浙西北頁(yè)巖氣勘探有利層系初探

趙 悅 （浙江大學(xué)水文與水資源工程研究所，浙江 杭州310058）

金 寵，樓章華 （浙江大學(xué)海洋科學(xué)與工程學(xué)系，浙江 杭州310058）

王 君 （浙江大學(xué)水文與水資源工程研究所，浙江 杭州310058）

浙江省常規(guī)油氣資源匱乏，至今未有大發(fā)現(xiàn)、大突破，其能源格局與相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r極度不協(xié)調(diào)。而今，頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)在北美大陸上的大放異彩，已成為當(dāng)前全球新能源發(fā)展的熱點(diǎn)方向，頁(yè)巖氣等非常規(guī)能源在中國(guó)也受到越來(lái)越多的重視[1～3]。

通過(guò)野外地質(zhì)考察和頁(yè)巖氣成藏參數(shù)測(cè)試，筆者分析了浙西北泥頁(yè)巖層系的有機(jī)地化特征、巖礦特征、頁(yè)巖氣儲(chǔ)集特征和含氣性特征，探討了浙西北地區(qū)頁(yè)巖氣勘探的有利層系。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

浙江地區(qū)加里東期抬升剝蝕，印支期的逆沖推覆以及燕山期以來(lái)的多幕構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和強(qiáng)烈的巖漿活動(dòng)，傳統(tǒng)油氣地質(zhì)條件不甚理想，然而頁(yè)巖氣以吸附或游離狀態(tài)存在于富含有機(jī)質(zhì)的暗色泥頁(yè)巖或高碳泥頁(yè)巖中，具有自生自儲(chǔ)、吸附成藏、隱蔽聚集等特點(diǎn)，通常就近聚集成藏，不受構(gòu)造控制，無(wú)圈閉[4]。浙西北地區(qū)在構(gòu)造位置上屬于揚(yáng)子陸塊的東緣，印支運(yùn)動(dòng)以來(lái)，受制于太平洋俯沖消減作用，巖漿作用明顯，熱演化程度高，并且斷裂發(fā)育密度大、不同性質(zhì)的斷裂系統(tǒng)相互作用，各盆地演化具有相對(duì)的獨(dú)立性，然而還是殘留沉積了多套古生界海相頁(yè)巖和中新生界陸相泥頁(yè)巖。所以，頁(yè)巖氣資源的勘探在浙江地區(qū)顯得極為重要。

浙江地區(qū)構(gòu)造分區(qū)以江紹斷裂為界，浙西為北揚(yáng)子陸塊邊緣準(zhǔn)地臺(tái)，浙東南為華夏陸塊華南加里東褶皺系。浙西北地區(qū)地層可以劃分為三大構(gòu)造層：系指現(xiàn)今分布于浙江西北基底界面、加里東構(gòu)造界面、印支構(gòu)造界面和地表4個(gè)代表了構(gòu)造變形和剝蝕面之間所限定的3個(gè)不同時(shí)代由于構(gòu)造運(yùn)動(dòng)所造成的地殼 （陸殼）構(gòu)造－建造單元。三大構(gòu)造層和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)史如表1所示。

在上述構(gòu)造格局之下，浙江地區(qū)暗色泥頁(yè)巖的分布如表2所示，其典型的特點(diǎn)為以江紹斷裂為界，海相頁(yè)巖分布在浙西北地區(qū)，中生界陸相油頁(yè)巖主要分布在浙東南地區(qū)。

表1 浙西北地區(qū)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)史和構(gòu)造層劃分表

表2 浙江地區(qū)主要泥頁(yè)巖特征表

2 浙西北地區(qū)頁(yè)巖氣勘探有利層系分析

控制頁(yè)巖氣成藏的因素就頁(yè)巖自身來(lái)說(shuō)，主要包括有機(jī)質(zhì)豐度和類型以及成熟度、頁(yè)巖裂縫發(fā)育狀況、頁(yè)巖的物性、巖礦特征、現(xiàn)今殘存厚度和面積等[5]。總有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)ω（TOC）是頁(yè)巖氣聚集成藏最重要的控制因素[6]；有機(jī)質(zhì)成熟度是油氣生成的關(guān)鍵[7]；頁(yè)巖面積和厚度是頁(yè)巖氣聚集的保障；頁(yè)巖孔隙與裂隙愈發(fā)育，氣藏富集程度愈高[8]，而巖性、巖石中的礦物組成是控制裂隙發(fā)育程度的主要因素[7]。

