徐菲菲,張訓華,黃正清,李建青,吳 通

(1.山東科技大學 地球科學與工程學院，山東 青島 266590；2.中國地質(zhì)調(diào)查局 南京地質(zhì)調(diào)查中心，南京210016)

近年來，根據(jù)美國頁巖氣勘探開發(fā)取得重大成功的經(jīng)驗[1]，中國相繼在中、上揚子地區(qū)取得了重要的油氣勘探突破，尤其是在上揚子涪陵地區(qū)五峰組-龍馬溪組海相頁巖地層發(fā)現(xiàn)焦石壩頁巖氣大氣田，實現(xiàn)了商業(yè)開發(fā)。眾多部門也加大了對下?lián)P子地區(qū)頁巖氣勘探的開發(fā)力度，對下?lián)P子地區(qū)提出了“多期生烴，多期成藏，晚期最有利”的評價勘探思路，還提出了“深源淺找、古源深找、多源兼找、立體勘探[2]”的指導方針，開始對上古生界海相地層展開油氣勘探。

而作為下?lián)P子地區(qū)重要的含油氣區(qū)域之一，寧國凹陷發(fā)育了多套頁巖層系，其中二疊系大隆組、龍?zhí)督M、孤峰組都是烴源巖發(fā)育的重要層位[3]。但是因為構造改造強烈引起的復雜性，使得下?lián)P子地區(qū)一直未獲得重要的油氣突破[4]。因此，為了實現(xiàn)下?lián)P子地區(qū)頁巖氣突破的目標，2017年在寧國凹陷西部地區(qū)實施了針對二疊系的第一口頁巖氣參數(shù)井——皖宣頁1井。依據(jù)周邊地質(zhì)露頭資料以及鉆井資料，以下?lián)P子地區(qū)大隆組、孤峰組富有機質(zhì)泥頁巖為研究對象(龍?zhí)督M是皖南地區(qū)主要煤系地層，本文主要探討大隆組和孤峰組的頁巖層)，分析二疊系頁巖的儲層特征，初步探討其有利勘探方向，為下?lián)P子地區(qū)頁巖油氣工業(yè)開發(fā)提供支撐。

1 區(qū)域地質(zhì)特征

寧國凹陷位于皖南宣城-涇縣一帶，面積大約3 000 km2。區(qū)域構造上屬于蘇皖南拗陷的東南部，即在南陵盆地-寧國凹陷結合地帶。寧國凹陷是蘇皖南拗陷的次級構造單元，由旌德斷裂分為東、西2個次洼，整體呈現(xiàn)由北西收斂向北東開闊的喇叭形。北部與南陵盆地相連，南部與江南隆起相鄰(圖1)。

自從下?lián)P子地區(qū)進入陸內(nèi)演化開始，遭受了多期的強烈構造運動的改造[5]，區(qū)域構造演化主要經(jīng)歷了被動陸緣-穩(wěn)定臺地-前陸盆地(Z-S)、克拉通盆地(D- T2)、擠壓凹陷(T3- J2)、走滑拉分盆地(J2- K1)、伸展斷陷盆地(K2- E)、斷拗復合型伸展盆地(N-Q)6個演化階段，期間沉積了一套盆地相-深水陸棚相的黑色硅質(zhì)頁巖。

2 樣品采集與測試

皖宣頁1井處于地形平緩的寧國凹陷內(nèi)，該井從深度60 m開始分別鉆遇雙塔寺組、白堊系的赤山組、三疊系的南陵湖組、和龍山組、殷坑組。在 1 412 m深度鉆遇二疊系大隆組，巖性主要為黑色頁巖(網(wǎng)狀方解石脈發(fā)育)，下部夾灰色泥巖，頂部夾薄層深灰色泥質(zhì)粉砂巖，有頭足類等化石。在 1 478 m深度鉆遇龍?zhí)督M，上部為炭質(zhì)頁巖與泥質(zhì)粉砂巖不等厚互層，黏土頁巖夾粉砂巖、粉砂質(zhì)頁巖及煤層，含植物和腕足類、頭足類化石；中部砂巖、粉砂巖夾炭質(zhì)頁巖，含植物、腕足類化石；下部頁巖、砂巖，局部夾黃鐵礦，含植物化石。在 1 659 m深度鉆遇孤峰組，主要巖性是炭質(zhì)頁巖、粉砂質(zhì)泥巖夾硅質(zhì)巖，頂部為炭質(zhì)硅質(zhì)頁巖，底部為灰黑色硅質(zhì)頁巖。到 1 706 m深度鉆遇棲霞組，以灰色灰?guī)r為主，夾一薄層狀灰色泥灰?guī)r(圖2)。

