揚子地區(qū)二疊系頁巖氣賦存地質(zhì)條件研究

徐良偉，劉洛夫，劉祖發(fā)，孟召平，陳小衛(wèi)

(1.中國石油大學(xué)(北京)油氣資源與探測國家重點實驗室，北京 102249;2.中國石油大學(xué)(北京)盆地與油藏研究中心，北京 102249;3.中山大學(xué) 地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院，廣東 廣州 510275;4.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院，北京 100083)

揚子地區(qū)二疊系頁巖氣賦存地質(zhì)條件研究

徐良偉1,2，劉洛夫1,2，劉祖發(fā)3，孟召平4，陳小衛(wèi)1,2

(1.中國石油大學(xué)(北京)油氣資源與探測國家重點實驗室，北京 102249;2.中國石油大學(xué)(北京)盆地與油藏研究中心，北京 102249;3.中山大學(xué) 地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院，廣東 廣州 510275;4.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院，北京 100083)

揚子地區(qū)古生界下寒武統(tǒng)牛蹄塘組、上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組、上二疊統(tǒng)大隆組為我國頁巖氣重點勘探層位，關(guān)于下古生界兩套地層頁巖氣賦存地質(zhì)條件的研究較多，而二疊系相關(guān)的研究則較薄弱。結(jié)合前人研究成果，運用地球化學(xué)測試、XRD分析、掃描電鏡、等溫吸附等實驗方法，對二疊系泥頁巖的生烴條件、儲集特征、含氣性能等進行分析，并對頁巖氣發(fā)育有利區(qū)進行預(yù)測，對揚子地區(qū)二疊系頁巖氣賦存地質(zhì)條件展開深入的研究。結(jié)果表明，揚子地區(qū)二疊系泥頁巖有多個厚度中心，最大厚度可達175～200 m；TOC在四川盆地及其周緣較高，最高可達4.0%～5.0%；有機質(zhì)類型以Ⅱ2型為主，整個揚子地區(qū)泥頁巖成熟度較高，Ro可高達3.0%～5.0%。二疊系泥頁巖中普遍發(fā)育原生晶間孔、粒間孔等原生孔隙和次生晶間孔、溶蝕孔、有機質(zhì)孔等次生孔隙，此外還發(fā)育原生層間縫或頁理縫、礦物收縮縫、有機質(zhì)收縮縫、溶蝕縫等成巖縫和層間裂縫、節(jié)理縫、構(gòu)造裂縫等構(gòu)造縫。礦物分析表明，其脆性指數(shù)1和脆性指數(shù)2分別為8.8%～67.4%、9.4%～74.4%，平均值分別為34.43%、46.9%，顯示揚子地區(qū)二疊系泥頁巖脆性較強而有利于頁巖氣壓裂開采。等溫吸附實驗顯示，頁巖全巖和干酪根樣品吸附氣量分別為2.0～4.3 cm3/g、3.5～5.3 cm3/g，平均值分別為2.75 cm3/g、4.25 cm3/g，表明該區(qū)二疊系泥頁巖吸附性能較強。頁巖氣發(fā)育有利區(qū)預(yù)測結(jié)果顯示，研究區(qū)存在成都—宜賓—瀘州—重慶—廣安、蕪湖—南京—鎮(zhèn)江、張家界—宜昌—常德—石首一共3個有利區(qū)。

生烴條件; 孔隙類型; 裂縫特征; 脆性指數(shù)

0 引 言

揚子地區(qū)是我國頁巖氣勘探開發(fā)的重點地區(qū)，發(fā)育海相、海陸過渡相、陸相等多套富有機質(zhì)泥頁巖，具備形成商業(yè)頁巖氣藏的地質(zhì)條件[1-2]。其中，揚子地區(qū)下古生界下寒武統(tǒng)牛蹄塘組(或相當(dāng)層位)、上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組(或相當(dāng)層位)分布廣、厚度大，有機質(zhì)豐富、成熟度高，具備優(yōu)越的成烴物質(zhì)基礎(chǔ)，是南方地區(qū)頁巖氣發(fā)育最有利的兩套層位。國土資源部、中國石油、中國石化及相關(guān)科研院所圍繞揚子地區(qū)下古生界海相泥頁巖做了大量勘探研究工作，也取得了豐碩的勘探和研究成果。但是對于同樣具有勘探前景的二疊系泥頁巖沒有重視，從而使得對二疊系頁巖氣地質(zhì)條件的認(rèn)識并未深入，勘探研究工作仍處于探索階段而滯后于下古生界的兩套頁巖地層[3]。實際上，揚子地區(qū)二疊系泥頁巖分布面積也較廣，在中二疊統(tǒng)孤峰組和上二疊統(tǒng)大隆組、龍?zhí)督M均有較厚的富有機質(zhì)泥頁巖存在，埋藏較淺且有利于頁巖氣開發(fā)[4]。為了更深入地揭示揚子地區(qū)二疊系頁巖氣賦存的地質(zhì)條件，筆者統(tǒng)計前人研究數(shù)據(jù)，整理前人研究圖件，對研究區(qū)典型剖面進行調(diào)查，采集地表露頭未風(fēng)化樣品和井下新鮮樣品，采用TOC、拉曼反射率、Rock-Eval、氬離子拋光+掃描電鏡、XRD、等溫吸附實驗等現(xiàn)代實驗測試技術(shù)，對揚子地區(qū)二疊系泥頁巖時空展布進行分析，探討揚子地區(qū)二疊系泥頁巖生烴條件、儲集特征、含氣性能，結(jié)合以上研究成果采用綜合信息疊合法對該區(qū)頁巖氣發(fā)育有利區(qū)進行預(yù)測，明確揚子地區(qū)二疊系頁巖氣賦存地質(zhì)條件，為揚子地區(qū)二疊系頁巖氣勘探開發(fā)提供參考依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

根據(jù)南方現(xiàn)今大地構(gòu)造特征(圖1)，揚子地區(qū)是指位于秦嶺—大別—蘇魯造山帶以南、三江—甘孜—阿壩造山帶以東的華南板塊，華南板塊主要由揚子地塊和華夏地塊構(gòu)成，二者東北部以江山—紹興斷裂帶、萍鄉(xiāng)—廣豐斷裂為界，總體呈北東東走向，長約680 km，總面積約12.01×104km2[5-6]。

