宋騰， 陳科， 林拓， 李浩涵， 孟凡洋

(中國地質(zhì)調(diào)查局油氣資源調(diào)查中心，北京 100083)

0 引言

下?lián)P子地區(qū)的油氣勘探已經(jīng)歷了半個多世紀的歷程，在早期普查階段就發(fā)現(xiàn)眾多油苗和油氣顯示，在三疊系、寒武系和志留系均獲得油氣發(fā)現(xiàn)，并在蘇南黃橋、句容地區(qū)二疊系和三疊系海相地層獲得工業(yè)油氣流，顯示了良好油氣勘探前景[1]。中國頁巖氣勘探在早期階段即優(yōu)選了皖南宣城地區(qū)下寒武統(tǒng)泥頁巖，部署實施了宣頁1井等探井，但由于熱演化程度和保存條件等問題，含氣性顯示較差[2-3]。中國地質(zhì)調(diào)查局2014年和2016年在皖南宣城涇縣、寧國等地區(qū)針對上二疊統(tǒng)部署實施的探井均獲得了良好油氣顯示。調(diào)查結果表明，蘇皖南地區(qū)上二疊統(tǒng)泥頁巖分布面積大、有機質(zhì)含量高、資源潛力大，有必要對該層系進行系統(tǒng)梳理，為下一步頁巖油氣勘探奠定基礎。本文系統(tǒng)收集了下?lián)P子蘇皖南地區(qū)上二疊統(tǒng)泥頁巖地質(zhì)資料和測試分析數(shù)據(jù)，研究了頁巖油氣形成的物質(zhì)基礎和保存條件等成藏地質(zhì)特征，分析了當前調(diào)查中發(fā)現(xiàn)的問題，并指出進一步調(diào)查的方向。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

下?lián)P子地區(qū)位于揚子板塊東北緣，周邊以連—黃斷裂、團—麻斷裂、郯廬斷裂、江紹斷裂和贛江大斷裂等為界，在九江與中揚子區(qū)相連，陸上區(qū)域包括蘇、皖、滬、浙、贛等地[4](圖1)。蘇皖南地區(qū)位于下?lián)P子最南端，行政區(qū)域包括宣城市、蕪湖市等地，面積約3.6×104km2。構造上橫跨沿江坳陷和皖南—蘇南坳陷，西北側(cè)為郯廬斷裂和滁河斷裂，東南側(cè)為江南斷裂和江南隆起，發(fā)育宣城、南陵、無為、句容、望江、潛山等NE向延伸的中、新生代陸相斷陷盆地，下伏的中、古生界海相沉積是下?lián)P子邊緣海盆地沉積的一部分，經(jīng)歷了多期次構造運動的疊加改造和地史時期沉積環(huán)境的變遷[5-7]。整個蘇皖南地區(qū)地質(zhì)條件及構造背景基本相似，可以作為統(tǒng)一整體進行研究[8]。

圖1 蘇皖南地區(qū)區(qū)域地質(zhì)簡圖

下?lián)P子地區(qū)在三疊紀之前一直作為相對統(tǒng)一的海相沉積盆地，表現(xiàn)為震旦紀至早—中志留世為海相沉積，晚泥盆世至二疊紀為海相沉積到海陸交互相沉積的過渡期[9]。蘇皖南地區(qū)在茅口組沉積末期受東吳運動的影響，發(fā)生了大規(guī)模海退。吳家坪組沉積初期海水重新侵入，該地區(qū)淪為廣闊的濱淺?；驗I海沼澤環(huán)境，沉積了一套龍?zhí)督M含煤碎屑巖； 長興期沉積期再一次發(fā)生大規(guī)模海侵，發(fā)育大隆組深水盆地相[10]。晚三疊世至早白堊世，下?lián)P子地區(qū)中—古生界經(jīng)歷了印支—燕山運動的強烈擠壓改造和壓性盆地疊加，地層發(fā)生大規(guī)模的逆沖、褶皺，奠定了下?lián)P子區(qū)海相中—古生界構造樣式的基礎。印支—燕山運動對下?lián)P子地區(qū)海相原型盆地施加了強度較大的構造改造，對頁巖油氣的保存條件具有較大影響。

