趙 悅 （浙江大學(xué)水文與水資源工程研究所，浙江 杭州310058）

金 寵，樓章華 （浙江大學(xué)海洋科學(xué)與工程學(xué)系，浙江 杭州310058）

王 君 （浙江大學(xué)水文與水資源工程研究所，浙江 杭州310058）

浙江省常規(guī)油氣資源匱乏，至今未有大發(fā)現(xiàn)、大突破，其能源格局與相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r極度不協(xié)調(diào)。而今，頁巖氣勘探開發(fā)在北美大陸上的大放異彩，已成為當(dāng)前全球新能源發(fā)展的熱點(diǎn)方向，頁巖氣等非常規(guī)能源在中國也受到越來越多的重視[1～3]。

通過野外地質(zhì)考察和頁巖氣成藏參數(shù)測試，筆者分析了浙西北泥頁巖層系的有機(jī)地化特征、巖礦特征、頁巖氣儲集特征和含氣性特征，探討了浙西北地區(qū)頁巖氣勘探的有利層系。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

浙江地區(qū)加里東期抬升剝蝕，印支期的逆沖推覆以及燕山期以來的多幕構(gòu)造運(yùn)動和強(qiáng)烈的巖漿活動，傳統(tǒng)油氣地質(zhì)條件不甚理想，然而頁巖氣以吸附或游離狀態(tài)存在于富含有機(jī)質(zhì)的暗色泥頁巖或高碳泥頁巖中，具有自生自儲、吸附成藏、隱蔽聚集等特點(diǎn)，通常就近聚集成藏，不受構(gòu)造控制，無圈閉[4]。浙西北地區(qū)在構(gòu)造位置上屬于揚(yáng)子陸塊的東緣，印支運(yùn)動以來，受制于太平洋俯沖消減作用，巖漿作用明顯，熱演化程度高，并且斷裂發(fā)育密度大、不同性質(zhì)的斷裂系統(tǒng)相互作用，各盆地演化具有相對的獨(dú)立性，然而還是殘留沉積了多套古生界海相頁巖和中新生界陸相泥頁巖。所以，頁巖氣資源的勘探在浙江地區(qū)顯得極為重要。

浙江地區(qū)構(gòu)造分區(qū)以江紹斷裂為界，浙西為北揚(yáng)子陸塊邊緣準(zhǔn)地臺，浙東南為華夏陸塊華南加里東褶皺系。浙西北地區(qū)地層可以劃分為三大構(gòu)造層：系指現(xiàn)今分布于浙江西北基底界面、加里東構(gòu)造界面、印支構(gòu)造界面和地表4個(gè)代表了構(gòu)造變形和剝蝕面之間所限定的3個(gè)不同時(shí)代由于構(gòu)造運(yùn)動所造成的地殼 （陸殼）構(gòu)造－建造單元。三大構(gòu)造層和構(gòu)造運(yùn)動簡史如表1所示。

在上述構(gòu)造格局之下，浙江地區(qū)暗色泥頁巖的分布如表2所示，其典型的特點(diǎn)為以江紹斷裂為界，海相頁巖分布在浙西北地區(qū)，中生界陸相油頁巖主要分布在浙東南地區(qū)。

表1 浙西北地區(qū)構(gòu)造運(yùn)動簡史和構(gòu)造層劃分表

表2 浙江地區(qū)主要泥頁巖特征表

2 浙西北地區(qū)頁巖氣勘探有利層系分析

控制頁巖氣成藏的因素就頁巖自身來說，主要包括有機(jī)質(zhì)豐度和類型以及成熟度、頁巖裂縫發(fā)育狀況、頁巖的物性、巖礦特征、現(xiàn)今殘存厚度和面積等[5]。總有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)ω（TOC）是頁巖氣聚集成藏最重要的控制因素[6]；有機(jī)質(zhì)成熟度是油氣生成的關(guān)鍵[7]；頁巖面積和厚度是頁巖氣聚集的保障；頁巖孔隙與裂隙愈發(fā)育，氣藏富集程度愈高[8]，而巖性、巖石中的礦物組成是控制裂隙發(fā)育程度的主要因素[7]。