圖1 下?lián)P子地區(qū)構造位置圖Fig.1 Tectonic location of the lower Yangtze region

圖2 皖宣頁1井二疊系柱狀圖Fig.2 Histogram of Permian system of the Well WXY1

為了能更好地分析二疊系內(nèi)2套頁巖層(大隆組、孤峰組)的有機地球化學特征以及含氣性，以皖宣頁1井巖心資料為基礎(大隆組、孤峰組取心)，采樣間隔0.5～1 m，對所取50件樣品開展了頁巖現(xiàn)場解析、薄片鑒定、X射線全巖礦物分析和氬離子拋光掃描電鏡觀察等研究，獲取了大隆組、孤峰組頁巖的有機碳含量、鏡質(zhì)體反射率、含氣性、孔隙結構、礦物成分等評價頁巖氣的關鍵參數(shù)。

3 泥頁巖特征

3.1 有機質(zhì)豐度

根據(jù)前人研究成果，有機碳含量作為頁巖氣聚集成藏的關鍵控制因素之一，它與頁巖的生烴量呈正相關關系[7-10]。本次實驗采用CS-230碳硫測定儀，對49件巖心樣品進行了測試。測試結果表明，大隆組的有機碳質(zhì)量分數(shù)(wTOC)為1.71%～9.28%(29個樣品)，平均為4.13%；孤峰組的有機碳質(zhì)量分數(shù)為1.18%～12.76%(20個樣品)，平均為8.02%：屬于優(yōu)質(zhì)烴源巖(表1)。此外，在 1 429 m深度左右(大隆組)，有機碳含量比較低，因為該段頁巖中夾薄層深灰色泥質(zhì)粉砂巖。而在1 444 m深度(大隆組)和1 705 m深度(孤峰組)附近有機碳含量相對比較低，可能是因為頁巖段灰黑色頁巖中網(wǎng)狀方解石脈比較發(fā)育。總體而言，大隆組和孤峰組有機碳含量都普遍偏高，且孤峰組的有機碳含量總體高于大隆組，根據(jù)正相關關系，即孤峰組的生烴量優(yōu)于大隆組(圖3-A)。依據(jù)中國頁巖氣選區(qū)評價標準，可知大隆組和孤峰組都具有生成頁巖油氣的良好潛力。與沉積環(huán)境相似的美國Barneet頁巖的有機碳質(zhì)量分數(shù)(2.0%～7.0%,平均為4.5%)相比[11]，寧國凹陷大隆組、孤峰組的有機碳含量主體與之相當或更高，進一步說明該地區(qū)的頁巖生烴條件良好，尤其孤峰組的生烴條件應該引起關注。

表1 皖宣頁1井頁巖有機碳含量Table 1 Organic carbon content of shale of the Well WXY1

圖3 皖宣頁1井大隆組、孤峰組頁巖層TOC、Ro隨深度變化圖Fig.3 Variation of TOC and Ro along with the depth for Dalong Formation and Gufeng Formation in Well WXY1

3.2 有機質(zhì)熱演化程度

鏡質(zhì)體反射率(Ro)是判斷有機質(zhì)成熟度標準之一，隨著熱演化程度增加而增加[12]。通過運用偏光熒光顯微鏡對大隆組、孤峰組共10個樣品進行鏡質(zhì)體反射率的測試，測試結果顯示Ro為1.23%～3.03%。其中大隆組黑色頁巖Ro為1.23%～1.48%，平均為1.35%；孤峰組黑色頁巖Ro為2.63%～3.03%，平均為2.83%(表2，圖3-B)。由此可知，研究區(qū)的大隆組、孤峰組的黑色頁巖熱演化程度處于成熟-高成熟階段,有利于頁巖氣的生成和聚集。從圖3-B可以看出，隨著深度的增加，熱演化程度也增大，這可能是底部頁巖受到局部零星火成巖體烘烤的影響(因為在周圍有零星火成巖體出露，以及在1 768 m深度開始鉆遇火成巖體)，從而出現(xiàn)Ro值增大的結果。

