蘇北地區(qū)上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M頁(yè)巖氣形成條件及有利區(qū)預(yù)測(cè)

章亞 （中石化江蘇油田分公司地質(zhì)科學(xué)研究院，江蘇 揚(yáng)州225009）

劉小平，董清源 （中國(guó)石油大學(xué) （北京）地球科學(xué)學(xué)院，北京102249）

丁衛(wèi)星，李華東，劉世麗，段宏亮 （中石化江蘇油田分公司地質(zhì)科學(xué)研究院，江蘇 揚(yáng)州225009）

董謙 （中國(guó)石油大學(xué) （北京）地球科學(xué)學(xué)院，北京102249）

頁(yè)巖氣是一種非常規(guī)油氣，勘探開(kāi)發(fā)最初始于美國(guó)，20世紀(jì)80年代，美國(guó)頁(yè)巖氣的勘探開(kāi)發(fā)得到快速發(fā)展，產(chǎn)量逐年上升，成為美國(guó)重要的油氣資源[1]。中國(guó)頁(yè)巖氣資源量巨大，據(jù)2012年國(guó)土資源部公布，我國(guó)陸域頁(yè)巖氣地質(zhì)資源潛力為134.42×1012m3，可采資源潛力為25.08×1012m3（不含青藏區(qū)），主要集中在四川盆地、渝東鄂西地區(qū)、黔湘地區(qū)、鄂爾多斯盆地、塔里木盆地等。我國(guó)的頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)正處于起步階段，對(duì)于下?lián)P子蘇北地區(qū)龍?zhí)督M （P2l）頁(yè)巖氣的研究更是薄弱，因此，有必要對(duì)其形成條件及有利分布區(qū)進(jìn)行研究。在前人研究的基礎(chǔ)上[2～4]，基于野外考察、巖心觀察及試驗(yàn)測(cè)試分析等資料，筆者對(duì)蘇北地區(qū)P2l頁(yè)巖氣形成條件進(jìn)行了詳細(xì)研究，并預(yù)測(cè)有利勘探區(qū)。

1 泥頁(yè)巖區(qū)域分布特征

1.1 區(qū)域地質(zhì)概況

蘇北地區(qū)位于下?lián)P子?xùn)|北緣，其西北部以郯廬斷裂為界，北部以嘉山－響水?dāng)嗔褳榻?，東臨黃海，南以長(zhǎng)江為界，面積約42700km2[3]。該區(qū)自晚震旦世以來(lái)，經(jīng)歷了多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，在前震旦系淺變質(zhì)巖基底之上沉積了海相中、古生界和陸相中、新生界兩套沉積序列。對(duì)于蘇北地區(qū)古生界地層主要發(fā)育有3套富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖層系，縱向上先后沉積了下寒武統(tǒng)幕府山組 （∈1m）、上奧陶統(tǒng)五峰組 （O3w）＋下志留統(tǒng)高家邊組 （S1g）、二疊系 （大隆組 （P2d）、P2l、孤峰組 （P2g））[2]。限于資料，僅對(duì)P2l泥頁(yè)巖進(jìn)行分析研究。

1.2 P2l泥頁(yè)巖沉積分布特征

P2l是在東吳事件的夷平面上發(fā)展起來(lái)的，P2l沉積早期沉積了一套受海侵影響而分布廣泛的富含植物化石夾含海相生物的濱海沼澤相為主的煤系地層，由于地殼振蕩運(yùn)動(dòng)的頻繁，海平面也相應(yīng)高低變動(dòng)[4]。P2l沉積中期，海浸擴(kuò)大海水覆蓋研究區(qū)，沉積了富含海相生物的海灣相泥巖沉積。沉積構(gòu)造以水平層理為主，常見(jiàn)波狀層理，斜層理、交錯(cuò)層理。P2l沉積晚期的海退，使研究區(qū)內(nèi)又沉積了一套富含植物化石夾海相生物的濱海沼澤－潮坪相的含煤碎屑巖沉積。

