摘要
为进一步研究鄂西地区有机质页岩储层差异成因以及对页岩气聚集成藏的影响，为该地区页岩气勘探开发提供地质依据，本文利用典型钻井的岩心及分析测试资料，结合沉积环境和含气性特征，对该地区3套主力含气页岩储层的岩性组合、矿物组成和岩相类型等特征进行对比分析。研究表明：牛蹄塘组富有机质页岩储层以成熟度＞2%的黑色炭质页岩为主，表现为相对低有机质含量，低石英、高黏土、高碳酸盐含量，干酪根类型以II1型为主，岩相整体属于富硅/泥混合质页岩（M-2）；五峰组—龙马溪组富有机质页岩储层以成熟度＞3%的黑色炭/硅质页岩和含炭硅质岩为主，表现为相对低有机质含量，高石英、低黏土、低碳酸岩含量，干酪根类型以 I型为主，岩相整体属于硅质页岩（S-2）；大隆组富有机质页岩储层以成熟度＞ 2%的灰黑色含炭硅质岩、硅质泥岩为主，表现为相对高有机质含量，高石英、低黏土和高碳酸盐含量，干酪根类型以I型为主，岩相整体属于硅质页岩（S-2）。研究区富有机质页岩储层特征及矿物成分的差异性主要受海平面升降持续时间、含氧量以及物源输入等沉积环境的影响，有机质含量是该区富有机质页岩储层页岩气富集的主控因素。
Abstract
In order to further study the causes of the differences in organic-rich shale reservoirs in western Hubei region and their impacts on the accumulation and reservoir formation of shale gas, and to provide a geological basis for the exploration and development of shale gas in this region, this paper uses the core data and analysis and testing data of typical wells, and combines the sedimentary environment and gas-bearing characteristics to conduct a comparative analysis of the lithology combination, mineral composition, and lithofacies types of the three main gas-bearing shale reservoirs in western Hubei region. The research shows that: The organic-rich shale reservoirs of the Niutitang Formation are mainly composed of black carbonaceous shales with a maturity greater than 2%. They are characterized by relatively low organic matter content, low quartz content, high clay content, and high carbonate content. The kerogen type is mainly Type II1, and the lithofacies as a whole belongs to the silicon/mud-rich mixed shale (M-2). The organic-rich shale reservoirs of the Wufeng-Longmaxi Formation are mainly composed of black carbon/siliceous shales and carbonaceous siliceous rocks with a maturity greater than 3%. They show relatively low organic matter content, high quartz content, low clay content, and low carbonate content. The kerogen type is mainly Type I, and the lithofacies as a whole belongs to siliceous shale (S-2). The organic-rich shale reservoirs of the Dalong Formation are mainly composed of grayish-black carbonaceous siliceous rocks and siliceous mudstones with a maturity greater than 2%. They exhibit relatively high organic matter content, high quartz content, low clay content, and high carbonate content. The kerogen type is mainly Type I, and the lithofacies as a whole belongs to siliceous shale (S-2). The differences in the characteristics of organic-rich shale reservoirs and mineral compositions in the study area are mainly affected by sedimentary environments such as the duration of sea-level rise and fall, oxygen content, and provenance input. The organic matter content is the main controlling factor for the enrichment of shale gas in the organic-rich shale reservoirs in this area.
