修武盆地下寒武统页岩气富集条件及有利区预测

庞 飞，包书景，任收麦，李尚儒，童川川，曾 里

(1.中国地质调查局油气资源调查中心，北京 100029； 2.江西省页岩气调查开发研究院，江西南昌 330002)

修武盆地下寒武统页岩气富集条件及有利区预测

庞 飞1，包书景1，任收麦1，李尚儒2，童川川1，曾 里2

(1.中国地质调查局油气资源调查中心，北京 100029； 2.江西省页岩气调查开发研究院，江西南昌 330002)

利用野外地质调查、岩心观察、测试分析、含气量现场解析等方法，研究修武盆地下寒武统海相富有机质泥页岩分布特征、有机质类型、丰度和成熟度、岩石储集特征及含气量等页岩气成藏条件.结果表明：下寒武统王音铺组、观音堂组黑色泥页岩具有厚度大、分布广、有机碳质量分数高、成熟度高等特点，泥页岩脆性矿物质量分数较高(大于40%)，微裂缝、微孔隙发育，具有良好的页岩气形成与富集条件.结合岩样等温吸附实验结果和调查井岩心现场含气量解析数据，采用概率体积法估算修武盆地下寒武统页岩气资源量为2 922.98×108m3.修水—武宁向斜东部王音铺组泥页岩厚度大于100 m，TOC质量分数大于6%，镜质体反射率在2%～3%之间，埋深为1 000～3 000 m，构造形态完整，断裂不发育，有利于页岩气的聚集和保存，是区内页岩气勘探有利区域.

修武盆地；下寒武统；页岩气；成藏条件；页岩气有利区

0 引言

我国含气页岩分布广、类型多，具有实现页岩气跨越式发展的有利条件.近几年，张金川等对不同地区、不同层系页岩气的形成与富集条件进行研究，在成藏机理、储层评价、资源评价及有利区优选方法等方面已取得成果[1-8].我国页岩气年产量突破2.0亿m3[9]，并在涪陵、长宁—威远、昭通启动产能建设，初步展示良好的勘查开发前景.

南方古生界海相泥页岩是我国页岩气资源勘探的主力层系[10-11].目前，海相页岩气勘探已在四川盆地下志留统龙马溪组取得重大突破，在黔北岑巩和渝东北城口地区下寒武统牛蹄塘组也取得重要进展.下扬子区古生界海相页岩气的勘探进展缓慢，该区下寒武统地层岩性以黑色泥页岩、炭质页岩和硅质岩为主，为深水盆地相沉积，具备页岩气形成与富集的地质条件[12].其中，赣西北修武盆地下寒武统黑色泥页岩具有厚度大、有机碳质量分数高及成熟度高等特点，具备良好的页岩气成藏条件.夏小进等在地表工作的基础上，初步对赣西北地区页岩气地质条件进行研究[13]，并估算资源量.该盆地勘探程度相对较低，页岩气勘探可用资料较少，页岩气评价关键参数缺乏.笔者利用野外地质调查、老井复查、分析测试等方法，结合最新钻井资料及含气量现场解析数据，研究修武盆地下寒武统页岩气形成与富集条件，并优选有利区，为该盆地下一步勘探提供依据，对下扬子区下寒武统海相页岩气的勘探具有指导意义.

1 区域地质概况

1.1 构造特征

修武盆地位于江西省西北部，东枕鄱阳湖，北濒长江，西连幕阜山脉，南屏九岭山脉，面积约为2 713 km2[14]，隶属九江市修水、武宁等县管辖.盆地主体为一近东西走向的复式向斜构造，北侧为修水—武宁向斜，褶皱较开阔；南侧为罗洞向斜，面积较小，地层倾角较大.受后期走滑作用的影响，盆地东西分段，平面上成雁列状展布(见图1).

