神农架复背斜北缘牛蹄塘组页岩气成藏主控因素分析——以SD1井为例

余江浩，王 登，金 朝，石先滨，谢 通，徐 聪

(湖北省地质调查院，湖北 武汉 430034)

自2015年ZD1井在鄂西秭归地区下寒武统牛蹄塘组首次钻获页岩气以来，宜昌—秭归地区页岩气勘查如火如荼，并且相继取得重大发现。截至2018年，在部分已实施的5口页岩气调查井(如YD2、YD3、YY1等)和2口页岩气参数井(YC1、YIY1)均在主要目标层牛蹄塘组取得了页岩气勘探的重要突破。宜昌—秭归地区下寒武统牛蹄塘组具有较大的页岩气勘探前景，为湖北省页岩气勘探最为热点的地区，也是目前正在建设的鄂西页岩气勘探开发综合示范区的核心区。神农架复背斜北缘与黄陵背斜东南缘地区具有相似的构造地质背景，同样处于古老隆起的边缘，周缘地区在下古生界发育多套富有机质页岩，此前该地区页岩气地质调查和评价工作很薄弱，基本属于空白区。为此，部署实施了针对寒武系牛蹄塘组为勘探目标的SD1井，在深度1 045 m钻获页岩气，并成功点火。神农架复背斜北缘复杂构造区页岩气勘探的初步成功，为湖北省寒武系页岩气勘探打开了新局面，拓展了新方向、新战场。同时，也证实了“古老隆起边缘控藏模式”页岩气成藏模式的可靠性。本文主要报道本次勘探获得的一些新资料、新成果，旨在为该地区页岩气进一步勘探提供有益参考。

1 地质背景

宜昌—秭归地区发育很好的寒武系页岩气地层，历来被地质工作者所重视[1-7]。中国地质调查局在对四川盆地内威远页岩气发现研究的基础上，认为古隆起边缘热演化程度相对较低，创新提出“古老隆起边缘控藏模式”页岩气成藏模式，认为黄陵背斜古隆起周缘具有埋藏深度适中、抬升较早、构造变形较弱的特点，有利于页岩气的富集和保存[8-11]。神农架复背斜北缘与黄陵背斜东南缘地区具有相似的构造地质背景，同样处于古老隆起的边缘，周缘地区在下古生界发育多套富有机质页岩[12-14]。南华系—三叠系以来，研究区范围内发育广泛的盖层沉积，其间发育4套黑色页岩层系，包括早震旦世陡山沱组、早寒武世牛蹄塘组、晚奥陶—早志留世龙马溪组及晚二叠世大隆组。此前该地区页岩气地质调查和评价工作很薄弱，基本属于空白区。

神农架复背斜处于中扬子板块西北部，背靠巴洪褶皱冲断背斜带，南部倚靠秭归复向斜(图1)，核部出露中元古界神农架群刚性基底，主要由海相碳酸盐岩和少量火山碎屑岩组成，复背斜周缘沉积盖层主要出露古生界南华系—志留系地层。神农架复背斜及邻区构造复杂[15-17]，复背斜北部的巴洪褶皱冲断背斜带内，地层受东西向近平行的两条区域性断裂，即青峰断裂和阳日断裂及其次级褶皱、断裂破坏严重，地层呈断块—断片式发育。

图1 SD1井及邻区构造单元划分图Fig.1 Tectonic unit division of well SD1 and adjacent areas1.页岩气钻井；2.地层剖面；3.地名；4.一级构造界限；5.二级构造界限；6.逆冲断裂带；7.省界；8.过井构造剖面。

在神农架复背斜北缘、阳日断裂以南的九道乡—红坪镇地区地层受断裂影响相对较小，地层较为平缓，是构造影响相对较弱的区域,故优选在该区部署实施针对寒武系牛蹄塘组的页岩气地质调查井SD1井。该井位于神农架复背斜北西翼一次级向斜单元内，该向斜北西向以阳日断裂为界，南东抵神农架复背斜基底，呈宽缓的断陷形态，井口处于向斜南西翼近核部位置。该向斜核部地层为龙马溪组—罗惹坪组地层，南西翼翼部地层出露陡山沱组—宝塔组地层。地层产状较平缓，倾向NNW∠340°，倾角∠5°～15°(图2)；且井口距离边界阳日断裂超过5 km，周边出露的地层无明显的断裂发育和改造现象，页岩气的保存条件良好，为复杂构造背景区内构造相对简单稳定的地带。

图2 SD1井构造剖面图Fig.2 Structural profile of well SD11.泥质瘤状灰岩；2.白云岩；3.鲕粒灰岩；4.泥质粉砂岩；5.炭质页岩；6.含砾砂岩；7.石英砂岩。

