武 瑾，梁 峰，拜文华，吝 文，赵 嵘

(1.中国石油勘探开发研究院廊坊分院，河北 廊坊 065007；2.国家能源页岩气研发(实验)中心，河北 廊坊 065007；3.中国石油天然气管道局，河北 廓坊 065007)



渝东北地区下志留统龙马溪组页岩气勘探前景

武 瑾1，2，梁 峰1，2，拜文华1，2，吝 文1，2，赵 嵘3*

(1.中国石油勘探开发研究院廊坊分院，河北 廊坊 065007；2.国家能源页岩气研发(实验)中心，河北 廊坊 065007；3.中国石油天然气管道局，河北 廓坊 065007)

在野外露头剖面测量、钻井岩心取样及实验测试的基础上，从富有机质页岩区域展布、地球化学特征、岩石储集特征及含气性等方面研究渝东北地区下志留统龙马溪组页岩气形成条件与资源潜力。结果表明：研究区下志留统龙马溪组黑色页岩厚度大，自西向东先增厚后减薄，TOC含量高，有机质类型好，热演化程度较高，脆性矿物含量高，有机质纳米孔隙及微裂缝发育，含气量较高，埋深适中，有利于页岩气的形成与富集。采用综合信息叠合研究认为，巫溪—田坝—温泉地区为页岩气勘探开发的有利区域，综合地震资料优选出区带内田坝、文峰区块为有利区块，面积约为450 km2，估算页岩气资源量为2×1012～3×1012m3，具有良好的页岩气勘探开发前景。

页岩气；下志留统；龙马溪组；勘探前景；渝东北

0 引 言

页岩气为产自富有机质页岩为主的储集岩系中的非常规天然气[1]。中国页岩气资源丰富，国土资源部2012年预测全国页岩气地质资源量为134.40×1012m3，技术可采资源量为25.08×1012m3，具有较好的发展前景[2]。四川盆地为大型含油气叠合盆地，发育大面积分布且富含有机质的页岩，是中国页岩气研究及勘探的重要领域[3-4]。目前，对四川盆地下志留统龙马溪组黑色页岩的勘探主要集中在南部和东部，在长宁、威远及涪陵焦石坝目的层系已相继获得单井突破[5]，其他地区勘探研究仍需进一步拓展。

渝东北地区位于四川盆地东北缘，发育上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组黑色炭质页岩、硅质泥页岩，富含笔石和黄铁矿，主要形成于闭塞—半闭塞滞留环境的深水陆棚，是研究区很好的烃源岩[6]。为此，以渝东北地区及其周边区域地质调查资料、野外露头及钻井岩心资料为基础，重点进行X衍射全岩分析、地化参数测试、扫描电镜观察、比表面积测定及等温吸附实验，明确了该区域下志留统龙马溪组页岩气基本特征、形成机理与储集条件，分析了页岩气资源潜力，预测了勘探开发有利区块，为进一步拓展四川盆地及其周缘页岩气勘探开发新领域提供有益参考。

1 地质概况

渝东北地区构造位置处于秦岭造山带南侧的上扬子板块北缘，主体位于南大巴山弧形褶皱带南部，主要为由一系列巨型逆冲-推覆构造组成的向南西突出的弧形构造带，介于城口—房县断裂带与铁溪—巫溪隐伏断裂带之间，北部地层褶皱强烈、断裂发育，南部构造作用相对较弱。

该区块西部主要出露侏罗系地层，中东部主要出露二叠系和三叠系地层，少数地区出露志留系地层(图1)。晚奥陶世—早志留世，加里东运动带来强烈的挤压导致古隆起面积扩大，发生强制海侵，海侵带来了丰富的生成油气所需的微生物。在四周古陆、山地和海底地形高的阻隔下海水处于滞留状态[6]，形成局限滞留海盆，盆地主体处于非补偿状态，沉积了一套富有机质黑色页岩，富含黄铁矿和各类笔石。

