蘇北地區下寒武統幕府山組頁巖氣勘探前景

劉小平 潘繼平 劉東鷹 段宏亮董清源 董 謙 章 亞 孫雪嬌

（1.中國石油大學 油氣資源與探測國家重點實驗室，北京102249；2.國土資源部 油氣資源戰略研究中心，北京100034；3.中國石化江蘇油田分公司 地質科學研究院，江蘇 揚州225009）

受復雜地質背景和多階段演化過程的影響，中國含油氣盆地類型多、結構復雜，盆地的不同演化規律直接控制著富含有機質泥頁巖的發育與分布[1]，與美國的頁巖氣地質條件和分布特點存在較大差異，因此，在學習和借鑒美國成功經驗的同時，更要加強對具有中國地質特點的頁巖氣形成與富集規律的研究，以期指導中國特殊地質環境下的頁巖氣勘探與開發。

中國頁巖氣勘探開發才剛剛起步，對各盆地富有機質泥頁巖的發育及其頁巖氣潛力等研究程度不均，目前主要集中在上揚子地區[2－4]；對于海相泥頁巖同樣發育的下揚子地區，則缺乏相應的調查與研究工作[5]。前人研究表明，下揚子地區古生界富有機質泥頁巖分布較廣泛，有機碳含量（TOC）較 高[6，7]，具備雄厚的成烴物質基礎[8]。蘇北地區古生界位于揚子準地臺東北部的下揚子區，古生界富有機質泥頁巖主要分布于下寒武統、上奧陶統－下志留統、二疊系這3套地層中[8]。作者通過野外地質調查、巖心觀察、老井復查、分析測試及模擬實驗等方法手段，對蘇北地區下寒武統幕府山組富有機質泥頁巖的有機地球化學特征、儲層特征及含氣性等開展初步研究，并探討其頁巖氣勘探前景。

1 區域地質概況

1.1 構造演化

下揚子區是一個經歷了多期構造運動改造的疊合盆地，2種構造體制、2個世代盆地造就了下揚子地區復雜的構造格局[9]。大致以中晚三疊世為界，大地構造演化可劃分為海相盆地演化（Z—T2）及陸相盆地演化（T3—Q）兩大階段[10]。自晉寧運動Ⅱ幕華北—揚子—華夏地塊拼接形成古中國大陸以來，下揚子區即已進入陸內演化階段，先后發育了晚震旦—晚志留世陸緣海盆地、晚泥盆—早三疊世陸表海盆地、中三疊—中侏羅世陸相前陸盆地、晚侏羅—早白堊世陸相火山巖盆地和晚白堊世—第四紀陸相斷拗盆地共5期不同性質的盆地，形成了受多期構造運動改造與疊加的疊合盆地[11，12]。

1.2 地層與沉積特征

晚震旦世開始，下揚子區已經成為一個穩定的克拉通邊緣海沉積盆地，震旦紀至早古生代，海相沉積建造以碳酸鹽巖沉積建造為主。這一時期的海相沉積主要以南京為代表的大型臺地和其兩側發育的深水盆地為基本沉積格局。中央臺地以碳酸鹽巖沉積為主，其兩側的深水盆地以黑色泥巖、硅質巖和暗色碳酸鹽巖沉積為主，富含有機物質，從而形成了區內第一套富有機質泥頁巖層系幕府山組／荷塘組[13，14]。早寒武世幕府山組沉積期是下揚子區的最大海侵時期，含軟舌螺、三葉蟲、腕足類化石，受“一臺兩盆”沉積格局影響，蘇北地區主要發育陸棚－盆地相碳質、硅質頁巖，其巖石組合以灰黑色、黑色泥巖、硅質頁巖、碳質頁巖及石煤層為主。幕府山組的巖性由上下兩部分組成，上部為一大套白云巖，局部夾薄層紫色及黑色泥巖；下部系一套黑色泥巖，致密、性硬，局部含白云質和硅質泥巖。

