第一作者简介 靳凤仙,女,1989年生,2016年毕业于中国矿业大学(北京),获硕士学位,主要从事煤沉积学和层序地层学方面的研究。E-mail: 1185673205@qq.com。
通讯作者简介 邵龙义,男,1964年生,教授,博士生导师,主要从事沉积学和煤田地质学的教学及研究工作。E-mail: ShaoL@cumtb.edu.cn。
重庆地区是中国页岩气勘探开发取得突破的地区,页岩气赋存层位主要为下古生界上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组有机质泥页岩。依据露头、钻井岩心及测井资料,利用沉积学、有机地球化学等方法,分析研究区泥页岩沉积学特征与岩石学特征、页岩气聚集条件,并预测区内页岩气有利区。结果表明,区内暗色泥页岩厚度大,分布广,总有机碳含量大于 2%,有机质类型以 Ⅰ型为主,热演化程度处于高成熟—过成熟阶段,说明该区泥页岩具有很好的生烃潜力;区内页岩气层上覆厚层泥页岩与下伏岩层灰岩对页岩气具有较好的保存效果;泥页岩含气量较高,平均为 1.39, cm3/t。采用综合信息叠合法,可预测研究区页岩气发育有利区位于城口—巫溪一带与石柱—涪陵—武隆—彭水—南川—綦江一带。
About the first author Jin Fengxian,born in 1989,graduated from China University of Mining and Technology(Beijing) with her master degree in 2016. She is mainly engaged in coal sedimentology and sequence stratigraphy. E-mail: 1185673205@qq.com.
About the corresponding author Shao Longyi,born in 1964,is a professor of China University of Mining and Technology(Beijing). He is mainly engaged in coal sedimentology and sequence stratigraphy. E-mail: ShaoL@cumtb.edu.cn.
Chongqing area is the breakthrough area of shale gas exploration and development,and the shale gas is preserved in the Upper Ordovician Wufeng Formation-Lower Silurian Longmaxi Formation of the Lower Paleozoic. Based on data from outcrop,drilling core and logging data, using sedimentology,organic geochemistry and other methods, the characteristics of sedimentology of shales,and the shale gas accumulation conditions was analyzed and the favorable areas for shale gas exploration of study area were predicted. The results showed that the dark shale in Chongqing area had a great thickness and a broad distribution, with the content of total organic carbon being more than 2% and the organic matter type being type I. The thermal evolution was in high mature-over mature stage which indicated the shale have a better hydrocarbon ̄generating potential. The target dark shale horizon was overlain by a thick sequence of shales and underlain by thick modular limestones and micritic limestones, which provided a deal