江西萍乐坳陷中部赣丰地1井上二叠统乐平组页岩气聚气条件

2019-03-05方朝刚徐振宇黄正清郑红军徐菲菲

石油实验地质 2019年1期

方朝刚，徐振宇，滕龙，黄正清，郑红军，徐菲菲

(1.中国地质调查局南京地质调查中心，南京 210016；2.山东科技大学，山东青岛 266590)

受美国页岩气成功勘探开发热潮推动[1-3]，中国在古生界海相页岩[4-6]和中新生界陆相页岩[7-10]地层均取得重要的勘探发现和突破，尤其是在上扬子地区上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组海相页岩中发现焦石坝页岩气大气田，实现了商业开发。但海陆过渡相页岩气由于其自身具有特殊性，往往与煤层气、致密砂岩气相伴生，沉积地层厚度大，页岩不连续，垂向和纵向上岩性和有机质丰度变化快，储层特征、含气量等方面均与海相页岩差别较大[11-16]，因此针对海陆过渡相页岩气的勘探尚处在探索阶段。作为下扬子地区重要的含油气盆地之一，萍乐坳陷发育多套页岩层系，作为该区域油气评价最重要的层位——上二叠统乐平组，页岩厚度较大、范围较广，具备较良好的油气地质条件及资源潜力[17-19]。但因后期构造破坏严重等原因，萍乐坳陷油气勘探停滞不前。

为探索萍乐坳陷上二叠统乐平组页岩发育情况，查明有机地球化学特征，摸清页岩气聚集成藏的规律，2016年在萍乐坳陷中部地区部署实施了针对二叠系页岩气地质调查井——赣丰地1井，成为该地区完钻乐平组页岩层的第一口井。赣丰地1井采用全井段绳索取心，于1 500 m(中二叠统茅口组南港段)完钻。本文以赣丰地1井乐平组海陆过渡相页岩为基础，通过对二叠系乐平组页岩岩心观察、样品采集、测试分析等手段，主要围绕页岩的烃源岩指标、储层特征、孔隙类型和结构特征及聚集成藏的主控因素等评价乐平组的优质页岩段，确定乐平组页岩气聚集条件及含气特征，以期为萍乐坳陷页岩气勘探提供评价支撑和借鉴。

1 区域构造背景

萍乐坳陷位于江西省萍乡至乐平地区，是叠合在扬子板块之上的晚古生代至中三叠世坳陷，面积33 628 km2，是江西省内该地质时期最大的海相至海陆过渡相沉积盆地。北侧紧邻九岭隆起，南缘与武功山隆起相接(图1)。

海西期—印支期，整个坳陷的形成和发展受到南北两侧(宜丰—景德镇和萍乡—广丰)2条同沉积断裂的控制，发生大规模裂陷。海西期地壳升降运动频繁，整个坳陷发生多次由西往东的海侵、海退运动，相对应沉积了一套海陆过渡相、海相地层。中二叠世末受东吴造陆运动影响，整个区域发生大规模的海退，东南侧的华夏陆块进一步上隆成为剥蚀区，造成了坳陷内滨海平原沼泽环境，形成了区内重要的晚二叠世海陆过渡相含煤碎屑岩建造[20]。乐平组自下而上又可分为4段：即官山段、老山段、狮子山段和王潘里段(图2)。

图1 江西萍乐坳陷构造位置及赣丰地1井位置

晚二叠世末—中三叠世，整个海侵的范围和沉积中心略有变化，该时期整个地壳比较稳定没有明显的构造运动。后期印支运动使得板块整体抬升暴露，结束海相沉积史，开始了陆相沉积[20]。

2 样品采集与实验测试

赣丰地1井地处地形平缓的萍乐坳陷中部(图1)，该井自3.2 m揭开地表浮土后，进入侏罗系水北组(岩性为灰色厚层状长石石英砂岩夹紫红色泥岩)，55.41 m进入下三叠统大冶组(岩性为深灰色中层泥晶灰岩夹黑色薄层泥岩)，并在494.3 m钻穿下三叠统，进入上二叠统长兴组(岩性为灰—深灰色含生物碎屑灰岩夹硅质灰岩，主要产腕足类、虫筳类、珊瑚等化石)，724.85 m进入乐平组(分为王潘里段、狮子山段、老山段和官山段4个段，岩性特征见图2)，1 238.82 m进入中二叠统茅口组南港段(岩性为灰黑色硅质灰岩、钙质泥岩和硅质泥岩)。

