二維地震勘探在頁巖氣勘查空白區的應用效果
——以下揚子巢湖地區五峰組-高家邊組下段為例

陳 耀, 熊強青

(安徽省勘查技術院，合肥 230001)

近年來，上揚子地區發現了涪陵、長寧-威遠、昭通等頁巖氣田，主力產氣層位均為五峰組-龍馬溪組[1-5]，下揚子地區在晚奧陶世-早志留世同期也沉積了一套筆石頁巖，稱為五峰組-高家邊組下段。對下揚子湯山-句容地區五峰組-高家邊組下段頁巖的沉積環境、地球化學、儲集性能等特征初步研究認為[5-8]，五峰組-高家邊組下段沉積于深水陸棚環境，發育較好的黑色富有機質頁巖，具有較好的頁巖氣地質條件。下揚子巢湖地區與湯山-句容地區同屬于沿江盆地褶皺帶，推測具有類似的頁巖氣地質條件，初步研究認為巢湖地區五峰組-高家邊組下段露頭樣品具有脆性礦物含量高和儲集條件較好等特征[9]，總體針對巢湖地區五峰組-高家邊組下段富有機質頁巖厚度、有機地化、巖石學、儲集物性以及含氣性特征研究較為薄弱。該地區五峰組-高家邊組下段露頭風化嚴重，未見到新鮮的露頭和完整連續的剖面，根據露頭追蹤的方法去部署井位難度較大，安徽省勘查技術院在巢湖地區部署了35 km二維地震工作量，由于缺乏鉆井對層位的標定也無法利用地震資料對各個地層的分布進行準確預測。上揚子地區五峰組-龍馬溪組黑色頁巖在二維地震剖面上均具有較強的反射特征[10-12]，在巢湖地區頁巖氣勘查空白區根據二維地震剖面波組強反射特征部署的皖含地1井較好地揭示了五峰組-高家邊組頁巖氣地質條件。

1 區域地質背景

巢湖地區在構造位置上屬于下揚子地塊西北部前陸盆地沿江隆坳褶斷帶，印支期-早燕山期，大別、揚子陸塊發生陸-陸碰撞造山，造山帶南部向南逆沖推覆，成為前陸逆沖推覆構造系統的根帶。前陸帶遭受強烈擠壓，形成一系列推覆構造，總體呈北東向延伸。在晚奧陶世至早志留世，南緣華夏地塊向北匯聚俯沖碰撞，在下揚子地塊東南緣形成前陸盆地，西北部地區繼續以被動大陸邊緣發展為主，該時期以前淵盆地和陸棚相沉積環境為主，發育了了五峰組-高家邊組下段黑色富有機質頁巖。根據斷裂發育和地層出露特征，巢湖地區可劃分為無為盆地、逆沖推覆構造帶以及含山斷陷3個構造單元。無為盆地和含山斷陷中新生代紅層沉積厚度大，古生界地層埋藏較深。逆沖推覆構造帶可以進一步劃分為香泉推覆體、半湯推覆體、銀屏山推覆體以及槐林咀推覆體，其中半湯推覆體為準原地型[13]，推覆方向為由北西向南東，后緣以發育正常背、向斜為特征，五峰組-高家邊組地層分布較好，產狀較為平緩，具有相對有利的構造條件，為逆沖推覆構造帶上二維地震測線和井位部署的最優位置(圖1)。

圖1 二維地震測線和皖含地1井分布位置Fig.1 Locationof 2D seismiclineand Well WHD1

2 二維地震勘探

2.1 二維地震勘探難點及解決方法

二維地震勘探主要包括數據采集、資料處理以及資料解釋3個階段，下面對各個階段實施過程中存在的問題及解決辦法進行簡要介紹。

(1)二維地震數據采集階段。由于研究區斷裂、褶皺發育，巖層破碎，地震波傳播路徑復雜，散射干擾和背景干擾較為嚴重，造成地震記錄反射能量弱、信噪比低。根據試驗點的結果，為取得高品質的地震反射資料，確定本次地震資料采集的激發方式統一為單井激發、井深12～16 m、藥量6～8 kg。

