浙江臨安地區下寒武統荷塘組頁巖氣地質條件與勘探前景

劉章平,王俊濤,周存亭,耿曉光,王　松

(1.安徽省地質礦產勘查局332地質隊,安徽 黃山　245000;2.安徽省地質調查院,安徽 合肥　230001)

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浙江臨安地區下寒武統荷塘組頁巖氣地質條件與勘探前景

劉章平1,王俊濤2,周存亭2,耿曉光2,王松2

(1.安徽省地質礦產勘查局332地質隊,安徽 黃山245000;2.安徽省地質調查院,安徽 合肥230001)

摘要:通過野外實地觀察、樣品采集及系列實驗分析發現,浙江臨安地區下寒武統荷塘組頁巖在研究區分布廣泛,沉積厚度大(約150～300 m),有機質豐度高(wTOC為0.22%～13.56%),熱演化程度較高(Ro為3.23%～5.22%),達過成熟階段,滿足頁巖氣富集條件;儲存孔隙以微孔為主,面孔率小于1%,微細孔隙不發育,等溫吸附實驗測得吸附質量體積為0.88～4.97 m3/t,平均為3.05 m3/t,表明研究區頁巖具有較強的吸附能力。同時研究認為,后期改造相對較弱的地區應該是該區頁巖氣勘探開發的有利區。

關鍵詞:頁巖氣;浙江臨安;荷塘組;地質條件

近年來,由于美國頁巖氣藏的成功開發,引發了全球對頁巖氣勘探的重視和熱潮[1],加快頁巖氣資源勘探開發,已成為世界主要頁巖氣資源大國的共同發展目標[2]。我國頁巖氣資源量豐富,據美國能源信息署(EIA)2011年發布的全球32個國家頁巖氣資源的初步評估,中國的頁巖氣技術可采資源量居世界首位[3]。我國廣泛分布富有機質泥頁巖,分布范圍涵蓋上揚子及滇黔桂區、中下揚子及東南區、華北及東北區、西北區和青藏區等5大區[4]。其中,南方古生界被認為是我國最具頁巖氣勘探潛力的地層[5-8]。近年來,中國在上揚子地區的四川盆地及周緣地區頁巖氣勘探獲得突破[9],而對下揚子區頁巖氣形成地質條件研究較少[10-11],尤其是浙西北下揚子地區頁巖氣的研究程度較低。浙西北地區在構造上屬于下揚子地塊。下揚子地區經歷了多期次的構造運動,地層情況復雜,保存條件較差,不利于常規油氣藏的形成。由于頁巖氣具有自生自儲的特點,對保存條件要求相對較低,且該地區下寒武統荷塘組泥頁巖有機質含量較高,厚度大,熱演化程度高,分布面積廣且分布較為連續,使得其具有較好的頁巖氣資源潛力。研究表明,浙西北地區古生界富有機質泥頁巖分布廣泛,總有機碳(total organic carbon,TOC)含量較高,具備成烴物質基礎。因此,開展該區塊頁巖氣地質條件的研究具有重要的理論和現實意義。

1區域地質概況及荷塘組沉積特征

浙江臨安頁巖氣區塊是國土資源部第二輪頁巖氣探礦權招標區塊之一,探礦權總面積580.09 km2。其中基巖面積占90%以上,其余為第四系分布區。區塊位于浙、皖兩省交界地區,主體位于浙江省臨安市昌化、龍崗及島石,如圖1所示。臨安地區大地構造處于下揚子陸塊臺褶帶,位于績溪—寧國深大斷裂(皖浙贛大斷裂)東南、江山—紹興斷裂西北。該區南華紀—志留紀地層發育齊全,層序清楚。區內燕山期巖漿活動十分強烈,而且具多期多階段特點。

圖1　區塊交通位置圖

寒武紀起,古地殼從北西向南東以及南西向北西抬升,昌化—安吉一帶為殘留海盆。由于晚震旦世為濱海潮坪沉積,海水淺,溫度適當,為寒武紀初期的生物“大爆炸”奠定了基礎。寒武紀初期,大規模海侵開始,于江山、桐廬、淳安、蕭山一帶發生了淺海相磷塊巖沉積,除海水淺、氣候適中外,還為生物的發展提供了大量營養物質,以致造成“小殼動物”大爆炸,形成了梅樹村期的小殼動物群,從這一時期開始,由于生物的輻射演化,開創顯生宇的新時代。

