鄂西鹤峰地区上二叠统大隆组页岩储层特征及资源潜力

王 登 ，余江浩 ＊，陈 威 ，周向辉 ，张焱林 ，许露露 ，周 豹，冷双梁，黄佳琪

（1 湖北省地质调查院，武汉430034；2 湖北省地质局第四地质大队，湖北咸宁437100）

截止2019 年， 四川盆地及周缘多个地区已经获得页岩气勘探突破，特别是四川盆地涪陵气田的发现[1－2]，极大的推动了页岩气的勘探发展。 众多学者研究表明，紧邻四川盆地的鄂湘黔桂地区二叠系大隆组发育一套黑色岩系，其具有厚度大、分布广的特点[3]，并具有形成大型油气田的供烃能力[4]，可作为该地区的主力区域性烃源岩[5－7]，主要发育于广元－旺苍海槽、 开江－梁平海槽及城口－鄂西海槽一带[7－8]。周向辉等[9]通过对鄂西长阳－建始地区大隆组岩石微量元素的分析，认为该地区大隆组形成于厌氧－缺氧沉积环境，具有良好的页岩气资源潜力。余江浩等[10]通过对鄂西大隆组地质条件的分析，认为鄂西大隆组具有良好的页岩气资源前景，其远景区资源量约6.3×1011m3。 目前，有关大隆组的研究主要集中在烃源岩地化条件及沉积特征方面，而关于页岩气地质特征方面的研究较少。 鉴于此，本文以野外地质调查为基础，通过分析鹤峰地区6 条大隆组剖面的泥页岩厚度、地化及储层等特征，优选页岩气有利区， 利用概率体积法估算页岩气资源量，以期为鄂西页岩气勘探开发提供依据。

1 区域地质背景

图1 鄂西鹤峰地区地质简图Fig.1 Simplified geological map of Hefeng area in Western of Hubei Province

研究区位于鄂西鹤峰县境内，面积约为3666.5 km2， 构造上属扬子板块中部的湘鄂西褶皱带[11－12]，跨及花果坪复向斜带和宜都－鹤峰复背斜带（图1），构造形态总体上为北北东-北东向，由北西至南东依次为石灰窑背斜、陈家湾向斜、白佳背斜、鹤峰向斜和走马背斜。研究区中新元古界到三叠系均有出露，目的层大隆组主要分布于陈家湾向斜和鹤峰向斜，分布面积约995.0 km2。 本次研究涉及到的红土溪石灰窑、红土溪长树湾、燕子乡董家、燕子乡楠木、容美镇大溪和容美镇墙台等6 条剖面位于分别位于陈家湾向斜北西翼和鹤峰向斜两翼，地层出露情况较好。

2 泥页岩特征

鹤峰地区大隆组岩性以灰黑色硅质页岩、炭质页岩、含灰质硅质页岩为主，局部夹少量白云岩。以墙台剖面为例，由底至顶共发育4 个岩性段：①含铁质炭质页岩段，②含炭质硅质页岩与炭质泥页岩段，③炭质泥质白云岩段，④含灰质硅质页岩与含灰炭质硅质页岩段；水平层理和黄铁矿发育（图2），菊石、放射虫化石丰富，为一套台盆相沉积物[10-11]。平面上， 各剖面的沉积及岩性特征与容美墙台剖面相似，仅沉积厚度有差异。其中，大隆组泥页岩最厚为53.9 m，位于燕子乡董家村，最薄47.5 m，位于容美镇墙台村， 平均厚度50.4 m， 厚度分布在47.5 ～53.9 m 之间，变化范围6.4 m，厚度较稳定。

总体上，鹤峰地区位于鄂西海槽沉积区，其泥页岩厚度主要受台盆相控制。区域上鄂西海槽沉积中心大致分布于恩施东部-建始一线[7-8]， 近似呈NE-SW 向展布，而研究区位于鄂西海槽东缘，其西北部红土溪一带的沉积环境较其东南部燕子乡一带更有利于优质烃源岩的发育，具有西部泥页岩厚度较东南部大的特征。

3 有机地化特征

3.1 有机碳含量

图2 鹤峰墙台剖面大隆组综合柱状图Fig.2 Geochemical and physical properties of Dalong Formation in Qiangtai section

