江西萍樂(lè)坳陷曲江向斜樂(lè)平組頁(yè)巖儲(chǔ)層特征

謝德湘，靳　凱，易志東，徐　瑤

(1.贛中南地質(zhì)礦產(chǎn)勘查研究院，江西南昌　330000；2.江西省國(guó)土資源廳，江西南昌　330000)

萍樂(lè)坳陷是華南地區(qū)重要的含煤構(gòu)造，主要含煤地層包括晚二疊世樂(lè)平組和晚三疊世安源組，其中以上二疊統(tǒng)樂(lè)平組的煤層厚度最大，分布最廣泛[1]。過(guò)去，對(duì)煤炭及煤層氣進(jìn)行勘查的過(guò)程中往往忽略了對(duì)煤系地層中存在的大套暗色頁(yè)巖進(jìn)行評(píng)價(jià)。萍樂(lè)坳陷樂(lè)平組煤系地層為海陸交互相和陸相沉積，與之類似的鄂爾多斯盆地及沁水盆地已經(jīng)在頁(yè)巖儲(chǔ)層特征研究方面取得了重大進(jìn)展[2-6]。研究結(jié)果表明，與連續(xù)分布的海相頁(yè)巖相比，陸相頁(yè)巖分布規(guī)模較小，單層有效厚度變化較大，泥質(zhì)礦物含量普遍較高，可壓性差異較大，因此在進(jìn)行陸相頁(yè)巖氣資源評(píng)價(jià)時(shí)需要更多地考慮頁(yè)巖儲(chǔ)層的非均質(zhì)性[4]。前人對(duì)萍樂(lè)坳陷頁(yè)巖氣的成藏條件進(jìn)行了一些區(qū)域性評(píng)價(jià)，但是缺乏對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層特征，特別是巖石礦物、儲(chǔ)集空間類型及微觀孔隙特征的詳細(xì)研究[7-8]，因此對(duì)該地區(qū)煤系中頁(yè)巖儲(chǔ)層的研究尚處于起步階段。

本文以曲江向斜上二疊統(tǒng)樂(lè)平組頁(yè)巖儲(chǔ)層為研究對(duì)象，通過(guò)薄片鑒定、X衍射全巖分析、掃描電鏡、低壓氮?dú)馕胶秃瑲庑詼y(cè)試等多種試驗(yàn)方法，研究頁(yè)巖儲(chǔ)層的有機(jī)質(zhì)豐度、成熟度和類型等有機(jī)地化特征，以及礦物組成、儲(chǔ)集空間類型及微觀孔隙等儲(chǔ)層特征，探討萍樂(lè)坳陷煤系地層頁(yè)巖氣成藏的基本條件，為萍樂(lè)坳陷頁(yè)巖氣有利區(qū)的優(yōu)選提供參數(shù)依據(jù)。

1　區(qū)域地質(zhì)背景

萍樂(lè)坳陷是指沿萍鄉(xiāng)—樂(lè)平一帶近北東東向的狹長(zhǎng)地帶，為發(fā)育于江南古陸南側(cè)上的巨型坳陷[1]。萍樂(lè)坳陷位于揚(yáng)子地臺(tái)和華夏古陸的交界處(圖1)，其構(gòu)造位置決定了萍樂(lè)坳陷的形成及演化非常復(fù)雜，其南北邊界均為斷層，南界的萍鄉(xiāng)—廣豐斷裂帶是揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)和華南褶皺系的分界斷裂[9]。萍樂(lè)坳陷中段包括清江盆地、高安盆地和付家圩復(fù)向斜。付家圩復(fù)向斜位于萍樂(lè)坳陷“S”形構(gòu)造的中部，該地區(qū)的構(gòu)造改造作用相對(duì)較弱，頁(yè)巖氣保存條件較好，有利于頁(yè)巖氣的儲(chǔ)層研究和參數(shù)采集。曲江向斜為太陽(yáng)圩—付家圩復(fù)向斜的次級(jí)構(gòu)造，其構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單，走向呈近東西走向，地層傾角較小，僅10°左右，褶曲平緩，斷層較少且以正斷層為主。