2 頁巖空間展布特征

2.1 垂向展布特征

研究區(qū)內(nèi)上二疊統(tǒng)泥頁巖出露面積不大，整體呈NE—SW向條帶狀分布?，F(xiàn)以皖南涇縣昌橋二疊系實測剖面說明垂向發(fā)育情況(圖2)。

昌橋剖面上二疊統(tǒng)發(fā)育完整，龍?zhí)督M(P3l)為一套海陸交互相含煤碎屑巖沉積，實測剖面真厚度177.74 m，根據(jù)巖性可分為3段： 下段主要發(fā)育粉砂質(zhì)泥頁巖、粉砂巖，有機碳含量整體不高； 中段發(fā)育數(shù)層細砂巖，局部夾黑色碳質(zhì)頁巖，為良好儲集層段； 上段主要發(fā)育灰黑—黑色粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖，夾數(shù)層煤層、煤線，泥頁巖連續(xù)發(fā)育厚度約76.7 m(包含煤層)，總有機碳(TOC，total organic carbon)含量極高，均大于4%，高值可達12%以上。龍?zhí)督M在蘇皖南地區(qū)泥地比普遍較高，比值多大于0.6，高值區(qū)可達0.8以上，為上二疊統(tǒng)暗色泥頁巖的主要發(fā)育層位。大隆組(P3d)為一套淺海臺地硅質(zhì)巖相沉積，實測厚度61.35 m，根據(jù)巖性可分為2段： 下段為硅質(zhì)頁巖夾薄層含碳泥巖，頁理、微裂隙發(fā)育，有機碳含量稍低； 上段以灰黑—黑色含碳頁巖為主，頁理發(fā)育，厚度約20 m，有機碳含量可達4%以上。昌橋剖面上二疊統(tǒng)泥頁巖厚度共計約110 m(包含煤層)，有利泥頁巖段位于龍?zhí)督M上段和大隆組上段。

圖2 皖南涇縣昌橋二疊系剖面柱狀圖

2.2 平面展布特征

根據(jù)露頭剖面和鉆孔資料編制了區(qū)域上二疊統(tǒng)泥頁巖厚度分布圖(圖3)。上二疊統(tǒng)泥巖在區(qū)域上總體由南西向北東方向增厚，3個沉積中心均位于中—東部，分別是宣城—南陵—涇縣地區(qū)、長興—湖州—常熟地區(qū)、常州—無錫地區(qū)，泥頁巖厚度均在80 m以上； 沉積中心之間的無錫—溧陽—溧水—蕪湖一帶，泥頁巖厚度40～60 m； 西南部的安慶—無為—馬鞍山—句容一線，泥頁巖厚度多小于40 m。在池州—涇縣—寧國—廣德—湖州一線以南被剝蝕，巖漿巖發(fā)育。埋深總體上由南向北逐漸增大，在南部見地層出露。

圖3 蘇皖南地區(qū)上二疊統(tǒng)泥頁巖厚度分布

3 有機地球化學特征

3.1 有機質(zhì)類型及豐度

測試結果表明，蘇皖南地區(qū)上二疊統(tǒng)有機質(zhì)類型以Ⅱ2—Ⅲ型為主，部分為Ⅱ1型。如涇縣昌橋大隆組黑色硅質(zhì)頁巖干酪根顯微組分以殼質(zhì)組(腐殖無定形體78%)為主，鏡質(zhì)組(無結構鏡質(zhì)體17%)和惰質(zhì)組(絲質(zhì)體5%)為輔，為Ⅱ2型干酪根； 長頁1井二疊系龍?zhí)督M泥頁巖干酪根碳同位素值分布在22.07‰～26.17‰，平均值23.47‰，以Ⅲ型為主； 涇頁1井龍?zhí)督M泥頁巖顯微組分以殼質(zhì)組為主(86%～92%)，其次為腐泥組(5%～12%)和鏡質(zhì)組(2%～3%)，主要為Ⅱ1型干酪根。

