荊門探區(qū)上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖氣地化特征

柳吉榮，李小明

(華北科技學(xué)院安全工程中心，北京 101601)

一個(gè)沉積盆地的多套地層中并不是每個(gè)地層都是生油氣層。在多套生油氣層中必須根據(jù)有機(jī)地球化學(xué)特征，即有機(jī)質(zhì)豐度、成熟度特征、類型指標(biāo)的高低，并結(jié)合烴源巖分布面積和厚度，最終確定一個(gè)地區(qū)的主要生油氣層和次要生油氣層。本文通過有機(jī)碳含量、干酪根顯微組分、鏡質(zhì)體反射率等方法對荊門地區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖地化特征進(jìn)行詳細(xì)評價(jià)，以有機(jī)地化特征論證評價(jià)層系烴源巖的質(zhì)量。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

1.1 構(gòu)造特征

荊門探區(qū)位于中揚(yáng)子地區(qū)的中北部,主體范圍位于當(dāng)陽復(fù)向斜的北部。當(dāng)陽復(fù)向斜屬荊門、南漳、遠(yuǎn)安、宜昌、當(dāng)陽、公安及荊沙等市、縣所轄(圖1)。區(qū)域構(gòu)造位置為揚(yáng)子準(zhǔn)地臺中揚(yáng)子坳陷中部。西為黃陵—神農(nóng)架背斜,東為樂鄉(xiāng)關(guān)復(fù)背斜, 北與巴洪沖斷背斜帶相鄰,西南及南側(cè)分別為宜都復(fù)背斜和崇陽—通山?jīng)_斷背斜帶(圖2),總面積15 077km2[1]。

圖1 荊門探區(qū)概況圖(據(jù)參考文獻(xiàn)[1]，略有修改)

1.2 地層特征

荊門探區(qū)地層發(fā)育比較齊全,從元古界至新生界均有出露。晚奧陶世到志留世依次發(fā)育臨湘組、五峰組、龍馬溪組、羅惹坪組、紗帽組，其中，五峰組和龍馬溪組富含黑色頁巖。

臨湘組：巖性主要為灰、灰黃或灰綠色中-厚層瘤狀灰?guī)r或泥質(zhì)灰?guī)r，與上覆灰綠色或黑色五峰組頁巖整合接觸。

五峰組(O3w):下部巖性主要為頁巖,上部黑色硅質(zhì)、炭質(zhì)頁巖,常見的五峰組巖性是黑色頁巖和硅質(zhì)頁巖。富含筆石,與上覆龍馬溪組呈平行不整合接觸。

龍馬溪組(S1l):中上部巖性主要為砂質(zhì)頁巖和頁巖,夾粉砂巖及砂巖薄層,下部巖性主要為黑色頁巖、硅質(zhì)和炭質(zhì)頁巖。富含筆石,與下伏五峰組在大部分地區(qū)呈整合接觸, 在局部地區(qū)因缺失下部黑色頁巖而呈平行不整合接觸[2]。

羅惹坪組(S1lr):巖性主要以砂質(zhì)頁巖、粉砂巖、灰?guī)r為主。與下伏龍馬溪組、上覆紗帽組均為整合接觸。

紗帽組(S2s):巖性主要為粉砂巖、細(xì)砂巖,夾砂質(zhì)頁巖。砂巖層面上常見發(fā)育的波痕構(gòu)造及蟲跡等。紗帽組與下伏地層呈整合接觸。與上覆云臺觀組呈平行不整合接觸。

1.3 沉積背景

根據(jù)對荊門地區(qū)龍馬溪組野外露頭剖面、鉆井巖心以及鏡下薄片的詳細(xì)觀察描述與研究,并結(jié)合區(qū)域構(gòu)造、沉積背景及沉積相的識別標(biāo)志等資料, 認(rèn)為研究區(qū)五峰組—龍一13小層為深水泥質(zhì)陸棚沉積環(huán)境，發(fā)育黑色硅質(zhì)頁巖和灰黑色黏土質(zhì)硅質(zhì)頁巖; 龍一14小層和龍一2亞段中下部為半深水泥質(zhì)陸棚沉積環(huán)境，發(fā)育灰色黏土質(zhì)頁巖; 龍一2亞段上部至龍馬溪組頂部為淺水泥質(zhì)陸棚沉積環(huán)境，主要發(fā)育淺灰色-灰綠色粉砂質(zhì)泥巖夾薄層粉砂巖;龍一2亞段至龍二段(厚330～600m)與上奧陶統(tǒng)臨湘組致密瘤狀灰?guī)r(厚30～50m)共同構(gòu)成五峰組—龍馬溪組頁巖氣藏的頂?shù)装澹欣陧搸r氣保存[4-5]。

圖2 荊門探區(qū)構(gòu)造(據(jù)參考文獻(xiàn)[3]，略有修改)

