湖北省来凤—咸丰区块五峰组—龙马溪组页岩气地质特征与资源潜力

刘小龙， 牟传龙， 肖朝辉， 王秀平， 郑宇龙， 陈 尧

1 山东科技大学地球科学与工程学院； 2 自然资源部沉积盆地与油气资源重点实验室；3 中国地质调查局成都地质调查中心； 4 华电华中清洁能源有限公司

我国南方中上扬子区普遍发育多套海相黑色页岩层系， 其中的上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组作为页岩气的主要勘探目的层， 受到业界的广泛关注。 上扬子区五峰组—龙马溪组广泛发育的厚层页岩，具有硅质含量丰富、有机碳含量高、热演化程度适中、储集物性好等特点[1-5]，在涪陵、长宁、昭通等地区已实现了规模开发。 中扬子区五峰组—龙马溪组同样广泛发育富有机质黑色岩系， 页岩气勘探潜力大[6-11]。 湖北省来凤—咸丰区块位于中上扬子区页岩气勘探重点区域[12]，为原国土资源部第二轮页岩气招标区块。 前人曾对该区块的单井开展过研究[12-13]，但目前还缺乏整体性、系统性的研究。 笔者基于露头剖面、钻井岩心资料、实验测试结果，对来凤—咸丰区块五峰组—龙马溪组页岩气地质条件进行系统研究，分析研究区地质要素空间展布特征，在此基础上预测了页岩气有利区分布， 并通过与四川盆地焦石坝页岩气建产区对比， 浅析研究区页岩气资源潜力，以期为中上扬子区页岩气评价提供依据。

1 地质概况

晚奥陶世—早志留世， 受加里东中期都匀运动的影响，上扬子东部发生陆内拗陷，随之快速海侵，使上扬子区东南部形成了较大规模的深水陆棚沉积环境[10，14-15]（图1a），分别发育了川东北、鄂西—渝东和川南等3个沉积中心[1]。 研究区来凤—咸丰区块位于湘鄂西褶皱冲断带， 区内主体构造有北东向展布的咸丰背斜和两河口向斜（图1b），其中，两河口向斜西南端延伸出区外，东北端扬起。

区域地质资料显示： 来凤—咸丰区块出露震旦系—三叠系，缺失侏罗系以上地层，累计地层厚度约为4 600 m。 受后期抬升剥蚀的影响，五峰组—龙马溪组的露头主要分布在两河口向斜的西北和东南两侧（图1b），地层较为平缓。 露头和钻井揭示： 这套页岩目的层厚度变化不大（50~60m）；目的层埋藏较浅，埋深＜2 500 m，地层压力系数为0.95~1.20。 目的层的顶板、底板分别为下志留统新滩组、上奥陶统宝塔组，两河口向斜内无大型通天断层发育，保存条件良好。

五峰组—龙马溪组岩性由下部的碳质泥页岩，向上过渡为粉砂质泥岩、泥质粉砂岩和含碳泥页岩（图2）。 五峰组—龙马溪组下部的碳质泥页岩为优质泥页岩段（主体TOC≥2.0%[16-17]），其厚度一般小于20 m（表1）：在位于北部的龙潭坪剖面厚度为18.11 m，向南呈减薄趋势，位于南端的来地2井区厚度仅为4.36 m。

图1 中上扬子区奥陶纪末沉积相分布图(a)与来凤—咸丰区块地质简图(b)Fig. 1 Sedimentary background at the end of Ordovician in the Middle-Upper Yangtze Region (a) and geological map of Laifeng- Xianfeng block (b)

图2 湖北省来凤—咸丰区块五峰组—龙马溪组对比剖面Fig. 2 Correlation section of Wufeng Formation and Longmaxi Formation in Laifeng- Xianfeng block, Hubei Province

表1 湖北省来凤—咸丰区块五峰组—龙马溪组优质泥页岩段厚度及有机碳含量Table 1 Thickness and organic carbon content of high quality shale section of Wufeng Formation and Longmaxi Formation in Laifeng-Xianfeng block, Hubei Province

2 页岩生气潜力

除有机碳含量外， 有机质的生烃潜力还与有机质类型密切相关。 来凤—咸丰区块优质泥页岩段的黑色页岩样品显微组分特征（表2）表明：干酪根类型主要为Ⅱ1型，Ⅱ2型次之，显微组分主要为腐泥组和惰质组，具有一定的生烃潜力。

