上扬子地台北缘下寒武统牛蹄塘组海相页岩气地质条件及勘探潜力

2020-06-11李华兵

地球科学与环境学报 2020年3期

王宁,许锋,王喆,段俊,李华兵,高骏,谢青

(1. 陕西省地质调查院陕西省矿产地质调查中心,陕西西安 710068；2. 长安大学地球科学与资源学院,陕西西安 710054)

0 引言

中国南方地区下寒武统牛蹄塘组页岩分布广、厚度大、有机碳含量高、成熟度高，是一套公认的优质烃源岩和页岩气接替层系[1-4]。近些年针对该层系部署的页岩气钻井，仅在四川盆地威远—犍为地区、城口地区以及湖北宜昌地区等获得重大突破，且产量总体不高，尚未形成商业开发局面，复杂构造区寒武系页岩气勘探仍需继续探索[5-7]。郭旭升等研究认为：具有高生产力、安静、缺氧、强还原的深水陆棚环境有利于有机质富集和保存，其有机碳含量和硅质含量均为高值；而浅水陆棚环境陆源碎屑供给相对充足，有机质一定程度上被稀释或破坏，其有机碳含量和硅质含量偏低[8]。前人研究表明，中国南方地区下寒武统牛蹄塘组页岩为被动大陆边缘深水陆棚相粉砂质页岩-硅质页岩互层型，烃源岩品质好，但是经历的构造运动期次多，热演化程度相对高，有机质孔隙欠发育，物性较差，底板的封闭条件通常较差，地层以常压为主，页岩含气性的主控因素为构造保存条件和热演化程度[5,9-11]。中国地质调查局油气资源调查中心在对四川盆地页岩气勘探充分研究的基础上，认为古隆起边缘构造相对稳定，牛蹄塘组页岩埋藏较浅，后期改造程度弱，有机质热演化程度适中，是复杂构造区页岩气勘探的重点[9,11-12]，就此提出了“古老隆起边缘控藏”页岩气成藏模式[13]，并以此为指导，在鄂西长阳地区鄂阳页1井获得了页岩气与天然气“四层楼”式的重大发现，同时指出中国南方地区具有类似构造的雪峰山隆起、神农架背斜、汉南古隆起周缘具有较好的页岩气勘探潜力[14]。

上扬子地台北缘下寒武统牛蹄塘组页岩围绕汉南古隆起、米仓山古隆起周缘广泛发育，以深水陆棚悬浮沉积的黑色碳质泥岩为主[15]，具有沉积厚度大、有机质丰度和硅质含量高、热演化程度相对较低等特点。中国地质调查局油气资源调查中心在上扬子地台北缘部署的陕南地1井和镇地1井均在下寒武统牛蹄塘组钻遇页岩气流[6,16]。其中，镇地1井累计钻遇下寒武统牛蹄塘组黑色页岩厚90 m，现场解析气含量高达2.92 m3·t-1，总含气量最高为6.04 m3·t-1[16]，达到了商业勘探的标准。本文综合现有的研究成果，依据野外露头和岩芯分析测试，对上扬子地台北缘下寒武统牛蹄塘组黑色页岩的分布特征、地球化学特征、储层特征、含气性特征及顶底板条件等进行系统研究，并与中国南方地区下寒武统海相页岩展开对比分析，进而明确页岩气成藏地质条件及勘探潜力，以期为该区页岩气勘探提供指导和借鉴。

1 区域沉积背景

研究区位于扬子地台北缘，东北部毗连秦岭构造带，西部为松潘—甘孜构造带，南部邻接四川盆地。研究区横跨3个构造单元，北部为汉南古陆，西南部为米仓山古隆起，东部为大巴山构造带(图1)。震旦纪扬子地台北缘继承了中晚元古代隆坳相间的古地理格局，由陡山沱组碎屑岩和灯影组碳酸盐海岸沉积逐渐发展成碳酸盐台地[17]。灯影组沉积之后，上扬子地台北缘普遍沉积了一套梅树村期局限台地相白云质灰岩，镇巴上升后，梅树村期地层大部分缺失。早寒武世早期，扬子地台发生了大规模海侵，形成了NW—SE向巨大宽缓陆棚，上扬子地台北缘碳酸盐台地被淹没下沉为深水陆棚环境。下寒武统牛蹄塘组黑色页岩就是在这样的环境下沉积的，并且直接覆盖在梅树村期宽川铺组或灯影组白云岩之上，形成区域平行不整合面[18]。横向上，牛蹄塘组从西往东海侵上超明显。早期以陆棚相沉积为主，岩性主要为黑色碳质页岩、砂质页岩；晚期砂质、灰质成分增多，层中夹砂岩透镜体或砂质条带，逐渐由陆棚相向潮坪相沉积演化[19]。

