贛東北地區(qū)下寒武統(tǒng)荷塘組頁巖儲層特征*

王 冉，桑樹勛，劉水根，俞寬坤，杜 藝

1.中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221008 2.江西省煤田地質(zhì)局二二三地質(zhì)隊，江西 鷹潭 335000

引 言

頁巖氣是一種典型的非常規(guī)天然氣，具有自生自儲、資源豐富但開發(fā)技術(shù)條件要求高的特點(diǎn)[16]。近年來中國開始重視頁巖氣的勘探開發(fā)工作，但目前頁巖氣勘探主要集中在上揚(yáng)子地區(qū)的四川盆地及其周緣[78]，對下?lián)P子地區(qū)則鮮有觸及。由于下?lián)P子與上揚(yáng)子地區(qū)具有類似的發(fā)展演化歷史，因此頁巖氣形成條件也具有相似性[9]。而頁巖儲層的巖石學(xué)特征、微孔隙特征、有機(jī)碳含量以及有機(jī)質(zhì)成熟度等對頁巖氣的集聚與勘探開發(fā)起著至關(guān)重要的作用[10]。因此，本文對贛東北地區(qū)下寒武統(tǒng)荷塘組的野外露頭進(jìn)行分析，采用常規(guī)薄片、掃描電鏡+能譜分析、X射線衍射分析等方法，主要從地球化學(xué)特征、巖石學(xué)特征及物性與儲集空間特征等方面對頁巖儲層特征進(jìn)行了研究。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

贛東北地區(qū)位于江西省東北部，總面積約31 600 km2。構(gòu)造上位于揚(yáng)子板塊的江南地體與華南板塊的華夏地體交接部位，從北西到南東劃分為7個構(gòu)造單元，依次為修水—祁門構(gòu)造單元、樂平—歙縣構(gòu)造混雜巖帶、萬年構(gòu)造單元、懷玉構(gòu)造單元、東鄉(xiāng)—廣豐混雜巖帶、鐵砂街—永平裂陷槽和北隆夷隆起構(gòu)造單元（圖1）[1112]。本區(qū)經(jīng)歷了多期次構(gòu)造運(yùn)動的疊加改造和地史時期沉積環(huán)境的變遷[13]，先后經(jīng)歷了前晉寧期階段、晉寧運(yùn)動時期板塊俯沖和碰撞階段以及晉寧運(yùn)動以來板內(nèi)構(gòu)造演化階段。

圖1 贛東北地區(qū)地質(zhì)簡圖Fig.1 Geological map of the northeastern Jiangxi

2 荷塘組泥頁巖發(fā)育特征

研究區(qū)發(fā)育了中、古生界（包括震旦系）多套烴源巖系[9，14]。其中下寒武統(tǒng)荷塘組泥頁巖發(fā)育良好，厚達(dá)22.10～735.00 m，上部為薄層狀含硅質(zhì)板巖夾含炭硅質(zhì)頁巖及炭質(zhì)板巖，下部為薄層狀含炭質(zhì)板巖，含碳量較高，有石煤資源，荷塘組富有機(jī)質(zhì)泥頁巖單層厚度較大，可達(dá)19.59～125.16 m。贛東北地區(qū)荷塘組整體呈北東向延伸，是下?lián)P子寒武海槽的一個延伸[15]，整體上分布面積較為穩(wěn)定，從中心向西逐漸變薄，面積約1.8×104km2（圖2）。贛東北早寒武世荷塘期屬于較寧靜的海相環(huán)境，這種還原沉積環(huán)境對有機(jī)質(zhì)的富集和保存有利，為頁巖氣藏的形成提供了良好的沉積條件。

圖2 贛東北下寒武統(tǒng)荷塘組等厚線圖Fig.2 Isopach of the lower Cambrian Hetang Formation in northeastern Jiangxi

3 荷塘組泥頁巖儲層特征

3.1 地球化學(xué)特征

本次研究共采集泥頁巖樣品44個，均采自下寒武統(tǒng)荷塘組，包括炭質(zhì)頁巖、硅質(zhì)泥巖和石煤，均為風(fēng)化剖面樣品，但在玉山縣德上高速公路隧道開采工作面采集到新鮮的荷塘組樣品。

