浙江临安地区下寒武统荷塘组页岩气地质条件与勘探前景

刘章平,王俊涛,周存亭,耿晓光,王　松

(1.安徽省地质矿产勘查局332地质队,安徽 黄山　245000;2.安徽省地质调查院,安徽 合肥　230001)



浙江临安地区下寒武统荷塘组页岩气地质条件与勘探前景

刘章平1,王俊涛2,周存亭2,耿晓光2,王松2

(1.安徽省地质矿产勘查局332地质队,安徽 黄山245000;2.安徽省地质调查院,安徽 合肥230001)

摘要:通过野外实地观察、样品采集及系列实验分析发现,浙江临安地区下寒武统荷塘组页岩在研究区分布广泛,沉积厚度大(约150～300 m),有机质丰度高(wTOC为0.22%～13.56%),热演化程度较高(Ro为3.23%～5.22%),达过成熟阶段,满足页岩气富集条件;储存孔隙以微孔为主,面孔率小于1%,微细孔隙不发育,等温吸附实验测得吸附质量体积为0.88～4.97 m3/t,平均为3.05 m3/t,表明研究区页岩具有较强的吸附能力。同时研究认为,后期改造相对较弱的地区应该是该区页岩气勘探开发的有利区。

关键词:页岩气;浙江临安;荷塘组;地质条件

近年来,由于美国页岩气藏的成功开发,引发了全球对页岩气勘探的重视和热潮[1],加快页岩气资源勘探开发,已成为世界主要页岩气资源大国的共同发展目标[2]。我国页岩气资源量丰富,据美国能源信息署(EIA)2011年发布的全球32个国家页岩气资源的初步评估,中国的页岩气技术可采资源量居世界首位[3]。我国广泛分布富有机质泥页岩,分布范围涵盖上扬子及滇黔桂区、中下扬子及东南区、华北及东北区、西北区和青藏区等5大区[4]。其中,南方古生界被认为是我国最具页岩气勘探潜力的地层[5-8]。近年来,中国在上扬子地区的四川盆地及周缘地区页岩气勘探获得突破[9],而对下扬子区页岩气形成地质条件研究较少[10-11],尤其是浙西北下扬子地区页岩气的研究程度较低。浙西北地区在构造上属于下扬子地块。下扬子地区经历了多期次的构造运动,地层情况复杂,保存条件较差,不利于常规油气藏的形成。由于页岩气具有自生自储的特点,对保存条件要求相对较低,且该地区下寒武统荷塘组泥页岩有机质含量较高,厚度大,热演化程度高,分布面积广且分布较为连续,使得其具有较好的页岩气资源潜力。研究表明,浙西北地区古生界富有机质泥页岩分布广泛,总有机碳(total organic carbon,TOC)含量较高,具备成烃物质基础。因此,开展该区块页岩气地质条件的研究具有重要的理论和现实意义。

1区域地质概况及荷塘组沉积特征

浙江临安页岩气区块是国土资源部第二轮页岩气探矿权招标区块之一,探矿权总面积580.09 km2。其中基岩面积占90%以上,其余为第四系分布区。区块位于浙、皖两省交界地区,主体位于浙江省临安市昌化、龙岗及岛石,如图1所示。临安地区大地构造处于下扬子陆块台褶带,位于绩溪—宁国深大断裂(皖浙赣大断裂)东南、江山—绍兴断裂西北。该区南华纪—志留纪地层发育齐全,层序清楚。区内燕山期岩浆活动十分强烈,而且具多期多阶段特点。

图1　区块交通位置图

寒武纪起,古地壳从北西向南东以及南西向北西抬升,昌化—安吉一带为残留海盆。由于晚震旦世为滨海潮坪沉积,海水浅,温度适当,为寒武纪初期的生物“大爆炸”奠定了基础。寒武纪初期,大规模海侵开始,于江山、桐庐、淳安、萧山一带发生了浅海相磷块岩沉积,除海水浅、气候适中外,还为生物的发展提供了大量营养物质,以致造成“小壳动物”大爆炸,形成了梅树村期的小壳动物群,从这一时期开始,由于生物的辐射演化,开创显生宇的新时代。