为更好地分析乐平组内3套泥页岩段(王潘里段、老山段和官山段)的有机地球化学特征及含气性，以赣丰地1井岩心资料为基础，采样间隔2～10 m(视页岩含气性而定)，对所取的200余件样品开展了薄片鉴定、有机地球化学分析、全岩及黏土矿物X射线衍射分析、氩离子抛光扫描电镜观察和页岩现场解析等，获得了乐平组泥页岩的有机碳含量、镜质体反射率、微观孔隙结构、矿物成分、含气性等页岩气评价关键参数。

3 页岩气聚集条件

3.1 有机质丰度

前人研究表明，有机碳含量是页岩气聚集成藏最重要的控制因素之一，它与页岩生烃量呈正相关关系，同时还影响吸附气含量。本次实验采用碳硫测定仪(型号：OG-2000VCS-230)对125件岩心样品进行了测试。实验结果表明，王潘里段(725.85～828.05 m)泥页岩TOC含量(非煤岩)0.44%～5.96%，平均1.90%，该段TOC高值出现在煤层附近碳质页岩中；老山段(857～1 106 m)泥页岩TOC含量(非煤岩)0.4%～7.16%，平均2.37%，该段TOC高值出现在老山段下部煤系地层附近；官山段(1 106～1 238.82 m)泥页岩TOC含量(非煤岩)0.16%～2.95%，平均0.98%，该段页岩中普遍含有粉砂且不连续(图3a)。整个乐平组暗色页岩TOC含量0.16%～7.16%，平均1.42%(非煤岩)；煤层TOC含量10.4%～83.27%，平均45.63%。总体上，乐平组老山段页岩TOC含量最高，王潘里段页岩TOC含量次之，官山段页岩TOC含量相对较低。由此推断，萍乐坳陷上二叠统乐平组黑色页岩具备形成页岩气有利区的最低总有机碳含量。

图2 江西丰城地区二叠系乐平组综合柱状图

3.2 有机质成熟度

3.2.1 镜质体反射率

镜质体反射率(Ro)是判别有机质成熟度最常用的参数，与热演化程度呈正相关关系。由于它和烃源岩埋深呈很好的指数对应关系，常将其用来恢复烃源岩埋藏史。采用有机显微组分法对赣丰地1井乐平组不同段的18块样品进行Ro测试，每块样品测点不少于15 个。测试结果表明：乐平组暗色页岩Ro=1.28%～1.52%，平均1.44%；王潘里段暗色页岩Ro=1.36%～1.46%，平均1.41%；老山段暗色页岩Ro=1.39%～1.5%，平均1.46%；官山段暗色页岩Ro=1.37%～1.5%，平均1.46%(图3b)。结果表明有机质热演化处于高成熟阶段，有利于页岩气的生成和聚集。

3.2.2 最高热解峰温

烃源岩成熟度常用参数之一是最高热解峰温(Tmax)。较镜质体反射率，它具备便捷和准确2大优点。镜质体反射率突出表现了对埋藏深度的反映，而最高热解峰温(Tmax)则能敏感地反映出地质历史时期重要的热事件[21]。乐平组暗色页岩Tmax为445～529.15 ℃，平均469.4 ℃；王潘里段暗色页岩Tmax为447.9～465.4 ℃，平均456.4 ℃；老山段暗色页岩Tmax为445～529.15 ℃，平均478.9 ℃；官山段暗色页岩Tmax为470.8～480.8 ℃，平均为477.8 ℃。Tmax值均在435 ℃以上，均已达到成熟阶段， 450～500 ℃占的比例最大，达到了高成熟湿气—干气演化阶段(图3c)。乐平组3个段的Tmax与Ro具有很好的对应性，老山段与官山段有机质成熟度相当，且都高于上部的王潘里段，反映出热演化程度与地层埋深呈正相关关系。

