江西修武盆地下寒武統(tǒng)王音鋪組頁巖氣勘探前景

祁 星，胡秋祥，易錫華，張水根

（1.江西省煤田地質(zhì)勘察研究院，江西 南昌330001；2.江西省頁巖氣研究院，江西 南昌330001；3.贛中南地質(zhì)礦產(chǎn)勘查研究院，江西南昌 330000）

江西修武盆地下寒武統(tǒng)王音鋪組頁巖氣勘探前景

祁 星1，2，胡秋祥1，易錫華3，張水根1，2

（1.江西省煤田地質(zhì)勘察研究院，江西 南昌330001；2.江西省頁巖氣研究院，江西 南昌330001；3.贛中南地質(zhì)礦產(chǎn)勘查研究院，江西南昌 330000）

為了解江西修武盆地下寒武統(tǒng)王音鋪組的頁巖氣勘探前景，采取了野外地質(zhì)調(diào)查、巖芯觀察、實驗測試分析及數(shù)學(xué)模擬等方法，對王音鋪組富有機(jī)質(zhì)頁巖的厚度與埋深、有機(jī)地球化學(xué)特征、儲層特征、含氣性等方面進(jìn)行了初步的研究。研究表明：王音鋪組富有機(jī)質(zhì)頁巖為淺海陸棚相沉積，有效厚度約53m，頂界埋深在200～4000m之間；有機(jī)質(zhì)豐度較高，一般為2%～14%，干酪根類型為Ⅰ型，有機(jī)質(zhì)成熟度達(dá)到了過成熟階段；頁巖的礦物成分以石英和黏土為主，其中黏土礦物中又以伊利石為主；頁巖中的微孔隙主要有粒間孔、粒內(nèi)孔、有機(jī)質(zhì)孔和微裂縫四種類型；數(shù)學(xué)模擬和等溫吸附實驗結(jié)果顯示，王音鋪組頁巖氣的含氣量平均為2m3/t，頁巖氣資源豐度為2.54×108m3/km2，具有較好的頁巖氣資源潛力。采用地質(zhì)類比、綜合地質(zhì)分析，初步預(yù)測江西修武盆地下寒武統(tǒng)王音鋪組具有較好的頁巖氣勘探前景。

修武盆地；頁巖氣；形成條件；儲集空間；勘探前景

頁巖氣的研究與勘探開發(fā)最早始于美國，目前美國和加拿大已進(jìn)入了頁巖氣大規(guī)模的商業(yè)性開采階段。我國頁巖氣勘探開發(fā)仍屬于起步階段，對頁巖氣的研究需學(xué)習(xí)和借鑒北美成功的經(jīng)驗，但更要結(jié)合我國的地質(zhì)特點(diǎn)對頁巖氣形成與富集進(jìn)行研究。隨著四川盆地東緣焦石壩頁巖氣獲得商業(yè)性突破，給了我國頁巖氣勘探開發(fā)極大的鼓舞與信心。

目前我國對各盆地富有機(jī)質(zhì)泥頁巖的發(fā)育特征及其頁巖氣資源潛力的研究主要集中在上揚(yáng)子地區(qū)［1－4］，而對于下?lián)P子地區(qū)的海相泥頁巖則缺乏相應(yīng)的調(diào)查與研究工作［5］。修武盆地位于揚(yáng)子板塊的下?lián)P子坳陷帶，前人研究表明下?lián)P子地區(qū)古生界富有機(jī)質(zhì)泥頁巖分布廣泛［6－7］，而王音鋪組就屬于下古生界寒武系的一套富有機(jī)質(zhì)頁巖地層。筆者通過野外地質(zhì)調(diào)查、巖芯觀察、實驗測試分析和數(shù)學(xué)模擬等手段，對修武盆地下寒武統(tǒng)王音鋪組富有機(jī)質(zhì)頁巖的厚度與埋深、有機(jī)地球化學(xué)特征、儲層特征、含氣性等方面進(jìn)行了初步的研究，并討論了其頁巖氣勘探前景。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

