皖南古生界頁巖氣形成地質(zhì)-地球化學條件

皖南古生界頁巖氣形成地質(zhì)-地球化學條件

近年來，磺氣勘探和勘探已從北美擴展到全球，是全球油氣資源勘探和開發(fā)的新點。加快頁巖氣資源勘探開發(fā),已成為世界主要頁巖氣資源大國的共同發(fā)展目標。我國廣泛分布形成于不同時代、不同區(qū)域的富有機質(zhì)泥頁巖,其中,南方古生界被認為是我國最具頁巖氣勘探潛力的地層。但目前我國頁巖氣勘探主要集中在上揚子的四川盆地及圍區(qū),而對下?lián)P子區(qū)頁巖氣形成地質(zhì)條件研究相對較少,尤其是皖南下?lián)P子古生界地層發(fā)育多套優(yōu)質(zhì)泥頁巖,沉積厚度較為穩(wěn)定,這些泥頁巖的成氣條件如何?頁巖氣的重點勘探層系及潛力怎樣?等問題近年來已成為人們關注的焦點。為此,本文旨在通過對該地區(qū)古生界寒武至二疊系地層泥頁巖的分布、有機質(zhì)豐度、類型和成熟度等地質(zhì)-地球化學條件和巖石學特征的研究,并與國內(nèi)外含氣頁巖的特征對比,探討頁巖氣勘探潛力,以指導下?lián)P子皖南地區(qū)進一步開展頁巖氣富集成藏研究工作和圈定勘探靶區(qū)。1南中日相關學研究區(qū)下?lián)P子地區(qū)地理位置處于長江下游,跨越蘇、浙、皖、贛和滬4省1市;構造上位處揚子板塊東北緣,包括蘇、浙、皖、贛地區(qū),其西北部以郯廬斷裂、嘉山—響水斷裂帶為界,西南部以贛江大斷裂為界,東南部以江紹斷裂為界,向東與南黃海相接。研究區(qū)(皖南地區(qū))橫跨沿江拗陷和皖南—蘇南拗陷,面積約為12000km2(圖1)。本區(qū)經(jīng)歷了多期次構造運動的疊加改造和地史時期沉積環(huán)境的變遷,形成了古生界早期發(fā)育陸緣海環(huán)境,晚期發(fā)育陸表海環(huán)境,沉積海相和海陸交互相沉積地層,即震旦紀至早、中志留世為海相沉積;從晚泥盆世—二疊世沉積相逐漸由海相沉積向海陸交互相沉積過渡。下?lián)P子區(qū)缺失中、下泥盆統(tǒng),古生界的其余層系和上震旦統(tǒng)均有發(fā)育,主要發(fā)育有3套富有機質(zhì)泥頁巖層系,自下而上分別為下寒武統(tǒng)黃柏嶺組(∈1h)、上奧陶統(tǒng)五峰組(O3w)—下志留統(tǒng)高家邊組(S1g)及二疊系孤峰組(P1g)+龍?zhí)督M(P2l)+大隆組(P2d),為頁巖氣的生成奠定了重要的物質(zhì)基礎。2黑粘土分析的地球化學特征2.1系內(nèi)有機質(zhì)類型及邊界值下?lián)P子地區(qū)下寒武統(tǒng)暗色頁巖廣泛發(fā)育在黃柏嶺組(荷塘組+大陳嶺組)。主要是黑色頁巖、炭質(zhì)頁巖、炭硅質(zhì)頁巖和鈣質(zhì)頁巖,局部夾薄層微晶灰?guī)r、炭質(zhì)硅質(zhì)灰?guī)r和粉砂質(zhì)頁巖,為深水陸棚相和盆地相沉積。皖南地區(qū)鉆遇下寒武統(tǒng)黃柏嶺組泥頁巖探井較少,樣品主要采自于野外露頭,經(jīng)測試,暗色泥頁巖有機質(zhì)豐富(表1),有機碳(TOC)含量最小值為0.71%,最大值為8.25%,平均值為3.08%;皖南皖寧2井鉆遇到厚達500m的荷塘組高豐度段泥頁巖有機碳含量可達8%~10%(圖2)。