早寒武世荷塘早期,地壳沉降加剧,以拉伸作用为主,地貌总体仍然保持了两高夹一低的格局。北东部余杭和南西部江山地区演化为深水陆棚沉积区,向南西和北西依次为次深海盆地—深海盆地的相带分布。区块位于沉积中心,以次深海盆地硅泥质沉积为主[12]。

早寒武世荷塘晚期,海水再次入侵,北东部杭州—余杭地区仍然保持了深水陆棚沉积环境,往南西依旧呈现出由深水陆棚—次深海盆地—深海盆地的古地理格局;南西部江山—常山一带,此时亦沦为深海盆地沉积。上述现象表明,该时期由于江山—绍兴断裂的构造沉降作用,致使余杭—富阳一带呈北东向“舌状”的水下隆起特征初步显现,相带界线均沿水下隆起两侧呈对称分布,同时亦使江山一带相对下降,接受了深海盆地的沉积[12]。区块以深海盆地的炭质、硅质泥岩沉积为主。

2荷塘组暗色泥页岩发育特征

研究区荷塘组暗色泥页岩极其发育,其泥页岩含量最高可占整个荷塘组岩石类型的80%,区域上分布在区块西北和西南的广大区域;区内分布较少,整体上呈北东—南西向条带状分布,其中,以区块西部浙基田出露较为完整。

2.1荷塘组分布

早寒武世荷塘组主要由黑色炭质硅质泥页岩组成,局部地区夹少量石煤、硅质泥岩、粉砂岩、灰岩等。黑色岩系的颜色随着成分的变化,特别是炭质、硅质、钙质成分的变化而呈深灰色、浅灰色、灰白色等。硅质含量较低时,硬度变小,均质性变差,主要矿物组合为石英、伊利石和黄铁矿、方解石等。

早寒武世分布于整个研究区,仅南部见小范围的剥蚀。总体上看,早寒武世北西高,南东低,部分地区甚至出露地表,剥蚀殆尽。研究区西北部,构造线走向呈北东方向,岩层整体呈向南东倾斜的斜坡。区内断裂构造发育,构造变形剧烈,发育众多叠加褶皱,多数地层产状陡峭,局部地层倾角超过60°。

依据实测剖面数据,区块北西一带荷塘组厚约150m,西部厚约120 m,南部厚度大于200 m,区块中部应为沉积中心,推测超过300 m,向北西和南东变浅,总体上呈现中部厚、两边薄的顶厚向斜构造。荷塘组等厚图如图2所示。

图2　浙江临安区块下寒武统荷塘组等厚图

2.2荷塘组厚度及岩矿特征

在浙江省临安马啸一带荷塘组厚130～165 m。以浙基田剖面为代表,实测剖面如图3所示,地层剖面特征如下:

下部为黑色石煤、粉砂质泥岩、含炭质硅质页岩夹磷硅结核及泥灰岩透镜体;厚约20～30 m。

上部为深灰、灰黑色薄层硅质页岩、硅质泥岩、炭质硅质岩、含炭质硅质泥岩夹含炭质页岩及少量硅磷结核。普遍含黄铁矿晶粒或结核,呈浸染状和细纹状。走向上常夹20cm大小的中薄层含炭质白云质灰岩及白云质灰岩球体,下部常见薄的磷矿层。厚约110～135 m。

在浙江省临安市昌化—安吉叶坑坞一带,厚261 m。下部为灰黑、黑色含炭质硅质页岩、炭质硅质页岩夹硅质岩,底部夹石煤及磷结核层,下部偏上夹灰黑色薄层含炭质微晶灰岩;上部为黑色薄层含炭质页岩、含炭硅质页岩和页岩。