preservation effect for shale gas. The content of gas was much higher and the average gas content being 1.39,cm3/t. The integrated information overlapping method was used to predict favorable areas of shale gas exploration, and two favorable areas were predicted, including the Chengkou-Wuxi area and the Shizhu-Fuling-Wulong-Pengshui-Nanchuan-Qijiang area.
重庆地区广泛发育下古生界多套海相页岩层, 其中上奥陶统五峰组— 下志留统龙马溪组泥页岩是四川盆地的主要气源岩之一, 也是中国石油页岩气勘探开发的重点地区(黄籍中, 1986; 腾格尔等, 2006; 梁狄刚等, 2008; 董大忠等, 2011)。中国在重庆涪陵焦石坝页岩气的勘探获得了重大突破, 且在焦石坝建成了中国最大的页岩气田(郭彤楼和刘若冰, 2013; 郭旭升, 2014; 何治亮等, 2016), 但对页岩气富集主控因素、富集机理等研究还在探索阶段, 尤其是重庆地区经历了多期次复杂的构造运动, 页岩气成藏条件复杂, 对保存条件要求非常苛刻, 因此, 寻找页岩气富集区带是能否实现商业开发的重点所在(何治亮等, 2016)。作者在前人对页岩气成藏条件和分布规律研究的基础上, 结合最新的勘探进展, 从基础地质研究入手, 对页岩展布、生烃潜力、孔隙结构特征、保存条件与可压裂性等特征进行分析, 并通过以上分析预测出页岩气藏发育的有利区。
重庆地区位于四川盆地川南中低缓构造带、川东高陡构造带和川东北高陡构造带(刘若冰等, 2006; 龙鹏宇等, 2012), 构造位置位于扬子地台偏西北部, 北以大巴山褶皱带为界, 南接云贵高原, 西与四川盆地相连, 东抵巫山、大娄山(图 1), 面积为82402.95, km2。构造分区包括川中褶皱带、川东褶皱带、川东南褶皱带和大巴山弧形褶皱带(高彩霞等, 2012), 主体位于四川盆地南部和东部有利的天然气富集带上(龙鹏宇等, 2012)。
在晚奥陶世— 早志留世, 伴随着华夏板块向北西方向强烈的推挤, 中上扬子克拉通盆地由大陆边缘转为前陆盆地, 周边形成了前隆带雏形, 主要为川中隆起、武陵— 雪峰隆起、黔中隆起和汉南古陆, 重庆地区就在川中、黔中与雪峰三大古隆起之间, 向北开口与秦岭洋相通(许效松等, 2001); 研究区下古生界上奥陶统五峰组— 下志留统龙马溪组富有机质页岩受控于海湾深水陆棚沉积相体系, 形成于闭塞、半闭塞滞留海盆环境, 为一套浅水— 深水陆棚相沉积(刘树根等, 2004; 龙鹏宇等, 2012)。下古生界上奥陶统五峰组— 下志留统龙马溪组有机质暗色泥页岩是该区页岩气勘探的主要目的层位。
研究区上奥陶统五峰组暗色泥页岩分布在奥陶系的顶部, 下伏地层是上奥陶统宝塔组瘤状灰岩, 与上覆下志留统龙马溪组连续沉积; 龙马溪组上覆地层是下志留统小河坝组细砂岩。该区这套发育的岩性主要为黑色泥页岩、含碳质泥页岩、硅质泥页岩、粉砂质泥页岩与粉砂岩(表 1), 其中:上奥陶统五峰组以黑色— 灰黑色泥页岩为主, 厚度分布在0~50, m之间, 含黄铁矿结核, 发育水平层理, 且硅质泥页岩丰富, 富含笔石化石, 发育深水陆棚沉积; 下志留统龙马溪组主要以灰黑色— 灰色泥页岩、黑色含碳质泥页岩为主, 厚度分布在0~800, m之间, 且垂向上自下而上泥页岩颜色由深变浅, 下部主要发育灰黑色泥页岩, 笔石化石丰富, 发育深水陆棚沉积; 上部主要发育灰绿色、黄色泥页岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩等, 发育浅水陆棚沉积(图 2)。
2.2.1 矿物组成 泥页岩矿物主要由黏土矿物和脆性矿物组成, 其中黏土矿物利于页岩气的吸附, 石英、方解石、长石和碳酸盐矿物等脆性矿物的成分变化影响了页岩对甲烷的吸附能力(张金川等, 2004; 龙鹏宇等, 2012; 牟传龙等, 2016)。此外, 随着石英、长石和碳酸盐岩矿物含量增加, 岩石的脆性增强, 在页岩气开采压裂过程中极易形成天然裂隙和渗导裂缝, 有利于页岩气的渗流(龙鹏宇等, 2011)。