表明在下?lián)P子地區(qū)廣泛分布一套下寒武統(tǒng)有機質(zhì)豐富的暗色泥頁巖,屬于好—極好的烴源巖。由于寒武統(tǒng)海相泥頁巖普遍經(jīng)歷較高的熱演化,大多數(shù)進入高、過成熟階段,故這些泥頁巖的熱解生烴潛量(S1+S2)不高,介于0.01~0.49mg/g,熱解氫指數(shù)(HI)小于10mg/g(圖3),已不能用來判定干酪根的原始類型。與上述地化參數(shù)相比,干酪根的穩(wěn)定碳同位素組成(δ13C)受熱演化影響程度較小,被認為能較好地反映原始有機質(zhì)的類型。據(jù)公開發(fā)表的數(shù)據(jù),以δ13C=-26‰,-29‰作為區(qū)分III,II和I型干酪根的兩個指標界限值,下寒武統(tǒng)樣品干酪根δ13C=-29‰~-35‰,6個樣品分析結果平均值為-31.5‰,均小于-29‰(海相II型與I型干酪根的界限值),表明有機質(zhì)類型應以Ⅰ型為主。皖南地區(qū)古生界下寒武統(tǒng)頁巖成熟度高,生排烴期較早,據(jù)32塊干酪根樣品Ro,eq實測值,介于2.4%~5.7%,處于過成熟階段。2.2不同地區(qū)干結構樣品的有機碳含量上奧陶統(tǒng)五峰組頁巖(O3w)以薄層(<20m)、分布廣為特征,與下?lián)P子區(qū)高家邊組(S1g)共同組成一套區(qū)域性泥頁巖烴源巖。其中,五峰組為灰黑、黑色泥巖,富含硅質(zhì)、有機質(zhì)和黃鐵礦,為深水盆地相沉積;下志留統(tǒng)高家邊組為淺灰—深灰色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖夾泥質(zhì)砂巖,底部黑色泥巖發(fā)育,為陸棚相沉積。泥頁巖有機碳含量普遍較低,根據(jù)皖南地區(qū)L井資料,TOC通常<0.1%;高豐度泥頁巖僅發(fā)育在五峰組和高家邊組下部,如D井在上奧陶統(tǒng)五峰組一下志留統(tǒng)高家邊組下部揭露了大約35m的高豐度段泥巖,有機碳含量介于1.05%~2.86%(圖2),平均值為2.01%;在相鄰的蘇北地區(qū)N4井下志留統(tǒng)高家邊組也鉆遇了一套有機質(zhì)比較豐富的暗色泥巖,有機碳含量為1.59%~2.67%(圖2)。可與上揚子地區(qū)四川盆地下志留統(tǒng)龍馬溪組(S1l)高豐度頁巖的TOC含量相媲美。根據(jù)上奧陶統(tǒng)五峰組一下志留統(tǒng)高家邊組樣品干酪根碳同位素組成分析結果,δ13C值介于-31‰~-27‰,70%~80%樣品的δ13C值小于-29‰,為Ⅰ型干酪根;20%~30%樣品的δ13C值介于-29‰~-27‰,屬于Ⅱ型干酪根。有機質(zhì)成熟度較下寒武統(tǒng)頁巖成熟度低一些,在本次測定的上奧陶—下志留統(tǒng)16塊樣品中,除4塊樣品Ro,eq>3%之外,其余樣品Ro,eq則介于1.5%~3.0%,屬于高—過成熟階段早期,有利于天然氣包括裂解氣的大量生成。2.3林分質(zhì)量特征二疊系自下而上包括棲霞組、孤峰組、龍?zhí)督M和大隆組,主要為灰黑色硅質(zhì)泥巖及黑色頁巖。其中,富有機質(zhì)泥頁巖主要發(fā)育于孤峰組、龍?zhí)督M和大隆組,H井和C井均鉆遇高TOC暗色泥頁巖。