湘鄂西地区下寒武统水井沱组页岩储层分布及非均质性特征

胡忠贵 秦 鹏 胡明毅 邱小松 左洺滔

（ 1非常规油气湖北省协同创新中心；2长江大学沉积盆地研究中心；3中国石油勘探开发研究院 ）

页岩气是指主体位于黑色富有机质泥页岩中，以吸附或游离状态为主要存在方式的天然气聚集，属于自生自储、原位饱和气藏[1]。页岩气作为一种非常规气，具有巨大的资源前景，可以有效增加中国天然气储量，页岩气相关研究已经成为国内外学者研究的热点和前沿问题[2-8]。近年来，国内部分学者对中上扬子地区海相页岩气勘探开发做了大量的研究工作，结果表明该区海相地层中发育下寒武统牛蹄塘组或水井沱组、上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组等两套稳定分布的暗色泥页岩，具有分布面积广、沉积厚度大、有机质丰度高和烃源岩成熟度较高的特点，具备页岩气成藏的基本地质条件，有望成为中国页岩气勘探开发的热点区域[9-12]。

近年来中国石化在重庆涪陵地区开展的页岩气勘探开发实践工作初见成效[13-17]，截至2016年底，以五峰组—龙马溪组为主力页岩气产层的焦石坝区块累计开钻310口井，2016年年产气量超50×108m3。针对重庆及周缘下古生界海相页岩气相关的研究成果也日渐丰硕，涉及页岩气形成及保存条件[18-19]、储层特征[20-21]、成藏机理[22]、资源潜力评价及有利区带预测等[23]，为指导下古生界海相页岩气勘探提供了重要依据。纵观前人研究成果，在研究区域的选择上或是不同层位研究精细程度上还存在差异，如勘探程度较高的上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组研究程度相对较高，而受限于钻井资料少及埋深大等现实问题，针对湘鄂西地区下寒武统水井沱组的研究程度相对较低。此外，勘探实践中还存在很多难以解释的现象，如：同一口井不同层段的页岩气日产量差别较大；有些同一稳定区块内的页岩气井，同一层位页岩气日产量差别较大；有些有机碳含量高的地区其页岩气产量较低，而有机碳含量较低的地区页岩气产量反而很高等；这些现象可能与页岩储层非均质性有关。基于以上问题，有必要对富有机质页岩储层的综合特征及其垂向和平面上的非均质性开展研究，虽然部分学者已经做了有意义的探索研究[24-27]，但还存在诸多问题尚待深入研究，如储层精细描述及非均质性认识尚不深入[28]，不同区域和层位上研究程度不均一等[29-30]。本文拟对湘鄂西地区下寒武统水井沱组富有机质页岩开展储层分布及非均质性研究，探讨造成这种非均质性的原因，进而优选出较有利富有机质页岩储层发育层段，对指导南方海相页岩气勘探开发具有重要的科学意义。

1 区域地质概况

湘鄂西地区东起湖北宜昌—湖南临澧一线，西至湖北建始—重庆忠县、彭水一线（以省界分隔），北抵湖北兴山—巴东一线，南达湖南张家界、古丈—重庆酉阳一线，总面积约为5.88×104km2。研究区在大地构造背景上处于扬子地块中部的湘鄂西褶皱带，东邻江汉平原区的当阳复向斜，西至齐岳山复背斜，北与神农架复背斜和黄陵背斜相接，南与江南冲断隆起带相邻）（图1）[29]。湘鄂西褶皱带是在印支—燕山早期压性构造环境和燕山晚期区域性拉张构造环境下所形成的呈北北东向的“隔挡式”褶皱带，自东而西依次为桑植—石门复向斜、宜都—鹤峰复背斜、花果坪复向斜、中央复背斜、利川复向斜和齐岳山复背斜（图 1）[31]。

图 1 研究区位置图

湘鄂西地区下寒武统自下而上依次为水井沱组（牛蹄塘组）、石牌组、天河板组和石龙洞组。水井沱组（牛蹄塘组）主要发育灰黑色页岩、碳质页岩、钙质页岩等暗色碎屑岩，暗色泥页岩系常连续发育，区域分布稳定，局部夹薄层碳酸盐岩，为主要的页岩储层发育段。区域上水井沱组自襄广断裂带向南依次发育碳酸盐缓坡—浅水陆棚—深水陆棚—盆地沉积体系，富有机质页岩主要发育于深水陆棚环境[19]。

