地质力学学报  2020, Vol. 26 Issue (5): 696-713
引用本文
翟刚毅, 王玉芳, 刘国恒, 陆永潮, 何生, 周志, 李娟, 张云枭. 鄂西地区震旦系—寒武系页岩气成藏模式[J]. 地质力学学报, 2020, 26(5): 696-713.
ZHAI Gangyi, WANG Yufang, LIU Guoheng, LU Yongchao, HE Sheng, ZHOU Zhi, LI Juan, ZHANG Yunxiao. Accumulation model of the Sinian-Cambrian shale gas in western Hubei Province, China[J]. Journal of Geomechanics, 2020, 26(5): 696-713.
鄂西地区震旦系—寒武系页岩气成藏模式
翟刚毅1,2, 王玉芳1,2, 刘国恒1,2, 陆永潮3, 何生3, 周志1,2, 李娟1,2, 张云枭1,2    
1. 中国地质调查局油气资源调查中心, 北京 100029;
2. 中国地质调查局非常规油气地质实验室, 北京 100029;
3. 中国地质大学 (武汉), 湖北 武汉 430074
摘要:通过对鄂西震旦系陡山沱组和寒武系牛蹄塘组页岩气勘查大量实际资料总结研究,创新性地提出了针对鄂西地区震旦系和寒武系"岩相控炭、成岩控烃、构造控藏"的页岩气成藏理论认识。震旦系陡山沱组和寒武系牛蹄塘组富有机质页岩沉积受控于鄂西裂陷海槽,富有机质页岩甜点层段主要形成于海侵体系域和早期高水位体系域。黄陵古隆起周缘震旦纪—三叠纪长期浅埋,为生油提供了充足时间,三叠纪短暂快速深埋,为页岩气生成的主峰期。古隆起刚性基底、区域性泥页岩盖层以及后期逆冲推覆构造,为页岩气保存提供了良好的条件。从而建立了鄂西震旦—寒武系"深水海槽控炭、古隆起浅埋控烃、古隆起+逆冲断裂控藏"的页岩气成藏模式。
关键词鄂西地区    震旦系陡山沱组    寒武系牛蹄塘组    页岩气    成藏模式    
DOI10.12090/j.issn.1006-6616.2020.26.05.058     文章编号:1006-6616(2020)05-0696-18
Accumulation model of the Sinian-Cambrian shale gas in western Hubei Province, China
ZHAI Gangyi1,2, WANG Yufang1,2, LIU Guoheng1,2, LU Yongchao3, HE Sheng3, ZHOU Zhi1,2, LI Juan1,2, ZHANG Yunxiao1,2    
1. Oil & Gas Survey, China Geological Survey, Beijing 100029, China;
2. Unconventional Oil and Gas Geology Laboratory, China Geological Survey, Beijing 100029, China;
3. China University of Geosciences, Wuhan 430074, Hubei, China
Abstract: Based on the study of a large number of real data of shale gas exploration in the Sinian Doushantuo Formation and the Cambrian Niutitang Formation in western Hubei Province, the theoretical understanding of shale gas accumulation in the Sinian and Cambrian that lithofacies controls carbon, diagenesis controls hydrocarbon and structure controls reservoir is put forward innovatively. The deposition of organic-rich shales in the Sinian Doushantuo Formation and the Cambrian Niutitang Formation were controlled by the rift trough in western Hubei. Sweet spots of organic-rich shales were mainly formed in the transgressive system tract and the early high water-level system tract. The long-term shallow burial in the Sinian and Triassic around the Huangling paleo-uplift provided sufficient time for the oil generation. The Triassic is a short-term and rapid burial period, which is the main peak period of shale gas generation. The rigid basement of paleo-uplift, regional shale cap rock and later thrust nappe structure provided good conditions for the shale gas preservation. Thus, the shale gas accumulation model of the Sinian and Cambrian in western Hubei Province is established, which includes carbon control by deep-water trough, hydrocarbon control by shallow burial of paleo-uplift, reservoir control by paleo-uplift and thrust fault.
Key words: western Hubei province    Sinian Doushantuo Formation    Cambrian Niutitang Formation    shale gas    accumulation model    
0 引言

