江西修武盆地下寒武统王音铺组页岩气勘探前景

祁 星，胡秋祥，易锡华，张水根

（1.江西省煤田地质勘察研究院，江西 南昌330001；2.江西省页岩气研究院，江西 南昌330001；3.赣中南地质矿产勘查研究院，江西南昌 330000）

江西修武盆地下寒武统王音铺组页岩气勘探前景

祁 星1，2，胡秋祥1，易锡华3，张水根1，2

（1.江西省煤田地质勘察研究院，江西 南昌330001；2.江西省页岩气研究院，江西 南昌330001；3.赣中南地质矿产勘查研究院，江西南昌 330000）

为了解江西修武盆地下寒武统王音铺组的页岩气勘探前景，采取了野外地质调查、岩芯观察、实验测试分析及数学模拟等方法，对王音铺组富有机质页岩的厚度与埋深、有机地球化学特征、储层特征、含气性等方面进行了初步的研究。研究表明：王音铺组富有机质页岩为浅海陆棚相沉积，有效厚度约53m，顶界埋深在200～4000m之间；有机质丰度较高，一般为2%～14%，干酪根类型为Ⅰ型，有机质成熟度达到了过成熟阶段；页岩的矿物成分以石英和黏土为主，其中黏土矿物中又以伊利石为主；页岩中的微孔隙主要有粒间孔、粒内孔、有机质孔和微裂缝四种类型；数学模拟和等温吸附实验结果显示，王音铺组页岩气的含气量平均为2m3/t，页岩气资源丰度为2.54×108m3/km2，具有较好的页岩气资源潜力。采用地质类比、综合地质分析，初步预测江西修武盆地下寒武统王音铺组具有较好的页岩气勘探前景。

修武盆地；页岩气；形成条件；储集空间；勘探前景

页岩气的研究与勘探开发最早始于美国，目前美国和加拿大已进入了页岩气大规模的商业性开采阶段。我国页岩气勘探开发仍属于起步阶段，对页岩气的研究需学习和借鉴北美成功的经验，但更要结合我国的地质特点对页岩气形成与富集进行研究。随着四川盆地东缘焦石坝页岩气获得商业性突破，给了我国页岩气勘探开发极大的鼓舞与信心。

目前我国对各盆地富有机质泥页岩的发育特征及其页岩气资源潜力的研究主要集中在上扬子地区［1－4］，而对于下扬子地区的海相泥页岩则缺乏相应的调查与研究工作［5］。修武盆地位于扬子板块的下扬子坳陷带，前人研究表明下扬子地区古生界富有机质泥页岩分布广泛［6－7］，而王音铺组就属于下古生界寒武系的一套富有机质页岩地层。笔者通过野外地质调查、岩芯观察、实验测试分析和数学模拟等手段，对修武盆地下寒武统王音铺组富有机质页岩的厚度与埋深、有机地球化学特征、储层特征、含气性等方面进行了初步的研究，并讨论了其页岩气勘探前景。

1 区域地质背景

1.1 构造特征

江西修武盆地地理上位于江西省北部，构造区位于扬子板块，次级构造单元为下扬子坳陷带，三级构造为九江坳陷，四级构造为修水－武宁复向斜。下扬子区是经历了多期构造改造的叠合盆地，两种构造体制、两个世代盆地造就了下扬子地区复杂的构造格局［8］。中元古界双桥山群构成了修水－武宁复向斜的变质褶皱基底，震旦系－下三叠统为复向斜的主体，为区域盖层褶皱。赣北区的基底褶皱主要形成于晋宁运动（主幕），由中元古界双桥山群构成，褶皱相当强烈，规模不等的背、向斜甚为发育。轴面多向南倾斜，部分倾向北，轴向一般呈北东东向，部分地段为近东西向。