2 富有机质页岩层序地层格架

湘鄂西地区下寒武统由于页岩气钻井和地球物理资料较少，充分利用野外露头资料开展研究工作就显得非常重要。通过对宜昌王家坪、石门杨家坪、张家界大坪、鹤峰白果坪、龙山茨岩塘、永顺王村等野外剖面的观测及对利1井、李1井、宜10井等20余口钻井资料分析，水井沱组层序界面主要表现为局部沉积暴露面和岩性—岩相转换界面。在野外剖面上，许多沉积暴露面是由于海平面的变化，前期高位体系域沉积物顶部长期暴露氧化，形成了风化暴露面。如鹤峰白果坪剖面和张家界大坪剖面上均可见震旦系和寒武系接触面，灯影组顶部为灰色块状白云岩，寒武系底部为黑色泥页岩，沉积界面处夹薄层氧化古土壤层，确定为古风化壳（图2），反映了此界面为一沉积间断面。当海平面下降形成层序界面时，在盆地边缘暴露区可形成不同类型的暴露不整合面，但是在盆地内部水下会形成与之相关的整合界面，表现在岩性和岩相上的明显变化。如张家界大坪剖面处该界面表现为混积陆棚向碎屑岩陆棚的岩相变化和钙质页岩向硅质页岩的岩性变化，穿越该界面水体加深。层序内部最大海泛面处为硅质页岩向碳质页岩或泥、页岩转化的岩相突变面。

图2 湘鄂西地区下寒武统关键层序界面

根据关键层序界面识别特征和岩相变化，可将水井沱组划分为2个三级层序（Sq1和Sq2），每个层序内部均可以识别出海侵体系域（TST）和高位体系域（HST）沉积。每个层序结构完整，Sq1中海侵体系域由1个退积的准层序组组成，高位体系域由2个进积的准层序组组成；Sq2中海侵体系域由1个退积的准层序组组成，高位体系域由3个进积的准层序组组成（图3）。

3 富有机质页岩分布特征

3.1 地表出露情况

下寒武统水井沱组富有机质泥页岩沉积之后，受到了成岩作用及构造作用的改造，特别是后期抬升遭受剥蚀对富有机质页岩的空间分布影响巨大，经历了加里东晚期、海西期、印支期、燕山期、喜马拉雅期等多期构造改造作用和构造热液活动，最终调整、演化为包括有挤压、伸展、走滑、底辟等多种构造样式的现今面貌，下寒武统大部分深埋地下，部分出露，主要集中于秭归盆地周缘、石门—酉阳一带和张家界局部地区，在黄陵背斜、湘西及鄂东地区剥蚀程度严重，局部地区页岩完全剥蚀（图4a）。

3.2 埋深分布特征

富有机质页岩的埋深是直接决定其是否具有工业价值的一项重要指标，以区域地质图上各地表出露地层展布形态和钻井数据为基础，结合研究区内二维地震资料解释，编制出湘鄂西地区下寒武统水井沱组泥页岩底部埋深等值线图。通过对湘鄂西地区二维地震重新处理发现，水井沱组连续分布、产状较小、埋深相对较浅的泥页岩沉积主要分布于咸丰—酉阳一线、秭归—长阳—宜都一线和鹤峰—龙山一线。总体而言，湘鄂西地区水井沱组底部泥页岩埋深范围在1500～6000m之间，其中靠近江汉平原区埋深相对较深，绝大部分地区大于4500m；而在湘鄂西大部分地区埋深相对较浅，主体位于1000～3000m（图4b）。

