龐 飛,包書景,任收麥,李尚儒,童川川,曾 里
(1.中國地質(zhì)調(diào)查局油氣資源調(diào)查中心,北京 100029; 2.江西省頁巖氣調(diào)查開發(fā)研究院,江西南昌 330002)
修武盆地下寒武統(tǒng)頁巖氣富集條件及有利區(qū)預測
龐 飛1,包書景1,任收麥1,李尚儒2,童川川1,曾 里2
(1.中國地質(zhì)調(diào)查局油氣資源調(diào)查中心,北京 100029; 2.江西省頁巖氣調(diào)查開發(fā)研究院,江西南昌 330002)
利用野外地質(zhì)調(diào)查、巖心觀察、測試分析、含氣量現(xiàn)場解析等方法,研究修武盆地下寒武統(tǒng)海相富有機質(zhì)泥頁巖分布特征、有機質(zhì)類型、豐度和成熟度、巖石儲集特征及含氣量等頁巖氣成藏條件.結果表明:下寒武統(tǒng)王音鋪組、觀音堂組黑色泥頁巖具有厚度大、分布廣、有機碳質(zhì)量分數(shù)高、成熟度高等特點,泥頁巖脆性礦物質(zhì)量分數(shù)較高(大于40%),微裂縫、微孔隙發(fā)育,具有良好的頁巖氣形成與富集條件.結合巖樣等溫吸附實驗結果和調(diào)查井巖心現(xiàn)場含氣量解析數(shù)據(jù),采用概率體積法估算修武盆地下寒武統(tǒng)頁巖氣資源量為2 922.98×108m3.修水—武寧向斜東部王音鋪組泥頁巖厚度大于100 m,TOC質(zhì)量分數(shù)大于6%,鏡質(zhì)體反射率在2%~3%之間,埋深為1 000~3 000 m,構造形態(tài)完整,斷裂不發(fā)育,有利于頁巖氣的聚集和保存,是區(qū)內(nèi)頁巖氣勘探有利區(qū)域.
修武盆地;下寒武統(tǒng);頁巖氣;成藏條件;頁巖氣有利區(qū)
我國含氣頁巖分布廣、類型多,具有實現(xiàn)頁巖氣跨越式發(fā)展的有利條件.近幾年,張金川等對不同地區(qū)、不同層系頁巖氣的形成與富集條件進行研究,在成藏機理、儲層評價、資源評價及有利區(qū)優(yōu)選方法等方面已取得成果[1-8].我國頁巖氣年產(chǎn)量突破2.0億m3[9],并在涪陵、長寧—威遠、昭通啟動產(chǎn)能建設,初步展示良好的勘查開發(fā)前景.
南方古生界海相泥頁巖是我國頁巖氣資源勘探的主力層系[10-11].目前,海相頁巖氣勘探已在四川盆地下志留統(tǒng)龍馬溪組取得重大突破,在黔北岑鞏和渝東北城口地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組也取得重要進展.下?lián)P子區(qū)古生界海相頁巖氣的勘探進展緩慢,該區(qū)下寒武統(tǒng)地層巖性以黑色泥頁巖、炭質(zhì)頁巖和硅質(zhì)巖為主,為深水盆地相沉積,具備頁巖氣形成與富集的地質(zhì)條件[12].其中,贛西北修武盆地下寒武統(tǒng)黑色泥頁巖具有厚度大、有機碳質(zhì)量分數(shù)高及成熟度高等特點,具備良好的頁巖氣成藏條件.夏小進等在地表工作的基礎上,初步對贛西北地區(qū)頁巖氣地質(zhì)條件進行研究[13],并估算資源量.該盆地勘探程度相對較低,頁巖氣勘探可用資料較少,頁巖氣評價關鍵參數(shù)缺乏.筆者利用野外地質(zhì)調(diào)查、老井復查、分析測試等方法,結合最新鉆井資料及含氣量現(xiàn)場解析數(shù)據(jù),研究修武盆地下寒武統(tǒng)頁巖氣形成與富集條件,并優(yōu)選有利區(qū),為該盆地下一步勘探提供依據(jù),對下?lián)P子區(qū)下寒武統(tǒng)海相頁巖氣的勘探具有指導意義.
1.1 構造特征
修武盆地位于江西省西北部,東枕鄱陽湖,北瀕長江,西連幕阜山脈,南屏九嶺山脈,面積約為2 713 km2[14],隸屬九江市修水、武寧等縣管轄.盆地主體為一近東西走向的復式向斜構造,北側為修水—武寧向斜,褶皺較開闊;南側為羅洞向斜,面積較小,地層傾角較大.受后期走滑作用的影響,盆地東西分段,平面上成雁列狀展布(見圖1).