表1 鹤峰地区大隆组有机碳含量数据Table 1 Organic carbon data of Dalong formation in Hefeng Area，Western of Hubei Province

有机碳含量是生成油气的物质基础，也是吸附气的载体[13-15]，与页岩含气量呈正相关关系。 68 个样品分析结果表明， 鹤峰地区 TOC 最大值为17.34%，最小值为 0.33%，平均值 6.03%（表 1），分布范围主要集中在1.72% ～12.71%之间，TOC 大于1.0%和4.0%的样品分别占比89.71%和55.88%（图3a）。 以容美镇墙台剖面为例，大隆组采样间距介于 1.10 ～2.80 m 之间， 泥页岩 TOC 介于 1.19%～ 12.68%（表 1）， 平均值 5.24%，TOC 含量大于2.0%和4.0%的样品分别占82.14%和46.43%（图3b），TOC 大于 1%的泥页岩厚度为 45.7 m。 参照《页岩气资源／储量计算评价技术规范》[16]进行评价，鹤峰地区大隆组有机碳含量为整体高-特高。

纵向上，以墙台剖面为例（图2），大隆组泥页岩TOC 具有明显的上下低，中间高的特征。 即墙台剖面第4-14 层泥页岩TOC 相对高， 介于1.44% ～12.68%，均值为 6.65%；而第 15 ～ 16 层、第 1 ～ 3 层泥页岩TOC 相对较低， 分别介于1.19% ～4.20%和1.35%～5.70%，均值为3.37%和2.80%。 平面上，研究区西北部长树湾剖面、 石灰窑剖面TOC 均值为3.87%和8.44%， 而东部董家剖面、 楠木剖面TOC均值为8.39%和6.67%， 南部大溪和墙台剖面TOC均值5.38%和5.24%， 整体为以中营-下坪一带为中心，往东有减小趋势，这也与研究区处于鄂西海槽东缘的地质背景是相符的。总体上，鹤峰地区大隆组泥页岩厚度大，连续性好，TOC 高，生烃潜力好。

3.2 有机质类型

有机质类型决定了烃源岩的生烃能力和烃类性质[15，17-18]。镜检结果分析表明，鹤峰地区大隆组页岩腐泥组含量介于55.2% ～65.3%， 平均值59.5%（表 2）； 惰质组含量介于 20.3% ～ 25.0%， 平均值22.1%； 镜质组含量介于 7.2% ～11.1%， 平均值9.2%。 类型指数 Ti 值介于 28.4 ～ 43.2， 平均值为35.1，主要为Ⅱ2 型、少量Ⅱ1 型，分别占样品总数的83.3%和 16.7%。 同时， 干酪根 δ13C 介于 25.5‰ ～26.8‰，均值26.4‰，与前述分析结果一致。 两者均表明大隆组有机质类型较好，具有良好的生气能力。

图3 鹤峰地区大隆组TOC分布图Fig.3 Organic carban content distribution of Dalong Formation in Hefeng area， Western of Hubei Province

表2 鄂西鹤峰地区大隆组页岩显微组分Table 2 Macerals composition of shale in Dalong Formation of Hefeng area，Western of Hubei Province

3.3 有机质成熟度

成熟度是烃源岩能否生成油气的关键因素，烃源岩只有到达一定成熟度才能大量生烃，不同的热演化阶段有机质的产烃能力和产物性质不同[19-21]。另外，热成熟度与有机质颗粒中纳米级孔隙丰度密切相关，随着有机质的热解生成烃，岩石中会产生蜂窝状纳米级孔隙。 6 条剖面成熟度数据显示 （表3）， 大隆组 Ro 值介于 1.81% ～ 2.61%， 平均值为2.40%；Tmax 介于 511 ～ 520 ℃，平均值为 516.3 ℃；总体而言，鹤峰地区大隆组热演化程度较高，处于生干气的过成熟阶段。