0 引言
页岩气作为一种清洁高效的非常规能源，是湖北省潜在的优势矿种之一。多年的勘探实践表明，鄂西地区具有广阔的页岩气资源前景，是目前中扬子地区最具潜力的非常规油气勘查区之一。鄂西地区发育多套富有机质页岩层系，其中下寒武统牛蹄塘组、上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组和上二叠统大隆组在多个地区获得页岩气重要发现（包书景，2019；张君峰等，2019）。前人围绕鄂西地区这3套富有机质页岩层系开展了大量调查评价工作 （李海等，2016；陈孝红等，2018；刘早学等，2022；吴泽宇等，2023），获取了页岩有机地化、储层物性和含气性等评价参数，并从有机地化、矿物组成、孔渗参数和孔隙结构等方面对鄂西地区这3套富有机质页岩储层分别进行了大量研究（罗超等，2014；焦方正等，2015；何庆等，2019；王秀平等，2019；蔡全升等，2020；谢婷等，2020），但仅从单一层系对页岩储层进行了评价，缺乏垂向上不同层系页岩储层之间的对比分析，有关鄂西地区页岩储层之间差异性特征的研究工作尚且不足。因此，本文以鄂西地区上述 3 套富有机质页岩储层为研究对象，利用各套页岩储层典型钻井（ZD2 井、XD2 井和 ED2 井）的岩心和样品分析测试资料，从岩性组合、矿物组成和岩相类型等方面进行对比分析，并结合沉积环境和含气性特征，探讨各富有机质页岩储层之间差异性特征的成因，对比分析页岩气富集主控因素，从而为鄂西地区页岩气勘探开发提供科学的地质依据。
1 区域地质背景
鄂西地区位于中国南方扬子地块中北部，南接江南—雪峰推覆隆起带，北邻秦岭大别山造山带，西与四川盆地为邻，东靠中扬子荆门—当阳复向斜，主体部分位于湘鄂西褶皱带，西北部的少部分地区处于四川盆地东南缘。在地史演化过程中该区主要经历了沉积盖层发展和陆缘活化两个阶段 （吴龙等，2019），参照变形期次可细分为印支期以前的稳定沉降与间歇性隆升阶段、印支—燕山早期的冲断推覆阶段和燕山晚期的伸展变形阶段（王威，2009）。自寒武系以来，地层经历了多期构造叠加作用，形成现今鄂西地区主体北北东向弧形复背斜带和复向斜带，同时伴随断裂构造发育。以13条北北东、北西及东西向的主要区域大型断裂带为界，可以进一步划分为11个三级、四级构造单元，黄陵背斜和神农架穹隆周缘由于刚性基体的牵制，褶皱构造走向发生不同程度的偏转。该区地质构造整体呈现复杂、多样的特征。牛蹄塘组典型页岩气井 ZD2井位于黄陵背斜东南翼，五峰组—龙马溪组典型页岩气井XD2井位于中央复背斜带，大隆组典型页岩气井ED2井位于花果坪复向斜带（图1）。
图1鄂西地区构造位置图（a）及地质简图（b）
F1—齐岳山断裂带；F2—建始断裂带；F3—恩施断裂带；F4—大青山断裂带；F5—咸丰断裂带；F6—襄广断裂带；F7—阳日断裂带；F8—新华断裂带；F9—仙女山断裂带；F10—天阳坪断裂带；F11—雾渡河断裂带；F12—通城河断裂带；F13—远安断裂带；B1—石柱复向斜；B2—齐岳山复背斜；B3—利川复向斜；B4—中央背斜带；B5—花果坪复向斜；B6—咸丰背斜；B7—神农架背斜；B8—黄陵背斜；B9—秭归复向斜；B10—长阳复背斜；B11—宜都—鹤峰背斜
2 实验分析