圖1 修武盆地構造分區(qū)Fig.1 Structural units dipartition of Xiuwu basin
1.2 地層與沉積特征
早寒武世,江西北部為陸表海海底高地的障壁作用使水體不暢通,形成相互連通卻又分隔的修武、九瑞和彭澤海底盆地.王音鋪組巖性以富含炭質(zhì)、硅質(zhì)頁巖、石煤層、含磷結核和黃鐵礦結核為特征.石煤屬腐泥質(zhì)成因,與黃鐵礦結核、黑色頁巖、黑色硅質(zhì)巖反映一種滯流缺氧還原環(huán)境,石煤及黃鐵礦結核有自下而上逐漸減少的趨勢,表明滯流還原條件逐漸減弱.盆地上部沉積以觀音堂組黑色含炭頁巖為主、夾粉砂質(zhì)頁巖的一套巖性組合,在武寧—德安一帶常夾有泥晶灰?guī)r,具水平層理,出現(xiàn)腕足及三葉蟲化石,為次深海臺盆相—陸棚淺海相沉積(見圖2).
圖2 修武盆地下寒武統(tǒng)黑色頁巖野外露頭照片F(xiàn)ig.2 Outcrop photographs of the black shale of lower Cambrian in Xiuwu basin
2.1 泥頁巖厚度與分布特征
一定厚度的泥頁巖是頁巖氣形成的基本條件,厚度越大,越有利于頁巖氣形成與保存.根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料、物探測量結果和野外實測剖面統(tǒng)計,王音鋪組泥頁巖厚度為100.00~200.00 m,觀音堂組泥頁巖厚度為150.00~400.00 m,平面上呈西北薄、東南厚的特點(見圖3).其中,羅洞向斜南翼的贛頁1井揭示下寒武統(tǒng)泥頁巖厚度為140.50 m,修水金家段地區(qū)ZK3102井鉆孔揭示王音鋪泥頁巖厚度為204.72 m.王音鋪組泥頁巖厚度大于上揚子川東南地區(qū)丁山1井(142.00 m)[15],以及黔北地區(qū)天星1井下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁巖厚度(27.24 m).
圖3 修武盆地下寒武統(tǒng)泥頁巖厚度分布Fig.3 The thickness of mud shale of lower Cambrian in Xiuwu basin
2.2 有機地球化學特征
2.2.1 有機質(zhì)類型和有機碳質(zhì)量分數(shù)
有機質(zhì)類型不僅決定頁巖生氣能力,也影響頁巖的含氣量[16].對地表巖樣和鉆井巖心樣品進行化驗分析,上部觀音堂組有機質(zhì)顯微組分以無定形為主,次生組分為惰質(zhì)組;王音鋪組顯微組分以惰質(zhì)組為主,次生組分為無定形,屬于Ⅰ型干酪根.美國頁巖氣開發(fā)的主力產(chǎn)層顯示,Ⅰ型與Ⅱ型干酪根具有較好的生烴潛力[17-18].
有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)是頁巖氣形成的物質(zhì)基礎[19-20],有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)不僅決定生烴數(shù)量,同時有機質(zhì)生烴過程中產(chǎn)生大量微孔隙,可有效增加對氣體的吸附能力.
對修武盆地野外和井下樣品進行分析,泥頁巖總有機碳(TOC)質(zhì)量分數(shù)較高(見圖4和圖5).王音鋪組露頭樣品w(TOC)在1.96%~15.46%之間,平均為8.43%,巖心樣品w(TOC)在3.25%~14.20%之間,平均為9.21%;觀音堂組露頭樣品w(TOC)在1.53%~7.21%之間,平均為2.60%,巖心樣品w(TOC)在2.10%~6.44%之間,平均為3.50%.實驗結果表明,野外樣品w(TOC)略低于鉆孔樣品的w(TOC),是風化作用的結果,但野外樣品w(TOC)與美國主要頁巖氣盆地含氣頁巖的相當[21].
2.2.2 有機質(zhì)成熟度
下寒武統(tǒng)泥頁巖的熱演化程度普遍較高,鏡質(zhì)體反射率Ro分布在2.0%~4.5%之間,平均為3.17%,為高成熟—過成熟階段(見圖6).平面上,南部熱演化程度稍低,Ro為2.5%左右;盆地中部為高熱演化區(qū),Ro>4.0%.勘探結果表明,高成熟度條件下同樣可以形成頁巖氣藏[10,22],如黔中隆起方深1井下寒武統(tǒng)牛蹄塘組,Ro高達5.5%,在1 723.4~1 726.7 m井段氣測顯示異常,氣體點燃火焰呈藍色[23];貴州岑鞏地區(qū)的天星1井下寒武統(tǒng)牛蹄塘組和渝東北城口地區(qū)的CD1井水井沱組,Ro分別達到4.3%和3.5%,含氣性較好,現(xiàn)場平均解析氣量分別達到2.35 m3/t和2.00 m3/t,最高達到3.97 m3/t.