幕府山組的標準剖面位于南京的幕府山（圖1），剖面自下往上碎屑物質減少，碳酸鹽成分增加，普遍含磷，其巖性可分為上、下兩段：下段以淺灰、灰黃色頁巖（砂質）為主，夾灰黑色硅質頁巖、硅質巖、黑色碳質頁巖及石煤層，頂部常夾透鏡狀灰巖或泥質巖，底部局部為含鐵、含礫砂巖和砂質泥巖，厚度為12～109m；上段以灰、灰白色白云巖為主，夾硅質頁巖或泥巖，上部含磷，含三葉蟲（Redlichiasp.，Paokanniasp.）、腹足類及腕足類碎片，厚度為67m。

圖1 南京幕府山地區幕府山組野外露頭照片Fig.1 Outcrop photographs of Mufushan Formation in the Mufushan area of Nanjing

1.3 泥頁巖厚度與分布

蘇北地區下寒武統富有機質泥頁巖主要發育于幕府山組下部，沿北東向展布，厚度一般在50～200m之間，沉積中心位于泰州、高郵、溱潼、海安地區。目前有7口探井鉆遇幕府山組泥頁巖。泥頁巖累計厚度最大可達343m，單層厚度為1～126.5m。其中X15井在2 947.5～3 074m井段間的單層泥巖厚度最大，為126.5m。泰州凸起上的S1井及黃橋地區H2井均揭示幕府山組暗色泥巖，其中S1井幕府山組暗色泥頁巖厚達122 m。幕府山組泥頁巖埋藏較深，根據鉆井資料，一般頂界埋深在2.5～4.0km之間；在凸起部位埋藏較淺，如H2井幕府山組泥頁巖頂界埋深為1 838m（表1）。

表1 蘇北地區下寒武統幕府山組泥頁巖埋深、厚度數據Depth and thickness data of the mud shale from Lower Cambrian Mufushan Formation in northern Jiangsu

2 泥頁巖有機地球化學特征

2.1 有機質類型與豐度

幕府山組黑色泥頁巖為還原－強還原富藻黑色頁巖相，干酪根類型主要為Ⅰ型和Ⅱ1型。通過對36個樣品有機碳含量測試數據的統計分析表明（由于蘇北地區鉆遇幕府山組泥頁巖探井較少，部分樣品采自于蘇南地區野外露頭），幕府山組黑色泥頁巖有機質十分富集，有機碳的質量分數（TOC）最小值為0.66%，最大值為12.1%，平均值為3.32%，有機碳質量分數＞1%的樣品比例達92%（圖2）。其中，S1井幕府山組泥頁巖在2 701.24～2 701.8m井段有機碳的質量分數為3.54%～4.40%，平均值為4.18%；在3 492.78～3 496.70m井段有機碳的質量分數為2.36%～4.67%，平均值為3.40%；H2井幕府山組泥頁巖在1 881.36～1 886.30m井段有機碳的質量分數為2.75%～3.19%，平均值為2.88%。全椒地區露頭下寒武統泥巖有機碳的質量分數為5.67%，石臺—寧國地區露頭下寒武統泥質巖中90%的樣品中有機碳的質量分數＞1%，最高可達12.1%。

圖2 蘇北地區及周邊下寒武統泥頁巖有機碳含量分布特征Fig.2 TOC distribution characteristics of the mud shale from Lower Cambrian Mufushan Formation in northern Jiangsu and surrounding areas

2.2 有機質成熟度

幕府山組泥頁巖的熱演化程度普遍較高，等效鏡質體反射率在0.73%～3.01%之間變化，平均為2.83%；演化程度多為高成熟—過成熟階段，以生氣為主。高演化區主要位于蘇北的北部凹陷區，等效鏡質體反射率＞3.0%；中東部泰州—東臺地區，演化程度稍低，等效鏡質體反射率一般低于2.5%。

3 泥頁巖儲層特征及含氣性

3.1 巖礦特征

幕府山組富有機質泥頁巖以黑色硅質頁巖、碳質頁巖及石煤為主。顯微鏡下對薄片研究表明，碳質頁巖中碳泥質混雜不均，泥質較多，少量碳質呈條紋狀分布，碎屑礦物主要為石英、長石等，具顯微層理（圖3）。