图1 渝东北地区区域地质简图

2 页岩发育及生烃条件

2.1 地层和岩性特征

研究区地层发育齐全，从前震旦纪基底、震旦系到白垩系均有出露[7]。受志留纪末加里东运动的影响，该区长期隆起并遭受剥蚀，普遍缺失泥盆系和石炭系地层。区内出露的志留系地层在平面上主要分布于沿城口和镇巴—鸡鸣寺断裂一带，在剖面上对应为下统龙马溪组(S1l)、中统徐家坝组(S2lr)，缺失上统。

为了掌握五峰组—龙马溪组页岩纵向变化特征，选取巫溪田坝剖面对页岩储层特征进行详细研究。田坝剖面位于田坝背斜核部偏北翼，从底部至顶发育上奥陶统临湘组、五峰组和下志留统龙马溪组。临湘组为灰色中厚层状泥质灰岩，产角石。五峰组底部为含炭质、硅质笔石相页岩，发育大量笔石和黄铁矿，并见多层薄层状灰白色斑脱岩；顶部为一层厚0.2 m的观音桥段灰色泥质灰岩，含腕足类化石，代表了奥陶纪沉积时代的结束和志留纪沉积时代的开始。龙马溪组厚度大，按岩性特征分为上、下2段：下段为典型的黑色笔石页岩相，发育水平层理，富含星散状、片状、结核状黄铁矿，产丰富的笔石，自下而上有高家边雕笔石(近似钟)、尖削尖笔石、李氏锯笔石、三角半耙笔石等，为深水陆棚相沉积；上段为灰、灰绿色粉砂质页岩夹粉砂岩，产葛氏螺旋笔石，见波状层理，为浅水陆棚相沉积。

通过对研究区重点露头剖面进行地层对比认为，黑色页岩主要发育于五峰组—龙马溪组的下部，为典型的黑色笔石页岩相，厚度为20.0～100.0 m[8]。横向上，自西向东先增厚后变薄，巫溪咸水一带厚约为50.0 m，至田坝地区水体突然加深，沉积黑色页岩厚度增加，可达70.0 m，向东至白鹿剖面厚度约为40.6 m，向西至城口双河厚度减薄为28m，南江桥亭厚度仅为13.5 m。纵向上，由下向上颜色变浅，砂质成分逐渐增重，下部发育水平层理，黄铁矿、笔石丰富，向上逐渐减少，表明沉积水体变浅，沉积环境由深水陆棚演变为浅水陆棚沉积。

2.2 有机地化特征

2.2.1 有机质丰度及类型

实测田坝剖面五峰组—龙马溪组有机碳含量较高的部分主要集中在下部灰黑色—黑色泥页岩段，TOC含量为1.69%～8.16%，平均为3.78%，富有机质页岩(TOC>2.00%)集中在底部，厚度为45 m，是页岩气形成聚集的有利目的层段；向上随着粉砂质、钙质的增加，TOC含量有所降低，至上部TOC值降低至1.02%(图2)。

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平面分布上，研究区内除巫溪—城口—万源一线以北被剥蚀外，有机质丰度普遍较高，呈北东向展布。受沉积环境的控制，高有机碳含量区通常出现在页岩的沉积中心，城口—巫溪一带为高值区，TOC普遍大于3.00%，最高值可达8.16%；奉节—巫山一带TOC含量为2.00%～3.00%；镇巴—紫阳一带TOC含量为1.00%～5.00%。如巫溪咸水剖面黑色页岩TOC含量均值高达4.17%；W1井富有机质泥岩段厚度约为40 m，其中TOC>5.00%的厚度可达12 m；向东至白鹿剖面TOC含量为1.75%～5.26%，平均为3.20%。向西至城口双河TOC含量最高可达8.65%，平均为5.24%。至南江地区桥亭TOC含量相对降低，为2.05%～3.64%，平均为2.08%。川北宣汉地区TOC含量平均值仅为1.66%[8]。

对W1井五峰组—龙马溪组黑色页岩进行干酪根显微组分鉴定，显微组分以腐泥组为主，含量超过60%，主要为无定形体，母质来源于低等水生生物，含部分惰质组，类型指数为30%～48%，判断干酪根类型为Ⅱ1—Ⅱ2型，具有发育大量有机质孔隙的潜力，对泥页岩的总比表面积和孔隙体积等具有积极影响。

