江西省萍乐坳陷带乐平组页岩气成藏条件研究

2020-09-02冯玉霞张宇文

山东煤炭科技 2020年8期

冯玉霞张宇文叶翠

（江西省煤田地质勘察研究院，江西南昌 330001）

1 区域地质概况

萍乐坳陷位于扬子板块与华夏板块结合处、钦杭成矿带内，地理位置位于萍乡-宜春-高安-南昌-景德镇及其周边地区。乐平组地层出露面积大，约1800km2，其主要岩性为泥岩、粉砂岩和粉砂质泥岩。本次研究目的层为乐平组老山段泥页岩，其中丰城-樟树地区发育最好（泥页岩厚度最大可达80m），为一个有利的页岩气勘探区。

页岩气成藏因自生自储和微运移特征，导致页岩对盖层要求没有常规天然气高。根据国内外研究成果，页岩成藏主要取决于烃源岩条件、储层物性和构造保存条件。

2 乐平组烃源岩条件

乐平组老山段下部地层为滨海沼泽相泥岩沉积，随后水体变深，最大海泛期中部沉积了一套层位稳定的泥页岩层，富含腕足类、菊石化石，具有丰富的有机质来源。地层中黄铁矿含量很高，为强还原环境。区内大面积出露乐平组煤系地层，其中老山段地层厚度大，稳定性好。

页岩中生成气量主要取决于三个因素：（1）岩石中原始沉积的有机物质数量，即有机质丰度；（2）不同类型有机物质成因的联系和原始生成天然气的能力，即有机质类型；（3）有机物质转化成烃类气体的程度，即有机质热演化程度。前两个因素主要取决于沉积位置的环境，而第三个主要取决于沉积后热演化程度。

在页岩调查评价过程中，评价有机质丰度的指标主要有总有机碳含量TOC、干酪根类型、成熟度Ro等。这些参数对页岩的生烃量和吸附量都有重要的影响。

2.1 有机碳含量

研究区采样分为地表采样和钻井采样两种，其中地表采样一共采集了145件做TOC测试。样品主要分布于萍乐坳陷中西部地区，从萍乡-宜春-新余-丰城一线均有大量样品分布，萍乐坳陷东部在余干和乐平地区有部分样品分布。根据出露条件和分布面积进行采样，样品包括乐平组（南型）老山段和乐平组北型老山段+新塘段，层位上以中老山段为主。乐平组老山段页岩TOC一般分布在0.40%～23.40%之间，平均值为2.59%，TOC基本满足正态分布，离散性较差。测试统计结果如图1所示。

由图1可以看出，萍乐坳陷乐平组老山段页岩中TOC大于1%的样品占70.34%；大于1.5%的样品69个，占总样品数的47.59%，可以认为一半左右的样品达到海相页岩气有利区的TOC下限；大于2%的样品占33.79%，约为三分之一，即有三分之一的地区达到海相页岩气核心区的TOC下限。所采集的样品绝大部分是露头样品，由于长时间的风化，样品碳质部分流失，导致测试值比真实值偏低。由此可知，萍乐坳陷带内的乐平组页岩实际TOC含量可能更高，找气前景较好。

图1 萍乐坳陷乐平组老山段页岩TOC统计直方图

如图2所示，乐平组老山段TOC高值有三个中心。第一个在西段的天台-竹亭-洪塘一带，为北型乐平组老山段沉积深水区。较深的海水和还原环境使有机质保存较好。第二个TOC高值区分布在丰城-樟树一带，该地区是南型乐平组沉积中心，也是中老山段厚度最大的区域。该地区沉积水体较深，有机质丰富且保存条件良好，是页岩气勘探最有利的区域。第三个TOC高值区域分布在余干-乐平地区，该区域是南型乐平组在萍乐坳陷东部的一个沉积中心。该区域紧邻官帽山隆起，物源丰富，海侵达到最深的时期大量的有机质堆积并保存下来，形成该区的生烃母质。整体上看，乐平组老山段TOC值全区均较高，TOC＞3%的区域呈块状-条带状分布在西部天台-竹亭-洪塘、中部的丰城-樟树和东部的余干-乐平三个区域，其中高值分布面积最大的区域在丰城-樟树一带，超过1000km2，天台-竹亭和余干-乐平两个地区的高值分布面积相近，分布面积约500km2。