P2l區(qū)內(nèi)有多口探井揭示。B1－4井揭示厚約95m，S1井揭示厚度大于39m，H1井揭示厚約93m，Y1井揭示厚度較大，為110m，TX8井揭示厚度最大達(dá)212.8m。其泥頁(yè)巖縱向上主要分布于中、下段，厚度一般100～200m；巖性以黑色頁(yè)巖、炭質(zhì)頁(yè)巖及煤為主，富含植物化石，局部含少量腕足類、瓣鰓類。上段主要為一套富含植物化石夾海相生物的濱海沼澤－潮坪相的含煤碎屑巖沉積，砂巖發(fā)育。受沉積相控制，北部濱海地區(qū)主要以砂巖為主，泥頁(yè)巖厚度相對(duì)較薄。此外，受后期構(gòu)造變形影響，P2l主要?dú)埓嬗跇?gòu)造變形相對(duì)較弱的蘇北東部地區(qū)，其中海安地區(qū)厚度最大，大于200m，向北西、南東，殘存厚度逐漸變薄，西部高郵凹陷和金湖凹陷僅零星殘存 （圖1）。

圖1 蘇北地區(qū)P2l泥頁(yè)巖分布圖

2 頁(yè)巖氣形成條件

2.1 泥頁(yè)巖地球化學(xué)特征

2.1.1 有機(jī)質(zhì)類型與豐度

研究區(qū)內(nèi)有分析測(cè)試數(shù)據(jù)69個(gè)，其中Ⅱ2型20個(gè)，Ⅲ型33個(gè)，Ⅱ1型13個(gè)，Ⅰ型3個(gè)，總體反映其有機(jī)質(zhì)類型以Ⅱ2、Ⅲ型為主，部分為Ⅱ1型。由于部分地區(qū)P2l存在煤層，有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)w（TOC）可到達(dá)50%以上，對(duì)研究區(qū)P2l泥頁(yè)巖254個(gè)樣品的w（TOC）值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，最小值為0.05%，最大值可達(dá)到15.83%，平均值為1.75%，w（TOC）大于0.5%的占了93%，其中泰興－海安地區(qū)有機(jī)質(zhì)豐度最高，w（TOC）平均介于2%～3%，向北，其w（TOC）逐漸變低，在金湖－寶應(yīng)－建湖－射陽(yáng)一帶以南，w（TOC）平均介于1%～2%；在北部淮安－濱海一線，相帶變差，w（TOC）小于1%。根據(jù)美國(guó)頁(yè)巖氣盆地產(chǎn)氣頁(yè)巖的w（TOC）的下限為0.5%[5]，所以研究區(qū)P2l的w（TOC）達(dá)到了頁(yè)巖氣生成條件。

2.1.2 有機(jī)質(zhì)成熟度

蘇北地區(qū)P2l的有機(jī)質(zhì)成熟度較高，鏡質(zhì)體反射率Ro值主要在0.46%～2.61%之間變化，平均值為1.41%，其中，Ro值介于0.5%～1%的占12%，1%～2%的占59%，大于2%的占29%；相對(duì)于美國(guó)頁(yè)巖氣盆地的源巖Ro值0.4%～2.0%[1]較高些，有利于頁(yè)巖氣的大量生成，蘇北盆地北部有機(jī)質(zhì)成熟度較高，Ro值大于1.5%。

2.2 泥頁(yè)巖儲(chǔ)層特征

2.2.1 巖礦組分

P2l巖石類型以泥巖、粉砂質(zhì)泥巖和泥質(zhì)粉砂巖為主，石英含量相對(duì)較多，黏土礦物以伊利石和伊－蒙間層為主。根據(jù)全巖礦物分析，P2l泥頁(yè)巖層系的石英＋長(zhǎng)石＋黃鐵礦的體積分?jǐn)?shù)范圍8.6%～80.3%，平均值為49.4%，以石英為主；黏土礦物體積分?jǐn)?shù)范圍6.2%～60%，平均值為37.7%；碳酸鹽礦物體積分?jǐn)?shù)范圍0%～85.2%，平均值為11.6%。由于黏土礦物對(duì)氣體的吸附作用具有較大影響，石英、長(zhǎng)石、黃鐵礦等脆性礦物含量對(duì)泥頁(yè)巖后期壓裂具有一定的幫助，碳酸鹽礦物則易產(chǎn)生次生溶孔[6]。與美地區(qū)Barnett頁(yè)巖比較，P2l泥頁(yè)巖的巖礦組分具有好的頁(yè)巖氣儲(chǔ)集條件。

