下?lián)P子地區(qū)奧陶紀(jì)頁巖氣地質(zhì)條件及遠(yuǎn)景區(qū)優(yōu)選

殷啟春，方朝剛，鄭紅軍，王敬東，王 豐

(1. 中國地質(zhì)調(diào)查局南京地質(zhì)調(diào)查中心，南京 210016；2. 中國海洋大學(xué)海洋地球科學(xué)學(xué)院，青島 266100)

近年來，上揚(yáng)子地區(qū)已實(shí)現(xiàn)了對(duì)奧陶紀(jì)五峰組—志留紀(jì)龍馬溪組頁巖氣的商業(yè)開發(fā)[1-2]，公益性頁巖氣地質(zhì)調(diào)查在中揚(yáng)子地區(qū)志留系、震旦系取得了重大進(jìn)展[3]。下?lián)P子地區(qū)古生界富有機(jī)質(zhì)泥頁巖層段主要分布于二疊紀(jì)大隆組—龍?zhí)督M—孤峰組、早志留世—晚奧陶世高家邊組—五峰組、早寒武世荷塘組/幕府山組[4-7]，目前僅在二疊系取得頁巖氣重要發(fā)現(xiàn)[8]。浙皖兩省交界區(qū)奧陶紀(jì)寧國組和胡樂組主要為灰黑色硅質(zhì)、碳質(zhì)泥頁巖，是受上升流影響的烴源巖[9]，是值得關(guān)注的富有機(jī)質(zhì)泥頁巖層段，目前對(duì)下?lián)P子區(qū)早中奧陶世泥頁巖的頁巖氣地質(zhì)條件和遠(yuǎn)景區(qū)優(yōu)選工作尚未開展。

本文利用露頭、鉆井和測(cè)試數(shù)據(jù)[10-13]，獲取下?lián)P子地區(qū)頁巖氣評(píng)價(jià)參數(shù)，以中奧陶世胡樂組、早奧陶世寧國組頁巖為研究對(duì)象，分析了該區(qū)頁巖氣地質(zhì)特征，尋找優(yōu)質(zhì)頁巖分布區(qū)和構(gòu)造相對(duì)穩(wěn)定區(qū)。研究頁巖規(guī)模、埋深、品質(zhì)、生烴條件和儲(chǔ)集條件，優(yōu)選頁巖氣遠(yuǎn)景區(qū)，為后期該區(qū)進(jìn)一步開展頁巖氣資源調(diào)查與勘探提供參考。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

1.1 區(qū)域構(gòu)造概況

下?lián)P子地區(qū)主要包括郯廬斷裂帶東南側(cè)和江紹斷裂帶西北側(cè)地區(qū)(圖1)，可進(jìn)一步劃分為長江中下游弧后裂陷盆地、下?lián)P子被動(dòng)陸緣、江南古島弧、伏川—樟樹墩蛇綠混雜巖和懷玉山—天目山被動(dòng)陸緣盆地[14]。南華紀(jì)—三疊紀(jì)，下?lián)P子地區(qū)總體為海相蓋層發(fā)展期，發(fā)育多套富有機(jī)質(zhì)的泥頁巖，主要位于高坦斷裂、懷玉—天目山斷裂和江南隆起東部邊界外側(cè)[15-16]。古生代，研究區(qū)發(fā)生大規(guī)模油氣生成、運(yùn)移和成藏事件，經(jīng)中—新生代多期構(gòu)造改造，油氣成藏條件復(fù)雜[17-20]。晚印支期以來，構(gòu)造-巖漿活動(dòng)對(duì)該區(qū)油氣藏破壞、改造，因此，頁巖氣勘探需尋找地層平緩、利于頁巖氣保存的構(gòu)造穩(wěn)定區(qū)[21-24]。

圖1 下?lián)P子地區(qū)大地構(gòu)造位置圖[14-16]Fig. 1 Map showing tectonic location of the Lower Yangtze region