主图引自文献[16]，左上角小图引自文献[20]，均有所修改图1 上扬子地台北缘区域地质简图及剖面位置Fig.1 Regional Geological Sketch Maps of the Northern Margin of Upper Yangtze Platform and the Position of Profile

2 页岩气地质特征

2.1 岩性组合及页岩展布

上扬子地台北缘下寒武统牛蹄塘组主要岩性为黑色碳质页岩、粉砂质页岩、含硅质碳质页岩夹碳质粉砂岩、泥灰岩(图2)，含磷、钒，发育水平层理，以黑色和深灰色为主，页岩与粉砂岩相间构成极细水平层理，沿层理面常有粉尘状黄铁矿分布。页岩中黄铁矿结核较多，大者直径可达50 cm。牛蹄塘组黑色页岩见于汉南、米仓山基底隆起周缘汉中市福成镇、碑坝镇—西乡县大河镇一带。陕南地1井附近页岩厚度最大，可达282 m，向四周厚度逐渐变薄；东部镇地1井页岩厚90 m；南部福成镇一带页岩厚100～130 m；西北部牟家坝一带页岩厚约30 m(图2)。牛蹄塘组优质页岩在马元地区厚度大于100 m，南部福成镇一带厚度为90～100 m，且粉砂岩、硅质页岩夹层较少，向四周厚度逐渐变薄。

图2 牟家坝—陕南地1井—镇地1井—福成镇大营村牛蹄塘组地层对比Fig.2 Stratigraphic Comparison of Niutitang Formation in Moujiaba-Well Shaannandi1-Well Zhendi1-Dayingcun in Fucheng Town

2.2 岩相类型

页岩岩相研究是页岩气选区的重要内容。Loucks等根据页岩的矿物组成和沉积构造将Barnett页岩划分为非层状-层状泥岩、层状黏土质钙质泥岩、骨架泥质泥粒灰岩等岩相[21];Abouelresh等将Barnett页岩划分为硅质非钙质泥岩、白云质泥岩等8种岩相[22]。本文参照四川盆地海相页岩岩相划分标准[23]，依据石英+长石、碳酸盐矿物和黏土矿物含量(质量分数，下同)取25%为界划分出硅质岩、灰岩、黏土岩和页岩四大岩相区，再以三者含量取50%为界，将页岩划分为黏土质页岩、钙质页岩、硅质页岩和混合页岩，其中混合页岩又被进一步划分为黏土质硅质混合页岩、黏土质钙质混合页岩和钙质硅质混合页岩[23-24]。王玉满等研究表明：硅质页岩和钙质硅质混合页岩是深水环境特有的岩相；黏土质页岩和黏土质钙质混合页岩是浅水陆棚环境的主要岩相；黏土质硅质混合页岩是浅水-深水环境共有的岩相；深水环境所具有的岩相因其高硅质含量和有机质丰度，具有良好的物性和脆性，是页岩气层优质岩相[23]。研究区牛蹄塘组以硅质页岩和黏土质硅质混合页岩为主，并含有少量的黏土质页岩(图3)，体现深水陆棚环境的页岩气产层优质岩相。

图件引自文献[23]图3 牛蹄塘组页岩岩相划分Fig.3 Lithofacies Classification of Niutitang Formation Shale

2.3 有机地球化学特征

牛蹄塘组页岩总体显示较高的总有机碳、较好的有机质类型和适中的热演化程度(图4)。镇地1井牛蹄塘组岩芯总有机碳(TOC)主要为0.88%～8.61%，平均值为3.37%[16]，野外剖面露头采集的牛蹄塘组页岩样品总有机碳为0.51%～10.66%，平均值为2.55%(表1)，总有机碳高于1%的样品占总样品数的87.5%。