前人對浙西北泥頁巖的厚度和空間展布已做研究，下寒武統(tǒng)荷塘組 （∈1h）、中上奧陶統(tǒng)和龍?zhí)督M（P2l）的厚度和展布空間條件均較好[9，10]，故筆者針對頁巖氣成藏條件，對浙西北泥頁巖層系進(jìn)行了有機(jī)地化特征、巖礦特征、儲集特征和頁巖含氣性特征等進(jìn)行分析。

2.1 頁巖有機(jī)地化特征

有機(jī)質(zhì)豐度指標(biāo)主要包括ω（TOC）和ω（氯仿瀝青 “A”），由于我國海相地層發(fā)育時(shí)代早、經(jīng)歷的構(gòu)造運(yùn)動多，殘留ω（氯仿瀝青 “A”）普遍很低，不能準(zhǔn)確反映我國海相頁巖的生烴能力，故主要采用ω（TOC）對頁巖進(jìn)行評價(jià)。浙西地區(qū)黑色頁巖中有機(jī)質(zhì)顆粒有不規(guī)則細(xì)粒狀、長條狀以及塵點(diǎn)狀，有機(jī)質(zhì)顆粒中多見極小的黃鐵礦。

浙西北地區(qū)頁巖ω（TOC）總體較高，最高為4.75%，最低為0.38%。∈1h的ω（TOC）高，為4.03%～4.75%，平均為4.52%，干酪根類型主要為Ⅲ型，形態(tài)有機(jī)顯微特征為少量白色碎屑瀝青；二疊系ω（TOC）均在0.8%以上，平均為1.2%；桐廬冷塢P2l的ω（TOC）為1.44%，金衢盆地為0.8%～1.4%；P2l干酪根類型為Ⅱ－Ⅲ型，主要為Ⅲ型。中上奧陶統(tǒng)、中侏羅統(tǒng)馬澗組 （J2m）和下白堊統(tǒng)壽昌組 （K1s）的ω（TOC）也均在0.5%之上 （圖1（a））。另外，通過試驗(yàn)測得數(shù)據(jù)，K1s和P2l的ω（總烴）最高 （圖1（b））。綜合測試結(jié)果，浙西北地區(qū)頁巖的生氣條件為較差－中等，其中∈1h和P2l生氣條件相對較好。

圖1 浙西北頁巖有機(jī)地化指標(biāo)

根據(jù)目前美國頁巖氣勘探實(shí)踐表明：美國頁巖氣產(chǎn)區(qū)的頁巖鏡質(zhì)體反射率Ro普遍大于1.3%[11，12]，只有在較高成熟度的地區(qū)才有頁巖氣的產(chǎn)出[13]。因此有機(jī)質(zhì)成熟度高利于頁巖氣聚集。∈1h烴源巖Ro平均為3.73%；中上奧陶統(tǒng)寧國組 （O2n）和胡樂組 （O2h）的Ro平均為2.4%～2.67%；浙西北金深8井資料表明，2566～3022m井段下二疊統(tǒng)同井段10個(gè)樣品Ro值為2.05%～2.52%，平均2.32%?？梢娬憬貐^(qū)頁巖的成熟度熱演化程度高，屬于成熟－過成熟階段 （圖1（c））。

2.2 頁巖儲層特征

2.2.1 礦物組成

黏土礦物X射線衍射分析鏡掃描觀察結(jié)果表明，浙西北地區(qū)黑色頁巖的主要礦物成分為石英、黏土礦物、長石以及碳酸鹽，次要礦物組成為黃鐵礦，黏土礦物主要包括高嶺石、綠泥石、伊利石和伊－蒙混層等。