浙江省余杭—富阳一带岩性与临安马啸一带相同或相近,底部含0.2～0.6 m的磷块岩或富磷结核层,灰岩类相对增多。

图3　临安市峡口镇浙基田寒武系地层实测剖面图

2.3储集物性特征

荷塘组页岩样品X射线衍射实验显示,页岩中普遍含有伊利石、绿泥石等黏土矿物,脆性矿物以石英和碳酸盐矿物为主,部分层位含钾长石及黄铁矿。

脆性矿物质量分数为26.4%～80.5%,其中石英为24.9%～79.2%,平均为57.1%。以石英为主的脆性矿物有利于页岩气的后期压裂,而黏土矿物含量对吸附有直接影响。

荷塘组薄片的电镜扫描图像如图4所示,从图4中可以看出,岩石成分以泥质为主,碎屑少,岩石内孔隙少量,以微孔为主,面孔率小于1%,泥质形态不规则,其间碎屑颗粒少,微孔少,泥质、硅质等结合较紧密,部分微细孔隙内充填少量针状矿物结晶,泥质成分以伊利石为主,微细孔隙不发育。

图4　荷塘组孔隙特征

3暗色泥页岩有机地球化学特征

荷塘组暗色泥页岩的有机碳含量高,平均质量分数在2%以上,煤和暗色泥岩有机质类型以Ⅲ型为主,含少量Ⅱ型有机质,有机质演化主要处于高成熟度阶段。

3.1有机质类型

有机质类型划分的常用指标是热解参数(氢指数IH)、干酪根元素比值(H/C)和干酪根碳同位素组成。本次工作运用生物标记化合物分布特征判别有机质类型,常用的方法有2种:一种是利用原油和抽提沥青中的饱和烃色谱定性判定识别烃类的主要生源和母质类型;另一个是依据C27、C28、C29甾烷的相对组成判定识别有机质类型的生烃指数,C27甾烷主要来源于水生生物,而C29甾烷则主要来源于高等植物。

在临安区块区域上取样,对其中21个样品作了饱和烃色谱-质谱分析测试。荷塘组各样品的饱和烃色谱图如图5所示,由图5可知,荷塘组的正烷烃气相色谱大多是后高单峰型,但主峰碳数以C25为主,由此可得出荷塘组有机质主要来源于高等植物,水生低等生物贡献小。有机质类型为Ⅲ,是腐殖型,以生气为主。

同时对于荷塘组氯仿沥青“A”中族组分的分析表明,饱和烃质量分数为6.98%～11.76%,平均值为8.56%;饱/芳值为0.6%～1.5%,只有个别为大于1.0%;非烃+沥青质的质量分数为66.67%～75.00%,平均值为71.08%,综合判断荷塘组干酪根类型以Ⅲ型为主,含部分Ⅱ2,为腐植腐泥型。

图5　荷塘组黑色泥岩中饱和烃气相色谱图

3.2有机碳含量及分布

有机质丰度是评价烃源岩的最基础指标。在正常热演化条件下,总有机碳(TOC)含量、氯仿沥青“A”、生烃潜力和总烃是评价烃源岩有机质丰度的常规指标,但高热演化条件下,氯仿沥青“A”和生烃潜力2个指标通常失效,总有机碳含量成为评价烃源岩及其生烃潜力最主要指标。

有机碳含量是页岩气聚集成藏最重要的控制因素之一,不仅控制着页岩的物理化学性质,包括颜色、密度、抗风化能力、放射性和硫含量,也在一定程度上控制着页岩裂缝的发育程度,更重要的是控制着页岩的含气量。

本次研究样品采自临安区块外围露天剖面,样品涵盖了所测剖面及部分露头中暗色岩系,采样重点是剖面中的黑色页岩。样品共采集121件,主要剖面(地区)wTOC统计见表1所列,wTOC平面分布如图6所示。

有机碳的测试工作在长江大学地球化学实验室完成,分析采用CS-200碳硫分析仪,检测依据文献[13]。

分析测试结果表明,野外露头荷塘组黑色页岩有机炭含量较高,wTOC约为0.22%～13.56%。区块内岛石一带,样品wTOC多集中在0.21%～4.47%区间内,平均为0.97%,其中大于1%以上的样品占到了55%以上;区块以西浙基田剖面所采集样品的wTOC高达13.56%,致使本区平均值为3.73%,其中大于2%的样品占到了68.8%,所有荷塘组的泥页岩是优质烃源岩;区块以南塘里一带荷塘组样品wTOC集中在0.15%～11.7%,平均为3.56%,其中大于2%的样品占到了70%。区域上采集散点样品平均值均大于2%。