2 烴源巖地化特征

2.1 有機(jī)質(zhì)豐度

有機(jī)質(zhì)豐度是評價(jià)烴源巖的重要指標(biāo),是判斷烴源巖生烴能力強(qiáng)弱最基礎(chǔ)的指標(biāo)?，F(xiàn)在對烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度的評價(jià)主要是地球化學(xué)的方法，使用的評價(jià)指標(biāo)主要有有機(jī)碳(TOC)、氯仿瀝青及生烴潛量(S1+S2)。由于荊門地區(qū)奧陶世五峰組—志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖演化程度過高,氯仿瀝青“A”及總烴等方法不適合,因此總有機(jī)碳含量成為評價(jià)頁巖的重要指標(biāo)。

有機(jī)碳含量可以作為儲層的分類標(biāo)準(zhǔn)，本文只針對有機(jī)地化特征進(jìn)行分類(表1)。根據(jù)荊門地區(qū)及鉆井鉆遇五峰組、龍馬溪組頁巖樣品有機(jī)碳含量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析,其中，龍馬溪組四個(gè)小層TOC平均值均大于2.0%，J1井龍馬溪組4個(gè)小層平均值為4.28%；J2井龍馬溪組4個(gè)小層平均值為2.96%；J3井龍馬溪組4個(gè)小層平均值為3.28%；J1井、J2井、J3井頁巖有機(jī)碳含量較高,幾乎全部達(dá)到優(yōu)質(zhì)烴源巖標(biāo)準(zhǔn)(表2)。

表1 儲層分類標(biāo)準(zhǔn)(據(jù)參考文獻(xiàn)[6])

表2 各井龍馬溪組各層位有機(jī)碳含量統(tǒng)計(jì)

表3 各井五峰組有機(jī)碳含量統(tǒng)計(jì)

J1井五峰組平均值為4.02%；J2井五峰組平均值為1.49%；J3井五峰組平均值為3.19%；有機(jī)碳含量較高,幾乎全部達(dá)到優(yōu)質(zhì)烴源巖標(biāo)準(zhǔn)(表3)。為了更加直接地研究龍馬溪組、五峰組有機(jī)質(zhì)的分布情況，繪制了研究區(qū)有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的等值線圖(圖3、圖4)。

圖3 荊門地區(qū)龍馬溪組有機(jī)碳含量平面分布

圖4 荊門地區(qū)五峰組有機(jī)碳含量平面分布

綜上所述,在J1井附近TOC值較J2井和J3井高，從有機(jī)碳含量分析可知荊門地區(qū)五峰組—龍馬溪組TOC較高,總體上為好的含氣頁巖。由于采樣與送樣過程中選取了巖性較為有利的巖樣樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析,所以獲得的TOC測試數(shù)據(jù)結(jié)果偏高,可能對該區(qū)有機(jī)碳含量的分析結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。

2.2 有機(jī)質(zhì)類型

有機(jī)質(zhì)類型反映了烴源巖有機(jī)質(zhì)的質(zhì)量,不同的生油母質(zhì)類型通常具有不同的生油氣能力。劃分有機(jī)質(zhì)類型的方法較多,目前常用氫指數(shù)-氧指數(shù)圖版、類型指數(shù)(S2/S3)、H/C-O/C的范式圖、飽和比以及干酪根鏡鑒、顯微組分結(jié)果所推出的類型指數(shù)TI值來判別(表4)。

表4 烴源巖干酪根TI值劃分標(biāo)準(zhǔn)(據(jù)參考文獻(xiàn)[7])

本文采用TI值來判別干酪根類型，即根據(jù)有機(jī)顯微組分的百分比計(jì)算,其公式：

TI=(MB×100+E×50-V×75-I×100)/100

(1)

式中：MB—腐泥組含量，%；E—?dú)べ|(zhì)組含量，%；V—鏡質(zhì)組含量，%；I—惰質(zhì)組含量，%[6]。

研究區(qū)J1井志留系龍馬溪組6個(gè)的有機(jī)顯微組分測定顯示,樣品干酪根TI值分布在2～32(表5),根據(jù)表4可以看出J1井龍馬溪組干酪根類型主要為Ⅱ2型。另外對另兩個(gè)井的樣品進(jìn)行了分析測試,推測出兩條剖面干酪根類型以Ⅱ型為主。因此荊門地區(qū)五峰組—龍馬溪組干酪根類型主要以Ⅱ型為主。

表5 荊門地區(qū)J1井龍馬溪組泥頁巖干酪根顯微組分統(tǒng)計(jì)

2.3 有機(jī)質(zhì)成熟度

有機(jī)質(zhì)成熟度是衡量頁巖生烴潛力的重要指標(biāo)。目前采用有機(jī)質(zhì)鏡質(zhì)體反射率來確定有機(jī)質(zhì)成熟度,其劃分標(biāo)準(zhǔn)如表6所示。

表6 烴源巖成熟度劃分標(biāo)準(zhǔn)(據(jù)參考文獻(xiàn)[8])

