)部水下會形成與之相關的整合界面，表現(xiàn)在巖性和巖相上的明顯變化。如張家界大坪剖面處該界面表現(xiàn)為混積陸棚向碎屑巖陸棚的巖相變化和鈣質(zhì)頁巖向硅質(zhì)頁巖的巖性變化，穿越該界面水體加深。層序內(nèi)部最大海泛面處為硅質(zhì)頁巖向碳質(zhì)頁巖或泥、頁巖轉(zhuǎn)化的巖相突變面。

圖2 湘鄂西地區(qū)下寒武統(tǒng)關鍵層序界面

根據(jù)關鍵層序界面識別特征和巖相變化，可將水井沱組劃分為2個三級層序（Sq1和Sq2），每個層序內(nèi)部均可以識別出海侵體系域（TST）和高位體系域（HST）沉積。每個層序結(jié)構(gòu)完整，Sq1中海侵體系域由1個退積的準層序組組成，高位體系域由2個進積的準層序組組成；Sq2中海侵體系域由1個退積的準層序組組成，高位體系域由3個進積的準層序組組成（圖3）。

3 富有機質(zhì)頁巖分布特征

3.1 地表出露情況

下寒武統(tǒng)水井沱組富有機質(zhì)泥頁巖沉積之后，受到了成巖作用及構(gòu)造作用的改造，特別是后期抬升遭受剝蝕對富有機質(zhì)頁巖的空間分布影響巨大，經(jīng)歷了加里東晚期、海西期、印支期、燕山期、喜馬拉雅期等多期構(gòu)造改造作用和構(gòu)造熱液活動，最終調(diào)整、演化為包括有擠壓、伸展、走滑、底辟等多種構(gòu)造樣式的現(xiàn)今面貌，下寒武統(tǒng)大部分深埋地下，部分出露，主要集中于秭歸盆地周緣、石門—酉陽一帶和張家界局部地區(qū)，在黃陵背斜、湘西及鄂東地區(qū)剝蝕程度嚴重，局部地區(qū)頁巖完全剝蝕（圖4a）。

3.2 埋深分布特征

富有機質(zhì)頁巖的埋深是直接決定其是否具有工業(yè)價值的一項重要指標，以區(qū)域地質(zhì)圖上各地表出露地層展布形態(tài)和鉆井數(shù)據(jù)為基礎，結(jié)合研究區(qū)內(nèi)二維地震資料解釋，編制出湘鄂西地區(qū)下寒武統(tǒng)水井沱組泥頁巖底部埋深等值線圖。通過對湘鄂西地區(qū)二維地震重新處理發(fā)現(xiàn)，水井沱組連續(xù)分布、產(chǎn)狀較小、埋深相對較淺的泥頁巖沉積主要分布于咸豐—酉陽一線、秭歸—長陽—宜都一線和鶴峰—龍山一線?？傮w而言，湘鄂西地區(qū)水井沱組底部泥頁巖埋深范圍在1500～6000m之間，其中靠近江漢平原區(qū)埋深相對較深，絕大部分地區(qū)大于4500m；而在湘鄂西大部分地區(qū)埋深相對較淺，主體位于1000～3000m（圖4b）。

