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鄂西宜昌地区晚奥陶世—早志留世页岩气藏的主控地质因素与富集模式

更新时间:2016-07-05

对宜昌地区志留系页岩气的系统性调查研究开始于2014年。中国地质调查局武汉地质调查中心实施的“中南地区页岩气资源调查”项目在区内开展了一些系列地面调查和浅井钻探工作, 初步查明了区内志留系页岩气形成分布的地质条件。其中在秭归杨林进行志留系页岩钻探取心时, 井口发生轻微井涌, 且能点燃, 初步证明区内志留系页岩气储层含气性好, 且有高压特征。在此基础上, 2015年于宜昌远安石桥部署地质调查井宜地 1井, 钻获奥陶系五峰组—龙马溪组优质页岩气储层 22 m, 含气量1.81~3.67 m3/t, 进一步查明了区内志留系页岩气储层特征。2016年在宜昌龙泉部署鄂宜页 2井, 钻获优质页岩气层 19.7 m, 经压裂试气获得了高产页岩气流, 开辟了志留系页岩气勘探新区, 实现了中扬子志留系页岩气调查的重大突破(陈孝红等, 2018a)。同期中石油浙江油田在荆门—当阳区块部署实施了页岩气参数井荆101井、荆102井和宜探1井, 钻探获得良好效果, 目前正在对宜探 1井进行水平井压裂试气工作。由于奥陶系五峰组—志留系龙马溪组页岩(以下简称志留系页岩)是我国涪陵焦石坝和长宁—威远国家级页岩气勘探开发示范区页岩气勘探开发的主力层系, 因此, 它在宜昌的发现和突破对于扩大该层位的勘探范围, 特别是扭转长江中游地区少油乏气的局面, 服务长江经济带建设具有十分重要的意义。但迄今为止, 人们对宜昌地区志留系页岩气勘查成果的认识仍然停留在单井评价上, 缺乏系统性和整体性认识。本文的目的是, 在系统分析宜昌地区奥陶系五峰组—志留系龙马溪组富含有机质页岩时空分布、有机质含量、储层品质和含气性及其影响因素基础上, 初步探索志留系页岩气形成分布的主控因素和富集模式, 为宜昌地区志留系页岩气的勘探开发提供理论依据(中国地质科学院, 2018)。

1 区域地质概况

宜昌位于湖北省西部, 武陵山山脉和江汉盆地过渡地带, 长江中游与上游结合部, 交通发达, 水资源丰富, 页岩气勘探开发自然条件好。该地在大地构造位置上位于中扬子地台中部黄陵隆起东南缘斜坡上, 故有宜昌斜坡带之称。宜昌斜坡带内发育有由古元古代崆岭杂岩和侵入其中的新元古代黄陵花岗岩和晓峰基性-超基性岩组成的双层基底, 且挟持于鄂西褶皱带宜都—鹤峰复向斜带与巴洪冲断段前缘当阳滑脱褶皱带之间, 构造相对稳定, 因此,宜昌斜坡带亦有宜昌构造稳定带之称, 页岩气保存条件好。覆于基底之上, 黄绕黄陵隆起成环带状出露南华纪—三叠纪和白垩纪地层(图1), 发育震旦系陡山沱组、寒武系水井沱组、奥陶系五峰组—志留系龙马溪组等多套厚度大、分布广, 有机质成熟度和埋深适中的富有机质页岩, 页岩气资源基础条件好。

2 页岩气形成分布的主控地质因素

2.1 页岩的时空分布与厚度

(1)页岩的时空分布

当然,老人最终也没有成为小区物业的临时工。在云梦对老人展开劝诫的同时,呼伦正在物业管理办公室里展开谈判。他提了满满一包礼物,他请求坐在办公桌后面那位戴着眼镜的中年男人千万不要收下他的丈母娘。对方说可是我们已经收了押金,呼伦说押金好办,不退也行。对方倒是通情达理,问清原因,痛快地将一百块钱退还给呼伦。他送呼伦到门口,拍拍呼伦的肩膀,语重心长地说,回去对老人家好一点儿……老人在你那里过得肯定不怎么舒心。

图1 宜昌地区地质构造简图和重要页岩气井位置(据陈孝红等, 2018b修改) Fig.1 Generalized geological map of Yichang area and positions of important shale gas wells(modified after CHEN et al., 2018b)