中国南方地区发育多套页岩气层系,继北美页岩气革命后,2009—2012年国内石油企业率先在四川盆地奥陶系五峰组—志留系龙马溪组实现页岩气勘探突破(梁狄刚等,2009牟传龙等,2011刘树根等,2014邹才能等,2015赵文智等,2016金之钧等,2016)。与此同时,原国土资源部、中国石油企业以及与壳牌、雪弗龙等国际石油公司合作,在中国南方针对寒武系牛蹄塘组实施了一批页岩气勘查井,除JY1HF井等少数几口井见到较好显示外,其他井均未取得成效(文玲等,2001胡琳等,2012黄金亮等,2012韩双彪等,2013刘斌和付育武,2016)。归其原因,认为热演化程度普遍过高和构造破坏导致含气性差。针对如何高中找低、强中找弱,笔者及其带领的页岩气地质调查团队,在系统研究中国南方构造与热演化关系基础上,提出“古隆起边缘控藏模式”,认为古隆起周缘页岩埋藏浅、深埋时间短,热演化程度相对较低,且构造相对稳定,是古老地层页岩气形成富集的有利部位。据此,相继在黄陵背斜南翼、汉南古陆南缘、雪峰古陆西缘,针对寒武系和震旦系部署了一批页岩气探井,均取得了页岩气重要发现(翟刚毅等,2017王玉芳等,2017)。其中,在湖北宜昌实施的鄂阳页1HF井和鄂阳页2HF井,分别在寒武系牛蹄塘组和震旦系陡山沱组获得日产7.83×104 m3和5.53×104 m3高产工业气流(王玉芳等, 2018, 2019),实现了全球最古老地层页岩气勘查突破,开辟了页岩气勘查开发新区、新层系。

围绕四川盆地奥陶—志留系海相页岩气富集成藏规律,国内专家提出了“沉积环境控制富有机质页岩分布、保存条件是页岩气评价关键因素、可压裂性是高产评价核心”(马永生等,2018)、“深水陆棚优质泥页岩发育是页岩气‘成烃控储’的基础;良好的页岩气保存条件是页岩气‘成藏控产’的关键(郭旭升,2014)”等一些列原创性认识。笔者曾从页岩气形成的“源—成—藏”三个方面主控因素,揭示过震旦—寒武系富有机质页岩形成的地质环境背景、构造沉降与生排烃、构造抬升与页岩气保存等页岩气富集成藏过程(Zhai et al., 2018)。本文通过系统总结震旦系—寒武系页岩沉积、成岩生烃演化和构造保存特征,提出了针对鄂西地质震旦系—寒武系页岩气成藏模式,为今后该层系勘探开发提供地质理论借鉴。

1 区域地质背景

鄂西地区在大地构造上位于华南地块中部,北接秦岭-大别造山带和华北地块相望,西以龙门山—横断山断裂与特提斯构造域青藏高原相连,南西侧以昌宁—马江断裂与东南亚地块接触,南东侧为西太平洋构造区。经历了新元古代早—中期板块俯冲-聚合(1.0~0.8 Ga)与裂解事件(800~680 Ma)、早古生代晚期陆内造山与岩浆事件、早中生代陆内再造事件、晚中生代太平洋俯冲背景下的构造伸展-巨量岩浆活动事件(舒良树,2012)。其中,新元古代晚期(800~680 Ma)的大陆裂解至陆内裂谷沉积过程,造就了研究区震旦系—寒武系富有机质页岩发育的大地构造背景。文中主要研究区以黄陵背斜为核心,北接大巴山-大红山弧形构造带,西为秭归盆地,东为当阳复向斜,南邻利川-花果坪复向斜和宜都-鹤峰复背斜。黄陵背斜核部为太古宙—元古宙中深变质灰色片麻岩和变质表壳岩系,后被新元古代黄陵花岗杂岩侵入,南华系不整合覆盖(张或丹,1986熊成云等,2004葛肖虹等,2010徐大良等,2013)。震旦系—志留系环绕黄陵结晶基底分布,岩层向四周倾斜,东翼稍缓,倾角一般8°—15°,西翼较陡,一般倾角30°—40°(图 1)。黄陵隆起周缘被仙女山断裂、天阳坪断裂、通城河断裂、雾渡河断裂等不同方向的断裂构造所环绕。

图 1 黄陵背斜及周缘地区构造单元划分 Fig. 1 Division of structural units in the Huangling anticline and its surrounding areas

鄂西地区地层出露齐全,依次出露有元古界、古生界以及中新生代地层,其中晚三叠世以来为陆相地层。区内发育震旦系陡山沱组、寒武系牛蹄塘组、奥陶系五峰组—志留系龙马溪组、二叠系孤峰组—大隆组四套富有机质页岩。本文重点描述震旦系陡山沱组、寒武系牛蹄塘组富有机质页岩。

