湖北京山地區(qū)孤峰組頁巖氣地質(zhì)條件及遠(yuǎn)景區(qū)劃分

王 登，冷雙梁*，陳 威，劉紅亮，吳 龍，周向輝，余江浩，居字龍

（1.湖北省地質(zhì)調(diào)查院，武漢 430034； 2.湖北省地質(zhì)勘查工程技術(shù)研究中心，武漢 430022; 3.湖北省地勘基金管理中心，武漢 430071）

非常規(guī)油氣藏的勘探開發(fā)改變了全球能源格局，近年來頁巖氣、天然氣水合物行業(yè)迅猛發(fā)展，特別是頁巖氣的研究與勘查已成為國(guó)內(nèi)熱點(diǎn)[1-3]。截至2019年，陸續(xù)在揚(yáng)子陸塊陡山沱組（Z1d）、牛蹄塘組（?1n）、龍馬溪組（O3S1l）等多套地層中發(fā)現(xiàn)頁巖氣，并在重慶涪陵、四川長(zhǎng)寧-威遠(yuǎn)等地獲得工業(yè)性突破[4-6]，證實(shí)了我國(guó)南方地區(qū)具有良好的頁巖氣資源潛力。迄今為止，由于中二疊世孤峰組（P2g）在中揚(yáng)子地區(qū)分布局限，在過去并沒有引起相應(yīng)的重視，也沒有被認(rèn)為是中揚(yáng)子地區(qū)的區(qū)域性烴源巖，因而關(guān)于孤峰組頁巖氣方面的相關(guān)研究較少，以往的研究主要集中于古生物化石和巖石學(xué)特征等[7-13]。近年來，孤峰組頁巖氣研究開始引起關(guān)注，并在鄂西五峰地區(qū)五地2井和鄂西建始地區(qū)建業(yè)1井相繼鉆遇頁巖氣[14-15]。研究表明，孤峰組為一套富含有機(jī)質(zhì)的黑色巖系，生烴能力良好，也是揚(yáng)子地區(qū)頁巖氣勘探潛在目的層[16-19]。目前孤峰組研究程度較低，尚未見到涉及湖北京山地區(qū)孤峰組頁巖氣地質(zhì)條件的研究成果。鑒于此，本文對(duì)京山地區(qū)孤峰組黑色巖系開展了巖石組合、有機(jī)地球化學(xué)、儲(chǔ)層特征等研究，分析其頁巖氣地質(zhì)條件，探討其資源潛力，以期為該地區(qū)下一步頁巖氣勘探提供參考。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

研究區(qū)主要位于湖北省京山縣境內(nèi)，西部和南部分別跨及鐘祥市和天門市，面積約為3020.5 km2，在大地構(gòu)造上屬于中上揚(yáng)子地塊[20-21]沉湖-土地堂復(fù)向斜，東接巴洪沖斷背斜帶，西靠樂關(guān)鄉(xiāng)-潛江復(fù)背斜（圖1）。區(qū)內(nèi)遭受多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，構(gòu)造變形強(qiáng)烈，構(gòu)造形態(tài)總體上以北西-北北西向?yàn)橹?，局部為北東-北北東向[20]。由于強(qiáng)烈的構(gòu)造活動(dòng)，研究區(qū)地層遭受不同程度剝蝕，志留紀(jì)到三疊紀(jì)地層均有出露；孤峰組在背斜區(qū)均已被剝蝕殆盡，主要分布于普濟(jì)山向斜、柳門口向斜、七寶山向斜、義和向斜、宜家?guī)X向斜和錢場(chǎng)向斜[20]，分布面積約1515.3 km2。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)簡(jiǎn)圖（據(jù)文獻(xiàn)[22]修改）Fig. 1 Simplified geological map of the study area

本次研究涉及的京地2井位于京山縣雁門口鎮(zhèn)，構(gòu)造上位于沉湖-土地堂復(fù)向斜帶宜家?guī)X向斜南東翼，是2017年完鉆的一口頁巖氣調(diào)查井，完鉆井深400.20 m，依次鉆遇層位為三疊紀(jì)大冶組-二疊紀(jì)棲霞組，整井巖芯完整，未見明顯破碎現(xiàn)象。