F1-雾渡河断裂; F2-通城河断裂; F3-天阳坪断裂; F4-仙女山断裂 F1-Wuduhe Fault; F2-Tongchenghe Fault; F3-Tianyangping Fault; F4-Xiannüshan Fault

富有机质页岩厚度和分布是页岩气形成富集和分布发育的基础。上奥陶统—下志留统富含有机质页岩自下而上划分为五峰组笔石页岩段、观音桥段和龙马溪组黑色页岩段(汪啸风等1987)。五峰组源于孙云铸(1931)所创五峰页岩, 后由张文堂(1962)改称五峰组。五峰组笔石页岩段是曾庆銮等(1983)从五峰组中进一步划分出来建立的, 系指五峰组下部富含笔石的炭质硅质岩。笔石化石自下而上划分为Dicellograptus complexus, Tangyagraptus typicus,Diceratograptus mirus, Metabolograptus extraordinaris笔石带(简称W1~W4带)。该段在宜昌黄花场至王家湾一带, 地层发育较全, 4个化石带均有发育,厚度稳定, 为5.18~5.53 m, 东部秭归新滩、五龙一带该组增厚至6.5 m和9.7 m(图3)。但往南至长阳一带, 笔石带缺失或只发育底部一个化石带, 厚度减薄至2.12 m。观音桥段的命名剖面位于四川綦江观音桥。因其中产大量达尔曼虫或赫南特贝, 因此,有时亦称之为达尔曼层或赫南特层。观音桥段在秭归新滩, 以及黄陵东翼宜昌黄花场以北地区普遍存在, 但厚度很小, 为0.17~0.3 m。南部长阳、宜都一带缺失。

龙马溪组源于李四光龙马页岩(Lee and Chao,1924), 以黑色页岩的出现与下伏五峰组观音桥段泥灰岩、泥岩相区分, 分下部黑色页岩段和上部黄绿色泥岩段。黑色页岩段在宜昌王家湾奥陶系—志留系界线剖面上厚约 51.9 m, 自下而上产笔石 G.persculptus, A.ascensus, P.acuminatus, C.vesiculosus, C.cyphus, D.triangularis带和L.convolutus带(简称 L1~L7带), 时限上跨越了奥陶系赫南特阶上部(L1带)、志留系鲁丹阶(L2~L5带)和埃隆阶底部(L6和L7带)(汪啸风等, 1987)。但最近有关宜地1井、宜页2井、秭归新滩和五龙一带笔石化石的详细研究, 发现宜地 1井龙马溪组底部笔石带齐全,但黑色页岩段笔石L4带与埃隆阶的笔石L7带直接触, 期间缺失了鲁丹阶上部 L5笔石带和埃隆阶底部L6带(图3A), 但在该剖面上L7笔石带地层仍表现为具有聚集式保存笔石的黑色页岩。另外, 在秭归新滩、五龙一带见完整的奥陶系笔石序列, 但龙马溪组底部最低层位的笔石以Pristiograptus leei发育为特征, 层位上与L5笔石带大致相当, 缺失了赫南特阶上部和鲁丹阶下部L1~L4笔石带地层。由于不同地区笔石带缺失的位置和程度不同, 增添了对奥陶系—志留系界线附近黑色页岩厚度预测难度。从目前已知的实测剖面和钻井资料上看, 宜昌北部至远安南部一带是页岩最为发育的地区(图2)。

(2)页岩厚度及其制约因素

由于页岩中 TOC与页岩的含气量具有高度的相关性(图5, 图6A), 因此, TOC是页岩气形成和富集的物质保障, 深入分析TOC含量变化及其制约因素有助于从根本上认识页岩气形成和富集的地质因素。

图2 奥陶系-志留系界线附近黑色页岩厚度等值线图 Fig.2 Thickness contour map of the black shale near the boundary between Ordovician and Silurian

(1)宜昌地区奥陶系—志留系沉积连续, 富含有机质页岩厚度大, 普遍为30~57 m, 但受宜昌上升和海平面下降双重作用影响, 宜昌地区不同构造古地理部位在下志留统鲁丹阶中上部—埃隆阶下部出现有不同程度的笔石带缺失, 与之对应, 富含有机质页岩厚度也相应减薄。

张伦对长辈的尊敬还会表现在对待朋友的父母上。有段时间,张伦创业失败,他决定骑着摩托车去流浪。途中经过朋友老家,想到朋友母亲已离世,而朋友久未归家扫墓,他竟跑到朋友母亲坟上祭拜。“拔草、清扫,他说弄了一个下午。”