蘇皖南地區(qū)上二疊統(tǒng)的有機碳含量整體較高(表1)。從實測和搜集數(shù)據(jù)來看，龍?zhí)督M頁巖TOC含量均值普遍高于2%，最高可達15%以上； 大隆組普遍高于3%，最高可達9%以上。TOC含量均遠高于2%的有效頁巖下限，屬好—特好烴源巖。

表1 蘇皖南地區(qū)上二疊統(tǒng)有機碳含量數(shù)據(jù)統(tǒng)計

3.2 有機質(zhì)成熟度

從目前的勘探實踐來看，泥頁巖有機質(zhì)成熟度與其含油氣豐度有著密切關系。成熟度適中(2%～3%)有利于形成生烴高峰與有機孔隙大量發(fā)育的耦合，易于形成頁巖油氣富集[18]； 而過高的成熟度會導致有機質(zhì)發(fā)生炭化，有機孔隙大量衰減[19]，油氣會也由于長期演化而擴散。蘇皖南地區(qū)上二疊統(tǒng)有機質(zhì)成熟度差異較大，從過成熟—未成熟均有分布，總體上存在“中間低、兩邊高”的特點(圖4)。高值區(qū)域主要分布在南京—巢湖—銅陵—池州—安慶一線、沙洲—無錫地區(qū)及浙北的安吉—湖州地區(qū)，均值都超過2%，局部可達4%以上，處于高—過成熟階段，部分地區(qū)的高值可能與巖漿烘烤作用有關[13]。中部廣大地區(qū)Ro值在1.3%～2.0%，熱演化程度中等，為頁巖油氣富集有利區(qū)域，部分地區(qū)可能存在油、氣共存狀態(tài)，如寧國市附近的港地1井，大隆組泥頁巖成熟度范圍為1.08%～1.32%，均值為1.21%，處于“油氣共生”的中等成熟階段，鉆井油氣顯示較好，獲得了“上油下氣”新發(fā)現(xiàn)[20]。在北部的鎮(zhèn)江—丹陽及南部的廣德—長興一線，演化程度較低，普遍低于1.3%，處于低成熟階段。

圖4 蘇皖南地區(qū)上二疊統(tǒng)鏡質(zhì)體反射率(Ro)分布

4 頁巖儲集特征

4.1 礦物成分特征

廣德清元嶺村、長興金村、涇縣昌橋、長頁1井等剖面和鉆井樣品實驗結果分析表明，蘇皖南地區(qū)上二疊統(tǒng)泥頁巖礦物成分以石英和黏土礦物為主。黏土礦物含量最高(28%～94.1%)，石英含量次之(17.2%～49.3%，平均30.4%)。黏土礦物主要以伊利石、伊/蒙間層和高嶺石為主，含有少量綠泥石。其中伊/蒙間層含量12.4%～94.0%，平均43.4%； 伊利石含量為7%～88%，平均23.0%； 高嶺石含量為2.0%～45.0%，平均24.1%； 綠泥石含量為4.0%～26.0%，平均9.56%。

4.2 儲集物性特征

掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，區(qū)內(nèi)上二疊統(tǒng)泥頁巖微孔隙發(fā)育，主要為有機質(zhì)孔、礦物質(zhì)孔(包括黏土礦物孔、顆粒礦物粒間孔和粒內(nèi)/晶間孔)、次生孔/縫3類(圖5)。

(a) 灣沚鎮(zhèn)二疊系龍?zhí)督M泥巖有機質(zhì)孔 (b) 金村龍?zhí)督M泥巖黏土礦物孔 (c) 無為龍?zhí)督M泥巖礦物粒間孔

(d) 黃山龍?zhí)督M鈣質(zhì)泥巖粒內(nèi)孔 (e) 茅山龍?zhí)督M碳質(zhì)泥巖晶間孔 (f) 銅陵龍?zhí)督M碳質(zhì)泥巖微裂縫