1.1 構(gòu)造特征

江西修武盆地地理上位于江西省北部，構(gòu)造區(qū)位于揚(yáng)子板塊，次級構(gòu)造單元為下?lián)P子坳陷帶，三級構(gòu)造為九江坳陷，四級構(gòu)造為修水－武寧復(fù)向斜。下?lián)P子區(qū)是經(jīng)歷了多期構(gòu)造改造的疊合盆地，兩種構(gòu)造體制、兩個世代盆地造就了下?lián)P子地區(qū)復(fù)雜的構(gòu)造格局［8］。中元古界雙橋山群構(gòu)成了修水－武寧復(fù)向斜的變質(zhì)褶皺基底，震旦系－下三疊統(tǒng)為復(fù)向斜的主體，為區(qū)域蓋層褶皺。贛北區(qū)的基底褶皺主要形成于晉寧運(yùn)動（主幕），由中元古界雙橋山群構(gòu)成，褶皺相當(dāng)強(qiáng)烈，規(guī)模不等的背、向斜甚為發(fā)育。軸面多向南傾斜，部分傾向北，軸向一般呈北東東向，部分地段為近東西向。

1.2 地層與沉積特征

修武盆地各時代沉積巖廣泛分布，沉積演化史具有明顯的三分性，以加里東運(yùn)動、印支運(yùn)動、燕山運(yùn)動為轉(zhuǎn)折劃分為三個階段。震旦紀(jì)之前的晉寧運(yùn)動具有造山運(yùn)動特點(diǎn)，震旦紀(jì)開始，海平面持續(xù)下降，由濱海、淺海冰水沉積過渡到淺海滯留盆地沉積。在早古生代寒武紀(jì)－奧陶紀(jì)，研究區(qū)處于淺海陸棚環(huán)境，期間經(jīng)歷了三個幅度較大的由陸棚向深水盆地過渡的升降交替，其中第一次海平面升降，最大海泛面在早寒武世晚期，沉積了淺水陸棚相的王音鋪組，巖性為黑色、灰黑色炭質(zhì)頁巖、炭質(zhì)粉砂巖，屬于滯留還原環(huán)境下的陸坡頁巖相沉積，形成了江西省第一套黑色頁巖層。志留紀(jì)末，加里東運(yùn)動使地殼上升，構(gòu)造變形不明顯，造成了贛北地區(qū)缺失下、中泥盆統(tǒng)。之后接受持續(xù)沉積，沉積了石炭系、二疊系、三疊系，此時修武盆地沉積蓋層發(fā)育完成。印支造山運(yùn)動，使研究區(qū)沉積蓋層褶皺變形，結(jié)束了大規(guī)模的海侵，局部沉積了白堊系陸相沉積，形成修武盆地疊覆陸相盆地。燕山運(yùn)動對研究區(qū)改造不強(qiáng)烈，局部形成了一些紅盆。

下寒武統(tǒng)王音鋪組巖性由下至上變化不明顯，為一套黑色炭質(zhì)巖系，黑色炭質(zhì)頁巖夾炭質(zhì)硅質(zhì)頁巖。底部為硅質(zhì)頁巖、炭質(zhì)頁巖，具有向上變薄的退積層序，下部為石煤層，含重晶石和磷結(jié)核。富含黃鐵礦和海綿骨針，代表了一種滯留還原環(huán)境。

1.3 頁巖厚度與埋深

王音鋪組完整的分布與修武盆地，在盆地南北兩翼有出露。厚度在21～141m之間，平均為72m。對王音鋪組厚度的控制主要是實測地層剖面和淺層鉆井，目前有2條實測地層剖面測量了和3口探井鉆遇了王音鋪組頁巖，并對地層的真厚度進(jìn)行了換算。厚度資料顯示王音鋪組的厚度在盆地南翼明顯的比北翼要大。北翼王音鋪組厚度在21.21～62.14m之間，而南翼王音鋪組厚度為91.55～141.33m。而根據(jù)頁巖氣相關(guān)評價標(biāo)準(zhǔn)，王音鋪組頁巖達(dá)到頁巖氣評價的有效厚度約53m。同時對盆地埋藏史進(jìn)行模擬，結(jié)合地層的出露、上覆地層的厚度、古地理環(huán)境等，推斷王音鋪組頁巖埋深適中，頂界埋深在200～4000m之間。王音鋪組由盆地南北兩翼向盆地中心埋深逐漸變大，且受構(gòu)造活動的影響，王音鋪組在南翼的埋深整體要大于北翼。