V/Cr、V/(V+Ni)、U/Th、Ni/Co比值是近年广泛用于判别古海洋底部氧化-还原条件的重要指标(Hatch and Leventhal, 1992; Jones and Manning,1994; Rimmer, 2004; 周炼等, 2011; 胡亚等, 2016)。上述微量元素的分析结果表明在离湘鄂西隆起相对较远的宜地1井, 其上奥陶统凯迪阶上部W2笔石带到志留系鲁丹阶顶部L5笔石带地层中的CIA值与指示海底氧化还原环境的U/Th、Ni/Co比值具有同步变化的趋势(图3)。即伴随 CIA 下降, 发生了U/Th和Ni/Co的同步下降。伴随CIA值的回升, 发生了U/Th和Ni/Co快速上升。盆地内部CIA与U/Th和Ni/Co的这种同步变化进一步证明奥陶纪凯迪期晚期至志留纪鲁丹期晚期的海平面变化可能与南冈瓦纳大陆冰盖的形成和海平面下降直接相关。但在海侵早期的五峰组下部, 伴随 CIA的振荡下降,U/Th、Ni/Co值总体呈现不降反升的现象。此外, 在水体相对较浅或距离湘鄂西隆起较近的宜页2井和秭归五龙一带, 上述CIA与U/Th、Ni/Co的同步变化趋势虽然存在, 但局部也存在相反的现象(图3B,C)。究其原因, 一方面可能与晚奥陶世时期开始的宜昌上升在引起湘鄂西隆起形成的同时(孙云铸,1943; 穆恩之, 1981; 陈旭等, 2001), 也引起了宜昌地区沉积盆地的相对下沉, 并阻碍了来自南部地区陆源碎屑的向北扩散, 以致宜昌地区晚奥陶世—志留纪初期海水循环不畅, 沉积供应不充分而发育黑色页岩沉积。另一方面可能因湘鄂西隆起所产生的水下剥蚀形成较多的再沉积细碎屑, 影响了隆起附近海底沉积物 Ni、Co、U、Th的赋存状态, 而使U/Th和Ni/Co等指标在进行海底氧化-还原条件的判别时出现一定偏差(Rimmer, 2004; 周炼等,2011)。不同剖面鲁丹阶—埃隆阶界线附近笔石地层序列发育程度的差异, 则可能与宜昌上升运动的间歇性停止, 鲁丹期晚期湘鄂西隆起回弹, 以及埃隆期中期(L7笔石带)之后, 伴随宜昌上升作用的再一次发生, 湘鄂西隆起向北迁移有关(图4)。

图3 不同古地理部位奥陶系—志留系界线附近Ni/Co、U/Th、CIA和ICV曲线(黄色表示寒冷干燥时期) Fig.3 The profiles of the Ni/Co, U/Th, CIA and ICV near the boundary between Ordovician and Silurian strata at different paleogeographic positions (yellow area-cold and arid period)

图4 宜昌地区晚奥陶世中期—兰多维列世中期古地理变化简图 Fig.4 Sketch map showing the paleogeographic changes from the middle Late Ordovician to middle Llandovery Stage in Yichang area

2.2 总有机碳含量及其制约因素

从笔石带的发育程度与页岩的厚度对比上不难看出, 地层的缺失似乎是制约页岩厚度的最直接因素。虽然奥陶系—志留系界线附近地层的缺失现象已经早有发现, 并被归咎于宜昌上升的结果(穆恩之, 1981; 汪啸风等, 1987; 陈旭等, 2001), 但类似宜地1井下志留统鲁丹阶与埃隆阶界线附近地层的缺失尚属首次发现。由于该缺失与奥陶系/志留系界线附近的地层缺失类似, 出现在富含笔石化石的黑色页岩中, 且地层缺失面的上覆、下伏地层之间接触界面平整, 岩性和岩相特征接近, 单从岩性和岩相上难以获得地层缺失的证据。为此, 为进一步对比分析奥陶系—志留系界线附近以及鲁丹阶与埃隆阶界线附近地层缺失程度及其原因, 本次研究对宜昌地区不同古地理部位的宜地1井、宜页2井和秭归五龙剖面五峰组至龙马溪组下部笔石页岩地层进行了系统的全岩氧化物含量测试和微量元素含量分析测试, 以获得同期地层古气候、古环境变化和古海洋生产力特点, 进而探讨海平面变化与页岩地层分布发育的关系。全岩氧化物测试样品间距控制在0.6 m以内。界线附近微量元素样品采样间距适当加密至0.3 m左右。全部样品的测试由中国地质调查局武汉地质调查中心国土资源部中南岩矿测试中心完成。其中全岩氧化物含量测试分析在X射线荧光光谱仪(AXIOS)上进行。微量元素在高电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS-X Series Ⅱ)上进行。

