章亞 （中石化江蘇油田分公司地質科學研究院，江蘇 揚州225009）

劉小平，董清源 （中國石油大學 （北京）地球科學學院，北京102249）

丁衛(wèi)星，李華東，劉世麗，段宏亮 （中石化江蘇油田分公司地質科學研究院，江蘇 揚州225009）

董謙 （中國石油大學 （北京）地球科學學院，北京102249）

頁巖氣是一種非常規(guī)油氣，勘探開發(fā)最初始于美國，20世紀80年代，美國頁巖氣的勘探開發(fā)得到快速發(fā)展，產量逐年上升，成為美國重要的油氣資源[1]。中國頁巖氣資源量巨大，據(jù)2012年國土資源部公布，我國陸域頁巖氣地質資源潛力為134.42×1012m3，可采資源潛力為25.08×1012m3（不含青藏區(qū)），主要集中在四川盆地、渝東鄂西地區(qū)、黔湘地區(qū)、鄂爾多斯盆地、塔里木盆地等。我國的頁巖氣勘探開發(fā)正處于起步階段，對于下?lián)P子蘇北地區(qū)龍?zhí)督M （P2l）頁巖氣的研究更是薄弱，因此，有必要對其形成條件及有利分布區(qū)進行研究。在前人研究的基礎上[2～4]，基于野外考察、巖心觀察及試驗測試分析等資料，筆者對蘇北地區(qū)P2l頁巖氣形成條件進行了詳細研究，并預測有利勘探區(qū)。

1 泥頁巖區(qū)域分布特征

1.1 區(qū)域地質概況

蘇北地區(qū)位于下?lián)P子東北緣，其西北部以郯廬斷裂為界，北部以嘉山－響水斷裂為界，東臨黃海，南以長江為界，面積約42700km2[3]。該區(qū)自晚震旦世以來，經(jīng)歷了多期構造運動，在前震旦系淺變質巖基底之上沉積了海相中、古生界和陸相中、新生界兩套沉積序列。對于蘇北地區(qū)古生界地層主要發(fā)育有3套富有機質泥頁巖層系，縱向上先后沉積了下寒武統(tǒng)幕府山組 （∈1m）、上奧陶統(tǒng)五峰組 （O3w）＋下志留統(tǒng)高家邊組 （S1g）、二疊系 （大隆組 （P2d）、P2l、孤峰組 （P2g））[2]。限于資料，僅對P2l泥頁巖進行分析研究。

1.2 P2l泥頁巖沉積分布特征

P2l是在東吳事件的夷平面上發(fā)展起來的，P2l沉積早期沉積了一套受海侵影響而分布廣泛的富含植物化石夾含海相生物的濱海沼澤相為主的煤系地層，由于地殼振蕩運動的頻繁，海平面也相應高低變動[4]。P2l沉積中期，海浸擴大海水覆蓋研究區(qū)，沉積了富含海相生物的海灣相泥巖沉積。沉積構造以水平層理為主，常見波狀層理，斜層理、交錯層理。P2l沉積晚期的海退，使研究區(qū)內又沉積了一套富含植物化石夾海相生物的濱海沼澤－潮坪相的含煤碎屑巖沉積。

P2l區(qū)內有多口探井揭示。B1－4井揭示厚約95m，S1井揭示厚度大于39m，H1井揭示厚約93m，Y1井揭示厚度較大，為110m，TX8井揭示厚度最大達212.8m。其泥頁巖縱向上主要分布于中、下段，厚度一般100～200m；巖性以黑色頁巖、炭質頁巖及煤為主，富含植物化石，局部含少量腕足類、瓣鰓類。上段主要為一套富含植物化石夾海相生物的濱海沼澤－潮坪相的含煤碎屑巖沉積，砂巖發(fā)育。受沉積相控制，北部濱海地區(qū)主要以砂巖為主，泥頁巖厚度相對較薄。此外，受后期構造變形影響，P2l主要殘存于構造變形相對較弱的蘇北東部地區(qū)，其中海安地區(qū)厚度最大，大于200m，向北西、南東，殘存厚度逐漸變薄，西部高郵凹陷和金湖凹陷僅零星殘存 （圖1）。