通过对研究区五峰组— 龙马溪组41块泥页岩样品进行X射线衍射测试(表 2), 巫溪白鹿剖面五峰组— 龙马溪组页岩黏土矿物含量为6.6%~47.4%, 平均值为26.69%; 黏土矿物以伊蒙混层为主, 平均含量为47.33%, 其次为伊利石, 平均含量为46.46%; 脆性矿物含量为52.6%~89.5%, 平均值70.26%, 脆性矿物以石英为主, 平均含量为57.95%, 其次是长石平均含量为9.7%。巫溪田坝剖面五峰组— 龙马溪组页岩黏土矿物含量为10.6%~54.2%, 平均值为31.63%; 黏土矿物以伊蒙混层为主, 平均含量为47.5%, 其次为伊利石, 平均含量为46.71%; 脆性矿物含量为52.1%~89.4%, 平均值65.32%, 脆性矿物以石英为主, 平均含量为57.93%, 其次是长石平均含量为6.88%。
将研究区实测结果与统计结果投影到矿物组成三角图中(图 3), 研究区泥页岩矿物分布范围和趋势与北美的产气泥页岩矿物总体相似, 都分布在A区, 其石英含量在28%~52%之间, 碳酸盐含量在4%~16%之间, 总脆性矿物的含量在46%~60%之间。
2.2.2 孔隙结构特征 页岩气储集层的孔隙结构特征是影响页岩气储集和开采的重要因素(邵龙义等, 2016)。作者通过对巫溪白鹿剖面与巫溪田坝剖面41块样品进行低温液氮吸附试验, 分析泥页岩的孔隙结构, 由BET模型计算比表面积, 根据BJH理论得出孔径分布。泥页岩孔隙参数主要为: 比表面积为6.709~29.452, m2/g, 平均17.295, m2/g; 总孔体积0.0276~0.105, mL/g, 平均0.578, mL/g; 孔径24.845~178.178, nm, 平均69.407, nm。可见, 泥页岩储集层孔隙孔径虽小, 却具有很高的比表面积, 其值为Donaldson等(1975)统计的Berea砂岩(约1, m2/g)的17倍, 较大的比表面积使气体的吸附存储成为可能。
根据国际理论与应用化学协会(IUPAC)的孔隙分类, 将孔径小于2, nm的称为微孔隙, 2~50, nm的为中孔隙, 大于50, nm的为大孔隙(Sing et al., 1985; 邵龙义等, 2016)。统计3类孔径范围孔隙的比表面积, 结果表明泥页岩孔隙中以微孔与中孔为主, 大孔次之, 分别约占总孔体积的50.49%、46.69%、2.8%(图 4), 为页岩气的赋存提供了主要的储集空间。故研究区上奥陶统五峰组— 下志留统龙马溪组泥页岩的吸附能力主要受控于微孔与中孔。
重庆地区下古生界上奥陶统五峰组— 下志留统龙马溪组沉积于陆棚相滞留缺氧环境, 富含笔石和暗色泥页岩发育, 且分布广泛, 几乎遍及整个研究区(图 5)。上奥陶统五峰组泥页岩厚度不大, 一般不会超过20, m, 但分布稳定, 几乎遍布整个研究地区, 主要岩性为黑色— 灰黑色硅质泥页岩、含碳质泥页岩等; 下志留统龙马溪组泥页岩厚度较大, 一般在20~100, m之间, 暗色泥页岩主要分布在龙马溪组的下部, 岩性主要为黑色— 灰黑色含碳质泥页岩、粉砂质泥页岩等。研究区暗色泥页岩主体呈北东向带状分布, 形成了以下3个泥页岩发育中心: 研究区西部大足— 永川一带厚度为80~120, m; 研究区东部石柱— 武隆— 彭水— 南川— 道真一带厚度为80~100, m, 可进一步分为石柱— 武隆和南川— 道真2个次级沉积中心, 暗色泥页岩厚度均超过100, m; 研究区东北部田坝附近厚度超过80, m。
3.2.1 有机质丰度与类型 有机质丰度与类型是页岩气聚集的重要控制因素, 不仅控制泥页岩的生烃潜力特征, 而且一定程度上控制着泥页岩的孔隙结构特征与含气量(Warlick, 2006; 龙鹏宇等, 2012; 邵龙义等, 2014)。
通过对重庆地区巫溪县田坝剖面与白鹿剖面41块样品进行岩石热解分析与总有机碳分析(表 2), 有机碳含量分布在0.09%~6.53%之间, 平均值为3.27%, 且纵向上有由下而上随着泥页岩颜色由深变浅, TOC含量有降低的趋势。据统计, 大于1%的样品数占总数的92%, 大于2%的样品数占总数的78%, 这表明五峰组— 龙马溪组暗色泥页岩有机碳含量普遍较高, 一般大于2%, 沉积层系底部约30, m厚的暗色泥页岩的TOC值明显较高, 化石含量较丰富, TOC值平均值为4.37%, 是形成页岩气藏的最有利层段。在平面上, 研究区2个有机碳含量高值区, 研究区东北部城口— 巫溪— 开县— 云阳一带有机碳含量普遍大于3%, 局部地区超过4%, 为有机碳含量高值区; 在石柱— 彭水— 武隆— 南川— 道真一带有机碳含量均大于3%, 为另一个有机质含量高值区(图 6)。
干酪根镜检分析表明, 研究区上奥陶统五峰组— 下志留统龙马溪组显微组分都以腐泥组为主, 平均含量为88.4%; 其次为镜质组, 平均含量为8.9%; 惰质组平均含量较低, 为2.3%。将样品分析结果投影到有机质显微组分三角图中(图 7), 干酪根类型多数属于Ⅰ 型, 有少量的属于Ⅱ 1型, Ⅱ 2型, Ⅲ 型几乎没有。
