蔡全升，陳孝紅，張國濤，張保民，韓 京，陳 琳，李培軍，李炎桂

(1.長江大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430100；2.中國地質(zhì)調(diào)查局 武漢地質(zhì)調(diào)查中心，湖北 武漢 434025；3.中國石化 勘探分公司 勘探研究院，四川成都 610041；4.中國地質(zhì)科學(xué)院，北京 100037)

南方下古生界五峰組-龍馬溪組黑色富有機(jī)質(zhì)頁巖具有分布廣、厚度大、有機(jī)碳含量高的特征，是中國海相頁巖氣勘探的重要目的層[1-6]。近年來，針對(duì)這一主力層系的頁巖氣勘探工作取得了一系列重大突破，人們先后在四川盆地涪陵、長寧、威遠(yuǎn)等地發(fā)現(xiàn)了多個(gè)頁巖氣田，并實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化開發(fā)，上奧陶統(tǒng)五峰組-下志留統(tǒng)龍馬溪組作為主力產(chǎn)氣層顯示出了巨大的勘探潛力[7-10]。然而，除四川盆地外，針對(duì)南方其它地區(qū)的五峰組-龍馬溪組頁巖氣勘探工作卻一直未取得重要進(jìn)展，能否在四川盆地之外再發(fā)現(xiàn)新的大型頁巖氣田成為了人們關(guān)注的焦點(diǎn)[11-12]。為了盡快取得新突破，尋找新的接替區(qū)，實(shí)現(xiàn)盆內(nèi)頁巖氣勘探向盆外頁巖氣勘探的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)移，自2014年開始中國地質(zhì)調(diào)查局武漢地質(zhì)調(diào)查中心圍繞中南地區(qū)部署實(shí)施了大量頁巖氣基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查工作。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)認(rèn)識(shí)，結(jié)合大量分析測(cè)試資料，通過對(duì)比優(yōu)選，選擇黃陵背斜東南緣宜昌地區(qū)作為最有利勘探目標(biāo)，部署實(shí)施了鄂宜頁2井、鄂宜頁3井，并取得了重大突破。鄂宜頁2井對(duì)上奧陶統(tǒng)五峰組-下志留統(tǒng)龍馬溪組黑色頁巖500 m水平段進(jìn)行壓裂，獲得日產(chǎn)3.15×108m3的工業(yè)氣流，表明四川盆地之外的宜昌地區(qū)五峰組-龍馬溪組同樣具有良好的頁巖氣勘探前景[13]。

然而，與涪陵焦石壩和長寧-威遠(yuǎn)相比，宜昌地區(qū)五峰組-龍馬溪組富有機(jī)質(zhì)頁巖儲(chǔ)層特征及規(guī)模均存在顯著差異，這就必然決定了它們的頁巖氣勘探潛力有所不同[11,13-14]。因此，進(jìn)一步明確五峰組-龍馬溪組頁巖儲(chǔ)層發(fā)育特征對(duì)于準(zhǔn)確評(píng)價(jià)宜昌地區(qū)頁巖氣勘探潛力具有十分重要的意義。為此，本文在前人研究的基礎(chǔ)上，利用野外露頭資料、鉆測(cè)井資料及地震資料，并結(jié)合大量的實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)，對(duì)鄂西宜昌地區(qū)五峰組-龍馬溪組儲(chǔ)層發(fā)育特征進(jìn)行了深入研究，總結(jié)了優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層分布規(guī)律，并客觀評(píng)價(jià)了黃陵隆起東部宜昌斜坡區(qū)志留系頁巖氣勘探潛力，以期為加快該區(qū)頁巖氣勘探開發(fā)提供參考。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

研究區(qū)主要位于湖北宜昌境內(nèi)，行政區(qū)域包括夷陵、當(dāng)陽以及遠(yuǎn)安等地區(qū)。構(gòu)造上屬于中揚(yáng)子西部，毗鄰四川盆地，為黃陵背斜與荊當(dāng)盆地連接的過渡帶，其內(nèi)部斷裂發(fā)育程度相對(duì)較弱，構(gòu)造較為簡(jiǎn)單，屬于相對(duì)穩(wěn)定的單斜構(gòu)造區(qū)[15-17]。受黃陵隆升導(dǎo)致的差異剝蝕作用影響，研究區(qū)靠近黃陵背斜地帶自西向東依次出露了前寒武南華紀(jì)-早古生代志留紀(jì)全部地層(圖1a)，是中國前寒武紀(jì)和早古生代地層出露最完整、最連續(xù)的地區(qū)之一。隨著斜坡區(qū)向荊當(dāng)盆地方向延伸，上部被三疊紀(jì)—白堊紀(jì)地層所覆蓋，導(dǎo)致下部地層受剝蝕作用影響較弱，且上奧陶統(tǒng)五峰組-下志留統(tǒng)龍馬溪組保存條件相對(duì)較好[17]。因此，該區(qū)也是目前我國南方頁巖氣勘探的熱點(diǎn)區(qū)域。

圖1 宜昌地區(qū)地質(zhì)特征及晚奧陶世—早志留世古地理位置(圖1b據(jù)Chen et al.,2004修改)