圖3 南京幕府山剖面幕府山組碳質頁巖薄片顯微照片Fig.3 Carbonaceous shale slice micrographs of Lower Cambrian Mufushan Formation in Nanjing Mufushan outcrop section

全巖礦物組成定量分析表明，幕府山組富有機質泥頁巖的礦物成分以黏土和石英為主，含有少量鉀長石、石膏等。其中，石英的質量分數為38%～47%，黏土的質量分數為41%～49%。黏土礦物主要為伊利石和伊／蒙混層，不含蒙脫石。其中，伊利石的質量分數為34%～45%，伊／蒙混層礦物的質量分數為55%～66%，伊／蒙混層比10%。研究表明，頁巖儲層中黏土礦物的含量往往與吸附氣含量具有正相關關系，而石英、長石等脆性礦物則有利于后期壓裂造縫[15，16]。黏土礦物中的伊利石最易吸附頁巖氣，而蒙脫石類膨脹性黏土礦物不利于頁巖儲層壓裂造縫[17]。北美地區Barnett頁巖的石英、長石和黃鐵礦等脆性礦物的質量分數為20%～80%，其中石英的質量分數為40%～60%，黏土礦物的質量分數通常低于50%[18]。幕府山組富有機質泥頁巖儲層與其具有相近的礦物組成特征，具備較好的頁巖氣儲集及開采潛力。

3.2 儲集空間及儲層物性

掃描電鏡分析結果顯示，幕府山組泥頁巖微孔隙發育，主要孔隙空間為伊利石化形成的微裂（孔）隙、粒（晶）間孔、溶蝕孔以及多類型組合孔等（圖4）。微孔隙孔徑大部分為1～20μm（圖4－A，C），少數組合孔的孔徑達50μm以上（圖4－D），面孔率一般在3%～7%。多類型孔隙往往成群分布，呈蜂窩狀或組合成較大的組合孔，為頁巖氣聚集提供了有利的儲集空間。

幕府山組泥頁巖微裂縫也較發育，一般縫寬2～5μm，長幾十微米不等（圖4－B）。其產生可能與斷層和褶皺等構造運動相關，也可能與有機質生烴時形成的輕微超壓而導致頁巖儲層破裂有關。微裂縫對頁巖氣的儲集和開采具有重要意義，一方面可為頁巖氣提供有利的儲集空間并增大吸附氣的解析能力，另一方面微裂縫的發育有利于儲層壓裂改造。但是，若微裂縫與地層中的大的斷裂相連，則有可能導致頁巖氣的散失，反而影響頁巖氣的開采效果。

由于蘇北地區幕府山組泥頁巖缺少巖心樣品，目前尚未獲取巖心物性測試數據；而南京幕府山組泥頁巖野外樣品由于風化淋濾作用而難以取樣進行孔滲測試。本文根據常規測井數據對蘇北地區幕府山組泥頁巖的孔隙度進行了估算，結果表明其測井孔隙度在1.4%～7.0%之間，平均為4.2%，具備較好的頁巖氣儲集條件。

3.3 含氣性分析

為了解幕府山組頁巖的吸附能力，采集了南京幕府山剖面2個野外樣品進行等溫吸附實驗，試驗溫度為30℃，采用純甲烷在平衡濕度條件下進行。試驗結果為：2個樣品的Langmuir體積（VL）分別為2.92cm3／g、4.64cm3／g，平均為3.78cm3／g，Langmuir壓力（pL）分別為2.14 MPa、2.91MPa，平均為2.53MPa。此結果說明幕府山組富有機質泥頁巖具有較好的天然氣吸附能力。對實測數據進行擬合后發現，頁巖中吸附氣含量隨著壓力的增高而增高，呈正相關關系（圖5）。富有機質泥頁巖有機碳含量對吸附氣量有明顯影響，有機碳含量高的頁巖能夠吸附更多的氣體，有機碳含量與吸附氣量也存在正相關關系。因此，壓力和有機碳含量是影響幕府山組泥頁巖天然氣吸附能力的重要因素。

