鄂西—渝东北地区五峰组—龙马溪组页岩气成藏地质条件分析

周 志， 翟刚毅， 石砥石 ，王胜建， 郭天旭，刘一珉， 王 浩

(1.中国地质调查局 油气资源调查中心，北京 100083；2.中国地质大学(北京)，北京 100083)

中国南方地区页岩气勘探开发已经展开，但仅在局部地区、个别层系取得突破[1]。近年来的勘探实践证实，上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组(简称五峰—龙马溪组)是我国目前最为有利、最具前景的页岩气勘探开发层系[1-2]，已在四川盆地的重庆涪陵、四川长宁—威远等地区获得了页岩气重大突破，进入商业开发阶段[3-4]。基础地质调查表明，四川盆地周缘地区五峰—龙马溪组黑色页岩，尤其是鄂西—渝东北地区，黑色页岩厚度大，有机质丰度高，生烃潜力大[5-8]。1980年代以来，该区钻遇的五峰—龙马溪组均见到了不同程度的油气异常显示，展示了良好的页岩气勘探前景。由于区域地质构造复杂，油气地质勘探工作程度低，早期完整揭示五峰—龙马溪组的钻井较少，使得该地区富有机质页岩的空间分布、泥页岩储层物性、含气性等参数不清，页岩气保存条件不落实，成藏富集主控因素不清。本文通过对JD1井五峰—龙马溪组黑色页岩岩心观察和测试，对比分析区内已有钻井资料，研究了鄂西—渝东北地区五峰—龙马溪组黑色页岩的沉积相、分布、有机质类型与丰度、热成熟度、储集性能等页岩气形成地质条件，并结合保存条件，分析了五峰—龙马溪组页岩气富集成藏的主控因素，以期为该区页岩气勘探提供参考。

1 区域地质背景

鄂西—渝东北地区行政区划上属于湖北省西部，重庆市东北部；构造位置西与四川盆地毗邻，东至黄陵背斜西缘，跨越利川复向斜、中央复背斜以及花果坪复向斜等多个构造单元；区域上经历了晋宁、澄江、加里东、印支、燕山、喜马拉雅等多期构造运动，经过燕山运动以后，区内地质构造基本定型，全区隆起成陆。虽受多期构造运动影响，但鄂西—渝东北地区构造活动相对较弱，大部分地区地层较为平缓，发育一系列北东向、近东西向褶皱和断裂构造(图1)。

根据地表地质特征和钻井资料，研究区主要发育南华系、震旦系、寒武系、奥陶系、志留系、泥盆系、二叠系、三叠系和侏罗系，缺失上志留统；地表主要出露二叠系、三叠系和侏罗系，其中二叠系主要出露在背斜部位，三叠系巴东组、嘉陵江组和大冶组残留于向斜，侏罗系则主要在秭归盆地出露。区域上主要发育3套稳定海相页岩，分别为下震旦统陡山沱组、下寒武统牛蹄塘组和上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组，主要由富含黄铁矿、有机质或生物化石的黑色页岩组成，厚度大、分布广。其中五峰—龙马溪组页岩埋藏相对较浅、热演化程度适中，有利于页岩气的勘探和开发[5-7]。

图1 鄂西—渝东北地区区域地质及构造单元

2 样品采集与测试

2015年，中国地质调查局在湖北建始地区部署实施了1口地质调查井——JD1井，钻遇五峰—龙马溪组黑色页岩45.2 m，现场采集22件页岩样品，开展岩石含气量解吸实验，使用YSQ-IV型岩石含气量解析仪。本文针对JD1井五峰—龙马溪组黑色页岩层段，共采集25块岩心样品，进行了详细的TOC、黏土矿物X-射线衍射定量检测、全岩X-射线衍射定量检测、镜质组反射率测定、扫描电镜实验、岩石热解等实验测试分析。其中TOC、镜质组反射率、岩石热解等有机地化测试以及黏土矿物X-射线衍射定量检测、全岩X-射线衍射定量检测工作在国家地质实验测试中心完成。黏土矿物X-射线衍射定量检测和全岩X-射线衍射定量检测所用仪器为ZJ207 Bruker D8 advance_X射线衍射仪，镜质组反射率测定使用仪器为Leica DM4500P偏光显微镜(ZJ257)和CRAIC显微光度计(ZJ280)。扫描电镜实验在国土资源部重庆矿产资源监督检测中心完成，实验使用仪器为ZJ266+ZJ263 JEOL JSM-6610LV扫描电镜和OXFORD X-max能谱仪。