2 岩性组合及含气性特征

2.1 岩性组合特征

SD1井钻探显示牛蹄塘组顶深986.7 m，底深1 370.75 m，厚度达到384 m，可以分为上下两段，牛蹄塘组一段以灰黑色—深灰色含炭粉砂质页岩、钙质页岩为主，水平层理发育；牛蹄塘组二段以灰黑色薄—中层状含炭含钙粉砂岩、粉砂质泥岩与灰黑色、深灰色薄—中厚层状粉晶、细晶灰岩互层为主；牛蹄塘组二段与上覆石牌组灰—灰绿色粉砂质泥岩渐变过渡，一段与下伏岩家河组浅灰色—灰色白云质灰岩、灰质白云岩渐变过渡，均为整合接触关系(图3)。

图3 SD1井牛蹄塘组钻井综合柱状图Fig.3 Comprehensive histogram of drilling in Niutitang Formation of well SD11.粉砂质页岩；2.钙质粉砂质泥岩；3.粉砂质泥岩；4.钙质泥岩；5.泥灰岩；6.粉晶灰岩；7.灰岩。

2.2 含气性特征

SD1井牛蹄塘组获得了明显的页岩气显示，水浸试验中可见整个岩芯表面均有不同程度的气泡溢出(图4-a)。水浸实验效果较好的层段为1 045.17～1 134.6 m，厚度为89 m，深度介于牛蹄塘组一段和二段分界处；根据页岩气现场解吸结果，该段页岩气总含气量为0.15～0.45 m3/t(不含残余气)，平均含气量0.25 m3/t(表1)。岩性以灰黑色含炭泥质灰岩为主，夹少量钙质泥岩和粉晶灰岩，点火试验均成功燃烧，火焰呈淡蓝—淡黄色，显示气体中可燃成分较高(图4-b)。

表1 SD1井牛蹄塘组现场解吸结果数据(1 045.17～1 134.60 m)Table 1 Field desorption gas result data of Niutitang Formation core of well SD1(1 045.17～1 134.60 m)

图4 SD1井牛蹄塘组现场解吸实验Fig.4 Field desorption experiment of Niutitang Formation in well SD1

3 成藏主控因素分析

3.1 沉积环境及地层特征

垂向上，震旦纪末—早寒武世牛蹄塘组早期，神农架复背斜北缘及邻区沉积环境为深水陆棚，沉积了灰—灰黑色含炭质页岩、含炭白云岩和含炭灰岩[18-21]；牛蹄塘组沉积中晚期，海平面下降，沉积相渐变为浅水碳酸盐陆棚相，发育浅灰—灰色厚层块状泥—粉晶灰岩、白云质灰岩夹少量薄层黑色含炭质页岩的碳酸岩地层，有机碳含量有明显降低的趋势。平面上，牛蹄塘组沉积厚度中心位于神农架复背斜北缘的红坪一带，沉积厚度350～400 m，其中较优质的黑色岩系可达100 m左右，页岩气成藏物质条件较好；但自红坪地区向东以及黄陵背斜北缘一带水体变浅，牛蹄塘组沉积相转变为台地相，地层沉积厚度剧烈减小，且黑色岩系基本不发育，如宋洛蚂蟥沟、XD1井(钻井、剖面位置见图1)，其钻探揭示的牛蹄塘组沉积厚度20～30 m，黑色页岩厚度仅数米，烃源岩沉积厚度不具备页岩气成藏的物质基础(图5)。

图5 SD1井及邻区牛蹄塘组地层对比图Fig.5 Stratigraphic correlation profile of Niutitang Formation of well SD1 and adjacent areas1.炭质页岩；2.粉砂质页岩；3.钙质粉砂质泥岩；4.粉砂岩；5.泥质粉砂岩；6.细砂岩；7.钙质石英砂岩；8.灰岩；9.含炭灰岩；10.钙质泥岩；11.泥灰岩；12.粉晶灰岩；13.粉砂质灰岩；14.白云岩；15.泥晶白云岩；16.粉晶白云岩。

3.2 有机地化特征

地化测试结果表明，SD1井牛蹄塘组岩芯样品有机碳含量均值2.06%，有机碳含量>1%的样品占87.9%，生烃潜力S1+S2均值0.13 mg/g，生烃潜力较好；纵向上，自下而上牛蹄塘组TOC值有减小趋势。Ro平均值2.35%(见图3综合柱状图)，同黄陵背斜东南缘寒武系牛蹄塘组热演化程度相当，热演化程度较高但相对适中，主要由神农架复背斜抬升所致[9-10]。

SD1井泥页岩干酪根镜检结果显示，干酪根腐泥组含量均值73.2%，惰质组含量均值26.8%；类型指数Ti值均值为53.1，有机质类型主要为Ⅱ1型,少量Ⅱ2型，反映母质类型以低等水生生物为主的特征。

3.3 储层特征

3.3.1物性特征

SD1井牛蹄塘组泥页岩孔隙度均值0.52%，主要介于0.1～1，占样品总数的87.5%，渗透率均值0.002 4 mD；总体上牛蹄塘组泥页岩孔隙度和渗透率相对较低，属于特低孔、特低渗型储层(图6)。

图6 SD1井牛蹄塘组孔隙度和渗透率分布图Fig.6 Distribution map of porosity and permeability of Niutitang Formation in well SD1