3.3 有机质类型

对于有机质类型的研究方法主要有有机岩石学法和有机地球化学法。有机地球化学法中的干酪根分子结构、元素，热降解程度过高会造成干酪根的表征参数趋于一致，从而使得不同类型的干酪根难以区分。由于赣丰地1井乐平组页岩的Ro值显示达到高成熟阶段，所以采用干酪根显微组分法开展分类更加切合实际。

图3 江西赣丰地1井乐平组各段页岩层TOC，Ro和Tmax随深度变化

18件样品干酪根类型实验分析结果显示，乐平组烃源岩有机质类型均为Ⅲ型干酪根。腐泥组含量极少，13件样品测出腐泥组，含量最高仅为10%；壳质组同样含量极低，含量最高也仅为10%，其余基本在1%～2%；镜质组占主导，平均含量84.67%，最高可达90%，最低也有70%；其次为惰质体，平均10.28%。显示有机质具有腐殖型的特征，它反映了以高等植物为母源的特征，与滨海沼泽相沉积环境相吻合。

3.4 矿物组成

3.4.1 X衍射全岩分析

页岩矿物组成的变化不仅控制着岩石力学性质、页岩可压裂性，而且对页岩孔隙结构类型和吸附能力也具一定的影响[22]。通过赣丰地1井乐平组12个样品的泥页岩X衍射测试结果显示(表1)，乐平组页岩黏土矿物含量最高，为40.6%～68.8%，平均58.4%；其次是石英、长石等脆性矿物，为22.9%～49.9%，平均38.15%[其中石英含量21.8%～48.3%，平均35.5%；长石含量1.1%～4.9%，以斜长石为主(0.4%～3.9%，平均为1.8%)，钾长石次之(0.6%～1.2%，平均0.85%)]；碳酸盐矿物含量极低或基本不含；另外还含有一定量的黄铁矿(含量0～6.3%，平均为2.43%)，白铁矿(0～8.7%，平均为0.89%)等。

赣丰地1井乐平组页岩与北美地区页岩在矿物种类上相似[23-24]，含量上差距很大。总体上北美商业开发的页岩石英含量普遍较高(大于40%)，黏土矿物含量次之，主要以伊利石和伊蒙混层为主；而赣丰地1井黏土矿物含量较高，高于北美商业开发的页岩(小于50%)，石英等脆性矿物含量则相对较低。

3.4.2 X衍射黏土矿物分析

矿物颗粒的比表面积随黏土矿物的富集而增大，从而有效增大页岩的吸附气能力[25-26]。赣丰地1井乐平组页岩样品中黏土矿物以伊—蒙混层含量最高，为45%～70%，均值为59%；其次为高岭石，含量7%～35%，均值为19.25%；绿泥石含量为8%～19%，均值为11.66%；伊利石含量为2%～15%，均值为9.16%; 蒙脱石含量极低，可能与页岩的成岩演化阶段相关，存在经伊—蒙混层向伊利石转化的演化过程(表1)。

3.4.3 脆性分析

页岩的可压裂性与脆性矿物含量呈正相关关系，同时脆性矿物还对页岩孔隙的发育及页岩气的储存、运移有影响[23-24]。赣丰地1井页岩样品中石英等脆性矿物含量多位于20%～50%(图4a)，大致与北美大规模商业开采的页岩脆性矿物含量相当(脆性矿物石英含量为28%～52%)[27-29]。页岩气储层评价中一个重要的指标是脆性指数[24]，通过相关研究对比，乐平组页岩脆性指数Ⅰ为26%～53.5%，均值为37.3%；脆性指数Ⅱ为23.3%～52.6%，均值为39.0%，主频分别为30%～50%和30%～40%(图4b)。页岩压裂标准的基本指标是脆性指数达20%以上，脆性指数与压裂效果具有一个很好的正相关关系[36]。与北美大范围商业开采的页岩相比(脆性指数多大于40%)，赣丰地1井页岩脆性指数略低，但超过压裂改造下限，具备较好的可压裂性。