前人研究表明，晚奧陶世受加里東運(yùn)動(dòng)的影響，在華南東部擠壓應(yīng)力的持續(xù)作用下，揚(yáng)子板塊與華夏板塊匯聚作用不斷增強(qiáng)，導(dǎo)致江南-雪峰、黔中以及川中地區(qū)持續(xù)隆升[18-19]，使得在晚奧陶世—早志留世早期揚(yáng)子地臺(tái)沉積環(huán)境由臺(tái)地相轉(zhuǎn)為陸棚相，成為被幾個(gè)古陸所圍限的隆后滯留盆地[20-21](圖1b)。該時(shí)期黑色頁巖連片疊置發(fā)育，但由于揚(yáng)子海內(nèi)部發(fā)育多個(gè)水下隆起，導(dǎo)揚(yáng)區(qū)域上五峰組-龍馬溪組黑色頁巖巖相及厚度分布差異較大[22-23]。本文研究區(qū)宜昌地區(qū)位于晚奧陶世—早志留世的揚(yáng)子海盆內(nèi)部，毗鄰湘鄂水下古隆起(圖1b)。鉆井資料顯示該區(qū)黑色富有有機(jī)質(zhì)頁巖厚度約20 m，相對(duì)四川長寧-威遠(yuǎn)、重慶涪陵等地區(qū)，盡管不同筆石帶內(nèi)的頁巖厚度差異較大且總厚度偏薄，但黑色頁巖的有機(jī)質(zhì)含量同樣較高(圖2)。因此，適中的厚度、較高的TOC預(yù)示著該區(qū)五峰-龍馬溪組黑色頁巖也應(yīng)具備一定的勘探潛力。

2 研究及測(cè)試方法

研究資料顯示，宜昌地區(qū)五峰組-龍馬溪組頁巖氣有利含氣層段主要集中在五峰組-龍馬溪組下部黑色頁巖層段，不同層段的儲(chǔ)層非均質(zhì)性較強(qiáng)[23-24]。為了更好的客觀分析這些含氣層段的儲(chǔ)層特征，以筆石帶為對(duì)比標(biāo)志，首先劃分出野外露頭和鉆井巖心中的黑色頁巖層所對(duì)應(yīng)的地層單元：凱迪階(WF1-WF3)、赫南特階(WF4-LM1)、魯?shù)るA(LM2-LM5)以及埃隆階(LM6-LM8)(陳旭等，2015)。進(jìn)而對(duì)不同頁巖層段開展了全面的樣品采集與分析測(cè)試。測(cè)試分析手段包括全巖及粘土礦物X衍射分析、孔隙度與滲透率測(cè)定、掃描電鏡分析、薄片鑒定、含氣性測(cè)試、有機(jī)碳測(cè)定與元素分析等。其中全巖及粘土礦物X衍射分析樣品由中國地質(zhì)大學(xué)地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成，孔隙度與滲透率測(cè)定及掃描電鏡分析由數(shù)巖科技通標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)服務(wù)有限公司礦產(chǎn)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試完成，有機(jī)碳與元素分析樣品由國土資源部中南礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測(cè)中心完成，含氣性測(cè)試由中石化江漢工程公司現(xiàn)場(chǎng)解析測(cè)定。

3 頁巖氣儲(chǔ)層特征

3.1 巖性特征

在頁巖氣勘探與開發(fā)中，“頁巖”一詞已經(jīng)脫離的原有的沉積學(xué)定義，不再單純是一個(gè)巖性術(shù)語，而更多的是黑色巖系多種巖性系列的統(tǒng)稱[6,25]。因此，我們通常所說的頁巖氣儲(chǔ)層實(shí)際上包含了多種沉積學(xué)上的巖石類型，如粘土巖、粉細(xì)砂巖、硅巖以及碳酸鹽巖等，而正確識(shí)別劃分巖石類型對(duì)于儲(chǔ)層特征研究具有重要意義[26]。

野外剖面與巖心觀察發(fā)現(xiàn)，宜昌地區(qū)五峰組-龍馬溪組下部黑色頁巖層系有多種巖石類型，如泥巖、頁巖、硅質(zhì)泥巖、硅質(zhì)頁巖、砂質(zhì)泥巖、砂質(zhì)頁巖、含粉砂泥巖、含鈣質(zhì)泥巖、硅質(zhì)巖、泥灰?guī)r、斑脫巖等等。為了更好地突出巖性差異和開展對(duì)比研究，參照重慶涪陵地區(qū)巖相劃分方案并結(jié)合研究區(qū)的主體巖性特征，對(duì)主要巖石類型進(jìn)行了歸類，共劃分出了粘土泥/頁巖、粉砂質(zhì)泥/頁巖、硅質(zhì)泥/頁巖、硅巖、介殼泥灰?guī)r、斑脫巖六大類，它們?cè)谝巴饴额^及鏡下均有顯著的巖性差異特征(圖3，圖4)。

圖4 宜昌地區(qū)五峰組-龍馬溪組黑色巖系主要巖性鏡下特征

3.1.1 粘土泥/頁巖

該類巖石以粘土礦物為主，質(zhì)軟，水平層理發(fā)育(圖3a)。根據(jù)紋層發(fā)育特征，該類巖石可分為非紋層狀粘土泥/頁巖和弱紋層狀粘土泥/頁巖，其中非紋層狀粘土泥/頁巖粉砂含量低，鏡下多呈現(xiàn)均一特點(diǎn)(圖4a)。弱紋層狀粘土泥/頁巖多表現(xiàn)為暗色有機(jī)質(zhì)含量不均勻而形成顏色深淺不同的條帶，顏色偏淺的紋層則含有粉砂質(zhì)顆粒，主要為細(xì)粒的陸源石英顆粒及云母(圖4b)。該類巖石發(fā)育于水體安靜且相對(duì)較淺的區(qū)域。

