揚(yáng)子地塊上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M頁巖氣勘探前景

周東升 許林峰 潘繼平 黃曉偉

1．中國地質(zhì)大學(xué)（北京）海洋學(xué)院 2．國土資源部油氣資源戰(zhàn)略研究中心

近幾年來，我國對(duì)頁巖氣資源開展了基礎(chǔ)調(diào)查［1－5］：在渝頁1井鉆探過程中，張金川等人在下志留統(tǒng)龍馬溪組暗色頁巖中見到了頁巖氣的良好顯示［6］；蔣裕強(qiáng)、董大忠等人提出頁巖氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)的8大標(biāo)準(zhǔn)（有機(jī)質(zhì)豐度、熱演化成熟度、含氣性、頁巖厚度、儲(chǔ)層物性、礦物組成、脆性和力學(xué)性質(zhì)）［7］；鄒才能等人首次在四川盆地南部地區(qū)下古生界頁巖中發(fā)現(xiàn)納米級(jí)的孔隙［8］。到目前為止，人們主要針對(duì)中國南方（主要是四川盆地）海相泥頁巖［下寒武統(tǒng)筇竹寺組（牛蹄塘組）、上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組］進(jìn)行了較多的基礎(chǔ)性研究；而對(duì)揚(yáng)子地區(qū)上二疊統(tǒng)海陸過渡相的龍?zhí)督M泥頁巖的關(guān)注則較少，本文旨在通過整理前人的研究成果并結(jié)合野外地質(zhì)調(diào)查資料，分析龍?zhí)督M泥頁巖的總有機(jī)碳含量（TOC）、熱演化成熟度、礦物組成、厚度和吸附性能等要素，對(duì)龍?zhí)督M頁巖氣的勘探前景作初步探討。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

揚(yáng)子地塊主體包括從川滇東部到江浙沿海的長(zhǎng)江中下游地區(qū)和南黃海（圖1），西南以金沙江—紅河深斷裂與三江褶皺系為界；西北以龍門山深斷裂與松潘—甘孜褶皺系為鄰；北以城口—房縣深斷裂和襄樊—廣濟(jì)深斷裂與秦嶺褶皺系相接，以郯城—廬江深斷裂和嘉山—響水深斷裂與華北地臺(tái)為界；東南以南盤江深斷裂、溆浦—四堡深斷裂、江山—紹興深斷裂與華南褶皺系相隔，總面積約12．010 4×104km2。

揚(yáng)子地區(qū)地層始自震旦系，整個(gè)地層可以分為下、中、上3個(gè)序列，下部從震旦系到志留系，中部從泥盆系到三疊系，這2個(gè)序列主要為海相，上部為侏羅系以后的地層，幾乎都是陸相盆地沉積。并且此后的印支運(yùn)動(dòng)和喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)對(duì)前期的海相地層進(jìn)行了較大改造?？偟膩碚f，揚(yáng)子地區(qū)沉積巖經(jīng)歷地質(zhì)時(shí)代長(zhǎng)、地質(zhì)背景復(fù)雜、構(gòu)造破壞嚴(yán)重、油氣保存條件較差，而頁巖氣由于其特殊的成藏機(jī)制，極有可能成為揚(yáng)子地區(qū)區(qū)域性油氣勘探發(fā)現(xiàn)的重要突破口。

2 頁巖的時(shí)空發(fā)育特征

圖1 揚(yáng)子地塊吳家坪期巖相古地理和龍?zhí)督M厚度等值線圖（根據(jù)劉寶珺、梁狄剛等修改）［9－11］

晚二疊世吳家坪期是揚(yáng)子地區(qū)二疊紀(jì)陸地面積最廣泛、臺(tái)地和深水盆地萎縮的時(shí)期，出現(xiàn)了古生界以來獨(dú)特的古地理面貌，其中川滇古陸、膠南古陸和華夏古陸成為沉積區(qū)內(nèi)陸源碎屑的供給區(qū)（圖1），沉積了一套海陸過渡相地層，巖石類型多樣，主要為頁巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥巖夾煤層及石灰?guī)r。