综上所述,临安地区早寒武世荷塘组页岩wTOC平均为2.87%,整体上为好的含气页岩。但由于采样及送样过程中均挑选了岩性较为有利的页岩样品进行实验分析,由此获得的测试结果较高,故对该区有机碳含量的分析结果产生了一定程度的影响。

表1　临安地区主要剖面(地区)荷塘组wTOC统计

注:*数据来自文献[14]。

研究区外wTOC高值区位于区块以西浙基田和区块以南塘里等地(图6),wTOC平均值除岛石地区外,均大于2.5%,特别是浙基田和塘里等剖面,具有较好的生气基础;区内因无荷塘组出露,故从周缘样品推测,从岩相古地理的方面分析,区块中心一带为沉积中心,推测其为有机碳的高值中心,wTOC在5.0%～6.0%,往北西和南东分别减小;低值区位于研究区岛石以北一带,wTOC平均值小于2.5%,相比于研究区其他地方,页岩有机质丰度相对较低。

图6　临安地区下寒武统荷塘组wTOC平面分布图

3.3氯仿沥青“A”

氯仿沥青“A”是指岩石中氯仿(CHCl3)抽提的可溶有机质,即岩石中由有机质已经生成的物质,包括饱和烃、芳烃、胶质和沥青质,它反映了沉积岩中可溶有机质的含量,通常用占岩石质量的百分数来表示。通常氯仿沥青“A”质量分数低于0.01%为非生油岩,0.1%～0.2%为好的生油岩。

根据浙江临安地区区域上页岩样品的抽提分析资料,样品中的氯仿沥青“A”的质量分数普遍都小于0.01%,基本不反映有机质丰度,但反映了泥页岩的演化程度较高。

3.4有机质成熟度

表征有机质成熟度的常用指标是镜质体反射率(Ro)和热解峰顶温度(Tmax),也可以用光学、化学和生物标记等方面的参数。有机质演化可分为未成熟、低成熟、高成熟和过成熟4个阶段。

样品镜检结果显示,荷塘组有机质组分以固体沥青为主,其等效镜质体反射率(根据Ro=0.618Rb+0.40计算)约为3.23%～5.22%,均已超过“生气窗口”,说明荷塘组页岩有机质演化已达过成熟阶段。

4页岩气勘探方向

根据美国和我国页岩气开采经验,页岩厚度最小为15 m,有机质丰度较低的则要求页岩厚度达到30 m。临安地区荷塘组泥页岩厚度一般大于150 m,wTOC平均值也达到了2%以上,烃源物质丰富,满足了页岩气形成富集的条件。

对研究区荷塘组野外露头的黑色页岩进行等温吸附实验,结果显示,在30 ℃下,黑色页岩的吸附气质量体积较高,为0.88～4.97 m3/t,平均为3.05 m3/t,平衡水含水率为1.85%～2.01%,最大吸附气质量体积对应的测试压力为8.68～11.01 MPa,如图7所示。同一层位,有机质丰度不同的页岩吸附气质量体积不同,整体上为有机质丰度越大,吸附气质量体积越高(图7)。整体来看,野外露头荷塘组吸附能力强,具体要根据钻井中岩层的现场含气量判定。

浙江临安地区尽管暗色泥页岩分布较广,有机碳含量高,但不容忽视的一个问题是,与上扬子和周边地区相比,该地区构造运动十分强烈,地层重复、倒转、褶皱现象十分普遍。因此,在勘探过程中,应该在构造改造强烈的背景下,寻找构造活动相对较弱的区域进行勘探。按地形、地貌条件、地层出露情况,页岩气目的层段生、储、盖等综合条件以及勘查施工难易程度等条件,区块内可划分出几个有利的区块。