2 王音鋪組頁巖有機(jī)地化與儲層特征

2.1 頁巖有機(jī)地化特征

2.1.1 有機(jī)質(zhì)豐度

王音鋪組黑色頁巖為還原－強(qiáng)還原黑色頁巖相，通過對47塊巖石樣品的有機(jī)碳含量測試數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析表明（圖1），王音鋪組頁巖有機(jī)碳含量較高，TOC分布范圍較大，TOC最小為0.35%，最大為25%，平均為6.12%。王音鋪組頁巖樣品的TOC主要分布在0～10%之間，樣品數(shù)有39塊，占到了總樣品數(shù)的83%，而TOC在10%～30%之間的樣品僅有8塊，可能是樣品取自石煤層造成的。由于王音鋪組下部的石煤層厚度較?。ㄒ话阈∮?m），不能代表整體的王音鋪組頁巖的有機(jī)質(zhì)豐度，故剔除掉底部石煤層TOC＞15%的異常點(diǎn)，縱向上對王音鋪組的有機(jī)質(zhì)豐度進(jìn)行統(tǒng)計（圖2），發(fā)現(xiàn)王音鋪組下部TOC較小，小于2%，中部TOC明顯增大，為8%～14%，而上部TOC分布比較集中，為2%～7%。總體來看，王音鋪組中上部TOC含量較高，主要分布在2%～14%。

2.1.2 有機(jī)質(zhì)類型

通過對11塊王音鋪組頁巖樣品進(jìn)行化驗分析，從干酪根顯微組分構(gòu)成來看，主要由腐泥組構(gòu)成，體積分?jǐn)?shù)均在95%以上，鏡質(zhì)組含量很少，為2%～5%（表1）。顯微組分以腐泥組無定形為主，外形呈云霧狀、棉絮狀，中間厚邊緣薄，輪廓曲線不規(guī)則，顏色以灰黃色、黑褐色為主，半透明，無熒光，可見藻體痕跡。表明王音鋪組頁巖中的有機(jī)質(zhì)主要來源于淤泥中的孢子及浮游類生物或藻類物質(zhì)的堆積。通過干酪根鏡下統(tǒng)計的各類顯微組分的含量百分比，并乘以相應(yīng)的加權(quán)系數(shù)（鏡質(zhì)組×（－75）＋惰質(zhì)組×（－100）＋殼質(zhì)體×50＋腐泥組×100），可以求得干酪根的類型指數(shù)TI值，可根據(jù)TI值的大小來判斷干酪根類型（表2）。通過此計算方法算得王音鋪組頁巖樣品的TI指數(shù)均大于90，故王音鋪組頁巖中干酪根類型為腐泥型Ⅰ型。

圖1 王音鋪組頁巖有機(jī)碳含量分布特征

圖2 王音鋪組頁巖有機(jī)碳含量縱向分布特征

表1 王音鋪組頁巖中干酪根顯微組分含量統(tǒng)計表

表2 干酪根類型與TI值對應(yīng)表

2.1.3 有機(jī)質(zhì)成熟度

修武盆地王音鋪組黑色頁巖有機(jī)質(zhì)熱演化程度總體上達(dá)到了過成熟階段。測試了11塊頁巖樣品，結(jié)果顯示樣品的鏡質(zhì)體反射率Ro在2.84%～3.48%之間，平均為3.17%。通過熱演化史模擬，下寒武統(tǒng)王音鋪組頁巖于早中寒武世開始進(jìn)入成巖作用的未成熟階段，開始少量生烴，中晚寒武世開始進(jìn)入主力生油期，至中奧陶世進(jìn)入成熟晚期，晚志留世末期進(jìn)入過成熟階段。