通過(guò)黏土礦物相對(duì)含量分析結(jié)果表明，蘇北地區(qū)龍P2l頁(yè)巖層系的黏土礦物主要成分為伊利石和伊－蒙間層，含有少量的高嶺石和綠泥石。其中伊利石體積分?jǐn)?shù)范圍19%～39%，平均值為27%；伊－蒙間層體積分?jǐn)?shù)范圍49%～74%，平均值為62.8%，間層比在15%左右，為有序間層。黏土礦物中伊利石最易吸附頁(yè)巖氣，而蒙脫石類的膨脹性黏土礦物不利于后期對(duì)儲(chǔ)層進(jìn)行壓裂造縫[7]。從而可以看出蘇北地區(qū)古生界泥頁(yè)巖層具有一定頁(yè)巖氣儲(chǔ)集及開(kāi)采潛力。

2.2.2 儲(chǔ)集空間及儲(chǔ)層物性

通過(guò)對(duì)P2l泥頁(yè)巖掃描電鏡觀察，儲(chǔ)集空間包括微孔隙和微裂縫兩種類型 （圖2），其微孔隙較為發(fā)育，主要可分為殘余原生孔隙、黏土礦物伊利石化形成的微裂 （孔）隙和不穩(wěn)定礦物 （如長(zhǎng)石、方解石）溶蝕形成的溶蝕孔等，孔徑大小多在1～3μm，少量的在6～15μm。雖然微孔隙孔徑較小，但數(shù)量較多呈蜂窩狀，不同類型的微孔隙組合成孔隙群，提高含氣能力，為頁(yè)巖氣的儲(chǔ)集空間奠定了一定的物質(zhì)基礎(chǔ)。P2l泥頁(yè)巖微裂縫也較為發(fā)育，縫寬1～4μm，長(zhǎng)幾十納米，可能與構(gòu)造作用或者成巖作用有關(guān)，微裂縫的發(fā)育不僅能夠提供有利的儲(chǔ)集空間，而且有利于吸附氣的解析；但是當(dāng)微裂縫與地層中的的斷裂相連，就會(huì)使頁(yè)巖氣散失，不利于頁(yè)巖氣的保存。

圖2 P2l泥頁(yè)巖掃描電鏡照片

由于野外樣品受到淋濾風(fēng)化作用，其測(cè)得的孔隙度較高，而室內(nèi)巖心樣品主要選取致密泥頁(yè)巖進(jìn)行測(cè)試，其測(cè)得的孔隙度較低，由于技術(shù)的限制，對(duì)蘇北地區(qū)P2l的泥頁(yè)巖只能用常規(guī)的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)對(duì)其孔隙度進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)計(jì)算出的孔隙度經(jīng)校正后泥頁(yè)巖孔隙度范圍在2.4%～7.7%，平均值為5.5%，與美國(guó)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層孔隙度范圍3%～12%[1]類比，表明研究區(qū)具有良好的頁(yè)巖氣儲(chǔ)集條件。

2.2.3 吸附氣量

常規(guī)頁(yè)巖裂縫型氣藏中的天然氣主要以游離狀態(tài)賦存在頁(yè)巖裂縫中，與此不同，頁(yè)巖氣在儲(chǔ)層中主要以吸附狀態(tài)存在[8]。通過(guò)對(duì)蘇北地區(qū)P2l泥頁(yè)巖的井下巖心和野外樣品進(jìn)行2組等溫吸附試驗(yàn)，分別測(cè)得蘭氏質(zhì)量體積分別為1.70、2.03cm3/g，蘭氏壓力分別為2.01、3.31MPa。試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以反映P2l泥頁(yè)巖具有良好的吸附能力。通過(guò)擬合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)隨著壓力的增大，頁(yè)巖的吸附氣量也在增大，隨著w（TOC）的增高，其吸附氣量也在增高，頁(yè)巖中的吸附氣量與壓力、w（TOC）皆呈正相關(guān)的線性關(guān)系 （圖3）。