圖5 蘇皖南地區(qū)龍?zhí)督M泥頁巖孔隙類型

Fig.5 Pore types of Longtan Formation shale in southern Jiangsu-Anhui Province

應用氣體吸附等溫線法測量的微孔分布特征結果顯示，區(qū)內(nèi)昌橋上二疊統(tǒng)剖面樣品比表面積范圍為12.04～18.60 m2/g(圖6(a))，經(jīng)過軟件擬合和數(shù)據(jù)計算，得到N2吸附孔隙體積為1.47～3.50 cm3/100 g，孔徑主要集中在2 nm左右(圖6(b))。與北美西加拿大沉積盆地泥盆系—密西西比系泥頁巖數(shù)據(jù)相似，說明研究區(qū)上二疊統(tǒng)泥頁巖具有較好的吸附能力[13]。涇頁1井上二疊統(tǒng)巖心測試數(shù)據(jù)與剖面極為相似，結果顯示孔隙以微小孔為主。頁巖比表面積在3.69～9.02 m2/g，平均為5.44 m2/g； N2吸附孔隙體積介于0.32～1.32 cm3/100 g，平均為1.23 cm3/100 g； BJH(一種孔徑分布計算方法，全稱為Barrett-Joyner-Halenda法)孔徑介于4.062～4.073 nm。

(a) BJH吸附累積孔隙面積 (b) BJH吸附dV/dD孔隙體積

圖6 昌橋剖面二疊系黑色碳質(zhì)泥巖典型樣品等溫吸附孔隙測試結果

Fig.6 Pore test results of Permian carbonaceous mudstone by isothermal adsorption in Changqiao section

5 含氣性顯示

研究區(qū)內(nèi)多口頁巖氣探井獲得了良好油氣顯示。其中蕪湖地區(qū)徽頁1井在二疊系氣測顯示活躍，氣樣組分以甲烷為主，高達93.11%。巖心含氣量一般為1.4～1.6 m3/t，含氣量顯示較好； 巖心微裂縫發(fā)育，浸水試驗有氣泡溢出。涇頁1井在龍?zhí)督M氣測顯示活躍，全烴值最高可達10%以上； 龍?zhí)督M巖心現(xiàn)場解析氣量0.01～9.33 m3/t，平均為1.75 m3/t(12個樣品)； 大隆組巖心現(xiàn)場解析氣量0.26～1.07 m3/t，平均值約為0.65 m3/t(3個樣品)，成分均以甲烷為主，點火可燃； 港地1井在上二疊統(tǒng)獲得了“上油下氣”式油氣顯示，氣測顯示活躍，大隆組全烴值20%～40%，最高約75.1%； 在大隆組發(fā)現(xiàn)頁巖油和頁巖氣顯示，含油層厚約30 m,頁巖氣層厚約70 m，巖心現(xiàn)場解析氣量0.5～1.2 m3/t； 在龍?zhí)督M發(fā)現(xiàn)煤層氣和致密砂巖氣顯示，含煤層氣層厚0.7 m，現(xiàn)場解析氣量7.49 m3/t,含致密砂巖氣層厚6.4 m，現(xiàn)場解析氣量0.49 m3/t[20]。

6 討論

6.1 不利因素探討

頁巖油氣是一種自生自儲的非常規(guī)天然氣藏，集烴源巖、儲層和蓋層等關鍵的成藏要素于同一套頁巖層。頁巖氣物質(zhì)基礎包括巖性、厚度、有機碳含量、熱成熟度、礦物組成等，直接影響并控制著頁巖的含氣量[19]。從物質(zhì)基礎的幾項評價指標來看，蘇皖南地區(qū)上二疊統(tǒng)頁巖油氣地質(zhì)條件整體較好： 巖性以暗色含碳/碳質(zhì)泥頁巖為主，含硅質(zhì)、粉砂質(zhì)并夾有煤層，具有良好的自生自儲條件； 泥頁巖厚度高值區(qū)面積大，且有機碳含量高，生烴條件較好； 頁巖物性特征良好，具有較好的孔隙特征和吸附能力，礦物成分對后期開發(fā)有利。

