下?lián)P子地區(qū)寒武系頁巖氣成藏條件分析與資源潛力評價

黃正清，周道容，李建青，吳 通，徐菲菲

(1.中國地質(zhì)調(diào)查局 南京地質(zhì)調(diào)查中心，南京 210016；2.山東科技大學(xué)，山東 青島 266590)

下?lián)P子地區(qū)下寒武統(tǒng)荷塘組(幕府山組)以暗色泥巖為主，厚度大、分布范圍廣，有機碳含量高、有機質(zhì)類型以Ⅰ型為主，脆性礦物含量高，具有良好的頁巖氣成藏條件[1]。但由于該套地層發(fā)育至今已有五億四千萬年的歷史，經(jīng)歷了多期次構(gòu)造活動和多輪回的沉積作用，大部分地區(qū)的頁巖處于過成熟的熱演化階段，加上斷裂構(gòu)造的破壞，很難形成有規(guī)模的頁巖氣藏，這也是下?lián)P子地區(qū)至今未能發(fā)現(xiàn)寒武系頁巖氣的主要原因。本文通過全面梳理下?lián)P子地區(qū)寒武系富有機質(zhì)泥頁巖的分布特征及其有機地化指標參數(shù)情況，試圖圈定頁巖氣遠景區(qū)，優(yōu)選有利目標區(qū)，評價資源潛力，指導(dǎo)華東地區(qū)頁巖氣地質(zhì)調(diào)查工作的部署。

1 地質(zhì)背景

下?lián)P子地區(qū)中、新生代伴隨多期次的強烈構(gòu)造運動，構(gòu)造演化經(jīng)歷了平穩(wěn)沉降、擠壓推覆、拉張裂陷3大發(fā)育階段[2-3]；其海相中、古生界發(fā)育較大規(guī)模的沖斷推覆構(gòu)造，推覆構(gòu)造以下志留統(tǒng)高家邊組泥巖為滑脫面，在平面上具有明顯的分帶性。在海相古生界的基礎(chǔ)上，主要發(fā)育陸相沉積，形成了一批坳陷、斷坳復(fù)合型盆地。本區(qū)自震旦紀以來延續(xù)形成了從海相、海陸過渡相到陸相等多種沉積環(huán)境下的古生界海相地層，分布面積達13×104km2，厚達3～10 km，有機質(zhì)豐富，已發(fā)現(xiàn)大量油氣顯示。古生界海相地層中有10余套富含有機質(zhì)泥頁巖系，它們平面分布廣，剖面層位多，累計厚度大[4-6]。下寒武統(tǒng)荷塘組以暗色泥巖為主，在區(qū)內(nèi)發(fā)育厚度較大，分布穩(wěn)定。根據(jù)皖寧2井實鉆資料(圖1)，下寒武統(tǒng)荷塘組厚度達276 m[1]；浙江安吉葉坑埠、安徽寧國南陽和石臺丁香樹等地表出露的荷塘組地層，實測剖面厚度分別達241.7，227.4，641.19 m；宣頁1井揭示荷塘組厚度達269.8 m[1]。無論是地表露頭剖面還是鉆孔中的巖心，其地質(zhì)編錄結(jié)果顯示，荷塘組中碳質(zhì)硅質(zhì)泥頁巖的厚度均占60%以上。在巖性特征上，荷塘組底部灰黑色薄層碳質(zhì)硅質(zhì)頁巖夾薄層硅質(zhì)巖，向上硅質(zhì)含量減少，碳質(zhì)含量增多；中部發(fā)育黑色硅質(zhì)巖，節(jié)理發(fā)育；上部為灰黑色、黑色硅質(zhì)碳質(zhì)泥巖，夾石煤，水平層理發(fā)育并含黃鐵礦；頂部發(fā)育薄層狀深灰色微晶灰?guī)r。

2 頁巖氣成藏主控因素分析

2.1 有機質(zhì)含量

根據(jù)野外露頭剖面和多口鉆井中采集的300多件寒武系碳質(zhì)硅質(zhì)泥頁巖樣品的測試結(jié)果，有機碳含量(TOC)為0.25%～23.52%，除去石煤層中的特高值和部分硅質(zhì)泥巖的含量，其背景平均含量為4.54%，很顯然是非常好的頁巖氣目標層段。從全區(qū)TOC含量等值線圖(圖2)可以看出，TOC的高值區(qū)大致有2個條帶：一條是江南隆起北緣九江—安慶—池州—宣城—湖州—蘇州一帶，其中心區(qū)域的含量超過10%以上；另一個條帶位于錢塘坳陷的景德鎮(zhèn)—黃山—杭州—嘉興地區(qū)，其中心區(qū)域的有機碳平均含量超過6%以上。另外，在蘇北盆地的泰州地區(qū)和滁州地區(qū)也有TOC平均含量超過2%的分布區(qū)。全區(qū)除銅陵、蕪湖、馬鞍山巢湖地區(qū)之外，其余絕大部分區(qū)域的有機碳平均含量均超過1%，說明下?lián)P子地區(qū)寒武系地層是頁巖氣理想的目標層系。