1.2 沉積地質(zhì)概況

區(qū)內(nèi)震旦系—三疊系海相地層發(fā)育齊全，沉積類型多樣，生物化石豐富[25-27]。奧陶紀(jì)是中國南方早古生代加里東構(gòu)造旋回的重要轉(zhuǎn)折期，大地構(gòu)造由熱沉降階段的被動(dòng)大陸邊緣盆地逐漸轉(zhuǎn)化為前陸盆地[28]。

(1)晚震旦世—中奧陶世。晚震旦世以來，隨著前古特提斯洋的擴(kuò)張[29]，下?lián)P子地區(qū)在板塊離散背景下演化為典型的被動(dòng)大陸邊緣，以江南斷裂為代表的同生斷裂控制了斜坡帶沉積相展布，盆地沉積為海相碳酸鹽巖和碎屑巖，各地層均為整合接觸關(guān)系。早奧陶世弗洛階(寧國組沉積早期)[30]，在前期海侵的基礎(chǔ)上，海平面進(jìn)一步抬升，下?lián)P子地區(qū)沉積特征南北出現(xiàn)差異：江南斷裂以北主要為繼承性碳酸鹽巖建造，江南斷裂以南浙西皖南地區(qū)以細(xì)粒沉積物為主[31]。胡樂期，研究區(qū)水深最大，胡樂組底部沉積期為最大海泛期[32]，與全球一級(jí)海平面最大海泛面相對(duì)應(yīng)[33-34]。這一時(shí)期浙西—皖南地區(qū)主體為深海陸棚相-盆地相，沉積了黑色硅質(zhì)頁巖和碳質(zhì)頁巖，是頁巖氣勘探主要富有機(jī)質(zhì)泥頁巖層段。隨后，海水整體變淺，形成以開闊海臺(tái)地為主的環(huán)境，相繼形成了硯瓦山組、黃泥崗組灰色、棕紅色瘤狀灰?guī)r、鈣質(zhì)泥巖、頁巖沉積建造。

(2)晚奧陶世—志留紀(jì)。晚奧陶世五峰期，浙西—皖南地區(qū)長塢組、文昌組為灰綠色、青灰色泥頁巖、粉砂質(zhì)頁巖與粉砂巖互層，夾細(xì)砂巖，小、中型韻律層，可見鮑馬序列及槽模、斜層理、包卷層理，為一套類復(fù)理石或復(fù)理石建造。志留紀(jì)中—晚期，研究區(qū)主要為淺海環(huán)境沉積。

2 奧陶紀(jì)頁巖氣成藏條件

2.1 泥頁巖巖性特征

中奧陶世胡樂組和早奧陶世寧國組黑色泥頁巖分布于浙西—皖南地區(qū)。區(qū)域內(nèi)黑色泥頁巖平均厚度>30 m(圖2)，是頁巖氣形成和成藏的基礎(chǔ)。

圖2 下?lián)P子區(qū)胡樂組和寧國組泥頁巖厚度分布圖Fig. 1 Map showing distribution of shale thickness of the Hule and Ningguo Formations in the Lower Yangtze region

寧國胡樂鎮(zhèn)將軍嶺胡樂組—寧國組實(shí)測(cè)剖面特征表明，胡樂組厚80 m，劃分為上、下兩段：上段為黑色硅質(zhì)層夾硅質(zhì)、碳質(zhì)頁巖及石煤，富含筆石；下段為黑色薄層硅質(zhì)巖夾碳質(zhì)頁巖及粉砂巖層組合的c、d鮑馬序列，富含筆石。寧國組厚100 m，巖性為碳質(zhì)泥巖、泥巖、泥質(zhì)條帶砂巖、粉砂巖、細(xì)砂巖韻律組合，中上段為完整的鮑馬序列，下段為進(jìn)積型韻律，富含筆石。浙江桐廬縣合村鄉(xiāng)劉家胡樂組和寧國組實(shí)測(cè)剖面(圖3)發(fā)現(xiàn)，胡樂組和寧國組見頂?shù)?，化石豐富。其中胡樂組發(fā)育厚41 m的硅質(zhì)巖、碳質(zhì)硅質(zhì)泥巖；寧國組發(fā)育厚115 m的泥巖、硅質(zhì)巖和粉砂質(zhì)泥巖，其中單層含碳質(zhì)泥巖連續(xù)厚度>30 m，富含筆石、葉蝦類、腕足類、牙形刺和海綿生物，海綿化石形態(tài)完整，表明處于浪基面以下，顯示了頁巖富含有機(jī)物，具有有利的沉積環(huán)境。

