上扬子地区下寒武统牛蹄塘组页岩气成藏条件

胡明毅，邓庆杰，胡忠贵

(1.长江大学 油气资源与勘探技术教育部重点实验室，湖北 武汉 430100； 2.长江大学 地球科学学院，湖北 武汉 430100)

2012年，国土资源部针对我国页岩气资源潜力进行了详细调查与评价。成果表明：我国页岩气地质资源潜力为134×1012m3，其中可采资源潜力约25×1012m3①国土资源部.全国页岩气资源潜力调查评价及有利区优选成果报告.内部资料，2012.。在南方、华北(包括鄂尔多斯、渤海湾及南华北等盆地)和塔里木地区(包括塔里木、准噶尔等盆地)广泛发育古生代海相富有机质页岩，是目前我国陆上常规天然气资源量的2～3倍[1-2]。

对于上扬子地区古生代页岩气，前人已做过较多的探索和研究，如程克明等(2009)[3]、腾格尔等(2010)[4]、陈波等(2011)[5]、张金川等(2011)[6]、聂海宽等(2011)[7]学者，分别对上扬子地区下寒武统牛蹄塘组页岩气聚集条件、富有机质页岩发育特征及生烃和资源潜力、页岩气聚集机理等方面进行了初步研究，但研究过程中大多实际数据的获取主要基于地表样品测试资料，对上扬子地区下寒武统牛蹄塘组页岩气成藏条件及勘探方向仍不明确。近年来，随着页岩气钻井的大量实施，特别是川南地区钻遇下寒武统的页岩气井取得了较大突破，为页岩气成藏条件研究提供了大量井下数据，研究结果也将更具科学性。本文在引用前人研究成果和实际野外剖面观测的基础上，充分利用井下测试数据，从泥页岩厚度和分布、埋深、泥页岩脆性、总有机碳含量、镜质体反射率等多方面深入分析上扬子地区下寒武统牛蹄塘组页岩气成藏条件及优选有利勘探区带，为开展该区页岩气勘探提供地质依据。

1 区域地质概况

上扬子地区包括西至龙门山断裂系、北达南秦岭断裂南缘、东至雪峰山、南达垭都-紫云-罗甸断裂的广大地区，面积约3.5×105km2。上扬子地区寒武系从下到上可划分为牛蹄塘组、明心寺组、金顶山组、清虚洞组、高台组和娄山关群。黔北的牛蹄塘组是下寒武统页岩最发育的组，与川中-川西南地区的筇竹寺组中下部地层、川东南-湘西地区的牛蹄塘组、川东北地区的筇竹寺组以及湘鄂西地区的天柱山组全部地层相当[5](表1)。

2 富有机质页岩沉积环境

上扬子地区早古生代地层受古构造控制以及海侵影响，在寒武纪早期，形成中国南方古生界最好的烃源岩之一，区域上具有西高东低的沉积格局[8]。

晋宁运动后初期海侵规模大，沉积水体总体上较为安静，沉积了磷块岩、硅质岩和黑色页岩，代表最大海泛面。下寒武统牛蹄塘组物源来自西部的康滇古陆和泸定古陆[9]，以陆源碎屑沉积为主。川东-川中早寒武世筇竹寺组为浅水陆棚沉积环境；川西早寒武世早期未形成摩天岭古陆，表现为低能的海槽沉积环境；川北-川东北与秦岭洋相通，深水陆棚区向北开口，为正常水陆棚；川南深水陆棚区向南开口，与华南洋相通。湘黔北、鄂西渝东及周缘早寒武世牛蹄塘组富营养物质上升洋流导致浮游微生物非常发育，处于广海陆棚-深水陆棚环境(图1)。

