宜兴地区石炭系金陵组页岩气潜力分析

刘理湘， 岑 超， 何委徽， 刘旭锋， 王 尹， 韩红庆

(1.江苏省有色金属华东地质勘查局，江苏 南京 210007；2.江苏省页岩气勘探有限公司，江苏 南京 210007；3.中国地质调查局 油气资源调查中心，北京 100029)

下扬子区具有页岩气勘探潜力的地层主要是古生界富有机质泥页岩层系，分别为下寒武统幕府山组(∈1m)(刘成林等，2003；刘小平等，2011，2012，2013；刘大永等，2013；宋叙等，2013；)、上奥陶统五峰组(O3w)-下志留统高家边组(S1g)(宋宁等，2013；陈志强等，2016；金林等，2015；龚建明等，2016；贾东等，2016；李晋宁等，2016；张涛等，2016)和中二叠统孤峰组(P2g)-上二叠统龙潭组(P3l)-大隆组(P3d)(李建青等，2012；吴浩等，2013；王开来，2013；顾忠安等，2014)。针对上述几套古生界富有机质泥页岩层系已开展大量的页岩气勘探工作，而对勘探过程中钻遇的其它古生界泥页岩层系几乎尚未开展过页岩气潜力分析。本文在对上二叠统龙潭组(P3l)进行浅钻勘探时，钻遇了石炭系金陵组(C1j)，通过对其沉积相、有机地球化学、储层特性及含气性分析，评价其成藏条件和生烃潜力，对该套地层是否具有开采价值的页岩气藏作出评价，试图填补下扬子石炭系金陵组页岩气研究的空白。

1 地质概况

石炭系金陵组在南京-巢湖一带为一套海滩-潮坪相碳酸盐沉积，岩性为灰-灰黑色中至厚层含生物碎屑微晶灰岩，含泥质和白云质，厚4～10 m，时代为岩关晚期。而到宜兴-宣城一带相变为一套滨海相沉积的碎屑岩，岩性以砂岩、粉砂岩、页岩为主，局部地区夹少量砂质灰岩、泥灰岩透镜体及碳质页岩与劣质煤，厚6～28 m，与上覆的高骊山组、下伏的陈家边组均为整合接触(陈华成等，1989)(图1)。

宜兴丁蜀镇石炭系金陵组，岩性为碎屑岩，以灰白、黄绿色中薄层细粒长石石英杂砂岩为主，夹黑色页岩、粉砂岩。底部为黄褐、黄绿色中薄层含铁长石石英杂砂岩，产大量的腕足类，厚度9～13 m，变化不大，大体上呈东部略厚，且碎屑粒度较粗，反映了沉积时地势较为平坦。从古生物化石组合判断，其时代为早石炭世岩关晚期(陈华成等，1989)。

图1 宜兴-宣城地区岩关期沉积相图(图1A，刘宝珺等，1994)及石炭系地层露头分布图(图1B，陈华成等，1989)Fig.1 The sedimentary facies(A) and carboniferous outcrops(B) of Jinling formation in Yixing-Xuancheng area

本次施工的浅钻ZK04，ZK04-2位于宜兴丁蜀镇青龙山，本区黄龙组灰岩逆至石炭系金陵组之上，逆冲断层形成明显的逆冲断面和断层泥，断面上擦痕、阶步极其发育(图2A)。露头为一挖掘面，金陵组主要为一套黑色、灰黑色粉砂岩、粉砂质泥岩。新挖开时颜色以黑色为主，数月后部分变为灰褐色。ZK04终孔深度19.80 m，全孔取芯17.80 m，钻遇地层为石炭系上统黄龙组(C2h)灰白色结晶灰岩；石炭系下统高骊山组(C1g)黄褐色、灰绿色含云母粉砂岩—细砂岩；石炭系下统金陵组(C1j)细粒长石石英杂砂岩夹薄层粉砂质泥岩、黑色页岩(图2B，C)；泥盆系上统五通组(D3w)灰白色细砂岩。金陵组腕足动物化石丰富(图2B)、发育小角度斜层理(图2C)，从岩性组合和沉积特征来看，沉积环境为潮坪环境。ZK04-2为同一位置施工的另一钻孔，钻遇地层情况与ZK04相似。

图2 ZK04野外照片及岩心照片Fig.2 Field and cores photographs of well ZK04A.ZK04/ZK04-2野外露头照片；B.含大量生物碎屑的泥质粉砂岩；C.小角度斜层理

2 有机地球化学特征

2.1 有机碳含量

有机质既是能够形成丰富油气的物质基础，又是决定岩石生烃能力大小的主要因素(邹才能等，2013)。有机碳质量分数是评价岩石有机质丰度的重要指标，一般具有经济开采价值的页岩气远景区带的页岩总有机碳质量分数在2.0%以上(刘树根等，2011)，美国主要的页岩气层总有机碳质量分数平均值在4.5%(Loucks et al.，2007)。