早寒武世荷塘早期,地殼沉降加劇,以拉伸作用為主,地貌總體仍然保持了兩高夾一低的格局。北東部余杭和南西部江山地區演化為深水陸棚沉積區,向南西和北西依次為次深海盆地—深海盆地的相帶分布。區塊位于沉積中心,以次深海盆地硅泥質沉積為主[12]。

早寒武世荷塘晚期,海水再次入侵,北東部杭州—余杭地區仍然保持了深水陸棚沉積環境,往南西依舊呈現出由深水陸棚—次深海盆地—深海盆地的古地理格局;南西部江山—常山一帶,此時亦淪為深海盆地沉積。上述現象表明,該時期由于江山—紹興斷裂的構造沉降作用,致使余杭—富陽一帶呈北東向“舌狀”的水下隆起特征初步顯現,相帶界線均沿水下隆起兩側呈對稱分布,同時亦使江山一帶相對下降,接受了深海盆地的沉積[12]。區塊以深海盆地的炭質、硅質泥巖沉積為主。

2荷塘組暗色泥頁巖發育特征

研究區荷塘組暗色泥頁巖極其發育,其泥頁巖含量最高可占整個荷塘組巖石類型的80%,區域上分布在區塊西北和西南的廣大區域;區內分布較少,整體上呈北東—南西向條帶狀分布,其中,以區塊西部浙基田出露較為完整。

2.1荷塘組分布

早寒武世荷塘組主要由黑色炭質硅質泥頁巖組成,局部地區夾少量石煤、硅質泥巖、粉砂巖、灰巖等。黑色巖系的顏色隨著成分的變化,特別是炭質、硅質、鈣質成分的變化而呈深灰色、淺灰色、灰白色等。硅質含量較低時,硬度變小,均質性變差,主要礦物組合為石英、伊利石和黃鐵礦、方解石等。

早寒武世分布于整個研究區,僅南部見小范圍的剝蝕。總體上看,早寒武世北西高,南東低,部分地區甚至出露地表,剝蝕殆盡。研究區西北部,構造線走向呈北東方向,巖層整體呈向南東傾斜的斜坡。區內斷裂構造發育,構造變形劇烈,發育眾多疊加褶皺,多數地層產狀陡峭,局部地層傾角超過60°。

依據實測剖面數據,區塊北西一帶荷塘組厚約150m,西部厚約120 m,南部厚度大于200 m,區塊中部應為沉積中心,推測超過300 m,向北西和南東變淺,總體上呈現中部厚、兩邊薄的頂厚向斜構造。荷塘組等厚圖如圖2所示。

圖2　浙江臨安區塊下寒武統荷塘組等厚圖

2.2荷塘組厚度及巖礦特征

在浙江省臨安馬嘯一帶荷塘組厚130～165 m。以浙基田剖面為代表,實測剖面如圖3所示,地層剖面特征如下:

下部為黑色石煤、粉砂質泥巖、含炭質硅質頁巖夾磷硅結核及泥灰巖透鏡體;厚約20～30 m。

上部為深灰、灰黑色薄層硅質頁巖、硅質泥巖、炭質硅質巖、含炭質硅質泥巖夾含炭質頁巖及少量硅磷結核。普遍含黃鐵礦晶粒或結核,呈浸染狀和細紋狀。走向上常夾20cm大小的中薄層含炭質白云質灰巖及白云質灰巖球體,下部常見薄的磷礦層。厚約110～135 m。

在浙江省臨安市昌化—安吉葉坑塢一帶,厚261 m。下部為灰黑、黑色含炭質硅質頁巖、炭質硅質頁巖夾硅質巖,底部夾石煤及磷結核層,下部偏上夾灰黑色薄層含炭質微晶灰巖;上部為黑色薄層含炭質頁巖、含炭硅質頁巖和頁巖。