3 富有机质页岩分布特征

牛蹄塘组在龙门山前缘的广元地区、大巴山前缘的南江地区，城口、房县、华蓥山背斜的岳池地区、川东南的秀山、酉阳、凤凰地区，贵州的遵义、瓮安、岑巩、都匀、凯里地区，渝东—鄂西的咸丰、张家界等地区有部分出露；钻井方面，目前仅有女基井、资1井、资2井、林1井、威基井、酉科1井和岑页1井等少数井有揭露。地层中均发育较厚的、连续沉积的黑色页岩层段，甚至在黑色页岩中可见油裂解成气后残留的沥青，如资1井中普遍见含沥青砂质页岩[10]。

页岩气勘探开发成本受页岩埋深影响较大，根据区内钻井和野外剖面统计，上扬子地区牛蹄塘组厚度一般为50～300 m，底界埋深一般为3～7 km。威远—资阳地区的筇竹寺组厚度较厚，如资5井—资1井—威基井主要发育黑色泥岩，灰色粉砂质泥岩，由古隆起顶部向南部坳陷区增厚，一般在300～500 m，底界埋深一般为4～5 km。龙门山前缘地区该组的厚度为50～200 m，底界埋深为7～8 km。而川东南及周缘地区厚度为50～250 m，受后期构造运动，埋深相对川南较浅，底界埋深为3～4 km。黔北—湘西—鄂西—渝东方向地层厚度有“厚—薄—厚”的趋势，如永和-大坪剖面(图2)，总体沉积环境以黑色炭质页岩、深灰色泥岩、粉砂质泥页岩为主的深水陆棚环境，甚至在部分地区底部沉积了一套0.5～12 m的硅质页岩。整体地层一般为50～250 m，底界埋深为3～4 km。区域上，黑色页岩厚度分布基本上与沉积相带展布一致，表明上扬子区早古生代的浅水—深水陆棚沉积环境控制了牛蹄塘组黑色页岩的发育和区域分布。

表1 上扬子地区下寒武统牛蹄塘组地层对比Table 1 Stratigraphic correlation of the Lower Cambrian Niutitang Formation in the Upper Yangtze region

图1 上扬子地区早寒武世早期岩相古地理Fig.1 Palaeogeographic map of the early stage of the Early Cambrian in Upper Yangtze region

4 富有机质页岩有机地化特征

4.1 有机碳含量(TOC)

上扬子地区下寒武统黑色页岩的有机质类型主要为Ⅰ型，少量为Ⅱ1型[11-12]。在区域上，TOC展布特征直接受沉积环境严格控制，TOC高值区反映沉积中心。上扬子地区下寒武统黑色页岩段TOC一般较高，分布范围为0.23%～15.9%，向上随着粉砂质、钙质的增加，TOC值有所降低。在川东南—黔北(珙县—遵义—瓮安—岑巩一带，牛蹄塘组TOC≥1.5%的黑色页岩累计厚度一般在50～150 m)和渝东南—湘鄂西(咸丰—茨岩塘—默戎一带，筇竹寺组TOC≥1.5%的黑色页岩累计厚度一般为80～200 m)形成两个有机碳高值区。

4.2 热演化程度

黑色页岩有机质成熟度普遍较高，总体达到高-过成熟阶段[4]。有机质成熟度在四川盆地内多高于2.5%，过成熟，高值区集中于川东北和川东南-黔北地区；在渝东南区相对较低，多分布于2.01%～3.56%；湘鄂西有机质成熟度多分布于2.11%～3.64%；黔北有机质成熟度多分布于3.4%～3.77%，都已进入生气窗内，对页岩气成藏十分有利(表2)。

5 富有机质页岩储层特征

5.1 矿物组成

页岩中的脆性矿物含量愈高，其在后期压裂过程中愈容易产生裂缝，这有利于页岩气的开采[13]。

据露头与岩心观察，针对81个样品的岩石X-衍射分析表明(图3)，下寒武统牛蹄塘组富有机质黑色页岩中，脆性矿物含量为46.89%～88.54%，平均含量为68.82%；粘土矿物含量为10.60%～42.83%，平均含量为27.50%。脆性矿物中，石英含量最高，可达83.64%，其次为长石含量、碳酸盐岩含量，微含黄铁矿；粘土矿物中，含伊利石35.0%～73.0%、绿泥石8.0%～ 28.0%、高岭石含量极少，不含蒙脱石。而Barnett页岩脆性矿物含量一般在40%～60% ，粘土矿物含量较少[14]。与之相比，上扬子地区下寒武统黑色页岩的脆性矿物中硅质、碳酸盐岩含量较少，石英含量较高。