1.2 地层与沉积特征

修武盆地各时代沉积岩广泛分布，沉积演化史具有明显的三分性，以加里东运动、印支运动、燕山运动为转折划分为三个阶段。震旦纪之前的晋宁运动具有造山运动特点，震旦纪开始，海平面持续下降，由滨海、浅海冰水沉积过渡到浅海滞留盆地沉积。在早古生代寒武纪－奥陶纪，研究区处于浅海陆棚环境，期间经历了三个幅度较大的由陆棚向深水盆地过渡的升降交替，其中第一次海平面升降，最大海泛面在早寒武世晚期，沉积了浅水陆棚相的王音铺组，岩性为黑色、灰黑色炭质页岩、炭质粉砂岩，属于滞留还原环境下的陆坡页岩相沉积，形成了江西省第一套黑色页岩层。志留纪末，加里东运动使地壳上升，构造变形不明显，造成了赣北地区缺失下、中泥盆统。之后接受持续沉积，沉积了石炭系、二叠系、三叠系，此时修武盆地沉积盖层发育完成。印支造山运动，使研究区沉积盖层褶皱变形，结束了大规模的海侵，局部沉积了白垩系陆相沉积，形成修武盆地叠覆陆相盆地。燕山运动对研究区改造不强烈，局部形成了一些红盆。

下寒武统王音铺组岩性由下至上变化不明显，为一套黑色炭质岩系，黑色炭质页岩夹炭质硅质页岩。底部为硅质页岩、炭质页岩，具有向上变薄的退积层序，下部为石煤层，含重晶石和磷结核。富含黄铁矿和海绵骨针，代表了一种滞留还原环境。

1.3 页岩厚度与埋深

王音铺组完整的分布与修武盆地，在盆地南北两翼有出露。厚度在21～141m之间，平均为72m。对王音铺组厚度的控制主要是实测地层剖面和浅层钻井，目前有2条实测地层剖面测量了和3口探井钻遇了王音铺组页岩，并对地层的真厚度进行了换算。厚度资料显示王音铺组的厚度在盆地南翼明显的比北翼要大。北翼王音铺组厚度在21.21～62.14m之间，而南翼王音铺组厚度为91.55～141.33m。而根据页岩气相关评价标准，王音铺组页岩达到页岩气评价的有效厚度约53m。同时对盆地埋藏史进行模拟，结合地层的出露、上覆地层的厚度、古地理环境等，推断王音铺组页岩埋深适中，顶界埋深在200～4000m之间。王音铺组由盆地南北两翼向盆地中心埋深逐渐变大，且受构造活动的影响，王音铺组在南翼的埋深整体要大于北翼。

2 王音铺组页岩有机地化与储层特征

2.1 页岩有机地化特征

2.1.1 有机质丰度

王音铺组黑色页岩为还原－强还原黑色页岩相，通过对47块岩石样品的有机碳含量测试数据的统计分析表明（图1），王音铺组页岩有机碳含量较高，TOC分布范围较大，TOC最小为0.35%，最大为25%，平均为6.12%。王音铺组页岩样品的TOC主要分布在0～10%之间，样品数有39块，占到了总样品数的83%，而TOC在10%～30%之间的样品仅有8块，可能是样品取自石煤层造成的。由于王音铺组下部的石煤层厚度较小（一般小于2m），不能代表整体的王音铺组页岩的有机质丰度，故剔除掉底部石煤层TOC＞15%的异常点，纵向上对王音铺组的有机质丰度进行统计（图2），发现王音铺组下部TOC较小，小于2%，中部TOC明显增大，为8%～14%，而上部TOC分布比较集中，为2%～7%。总体来看，王音铺组中上部TOC含量较高，主要分布在2%～14%。

2.1.2 有机质类型

通过对11块王音铺组页岩样品进行化验分析，从干酪根显微组分构成来看，主要由腐泥组构成，体积分数均在95%以上，镜质组含量很少，为2%～5%（表1）。显微组分以腐泥组无定形为主，外形呈云雾状、棉絮状，中间厚边缘薄，轮廓曲线不规则，颜色以灰黄色、黑褐色为主，半透明，无荧光，可见藻体痕迹。表明王音铺组页岩中的有机质主要来源于淤泥中的孢子及浮游类生物或藻类物质的堆积。通过干酪根镜下统计的各类显微组分的含量百分比，并乘以相应的加权系数（镜质组×（－75）＋惰质组×（－100）＋壳质体×50＋腐泥组×100），可以求得干酪根的类型指数TI值，可根据TI值的大小来判断干酪根类型（表2）。通过此计算方法算得王音铺组页岩样品的TI指数均大于90，故王音铺组页岩中干酪根类型为腐泥型Ⅰ型。