圖1 蘇北地區(qū)P2l泥頁巖分布圖

2 頁巖氣形成條件

2.1 泥頁巖地球化學特征

2.1.1 有機質類型與豐度

研究區(qū)內有分析測試數(shù)據(jù)69個，其中Ⅱ2型20個，Ⅲ型33個，Ⅱ1型13個，Ⅰ型3個，總體反映其有機質類型以Ⅱ2、Ⅲ型為主，部分為Ⅱ1型。由于部分地區(qū)P2l存在煤層，有機碳質量分數(shù)w（TOC）可到達50%以上，對研究區(qū)P2l泥頁巖254個樣品的w（TOC）值進行統(tǒng)計，最小值為0.05%，最大值可達到15.83%，平均值為1.75%，w（TOC）大于0.5%的占了93%，其中泰興－海安地區(qū)有機質豐度最高，w（TOC）平均介于2%～3%，向北，其w（TOC）逐漸變低，在金湖－寶應－建湖－射陽一帶以南，w（TOC）平均介于1%～2%；在北部淮安－濱海一線，相帶變差，w（TOC）小于1%。根據(jù)美國頁巖氣盆地產氣頁巖的w（TOC）的下限為0.5%[5]，所以研究區(qū)P2l的w（TOC）達到了頁巖氣生成條件。

2.1.2 有機質成熟度

蘇北地區(qū)P2l的有機質成熟度較高，鏡質體反射率Ro值主要在0.46%～2.61%之間變化，平均值為1.41%，其中，Ro值介于0.5%～1%的占12%，1%～2%的占59%，大于2%的占29%；相對于美國頁巖氣盆地的源巖Ro值0.4%～2.0%[1]較高些，有利于頁巖氣的大量生成，蘇北盆地北部有機質成熟度較高，Ro值大于1.5%。

2.2 泥頁巖儲層特征

2.2.1 巖礦組分

P2l巖石類型以泥巖、粉砂質泥巖和泥質粉砂巖為主，石英含量相對較多，黏土礦物以伊利石和伊－蒙間層為主。根據(jù)全巖礦物分析，P2l泥頁巖層系的石英＋長石＋黃鐵礦的體積分數(shù)范圍8.6%～80.3%，平均值為49.4%，以石英為主；黏土礦物體積分數(shù)范圍6.2%～60%，平均值為37.7%；碳酸鹽礦物體積分數(shù)范圍0%～85.2%，平均值為11.6%。由于黏土礦物對氣體的吸附作用具有較大影響，石英、長石、黃鐵礦等脆性礦物含量對泥頁巖后期壓裂具有一定的幫助，碳酸鹽礦物則易產生次生溶孔[6]。與美地區(qū)Barnett頁巖比較，P2l泥頁巖的巖礦組分具有好的頁巖氣儲集條件。

通過黏土礦物相對含量分析結果表明，蘇北地區(qū)龍P2l頁巖層系的黏土礦物主要成分為伊利石和伊－蒙間層，含有少量的高嶺石和綠泥石。其中伊利石體積分數(shù)范圍19%～39%，平均值為27%；伊－蒙間層體積分數(shù)范圍49%～74%，平均值為62.8%，間層比在15%左右，為有序間層。黏土礦物中伊利石最易吸附頁巖氣，而蒙脫石類的膨脹性黏土礦物不利于后期對儲層進行壓裂造縫[7]。從而可以看出蘇北地區(qū)古生界泥頁巖層具有一定頁巖氣儲集及開采潛力。