圖1 揚子地區(qū)大地構(gòu)造綱要圖Fig.1 Tectonic outline map of Yangtze region

圖2 揚子地區(qū)二疊系地層單元劃分與對比Fig.2 Division and comparison of Permian stratigraphic units of Yangtze region

揚子地區(qū)地層下部從震旦系到志留系，中部從泥盆系到三疊系，上部侏羅系及以后地層一共可分為下、中、上3個序列，其中下部和中部序列為海相，而上部侏羅系及以后地層則幾乎全是陸相。揚子地區(qū)二疊系自下而上分為3個統(tǒng)和6個階，下二疊統(tǒng)分為隆林階和紫松階，中二疊統(tǒng)分為棲霞階和茅口階，上二疊統(tǒng)分為吳家坪階和長興階，在揚子大陸不同地區(qū)，二疊系地層劃分不一致(圖2)。二疊紀(jì)時期是揚子古特提斯演化的轉(zhuǎn)折期，期間發(fā)生了洋盆俯沖和局部海槽關(guān)閉，而且誕生了新的洋盆，對揚子地區(qū)二疊紀(jì)不同時期的區(qū)域構(gòu)造和盆地沉積演化產(chǎn)生不同的影響[7]。

總體來講，揚子地區(qū)地質(zhì)背景復(fù)雜、構(gòu)造活動發(fā)育、沉積地層經(jīng)歷時代較長、油氣保存條件破壞嚴(yán)重。但從二疊紀(jì)時期發(fā)育的盆地性質(zhì)及地層分布來看，在此期間主要發(fā)育了揚子克拉通盆地和華夏克拉通盆地，主要分布于揚子和東南沿海華夏地區(qū)，發(fā)育多套海相泥頁巖層，結(jié)合頁巖氣特殊的成藏機制來看，二疊系頁巖氣具有良好的勘探前景[3]。

2 二疊系泥頁巖生烴條件

2.1 二疊系泥頁巖厚度及分布特征

圖3 揚子地區(qū)二疊系泥頁巖厚度等值線圖(據(jù)文獻[9-10]修改)Fig.3 Thickness contour of Permian shale in Yangtze region(modified by references of [9] and [10])

有效頁巖的厚度及分布面積控制著頁巖氣的經(jīng)濟效益，根據(jù)頁巖厚度及分布范圍可以判斷研究區(qū)頁巖氣聚集邊界和資源潛力[8]。前人研究認(rèn)為，僅僅發(fā)育于下?lián)P子區(qū)的二疊系孤峰組為一套分布廣泛的區(qū)域性黑色硅質(zhì)泥巖，一般厚30～60 m，是一套好-極好的泥質(zhì)烴源巖。上二疊統(tǒng)暗色泥頁巖是揚子地區(qū)一套重要的頁巖氣產(chǎn)氣層系，在中揚子地區(qū)不發(fā)育，在上揚子與下?lián)P子地區(qū)有廣泛分布，其自下而上包括龍?zhí)督M(P2l)/吳家坪組(P2w)、長興組(P2ch)和大隆組(Pd)[7,9]。實際上，晚二疊世時期揚子地區(qū)暗色泥頁巖十分發(fā)育，厚度一般為25～200 m，其中在昆明—貴陽—重慶—成都一帶暗色泥頁巖厚度較大且分布面積較廣，最大厚度約200 m，厚度中心位于資陽—宜賓—瀘州一帶。在下?lián)P子地區(qū)二疊系暗色泥頁巖厚度也較大，最大厚度約175 m，厚度中心位于蕪湖—南京—鎮(zhèn)江—常州一帶。在來賓—柳州—桂林一帶也有較厚暗色泥頁巖分布，最大厚度約125 m，揚子地區(qū)二疊系泥頁巖在湘南—贛西一帶可能也有較厚分布，推測最大厚度約175 m，推測厚度中心位于衡陽—株洲—宜春一帶(圖3)。此外，馬永生等認(rèn)為，揚子地區(qū)上二疊統(tǒng)泥質(zhì)烴源巖的分布面積約6.93×105km2，而馬力等認(rèn)為，揚子地區(qū)上二疊統(tǒng)泥質(zhì)烴源巖的分布面積達8.7×105km2[7, 9]。雖然前人在泥頁巖分布面積上的預(yù)測結(jié)果不一致，但均說明揚子地區(qū)上二疊統(tǒng)泥頁巖分布面積較廣。

2.2 二疊系泥頁巖地球化學(xué)特征

揚子地區(qū)局部有機碳含量低，大部分地區(qū)泥頁巖處于高-過成熟階段，并且陸源有機質(zhì)缺乏，鏡質(zhì)體反射率、殼質(zhì)組熒光參數(shù)等較難應(yīng)用，常用的烴源巖生烴能力評價的方法均失去有效性。揚子地區(qū)二疊系泥頁巖與美國頁巖氣盆地泥頁巖相比，其生排烴效率相對不高，且大部分地區(qū)以Ⅲ型有機質(zhì)為主，因此可以采用殘余TOC作為有機碳含量的評價指標(biāo)。本文采用瀝青質(zhì)體反射率、激光拉曼反射率等指標(biāo)，通過換算成等效鏡質(zhì)體反射率來評價其成熟度；采用有機巖石學(xué)的方法對該區(qū)頁巖干酪根類型進行評價。基于以上分析，筆者采集了揚子地區(qū)二疊系泥頁巖樣品34塊，其中揚子地區(qū)12塊，中、下?lián)P子地區(qū)22塊，分別來自四川廣安華鎣靈峰剖面、四川廣元長江溝剖面、湖南漣源七星街剖面、湖北恩施田鳳坪剖面、浙西北長興縣青硯嶺剖面、安徽巢湖平頂山剖面，為了盡量避免露頭樣品由于不同程度的氧化而導(dǎo)致有機碳含量降低，在有條件的地方盡量選取了礦洞和井下樣品，對樣品進行有機質(zhì)豐度、成熟度、類型、巖石熱解等分析，結(jié)果如表1所示。