3.1.2 粉砂質(zhì)泥/頁巖

該巖相粉砂質(zhì)含量在25%～50%，顏色偏淺，粉砂質(zhì)成分主要為陸源石英、長石，見少量云母(圖3b)。陸源碎屑顆粒大小不均，分選較差，磨圓以次棱角狀為主。該類巖相也可分為紋層狀(圖4c)和弱紋層狀(圖4d)，砂質(zhì)含量越高，紋層發(fā)育程度越弱。該巖相代表陸源碎屑供給相對(duì)充足，屬于相對(duì)淺的沉積環(huán)境產(chǎn)物，主要出現(xiàn)于五峰組下部和龍馬溪組黑色頁巖上部。

3.1.3 硅質(zhì)泥/頁巖

硅質(zhì)泥/頁巖中硅質(zhì)礦物含量在50%～75%，顏色多為黑色，硬度較大，有機(jī)質(zhì)含量較高，紋層不發(fā)育(圖3c)。巖石內(nèi)部可見到少量碎屑顆粒，還可見到大量海綿骨針和硅質(zhì)放射蟲(圖4e)，表明硅質(zhì)來源除了陸源之外還存在生物成因。該類巖相多出現(xiàn)于魯?shù)るA中下部以及凱迪階中上部，為相對(duì)深水環(huán)境產(chǎn)物。

3.1.4 硅巖

該類巖石硅質(zhì)含量超過75%，多無紋層，有機(jī)質(zhì)含量較高，硅質(zhì)礦物以自生硅為主，可見自生石英顆粒和硅質(zhì)生物碎屑，巖心中常呈碎塊狀(圖3d)。根據(jù)顆粒結(jié)構(gòu)，可劃分為硅藻巖、放射蟲巖和海綿骨針巖，其中放射蟲硅巖最為常見(圖4f)。該類巖石主要以夾層形式出現(xiàn)于硅質(zhì)泥頁巖當(dāng)中，多見于五峰組凱迪階中上部和龍馬溪組魯?shù)るA下部。

3.1.5 介殼泥灰?guī)r

五峰組-龍馬溪組介殼灰?guī)r主要出現(xiàn)在赫南特階上部觀音橋段，為一套厚度在4～20 cm的灰色富含赫南特貝化石泥灰?guī)r，代表著海平面下降至最淺時(shí)期的沉積產(chǎn)物(圖3e，圖4g)。由于有機(jī)質(zhì)含量較低，厚度薄，它不能成為有效的天然氣儲(chǔ)層，但它的存在表明五峰組與龍馬溪組黑色頁巖中通常沒有明顯的沉積間斷，因而也是用于區(qū)域地層對(duì)比的重要標(biāo)志。

3.1.6 斑脫巖

該巖相是由火山噴發(fā)產(chǎn)生的火山灰等物質(zhì)經(jīng)過沉積成巖和蝕變作用后形成的一種特殊的灰白色粘土巖類，以粘土礦物為主(圖3f，圖4h)。它具有密度小、分布廣、厚度薄的特征，屬于事件性沉積產(chǎn)物，因此也是一種十分有效的高精度地層對(duì)比標(biāo)志[27]。在研究區(qū)，該巖相主要發(fā)育五峰組和龍馬溪組下部，厚度多在0.1～2cm，頁理常極為發(fā)育(圖3f)。由于總體厚度太薄，有機(jī)質(zhì)含量過低，同樣不能成為有效的頁巖氣儲(chǔ)層，但它的發(fā)育頻次和規(guī)?？芍苯臃从钞?dāng)時(shí)的構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)度。

3.2 礦物組分特征

頁巖礦物組分是表征頁巖儲(chǔ)層特征的重要參數(shù)，其脆性礦物含量直接決定了儲(chǔ)層后期改造的可壓裂性能[6,24,28]。通過對(duì)宜昌地區(qū)五個(gè)剖面的五峰組-龍馬溪組下部黑色頁巖層段41塊樣品進(jìn)行全巖礦物X衍射分析發(fā)現(xiàn)，石英和粘土礦物是泥頁巖中最主要的礦物組分，其中石英含量變化較大，在18.26%～100%，平均為53.57%；長石含量在0～18.13%，平均為7.62%；粘土礦物含量在0%～75.13%，平均為35.01%；碳酸鹽礦物含量較低，僅在部分樣品可見白云石和方解石，通常在0.65%～8.13%。通過分層統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，宜昌地區(qū)五峰組-龍馬溪組黑色巖系主要礦物的含量縱向上呈現(xiàn)一定的規(guī)律性(表1)，凱迪階五峰組硅質(zhì)含量34.56%～100%，平均為73.54%，脆性礦物含量在45.16%～100%，平均為79.67%；赫南特階硅質(zhì)含量42.5%～86.01%，平均為68.43%，脆性礦物含量在58.48%～90.18%，平均為80.14%；魯?shù)るA硅質(zhì)含量44.45%～93.78%，平均為72.26%，脆性礦物含量在50.21%～98.73%，平均為81.03%，埃隆階龍馬溪組硅質(zhì)含量18.26%～68.83%，平均為40.41%，脆性礦物含量在22.87%～81.02%，平均為53.10%?？傮w上表現(xiàn)為自下而上硅質(zhì)含量呈現(xiàn)逐漸減少的旋回性特征，粘土礦物含量呈現(xiàn)逐漸增多，脆性礦物含量逐漸減少。