牛蹄塘组页岩有机显微组分主要为腐泥组(体积分数为93%～99%，平均值为96%)和少量镜质组(体积分数为1%～7%，平均值为4%)，类型指数(TI)为87.8～98.3。干酪根δ13C值为-33.50‰～-33.06‰，平均值为-31.43‰，反映牛蹄塘组页岩有机质来源以腐泥型为主(图5)。

图4 李家湾剖面牛蹄塘组综合柱状图Fig.4 Comprehensive Stratigraphic Column of Niutitang Formation in Lijiawan Profile

牛蹄塘组页岩缺乏来源于高等植物的标准镜质组，无法测得其镜质体反射率(Ro)，只得利用测得的沥青反射率(Rb)来换算镜质体反射率[25]，换算公式为：Ro=0.319 5+0.679 0Rb。镜质体反射率计算结果为1.09%～2.84%，平均值为2.13%，说明牛蹄塘组热演化处于主生气窗范围，有利于干气大量生成(图4)。

表1 牛蹄塘组页岩总有机碳分布

图5 牛蹄塘组页岩有机显微组成Fig.5 Organic Maceral Composition of Niutitang Fomation Shale

图6 观音庵剖面牛蹄塘组页岩扫描电镜照片Fig.6 SEM Photographs of Niutitang Fomation Shale in Guanyin’an Profile

2.4 矿物组成

牛蹄塘组页岩矿物组成主要有石英、黏土矿物和长石，还含有少量的碳酸盐矿物和黄铁矿(图4)。其中，石英含量较高，为30%～54%，平均值为38%；黏土矿物含量为9%～38%，平均值为25%；长石含量为13%～38%，平均值为27%；碳酸盐矿物含量为0%～26%，平均值为4%；黄铁矿大多呈草莓状晶体[图6(b)]，少量呈粒状，其颗粒直径较小,多为0.5～4.0 μm。

牛蹄塘组页岩中黏土矿物主要为伊利石，其次为伊蒙混层，此外，还有少量的蒙皂石和绿泥石(图4)。其中，伊利石含量为45%～93%，平均值为69.1%；伊蒙混层含量为6%～53%，平均值为25.6%；绿泥石和蒙皂石二者含量占黏土矿物总含量的5.3%。伊蒙混层主要为伊利石层，伊利石层含量占伊蒙混层总含量的35%～95%，平均值为82.9%。前人研究认为，在有机碳含量较低的页岩中，黏土矿物中伊利石对页岩气的吸附作用特别重要[26]，牛蹄塘组页岩较高的伊利石和伊蒙混层含量有利于提高页岩的吸附性能，对吸附气的保存较为有利。

脆性指数是页岩气储层评价中一个重要方面。Jarvie等最早采用B=Q/(Q+J+C)×100%(B为脆性指数；Q为石英含量；J为方解石含量；C为黏土矿物含量)对Barnett页岩的脆性特征进行评价[27]，随后Wang等相继对各自研究区具体矿物组分进行研究并提出了类似的公式[28-29]。本文采用适用性较好的脆性指数计算公式[30]：B=(Q+F+J+D+C)/T×100%(F为长石含量；D为白云石含量；T为矿物总含量)。通过计算得出，牛蹄塘组脆性指数为54%～85%，平均值为69%，表现出较高的脆性特征。

2.5 储层特征

扫描电镜观察发现，牛蹄塘组页岩主要储集空间为纳米-微米级孔隙和微裂缝，并且以无机孔隙为主，有机质孔隙欠发育。其中，无机孔隙主要为晶间孔、溶蚀孔、铸模孔以及解理面缝孔(图6)，孔径多为0.2～5.0 μm。这些孔隙和微裂缝为页岩气提供了良好的储集空间和渗流通道。储层物性分析结果表明，牛蹄塘组页岩储层具有较高的孔隙度和较低的渗透率。露头处样品孔隙度为3.5%～7.2%，渗透率为(0.011～0.028)×10-3μm2。由于所取的露头样品会有一定程度的氧化，其物性参数可能会偏高。陕南地1井岩芯孔隙度为2.47%～3.81%(表2)，也表现为高值[6]。