表1 揚子地區(qū)二疊系泥頁巖樣品地球化學(xué)測試結(jié)果

圖4 揚子地區(qū)二疊系泥頁巖TOC等值線圖(據(jù)文獻[9]和[10]修改)Fig.4 TOC contour of Permian shale in Yangtze region (modified by references of [9] and [10])

2.2.1 有機質(zhì)豐度

雖然本次研究過程中所取樣品大部分為新鮮樣品，如在有條件的地方選取淺鉆樣品或礦洞樣品，但還是不可避免地采集了一些野外露頭樣品，風(fēng)化較嚴(yán)重。在有機質(zhì)較豐富的地區(qū)，露頭樣品和附近淺鉆或礦洞樣品的有機碳含量分析數(shù)據(jù)基本無差異，表明所取樣品露頭區(qū)域和淺鉆或礦洞區(qū)域沉積環(huán)境差異較小，也說明地表氧化對有機碳耗損的影響較小。因此，露頭樣品的分析數(shù)據(jù)也能基本代表樣品的真實有機碳含量，具有一定的研究價值。對采集的34塊揚子地區(qū)二疊系新鮮暗色泥頁巖樣品進行有機質(zhì)豐度評價，實驗結(jié)果顯示泥頁巖TOC為0.84%～24.00%，平均值為5.15%，TOC大于2.0%的樣品占85.29%，表明揚子地區(qū)二疊系地層有機質(zhì)豐度較高(表1)。

從TOC平面分布來看，揚子地區(qū)產(chǎn)氣泥頁巖層位主要發(fā)育于二疊系的中、上部，中、上二疊統(tǒng)泥頁巖主要分布在龍?zhí)督M、大隆組，而TOC高值區(qū)主要分布在中、上揚子地區(qū)。其中，四川盆地及其周緣TOC可高達4.0%～5.0%，在成都、重慶、達州、巴中等地均有TOC高值區(qū)存在。在湘鄂西地區(qū)TOC也較高，可達2.5%～3.5%。在下?lián)P子地區(qū)的蕪湖—南京—常州一帶二疊系泥頁巖TOC也較高，可達2.0%～2.5%(圖4)。從分布面積來看，中二疊統(tǒng)泥頁巖TOC≥1.0%和TOC為0.5%～1.0%的差-中等泥頁巖分布面積分別為62 772 km2、252 343 km2，總體上以低豐度泥頁巖為主。上二疊統(tǒng)泥頁巖在揚子地區(qū)分布面積較中二疊統(tǒng)小，TOC較中二疊統(tǒng)高，且高TOC分布區(qū)也是泥頁巖厚度較大的區(qū)域。

馬永生等按TOC含量將揚子地區(qū)二疊統(tǒng)泥頁巖分為4級并測算了各級別的面積(表2)。其中， TOC含量為1.1%～1.5%的“好”泥頁巖分布面積為9.50×104km2，占總分布面積的12.87%；TOC>1.5%的“很好”泥頁巖分布面積為21.93×104km2，占總分布面積的31.98%；“好”-“很好”級泥頁巖的面積達30.76×104km2，占總分布面積的44.85%?？梢姡隙B統(tǒng)暗色泥頁巖也是揚子地區(qū)有利于頁巖氣生成的區(qū)域性層位[9]。

表2 揚子地區(qū)上二疊統(tǒng)暗色泥頁巖的有機質(zhì)豐度及分布面積(據(jù)馬永生等[9])

Table 2 Organic matter abundance and distribution area of the Upper Permian dark shale in Yangtze region

烴源巖分級TOC/%分布面積/104km2占總面積比例/%差 04～0512441813中等06～1025383702好 11～159501287很好>1521933198合計692510000

2.2.2 有機質(zhì)成熟度

揚子地區(qū)上二疊統(tǒng)泥頁巖普遍處于高-過成熟階段，在四川盆地、湘鄂西、蘇北盆地及滇黔桂等地區(qū)成熟度一般都大于2.0%(表3，圖5)，但也有部分地區(qū)的成熟度較低。例如，江漢盆地和十萬大山盆地上二疊統(tǒng)泥頁巖的成熟度為1.3%～2.0%，蘇皖南部上二疊統(tǒng)泥頁巖成熟度下限可低至0.8%[10]。

從Ro平面分布特征來看，揚子地區(qū)二疊系泥頁巖Ro高值區(qū)分布范圍較廣，且有多個高值區(qū)。其中昆明—貴州—南寧一帶的Ro值最高，可達4.0%～5.0%，分布范圍較大。而分布于四川盆地的南充—遂寧—廣安一帶的泥頁巖Ro也較高，可達3.0%。在湘鄂西地區(qū)，泥頁巖成熟度也較高，最高可達3.0%，分布范圍較局限。在下?lián)P子地區(qū)蕪湖—南京—常州一帶Ro也較高，但分布范圍較小，Ro最高可達3.0%。此外，位于湖南—江西—廣東—福建等地二疊紀(jì)時期未被剝蝕的地區(qū)推測也可能會有Ro高值區(qū)分布，具體Ro測試結(jié)果及分布范圍有待進一步研究證實。

筆者對采集的34個二疊系泥頁巖樣品進行激光拉曼反射率測定，并對其中5個鏡質(zhì)組顆粒較大的樣品做鏡質(zhì)組反射率測定，測試結(jié)果(圖6，表1)顯示，成熟度最高的蕪湖河參1井，等效鏡質(zhì)組反射率(EqRo)高達3.63%；成熟度最低的是川西北長江溝剖面，大隆組暗色泥巖實測鏡質(zhì)組Ro為0.6%～0.8%；浙西北長光縣青硯嶺剖面成熟度也比較低，EqRo為0.91%～0.95%，實測鏡質(zhì)組Ro為0.9%～1.0%，殼質(zhì)組仍具有黃褐色熒光(圖6)，說明處在主生油階段；四川廣安華容剖面EqRo為2.12%～2.28%；安徽巢湖平頂山剖面EqRo為2.42%～2.78%，9個樣品EqRo平均值為2.54%。以上分析大體表明，揚子地區(qū)部分區(qū)域二疊系暗色泥頁巖的成熟度較高，EqRo值為2.0%～3.0%；個別地區(qū)受局部構(gòu)造的影響，成熟度較低，處在生油窗或主生氣階段。