圖3 浙江桐廬劉家胡樂組-寧國組實(shí)測(cè)剖面柱狀圖Fig. 3 Columnar section of the Hule and Ningguo Formations in the Liujia field section, Tonglu County, Zhejiang Province

在安徽太平縣石壁下剖面，胡樂組粉砂質(zhì)頁巖和硅質(zhì)頁巖厚23.4 m；石臺(tái)縣大塢圲剖面，中奧陶世—早奧陶世地層相變?yōu)榇筇飰谓M、寶塔組、大灣組和紅花園組灰?guī)r[31]。浙江省胡樂組露頭分布于安吉縣孝豐，臨安縣于潛、昌化，桐廬縣百江、合村，淳安縣臨岐、串塢，厚5.5 ～ 70.1 m[35]，自臨安高垟頭向東至余杭荊山嶺，筆石相頁巖消失。過渡型沉積以臨安板橋剖面為代表[36]，胡樂組薄層泥巖與硅質(zhì)巖互層僅7.21 m，下部為荊山組灰?guī)r[37]。江蘇無錫東部東深1井揭示研究區(qū)與胡樂組、寧國組對(duì)應(yīng)的奧陶紀(jì)牯牛潭組、大灣組和紅花園組以灰?guī)r和云質(zhì)灰?guī)r為主，為臺(tái)地相。

2.2 奧陶系地球化學(xué)特征

采集研究區(qū)中奧陶世胡樂組和早奧陶世寧國組139個(gè)樣品，收集東輝井、安頁1井[38]、皖寧1井[39]資料和皖頁1井測(cè)井資料。本次樣品送至科爾加里國際油氣技術(shù)有限公司實(shí)驗(yàn)中心完成測(cè)試，樣品主要為硅質(zhì)泥巖、硅質(zhì)頁巖、硅質(zhì)巖、碳質(zhì)頁巖、泥巖和碳質(zhì)泥巖。早奧陶世胡樂組—寧國組泥頁巖有機(jī)質(zhì)豐度TOC值統(tǒng)計(jì)見表1。從平面看，有機(jī)質(zhì)豐度TOC高值區(qū)位于寧國東南部—臨安西部—淳安環(huán)狀區(qū)，往黃山方向有機(jī)質(zhì)豐度TOC值增大，平均值>1%，屬于有機(jī)質(zhì)含量較高地區(qū)。寧國西部—廣德南部—安吉—桐廬—建德地區(qū)有機(jī)質(zhì)豐度TOC值為1%～0.5%，相對(duì)較低。從層位看，胡樂組泥頁巖有機(jī)質(zhì)豐度TOC值明顯高于寧國組。從巖性看，碳質(zhì)頁巖有機(jī)質(zhì)豐度TOC值相對(duì)較高。

研究表明[38]，寧國組頁巖有機(jī)質(zhì)類型以Ⅰ型干酪根為主，主要生烴組分為腐泥無定形；胡樂組頁巖有機(jī)質(zhì)類型以Ⅱ1型為主，主要生烴組分為腐殖無定形，均屬于生氣能力較強(qiáng)的有機(jī)質(zhì)類型。在梅林向斜南緣采集的10個(gè)胡樂組和寧國組泥頁巖樣品中，4個(gè)樣品未提取出干酪根，有機(jī)質(zhì)成熟度Ro平均值為1.85%。浙西地區(qū)胡樂組Ro平均值為2.4%，寧國組Ro平均值為2.67%，Ro值均<3.5%的低值區(qū)主要分布在皖東南和浙西巖漿活動(dòng)較少的地區(qū)。