圖1 安徽皖寧2井地質(zhì)柱狀圖資料來源于中國石化華東分公司石油勘探開發(fā)研究院。

2.2 有機質(zhì)類型

下?lián)P子準地臺早寒武世主要沉積淺海盆地相的灰黑、深灰色硅質(zhì)巖、硅質(zhì)頁巖、頁巖，夾石煤層和含磷結(jié)核層，通常見有黃鐵礦小晶體，局部見有硅質(zhì)灰?guī)r和白云巖夾層[7]，說明寒武系地層為海相沉積地層，有機質(zhì)主要來自于海洋生物，其類型應(yīng)該為腐泥型。根據(jù)泥頁巖樣品分析結(jié)果，荷塘組干酪根碳同位素值均介于-29‰～31‰之間，因此下寒武統(tǒng)荷塘組泥頁巖的有機質(zhì)類型應(yīng)以Ⅰ型為主[3]，這對頁巖氣的形成是十分有利的。

圖2 下?lián)P子地區(qū)寒武系泥頁巖TOC等值線

2.3 有機質(zhì)熱演化程度

寒武系地層至今已有五億年的歷史，成巖之后不僅經(jīng)歷了后期沉積地層的壓實作用，而且還經(jīng)歷了多期次的構(gòu)造運動和巖漿活動，其熱演化程度相對較高，因此下?lián)P子地區(qū)下寒武統(tǒng)泥頁巖Ro普遍較高。從收集的前人Ro數(shù)據(jù)和研究工作中采集的樣品分析成果來看(圖3)，下?lián)P子區(qū)荷塘組黑色泥頁巖絕大部分地區(qū)的Ro>2%，有一半以上的地區(qū)Ro>3%，最高值可達6.32%，處于過成熟干氣階段。在平面上，大的巖漿巖體周圍其頁巖的Ro值普遍較高，如安徽九華山巖體西側(cè)的石臺地區(qū)、江西三青山巖體北側(cè)的婺源地區(qū)等；錢塘坳陷東南側(cè)靠近江紹深大斷裂帶，巖體和火山活動十分強烈，因此其Ro值顯示得較高，普遍大于3.0%。分析認為，埋藏變質(zhì)作用是導(dǎo)致下寒武統(tǒng)頁巖高熱演化的最主要原因之一，巖漿作用是導(dǎo)致下寒武統(tǒng)頁巖局部高熱演化的關(guān)鍵因素[1，8]。2017年在錢塘坳陷的開化地區(qū)采集測試的31件樣品中，Ro值在2.10%～3.44%之間，其中一半以上的樣品Ro<3.0%；在花崗巖體出露的巖鋪地區(qū)采集的2個樣品，Ro均超過3.0%。由此可見，在錢塘坳陷的開化地區(qū)，荷塘組碳質(zhì)頁巖的熱演化程度較適中，具有較好的頁巖氣勘探前景。

2.4 儲集特征

根據(jù)所采樣品掃描電鏡分析顯示，下寒武統(tǒng)頁巖結(jié)構(gòu)致密，基本上不發(fā)育無機孔隙，僅在有機質(zhì)內(nèi)部發(fā)育孔隙，大部分樣品孔隙度小于2%，孔隙度較低。據(jù)脈沖法實驗結(jié)果顯示，樣品的孔隙度為0.05%～0.26%；樣品進行氮氣滲透率測試后顯示，荷塘組泥頁巖的滲透率為(0.026～0.049 2)×10-3μm2，為低孔低滲型，對吸附氣的保存較為有利，但含氣性相對較差。與國外頁巖氣的頁巖相比，荷塘組泥頁巖孔隙度明顯較小，最大值僅2.184%，滲透率最大值0.506×10-3μm2；而采自未充填裂縫的荷塘組泥巖，最小孔隙度僅0.198%，最小滲透率0.001×10-3μm2。從采自含較少有機質(zhì)的荷塘組泥巖中發(fā)現(xiàn)，所夾泥灰?guī)r中縫合線發(fā)育，孔隙度也相對較大，一般為1.2%～1.5%[8]。