3.2.2 成熟度 镜质体反射率(RO)是国际上公认的标定有机质成熟度阶段的一项独立指标, 但并不适用于下古生界烃源岩(腾格尔等, 2007; 聂海宽等, 2012), 上奥陶统五峰组— 下志留统龙马溪组缺乏来源于高等植物的标准镜质组, 无法直接获得镜质体反射率(聂海宽等, 2012)。由于本次采集的样品富含沥青, 所以采用换算过的等效镜质体反射率评价成熟度, 且成熟阶段划分标准参照“ 中国南方黑色页岩成熟阶段划分标准” (聂海宽等, 2012)。
通过对重庆地区巫溪县田坝剖面14块暗色泥页岩的成熟度分析(表 2), 总体演化程度较高, 分布在2.78%~3.76%之间, 平均为3.27%, 与聂海宽等(2012)提出的中国南方黑色页岩成熟阶段划分标准对照, 该区页岩母质演化程度都达到了过成熟阶段, 具备生气能力。平面上, 形成田坝— 开县— 云阳— 万县— 石柱与泸州— 长宁— 綦江2个高值区(图 8), 成熟度分布在2.5%~4%之间, 其中研究区东北部开县— 云阳— 万县一带成熟度超过4%, 据前人研究(聂海宽等, 2012), 该区带达到变质期, 失去生气能力。
良好的保存条件是页岩气富集高产的关键因素(郭旭升等, 2014)。由于致密页岩具有低孔超低渗特征, 自身可作为页岩气藏的盖层, 因此, 页岩体本身可形成一个封闭不渗漏的储集体将页岩气封存在页岩层中(龙鹏宇等, 2012), 研究区下古生界上奥陶统五峰组— 下志留统龙马溪组页岩气层上覆地层为龙马溪组上段发育的大套厚层泥岩, 对下部页岩气具有较好的封隔效果; 下伏地层为连续沉积的灰色瘤状灰岩、灰岩, 空间分布广泛, 岩性致密, 物性较差, 对页岩气层具有较好的封隔作用。
页岩含气量是评价页岩气资源潜力与衡量目标区是否具有经济开采价值的重要指标(黄金亮等, 2012)。通过对比研究区黔页1井、酉浅1井含气量与总有机碳含量之间的关系(图 9), 得出计算公式: y=0.3704x+0.2764, 将公式运用于焦页1井五峰组— 龙马溪组页岩含气量计算(郭旭升等, 2014), 吻合度较高, 所以, 泥页岩含气量与TOC成正相关关系, 并由此关系计算出研究区含气量分布在0.89~2.86, cm3/t, 平均为1.39, cm3/t, 与北美产气泥页岩相当(Marcellus页岩含气量1.70~2.83, m3/t)(Sondergeld et al., 2010), 且满足页岩气开发下限标准, 具备了页岩气成藏的有利条件。
与美国主要盆地产气页岩相似(张金川等, 2008; 聂海宽等, 2009; 郑和荣等, 2013), 重庆地区下古生界上奥陶统五峰组— 下志留统龙马溪组暗色泥页岩具有分布面积广、厚度大、有机碳含量高、成熟度高和含气量大(普遍大1, m3/t)等特点。鉴于中国页岩气研究处于起步阶段, 可应用的资料少, 文中有利区预测选用指标为暗色泥页岩厚度、有机碳含量、成熟度、含气量和脆性矿物含量, 采用综合信息叠合法预测研究区页岩气发育有利区, 其暗色泥页岩厚度不小于60, m, TOC含量不小于2%, RO值分布范围2%~3.5%, 脆性矿物含量不小于40%。研究认为, 重庆地区上奥陶统五峰组— 下志留统龙马溪组2个页岩气发育有利区: 研究区东北部城口— 巫溪一带, 其暗色页岩厚度大于60, m, TOC值普遍大于4.5%, RO值分布范围2%~3.5%, 且脆性矿物含量较高, 大于40%; 石柱— 涪陵— 武隆— 彭水— 南川— 綦江一带, 其泥页岩厚度平均大于65%, TOC值平均大于2.0%, RO值分布范围2%~3.5%, 脆性矿物含量普遍大于40%(图 10)。
1)重庆地区下古生界上奥陶统五峰组— 下志留统龙马溪组岩性主要为黑色泥页岩、含碳质泥页岩、硅质泥页岩、粉砂质泥页岩与粉砂岩, 主要发育深水陆棚与浅水陆棚, 且研究区泥页岩具有良好的岩石学特征, 泥页岩脆性矿物含量平均值60%左右, 孔隙以微孔与中孔为主, 为页岩气赋存提供了主要的储集空间。
2)重庆地区下古生界上奥陶统五峰组— 下志留统龙马溪组暗色泥页岩厚度较大, 总有机碳含量高, 有机质类型以Ⅰ 型为主, 热演化程度处于高成熟— 过成熟阶段, 说明该区泥页岩具有很好的生烃潜力。
3)泥页岩上覆地层发育厚层泥岩, 下伏地层为连续沉积的灰色瘤状灰岩、灰岩, 具有良好的保存条件, 且泥页岩含气量较高, 平均为1.39, cm3/t。
4)重庆地区下古生界上奥陶统五峰组— 下志留统龙马溪组发育2个页岩气有利区, 主要分布在城口— 巫溪一带与石柱— 涪陵— 武隆— 彭水— 南川— 綦江一带。
作者声明没有竞争性利益冲突.
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