表2 湖北省来凤—咸丰区块来地1 井五峰组—龙马溪组页岩有机质显微组分Table 2 Organic macerals of shale of Wufeng Formation and Longmaxi Formation of Well Laidi 1 in Laifeng-Xianfeng block, Hubei Province

有机质热演化程度决定了天然气的生成方式和气体的组分构成[11]，它是影响页岩生烃潜力的关键指标[18-19]。 对研究区内页岩镜质组反射率（Ro）的分析（表3） 表明： 五峰组—龙马溪组Ro平均值为2.80%，处于过成熟阶段，以生成干气为主。 需要说明的是：胡家台剖面Ro为2.56%~4.85%，平均值高达3.31%，是区内热演化程度最高的；该剖面优质页岩段的TOC平均值为1.82%（表1），小于2%，可能与有机质的高热演化程度有关。

表3 湖北省来凤—咸丰区块五峰组—龙马溪组Ro 统计表Table 3 Ro of Wufeng Formation and Longmaxi Formation in Laifeng-Xianfeng block, Hubei Province

3 页岩储集条件

有机碳含量在一定程度上控制着页岩裂缝的发育和页岩的含气量[11]：有机碳含量如果较高，在生烃演化过程中可使微孔增多、微孔隙度增大，从而使页岩吸附气含量增加[20]。 过高的热演化程度也会促进有机质微孔隙、微裂缝的发育[21-23]。 脆性矿物的存在有利于微孔隙、微裂缝的形成[24-26]。

3.1 矿物组分

以来凤—咸丰区块样品较多的2 口钻井为例，对五峰组—龙马溪组泥页岩全岩矿物组成的分析（表4）表明：页岩矿物成分以石英和黏土矿物为主，其次为长石、碳酸盐矿物等，其中石英、长石、碳酸盐矿物等脆性矿物的平均含量大于60%，因此具有较好的压裂条件。

表4 湖北省来凤—咸丰区块五峰组—龙马溪组矿物组成统计表Table 4 Mineral composition of Wufeng Formation and Longmaxi Formation in Laifeng- Xianfeng block, Hubei Province

3.2 储集空间

基于扫描电镜观察，来凤—咸丰区块五峰组—龙马溪组黑色页岩的储集空间类型主要包括粒间孔、粒内孔、有机质孔和微裂缝（图3）。

粒间孔 由各种颗粒间的原生孔隙经不完全胶结保留或后期成岩改造产生。 研究区内五峰组—龙马溪组黑色页岩中见有黏土矿物凝絮成团后在其内部形成的孔隙（图3a），呈网格状；黄铁矿颗粒之间的孔隙（图3b），可见三角形、多边形和长条形等形态，孔径多为1~5 μm。

粒内孔 常见于石英等矿物颗粒的内部，孔径为2~5 μm，通常呈不规则形态（图3c），在成岩过程中产生，连通性较差。

有机质孔 多为纳米级的中孔隙和宏孔隙，常局部富集，具有一定的连通性，可作为吸附气的储集空间。 研究区五峰组—龙马溪组黑色页岩样品中，发育大量的有机质孔隙，呈蜂窝状，孔径可达几十到数百纳米，孔隙边缘较清晰（图3d，3e），未见坍塌现象。

微裂缝 页岩储层中发育的微裂缝，在提高渗透性的同时，还有利于页岩气的大量存储[27]。除岩心见到的共轭节理外， 研究区五峰组—龙马溪组微裂缝较为发育（图3f），而且微裂缝的缝面不规则，不成组系。

图3 湖北省来凤—咸丰区块五峰组—龙马溪组泥页岩储集空间显微特征（扫描电镜）Fig. 3 Micro characteristics of shale reservoir space of Wufeng Formation and Longmaxi Formation in Laifeng- Xianfeng block, Hubei Province (SEM)

对研究区各类储集空间的统计分析表明： 五峰组—龙马溪组黑色页岩有机质孔和微裂缝较为发育，优质页岩段有机质孔占比略高。大量有机质孔和微裂缝的发育， 是形成丰富的页岩气资源的基础条件[27-28]。