首先是区块内岛石地区,位于岛石镇一带,南东为清凉峰—西天目山火山岩盆地覆盖。勘查主要目的层为下寒武统荷塘组,兼顾上震旦—下寒武统皮园村组。出露地层为中寒武统杨柳岗组、上寒武统华严寺组、上寒武至下奥陶统西阳山组、下奥陶统印渚埠组。褶皱构造为倾向北东向的宽缓向斜,断裂构造不发育。荷塘组构成褶皱的翼部,稳定分布,抬升幅度相对较小,保存条件相对较好,具备页岩气成藏的可能性。同时地形切割较强烈,交通条件尚可。

图7　荷塘组黑色页岩等温吸附曲线

其次是火山岩区块,选择在火山岩盆地南东沥溪地区。出露地层主要为下白垩统黄尖组,覆盖于学川—白水湾复背斜地层之上。根据最新物探资料结果,地震剖面上还取得清晰的侏罗系底界反射,推测火山活动并未对包括荷塘组目的层的下古生界地层造成较大破坏,对于本区页岩气后期勘探及开采较有利。

5问题与讨论

浙江临安地区荷塘组泥页岩虽然分布较广、厚度较大,但在勘探开发过程中仍然存在着一些问题:

(1)下扬子地区具有独特的地质演化特点,特别是自印支运动以来,遭受了比上扬子更强烈的后期改造,研究区原型盆地被强烈改造,断裂破碎、冲断推覆、抬升剥蚀、火山活动和岩浆侵入等不仅对早期页岩气藏的改造作用强烈;同时地层多重复破碎,这在临参2井中得到证实,在构造复杂区,页岩气的保存条件是成藏富集的关键因素,泥页岩早期生成的页岩气能否保存并富集成藏,还要勘探实践来验证。

(2)临安地区燕山期火山活动强烈,大面积的火山岩,对有机质的热演化产生了较大影响,使得荷塘组泥页岩有机质热演化程度差异较大,其中在临安很多地区荷塘组泥页岩处于过成熟演化阶段,现阶段对高演化程度的地区是否有页岩气藏,认识程度很低,这给临安地区页岩气前景分析和勘探提出了新的问题和挑战。

(3)总体上,临安地区页岩气勘探和研究程度低,对页岩气成藏基本条件的认识也不足,因此该区荷塘组的页岩气资源潜力有待进一步分析。

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(责任编辑张淑艳)

Shale-gas geological conditions and exploration prospect of Hetang formation in Lin’an,Zhejiang Province

LIU Zhang-ping1,WANG Jun-tao2,ZHOU Cun-ting2,GENG Xiao-guang2,WANG Song2

(1.The 332 Geological Team of Bureau of Geology and Mineral Exploration of Anhui Province,Huangshan 245000,China;2.Geological Survey of Anhui Province,Hefei 230001,China)

Abstract:Based on the field observation,sampling and lab analysis,it is found that the shale sediment of the Hetang formation of Lower Cambrian in Lower Yangtze region of West Zhejiang Province is widely distributed in the Lin’an area,and possesses better hydrocarbon potential. The sediment thickness is 150-300 m,organic carbon content wTOCis 0.22%-13.56%,and thermal evolution degree Ro is 3.23%-5.22%.The reservoir pores are small,poorly developed and less than 1%. The result of isothermal adsorption experiment shows that the shale in study area has strong adsorption ability of gas,and the adsorbed gas can reach 0.88-4.97 m3/t,averaging 3.05 m3/t. The area with weak tectonics deformation and structural destruction should have great potential of shale-gas resource,and be priority of shale-gas exploration and development in the Lin’an area.

Key words:shale-gas;Lin’'an，Zhejiang Province;Hetang formation;geological condition

收稿日期：2015-05-15；修回日期：2015-11-30

基金项目：中国地质调查局地质调查资助项目(12120114019801);安徽省地质矿产勘查局科技资助项目(KJ2012-01)

作者简介：刘章平(1965-),男,安徽池州人,安徽省地质矿产勘查局高级工程师.

doi:10.3969/j.issn.1003-5060.2016.06.025

中图分类号:P618.130.2

文献标识码：A

文章编号：1003-5060(2016)06-0842-07