赣东北地区下寒武统荷塘组页岩储层特征*

王 冉，桑树勋，刘水根，俞宽坤，杜 艺

1.中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏 徐州 221008 2.江西省煤田地质局二二三地质队，江西 鹰潭 335000

引 言

页岩气是一种典型的非常规天然气，具有自生自储、资源丰富但开发技术条件要求高的特点[16]。近年来中国开始重视页岩气的勘探开发工作，但目前页岩气勘探主要集中在上扬子地区的四川盆地及其周缘[78]，对下扬子地区则鲜有触及。由于下扬子与上扬子地区具有类似的发展演化历史，因此页岩气形成条件也具有相似性[9]。而页岩储层的岩石学特征、微孔隙特征、有机碳含量以及有机质成熟度等对页岩气的集聚与勘探开发起着至关重要的作用[10]。因此，本文对赣东北地区下寒武统荷塘组的野外露头进行分析，采用常规薄片、扫描电镜+能谱分析、X射线衍射分析等方法，主要从地球化学特征、岩石学特征及物性与储集空间特征等方面对页岩储层特征进行了研究。

1 区域地质概况

赣东北地区位于江西省东北部，总面积约31 600 km2。构造上位于扬子板块的江南地体与华南板块的华夏地体交接部位，从北西到南东划分为7个构造单元，依次为修水—祁门构造单元、乐平—歙县构造混杂岩带、万年构造单元、怀玉构造单元、东乡—广丰混杂岩带、铁砂街—永平裂陷槽和北隆夷隆起构造单元（图1）[1112]。本区经历了多期次构造运动的叠加改造和地史时期沉积环境的变迁[13]，先后经历了前晋宁期阶段、晋宁运动时期板块俯冲和碰撞阶段以及晋宁运动以来板内构造演化阶段。

图1 赣东北地区地质简图Fig.1 Geological map of the northeastern Jiangxi

2 荷塘组泥页岩发育特征

研究区发育了中、古生界（包括震旦系）多套烃源岩系[9，14]。其中下寒武统荷塘组泥页岩发育良好，厚达22.10～735.00 m，上部为薄层状含硅质板岩夹含炭硅质页岩及炭质板岩，下部为薄层状含炭质板岩，含碳量较高，有石煤资源，荷塘组富有机质泥页岩单层厚度较大，可达19.59～125.16 m。赣东北地区荷塘组整体呈北东向延伸，是下扬子寒武海槽的一个延伸[15]，整体上分布面积较为稳定，从中心向西逐渐变薄，面积约1.8×104km2（图2）。赣东北早寒武世荷塘期属于较宁静的海相环境，这种还原沉积环境对有机质的富集和保存有利，为页岩气藏的形成提供了良好的沉积条件。

图2 赣东北下寒武统荷塘组等厚线图Fig.2 Isopach of the lower Cambrian Hetang Formation in northeastern Jiangxi

3 荷塘组泥页岩储层特征

3.1 地球化学特征

本次研究共采集泥页岩样品44个，均采自下寒武统荷塘组，包括炭质页岩、硅质泥岩和石煤，均为风化剖面样品，但在玉山县德上高速公路隧道开采工作面采集到新鲜的荷塘组样品。

3.1.1 有机碳含量

有机碳含量（TOC）是衡量烃源岩生烃潜力的重要参数，北美地区页岩气已有的勘探开发经验表明，有机碳含量与吸附气呈正相关关系，因此有机碳含量可作为识别成熟的优质烃源岩的关键参数。

按Boyer等对源岩有机质丰度的分级[2]，赣东北荷塘组黑色泥页岩30个样品的TOC含量为3.320%～11.400%，平均为5.750%（表1），属于很好—极好的烃源岩。表明赣东北具备页岩气藏的物质基础。

表1 研究区荷塘组泥页岩有机碳含量表Tab.1 The TOC content of Hetang Formation in study area

3.1.2 热成熟度

镜质体反射率（Ro）被广泛用于热演化史恢复[16]。据北美地区实际勘探情况，反映页岩成熟度的镜质体反射率（Ro）大致在 0.4%～1.9%[4]。因此，美国页岩气商业性开发页岩层系Ro值为1.1%～3.0%，最高不超过4.0%[17]。据赣东北荷塘组样品镜质体反射率的测试结果表明：赣东北荷塘组泥页岩热演化程度变化较大，34个样品的Ro为2.35%～4.90%（表2），总体偏高，属于过成熟阶段。

从展布格局看，赣东北主要自从西南向东北成熟度逐渐升高（图3）。从页岩气的生成和成藏角度出发，高、过成熟的页岩生气能力有所下降，是评价页岩气资源的不利因素之一，但根据美国页岩气勘探经验，高成熟度条件下同样能发育页岩气藏[18]高、过成熟的页岩对吸附气的储集能力提高是有利因素之一。

表2 研究区荷塘组泥页岩有机质热演化程度数据表Tab.2 The degree thermal evolution of organic matter of Hetang Formation in study area

图3 研究区荷塘组泥页岩热演化等值线图Fig.3 Contour map of thermal evolution of Hetang Formation in study area