2 頁巖氣地質(zhì)條件

2.1 泥頁巖特征及沉積環(huán)境

研究區(qū)孤峰組不整合于茅口組（P2m）含燧石結(jié)核生屑灰?guī)r之上，而與上覆武穴組（P2w）呈整合接觸，為一套黑色富有機(jī)質(zhì)層系。通過野外及薄片觀察，結(jié)合巖石礦物組成、沉積結(jié)構(gòu)、構(gòu)造和古生物化石等特征，可識(shí)別多種巖石類型，主要為薄層狀硅質(zhì)頁巖、硅質(zhì)泥巖和硅質(zhì)灰?guī)r；巖石呈灰黑色-黑色，互層狀分布，單層厚度多介于0.35 ～ 0.65 m，發(fā)育水平層理，見順層分布黃鐵礦（圖2），并在顯微鏡下觀察到黃鐵礦主要為草莓狀；這些均表明沉積環(huán)境為還原缺氧環(huán)境。其中，京地2井的孤峰組泥頁巖厚度為58.3 m，京山錢場(chǎng)的孤峰組泥頁巖厚度為55.2 m。

根據(jù)露頭及京地2井資料，結(jié)合區(qū)域沉積特征可知，孤峰組含豐富生物化石[11-18]，普遍含菊石類Altudocerascf.zitteli，Paragastrioceras hubeiense，Shouchangocerassp.，Kufengocerassp.，Paraceltitescf.multicastatus；腕 足 類Crurithyrissp.，Spinomarginiferasp.，Reticuchonetes leei等；其他如放射蟲、海綿骨針等亦常見（圖2）。綜合分析認(rèn)為，研究區(qū)孤峰組為深水還原環(huán)境，下伏茅口組沉積時(shí)為淺水臺(tái)地相，至孤峰組沉積時(shí)水體變深，為深水臺(tái)盆相，這種還原環(huán)境有利于有機(jī)質(zhì)富集和保存。

2.2 有機(jī)地化特征

2.2.1 有機(jī)碳含量

無論是生物成因還是熱成因頁巖氣，擁有足夠數(shù)量的有機(jī)質(zhì)是形成氣藏的物質(zhì)基礎(chǔ)[23-25]。京山地區(qū)孤峰組泥頁巖有機(jī)碳（TOC）含量整體較高，具有較好的生烴物質(zhì)基礎(chǔ)。以京地2井為例，孤峰組TOC含量介于1.75%～6.39%，均值4.48%（圖3），TOC大于2.0%和4.0%的樣品占比分別達(dá)到97.06%和58.82%（圖4a）。其中，泥頁巖TOC含量介于1.75%～5.00%，均值3.29%；硅質(zhì)灰?guī)rTOC含量介于3.19%～6.21%，均值4.69%；硅質(zhì)巖TOC含量介于2.49%～6.39%，均值4.96%?？傮w上，泥頁巖-硅質(zhì)灰?guī)r-硅質(zhì)巖有機(jī)碳含量呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)（圖4b）。

圖4 京地2井孤峰組TOC分布圖Fig. 4 Total organic carbon content distribution of the Gufeng Formation in JD2 well

縱向上（圖3），京地2井巖心的TOC含量呈現(xiàn)兩端高、中間略低的“三段式”分布，下段（井深250～265 m）TOC介于2.49～6.02%，平均值為 4.02%；中段（井深240～250m）TOC介于1.75～ 3.92%，平均值為3.08%；上段（井深216～240 m）TOC介于3.22～6.39%，平均值為5.24%?？傮w上，縱向上孤峰組有機(jī)碳分布有一定差別，但均屬于高-特高級(jí)別的泥頁巖。

圖3 京地2井孤峰組地球化學(xué)剖面Fig. 3 Geochemical profile of the Gufeng Formation in JD2 well