(2)二維地震資料處理階段。由于研究區地表起伏較大且風化層厚薄不一致造成表層結構縱橫向變化大。為消除淺地表橫向不均勻的影響，在資料處理過程中加強了靜校正處理。

圖2 皖含地1井鉆前二維地震解釋預測深度Fig.2 2D seismic interpretation prediction depth before Well WHD1 drilled

(3)二維地震資料解釋階段。由于研究區為頁巖氣勘查空白區，區內缺乏揭穿五峰組-高家邊組下段的鉆孔進行合成記錄的標定，五峰組-高家邊組下段在區域上出露也不完整，資料掌握程度無法準確預測目的層位在地震反射剖面上的分布特征。通過地質露頭的對比，可以確定目的層上覆層位墳頭組的地震反射層位；隨后利用中上揚子地區五峰組-龍馬溪組黑色頁巖在地震剖面上的強反射特征推測研究區五峰組-高家邊組下段黑色頁巖在深部的分布特征。

2.2 二維地震資料解釋成果對井位部署的指導

優選的皖含地1井位于半湯推覆體，半湯推覆體后緣出露志留系地層主要為墳頭組和高家邊組，墳頭組上段為泥巖，中段為含粉砂質泥巖、石英粉砂巖，下段為石英砂巖不易形成較強反射；高家邊組上段和中段為一套灰色砂泥巖互層，也不易形成強反射。根據黑色頁巖的波組強反射特征，由于工區整個奧陶-志留系只有可能在五峰組-高家邊組下段發育一套連續沉積的黑色頁巖，推測首次出現的強反射波組即為五峰組-高家邊組下段目的層反射特征(圖2)。通過二維地震地質解釋剖面，優選了皖含地1井，該井位于寬緩的背斜西北翼，地層傾角寬緩，距西北1.5 km發育一正斷層，斷層傾向為NW向，傾角較陡，錯斷地層涉及墳頭組和高家邊組，斷距約1 km，初步推斷為張性斷裂。皖含地1井位于斷層下盤，推測目的層受斷層構造擾動的影響較小。根據時深轉換關系，預測皖含地1井鉆遇五峰組-高家邊組下段頂界埋深為1 422 m。

圖3 皖含地1井預測地層與實鉆地層對比圖Fig.3 Comparison of predicted and drilled formation in Well WHD1

實際上，皖含地1井自上而下墳頭組、高家邊組上段、高家邊組中段、高家邊組下段、五峰組、湯頭組、寶塔組、廟坡組、牯牛潭組、大灣組以及紅花園組，鉆遇五峰組-高家邊組下段的井深為1 266.05～1 309.95 m，與預測深度相差156 m(圖3)，說明在當時的時深轉換過程當中速度估算偏大，導致預測深度變大。總體而言，二維地震解釋預測深度結果在該頁巖氣空白區應用效果較好。

3 頁巖氣地質條件

3.1 有機地化條件

采取了皖含地1井五峰組-高家邊組77個井下頁巖樣品進行了總有機碳(total organic carbon，TOC)含量分析(圖4)，根據實驗結果可知：皖含地1井五峰組頁巖TOC含量介于0.70%～2.99%，平均為1.66%，其中TOC含量大于1%的頁巖樣品數占71.43%，大于2%的頁巖樣品數占28.57%；高家邊組下段頁巖TOC含量介于0.18%～3.25%，平均為1.43%，其中TOC含量大于1%的頁巖樣品數占72.22%，大于2%的頁巖樣品數占13.89%；高家邊組中段頁巖TOC含量介于0.10%～1.46%，平均為0.33%，其中TOC含量小于1%的頁巖樣品數占85.29%。綜上所述，五峰組-高家邊組下段頁巖有機質豐度總體評價為中等-好等級，其中1 266.05～1 309.95 m深度段的頁巖TOC含量總體大于1%，為富有機質頁巖層段，厚度為43.9 m；1 292～1 309.95 m深度段的頁巖TOC含量總體大于2%，為優質頁巖層段，厚度為17.95 m。

根據測試的瀝青體反射率換算可知[14]，五峰組-高家邊組等效鏡質體反射率(Ro)介于1.85%～3.06%，平均為2.40%，其中Ro<2%的頁巖樣品數占20%，2%3%的頁巖樣品數占10%。綜上所述，五峰組-高家邊組頁巖熱演化程度總體處于過成熟早期-中期階段，以生干氣為主(圖5)。