表3 揚子地區(qū)上二疊統(tǒng)海相泥頁巖熱成熟度數(shù)據(jù)對比(據(jù)馬力等[7])

圖5 揚子地區(qū)上二疊統(tǒng)等效鏡質(zhì)體反射率等值線圖(據(jù)文獻[9]和[10]修改)Fig.5 Equivalent vitrinite reflectance contour of the Upper Permian in Yangtze region (modified by references of [9] and [10])

2.2.3 有機質(zhì)類型

揚子地區(qū)二疊紀(jì)時期有機質(zhì)類型受沉積環(huán)境控制，由于二疊紀(jì)時期海侵海退變化頻繁，沉積差異較大，從而導(dǎo)致二疊紀(jì)時期泥頁巖的有機質(zhì)類型在不同地區(qū)存在較大的差別[11]。有些地區(qū)有機質(zhì)類型較好，為Ⅱ1型，甚至Ⅰ型，有些地區(qū)以Ⅲ型和Ⅱ2型為主，因此，筆者不從平面上分析中、上二疊統(tǒng)泥頁巖有機質(zhì)類型變化特征，而僅從有機質(zhì)類型較好的川西北長江溝大隆組剖面和安徽巢湖平頂山剖面的實際研究結(jié)果進行分析。

2.2.3.1 川西北長江溝上二疊統(tǒng)大隆組剖面

圖6 四川廣安上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M黑色碳質(zhì)頁巖鏡下特征(藍光激發(fā))(a)LF-12，發(fā)棕黃色熒光的孢子體與殼屑體；(b)QYL-1，發(fā)棕黃色熒光的孢子體Fig.6 Microscopic features of the Upper Permian dark carbonaceous shale in Guang’an, Sichuan(stimulated by blue light)

圖7 四川廣元長江溝剖面上二疊統(tǒng)大隆組樣品有機質(zhì)鏡下特征(反射熒光)(a)發(fā)黃綠色熒光的殼屑體；(b)大量鏡質(zhì)組；(c)干酪根，大量鏡質(zhì)組與C型無定形體 Fig.7 Organic matter microscopic features of the samples from Dalong Formation of the Upper Permian in Changjianggou section, Guangyuan, Sichuan(reflected fluorescence)

川西北長江溝大隆組剖面位于川西北太行山構(gòu)造帶的北段。該區(qū)于晚三疊世開始抬升，大隆組烴源巖成熟度較低，發(fā)育一套灰黑色泥巖及泥質(zhì)粉砂巖地層。實測EqRo為0.70%～0.80%，是目前揚子地區(qū)上二疊統(tǒng)成熟度最低的地區(qū)。對采自該剖面的7塊泥頁巖樣品進行了Rock-Eval測試及有機巖石學(xué)分析(表1，圖7)，結(jié)果顯示上二疊統(tǒng)暗色泥頁巖的HI為74～214 mg/g，平均值為146 mg/g；泥頁巖中含有大量鏡質(zhì)組碎屑，少量惰性組碎屑，在反射熒光下少量殼屑體發(fā)黃綠色熒光。這表明該剖面大隆組暗色泥巖以Ⅲ型或Ⅱ2型干酪根為主。

2.2.3.2 安徽巢湖下二疊統(tǒng)平頂山剖面

該剖面發(fā)育下二疊統(tǒng)孤峰組黑色泥頁巖，TOC較高，可達1.08%～7.43%，平均3.96%；且處于高-過成熟階段。該剖面5個樣品干酪根顯微組分鑒定與定量分析結(jié)果表明，不同樣品顯微組分特征有明顯的差別(表4)，Pds-1、Pds-3主要是鏡質(zhì)組與惰質(zhì)組，基本不見微粒體與瀝青，是典型的Ⅲ型干酪根。Pds-5、Pds-7除含有大量鏡質(zhì)組、少量惰質(zhì)組外，還見有大量微粒體B，含有瀝青，是典型的Ⅱ2型干酪根；Pds-9比較特別，樣品中以微粒體B為主，僅含有很少量的鏡質(zhì)組與惰質(zhì)組，為典型的Ⅱ2型干酪根(圖8)。

表4 安徽巢湖下二疊統(tǒng)平頂山泥頁巖干酪根顯微組分定量與原始母質(zhì)類型

Table 4 Maceral quantitative and organic matter type of kerogen samples from the Lower Permian in Pingdingshan, Chaohu, Anhui

樣品編號層位巖石類型TOC/%干酪根樣品顯微組分/%鏡質(zhì)組惰質(zhì)組微粒體瀝青原始類型顯微照片Pds-1P1泥巖274802000Ⅲ型圖8(a)Pds-3P1泥巖108782200Ⅲ型圖8(b)Pds-5P1頁巖74353542(B)0Ⅱ2型圖8(c)Pds-7P1頁巖647351249(B)4Ⅱ2型圖8(d)Pds-9P1頁巖2062593(B)0Ⅱ2型圖8(e)

3 二疊系泥頁巖儲集特征

3.1 泥頁巖孔隙發(fā)育特征

揚子地區(qū)二疊系泥頁巖中孔隙類型多樣，既有粒間孔、晶間孔等原生孔隙，又發(fā)育重結(jié)晶孔、溶蝕孔、有機質(zhì)孔等次生孔隙。

圖8 揚子地區(qū)二疊系泥頁巖干酪根樣品顯微照片(反射光)(a) Pds-1，鏡質(zhì)組與惰質(zhì)組；(b) Pds-3，鏡質(zhì)組與惰質(zhì)組；(c) Pds-5，鏡質(zhì)組、微粒體B、少量惰性組；(d) Pds-7，鏡質(zhì)組、微粒體B、少量惰性組，發(fā)現(xiàn)有瀝青；(e) Pds-9，微粒體B、少量鏡質(zhì)組與惰質(zhì)組Fig.8 Kerogen micrographs of Permian shale samples in Yangtze region(reflected light)