2.2.2 有機(jī)質(zhì)類型

有機(jī)質(zhì)類型決定了烴源巖的生烴能力和烴類性質(zhì)[26-27]。鏡檢結(jié)果分析表明，孤峰組泥頁巖有機(jī)質(zhì)類型主要以腐泥組為主，少量惰質(zhì)組（表1）。以京地2井為例，腐泥組含量為90.0%～96.0%，均值為93.4%；其次為鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組，含量分別為3.0%～6.0%和1.0%～5.0%，均值分別為4.3%和2.3%；未檢測(cè)到殼質(zhì)組。孤峰組泥頁巖有機(jī)質(zhì)干酪根類型指數(shù)介于81.3 ～ 92.8，均值87.8，全部為Ⅰ型有機(jī)質(zhì)，為有利的生油型有機(jī)質(zhì)。這與京山地區(qū)孤峰組沉積于受圍限的臺(tái)盆沉積環(huán)境是相符的，具備發(fā)育生油型有機(jī)質(zhì)的條件。

表1 京地2井孤峰組泥頁巖顯微組分Table 1 Macerals of mud shale in the Gufeng Formation of JD2 well

2.2.3 有機(jī)質(zhì)成熟度

成熟度是烴源巖能否生成油氣的關(guān)鍵因素，烴源巖只有達(dá)到一定成熟度才能大量生烴，不同的熱演化階段有機(jī)質(zhì)的產(chǎn)烴能力和產(chǎn)物性質(zhì)不同[25-27]。成熟度分析表明（表2），京地2井孤峰組Ro值介 于1.23%～1.57%，均 值1.43%；Tmax值 介 于470～486℃，均值479.4℃；京山錢場(chǎng)剖面孤峰組Ro值介于1.56%～1.72%，均值1.64%?？傮w上來看，孤峰組Ro值較高，處于成熟-高成熟階段。

表2 京山地區(qū)京地2井孤峰組有機(jī)質(zhì)成熟度參數(shù)Table 2 Maturity parameters of the Gufeng Formation in JD2 well

區(qū)域上，京山地區(qū)孤峰組熱演化程度差別不大，Ro值多在1.40～1.70%之間，但明顯低于恩施-鶴峰-五峰地區(qū)的二疊系熱演化程度（Ro均值2.50%）[14,28-29]，而與建始-巴東地區(qū)相當(dāng)（Ro均值1.70%）[15]。

2.3 儲(chǔ)層特征

2.3.1 礦物組成

頁巖儲(chǔ)層的形成，不僅需要高的有機(jī)碳含量，而且要有一定量的石英等脆性礦物。脆性礦物含量控制頁巖的造縫能力，高含量的脆性礦物有利于后期的壓裂改造；粘土礦物的含量影響著頁巖的吸附能力；同時(shí)，碳酸鹽礦物含量高有利于產(chǎn)生溶孔[30-31]。

以京地2井為例（表3），孤峰組樣品礦物成分中石英含量為25.0%～65.0%，平均為42.4%；碳酸鹽礦物含量為32.0%～69.0%，平均為51.0%，且主要為方解石（含量為32.0%～69.0%，平均為49.2%）；粘土礦物含量為2.0%～11.0%，平均為4.4%；黃鐵礦含量為2.0%～7.0%，平均為4.4%；此外，還有少量菱鐵礦和長(zhǎng)石。

表3 京地2井孤峰組礦物組分組成Table 3 Mineral composition of the Gufeng Formation in JD2 well

總體上來看，孤峰組泥頁巖以石英和碳酸鹽礦物為主，其次為粘土礦物，脆性礦物含量較高（占比84.0%～98.0%，平均為93.5%），利于儲(chǔ)層壓裂改造。

2.3.2 物性

物性分析結(jié)果表明，京山地區(qū)京地2井孤峰組巖心孔隙度介于1.51%～7.29%，平均為4.29%；滲透率介于0.00011～0.00738 mD，平均為0.00159 mD；巖石密度介于2.48～2.64 g/cm3，平均為2.56 g/cm3?？傮w上，孤峰組泥頁巖孔隙度和滲透率相對(duì)較低，縱向上變化不大，屬于低孔-特低孔、特低滲型儲(chǔ)層（圖5）。此外，京地2井揭示孤峰組脆性礦物含量高（均值93.5%），易產(chǎn)生高角度裂縫（圖2d），局部未被完全充填，可有效改善頁巖物性。

圖5 京地2井孤峰組巖心孔隙度和滲透率分布圖Fig. 5 Core porosity and permeability distribution of the Gufeng Formation in JD2 well

2.3.3 孔隙結(jié)構(gòu)