图2 巫溪田坝剖面上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组页岩综合柱状图

2.2.2 热演化程度

研究区下志留统龙马溪组黑色泥页岩热演化程度较高，Ro为2%～4%，已达高—过成熟阶段，烃源岩的高热演化与沉积后期的深埋藏有关。平面分布大致具有北西低、南东高的特点，西部旺苍—南江—城口一带为低值区，Ro为1.41%～2.43%；中部巫溪田坝、徐家坝一带成熟度较高，Ro为2.50%～3.72%，咸水地区稍低，Ro为2.36%～2.80%；向西至奉节—巫山—巴东一带，Ro为2.00%～3.00%；向南至开县—万州一带，Ro超过4.00%，达到变质期，失去生气能力[8]。

3 储集条件分析

3.1 矿物成分特征

对研究区内露头及钻井岩心样品进行了X衍射全岩和黏土矿物分析。泥页岩矿物成分以脆性矿物为主，含量为59.1%～67.7% ，平均为62.8%，其中石英含量为39.5%～56.2%，长石含量为4.4%～10.0%，碳酸盐岩矿物较少，普遍含有黄铁矿，个别样品含有少量菱铁矿、锐钛矿、重晶石、石膏等矿物(表1)。田坝剖面从底到顶，总体石英含量减少而黏土含量增加，五峰组石英含量较高，可能与该层段含有硅质岩与斑脱岩互层有关(图2)。总体上，黑色页岩段脆性好，易于在外力作用下形成天然裂隙和诱导裂隙，有利于后期压裂改造。

黏土矿物的总量为24.50%～37.90%，以伊蒙混层为主，含量为40.71%～71.38%，其次为伊利石，含量为21.13%～39.40%，绿泥石、高岭石含量较少，不含蒙脱石等膨胀性黏土矿物。伊蒙混层间层比介于5%～10%，主要体现伊利石的性质。伊利石主要在晚成岩作用阶段和极低变质作用阶段出现，高而稳定的伊利石含量表明研究区龙马溪组成岩作用已经历中—晚成岩作用阶段，矿物成分所反映的成熟度已进入生气窗内，对页岩气成藏十分有利。

表1 渝东北地区下志留统龙马溪组页岩X衍射全岩及黏土分析数据

研究区五峰组—龙马溪组泥页岩储集空间类型多样，主要发育有机质孔、矿物孔及微裂缝等(图3)。有机质纳米孔主要发育于有机质内或富含有机质的黏土矿物中，形态多为圆形或椭圆形(图3a、b、c)，有机质通常与莓状黄铁矿伴生，在黄铁矿晶粒间发育有机质纳米孔(图3d)。龙马溪组黑色页岩有机质丰度高、热演化程度高，在成熟生烃过程中产生了大量的有机质纳米孔，为页岩气储层的主要储集空间。矿物质孔主要包括粒间孔、粒内孔、晶间孔及溶蚀孔等。溶蚀孔孔径一般为纳米级，溶蚀缝可达数微米，连通性较差(图3e)。莓状黄铁矿晶间孔较发育，单个晶体间孔隙连通性较好，但莓球之间连通性相对较差(图3d)。微裂缝多呈锯齿弯曲状，缝长度为数微米，不仅有利于游离气的大量存储，同时也可作为为甲烷分子提供渗流通道，对页岩气的开发起到关键性作用。

通过低温氮气吸附实验分析纳米级孔隙特征，由BET模型计算比表面积，根据BJH理论得出孔径分布。页岩孔体积密度分布呈多峰形态，峰值孔径集中在3～10 nm，该范围内的孔径占主导地位。测得比表面积为15.618～20.925 m2/g，总孔体积为0.025～0.028 mL/g，平均孔径约为3.73 nm。表明泥页岩纳米孔隙孔径虽小，却具有很高的比表面积，约为砂岩比表面积(1 m2/g)的18倍[9]，较大的比表面积可为甲烷气体的吸附提供充足的存储空间。