2.3 泥頁巖儲層特征
2.3.1 礦物組成
脆性礦物質(zhì)量分數(shù)直接決定后期頁巖氣開發(fā)儲層改造效果[24-26],脆性礦物質(zhì)量分數(shù)一般高于40%、黏土礦物質(zhì)量分數(shù)小于30%才具備商業(yè)開發(fā)價值[27-28].
全巖礦物組成定量分析顯示,下寒武統(tǒng)泥頁巖的脆性礦物質(zhì)量分數(shù)較高,以石英為主,質(zhì)量分數(shù)在40%~80%之間,含有少量鉀長石、方解石等.黏土礦物質(zhì)量分數(shù)在6%~45%之間,以伊利石和伊/蒙混層為主,含少量綠泥石和高嶺石.
圖4 修武盆地下寒武統(tǒng)泥頁巖實測樣品有機碳質(zhì)量分數(shù)分布頻率直方圖Fig.4 Frequency histograms of measured total organic carbon content of mud shale of lower Cambrian in Xiuwu basin
圖5 修武盆地下寒武統(tǒng)泥頁巖有機碳質(zhì)量分數(shù)分布Fig.5 The total organic carbon content of mud shale of lower Cambrian in Xiuwu basin
圖6 修武盆地下寒武統(tǒng)黑色泥頁巖成熟度分布Fig.6 The thermal maturity of mud shale of lower Cambrian in Xiuwu basin
2.3.2 儲集空間及儲層物性
根據(jù)巖石樣品掃描電子顯微鏡分析鑒定結果,泥頁巖微裂縫、微孔隙發(fā)育.王音鋪組縫寬多在1μm左右,少量微孔縫寬大于10μm,微孔隙孔徑大部分為1~3μm;觀音堂組微孔隙孔徑大部分為1~10μm,少量組合孔的孔徑為10~30μm.同時可見大量有機質(zhì)納米級孔隙,孔徑多為10~560 nm,平均為80 nm.納米級孔隙作為泥頁巖重要的孔隙類型[28-30],可有效提高儲層性能,同時為后期儲層改造提供潛在的流動通道[31].
選取贛頁1井及部分野外樣品的下寒武統(tǒng)黑色泥頁巖樣品進行孔滲實驗,結果表明,16塊樣品的孔隙度分布在1.0%~4.0%之間,平均為2.6%;滲透率分布在(0.040~0.200)×10-3μm2之間,平均為0.022× 10-3μm2,且孔滲之間沒有明顯相關性(見圖7),其孔隙度和滲透率與美國典型的含氣頁巖的相當(見表1).
2.4 泥頁巖含氣性
頁巖的含氣量是指單位體積頁巖中頁巖氣的量,是頁巖氣勘探評價中的重要參數(shù).利用現(xiàn)場解析和等溫吸附實驗2種方法進行含氣量測定.
根據(jù)等溫吸附實驗測試結果和Langmuir模型計算結果,王音鋪組泥頁巖在蘭氏壓力為1.75 MPa時,最大吸附含氣量達7.91 m3/t;觀音堂組泥頁巖在蘭氏壓力為1.09 MPa時,最大吸附含氣量為1.73 m3/t(見圖8),結果表明王音鋪組富有機質(zhì)泥頁巖具有較好的天然氣吸附能力,觀音堂組吸附能力相對較差.此外,對實測數(shù)據(jù)進行擬合,頁巖中吸附氣含量隨壓力增高而增高,呈正相關關系.
修武盆地目前有2口頁巖氣調(diào)查井,修頁1井位于羅洞向斜西段南緣,完鉆井深為447.35 m;贛頁1井位于羅洞向斜東段南緣,完鉆井深為900.57 m,目的層均為下寒武統(tǒng)泥頁巖.贛頁1井14塊巖樣現(xiàn)場解析結果顯示,含氣量普遍較低,王音鋪組含氣量為0.10~0.38 m3/t,觀音堂組含氣量為0.01~0.21 m3/t.其原因:一是目的層埋藏較淺,為660~840 m,而美國正在開采的頁巖氣層系埋深一般為幾百米至3 800多m[32],重慶涪陵地區(qū)高產(chǎn)井泥頁巖埋藏也大于2 000 m;二是鉆井位于向斜翼部,從巖心上可以觀察到地層具較強的變形,證明構造活動比較強烈,以上兩點不利于頁巖氣的保存.此外,取心并未采用保壓取心,游離氣在取樣過程中有一定的逸失,對解析結果造成較大的影響.