图3 张家界大坪剖面水井沱组综合柱状图

图4 湘鄂西地区水井沱组地表出露（a）及底界埋深（b）分布图

3.3 层序格架内相带分布特征

以层序作为编图单元，有助于不同时间单元内相带的演化规律分析和页岩储层非均质性的评价。震旦纪晚期的惠亭运动使湖北中部上升，形成鄂中古隆起，到早寒武世水井沱期，随海平面快速上升，形成中扬子地区缺氧环境，沉积了外陆棚暗色碎屑岩系。区域上自鄂中到湘西北古地理单元依次划分为鄂中隆起、碳酸盐缓坡、钙质陆棚、碳质陆棚、硅质陆棚、粉砂质陆棚及硅质盆地等相带。碳酸盐缓坡沉积出现于鄂中隆起外围，以白云岩、白云质灰岩沉积为主，其形成环境可能是因鄂中隆起地势平缓，提供的碎屑沉积物较少，不能形成碎屑岩滨岸环境。碳酸盐缓坡外围为钙质陆棚，其主要为暗色页岩夹薄层石灰岩及泥灰岩。碳质陆棚围绕钙质陆棚外围发育，沉积有暗色泥页岩。向深海方向则依次发育硅质陆棚、硅质盆地，主要为缺氧环境的碎屑岩，发育硅质页岩、碳质页岩。湘鄂西地区Sq1时期主体发育碳质陆棚和硅质陆棚环境，且以硅质陆棚为主（图5a）；Sq2时期较Sq1时期总体水体变浅，相带向南迁移，硅质陆棚相带变窄，碳质陆棚范围扩大且占据湘鄂西大部分区域（图5b）。

图5 湘鄂西地区Sq1（a）和Sq2（b）沉积相分布图

3.4 层序格架内厚度分布特征

根据研究区内钻井和野外剖面页岩厚度统计资料，结合相带展布规律，水井沱组暗色泥页岩系厚度分布范围为50～250m，大部分厚度大于100m。在Sq1时期，龙山茨岩塘剖面水井沱组岩性为深灰色—黑色硅质页岩，厚度为124m；鹤峰白果坪剖面水井沱组岩性为黑色含硅碳质页岩，局部含磷质结核，厚度为68m；石门杨家坪剖面木昌组岩性为灰黑色—黑色含硅碳质页岩，厚度为66m；宜10井水井沱组岩性为灰黑色—深灰色碳质页岩，厚度为48m。从平面上看，暗色泥页岩厚度具西南厚、东北薄的特点，岩性由硅质页岩过渡到碳质页岩到钙质页岩到碳酸盐岩，高值区位于龙山—酉阳一带，最厚可达120多米，向东北方向逐渐减小，直至无泥页岩沉积（图6a）。Sq2时期，暗色泥页岩厚度具有和Sq1时期相同的南西厚北东薄的特点，但是岩性有较大差异，岩性由碳质页岩过渡到钙质页岩到碳酸盐岩，高值区分布区域相似，最厚可达130余米，向东北方向逐渐减小，直至无泥页岩沉积（图6b）。

3.5 有机碳含量和镜质组反射率分布特征

根据剖面和钻井测试资料统计表明：湘鄂西地区水井沱组泥页岩有机碳含量（TOC）分布范围为0.15%～13.13%，平均为2.34%，经过筛选后统计可知，TOC主要大于1.5%，占整个样品总数的60%。结合沉积相带展布趋势和点上测试数据编制水井沱组TOC分布图，可以看出TOC高值区位于湘鄂西龙山一带（图7a）。水井沱组镜质组反射率Ro分布范围为2.31%～4.46%，平均为3.52%，从Ro平面分布看，研究区内水井沱组Ro整体偏高，总体达到高—过成熟阶段（图7b）。

图6 湘鄂西地区Sq1（a）和Sq2（b）地层厚度分布图

图7 湘鄂西地区水井沱组TOC（a）和Ro（b）分布图

4 富有机质页岩储层特征及其非均质性

富有机质页岩一般由黏土矿物、陆源碎屑矿物、自生非黏土矿物和有机质组成[32]。由于页岩气赋存方式的特殊性，吸附气主要吸附于有机质和黏土矿物表面[33]，游离气主要赋存于孔隙和裂缝中，因此页岩储层研究也有别于常规储层。本文主要从定性的角度分析页岩储层非均质性特征，即页岩储层的物质组成、储集空间类型、有机地球化学参数等方面的纵横向变化规律。