图1 王音铺组页岩有机碳含量分布特征

图2 王音铺组页岩有机碳含量纵向分布特征

表1 王音铺组页岩中干酪根显微组分含量统计表

表2 干酪根类型与TI值对应表

2.1.3 有机质成熟度

修武盆地王音铺组黑色页岩有机质热演化程度总体上达到了过成熟阶段。测试了11块页岩样品，结果显示样品的镜质体反射率Ro在2.84%～3.48%之间，平均为3.17%。通过热演化史模拟，下寒武统王音铺组页岩于早中寒武世开始进入成岩作用的未成熟阶段，开始少量生烃，中晚寒武世开始进入主力生油期，至中奥陶世进入成熟晚期，晚志留世末期进入过成熟阶段。

2.2 页岩储层特征

2.2.1 岩石矿物特征

王音铺组富有机质页岩以黑色炭质页岩、含炭质泥质粉砂岩为主。显微镜和阴极发光对薄片的研究表明，炭质页岩主要由水云母及泥质物沿一定方向呈鳞片泥质结构不均匀的分布，碳泥质混杂，泥质较多，少量的炭质呈条纹状分布，碎屑矿物主要为石英、长石、白云石等（图3）。

图3 页岩样品阴极发光照片

全岩X射线衍射定量检测结果表明，王音铺组富有机质页岩的矿物成分石英和黏土为主，含有少量钾长石、斜长石、白云石、黄铁矿等。其中石英含量达24.5%～83.1%，平均为58.4%；黏土含量为10.1～41%，平均为23%。黏土矿物主要为伊利石、伊/蒙间层、不含蒙脱石，其中伊利石平均含量占黏土矿物的43.5%，伊/蒙间层平均含量占黏土矿物的39%。研究表明，页岩储层中黏土矿物的含量通常与吸附气的含量具有正相关性，尤其是黏土矿物中伊利石对页岩气的吸附能力最强［9－10］，石英、长石等脆性矿物的含量则与后期的水力压裂造缝有关［11］。由此可见，王音铺组富有机质页岩具有较好的页岩气赋存条件和后期开采潜力。

2.2.2 储集空间

扫描电镜实验结果显示，王音铺组富有机质页岩微孔隙发育，主要发育有矿物粒间孔、矿物粒内孔、有机质孔和微裂缝四种类型（图4）。矿物粒间孔多发育于黏土矿物间的粒间孔，孔径为微米级，具有较大的比表面积，黏土矿物间的粒间孔越发育，对页岩气的吸附能力就越强；扫描电镜下观察到了黏土矿物的粒内孔，蒙脱石在沉积埋藏过程中转变为伊蒙混层或伊利石的过程中，会产生大量的粒内孔；有机质孔多为微米级或纳米级，孔径分布在10～500nm之间，孔隙形态呈蜂窝状、片麻状等，有机质本身具有亲油性，使得有机质孔隙成为了页岩气吸附的主要场所；页岩中微孔隙也较发育，缝宽一般十纳米至数百纳米，长度一般为几微米至几十微米，微裂缝对页岩气的储集和开采具有重要的意义。

3 王音铺组页岩含气性分析

图4 王音铺组富有机质页岩扫描电镜照片

由于修武盆地尚没有油气钻井，无法获取王音铺组富有机质页岩的含气性资料，故从数学模拟和实验方法对页岩的游离气和吸附气的含量进行初步的研究。

根据气体在平衡状态下P－V－T关系的数学方程PV＝n RT，由物质平衡方程可得可求出在不同地层压力、温度下页岩中的游离气含量。式中，P、P1分别为标况和地下压力，单位MPa；V、V1分别为孔隙体积和地下游离气体积，单位m3/t；T、T1分别为标况温度和地下温度，单位℉。修武盆地王音铺组平均埋深为1500m，按静水压力估算，其地层压力为15MPa，地层温度为323℉，页岩平均孔隙度为1.79%，页岩密度为2.4g/m3。通过计算得到王音铺组富有机质页岩中游离气的含量平均为1.01m3/t。