晚二疊世樂(lè)平組沉積時(shí)期，受東吳運(yùn)動(dòng)的影響，萍樂(lè)坳陷整體抬升成陸，坳陷中央形成湖泊，湖岸線呈港灣狀深入陸地之中，大面積的淺湖區(qū)沉積了以泥頁(yè)巖、粉砂巖、煤及炭質(zhì)泥巖為主的泥坪，發(fā)育了一套分布面積廣、煤巖和頁(yè)巖發(fā)育的煤系地層。曲江向斜地表為第四系(Q)覆蓋，樂(lè)平組埋深在300～1800 m，與上覆長(zhǎng)興組(P3c)和下伏茅口組(P2m)呈不整合接觸。樂(lè)平組可分為4段，包括王潘里段(P3lw)、獅子山段(P3ls)、老山段(P3ll)、官山段(P3lg)，煤巖和頁(yè)巖多集中在王潘里段和老山段。鉆探揭示曲江向斜樂(lè)平組中暗色泥巖有184 m、煤層有7 m，氣測(cè)異常段達(dá)356 m，全烴最高可達(dá)28.61%，其中C1含量為27.03%。將樂(lè)平組的暗色頁(yè)巖浸入水中進(jìn)行清水試驗(yàn)，可見巖芯表面不斷有氣泡析出，所收集的氣體可點(diǎn)燃，火焰顏色呈橘黃色—藍(lán)色。

圖1　萍樂(lè)坳陷大地構(gòu)造略圖及樂(lè)平組地層柱狀圖Fig.1　Sketch tectonic map of Ping-Le depression and strata histogram of Leping formation

2　頁(yè)巖有機(jī)地化特征

2.1　有機(jī)質(zhì)豐度

前人研究表明，頁(yè)巖含氣量與總計(jì)機(jī)碳含量(TOC)之間存在良好的正相關(guān)關(guān)系，頁(yè)巖較高的有機(jī)質(zhì)豐度為頁(yè)巖氣的富集提供了物質(zhì)基礎(chǔ)，且頁(yè)巖中的吸附氣主要吸附于分散狀的有機(jī)質(zhì)表面，同時(shí)豐富的有機(jī)質(zhì)也是形成大量納米級(jí)孔隙的重要載體；因此，有機(jī)質(zhì)豐度是頁(yè)巖儲(chǔ)層評(píng)價(jià)的重要因素之一[10-11]。樂(lè)平組137塊頁(yè)巖有機(jī)碳含量測(cè)試結(jié)果表明，樂(lè)平組頁(yè)巖儲(chǔ)層的TOC在0.37%～13.52%，平均為2.12%，絕大多數(shù)樣品的TOC大于0.6%，其中TOC>1%的樣品數(shù)達(dá)74塊，占總樣品數(shù)的54%(圖2a)。根據(jù)煤系烴源巖生烴潛力評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[12]，樂(lè)平組頁(yè)巖儲(chǔ)層為中等烴源巖，具有較好的生烴潛力。

2.2　有機(jī)質(zhì)類型

有機(jī)質(zhì)類型主要是干酪根類型的辨別，不同干酪根的生氣潛力有很大的差別，這種差異與有機(jī)質(zhì)的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)有關(guān)。有機(jī)質(zhì)中干酪根碳同位素受生源和環(huán)境影響很大，可以提供有關(guān)有機(jī)質(zhì)生烴母質(zhì)和沉積環(huán)境的有用信息，因此也可以依據(jù)干酪根碳同位素進(jìn)行有機(jī)質(zhì)類型識(shí)別，其δ13C的區(qū)間值分別為Ⅰ型為-35‰～-30‰，Ⅱ1型為-30‰～-27.5‰，Ⅱ2型為-27.5‰～-25‰，Ⅲ型≥-25‰[13]。樂(lè)平組樣品的干酪根碳同位素?cái)?shù)值在-27.93‰ ～-22.19 ‰之間，主體位于-22.5 ‰～-25.5‰之間，以有利生氣的Ⅲ型干酪根為主，少量II2型。