針對(duì)實(shí)際P2l泥頁(yè)巖吸附氣量，由于實(shí)際地層中的天然氣不可能達(dá)到飽和狀態(tài)，而試驗(yàn)中的吸附氣量均是飽和含氣量，因此采用類比法，參照美國(guó)頁(yè)巖氣盆地吸附氣量在20%～70%[9]，考慮到P2l的地質(zhì)條件的復(fù)雜，選擇其下限值20%作為蘇北地區(qū)P2l頁(yè)巖吸附氣量的百分比。通過(guò)對(duì)兩組試驗(yàn)數(shù)據(jù)的加權(quán)平均和類比，P2l泥頁(yè)巖埋深大致為670～3277m，地層壓力為7.1～34.4MPa，吸附氣量為0.22～0.35m3/t。

2.3 保存條件

泥頁(yè)巖本身致密，孔滲性較差，一般可以作為常規(guī)油氣藏和自生自儲(chǔ)的頁(yè)巖氣藏的蓋層[10]。泥頁(yè)巖由于自身的特殊性，本身就可以形成封閉的儲(chǔ)集體。

多期次運(yùn)動(dòng)的建造與改造是南方含油氣盆地的一大特色[11]，蘇北地區(qū)海相層系雖經(jīng)后期改造，但總體面貌未受明顯破壞。構(gòu)造穩(wěn)定的蘇北地區(qū)海相沉積地層在縱、橫向上連續(xù)性好，在多期構(gòu)造改造過(guò)程中變形不是很強(qiáng)烈[12]，古生界地層實(shí)體及其油氣成藏組合保存好，有利于油氣保存。由于頁(yè)巖氣特殊的儲(chǔ)存機(jī)理，頁(yè)巖氣藏本身不易受到構(gòu)造作用的破壞，因此雖然經(jīng)歷了多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，但研究區(qū)仍可以形成頁(yè)巖氣藏。

圖3 蘇北地區(qū)P2l泥頁(yè)巖等溫吸附氣量曲線圖

3 頁(yè)巖氣富集有利區(qū)預(yù)測(cè)

通常情況下，泥頁(yè)巖的厚度越大、w（TOC）越高，熱演化程度越高，越容易生氣，P2l泥頁(yè)巖的厚度為100～300m，有機(jī)質(zhì)成熟度較高，Ro平均值為1.41%，w（TOC）平均值為1.75%，最大值可達(dá)到15.83%，埋深在673～3277m，埋深適中，利于開(kāi)采。借鑒北美頁(yè)巖氣的有利區(qū)選區(qū)標(biāo)準(zhǔn)[1]，綜合研究區(qū)頁(yè)巖氣的形成條件，將泥頁(yè)巖厚度大于100m，w（TOC）大于2%，Ro大于1.0%，埋深小于4000m等指標(biāo)相疊加，劃分出一個(gè)有利區(qū)。有利區(qū)分布在海安－如皋市一帶（圖4），w（TOC） 在 2.0% ～3.0%，Ro在1.5%左右，埋深適中，一般在2000～3000m。

圖4 蘇北地區(qū)P2l頁(yè)巖氣有利勘探區(qū)預(yù)測(cè)

4 結(jié) 論

1）蘇北地區(qū)P2l為濱岸沼澤相沉積，泥頁(yè)巖主要分布在蘇北東部地區(qū)，干酪根類型主要為Ⅱ2、Ⅲ型，有機(jī)碳含量較高，熱演化程度高，多處于成熟階段。

2）蘇北地區(qū)P2l泥頁(yè)巖的礦物組分以黏土和石英為主，黏土礦物中主要成分為伊利石和伊－蒙間層，儲(chǔ)集空間主要是微孔隙和微裂縫兩種類型，其微孔隙較為發(fā)育，具備良好的儲(chǔ)集空間，通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)及與美國(guó)頁(yè)巖氣盆地吸附氣量類比，得出P2l吸附氣量為0.22～0.35m3/t，具備良好的頁(yè)巖氣富集條件。

3）泥頁(yè)巖本身就可以作為蓋層，具有一定的抗破壞性。蘇北地區(qū)的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)并未對(duì)頁(yè)巖氣藏造成大的破壞，頁(yè)巖氣的保存條件良好。

4）選取P2l泥頁(yè)巖的厚度、有機(jī)碳含量、成熟度、埋深等指標(biāo)，采用疊合法對(duì)有利區(qū)進(jìn)行預(yù)測(cè)，初步預(yù)測(cè)在海安－如皋市一帶為有利勘探區(qū)。

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