2.2.2 儲集空間及儲層物性

通過對P2l泥頁巖掃描電鏡觀察，儲集空間包括微孔隙和微裂縫兩種類型 （圖2），其微孔隙較為發(fā)育，主要可分為殘余原生孔隙、黏土礦物伊利石化形成的微裂 （孔）隙和不穩(wěn)定礦物 （如長石、方解石）溶蝕形成的溶蝕孔等，孔徑大小多在1～3μm，少量的在6～15μm。雖然微孔隙孔徑較小，但數(shù)量較多呈蜂窩狀，不同類型的微孔隙組合成孔隙群，提高含氣能力，為頁巖氣的儲集空間奠定了一定的物質基礎。P2l泥頁巖微裂縫也較為發(fā)育，縫寬1～4μm，長幾十納米，可能與構造作用或者成巖作用有關，微裂縫的發(fā)育不僅能夠提供有利的儲集空間，而且有利于吸附氣的解析；但是當微裂縫與地層中的的斷裂相連，就會使頁巖氣散失，不利于頁巖氣的保存。

圖2 P2l泥頁巖掃描電鏡照片

由于野外樣品受到淋濾風化作用，其測得的孔隙度較高，而室內巖心樣品主要選取致密泥頁巖進行測試，其測得的孔隙度較低，由于技術的限制，對蘇北地區(qū)P2l的泥頁巖只能用常規(guī)的測井數(shù)據(jù)對其孔隙度進行計算，通過測井數(shù)據(jù)計算出的孔隙度經(jīng)校正后泥頁巖孔隙度范圍在2.4%～7.7%，平均值為5.5%，與美國頁巖氣儲層孔隙度范圍3%～12%[1]類比，表明研究區(qū)具有良好的頁巖氣儲集條件。

2.2.3 吸附氣量

常規(guī)頁巖裂縫型氣藏中的天然氣主要以游離狀態(tài)賦存在頁巖裂縫中，與此不同，頁巖氣在儲層中主要以吸附狀態(tài)存在[8]。通過對蘇北地區(qū)P2l泥頁巖的井下巖心和野外樣品進行2組等溫吸附試驗，分別測得蘭氏質量體積分別為1.70、2.03cm3/g，蘭氏壓力分別為2.01、3.31MPa。試驗數(shù)據(jù)可以反映P2l泥頁巖具有良好的吸附能力。通過擬合實測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)隨著壓力的增大，頁巖的吸附氣量也在增大，隨著w（TOC）的增高，其吸附氣量也在增高，頁巖中的吸附氣量與壓力、w（TOC）皆呈正相關的線性關系 （圖3）。

針對實際P2l泥頁巖吸附氣量，由于實際地層中的天然氣不可能達到飽和狀態(tài)，而試驗中的吸附氣量均是飽和含氣量，因此采用類比法，參照美國頁巖氣盆地吸附氣量在20%～70%[9]，考慮到P2l的地質條件的復雜，選擇其下限值20%作為蘇北地區(qū)P2l頁巖吸附氣量的百分比。通過對兩組試驗數(shù)據(jù)的加權平均和類比，P2l泥頁巖埋深大致為670～3277m，地層壓力為7.1～34.4MPa，吸附氣量為0.22～0.35m3/t。

2.3 保存條件

泥頁巖本身致密，孔滲性較差，一般可以作為常規(guī)油氣藏和自生自儲的頁巖氣藏的蓋層[10]。泥頁巖由于自身的特殊性，本身就可以形成封閉的儲集體。

多期次運動的建造與改造是南方含油氣盆地的一大特色[11]，蘇北地區(qū)海相層系雖經(jīng)后期改造，但總體面貌未受明顯破壞。構造穩(wěn)定的蘇北地區(qū)海相沉積地層在縱、橫向上連續(xù)性好，在多期構造改造過程中變形不是很強烈[12]，古生界地層實體及其油氣成藏組合保存好，有利于油氣保存。由于頁巖氣特殊的儲存機理，頁巖氣藏本身不易受到構造作用的破壞，因此雖然經(jīng)歷了多期構造運動，但研究區(qū)仍可以形成頁巖氣藏。