图1 修武盆地构造分区Fig.1 Structural units dipartition of Xiuwu basin

1.2 地层与沉积特征

早寒武世，江西北部为陆表海海底高地的障壁作用使水体不畅通，形成相互连通却又分隔的修武、九瑞和彭泽海底盆地.王音铺组岩性以富含炭质、硅质页岩、石煤层、含磷结核和黄铁矿结核为特征.石煤属腐泥质成因，与黄铁矿结核、黑色页岩、黑色硅质岩反映一种滞流缺氧还原环境，石煤及黄铁矿结核有自下而上逐渐减少的趋势，表明滞流还原条件逐渐减弱.盆地上部沉积以观音堂组黑色含炭页岩为主、夹粉砂质页岩的一套岩性组合，在武宁—德安一带常夹有泥晶灰岩，具水平层理，出现腕足及三叶虫化石，为次深海台盆相—陆棚浅海相沉积(见图2).

图2 修武盆地下寒武统黑色页岩野外露头照片Fig.2 Outcrop photographs of the black shale of lower Cambrian in Xiuwu basin

2 页岩气成藏条件

2.1 泥页岩厚度与分布特征

一定厚度的泥页岩是页岩气形成的基本条件，厚度越大，越有利于页岩气形成与保存.根据区域地质资料、物探测量结果和野外实测剖面统计，王音铺组泥页岩厚度为100.00～200.00 m，观音堂组泥页岩厚度为150.00～400.00 m，平面上呈西北薄、东南厚的特点(见图3).其中，罗洞向斜南翼的赣页1井揭示下寒武统泥页岩厚度为140.50 m，修水金家段地区ZK3102井钻孔揭示王音铺泥页岩厚度为204.72 m.王音铺组泥页岩厚度大于上扬子川东南地区丁山1井(142.00 m)[15]，以及黔北地区天星1井下寒武统牛蹄塘组页岩厚度(27.24 m).

图3 修武盆地下寒武统泥页岩厚度分布Fig.3 The thickness of mud shale of lower Cambrian in Xiuwu basin

2.2 有机地球化学特征

2.2.1 有机质类型和有机碳质量分数

有机质类型不仅决定页岩生气能力，也影响页岩的含气量[16].对地表岩样和钻井岩心样品进行化验分析，上部观音堂组有机质显微组分以无定形为主，次生组分为惰质组；王音铺组显微组分以惰质组为主，次生组分为无定形，属于Ⅰ型干酪根.美国页岩气开发的主力产层显示，Ⅰ型与Ⅱ型干酪根具有较好的生烃潜力[17-18].

有机质质量分数是页岩气形成的物质基础[19-20]，有机质质量分数不仅决定生烃数量，同时有机质生烃过程中产生大量微孔隙，可有效增加对气体的吸附能力.

对修武盆地野外和井下样品进行分析，泥页岩总有机碳(TOC)质量分数较高(见图4和图5).王音铺组露头样品w(TOC)在1.96%～15.46%之间，平均为8.43%，岩心样品w(TOC)在3.25%～14.20%之间，平均为9.21%；观音堂组露头样品w(TOC)在1.53%～7.21%之间，平均为2.60%，岩心样品w(TOC)在2.10%～6.44%之间，平均为3.50%.实验结果表明，野外样品w(TOC)略低于钻孔样品的w(TOC)，是风化作用的结果，但野外样品w(TOC)与美国主要页岩气盆地含气页岩的相当[21].

2.2.2 有机质成熟度

下寒武统泥页岩的热演化程度普遍较高，镜质体反射率Ro分布在2.0%～4.5%之间，平均为3.17%，为高成熟—过成熟阶段(见图6).平面上，南部热演化程度稍低，Ro为2.5%左右；盆地中部为高热演化区，Ro＞4.0%.勘探结果表明，高成熟度条件下同样可以形成页岩气藏[10，22]，如黔中隆起方深1井下寒武统牛蹄塘组，Ro高达5.5%，在1 723.4～1 726.7 m井段气测显示异常，气体点燃火焰呈蓝色[23]；贵州岑巩地区的天星1井下寒武统牛蹄塘组和渝东北城口地区的CD1井水井沱组，Ro分别达到4.3%和3.5%，含气性较好，现场平均解析气量分别达到2.35 m3/t和2.00 m3/t，最高达到3.97 m3/t.