3.1.1 有機(jī)碳含量

有機(jī)碳含量（TOC）是衡量烴源巖生烴潛力的重要參數(shù)，北美地區(qū)頁巖氣已有的勘探開發(fā)經(jīng)驗表明，有機(jī)碳含量與吸附氣呈正相關(guān)關(guān)系，因此有機(jī)碳含量可作為識別成熟的優(yōu)質(zhì)烴源巖的關(guān)鍵參數(shù)。

按Boyer等對源巖有機(jī)質(zhì)豐度的分級[2]，贛東北荷塘組黑色泥頁巖30個樣品的TOC含量為3.320%～11.400%，平均為5.750%（表1），屬于很好—極好的烴源巖。表明贛東北具備頁巖氣藏的物質(zhì)基礎(chǔ)。

表1 研究區(qū)荷塘組泥頁巖有機(jī)碳含量表Tab.1 The TOC content of Hetang Formation in study area

3.1.2 熱成熟度

鏡質(zhì)體反射率（Ro）被廣泛用于熱演化史恢復(fù)[16]。據(jù)北美地區(qū)實際勘探情況，反映頁巖成熟度的鏡質(zhì)體反射率（Ro）大致在 0.4%～1.9%[4]。因此，美國頁巖氣商業(yè)性開發(fā)頁巖層系Ro值為1.1%～3.0%，最高不超過4.0%[17]。據(jù)贛東北荷塘組樣品鏡質(zhì)體反射率的測試結(jié)果表明：贛東北荷塘組泥頁巖熱演化程度變化較大，34個樣品的Ro為2.35%～4.90%（表2），總體偏高，屬于過成熟階段。

從展布格局看，贛東北主要自從西南向東北成熟度逐漸升高（圖3）。從頁巖氣的生成和成藏角度出發(fā)，高、過成熟的頁巖生氣能力有所下降，是評價頁巖氣資源的不利因素之一，但根據(jù)美國頁巖氣勘探經(jīng)驗，高成熟度條件下同樣能發(fā)育頁巖氣藏[18]高、過成熟的頁巖對吸附氣的儲集能力提高是有利因素之一。

表2 研究區(qū)荷塘組泥頁巖有機(jī)質(zhì)熱演化程度數(shù)據(jù)表Tab.2 The degree thermal evolution of organic matter of Hetang Formation in study area

圖3 研究區(qū)荷塘組泥頁巖熱演化等值線圖Fig.3 Contour map of thermal evolution of Hetang Formation in study area

3.2 巖石學(xué)特征

頁巖中無機(jī)礦物一般以黏土、石英和方解石為主，其相對組成變化將影響頁巖的力學(xué)與儲集空間性質(zhì)及其對氣體的吸附能力。當(dāng)頁巖中脆性礦物（石英+方解石）含量增加時，可提高頁巖儲層的脆性指數(shù)，有利于實施后期的壓裂增產(chǎn)措施，并增加游離態(tài)頁巖氣的儲存空間[1，19]。已有研究表明，北美具備商業(yè)開發(fā)條件的頁巖，脆性礦物含量一般高于40.00%，黏土礦物含量小于30.00%，石英含量被認(rèn)為是頁巖氣成藏的重要條件之一[20]。研究區(qū)富有機(jī)質(zhì)泥頁巖中礦物成分主要以石英、方解石、黏土礦物為主，含少量黃鐵礦及白鐵礦，礦物成分變化趨勢明顯，18個樣品脆性礦物含量為18.95%～51.84%，平均含量為40.97%。與北美典型頁巖相比贛東北荷塘組泥頁巖也是較為理想的頁巖氣重點(diǎn)研究勘探開發(fā)層位（表3）[21]。

表3 荷塘組泥頁巖與北美典型頁巖石英含量對比Tab.3 Thecontrast of quartz content between Hetang Formation shaleand shale in North America

3.3 儲層物性與儲集空間特征

3.3.1微孔隙

頁巖微孔隙是評價儲集層特征的關(guān)鍵參數(shù)[22]。頁巖儲層中的孔隙系統(tǒng)一般由十分微細(xì)的孔隙組成，通過掃描電鏡+能譜分析研究發(fā)現(xiàn)，荷塘組泥頁巖孔隙形態(tài)多樣，以蜂窩狀（圖 4a，圖 5a）、圓形（圖 4b，圖 5b）、不規(guī)則多邊形（圖 4c，圖 5c）和復(fù)雜網(wǎng)狀（圖4d，圖5d）為主。