掃描電鏡觀察表明，京山地區(qū)孤峰組主要發(fā)育有機(jī)質(zhì)孔隙、次生溶蝕孔隙及微裂隙（圖6）。其中，次生溶蝕孔隙發(fā)育很多，主要為方解石、白云石顆粒間溶蝕孔和顆粒內(nèi)溶蝕孔等，孔隙大小主要為μm級(jí)， 一般為1～150 μm。其次為有機(jī)質(zhì)孔隙，形態(tài)主要為團(tuán)狀、條帶狀；其中，條帶狀孔隙大小一般為10～ 50 nm，團(tuán)狀有機(jī)質(zhì)孔隙大小一般為0.1～1 μm。含炭白云巖或灰?guī)r中粘土、石英和鈉長(zhǎng)石中可見微裂縫發(fā)育，寬度一般較小，為0.5～3 μm。

圖6 京山錢場(chǎng)剖面孤峰組樣品孔隙結(jié)構(gòu)特征Fig. 6 Pore structure of the Gufeng Formation from the Qianchang section in the Jingshan area

2.4 含氣量特征

頁巖含氣性直接決定頁巖氣資源潛力[25]。由于 京地2井孤峰組埋深較淺，埋深介于207.10～ 267.10 m，構(gòu)造上位于向斜翼部，緊鄰露頭出露區(qū)，保存條件較差，鉆井過程中未見明顯氣測(cè)顯示異常，水浸試驗(yàn)也未見氣體顯示，未獲得有效的解析含氣量數(shù)據(jù)，因此，本次采用等溫吸附實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表征其含氣性特征。等溫吸附結(jié)果表明，在14.0 Mpa時(shí)，京山地區(qū)孤峰組模擬吸附氣量介于1.91 ～ 2.52 m3/t（圖7），平均值2.21 m3/t，顯示出孤峰組吸附氣含量較高，且具有較強(qiáng)的頁巖氣吸附能力。

圖7 京山地區(qū)孤峰組泥頁巖等溫吸附模擬Fig. 7 Isothermal adsorption test of mud shale from the Gufeng Formation in Jingshan area

2.5 保存條件

2.5.1 頂?shù)装鍡l件

頂?shù)装鍡l件是阻礙頁巖氣垂向運(yùn)移散失的關(guān)鍵因素，也影響著壓裂改造效果[30-31]。京山地區(qū)孤峰組頂板為中二疊世武穴組含生物碎屑灰?guī)r和含燧石結(jié)核灰?guī)r，厚度150～160 m，同時(shí)還覆蓋了上千米厚的晚二疊世灰?guī)r至白堊紀(jì)碎屑巖；底板為茅口組灰色含生物碎屑泥晶灰?guī)r，厚度20.5～42.5 m，一般為27.2 m；兩者均為致密性巖石，具有良好的封堵性，頂?shù)装鍡l件均較好。需要指出的是，區(qū)域上茅口組與孤峰組之間存在一個(gè)大的不整合面，古巖溶、巖溶角礫巖非常發(fā)育[20]，但在研究區(qū)內(nèi)露頭和京地2井為平行不整合接觸，并沒有見到古巖溶、巖溶角礫巖（圖8），這可能是局部地下水淋濾作用較弱，不能排除其它地區(qū)可能發(fā)育溶洞和地下暗河的情況，而溶洞和地下暗河不利于頁巖氣的保存，這些還需要進(jìn)一步研究。

圖8 京山地區(qū)茅口組野外典型照片F(xiàn)ig. 8 Outcrops of the Maokou Formation in the Jingshan area

2.5.2 埋深條件

由于強(qiáng)烈的構(gòu)造活動(dòng)[20]，孤峰組在背斜區(qū)均已剝蝕殆盡，僅分布于向斜核部。其中，柳門口向斜和七寶山向斜內(nèi)孤峰組分布面積小，埋深淺（多小于300 m），整體巖層較陡，兩翼地層傾角介于50°～80°，核部地層傾角介于35°～45°，在七寶山向斜內(nèi)尖山凹一帶發(fā)育一正斷層，斷層面傾角60°，切割了二疊紀(jì)棲霞組到三疊紀(jì)嘉陵江組，頁巖氣保存條件較差。義和向斜由志留系-三疊系組成，孤峰組埋深介于300～1000 m，西段傾向SW，東段近直立，為一倒轉(zhuǎn)向斜，頁巖氣保存條件較差。