浙江省余杭—富陽一帶巖性與臨安馬嘯一帶相同或相近,底部含0.2～0.6 m的磷塊巖或富磷結核層,灰巖類相對增多。

圖3　臨安市峽口鎮浙基田寒武系地層實測剖面圖

2.3儲集物性特征

荷塘組頁巖樣品X射線衍射實驗顯示,頁巖中普遍含有伊利石、綠泥石等黏土礦物,脆性礦物以石英和碳酸鹽礦物為主,部分層位含鉀長石及黃鐵礦。

脆性礦物質量分數為26.4%～80.5%,其中石英為24.9%～79.2%,平均為57.1%。以石英為主的脆性礦物有利于頁巖氣的后期壓裂,而黏土礦物含量對吸附有直接影響。

荷塘組薄片的電鏡掃描圖像如圖4所示,從圖4中可以看出,巖石成分以泥質為主,碎屑少,巖石內孔隙少量,以微孔為主,面孔率小于1%,泥質形態不規則,其間碎屑顆粒少,微孔少,泥質、硅質等結合較緊密,部分微細孔隙內充填少量針狀礦物結晶,泥質成分以伊利石為主,微細孔隙不發育。

圖4　荷塘組孔隙特征

3暗色泥頁巖有機地球化學特征

荷塘組暗色泥頁巖的有機碳含量高,平均質量分數在2%以上,煤和暗色泥巖有機質類型以Ⅲ型為主,含少量Ⅱ型有機質,有機質演化主要處于高成熟度階段。

3.1有機質類型

有機質類型劃分的常用指標是熱解參數(氫指數IH)、干酪根元素比值(H/C)和干酪根碳同位素組成。本次工作運用生物標記化合物分布特征判別有機質類型,常用的方法有2種:一種是利用原油和抽提瀝青中的飽和烴色譜定性判定識別烴類的主要生源和母質類型;另一個是依據C27、C28、C29甾烷的相對組成判定識別有機質類型的生烴指數,C27甾烷主要來源于水生生物,而C29甾烷則主要來源于高等植物。

在臨安區塊區域上取樣,對其中21個樣品作了飽和烴色譜-質譜分析測試。荷塘組各樣品的飽和烴色譜圖如圖5所示,由圖5可知,荷塘組的正烷烴氣相色譜大多是后高單峰型,但主峰碳數以C25為主,由此可得出荷塘組有機質主要來源于高等植物,水生低等生物貢獻小。有機質類型為Ⅲ,是腐殖型,以生氣為主。

同時對于荷塘組氯仿瀝青“A”中族組分的分析表明,飽和烴質量分數為6.98%～11.76%,平均值為8.56%;飽/芳值為0.6%～1.5%,只有個別為大于1.0%;非烴+瀝青質的質量分數為66.67%～75.00%,平均值為71.08%,綜合判斷荷塘組干酪根類型以Ⅲ型為主,含部分Ⅱ2,為腐植腐泥型。

圖5　荷塘組黑色泥巖中飽和烴氣相色譜圖

3.2有機碳含量及分布

有機質豐度是評價烴源巖的最基礎指標。在正常熱演化條件下,總有機碳(TOC)含量、氯仿瀝青“A”、生烴潛力和總烴是評價烴源巖有機質豐度的常規指標,但高熱演化條件下,氯仿瀝青“A”和生烴潛力2個指標通常失效,總有機碳含量成為評價烴源巖及其生烴潛力最主要指標。

有機碳含量是頁巖氣聚集成藏最重要的控制因素之一,不僅控制著頁巖的物理化學性質,包括顏色、密度、抗風化能力、放射性和硫含量,也在一定程度上控制著頁巖裂縫的發育程度,更重要的是控制著頁巖的含氣量。

本次研究樣品采自臨安區塊外圍露天剖面,樣品涵蓋了所測剖面及部分露頭中暗色巖系,采樣重點是剖面中的黑色頁巖。樣品共采集121件,主要剖面(地區)wTOC統計見表1所列,wTOC平面分布如圖6所示。

有機碳的測試工作在長江大學地球化學實驗室完成,分析采用CS-200碳硫分析儀,檢測依據文獻[13]。

分析測試結果表明,野外露頭荷塘組黑色頁巖有機炭含量較高,wTOC約為0.22%～13.56%。區塊內島石一帶,樣品wTOC多集中在0.21%～4.47%區間內,平均為0.97%,其中大于1%以上的樣品占到了55%以上;區塊以西浙基田剖面所采集樣品的wTOC高達13.56%,致使本區平均值為3.73%,其中大于2%的樣品占到了68.8%,所有荷塘組的泥頁巖是優質烴源巖;區塊以南塘里一帶荷塘組樣品wTOC集中在0.15%～11.7%,平均為3.56%,其中大于2%的樣品占到了70%。區域上采集散點樣品平均值均大于2%。