2.3　有機(jī)質(zhì)成熟度

有機(jī)質(zhì)成熟度即有機(jī)質(zhì)向油氣轉(zhuǎn)化的熱演化程度，它決定著有機(jī)質(zhì)生成油氣的數(shù)量和潛力，往往成熟烴源巖分布區(qū)會(huì)有較高的油氣勘探成功率[14-15]。根據(jù)天然氣有機(jī)成因理論，熱成因高產(chǎn)氣率Ro為1.1%～3.0%。樂(lè)平組頁(yè)巖的鏡質(zhì)體反射率介于1.64%～2.41%之間(圖2b)，平均值為1.88%，處于高過(guò)成熟階段，已經(jīng)進(jìn)入大量生氣期，可以為頁(yè)巖氣的富集提供氣源。北美和中國(guó)南方的海相頁(yè)巖Ro一般處于1.1%～3.5%，鄂爾多斯盆地中生界陸相頁(yè)巖的Ro為1.25%～1.33%[4]。相比而言，研究區(qū)的有機(jī)質(zhì)成熟度屬于中等偏高。

圖2　樂(lè)平組頁(yè)巖儲(chǔ)層有機(jī)碳含量(a)和有機(jī)質(zhì)成熟度(b)分布直方圖Fig.2　Column diagram of organic carbon content and kerogen carbon isotopes of Leping formation shale reservoir

3　頁(yè)巖儲(chǔ)層特征分析

3.1　顯微鏡下特征

巖石薄片分析結(jié)果表明，樂(lè)平組頁(yè)巖主要由碎屑物質(zhì)、填隙物和少量的炭質(zhì)組成。其中，碎屑物質(zhì)的含量在2%～60%之間，主要為礦物碎屑，形態(tài)多呈棱角狀、次棱角狀，有的呈次圓狀等，磨圓度一般至較好；粒徑大多在0.03～0.06 mm之間，分選性較好。碎屑物在巖石中多呈雜亂—半定向排列，成分見有石英、極少許斜長(zhǎng)石及白云母等(圖3a、3b)，部分石英呈分散狀分布于泥質(zhì)礦物及其集合體間隙中(圖3c)。個(gè)別樣品中白云石含量較高，可達(dá)70%～75%之間(圖3d)，為泥質(zhì)白云巖。頁(yè)巖的碎屑礦物中一般含有黃鐵礦(圖3e)，但含量均小于1%。填隙物主要分布于碎屑物間隙中，由雜基和膠結(jié)物組成，以雜基為主，含量為25%～98%。雜基成分主要為黏土礦物和少許粒徑更為細(xì)小的碎屑物成分，多呈隱晶質(zhì)狀，部分黏土礦物呈顯微鱗片狀，往往呈放射球粒狀集合體。個(gè)別樣品中，黏土礦物集合體呈細(xì)小條紋狀，具褶皺現(xiàn)象。頁(yè)巖中炭質(zhì)碎屑呈極細(xì)小片狀、板狀或非晶質(zhì)狀，多分布于泥質(zhì)及其集合體間隙中，少許分布于巖石裂隙中(圖3f)，不太均勻，局部稍稍集中呈團(tuán)塊狀，含量多在2%～10%范圍內(nèi)。