表1 江西赣丰地1井乐平组页岩样品的X射线衍射与有机地球化学实验分析结果

图4 江西乐平组页岩矿物含量及脆性指数频率分布

3.5 孔隙特征

泥页岩储层特殊，具有低孔、超低渗的特点，与常规储层存在非常大的区别，孔径范围多为纳米级，孔隙类型多样、成因复杂，针对不同的孔隙具有多种分类方案[30-33]。本次研究采用氩离子抛光—扫描电镜技术对赣丰地1井乐平组页岩岩心样品进行了系统分析，重点依据孔隙的形态、大小、成因等参数开展分类。

3.5.1 有机孔

乐平组页岩广泛发育有机质孔隙，形态以近球形孔为主，孔径大小范围在50～600 nm(图5a-c)，大多属于中孔。有机质孔隙的连通性较好，常与黏土矿物和黄铁矿相伴生。

图5 江西赣丰地1井乐平组页岩有机孔赋存状态与特征

3.5.2 无机孔

(1)粒内孔。粒内孔往往形成于黏土矿物内部，其他矿物中比较少见。如蒙脱石在向伊利石转化过程中，由于矿物颗粒大小的差距会形成大量的孔隙。镜下可观察到粒内孔一般孔径较小，多为几十至数百纳米，极少达到微米级别(图5d，e)。黏土矿物表面大量的粒内孔同粒间孔组合在一起，能够增大黏土矿物的比表面积，增加储集和气体流通的空间。

(2)溶蚀孔。有机质在生烃过程中会形成有机酸，它会在成岩过程中不断溶蚀石英、长石和碳酸盐等不稳定矿物，从而提高页岩的孔渗性。由于本次实验样品均为钻孔新鲜样品，在镜下可观察到大量的溶蚀孔，其孔径介于50～500 nm(图5f-h)。

(3)晶间孔。晶间孔通常指结晶过程中晶体之间不紧密排列或晶格缺陷而出现的微孔隙[35]。赣丰地1井乐平组页岩中发育大量缺氧环境下形成的莓状黄铁矿，莓状黄铁矿颗粒间可见大量晶间孔(图5i)，孔径较小，一般几十至数百纳米。此类晶间孔隙也分布于石英和长石晶体之间。

3.5.3 微裂缝

乐平组页岩在扫描电镜下可以观测到大量的裂缝，按形成原因可分为有机质生排烃缝和成岩收缩缝2大类。微裂缝在孔隙间起到沟通疏导作用，改善页岩的渗透性[36]。

(1)有机质生排烃缝。有机质在生烃过程中受到异常高压使其破裂而产生。裂缝的形状不规则，在有机质内部呈树杈状(图5j)，延伸不长(最长延伸至有机质边缘)，局限于有机质附近。

(2)成岩收缩缝。形成往往与矿物干缩、脱水、矿物相变作用相关，此外还受到热力收缩作用影响，导致岩石体积缩小形成裂缝。高倍镜下裂缝往往存在于有机质(图5k)和黏土矿物边缘(图5l)，它的形成往往与有机质的脱水和黏土矿物的成岩转化相关。裂宽通常在10～500 nm，缝长最大可达60 μm。

3.6 含气性特征

赣丰地1井采用高精度现场解析仪进行现场含气量测试。绳索取心出来的样品快速放入盛有饱和盐水的解析罐中，放入恒温水浴，采样排水法测量页岩解析气量，间隔15 min记录一次数据，并换算成标准状态(温度20 ℃，压力101.33 kPa)下的体积，通过累加方式来获得页岩的解析气量。通过测试，赣丰地1井乐平组各段地层解析气量为0.025 5～10.287 1 m3/t(表2)。岩心浸水后砂岩、泥页岩、砂岩与泥页岩互层和煤层中均有不同程度的气泡显示，收集气体可燃，气体组分分析甲烷含量高达97%，火焰呈蓝色。煤层解析含气量最高达10.287 1 m3/t；碳质页岩解析含气量最高达1.858 m3/t；砂岩由于孔隙较大，气体散失等因素，含气性测试结果较差。王潘里段现场解析气煤层最高，全部在1m3/t以上，平均达到6.48m3/t；碳质页岩解析气量在0.5～1.8 m3/t之间，平均在1 m3/t；砂岩解析气量相对较低，一般在0.01～0.3 m3/t之间。老山段现场解析气煤层最高，全部在2.0 m3/t以上，平均达到2.4 m3/t；其他页岩段含气性较差，整个地层高含气段受含煤层段的控制。

