中國(guó)南方頁(yè)巖氣勘探評(píng)價(jià)的幾點(diǎn)思考

郭旭升，郭彤樓，魏志紅，張漢榮，劉若冰，柳智利，王 煒

(中石化勘探南方分公司，成都 610041)

中國(guó)南方頁(yè)巖氣勘探評(píng)價(jià)的幾點(diǎn)思考

郭旭升，郭彤樓，魏志紅，張漢榮，劉若冰，柳智利，王 煒

(中石化勘探南方分公司，成都 610041)

中國(guó)南方廣泛發(fā)育下寒武統(tǒng)、下志留統(tǒng)、上二疊統(tǒng)三套海相區(qū)域性富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖，同時(shí)在四川盆地、江漢盆地和蘇北盆地發(fā)育陸相富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖，具備形成頁(yè)巖氣的地質(zhì)條件。但是，與美國(guó)頁(yè)巖氣相比，南方海相頁(yè)巖氣具有多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)疊加改造、熱演化程度高、保存條件復(fù)雜的特點(diǎn)，而陸相泥頁(yè)巖有機(jī)碳含量、孔隙度相對(duì)較低，因此南方頁(yè)巖氣勘探面臨諸多挑戰(zhàn)，不能盲目樂(lè)觀。筆者等對(duì)比研究認(rèn)為，四川盆地海相、陸相是實(shí)現(xiàn)頁(yè)巖氣規(guī)?？碧介_(kāi)發(fā)的現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域，江漢盆地、蘇北盆地陸相可作為南方頁(yè)巖氣勘探的后備領(lǐng)域。

中國(guó)南方;頁(yè)巖氣;勘探評(píng)價(jià)

1 前言

頁(yè)巖氣作為油氣勘探新領(lǐng)域，越來(lái)越受到人們的重視。中國(guó)南方是我國(guó)頁(yè)巖氣勘探評(píng)價(jià)的重點(diǎn)地區(qū)，發(fā)育海相、陸相多套富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖，具備形成頁(yè)巖氣的基本地質(zhì)條件。但與美國(guó)已成功開(kāi)發(fā)的頁(yè)巖氣相比，具有明顯的差異性，面臨諸多挑戰(zhàn)。

2 區(qū)域性海相泥頁(yè)巖及形成頁(yè)巖氣的原始地質(zhì)條件

我國(guó)南方發(fā)育下寒武統(tǒng)、下志留統(tǒng)和上二疊統(tǒng)等多套區(qū)域性海相泥頁(yè)巖［1］，頁(yè)巖氣形成地質(zhì)條件較好。

2.1 下寒武統(tǒng)

下寒武統(tǒng)富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖主要發(fā)育于早寒武世早期，揚(yáng)子克拉通南北兩側(cè)被動(dòng)大陸邊緣盆地。厚度一般為50～500 m，現(xiàn)今殘留面積約90萬(wàn)km2，其中厚度大于50 m的分布面積達(dá)58萬(wàn)km2。

下寒武統(tǒng)富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖有機(jī)碳含量(TOC)在上揚(yáng)子地區(qū)一般為1% ～4%，其中川南、黔西北、湘西較高，一般大于2.0%;在中揚(yáng)子地區(qū)較低，一般為 0.2% ～2.4%;在下?lián)P子地區(qū)一般大于1.0%，在皖南休寧―寧國(guó)―浙西北安吉一帶平均有機(jī)碳含量高達(dá)4.7%左右。有機(jī)質(zhì)類型主要為I型或II1型。有機(jī)質(zhì)熱演化程度高，鏡質(zhì)體反射率Ro一般大于2.0%，四川盆地Ro平均3.4%，中揚(yáng)子地區(qū)Ro最高達(dá)6.28%，下?lián)P子地區(qū)自北西到南東的金湖—巢北沖斷體、沿江沖斷前緣帶和黃橋—如皋沖斷體是Ro大于3.0%的高演化區(qū)。

