下揚子巢湖地區二疊系大隆組頁巖特征及潛力分析

邱 岐

（中國石化石油勘探開發研究院無錫石油地質研究所，江蘇無錫 214126）

頁巖氣是指富含有機質、成熟的暗色泥頁巖或高碳泥頁巖中由于有機質吸附作用或巖石中存在著裂縫和基質孔隙，使之儲集和保存了一定具商業價值的生物成因、熱解成因及二者混合成因的天然氣［1］。頁巖氣和致密地層天然氣、煤層氣統稱為非常規天然氣。隨著人類社會對天然氣需求量的不斷增大和低碳經濟的需要，世界各國對非常規天然氣尤其是頁巖氣的勘探力度日益增大。前人研究表明下揚子地區頁巖厚度分布穩定、埋藏深度淺、有機質豐度高、成熟度高，是未來頁巖氣勘探的重要方向［2-3］，但目前國內海相頁巖研究主要是集中在四川盆地及周緣地區［4-6］，對下揚子尤其是巢湖地區頁巖的調查與研究相對較少［7］。本文通過相關野外剖面觀察，結合薄片鑒定與地球化學測試分析，對下揚子巢湖地區大隆組頁巖的特征及儲集條件進行分析，對頁巖氣潛力進行了初步評價，研究成果對下揚子巢湖地區大隆組頁巖氣藏的勘探具有重要的借鑒意義。

1 區域沉積構造背景

安徽巢湖地區在構造上屬于下揚子地區。下揚子地區位于揚子板塊的東北部，地理上位于長江下游地區，面積大約22×104km2［8］（圖1）。東部與東海相鄰，西部以郯廬深斷裂為界，東南部以江紹深斷裂為界與華夏地塊接觸［9-11］，巢湖地區地處下揚子海盆邊緣的深水陸棚上，古生代下揚子區基本上連續下沉，形成了較大厚度的沉積地層，也是頁巖氣資源的遠景目標［7-12］。

圖1 下揚子大地構造位置［17］

下揚子巢湖地區上二疊統大隆組泥頁巖發育廣泛，在形成背景為陸棚—盆地相區發育一套黑色碳質硅質泥頁巖建造；而在中部呈西南—北東向展布狹長斜坡區，因處碳酸鹽巖飽和補償面附近，受熱上升流影響主要發育一套泥晶灰巖沉積［13-17］。

馬家山剖面是巢湖地區大隆組典型的野外露頭剖面。出露地層為：二疊系上統龍潭組、大隆組、三疊系下統殷坑組，總地層厚度約29.8 m，其中大隆組厚約15 m。該剖面自下而上各組巖性特征表現為：大隆組（黑色頁巖夾硅質巖、灰色硅質巖、灰黑色碳質頁巖）與下伏龍潭組（灰黃色砂巖）地層呈整合接觸（圖2a），殷坑組（泥灰巖）與下伏大隆組呈角度不整合接觸（圖2b）。

圖2 馬家山剖面地層接觸特征

結合區域構造背景及海平面變化分析，可將大隆組劃分出一個三級層序（大隆層序），進一步識別出海進體系域（TST）、早期高位體系域（EHST）、晚期高位體系域（LHST）。海平面在海侵體系域時期有較大幅度變化，但在高位體系域時期非常穩定（圖3）。

圖3 馬家山剖面地層柱狀圖

2 大隆組巖性特征

通過野外露頭、巖石薄片以及礦物組成特征可以看出（表1），大隆組巖石類型可分為兩大類：泥頁巖和泥晶灰巖類。在垂向上巖石類型可分為三段：下段巖性主要以灰黑色薄層硅質、碳質頁巖為主；中段主要巖性為灰黑色頁巖，夾薄層灰黑色、深灰色碳質頁巖和硅質頁巖；上段巖石組合與下段相似，均為灰褐色碳質、硅質頁巖。具體各類特征如下所述。