表2 江西赣丰地1井乐平组页岩现场解析试验含气量

4 页岩气发育有利层段分析

通过对赣丰地1井烃源岩指标、矿物组成、孔隙特征、微裂缝、气测显示和解析气试验情况等的分析(图6)，结果如下：

王潘里段岩性主要为高伽马、低电阻的泥页岩夹低伽马、高电阻的粉砂岩，岩心可见9处薄煤层。含气层段可分为2类：一类为煤层，一类为层理缝较发育的页岩含气层，共解释21层。全烃异常值大于1%的地层累计厚达28 m，异常值大于2%的地层累计厚10 m，气测异常显示活跃且连续。泥页岩TOC含量0.44%～5.96%，平均1.90%，有机质类型好(Ⅲ型)、热演化程度高(Ro=1.36%～1.46%，平均为1.41%)，有机质孔隙较发育，具有良好的页岩气生成条件，可作为乐平组下一步页岩气勘探开发的重点层段。

乐平组老山段分为2个亚段，中老山—上老山亚段(857～985 m)岩性以泥页岩为主，页岩单层厚度大，气测显示较弱，现场页岩气解析均无气显，综合分析认为该段含气性较差。下老山亚段(985～1 106 m)中上部岩性以高伽马、低电阻的泥页岩为主，中下部发育低伽马、高电阻的砂岩，在1 027 m和1 046 m附近见薄煤层。全烃异常值大于1%的地层累计厚达45 m，异常值大于 2%的地层累计厚22 m，气测异常显示活跃且连续，峰值达到19.55%。泥页岩TOC含量0.4%～7.16%，平均2.37%，该段TOC高值出现在煤层附近，有机质类型好(Ⅲ型)、热演化程度适中(Ro=1.39%～1.5%，平均为1.46%)，有机质孔隙发育，脆性指数Ⅰ和Ⅱ均达到压裂改造下限，是乐平组有利层段。

图6 江西赣丰地1井综合柱状图

乐平组官山段页岩段气测显示弱，现场解析砂岩含气量较低；TOC含量在0.16%～2.95%，平均值0.98%，相对较低，且该段页岩中普遍含有粉砂且不连续，该段为非有利层段。

5 页岩气富集有利区

萍乐坳陷中部地区乐平组黑色碳质页岩厚度80～150 m，TOC含量普遍高于1.0%，暗色页岩Ro在1.28%～1.52%，有机质热演化处于高成熟阶段，是生气的主力阶段；干酪根类型以Ⅲ型为主，黏土矿物占页岩比重较高，具备了页岩气形成和富集的基本条件；构造简单，地层倾角普遍在8°～20°之间，有利于页岩气的保存。与商业开发的北美地区页岩对比，萍乐坳陷中部地区也具备较好的页岩气勘探潜力。综合考虑该地区的地质条件、工程条件和经济条件等各方面因素，初步提出萍乐坳陷乐平组页岩气富集有利区为丰城地区(图7)。

6 结论

(1)赣丰地1井具有黑色页岩厚度大(100 m)，有机碳含量高[0.16%～7.16%，平均值1.42%(非煤岩)]，有机质类型好(Ⅲ型干酪根)，高成熟生气阶段(Ro=1.28%～1.52%，平均为1.44%)的特点，具备较好的生烃条件和富集条件。

(2)赣丰地1井乐平组页岩样品的黏土矿物中伊—蒙混层含量最高，为45%～70%，均值为59%；其次为高岭石、绿泥石和伊利石，蒙脱石含量极低。乐平组页岩脆性指数Ⅰ为26%～53.5%，均值为37.3%；脆性指数Ⅱ为23.3%～52.6%，均值为39.0%，主频分别为30%～50%和30%～40%。与北美商业开发页岩相比，赣丰地1井页岩脆性指数略低，但超过压裂改造下限，具备较好的可压裂性。