浙江地區(qū)頁巖中，P2l和∈1h的體積分?jǐn)?shù)φ（石英）較高，巖石中的石英導(dǎo)致泥巖中的韌性不足，容易造成裂縫，有利于頁巖氣的富集 （表3）。研究區(qū)黑色頁巖的黏土礦物主要為高嶺石、伊利石、綠泥石及伊－蒙混層，由于諸如伊利石中鋁酸鹽礦物的微孔有著吸附天然氣的能力，所以，黏土礦物總量和吸附氣量呈正相關(guān)關(guān)系。浙西北地區(qū)頁巖中黏土礦物含量 （體積分?jǐn)?shù)）均較高 （表3），∈1h中黏土礦物含量相對較低，但∈1h伊利石含量較高，P2l伊利石含量較低 （圖2（a））。

表3 浙西北頁巖礦物體積分?jǐn)?shù)平均值 %

研究區(qū)碳酸鹽主要有方解石和白云石。碳酸鹽含量和吸附氣含量呈略微的負(fù)相關(guān)關(guān)系。所以，頁巖中碳酸鹽的含量增加，吸附氣量減少[3]，浙西北頁巖∈1h和P2l碳酸鹽含量低 （圖2（b））。

2.2.2 物性特征

頁巖吸附氣含量隨頁巖密度的增大呈減小的趨勢，主要原因是隨頁巖密度的增加，ω（TOC）減小，因此，隨頁巖密度的增大吸附氣含量是減小的。浙西北地區(qū)頁巖視密度下寒武統(tǒng)∈1h和P2l相對較低（圖2 （c））。

圖2 浙西北頁巖礦物組成及視密度分布

頁巖主要由各種黏土礦物、各種碎屑和非碎屑礦物以及有機(jī)質(zhì)組成，具有較強(qiáng)的非均質(zhì)性，泥頁巖可以在顯微鏡及掃描電鏡下觀察到，不同大小的孔隙、喉道、晶洞和裂縫組成的復(fù)雜多孔系統(tǒng)，并具有網(wǎng)格狀有限聯(lián)通的特征[14]。在非常規(guī)油氣研究中，孔隙度大小直接控制著游離態(tài)天然氣的含量。滲透率是判斷頁巖氣聚集是否具有足夠經(jīng)濟(jì)價(jià)值的重要參數(shù)之一，頁巖的基質(zhì)滲透率很低[15]，但隨裂縫的發(fā)育而大大提高。∈1h孔隙－微孔隙發(fā)育，孔徑為2～20μm居多，也見孔徑為20～40μm較大孔隙 （圖3 （a）、 （b））?！?h屬于低孔－低滲，孔隙度為 0.6%， 滲 透 率 為0.0054mD；P2l結(jié)構(gòu)較致密，常見微孔隙，孔徑為1～3μm，見少量孔徑為5～25μm較大孔隙 （圖3（c）、（d））。P2l樣品由于風(fēng)化導(dǎo)致孔隙度超過10%、滲透率為0.0076mD，屬于低滲儲層。

圖3 浙西北頁巖孔隙結(jié)構(gòu)特征

2.3 頁巖含氣特征

根據(jù)測試結(jié)果和langmuir模型計(jì)算 （圖4、5），∈1h泥頁巖在1.59MPa壓力時(shí)，最大吸附含氣量為2.95m3/t；P2l泥頁巖在0.68MPa壓力時(shí)，最大吸附含氣量為1.50m3/t。說明浙西北地區(qū)古生界頁巖的含氣量特性較好，推測在地下條件較好的情況下能聚集足夠的頁巖氣。

泥頁巖吸附－脫附過程曲線 （圖6、7），吸附過程中隨著相對壓力的增加，吸附氣體體積逐漸增大，但是增長緩慢，而脫附過程中則是減少相對緩慢，吸附－脫附過程存在滯后性。P2l樣品測試首尾基本重合，并且曲線光滑，說明死端孔隙少。∈1h頁巖的平均孔徑為8.3μm，P2l泥頁巖的平均孔徑為10.7μm，孔隙體積均較大，利于頁巖氣的儲積。∈1h和P2l的BET比表面積均較大，利于頁巖氣的吸附 （表4）。