圖4 五峰組-高家邊組頁巖有機碳含量統計分布Fig.4 Wufeng-Gaojiabian Formation shale total organic carbon distribution characteristics

圖5 五峰組-高家邊組頁巖熱演化成熟度統計分布Fig.5 Wufeng-Gaojiabian Formation shale thermale volution characteristics

3.2 巖石學條件

石英礦物含量越高，頁巖的可壓裂性越好；黏土礦物含量越高，頁巖的自吸能力越強。這從而導致頁巖儲層壓裂液返排率偏低[15]。五峰組-高家邊組下段全巖礦物特征如下：黏土礦物含量變化范圍為19.2%～61.4%，平均為45%；石英礦物含量變化范圍為26.6%～73.7%，平均為41.8%；長石礦物含量變化范圍為1.6%～9.2%，平均為5.5%；碳酸鹽礦物含量變化范圍為0.1%～18.3%，平均為1.7%。其中優質頁巖段黏土礦物含量為19.2%～58.8%，平均為38.7%；石英礦物含量為30.7%～73.7%，平均為47.2%，具有較好的壓裂地質條件。

根據硅質礦物-碳酸鹽礦物-黏土礦物三端元分析[16]，涪陵頁巖氣田五峰組-龍馬溪組頁巖主要發育硅質頁巖相、混合硅質頁巖相、含黏土硅質頁巖相、含灰/硅混合質頁巖相、含黏土/硅混合質頁巖相、混合質頁巖相、含硅黏土質頁巖相和含黏土/灰混合質頁巖相等8種巖相，其中混合硅質頁巖相、含黏土硅質頁巖相、含黏土/硅混合質頁巖相為優勢巖相。通過對皖含地1井五峰組-高家邊組頁巖進行三端元礦物分析認為：五峰組-高家邊組下段頁巖巖相主要為含黏土硅質頁巖相、含硅黏土質頁巖相以及含黏土/硅混合質頁巖相；高家邊組中段頁巖巖相主要為含黏土硅質頁巖相和含硅黏土質頁巖相(圖6)?？梢姵埠貐^五峰組-高家邊組下段發育兩種與涪陵頁巖氣田五峰組-龍馬溪組相同的優勢頁巖巖相。

圖6 五峰組-高家邊組頁巖礦物組成三角圖Fig.6 Wufeng-Gaojiabian Formation shale mineral composition characteristics

3.3 儲集物性條件

根據氣體孔隙度和滲透率測定可知：高家邊組下段巖性黑色泥巖、含碳泥巖，孔隙度變化范圍為0.54%～4.19%，平均值為2.69%，滲透率變化范圍為0.001 28～0.112 mD，平均值為0.009 77 mD；五峰組巖性為黑色含碳硅質頁巖，孔隙度變化范圍為0.94%～3.83%，平均值為2.59%，滲透率變化范圍為0.000 957～0.057 4 mD，平均值為0.015 47 mD。綜上所述，五峰組-高家邊組下段頁巖表現為超低孔超低滲。

巢湖地區下志留統高家邊組頁巖在場發射環境掃描電鏡觀察下，粒間孔隙、粒內孔隙、裂縫孔隙和溶蝕孔隙較為常見[9]，有機質孔隙需在氬離子拋光掃描電鏡下進行觀察。有機質孔隙是有機質在生烴后形成的孔隙，與頁巖地層中有機質的含量及熱演化程度密切相關[17]。使用氬離子拋光掃描電鏡對巢湖地區皖含地1井五峰組-高家邊組下段富有機質頁巖觀察發現其發育大量有機質孔隙，常與石英、黃鐵礦、黏土礦物以及磷灰石等礦物伴生(圖7)。充填于石英、黃鐵礦等晶間孔隙中時[圖7(a)、圖7(b)]，有機質孔隙呈圓形，孔徑5～30 nm；與黏土礦物伴生時[圖7(c)]，有機質孔隙呈不規則長條形，孔徑介于30～40 nm；與磷灰石伴生時[圖7(d)]，毗鄰磷灰石的有機質發育大量孔隙，遠離磷灰石的有機質孔隙相對不發育，推測磷灰石對有機質熱演化生孔具有一定的催化作用，孔徑變化范圍較大，介于10～80 nm，既發育中孔又有大孔。有機質孔隙對頁巖氣的吸附能力較強[18]，大量的有機質孔隙發育能夠為頁巖氣的賦存提供有利的儲集空間。綜上所述，五峰組-高家邊組下段富有機質頁巖的有機質孔隙較為發育，總體以中孔為主，在有機質生烴的過程中能有效地聚集頁巖氣。