在川東黔西地區(qū)，煤層多為2～10層，往東石灰?guī)r逐漸增多，向吳家坪組過渡，呈現(xiàn)出東西向分帶、南北向延伸的格局（圖1）。本區(qū)龍?zhí)督M厚度一般介于20～250m［10］，并由東南向西北逐漸變薄。江蘇、浙西地區(qū)巖性總體上與川黔地區(qū)相似，但一般只有2～3個(gè)主含煤層段，頂部普遍有石灰?guī)r夾層（稱壓煤灰?guī)r）且由東向西石灰?guī)r層數(shù)和厚度逐漸增加，向吳家坪組過渡，厚度變化較大，一般介于50～700m。在中揚(yáng)子地區(qū)，由于江南古陸抬升，龍?zhí)督M不太發(fā)育，厚度較薄，一般為20～50m（圖1）。從龍?zhí)督M縱向發(fā)育來看，上部和中部以黑色泥巖、頁巖、粉砂質(zhì)泥巖和煤（煤線）為主，局部夾有薄層粉砂巖，厚度大（圖2－a）。下部以泥砂互層、泥質(zhì)粉砂巖、石灰?guī)r以及鈣質(zhì)砂巖為主（圖2－b）。龍?zhí)督M多形成于海灣潟湖和三角洲平原沼澤中，原始有機(jī)質(zhì)豐富，由于沉積水體中溶解氧含量較高，故大部分有機(jī)質(zhì)遭氧化破壞，但其中的閉流盆地是一種極低能環(huán)境，具備還原條件。吳家坪晚期至長(zhǎng)興中期，為晚二疊世最大海侵期，海侵有助于有機(jī)質(zhì)的保存，使得上部層段有機(jī)質(zhì)含量較高［10］。

3 頁巖的主要參數(shù)分析

美國在對(duì)頁巖氣進(jìn)行研究時(shí)，總有機(jī)碳含量、熱演化成熟度、礦物組分、孔隙度、滲透率、地層厚度和含氣性常作為評(píng)價(jià)頁巖氣勘探前景的關(guān)鍵要素。在此，筆者對(duì)TOC、熱演化成熱度（Ro）、礦物組分、地層厚度和吸附性能等進(jìn)行初步分析。

3．1 有機(jī)碳含量

有機(jī)碳是控制頁巖對(duì)甲烷吸附能力的地質(zhì)主控因素。龍?zhí)督M泥頁巖形成于近海湖盆—沼澤和海灣潟湖相帶，氣候溫暖，灌木、水草大量繁殖，有機(jī)質(zhì)豐富，而且沉積水為海水或半咸水，富含硫酸鹽，被有機(jī)質(zhì)還原后很容易形成弱還原—還原環(huán)境。美國一般將有效頁巖TOC下限定為2%。在龍?zhí)督M剖面中TOC大于2%的巖層厚度占到50%～90%，平均為2%～5%，煤和碳質(zhì)泥巖的TOC甚至高達(dá)38%［10］。

圖2 龍?zhí)督M巖心照片及Barnett頁巖氣藏成藏模式圖

3．2 熱演化成熟度

美國頁巖氣的勘探開發(fā)經(jīng)驗(yàn)表明，較高Ro有利于頁巖氣資源的形成，Barnett頁巖的Ro介于1．0%～2．1%，屬于高成熟度頁巖氣藏，其中“甜點(diǎn)”區(qū)都有較高的Ro。揚(yáng)子地區(qū)龍?zhí)督M泥頁巖的Ro普遍介于0．8%～3．4%，四川盆地的Ro稍高，為1．3%～3．4%［9－10］（圖3），下?lián)P子地區(qū)的Ro介于0．5%～3．0%，長(zhǎng)頁1井實(shí)驗(yàn)結(jié)果其Ro介于0．8%～1．3 6%。龍?zhí)督M泥頁巖基本已達(dá)高成熟—過成熟階段，有利于頁巖氣的形成。