原生孔隙存在于泥頁巖原始沉積的礦物基質(zhì)或碎屑之間，在埋藏成巖過程中，這些孔隙由于遭受壓實或次生礦物的充填而不斷縮小。其中，原生晶間孔是揚子地區(qū)二疊系泥頁巖中最常見的孔隙類型，主要是由于黏土礦物的堆積或定向排列在黏土礦物的板狀、片狀晶體及其集合體之間形成的孔隙(圖9(a))。揚子地區(qū)二疊系泥頁巖中的粒間孔隙多見于組成泥頁巖的較大的粉砂質(zhì)碎屑顆粒之間、碎屑顆粒堆積體內(nèi)，以及黏土礦物骨架和碎屑顆粒之間，呈定向或半定向排列的片狀、板狀黏土礦物包裹有許多的球狀或不規(guī)則狀碎屑顆粒，使得碎屑顆粒與周圍板片狀黏土礦物之間形成孔隙(圖9(b))。

圖9 揚子地區(qū)二疊系泥頁巖樣品中孔隙鏡下特征 (a)Pds-1，原生晶間孔；(b)Pds-8，原生粒間孔；(c)CJG-5，次生晶間孔；(d)LF-11，溶蝕孔；(e)TFP-3,有機質(zhì)孔；(f)QYL-3，多種孔隙類型Fig.9 Microscopic features of pores of the Permian shale samples in Yangtze region

次生孔隙指泥頁巖中包括巖石中礦物的收縮、有機質(zhì)生烴、礦物重結(jié)晶以及有機酸或其他流體的溶蝕等而形成的孔隙。其中，次生晶間孔主要是由于泥頁巖中自生礦物如方解石、白云石、菱鐵礦、黃鐵礦的生成或原生礦物的重結(jié)晶而形成的(圖9(c))。溶蝕孔是指泥頁巖中可溶性礦物(如長石、方解石、白云石、菱鐵礦等)在具有溶蝕性的流體(如有機酸以及CO2溶于水形成的碳酸等)作用下形成的孔隙(圖9(d))。而有機質(zhì)孔主要是指有機質(zhì)及其團塊內(nèi)部由于生烴作用形成的殘留孔隙。有機質(zhì)孔的形成與泥頁巖中有機質(zhì)的含量及熱演化程度密切相關(guān)。高豐度泥頁巖在成熟度較高時，經(jīng)歷大量生烴的熱演化過程，有機質(zhì)孔可大量發(fā)育(圖9(e))。

3.2 泥頁巖裂縫發(fā)育特征

揚子地區(qū)二疊系泥頁巖儲層中的微裂縫按其成因可分為成巖裂縫和構(gòu)造裂縫，成巖裂縫主要是泥頁巖在成巖過程中由于巖石中黏土礦物脫水收縮、有機質(zhì)生烴體積縮小、片狀或板狀礦物定向排列等作用形成的，構(gòu)造縫則主要是泥頁巖受外力作用發(fā)生破裂形成的。

成巖裂縫的形成一般與泥頁巖原始碎屑物質(zhì)的堆積、礦物的成巖演化、有機質(zhì)的生烴作用等密切相關(guān)。在揚子地區(qū)二疊系泥頁巖中的成巖裂縫主要包括原生層間縫或頁理縫、礦物收縮縫、有機質(zhì)收縮縫、溶蝕縫等。原生層間縫或頁理縫是碎屑物質(zhì)的非均一性及板片狀顆粒或礦物的定向排列而形成，其與泥頁巖原始碎屑物質(zhì)、巖石結(jié)構(gòu)、沉積構(gòu)造密切相關(guān)(圖10(a))。礦物收縮縫是黏土礦物在成巖演化過程中轉(zhuǎn)化、脫水、體積縮小等因素而形成的，其多發(fā)育于黏土礦物內(nèi)部或邊緣(圖10(b))。有機質(zhì)收縮縫則是由于有機質(zhì)在生烴過程中體積縮小而形成，它與有機質(zhì)密切相關(guān)，多形成于有機質(zhì)與礦物基質(zhì)邊界附近(圖10(c))。溶蝕縫則是有機酸或碳酸等溶蝕性流體對可溶性礦物的溶蝕而成，溶蝕縫多沿泥頁巖內(nèi)部先存脆弱面或裂隙發(fā)育，與可溶礦物條帶密切相關(guān)(圖10(d))。

構(gòu)造縫的形成主要受控于泥頁巖所受的外力方向及其內(nèi)部脆弱面的發(fā)育情況。與成巖縫相比，通常構(gòu)造縫延伸距離較遠，規(guī)模相對較大。在揚子地區(qū)二疊系泥頁巖中則主要發(fā)育層間裂縫或節(jié)理縫、構(gòu)造裂縫。層間裂縫或節(jié)理縫主要是由于紋層、頁理等脆弱帶受到一定的外力發(fā)生破裂而產(chǎn)生，其方向和長度受原始礦物組成、巖石結(jié)構(gòu)、構(gòu)造控制，相對較連續(xù)，延伸較遠(圖10(e))。構(gòu)造裂縫是泥頁巖在構(gòu)造應(yīng)力下發(fā)生破裂而產(chǎn)生，它不受原始沉積結(jié)構(gòu)和構(gòu)造控制，通常穿層、錯斷紋層或頁理，較平直，部分被充填(圖10(f))。

總體上，揚子地區(qū)二疊系泥頁巖內(nèi)部微孔隙、微裂隙均發(fā)育，具有孔隙-裂縫“雙重孔隙結(jié)構(gòu)”。其中，微孔隙主要為原生的晶間孔、粒間孔和次生的晶間孔、溶蝕孔、有機質(zhì)孔；微裂縫主要為原生層間縫、頁理縫、礦物或有機質(zhì)收縮縫、溶蝕縫、層間裂縫和節(jié)理縫?？紫吨饕獮閹r石內(nèi)部天然氣的賦存提供有效儲集空間，裂縫則成為溝通孔隙空間、構(gòu)建儲集網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵，為天然氣在泥頁巖內(nèi)部的擴散滲流和富集提供有利的通道。