孤峰組(P1g):只發(fā)育于下?lián)P子區(qū),巖性為灰黑色泥巖,硅質(zhì)、灰質(zhì)泥巖夾白云質(zhì)灰?guī)r,為深水盆地相沉積。烴源巖厚28~70m,一般厚30~60m,據(jù)H井和C井巖芯地球化學分析結果,TOC含量很高(含炭質(zhì)泥巖),多在2%~10%,最高達18.8%,是一套好—極好的泥質(zhì)烴源巖。龍?zhí)督M:龍?zhí)督M主要發(fā)育灰黑色泥巖、炭質(zhì)泥巖和灰色細砂巖、泥質(zhì)粉砂巖互層,夾煤層,屬于濱岸沼澤—三角洲相沉積,泥頁巖含煤及炭質(zhì)泥巖在下?lián)P子區(qū)一般厚100~200m,有機質(zhì)豐度很高(圖2,3),TOC含量>2%的泥頁巖在剖面中占總厚的50%~70%,炭質(zhì)泥巖及煤的TOC含量更高,達10.0%~16.4%。大隆組為一套炭質(zhì)泥巖、硅質(zhì)泥巖、黑色泥巖,屬于盆地—深水陸棚相沉積。C井鉆遇厚度33m。泥頁巖有機碳含量通常在0.70%~9.83%,最大值為13%,平均值為4.78%。總體上,無論是孤峰組,還是龍?zhí)督M及大隆組,其暗色泥頁巖的熱解生烴潛量(S1+S2)都很低(0.01~0.05mg/g),且TOC含量>1.5%樣品對應的熱解氫指數(shù)小于5mg/g,顯然,已不能反映烴源巖的原始有機質(zhì)性質(zhì)。根據(jù)干酪根碳同位素組成分析結果,下二疊統(tǒng)孤峰組4個樣品δ13C值為-28.7‰~-26.5‰,屬Ⅱ型干酪根;上二疊統(tǒng)孤峰組δ13C值為-28.5‰~-24.3‰,屬Ⅱ-Ⅲ型干酪根區(qū)域;上二疊統(tǒng)大隆組兩個樣品的δ13C值為-29‰~-24‰,屬Ⅱ-Ⅲ型干酪根?？梢?二疊系暗色泥巖應以生氣為主。二疊系泥頁巖樣品Ro,eq介于1.22%~3.00%,大多數(shù)在1.5%~2.3%,處于主生氣窗范圍。3巖漿巖的厚度和深度3.1系統(tǒng)地質(zhì)分布研究區(qū)參數(shù)井未鉆遇下寒武統(tǒng)。通過野外地質(zhì)勘察,發(fā)現(xiàn)下寒武統(tǒng)頁巖在青陽縣丁門口剖面、全椒縣黃栗樹剖面、石臺縣皂角樹剖面、涇縣西貢—唐村剖面和寧國市楊樹嶺剖面中均有不同程度分布。如青陽縣丁門口剖面中主要發(fā)育炭質(zhì)頁巖、鈣質(zhì)頁巖、黑色頁巖、粉砂質(zhì)頁巖,厚度為400~500m?？傮w上下寒武統(tǒng)頁巖厚度較大,富含有機質(zhì)的炭質(zhì)頁巖發(fā)育。根據(jù)下?lián)P子地區(qū)印支面的埋深圖、印支面—加里東面地層厚度圖,推測皖南地區(qū)下寒武統(tǒng)主體頁巖埋深為4000~6500m。而在相鄰的蘇北地區(qū)下寒武統(tǒng)富有機質(zhì)泥頁巖埋藏較淺,如X15井幕府山組埋深在2947.5~3074m。3.2階段內(nèi)泥頁巖厚度上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)高家邊組頁巖在皖南地區(qū)分布廣,其中五峰組泥頁巖厚度相對較小,一般<30m;高家邊組泥頁巖普遍比五峰組泥頁巖厚,L井鉆遇巨厚的高家邊組灰色頁巖,厚560m,但有機質(zhì)富集段主要位于高家邊組底部—五峰組頂,厚30~40m。