圖3 張家界大坪剖面水井沱組綜合柱狀圖

圖4 湘鄂西地區(qū)水井沱組地表出露（a）及底界埋深（b）分布圖

3.3 層序格架內(nèi)相帶分布特征

以層序作為編圖單元，有助于不同時間單元內(nèi)相帶的演化規(guī)律分析和頁巖儲層非均質(zhì)性的評價。震旦紀晚期的惠亭運動使湖北中部上升，形成鄂中古隆起，到早寒武世水井沱期，隨海平面快速上升，形成中揚子地區(qū)缺氧環(huán)境，沉積了外陸棚暗色碎屑巖系。區(qū)域上自鄂中到湘西北古地理單元依次劃分為鄂中隆起、碳酸鹽緩坡、鈣質(zhì)陸棚、碳質(zhì)陸棚、硅質(zhì)陸棚、粉砂質(zhì)陸棚及硅質(zhì)盆地等相帶。碳酸鹽緩坡沉積出現(xiàn)于鄂中隆起外圍，以白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r沉積為主，其形成環(huán)境可能是因鄂中隆起地勢平緩，提供的碎屑沉積物較少，不能形成碎屑巖濱岸環(huán)境。碳酸鹽緩坡外圍為鈣質(zhì)陸棚，其主要為暗色頁巖夾薄層石灰?guī)r及泥灰?guī)r。碳質(zhì)陸棚圍繞鈣質(zhì)陸棚外圍發(fā)育，沉積有暗色泥頁巖。向深海方向則依次發(fā)育硅質(zhì)陸棚、硅質(zhì)盆地，主要為缺氧環(huán)境的碎屑巖，發(fā)育硅質(zhì)頁巖、碳質(zhì)頁巖。湘鄂西地區(qū)Sq1時期主體發(fā)育碳質(zhì)陸棚和硅質(zhì)陸棚環(huán)境，且以硅質(zhì)陸棚為主（圖5a）；Sq2時期較Sq1時期總體水體變淺，相帶向南遷移，硅質(zhì)陸棚相帶變窄，碳質(zhì)陸棚范圍擴大且占據(jù)湘鄂西大部分區(qū)域（圖5b）。

圖5 湘鄂西地區(qū)Sq1（a）和Sq2（b）沉積相分布圖

3.4 層序格架內(nèi)厚度分布特征

根據(jù)研究區(qū)內(nèi)鉆井和野外剖面頁巖厚度統(tǒng)計資料，結(jié)合相帶展布規(guī)律，水井沱組暗色泥頁巖系厚度分布范圍為50～250m，大部分厚度大于100m。在Sq1時期，龍山茨巖塘剖面水井沱組巖性為深灰色—黑色硅質(zhì)頁巖，厚度為124m；鶴峰白果坪剖面水井沱組巖性為黑色含硅碳質(zhì)頁巖，局部含磷質(zhì)結(jié)核，厚度為68m；石門楊家坪剖面木昌組巖性為灰黑色—黑色含硅碳質(zhì)頁巖，厚度為66m；宜10井水井沱組巖性為灰黑色—深灰色碳質(zhì)頁巖，厚度為48m。從平面上看，暗色泥頁巖厚度具西南厚、東北薄的特點，巖性由硅質(zhì)頁巖過渡到碳質(zhì)頁巖到鈣質(zhì)頁巖到碳酸鹽巖，高值區(qū)位于龍山—酉陽一帶，最厚可達120多米，向東北方向逐漸減小，直至無泥頁巖沉積（圖6a）。Sq2時期，暗色泥頁巖厚度具有和Sq1時期相同的南西厚北東薄的特點，但是巖性有較大差異，巖性由碳質(zhì)頁巖過渡到鈣質(zhì)頁巖到碳酸鹽巖，高值區(qū)分布區(qū)域相似，最厚可達130余米，向東北方向逐漸減小，直至無泥頁巖沉積（圖6b）。

3.5 有機碳含量和鏡質(zhì)組反射率分布特征

根據(jù)剖面和鉆井測試資料統(tǒng)計表明：湘鄂西地區(qū)水井沱組泥頁巖有機碳含量（TOC）分布范圍為0.15%～13.13%，平均為2.34%，經(jīng)過篩選后統(tǒng)計可知，TOC主要大于1.5%，占整個樣品總數(shù)的60%。結(jié)合沉積相帶展布趨勢和點上測試數(shù)據(jù)編制水井沱組TOC分布圖，可以看出TOC高值區(qū)位于湘鄂西龍山一帶（圖7a）。水井沱組鏡質(zhì)組反射率Ro分布范圍為2.31%～4.46%，平均為3.52%，從Ro平面分布看，研究區(qū)內(nèi)水井沱組Ro整體偏高，總體達到高—過成熟階段（圖7b）。