圖4 南京幕府山剖面幕府山組碳質頁巖掃描電鏡照片Fig.4 Scanning electron microscope photomicrographs of the carbonaceous shale from Lower Cambrian Mufushan Formation in Nanjing Mufushan outcrop section

圖5 南京幕府山剖面泥頁巖等溫吸附曲線Fig.5 Isothermal adsorption curves of the mud shale from Lower Cambrian Mufushan Formation in Nanjing Mufushan outcrop section

蘇北地區幕府山組富有機質泥頁巖埋深一般在2.5～4.0km之間，按靜水壓力估算，其地層壓力為25～40MPa，由Langmuir方程q吸＝VL·p／（pL＋p）計算其吸附氣量為3.44～3.56m3／t。此結果為實驗條件下的理論最大吸附氣量，而實際地層中的天然氣不可能達到飽和狀態；因此，運用類比法，參照美國頁巖氣盆地吸附氣量為飽和吸附氣量的20%～70%[19，20]，考慮到研究區幕府山組泥頁巖層系經歷過多期構造變動等強烈改造作用，采用下限值20%保守估算其吸附氣量為0.69～0.71m3／t。若吸附相態存在的天然氣能夠占到天然氣賦存總量的50%（即吸游比為1∶1），則頁巖的含氣量可達1.38～1.42m3／t，平均為1.40 m3／t，頁巖氣資源量可達0.18×109m3／km2（富有機質泥頁巖的平均厚度按50m估算）。因此，蘇北地區幕府山組具有良好的頁巖氣資源潛力。

4 有利勘探區預測

4.1 有利勘探區預測的依據

借鑒美國Fort Worth盆地Barnett頁巖有利區的選區標準[20，21]，在對下揚子蘇北地區幕府山組富有機質泥頁巖地球化學特征和地質特征研究的基礎上，結合研究區的地質特點，本文擬定了幕府山組頁巖氣有利勘探區預測的初步依據。

a.富有機質泥頁巖厚度。指富有機質泥頁巖層段的累計厚度（包含其中的砂質夾層段）。探井和野外露頭資料揭示蘇北地區幕府山組富有機質泥頁巖層段厚度較大，一般幾十米到200m以上，認為厚度達到100m以上的區塊為頁巖氣有利勘探區。

b.富有機質泥頁巖的有機碳含量。國內外及本區研究表明，TOC與吸附氣含量呈正相關關系。北美頁巖氣勘探目標絕大多數選擇有機碳質量分數（wTOC）＞2%，甚至4%以上[22]。蘇北地區幕府山組富有機質泥頁巖有機質豐度普遍較高，認為wTOC＞2%的區域應是頁巖氣有利勘探區。

c.富有機質泥頁巖熱成熟度（Ro）。按照Tissot劃分方案：Ro＜0.5%的成巖作用階段，生油巖處于未成熟或低成熟作用階段；Ro介于0.5%～1.3%為深成熱解階段，處于生油窗內；Ro介于1.3%～2.0%為深成熱解作用階段的濕氣和凝析油帶；Ro＞2%為后成作用階段，處于干氣帶[23]。對于不同干酪根類型進入濕氣階段的界限有一定差異，一般處于 Ro＝1.2%～1.4%范圍內[22]。與北美典型含氣頁巖相比，蘇北地區幕府山組成熟度較高，大多處于過成熟階段，僅以Ro的值不能完全判定頁巖氣藏的存在與否，因此認為Ro＞1.2%的地區均可形成頁巖氣藏。

d.富有機質泥頁巖埋深。美國正在開采的頁巖氣層系埋深一般為幾百米至2000多米，大多以淺層開采為主，主要是由于埋深加大，勘探開發的難度及成本也隨之增加。但是，另一方面，隨著埋深的增大，有機質熱演化程度增加，會更有利于頁巖的生氣與吸附。隨著經濟發展和技術進步，頁巖氣勘探及開采深度將會越來越大。蘇北地區幕府山組頁巖層系埋深普遍較大，認為埋深＜4.5 km的區域為未來勘探有利區。