綜上所述,臨安地區早寒武世荷塘組頁巖wTOC平均為2.87%,整體上為好的含氣頁巖。但由于采樣及送樣過程中均挑選了巖性較為有利的頁巖樣品進行實驗分析,由此獲得的測試結果較高,故對該區有機碳含量的分析結果產生了一定程度的影響。

表1　臨安地區主要剖面(地區)荷塘組wTOC統計

注:*數據來自文獻[14]。

研究區外wTOC高值區位于區塊以西浙基田和區塊以南塘里等地(圖6),wTOC平均值除島石地區外,均大于2.5%,特別是浙基田和塘里等剖面,具有較好的生氣基礎;區內因無荷塘組出露,故從周緣樣品推測,從巖相古地理的方面分析,區塊中心一帶為沉積中心,推測其為有機碳的高值中心,wTOC在5.0%～6.0%,往北西和南東分別減小;低值區位于研究區島石以北一帶,wTOC平均值小于2.5%,相比于研究區其他地方,頁巖有機質豐度相對較低。

圖6　臨安地區下寒武統荷塘組wTOC平面分布圖

3.3氯仿瀝青“A”

氯仿瀝青“A”是指巖石中氯仿(CHCl3)抽提的可溶有機質,即巖石中由有機質已經生成的物質,包括飽和烴、芳烴、膠質和瀝青質,它反映了沉積巖中可溶有機質的含量,通常用占巖石質量的百分數來表示。通常氯仿瀝青“A”質量分數低于0.01%為非生油巖,0.1%～0.2%為好的生油巖。

根據浙江臨安地區區域上頁巖樣品的抽提分析資料,樣品中的氯仿瀝青“A”的質量分數普遍都小于0.01%,基本不反映有機質豐度,但反映了泥頁巖的演化程度較高。

3.4有機質成熟度

表征有機質成熟度的常用指標是鏡質體反射率(Ro)和熱解峰頂溫度(Tmax),也可以用光學、化學和生物標記等方面的參數。有機質演化可分為未成熟、低成熟、高成熟和過成熟4個階段。

樣品鏡檢結果顯示,荷塘組有機質組分以固體瀝青為主,其等效鏡質體反射率(根據Ro=0.618Rb+0.40計算)約為3.23%～5.22%,均已超過“生氣窗口”,說明荷塘組頁巖有機質演化已達過成熟階段。

4頁巖氣勘探方向

根據美國和我國頁巖氣開采經驗,頁巖厚度最小為15 m,有機質豐度較低的則要求頁巖厚度達到30 m。臨安地區荷塘組泥頁巖厚度一般大于150 m,wTOC平均值也達到了2%以上,烴源物質豐富,滿足了頁巖氣形成富集的條件。

對研究區荷塘組野外露頭的黑色頁巖進行等溫吸附實驗,結果顯示,在30 ℃下,黑色頁巖的吸附氣質量體積較高,為0.88～4.97 m3/t,平均為3.05 m3/t,平衡水含水率為1.85%～2.01%,最大吸附氣質量體積對應的測試壓力為8.68～11.01 MPa,如圖7所示。同一層位,有機質豐度不同的頁巖吸附氣質量體積不同,整體上為有機質豐度越大,吸附氣質量體積越高(圖7)。整體來看,野外露頭荷塘組吸附能力強,具體要根據鉆井中巖層的現場含氣量判定。

浙江臨安地區盡管暗色泥頁巖分布較廣,有機碳含量高,但不容忽視的一個問題是,與上揚子和周邊地區相比,該地區構造運動十分強烈,地層重復、倒轉、褶皺現象十分普遍。因此,在勘探過程中,應該在構造改造強烈的背景下,尋找構造活動相對較弱的區域進行勘探。按地形、地貌條件、地層出露情況,頁巖氣目的層段生、儲、蓋等綜合條件以及勘查施工難易程度等條件,區塊內可劃分出幾個有利的區塊。

