鄂西渝东区上二叠统吴家坪组页岩气地质条件及勘探潜力

梁西文，李 乐

(中国石化 江汉油田分公司 勘探开发研究院，武汉 430223)

上二叠统是中国南方扬子地台古生界4套区域性海相烃源岩层系之一[1-3]，也是继上奥陶统—下志留统页岩气形成商业开发规模后的另一重点勘探层系。层系中的龙潭组(对应研究区吴家坪组)早期即被认为具有良好的页岩气勘探开发前景[4]。聚焦于龙潭组页岩，近10年中大量的勘探实践工作在各地依序展开，涉及的区域包括下扬子地块中的苏北—苏南地区[5-6]和皖南地区[7-8]，以及中上扬子地块中的湘东南—湘中[9-13]、川东—川南[14-18]、黔西北—黔西南[19-25]、鄂西[26-30]和滇东地区[31]。

上述各地的龙潭组中均展现了一定的页岩气资源潜力，部分地区亦已取得了重要发现。据《页岩气藏描述技术规范：NB/T 14001—2015》，Ⅱ类页岩储层含气量以1.5 m3/t为界线，黔西北(解吸气量平均6.65 m3/t)[23]、滇东(总含气量2.91 m3/t)[31]、黔西(总含气量0.89～5.057 m3/t)[32]及皖南地区(平均含气量1.75 m3/t)[33]的龙潭组已展现出了可观的页岩气勘探开发前景。对于鄂西渝东区，早期研究已显示上二叠统吴家坪组具备页岩气成藏条件[34]，但其页岩气勘探开发潜力及前景仍不明确。鉴于此，中国石化江汉油田分公司在鄂西渝东区内红星地区的川东高陡褶皱带石柱复向斜建南构造上部署及实施了Jy3井的钻探。针对吴家坪组进行了系统取心及分析化验测试，同时结合前期地震、测井及录井等资料，进一步落实该区吴家坪组页岩气勘探潜力，以期为新层系页岩气勘探开发突破提供基础。

1 地质背景

鄂西渝东区的地理范围从湖北省西部的利川市延伸至重庆市东部的万州区(图1)。该区构造上位于中扬子及上扬子地块交界处[35]，整体处于川东断褶带及湘鄂西隆起带之间。自西向东区内发育万县复向斜、方斗山高陡复背斜、石柱复向斜、齐岳山高陡复背斜以及利川复向斜5个次级构造单元[36-38]。

本研究范围包括鄂西渝东区西部的复兴地区及东部的红星地区(图1)，其中复兴地区整体坐落于万县复向斜之上，红星地区则横跨方斗山复背斜及利川复向斜之间。区内二叠系保存完整，与下伏的泥盆系—石炭系呈平行不整合接触关系[39]，与上覆的三叠系呈整合接触关系。按中国南方二叠系三分方案[40]，由下至上，中二叠统包括栖霞组及茅口组，上二叠统则包括吴家坪组及长兴/大隆组。吴家坪组与下伏的茅口组多呈平行不整合接触，与上覆的长兴组为整合接触关系。根据沉积旋回，研究区吴家坪组又可分为吴一段及吴二段2个次一级单元。其中，吴一段主要由厚层灰岩、薄—中层泥页岩及薄层煤层组成；吴二段则由厚层泥页岩及中—薄层灰岩组成，该段中的厚层泥页岩为本研究聚焦之所在。

2 沉积相与泥页岩展布

基于区内录井、测井及分析化验资料，结合周缘已有的研究认识，对鄂西渝东地区吴二段沉积相及泥页岩展布特征进行了研究。

吴二段沉积相在平面上呈现出规律性的过渡转变，整体为不规则的带状展布样式(图2)，由南西至北东依次为滨岸沼泽相、潮坪相、开阔台地相、斜坡—浅水陆棚相和深水陆棚相。其中，綦江西南一带为滨岸沼泽沉积区，重庆—綦江—南川一带为潮坪沉积区，垫江—丰都—涪陵—彭水一带为开阔陆棚碳酸盐岩(灰岩)沉积区，石柱一带主要为斜坡浅水陆棚泥页岩沉积区，梁平—万州—利川—建始—恩施—鹤峰一带则为深水陆棚泥页岩沉积区。

图1 鄂西渝东及其邻区主要构造单元划分 据文献[36]，有修改。Fig.1 Tectonic units in western Hubei and eastern Chongqing and its adjacent areas

图2 鄂西渝东区上二叠统吴家坪组吴二段沉积相及页岩厚度等值线Fig.2 Sedimentary facies and shale contour map of second member of Upper Permian Wujiaping Formation in western Hubei and eastern Chongqing