2.3 泥页岩储层特征

2.3.1 矿物组成

脆性矿物质量分数直接决定后期页岩气开发储层改造效果[24-26]，脆性矿物质量分数一般高于40%、黏土矿物质量分数小于30%才具备商业开发价值[27-28].

全岩矿物组成定量分析显示，下寒武统泥页岩的脆性矿物质量分数较高，以石英为主，质量分数在40%～80%之间，含有少量钾长石、方解石等.黏土矿物质量分数在6%～45%之间，以伊利石和伊/蒙混层为主，含少量绿泥石和高岭石.

图4 修武盆地下寒武统泥页岩实测样品有机碳质量分数分布频率直方图Fig.4 Frequency histograms of measured total organic carbon content of mud shale of lower Cambrian in Xiuwu basin

图5 修武盆地下寒武统泥页岩有机碳质量分数分布Fig.5 The total organic carbon content of mud shale of lower Cambrian in Xiuwu basin

图6 修武盆地下寒武统黑色泥页岩成熟度分布Fig.6 The thermal maturity of mud shale of lower Cambrian in Xiuwu basin

2.3.2 储集空间及储层物性

根据岩石样品扫描电子显微镜分析鉴定结果，泥页岩微裂缝、微孔隙发育.王音铺组缝宽多在1μm左右，少量微孔缝宽大于10μm，微孔隙孔径大部分为1～3μm；观音堂组微孔隙孔径大部分为1～10μm，少量组合孔的孔径为10～30μm.同时可见大量有机质纳米级孔隙，孔径多为10～560 nm，平均为80 nm.纳米级孔隙作为泥页岩重要的孔隙类型[28-30]，可有效提高储层性能，同时为后期储层改造提供潜在的流动通道[31].

选取赣页1井及部分野外样品的下寒武统黑色泥页岩样品进行孔渗实验，结果表明，16块样品的孔隙度分布在1.0%～4.0%之间，平均为2.6%；渗透率分布在(0.040～0.200)×10-3μm2之间，平均为0.022× 10-3μm2，且孔渗之间没有明显相关性(见图7)，其孔隙度和渗透率与美国典型的含气页岩的相当(见表1).

2.4 泥页岩含气性

页岩的含气量是指单位体积页岩中页岩气的量，是页岩气勘探评价中的重要参数.利用现场解析和等温吸附实验2种方法进行含气量测定.

根据等温吸附实验测试结果和Langmuir模型计算结果，王音铺组泥页岩在兰氏压力为1.75 MPa时，最大吸附含气量达7.91 m3/t；观音堂组泥页岩在兰氏压力为1.09 MPa时，最大吸附含气量为1.73 m3/t(见图8)，结果表明王音铺组富有机质泥页岩具有较好的天然气吸附能力，观音堂组吸附能力相对较差.此外，对实测数据进行拟合，页岩中吸附气含量随压力增高而增高，呈正相关关系.

修武盆地目前有2口页岩气调查井，修页1井位于罗洞向斜西段南缘，完钻井深为447.35 m；赣页1井位于罗洞向斜东段南缘，完钻井深为900.57 m，目的层均为下寒武统泥页岩.赣页1井14块岩样现场解析结果显示，含气量普遍较低，王音铺组含气量为0.10～0.38 m3/t，观音堂组含气量为0.01～0.21 m3/t.其原因：一是目的层埋藏较浅，为660～840 m，而美国正在开采的页岩气层系埋深一般为几百米至3 800多m[32]，重庆涪陵地区高产井泥页岩埋藏也大于2 000 m；二是钻井位于向斜翼部，从岩心上可以观察到地层具较强的变形，证明构造活动比较强烈，以上两点不利于页岩气的保存.此外，取心并未采用保压取心，游离气在取样过程中有一定的逸失，对解析结果造成较大的影响.