本研究样品来源及数量如下：ZD2 井采取牛蹄塘组样品 8块，XD2井采取五峰组样品 4块、龙马溪组样品 9块，ED2井采取大隆组样品 15块。分析测试于2022年由武汉市新生纪科技有限公司完成，测试结果准确性和可靠程度高，分析测试数据展示如下（表1）。此外，还收集了3口钻井岩心的矿物测试数据，具体为 ZD2 井牛蹄塘组 4 块，XD2 井五峰组 7 块、龙马溪组 57块，ED2井大隆组 110块，在后续章节的有机、无机矿物以及岩相类型的特征描述和图件中，展示了相关统计数据。
表1鄂西地区3套主要富有机质页岩储层样品分析测试数据
注：TOC—有机质含量；Ro—有机质成熟度；岩相代号对应的岩相类型参照图5。
2.1 岩性及组合特征
ZD2 井钻井岩心、薄片鉴定和扫描电镜结果显示，牛蹄塘组以灰岩的大量出现可划分为两段（图2），其中一段为一套黑色炭质页岩、含炭泥质粉砂岩组合，底部夹一层灰色中层状粉晶灰岩，主要发育有机孔和粒间溶蚀孔隙（图3d~f）；二段主要为深灰色含炭灰岩与含炭粉砂质泥/页岩互层，发育顺层和斜交层面的方解石脉（图3a~c）。ZD2井富有机质页岩层段主要位于牛蹄塘组一段，区域背景资料及岩性组合特征表明 ZD2 井牛蹄塘组属于深水陆棚相沉积（图2）。
XD2井钻井岩心、薄片鉴定和扫描电镜结果显示，五峰组以黑色含炭硅质岩、硅质页岩和炭质页岩为主，主要发育粒间孔、粒内孔（图3j~l），龙马溪组以黑色炭质页岩为主，中部夹粉砂质页岩，主要发育有机孔、粒间孔（图3g~i）。XD2 井富有机质页岩层段主要位于五峰组和龙马溪组下部，区域背景资料及岩性组合特征表明 XD2 井五峰组—龙马溪组属于深水陆棚相沉积（图2）。
ED2 井钻井岩心、薄片鉴定和扫描电镜结果显示，大隆组主要岩性组合划分为两段：一段主要为灰黑色含炭硅质岩、硅质泥岩，微观结构显示主要发育有机孔（图3p~r）；二段主要为含炭泥灰岩向泥晶灰岩过渡，微观结构显示主要发育微裂缝、晶间孔和收缩缝（图3m~o）。大隆组富有机质页岩主要位于大隆组一段，区域背景资料及岩性组合特征表明大隆组属于台盆相沉积（图2）。
2.2 有机矿物特征
3 口钻井富有机质页岩储层有机地化特征分析测试结果表明（表2，图4e）：在有机质含量上，大隆组有机碳含量（TOC）总体呈现最高，88% 的样品 TOC>4%，平均值为8.74%；牛蹄塘组次之，含量在各区间分布较均匀，TOC平均值为2.22%；五峰组—龙马溪组略低于牛蹄塘组，64% 的样品 TOC位于 1%~2%，平均值为1.93%。在有机质成熟度上，3套有机质页岩储层的有机质镜质体反射率（Ro）都超过 2%，均为过成熟阶段，其中，五峰组—龙马溪组整体最高，70% 以上样品 Ro>3%，平均值为 3.04%；大隆组次之，平均值为 2.68%；牛蹄塘组相对最低，平均值为 2.29%。在干酪根类型上，牛蹄塘组腐殖－腐泥型（II1型）为主；五峰组—龙马溪组和大隆组以腐泥型（I型）为主，少数为腐殖－腐泥型（II1型）。
表2鄂西地区3套主要富有机质页岩储层有机矿物含量及特征对比
注：Є1n—牛蹄塘组；O3w-S1l—五峰组—龙马溪组；P3d—大隆组。
2.3 无机矿物特征
无机矿物主要包括黏土矿物和脆性矿物，总体来看（表3，图4b、d、f），黏土矿物含量以牛蹄塘组最高，大隆组次之，五峰组—龙马溪组最低。主要脆性矿物有石英、长石、方解石、白云石和黄铁矿，其中，石英含量占主体，以大隆组最高，牛蹄塘组最低；碳酸盐岩矿物次之，其中方解石含量略高于白云石含量，以牛蹄塘组最高，五峰组—龙马溪组最低；长石以斜长石为主体，以五峰组—龙马溪组最高，牛蹄塘组最低；黄铁矿含量普遍较低，以牛蹄塘组最高，五峰组—龙马溪组最低。