图5 不同古地理部位奥陶系—志留系界线附近地层中Ni-xs、Mo-xs、TOC和页岩含气量曲线 Fig.5 The profiles of the Ni-xs, Mo-xs, TOC and gas-bearing state in the black shale near the boundary between the Ordovician and Silurian at different paleogeographic positions

图6 富有机质页岩中TOC与含气量、Ni/Co、Mo-xs和Ni-xs含量的相关分析(蓝色宜地1井, 红色宜页2井) Fig.6 Correlation analysis between TOC and gas-bearing, Ni/Co, biogenic Mo (Mo-xs) and biogenic Ni (Ni-xs)in the rich organic shale of Yidi 1 well (blue points) and Yiye 2 well (red points)

根据宜地1井和宜页2井富有机质页岩地层中TOC及其变化特点, 大致可以将宜昌地区奥陶系—志留系界线附近富有机质页岩划分为5个小层(图5)。其中第(1)和第(2)小层分别位于五峰组下部 W1带, 五峰组中上部(W2~W4)至龙马溪组底部(L1),对应的TOC分别为2%~3%和>4%,; 第(3)小层分布于志留系鲁丹阶下部L2~L3, TOC变化于3%~4%;第(4)和第(5)小层分别位于鲁丹期上部至埃隆阶下部(L4~L6底部)和L6下部, 页岩中 TOC分别对应2%~3%和1%~2%。对比分析TOC与Ni/Co, U/Th以及CIA值的变化特点, 不难发现TOC的分布与气候变化和海底氧化还原环境关系密切, TOC的峰值出现在气候相对寒冷, 海底处于强烈还原环境时期沉积的五峰组上部—龙马溪组黑色页岩下部地层中,证明地层沉积时期有利的有机碳储集条件和有机质保存条件是影响TOC的二个重要因素。

师:为更方便地使用工具,有必要对量角工具进行适当改造。如:标上刻度,把刻度线统一长度,去除边角和太过密的射线。

2.3 储层特征

对宜地 1井表征页岩气储层的重要参数(总有机碳含量、孔隙度、岩石矿物成分和含气性)进行相关性分析, 结果表明页岩气储存的含气性与总有机碳含量呈明显的正相关性(图6A)。孔隙度与TOC、渗透率以及长石、黏土和黄铁矿具有一定的正相关性(图7a, c~f), 与石英含量则具有弱的负相关性(图7b)。宜地1井奥陶系五峰组—志留系龙马溪组页岩气储存的这种特点, 证明高的有机碳含量、良好的渗透率和高的易溶蚀矿物含量有利于页岩气储存空间的形成。采用亚离子抛光后进行电镜观察发现,页岩孔隙发育程度总体较差, 主要孔隙类型为有机质孔隙, 其次为矿物粒间孔隙、矿物溶蚀孔隙、黄铁矿晶间孔隙和少量有机质与矿物之间孔隙、有机质内微裂隙等。矿物粒间孔隙多为残余粒间孔隙,形态因呈狭缝状, 部分被黄铁矿充填; 矿物溶蚀孔多为黏土矿物、碳酸盐岩矿物和碎屑颗粒粒间、粒内溶蚀孔, 多呈不规则状, 连通性差。微裂缝较发育, 缝宽约0.053~0.184 μm, 连通性差。黄铁矿晶粒之间的孔隙中往往充填黏土矿物或有机质(图8)。

对宜地1井奥陶系五峰组—志留系龙马溪组页岩含气量大于1 m3/t的页岩进行样品系统采集, 交北京斯丹特能源科技有限公司实验室进行测试, 获得了该井奥陶系五峰组—志留系龙马溪组页岩气储层的有机质成熟度和类型、孔隙度和岩石矿物成分特点(表1)。结果表明该井储层厚度约22 m, 有机碳含量 0.8%~6.1%, 平均 2.7%, 有机质类型以 II1型为主, 少量I型, 等效有机质成熟度1.8%~2.1%, 平均 2%。岩石矿物以石英、黏土为主, 石英含量11%~90%, 平均49%, 黏土矿物含量16.7%~55.9%,平均 40.98%。孔隙度 0.2%~8.8%, 平均 4%。相比重庆涪陵焦石坝焦页 1井同期页岩气储层, 宜地 1井页岩气储层具有相对较低的总有机碳含量、含气量和孔隙度(表2)。与同地区宜地2井寒武系页岩气储层相比, 具有相对较低总有机碳含量和含气量,但具有较高的孔隙度和硅质含量(陈孝红等, 2018)。