2.3 儲(chǔ)層特征

全巖X射線定量分析結(jié)果顯示，泥頁巖石英含量為45.7%～ 72.3%，平均值為59.05%；黏土礦物含量為14.4%～ 45.4%，平均值為31.8%，以伊蒙混層含量最高，其次為伊利石；含少量黃鐵礦、白云石、銳鈦礦和普通輝石，不含碳酸鹽巖礦物。與龍馬溪組相比[40]，黏土礦物含量相近，石英含量偏高。石英和伊利石含量對(duì)頁巖微米級(jí)空隙發(fā)育具有促進(jìn)作用，石英含量高有利于后期開發(fā)壓裂，有利于頁巖氣形成和開發(fā)的黏土礦物含量為20%～40%[41]。碳酸鹽巖對(duì)微米級(jí)空隙發(fā)育具有抑制作用，泥頁巖不含碳酸鹽巖礦物，對(duì)儲(chǔ)層孔隙發(fā)育更有利[42]。

表1 早奧陶世胡樂組—寧國組泥頁巖TOC值統(tǒng)計(jì)

Table1TOCvaluesofmudstonesoftheLowerOrdovicianHuleandNingguoFormations

剖面或井最大值/%最小值/%平均值/%樣品數(shù)/個(gè)桐廬縣合村鄉(xiāng)劉家2.210.491.0511寧國市胡樂鎮(zhèn)將軍嶺4.240.202.888安吉縣杭垓鎮(zhèn)潘溪2.150.300.7420臨安市於潛鎮(zhèn)下駱家1.140.120.6522桐廬縣分水鎮(zhèn)富源2.020.191.4812淳安縣安陽鄉(xiāng)桐川1.300.360.864開化縣馬金鎮(zhèn)中村1.760.160.9410開化縣馬金鎮(zhèn)洪家1.510.120.843東輝井1.910.211.545安頁1井2.180.131.0737皖寧1井1.701.001.507皖頁1井4.161.002.80649

微觀孔隙電子成像結(jié)果(圖4)顯示，頁巖層段有機(jī)質(zhì)孔隙發(fā)育程度一般，主要為礦物溶蝕孔隙，見少量鑄?？紫丁５V物溶蝕孔多為黏土礦物、碎屑顆粒和硅質(zhì)粒間、粒內(nèi)溶蝕孔，呈不規(guī)則狀，孔隙直徑為0.057 ～ 8.231 μm，總體連通性較差。

圖4 胡樂組泥頁巖微觀孔隙電子成像Fig. 4 Electronimages of micropores in the Hule Formation shale

采用重量法[43]開展胡樂組頁巖等溫吸附試驗(yàn)(圖5)，3個(gè)樣品的吸附量為2.70～3.63 mg/g，說明其吸附能力較好。

圖5 胡樂組泥頁巖等溫吸附圖Fig. 5 Isothermal adsorption plot of the Hule Formation shale

2.4 含氣性

浙江安吉縣安頁1井北西側(cè)出露大規(guī)模燕山期花崗巖、花崗斑巖和石英斑巖，泥頁巖Ro平均值為4.05%[38]，氣測(cè)顯示弱，解吸含氣量極低。安徽寧國梅林向斜皖寧1井175～ 287 m處鉆遇的胡樂組氣測(cè)峰值為0.350 3%[39]。在頁巖氣選區(qū)基本指標(biāo)相差不大的情況下，含氣性受構(gòu)造和巖漿活動(dòng)影響，今后應(yīng)探索該區(qū)富有機(jī)質(zhì)泥頁巖層段含氣性主控因素研究。