普濟(jì)山向斜主要由志留紀(jì)羅惹坪組-三疊紀(jì)嘉陵江組組成，靠近南西翼，侏羅系不整合于三疊系之上。普濟(jì)山向斜的中新生代地層厚度1200～1800 m，結(jié)合各套地層厚度計(jì)算出孤峰組最大埋深約3100 m，埋深主要介于600～2500 m之間，總面積約為410.5 km2，核部地層平緩（傾角多為15°～20°）。錢場(chǎng)向斜主要也由羅惹坪組-嘉陵江組組成，往南多被第四系覆蓋，經(jīng)過錢場(chǎng)向斜的地震剖面解釋成果顯示（圖9），錢場(chǎng)向斜核部不發(fā)育中新生代地層，結(jié)合二疊系-三疊系各套地層厚度，計(jì)算出孤峰組最大埋深約1100 m，埋深主要分布在600～1000 m之間，總面積約為505.6 km2（圖1）。宜家?guī)X向斜由志留紀(jì)羅惹坪組-三疊紀(jì)大冶組組成，軸向約為北東向30°，向斜寬約4 ～ 5 km，核部地層平緩（傾角多介于13°～20°），埋深最大為800 m。

2.5.3 斷裂及裂縫條件

斷裂和裂縫對(duì)頁巖氣保存具有雙重作用[31-32]。京山地區(qū)受多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，整體抬升，持續(xù)疊加改造，斷層特別是通天斷層發(fā)育，以逆沖、反沖及對(duì)沖為主[20]，絕大部分地區(qū)頁巖氣已散失殆盡。區(qū)域地質(zhì)資料顯示，普濟(jì)山向斜內(nèi)發(fā)育多條疊瓦狀斷裂，斷層走向NW，傾向NE，主要切穿三疊系及之前地層；中新生代再次沉積了厚達(dá)上千米的地層，可以有效充填并封閉早期形成的斷裂，阻止頁巖氣的散失。地震資料顯示，錢場(chǎng)向斜翼部發(fā)育多條通天斷裂，切穿志留系，而在向斜核部通天斷裂不發(fā)育（圖9）。同時(shí)，區(qū)域資料顯示宜家?guī)X向斜核部通天斷裂不發(fā)育。此外，孤峰組內(nèi)發(fā)育大量的頁巖夾層，這些夾層容易產(chǎn)生滑脫破碎構(gòu)造，但在京地2井巖心中并未見到大規(guī)模的滑脫現(xiàn)象，這也預(yù)示著研究區(qū)滑脫構(gòu)造對(duì)頁巖氣保存條件影響有限。

圖9 京山地區(qū)經(jīng)過錢場(chǎng)向斜的二維地震解釋剖面Fig. 9 2-D seismic interpretation section through the Qianchang Syncline in the Jingshan area

綜上所述，普濟(jì)山向斜、錢場(chǎng)向斜和宜家?guī)X向斜保存條件好于其它向斜，是下一步頁巖氣勘探的潛在區(qū)域。

3 資源潛力

與鄂西孤峰組頁巖[14-15]相比較（表4），京山地區(qū)孤峰組頁巖的TOC低于鄂西建始地區(qū)和五峰地區(qū)孤峰組，但其連續(xù)厚度明顯大于鄂西地區(qū)，且TOC大于2.0%的連續(xù)厚度較大，達(dá)到50多米，具有形成頁巖氣藏的物質(zhì)基礎(chǔ)；干酪根類型略好于鄂西地區(qū)孤峰組，全部為Ⅰ型，表明其具有更好的生氣能力。京山地區(qū)孤峰組熱演化程度明顯低于五峰地區(qū)，而與建始地區(qū)孤峰組相差不大。建始地區(qū)建頁1井現(xiàn)場(chǎng)解吸氣最大超過1.50 m3/t，表明京山地區(qū)孤峰組與建始地區(qū)一樣均達(dá)到生成頁巖氣的階段。京山地區(qū)孤峰組石英含量與鄂西孤峰組類似，較高含量的脆性礦物有利于壓裂改造?？傮w上，京山地區(qū)孤峰組泥頁巖厚度大，生烴能力良好，具備形成頁巖氣藏的物質(zhì)基礎(chǔ)。