表2 皖宣頁1井有機質(zhì)熱演化數(shù)據(jù)Table 2 Thermal evolution data of organic matter of the Well WXY1

3.3 孔隙特征

泥頁巖中孔隙度和滲透率是頁巖氣藏評價的重要指標[13]。而頁巖作為低孔特低滲的致密儲層，其孔徑更小(微納米級)、類型多樣、結構成因更復雜[14-15]。同時，頁巖的納米級孔隙也是頁巖氣重要的賦存空間和擴散空間[16-18]。因此，孔隙度的大小也是決定儲層好壞的重要因素之一。

筆者借助氬離子拋光掃描電鏡技術對皖宣頁1井頁巖樣品進行了一系列研究：大隆組頁巖中孔隙非常發(fā)育，有效孔隙度在2.653%～4.887%。頁巖儲層段主要發(fā)育3種儲集空間類型：有機質(zhì)孔、粒間孔、微裂縫。在研究區(qū)，圓度極高的有機質(zhì)孔隙的直徑多為數(shù)百納米(圖4-A、E、F)。部分黃鐵礦晶粒間的有機質(zhì)在后期熱演化過程中消耗殆盡從而形成晶間孔[19]，其間發(fā)育大量黏土礦物，粒間孔縫發(fā)育(圖4-C)。在1 424.77 m深度有機質(zhì)保留有生物碎片形狀，視域內(nèi)微裂縫較發(fā)育，這些裂縫增加了孔隙之間的連通性，對于頁巖滲透性的改變有重要意義(圖4-D)。對于在大隆組和孤峰組中發(fā)現(xiàn)有機質(zhì)內(nèi)部有很多密集分布的孔隙，直徑多為納米級別；而微裂縫的發(fā)育構成氣體運移的通道，有利于頁巖氣的聚集與擴散(圖4)。

總體而言，寧國凹陷大隆組、孤峰組頁巖均發(fā)育不同成因類型的微觀孔隙，孔隙直徑從幾納米到幾百納米，有機質(zhì)孔、微裂縫、晶間孔等較為發(fā)育，為該區(qū)海相頁巖氣賦存富集提供了充足的儲集空間。

3.4 礦物特征

3.4.1 全巖礦物

儲層脆性受泥頁巖礦物組成的控制，而礦物的脆性對頁巖儲層裂隙系統(tǒng)的發(fā)育程度和可改造性有直接影響[20-21]。通過對皖宣頁1井大隆組、孤峰組(共30個樣品)的泥頁巖進行全巖X射線衍射分析(圖5)，結果顯示，大隆組頁巖黏土礦物的質(zhì)量分數(shù)最高，為33.7%～59.8%，平均為43.6%；石英的質(zhì)量分數(shù)次之，為29%～45.4%，平均為34.74%，主要集中在30%～40%(圖6-A)。長石主要以斜長石為主，平均質(zhì)量分數(shù)為7.9%；碳酸鹽礦物主要是方解石和白云石，平均質(zhì)量分數(shù)為4.8%；還有一定量的黃鐵礦(質(zhì)量分數(shù)為2.8%～9.4%，平均為5.9%)，以及少量的重晶石(平均質(zhì)量分數(shù)為1.3%)等。孤峰組頁巖中石英的質(zhì)量分數(shù)最高，為20.5%～89.2%，數(shù)據(jù)分布比較分散，平均為63.51%，其中孤峰組下段石英含量相對較低(圖6-A)；黏土礦物的質(zhì)量分數(shù)次之，為13.2%～41.7%，平均為22.79%；再次是碳酸鹽礦物，其中主要為方解石，平均質(zhì)量分數(shù)為8.94%；還有少量的黃鐵礦(平均質(zhì)量分數(shù)為2.68%)和重晶石等。大隆組和孤峰組均含有一定量的黃鐵礦，表明這2套泥頁巖沉積環(huán)境具有較強的還原性。皖宣頁1井大隆組和孤峰組頁巖與北美地區(qū)頁巖[22]在礦物種類上相似，但含量有所不同，總體而言，大隆組頁巖的石英含量低于北美地區(qū)頁巖，而孤峰組的石英含量高于北美地區(qū)頁巖(質(zhì)量分數(shù)>40%)，黏土礦物也較為發(fā)育。