图7 孔隙度与TOC、渗透率和矿物之间的相关性 Fig.7 Correlation analysis between porosity and TOC, permeability and some minerals

表1 宜地1井页岩气储层有机地化、物性和岩石矿物特征 Table 1 Organic geochemistry, physical property and mineral characteristics of the shale gas reservoirs in Yidi 1 well

注: “/”表示含量为零或未检测出, 空白项未测。

有机质 物性/% 矿物种类和含量/%采样号 井段/m 类型 反射率% 垂直渗透率 孔隙度 石英 长石 方解石 白云石 黄铁矿 黏土Y01-1y 1 341 4.79 35.5 8.5 1.1 3.1 / 51.8 Y01-2y 1 340 1Ⅱ 2.04 4.82 60.5 5.5 / 3.0 / 31.0 Y01-3y 1 339 0.000 8 1.55 90.5 / 3.8 5.7 / /Y01-4y 1 338 0.002 0 1.19 81.8 2.2 12.1 3.9 / /Y01-5y 1 337 5.57 59.0 4.6 / / 5.5 30.9 Y01-6y 1 336 1.93 0.043 0 2.92 64.1 3.9 5.0 5.3 / 21.7 Y01-7y 1 335 I 0.000 5 1.02 53.7 5.7 / 4.6 2.3 33.7 Y01-8y 1 334 0.000 6 1.32 63.4 3.7 1.2 2.5 / 29.2 Y01-9y 1 333 0.003 0 4.62 72.5 3.7 / 2.6 4.5 16.7 Y01-10y 1 332 0.770 0 3.63 27.0 6.8 / 7.5 2.8 55.9 Y01-11y 1 331 0.200 0 3.30 57.3 6.2 1.6 7.5 5.0 22.4 Y01-12y 1 330 0.006 0 3.61 11.0 4.2 1.1 83.7 / /Y01-13y 1 329 1Ⅱ 2.10 0.350 0 1.68 40.1 7.8 / 6.6 5.7 39.8 Y01-14y 1 328 0.001 8 4.27 42.8 5.1 2.4 2.1 1.8 45.8 Y01-15y 1 327 6.39 44.5 5.4 / / 4.9 45.2 Y01-16y 1 326 6.30 39.5 8.6 / / 5.0 46.9 Y01-17y 1 325 0.710 0 3.16 32.5 8.0 / / 5.2 54.3 Y01-18y 1 324 1Ⅱ 2.04 1.280 0 8.77 39.8 6.4 / / 3.9 49.9 Y01-19y 1 323 0.000 3 3.40 43.2 5.1 / / 1.7 50.0 Y01-20y 1 322 0.015 2 4.86 43.9 8.6 / / / 47.5 Y01-21y 1 321 4.83 38.6 7.3 / / 2.3 51.8 Y01-22y 1 320 1Ⅱ 1.83 2.220 0 36.7 5.4 / / 3.8 54.1

表2 宜昌地区奥陶系五峰组—志留系龙马溪组页岩气储层特征及其对比 Table 2 The characteristics of the shale gas reservoir of the Ordovician W ufeng Formation–Silurian Longmaxi Formation in Yichang area andtheir correlation with other areas