图2 萍乐坳陷乐平组页岩TOC等值线图

纵向上分布如图3所示，乐平组的调查井YXZ01井TOC呈两端低中间高的趋势。中老山亚段的测试值最高，且下部高于上部，最大值达到2.48%，向上呈逐渐变小的趋势。下老山亚段靠近煤层的含炭泥页岩是一个高值区间，最大测试值为4.86%。中老山亚段为最大海泛期沉积产物，属于深水陆棚沉积环境，其水体相对较深，岩层中大量发育黄铁矿，反映了其还原保存条件较好。上老山亚段属于高位体系域的沉积产物，其沉积环境为浅水陆棚相。下老山亚段泥炭沼泽相沉积含碳泥页岩，有机质通常也很高。这与TOC实验测试值基本一致。

北型乐平组YXZ02老山段采样27件，测试结果显示老山段泥页岩0.50%～3.94%，平均1.55%。

南型乐平组低演化页岩调查井的代表PL03井，其TOC在纵向可见明显规律：老山段页岩TOC高于王潘里段和官山段。在老山段内部，下部页岩TOC高于上部页岩，中老山段TOC高于上老山和下老山段，下老山高于上老山段，中老山和下老山段具有下部页岩TOC高于上部页岩TOC的趋势。

2.2 有机质类型

乐平组老山段地层由于沉积环境不同，分为南、北型。

（1）南型

据显微镜有机质分析可得，老山段南型有机质类型为Ⅱ型，北型有机质类型为Ⅰ～Ⅱ1型。

本次研究共选送了9个样品进行有机质类型测试，其中4个样品来自地表（地质点），5个样品来自PL03井。

本次采集的4个地表样均为半风化样，采集地点为人工露头。由于当地居民挖碳质泥岩烧砖，揭露了较为新鲜乐平组老山段地层。地表样品有机质类型测试结果见表1，钻孔样品有机质类型测试结果见表2。由实测数据可以看出，乐平组老山段页岩的显微组分中以壳质组为主，占77%～97%，平均90.50%，次为腐泥组，镜质组和惰质组含量很低；干酪根指数类型为31.75%～51.50%，平均45.50%，干酪根类型为Ⅱ1～Ⅱ2型。

（2）北型

北型乐平组老山段页岩有机质类型测试样品采自袁州区洪塘镇的YXZ02井，共采集3个样品，测试结果见表3。YXZ02-01、YXZ02-04、YXZ02-07为乐平组老山段页岩样品。由测试结果可以看出，萍乐坳陷北型乐平组老山段页岩的有机质类型为Ⅰ型，与当时海水较深基本相符合。

萍乐坳陷带东部处于成熟-高熟阶段，已经在生烃高峰或者刚刚出了高峰期，生成了大量的天然气；而西部地区处于高成熟-过成熟阶段，已经过了生烃高峰，整体处于热裂解成气阶段，已经生成了大量的气体。

2.3 有机质成熟度

本次调查评价工作共选取了68组乐平组老山段页岩样品进行镜质组反射率值测定，测试结果统计如图4所示。

由图4可以看出，乐平组老山段页岩的Ro值较高，一般分布在0.70%～5.49%之间，其中Ro值在1.0%～2.0%之间的成熟-高熟样品只占33.83%，而大于2.0%的样品占52.94%。Ro＞1.3%的样品占总样品数的79.42%，由此可见，乐平组老山段成熟度很高，普遍处于高熟-过熟阶段。

从乐平组老山段页岩Ro平面等值线图（图5）上看，乐平组老山段页岩的成熟度南高北低，且西部地区页岩的成熟度高于东部。西部高值出现在萍乡-新余一带，主要原因可能是动力变质和埋深导致有机质热演化程度变高。中西部个别高值如分宜洞村、分宜利红煤矿Ro在4.23%～5.49%，分析其原因主要是受蒙山岩体的影响，受岩浆岩烘烤作用，乐平组页岩有机质成熟度等值线略呈同心圆状，随蒙山岩体出露往外逐渐变低。东部乐平组页岩Ro基本保持在0.8%～1.2%之间，西部靠近武功山隆起部位Ro一般在2.5%～3.0%之间，往北逐渐降低，中部地区一般在1.0%～2.5%之间。