4.1 页岩储层物质组成特征及其非均质性

在常规砂岩储层中结构和胶结物特征对储层的孔隙度和渗透率有着重要的影响，但泥页岩储层的孔隙度较小，结构较简单，胶结物含量极其有限，故此处主要分析矿物成分对页岩储层的影响。美国页岩气勘探开发证明，页岩储层孔隙度和渗透率都很低，其裂缝体系的发育程度对页岩气的聚集和开发具有重要的影响作用。当泥页岩中黏土矿物含量较少，硅质、碳酸盐等矿物较多时，岩石脆性较大，裂缝系统容易形成[34]，如Barnett硅质页岩中黏土矿物含量通常小于50%，石英等含量超过40%。根据永顺王村、张家界大坪、宜昌王家坪、鹤峰白果坪等野外剖面样品及咸2井、宜10井等岩屑样品的全岩X射线衍射分析结果：黏土矿物含量为10.40%～28.90%，平均为19.72%；石英含量为18.80%～64.80%，平均为47.25%；长石含量为8.39%～16.30%，平均为11.87%；碳酸盐矿物含量为2.40%～49.70%，平均为21.36%；黄铁矿含量为0.00～4.90%，平均为1.76%（表1）。表明湘鄂西地区水井沱组矿物含量以石英为主，其次为碳酸盐矿物和黏土矿物；黏土矿物主要有伊/蒙间层、伊利石和绿泥石，其中伊利石含量最高（表1）。

表1 湘鄂西地区主要剖面/钻井水井沱组基础数据表

纵向上页岩段矿物学特征也存在差异，以张家界大坪剖面为例：①海侵体系域中长英（长石、石英）质矿物含量为53.8%～58.7%，平均为56.3%；黏土矿物含量为22.1%～24.9%，平均为23.5%；碳酸盐矿物含量为16.8%～23.9%，平均为20.3%；②高位体系域中长英质矿物含量为34.5%～56.4%，平均为44.6%；黏土矿物含量为21.5%～29.8%，平均为26.4%；碳酸盐矿物含量为18.4%～43.3%，平均为29.0%。海侵体系域中长英质矿物含量相对较高，碳酸盐矿物和黏土矿物含量相对较低；高位体系域中碳酸盐矿物和黏土矿物含量相对较高，长英质矿物含量相对较低（图3）。通过对张家界大坪剖面水井沱组准层序组物质组成分析表明，在Sq1的海侵体系域中退积的准层序组中岩性由碳质页岩变为硅质页岩，其硅质含量上升，碳酸盐矿物含量下降（图3、图8a）；在Sq2的高位体系域第1、2个进积的准层序组中碳酸盐矿物含量上升（图3、图8b）。

图8 张家界大坪剖面水井沱组退积型（a）、进积型（b）准层序组中矿物组成特征

通过对咸2井、王村剖面、白果坪剖面、宜10井等的横向对比发现，咸2井和王村剖面黏土矿物和长英质矿物含量相对较高，而白果坪剖面和宜10井碳酸盐矿物含量相对略高于西部地区，这一特征与相带展布特征匹配较好（图9）。

图9 水井沱组单剖面（井）泥页岩矿物组成三角图

4.2 储集空间特征及其非均质性

Milner等曾针对北美Haynesville页岩、Horn River页岩、Barnett页岩及Marcellus页岩中的微观孔隙进行系统观察[35]，发现上述4套页岩中普遍发育3种类型孔隙，即基质晶间孔、有机质孔和粒间孔。通过对湘鄂西地区水井沱组泥页岩孔隙类型大量、系统的观察发现，两套富有机质页岩中普遍存在基质孔、有机质孔和溶蚀孔，此外还发育大量的微裂缝。

借助高分辨率的场发射扫描电镜（FE—SEM）和透射电子显微镜（TEM）等手段对页岩储层微观特征进行研究，结果表明有机质孔最小，孔径一般在10～1500nm，属纳米级孔隙，为研究区最重要的储集空间（图10a）；其次为基质孔，孔径一般在0.1～2.5μm，占总孔隙的小部分（图10b）；再次为溶蚀孔，孔径一般在8.0～45.0μm，是一种重要的储集空间，特别是黏土矿物含量相对较高地区，溶蚀孔较发育（图10c—e）；最大的为微裂缝，缝宽一般在1.0～100.0μm，局部地区极为发育（图10f），不同地区差异较大。