根據(jù)已鉆井資料,五峰組—高家邊組泥頁巖埋藏深淺不一,深凹部位其頂界埋深一般在2000~4500m,在凸起部位埋藏較淺,一般在30~1000m。3.3疊紀主體泥頁巖埋深孤峰組、龍?zhí)督M和大隆組泥頁巖層系在皖南地區(qū)均有分布。孤峰組以灰黑色硅質(zhì)泥巖、鈣質(zhì)泥巖及硅質(zhì)頁巖為主,兩口井揭露地層厚度均在30~60m,其中富有機質(zhì)頁巖20~40m;龍?zhí)督M以黑色頁巖、炭質(zhì)頁巖及煤線為主,夾薄層灰?guī)r、長石石英砂巖,厚度一般為100~150m,其中,H井在鉆遇泥巖厚度為110m。大隆組以灰黑色泥頁巖、硅質(zhì)泥巖及炭質(zhì)泥巖為主,厚度一般為40~50m。根據(jù)相鄰的蘇北地區(qū)鉆井資料,孤峰組、龍?zhí)督M、大隆組的頂界埋深為765.5~2880,673~3277,1453~1761m。推測研究區(qū)二疊系主體泥頁巖埋深為500~2500m。迄今為止,具有經(jīng)濟價值頁巖氣藏的頁巖厚度和埋深尚沒有明確的界限,但它們直接影響開發(fā)效益,如美國FortWorth盆地的Barnett頁巖氣藏150~30.5m的頁巖厚度已被證明具有商業(yè)開采價值,頁巖氣藏通常分布在76.20~3658m。4巖石礦物及工巖孔隙結構頁巖的礦物成分是控制裂縫發(fā)育程度的重要因素,那些富含有機質(zhì)和石英礦物的頁巖脆性較強,容易在外力作用下誘導裂縫,有利于天然氣滲流和富集。從北美地區(qū)已開發(fā)的頁巖氣儲層來看,石英等脆性礦含量為40%~60%,碳酸鹽礦物含量低于25%,黏土礦物含量通常小于50%。皖南區(qū)塊上述3套富有機質(zhì)頁巖黏土礦物含量均值為55.02%,最高可達59.6%;碳酸鹽礦物含量較少,平均7.31%(圖4);石英成分平均含量在下寒武統(tǒng)頁巖含量最高,平均46.9%;二疊系和下志留統(tǒng)高家邊組泥頁巖次之,平均含量分別為38.3%和37.3%。碳酸鹽礦物在下寒武統(tǒng)、二疊系分別為2.22%和12.03%。研究表明,石英等脆性礦物含量高有利于后期的壓裂改造形成裂縫;同時,碳酸鹽礦物中方解石含量高的層段,易于溶蝕產(chǎn)生溶孔。值得一提的是,二疊系和下志留統(tǒng)高家邊組高TOC泥頁巖與高石英礦物含量具有良好的對應關系。巖石孔隙是頁巖氣賦存的主要空間和確定游離氣含量的關鍵參數(shù)。根據(jù)研究區(qū)頁巖掃描電鏡分析結果,頁巖中微孔隙、次生溶蝕微孔隙十分發(fā)育,還含有少量晶間微孔隙,微孔隙分布于片狀黏土礦物間;次生溶蝕微孔隙孔徑為5~65μm,主要呈蜂巢狀分布在片狀黏土礦物間。采用He氣法測定研究區(qū)3口井巖芯的孔隙度和滲透率,結果表明:二疊系暗色頁巖孔隙度為0.37%~5.29%,大多數(shù)樣品介于2.46%~4.98%;滲透率平均為0.04×10-15m2,半數(shù)樣品滲透率<0.01×10-15m2。高家邊組暗色頁巖孔隙度為0.90%~3.34%;滲透率平均值為0.75×10-15m2,最高達8.29×10-15m2。