表1 北美主要產(chǎn)氣頁巖與修武盆地下寒武統(tǒng)頁巖儲層物性統(tǒng)計結果Table 1 Major shale in North America and Xiuwu Cambrian shale reservoir properties
圖7 贛頁1井孔隙度與滲透率關系Fig.7 The relationship between porosity and permeability in Ganye 1 well
圖8 修武盆地下寒武統(tǒng)泥頁巖等溫吸附曲線Fig.8 Isothermal adsorption curves of the mud shale of lower Cambrian in Xiuwu basin
3.1 資源量估算
采用概率體積法計算資源量,計算公式為:Qz=0.01Ahρq,其中:Qz為頁巖氣地質(zhì)資源量;A為含氣頁巖分布面積;h為有效頁巖厚度;ρ為頁巖密度;q為總含氣量.計算有效頁巖厚度以不超過50 m為頂界,含氣量以頁巖等溫吸附實驗數(shù)據(jù)為主,鑒于贛頁1井現(xiàn)場解析含氣量較小,因此選取1 000 m以下作為計算的起始深度,得出修武盆地下寒武統(tǒng)頁巖氣資源量為2 922.98×108m3.
3.2 有利區(qū)預測
王音鋪組和觀音堂組黑色泥頁巖具有厚度大和有機碳質(zhì)量分數(shù)高的特點,具備頁巖氣形成的條件,但有機質(zhì)熱演化程度較高,是頁巖氣成藏的不利因素,也是我國南方古生界海相富有機質(zhì)泥頁巖的共性,對頁巖氣的保存條件提出更高的要求.在經(jīng)歷多期構造運動的情況下,相對于游離氣,吸附氣更利于在地層中保存.觀音堂組對天然氣的吸附能力和現(xiàn)場解析氣量低于王音鋪組的,在層位上王音鋪組更為有利,應作為下一步勘探的重點層位.
結合目前我國南方古生界海相頁巖氣勘探經(jīng)驗,同時考慮盆地頁巖氣勘探程度低、資料少等現(xiàn)狀,有利區(qū)優(yōu)選選取泥頁巖厚度、有機質(zhì)豐度、成熟度、斷裂發(fā)育、埋深等條件,采取信息疊合法進行預測(見圖9).修水—武寧向斜東部即澧溪—武寧—柘林一帶是盆內(nèi)頁巖氣勘探有利區(qū).該區(qū)王音鋪組泥頁巖厚度大于100 m;w(TOC)分布在6%~12%之間;有機質(zhì)熱演化程度相對適中,Ro在2%~3%之間;根據(jù)區(qū)域資料和構造,地層埋深為1 500~3 000 m,同時該區(qū)斷裂不發(fā)育,有利于頁巖氣的保存和成藏.
圖9 修武盆地王音鋪組頁巖氣綜合評價Fig.9 Shale gas comprehensive evaluation map of Wangyinpu group in Xiuwu basin
(1)修武盆地下寒武統(tǒng)黑色泥頁巖具有厚度大、有機碳質(zhì)量分數(shù)高、成熟度高、脆性礦物質(zhì)量分數(shù)高等特點,具備良好頁巖氣形成與富集條件.結合等溫吸附實驗和現(xiàn)場含氣量解析結果,估算得出修武盆地下寒武統(tǒng)頁巖氣資源量為2 922.98×108m3.
(2)下寒武統(tǒng)泥頁巖熱演化程度高及經(jīng)歷多期構造運動是頁巖氣成藏的不利因素,巖石對天然氣的吸附能力和保存條件是修武盆地頁巖氣成藏的主控因素.王音鋪組頁巖氣富集條件較觀音堂組更為有利,是下一步勘探的有利層位.
(3)根據(jù)盆地斷裂發(fā)育特征及王音鋪組富有機質(zhì)頁巖厚度、有機碳含量、熱演化程度、埋深等要素,修水—武寧向斜東部是區(qū)內(nèi)頁巖氣勘探有利區(qū).
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TE121.2
A
2095-4107(2014)05-0023-08
DOI 10.3969/j.issn.2095-4107.2014.05.004
2014-07-21;編輯陸雅玲
國土資源部“全國油氣資源戰(zhàn)略選區(qū)調(diào)查與評價”專項(XQ2013-08)
龐 飛(1984-),男,碩士研究生,工程師,主要從事全國頁巖氣資源調(diào)查評價與有利區(qū)優(yōu)選方面的研究.