4.2 幕府山組頁巖氣有利勘探區初步預測

圖6 蘇北地區幕府山組頁巖氣有利勘探區預測Fig.6 Prediction of the favorable areas for shale－gas exploration of Mufushan Formation in northern Jiangsu

根據頁巖氣有利勘探區選區依據，基于幕府山組富有機質頁巖的厚度、TOC、Ro及埋深等要素的分布特征，采用地質類比、多因素疊加及綜合地質分析，對蘇北地區幕府山組頁巖氣有利勘探區進行了初步預測（圖6），預測有利勘探區主要分布在2個區域：第一個有利區分布在蘇北盆地西南部，位于安徽省全椒縣－江蘇省六合縣境內。該區有機質豐度高，全椒地區露頭下寒武統泥巖有機碳質量分數為5.67%，有機質熱演化程度高，等效鏡質體反射率（Ro）在3%左右，泥頁巖埋深西高東低，埋深適中，一般為2～3km。第二個有利區分布在江蘇省揚州—高郵—興化一帶，該區有機質豐度高，大部分地區wTOC都在2.5%以上，熱演化程度北高南低，Ro一般在2.0%～3.0%之間，泥頁巖埋深較大，多數＞3km。

5 結論

a.蘇北地區下寒武統幕府山組為陸棚－盆地相沉積，富有機質泥頁巖位于幕府山組下部，其巖石組合以灰黑色、黑色泥巖、硅質頁巖、碳質頁巖及石煤層為主。平面上沿北東向展布，厚度一般在50～200m之間，沉積中心位于泰州、高郵、溱潼、海安地區。頂界埋深常在2.5～4.0km之間，在凸起部位埋藏較淺。

b.幕府山組黑色泥頁巖有機相為還原－強還原的富藻黑色頁巖相，干酪根類型主要為Ⅰ型和Ⅱ1型。有機質豐度高，有機碳質量分數為0.66%～12.1%，平均值為3.32%，wTOC＞1%的樣品比例達92%。有機質熱演化程度普遍較高，等效鏡質體反射率在0.73%～3.01%之間，平均為2.83%，多處于高成熟—過成熟階段，以生氣為主。

c.幕府山組富有機質泥頁巖礦物成分以黏土和石英為主，含有少量鉀長石、石膏等。其中，石英的質量分數為38%～47%，黏土的質量分數為41%～49%。黏土礦物主要成分為伊利石和伊／蒙混層，不含蒙脫石。礦物組成特征與北美地區Barnett頁巖相近，具備較好的頁巖氣儲集及開采潛力。

d.幕府山組富有機質泥頁巖微孔隙發育，主要孔隙空間為伊利石化形成的微裂（孔）隙、粒（晶）間孔、溶蝕孔以及多類型組合孔，泥頁巖微裂縫也較發育。測井解釋孔隙度為1.4%～7.0%，平均為4.2%，具備較好的頁巖氣儲集條件。

e.等溫吸附模擬實驗表明，野外剖面幕府山組樣品的 Langmuir體積（VL）平均值為3.78 cm3／g，Langmuir壓力（pL）平均值為2.53MPa，具有較好的天然氣吸附能力。推算蘇北地區幕府山組頁巖氣（吸附氣和游離氣）含氣量平均為1.4 m3／t，頁巖氣資源量可達0.18×109m3／km2，具有良好的資源潛力。

f.基于幕府山組富有機質頁巖的厚度、TOC、Ro及埋深等要素的分布特征，采用地質類比、多因素疊加及綜合地質分析，初步預測安徽省全椒縣－江蘇六合縣一帶、江蘇省揚州—高郵—興化一帶是蘇北幕府山組頁巖氣有利勘探區。

感謝李華東、馮武軍、王小群、高俊、趙挺、王紅偉、程海生、羅義、劉成杰、鄭團結、楊鵬舉、田振東等同志，他們在野外地質考察、巖心觀察、樣品采集及資料整理方面做了大量工作。

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