圖6 湘鄂西地區(qū)Sq1（a）和Sq2（b）地層厚度分布圖

圖7 湘鄂西地區(qū)水井沱組TOC（a）和Ro（b）分布圖

4 富有機質(zhì)頁巖儲層特征及其非均質(zhì)性

富有機質(zhì)頁巖一般由黏土礦物、陸源碎屑礦物、自生非黏土礦物和有機質(zhì)組成[32]。由于頁巖氣賦存方式的特殊性，吸附氣主要吸附于有機質(zhì)和黏土礦物表面[33]，游離氣主要賦存于孔隙和裂縫中，因此頁巖儲層研究也有別于常規(guī)儲層。本文主要從定性的角度分析頁巖儲層非均質(zhì)性特征，即頁巖儲層的物質(zhì)組成、儲集空間類型、有機地球化學參數(shù)等方面的縱橫向變化規(guī)律。

4.1 頁巖儲層物質(zhì)組成特征及其非均質(zhì)性

在常規(guī)砂巖儲層中結(jié)構(gòu)和膠結(jié)物特征對儲層的孔隙度和滲透率有著重要的影響，但泥頁巖儲層的孔隙度較小，結(jié)構(gòu)較簡單，膠結(jié)物含量極其有限，故此處主要分析礦物成分對頁巖儲層的影響。美國頁巖氣勘探開發(fā)證明，頁巖儲層孔隙度和滲透率都很低，其裂縫體系的發(fā)育程度對頁巖氣的聚集和開發(fā)具有重要的影響作用。當泥頁巖中黏土礦物含量較少，硅質(zhì)、碳酸鹽等礦物較多時，巖石脆性較大，裂縫系統(tǒng)容易形成[34]，如Barnett硅質(zhì)頁巖中黏土礦物含量通常小于50%，石英等含量超過40%。根據(jù)永順王村、張家界大坪、宜昌王家坪、鶴峰白果坪等野外剖面樣品及咸2井、宜10井等巖屑樣品的全巖X射線衍射分析結(jié)果：黏土礦物含量為10.40%～28.90%，平均為19.72%；石英含量為18.80%～64.80%，平均為47.25%；長石含量為8.39%～16.30%，平均為11.87%；碳酸鹽礦物含量為2.40%～49.70%，平均為21.36%；黃鐵礦含量為0.00～4.90%，平均為1.76%（表1）。表明湘鄂西地區(qū)水井沱組礦物含量以石英為主，其次為碳酸鹽礦物和黏土礦物；黏土礦物主要有伊/蒙間層、伊利石和綠泥石，其中伊利石含量最高（表1）。

表1 湘鄂西地區(qū)主要剖面/鉆井水井沱組基礎數(shù)據(jù)表

縱向上頁巖段礦物學特征也存在差異，以張家界大坪剖面為例：①海侵體系域中長英（長石、石英）質(zhì)礦物含量為53.8%～58.7%，平均為56.3%；黏土礦物含量為22.1%～24.9%，平均為23.5%；碳酸鹽礦物含量為16.8%～23.9%，平均為20.3%；②高位體系域中長英質(zhì)礦物含量為34.5%～56.4%，平均為44.6%；黏土礦物含量為21.5%～29.8%，平均為26.4%；碳酸鹽礦物含量為18.4%～43.3%，平均為29.0%。海侵體系域中長英質(zhì)礦物含量相對較高，碳酸鹽礦物和黏土礦物含量相對較低；高位體系域中碳酸鹽礦物和黏土礦物含量相對較高，長英質(zhì)礦物含量相對較低（圖3）。通過對張家界大坪剖面水井沱組準層序組物質(zhì)組成分析表明，在Sq1的海侵體系域中退積的準層序組中巖性由碳質(zhì)頁巖變?yōu)楣栀|(zhì)頁巖，其硅質(zhì)含量上升，碳酸鹽礦物含量下降（圖3、圖8a）；在Sq2的高位體系域第1、2個進積的準層序組中碳酸鹽礦物含量上升（圖3、圖8b）。