圖10 揚子地區(qū)二疊系泥頁巖中裂縫發(fā)育特征 (a)CJG-1，頁理縫；(b)TFP-2，礦物收縮縫；(c)QXJ-2，有機質(zhì)收縮縫；(d)PDS-2，溶蝕縫；(e)CJG-2，層間裂縫或節(jié)理縫；(f)LF-11，構(gòu)造裂縫Fig.10 Crack characteristics of Permian shale samples in Yangtze region

3.3 泥頁巖礦物特征與脆性分析

頁巖儲層中的礦物成分及含量會影響其吸附能力和壓裂性能，脆性礦物與黏土礦物的含量及相對比例會影響頁巖氣壓裂和開采效果，泥頁巖的礦物特征與脆性指數(shù)是影響頁巖氣賦存和壓裂開采的關(guān)鍵地質(zhì)因素[12-13]。揚子地區(qū)二疊系20個泥頁巖XRD實驗測試結(jié)果表明，該區(qū)泥頁巖中含有石英、長石、方解石、白云石、黏土礦物及其他礦物(表5)。在以上礦物中，石英含量為9.4%～67.4%，部分樣品也含有長石但含量較少。黏土礦物主要是伊利石、綠泥石、高嶺石，其含量分別為10.7%～40.6%、1.5%～14.2%、1.0%～37.8%，顯示各種黏土礦物成分含量變化較大。樣品中含有較高含量的其他礦物，主要是黃鐵礦及黏土礦物風(fēng)化的產(chǎn)物。僅有一個新鮮礦井樣品不含這些次生礦物，說明這些次生礦物形成于風(fēng)化作用。

北美地區(qū)頁巖的脆性指數(shù)一般以石英含量與石英、黏土礦物及方解石礦物組成的總和之比來計算，而我國學(xué)者認(rèn)為泥頁巖中石英、長石、方解石、白云石等都應(yīng)當(dāng)作脆性礦物，脆性指數(shù)應(yīng)以石英、長石、方解石、白云石含量之和與脆性礦物、黏土礦物總量之比來計算[12-13]。具備商業(yè)開發(fā)條件的頁巖其脆性礦物含量一般高于40%，黏土礦物含量小于30%[14-15]。由表5可知，二疊系20個泥頁巖樣品脆性指數(shù)1和脆性指數(shù)2分別為8.8%～67.4%、9.4%～74.4%，平均值分別為34.4%、46.9%，表明揚子地區(qū)二疊系頁巖脆性指數(shù)較高，整體上具有良好的脆性和可壓裂性，有利于頁巖氣儲層的壓裂改造。

4 二疊系泥頁巖含氣性能

在溫度為60 ℃、濕度為1.35%～2.47%、甲烷濃度為99.99%的實驗條件下對泥頁巖樣品進行等溫吸附實驗，選定10.78 MPa(約相當(dāng)埋深大于1 000 m)作為地層平均壓力，選取揚子地區(qū)二疊系頁巖野外樣品和井下巖心樣品的全巖和干酪根進行等溫吸附實驗，探討該區(qū)頁巖氣的含氣性能。結(jié)果表明，揚子地區(qū)二疊系頁巖全巖樣品和干酪根樣品甲烷吸附量較高，最大甲烷吸附量分別為2.0～4.3 cm3/g、3.5～5.3 cm3/g，平均值分別為2.75 cm3/g、4.25 cm3/g，顯示揚子地區(qū)二疊系泥頁巖全巖和有機質(zhì)干酪根對甲烷具有較強的吸附能力(圖11)。

泥頁巖的含氣量受其地球化學(xué)條件、礦物組成、孔隙裂縫發(fā)育程度、壓力、溫度、濕度等因素的共同影響。泥頁巖TOC含量越高，微裂縫及孔隙越發(fā)育，黏土礦物含量越高，則孔隙表面對氣態(tài)烴的吸附能力越強，泥頁巖吸附含氣量也隨之增加[16-18]。因此，揚子地區(qū)二疊系泥頁巖的地球化學(xué)條件、礦物組成及含量、孔隙裂縫發(fā)育、壓力、溫度、濕度等因素匹配良好的地區(qū)則泥頁巖含氣性能較好。

5 有利區(qū)域預(yù)測

揚子地區(qū)二疊系泥頁巖具有分布面積廣、厚度大、有機碳含量高、成熟度高(已裂解或熱解成氣)、孔隙及裂縫發(fā)育、含氣量大等特征。而美國頁巖氣的成功勘探開發(fā)表明，頁巖氣產(chǎn)出最好的地區(qū)必須是有機碳含量高、厚度大、具有適當(dāng)?shù)臒岢墒於取⒙裆?、孔隙及裂縫發(fā)育以及濕度、溫度、壓力等條件匹配良好的區(qū)域[19-20]。鑒于目前研究區(qū)可供研究的資料較少，基于前文對研究區(qū)二疊系泥頁巖厚度分布、有機質(zhì)豐度、有機質(zhì)成熟度、孔隙裂縫發(fā)育特征、含氣性能等指標(biāo)，采用綜合信息疊合法，結(jié)合對頁巖氣聚集機理、聚集條件和研究區(qū)黑色頁巖特征的研究，參考美國頁巖氣勘探開發(fā)經(jīng)驗，對揚子地區(qū)二疊系頁巖氣發(fā)育有利區(qū)域進行了預(yù)測。有利區(qū)優(yōu)選標(biāo)準(zhǔn)為：單層有效頁巖厚度不小于10 m，或泥地比大于60%，單層厚度大于5 m，且連續(xù)厚度不小于30 m，TOC不小于1.5%，成熟度大于1.3%，含氣量不小于0.5 m3/t，地形高差較小且具有中等-好的保存條件的區(qū)域是頁巖氣分布有利區(qū)[21-23]。該有利區(qū)優(yōu)選標(biāo)準(zhǔn)是大量野外地質(zhì)調(diào)查、基礎(chǔ)研究、實驗測試分析及評價實踐中總結(jié)的，適合目前我國頁巖氣勘探開發(fā)實際情況，以此為基礎(chǔ)，優(yōu)選出3個主要的頁巖發(fā)育有利區(qū)(圖12)。

表5 揚子地區(qū)二疊系泥頁巖樣品礦物組成與相對含量及脆性指數(shù)