通过对大坪剖面页岩样品扫描电镜分析表明，水井沱组Sq1海侵体系域硅质页岩中由于黏土矿物含量很高，溶蚀孔极为发育，面孔率较大（图10g、h），另外发育大量的顺层微裂缝；Sq1高位体系域钙质页岩中由于碳酸盐矿物含量较高，发育少量晶间孔隙，但面孔率较小（图10i）。纵向上储集空间的对比可以发现，自下而上储集空间类型均有孔隙和裂缝，其中水井沱组顺层裂缝和孔隙均很发育，而相对粉砂质含量丰富的五峰组—龙马溪组主要发育溶蚀孔，顺层的裂缝很少见，究其原因是因为水井沱组硅质页岩和碳质页岩较发育，硅质页岩脆性大且有机质含量高，容易产生微裂缝和溶蚀孔。

4.3 有机地球化学特征及其非均质性

研究区内大量的样品统计及前人研究成果表明,水井沱组TOC平均值较高，但不同地区TOC差异较大，分布范围为0.1%～9.64%，平均为2.23%。以国家标准（GB/T 31483—2015）对于海相页岩气有利层段（区）TOC的下限标准2.0%为界定，区内样品点大于2.0%者占总数的37.3%（图11）。区域上鹤峰—酉阳一带为TOC的峰值区，向西北方向TOC骤减，往江汉平原区方向TOC普遍较低（图7b）。

图10 湘鄂西地区水井沱组泥页岩储集空间特征

图11 湘鄂西地区水井沱组TOC分布直方图

5 富有机质页岩储层非均质性形成机制探讨

富有机质页岩储层非均质性是绝对的，且造成页岩储层非均质性的原因较多，总体上可归纳为两个方面，即沉积作用和沉积后作用，其中影响沉积作用的包括海平面升降变化、物源供给及生物作用等因素，沉积后作用主要包括成岩作用、构造作用等因素。

5.1 沉积作用对储层非均质性的影响

海平面的升降变化与泥页岩沉积密切相关。有人认为海相泥页岩沉积于深水环境，海平面升降变化对其沉积物的影响甚小。其实不然，通过对国内外海相泥页岩沉积调查研究发现，泥页岩矿物的组成与海平面升降变化有着密切的联系。在海平面下降至陆棚坡折点以下时，主要发育低位体系域沉积，深水区主要发育泥页岩夹斜坡扇、海底扇的粗碎屑沉积。在海平面上升时期，主要发育海侵体系域和早期高位体系域，盆地处于非补偿阶段，陆棚—深海盆地沉积硅质泥页岩、碳质泥页岩等；陆棚上较浅水地区沉积碳酸盐与陆源碎屑混合的钙质泥页岩。当海平面持续上升到最大海泛面之后，进入海平面缓慢上升—缓慢下降的高位体系域形成期，陆源碎屑充足时沉积进积型粉砂质页岩，陆源碎屑不足时沉积加积—进积型钙质页岩。

物源供给是碎屑岩沉积的物质基础，物源所提供碎屑物质类型及丰富程度对沉积物类型及特征具有重要的影响。早寒武世水井沱组沉积时期，湘鄂西地区远离西部的康滇古陆物源区，物源不足，较粗的陆源碎屑难以运移到研究区，沉积物主要为原地沉积的硅质页岩、碳质页岩等。研究区东部鄂中古隆起的抬升，使得江汉平原区沉积水体相对较浅，靠近鄂中古隆起地区发育碳酸盐岩及钙质页岩。