3.4.2 脆性

脆性礦物不僅對頁巖孔隙的發(fā)育及頁巖氣的儲存、運移有影響，而且與頁巖的壓裂性成正相關關系。而脆性指數(shù)作為地層可壓裂性的一個常用指標，可用來做脆性評價分析。通過用礦物組成作為參數(shù)綜合計算脆性指數(shù),評價分析可知[23]，頁巖脆性與所含礦物類型密切相關，所以將礦物組成特征作為參數(shù)綜合計算脆性指數(shù)[24-25]。

圖4 皖宣頁1井樣品在氬電鏡下的孔隙類型Fig.4 Argon electron microscope images showing pore types in the shale from the Well WXY1(A)大隆組有機質(zhì)孔，深度1 421.99 m; (B)大隆組有機質(zhì)孔，深度1 421.99 m; (C)大隆組黃鐵礦晶間孔，深度1 424.77 m; (D)大隆組微裂縫，深度1 424.77 m; (E)大隆組有機質(zhì)孔，深度1 432.45 m; (F)大隆組有機質(zhì)孔，深度1 432.45 m

圖5 皖宣頁1井頁巖脆性礦物分析圖Fig.5 Analysis of brittle minerals for Well WXY1

圖6 皖宣頁1井大隆組和孤峰組石英含量以及脆性指數(shù)分布圖Fig.6 Distribution of quartz content and brittleness index of Dalong and Gufeng Formation in Well WXY1

圖7 皖宣頁1井大隆組和孤峰組浸水、點火試驗Fig.7 Immersion and ignition tests of Dalong and Gufeng Formation of the Well WXY1(A)大隆組黑色炭質(zhì)頁巖浸水實驗; (B)點火試驗

皖宣頁1井在取心段大隆組的脆性指數(shù)為37%～51%，平均為41.16%；孤峰組的脆性指數(shù)為71.8%～85.8%，平均為80.08%。可見大隆組脆性指數(shù)小，孤峰組脆性指數(shù)相對較大，在縱向上脆性指數(shù)自上而下增大(圖6-B)。與北美頁巖脆性指數(shù)(多數(shù)>40%)相比，大隆組和孤峰組都具備良好的可壓裂條件，但孤峰組是更加有利的可壓裂層段。

3.5 含氣性分析

含氣性作為頁巖儲層評價的重要指標之一，它與頁巖的孔隙大小、wTOC、Ro等都具有一定的關系。皖宣頁1井采用高精度含氣量解析儀(SHF-Ⅱ型)進行現(xiàn)場解析，發(fā)現(xiàn)大隆組、孤峰組取心段的泥頁巖出筒后做浸水實驗有針孔狀氣泡連續(xù)冒出(圖7-A)，收集的氣體點火可燃，火焰呈藍色(圖7-B)。通過對皖宣頁1井綜合柱狀圖分析，在1 412～1 478 m深度為大隆組，1 659～1 706 m深度為孤峰組。在這目的層段共解釋3個好的含氣層段，其中大隆組1套、孤峰組2套。皖宣頁1井鉆至1 412 m深度的大隆組頁巖地層時(圖8)，氣測全烴和甲烷異常值陡然增加，井深1 416 m處，全烴異常值由0.018%躥升至2.0%，甲烷異常值由0.005%躥升至1.24%；含氣量也從1 416 m深度開始突然增加，直到1 417 m深度達到最大值(8.7 m3/t)；孔隙度為7.6%，呈現(xiàn)出高伽馬、高電阻率；優(yōu)質(zhì)頁巖段厚度較薄，解釋共2.8 m。隨后氣測異常值下降，當進入龍?zhí)督M時，氣測全烴值開始緩慢上升，處于一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)，氣測含量穩(wěn)定在0.51%左右；隨著進入孤峰組，氣測顯示又重新開始活躍(圖9)，氣測全烴和甲烷異常值再度陡然增加，全烴異常值最大跳躍到2.12%，甲烷異常值由0.45% 到2.19%；含氣量較穩(wěn)定，均為2.18%左右，在1 687～1 700 m深度含氣量均在3%以上。綜合測井結果分析認為，優(yōu)質(zhì)層段共26.6 m，大隆組上段、孤峰組下段2層均為比較好的頁巖儲層含氣段；同時含氣量曲線與孔隙度曲線的趨勢具有一致性，兩者呈正比關系。孤峰組好的顯示層段有2段，氣測值高，與大隆組泥頁巖段相比，孤峰組連續(xù)頁巖含氣層段更厚。從含氣性角度相比較而言，孤峰組頁巖段為更好的有利含氣層段。