表1 宜昌地區(qū)五峰組-龍馬溪組黑色頁巖層系主要礦物分布特征

與四川盆地相比，研究區(qū)五峰組-龍馬溪組下部黑色巖系礦物特征具有一定的差異性，主要表現(xiàn)為凱迪階與魯?shù)るA的硅質(zhì)巖石石英礦物含量高于焦石壩地區(qū)的55.80%[6]，且在研究區(qū)內(nèi)可見大量硅巖。資料顯示這些硅質(zhì)巖石內(nèi)的石英來源較為廣泛，除了以陸源碎屑供給和后期成巖形成次生石英礦物外，還可見大量的生物成因硅，以發(fā)育硅質(zhì)放射蟲與海綿骨針為特征(圖5a)，部分含量超過75%。此外，研究區(qū)巖石中黃鐵礦含量較低但較為常見，除了以成巖期形成的團(tuán)塊狀黃鐵礦外，鏡下還可見到草莓狀黃鐵礦(圖5b)，反映較強(qiáng)的還原環(huán)境。另外，碳酸鹽礦物含量比焦石壩地區(qū)更少(圖5c，d)，且主要存在于微裂縫中。

圖5 宜昌地區(qū)五峰組-龍馬溪組黑色巖系典型礦物特征

3.3 有機(jī)地化特征

有機(jī)質(zhì)類型是決定富有機(jī)質(zhì)泥頁巖生烴潛力的重要參數(shù)。前人研究顯示，鄂西地區(qū)五峰組-龍馬溪組干酪根普遍具有Ⅰ-Ⅱ1型的特征，泥頁巖干酪根干酪根同位素在-32.04‰～27.62‰，平均為～30.84‰[29]。有機(jī)顯微組分以腐泥組為主，含量普遍大于70%，鏡質(zhì)組含量一般在13%～36%，表明研究區(qū)五峰組-龍馬溪組黑色頁巖具有較好的生烴物質(zhì)條件。

生烴物質(zhì)的多少取決于有機(jī)質(zhì)豐度，它不僅影響源巖生烴潛力的評(píng)價(jià)，同時(shí)也影響頁巖的吸附氣量。通過對(duì)研究區(qū)兩口鉆井及4個(gè)野外剖面共64個(gè)樣品的TOC進(jìn)行測(cè)定分析，發(fā)現(xiàn)五峰組-龍馬溪組下部黑色頁巖層段的有機(jī)碳含量最大為6.38%，最小為0.32%，平均為2.47%，其中大于2%占比60.94%，這表明宜昌地區(qū)五峰組-龍馬溪組黑色巖系整體有機(jī)碳豐度高，與焦石壩地區(qū)五峰組-龍馬溪組相當(dāng)，具備良好的生烴物質(zhì)基礎(chǔ)(表2)。

表2 宜昌地區(qū)五峰組-龍馬溪組黑色巖系TOC含量

另外，縱向上五峰組-龍馬溪組黑色巖系有機(jī)碳含量具有逐漸減小的特征，各個(gè)階所對(duì)應(yīng)的TOC變化呈現(xiàn)一定的規(guī)律性(圖6)。凱迪階所對(duì)應(yīng)的有機(jī)碳含量在0.93%～5.13%，平均為3.10%，主峰值在2%～4%，大于2%的樣品占樣品總數(shù)的90%；赫南特階黑色頁巖有機(jī)碳含量為1.28%～5.52%，平均為3.89%，大于2%的樣品占比70%；魯?shù)るA有機(jī)碳含量在1.76%～6.38%，平均為3.62%，主峰值3%～4%，有機(jī)碳含量大于2%的樣品占樣品總數(shù)的89%；埃隆階有機(jī)碳含量明顯減少，在0.32%～2.92%，平均為1.41%，有機(jī)碳含量大于2%的樣品占樣品總數(shù)的34%?？梢钥闯?，就有機(jī)碳含量而言，無論是最大值還是平均值，凱迪階至魯?shù)るA對(duì)應(yīng)的黑色頁巖有機(jī)質(zhì)豐度最高，埃隆階有機(jī)碳含量明顯降低(圖6)。

圖6 宜昌地區(qū)五峰組-龍馬溪組黑色巖系各階TOC分布特征

盡管人們對(duì)頁巖氣勘探潛力評(píng)價(jià)中有機(jī)質(zhì)成熟度高低所產(chǎn)生的各種影響還沒有明確的一致性認(rèn)識(shí)，但統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，基本上所有產(chǎn)頁巖氣區(qū)的富有機(jī)質(zhì)頁巖鏡質(zhì)體反射率普遍都小于3%[7-10]。鄂宜頁2井黑色頁巖段最高熱解峰溫Tmax在 448～600℃，平均為514℃，采用瀝青反射率換算得出鏡質(zhì)體反射率(Ro)整體較高，介于2.0%～3.2%，平均為2.6%。這表明五峰組-龍馬溪組有機(jī)質(zhì)已處于過成熟階段，形成的天然氣組分以甲烷為主，但其成熟度仍在有利區(qū)間范圍內(nèi)。此外，由于研究區(qū)處于隆起與盆地之間斜坡轉(zhuǎn)換帶，五峰組-龍馬溪組黑色頁巖埋深向東具有逐漸加深的趨勢(shì)，因此Ro值向盆地方向也應(yīng)逐漸增大。