表1 北美主要产气页岩与修武盆地下寒武统页岩储层物性统计结果Table 1 Major shale in North America and Xiuwu Cambrian shale reservoir properties

图7 赣页1井孔隙度与渗透率关系Fig.7 The relationship between porosity and permeability in Ganye 1 well

3 资源潜力与有利区预测

图8 修武盆地下寒武统泥页岩等温吸附曲线Fig.8 Isothermal adsorption curves of the mud shale of lower Cambrian in Xiuwu basin

3.1 资源量估算

采用概率体积法计算资源量，计算公式为：Qz=0.01Ahρq，其中：Qz为页岩气地质资源量；A为含气页岩分布面积；h为有效页岩厚度；ρ为页岩密度；q为总含气量.计算有效页岩厚度以不超过50 m为顶界，含气量以页岩等温吸附实验数据为主，鉴于赣页1井现场解析含气量较小，因此选取1 000 m以下作为计算的起始深度，得出修武盆地下寒武统页岩气资源量为2 922.98×108m3.

3.2 有利区预测

王音铺组和观音堂组黑色泥页岩具有厚度大和有机碳质量分数高的特点，具备页岩气形成的条件，但有机质热演化程度较高，是页岩气成藏的不利因素，也是我国南方古生界海相富有机质泥页岩的共性，对页岩气的保存条件提出更高的要求.在经历多期构造运动的情况下，相对于游离气，吸附气更利于在地层中保存.观音堂组对天然气的吸附能力和现场解析气量低于王音铺组的，在层位上王音铺组更为有利，应作为下一步勘探的重点层位.

结合目前我国南方古生界海相页岩气勘探经验，同时考虑盆地页岩气勘探程度低、资料少等现状，有利区优选选取泥页岩厚度、有机质丰度、成熟度、断裂发育、埋深等条件，采取信息叠合法进行预测(见图9).修水—武宁向斜东部即澧溪—武宁—柘林一带是盆内页岩气勘探有利区.该区王音铺组泥页岩厚度大于100 m；w(TOC)分布在6%～12%之间；有机质热演化程度相对适中，Ro在2%～3%之间；根据区域资料和构造，地层埋深为1 500～3 000 m，同时该区断裂不发育，有利于页岩气的保存和成藏.

图9 修武盆地王音铺组页岩气综合评价Fig.9 Shale gas comprehensive evaluation map of Wangyinpu group in Xiuwu basin

4 结论

(1)修武盆地下寒武统黑色泥页岩具有厚度大、有机碳质量分数高、成熟度高、脆性矿物质量分数高等特点，具备良好页岩气形成与富集条件.结合等温吸附实验和现场含气量解析结果，估算得出修武盆地下寒武统页岩气资源量为2 922.98×108m3.

(2)下寒武统泥页岩热演化程度高及经历多期构造运动是页岩气成藏的不利因素，岩石对天然气的吸附能力和保存条件是修武盆地页岩气成藏的主控因素.王音铺组页岩气富集条件较观音堂组更为有利，是下一步勘探的有利层位.

(3)根据盆地断裂发育特征及王音铺组富有机质页岩厚度、有机碳含量、热演化程度、埋深等要素，修水—武宁向斜东部是区内页岩气勘探有利区.

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TE121.2

A

2095-4107(2014)05-0023-08

DOI 10.3969/j.issn.2095-4107.2014.05.004

2014-07-21；编辑陆雅玲

国土资源部“全国油气资源战略选区调查与评价”专项(XQ2013-08)

庞 飞(1984-)，男，硕士研究生，工程师，主要从事全国页岩气资源调查评价与有利区优选方面的研究.