對(duì)上揚(yáng)子地區(qū)下寒武統(tǒng)富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖地表樣品進(jìn)行氦氣法分析，所得平均孔隙度為1.28% ～16.05%。

2.2 下志留統(tǒng)

下志留統(tǒng)富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖主要發(fā)育于早志留世早期，揚(yáng)子克拉通周圍古隆起所圍限的克拉通內(nèi)坳陷盆地。在上揚(yáng)子地區(qū)主要分布于川東北、川東南―黔北、川西南地區(qū)，厚度一般為40～200 m;在中揚(yáng)子地區(qū)厚度僅35～50 m;在下?lián)P子地區(qū)主要分布在句容―海安―東臺(tái)地區(qū)，厚度40～80 m。

下志留統(tǒng)富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖TOC在中、上揚(yáng)子地區(qū)一般為0.5% ～2.34%，下?lián)P子地區(qū)多大于1%。主要為I型或II1型。有機(jī)質(zhì)熱演化程度高，在四川盆地南部Ro達(dá)到1.83% ～3.26%;中揚(yáng)子地區(qū)Ro西高東低，在2.0% ～3.0%;下?lián)P子地區(qū)沿江沖斷帶、常州一帶、西部巢湖―樅陽(yáng)沖斷體、東南部太湖逆掩構(gòu)造區(qū)的無(wú)錫―長(zhǎng)興一帶Ro大于3.0%，蘇皖地區(qū) Ro大于 4.0%，其余地區(qū) Ro在1.5% ～2.5%。

對(duì)上揚(yáng)子地區(qū)下志留統(tǒng)富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖地表樣品進(jìn)行氦氣法分析，所得平均孔隙度為2.95% ～10.14%。

2.3 上二疊統(tǒng)

揚(yáng)子地塊上二疊統(tǒng)富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖主要發(fā)育在龍?zhí)督M(吳家坪組)和大隆組，分布面積80萬(wàn)km2。在上揚(yáng)子地區(qū)，龍?zhí)督M泥頁(yè)巖主要分布在四川盆地，厚度在30～100 m，大隆組泥頁(yè)巖主要分布于廣元―旺蒼陸棚和城口―鄂西陸棚、開(kāi)江―梁平陸棚內(nèi)，厚度在5～30 m;中揚(yáng)子地區(qū)上二疊統(tǒng)富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖主要分布于荊門(mén)―京山―仙桃―潛江地區(qū)，厚度在20～40 m;下?lián)P子地區(qū)龍?zhí)督M泥頁(yè)巖的厚度在50～200 m，大隆組泥頁(yè)巖厚度一般在20～50 m。除揚(yáng)子地塊外，在湘桂地塊，上二疊統(tǒng)富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖也較發(fā)育，主要分布于南盤(pán)江―桂中―相中地區(qū)，厚度一般為50～200 m。

上二疊統(tǒng)富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖TOC在上揚(yáng)子地區(qū)大多為0.5% ～4%，中揚(yáng)子地區(qū)一般為1.0% ～1.5%，下?lián)P子地區(qū)平均為1.96%，南盤(pán)江―桂中―相中地區(qū)一般為1.0% ～3.0%。

上二疊統(tǒng)有機(jī)質(zhì)熱演化程度較高，上揚(yáng)子地區(qū)和南盤(pán)江―桂中―相中地區(qū)一般為1.3% ～3.0%，中揚(yáng)子地區(qū)一般為0.8% ～3.0%，下?lián)P子地區(qū)一般為1.5% ～2.9%，南盤(pán)江—桂中—相中地區(qū)一般為1.3% ～4.0%。

3 三大盆地發(fā)育陸相泥頁(yè)巖

中、晚三疊世發(fā)生的印支運(yùn)動(dòng)，使中國(guó)南方結(jié)束了海相沉積，從此轉(zhuǎn)入陸內(nèi)盆地發(fā)育演化階段，在四川盆地、江漢盆地、蘇北盆地發(fā)育了陸相富含有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖。