3.4 儲(chǔ)集空間及物性特征

3.4.1 儲(chǔ)集空間類型

儲(chǔ)集空間的發(fā)育是頁巖氣富集成藏的基礎(chǔ)，孔隙度大小直接影響著頁巖氣的游離氣和吸附氣量[30]。通過對(duì)巖心及野外剖面樣品進(jìn)行鏡下鑒定和掃描電鏡分析發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)頁巖中的儲(chǔ)集空間以次生空隙為主，原生空隙由于壓實(shí)作用多已經(jīng)被破壞。根據(jù)儲(chǔ)集空間形態(tài)及形成的物質(zhì)組分，可將研究區(qū)五峰組-龍馬溪組黑色頁巖儲(chǔ)層的儲(chǔ)集空間劃分為三大類，分別是有機(jī)質(zhì)孔、無機(jī)質(zhì)孔和微裂縫。

1)有機(jī)質(zhì)孔

有機(jī)質(zhì)孔主要是指有機(jī)質(zhì)在熱演化過程中釋放烴類物質(zhì)后，由于收縮作用而在其內(nèi)部形成的次生空隙[31]，也包括一些與生物化石有關(guān)的原生和次生溶蝕孔隙。研究區(qū)五峰組-龍馬溪組收縮形成的有機(jī)質(zhì)孔往往以蜂窩狀分布于有機(jī)質(zhì)內(nèi)部，多呈現(xiàn)圓形、三角形或不規(guī)則形態(tài)，孔隙直徑普遍較小，一般小于1 μm(圖7a)。由于有機(jī)質(zhì)本身的非均質(zhì)性，有機(jī)質(zhì)孔隙的發(fā)育沒有規(guī)律性，掃描電鏡下顯示為不均一的分布于有機(jī)質(zhì)表面。盡管這類有機(jī)質(zhì)孔隙直徑小，但由于這些有機(jī)質(zhì)孔隙多密集發(fā)育，單個(gè)有機(jī)質(zhì)上可能發(fā)育多達(dá)數(shù)十或數(shù)百個(gè)(圖7b)，而且研究區(qū)五峰組-龍馬溪組有機(jī)碳含量高，最終可以實(shí)現(xiàn)有機(jī)質(zhì)孔隙度由量變到質(zhì)變。與生物化石有關(guān)的有機(jī)質(zhì)孔隙主要是一些海綿骨針或硅質(zhì)放射蟲的原生內(nèi)部孔隙或它們的骨架被溶蝕后形成的次生孔隙，此類孔隙直徑一般在10～100 μm，普通顯微鏡下即可見到不規(guī)則溶蝕孔隙邊緣(圖7c)。

2)無機(jī)質(zhì)孔

掃描電鏡分析顯示，研究區(qū)無機(jī)質(zhì)孔主要包括殘余粒間孔、晶間孔、溶蝕孔和鑄?？椎?，孔隙直徑變化大，在10 nm～100 μm。殘余粒間孔主要是一些不同礦物顆粒之間保留的原生孔隙，孔隙形態(tài)不規(guī)則，由于五峰組-龍馬溪組經(jīng)歷過深埋和較強(qiáng)的壓實(shí)作用，這些孔隙極少發(fā)育。晶間孔主要出現(xiàn)在伊利石、白云石以及黃鐵礦等晶體間，孔隙直徑較小，一般小于2 μm(圖7d，7e)。無機(jī)溶蝕孔非常普遍，可見不規(guī)則邊緣，部分孔隙處于被石英充填或半充填狀態(tài)，孔隙直徑多大于5 μm(圖7f，7g)。鑄?？字饕且恍┚w遭受溶蝕形成的孔隙，可見到明顯的晶體邊緣結(jié)構(gòu)(7h)，鏡下還可見到大量的黃鐵礦脫落所形成的蜂窩狀孔隙(圖7f)?？傮w而言，無機(jī)質(zhì)孔隙與有機(jī)質(zhì)相比，分布分散，孔隙直徑偏大。

3)微裂縫

在宜昌五峰組-龍馬溪組巖心觀察和野外地質(zhì)調(diào)查中，發(fā)現(xiàn)了大量的裂縫，包括低角度縫或高角度的裂縫。通過顯微鏡鑒定和掃描電鏡分析，這些黑色巖系中主要有構(gòu)造縫和層間縫兩類。其中，構(gòu)造微裂縫主要出現(xiàn)在硅質(zhì)含量較高的泥頁巖中，局部可見多期裂縫相互切割的特征(圖8a)，與層面斜交(圖8b)，裂縫寬度一般在10～100 μm，多被方解石、石英或有機(jī)質(zhì)充填，部分裂縫受溶蝕作用改造明顯，掃描電鏡下裂縫似串珠狀寬窄不一(圖8c)。層間縫在研究區(qū)也較發(fā)育，主要是由于巖石組分的差異在兩個(gè)巖層之間形成的紋層間隙，如伊利石與伊蒙混層或綠泥石之間形成微縫隙(圖8d)。這些裂縫的存在，不僅增加了儲(chǔ)集空間，同時(shí)通過壓裂改造還能顯著改善頁巖的滲流能力。