圖4 研究區(qū)荷塘組泥頁巖儲層樣品微孔隙（SEM）圖版Fig.4 Microporosity plate（SEM）of Hetang Formation reservoir in study area

圖5 研究區(qū)荷塘組泥頁巖儲層樣品裂縫圖版Fig.5 Crack plate of Hetang Formation reservoir in study area

3.3.2裂隙

泥頁巖裂縫對于頁巖氣的勘探和開發(fā)具有十分重要的意義[23]。裂縫的發(fā)育程度和類型是影響頁巖含氣量和頁巖氣聚集的重要因素，決定著頁巖滲透率的大小，控制著頁巖的連通程度，進(jìn)一步控制著氣體的流動速度、氣藏的產(chǎn)能。因此，美國在頁巖氣開發(fā)初期，主要勘探目標(biāo)選擇是天然裂縫相對發(fā)育區(qū)帶，裂縫發(fā)育好的頁巖滲流速度能大大增加，生產(chǎn)速度也較高，最終獲得商業(yè)性開采，如Antrim頁巖氣和Marcellus頁巖氣[1]。贛東北地區(qū)荷塘組頁巖裂隙普遍發(fā)育，按照發(fā)育規(guī)?？蓪⒘芽p分為大型裂隙（寬度 ＞1.00 mm，長度 ＞10.00 m，圖 5a）、中觀裂隙（0.10＜寬度≤1.00 mm，0.10＜長度≤1.00 m，圖5b）、小型裂隙（0.01＜寬度≤0.10 mm，0.01＜長度≤0.10 m，圖 5c）和微觀裂隙（寬度 ≤0.01 mm，長度≤0.01 m）。

3.4 儲層含氣能力

頁巖含氣量是確定頁巖氣有無開采價值的決定性參數(shù)，含氣量由3部分組成。含氣量=實測氣量（解吸氣量）+殘余氣量+逸散氣量（損失氣量）。由于游離氣需要采集巖芯進(jìn)行現(xiàn)場測試，贛東北目前尚不具備測試游離氣的條件，為了解荷塘組泥頁巖的吸附能力，選擇荷塘組泥頁巖樣品進(jìn)行了等溫吸附實驗。

實驗結(jié)果表明，荷塘組頁巖的甲烷吸附能力為3.03 m3/t（圖6）。與美國5大頁巖氣盆地的頁巖等溫吸附曲線對比可以發(fā)現(xiàn)，贛東北荷塘組泥頁巖的吸附能力除略低于Barnett頁巖外（表4）[24]，均高于其他盆地的頁巖，表明研究區(qū)頁巖具有較強(qiáng)的天然氣吸附能力。

圖6 研究區(qū)荷塘組泥頁巖樣品等溫吸附曲線Fig.6 Adsorption isothermal curve of Hetang Formation shalein study area

表4 研究區(qū)與美國五大商業(yè)性頁巖氣產(chǎn)區(qū)地質(zhì)、地化和含氣量對比表Tab.4 The contrast in geological，geochemical and gascontent between Jiangxi Province and fivecommercial shale gasproduction areasin America

4 結(jié) 論

（1）荷塘組泥頁巖有機(jī)質(zhì)含量高，TOC為3.32%～11.40%，平均 5.75%，但成熟度為 2.35%～4.90%，總體偏高，屬于過成熟階段，是評價研究區(qū)頁巖氣資源的不利因素之一；礦物成分主要以石英、黏土礦物、方解石、黃鐵礦和白鐵礦為主，脆性礦物含量為18.95%～51.84%，平均含量40.97%；微孔裂隙發(fā)育，形態(tài)多樣，大小不一。

（2）贛東北荷塘組與美國五大商業(yè)性頁巖氣產(chǎn)區(qū)頁巖相比具有一定的差異，主要表現(xiàn)在荷塘組厚度較大、有機(jī)質(zhì)含量高及吸附氣含量較高，是評價贛東北地區(qū)頁巖氣的有利條件。其不利條件主要表現(xiàn)為埋藏較深、成熟度過高等方面。加之本研究采集樣品多為地表樣品，導(dǎo)致實驗測試結(jié)果與實際有所差異。因此，對于評價研究區(qū)荷塘組頁巖氣勘探前景而言，必須部署實施一批頁巖氣調(diào)查井，以獲取系統(tǒng)的巖芯、錄井、測井和含氣量等關(guān)鍵測試數(shù)據(jù)，還應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)的古地貌和古環(huán)境修復(fù)。

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