2.2 頁巖儲層特征

2.2.1 巖石礦物特征

王音鋪組富有機(jī)質(zhì)頁巖以黑色炭質(zhì)頁巖、含炭質(zhì)泥質(zhì)粉砂巖為主。顯微鏡和陰極發(fā)光對薄片的研究表明，炭質(zhì)頁巖主要由水云母及泥質(zhì)物沿一定方向呈鱗片泥質(zhì)結(jié)構(gòu)不均勻的分布，碳泥質(zhì)混雜，泥質(zhì)較多，少量的炭質(zhì)呈條紋狀分布，碎屑礦物主要為石英、長石、白云石等（圖3）。

圖3 頁巖樣品陰極發(fā)光照片

全巖X射線衍射定量檢測結(jié)果表明，王音鋪組富有機(jī)質(zhì)頁巖的礦物成分石英和黏土為主，含有少量鉀長石、斜長石、白云石、黃鐵礦等。其中石英含量達(dá)24.5%～83.1%，平均為58.4%；黏土含量為10.1～41%，平均為23%。黏土礦物主要為伊利石、伊/蒙間層、不含蒙脫石，其中伊利石平均含量占黏土礦物的43.5%，伊/蒙間層平均含量占黏土礦物的39%。研究表明，頁巖儲層中黏土礦物的含量通常與吸附氣的含量具有正相關(guān)性，尤其是黏土礦物中伊利石對頁巖氣的吸附能力最強(qiáng)［9－10］，石英、長石等脆性礦物的含量則與后期的水力壓裂造縫有關(guān)［11］。由此可見，王音鋪組富有機(jī)質(zhì)頁巖具有較好的頁巖氣賦存條件和后期開采潛力。

2.2.2 儲集空間

掃描電鏡實驗結(jié)果顯示，王音鋪組富有機(jī)質(zhì)頁巖微孔隙發(fā)育，主要發(fā)育有礦物粒間孔、礦物粒內(nèi)孔、有機(jī)質(zhì)孔和微裂縫四種類型（圖4）。礦物粒間孔多發(fā)育于黏土礦物間的粒間孔，孔徑為微米級，具有較大的比表面積，黏土礦物間的粒間孔越發(fā)育，對頁巖氣的吸附能力就越強(qiáng)；掃描電鏡下觀察到了黏土礦物的粒內(nèi)孔，蒙脫石在沉積埋藏過程中轉(zhuǎn)變?yōu)橐撩苫鞂踊蛞晾倪^程中，會產(chǎn)生大量的粒內(nèi)孔；有機(jī)質(zhì)孔多為微米級或納米級，孔徑分布在10～500nm之間，孔隙形態(tài)呈蜂窩狀、片麻狀等，有機(jī)質(zhì)本身具有親油性，使得有機(jī)質(zhì)孔隙成為了頁巖氣吸附的主要場所；頁巖中微孔隙也較發(fā)育，縫寬一般十納米至數(shù)百納米，長度一般為幾微米至幾十微米，微裂縫對頁巖氣的儲集和開采具有重要的意義。

3 王音鋪組頁巖含氣性分析

圖4 王音鋪組富有機(jī)質(zhì)頁巖掃描電鏡照片

由于修武盆地尚沒有油氣鉆井，無法獲取王音鋪組富有機(jī)質(zhì)頁巖的含氣性資料，故從數(shù)學(xué)模擬和實驗方法對頁巖的游離氣和吸附氣的含量進(jìn)行初步的研究。