圖8 宜昌地區(qū)五峰組-龍馬溪組黑色巖系微裂縫發(fā)育特征

3.4.2 儲(chǔ)層物性特征

通過統(tǒng)計(jì)五峰組-龍馬溪組鉆井巖心的孔滲數(shù)據(jù)，黑色頁巖層系孔隙度分布在0.9%～8.8%，平均為3.8%，其中孔隙度在4%～8%的樣品占比41%；滲透率在0.000 3×10-3～1.28×10-3μm2，平均為0.19×10-3μm2，其中滲透率在0.001×10-3～1×10-3μm2的樣品占比67%，整體上呈現(xiàn)低孔、特低滲特征(圖9)?？紫抖群蜐B透率之間相關(guān)性較差，表明富有機(jī)質(zhì)頁巖中的存在較多的孤立微孔隙和微裂縫，以至于出現(xiàn)部分高孔低滲或低孔高滲特征。

圖9 宜昌地區(qū)五峰組-龍馬溪組黑色巖系儲(chǔ)層物性特征

3.4.3 儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)

壓汞與氮?dú)饴?lián)合吸附分析實(shí)驗(yàn)表明，五峰組-龍馬溪組黑色頁巖孔隙直徑分布范圍較大，小孔徑和大孔徑孔隙均較為發(fā)育，具有典型的兩頭高、中間低的特點(diǎn)(圖10)。來自宜頁2井的測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，五峰組硅質(zhì)泥頁巖中小于100 nm的孔隙約占總孔隙的51.78%，其中小于25 nm的孔隙占比39.96%，孔隙直徑在100～2 500 nm的孔隙占比僅17.27%，而孔隙直徑大于2 500 nm的占比為31.94%。龍馬溪組黑色炭質(zhì)泥頁巖同樣具有相似的特征，其小于100 nm的孔隙約占總孔隙的37.77%，孔隙直徑在100～2 500 nm的孔隙占比僅19.90%，而孔隙直徑大于2 500 nm的占比高達(dá)42.33%(圖10)。這一特征表明，研究區(qū)五峰組-龍馬溪組頁巖孔隙主要由有機(jī)質(zhì)納米孔和溶蝕作用形成的微米孔組成。

圖10 宜昌地區(qū)五峰組-龍馬溪組頁巖儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)特征

3.5 含氣性特征

通過對(duì)宜昌地區(qū)鄂宜頁2井進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)解析發(fā)現(xiàn)，五峰組-龍馬溪組頁巖含氣量在0.068～3.33 m3/t，其中下部黑色頁巖層段含氣豐度較高，總含氣量為0.67～3.33 m3/t，平均為1.85 m3/t。由下至上，黑色頁巖段含氣量呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)(圖11)。在不考慮83℃高溫快速解吸后的殘余氣含量，采用前1h的解吸氣數(shù)據(jù)對(duì)損失氣量進(jìn)行恢復(fù)發(fā)現(xiàn)，黑色頁巖段損失氣量為0.33～2.31 m3/t，平均為1.12 m3/t；解吸氣為0.13～1.16 m3/t，平均為0.62 m3/t?？v向上，損失氣量普遍大于解吸氣量，且損失氣占比在黑色頁巖層系的底部更為明顯(圖11)。這一方面可能是由于含氣量的增加導(dǎo)致，另一方面可能是由于下部孔隙和巖石裂縫更為發(fā)育，使得大量的游離氣體在巖心密閉之前就已經(jīng)散失。

圖11 宜昌地區(qū)宜頁2井五峰組-龍馬溪組黑色頁巖層段現(xiàn)場(chǎng)解吸氣含量變化特征

除該井之外，在研究區(qū)周緣部署的其它鉆井也獲得了良好顯示，如荊102井黑色頁巖層段總含氣量為3.1～3.6 m3/t，平均為3.3 m3/t；宜地1井目的層總含氣量為1.3～3.7 m3/t，平均為2.3 m3/t；遠(yuǎn)地1井目的層含氣量平均為1.9 m3/t。盡管這些數(shù)值還無法與焦石壩地區(qū)的高含氣量值相比，但這些數(shù)據(jù)足以說明宜昌地區(qū)五峰組-龍馬溪組黑色頁巖含氣性較好，具有良好的勘探價(jià)值。

4 優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層分布

4.1 儲(chǔ)層評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

廣義的說，所有含有機(jī)質(zhì)的頁巖在經(jīng)過埋藏?zé)嵫莼蠖寄軌虺蔀轫搸r氣儲(chǔ)層，但對(duì)于頁巖氣勘探而言，只有那些達(dá)到一定條件的頁巖儲(chǔ)層才是優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層，才能滿足勘探商業(yè)價(jià)值。因此識(shí)別哪些是“甜點(diǎn)”儲(chǔ)層至關(guān)重要，而最關(guān)鍵的就是建立一個(gè)符合地區(qū)實(shí)際情況的儲(chǔ)層評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

前人通過對(duì)四川盆地五峰組-龍馬溪組頁巖氣儲(chǔ)層的含氣性與儲(chǔ)層其它參數(shù)之間的相關(guān)性進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，在有機(jī)質(zhì)主體成熟度為2%～3%時(shí)，有機(jī)碳含量和脆性礦物含量是儲(chǔ)層評(píng)價(jià)中非常關(guān)鍵的兩個(gè)參數(shù)[32,33]。有機(jī)碳含量大于2.5%，頁巖含氣量會(huì)顯著增加，這與宜昌地區(qū)極為相似，有機(jī)碳含量大于2.5%的黑色頁巖段總含氣量普遍大于1.5 m3/t(圖12)。脆性礦物含量的增加盡管不能帶來孔隙度的增加，但是和含氣量關(guān)系明顯，并且鑒于頁巖普遍地低孔低滲透性和壓裂的必要性，脆性礦物含量的增加也會(huì)有利于后期儲(chǔ)層改造。針對(duì)這一規(guī)律性認(rèn)識(shí)和客觀對(duì)比分析需要，本文結(jié)合前人研究成果并參考四川盆地五峰組-龍馬溪組頁巖儲(chǔ)層品質(zhì)參數(shù)建立了宜昌地區(qū)五峰組-龍馬溪組頁巖氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(表3)。