表3鄂西地区3套主要富有机质页岩储层无机矿物含量对比
注：Є1n—牛蹄塘组；O3w-S1l—五峰组—龙马溪组；P3d—大隆组。
图2ZD2井-XD2井-ED2井目的层综合柱状对比图
2.4 岩相类型
页岩矿物组成特征能有效反映其沉积环境特征，是页岩岩相划分方案的重要依据之一（张号等， 2024）。为直观展示各钻井主要页岩储层的无机矿物含量特征，本文通过黏土矿物（Clay）-碳酸盐矿物 （Carbonate）-硅质（Quartz & Feldspar）三端元（李玉喜等，2011）对研究区的页岩进行成分上的分类，其成分含量按 25%、50%、75% 为界限进行分类，其中三单元成分含量大于 75%，则分别命名为硅质岩、灰岩和黏土岩（图5）。测试结果显示（图5），牛蹄塘组页岩储层矿物含量较为均匀，岩相以混合质页岩 （M）为主。五峰组—龙马溪组和大隆组页岩储层矿物含量以石英和长石为主，岩相类型集中在硅质岩 （S）、硅质页岩（S-2）和富泥硅质页岩（S-3），均以硅质页岩（S-2）居多。其中，硅质岩（S）主要集中在龙马溪组上部和大隆组二段上部，硅质页岩相（S-2） 主要集中在五峰组、龙马溪组下部和大隆组一段，富泥硅质页岩（S-3）主要集中在龙马溪组上部和大隆组二段下部。此外，结合各岩相的含气性，两者体现出一定差距（图6e），其中，五峰组—龙马溪组主要含气页岩储层岩相以硅质页岩（S-2）为主，大隆组则以富泥硅质页岩（S-3）为主。
3 讨论
3.1 页岩储层矿物成分主控因素
鄂西地区 3 套富有机质页岩储层分析结果表明，不同沉积环境中形成的页岩储层在物质组成方面存在较大差异（图4、图5）：牛蹄塘组页岩储层表现为相对低有机质含量，低石英、高黏土、高碳酸盐含量；五峰组—龙马溪组表现为相对低有机质含量，高石英、低黏土、低碳酸岩含量；大隆组表现为相对高有机质含量，高石英、低黏土和高碳酸盐含量。
页岩储层特征主要与有机质有关，有机质的类型、含量受海平面升降持续时间、氧气含量以及物源输入等沉积环境影响。当海平面上升时，由于引入的营养物质增多，促进了生产力的提升，以及水体整体深度增加等原因，导致含氧量下降，深水低氧条件此时又进一步促进了腐泥型（I型）有机质的保存和富集，持续时间的长短决定了有机质富集的规模和程度；当海平面下降时，由于水体整体变浅等原因，含氧量逐渐升高，在没有充足的外界物源输入情况下，有机质容易被氧化或分解，腐殖型 （Ⅱ）有机质的比例相对增加。此外，在无机矿物组成上，海平面升高和缺氧环境有利于蒙脱石等黏土矿物的形成，海平面降低和高氧环境促进了石英和碳酸盐矿物的富集，丰富的物源输入增加了碎屑物质的比例。具体分析如下：
图3鄂西地区3套富有机质页岩储层岩心照片及显微特征
a—ZD2井牛蹄塘组二段典型岩心；b—ZD2井牛蹄塘组二段含炭含粉砂白云质微晶灰岩薄片；c—ZD2井牛蹄塘组二段扫描电镜，黏土矿物粒间孔隙，747.9 m；d—ZD2井牛蹄塘组一段典型岩心；e—ZD2井牛蹄塘组一段含炭含生物屑含粉砂黏土岩薄片；f—ZD2井牛蹄塘组一段扫描电镜，粒内溶蚀孔隙，778.4 m；g—XD2井龙马溪组底部含粉砂条纹炭质页岩；h—XD2井龙马溪组灰黑色含粉砂炭质泥岩薄片；i—XD2井龙马溪组扫描电镜，有机质溶蚀孔，1460.4 