圖8 張家界大坪剖面水井沱組退積型（a）、進積型（b）準層序組中礦物組成特征

通過對咸2井、王村剖面、白果坪剖面、宜10井等的橫向?qū)Ρ劝l(fā)現(xiàn)，咸2井和王村剖面黏土礦物和長英質(zhì)礦物含量相對較高，而白果坪剖面和宜10井碳酸鹽礦物含量相對略高于西部地區(qū)，這一特征與相帶展布特征匹配較好（圖9）。

圖9 水井沱組單剖面（井）泥頁巖礦物組成三角圖

4.2 儲集空間特征及其非均質(zhì)性

Milner等曾針對北美Haynesville頁巖、Horn River頁巖、Barnett頁巖及Marcellus頁巖中的微觀孔隙進行系統(tǒng)觀察[35]，發(fā)現(xiàn)上述4套頁巖中普遍發(fā)育3種類型孔隙，即基質(zhì)晶間孔、有機質(zhì)孔和粒間孔。通過對湘鄂西地區(qū)水井沱組泥頁巖孔隙類型大量、系統(tǒng)的觀察發(fā)現(xiàn)，兩套富有機質(zhì)頁巖中普遍存在基質(zhì)孔、有機質(zhì)孔和溶蝕孔，此外還發(fā)育大量的微裂縫。

借助高分辨率的場發(fā)射掃描電鏡（FE—SEM）和透射電子顯微鏡（TEM）等手段對頁巖儲層微觀特征進行研究，結(jié)果表明有機質(zhì)孔最小，孔徑一般在10～1500nm，屬納米級孔隙，為研究區(qū)最重要的儲集空間（圖10a）；其次為基質(zhì)孔，孔徑一般在0.1～2.5μm，占總孔隙的小部分（圖10b）；再次為溶蝕孔，孔徑一般在8.0～45.0μm，是一種重要的儲集空間，特別是黏土礦物含量相對較高地區(qū)，溶蝕孔較發(fā)育（圖10c—e）；最大的為微裂縫，縫寬一般在1.0～100.0μm，局部地區(qū)極為發(fā)育（圖10f），不同地區(qū)差異較大。

通過對大坪剖面頁巖樣品掃描電鏡分析表明，水井沱組Sq1海侵體系域硅質(zhì)頁巖中由于黏土礦物含量很高，溶蝕孔極為發(fā)育，面孔率較大（圖10g、h），另外發(fā)育大量的順層微裂縫；Sq1高位體系域鈣質(zhì)頁巖中由于碳酸鹽礦物含量較高，發(fā)育少量晶間孔隙，但面孔率較?。▓D10i）?？v向上儲集空間的對比可以發(fā)現(xiàn)，自下而上儲集空間類型均有孔隙和裂縫，其中水井沱組順層裂縫和孔隙均很發(fā)育，而相對粉砂質(zhì)含量豐富的五峰組—龍馬溪組主要發(fā)育溶蝕孔，順層的裂縫很少見，究其原因是因為水井沱組硅質(zhì)頁巖和碳質(zhì)頁巖較發(fā)育，硅質(zhì)頁巖脆性大且有機質(zhì)含量高，容易產(chǎn)生微裂縫和溶蝕孔。

4.3 有機地球化學特征及其非均質(zhì)性

研究區(qū)內(nèi)大量的樣品統(tǒng)計及前人研究成果表明,水井沱組TOC平均值較高，但不同地區(qū)TOC差異較大，分布范圍為0.1%～9.64%，平均為2.23%。以國家標準（GB/T 31483—2015）對于海相頁巖氣有利層段（區(qū)）TOC的下限標準2.0%為界定，區(qū)內(nèi)樣品點大于2.0%者占總數(shù)的37.3%（圖11）。區(qū)域上鶴峰—酉陽一帶為TOC的峰值區(qū)，向西北方向TOC驟減，往江漢平原區(qū)方向TOC普遍較低（圖7b）。