表3 鄂西宜昌地區(qū)五峰組-龍馬溪組頁巖儲(chǔ)層品質(zhì)分級(jí)評(píng)價(jià)參數(shù)

4.2 優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層分布

根據(jù)上述儲(chǔ)層評(píng)價(jià)參數(shù)，結(jié)合儲(chǔ)層特征對(duì)鄂宜頁2井頁巖儲(chǔ)層進(jìn)行精細(xì)刻畫后認(rèn)為，該宜昌地區(qū)五峰組-龍馬溪組黑色富有機(jī)質(zhì)頁巖儲(chǔ)層非均質(zhì)性較強(qiáng)，不同品質(zhì)儲(chǔ)層間隔分布(圖12)。儲(chǔ)層類型垂向上逐漸變差，由Ⅰ類過渡為Ⅳ類。優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層集中在五峰組中上部和龍馬溪組底部，主要對(duì)應(yīng)于凱迪階WF2-WF3筆石帶以及魯?shù)るALM2-LM3筆石帶(LM4筆石帶缺失)，儲(chǔ)層巖石類型以形成于深水硅質(zhì)陸棚的硅巖和硅質(zhì)泥頁巖為主，厚度約11 m，且該優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層段的頁巖氣含氣量平均大于2.3 m3/t。儲(chǔ)層品質(zhì)的縱向分布和泥頁巖沉積環(huán)境演化相一致，深水陸棚相是優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層發(fā)育的最有利相帶(圖12)。

圖12 宜昌地區(qū)宜頁2井五峰組-龍馬溪組黑色富有機(jī)質(zhì)頁巖層段儲(chǔ)層綜合評(píng)價(jià)

五峰組-龍馬溪組底部黑色頁巖段沉積期，鄂西地區(qū)受廣西運(yùn)動(dòng)影響明顯，在長陽以南、恩施、龍山、五峰、松滋一帶形成了較大規(guī)模的湘鄂西水下隆起，造成筆石帶和黑色富有機(jī)質(zhì)頁巖地層缺失[2,19]，但在長陽以北的龍泉、黃花、分鄉(xiāng)、遠(yuǎn)安等地筆石序列基本完整，整體以深水陸棚沉積環(huán)境為主[5,20]，黑色頁巖厚度穩(wěn)定，TOC大于2%的頁巖厚度普遍在19～22 m，且硅質(zhì)含量普遍均大于40%。因此，整個(gè)黃陵背斜東部的宜昌斜坡區(qū)均具有形成優(yōu)質(zhì)頁巖儲(chǔ)層的沉積地質(zhì)條件。

5 頁巖氣勘探潛力

盡管與重慶涪陵、四川長寧-威遠(yuǎn)相比，鄂西宜昌地區(qū)五峰組-龍馬溪組優(yōu)質(zhì)頁巖儲(chǔ)層厚度相對(duì)較薄[3,6]，但整個(gè)黑色富有機(jī)質(zhì)頁巖層段平均厚度也達(dá)20 m左右，其所對(duì)應(yīng)的TOC均大于2%，最高值部分可達(dá)6%，足以形成具有工業(yè)氣流的烴源巖基礎(chǔ)(圖2，圖12)。此外，較高的石英礦物含量，普遍大于40%的脆性礦物指數(shù)也有助于水平壓裂工程的實(shí)施[34]，而且鄂宜頁2井已經(jīng)獲得了頁巖氣工業(yè)氣流，表明鄂西宜昌地區(qū)五峰組-龍馬溪組黑色頁巖儲(chǔ)層具有一定的勘探潛力。然而，頁巖氣的勘探潛力評(píng)價(jià)不僅包括先天要素，同時(shí)也要考慮后期的改造和經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件，主要體現(xiàn)在頁巖氣保存條件以及埋深和資源量等方面。

5.1 保存條件

良好的保存條件是頁巖氣富集成藏的關(guān)鍵。南方五峰組-龍馬溪組頁巖氣儲(chǔ)層基本上都經(jīng)歷了多期構(gòu)造活動(dòng)，絕大部分地區(qū)由于受到強(qiáng)烈構(gòu)造作用的疊加破壞，頁巖氣已散失殆盡[8,11]。由于鄂西宜昌地區(qū)毗鄰黃陵古隆起，花崗巖的剛性基底對(duì)斜坡區(qū)起到了明顯的保護(hù)作用[11,13]，以至于斜坡區(qū)黑色頁巖儲(chǔ)層以整體性上下運(yùn)動(dòng)為主[16]，避免了強(qiáng)烈擠壓構(gòu)造作用的疊加破壞，儲(chǔ)層內(nèi)部斷層發(fā)育較少，即使存在小規(guī)模的逆斷層，由于強(qiáng)烈的擠壓也可以形成側(cè)向封堵(圖13)。另外，頂?shù)装鍡l件方面，研究區(qū)五峰組底部為致密的上奧陶統(tǒng)寶塔組-臨湘組泥灰?guī)r，厚度大于20 m，分布穩(wěn)定；黑色頁巖頂部不僅發(fā)育厚層且致密的志留系灰色或黃綠色泥頁巖，同時(shí)還覆蓋了上千米厚的二疊系灰?guī)r至白堊系碎屑巖(圖13)。因此，相對(duì)于鄂西其它斷裂發(fā)育區(qū)和構(gòu)造擠壓變形強(qiáng)烈地帶，黃陵背斜東部的宜昌斜坡區(qū)保存條件相對(duì)較好，屬于頁巖氣構(gòu)造保存有利區(qū)。