震旦系陡山沱组整合于灯影组之下,平行不整合于南沱组之上,可划分为四个岩性段,其中二、四段发育富有机质页岩。陡山沱组二段主要为黑色含炭质页岩与灰色中层(含炭)白云岩不等厚互层,厚100.57~235.4 m。陡山沱组四段主要为黑色炭质页岩、硅质页岩,夹硅质岩、白云岩透镜体,厚1~26 m。

寒武系牛蹄塘组下部为灰黑色薄层炭质页岩,夹多层中层状灰岩,见较多薄层硅质岩,海绵骨针化石丰富,局部见软舌螺类化石富集层;上部为深灰—灰黑色薄层钙质页岩与中—厚层状灰岩互层,与下伏天柱山段、岩家河组呈平行不整合接触。区域上该段总体呈西厚东薄、南厚北薄的特点。黄陵背斜南翼西部乔家坪至慕阳厚度约70~80 m,东部柏木坪至黄山洞一带厚度20~30 m;黄陵背斜北翼新华断裂以东的矿洞垭附近2 km范围内厚约50 m,但向北至保康、向南至远安急剧减薄,反映寒武纪早期古地理格局复杂多变。

2 富有机质页岩沉积地质特征 2.1 陡山沱组富有机质页岩特征

陡山沱组富有机质页岩主要发育在第二段和第四段,其中陡二段厚度较大,为页岩气主力层系。岩性主要由黑色—黑灰色炭质页岩、含磷硅质结核页岩和黑色硅质岩组成。鄂西地区钻遇陡山沱组的鄂阳页1井、秭地1井钻井岩心X-射线衍射全岩分析结果(图 2)显示:陡山沱组页岩主要有富灰硅质页岩(S-1)、富灰/硅混合质页岩(M-1)、灰岩(C)、富硅灰质页岩(C-1)、灰质页岩(C-2)5种页岩岩相类型,其中富灰/硅混合质页岩(M-1)是陡山沱组页岩中主要的岩相类型,其次是富硅灰质页岩(C-1)和灰质页岩(C-2)两种岩相。

N—牛蹄塘组;D—陡山沱组 图 2 页岩岩相划分 Fig. 2 Division of shale lithofacies

通过地层层序精细对比,震旦系陡山沱组可划分3个三级层序:DSQ1、DSQ2和DSQ3(图 3)。其中DSQ1层序对应陡山沱组一段和陡二段下部地层;DSQ2层序为优质页岩段,对应于陡二段中上部;DSQ3层序对应于陡三段地层。每个三级层序均由海侵体系域(TST)和高位体系域(HST)组成。

图 3 鄂阳页1井陡山沱组高频层序单元划分柱状图 Fig. 3 Histogram of high frequency sequence unit division of the Doushantuo Formation in the Eyangye No.1 well

优质页岩段厚度约90~110 m,由海侵体系域(TST)和高位体系域(HST)组成。海侵体系域对应陡山沱组陡二段中上部,厚度较为稳定,约50 m左右,为深水相,主要发育黑色页岩,可见大量的黄铁矿纹层、页理和磷质结核发育,说明该时期水体较深,主要以还原沉积环境为主。测井曲线上,该体系域表现为GR、U以及Th曲线总体向上数值变化较为稳定,说明该时期水体变化较为稳定。高位体系域下部以斜坡相的页岩、粉砂质页岩为主。从测井曲线上来看,该体系域GR曲线总体表现出倒“圣诞树”型,说明水体逐渐变浅,砂质含量逐渐增多。

2.2 牛蹄塘组富有机质页岩特征

区内牛蹄塘组分为三段,牛一段下部为灰黑色薄—极薄层炭质页岩、炭质泥岩夹灰黑色薄中层状泥质粉砂岩,往上出现深灰色中层状泥晶灰岩,且比例逐渐增加,至上部两者互层。牛二段为黑灰、灰黄色炭质页岩、粉砂质页岩夹薄—中厚层灰岩;牛三段下部岩性为黑色、灰黑色薄—中层状灰岩夹薄层状泥灰岩、钙质页岩,至顶部浅灰、深灰薄层含磷结核白云质灰岩、灰质白云岩。通过对鄂西地区钻遇牛蹄塘组的鄂阳页1井、秭地1井、秭地2井、武地1井、武地2井等钻井岩心X-射线衍射全岩分析结果(图 2)显示,牛蹄塘组页岩主要有硅岩(S)、富灰硅质页岩(S-1)、硅质页岩(S-2)、富泥硅质页岩(S-3)、富灰/硅混合质页岩(M-1)、富硅/泥混合质页岩(M-2)、混合质页岩(M-3)、富硅泥质页岩(CM-1)、灰岩(C)、富硅灰质页岩(C-1)、灰质页岩(C-2)11种页岩岩相类型,其中硅质页岩(S-2)是牛蹄塘组页岩中主要的岩相类型,其次是富灰/硅混合质页岩(M-1)、富硅/泥混合质页岩(M-2)以及富泥硅质页岩(S-3)三种岩相。