圖10 湘鄂西地區(qū)水井沱組泥頁巖儲集空間特征

圖11 湘鄂西地區(qū)水井沱組TOC分布直方圖

5 富有機質(zhì)頁巖儲層非均質(zhì)性形成機制探討

富有機質(zhì)頁巖儲層非均質(zhì)性是絕對的，且造成頁巖儲層非均質(zhì)性的原因較多，總體上可歸納為兩個方面，即沉積作用和沉積后作用，其中影響沉積作用的包括海平面升降變化、物源供給及生物作用等因素，沉積后作用主要包括成巖作用、構(gòu)造作用等因素。

5.1 沉積作用對儲層非均質(zhì)性的影響

海平面的升降變化與泥頁巖沉積密切相關。有人認為海相泥頁巖沉積于深水環(huán)境，海平面升降變化對其沉積物的影響甚小。其實不然，通過對國內(nèi)外海相泥頁巖沉積調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，泥頁巖礦物的組成與海平面升降變化有著密切的聯(lián)系。在海平面下降至陸棚坡折點以下時，主要發(fā)育低位體系域沉積，深水區(qū)主要發(fā)育泥頁巖夾斜坡扇、海底扇的粗碎屑沉積。在海平面上升時期，主要發(fā)育海侵體系域和早期高位體系域，盆地處于非補償階段，陸棚—深海盆地沉積硅質(zhì)泥頁巖、碳質(zhì)泥頁巖等；陸棚上較淺水地區(qū)沉積碳酸鹽與陸源碎屑混合的鈣質(zhì)泥頁巖。當海平面持續(xù)上升到最大海泛面之后，進入海平面緩慢上升—緩慢下降的高位體系域形成期，陸源碎屑充足時沉積進積型粉砂質(zhì)頁巖，陸源碎屑不足時沉積加積—進積型鈣質(zhì)頁巖。

物源供給是碎屑巖沉積的物質(zhì)基礎，物源所提供碎屑物質(zhì)類型及豐富程度對沉積物類型及特征具有重要的影響。早寒武世水井沱組沉積時期，湘鄂西地區(qū)遠離西部的康滇古陸物源區(qū)，物源不足，較粗的陸源碎屑難以運移到研究區(qū)，沉積物主要為原地沉積的硅質(zhì)頁巖、碳質(zhì)頁巖等。研究區(qū)東部鄂中古隆起的抬升，使得江漢平原區(qū)沉積水體相對較淺，靠近鄂中古隆起地區(qū)發(fā)育碳酸鹽巖及鈣質(zhì)頁巖。

生物作用對硅質(zhì)頁巖、碳質(zhì)頁巖的分布有著重要作用。宜昌長陽地區(qū)水井沱組黑色頁巖中保存有豐富的高肌蟲、大型雙瓣殼節(jié)肢動物、宏體藻類、軟舌螺類和可疑的海綿類等化石，宏體藻類以及底棲的海綿類和軟舌螺類化石的存在，說明其沉積環(huán)境為水體較深的貧氧環(huán)境，沉積物主要為泥頁巖。但是由于頁巖沉積時具有較高水分，在快速沉積背景下將死亡生物軀體埋藏，伴隨著沉積的不斷進行，沉積水與外界水體交換量逐漸減少，加之生物腐爛產(chǎn)生的H2S氣體，形成了沉積物內(nèi)部的強還原環(huán)境，有機質(zhì)得以保存，最終形成黑色碳質(zhì)頁巖[36-37]。寒武系底部黑色頁巖的碳質(zhì)體中還發(fā)現(xiàn)有大量硅質(zhì)體，系海綿骨針化石，可能為深海熱（液）水環(huán)境重要的生物類型，是部分硅質(zhì)頁巖的重要成因[38]。