3.3.2矿物组成特征

通过44个SD1井及7个邻区剖面露头牛蹄塘组泥页岩样品X衍射全岩分析结果显示，牛蹄塘组主要矿物成分包括粘土矿物、石英和长石，含少量白云石、方解石和黄铁矿。其中SD1井粘土矿物含量均值27.0%，石英含量均值40.7%，长石含量均值14.1%，碳酸盐矿物均值14.7%，黄铁矿含量均值3.3%(表2)。总体上泥页岩脆性矿物含量较高，占比均值54.8%，易于后期储层的压裂改造。

表2 SD1井及邻区牛蹄塘组样品全岩X衍射结果表Table 2 Whole-rock X-ray diffraction results of samples from Niutitang Formation in well SD1 and adjacent areas

3.3.3孔隙结构特征

SD1井牛蹄塘组泥页岩样品扫描电镜结果显示，泥页岩中可以识别发现孔隙类型包括有机质孔隙、粒间孔隙、粒内孔隙以及微裂缝。

(1) 有机质孔隙：泥页岩中有机质孔隙相对发育，为纳米级，分布在有机质内部及有机质颗粒边缘，孔径大小多介于100～500 nm，部分孔径<100 nm，孔隙主要呈条带状、椭球状、不规则状等(图7-a)；

(2) 粒间孔隙：泥页岩以原生孔隙为主，受压实作用影响，分布在粘土矿物、方解石和黄铁矿颗粒边缘或颗粒间，以发育于粘土矿物的层间片状孔隙较常见，形态像层间缝，呈圆孔状、不规则状，孔径可达1～8 μm(图7-b)；

图7 SD1井牛蹄塘组孔隙发育特征Fig.7 Pore structure of Niutitang Formation of well SD1a.有机质孔隙,椭球状、不规则状,孔径20～300 nm,×100 000倍,SD1井,1 046 m；b.粘土粒间孔隙,圆孔状、不规则状,孔径1～8 μm,×5 000倍,SD1井,1 095 m；c.白云石颗粒,可见粒内孔,不规则状,孔径10 μm,×6 500倍,SD1井,1 106 m；d.微裂缝,宽度1～2 μm,×5 000倍,SD1井,1 118 m。

(3) 粒内孔隙：泥页岩中粒内孔隙十分发育，包括溶蚀孔和晶间孔，以溶蚀孔隙为主，多为长石溶孔、石英溶孔，少量白云石溶孔，呈椭球状、不规则状，孔径一般<300 nm，部分可达微米级(图7-c)；

(4) 微裂缝：泥页岩中微裂缝主要发育在有机质内部或泥质层界面处，呈规则直线或不规则曲线，裂缝宽约200～500 nm，个别可达1～2 μm，长约几十—上百微米不等(图7-d)。

3.4 保存条件

3.4.1顶底板封堵性

牛蹄塘组盖层为石牌组灰绿色粉砂质页岩、泥质粉砂岩，具有较好的封盖性能。底板为岩家河组灰白色中厚层微晶灰岩，厚度较大，可达50～100 m，常发育穿层的方解石脉和方解石溶孔，且节理裂隙较发育，因而封堵性稍差，但牛蹄塘组一段底部的含炭钙质泥质本身就具备较好的封闭性。

3.4.2断裂影响

断裂的性质不同，其封堵性也具一定差异。一般而言，逆(冲)断层封堵性较好，张性正断层具明显开启性，封堵性差。SD1井及周缘地区地层受断裂影响相对较小，距离区域主要大断裂阳日断裂较远，且地层较为平缓，是构造影响相对较弱的区域，页岩气的保存条件良好。

4 结论

(1) 在与黄陵背斜东南缘地区具有相似的构造地质背景的神农架复背斜北缘实施针对寒武系牛蹄塘组的页岩气地质调查井SD1井，在深度1 045 m钻获页岩气，不含残余气的现场解吸气量均值0.25 m3/t，并成功点火，显示了“古老隆起边缘控藏模式”页岩气成藏模式的适用性，同时也打开了神农架复背斜北缘复杂构造区页岩气勘探的新局面。

(2) 牛蹄塘组早期SD1井及邻区沉积环境为深水陆棚，沉积较厚的灰—灰黑色含炭质页岩等烃源岩，且TOC含量较高；神农架复背斜抬升致Ro值适中，生气条件较优越；泥页岩孔隙度和渗透率均很低，属特低孔、特低渗型储层；泥页岩中脆性矿物含量较高，易于后期压裂；有机质孔隙和微裂缝较发育，且后期构造扰动影响小，页岩气保存条件良好；上述条件缺一不可，是神农架复背斜复杂构造地区页岩气成藏的主控因素。

(3) 神农架复背斜北缘的九道—红坪地区处于牛蹄塘组沉积厚度中心，黑色岩系厚度大；在地层抬升的有利构造背景下，成熟度较为适中；且地层受构造影响较小，为下一步页岩气勘探的有利区带。