但在調(diào)查中也發(fā)現(xiàn)，蘇皖南地區(qū)上二疊統(tǒng)泥頁巖存在有機質(zhì)成熟度差異大的特點。外圍地區(qū)成熟度普遍較高，甚至受到巖漿活動影響，而部分地區(qū)有機質(zhì)還處于低成熟階段。成熟度演化的差異與頁巖的構造演化有著直接關系，反映出不同地區(qū)的頁巖沉積埋藏史、生排烴史、最大生氣時間等不盡相同，從而具有不同的頁巖油氣的保存和富集條件。另外，由于蘇皖南地區(qū)構造活動復雜，構造不均一性較強，也會導致頁巖的埋藏史、熱演化史、現(xiàn)今埋深和保存條件等特征變化較大，溫泉活動、地層水水型、地下水循環(huán)深度等能在一定程度上反映頁巖油氣的保存條件。

6.2 保存條件探討

隨著我國頁巖油氣調(diào)查的深入，油氣保存條件備受關注。目前對保存條件的評價集中在構造樣式與演化、蓋層、地層水、壓力等方面[19]。調(diào)查和研究結果表明，蘇皖南地區(qū)根據(jù)多期構造疊合與改造特征，可分為“印支期基底拆離C帶+喜山期坳陷帶疊合區(qū)”“印支期基底拆離C帶+喜山期隆起帶疊合區(qū)”2種類型，其中前者保存條件較好。區(qū)域上主要發(fā)育2套蓋層。其中三疊系發(fā)育青龍組膏巖層厚度約50 m，在部分地區(qū)存在厚度高值區(qū)； 白堊系發(fā)育浦口組泥巖，厚度約300 m。2套地層均具有一定的封蓋能力，對下伏上二疊統(tǒng)頁巖油氣的保存具有直接作用。區(qū)內(nèi)各鉆井不同層位的礦化度與水型均不相同，存在CaCl2、Na2SO4、NaHCO3等多種水型，反映本區(qū)整體水化學環(huán)境遭受過破壞改造。部分地區(qū)地層水總礦化度較低，反映與地表或地下潛水發(fā)生過溝通作用。研究區(qū)南部自中生代以來，巖漿、火山作用十分顯著，對有機質(zhì)的熱演化產(chǎn)生較大影響，部分地區(qū)由于受到巖漿烘烤作用，烴類保存較為有限。地表溫泉活動多，說明大氣水下滲深度大，可能導致深部與地表的溝通，不利于頁巖油氣的保存。因此本地區(qū)需要開展頁巖油氣保存條件的精細評估和調(diào)查工作，尋找保存條件較好的地區(qū)尋求突破。

7 結論

(1)蘇皖南地區(qū)在上二疊統(tǒng)發(fā)育龍?zhí)督M海陸交互含煤碎屑巖相沉積； 大隆組為淺海臺地硅質(zhì)巖相沉積，主要為暗色泥頁巖、黑色碳質(zhì)、硅質(zhì)頁巖，厚度20～100 m，有利區(qū)超過80 m； 有機質(zhì)類型以Ⅱ2—Ⅲ型為主，豐度高，具有良好的頁巖油氣物質(zhì)條件； 礦物含量和儲集特征均有利于后期開發(fā)。

(2)蘇皖南地區(qū)上二疊統(tǒng)頁巖熱演化差異大，成熟度影響了烴類的賦存狀態(tài)，在演化程度適宜的部分地區(qū)存在頁巖油氣共同富集狀態(tài)。成熟度差異反映構造演化差異，并反映油氣保存和富集條件。應開展埋藏演化史研究，在有利地區(qū)尋求突破。

(3)區(qū)內(nèi)發(fā)育2套區(qū)域蓋層，整體封蓋條件較好。但受構造條件、巖漿活動等影響，部分地區(qū)保存條件變差，水文地質(zhì)條件和地熱溫泉條件反映了這一現(xiàn)象。應在頁巖物質(zhì)基礎良好和熱演化適中地區(qū)開展保存條件精細評價，圈定頁巖油氣有利區(qū)。