鄂西渝东区的吴二段页岩整体为深水陆棚及斜坡浅水陆棚环境下的产物，其厚度由南西至北东整体呈现出渐厚趋势(图2)。对于红星地区，吴二段页岩为深水陆棚环境下的产物，厚度较大，介于10～30 m，纵向连续性较好，仅底部见中—薄层灰岩(图3)。吴二段在红星地区最南部靠近石柱地区沉积于斜坡浅水陆棚环境之中，页岩厚度相对减薄，普遍小于15 m。对于复兴地区，吴二段页岩厚度变化趋势与红星地区类似，整体由东向西出现减薄趋势，厚度介于5～20 m。

图3 鄂西渝东区上二叠统吴家坪组吴二段地层连井剖面对比 对比路线见图2。Fig.3 Cross well stratigraphic correlation section of second member of Upper Permian Wujiaping Formation in western Hubei and eastern Chongqing

3 页岩品质与含气性

3.1 矿物组成

吴二段32件页岩样品选送至江汉油田分公司勘探开发研究院开展全岩X射线粉晶衍射分析。实验数据显示：岩石主要由石英、黏土矿物及方解石3类矿物组成(图4)，黄铁矿及白云石在局部含量相对较高，长石含量整体较低，偶见菱铁矿及重晶石。其中，石英含量介于12.5%～83.2%，平均43.1%；黏土矿物含量介于6.1%～67.1%，平均21.95%；方解石含量介于0～61.5%，平均17.2%；黄铁矿含量介于1%～20.5%，平均8.3%；白云石含量介于0～49.7%，平均5.1%；长石含量介于0～8.7%，平均3.8%。

3.2 地球化学特征

吴二段31件页岩岩样选送至江汉油田分公司勘探开发研究院开展碳硫分析。实验数据显示：样品总有机碳含量介于1.16%～28.94%，平均8.77%(图4)；87%的样品(27件)总有机碳含量均大于4%，达到《页岩气藏描述技术规范：NB/T 14001—2015》中I类指标范畴，I类总有机碳含量值样点主要集中于层段中部，纵向连续厚度超过10 m(3 296.0～3 306.5 m)；9.7%的样品(3件)总有机碳含量介于2%～4%，达到Ⅱ类指标范畴。

3件页岩岩样选送至中国石化石油勘探开发研究院无锡石油地质研究所开展有机岩石学分析。实验数据显示：有机质以腐泥组(分别为75%，67%，71%)和贫氢次生组分(分别为25%，30%，24%)为主，可见少量动物有机碎屑(分别为0，3%，5%)，壳质组、镜质组及惰质组均极为鲜见。藻类体大部分已发生降解，残余结构显示存在层状藻及结构藻。可见沥青质体分散分布在页岩中，局部存在富集现象，另亦可见固体沥青充填于微裂缝之中。根据干酪根类型指数算式(TI=100×腐泥组+50×壳质组-75×镜质组-100×惰质组)，吴二段页岩的类型指数为67～75，归属于Ⅱ1型干酪根。

2件页岩样品选送至无锡石油地质研究所进行全岩反射率测定。实验数据显示：2件样品的沥青反射率(Rb)均值分别为2.56%和2.69%。由公式Ro=0.656 9×Rb+0.336 4转换所得镜质体反射率(Ro)介于2.02%～2.10%，平均为2.06%，指示吴二段页岩已进入过成熟演化阶段。

3.3 储集特征

吴二段17件页岩岩样选送至江汉油田分公司勘探开发研究院开展孔隙度分析，实验结果显示：氦气孔隙度介于3.03%～9.88%，平均为5.59%(图4)；88%的样品(15件)孔隙度大于4%，达到Ⅰ类指标范畴，高孔隙度层段同样集中于层段中部，以3 300.64 m为界可分出3 292～3 300 m及3 301～3 309 m两个连续Ⅰ类储集厚度段；另12%的样品(2件)孔隙度在2%～4%之间，达到Ⅱ类指标范畴。

图4 鄂西渝东区Jy3井上二叠统吴家坪组吴二段综合地质评价Fig.4 Comprehensive geological evaluation of second member of Upper Permian Wujiaping Formation in well Jy3, western Hubei and eastern Chongqing

6件页岩岩样选送至无锡石油地质研究所进行氩离子抛光扫描电镜观察。观察结果显示：页岩中的孔隙主要由有机质提供，孔径主要介于50～100 nm，无机矿物粒间孔及粒内孔较为少见。有机质孔的发育受控于干酪根显微组分类型，其中，高等植物组分内基本不发育有机质孔(图5a，b)，腐泥组发育簇状孔(图5a)，固体沥青中发育蜂窝及气泡状孔(图5c,d)。