3 页岩地质特征

3.1 页岩沉积相

五峰—龙马溪组沉积时期，受加里东运动晚幕的构造挤压以及冈瓦纳大陆冰川消融引发的全球海平面上升影响，中扬子地区形成了东南高、西北低的古地理格局，在鄂西—渝东北地区大范围地发育面向秦岭洋的北东向延伸深水陆棚，沉积了一套富含笔石化石的黑色页岩。受晚奥陶世宜昌上升的影响，早志留世在湖北、湖南、重庆交界地区发育一湘鄂水下高地[9-10](图2)。前人通过对比晚奥陶世赫南特期和志留纪鲁丹早期该地区黑色页岩中的笔石，大致圈定赫南特期湘鄂水下高地的范围[9-11]。在水下高地范围内，自赫南特期—鲁丹早期甚至更晚时间，存在地层沉积缺失现象，至少缺失了鲁丹早期的2个笔石带的地层[12]，造成部分笔石带的黑色页岩缺失[9-16]。

3.2 页岩分布

根据研究区内JD1、WD1、HY1等12口钻井资料，以及思阳桥、白果坪、高罗等15条野外地质剖面编制的五峰—龙马溪组厚度等值线图(图2)可以看出，鄂西—渝东北地区五峰—龙马溪组黑色页岩分布较稳定，厚20～60 m，整体厚度大于30 m。受岩相古地理控制，页岩厚度总体呈现自东南向西北逐渐增厚的趋势。东南部受湘鄂西水下高地控制，黑色页岩厚度较薄，主要为一套浅水沉积的灰黑—黑色页岩，如宜恩、长阳和五峰(湘鄂水下高地范围)等地区黑色页岩最大厚度不超过30 m，建始南部地区HY1井页岩厚度仅25.6 m[8]，岩性主要为灰黑色粉砂质泥岩夹薄层状粉砂岩条带。向西北，黑色页岩厚度逐渐增大，在宜昌—巴东—巫山以北、建始—恩施以西的区域，黑色页岩厚度可达到80 m，平均超过40 m。如鄂西利川地区的LY1井黑色页岩厚度50 m，渝东北地区WX2井黑色页岩厚度超过89.8 m[17]，主要为一套水体相对较深的深水陆棚相沉积的黑色页岩(图3)。

图2 鄂西—渝东北地区五峰—龙马溪组岩相古地理及黑色页岩厚度分布

图3 鄂西—渝东北地区五峰—龙马溪组连井对比剖面

受印支期以来的构造影响，研究区发生较为强烈的抬升，使得大部分地区三叠系及其以上地层遭受抬升剥蚀，出露三叠系和二叠系。其中二叠系覆盖区，五峰—龙马溪组埋深在1 300～2 000 m的范围内(JD1井五峰—龙马溪组底界埋深1 779 m)。而三叠系覆盖区，五峰—龙马溪组埋深主要分布在2 500～3 500 m。另外，在秭归盆地侏罗系覆盖区，五峰—龙马溪组最大埋深可超过5 000 m(图1)。