m；j—XD2井五峰组含炭硅质岩笔石化石；k—XD2井五峰组灰黑色含粉砂炭质泥岩薄片；l—XD2井五峰组扫描电镜，石英颗粒与黏土共生，粒间孔和石英粒内孔，1515.7 m；m—ED2井大隆组二段含炭泥质灰岩夹微晶灰岩；n—ED2井大隆组二段含炭灰质泥岩薄片；o—ED2井大隆组二段扫描电镜有机质孔隙发育，1214.2 m；p—ED2井大隆组一段含炭硅质岩；q—ED2井大隆组一段含生屑碎屑泥晶灰岩薄片；r—ED2井大隆组一段扫描电镜，孔隙多为粒间孔和裂缝孔隙，见黄铁矿晶间孔及收缩缝，1252.95 m
图4鄂西地区3套主要富有机质页岩储层矿物组成特征
a—有机碳含量分布直方图；b—ZD2井无机矿物含量分布特征；c—有机质成熟度分布直方图；d—XD2井无机矿物含量分布特征；e—有机质类型分布直方图；f—ED2井无机矿物含量分布特征
图5鄂西地区3套主要富有机质页岩储层岩相分布
牛蹄塘组沉积时期海平面依次呈现波动上升—波动下降—快速上升—逐步下降的过程，在牛一段海侵体系域时期，上升的洋流携带了较多的营养物质，此时海洋中氧气含量逐渐降低，随着海平面的波动下降，海洋含氧量逐渐增加；到牛二段海侵体系域时期，海平面的第 2 次上升带来大量营养物质，该时期处于稳定的高海面，持续了较长时间的缺氧状态，随着海平面的再次下降，含氧量再次增加。牛蹄塘组富有机质页岩主要形成于黄陵隆起周缘碳酸盐斜坡向深水陆棚过渡的环境中，整体处于缺氧—贫氧体系（王宁和许锋，2019；段轲等， 2025），但缺氧程度和持续时间小于五峰组—龙马溪组和大隆组，加之纹层相对较发育，来自周缘构造隆起区的钙质和黏土物质补偿相对较多，有机质被无机矿物稀释从而导致有机质含量低于五峰组—龙马溪组和大隆组。五峰组—龙马溪组属于高位体系域时期，海平面经历了由相对上升转为相对下降的过程，水体整体较深，属于强滞留环境，富有机质页岩形成于深水陆棚环境，处于贫氧—缺氧的环境体系中，纹层亦较发育，由于沉积水体缺乏钙质的输入（邱小松等，2013；肖明宏等，2024），呈现高石英含量的特点，加之氧气含量相对较低，导致其生物发育程度不及大隆组，造成有机质含量低于大隆组。大隆组处于台盆相沉积环境，整体处于缺氧的还原环境，由于峨眉山火山灰带来的大量营养物质（谢通等，2024），促进了大隆组的高生产力，随着水体耗氧量增大和大规模海侵，富有机质在极度缺氧—缺氧—贫氧的环境得以保存，钙质随着海平面周期的变化发生间歇性沉积补偿，形成大隆组高石英含量和高有机质的特点（翟常博等，2021）。
3.2 页岩气富集主控因素
页岩气是页岩经过生排烃后，残留在页岩层系中的可燃气体，主要成分为甲烷。页岩储层中页岩气含量主要受以下因素影响（Ross and Bustin，2008； 王祥等，2010）：一是原始有机质含量、类型、成熟度等；二是现今页岩矿物组成特征，包括矿物形态、结构及其提供的主要储集空间大小；三是顶底板封闭性、断裂发育等保存条件。
图6a显示有机质含量与页岩含气量具有较好正相关性，表明有机质含量是影响页岩储层含气量的主控因素。高有机质含量一方面反映原始有机质生排烃的总量相对较高，另一方面提供了大量的有机孔隙，从而增加了页岩的储集空间。等温吸附实验结果（表1）表明，页岩气最大吸附量呈现“大隆组>牛蹄塘组>五峰组—龙马溪组”的规律，大隆组因有机质含量明显高于牛蹄塘组和五峰组—龙马溪组，其最大吸附量是五峰组—龙马溪组和牛蹄塘组的 2~3 倍，此结论也进一步证明有机质含量直接影响了页岩气的储集性能。