注:表中“0.5~9.1/2.5”形式数据表示“最小值~最大值/平均值”, “–”表示未测。

量含土黏3.3.3 8.6.7 6/3.5.3 61 7.3/31.9.5 5.9/40 3.8/23 6.7 0/30 9.1/34 9.2/27.81.3/23 2.74.65/252 42.6.4.7.243 11.73 21 16 23 16 13/%成组物矿数参质地础基量含岩盐酸碳量含质硅量含物矿性脆/(m3/t)量气含数系力压/%Ro C/%TO/%度隙孔6.97/3/20 6.5/7 84 8.3––/9.62 5.8.9 39.35.6.8.7/1 56 87 6.40039 36 9.68.55.57.4/2.7 0 55 3.4/29 0/49 6.6/66––0.6/44 9.1/418 5.1496.375 40 19 11.4 65 31 26 8.59/6 4.61.36 3/65.5 8 0.2/6 1.17 4.9/74–5/56.3–~817008.484090/69.9 53 44 73.1.7 48 56 40 8/3.32.3/3 9.555.6.5 7/2.65 6.0/3.3 2/4.0.6.8.95 2/2.4 4.6/3.09.5 0.333 1.38 1.88 0.8/34 1.23 4.74 2.041.06 5 0 0–––1.39 1.34 1.40.5.4.11 1.351 1.201 1.05 0/2.26 5/2.31/29 1.82.73.3.3 5/3.0 2.1/2.0.42 2.9/2.9–.22.8 2.182 2.25 2.22.64 2.42–~4 2.46/2.05.9 6.0 2.0.5 5/4.2 6.9/3.8 6.1/2.7 5.8/2.7.5 6.2/3.9 2~5/3 0.52 0.20.81.01.8/3 1.59.1/2.5 3.9/2.9 8.8/4.0 5.1/3.0.7/3 10.50.21.312.54.7/2.2 7.1 6.5/4.1 1.33.9/2.5 1.2页度质厚/m.0.7.0.7.0.4.0.0.0优岩2 8 36 22 19 18 26 38 30 34储界/m岩底度2 8 60 42 00 04 02 15 72 35页层深1 7 1 8 1 3 2 7 3 5 4 1 2 4 2 2 4 2号2 1 1 2 1 1 1 3 1井 地页地页探1 0页页页宜宜宜宜宜荆焦丁濯

图8 微裂缝与孔隙 Fig.8 Microcracks and pores

a-层理缝, 有机质、粒间和溶蚀孔隙; b-微裂缝, 有机质孔隙; c-黄铁矿晶间孔隙;d-微裂缝, 矿物溶蚀孔隙, 有机质与矿物之间孔隙, 有机质内微裂隙 a-bedding crack, organic, intergranular and dissolution pores; b-microfracture, organic pores; c-pores between pyrite crystals;d-microfracture, pores between organic matter and minerals, dissolution pores

3 保存富集模式

3.1 页岩含气性影响因素分析

一般来说, 页岩的含气性主要受制于页岩的生气能力、储集能力和保存条件。前者毫无疑问地与页岩中有机质类型、成熟度和总有机碳含量息息相关(图6A)。后者中通常认为与页岩气储存的厚度、顶底板条件、埋深和区域盖层等相关。对比分析宜昌地区已有志留系页岩气井的含气性及其与页岩气储层基础地质参数(储层厚度、TOC、孔隙度)和矿物组成, 宜昌地区志留系页岩的含气量基本上随优质页岩厚度、总有机碳含量和地层压力的增加而升高(表2), 证明优质页岩厚度、有机碳含量和储层压力系数制约页岩的含气量, 是页岩气藏形成富集的主控地质因素。

由于页岩的分布和厚度受宜昌上升引起的台内拗陷盆地的沉积相制约, 而有机碳含量受古气候、古海洋环境和海底有机碳通量等多因素的制约,也是古地理古环境综合影响的结果。由于储层压力与储层含气量和储层中气体构成紧密相关, 其中超压气藏, 如我国的焦石坝地区, 北美 Barnett地区,Marcelluse地区的页岩气藏的总含气量普遍较高,且游离气含量超过 50%(Hill, 2000; 王淑芳等,2015)。而常压气藏, 如宜昌寒武系水井沱组页岩气藏的总含气量虽然不是很低, 但游离气含量一般不超过 50%。因此, 地层超压与生烃作用和保存条件等多因素紧密相关, 是构造稳定和保存条件良好的体现(王淑芳等, 2015)。

3.2 保存富集模式

(1)台内拗陷是基础

晚奥陶世开始的加里东运动导致扬子台地东南边缘隆升形成湘鄂西隆起, 台地内部拗陷下沉在宜昌以北地区形成水流循环不畅的隆后盆地, 盆地底部处于贫氧-还原状态, 十分有利于有机质的沉积保存。同时, 由于同期南冈瓦纳大陆冰川活动所引起的气候变冷, 寒冷干燥的气候有利于有机碳在海洋的储集。进入志留系埃隆期中期之后, 伴随冰期结束和气候转暖, 风化作用加强, 来自扬子地台南部的大量碎屑越过湘鄂西隆起, 在隆后盆地快速沉积, 使隆后盆地在奥陶纪—志留纪过渡时期大量沉积的有机质得到有效地埋藏保存, 从而为页岩气的形成和富集提供了坚实的基础和保障。