荊門地區(qū)五峰組-龍馬溪組頁巖鏡質(zhì)體反射率測試樣品得出:J1井和J3井相對較高,Ro平均值分別為3.01%和2.86%，處于過成熟階段，利于生氣；(表7、表8);J2井龍馬溪組Ro為1.92%～1.99%,Ro平均為1.95%(表9)。從測試結(jié)果看出,荊門地區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖的Ro平均值較高,已處于過成熟演化階段。

表7 J1井龍馬溪組鏡質(zhì)體反射率統(tǒng)計(jì)

表8 J3井龍馬溪組鏡質(zhì)體反射率統(tǒng)計(jì)

表9 J2井龍馬溪組鏡質(zhì)體反射率統(tǒng)計(jì)

研究區(qū)龍馬溪組有機(jī)質(zhì)成熟度分布情況(圖5)。

五峰組Ro樣品較少，J1井Ro平均值為2.82%，J3井Ro平均值為3.09%，J2井Ro平均值為2.64%(表10)。研究區(qū)五峰組有機(jī)質(zhì)成熟度的分布情況見圖6。

表10 五峰組鏡質(zhì)體反射率統(tǒng)計(jì)

圖5 荊門地區(qū)龍馬溪組鏡質(zhì)體反射率平面分布

圖6 荊門地區(qū)五峰組鏡質(zhì)體反射率平面分布

根據(jù)研究區(qū)內(nèi)龍馬溪組成熟度平面展布圖可以看出,研究區(qū)北部龍馬溪組頁巖熱演化程度高,南部相對較低。總體上,Ro值呈現(xiàn)出由研究區(qū)中心向兩側(cè)方向增大的變化趨勢。研究區(qū)中心大部分地區(qū)龍馬溪組泥質(zhì)巖Ro小于3%,而位于兩側(cè)周邊的源巖熱演化程度相對較高,已進(jìn)入過成熟生干氣階段。

2.4 基于有機(jī)地化特征的烴源巖分類評價(jià)

根據(jù)本次頁巖氣有機(jī)地化特征分析評價(jià)結(jié)果，按照儲層類型分別評價(jià)有利區(qū)，研究區(qū)龍馬溪組頁巖氣富集以Ⅰ類儲層最優(yōu)，劃分為有利區(qū)；Ⅱ類儲層次之，劃分為較有利區(qū)；Ⅲ類儲層最差，劃分為遠(yuǎn)景區(qū)。將龍馬溪組有機(jī)碳含量和鏡質(zhì)體反射率的平面展布圖進(jìn)行疊加(圖7)。平面上，有利區(qū)主要集中在研究區(qū)南部和北部，較有利區(qū)在研究區(qū)中部地區(qū)，而遠(yuǎn)景區(qū)則分布在中西部地區(qū)，五峰組由于其鏡質(zhì)體反射率展布圖在研究區(qū)內(nèi)均為Ⅰ類儲層，則其進(jìn)行疊加即為有機(jī)碳含量展布圖，區(qū)內(nèi)Ⅰ類儲層所在南北部地區(qū)為有利區(qū)，Ⅱ類儲層所在較南北地區(qū)即為較有利區(qū)，Ⅲ類儲層所在地區(qū)即為遠(yuǎn)景區(qū)，參照前人提出的有利區(qū)選區(qū)標(biāo)準(zhǔn)及本次研究成果，綜合認(rèn)為研究區(qū)內(nèi)南北部，為頁巖氣勘探的最有利區(qū)。總體來說，本區(qū)塊頁巖氣富集條件十分有利。

圖7 龍馬溪組頁巖氣有利區(qū)分布

3 結(jié)論

1)下志留統(tǒng)龍馬溪組根據(jù)野外露頭剖面、 鉆井巖心及鏡下薄片研究, 整體沉積相為陸棚相, 包括深水陸棚和淺水陸棚;龍馬溪期沉積相帶在平面展布上具有:沉積早期主要發(fā)育陸棚相深水陸棚亞相泥質(zhì)深水陸棚微相;沉積晚期主要發(fā)育砂泥質(zhì)淺水陸棚微相和泥質(zhì)淺水陸棚微相。

2)荊門地區(qū)龍馬溪組頁巖TOC平均值為3.51%,五峰組為2.9%；總體上為好的含氣頁巖;在有機(jī)碳平面展布圖上,區(qū)內(nèi)中部和北部為優(yōu)質(zhì)源巖發(fā)育區(qū)。有機(jī)質(zhì)類型主要為II型。有機(jī)質(zhì)演化程度整體較高,平均達(dá)到2.61%，五峰組為2.85%；在有機(jī)質(zhì)成熟度平面展布圖上,整體上Ro值呈現(xiàn)出由坳陷中心向翼部方向增大的變化趨勢。

3)從有機(jī)碳含量及鏡質(zhì)體反射率綜合分析來看，研究區(qū)J1井和J3井附近為有利區(qū)，J2井附近為較有利區(qū)，研究區(qū)中西部地區(qū)附近為遠(yuǎn)景區(qū)。