对2块王音铺组富有机质页岩样品进行了等温吸附实验，实验温度为30℃，采用纯甲烷在平衡温度条件下进行的，并对样品数据点进行兰氏线性拟合，得到兰氏拟合曲线（图5），从这条曲线上可读取到任一压力下样品的吸附气含量。王音铺组页岩的地层压力为15MPa，由图5可知其吸附气含量为4.5～5.6m3/t，平均为5m3/t。此结果为实验条件下的理论最大吸附量，而在实际地层中天然气不可能达到吸附饱和状态，参照美国页岩气盆地吸附气量为饱和吸附气量的20%～70%［12－13］，同时考虑到修武盆地经历了多期构造活动的改造作用，采用吸附气量为饱和气量的下限值20%保守估计其吸附气量为0.9 m3/t～1.1 m3/t，平均为1m3/t。

通过上述对页岩中游离气和吸附气含量的计算与讨论，可知王音铺组富有机质页岩中天然气的含气量为2m3/t。根据体积法估算，其页岩气资源丰度可达2.2×108m3/km2。

4 王音铺组页岩气勘探前景

图5 王音铺组富有机质页岩等温吸附曲线

美国 Barnett页岩、Maecellus页岩［14－15］和四川盆地东缘的龙马溪组［3，16－17］均获得突破并达到了商业性开采，而江西修武盆地勘探程度较低，故主要从页岩的厚度与埋深、有机地化指标、脆性矿物含量、含气性与储量丰度等方面，王音铺组与Barnett页岩、Maecellus页岩、龙马溪组泥页岩进行对比分析（表3）。通过对比分析，可以看出王音铺组页岩与前三套页岩地质特征较为相似。王音铺组页岩时代更老；厚度大、埋深适中；有机碳含量较高，为页岩气的生成提供了充足的物质基础；干酪根类型为Ⅰ型，有机质成熟度偏高，达到了过成熟阶段，以原油热裂解为主，可能为页岩气的成藏提供了充足的气源条件；页岩中脆性矿物含量较高，平均为58.4%，有利于后期的页岩气的水力压裂开采；保守估计王音铺组页岩中天然气含气量为2m3/t，页岩气储量丰度2.54×108m3/km2，相比较来看王音铺组页岩气资源潜力较大，具有较好的勘探前景。

表3 王音铺组页岩与含气页岩参数表

5 结论

1）修武盆地下寒武统王音铺组页岩为浅海陆棚还原沉积，岩性由下至上变化不明显，为一套黑色炭质岩系，下部为石煤层。富有机质页岩的厚度约53m，顶界埋深在200～4000m之间，在盆地南北两翼埋藏较浅。

2）王音铺组富有机质页岩有机质丰度较高，TOC在2%～14%之间；干酪根类型为Ⅰ型；有机质演化程度较高，Ro为2.84%～3.48%，平均为3.17%，达到了过成熟阶段，以生气为主。

3）王音铺组富有机质页岩的矿物成分石英和黏土为主，其平均含量分别为58.4%和23%，其中黏土矿物中又以伊利石为主，对天然气的吸附能力最强。扫面电镜结果显示，页岩中微孔系发育，主要发育有黏土矿物粒间孔、粒内孔、有机质孔和微裂缝，为游离气的聚集和吸附气的赋存提供了充足的空间。

4）通过数学模拟和等温吸附模拟实验表明，王音铺组富有机质页岩中游离气的含量平均为1.01m3/t，吸附气量为0.9 m3/t～1.1 m3/t，平均为1m3/t，页岩气含气量平均为2m3/t，页岩气资源丰度为2.54×108m3/km2，具有较好的页岩气资源潜力。

5）基于对王音铺组富有机质页岩的厚度、埋深、有机地化指标、脆性矿物含量、含气性等要素的分析，采用地质类比、综合地质分析，初步认为修武盆地王音铺组页岩厚度大、埋深适中，具有较好的生气能力、含气量较大，脆性矿物含量较高，为后期页岩气开采提供有利的条件。总体来看，修武盆地王音铺组页岩具有较好的勘探开发前景。

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

QI Xing1，2，HU Qiu－xiang1，YI Xi－hua3，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，硕士，2013年毕业于中国地质大学（武汉）地质工程专业，主要从事非常规油气地质研究工作。E－mail：qixing1001＠163.com。

TD353

A

1004－4051（2015）10－0102－06

2014－07－31

国土资源部第二轮页岩气探矿权出让招标项目（编号：GT2012YQTKQCR0001）