通过牛蹄塘组页岩层序精细对比,也可划分为3个三级层序:NSQ1、NSQ2和NSQ3(图 4),三个层序均由海侵体系域和高位体系域组成。其中NSQ1对应于下寒武统牛蹄塘组下部地层牛一段,是黑色页岩发育优质甜点段。

图 4 鄂阳页1井牛蹄塘组高频层序单元划分柱状图 Fig. 4 Histogram of high frequency sequence unit division of the Niutitang Formation in the Eyangye No.1 well

NSQ1层序在全区厚度介于20~150 m之间。海侵体系域主要由牛蹄塘组下部的灰黑色页岩构成,可见较多硅质纹层和黄铁矿透镜体,总体反映出当时的沉积环境为深水安静水体环境。另外在该体系域内可见到较多磷质结核,说明富营养化,有利于有机质的富集,少数岩心中可见重晶石。进一步可划分出五个准层序组,测井显示GR曲线数值逐渐升高,厚度介于10~90 m之间。高位体系域主要为斜坡沉积,岩相以灰黑色页岩为主,另外在该体系域内可见多层薄层的斑脱岩发育,表明该时期火山活动喷发的火山灰参与到了该时期的沉积中,可识别出三个准层序组,测井曲线主要表现为GR值渐渐减小,厚度介于10~80 m之间。

鄂西地区陡山沱组和牛蹄塘组页岩岩相类型丰富,相对焦石坝、北美地区的典型页岩岩相更为复杂多样,且差异明显(图 2)。焦石坝地区的页岩岩相主要为CM-1、M-2、S-3、S-2、S相页岩,硅质和黏土矿物含量较高,碳酸盐矿物含量很低;北美地区的页岩岩相主要为CM-1、M-2、S-3、C-2相页岩,与焦石坝地区的页岩相类似,但北美地区部分页岩碳酸盐矿物含量较高,表现为C-2相页岩的特征。而宜昌地区的页岩有硅质矿物含量很高的S、S-1、S-2、S-3相页岩类型,也有硅质矿物、黏土矿物和碳酸盐矿物含量相当的M-1、M-2、M-3相页岩类型,还有碳酸盐矿物含量较高的C、C-1、C-2相页岩类型。

2.3 页岩横向分布特征

通过秭地1、秭地2、鄂阳页1、利1井等钻井连井对比剖面研究,受裂陷海槽的控制,陡山沱组和牛蹄塘组页岩主要发育在下斜坡带,从下斜坡至裂陷槽,页岩在横向上展布稳定,具有很好的对比性,页岩主要以硅质页岩和钙质页岩为主,反映了当时的沉积环境。上斜坡主要为碳酸盐岩沉积。连井剖面显示湘鄂西海槽为西陡东缓的不对称状裂陷槽。从牛蹄塘组页岩的横向分布特征来看,牛蹄塘组页岩横向分布范围广,整体从裂陷槽向台地区减薄,台地上也有分布(图 5)。自东侧台地上的宜地3井,向西至秭地2井、秭地1井、宜地2井、鄂阳页1井、WD3井,页岩厚度从几米到200多米,显示台地—台缘斜坡—裂陷槽剖面结构。其中鄂阳页1井页岩厚125 m,富有机质页岩厚度有100 m以上。

图 5 鄂西地区牛蹄塘组富有机质泥页岩横向展布图 Fig. 5 Lateral distribution of organic-rich shales in the Niutitang Formation, western Hubei
2.4 富有机质页岩地化特征

页岩有机质丰度是页岩气生成的物质基础,同时也是影响有机质孔隙、天然气赋存状态以及吸附气含量的关键参数指标。鄂西地区主要钻井实测TOC含量如表 1所示,震旦系陡山沱组页岩TOC含量在0.5%~4.0%之间,牛蹄塘组页岩TOC含量在0.5%~9.59%之间,二者均达到优质烃源岩。总体上,牛蹄塘组页岩TOC含量较陡山沱组页岩TOC含量高。在空间分布上,TOC含量与富有机质页岩厚度变化一致,靠近台地和台缘斜坡的秭地2井、秭地1井TOC含量较低,而位于深水槽的阳页1井有机质含量高,其中海侵体系域与早期高水位页岩TOC含量普遍大于2%,为页岩气甜点层段(图 6)。显然,深水槽控制了富有机质页岩的分布,控制了有机质含量的分布。在裂陷槽中央部位,发育的是深水缓坡环境,水体缺氧、上升流扰动频繁,发育的页岩厚且页岩质纯、TOC含量高。