3.2　礦物組成

頁(yè)巖的礦物含量不僅影響頁(yè)巖儲(chǔ)層的巖石力學(xué)性質(zhì)，也可影響頁(yè)巖儲(chǔ)層的孔隙結(jié)構(gòu)；因此，其被認(rèn)為是頁(yè)巖氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)[16]。X衍射全巖分析結(jié)果表明，樂(lè)平組頁(yè)巖以石英和長(zhǎng)石等碎屑礦物和黏土礦物為主，碳酸鹽巖礦物含量較低，僅含少量方解石和白云石。具體來(lái)看，石英含量介于21.40%～79.22%之間，平均值為44.57%；長(zhǎng)石含量介于1.65%～15.58%之間，平均為3.19%；黏土礦物含量介于28.00%～69.05%之間，平均為47.45%(圖4)。研究結(jié)果表明頁(yè)巖脆性對(duì)改善頁(yè)巖儲(chǔ)層壓裂效果具有重要作用，能有效提高頁(yè)巖氣的產(chǎn)量[17]。通常認(rèn)為，脆性礦物主要包括石英、碳酸鹽類礦物與鐵礦石類礦物。本文采用Rickman等(2008)提出的脆性指數(shù)計(jì)算公式：脆性指數(shù)=石英/(石英+碳酸鹽巖+黏土)，求取了樂(lè)平組頁(yè)巖的脆性指數(shù)。結(jié)果表明，所研究頁(yè)巖的脆性指數(shù)介于24%～81%之間，平均值為48%。張晨晨等(2016)對(duì)四川盆地五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖儲(chǔ)層的參數(shù)進(jìn)行了分級(jí)評(píng)價(jià)，將脆性指數(shù)>40%作為優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖儲(chǔ)層的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)之一[18]，據(jù)此表明萍樂(lè)坳陷樂(lè)平組頁(yè)巖也具有較好的脆性。

圖3　曲江向斜YQ1井樂(lè)平組頁(yè)巖鏡下鑒定照片F(xiàn)ig.3　Photos under microscope of Leping formation shale in well YQ1a.粉砂質(zhì)頁(yè)巖，737.54 m；b.含炭質(zhì)粉砂質(zhì)泥巖，720.87 m；c.含炭質(zhì)粉砂質(zhì)頁(yè)巖，735.42 m；d.泥質(zhì)白云巖，647.2 m；e.含炭質(zhì)粉砂質(zhì)頁(yè)巖，679.1 m；f.層狀含粉砂質(zhì)頁(yè)巖，715 m

圖4　曲江向斜YQ1井樂(lè)平組頁(yè)巖X衍射巖石礦物組成及黏土礦物組成Fig.4　Mineral composition and clay mineral composition of Leping formation shale in well YQ1

頁(yè)巖儲(chǔ)層中黏土礦物中微孔隙發(fā)育，是重要的儲(chǔ)集空間，并且黏土礦物對(duì)天然氣有較強(qiáng)的吸附能力，因此，黏土含量對(duì)頁(yè)巖的含氣性有重要影響。試驗(yàn)表明，黏土礦物中除蒙脫石外，伊/蒙混層和高嶺石的微孔隙較為發(fā)育，其同等條件下對(duì)甲烷的吸附量比綠泥石和伊利石更高[19]。樂(lè)平組頁(yè)巖中的黏土礦物主要由高嶺石、伊/蒙混層和伊利石組成，三者的平均質(zhì)量百分比分別為42.58%、30.32%和23.63%，綠泥石含量較低(圖4)?？傮w來(lái)說(shuō)，樂(lè)平組頁(yè)巖的黏土礦物組成有利于提高頁(yè)巖的儲(chǔ)集空間。

3.3　儲(chǔ)集空間類型

掃描電鏡下可見，樂(lè)平組頁(yè)巖發(fā)育大量黏土礦物粒間孔，包括伊利石粒間孔(圖5a)、伊/蒙混層粒間孔(圖5b)及少量綠泥石粒間孔(圖5c)等，孔隙直徑多小于1 μm，表現(xiàn)為片狀或纖維狀黏土礦物之間的狹縫形孔或楔形孔。同時(shí)還觀察到大量有機(jī)孔隙，孔隙大小可達(dá)數(shù)十納米，呈點(diǎn)狀或橢圓狀(圖5d)。研究表明有機(jī)質(zhì)的生烴將會(huì)產(chǎn)生大量的有機(jī)孔隙[11]，樂(lè)平組頁(yè)巖的成熟度表明其已達(dá)到了大量生氣和產(chǎn)生有機(jī)孔隙的階段。本文基于儲(chǔ)集空間類型和孔隙特征研究，利用測(cè)井資料計(jì)算了樂(lè)平組頁(yè)巖的孔隙度和滲透率，結(jié)果表明其孔隙度介于2%～6%，平均為3.8%；滲透率在0.5～23 mD之間，平均為8 mD。