2.5 頁巖氣富集條件

頁巖氣富集條件受有機(jī)質(zhì)豐度、有機(jī)質(zhì)成熟度、儲(chǔ)集物性和保存條件控制[44-45]。研究區(qū)中奧陶世胡樂組和早奧陶世寧國組泥頁巖具有有利的沉積相帶，富有機(jī)質(zhì)泥頁巖厚度大、分布廣、有機(jī)質(zhì)含量高、礦物組成適宜、儲(chǔ)集物性較好，局部熱演化分布適宜，是奧陶紀(jì)泥頁巖層系頁巖氣富集的有利條件。但下?lián)P子地區(qū)古生界多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，特別是晚燕山期以來強(qiáng)烈的板內(nèi)變形運(yùn)動(dòng)對(duì)研究區(qū)古生界改造強(qiáng)烈，古生代海相地層在下?lián)P子西南部無大面積保存，推覆構(gòu)造發(fā)育，伴隨泥頁巖層間滑脫和巖漿活動(dòng)，對(duì)頁巖氣富集成藏有明顯的影響和破壞。相對(duì)而言，茅東斷裂以東古生界，即浙西—皖南地區(qū)存在一系列復(fù)式褶皺，背斜緊密，常見地層倒轉(zhuǎn)，下古生界多被剝蝕；向斜寬緩，地層保存相對(duì)完整，頁巖氣宏觀保存條件較好[46]。目前頁巖氣多以向斜為頁巖氣遠(yuǎn)景區(qū)開展以二維頁巖氣地震勘探[47]和地質(zhì)調(diào)查井為主的地質(zhì)調(diào)查工作。

3 奧陶紀(jì)頁巖氣遠(yuǎn)景區(qū)優(yōu)選

3.1 頁巖氣遠(yuǎn)景區(qū)優(yōu)選參數(shù)

參考《頁巖氣基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查工作指南(試行)》[48]頁巖氣選區(qū)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)研究區(qū)頁巖氣地質(zhì)特征，因該區(qū)中奧陶世胡樂組和早奧陶世寧國組頁巖氣勘探程度較低，采用多因素疊加、綜合地質(zhì)評(píng)價(jià)等方法綜合評(píng)價(jià)(表2)。研究區(qū)富有機(jī)質(zhì)泥頁巖有機(jī)質(zhì)含量高，熱演化程度高，構(gòu)造和巖漿活動(dòng)強(qiáng)烈，相對(duì)《頁巖氣基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查工作指南(試行)》[48]參考標(biāo)準(zhǔn)，增加了頁巖面積下限標(biāo)準(zhǔn)和基本保存條件要求，富有機(jī)質(zhì)泥頁巖厚度從15 m提高到30 m，TOC含量從0.5%提高到1%，Ro下限從0.5%提高到1.1%。

1. 遠(yuǎn)景區(qū);2. TOC等值線;3. RO等值線;4. 厚度等值線;5. 火成巖;6. 奧陶系保存邊界圖6 下?lián)P子地區(qū)中下奧陶統(tǒng)頁巖氣遠(yuǎn)景區(qū)優(yōu)選分布圖Fig. 6 Distribution of prospective areas of Middle-Lower Ordovician shale gas in the Lower Yangtze region

表2 頁巖氣遠(yuǎn)景區(qū)優(yōu)選指標(biāo)

Table2Optimumindicatorsforshalegasprospectiveareas

主要參數(shù)參數(shù)值及條件頁巖面積下限500 km2富有機(jī)質(zhì)泥頁巖厚度30 m,單層厚≥5 mTOC1.0%Ro1.1 %～ 3.5%埋深500 ～ 5 000 m地表?xiàng)l件丘陵、平原保存條件頂?shù)装?、斷?/p>

我國南方海相頁巖氣厚層頁巖中TOC含量>1.0%、厚度>30 m的地區(qū)，殘余有機(jī)碳含量為1.0%即可成為有效頁巖[12，31]。本文將TOC=1.0%作為下限。有機(jī)質(zhì)成熟度是衡量泥頁巖生烴能力的重要指標(biāo)之一。頁巖有機(jī)質(zhì)成熟度越高(Ro>1.2%)，有機(jī)質(zhì)固體顆粒孔越發(fā)育，其吸附性就越強(qiáng)[49]。但對(duì)成熟度高過的海相頁巖，有機(jī)質(zhì)碳化程度增強(qiáng)，富有機(jī)質(zhì)頁巖對(duì)天然氣吸附能力降低[50-51]。中國南方Ⅰ—Ⅱ1型海相頁巖有機(jī)質(zhì)成熟度Ro上限為3.5%，排除由有機(jī)質(zhì)碳化造成的高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)[52]。據(jù)此，本文將Ro=3.5%作為上限,泥頁巖面積和厚度是頁巖氣富集的基本條件。富含有機(jī)質(zhì)泥頁巖面積和厚度越大，越能保證頁巖氣資源量和壓裂改造條件[12]。厚層頁巖可自我封閉成藏，與頂?shù)装逡黄鹂刂票４鏃l件[53]。研究區(qū)剝蝕嚴(yán)重，構(gòu)造改造強(qiáng)烈，將連續(xù)分布的頁巖面積下限定為500 km2，厚度下限定為30 m。