表4 京山地區(qū)與鄂西地區(qū)孤峰組頁巖主要地質(zhì)參數(shù)對(duì)比Table 4 Comparisons of main parameters of the Gufeng Formation in the Jingshan area and western Hubei Province

在參考頁巖氣相關(guān)技術(shù)規(guī)范[33-34]基礎(chǔ)上，選取泥頁巖埋深、厚度、TOC、Ro等參數(shù)，以埋深大于300 m為界，采取疊合法預(yù)測(cè)京山地區(qū)頁巖氣遠(yuǎn)景區(qū)，共優(yōu)選出2個(gè)遠(yuǎn)景區(qū)（圖10），分別為永隆-長(zhǎng)灘遠(yuǎn)景區(qū)和錢場(chǎng)-漁薪遠(yuǎn)景區(qū)。

永隆-長(zhǎng)灘遠(yuǎn)景區(qū)位于京山縣永隆鎮(zhèn)北西和長(zhǎng)灘鎮(zhèn)東南一帶，構(gòu)造上處于沉湖-土地堂復(fù)向斜之普濟(jì)山向斜和宜家?guī)X向斜，面積701.4 km2，構(gòu)造變形相對(duì)較弱（圖10）。該區(qū)西南部小面積地形為平原，其余大部為丘陵-崗地，海拔高度一般100～300 m。富有機(jī)質(zhì)泥頁巖厚度主要介于40～60 m之間，自南西向北東遞增；有機(jī)碳含量較高，大多在2.0%之上；頁巖成熟度介于1.5%～1.7%之間；孤峰組埋深適中，主要介于600～2500 m?？傮w表明該地區(qū)具有頁巖氣勘探潛力。

錢場(chǎng)-漁薪遠(yuǎn)景區(qū)位于京山縣錢場(chǎng)鎮(zhèn)南東一帶，構(gòu)造上處于沉湖-土地堂復(fù)向斜之錢場(chǎng)向斜，面積613.5 km2，構(gòu)造變形相對(duì)較弱（圖10）。該區(qū)東南部小面積地形為平原，其余大部為丘陵-崗地，海拔高度一般100～300 m。富有機(jī)質(zhì)泥頁巖厚度主要介于40～60 m之間，自南西向北東遞增；有機(jī)碳含量較高，大多在2.0%之上；頁巖成熟度介于1.5%～1.7%之間；孤峰組埋深淺，主要介于600～1000 m。總體表明該地區(qū)具有頁巖氣勘探潛力。

圖10 京山地區(qū)孤峰組頁巖氣遠(yuǎn)景區(qū)綜合評(píng)價(jià)圖Fig. 10 Comprehensive evaluation map of shale gas prospective area of the Gufeng Formation in the Jingshan area

4 結(jié)論

（1）京山地區(qū)發(fā)育孤峰組富有機(jī)質(zhì)泥頁巖，具有有機(jī)碳含量高（TOC含量介于1.75%～6.39%，均值4.48%）、有機(jī)質(zhì)類型好（Ⅰ型）、熱演化程度高（Ro平均值為1.43%）的特征，具備良好的頁巖氣成藏物質(zhì)基礎(chǔ)。

（2）京山地區(qū)孤峰組泥頁巖為特低孔、特低滲儲(chǔ)層；孔隙結(jié)構(gòu)類型多樣，脆性礦物含量高，達(dá)84.0%～98.0%，平均含量為93.5%，利于儲(chǔ)層壓裂改造；擬合含氣量介于1.91～2.52 m3/t之間，平均值2.21m3/t，具有較好的頁巖氣吸附能力。

（3）采用疊合法在京山地區(qū)共優(yōu)選出永隆-長(zhǎng)灘遠(yuǎn)景區(qū)（I1）和錢場(chǎng)-漁薪遠(yuǎn)景區(qū)（I2）2個(gè)遠(yuǎn)景區(qū)。

論文在撰寫過程中得到湖北省地質(zhì)調(diào)查院許露露博士、溫雅茹博士的指導(dǎo)和幫助，同時(shí)審稿人給本文也提出了十分寶貴的修改意見，在此深表謝意。