2.6 含气性特征

对剖面露头采集的两个样品进行等温吸附实验。总有机碳分别为6.96%、3.49%的页岩饱和吸附气含量(VL)最大分别为11.819 m3·t-1和12.440 m3·t-1(图7)。镇地1井26件样品现场解析气含量为0.58～2.92 m3·t-1；残余气含量为0.19～0.48 m3·t-1；损失气含量为1.07～3.75 m3·t-1；总含气量为1.84～6.04 m3·t-1，平均值为4.19 m3·t-1[16]。陕南地1井在牛蹄塘组页岩层段有页岩气显示，其全烃超过2%，总含气量最高为2.71 m3·t-1。上述特征表明，牛蹄塘组页岩吸附气含量高，具有较好的含气性[16]。

表2 中国南方地区下寒武统牛蹄塘组页岩埋深、厚度、总有机碳、镜质体反射率和孔隙度对比

图7 牛蹄塘组页岩等温吸附曲线Fig.7 Isothermal Adsorption Curves of Niutitang Formation Shale

2.7 顶底板条件

顶底板条件包括目的层上覆及下伏地层的岩性及接触关系，良好的顶底板条件是页岩气封存在页岩中的重要条件[31，33]。牛蹄塘组页岩上覆顶板为上寒武统石牌组大段粉砂质页岩、钙质砂质页岩，厚度约为150 m，与牛蹄塘组地层整合接触且横向上展布稳定，封闭性较好[图8(a)]；牛蹄塘组下伏底板为震旦系灯影组四段大段白云岩(汉中市福成镇大营村剖面厚度为243 m)，顶部发育顺层溶洞，沥青充填，风化壳较为发育，与牛蹄塘组地层呈区域不整合接触，牛蹄塘组页岩气可能会向下逸散[图8(b)]。

3 与中国南方地区海相页岩对比

对比中国南方地区下寒武统牛蹄塘组页岩总有机碳、孔隙度、含气性、矿物组成等关键参数(表2、3)，可见中国南方地区牛蹄塘组均具有较好生烃基础(总有机碳高于2%)，埋深适中，除渝东南丁山1井外，页岩厚度均大于30 m，脆性矿物含量高，而上扬子地台北缘和黄陵背斜牛蹄塘组页岩厚度更大，热演化程度偏低，孔隙度偏高，含气量相对较高，页岩气勘探效果明显优于其他地区。

4 讨论

4.1 页岩有机质孔隙欠发育的主要原因

图8 牛蹄塘组页岩顶底板野外照片Fig.8 Field Photos of Niutitang Formation Shale in Roof and Floor

有机质孔隙是页岩气吸附和储存的主要空间，其主要由滞留在页岩中的原油热裂解生气形成(对应镜质体反射率为1.35%～3.20%)，并且随着热演化程度的增加，有机质碳化程度增大，有机质的抗压性降低，进而导致有机质孔隙逐渐减少，储层孔隙度逐渐降低。当镜质体反射率大于3.5%时，孔隙度降低至2%以下，失去储层有效性[5]，进而导致页岩气散失。上扬子地台北缘由于受到汉南古陆和米仓山古隆起等影响，地层埋深浅，热演化程度适中(镜质体反射率约为2.13%)，对应孔隙度大于2.5%，含气量高，黄陵背斜地区如是。而四川盆地、渝东南、黔西、滇黔北等地区牛蹄塘组页岩镜质体反射率均大于3.0%，黔西方深1井镜质体反射率可达到4.50%，其对应的孔隙度不足1%，含气量较低。图9指示中国南方地区牛蹄塘组页岩孔隙度与热演化程度关系。随着热演化程度(镜质体反射率)的增大，页岩总孔隙度降低(图9)，这揭示了有机质热演化程度对孔隙度和含气性的控制作用，解释了中国南方地区牛蹄塘组页岩有机质孔隙普遍欠发育的现象。

表3 中国南方地区下寒武统牛蹄塘组页岩含气量、脆性矿物含量、压力系数和测试产量对比

注：鄂阳页1井脆性矿物含量为64%～84%;陕南地1井脆性矿物含量上段为55.53%，下段为62.81%。

图9 中国南方地区牛蹄塘组页岩孔隙度与热演化程度关系Fig.9 Relationship Between Porosity and Thermal Evolution of Niutitang Formation Shale in Southern China