根據(jù)氣體在平衡狀態(tài)下P－V－T關(guān)系的數(shù)學(xué)方程PV＝n RT，由物質(zhì)平衡方程可得可求出在不同地層壓力、溫度下頁巖中的游離氣含量。式中，P、P1分別為標(biāo)況和地下壓力，單位MPa；V、V1分別為孔隙體積和地下游離氣體積，單位m3/t；T、T1分別為標(biāo)況溫度和地下溫度，單位℉。修武盆地王音鋪組平均埋深為1500m，按靜水壓力估算，其地層壓力為15MPa，地層溫度為323℉，頁巖平均孔隙度為1.79%，頁巖密度為2.4g/m3。通過計算得到王音鋪組富有機(jī)質(zhì)頁巖中游離氣的含量平均為1.01m3/t。

對2塊王音鋪組富有機(jī)質(zhì)頁巖樣品進(jìn)行了等溫吸附實驗，實驗溫度為30℃，采用純甲烷在平衡溫度條件下進(jìn)行的，并對樣品數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行蘭氏線性擬合，得到蘭氏擬合曲線（圖5），從這條曲線上可讀取到任一壓力下樣品的吸附氣含量。王音鋪組頁巖的地層壓力為15MPa，由圖5可知其吸附氣含量為4.5～5.6m3/t，平均為5m3/t。此結(jié)果為實驗條件下的理論最大吸附量，而在實際地層中天然氣不可能達(dá)到吸附飽和狀態(tài)，參照美國頁巖氣盆地吸附氣量為飽和吸附氣量的20%～70%［12－13］，同時考慮到修武盆地經(jīng)歷了多期構(gòu)造活動的改造作用，采用吸附氣量為飽和氣量的下限值20%保守估計其吸附氣量為0.9 m3/t～1.1 m3/t，平均為1m3/t。

通過上述對頁巖中游離氣和吸附氣含量的計算與討論，可知王音鋪組富有機(jī)質(zhì)頁巖中天然氣的含氣量為2m3/t。根據(jù)體積法估算，其頁巖氣資源豐度可達(dá)2.2×108m3/km2。

4 王音鋪組頁巖氣勘探前景

圖5 王音鋪組富有機(jī)質(zhì)頁巖等溫吸附曲線

美國 Barnett頁巖、Maecellus頁巖［14－15］和四川盆地東緣的龍馬溪組［3，16－17］均獲得突破并達(dá)到了商業(yè)性開采，而江西修武盆地勘探程度較低，故主要從頁巖的厚度與埋深、有機(jī)地化指標(biāo)、脆性礦物含量、含氣性與儲量豐度等方面，王音鋪組與Barnett頁巖、Maecellus頁巖、龍馬溪組泥頁巖進(jìn)行對比分析（表3）。通過對比分析，可以看出王音鋪組頁巖與前三套頁巖地質(zhì)特征較為相似。王音鋪組頁巖時代更老；厚度大、埋深適中；有機(jī)碳含量較高，為頁巖氣的生成提供了充足的物質(zhì)基礎(chǔ)；干酪根類型為Ⅰ型，有機(jī)質(zhì)成熟度偏高，達(dá)到了過成熟階段，以原油熱裂解為主，可能為頁巖氣的成藏提供了充足的氣源條件；頁巖中脆性礦物含量較高，平均為58.4%，有利于后期的頁巖氣的水力壓裂開采；保守估計王音鋪組頁巖中天然氣含氣量為2m3/t，頁巖氣儲量豐度2.54×108m3/km2，相比較來看王音鋪組頁巖氣資源潛力較大，具有較好的勘探前景。

表3 王音鋪組頁巖與含氣頁巖參數(shù)表

5 結(jié)論

1）修武盆地下寒武統(tǒng)王音鋪組頁巖為淺海陸棚還原沉積，巖性由下至上變化不明顯，為一套黑色炭質(zhì)巖系，下部為石煤層。富有機(jī)質(zhì)頁巖的厚度約53m，頂界埋深在200～4000m之間，在盆地南北兩翼埋藏較淺。