宜昌地区发育古老的结晶基底, 构造稳定, 利于宜昌地区志留系页岩气储层在南方中、新生代发生的多期次强烈构造活动中免遭构造改造和破坏,保存条件好(肖开华等, 2005; 陈孝红等, 2018)。另外, 宜昌地区的古老基底从三叠纪晚期之后一直处于缓慢抬升过程(沈传波等, 2009), 志留系页岩气储层埋深浅, 生气时间晚, 利于页岩气的富集保存。

伴随宜昌上升作用的不断加强, 宜昌地区在志留系兰多维列世之后就抬升露出水面, 直到中泥盆世之后才再次因板内拉张沉陷而接受沉积, 期间接受了长期的抬升剥蚀过程。从宜页2井志留系残留厚度为1 294.5 m,推测志留系底部富有机质页岩的埋深在中志留世开始抬升之前已经超过 1 500 m,有机质演化处于未成熟-低成熟生油阶段, 有机质缩合形成干酪根, 并释放甲烷气、腐植酸或未成熟油。虽然当时形成的的有机流体可能并不多, 但在自南而北迁移的宜昌上升作用影响下很可能发生侧向运移, 并引起运移通道上矿物的溶蚀。从志留系页岩气储层中溶蚀孔隙发育, 且孔隙度与渗透率具有明显的相关性, 不排除这些溶蚀孔隙或裂缝是这次构造活动的产物。事实上, 宜昌地区奥陶系—志留系界线附近碳酸盐碳同位素组成与国外同期地层碳酸盐碳同位素组成特点相反, 具有明显负偏离特点, 且碳同位素组成负偏离有朝湘鄂西隆起方向加强的趋势, 也证明了上述有机流体的存在及其对储层的改造作用(Chen et al., 2017)。

(2)基底隆升和有机质热演化相匹配是关键

4 结论

自Nesbitt等(1982, 1984)提出用化学蚀变指数(CIA)可以指示气候变化以来, Yang等(2010)将CIA指数成功运用于奥陶纪—志留纪界线附近地层古气候研究, 取得了较好的效果。根据宜地 1井、鄂宜页2井和秭归五龙奥陶系—志留系界线附近页岩全岩氧化物含量测试结果, 按照 Nesbitt和Young(1982, 1989)及 Yan等(2010)给出的地层风化指数(CIA),和王自强等(2006)介绍的成分变异指数(ICV)计算方法和公式, 获得宜昌地区奥陶系—志留系界线附近地层CIA和ICV指数变化特点(图3)。从ICV变化特点来看, 宜页2井和宜地1井在志留系鲁丹期(龙马溪组黑色页岩段下部L2~L5笔石带)地层中的ICV值大于1, 表明该地层含较少黏土矿物, 属构造活动时期的初始沉积。而奥陶系凯迪期早—中期W1笔石带和志留系埃朗期 L7笔石带地层中ICV值小于1, 表明这些地层含较多黏土矿物,它们可能经历了再沉积作用或是强烈风化条件下的初始沉积(王自强等, 2006)。宜页2井和宜地1井奥陶系凯迪期晚期W2~W3笔石带和赫南特期W4至L1笔石带地层中的ICV值接近1, 可能与该期的构造或风化作用强度介于鲁丹期与埃隆期地层之间有关。但从五龙剖面的奥陶系—志留系界线地层中的ICV值自下而上均小于 1, 除了这个地区缺失志留系鲁丹期沉积外, 还可能与该处接近湘鄂西隆起,湘鄂西隆起在隆起过程中的剥蚀再沉积导致五峰组中具有较高的黏土矿物含量有关(图3)。对比分析CIA结果, 不难发现ICV值大于1的志留系鲁丹期(龙马溪组黑色页岩段下部L2~L5笔石带)以及ICV值接近1的奥陶系凯迪期晚期W2~W3笔石带和赫南特期地层中的CIA值小于65, 指示为寒冷干燥的气候条件下低等化学风化程度的产物; 而ICV值小于1的奥陶系凯迪期中期W1笔石带和志留系埃朗期L6~L7笔石带地层中的CIA普遍大于65, 最大达到75, 反映它们是温暖湿润条件下中等的化学风化程度。ICV和CIA两者的结果相互印证, 证明华南地区从奥陶系凯迪期中晚期至志留系鲁丹期末期之间发生了多次气候变冷事件。由于该气候事件与见于撒哈拉中部地区Tamadjertt组的冰期发育的时限接近(Hambrey, 1985), 因此, 宜昌地区奥陶系—志留系界线附近发生的气候变冷事件在一定程度上暗示华南与南冈瓦纳大陆具有明显的亲缘关系, 是南冈瓦纳大陆晚奥陶世—早志留世的冰川活动在华南的重要表现。从赫南特期和鲁丹期晚期CIA值表现的气候变冷事件较为明显来看, 奥陶系—志留系界线附近以及鲁丹期—埃隆期界线地层的缺失应该与冰川事件导致海平面下降相关。