注：“*”其他礦物包括微量黃鐵礦、石膏、菱沸石及風(fēng)化次生礦物蒙脫石、黃鉀鐵礬、四水白鐵礬等。

圖11 揚子地區(qū)二疊系泥頁巖全巖及干酪根樣品等溫吸附實驗((a)全巖樣品；(b)干酪根樣品)Fig.11 Isothermal adsorption curves of whole rock and kerogen of Permian shale samples in Yangtze region

圖12 揚子地區(qū)二疊系頁巖氣有利區(qū)預(yù)測圖Fig.12 Forecasting result of favorable areas of Permian Formation in Yangtze region

(1)成都—宜賓—瀘州—重慶—廣安地區(qū)。該區(qū)為四川盆地開闊臺地和潮坪-潟湖相沉積環(huán)境，黑色頁巖厚度為30～200 m，表現(xiàn)為由北至南厚度增大的趨勢。該區(qū)大部分地區(qū)的有機碳含量高于1.5%，在重慶、成都、廣安一帶超過4.0%，成熟度均超過1.3%，大部分地區(qū)超過2.0%，達到高-過成熟階段，具備生成熱解氣和裂解氣的能力，同時高有機碳含量預(yù)示著可以保存以前生成的天然氣。

(2)蕪湖—南京—鎮(zhèn)江地區(qū)。該區(qū)為蘇北盆地陸棚相及三角洲-開闊臺地相沉積，在南京、鎮(zhèn)江一帶黑色頁巖厚度為50～150 m，且在鎮(zhèn)江地區(qū)達到最大。該區(qū)大部分地區(qū)有機碳含量超過1.5%，成熟度普遍大于2.0%，達到過成熟階段，雖失去生氣能力，但由于其高有機碳含量和良好的含氣性能，也能在條件適合的區(qū)域保存大量天然氣資源。

(3)張家界—宜昌—常德—石首地區(qū)。該區(qū)為開闊臺地陸棚相沉積，泥頁巖厚度最大可達50 m。該區(qū)大部分地區(qū)有機碳含量超過2.5%，成熟度處于中-高成熟階段，處于生氣高峰時期。

6 結(jié) 論

(1)揚子地區(qū)二疊系泥頁巖具有厚度大、有機碳含量高、成熟度高、含氣量高等特征，具有形成頁巖氣藏的良好氣源條件。

(2)揚子地區(qū)二疊系泥頁巖中孔隙類型多樣，既有粒間孔、晶間孔等原生孔隙，又發(fā)育重結(jié)晶孔、溶蝕孔、有機質(zhì)孔等次生孔隙。此外，二疊系泥頁巖中微裂縫發(fā)育，主要發(fā)育有原生層間縫或頁理縫、礦物收縮縫、有機質(zhì)收縮縫、溶蝕縫等成巖縫和層間裂縫或節(jié)理縫、構(gòu)造裂縫等構(gòu)造縫。

(3)揚子地區(qū)二疊系泥頁巖中含有石英、長石、方解石、白云石等脆性礦物，還含有伊利石、綠泥石、高嶺石等黏土礦物及其他礦物，頁巖脆性指數(shù)1和脆性指數(shù)2分別為8.8%～67.4%、9.4%～74.4%，平均值分別為34.43%、46.9%，脆性指數(shù)較大，壓裂性能較好。該區(qū)二疊系頁巖全巖樣品最大甲烷和干酪根樣品吸附氣量變化范圍較大，頁巖全巖樣品和干酪根樣品吸附氣量分別為2.0～4.3 cm3/g、3.5～5.3 cm3/g，平均值分別為2.75 cm3/g、4.25 cm3/g，表明該區(qū)二疊系泥頁巖吸附性能較強。

(4)揚子地區(qū)二疊系頁巖氣發(fā)育有利區(qū)域預(yù)測結(jié)果顯示，研究區(qū)主要存在成都—宜賓—瀘州—重慶—廣安、蕪湖—南京—鎮(zhèn)江、張家界—宜昌—常德—石首3個有利區(qū)。

[1] 董大忠,鄒才能,李建忠,等.頁巖氣資源潛力與勘探開發(fā)前景[J].地質(zhì)通報,2011,30(3):324-336.

[2] 董大忠, 鄒才能, 楊樺, 等.中國頁巖氣勘探開發(fā)進展與發(fā)展前景[J].石油學(xué)報,2012,31(1):107-114.

[3] 周東升, 許林峰, 潘繼平, 等.揚子地塊上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M頁巖氣勘探前景[J].天然氣工業(yè),2012,32(12):6-10.

[4] 潘磊, 陳桂華, 徐強, 等.下?lián)P子地區(qū)二疊系富有機質(zhì)泥頁巖孔隙結(jié)構(gòu)特征[J].煤炭學(xué)報,2013,38(5):787-793.

[5] 馮增昭, 何幼斌, 吳勝和.中下?lián)P子地區(qū)二疊紀(jì)巖相古地理[J].沉積學(xué)報,1993,11(3):13-24.

[6] 肖安成, 魏國齊, 沈中延.揚子地塊與南秦嶺造山帶的盆山系統(tǒng)與構(gòu)造耦合[J].巖石學(xué)報,2011,27(3):601-611.

[7] 馬力, 陳煥疆, 甘克文.中國南方大地構(gòu)造和海相油氣地質(zhì)(上、下冊)[M].北京:地質(zhì)出版社,2004：1-10.

[8] 侯讀杰, 包書景, 毛小平, 等.頁巖氣資源潛力評價的幾個關(guān)鍵問題討論[J].地球科學(xué)與環(huán)境學(xué)報,2012,34(3):7-16.

[9] 馬永生.中國海相油氣勘探[M].北京:地質(zhì)出版社,2007：1-100.

[10] 陳洪德, 覃建雄, 王成善, 等.中國南方二疊紀(jì)層序巖相古地理特征及演化[J].沉積學(xué)報,1999,17(4):13-24.

[11] 王成善, 李祥輝, 陳洪德.中國南方二疊紀(jì)海平面變化及升降事件[J].沉積學(xué)報,1999,17(4):536-541.

[12] 陳吉, 肖賢明.南方古生界3套富有機質(zhì)頁巖礦物組成與脆性分析[J].煤炭學(xué)報,2013,38(5):822-826.