对ZK04、ZK04-2石炭系金陵组39件有机碳质量分析、5件样品的镜质体反射率测试和8件样品的有机质类型测试。总有机碳(TOC)测试实验仪器为美国CS230碳硫仪是在纯氧的环境中，利用高频感应加热具有电磁性的物体燃烧，释放出CO2和SO2气体，再将气体通过红外检测器检测，即可得到样品中碳硫的含量。

ZK04、ZK04-2石炭系金陵组富有机质层段主要为灰黑色、黑色泥岩与灰白色泥质粉砂岩纹层互层。TOC测试结果表明，TOC大于0.5%占72.5%，烃源岩比例较高；TOC平均含量为0.8%，烃源岩质量较好。

2.2 有机质成熟度

沉积岩中有机质丰度和类型是油气生成的物质基础，有机质成熟度是确定有机质能够生油、生气或判定有机质向烃类转化程度的关键指标，只有有机质达到一定热演化程度，才能开始大量生烃(贾东等，2016)。

镜质体反射率(Ro)测试仪器为Zeiss公司Axio ImagerA2 Pol显微镜及J&M公司MSP 210光度计，反射率标准物质GBW13401钆镓石榴石，GBW13402钇铝石榴石，GBW13403蓝宝石及GBW13404 K9玻璃，实验参照标准《沉积岩中镜质组反射率测定方法(SY/T 5124—1995)》。

实测ZK04，ZK04-2石炭系金陵组样品镜质体反射率，所取5件样品镜质组反射率平均值范围为1.62 %～1.8 %，平均值为1.71%，属高成熟度演化阶段。

2.3 有机质类型

有机碳质量分数(TOC)和镜质体反射率(Ro)是决定烃源岩生气潜力的关键因素，干酪根类型是评价有机质质量的主要指标(柳广弟，2009)。石炭系金陵组ZK04及ZK04-2有机质类型测试结果以Ⅱ2和Ⅲ型为主。有机质显微组分镜下以腐殖无定形体为主，平均占67.46%；其它以正常镜质体为主，平均占29.8%。

3 储层物性特征

岩石的矿物组成分析采用Ultima IV组合型多功能水平X-射线衍射仪，X-射线直射在样品上，随着角度的增加，样品在各自特定的角度上发生衍射现象，由计数器收集电子信号形成衍射图谱。

孔隙度和渗透率采用ULRTAPORO/PDP-200 孔渗仪，孔隙度采用波依尔定律双室法测定岩石的颗粒体积，单室法测定岩石的孔隙体积，计算岩石孔隙度。渗透率采用非稳态法，压力衰减法，通过气体压缩系数和压力变化率计算得到气体流量，回归计算克氏渗透率。

岩石样品的微观孔隙结构使用HITACHI IM4000 氩离子抛光仪，进行氩离子抛光处理后，使用ZEISS SIGMA 场发射扫描电子显微镜进行观察，电子束在加速电压的作用下经过三级电磁透镜，在末级透镜上部扫描线圈的作用下，在样品表面做光栅状扫描，产生各种同样品性质有关的物理信息，加以收集和处理，获得表征样品形貌的扫描电子像。

3.1 矿物组成

ZK04全孔进行了23件岩石矿物组成分析，结果表明，23件样品的石英含量范围为31.9%～71.9%，平均值为49.55%；方解石含量范围为0～18.5%，平均值为2.7%；白云石含量范围为0～37.4%，平均值为9.6%；黄铁矿含量范围0.7%～5.5%，平均值为2.64%；粘土矿物含量范围为16.4%～54.1%，平均值为31.44%。

3.2 孔隙度和渗透率

4件金陵组样品储层孔隙度主要介于1.251%～4.452%，平均值为2.988%。水平覆压渗透率主要介于0.001～0.602 mD，平均值为0.202 mD。李延钧等(2011)认为储层物性比(K≥ 1 mD、Φ ≥ 4%)大时，孔隙度作为物性参数代表较为合理。金陵组样品孔隙度平均值为2.988%，整体小于美国主要页岩气产层物性数据(孔隙度为4.22%～6.51%，渗透率为41.4 mD)，加拿大以渗透率在50～100 mD、孔隙度2%～8%的页岩作为核心勘探开发区，具有商业开采价值的页岩层渗透率至少为50 mD(Curtis，2002)。