3.1 四川盆地

四川盆地陸相富含有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖主要發(fā)育于中下侏羅統(tǒng)，包括下侏羅統(tǒng)自流井組東岳廟段、馬鞍山段、大安寨段和中侏羅統(tǒng)千佛崖組中下部，為淺湖—半深湖相沉積，主要分布于川東北地區(qū)。東岳廟段富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖厚度為40～100 m，馬鞍山段為20～60 m，大安寨段為40～60 m，千佛崖組為40～100 m。

在之前的幾個(gè)月里，S2一直在惴惴不安地奔向它距銀河系中心最近的位置。這一過(guò)程讓我們重新認(rèn)識(shí)了極端環(huán)境下的引力行為，也為我們研究銀河系大本營(yíng)中的這個(gè)不可見(jiàn)怪獸的性質(zhì)提供了線索。

東岳廟段富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖TOC為0.51% ～11.82%，平均 2.09%;馬鞍山段為 0.57% ～0.67%，平均 0.62%;大安寨段為 0.58% ～3.64%，平均 1.2%;千佛崖組為 0.74% ～2.05%，平均1.15%。有機(jī)質(zhì)類型以 II2型、III型為主，少量為II1型、I型，總體以II2型最多。有機(jī)質(zhì)演化程度適中，均主要處于凝析油—濕氣的高成熟階段，Ro主要為1.0% ～1.8%。

對(duì)東岳廟段富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖巖心樣品進(jìn)行氦氣法和GIR法分析，所得平均孔隙度為2.49% ～3.28%;馬鞍山段為 2.01% ～2.07%;大安寨段為4.23% ～4.68%;千佛崖組為4.08%。

3.2 江漢盆地

江漢盆地陸相富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖主要發(fā)育在古近系，包括新溝咀組下段和潛江組，主要分布在江陵凹陷、潛江凹陷、小板凹陷、陳沱口凹陷等，為鹽湖沉積。新溝咀組下段富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖厚度為50～112 m，潛江組為200～723 m。潛江組和新溝咀組下段TOC含量一般在1.0%左右。潛江組有機(jī)質(zhì)類型以I型、II1型為主;新溝咀組下段以II1型和II2型為主。江漢盆地古近系Ro變化范圍較大，一般在0.6% ～2.0%，演化程度相對(duì)較高的地區(qū)主要集中分布在江陵、潛江、小板三個(gè)地區(qū)。

3.3 蘇北盆地

蘇北盆地陸相富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖主要發(fā)育在古近系阜寧組二段和四段，主要分布在金湖凹陷、高郵凹陷、鹽城凹陷等，屬淺湖—半深湖相沉積。泰阜寧組二段富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖厚度為100～250 m，阜寧組四段為80～200 m。泰州組二段富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖TOC平均為1.28%，阜寧組二段為1.59%，阜寧組四段為1.22%。有機(jī)質(zhì)類型以I型和II1型為主。Ro變化范圍較大，為0.5% ～1.81%。富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖孔隙度較低，分布在0.34% ～1.28%。

4 區(qū)別于美國(guó)頁(yè)巖氣勘探的顯著特點(diǎn)

中國(guó)南方頁(yè)巖氣應(yīng)以熱成因?yàn)橹?，與美國(guó)已成功開(kāi)發(fā)的熱成因的 Barnett，F(xiàn)ayetteville，Woodford，Haynesville，Marcellus頁(yè)巖氣相比，具有明顯的差異性。

4.1 海相泥頁(yè)巖熱演化程度偏高，多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)疊加改造強(qiáng)烈，頁(yè)巖氣保存條件復(fù)雜

美國(guó)已開(kāi)發(fā)的熱成因頁(yè)巖氣層Ro均小于4.0%(見(jiàn)表 1)，一般為 1.1% ～3.0%［2］;南方海相Ro一般大于2.0%，局部地區(qū)大于4.0%，熱演化程度偏高。頁(yè)巖氣賦存的熱演化程度上限目前尚無(wú)定論，但川西南研究資料顯示，Ro高達(dá)3.7% ～4.5%的下志留統(tǒng)龍馬溪組頁(yè)巖，其離子束拋光掃描電鏡分析表明有機(jī)質(zhì)孔隙豐富(見(jiàn)圖1)，等溫吸附試驗(yàn)(見(jiàn)圖2)說(shuō)明吸附能力較強(qiáng)，亦即高熱演化程度頁(yè)巖也具有較好的頁(yè)巖氣賦存條件。

表1 美國(guó)主要熱成因頁(yè)巖氣層Ro統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistics on Roof thermogenic shale gas in U.S.