图3 萍乐坳陷钻孔资料乐平组页岩TOC纵向分布图

表1 老山段南型有机质类型鉴定表（地表样实测）

表3 YXZ02井乐平组老山段页岩有机质类型鉴定表（钻孔样实测）

图4 萍乐坳陷乐平组老山段页岩Ro统计直方图

由此可见，研究区内烃源岩条件较好（TOC含量高，老山段南型有机质类型为Ⅱ型，北型有机质类型为Ⅰ～Ⅱ1型。成熟度为高熟-过熟阶段），为生烃做好了较好的物质基础。

3 泥页岩储层条件

孔隙度和渗透性是储层的主要评价指标。储集层中储藏空间主要为孔隙和裂隙大小，而气体主要通过渗透作用进行运移，储层的性质直接制约着气藏的大小。

3.1 储层孔隙特征

泥页岩微孔隙发育特征和气体吸附能力明显受成岩演化程度和岩石成因的影响。据资料分析, 老山段泥页岩粘土含量适中，最小26.0%，最大为68.0%，平均为39.60%，有利于气体吸附。粘土含量与吸附气含量具正相关性。组分中伊蒙混层矿物、伊利石含量较高，其间存在的大量片间孔对甲烷气体具有较强的吸附能力，为吸附气体提供了足够的储集空间。

乐平组老山段泥页岩大部分处于成熟-过成熟阶段。生烃过程产生的酸性物质溶蚀了储层内的碳酸盐岩，在一定程度上改善了储层物性，增加了储层孔隙度。从图6中能观察到碳酸盐上发育溶蚀孔。

从电镜照片中可以看出，乐平组泥页岩孔隙主要以微孔隙为主，溶蚀作用较弱，仅在一定程度上改善储层。乐平组泥页岩的孔隙度平均3.57%，这与北美地区优质区块孔隙度3%～6%相当，高于标准值（标准值为2%），属于较有潜力的页岩储层。

据等温吸附实验，乐平组老山段泥页岩的吸附能力较强，如YXZ02井为1.0～2.6m3/t，PL03井为1.05～2.52m3/t，YXZ01 井在 1.25～2.55m3/t之间。

由上可以得出，泥页岩的吸附能力较强，为页岩气藏的形成提供了较好的储层条件。

3.2 裂隙发育及渗透性特征

乐平组老山段属于典型的浅海陆棚相沉积环境，此沉积相带中的沉积物硅质含量通常较高。矿物分析显示，泥页岩中石英含量一般为26.40%～63.20%，平均46.40%，与北美地区巴奈特页岩石英含量35%～50%基本相似；脆性矿物含量总体上较高，碳酸盐矿物含量较低，总体小于10%，平均3.7%。

乐平组有效孔隙度2.70%～5.09%，平均3.75%。其中乐平组南型下老山亚段有效孔隙度一般为3.33%～5.09%，中老山亚段为2.7%～4.32%，上老山亚段为3.58%～3.83%；乐平组北型老山段孔隙度为0.82%～4.64%。北美地区页岩的孔隙度一般为3%～5%，我国四川盆地龙马溪组页岩孔隙度平均5.7%以上。以上可以看出乐平组孔隙度整体与之相当，除YXZ02-T3外，都达到气藏的有利层段的标准（标准值2%）。

乐平组渗透率实测0.00031～0.00576mD，平均值0.00202mD，渗透率较低，需要后期人工改造才能获得工业产能。

4 构造对页岩气保存的影响

研究区乐平组地层由于后期的造山运动，主要由印支、燕山及喜山运动等造成如今复杂的构造格局。由盆地埋藏演化史可以看出，喜马拉雅期是页岩气藏成藏的关键时期，其间强烈抬升过程中，局部发育规模较大的断层，页岩气层易受断裂的影响，储层压力得到释放，成藏遭受破坏。但在构造稳定区，这种早期沉降、后期抬升的特点，在保存条件较好的地方，有可能形成超压，对页岩气藏形成有利，有可能形成页岩气藏。保存条件是气体能否聚集成气藏并保存下来的重要环节，因此，对研究区内页岩气保存条件的分析尤其重要。

区域性大构造活动控制了盆地演化与古地理格局：萍乐坳陷北缘的九岭隆起和南缘的武功山、官帽山隆起控制了盆地基本形态；区域地壳的沉降、长坪-灰埠-赋春断裂和蒙山水下隆起（蒙山背斜）控制了乐平组南北型沉积类型的分布。九岭推覆构造导致地层由北往南滑动，使得北部靠近推覆体根带的区域发育大量正断层，页岩气逸散难以成藏；往南到坳陷中间部位出现积压性断层，地层重复，页岩气的保存条件变好；南部武功山顺层拆离断层发育，大型正断层较多；往北到坳陷中部发育三层楼构造，使岩层上覆地层加厚，有利于页岩气的保存。在两大构造体系的对接部位，坳陷的中部是构造影响较弱的区域。该区域分布在新余-高安-丰城-樟树一带，地层倾角较小，构造作用影响不大，是研究区内页岩气勘探最有利的区域。