圖7 P2l泥頁巖吸附－脫附過程曲線圖

圖4 安吉葉坑塢∈1h泥頁巖等溫吸附曲線

圖5 桐廬冷塢P2l泥頁巖等溫吸附曲線

表4 浙江地區(qū)頁巖比表面、孔徑參數(shù)表

3 結(jié) 論

1）浙西北頁巖的有機(jī)地化特征表明下寒武統(tǒng)∈1h和P2l具有相對較好的頁巖氣勘探前景。

2）浙西北頁巖礦物組成和物性特征表明∈1h和P2l具有較好的頁巖氣儲集條件，頁巖含氣量分析表明∈1h和P2l含氣性高。

3）綜合分析表明∈1h和P2l是浙西北頁巖氣勘探的最具潛力的層系。

[1]張大偉 .加速我國頁巖氣資源調(diào)查和勘探開發(fā)戰(zhàn)略構(gòu)想 [J].石油與天然氣地質(zhì)，2010，31（2）：135～139，150.

[2]張金川 .頁巖氣及其成藏機(jī)理 [J].現(xiàn)代地質(zhì)，2003，14（4）：466～466.

[3]張金川，金之鈞，袁明生 .頁巖氣成藏機(jī)理和分布 [J].天然氣工業(yè)，2004，24（7）：15～18.

[4]聶海寬，張金川 .頁巖氣藏分布地質(zhì)規(guī)律與特征 [J].中南大學(xué)學(xué)報(bào) （自然科學(xué)版），2010，41（2）：700～708.

[5]聶海寬，唐玄，邊瑞康 .頁巖氣成藏控制因素及中國南方頁巖氣發(fā)育有利區(qū)預(yù)測 [J].石油學(xué)報(bào)，2009，30（4）：484～491.

[6]陳更生，董大忠，王世謙，等 .頁巖氣藏形成機(jī)理與富集規(guī)律初探 [J].天然氣工業(yè)，2009，5：17～21.

[7]王祥，劉玉華，張敏，等 .頁巖氣形成條件及成藏影響因素研究 [J].天然氣地球科學(xué)，2010，21（2）：350～356.

[8]Gareth R C，Bustin R M.Lower Cretaceous gas shales of northeastern British Columbia：geological controls on gas capacity and regional evaluation of a potential resource [A].AAPG Annual Convention [C].Texas，2008.

[9]田國華，顏洪鳴 .浙江頁巖氣等非常規(guī)天然氣勘查思考 [J].中國煤炭地質(zhì)，2011，23（9）：19～21，31.

[10]浙江省地質(zhì)礦產(chǎn)局 .浙江省區(qū)域地質(zhì)志 [M].北京 .地質(zhì)出版社，1989.

[11]Martineau D F.History of the Newark east field and the barnett shale as a gas reservoir [J].AAPG Bulletin，2007，91 （4）：399～403.

[12]Pollastro R M，Jarvie D M，Hill R J，et al.Geologic framework of the mississippian Barnett shale，Barnett－Paleozoic total petroleum system，bend arch－fort worth Basin，Texas[J].AAPG Bulletin，2007，91 （4）：405～436.

[13]Milici R C，Swezey C S.Assessment of appalachian basin oil and gas resources：devonian shale－Middle and Upper Paleozoic total petroleum system [EB/OL].http：//pubs.usgs.gov/of/2006/1237/of 2006－1237.pdf，2006－12

[14]李明誠 .油氣運(yùn)移基礎(chǔ)理論與油氣勘探 [J].地球科學(xué)：中國地質(zhì)大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，29（4）：379～383.

[15]Bowker K A.Barnett shale gas production，fort worth basin：issues and discussion [J].AAPG Bulletin，2007，91 （4）：523～533.