生物作用对硅质页岩、碳质页岩的分布有着重要作用。宜昌长阳地区水井沱组黑色页岩中保存有丰富的高肌虫、大型双瓣壳节肢动物、宏体藻类、软舌螺类和可疑的海绵类等化石，宏体藻类以及底栖的海绵类和软舌螺类化石的存在，说明其沉积环境为水体较深的贫氧环境，沉积物主要为泥页岩。但是由于页岩沉积时具有较高水分，在快速沉积背景下将死亡生物躯体埋藏，伴随着沉积的不断进行，沉积水与外界水体交换量逐渐减少，加之生物腐烂产生的H2S气体，形成了沉积物内部的强还原环境，有机质得以保存，最终形成黑色碳质页岩[36-37]。寒武系底部黑色页岩的碳质体中还发现有大量硅质体，系海绵骨针化石，可能为深海热（液）水环境重要的生物类型，是部分硅质页岩的重要成因[38]。

5.2 沉积后作用对储层非均质性的影响

由于区域成岩环境的差异，前期相同的页岩储层经过不同成岩环境改造后，其每个成岩阶段的黏土矿物组分比例各不相同，造成了页岩储层纵横向上的非均质性。研究区下寒武统水井沱组普遍经历了深埋藏的中—晚成岩作用阶段，黏土矿物中发育伊利石、伊/蒙间层、绿泥石和高岭石，其中以伊利石和伊/蒙间层为主，且伊/蒙间层的相对含量要少于伊利石（表1）。不同的黏土矿物对天然气的吸附能力有着明显的差别。在30℃温度条件下，干黏土甲烷吸附实验结果表明伊利石吸附甲烷的能力最强，因而研究区水井沱组黏土矿物含量中伊利石含量高的区域有利于页岩储层中吸附气的大量富集[22]。此外，研究区长英质、碳酸盐矿物分布具有不均一性，而埋藏条件下由于有机质的成熟、演化过程中产生的大量有机酸对页岩储层中的长石、碳酸盐矿物等也会产生不同程度的溶蚀作用。

构造作用也可能对页岩储层非均质性产生影响。如构造作用造成的局部泥页岩的抬升和下降控制着泥页岩热演化程度，黄陵背斜、宜都—鹤峰复背斜地区水井沱组富有机质页岩遭受抬升，其热演化程度较弱，而其余地区热演化程度较强；构造作用是泥页岩内部产生裂缝的主要因素，也控制着地层水的流动与停滞，研究区内湘鄂西地区构造格局为复向斜区，断裂主要为小断裂且地层平缓，一般控制着地层水上下窜层流动，总体是顺层流动，因此对页岩储层含气性保存较好。

除此以外，水文地质作用对于页岩储层含气性的非均质性、保存条件等也有着重要的影响，限于目前研究程度较低尚待进一步深化认识。

6 结论

（1）湘鄂西地区下寒武统水井沱组富有机质泥页岩在地表出露、埋深、相带、厚度、有机碳含量及成熟度等特征的平面分布上存在强烈差异。水井沱组地表出露局限，底界埋深相对较浅，有利的勘探区域位于咸丰—酉阳一线、秭归—长阳—宜都一线和鹤峰—龙山一线。沉积相带分异是有机地球化学指标在平面上存在差异的重要因素，其中深水碳质陆棚、硅质陆棚分布区有机地球化学指标高，为有利页岩储层发育相带；在层序格架内此有利相带分布也存在差异，其中Sq1时期主体发育深水碳质陆棚和硅质陆棚环境，以硅质陆棚为主；Sq2时期深水碳质陆棚范围扩大且占据湘鄂西大部分区域。

（2）页岩储层宏观非均质性方面，富有机质泥页岩主要发育于Sq1和Sq2的海侵体系域中，岩相上表现为海侵体系域主要发育硅质页岩、碳质页岩，而高位体系域以钙质泥页岩、粉砂质泥页岩为主。微观非均质性方面，海侵体系域中页岩储层具有黏土矿物和有机碳含量向上逐渐升高，长英质、碳酸盐矿物含量降低的特征，储集空间由基质孔向溶蚀孔、有机质孔演变，总孔隙度向上逐渐变大；高位体系域中页岩储层变化特征与海侵体系域中恰恰相反。

（3）页岩储层的非均质性受到沉积作用和沉积后作用的共同控制，沉积时期海平面升降变化、物源供给以及生物作用控制着泥页岩的物质组成，沉积后作用中泥页岩成岩作用、构造作用及水文地质作用控制了泥页岩物质组成、储集空间及含气性特征。