圖1 雷波芭蕉灘剖面龍馬溪組泥頁(yè)巖掃描電鏡照片F(xiàn)ig.1 Sem photographs of shale stones in Longmaxi formation from Bajiaotan cross section in Leibo County

熱演化程度不是頁(yè)巖氣賦存的關(guān)鍵因素，其關(guān)鍵在于高熱演化頁(yè)巖一般生氣高峰或熱演化定型較早，頁(yè)巖氣層形成后經(jīng)歷的改造時(shí)間長(zhǎng)，這給頁(yè)巖氣的保存帶來(lái)了風(fēng)險(xiǎn)。

圖2 雷波芭蕉灘剖面龍馬溪組泥頁(yè)巖等溫吸附試驗(yàn)Fig.2 Lsothermal adsorption tests on shale stones in Longmaxi formation from Bajiaotan cross section in Leibo County

與北美陸臺(tái)在歷次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)中未受巨大變動(dòng)不同，多陸塊、地塊拼合形成的統(tǒng)一中國(guó)南方大陸經(jīng)歷了多期次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)疊加改造，隆升剝蝕強(qiáng)烈，斷裂極其發(fā)育，導(dǎo)致保存條件復(fù)雜。與北美頁(yè)巖氣評(píng)價(jià)較少涉及保存條件不同，生氣高峰或熱演化定型后的構(gòu)造—保存條件是南方海相頁(yè)巖氣評(píng)價(jià)的重點(diǎn)內(nèi)容。

利用BasinMOD 1－D盆模軟件，對(duì)南方海相不同類型構(gòu)造—沉積區(qū)的各套泥頁(yè)巖埋藏史和熱史進(jìn)行了模擬，推斷南方海相下寒武、下志留、上二疊統(tǒng)泥頁(yè)巖主要在印支期―燕山期達(dá)到生氣高峰，在印支期―喜山早期熱演化定型。印支運(yùn)動(dòng)以來(lái)的多期抬升剝蝕、斷層活動(dòng)，使南方海相油氣保存條件發(fā)生分異。

印支期區(qū)域隆升剝蝕使揚(yáng)子地塊東南緣、華南褶皺帶及華夏地塊剝蝕強(qiáng)烈，中三疊統(tǒng)幾乎剝蝕殆盡，上三疊統(tǒng)普遍以角度不整合覆于下三疊統(tǒng)或古生界及元古界之上;燕山期及其以后是中國(guó)南方剝蝕作用最為強(qiáng)烈的時(shí)期，上揚(yáng)子區(qū)四川盆地陸相地層遭受強(qiáng)烈剝蝕，中下?lián)P子地區(qū)三疊統(tǒng)—侏羅系除陸相地層遭受剝蝕僅局部殘留外，其海相層系遭受肢解，殘留不均勻剝蝕，除上述地區(qū)外，中國(guó)南方其他地區(qū)僅局部殘留陸相地層，海相地層剝蝕強(qiáng)烈。