3.3 有机地化特征

JD1井25块泥页岩样品测试数据(表1)表明：五峰—龙马溪组黑色页岩总有机质类型以Ⅰ—Ⅱ型为主，偏腐泥型。页岩有机碳含量(TOC)普遍较高，介于0.11%～11.24%，平均为4.39%，其中w(TOC)≥1.0%的样品数占总数的80%，w(TOC)≥2.0%的样品数占总数的72%(图4)，表明五峰—龙马溪组黑色页岩的有机碳含量高。黑色页岩TOC具有明显的由上至下逐渐增高的趋势，其中JD1井黑色页岩w(TOC)>2%的页岩厚度约25 m，主要位于五峰—龙马溪组底部(表1)；HY1井五峰—龙马溪组富有机质泥页岩TOC值介于1.28%～5.28%，w(TOC)>2%的页岩厚12.56 m，也主要位于五峰—龙马溪组底部(图3)。平面上，根据研究区内8条露头剖面、12口井资料统计，五峰—龙马溪组TOC整体分布具有自东向西增高的趋势，存在奉节—巫溪和彭水—黔江2个高值中心，黑色页岩TOC平均值普遍大于3%(图5a)。

图4 鄂西建始地区JD1井五峰—龙马溪组页岩有机碳含量分布

热成熟度(Ro)是页岩有机质向烃类转化的一项关键指标。但泥盆纪以前的地层不存在镜质组显微组分，因此无法应用镜质组反射率来标定有机质热演化程度。本文采用沥青反射率、岩石最高热解峰对应温度(Tmax)等方法，折算出等效镜质组反射率(eqVRo)[18]。JD1井五峰—龙马溪组7块样品分析结果表明，页岩热演化程度总体较高，eqVRo为2.62%～3.05%，平均2.82%，其中85.7%样品eqVRo小于3.0%，总体处于过成熟演化阶段。平面上，鄂西—渝东北地区五峰—龙马溪组页岩eqVRo普遍大于2.0%，介于2.5%～3.9%，总体呈现出自东南向西北增高的趋势(图5b)。其中重庆巫山一带最高，东南部整体较低，平均为2.5%。eqVRo区域差异可能与页岩经历深埋藏过程有关，川东北地区五峰—龙马溪组最大埋深约9 000 m，造成有机质的热演化程度也相对较高[19]。

3.4 储集性能

鄂西—渝东北地区五峰—龙马溪组页岩孔隙度整体较低。JD1井岩心脉冲衰减法孔渗测试结果表明，其孔隙度范围在0.60%～4.33%，渗透率介于(0.000 018 8～0.045 5)×10-3μm2，平均0.006 383×10-3μm2，所有样品值均远小于1×10-3μm2，属于特低孔、特低渗储层。页岩孔隙类型多样，JD1井五峰—龙马溪组页岩扫描电镜发现，其具有大量的残余原生孔隙、粒内粒间溶孔、有机质生烃孔、黏土矿物伊利石化体积缩小形成的微孔隙以及微裂缝等，多以微米—纳米级为主；尤其是有机质生烃孔发育，孔径以2～20 μm居多，连通性良好，为页岩气赋存提供了良好的储集空间。

五峰—龙马溪组页岩所含主要矿物为石英和黏土矿物，含少量长石。其中石英含量最少46%，最多73%，平均52.62%；黏土矿物含量最小13%，最大53%，平均31.14%；长石含量最少4%，最大20%，平均13.67%。总体来说，五峰—龙马溪组页岩以长英质矿物为主，其次为黏土矿物，碳酸盐矿物很少，脆性指数高，有利于后期压裂改造。