圖3 揚(yáng)子地塊龍?zhí)督M泥頁巖有機(jī)碳含量與成熟度等值線分布和有利區(qū)預(yù)測(cè)圖（據(jù)馬力等修改）

3．3 礦物組分

Hill和Nelson對(duì)Barnett頁巖進(jìn)行了礦物學(xué)分析［13］，其中石英含量介于45%～55%，碳酸鹽巖含量介于15%～25%，黏土礦物含量介于20%～35%，黃鐵礦含量介于2%～6%；Lewis頁巖是濱岸沉積富含石英的泥巖，石英含量介于50%～75%［1］。張金川等人研究認(rèn)為［14］，具有粉砂夾層的頁巖可能更具有開發(fā)價(jià)值。龍?zhí)督M頁巖含有較多的薄層粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、薄層石灰?guī)r、石灰?guī)r透鏡體（圖2－a、b）。這些薄層自身具有較好的儲(chǔ)集空間，在成巖過程中由于壓實(shí)、縮水等作用可形成裂縫，增大儲(chǔ)集空間。粉砂含量高的泥頁巖脆性較強(qiáng)，容易在外力作用下形成天然裂縫和誘導(dǎo)裂縫（圖2－b），有利于天然氣滲流。野外測(cè)試結(jié)果顯示，石英含量達(dá)到40%，黏土礦物的含量普遍達(dá)到50%，以伊利石、伊／蒙混層和高嶺石為主，較美國的頁巖氣藏的黏土礦物含量要高。

3．4 地層厚度

根據(jù)美國的勘探經(jīng)驗(yàn)，一般將頁巖層的最小厚度限定為9m，而且厚度下限值可隨總有機(jī)質(zhì)含量的增大和成熟度的提高而降低。上揚(yáng)子地區(qū)龍?zhí)督M分南北兩個(gè)分區(qū)：北區(qū)為NW向海灣潟湖相，龍?zhí)督M厚度達(dá)170m，其中云安19井厚170m、普光5井厚170m、河壩1井厚90m；南區(qū)大面積為近?！枵訚森h(huán)境，含煤層較多，龍?zhí)督M厚度介于20～120m，其中黔西北習(xí)水良村淺3井厚約90m（含有7層煤）、淺2井厚度介于20～30m。下?lián)P子地區(qū)龍?zhí)督M屬堡島—三角洲體系，發(fā)育開口向北的蘇皖海灣，沉積中心為浙江煤山，龍?zhí)督M厚度介于50～200m，局部可達(dá)700m，蘇北黃橋N9井龍?zhí)督M厚度為200m［10］。

3．5 頁巖吸附性能

筆者對(duì)所采集的龍?zhí)督M黑色粉砂質(zhì)泥巖樣品進(jìn)行了等溫吸附實(shí)驗(yàn)，其中最大吸附量超過2m3／t，說明龍?zhí)督M頁巖具有較強(qiáng)的吸附能力，這可能與較高的有機(jī)碳含量和黏土含量密切相關(guān)。

3．6 龍?zhí)督M頁巖與Lewis頁巖特征對(duì)比

揚(yáng)子地區(qū)龍?zhí)督M頁巖與美國San Juan盆地Lewis頁巖的沉積環(huán)境十分相似，故將各類參數(shù)進(jìn)行對(duì)比總結(jié)（表1）。

表1 San Juan盆地Lewis泥頁巖與上、下?lián)P子地區(qū)龍?zhí)督M泥巖特征對(duì)比表

從表1中可以看出，龍?zhí)督M頁巖的TOC、Ro、厚度以及地層的頂?shù)钻P(guān)系都較Lewis頁巖有更好的頁巖氣前景，而且從地層的頂?shù)钻P(guān)系來看（表1），與美國Barnett頁巖所處的地層格局（圖2－c）有很大的相似性，有利于頁巖氣的后期保存。

4 存在的問題

在對(duì)揚(yáng)子地區(qū)龍?zhí)督M黑色頁巖進(jìn)行初步研究后，發(fā)現(xiàn)了以下一些對(duì)龍?zhí)督M頁巖氣的評(píng)價(jià)和富集有較大影響的因素。

1）與下古生界泥頁巖相比，龍?zhí)督M的非均質(zhì)性較強(qiáng)，橫向上并不是全區(qū)域廣泛的展布，縱向上厚度變化大，常夾有鈣質(zhì)砂巖、石灰?guī)r、白云巖等，給頁巖氣的綜合評(píng)價(jià)帶來了一定的困難。