經(jīng)過(guò)多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)疊加改造后，中國(guó)南方斷層發(fā)育，有形成時(shí)間較早的主干斷層(構(gòu)造邊界大斷層和一些長(zhǎng)期活動(dòng)的深斷裂)以及晚期發(fā)育的大量張性正斷層。平面上，主干斷層在大巴山、大洪山逆沖褶皺帶，中揚(yáng)子江漢盆地、湘鄂西地區(qū)，下?lián)P子蘇皖南斷塊區(qū)、江南隆起懷玉山、雪峰構(gòu)造帶，滇黔桂大部分地區(qū)十分發(fā)育，一般5～10條，多的可達(dá)15條，如雪峰構(gòu)造帶南緣、康滇隆起區(qū);而四川盆地、婁山斷褶帶、蘇皖北斷塊區(qū)、湘中桂東北斷褶帶、桂中坳陷則相對(duì)發(fā)育較少，一般2～3條(見(jiàn)圖3)。晚期正斷層則主要發(fā)育在以齊岳山斷層向南西經(jīng)遵義北、六盤(pán)水、曲靖抵康滇隆起一線以東的地區(qū)，以西為正斷層不發(fā)育區(qū)。

綜合斷裂、剝蝕和蓋層條件，南方海相頁(yè)巖氣保存條件有利的地區(qū)是四川盆地及其周緣(見(jiàn)圖4)。保存條件較好的地區(qū)包括江漢盆地、蘇北盆地、黔中隆起及其周緣、南盤(pán)江坳陷、桂中坳陷、湘中坳陷和十萬(wàn)大山盆地。

圖3 中國(guó)南方中、古生界主干斷裂平面分布圖Fig.3 Main faults distribution of Mesozoic and Paleozoic in southern China

圖4 南方海相頁(yè)巖氣保存有利單元綜合評(píng)價(jià)圖Fig.4 Units favorable for marine shale gas preservation in southern China

南方海相頁(yè)巖氣原始地質(zhì)條件較好，四川盆地及其周緣保存條件較好，是南方海相頁(yè)巖氣規(guī)?？碧介_(kāi)發(fā)現(xiàn)實(shí)區(qū)。

4.2 陸相泥頁(yè)巖TOC、孔隙度相對(duì)較低

四川盆地中下侏羅統(tǒng)、江漢盆地古近系、蘇北盆地白堊系―古近系頁(yè)巖氣保存條件較好，已勘探開(kāi)發(fā)眾多致密儲(chǔ)層油氣田。但與美國(guó)已成功開(kāi)發(fā)的熱成因頁(yè)巖氣相比，TOC、孔隙度相對(duì)較低。

美國(guó)已開(kāi)發(fā)的熱成因頁(yè)巖氣層TOC一般大于2.0%(見(jiàn)表 2)，總孔隙度一般為 3.0% ～8.0%［2］;南方三大陸相盆地 TOC 平均在 1.0% ～2.0%，總孔隙度除四川盆地川東北地區(qū)大安寨段、千佛崖組外，均明顯偏低。

表2 美國(guó)主要熱成因頁(yè)巖氣TOC、總孔隙度統(tǒng)計(jì)表Table 2 Statistics on TOC，total porosity for thermal-genic shale gas in U.S.

南方陸相TOC明顯偏低，可能與南方陸相湖盆范圍相對(duì)局限、沉積速率較快、有機(jī)質(zhì)被稀釋有關(guān)，具體原因尚待進(jìn)一步評(píng)價(jià)研究。

富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖中孔隙包含有機(jī)孔和無(wú)機(jī)孔兩部分，其孔隙度影響因素較多。南方陸相孔隙度明顯偏低，一方面與TOC明顯偏低相對(duì)應(yīng)，在熱演化程度相同的情況下，有機(jī)孔隙發(fā)育與TOC呈正相關(guān)關(guān)系;另一方面，與熱演化程度相關(guān)，Jarvie等(2010年)研究認(rèn)為，隨著有機(jī)碳向烴類和碳質(zhì)殘?jiān)D(zhuǎn)化，孔隙空間將會(huì)顯著增加(見(jiàn)圖5)［3］。四川盆地富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖孔隙度較高，可能與其較高的熱演化程度相關(guān)。泥頁(yè)巖中無(wú)機(jī)孔應(yīng)該與礦物成分和成巖作用相關(guān)。