4.2 页岩气保存条件

在具备充足的生烃物质基础条件下，页岩气保存条件是决定页岩气富集的关键因素[34]。牛蹄塘组页岩顶板为相对致密的泥质粉砂岩或含泥灰岩，厚度大，孔隙度、渗透率较低，对页岩气具有良好的封盖作用。牛蹄塘组底板为灯影组物性较好的白云岩储层，并且牛蹄塘组和灯影组之间多为区域不整合面，造成牛蹄塘组生成的烃类在浓度差影响下向底部散失，形成“上盖下渗”型顶底板模式[35]，不利于页岩气的早期滞留。但从表3可以看出，黄陵背斜和上扬子地台北缘牛蹄塘组取得平均4 m3·t-1以上含气量的重大突破，说明牛蹄塘组底部的区域不整合面并未对气藏造成破坏性影响。中国南方其他地区在具有同样充足物质基础的条件下勘探效果却并不理想。本文研究认为除页岩热演化程度差异外，页岩自身封盖作用能在一定程度上阻碍页岩气向不整合面散失，进而导致勘探效果差异显著。页岩自身的封盖作用与页岩层的厚度直接相关。一方面，页岩气在向下散失的过程中，需克服页岩有机质及矿物对烃类气体的吸附阻力，页岩厚度越大，该吸附力越大；另一方面，页岩本身低孔隙度(<10%)和低渗透率(每平方微米在10-9级至10-6级)的特点使页岩微孔隙相当于一个封闭体系，页岩厚度越大，页岩气自身对气体的封堵性越强，烃类气体越难散失。因此，页岩自身的封盖作用可以一定程度上制约页岩气的逃逸散失，从而使页岩气不同程度地保存下来(图10)。上扬子地台北缘及黄陵背斜牛蹄塘组页岩厚度大，为页岩气保存提供了有利条件。

H为页岩厚度图10 页岩厚度对页岩气保存影响Fig.10 Effect of Shale Thickness on Shale Gas Preservation

5 页岩气勘探潜力

页岩气勘探潜力评价主要包括生气能力、储气能力和易开采性3个方面[36-38]，影响参数主要有页岩有效厚度、埋深、总有机碳、有机质热演化程度、矿物成分、孔隙度和含气量等[39-40]。页岩有效厚度是影响其生气和储气能力的重要因素，是页岩气藏形成的关键，鉴于牛蹄塘组下伏的区域不整合面，页岩以有效厚度大于30 m为宜；页岩埋深与页岩气保存及技术可采性息息相关，烃类气体能够较好地保存下来，页岩埋深不宜过浅，考虑到现今页岩气勘探开发技术和页岩气开采经济价值，页岩埋深以500～4 000 m为宜；总有机碳是页岩气藏形成的基础，也对页岩储气性能有重要影响，形成商业性气藏要求页岩总有机碳高于2%；有机质热演化程度以处于生气窗内(1.1%40%)易于储层压裂造缝，有利于后期开采；商业性页岩气藏的页岩孔隙度一般大于3%，且高产区一般为4%～5%；页岩含气量可以反映页岩气藏的规模和产能大小，是页岩气评价的重要参数指标，一般要求页岩含气量大于2.0 m3·t-1[41]。

上扬子地台北缘下寒武统牛蹄塘组页岩厚度大(有效厚度大于30 m)，埋深适中(500～4 000 m)，总有机碳较高(平均值为2.55%)，热演化程度适中(镜质体反射率平均值为2.13%)，脆性矿物含量高(平均值为69%)，孔隙度(3.5%～7.2%)和含气量(>2.5 m3·t-1)相对较高，这些参数均显示了上扬子地台北缘具有良好的页岩气勘探前景。基于对该区优质页岩的发育特征、埋深和热演化程度的认识，认为回军坝—麻柳镇一带牛蹄塘组优质页岩(总有机碳不低于2%)厚度发育较稳定，为40～100 m(图11)，岩性以碳质硅质页岩为主，并且牛蹄塘组埋深浅于4 000 m，而且镇地1井和陕南地1井含气量高，说明该地区保存条件较好。综上所述，回军坝—麻柳镇一带是牛蹄塘组海相页岩气有望取得勘探突破的最优地区。