2）王音鋪組富有機(jī)質(zhì)頁巖有機(jī)質(zhì)豐度較高，TOC在2%～14%之間；干酪根類型為Ⅰ型；有機(jī)質(zhì)演化程度較高，Ro為2.84%～3.48%，平均為3.17%，達(dá)到了過成熟階段，以生氣為主。

3）王音鋪組富有機(jī)質(zhì)頁巖的礦物成分石英和黏土為主，其平均含量分別為58.4%和23%，其中黏土礦物中又以伊利石為主，對天然氣的吸附能力最強(qiáng)。掃面電鏡結(jié)果顯示，頁巖中微孔系發(fā)育，主要發(fā)育有黏土礦物粒間孔、粒內(nèi)孔、有機(jī)質(zhì)孔和微裂縫，為游離氣的聚集和吸附氣的賦存提供了充足的空間。

4）通過數(shù)學(xué)模擬和等溫吸附模擬實驗表明，王音鋪組富有機(jī)質(zhì)頁巖中游離氣的含量平均為1.01m3/t，吸附氣量為0.9 m3/t～1.1 m3/t，平均為1m3/t，頁巖氣含氣量平均為2m3/t，頁巖氣資源豐度為2.54×108m3/km2，具有較好的頁巖氣資源潛力。

5）基于對王音鋪組富有機(jī)質(zhì)頁巖的厚度、埋深、有機(jī)地化指標(biāo)、脆性礦物含量、含氣性等要素的分析，采用地質(zhì)類比、綜合地質(zhì)分析，初步認(rèn)為修武盆地王音鋪組頁巖厚度大、埋深適中，具有較好的生氣能力、含氣量較大，脆性礦物含量較高，為后期頁巖氣開采提供有利的條件?？傮w來看，修武盆地王音鋪組頁巖具有較好的勘探開發(fā)前景。

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Shale gas exploration prospect of lower cambrian Wangyinpu formation in Xiuwu basin

QI Xing1，2，HU Qiu－xiang1，YI Xi－h(huán)ua3，ZHANG Shui－gen1，2
（1.Geological Prospecting Institute of Jiangxi Coalfield Geology Bureau，Nanchang 330001，China；2.Shale Gas Research Institute of Jiangxi，Nanchang 330001，China；3.Jiangxi Central South Exploration Institute of Geology and Mineral Resources，Nanchang 330000，China）

To understand shale gas exploration prospect of Lower Cambrian Wangyinpu Formation in Xiuwu basin，took the methods of field geological survey，core observation，experimental test analysis and mathematical modeling，preliminary studied the thickness，buried depth，organic geochemical characteristics，reservoir characteristics and gas－bearing features of the rich－organic matter shale in Wangyinpu Formation of Xiuwu basin.Research shows that the rich－organic matter shale in Wangyinpu Formation is shallow shelf facies.The effective thickness is 53m.The top buried depth is 200～4000m.The shale has higher abundance of organic matter with generally of 2%～14%.The kerogen types isⅠ.The maturity of organic matter had reached a mature stage.The mineral composition of shale is given priority to with quartz and clay，which illite is dominated in clay mineral.The micro pores in the shale are mainly inter－particle pores，intra－particle pores，organic pores and microfractures.Mathematical simulation and isothermal adsorption experiment shows that the average shale gas content and Shale gas resource abundance of Wangyinpu Formation respectively is 2m3/t and 2.54×108m3/km2.According to the geological analogy and comprehensive geological analysis，preliminary prediction that the Lower Cambrian Wangyinpu Formation in Xiuwu basin has a good exploration prospect of shale gas.

Xiuwu basin；shale gas；formation conditions；reservoir space；exploration prospect

祁星（1988－），男，碩士，2013年畢業(yè)于中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）地質(zhì)工程專業(yè)，主要從事非常規(guī)油氣地質(zhì)研究工作。E－mail：qixing1001＠163.com。

TD353

A

1004－4051（2015）10－0102－06

2014－07－31

國土資源部第二輪頁巖氣探礦權(quán)出讓招標(biāo)項目（編號：GT2012YQTKQCR0001）