为进一步确定 TOC的来源及其影响因素, 本文对表征古海洋生产力的微量营养元素Cu、Ni, 以及表征水体有机碳通量的痕量元素Ba和Mo含量等,进行了系统测试。为避免陆源碎屑的影响, 采用X-xs=Xtotal-Titotal×(X/Ti)PAAS公式对进行校正。其中X-xs表示元素X的过剩值, Xtotal为所测试岩石样品该元素的总含量, (X/Ti)PAAS引自Taylor和McLennan(1985), 为澳大利亚后太古平均页岩中元素含量与Ti比值。结果表明采自缺氧或贫氧环境沉积形成的页岩样品, 校正后的Mo和Ni元素含量绝大部分为正, 相对 PAAS呈海相自生富集或火山热液富集的特点。Ba和Cu以及氧化环境沉积的页岩样品中Mo和Ni均为负值, 说明它们主要来源于陆源物质的贡献。据此, 并结合 TOC与 Ni/Co比值,Mo-xs和Ni-xs含量均具有较好的相关性(图5, 图6B, C, D), 说明页岩中的总有机碳含量受页岩沉积时期的古海洋环境特点和生物生产力两个方面因素的双重制约。但从宜页2井TOC与Mo-xs的相关性(R2=0.8284)明显高于与 Ni-xs的相关性(R2=0.1314)来看, 湘鄂西隆起可能对水体中有机碳通量或沉积物中有机流体的运移产生一定影响(Chen et al., 2017)。

(2)页岩微量元素 V/Cr、Ni/Co、V/(V+Ni)的比值和化学蚀变指数(CIA)指示宜昌地区在奥陶纪凯迪期晚期—志留纪埃隆期早期总体处于缺氧-贫氧海洋环境和寒冷干燥的气候条件, 十分有利于有机质的保存有机碳的储存。

为研究连续配筋混凝土路面实际应用效果,在本高速公路通车1、2、3年后采用多功能道路检测车进行了路面横向裂缝检测,检测结果如表4。

(3)页岩中总有机碳含量(TOC)受海底氧化还原环境和海底有机碳通量(Mo-xs)的双重制约。由于不同古地理部位TOC与Ni-xs和Mo-xs的相关性不同,在盆地靠近隆起一侧, TOC与 Mo-xs的相关性明显高于TOC与Ni-xs的相关性, 推测奥陶纪凯迪期晚期—志留纪埃隆期早期可能因海平面下降或宜昌上升作用引起了海底天然气水合物的溶解和甲烷释放,并由此引起海底有机碳通量的升高, 促进有机质的聚集保存。

(4)页岩中总有机碳含量与其含气性和孔隙度具有明显的相关性, 但孔隙度主要受储层的渗透率和岩石类型制约, 与储层的含气性关系不明显, 证明孔隙发育不是页岩气富集的主要原因。由于储层的含气性主要受控于优质储层的厚度、总有机碳含量和压力系数, 因此, 有利的沉积相带和良好的保存条件是志留系页岩气富集成藏的主控地质因素。

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(5)奥陶纪—志留纪过渡时期中扬子台地内部拗陷盆地的形成和其中广泛的富有机质页岩沉积为页岩气的形成富集奠定了基础。宜昌地区古老基底的发育及其从三叠纪晚期之后开始的缓慢抬升过程,导致志留系页岩气储层埋深浅, 生气高峰时间晚,是志留系页岩气富集保存的关键。

Acknowledgements:This study was supported by China Geological Survey (No.DD20179615), and National Science and Technology Major Project (No.2016ZX05034-001-2).

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《地球学报》 2018年第03期
《地球学报》2018年第03期文献

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