首先是區塊內島石地區,位于島石鎮一帶,南東為清涼峰—西天目山火山巖盆地覆蓋。勘查主要目的層為下寒武統荷塘組,兼顧上震旦—下寒武統皮園村組。出露地層為中寒武統楊柳崗組、上寒武統華嚴寺組、上寒武至下奧陶統西陽山組、下奧陶統印渚埠組。褶皺構造為傾向北東向的寬緩向斜,斷裂構造不發育。荷塘組構成褶皺的翼部,穩定分布,抬升幅度相對較小,保存條件相對較好,具備頁巖氣成藏的可能性。同時地形切割較強烈,交通條件尚可。

圖7　荷塘組黑色頁巖等溫吸附曲線

其次是火山巖區塊,選擇在火山巖盆地南東瀝溪地區。出露地層主要為下白堊統黃尖組,覆蓋于學川—白水灣復背斜地層之上。根據最新物探資料結果,地震剖面上還取得清晰的侏羅系底界反射,推測火山活動并未對包括荷塘組目的層的下古生界地層造成較大破壞,對于本區頁巖氣后期勘探及開采較有利。

5問題與討論

浙江臨安地區荷塘組泥頁巖雖然分布較廣、厚度較大,但在勘探開發過程中仍然存在著一些問題:

(1)下揚子地區具有獨特的地質演化特點,特別是自印支運動以來,遭受了比上揚子更強烈的后期改造,研究區原型盆地被強烈改造,斷裂破碎、沖斷推覆、抬升剝蝕、火山活動和巖漿侵入等不僅對早期頁巖氣藏的改造作用強烈;同時地層多重復破碎,這在臨參2井中得到證實,在構造復雜區,頁巖氣的保存條件是成藏富集的關鍵因素,泥頁巖早期生成的頁巖氣能否保存并富集成藏,還要勘探實踐來驗證。

(2)臨安地區燕山期火山活動強烈,大面積的火山巖,對有機質的熱演化產生了較大影響,使得荷塘組泥頁巖有機質熱演化程度差異較大,其中在臨安很多地區荷塘組泥頁巖處于過成熟演化階段,現階段對高演化程度的地區是否有頁巖氣藏,認識程度很低,這給臨安地區頁巖氣前景分析和勘探提出了新的問題和挑戰。

(3)總體上,臨安地區頁巖氣勘探和研究程度低,對頁巖氣成藏基本條件的認識也不足,因此該區荷塘組的頁巖氣資源潛力有待進一步分析。

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(責任編輯張淑艷)

Shale-gas geological conditions and exploration prospect of Hetang formation in Lin’an,Zhejiang Province

LIU Zhang-ping1,WANG Jun-tao2,ZHOU Cun-ting2,GENG Xiao-guang2,WANG Song2

(1.The 332 Geological Team of Bureau of Geology and Mineral Exploration of Anhui Province,Huangshan 245000,China;2.Geological Survey of Anhui Province,Hefei 230001,China)

Abstract:Based on the field observation,sampling and lab analysis,it is found that the shale sediment of the Hetang formation of Lower Cambrian in Lower Yangtze region of West Zhejiang Province is widely distributed in the Lin’an area,and possesses better hydrocarbon potential. The sediment thickness is 150-300 m,organic carbon content wTOCis 0.22%-13.56%,and thermal evolution degree Ro is 3.23%-5.22%.The reservoir pores are small,poorly developed and less than 1%. The result of isothermal adsorption experiment shows that the shale in study area has strong adsorption ability of gas,and the adsorbed gas can reach 0.88-4.97 m3/t,averaging 3.05 m3/t. The area with weak tectonics deformation and structural destruction should have great potential of shale-gas resource,and be priority of shale-gas exploration and development in the Lin’an area.

Key words:shale-gas;Lin’'an，Zhejiang Province;Hetang formation;geological condition

收稿日期：2015-05-15；修回日期：2015-11-30

基金項目：中國地質調查局地質調查資助項目(12120114019801);安徽省地質礦產勘查局科技資助項目(KJ2012-01)

作者簡介：劉章平(1965-),男,安徽池州人,安徽省地質礦產勘查局高級工程師.

doi:10.3969/j.issn.1003-5060.2016.06.025

中圖分類號:P618.130.2

文獻標識碼：A

文章編號：1003-5060(2016)06-0842-07