4 储层特征

4.1 矿物组成

对鹤峰地区大隆组10 块样品进行了X 衍射分析（表4）。 测试结果表明，大隆组主要由石英和粘土矿物组成，其次为长石，部分样品碳酸盐矿物含量较高，少量黄铁矿。 其中，粘土矿物含量介于8.6% ～26.9%，均值为17.7%；石英矿物含量介于39.3% ～79.9%，均值为55.9%，钾长石＋钠长石含量介于2.4% ～12.2%，均值为6.2%；部分样品见碳酸盐矿物，含量介于6.7% ～46.7%，均值为26.8%。总体上， 大隆组脆性矿物丰富， 含量为70.3% ～91.4%，均值为81.0%，具有较好的压裂改造条件。

4.2 物性特征

岩石孔隙是油气储存的主要空间，是评价储集层特征的关键参数[22]。 鹤峰地区大隆组23 个样品孔隙度介于1.47% ～3.01%，平均值为2.11%，主要介于1.0% ～3.0%，占样品总数的91.3%；渗透率介于 0.17×10-3～ 1.27×10-3md，平均值为 0.523×10-3md（图 4）；密度值变化不大，介于 2.42 ～ 2.48 g／m3，平均值为2.44 g／m3。 同时，平面上和纵向上物性值变化不大。 表明鹤峰地区大隆组泥页岩结构致密，属于低孔-特低孔、特低渗型储层。

表3 鹤峰地区大隆组成熟度数据Table 3 Maturity data of Dalong formation in Hefeng area，Western of Hubei Province

表4 鹤峰地区大隆组泥页岩矿物组成Table 4 Mineral composition of shale in Dalong Formation in Hefeng area，Western of Hubei Province

图4 大隆组孔隙度和渗透率分布图Fig.4 Porosity and permeability distribution frequency of Dalong Formation in Hefeng area， Western of Hubei Province

4.3 孔隙类型

泥页岩中基质孔隙发育，主要包括原生孔隙和次生孔隙[22]。如图5，鹤峰地区大隆组发育多种孔隙类型。 其中，粒间孔多为纳米级，孔径一般为40 ～160 nm，个别达 500 ～ 600 nm（图 5a）；大隆组粒内孔比较发育，包括石英、长石和白云石等溶孔，以石英和方解石溶孔为主， 孔径一般为310 ～600 nm，个别达 1.5～4.5 μm（图 5b、c、d）；有机质孔多为蜂窝状，一般为65 ～190 nm（图5e）；微裂缝主要为矿物颗粒间裂隙，宽度一般在110 nm 左右，最宽处可达 2.5 ～ 3.0 μm（图 5f）。

5 含气性与保存条件

5.1 含气性特征

页岩含气性直接决定页岩气资源潜力[17-20]。 鄂西多口大隆组钻井见气显示，巴页1 井现场解析气体积最大达2.21 m3／t；鹤地1 井现场解析气体积最大达4.39 m3／t；以高地1 井为例，现场解吸气含量介于 0.16 ～ 2.92 m3／t，均值 1.18 m3／t；总含气量介于 0.19 ～ 3.70 m3／t，均值 1.43 m3／t。 本文通过等温吸附进一步表征其含气性，由等温吸附得到的气体含量反映了页岩储层所具有的最大容量。 共选取4块露头样品进行测试，结果表明在14.5 Mpa 时，大隆组模拟吸附气量介于 0.70 ～ 2.95 m3／t（图 6），平均值2.08 m3／t，具有较好的吸附能力。 但是由等温吸附获取的含气量最大值明显低于现场解析气，这可能与露头样品遭受风化作用有关。

图5 鹤峰地区大隆组泥页岩孔隙特征Fig.5 Pore characteristics of shale of Dalong formation in Hefeng area， Western of Hubei Province

5.2 保存条件

鹤峰地区大隆组主要分布在陈家湾向斜和鹤峰向斜一带，其构造变形较弱，地层产状平缓，倾角为 12° ～ 20°， 断裂不发育。 大隆组最大埋深约2000 m，位于鹤峰向斜鹤峰县城附近，其次为陈家湾向斜核部，最大埋深约1700 m，埋深主要分布在600 ～1500 m 之间，约占工区总面积的18.32%（图1）。大隆组顶板为大冶组一段及二段泥页岩与泥晶灰岩互层，属致密灰岩，厚度约150 ～200 m，封盖性好；底板为下窑组生物屑灰岩、泥粒灰岩，厚度25 ～58 m，封堵性好。 总体来看，研究区大隆组具有形成和保存页岩气的良好条件。