3.5 含气性

鄂西—渝东北地区多数井钻遇五峰—龙马溪组均见到较好的页岩气显示，但含气性差异较大。其中渝东北地区的WX2井五峰—龙马溪组主体含气量大于3 m3/t的高含气层段 34 m，最高含气量超过 8 m3/t，气体组分以甲烷为主(甲烷平均含量 95.17%)[17]。秭归地区的WD6井钻遇五峰—龙马溪组见明显气显示，钻至近目的层后井口持续冒泡，点火焰高60 cm，数小时不灭。建始北部的JD1井在五峰—龙马溪组页岩解析含气量0.92 m3/t(不含损失气、残余气)，气测组分以甲烷为主。而建始南部的HY1井以及利川地区的LY1井等五峰—龙马溪组含气性则比较差，钻井过程中气测显示比较差，综合解释为干层[8]。对比分析不同井页岩含气性，发现五峰—龙马溪组页岩含气性主要受有机碳含量和构造保存控制。其中页岩有机碳含量与含气性具有较好的正相关性(图6)，含气性好的层段主要集中分布在上奥陶统凯迪阶、赫南特阶和下志留统鲁丹阶3个富有机质页岩发育层段(图3)。

图5 鄂西—渝东北地区五峰—龙马溪组页岩有机碳含量、热成熟度平面分布

图6 鄂西建始地区JD1井五峰—龙马溪组页岩含气性与TOC关系

4 页岩气富集主控因素分析

页岩气是天然气在烃源岩中生成之后就近聚集的结果，表现为典型的“原地”成藏模式[20]。因此，早期有学者用泥页岩厚度、埋深、TOC、Ro等静态参数指标来评价、优选页岩气有利区[21]。但近些年的勘探实践证明，仅仅依靠上述参数指标，有利区往往难以落实，钻探失利较多。鄂西—渝东北地区钻井资料揭示，该地区五峰—龙马溪组富有机质页岩多项静态参数(实测TOC、富有机质页岩连续厚度、热成熟度等)均与目前商业开发区块的评价井相当[22-24]，但含气性差异却比较大。2012年以来，随着我国页岩气勘查开发工作的不断深入，国内学者先后提出了页岩气“二元富集”理论[25]、“源盖控藏”富集理论[24]，归根结底均强调2个方面：一是生烃的物质基础，从目前我国南方勘探开发来看，其主要与岩相古地理有关，深水陆棚相沉积的页岩是页岩气富集成藏的生烃物质基础；二是构造保存，稳定的构造保存和良好的区域盖层是页岩气富集高产的关键要素。

4.1 深水陆棚相页岩

董大忠等[22]在研究上扬子地区富有机质黑色页岩分布时，发现下志留统龙马溪组有机碳含量大于2.0%的黑色页岩厚度分布与深水陆棚沉积相带的分布十分一致，可见深水陆棚沉积相带控制了富有机质黑色页岩的发育。参考国际通用的笔石带，陈旭等[23]提出了五峰组和龙马溪组黑色页岩笔石带的划分标准，将五峰—龙马溪组自下而上依次划分为凯迪阶、赫南特阶、鲁丹阶、埃隆阶和特列奇阶5个生物阶。南方页岩气勘探开发实践揭示，凯迪阶、赫南特阶和鲁丹阶3个生物阶黑色页岩的发育对页岩气的富集高产具有重要的控制作用[23]。特别是赫南特阶和鲁丹阶，这2个生物阶黑色页岩的发育，预示该地区在奥陶—志留纪之交长期处于深水陆棚沉积环境之中，这为五峰—龙马溪组页岩气富集高产奠定了良好的生烃物质基础。

目前鄂西—渝东北地区获得较好显示的钻井，均都钻遇凯迪阶、赫南特阶和鲁丹阶3个生物阶深水陆棚相沉积的页岩，如WX2井和WD6井等[17]；而缺失赫南特阶和鲁丹阶黑色页岩的钻井页岩气显示总体均较差。如HY1井缺失赫南特阶和鲁丹阶深水陆棚相页岩(图3)，五峰—龙马溪组有机碳含量大于2.0%页岩仅12.56 m，含气性差，钻探过程气测异常不明显[8]。综上所述，凯迪阶、赫南特阶和鲁丹阶3个层段深水陆棚相沉积的页岩是鄂西—渝东北地区五峰—龙马溪组页岩气富集高产的物质基础。