对研究区内五峰组—龙马溪组泥页岩样品（3口井合计133个）的孔渗分析表明：页岩孔隙度为0.001%~2.09%，平均为0.68%，渗透率为（0.000 18~0.60）×10-3μm2，平均为0.034×10-3μm2，具有超低孔、超低渗特征。 来地2 井区泥页岩渗透率平均值小于0.001×10-3μm2， 渗透率如此之低推断与有机质热演化程度相对较低有关（表3）。

4 页岩含气量与有利区评价

优质泥页岩段的含气量分析显示（表5）：北部的龙潭坪剖面页岩含气量最高达5.34 m3/t， 平均为4.17 m3/t；其次为来地1井区，含气量平均为3.0 m3/t；向南含气量呈减少趋势， 来地2井含气量最大值仅为0.72 m3/t。 来地2井区页岩含气量偏低，推断与热演化程度相对较低、 保存条件受到破坏有一定关系[12]。研究区优质泥页岩段含气量平均达2.52 m3/t，整体含气量较高。

表5 湖北省来凤—咸丰区块五峰组—龙马溪组优质泥页岩段含气量Table 5 Gas content of high quality shale of Wufeng Formation and Longmaxi Formation in Laifeng- Xianfeng block, Hubei Province

基于前述分析，综合考虑优质泥页岩段的厚度、有机碳含量、成熟度和含气量等条件，对来凤—咸丰区块两河口向斜页岩气有利选区进行评价：大致以来页2井—大面坡剖面一线为界， 北部泥页岩厚度大、有机碳含量高、热演化程度高、含气量大，有利于页岩气富集（图4）；南部次之。

图4 湖北省来凤—咸丰区块两河口向斜五峰组—龙马溪组页岩气有利区预测Fig. 4 Favorable shale gas area of Wufeng Formation and Longmaxi Formation in Lianghekou Syncline, Laifeng-Xianfeng block, Hubei Province

5 与焦石坝页岩气田对比

为了进一步分析来凤—咸丰区块五峰组—龙马溪组页岩气潜力，将其与四川盆地五峰组—龙马溪组主要建产区之一的焦石坝地区进行了对比。选择研究区来地1井与焦石坝地区焦页1井对优质页岩段进行综合对比（表6），从而预测研究区页岩气资源潜力。

（1）五峰组—龙马溪组同处于深水陆棚沉积环境（图1a），下部发育黑色碳质泥页岩。 焦页1井优质泥页岩段厚度达37 m，来凤—咸丰区块一般小于20 m。

（2）从目的层埋深看，焦石坝地区埋藏较深（大于2 300 m），地层压力系数高，表现为超压[2-3]；来凤—咸丰区块受后期抬升剥蚀影响，埋深相对较浅，来地1井区小于1 000 m，地层压力系数相对较低。

（3）焦石坝地区优质泥页岩TOC为2%~8%[29-30]，焦页1井TOC平均为3.39%， 有机质类型多为Ⅰ型或Ⅱ1型[31-32]；而研究区TOC相对较低，一般小于3%，有机质类型多为Ⅱ1型。 热演化程度二者均处于过成熟演化阶段。 脆性矿物含量大致相当，均超过60%，有利于后期压裂造缝。

（4）焦石坝地区页岩含气量为1.7~4.5 m3/t[33]，焦页1井含气量平均为2.99 m3/t，研究区来地1井含气量为3.0 m3/t，两者基本相当，反映出研究区具有一定的页岩气潜力。

表6 来地1井与焦页1井五峰组—龙马溪组优质泥页岩段地质参数对比表Table 6 Comparison of geological parameters between Well Laidi 1 and Well Jiaoye 1 in the high quality shale section of Wufeng Formation and Longmaxi Formation

6 结 语

基于露头剖面、钻井岩心及实验测试结果，从优质页岩段厚度、有机碳含量、有机质类型、矿物含量以及含气量等方面综合评价， 认为湖北省来凤—咸丰区块上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组具备较好的页岩气地质条件，两河口向斜北部为有利区。与四川盆地五峰组—龙马溪组页岩气建产区之一的焦石坝地区开展典型井地质参数对比， 表明来凤—咸丰区块具有一定的页岩气资源潜力。 研究成果对中上扬子区页岩气勘探从四川盆地拓展到盆地以外具有一定意义。