3.2 岩石学特征

页岩中无机矿物一般以黏土、石英和方解石为主，其相对组成变化将影响页岩的力学与储集空间性质及其对气体的吸附能力。当页岩中脆性矿物（石英+方解石）含量增加时，可提高页岩储层的脆性指数，有利于实施后期的压裂增产措施，并增加游离态页岩气的储存空间[1，19]。已有研究表明，北美具备商业开发条件的页岩，脆性矿物含量一般高于40.00%，黏土矿物含量小于30.00%，石英含量被认为是页岩气成藏的重要条件之一[20]。研究区富有机质泥页岩中矿物成分主要以石英、方解石、黏土矿物为主，含少量黄铁矿及白铁矿，矿物成分变化趋势明显，18个样品脆性矿物含量为18.95%～51.84%，平均含量为40.97%。与北美典型页岩相比赣东北荷塘组泥页岩也是较为理想的页岩气重点研究勘探开发层位（表3）[21]。

表3 荷塘组泥页岩与北美典型页岩石英含量对比Tab.3 Thecontrast of quartz content between Hetang Formation shaleand shale in North America

3.3 储层物性与储集空间特征

3.3.1微孔隙

页岩微孔隙是评价储集层特征的关键参数[22]。页岩储层中的孔隙系统一般由十分微细的孔隙组成，通过扫描电镜+能谱分析研究发现，荷塘组泥页岩孔隙形态多样，以蜂窝状（图 4a，图 5a）、圆形（图 4b，图 5b）、不规则多边形（图 4c，图 5c）和复杂网状（图4d，图5d）为主。

图4 研究区荷塘组泥页岩储层样品微孔隙（SEM）图版Fig.4 Microporosity plate（SEM）of Hetang Formation reservoir in study area

图5 研究区荷塘组泥页岩储层样品裂缝图版Fig.5 Crack plate of Hetang Formation reservoir in study area

3.3.2裂隙

泥页岩裂缝对于页岩气的勘探和开发具有十分重要的意义[23]。裂缝的发育程度和类型是影响页岩含气量和页岩气聚集的重要因素，决定着页岩渗透率的大小，控制着页岩的连通程度，进一步控制着气体的流动速度、气藏的产能。因此，美国在页岩气开发初期，主要勘探目标选择是天然裂缝相对发育区带，裂缝发育好的页岩渗流速度能大大增加，生产速度也较高，最终获得商业性开采，如Antrim页岩气和Marcellus页岩气[1]。赣东北地区荷塘组页岩裂隙普遍发育，按照发育规模可将裂缝分为大型裂隙（宽度 ＞1.00 mm，长度 ＞10.00 m，图 5a）、中观裂隙（0.10＜宽度≤1.00 mm，0.10＜长度≤1.00 m，图5b）、小型裂隙（0.01＜宽度≤0.10 mm，0.01＜长度≤0.10 m，图 5c）和微观裂隙（宽度 ≤0.01 mm，长度≤0.01 m）。

3.4 储层含气能力

页岩含气量是确定页岩气有无开采价值的决定性参数，含气量由3部分组成。含气量=实测气量（解吸气量）+残余气量+逸散气量（损失气量）。由于游离气需要采集岩芯进行现场测试，赣东北目前尚不具备测试游离气的条件，为了解荷塘组泥页岩的吸附能力，选择荷塘组泥页岩样品进行了等温吸附实验。

实验结果表明，荷塘组页岩的甲烷吸附能力为3.03 m3/t（图6）。与美国5大页岩气盆地的页岩等温吸附曲线对比可以发现，赣东北荷塘组泥页岩的吸附能力除略低于Barnett页岩外（表4）[24]，均高于其他盆地的页岩，表明研究区页岩具有较强的天然气吸附能力。

图6 研究区荷塘组泥页岩样品等温吸附曲线Fig.6 Adsorption isothermal curve of Hetang Formation shalein study area

表4 研究区与美国五大商业性页岩气产区地质、地化和含气量对比表Tab.4 The contrast in geological，geochemical and gascontent between Jiangxi Province and fivecommercial shale gasproduction areasin America

4 结 论

（1）荷塘组泥页岩有机质含量高，TOC为3.32%～11.40%，平均 5.75%，但成熟度为 2.35%～4.90%，总体偏高，属于过成熟阶段，是评价研究区页岩气资源的不利因素之一；矿物成分主要以石英、黏土矿物、方解石、黄铁矿和白铁矿为主，脆性矿物含量为18.95%～51.84%，平均含量40.97%；微孔裂隙发育，形态多样，大小不一。

（2）赣东北荷塘组与美国五大商业性页岩气产区页岩相比具有一定的差异，主要表现在荷塘组厚度较大、有机质含量高及吸附气含量较高，是评价赣东北地区页岩气的有利条件。其不利条件主要表现为埋藏较深、成熟度过高等方面。加之本研究采集样品多为地表样品，导致实验测试结果与实际有所差异。因此，对于评价研究区荷塘组页岩气勘探前景而言，必须部署实施一批页岩气调查井，以获取系统的岩芯、录井、测井和含气量等关键测试数据，还应进行详细的古地貌和古环境修复。

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