3.4　孔隙結(jié)構(gòu)特征

圖5　曲江向斜YQ1井樂(lè)平組頁(yè)巖孔隙顯微特征Fig.5　Microscope characteristics of pores of Leping formation shale in well YQ1a.伊利石粒間孔，737.54 m；b.伊/蒙混層粒間孔，735.42 m；c.綠泥石間孔隙，722.2 m；d.黏土礦物粒間孔，595.86 m；e.有機(jī)孔隙，735.42 m；f.有機(jī)孔隙，722.2 m

圖6　曲江向斜YQ1井樂(lè)平組頁(yè)巖儲(chǔ)集空間類型Fig.6　Reservoir space type of Leping shale in well YQ1

低壓氮?dú)馕皆囼?yàn)常常被用來(lái)表征泥頁(yè)巖的微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征，該試驗(yàn)可以反映直徑介于1.7～150 nm之間孔隙的定量化信息[20-22]。通過(guò)測(cè)試泥頁(yè)巖樣品在-196 ℃溫度下不同試驗(yàn)壓力的氮?dú)馕搅浚L出吸附和脫附等溫線，根據(jù)滯后環(huán)的形狀確定孔的形狀，按不同的孔模型計(jì)算孔分布、孔容積和比表面積。圖6展示了樂(lè)平組頁(yè)巖樣品的低溫氮?dú)馕降葴厣龎哼^(guò)程的吸附曲線和降壓過(guò)程的脫附曲線。從形態(tài)上看，吸附曲線整體呈反“S”形，根據(jù)吸附等溫曲線的BET分類，屬于II型吸附曲線；吸附曲線前段上升緩慢，后段急劇上升，一直持續(xù)到相對(duì)壓力接近1.0時(shí)也未呈現(xiàn)出吸附飽和現(xiàn)象，表明樣品在吸附氮?dú)膺^(guò)程中發(fā)生了毛細(xì)孔凝聚現(xiàn)象。II型吸附等溫線的出現(xiàn)表明樣品中存在一定數(shù)量的中孔和大孔，所以在相對(duì)壓力(p/po)較高的階段，吸附量快速上升。樣品的吸附等溫線中吸附曲線和脫附曲線在壓力較高的部分不重合，形成吸附回線。樣品中的吸附回線與IUPAC分類中的H3型吸附回線接近，同時(shí)具有H4型的特征，這表明樂(lè)平組頁(yè)巖的孔隙主要為納米孔，孔隙的尺寸和排列無(wú)規(guī)則，孔結(jié)構(gòu)具有狹縫狀孔特征，且含有多形態(tài)的其他孔，這與掃描電鏡的觀察結(jié)果一致。

通常將吸附相對(duì)壓力為0.99時(shí)的吸附量作為孔體積，可根據(jù)BET模型計(jì)算樣品的比表面積和孔徑(表1)。樂(lè)平組頁(yè)巖的孔隙體積為0.0162～0.0334 cm3/g，平均為0.0273 cm3/g；比表面積為4.31～13.18 m2/g，平均為10.24 m2/g；平均孔徑介于10.09～15.05 nm之間，平均為11.26 nm。根據(jù)吸附回線分析，其孔形狀極不規(guī)則，孔隙大小不同，通常用不同孔徑范圍的孔體積分布參數(shù)表征。圖7為采用DFT法得到的樣品孔徑體積分布，可以看出樣品主要以3～6 nm的孔隙為主。