圖3 蘇北地區(qū)P2l泥頁巖等溫吸附氣量曲線圖

3 頁巖氣富集有利區(qū)預測

通常情況下，泥頁巖的厚度越大、w（TOC）越高，熱演化程度越高，越容易生氣，P2l泥頁巖的厚度為100～300m，有機質成熟度較高，Ro平均值為1.41%，w（TOC）平均值為1.75%，最大值可達到15.83%，埋深在673～3277m，埋深適中，利于開采。借鑒北美頁巖氣的有利區(qū)選區(qū)標準[1]，綜合研究區(qū)頁巖氣的形成條件，將泥頁巖厚度大于100m，w（TOC）大于2%，Ro大于1.0%，埋深小于4000m等指標相疊加，劃分出一個有利區(qū)。有利區(qū)分布在海安－如皋市一帶（圖4），w（TOC） 在 2.0% ～3.0%，Ro在1.5%左右，埋深適中，一般在2000～3000m。

圖4 蘇北地區(qū)P2l頁巖氣有利勘探區(qū)預測

4 結 論

1）蘇北地區(qū)P2l為濱岸沼澤相沉積，泥頁巖主要分布在蘇北東部地區(qū)，干酪根類型主要為Ⅱ2、Ⅲ型，有機碳含量較高，熱演化程度高，多處于成熟階段。

2）蘇北地區(qū)P2l泥頁巖的礦物組分以黏土和石英為主，黏土礦物中主要成分為伊利石和伊－蒙間層，儲集空間主要是微孔隙和微裂縫兩種類型，其微孔隙較為發(fā)育，具備良好的儲集空間，通過試驗數(shù)據(jù)及與美國頁巖氣盆地吸附氣量類比，得出P2l吸附氣量為0.22～0.35m3/t，具備良好的頁巖氣富集條件。

3）泥頁巖本身就可以作為蓋層，具有一定的抗破壞性。蘇北地區(qū)的構造運動并未對頁巖氣藏造成大的破壞，頁巖氣的保存條件良好。

4）選取P2l泥頁巖的厚度、有機碳含量、成熟度、埋深等指標，采用疊合法對有利區(qū)進行預測，初步預測在海安－如皋市一帶為有利勘探區(qū)。

[1]Curtis J B.Fractured shale－gas systems [J].AAPG Bulletin，2002，86 （11）：1921～1938.

[2]劉小平，潘繼平，董清源，等 .蘇北地區(qū)古生界頁巖氣形成地質條件 [J].天然氣地球科學，2011，22（6）：1087～1095.

[3]錢基 .蘇北盆地油氣田形成與分布 [J].石油學報，2001，22（3）：12～17.

[4]陳紅，龔洪春，楊友勝，等 .下?lián)P子區(qū)海相油氣成藏特征 [J].江蘇地質，2003，27（3）：148～151.

[5]Bustin R M.Gas shale tapped for big pay [J].AAPG Explorer，2005，26 （2）：5～7.

[6]李新景，呂宗剛，董大忠，等 .北美頁巖氣資源形成的地質條件 [J].天然氣工業(yè)，2009，29（5）：27～32.

[7]Schettler P D，Parmely C R.The measurement of gas desorption isotherms for Devonian shale [J].Gas Shales Technology Review，1990，7 （1）：4～9.

[8]蒲泊伶，蔣有錄，王毅 .四川盆地下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖氣成藏條件及有利地區(qū)分析 [J].石油學報，2010，31（2）：225～230.

[9]Hill D G，Nelson C R.Gas productive fractured shales－an overview and update [J].Gas TIPS，2000，7 （2）：11～16.

[10]張金川，徐波，聶海寬，等 .中國天然氣勘探的兩個重要領域 [J].天然氣工業(yè)，2007，27（11）：1～6.

[11]趙宗舉，俞廣，朱琰，等 .中國南方大地構造演化及其對油氣的控制 [J].成都理工大學學報，2003，30（2）：155～168.

[12]饒丹，賈存善，邱蘊玉，等 .蘇北盆地古生界天然氣勘探前景 [J].天然氣工業(yè)，2006，26（4）：1～4.