表1 巢湖馬家山剖面大隆組全巖主量元素測試數據統計

2.1 碳質頁巖

碳質頁巖含有大量的碳化有機質，含碳量約為3%～15%，灰黑色，污手，常含有植物化石，頁理結構明顯（圖4a、4b）。在野外，碳質頁巖與黑色頁巖的明顯區別在于污手。由于有機質含量高，普通顯微鏡下觀察為泥質結構，無法分辨礦物組成成分（圖4c）；通過X衍射測試結果和XEM圖片觀察可以看出，大隆組的礦物成分有石英、長石、方解石、鐵白云石、菱鐵礦、黃鐵礦、黏土礦物等等，其中石英質量分數含量最高，其分布范圍為40%～51.2%，平均值為44%；碳質頁巖黏土礦物組成伊利石含量最高，分布范圍為29%～45%，平均值為38%；綠泥石分布范圍為16%～22%，平均值為20%；高嶺石含量分布范圍為15%～28%，平均值為20%；伊/蒙混層含量分布范圍為15%～22%，平均值為17.7%。通過掃描電鏡能譜圖對比發現，有機碳主要賦存在黏土礦物上；在碳質頁巖中可見納米級孔隙（圖4d）。

圖4 碳質頁巖野外及鏡下照片特征（樣品號：Mjs-P2d-1-1，見表2）

2.2 硅質頁巖

硅質頁巖為黑色，質地堅硬，SiO2的平均含量為58%～60%，頁理發育（圖5a），鏡下可見碎屑礦物具一定的定向性（圖5b），通過X衍射分析和掃描電鏡觀測石英為隱晶質，含量高達85%，含少量的黏土礦物及副礦物黃鐵礦，并發育微小孔隙（圖5c、5d）。草莓狀黃鐵礦的發育可反映出硅質頁巖的沉積環境為還原的深水陸棚—盆地環境。

圖5 硅質頁巖野外及鏡下照片特征（樣品號：Mjs-P2d-2-1，見表2）

2.3 硅質泥巖

該巖相野外呈層狀產出，新鮮巖石顏色為灰黑色、黑色，部分表面風化呈褐黃色，質地堅硬（圖6a）。通過X衍射分析表明，SiO2含量高達70%，其次為黏土礦物，并發育草莓狀黃鐵礦（圖6b），反映當時的沉積環境為厭氧環境。

圖6 黑色硅質泥巖野外典型照片及顯微特征（樣品號：Mjs-P2d-3-8，見表2）

2.4 全巖主量元素特征

通過對巢湖馬家山剖面大隆組10個樣品的全巖主量元素特征分析（表1）可以看出：馬家山剖面大隆組巖石主量元素主要以SiO2、Al2O3為主，其中SiO2質量分數含量51.23%～70.99%、Al2O3含量為8.69%～15.71%，其次為Fe2O3、K2O、CaO，含量均在0.29%～11.07%之間。

從元素的垂向分布序列自下而上來看（圖3），大隆組主量元素的SiO2含量在海進體系域發育初期最高，向上至最大海進期和早期高位期逐漸減少，晚期高位期又略有增加的趨勢，Al2O3含量變化與之呈負相關關系。

多種分析結果認為，整體上SiO2、Al2O3含量構成了該套頁巖的主量元素。

3 頁巖品質評價

3.1 頁巖生油氣性質

3.1.1有機質豐度

巢湖馬家山剖面大隆組15個樣品的巖石熱解測試分析結果如表2所示，整體上有機質豐度及生烴潛量均很高，可以作為好烴源巖，TOC分布范圍5.51%～13.9%，平均值為9.54%，其中海進域TOC含量最高；生烴潛力分布范圍4.02～14.09 mg/g，平均值為8.71 mg/g。

表2 馬家山剖面大隆組巖石熱解測試數據統計

3.1.2有機質類型

范氏圖解可以用來區分干酪根類型。其中Ⅰ型、Ⅱ1型和Ⅱ2型趨于生油，Ⅲ型趨于生氣。圖7顯示的是馬家山剖面數據，可以看到，HI含量很低，屬于Ⅲ型干酪根，為“腐殖型”有機質，存在趨于生氣的可能性。