3.3 含气性特征

对W2井下志留统龙马溪组5块岩心样品在温度为30 ℃、甲烷浓度为99.9%的实验条件下进行等温吸附实验。结果表明，页岩饱和吸附量(VL)为2.21～3.54 m3/t，显示出较强的吸附气体能力。城口明中五峰组—龙马溪组剖面黑色页岩饱和吸附量可达2.57 m3/t[10]。开县—万州一带实测含气量为1.0～1.4 m3/t，巫山一带含气量普遍大于0.8 m3/t，南江—城口一带含气量超过1.0 m3/t[11]，均接近或超过了北美商业性开发含气量下限1.1 m3/t，具备了页岩气成藏的有利条件。

图3 W1井上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组泥页岩储集空间类型

4 有利勘探区优选

4.1 五峰组—龙马溪组页岩埋深

通过对美国页岩气的统计研究，具有工业性开发价值页岩气的埋藏深度一般为500～4 000 m。受复杂构造条件的影响，渝东北地区龙马溪组页岩埋深在区域上变化较大，城巴断裂带以北为剥蚀区，构造保存条件差，不利于页岩气的保存；城巴断裂带以南地层抬升剥蚀幅度较大，页岩层埋藏较浅(小于1 000 m)，由北向南埋深整体逐渐增大，中部城口—巫溪一带埋深适中，至开县—奉节—云阳一带埋深增大(图4)。

4.2 页岩气勘探开发有利区

选取富有机质页岩厚度、有机质丰度、构造埋深条件、地形地貌和水资源条件等5项因素，采用综合信息叠合法优选出主体位于巫溪—田坝—温泉的有利区带(图4)。该区带位于田坝背斜及其两翼向斜，富有机质页岩厚度大，为40～90 m；有机质丰度较高，整体上处于3%～5%之间；保存条件相对较好，背斜位置埋深适中，两翼向斜区域埋深相对较大；地表条件较为有利，主要为喀斯特地貌；地表水资源丰富，有利于页岩气开发水力压裂。

通过区带内地震测线解释，进一步优选出田坝、文峰2个有利区块，面积约为450 km2(图4)，估算页岩气资源量为2×1012～3×1012m3。文峰区块(Ⅱ型)富有机质页岩厚度为70～90 m，主体埋深为2 000～3 500 m，地形条件相对较好，估算页岩气资源量约为1 150×108～1 610×108m3，综合排序第1；田坝区块(Ⅰ型)富有机质页岩厚度为80～90 m，主体埋深为1 400～3 400 m，估算页岩气资源量约为950×108～1 400×108m3，综合排序第2。

图4 渝东北地区下志留统龙马溪组页岩气有利区综合预测

5 结 论

(1) 渝东北地区下志留统龙马溪组页岩广泛分布，黑色页岩沉积厚度大(20～100 m)，自西向东先增厚后变薄；有机质丰度高(TOC为1.03%～8.16%)，有机质类型好(Ⅱ1—Ⅱ2型)，且处于高过成熟阶段(Ro为2%～4%)，生烃潜力大，页岩气成藏气源条件优越。

(2) 页岩储层脆性矿物含量高(59.1%～63.0%)，纳米孔隙和微裂缝发育，且具有较强的吸附能力(0.86～2.91 m3/t)，埋深适中(1 000～4 000 m)，区内田坝背斜及其两翼向斜保存条件较好，具备页岩气聚集的良好条件。

(3) 采用综合信息叠合法优选出巫溪—田坝—温泉有利区带，并结合地震测线解释，进一步优选出区带内田坝、文峰有利区块，分布面积约为450 km2，估算页岩气资源量达2×1012～3×1012m3，可作为今后勘探开发的重点区域。

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编辑 林树龙

20150720；改回日期：20151008

国家科技重大专项“页岩气勘探开发关键技术研究”(2011ZX05018-002)

武瑾(1988-)，女，工程师，2009年毕业于中国海洋大学化学工程与工艺专业，现为中国石油勘探开发研究院矿产普查与勘探专业在读硕士研究生，主要从事页岩气储层评价工作

10.3969/j.issn.1006-6535.2015.06.011

TE122

A

1006-6535(2015)06-0050-06

* 参加本研究的还有中国石油勘探开发研究院魏晨吉。