有机质类型和无机矿物组成特征对不同层系页岩储层页岩气聚集成藏的影响作用不同。有机质类型反映有机质显微组成结构的不同，而不同的显微组构为页岩气提供的储集空间亦不相同。大隆组和五峰组—龙马溪组有机质类型主要为 I 型，牛蹄塘组有机质类型主要为II1型，对比五峰组—龙马溪组和牛蹄塘组，两者具有近似有机质含量，但含气量无显著差异的特征（图6f），因此笔者认为有机质类型并非决定性因素。无机矿物含量与页岩含气量亦无明显的相关性（图6b~d），低石英含量、高黏土含量的牛蹄塘组和高石英含量、低黏土含量的五峰组—龙马溪组含气量相差不大。此外，即使是岩石矿物组成成分近似的同一岩相类型，如五峰组—龙马溪组和大隆组均为硅质页岩相，其含气性亦存在较大差异（图6e），反映无机矿物组成并非决定性影响因素。
在保存条件上，团队前期已开展过相关研究 （许露露等，2021），研究成果表明，3 套富有机质页岩的顶底板岩性均较致密（图2），受到断裂等构造活动的影响相对较小（图1）。其中，牛蹄塘组顶板为牛二段灰岩和石牌组厚层粉砂质泥岩段，底板为岩家河组灰岩，富有机质页岩多发育在黄陵背斜东南缘，周缘有逆断层天阳坪断裂遮挡；五峰组—龙马溪组顶板为新滩组炭质页岩、含炭粉砂岩，底板为宝塔组致密灰岩，富有机质页岩多发育在中央背斜带向斜核部，远离建始、恩施断裂等主要张性断裂带；大隆组顶板为大冶组一段钙质泥岩、泥质灰岩，底板为下窑组厚层状灰岩，富有机质页岩多发育在花果坪复向斜带内，该向斜平缓宽阔，受到的构造改造强度较弱。
图6牛蹄塘组、五峰组—龙马溪组、大隆组页岩气富集主控因素分析图
a—有机碳含量与含气性的关系；b—硅质矿物含量与含气性的关系；c—黏土矿物含量与含气性的关系；d—碳酸盐矿物含量与含气性的关系； e—岩相类型与含气性的关系；f—有机质类型与含气性的关系
4 结论
鄂西地区 3 套富有机质页岩储层特征差异、形成原因以及含气性主控因素如下：
（1）在岩性组合和有机质特征上，牛蹄塘组以成熟度＞2% 的黑色炭质页岩为主，干酪根类型以 II1型为主；五峰组—龙马溪组富有机质页岩储层以成熟度＞3% 的黑色炭/硅质页岩和含炭硅质岩为主，干酪根类型以I型为主；大隆组富有机质页岩储层以成熟度＞2% 的灰黑色含炭硅质岩、硅质泥岩为主，干酪根类型以I型为主。
（2）在无机矿物含量和岩性类型上，牛蹄塘组表现为相对低有机质含量，低石英、高黏土、高碳酸盐含量，岩相整体属于富硅/泥混合质页岩（M-2）； 五峰组—龙马溪组表现为相对低有机质含量，高石英、低黏土、低碳酸岩含量，岩相整体属于硅质页岩 （S-2）；大隆组表现为相对高有机质含量，高石英、低黏土和高碳酸盐含量，岩相整体属于硅质页岩 （S-2）。
（3）鄂西地区页岩储层特征的差异性与有机质有关，主要受沉积环境的影响。下寒武统牛蹄塘组页岩形成于碳酸盐斜坡向深水陆棚过渡的环境中，上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组页岩形成于深水陆棚相沉积环境中，上二叠统大隆组页岩气形成于台盆相沉积环境中。其中，有机质含量是鄂西地区 3 套富有机质页岩层系页岩气富集的主控因素。
致谢 诚挚感谢湖北省地质调查院页岩气团队和湖北煤炭地质勘查院页岩气团队在鄂西地区近10年的辛苦付出，为本文提供了大量的基础资料和专业指导，特别感谢王亿高级工程师对野外工作的现场支持和指导，同时也感谢匿名审稿专家和编辑部老师提出的宝贵意见。