2）揚(yáng)子地區(qū)經(jīng)歷了后期多期次的構(gòu)造改造，地層產(chǎn)狀變化大，斷層和節(jié)理都很發(fā)育，低角度滑脫面是泥頁巖中較常見的構(gòu)造性裂縫，這些宏觀的構(gòu)造改造對(duì)頁巖氣的富集及保存定會(huì)產(chǎn)生很大影響。

5 結(jié)論

1）龍?zhí)督M黑色頁巖具有TOC較高、Ro達(dá)高成熟度階段、石英含量達(dá)40%左右、厚度介于20～200m、吸附能力強(qiáng)等有利條件，與San Juan盆地Lewis頁巖很相似，具有較好的頁巖氣潛力；但黏土含量高、非均質(zhì)性強(qiáng)、后期改造強(qiáng)烈等對(duì)頁巖氣富集又會(huì)產(chǎn)生不利影響。

2）綜合分析以上要素后認(rèn)為，龍?zhí)督M頁巖氣成藏條件縱向上看：中、上段優(yōu)于下段，橫向上頁巖氣的有利地區(qū)為上揚(yáng)子川中、川東、渝西北和下?lián)P子蘇南地區(qū)。

感謝外審專家李玉喜對(duì)文章初稿提出的寶貴意見！

［1］CURTIS J B．Fractured shale－gas systems［J］．AAPG Bulletin，2002，86（11）：1921－1938．

［2］張金川，汪宗余，聶海寬，等．頁巖氣及其勘探研究意義［J］．現(xiàn)代地質(zhì)，2008，22（4）：640－645．

［3］EIA·Annual Energy Outlook 2012Early Release Overview（AEO2012），U．S．Energy Information Administration［R／OL］．［2012－06－25］http：∥ www．eia．doe．gov／forecasts／aeo／．

［4］張金川，姜生玲，唐玄，等．我國頁巖氣富集類型及資源特點(diǎn)［J］．天然氣工業(yè)，2009，29（12）：109－114．

［5］張金川，徐波，聶海寬，等．中國頁巖氣資源勘探潛力［J］．天然氣工業(yè)，2008，28（6）：136－140．

［6］張金川，李玉喜，聶海寬，等．渝頁1井地質(zhì)背景及鉆探效果［J］．天然氣工業(yè)，2010，30（12）：114－118．

［7］蔣裕強(qiáng)，董大忠，漆麟，等．頁巖氣儲(chǔ)層的基本特征及其評(píng)價(jià)［J］．天然氣工業(yè)，2010，30（10）：7－12．

［8］鄒才能，朱如凱，白斌，等．中國油氣儲(chǔ)層中納米孔首次發(fā)現(xiàn)及其科學(xué)價(jià)值［J］．巖石學(xué)報(bào)，2011，27（6）：1857－1864．

［9］馬力，陳煥疆，甘克文，等．中國南方大地構(gòu)造和海相油氣［M］．北京：地質(zhì)出版社，2004：259－275．

［10］梁狄剛，郭彤樓，陳建平，等．中國南方海相生烴成藏研究的若干新進(jìn)展（一）：南方四套區(qū)域性海相烴源巖的分布［J］．海相油氣地質(zhì)，2008，13（2）：1－16．

［11］劉寶珺，許效松．中國南方巖相古地理圖集（震旦紀(jì)—三疊紀(jì)）［M］．北京：科學(xué)出版社，1994：138－141．

［12］LOUCKS R G，RUPPEL S C．Mississippian Barnett Shale：lithofacies and depositional setting of a deep－water shale－gas succession in the Fort Worth Basin，Texas［J］．AAPG Bulletin，2007，91（4）：579－601．

［13］HILL D G，NELSON C R．Gas productive fractured shales：an overview and update［J］．Gas Tips of Gas Research Institute，2000，6（2）：4－13．

［14］張金川，唐玄，姜生玲，等．碎屑巖盆地天然氣成藏及分布序列［J］．天然氣工業(yè)，2008，28（12）：11－17．

［15］AYERS W B Jr．Coalbed gas systems，resources，and production and a review of contrasting cases from the San Juan and Powder River basins［J］．AAPG Bulletin，2002，86（11）：1853－1890．