一定程度的頁巖氣儲(chǔ)層埋深可保證頁巖氣較好地保存，但過深的頁巖氣儲(chǔ)層將導(dǎo)致開發(fā)成本增高。參考上中揚(yáng)子地區(qū)頁巖氣儲(chǔ)層埋深，將研究區(qū)頁巖氣儲(chǔ)層埋深定為500 ～ 5 000 m。

3.2 優(yōu)選結(jié)果

由多因素疊加及綜合評(píng)價(jià)結(jié)果(圖6)可知，選區(qū)以奧陶系保存和埋深為邊界約束條件，結(jié)合TOC、Ro和厚度等值線，距離主要巖體分布區(qū)3～5 km以上，在浙西—皖南地區(qū)優(yōu)選出寧國頁巖氣成藏遠(yuǎn)景區(qū)和桐廬—淳安復(fù)向斜頁巖氣成藏遠(yuǎn)景區(qū)。

寧國頁巖氣成藏遠(yuǎn)景區(qū)包括甲路單斜和梅林向斜，以奧陶系保存邊界為南部邊界，中下奧陶統(tǒng)往北部逐步加深，保存較好，無大型斷裂切割，面積約900 km2。該區(qū)中奧陶世胡樂組、早奧陶世寧國組泥頁巖累計(jì)厚度>50 m, 有機(jī)質(zhì)豐度TOC>1.0%, 有機(jī)質(zhì)成熟度Ro<3.5%，位于梅林向斜邊緣的皖寧1井在胡樂組有較好的氣測(cè)顯示。該遠(yuǎn)景區(qū)西南部甲路單斜西緣優(yōu)質(zhì)相帶邊界不清，梅林向斜北端兩翼巖體發(fā)育，對(duì)頁巖氣成藏影響程度不清，有待進(jìn)一步開展調(diào)查工作。

桐廬—淳安復(fù)向斜頁巖氣成藏遠(yuǎn)景區(qū)遠(yuǎn)離奧陶系區(qū)域剝蝕線，由多個(gè)復(fù)式褶皺構(gòu)成，中下奧陶統(tǒng)保存較好，遠(yuǎn)離大型火成巖體。該遠(yuǎn)景區(qū)長軸長約79 km，短軸寬約28 km，面積約1 300 km2。地層保存相對(duì)完整，中奧陶世胡樂組和早奧陶世寧國組泥頁巖累計(jì)厚度>40 m，有機(jī)質(zhì)豐度TOC>1.0%，有機(jī)質(zhì)成熟度Ro<3.5%。該向斜區(qū)“凹中隆”常規(guī)油氣鉆井富深1井在上部長塢組有油氣顯示[54]，早中奧陶世發(fā)育層間滑脫，對(duì)頁巖氣成藏不利。

4 結(jié)論

(1)下?lián)P子地區(qū)中奧陶世胡樂組和早奧陶世寧國組具備頁巖氣成藏的地質(zhì)條件。沉積相帶為深海陸棚相-盆地相，以黑色硅質(zhì)和碳質(zhì)泥頁巖為主。浙西—皖南地區(qū)黑色泥頁巖上部硯瓦山組、黃泥崗組灰?guī)r、鈣質(zhì)泥巖和下部印渚埠組灰?guī)r構(gòu)成了有利的頂、底板條件。

(2)下?lián)P子地區(qū)優(yōu)選出寧國頁巖氣成藏遠(yuǎn)景區(qū)和桐廬—淳安復(fù)向斜頁巖氣成藏遠(yuǎn)景區(qū)。胡樂組具有較好的氣測(cè)顯示，具有一定的頁巖氣勘探開發(fā)前景。