5.2 沉積后作用對儲層非均質(zhì)性的影響

由于區(qū)域成巖環(huán)境的差異，前期相同的頁巖儲層經(jīng)過不同成巖環(huán)境改造后，其每個成巖階段的黏土礦物組分比例各不相同，造成了頁巖儲層縱橫向上的非均質(zhì)性。研究區(qū)下寒武統(tǒng)水井沱組普遍經(jīng)歷了深埋藏的中—晚成巖作用階段，黏土礦物中發(fā)育伊利石、伊/蒙間層、綠泥石和高嶺石，其中以伊利石和伊/蒙間層為主，且伊/蒙間層的相對含量要少于伊利石（表1）。不同的黏土礦物對天然氣的吸附能力有著明顯的差別。在30℃溫度條件下，干黏土甲烷吸附實驗結(jié)果表明伊利石吸附甲烷的能力最強，因而研究區(qū)水井沱組黏土礦物含量中伊利石含量高的區(qū)域有利于頁巖儲層中吸附氣的大量富集[22]。此外，研究區(qū)長英質(zhì)、碳酸鹽礦物分布具有不均一性，而埋藏條件下由于有機質(zhì)的成熟、演化過程中產(chǎn)生的大量有機酸對頁巖儲層中的長石、碳酸鹽礦物等也會產(chǎn)生不同程度的溶蝕作用。

構(gòu)造作用也可能對頁巖儲層非均質(zhì)性產(chǎn)生影響。如構(gòu)造作用造成的局部泥頁巖的抬升和下降控制著泥頁巖熱演化程度，黃陵背斜、宜都—鶴峰復背斜地區(qū)水井沱組富有機質(zhì)頁巖遭受抬升，其熱演化程度較弱，而其余地區(qū)熱演化程度較強；構(gòu)造作用是泥頁巖內(nèi)部產(chǎn)生裂縫的主要因素，也控制著地層水的流動與停滯，研究區(qū)內(nèi)湘鄂西地區(qū)構(gòu)造格局為復向斜區(qū)，斷裂主要為小斷裂且地層平緩，一般控制著地層水上下竄層流動，總體是順層流動，因此對頁巖儲層含氣性保存較好。

除此以外，水文地質(zhì)作用對于頁巖儲層含氣性的非均質(zhì)性、保存條件等也有著重要的影響，限于目前研究程度較低尚待進一步深化認識。

6 結(jié)論

（1）湘鄂西地區(qū)下寒武統(tǒng)水井沱組富有機質(zhì)泥頁巖在地表出露、埋深、相帶、厚度、有機碳含量及成熟度等特征的平面分布上存在強烈差異。水井沱組地表出露局限，底界埋深相對較淺，有利的勘探區(qū)域位于咸豐—酉陽一線、秭歸—長陽—宜都一線和鶴峰—龍山一線。沉積相帶分異是有機地球化學指標在平面上存在差異的重要因素，其中深水碳質(zhì)陸棚、硅質(zhì)陸棚分布區(qū)有機地球化學指標高，為有利頁巖儲層發(fā)育相帶；在層序格架內(nèi)此有利相帶分布也存在差異，其中Sq1時期主體發(fā)育深水碳質(zhì)陸棚和硅質(zhì)陸棚環(huán)境，以硅質(zhì)陸棚為主；Sq2時期深水碳質(zhì)陸棚范圍擴大且占據(jù)湘鄂西大部分區(qū)域。

（2）頁巖儲層宏觀非均質(zhì)性方面，富有機質(zhì)泥頁巖主要發(fā)育于Sq1和Sq2的海侵體系域中，巖相上表現(xiàn)為海侵體系域主要發(fā)育硅質(zhì)頁巖、碳質(zhì)頁巖，而高位體系域以鈣質(zhì)泥頁巖、粉砂質(zhì)泥頁巖為主。微觀非均質(zhì)性方面，海侵體系域中頁巖儲層具有黏土礦物和有機碳含量向上逐漸升高，長英質(zhì)、碳酸鹽礦物含量降低的特征，儲集空間由基質(zhì)孔向溶蝕孔、有機質(zhì)孔演變，總孔隙度向上逐漸變大；高位體系域中頁巖儲層變化特征與海侵體系域中恰恰相反。

（3）頁巖儲層的非均質(zhì)性受到沉積作用和沉積后作用的共同控制，沉積時期海平面升降變化、物源供給以及生物作用控制著泥頁巖的物質(zhì)組成，沉積后作用中泥頁巖成巖作用、構(gòu)造作用及水文地質(zhì)作用控制了泥頁巖物質(zhì)組成、儲集空間及含氣性特征。