4.2 构造保存

保存条件是页岩气富集高产的关键要素。鄂西—渝东北地区经历了多旋回构造运动，特别是印支期以来的构造运动，一方面造成研究区褶皱和断裂、裂缝构造发育，另一方面大部分地区遭受抬升剥蚀[26-28]。其中断裂是构造运动积累的应力释放而破裂的结果，常与裂缝相伴而生。裂缝的发育使得页岩渗透率增大，页岩气以渗流的方式快速向断裂运移。如果断裂开启，尤其是“通天”的开启断裂，将对页岩气保存非常不利，如鄂西地区LY1井和WD2井。LY1井钻遇五峰—龙马溪组w(TOC)≥2%的优质页岩厚30余m(与焦页1井相当)，但所处构造内部断裂发育，岩心显示高角度的裂缝极其发育，原有的气藏遭到破坏；钻探过程中全烃显示低，测井解释含气量仅0.26 m3/t。可见断裂对页岩气藏具有明显的改造破坏作用。重庆涪陵地区五峰—龙马溪组页岩气勘查开发实践证实，气田主体构造稳定区与断裂、裂缝发育带保存条件差异明显，靠近断裂发育带压力系数明显降低，产量降低明显。

区域盖层的发育对页岩气的富集保存至关重要。金之钧等[29]研究认为有三叠系膏盐岩分布的地区，五峰—龙马溪组地层压力系数高，页岩气富集程度高。聂海宽等[24]通过对比四川盆地及周缘主要页岩气藏区盖层、压力系数和压裂后初始产量发现：在中下三叠统盖层发育的区带钻井，五峰—龙马溪组基本上都获得了超过万方的工业气流，而在中下三叠统盖层缺失的区带钻井，虽有页岩气较好的显示，但地层压力都比较低。鄂西—渝东北地区目前钻遇五峰—龙马溪组优质黑色页岩的井有12口。其中参数井WY1井、LY1井三叠系开孔，但由于五峰—龙马溪组裂缝发育，未见到明显的页岩气显示。而地质调查井多在二叠系开孔，虽然多数井见到较好的页岩气显示，但地层压力较低，多为常压地层，未获得工业气流，原因可能与中下三叠统区域盖层缺失有关。究其原因：一是中下三叠统膏盐岩具有低孔隙度、低渗透性、流动性强的特点，在后期构造变形过程中表现为典型的塑性变形，对油气藏具有很好的封盖作用[30]；二是三叠系盖层发育的地区，整体抬升剥蚀相对较晚，泄压时间也较晚，天然气尚有大量保存，现今仍处于超高压状态。

综合以上分析，认为凯迪阶、赫南特阶和鲁丹阶3个层段深水陆棚相页岩，中下三叠统盖层发育，断裂欠发育的稳定构造是鄂西—渝东北地区页岩气富集高产的关键因素。因此，该区在湘鄂水下高地范围之外，寻找断裂欠发育的构造稳定区，有望获得页岩气勘探突破。

5 结论

(1)鄂西—渝东北地区五峰—龙马溪组黑色页岩发育，黑色页岩厚度大(40～60 m)，地层埋深适中(2 000～3 000 m)、总有机碳含量高(TOC平均4.39%)、有机质热成熟度适中(Ro=2.5%～3.9%)，有机质类型以I—II型为主，钻井气测显示活跃，现场解析气含量较高，具有良好的页岩气成藏地质条件。

(2)凯迪阶、赫南特阶和鲁丹阶3个层段深水陆棚相沉积的富有机质页岩、断裂欠发育的稳定构造、中下三叠统区域盖层发育，是鄂西—渝东北地区五峰—龙马溪组页岩气富集成藏的主控因素。

致谢：在成文过程中得到中国科学院南京古生物研究所陈旭院士、中国地质调查局任收麦研究员的指导；实验测试工作得到国家地质实验测试中心孙玮琳高级工程师、中国地质调查局油气资源调查中心杨玉茹高级工程师的大力支持，在此一并表示感谢。