[13] 趙佩, 李賢慶, 孫杰, 等.川南地區(qū)下古生界頁巖氣儲層礦物組成與脆性特征研究[J].現(xiàn)代地質(zhì),2014,28(2):396-403.

[14] JARVIE D M, HILL R J, RUBLE T E, et al. Unconventional shale-gas systems: The Mississippian Barnett Shale of north-central Texas as one model for thermogenic shale-gas assessment[J]. AAPG Bulletin, 2007,91(4):475-499.

[15] 鄒才能, 董大忠, 王社教, 等.中國頁巖氣形成機理、地質(zhì)特征及資源潛力[J].石油勘探與開發(fā),2010,37(6):641-653.

[16] 聶海寬, 唐玄, 邊瑞康.頁巖氣成藏控制因素及中國南方頁巖氣發(fā)育有利區(qū)預(yù)測[J].石油學(xué)報,2009,30(4):484-491.

[17] 陳磊, 姜振學(xué), 邢金艷, 等.川西坳陷新頁HF-1井須五段泥頁巖吸附氣含量主控因素及其定量預(yù)測模型[J].現(xiàn)代地質(zhì),2014,28(4):824-831.

[18] 趙玉集, 郭為, 熊偉, 等.頁巖等溫吸附/解吸影響因素研究[J].天然氣地球科學(xué),2014,25(6):940-946.

[19] 周守為, 姜偉, 張春陽, 等.美國Eagle Ford頁巖氣開發(fā)對我國頁巖氣勘探開發(fā)的啟示[J].中國工程科學(xué),2012,14(6):16-21.

[20] 朱彤, 曹艷, 張快.美國典型頁巖氣藏類型及勘探開發(fā)啟示[J].石油實驗地質(zhì),2014,36(6):718-724.

[21] 李延鈞, 劉歡, 劉家霞, 等.頁巖氣地質(zhì)選區(qū)及資源潛力評價方法[J].西南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2011,33(2):28-34.

[22] HAMMES U, HAMLIN H S, EWING T E. Geologic analysis of the Upper Jurassic Haynesville Shale in east Texas and west Louisiana[J]. AAPG Bulletin, 2011,95(10):1643-1666.

[23] 王世謙, 王書彥, 滿玲, 等.頁巖氣選區(qū)評價方法與關(guān)鍵參數(shù)[J].成都理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2013,40(6):609-620.

Research on Shale Gas Occurrence Geological Condition of Permian in Yangtze Region

XU Liangwei1,2, LIU Luofu1,2, LIU Zufa3, MENG Zhaoping4, CHEN Xiaowei1,2

(1.State Key Laboratory of Petroleum Resources and Prospecting, China University of Petroleum, Beijing 102249, China;2.BasinandReservoirResearchCenter,ChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,China;3.SchoolofGeographyandPlanning,SunYat-senUniversity,Guangzhou,Guangdong510275,China;4.CollegeofGeosciencesandSurveyingEngineering，ChinaUniversityofMiningandTechnology(Beijing),Beijing100083,China)

Niutitang Formation in the Lower Cambrian,Wufeng Formation in the Upper Ordovician and Longmaxi Formation in the Lower Silurian,and Dalong Formation in the Upper Permian of Paleozoic in Yangtze region are the main shale gas exploration formations in China.The research on the two formations in the Lower Paleozoic is more,but the research on the Permian is rather less.Combining the previous study results,geochemistry tests,XRD analysis,scanning electron microscope,isothermal adsorption and other experimental method are used to analysis the hydrocarbon generation conditions,reservoir characteristics and gas properties of the Permian shale.The results indicate that the Permian shale exists several thickness centers with the biggest thickness ranging from 175 meters to 200 m eters;the organic matter abundance is much higher in Sichuan Basin and its peripheral regions;the value of TOC is 4.0%-5.0%; the main type of organic matter isⅡ2;the maturity of whole Yangtze area is high and the value ofRois from 3.0% to 5.0%.The primary pores such as primary intercrystalline pore,intergranular pore, and the secondary pores such as secondary intercrystalline pore,dissolution pore,organic pore are widely spreaded in the Permian shale.In addition,it develops diagenetic gaps such as primary interlayer fissure,lamellation fissure,mineral shrinkage fissure,organic shrinkage fissure,dissolution fissure,and tectonic gaps such as interlayer fissure,joint fissure,and tectonic fissure.The mineral analysis indicates that the index 1 and index 2 of brittleness are 8.8%-67.4% and 9.4%-74.4% with average value of 34.43% and 46.9%,respectively.It is revealed that the brittleness of the Permian shale is high and beneficial for fracturing exploitation of shale gas.The isothermal adsorption experiment shows that the adsorbed gas content of whole rock and kerogen are 2.0-4.3 cm3/g and 3.5-5.3 cm3/g with average value of 2.75 cm3/g and 4.25 cm3/g,respectively, indicating that the methane adsorption capacity of the Permian shale is strong.The favorable area of shale gas development in the study area is forecasted as follows,Chengdu-Yibin-Luzhou-Chongqing-Guang’an,Wuhu-Nanjing-Zhenjiang and Zhangjiajie-Yichang-Changde-Shishou areas.

hydrocarbon generation condition; pore type; crack characteristic; brittleness index

2016-05-06；改回日期：2016-10-20；責(zé)任編輯：潘令枝。

“十二五”國家科技重大專項“頁巖氣勘探開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)”(2011ZX05003)；國家重點基礎(chǔ)研究計劃項目子課題(2012CB214705-02)；國家科技重大專項(2011ZX05008-002-41)。

徐良偉，男，博士研究生，1986年出生，地質(zhì)學(xué)專業(yè)，主要從事非常規(guī)油氣地質(zhì)相關(guān)研究。

Email:xlwcumtbcupb@163.com。

劉洛夫，男，教授，博士生導(dǎo)師，1958年出生，地球化學(xué)專業(yè)，主要從事油氣地球化學(xué)、沉積學(xué)、儲層地質(zhì)學(xué)和石油地質(zhì)學(xué)的教學(xué)和科研工作。Email: liulf@cup.edu.cn。

P618.12;TE132.2

A

1000-8527(2016)06-1376-14