图2 上扬子地区下寒武统牛蹄塘组永和—大坪地层对比剖面Fig.2 Stratigraphic correlation of the Lower Cambrian Niutitang Formation on Yonghe-Daping section in the Upper Yangtze region

地区样品页岩厚度/mTOC/%Ro/%1q/1n1q/1n最小值最大值平均值1q/1n川东北12180～2000.514.742.203.11～3.15川东141.2211.073.45川中1920～1000.44.431.692.61～2.85川西南2240～1300.677.992.102.56～3.14川东南1540～800.016.483.123.23～3.53黔北3350～1000.7615.905.043.45～3.77湘鄂西3250～2000.238.053.292.11～3.64渝东南2440～1501.022.991.722.01～3.56

图3 上扬子地区下寒武统牛蹄塘组页岩矿物组成三角图Fig.3 Ternary plot map of mineral compositions of shale reservoir in the Lower Cambrian Niutitang Formation in the Upper Yangtze region

矿物组成特征表明，上扬子区牛蹄塘组富有机质页岩脆性矿物含量丰富，粘土矿物演化程度高，以伊利石稳定矿物为主，不含蒙脱石。

5.2 储层空间特征

泥页岩孔隙度极低、渗透率一般小于0.01×10-3μm2，尽管如此，但两者也存在一定的正相关性，因此十分有必要开展储层的孔隙度和裂缝评价工作[15-16]。

下寒武统牛蹄塘组泥页岩容易产生球状分化，且节理发育(图4a，b)。电子显微特征显示，泥页岩中的微孔隙、微裂隙非常发育，微孔隙呈蜂窝状(图4c)，一般分为五种类型：杂基内溶蚀孔隙、溶蚀粒内孔隙、粘土矿物间微孔隙与微缝隙(图4d)、矿物间微孔隙(图4e)、矿物颗粒溶蚀铸模微孔隙。

下寒武统牛蹄塘组发育的大量的细微裂缝(图4f)，规模一般在10～40 um，甚至可见长孔径50 μm×180 μm的微裂缝。特别是在有裂缝非常发育的条件下，可以较大提高泥页岩的渗透能力，甚至形成一种非常规油气层——泥页岩裂缝性油气层[17-18]。如威5井取心段(2 783.20～2 799.85 m)共7.455 m，岩性主要为黑色页岩，层间裂缝发育，冒气309处，甚至在2 795.00～2 798.00 m，孔、缝率达到1.22%～3.34%。

图5 上扬子地区下寒武统牛蹄塘组黑色页岩孔隙度和渗透率频率分布Fig.5 The frequency histograms for porosity and permeability of black shale in the Lower Cambrian Niutitang Formation in the Upper Yangtze region

5.3 页岩孔渗特征

研究表明，评价储集空间关键参数是岩石孔隙度。岩石孔隙度一般与页岩游离气的含量成正比，而含水饱和度与密度及吸附气含量成反比[19]。

对研究层段露头和岩心所取34个样品测试表明，下寒武统牛蹄塘组黑色页岩孔隙度为0.69%～4.19%，平均为2.5%；渗透率为0.005×10-3～0.245×10-3μm2，平均为0.175×10-3μm2(图5)；岩石密度为2.01～2.72 g/cm3，平均为2.43 g/cm3；由于所取样品有不同程度的氧化，有些值会偏高。从平面上看，四川盆地的中心区域孔隙度范围在2%～3%，而在川东南—黔北、鄂西—渝东孔隙度均超过3%。说明下寒武统牛蹄塘组页岩基质孔隙、裂缝发育，具有较好的储、渗条件。