圖7　曲江向斜YQ1井樂(lè)平組頁(yè)巖氮?dú)馕椒讖椒植记€Fig.7　Pore diameter distribution curves of nitrogen adsorption of Leping formation shale in well YQ1

樣品號(hào)深度/m巖性孔隙體積/(cm3·g-1)比表面積/(m2·g-1)平均孔徑/nmQY1735.42灰黑色泥巖0.01624.3115.05QY2715.00灰黑色泥巖0.027010.0010.79QY3675.80深灰色泥巖0.029911.6310.28QY4641.05深灰色泥巖0.028710.4310.98QY5625.42深灰色泥巖0.033413.1810.14QY6612.72深灰色泥巖0.027310.5910.30

4　頁(yè)巖含氣性特征

4.1　含氣量

現(xiàn)場(chǎng)解吸結(jié)果表明，樂(lè)平組頁(yè)巖的含氣量介于0.22～2.10 m3/t之間，平均為0.4 m3/t，含氣量較高的層段集中在樂(lè)平組老山段。氣測(cè)數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)解吸含氣量間具有很好的正相關(guān)關(guān)系，表明可以用氣測(cè)資料對(duì)頁(yè)巖含氣性進(jìn)行較為可靠的預(yù)測(cè)，即含氣量=0.1197×氣測(cè)全烴含量+0.143。利用此公式對(duì)樂(lè)平組頁(yè)巖含氣量計(jì)算的結(jié)果表明，含氣量在0.14～3.57 m3/t之間，平均值為0.43 m3/t，含氣量隨深度增加而增大，在老山段底部頁(yè)巖含氣量最高。

4.2　頁(yè)巖氣組分特征及成因類型

樂(lè)平組頁(yè)巖解吸氣氣體組分測(cè)試結(jié)果表明，其成分以甲烷為主，平均含量為86.63%；含少量氮?dú)猓骄繛?1.6%；二氧化碳含量較少，平均只占0.72%；部分樣品含有少量乙烷和丙烷(<1%)。解吸氣的干燥系數(shù)較高，均大于0.98，為干氣，這與頁(yè)巖的成熟度處于高成熟階段(1.64%

5　結(jié)論

(1)萍樂(lè)坳陷曲江向斜樂(lè)平組頁(yè)巖的TOC為0.37%～13.52%，平均為2.12%；有機(jī)質(zhì)類型以Ⅲ型為主，少量II2型；有機(jī)質(zhì)成熟度Ro為1.64%～2.41%，平均值為1.88%，整體上反映有機(jī)質(zhì)含量較高，成熟度適中，具有較強(qiáng)的生烴能力。

(2)樂(lè)平組頁(yè)巖主要由碎屑物質(zhì)、填隙物和少量的炭質(zhì)組成，礦物的脆性指數(shù)介于24%～81%之間，平均值為48%；孔隙以黏土礦物粒間孔和有機(jī)孔隙為主，孔隙度介于2%～6%，孔隙結(jié)構(gòu)反映為狹縫狀的3～6 nm的孔隙。

(3)樂(lè)平組頁(yè)巖解吸氣的成分以甲烷為主，含氣量介于0.22～2.10 m3/t之間，平均為0.4 m3/t，含氣量隨深度的增加而增大。

總體而言，萍樂(lè)坳陷曲江樂(lè)平組頁(yè)巖儲(chǔ)層既具有良好的生烴基礎(chǔ)，又發(fā)育較好的脆性和儲(chǔ)集空間，且證實(shí)存在一定的含氣性，說(shuō)明萍樂(lè)坳陷樂(lè)平組煤系地層中的頁(yè)巖儲(chǔ)層具有一定的勘探潛力。但目前研究區(qū)頁(yè)巖氣的勘探程度相對(duì)較低，還需進(jìn)一步探索控制頁(yè)巖含氣性的因素，為該地區(qū)頁(yè)巖氣的勘探指明方向。