表 1 鄂西地区陡山沱组和牛蹄塘组钻井实测TOC含量统计表 Table 1 Statistical table of measured TOC content in drilling of the Doushantuo Formation and Niutetang Formation in western Hubei Province

图 6 牛蹄塘组页岩TOC含量与沉积体系域关系图 Fig. 6 Relationship between TOC content and sedimentary system tract of the Niutitang Formation shale
3 页岩热演化与生排烃特征

页岩成岩作用和伴随的热演化使有机质转化为烃类物质,页岩热演化程度是评价页岩生烃能力和强度的重要指标。通过从鄂阳页1井、秭地1井、秭地2井和宜地2井中选取陡山沱组和牛蹄塘组页岩样品和页岩裂缝脉体样品,借助岩石热声发射技术测定页岩的突变温度,结合页岩裂缝脉体流体包裹体测温,参考磷灰石裂变径迹资料,分析页岩经历的最高古地温和燕山—喜马拉雅期构造抬升时间以及地层剥蚀厚度,在最高古地温和等效镜质体反射率等古温标参数以及地层剥蚀厚度数据约束下,通过盆地模拟技术,重建陡山沱组和牛蹄塘组页岩层系埋藏—热演化生烃—构造抬升历史。

3.1 最高古地温确定

利用热声发射技术测得的岩石突变温度与岩石经历的最高温度具有可比性(张建坤等,2014)。通过对采自秭地1井、秭地2井、鄂阳页1井和宜地2井的陡山沱组和牛蹄塘组海相页岩共8块岩石的热声发射实验,秭地1井陡山沱组页岩经历的突变温度值为281 ℃,牛蹄塘组页岩经历的突变温度值为277 ℃;秭地2井陡山沱组页岩经历的突变温度值为267 ℃,牛蹄塘组页岩经历的突变温度值为262 ℃;鄂阳页1井陡山沱组页岩经历的突变温度值为273 ℃,牛蹄塘组页岩经历的突变温度值为246 ℃;鄂宜地2井牛蹄塘组页岩经历的突变温度值为241 ℃和244 ℃(图 7)。结果显示鄂西地区震旦系陡山沱组页岩经历的最高古地温约为267~281 ℃,平均为273 ℃;下寒武统牛蹄塘组页岩经历的最高古地温约为241~277 ℃,平均为254 ℃。

图 7 宜昌地区陡山沱组和牛蹄塘组页岩部分样品热声发射突变温度记录结果图 Fig. 7 Acoustic emission maps of some samples from the Doushantuo and Niutitang Formations in Yichang area
3.2 有机质成熟度确定

对陡山沱组和牛蹄塘组高演化过成熟的海相页岩,通过固体沥青反射率、干酪根红外光谱和激光拉曼光谱等测试数据换算等效镜质体反射率,确定有机质的成熟度。对鄂阳页1井(EYY1)、秭地1井(ZD1)、秭地2井(ZD2)等页岩样品的等效镜质体反射率(Ro)换算值见表 2,陡山沱组9个页岩样品的等效镜质体反射率(Ro)换算值分布在3.09%~3.49%,平均值为3.21%,仅有2个页岩样品的等效Ro值大于3.50%。牛蹄塘组页岩固体沥青反射率换算的等效Ro结果显示,有机质成熟度介于2.84%~3.24%之间,平均3.02%;鄂阳页1井、鄂宜页1井、秭地1井和秭地2井等钻井所在地区的牛蹄塘组页岩等效Ro值均小于2.7%,说明牛蹄塘组页岩有机质成熟度处于高演化过成熟阶段早期。结合宜昌地区陡山沱组和牛蹄塘组页岩干酪根红外光谱中CC键谱吸收峰波数,根据“芳环位移律”估算研究区陡山沱组页岩有机质的镜质体反射率介于2.3%~3.3%,牛蹄塘组页岩有机质的镜质体反射率介于1.7%~2.6%,反映陡山沱组页岩有机质热成熟度高于牛蹄塘组,陡山沱组与牛蹄塘组页岩有机质均处于高演化过成熟热阶段早期,与固体沥青反射率换算的等效镜质体反射率具有可比性(图 8)。综合各种方法,鄂阳页1井陡山沱组Ro为2.40%~3.49%,平均值为3.00%;牛蹄塘组为2.17%~2.72%,平均2.69%。