前人對(duì)浙西北泥頁(yè)巖的厚度和空間展布已做研究，下寒武統(tǒng)荷塘組 （∈1h）、中上奧陶統(tǒng)和龍?zhí)督M（P2l）的厚度和展布空間條件均較好[9，10]，故筆者針對(duì)頁(yè)巖氣成藏條件，對(duì)浙西北泥頁(yè)巖層系進(jìn)行了有機(jī)地化特征、巖礦特征、儲(chǔ)集特征和頁(yè)巖含氣性特征等進(jìn)行分析。

2.1 頁(yè)巖有機(jī)地化特征

有機(jī)質(zhì)豐度指標(biāo)主要包括ω（TOC）和ω（氯仿瀝青 “A”），由于我國(guó)海相地層發(fā)育時(shí)代早、經(jīng)歷的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)多，殘留ω（氯仿瀝青 “A”）普遍很低，不能準(zhǔn)確反映我國(guó)海相頁(yè)巖的生烴能力，故主要采用ω（TOC）對(duì)頁(yè)巖進(jìn)行評(píng)價(jià)。浙西地區(qū)黑色頁(yè)巖中有機(jī)質(zhì)顆粒有不規(guī)則細(xì)粒狀、長(zhǎng)條狀以及塵點(diǎn)狀，有機(jī)質(zhì)顆粒中多見(jiàn)極小的黃鐵礦。

浙西北地區(qū)頁(yè)巖ω（TOC）總體較高，最高為4.75%，最低為0.38%?！?h的ω（TOC）高，為4.03%～4.75%，平均為4.52%，干酪根類型主要為Ⅲ型，形態(tài)有機(jī)顯微特征為少量白色碎屑瀝青；二疊系ω（TOC）均在0.8%以上，平均為1.2%；桐廬冷塢P2l的ω（TOC）為1.44%，金衢盆地為0.8%～1.4%；P2l干酪根類型為Ⅱ－Ⅲ型，主要為Ⅲ型。中上奧陶統(tǒng)、中侏羅統(tǒng)馬澗組 （J2m）和下白堊統(tǒng)壽昌組 （K1s）的ω（TOC）也均在0.5%之上 （圖1（a））。另外，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得數(shù)據(jù)，K1s和P2l的ω（總烴）最高 （圖1（b））。綜合測(cè)試結(jié)果，浙西北地區(qū)頁(yè)巖的生氣條件為較差－中等，其中∈1h和P2l生氣條件相對(duì)較好。

圖1 浙西北頁(yè)巖有機(jī)地化指標(biāo)

根據(jù)目前美國(guó)頁(yè)巖氣勘探實(shí)踐表明：美國(guó)頁(yè)巖氣產(chǎn)區(qū)的頁(yè)巖鏡質(zhì)體反射率Ro普遍大于1.3%[11，12]，只有在較高成熟度的地區(qū)才有頁(yè)巖氣的產(chǎn)出[13]。因此有機(jī)質(zhì)成熟度高利于頁(yè)巖氣聚集。∈1h烴源巖Ro平均為3.73%；中上奧陶統(tǒng)寧國(guó)組 （O2n）和胡樂(lè)組 （O2h）的Ro平均為2.4%～2.67%；浙西北金深8井資料表明，2566～3022m井段下二疊統(tǒng)同井段10個(gè)樣品Ro值為2.05%～2.52%，平均2.32%?？梢?jiàn)浙江地區(qū)頁(yè)巖的成熟度熱演化程度高，屬于成熟－過(guò)成熟階段 （圖1（c））。

2.2 頁(yè)巖儲(chǔ)層特征

2.2.1 礦物組成

黏土礦物X射線衍射分析鏡掃描觀察結(jié)果表明，浙西北地區(qū)黑色頁(yè)巖的主要礦物成分為石英、黏土礦物、長(zhǎng)石以及碳酸鹽，次要礦物組成為黃鐵礦，黏土礦物主要包括高嶺石、綠泥石、伊利石和伊－蒙混層等。

浙江地區(qū)頁(yè)巖中，P2l和∈1h的體積分?jǐn)?shù)φ（石英）較高，巖石中的石英導(dǎo)致泥巖中的韌性不足，容易造成裂縫，有利于頁(yè)巖氣的富集 （表3）。研究區(qū)黑色頁(yè)巖的黏土礦物主要為高嶺石、伊利石、綠泥石及伊－蒙混層，由于諸如伊利石中鋁酸鹽礦物的微孔有著吸附天然氣的能力，所以，黏土礦物總量和吸附氣量呈正相關(guān)關(guān)系。浙西北地區(qū)頁(yè)巖中黏土礦物含量 （體積分?jǐn)?shù)）均較高 （表3），∈1h中黏土礦物含量相對(duì)較低，但∈1h伊利石含量較高，P2l伊利石含量較低 （圖2（a））。