2.5 含氣性

宣頁1井的鉆探結(jié)果顯示，目標層段荷塘組以硅質(zhì)碳質(zhì)泥頁巖為主，TOC大于2%，最高達7%；但從49件宣頁1井的巖心樣品現(xiàn)場含氣量解析成果來看，荷塘組泥頁巖現(xiàn)場解析氣最高含量為0.26 mL/g，中寒武統(tǒng)大陳嶺組解析氣含量可達0.67 mL/g[9]。氣測錄井顯示，目標層段全烴值升高并不明顯，僅僅在下奧陶統(tǒng)泥灰?guī)r段發(fā)現(xiàn)兩處裂隙氣的氣測異常。另外，在荷塘組碳質(zhì)頁巖中顯示全烴值有增高的趨勢，但異常不夠明顯；現(xiàn)場巖心含氣性測量結(jié)果，大部分碳質(zhì)頁巖樣品含氣量范圍在0.84～1.30 mL/g之間[9]。通過對泥頁巖樣品的等溫吸附實驗結(jié)果顯示，泥頁巖對氣體的吸附量隨著TOC的增加而呈現(xiàn)增大的趨勢，而隨著Ro值的增加(大于3.0%之后)而迅速減少[8]。與中揚子宜昌地區(qū)目前已鉆探的頁巖氣含量相比，盡管含量偏低，但宣頁1井畢竟是處于下?lián)P子熱演化程度相對較高的地區(qū)，其Ro在3.05%～3.67%之間，構(gòu)造復(fù)雜，鉆探結(jié)果依然顯示有頁巖氣的存在，并有一定的含氣量，那么在Ro<3.0%的地區(qū)，很顯然具有頁巖氣的勘探潛力。

圖3 下?lián)P子地區(qū)寒武系荷塘組泥頁巖Ro等值線平面分布

總體來說，下?lián)P子地區(qū)下寒武統(tǒng)荷塘組泥頁巖厚度大、TOC高，但在熱演化程度較高的地區(qū)，其儲層物性較差，加之構(gòu)造復(fù)雜、保存條件差，這是難以發(fā)現(xiàn)頁巖氣藏的主要原因；而在構(gòu)造活動相對較弱、演化程度適中的地段，還是有發(fā)現(xiàn)頁巖氣藏的可能，因此尋找弱改造、低演化目標區(qū)是關(guān)鍵。

3 資源潛力分析

按照中國地質(zhì)調(diào)查局頒布的《頁巖氣基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查工作指南》，頁巖氣遠景區(qū)優(yōu)選指標為：(1)富有機質(zhì)頁巖層段厚度應(yīng)大于15 m；(2)頁巖的有機質(zhì)含量大于等于0.5%；(3)有機質(zhì)熱演化程度Ro=0.5%～3.5%；(4)埋深500～4 500 m。

根據(jù)頁巖氣遠景區(qū)優(yōu)選指標，以下寒武統(tǒng)荷塘組硅質(zhì)碳質(zhì)頁巖的厚度、有機質(zhì)含量(TOC)、熱演化程度(Ro)及目標層段的埋深等要素特征，采用地質(zhì)類比，進行多因素疊加分析，從下?lián)P子地區(qū)寒武系富有機質(zhì)泥頁巖分布區(qū)域優(yōu)選出頁巖氣遠景區(qū)。優(yōu)選出的遠景區(qū)主要有3個：(1)位于江西上饒—浙江開化、淳安、桐廬一帶，富有機質(zhì)泥頁巖單層厚度在30～150 m，TOC都在2%以上，熱演化程度相對較低，Ro一般在1.5%～3.5%之間，泥頁巖埋深500～3 500 m；(2)分布在江蘇揚州—高郵—興化一帶[10]，該區(qū)有機質(zhì)豐度高，大部分地區(qū)TOC大于2.5%，Ro一般在2.0%～3.0%之間，說明熱演化程度較低，泥頁巖埋藏深度一般都大于3 000 m；(3)分布在蘇北盆地西南部，位于安徽全椒縣—江蘇六合縣境內(nèi)[10]，該區(qū)有機質(zhì)豐度高，全椒地區(qū)露頭下寒武統(tǒng)泥巖有機碳平均含量為5.67%，Ro在3%左右，有機質(zhì)熱演化程度較高，泥頁巖埋深西高東低，埋深適中，一般為2 000～3 000 m。

通過露頭測量、鉆井資料獲得下?lián)P子區(qū)內(nèi)不同位置的厚度值并編制頁巖分布等厚圖，使用相對面積占有法，即將編制好的有效頁巖等厚圖作為厚度估計的直接依據(jù)，依照不同厚度所占據(jù)的相對面積大小進行厚度估計和賦值，估算求得下?lián)P子地區(qū)下寒武統(tǒng)頁巖氣資源量為288 944.4×108m3。

4 結(jié)論

(1)通過大量的野外露頭觀察發(fā)現(xiàn)，下?lián)P子區(qū)下寒武統(tǒng)荷塘組暗色泥巖在區(qū)內(nèi)分布穩(wěn)定、厚度較大，有機碳含量高、有機質(zhì)類型以Ⅰ型為主，處于過成熟熱演化階段，具有良好的頁巖氣成藏條件。

(2)下寒武統(tǒng)荷塘組碳質(zhì)泥巖Ro普遍較高，大都大于2%，處于過成熟干氣階段，所以演化程度適中的地區(qū)是尋找頁巖氣的有利地區(qū)。

(3)下寒武統(tǒng)荷塘組碳質(zhì)泥巖熱演化程度較高，儲層物性、保存條件差是頁巖含氣量低的主因，因此針對下寒武統(tǒng)頁巖，尋找弱改造、低演化程度區(qū)是勘探的關(guān)鍵。