表 2 鄂西地区震旦系陡山沱组与牛蹄塘组实测有机质成熟度统计表 Table 2 Statistics of measured organic matter maturity in the Doushantuo Formation and Niutitang Formation of Sinian system in western Hubei Province

图 8 页岩干酪根红外光谱最小波数(Wmin)与镜质体反射率关系图 Fig. 8 Relationship between minimum wavenumber (Wmin) of infrared spectrum and vitrinite reflectance of shale kerogen

从黄陵背斜及周缘牛蹄塘组页岩热演化程度特征(图 9)可以看出,受黄陵隆起影响,富有机质页岩的埋深较浅,且深埋时间较短,因此热演化程度相对较低,是古老地层页岩气成藏的有利构造部位。

图 9 黄陵背斜及周缘地区下寒武统牛蹄塘组黑色页岩成熟度分布图 Fig. 9 Distribution map of maturity of black shale in the Niutitang Formation of Lower Cambrian in the Huangling anticline and its surrounding areas
3.3 古地温确定

页岩裂缝脉体包裹体记载了其被捕获时成脉环境的流体温度和成分信息,是恢复地层埋藏和抬升过程中古地温的手段,从流体包裹体的岩相学观察和气-液两相盐水包裹体均一温度得出的古地温,结合地层埋藏史和地热史模拟结果,可推测成脉流体活动事件或脉体形成的大致时期并可划分期次(Gao et al., 2017李文等,2018)。用于流体包裹体研究的裂缝脉体样品采自宜昌地区鄂阳页1井陡山沱组和牛蹄塘组页岩层,页岩裂缝脉体样品共8块,其中陡山沱组6块,牛蹄塘组2块,样品基本信息如表 3所示。从鄂阳页1井陡山沱组页岩裂缝石英脉中的气-液两相盐水包裹体均一温度测试结果(图 10)可以看出,石英脉中气-液两相盐水包裹体均一温度主要分布在140~290 ℃之间,峰值分布在150~210 ℃,样品D-12包裹体均一温度主要分布在240~250 ℃(图 10a)。通过对比陡山沱组各深度段页岩裂缝石英脉样品中气-液两相盐水包裹体均一温度的分布情况可以发现,鄂阳页1井陡山沱组页岩裂缝石英脉形成时地层温度较高,说明陡山沱组页岩层系的埋深较大。由陡山沱组石英脉盐水包裹体均一温度与盐度关系图可见(图 10b),宜昌地区鄂阳页1井陡山沱组页岩裂缝石英脉均一温度与盐度没有明显的期次关系,结合盐水包裹体均一温度推测这些页岩裂缝石英脉的形成时间较早,主要形成于燕山期快速构造抬升阶段,距今165~80 Ma。

表 3 鄂阳页1井陡山沱组和牛蹄塘组页岩裂缝脉体样品信息表 Table 3 Information table of shale fractured vein samples from the Doushantuo Formation and Jiutitang Formation in the Eyangye No.1 well

图 10 鄂阳页1井陡山沱组页岩裂缝石英脉中气-液两相盐水包裹体均一温度分布直方图和相关关系图 Fig. 10 Histogram and correlation diagram of homogenization temperature distribution of gas-liquid two-phase brine inclusions in fractured quartz veins of the Doushantuo Formation in the Eyangye No.1 well

鄂阳页1井牛蹄塘组页岩裂缝脉体主要为方解石脉体,脉体中流体包裹体发育相对较少,对鄂阳页1井牛蹄塘组页岩裂缝脉体主要为方解石脉体中气-液两相盐水包裹体的均一温度测试结果表明,页岩裂缝方解石脉中的气-液两相盐水包裹体的均一温度分布在170~270 ℃,可分为170~200 ℃、210~230 ℃和240~270 ℃等温度间隔(图 11),与该井陡山沱组页岩裂缝石英脉样品的盐水包裹体均一温度分布大体相当,判断牛蹄塘组方解石脉与陡山沱组石英脉形成时间同样较早,主要形成于燕山期快速构造抬升阶段,距今165~80 Ma。

图 11 鄂阳页1井牛蹄塘组页岩裂缝方解石脉气-液两相盐水包裹体均一温度分布直方图 Fig. 11 Histogram of homogenization temperature distribution of gas-liquid two-phase brine inclusions in shale fractured calcite vein of the Niutitang Formation in the Eyangye No.1 well
3.4 构造沉降史恢复