圖13 宜昌地區(qū)過宜頁2井二維地震剖面(2015HY-Z2)響應(yīng)特征(剖面位置見圖1)

5.2 埋藏條件

利用二維地震并結(jié)合鉆井資料對(duì)宜頁2井區(qū)志留系底界面進(jìn)行刻畫發(fā)現(xiàn)，黃陵隆起的持續(xù)上升使得宜昌東北部成為了一單斜構(gòu)造，避免了其奧陶系五峰組-志留系龍馬溪組黑色頁巖層系的深埋過大(圖13，圖14)。總體上由西向東該區(qū)志留系埋深呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，基本上介于0～4 000 m，而靠近江漢盆地的當(dāng)陽復(fù)向斜最大埋深超過6 000 m(圖14)。就現(xiàn)今的經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件而言，埋藏深度在1 500～4 500 m的頁巖氣才具有較好的勘探開發(fā)價(jià)值，而這一深度范圍恰好主要集中于宜昌分鄉(xiāng)—龍泉和遠(yuǎn)安一帶(圖1)，區(qū)域總面積超過1 200 km2。適中的埋深加上較大的富有機(jī)質(zhì)頁巖分布面積為頁巖氣的勘探開發(fā)提供了有利條件。

圖14 宜昌地區(qū)宜頁2井區(qū)志留系底界埋深特征

5.3 資源潛力

根據(jù)五峰組-龍馬溪組黑色頁巖層系相關(guān)參數(shù)區(qū)域平均值，如儲(chǔ)層厚度(平均為20 m)、含氣量(平均為2.0 m3/t)、巖石密度(平均為2.50 g/cm3)進(jìn)行體積法估算，整個(gè)宜昌斜坡區(qū)五峰組-龍馬溪組頁巖氣地質(zhì)資源量超過1 200×108m3，具備一定的頁巖氣勘探潛力。由此可見，沿黃陵背斜東緣宜昌向北至遠(yuǎn)安等地，由于在奧陶紀(jì)—志留紀(jì)之交具有相似的沉積環(huán)境且后期構(gòu)造背景相同，應(yīng)均具有良好的勘探前景，進(jìn)一步加大上述相關(guān)區(qū)域的五峰組-龍馬溪組頁巖氣勘探有助于在我國南方形成新的頁巖氣資源接替基地。

6 結(jié)論

1)鄂西宜昌地區(qū)五峰組-龍馬溪組黑色富有機(jī)質(zhì)頁巖厚度一般在20 m左右，儲(chǔ)層巖石類型豐富，以硅質(zhì)泥/頁巖為主，脆性礦物含量豐富，局部可見生物成因硅巖；儲(chǔ)層有機(jī)碳含量高，平均TOC含量為2.47%，有機(jī)質(zhì)類型以Ⅰ型和Ⅱ1型為主，有機(jī)質(zhì)主體熱演化程度高，Ro普遍大于2%，Tmax平均超過500 ℃，處于過成熟階段；儲(chǔ)層物性整體較差，屬于低孔特低滲儲(chǔ)層，儲(chǔ)集空間大小分布具有典型的中間低、兩頭高的兩極化分布特征，但富有機(jī)質(zhì)儲(chǔ)層含氣性較好，平均含氣量超過2.0 m3/t。

2)利用脆性礦物指數(shù)、有機(jī)碳含量并結(jié)合含氣性及測(cè)井響應(yīng)開展儲(chǔ)層評(píng)價(jià)，認(rèn)為宜昌地區(qū)五峰組-龍馬溪組黑色富有機(jī)質(zhì)頁巖層段儲(chǔ)層可劃分為4類，其中優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層和次優(yōu)儲(chǔ)層位于黑色頁巖層系下部厚度約11 m，對(duì)應(yīng)于凱迪階WF2-WF3筆石帶和魯?shù)るALM2-LM3筆石帶，較差儲(chǔ)層和非儲(chǔ)層對(duì)應(yīng)于主要對(duì)應(yīng)于龍馬溪組黑色巖系上部，由下至上儲(chǔ)層品質(zhì)逐漸變差。

3)盡管宜昌地區(qū)五峰組-龍馬溪組黑色富有機(jī)質(zhì)頁巖儲(chǔ)層厚度與四川盆地涪陵焦石壩相比較薄，但其有機(jī)碳含量同樣較高，埋深適中，估算的地質(zhì)資源量超過1 200×108m3，并且鄂宜頁2井已經(jīng)取得了重大突破，表明鄂西黃陵背斜東部宜昌斜坡區(qū)五峰組-龍馬溪組也具有良好的勘探前景，可作為除四川盆地之外新的頁巖氣勘探接替區(qū)。