南方三大盆地陸相泥頁(yè)巖中，四川盆地中下侏羅統(tǒng)具有適中的熱演化程度和較高的孔隙度，勘探開(kāi)發(fā)潛力較大。

4.3 地表?xiàng)l件復(fù)雜

頁(yè)巖氣的勘探開(kāi)發(fā)需要大規(guī)模的壓裂，因此對(duì)地表?xiàng)l件要求比較苛刻。

圖5 有機(jī)質(zhì)含量、轉(zhuǎn)化率與孔隙空間的關(guān)系Fig.5 Relations between TOC，conversion ratio and pore space

美國(guó)本土的地形特征是東西兩側(cè)高，中間低，沒(méi)有東西走向的山脈。東部為阿巴拉契亞山脈和大西洋沿岸低地，西部屬科迪勒拉山系，中部為大平原，從北到南貫穿整個(gè)美國(guó)中部，約占美國(guó)國(guó)土面積的二分之一。而我國(guó)南方地區(qū)中高山地形多，海拔落差較大，局部的丘陵、平原地區(qū)亦湖泊眾多、水網(wǎng)發(fā)達(dá)，總體地表?xiàng)l件復(fù)雜，為頁(yè)巖氣勘探與開(kāi)發(fā)帶來(lái)一定困難。

地形在一定程度上是以地質(zhì)構(gòu)造為基礎(chǔ)的。中國(guó)南方復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造決定了中國(guó)南方地形復(fù)雜。

5 結(jié)語(yǔ)

中國(guó)南方地區(qū)海相、陸相多層系均具備頁(yè)巖氣形成的地質(zhì)條件，但同樣面臨諸多挑戰(zhàn)，不能盲目樂(lè)觀。因此:

1)南方海相頁(yè)巖氣勘探評(píng)價(jià)要把泥頁(yè)巖生烴史與保存條件作為選區(qū)的首要條件;

2)四川盆地海相、陸相頁(yè)巖氣是實(shí)現(xiàn)中國(guó)南方頁(yè)巖氣規(guī)?？碧介_(kāi)發(fā)的現(xiàn)實(shí)地區(qū);

3)江漢盆地、蘇北盆地可作為南方頁(yè)巖氣勘探的后備領(lǐng)域。

［1］馬永生，陳洪德.中國(guó)南方構(gòu)造——層序巖相古地理圖集［M］.北京:科學(xué)出版社，2009.

［2］董大忠，鄒才能，李建忠，等.頁(yè)巖氣資源潛力與勘探開(kāi)發(fā)前景［J］.地質(zhì)通報(bào).2011，30(2/3):324－336.

［3］Daniel M Jarvie.Shalle gas:making gas and oil from shale resouse system［R］.USA:Dalas Geological Society，2010.

Thoughts on shale gas exploration in southern China

Guo Xusheng，Guo Tonglou，Wei Zhihong，Zhang Hanrong，Liu Ruobing，Liu Zhili，Wang Wei

(Southern Exploration Branch，SINOPEC，Chengdu 610041，China)

There are extensively three sets of marine regional organic-rich shale stones in southern China as lower Cambrian，lower Silurian and upper Permian and also continental organic-rich shale stones in Sichuan Basin，Jianghan Basin and Subei Basin，possessing geological conditions to creating shale gas.Meanwhile，comparing with those in U.S.，the shale gas in southern China is featured by multiple superimposition and reforms by structural movements，high Ro，complicated preserving conditions while the TOC and porosity of continental shale stones are relatively lower.Therefore，many challenges are faced for shale gas explorations in southern China and blind optimism should be avoided.The authors consider that the marine and continental shale stones are the realistic fields to realize shale gas exploration and development with large scales and the continental shale stones in Jianghan Basin，Subei Basin can be taken as the mothball field for shale gas exploration in southern China.

southern China;shale gas;exploration evaluations

TE132

A

1009－1742(2012)06－0101－05

2012－04－09

郭旭升(1965—)，男，山東菏澤市人，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)槭偷刭|(zhì)綜合研究勘探管理;E－ mail:guoxs.ktnf@sinopec.com