地温热年代学已被广泛应用在盆地热史的研究中。许多学者利用磷灰石裂变径迹(AFT)、锆石裂变径迹(ZFT)、磷灰石U-Th/He(AHe)、锆石U-Th/He(ZHe)测试技术开展了黄陵背斜及周缘中新生代地层热史、构造隆升和地层剥蚀研究(沈传波等,2009Xu et al., 2010;Liand Shan, 2011;Hu et al., 2012)。已有研究表明实测年龄值基本在200 Ma以内,其中绝大多数小于150 Ma,黄陵隆起中新生代200 Ma以来主要经历了四个演化阶段,包括两个缓慢冷却阶段(相对地温稳定阶段)和两个快速冷却阶段(快速隆升剥蚀阶段),即200~165 Ma为缓慢冷却阶段、165~80 Ma(大部分样品在120~90 Ma)为快速冷却阶段、80~40 Ma为缓慢冷却阶段、40~30 Ma为快速冷却阶段。结合古地温研究结果,研究区中生代最大埋深时的平均地温梯度取3.0~3.5℃/100 m,可计算中新生代累积地层剥蚀厚度普遍大于4000 m,黄陵隆起剥蚀厚度大于7000 m。根据对黄陵隆起及周缘构造演化、地温及抬升史模拟(图 12),黄陵隆起周缘在震旦纪—古生代—早中三叠世(距今约800~240 Ma)为稳定的构造沉降沉积时期,晚三叠世至早—中侏罗世(距今约240~165 Ma)为快速构造沉降沉积时期,使得震旦系陡山沱组和下寒武统牛蹄塘组页岩层系埋深最大可达7 km,在距今约165 Ma中侏罗世末期至早白垩世中期遭受燕山期主幕构造挤压,黄陵隆起周缘发生了持续的大规模隆升,数千米的古生界至中生界地层被剥蚀,在早白垩世晚至晚白垩世中期再次接受沉积,在晚白垩世距今约80 Ma开始的燕山期—喜马拉雅期构造运动,宜昌地区再次经历挤压抬升和地层剥蚀,形成了围绕黄陵隆起周缘呈环带状分布的从震旦系至古生界及局部残留中生界的沉积盖层。

图 12 黄陵隆起及周缘构造演化、地温和抬升史概略图 Fig. 12 Outline of tectonic evolution, geotemperature and uplift history of the Huangling uplift and its surrounding areas
3.5 生烃演化模拟

以秭地2井为实例,选择岩石热声发射突变温度和页岩裂缝脉体均一温度(陡山沱组页岩经历的最高古地温为267 ℃,牛蹄塘组页岩为262 ℃),综合多种方法确定的页岩有机质的等效镜质体反射率范围(陡山沱组3.09%~3.49%,牛蹄塘为2.84%~3.24%),通过商业一维盆地模软件(BasinMod 1D),重建秭地2井页岩埋藏—热演化生烃—抬升过程模拟,结果见图 13图 14

图 13 秭地2井陡山沱组和牛蹄塘组页岩埋藏—热演化—抬升史模拟重建图 Fig. 13 Reconstruction of shale burial-thermal evolution-uplift history of the Doushantuo and Niutitang Formations in the Zidi No.2 well

图 14 秭地2井陡山沱组和牛蹄塘组页岩模拟镜质体反射率和生烃史演化模拟图 Fig. 14 Simulated vitrinite reflectance and hydrocarbon generation evolution of the Doushantuo and Niutitang shales in the Zidi No.2 well

模拟结果显示,陡山沱组和牛蹄塘组页岩奥陶纪开始生烃,二叠纪进入主生油期,三叠纪为主生气期。陡山沱组页岩原始有机质(干酪根)生成液态油结束于距今约260~250 Ma,天然气生成结束于距今约230~220 Ma,对应模拟页岩有机质镜质体反射率为2.0%;推断原油二次裂解烃类气体生成阶段主要在距今约260 Ma至距今约180 Ma,对应模拟页岩有机质镜质体反射率为2.0%~3.0%,现今模拟页岩有机质镜质体反射率为3.4%~3.5%。下寒武统牛蹄塘组页岩原始有机质(干酪根)生成液态油结束于距今约250 Ma,天然气生成结束于距今约210 Ma,对应模拟页岩有机质镜质体反射率为2.0%;推断原油二次裂解烃类气体生成阶段主要在距今约250 Ma至距今约165 Ma即第一次燕山期大规模构造挤压抬升开始,对应模拟页岩有机质镜质体反射率为2.0%~3.0%。从距今约165~110 Ma燕山期和80~0 Ma燕山—喜马拉雅期两次构造抬升和地层剥蚀阶段为长达约130 Ma的页岩气保存时期。