需要指出的是，大隆组页岩气保存存在一些不利因素。首先，鹤峰地区二叠系大隆组分布具有小、浅、窄的特征，所谓小就是单个有利区分布面积小，所谓浅就是埋深最大不超过2000 m，多介于600 ～1500 m，所谓窄就是大隆组分布呈现长条形，平面上最宽处不超过20 km，最窄处小于5 km，这就造成有些地区不具备实施水平井的条件，不利于页岩气勘探。其次，工作区碳酸盐地层发育，上覆嘉陵江组和大冶组三段-四段岩溶洞穴、 地下暗河十分发育，对后期的勘探开发可能存在安全风险。

6 资源潜力

鹤峰地区大隆组泥页岩厚度大， 生烃能力良好，具备形成页岩气藏的物质基础。参考了《页岩气资源潜力评价方法与有利区优选标准》[23]， 选取泥页岩埋深、厚度、TOC、Ro 等参数，采取叠合法预测鹤峰地区页岩气勘探有利区，利用蒙特卡罗概率统法对页岩气参数分别进行赋值，选取概率体积法进行资源量计算[24]。

6.1 参数选取

图6 鹤峰墙台剖面泥页岩等温吸附模拟Fig.6 Isothermal adsorption test of shale sample in Qiangtai section， Hefeng area， Western Hubei Province

表5 鹤峰地区大隆组页岩气资源评价参数赋值表Table 5 Evaluation parameters of shale gas resources of Dalong formation in Hefeng area，Western Hubei Province

面积为大隆组底板埋深大于500 m 时的页岩分布面积， 并用叠合法选取页岩有效面积， 合计591.92 km2。 密度根据实验实测结果， 取平均值2.70 g／cm3（表 5）。 有效厚度为实测地层剖面厚度，大隆组页岩在不同概率95%、75%、50%、25%、5%条件下的厚度赋值（m）分别为30.04 m，34.34 m，38.09 m，40.52 m，43.95 m。 含气量为岩心现场解析的总含气量，取值根据鹤地1 井和高地1 井、恩地1 井、建地3 井、绿地1 井等钻井实测结果，不同概率下的赋值（m3／t）分别为 0.96，0.96，1.32，1.40，2.71。

6.2 评价结果

鹤峰地区共优选出页岩气有利区2 个（图7），分别为鹤峰茅坪-石灰窑和鹤峰太平-咸盈有利区，面积合计591.92 km2（表5）。其中，鹤峰茅坪-石灰窑有利区位于花果坪复向斜之陈家湾向斜， 有利区面积为 224.10 km2， 页岩气地质资源总量 （P50）为303.56×108m3，地质资源丰度 1.35×108m3／km2；鹤峰太平-咸盈有利区位于宜都鹤峰复背斜之鹤峰向斜，有利区面积为367.82 km2，页岩气地质资源总量（P50）为 533.33×108m3，地质资源丰度 1.45×108m3／km2。

7 结论

（1）鹤峰地区位于鄂西海槽东缘，发育一套大隆组黑色泥页岩系，具有厚度大，有机碳含量高，成熟度高等特点。 TOC 含量介于0.33% ～17.34%，平均值6.03%，大于1%的页岩厚度达45.7 m；Ro 值介于1.81% ～2.61%，平均值为2.40%，生气条件好。

图7 鹤峰地区大隆组页岩气有利区预测Fig.7 Prediction of shale gas from Dalong Formation in Hefeng area， Western Hubei Province

（2）鹤峰地区大隆组页岩为“低孔-超低渗型”储层， 发育多种孔隙类型， 脆性矿物质量分数为70.3% ～91.4%，均值为81.0%，可压裂性较好，埋深小于 2 000 m，页岩气显示情况良好，具有页岩气形成和保存的有利条件。 同时也存在着不利因素，鹤峰地区二叠系大隆组分布具有小、浅、窄的特征，因而能进行水平井施工的区域有限，不利于后期页岩气勘探开发。

（3） 采用叠合法预测出鹤峰茅坪-石灰窑和鹤峰太平-咸盈2 个页岩气勘探有利区， 面积分别约为224.10 km2和 367.82 km2， 概率体积法估算页岩气地质资源量 （P50） 分别约为 303.56×108m3和533.33×108m3，资源潜力良好。