表3 浙西北頁(yè)巖礦物體積分?jǐn)?shù)平均值 %

研究區(qū)碳酸鹽主要有方解石和白云石。碳酸鹽含量和吸附氣含量呈略微的負(fù)相關(guān)關(guān)系。所以，頁(yè)巖中碳酸鹽的含量增加，吸附氣量減少[3]，浙西北頁(yè)巖∈1h和P2l碳酸鹽含量低 （圖2（b））。

2.2.2 物性特征

頁(yè)巖吸附氣含量隨頁(yè)巖密度的增大呈減小的趨勢(shì)，主要原因是隨頁(yè)巖密度的增加，ω（TOC）減小，因此，隨頁(yè)巖密度的增大吸附氣含量是減小的。浙西北地區(qū)頁(yè)巖視密度下寒武統(tǒng)∈1h和P2l相對(duì)較低（圖2 （c））。

圖2 浙西北頁(yè)巖礦物組成及視密度分布

頁(yè)巖主要由各種黏土礦物、各種碎屑和非碎屑礦物以及有機(jī)質(zhì)組成，具有較強(qiáng)的非均質(zhì)性，泥頁(yè)巖可以在顯微鏡及掃描電鏡下觀察到，不同大小的孔隙、喉道、晶洞和裂縫組成的復(fù)雜多孔系統(tǒng)，并具有網(wǎng)格狀有限聯(lián)通的特征[14]。在非常規(guī)油氣研究中，孔隙度大小直接控制著游離態(tài)天然氣的含量。滲透率是判斷頁(yè)巖氣聚集是否具有足夠經(jīng)濟(jì)價(jià)值的重要參數(shù)之一，頁(yè)巖的基質(zhì)滲透率很低[15]，但隨裂縫的發(fā)育而大大提高?！?h孔隙－微孔隙發(fā)育，孔徑為2～20μm居多，也見(jiàn)孔徑為20～40μm較大孔隙 （圖3 （a）、 （b））?！?h屬于低孔－低滲，孔隙度為 0.6%， 滲 透 率 為0.0054mD；P2l結(jié)構(gòu)較致密，常見(jiàn)微孔隙，孔徑為1～3μm，見(jiàn)少量孔徑為5～25μm較大孔隙 （圖3（c）、（d））。P2l樣品由于風(fēng)化導(dǎo)致孔隙度超過(guò)10%、滲透率為0.0076mD，屬于低滲儲(chǔ)層。

圖3 浙西北頁(yè)巖孔隙結(jié)構(gòu)特征

2.3 頁(yè)巖含氣特征

根據(jù)測(cè)試結(jié)果和langmuir模型計(jì)算 （圖4、5），∈1h泥頁(yè)巖在1.59MPa壓力時(shí)，最大吸附含氣量為2.95m3/t；P2l泥頁(yè)巖在0.68MPa壓力時(shí)，最大吸附含氣量為1.50m3/t。說(shuō)明浙西北地區(qū)古生界頁(yè)巖的含氣量特性較好，推測(cè)在地下條件較好的情況下能聚集足夠的頁(yè)巖氣。

泥頁(yè)巖吸附－脫附過(guò)程曲線 （圖6、7），吸附過(guò)程中隨著相對(duì)壓力的增加，吸附氣體體積逐漸增大，但是增長(zhǎng)緩慢，而脫附過(guò)程中則是減少相對(duì)緩慢，吸附－脫附過(guò)程存在滯后性。P2l樣品測(cè)試首尾基本重合，并且曲線光滑，說(shuō)明死端孔隙少?！?h頁(yè)巖的平均孔徑為8.3μm，P2l泥頁(yè)巖的平均孔徑為10.7μm，孔隙體積均較大，利于頁(yè)巖氣的儲(chǔ)積?！?h和P2l的BET比表面積均較大，利于頁(yè)巖氣的吸附 （表4）。

圖7 P2l泥頁(yè)巖吸附－脫附過(guò)程曲線圖

圖4 安吉葉坑塢∈1h泥頁(yè)巖等溫吸附曲線

圖5 桐廬冷塢P2l泥頁(yè)巖等溫吸附曲線

表4 浙江地區(qū)頁(yè)巖比表面、孔徑參數(shù)表

3 結(jié) 論

1）浙西北頁(yè)巖的有機(jī)地化特征表明下寒武統(tǒng)∈1h和P2l具有相對(duì)較好的頁(yè)巖氣勘探前景。

2）浙西北頁(yè)巖礦物組成和物性特征表明∈1h和P2l具有較好的頁(yè)巖氣儲(chǔ)集條件，頁(yè)巖含氣量分析表明∈1h和P2l含氣性高。

3）綜合分析表明∈1h和P2l是浙西北頁(yè)巖氣勘探的最具潛力的層系。

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