圖8 皖宣頁1井大隆組綜合柱狀圖Fig.8 Comprehensive column of Dalong Formation of the Well WXY1

4 有利勘探方向

通過對皖宣頁1井的泥頁巖特征、孔隙度、脆性礦物組分、儲層測井響應特征等分析認為：大隆組、孤峰組黑色炭質(zhì)頁巖厚度40～70 m，wTOC普遍高于1.5%，暗色頁巖Ro為1.23%～3.03%，有機質(zhì)熱演化程度處于高成熟階段，是生氣的有利階段，有機質(zhì)類型以Ⅱ-Ⅲ型為主，黏土礦物含量普遍較高，滿足了頁巖氣形成和富集的基本條件(表3)。與商業(yè)開發(fā)的北美地區(qū)頁巖對比，寧國凹陷也具備較好的頁巖氣勘探潛力。雖然寧國凹陷大隆組、孤峰組泥頁巖特征等相似，但是孤峰組泥頁巖的脆性指數(shù)遠高于大隆組泥頁巖，而且孤峰組的頁巖層段的含氣性、連續(xù)厚度都優(yōu)于大隆組，若考慮后期壓裂的情況，則孤峰組為更優(yōu)的選擇,這也為下一步目的層位的選擇提供了依據(jù)。

圖9 皖宣頁1井孤峰組綜合柱狀圖Fig.9 Comprehensive column of Gufeng Formation of the Well WXY1

表3 寧國凹陷頁巖氣選擇性比較Table 3 Selective comparison of shale gas in Ningguo depression

因此，綜合考慮該地區(qū)的地質(zhì)條件、工程條件和經(jīng)濟條件等各方面因素以及根據(jù)皖宣頁1井得到的勘探啟示：研究區(qū)域具備良好的頁巖氣成藏條件，但因構造改造強烈，破壞嚴重使得我們應該尋找附近構造穩(wěn)定區(qū)域。由此結合區(qū)域內(nèi)的泥頁巖特征、構造等頁巖氣成藏方面因素，寧國凹陷是頁巖氣勘探的有利區(qū)域，主探層位為孤峰組。

5 結 論

a.皖宣頁1井大隆組黑色頁巖厚度為66 m，有機碳含量高(wTOC為1.71%～9.28%，平均為4.13%)，有機質(zhì)類型好，處于高成熟生氣階段(Ro為1.23%～1.48%，平均為1.35%)；孤峰組鉆遇厚度47 m，有機碳質(zhì)量分數(shù)為1.18%～12.76%，平均為8.02%，熱演化程度高，為高成熟生氣階段(Ro為2.63～3.03%，平均為2.83%)：大隆組和孤峰組都具備較好的頁巖氣的生烴條件和富集條件。

b.皖宣頁1井大隆組和孤峰組頁巖的脆性礦物含量都比較高，大隆組的脆性指數(shù)為37%～51%，平均為41.16%；孤峰組的脆性指數(shù)為71.8%～85.8%；平均為80.08%。大隆組和孤峰組都具備良好的可壓裂條件，但孤峰組頁巖脆性指數(shù)大于大隆組，是更加有利的可壓裂層段。

c.皖宣頁1井內(nèi)大隆組、孤峰組頁巖晶間孔、有機質(zhì)孔等較為發(fā)育，但實測含氣量偏低，可能是后期多次構造抬升改造作用對早期形成頁巖氣的富集及保存有一定影響，因此針對二疊系頁巖，應尋找構造相對穩(wěn)定的地區(qū)，避開斷裂區(qū)、火成巖體區(qū)域。

d.寧國凹陷大隆組、孤峰組雖然都具備有利的頁巖氣成藏條件，但孤峰組和大隆組相比，孤峰組的頁巖氣測顯示、厚度、TOC、有機質(zhì)孔隙、礦物組成等各方面更加有利，可作為寧國凹陷頁巖氣勘探開發(fā)的主探層段。