3.4 含气性

在钻井液密度1.27～1.30 g/cm3条件下，Jy3井吴二段页岩取心层段气测全烃值介于1.27%～5.98%(图4)。16块页岩岩样于现场由江汉油田分公司勘探开发研究院开展了含气量测试。测试结果显示：解吸气量介于0.55～3.48 m3/t，平均1.77 m3/t。总含气量介于0.85～6.99 m3/t，平均3.73 m3/t，其中81%的样品(13件)的总含气量大于2.5 m3/t，达到Ⅰ 类含气性指标范畴，纵向连续厚度约9 m(3 296～3 305 m)，6%的样品(1件)介于1.5～2.5 m3/t，达到Ⅱ 类含气性指标范畴。结合Jy3井在吴二段发生的后效显示(由0.01%提至12.46%)，表明该层段页岩具有优越的含气性条件。

4 保存条件

研究区内包含多个复背斜及复向斜，其中，红星地区所在的石柱复向斜中由北东至南西依次发育龙驹坝、建南及茶园坪—盐井3个正向构造单元。其中，龙驹坝构造位于复向斜北部，为高陡背斜构造，变形程度强，断裂发育程度高(图6a)。建南构造位于复向斜中部，为一箱状背斜，具有构造宽缓及变形程度弱的特点(图6b)。茶园坪—盐井构造位于复向斜南部，为断鼻—断背斜构造，变形程度中等。复兴地区所在的万县复向斜中由东向西依次发育拔山寺和梁平向斜，二者均为平底向斜，构造宽缓；其余均为高陡背斜构造，构造变形强，内部断裂极为发育。

吴二段泥页岩与顶底部地层均为整合接触关系，其中底部的吴一段下部发育一套厚层致密灰岩，厚度一般大于8 m(图3)；上部发育长兴组致密灰岩，厚度普遍大于40 m，顶底两套致密灰岩横向覆盖面积均较为广泛。此外，多口钻井中顶底灰岩层段内的全烃气测值均极低，表明二者具有优良的封隔性能。

综合上述分析，鄂西渝东区红星地区的建南构造与复兴地区的拔山寺向斜和梁平向斜构造变形程度及断裂发育程度低，配合顶底厚层致密灰岩的发育，整体具有优良的保存条件。

图5 鄂西渝东区上二叠统吴家坪组吴二段页岩中的有机质孔Fig.5 Organic pores in second member of Upper Permian Wujiaping Formation in western Hubei and eastern Chongqing

图6 鄂西渝东区石柱复向斜龙驹坝构造(a)及建南构造(b)地震剖面 剖面位置见图1。Fig.6 Seismic profiles of Longjuba structure (a) and Jiannan structure (b) of Shizhu syncline in western Hubei and eastern Chongqing

5 埋深条件及资源规模

地震资料显示：红星地区吴家坪组页岩埋深整体介于2 000～6 000 m，局部浅于1 000 m。埋深小于4 500 m的区域面积为1 500 km2。其中，中部至南部建南构造及盐井构造所在区域所占面积最广，为1 100 km2；北部龙驹坝构造所占区域次之，为400 km2(图7)。复兴地区吴家坪组页岩埋深普遍介于5 000～5 500 m，埋深小于4 500 m的区域主要存在于区内中部及西南部的高陡背斜带，面积约400 km2；此外，区内东北角一带存有100 km2左右埋深小于5 000 m的区域。

鉴于工程可动用条件，本研究仅对埋深小于4 500 m有利区面积采用体积法(计算公式Qt=0.01S×H×ρ×G)进行了资源量的初步计算，公式中页岩厚度(H)的获取依据本研究中页岩厚度平面图，密度(ρ)依据多口钻井中测井参数，含气量(G)依据本研究中现场实测数据。以页岩厚度(大于15 m)、埋深条件(小于4 500 m)、地面条件及保存条件综合获得研究区的页岩气有利区面积并计算资源量。其中，红星地区吴二段有利区面积合计905 km2，资源量为2 609.8×108m3；复兴地区虽存在埋深小于4 500 m及页岩厚度大于15 m的区域，但均位于高陡背斜带，不利于水平井钻井及后期井组部署。综合以上分析，红星地区被评估为鄂西渝东区内页岩气勘探开发的最有利区带。

6 结论

鄂西渝东区上二叠统吴家坪组吴二段发育深水陆棚及斜坡—浅水陆棚相富有机质泥页岩，厚度>介于5～30 m，整体呈现西薄东厚的变化特征。

图7 鄂西渝东区吴家坪组底界埋深Fig.7 Burial depth of Wujiaping Formation in western Hubei and eastern Chongqing

吴二段深水陆棚相页岩主要由石英、黏土矿物及方解石3类矿物组成；有机质类型归属于Ⅱ1型，有机质丰度高，已进入过成熟热演化阶段；岩石孔隙性优良，有机质孔极为发育，无机矿物孔相对少见；岩石含气性良好。

红星地区吴二段页岩厚度大，构造变形程度弱，且裂缝发育程度低，顶底板封隔条件优良，埋深整体介于2 000～6 000 m。埋深小于4 500 m页岩面积在鄂西渝东区内最广，资源量最为丰富，有望成为页岩气勘探开发的接替区块及层系。