3.3 微观孔隙

Loucks等(2012)提出了一种三端元的孔隙分类方式，包括两类与矿物相关的孔隙(粒间孔和粒内孔)和一种与有机质相关的孔隙有机质孔。粒间孔和粒内孔顾名思义，分别位于矿物之间和矿物内部；有机质孔是那些分布于有机质内部的孔隙。石炭系金陵组泥页岩样品均是以粒内孔以溶蚀孔为主，粒间孔以晶间孔和粘土矿物层间孔缝为主，有机质孔发育；微裂缝以收缩缝和层间缝为主(图3)。粒内孔：主要是长石颗粒的溶蚀形成的溶蚀孔，孔径几十纳米。粒间孔：草莓状黄铁矿晶粒因被完全溶蚀而形成铸模孔，孔径较大可达数百纳米至几百纳米；粘土矿物的层间孔缝也较为多见。有机质孔：有机质发育，有机质中有机孔不发育到弱发育，单体体积较小，孔径数十纳米，微裂缝：微裂缝主要以有机质和粘土矿物边界的收缩裂缝为主，为长条型，较为连通。

图3 石炭系金陵组泥页岩孔隙类型图版Fig.3 The plate of Micropores and microfractures ( SEM) in Jinling formation shale at well ZK04

4 含气性特征

等温吸附实验采用HPVA200-4设备，利用静态容量法对固体颗粒进行吸附分析。样品脱气后，测定其在相同温度、不同压力下所吸附的气体体积，得到等温吸附曲线。根据Langmuir单分子层吸附理论，计算兰氏体积和兰氏压力。

对1个石炭系金陵组泥页岩(TOC=0.36%)进行等温吸附实验，10 MPa，30 ℃条件下，石炭系金陵组黑色泥岩最大吸附量为2.95 cm3/g，具有很强的吸附能力(Curtis，2002)。

5 石炭系金陵组页岩气勘探潜力分析

从ZK04页岩气富集特征图来看，金陵组粉砂质泥页岩层段位于5.2～15.8 m，TOC高值区则在9～14 m。粘土矿物S%(间层比)I/S范围为18～24，表明金陵组碎屑岩成岩期达到了碎屑岩中成岩阶段A期。碎屑岩中成岩阶段A期，对应热解峰温Tmax在435～460 ℃，有机质成熟度对应为0.5%～1.3%。实测的Ro值和Tmax均大于理论上粘土矿物S%(间层比)对应值，表明金陵组有机质受到过外部热事件影响。

图4 ZK04页岩气富集特征图Fig.4 Shale gas enrichment characters of well ZK04

将苏南宜兴丁蜀镇石炭系金陵组页岩的参数与页岩气开发较成功的美国Fort Worth 盆地的Barnett 页岩进行对比。目前美国投入页岩气开发的页岩具备厚度大、有机质类型以Ⅰ和Ⅱ型为主、脆性矿物含量高的特点，多发育于前陆盆地的海相还原环境中(Curtis，2002)。从表1中可以看出，石炭系金陵组具有一定的页岩勘探前景，如单独勘探意义不大，只有在对上部的中二叠统(孤峰组(P2g)-上二叠统龙潭组(P3l)-大隆组(P3d)及下部上奥陶统五峰组(O3w)-下志留统高家边组(S1g)进行页岩气勘探时，兼顾勘探分布较为连续和厚度较厚的石炭系金陵组才有实际意义。

表1 研究区金陵组与美国Barnett页岩对比

6 结论

宜兴-宣城一带金陵组为一套滨海相沉积的碎屑岩，岩性以砂岩、粉砂岩、页岩为主，局部地区夹少量砂质灰岩、泥灰岩透镜体及碳质页岩与劣质煤，厚6～28 m，时代为岩关晚期。TOC含量尚可，平均含量为0.789%；镜质组反射率平均值范围为1.62%～1.8%，属高成熟度演化阶段；有机质类型以Ⅱ2和Ⅲ型为主。储层孔隙度主要介于1.251%～4.452%，平均值为2.988%；水平覆压渗透率主要介于0.001～0.602 mD，平均值为0.202 mD；微孔以晶间孔、粒间孔为主，收缩裂缝极发育，为页岩气的储集提供了良好空间。30 ℃条件下，石炭系金陵组黑色泥岩最大吸附量为2.95 cm3/g，具有很强的吸附能力。整体烃源岩的厚度并不厚，局部地区超过10 m。结合有机地化数据(TOC含量不高，有机质类型有Ⅱ2和Ⅲ型为主，有机成熟度处于生气阶段)，由于金陵组其分布不连片，呈透镜体形态出现，如果单独作为一套页岩气勘探层位，勘探价值并不理想。如果在苏南-皖南地区在勘探二叠系和志留系高家边组页岩气时，兼顾分布较为连续和厚度较厚的石炭系金陵组，则有一定勘探价值。