5下寒武統(tǒng)頁巖氣勘探潛力在上述研究的基礎上,從頁巖氣形成的基本條件和控制因素出發(fā),即綜合考慮古生界地層頁巖埋藏深度、單層厚度、有機質(zhì)豐度、成熟度及脆性礦物含量等因素,認為目前研究區(qū)較有利于頁巖氣勘探的目的層位有2個:上奧陶統(tǒng)五峰組一下志留統(tǒng)高家邊組和二疊系孤峰組、龍?zhí)督M和大隆組(表1)。這2套地層暗色泥頁巖的特點是:(1)有機質(zhì)豐富,普遍TOC含量≥2%,二疊系孤峰組、龍?zhí)督M和大隆組泥頁巖TOC可達10%以上,具有形成頁巖氣的良好物質(zhì)基礎;(2)有機質(zhì)處于高成熟—過成熟階段早期,大多數(shù)地層Ro,eq介于1.3%~3.0%,有利于天然氣包括裂解氣的生成;其中,上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)高家邊組黑色頁巖有機質(zhì)主要為Ⅰ-Ⅱ型,與美國FortWorth盆地的Barnett頁巖氣產(chǎn)區(qū)烴源巖類型相似;二疊系孤峰組、龍?zhí)督M和大隆組泥頁巖富含偏腐殖有機質(zhì),在高成熟—過成熟階段,對生氣有利,可見,研究區(qū)頁巖氣的主要類型應為熱裂解氣;(3)分布面積廣,基本覆蓋了皖南地區(qū)的大部分,厚度通常大于30m,部分為上百米的優(yōu)質(zhì)泥頁巖;(4)埋深適中,大多數(shù)埋藏在1000~3000m,適宜勘探開發(fā)作業(yè);(5)泥頁巖與硅質(zhì)巖相伴生,硅質(zhì)相伴的頁巖脆性大,有利于人工壓裂和頁巖氣產(chǎn)量提高,對頁巖氣的開采比較有利。關鍵是要厘定這2套地層富有機質(zhì)泥頁巖的厚度和分布范圍,進而選定原地氣量富集靶區(qū)實施鉆探。本區(qū)下寒武統(tǒng)黑色巖系主要為含炭質(zhì)或含硅質(zhì)泥頁巖,局部夾薄層粉砂質(zhì)泥頁巖,在空間上分布穩(wěn)定,這些黑色頁巖有機質(zhì)豐度高,TOC含量>2.0%的厚度一般不少于30m,Ⅰ-Ⅱ型干酪根為主,從儲層性質(zhì)、有機質(zhì)生烴潛力及有效儲層厚度等影響頁巖氣資源量和開發(fā)潛力的角度分析,下寒武統(tǒng)頁巖氣資源潛力比較大,但還有一些制約頁巖氣富集及開發(fā)效率的關鍵因素尚不清楚,例如下寒武統(tǒng)頁巖實測Ro,eq高達3%~5%,已過成熟,那么早期生成天然氣包括裂解氣由于該區(qū)后期構造抬升改造作用強烈,是否造成泥頁巖中賦存氣體散失/脫吸而降低頁巖氣富集的豐度呢?由于目前缺乏實測頁巖含氣飽和度資料,還無法確切得知其影響程度。另一方面,本區(qū)下寒武統(tǒng)頁巖埋深較大(推測主體頁巖埋深為4000~6500m),盡管埋深不是頁巖氣富集成藏的決定因素,但其直接決定了頁巖氣藏是否具有商業(yè)開發(fā)價值及經(jīng)濟效益,由于沒有相關的實驗性生產(chǎn)或測試數(shù)據(jù),故下寒武統(tǒng)頁巖氣勘探潛力有待于進一步深究。但筆者相信隨著開采工藝進步,埋藏更深的頁巖氣藏也將會得到有效開發(fā)。6下寒武統(tǒng)黑色巖系(1)下?lián)P子皖南地區(qū)古生界發(fā)育3套富有機質(zhì)泥頁巖層系:下寒武統(tǒng)黃柏嶺組(∈1h)、