3.1.3有機質成熟度

本次研究采集巢湖馬家山剖面鏡質組反射率（Ro）送檢結果如表3所示。大隆組氣源巖均處于成熟階段。最高熱解峰溫也顯示大隆組氣源巖均處成熟階段（表3）。

3.1.4綜合分析生油品質

對影響巢湖馬家山剖面大隆組氣源巖氣源條件的6項主要參數進行成圖，即沉積環境—有機質豐度TOC—有機質類型—氣源巖厚度—生烴潛力（S1+S2）—熱演化成熟度Ro六角端元圖（圖8），可以看出，影響氣源的6個因素，指標越好所圍成的面積就會越大。綜合分析表明，馬家山剖面大隆組氣源條件較好，其中以海侵體系域和早期高位體系域氣源條件最好，其次為晚期高位體系域。

圖8 馬家山剖面大隆組氣源巖氣源條件多參數綜合評價

3.2 物性及孔隙特征

馬家山剖面大隆組物性只有1個樣品（Mjs-P2d-3-7）進行了測試（結果僅具有參考意義）。其孔隙度值為0.476%，滲透率在0.001×10-3μm2，具有特低孔、特低滲的致密特征。此外，結合前人的研究，認為大隆組儲層的儲滲空間可分為基質孔隙和裂縫。基質孔隙有晶間孔隙、微裂（孔）隙和不穩定礦物（如長石、方解石）溶蝕形成的溶蝕孔等。

3.3 巖石力學特征

通過馬家山、昌橋剖面大隆組不同體系域不同巖石類型8個抗壓強度樣品和13個巖石密度測試數據（表4）可以看出：大隆組各類巖石的密度差異性較小。馬家山剖面以早高位期巖石密度略高，其密度范圍為2.506～2.679 g/cm3，海進域和晚高位域相當，其密度范圍分別為：2.445～2.502 g/cm3和2.467～2.497 g/cm3；昌橋剖面海進域2個樣品其密度范圍為2.572～2.573 g/cm3，早期高位域密度范圍為2.65～2.37 g/cm3，向上減小。巖石抗壓強度值各樣品中變化也較小，其值變化在2 169～2 874 kg/cm2。

表4 大隆組氣源巖抗壓強度和密度測試結果統計

3.4 儲集條件綜合評價

在上述基礎上，討論了巢湖馬家山剖面大隆組氣源巖儲集條件的6項主控參數：

①脆性元素含量（SiO2+CaO+MgO）；②脆性礦物含量（石英+方解石+白云石）；③孔隙度；④滲透率；⑤抗壓強度（六角端元圖）；⑥成巖程度（I/S混層中S含量）（圖9）。

圖9 馬家山剖面大隆組氣源巖儲集條件多參數綜合評價端元分析

綜合判定結果表明：馬家山剖面的大隆組層序中儲集條件海進體系域為最好，早期高位和晚期高位體系域中的氣源巖儲集條件相當。

4 結論

結合氣源、儲層、可壓性等評價，參照頁巖氣評價標準，對巢湖地區大隆組頁巖氣開展了初步的總體評價，形成了如下認識：

（1）巢湖地區大隆組巖石組合主要分為碳質頁巖類、硅質頁巖類和硅質泥巖類三種，其中碳質頁巖類和硅質頁巖類是比較優質的巖相組合。

（2）氣源條件分析認為大隆組整體有機質豐度高、有機質成熟度適中，海侵體系域和早期高位體系域氣源條件最好。

（3）物性參數、脆性元素組合、脆性礦物含量、抗壓強度等參數顯示儲集條件海進體系域為最好。

（4）綜合評價認為大隆組中下部氣源條件良好（海進體系域），有望成為該區頁巖氣的潛在勘探目標。