4 页岩气保存条件

构造保存是页岩气保存的关键因素。页岩气保存取决于页岩的埋藏深度、区域盖层和断裂褶皱发育等因素(郭旭升,2014)。本文也从这3个方面研究鄂西地区震旦系—寒武系页岩气保存条件。

4.1 页岩埋深

受后期构造改造,陡山沱组富有机质泥岩产状围绕黄陵背斜周缘放射状分布,近邻背斜部位较浅,远离背斜核部埋藏较深,埋深范围0~4000 m,鄂西南和荆门—京山地区的向斜构造带以及江汉盆地地区的上述富有机质泥岩埋深较大,一般超过4000 m。牛蹄塘组一般埋深小于3000 m。鄂西南和荆门—京山地区的向斜构造带以及江汉盆地地区的上述富有机质泥岩埋深较大,一般超过4000 m。秭地1井在深度800 m的陡山沱组获得了良好的页岩气显示,说明此深度以下的页岩气具有良好的保存条件。

4.2 区域盖层特征

对于陡山沱组页岩来讲,牛蹄塘组厚度100 m以上的页岩,就是良好的区域盖层;对于牛蹄塘组来讲,上覆的奥陶系庙坡组、志留系龙马溪组泥页岩构成良好的区域盖层,为震旦系陡山沱组和寒武系牛蹄塘组提供了良好的保存环境。

4.3 褶皱和断裂对页岩气保存条件的影响

上述陡山沱组、牛蹄塘组富有机质页岩于志留纪进入生油阶段并逐步到达生油高峰,二叠纪末期进入热裂解生凝析油气阶段,中三叠世晚期达到热裂解生干气阶段,热演化最终于侏罗纪末期定型。晚侏罗世受区域造山作用影响,黄陵背斜上覆构造楔沿志留系页岩滑脱层逆冲变形,周缘的秭归向斜、当阳向斜、长阳背斜、香龙山背斜及张家河背斜等一系列褶皱也随之定形(邓铭哲,2018邓铭哲等,2018)。由于此期构造以逆冲为主,并未对页岩气保存形成较大影响。

古近纪晚期因青藏高原隆升产生的自西向东的挤压作用,极大地改造了先存褶皱,也引起了仙女山断裂系活化及天阳坪断裂系产生(何超枫等,2017邓铭哲等,2018)。张家河背斜北翼沿天阳坪断裂系产生了北东走向的逆冲推覆,导致局部地层倒转,因该断裂主要表现为挤压性质,具有较好的封闭性。位于天阳坪断裂下盘的鄂阳页1井两套页岩获得的重大发现即是例证(图 15);相反地,西南侧的仙女山断裂现今表现为张扭性质,不仅规模大而且切割深,切割地层下至南华系莲沱组上至志留系纱帽组,导致震旦系、寒武系页岩地层含气量急剧降低。西南邻区长地1井(位于仙女山断裂西南侧约2 km)牛蹄塘组黑色页岩现场解析,含气量平均值仅为0.078 m3/t,远远低于鄂阳页1井,可见仙女山断裂的破坏作用极大。

图 15 天阳坪断裂下盘鄂阳页1井页岩气富集成藏模式图 Fig. 15 Shale gas enrichment and accumulation pattern of the Eyangye No.1 well in the footwall of the Tianyangping fault
5 结论

(1)   裂陷海槽沉积控炭。鄂西震旦系陡山沱组和寒武系牛蹄塘组富有机质页岩形成于鄂西裂陷海槽环境,海侵体系域和早期高水位体系域沉积发育了优质页岩甜点层段,裂陷海槽控制了富有机质页岩的分布和岩相类型,进而影响了有机质页岩的有机地化特征。

(2)   古隆起浅埋成岩演化控烃。黄陵隆起在震旦纪—古生代—早中三叠世(800~240 Ma)为缓慢稳定的构造沉降沉积时期,震旦系陡山沱组和寒武系牛蹄塘组富有机质页岩经历了缓慢长期的生油过程;三叠纪盆地发生快速短暂沉降,沉降深度约6000~7000 m,时长小于100 Ma,为页岩气形成的高峰期。因此,古隆起为古老地层页岩气生成提供了合适的热演化程度。

(3)   古隆起+逆冲断裂控藏。黄陵隆起刚性结晶基底、区域性沉积盖层和古隆起周缘逆冲断裂体系,为震旦系陡山沱组和寒武系牛蹄塘组富页岩气藏形成良好的保存条件。

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