圖7 五峰組-高家邊組下段頁巖有機質孔隙度發育特征Fig.7 Wufeng-Gaojiabian Formation lower member shale organicpore characteristics

3.4 含氣性潛力分析

皖含地1井志留系高家邊組下段底部發現氣測異常，顯示層有2層，累計厚度為13 m，解釋為含氣層。在井段1 270.0～1 274.0 m發現氣測顯示，厚度共4.0 m，全烴由0.15%上升至0.60%，巖性為灰黑色泥頁巖，鉆時25～35 min/m，氣測解釋為含氣層。在井段1 292.0～1 301.0 m發現氣測顯示，厚度為9.0 m，全烴由0.10%上升至0.90%，巖性為灰黑色泥頁巖，鉆時35～45 min/m，氣測解釋為含氣層。

五峰組-高家邊組下段頁巖現場解吸氣量為2～55 mL，折算成單位巖石體積為0.000 9～0.024 6 m3/t，解吸氣量自上而下逐漸升高隨后降低，在五峰組和高家邊組下段交界處達到最高值，與有機碳含量的變化趨勢一致，其中1 299.90～1 300.12 m頁巖樣品解吸氣可點燃。

五峰組-高家邊組下段黑色頁巖由于每個樣品解吸氣量均較小，故將所有樣品的氣體集中到一個瓶子里進行了送樣氣體組分化驗分析(每個氣樣分析最少需要150 mL)。分析結果表明：氮氣含量占比50.62%，二氧化碳含量占比21.08%，烴類氣體含量占比28.30%，其中甲烷為18.38%，乙烷為4.52%，丙烷為2.71%。初步分析認為氮氣和二氧化碳含量較高的原因可能如下：①由于每個樣品的氣量較小，不易收集，可能在收集的過程中混入了空氣；②由于構造活動的影響，深大斷裂溝通地層與大氣層，導致空氣與原位烴類氣體發生了置換。

通過將五峰組-高家邊組下段頁巖氣關鍵參數特征與上揚子五峰組-龍馬溪組地層對比分析可知(表1[19-21])，下揚子巢湖地區皖含地1井位于逆沖推覆構造帶，揭示的五峰組-高家邊組下段優質頁巖厚度相對較薄，含氣量較低，但是沉積環境、有機質豐度、熱演化成熟度以及脆性礦物含量等頁巖氣評價靜態指標與上揚子主力產氣區塊五峰組-龍馬溪組具有可對比性，值得展開下一步工作尋找有利相帶和構造，有望獲得下揚子五峰組-高家邊組下段頁巖氣突破。

4 結論

(1)在頁巖氣勘查空白區，在第四系覆蓋較多和露頭風化嚴重的情況下，利用二維地震剖面進行井位論證部署適用性較強，其中富有機質頁巖層在剖面上具有明顯強反射特征，可以作為標志層與其他層位區分開來。

表1 巢湖五峰組-高家邊組下段與上揚子地區五峰組-龍馬溪組頁巖氣地質參數對比[19-21]Table 1 Shale gas geological characteristics comparison between Wufeng-Gaojiabian Formation lower member in Chaohu area and Wufeng-Longmaxi Formation in Upper Yangtze Plate[19-21]

(2)皖含地1井鉆遇地層與實際地層一致性較好，完整地揭示了五峰組-高家邊組地層，其中五峰組-高家邊組下段黑色頁巖發育，有機質豐度較高，熱演化成熟度適中，可壓裂性較好，有機質孔隙發育，與上揚子五峰組-龍馬溪組各項頁巖氣地質特征參數類似，具有較好的頁巖氣資源前景。