5.4 保存条件及页岩含气量

通常认为页岩气藏不易被摧毁，对保存条件要求不高，但最近随着页岩气勘探实践表明，页岩气含气量及气体组分直接受保存条件控制，具体有如下几个方面：①具有良好的碎屑岩盖层保护；②页岩气藏不能有“通天断层”，断层虽然有利于页岩气运聚，但不能有“通天断层”，否则易逃逸；③浅层在整体上拥有封闭保存体系。总之，以上所述“三大因素”并存，是页岩气有利区优选的必备条件[20-22]。

由国土资源部油气资源战略研究中心设计钻探的岑页1井、酉科1井，现场解吸页岩气含气量达到1.5～4.56 m3/t；威5井下寒武统筇竹寺组页岩气钻井过程中，在2 797.4～2 797.6 m井段，裸眼测试，获日产气2.46×104m3，酸化后测试获日产气1.35×104m3。除此之外，高科1井、丁山1井、渝科1井等研究层段也出现气测异常，可与美国五大页岩气系统相媲美[23-24]。相对北美页岩气含气量分布范围(0.44～9.91 m3/t)和2.0 m3/t的商业开发下限[25-26]，上扬子地区牛蹄塘组页岩含气量达到了此标准，因而亦应具备较好的商业性开发价值。

6 页岩气勘探开发有利区预测

针对页岩气勘探有利区优选需要依据较多因素，结合我国油气勘探现状及页岩气资源特点，依据“国土资源部油气资源战略研究中心《页岩气资源潜力评价方法与有利区优选标准》”(2012)，对上扬子地区下寒武统页岩气进行有利区预测(表3)。

有利区选区方法：依据页岩沉积环境、分布特征、有机地化特征、储层特征、保存条件及含气性等多因素叠加、类比，优选研究区页岩气有利区。具体从泥页岩厚度和分布、埋深、泥页岩脆性、TOC和Ro等5个因素进行综合分析，表明：1)黔北、湘鄂西—渝东南地区的下寒武统泥页岩具备厚度较厚(50～250 m)，分布广泛，埋深适中(<4 500 m)，TOC较高(>2.0%)，Ro达到高-过成熟阶段(>1.2%)，脆性矿物百分含量高(>40%)的特点，因此黔北、湘鄂西—渝东南地区是最为有利的勘探区域；2)川西资阳—自贡一带，TOC为2.0%～2.6%，Ro在2%～5%，生烃强度高(75 200×108m3/km2) ，沉积厚度大(150～360 m)，且岩性主要为脆性含量较高的泥页岩。因此上述两个区域可以作为上扬子地区页岩气勘探的有利区带(图6)。

表3 上扬子地区页岩气有利区优选参考指标Table3 Criteria for identification of shale gas play fairway in the Upper Yangtze region

图6 上扬子地区下寒武统牛蹄塘组页岩气有利发育区预测Fig.6 The predicted shale gas play fairways of the Lower Cambrian Niutitang Formation in the Upper Yangtze region

7 结论

1) 上扬子地区下寒武统牛蹄塘组为浅水—深水陆棚沉积环境，富有机质黑色页岩相当发育，且分布广泛、连续沉积厚度大，有机碳含量高，有机质类型主要为Ⅰ型，少量为Ⅱ1型干酪根，Ro普遍较高，达到高-过成熟阶段，为页岩气成藏提供充足的物质基础。

2) 上扬子地区下寒武武牛蹄塘组富有机质页岩脆性矿物含量丰富，粘土矿物演化程度高，以伊利石等稳定矿物为主，不含蒙脱石；多种孔隙类型及裂缝发育，形成良好的页岩气储集空间。

3) 根据页岩气有利区带选取主要评价指标，综合分析表明黔北、湘鄂西—渝东南地区和川西资阳—自贡一带下寒武统黑色页岩连续沉积厚度大、埋深适中、TOC较高且Ro达到高-过成熟阶段，可以作为页岩气有利勘探区带。

参 考 文 献

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