贾东,胡文瑄,姚素平,尹宏伟,李一泉,王文卉,周启友,吴晓俊.南京大学能源科学研究院,地球科学与工程学院,南京003;.南京大学地理与海洋科学学院,南京003
江苏省下志留统黑色页岩浅井钻探及其页岩气潜力分析
贾东1*,胡文瑄1,姚素平1,尹宏伟1,李一泉2,王文卉1,周启友1,吴晓俊1
1.南京大学能源科学研究院,地球科学与工程学院,南京210023;2.南京大学地理与海洋科学学院,南京210023
摘要:近年来上扬子地区下志留统龙马溪组页岩气勘探开发取得重大突破,属于同一大地构造单元的下扬子地区,其页岩气资源潜力和勘探前景问题日益受到关注。在下扬子地区与龙马溪组层位相当的高家边组,由于地表风化程度较强和出露情况较差等因素,其黑色页岩的分布范围和沉积厚度不甚清楚,直接影响了对下扬子地区页岩气勘探潜力的评价和预测。为此本次研究选择在江苏省南京汤山和句容仑山两地实施黑色页岩浅井钻探。基于5口钻井的岩芯提取,从黑色页岩厚度、地化、岩矿和生物地层学等多个方面揭示了下扬子地区五峰组—高家边组黑色页岩基本特征。分析结果表明:该地区黑色页岩与上扬子焦石坝地区有很好的对比性,至少有4个笔石化石带相互一致。五峰组—高家边组黑色笔石页岩厚度在汤山地区大于80.5 m,仑山地区至少39.5 m,有机质丰度较高,多数TOC含量1.2%~4%,显示了较强的生烃能力。镜质体反射率(Ro)主要在1.5%~2.6%之间,热演化程度以高—过成熟为主,进入生气阶段。黑色页岩有机质以干酪根Ⅰ、Ⅱ1型为主。因此,认为下扬子地区下志留统黑色页岩具有良好的页岩气资源潜力。
关键词:下扬子地区;页岩气;下志留统黑色页岩;浅井钻探;潜力
上扬子地区的四川、贵州和重庆市等地页岩气勘探佳讯频传,已有多口钻井获得工业气流,显示了良好的页岩气开发前景。2012年在涪陵焦石坝构造部署钻探焦页1井,发现了中国首个大型页岩气田——焦石坝龙马溪组页岩气田。从地质结构上来看,江苏所在的下扬子地区和上扬子地区同属一个大地构造单元,同样可能具有优越的页岩气地质条件。上扬子区页岩气取得的重要突破,对江苏省所在的下扬子区是很大启发,对比两区的地质条件,可以对江苏省的页岩气前景有明确的认识。国土资源部根据对全国页岩气开发潜力调查结果,认为以江苏省为主的下扬子地区是我国页岩气勘探开发的五大优选地区之一。从页岩气生成条件上估算,全省的页岩气可采资源量大约有1.55万亿立方米,是江苏省难得的地下能源宝藏。
南京大学能源科学研究院在江苏省科技支撑计划的大力支持下,通过资料收集和研究、结合野外地质剖面及钻孔岩芯观测和室内分析测试等方法,以江苏省境内下扬子区为重点,进行地层学、沉积学、地球化学、油气地质学的研究,确定页岩的发育和分布、主要岩石类型、形成环境、古地理特征,地球化学特别是有机地球化学的特征,查明江苏省富有机质页岩分布范围,选择重点盆地研究江苏省境内富有机质页岩的生气和成藏条件,对页岩气的资源潜力进行评价。本研究为了调查江苏省页岩气的勘探潜力,选取了江苏省南京汤山和句容仑山两地重点针对下志留统黑色页岩进行浅井钻探(图1)。通过浅层地球物理勘察,有机地球化学分析,笔石页岩生物地层分析等手段进行综合研究,尝试对江苏省下志留统黑色页岩的页岩气资源潜力进行初步评估。
研究区位于宁镇山脉,其整体构造是由震旦系-三叠系地层为主构成的三个背斜和两个向斜构造,自北向南分别为幕府山-龙潭-镇江背斜,范家塘-香山向斜,巢凤山-宝华山背斜,华墅-亭子向斜和汤山-仑山背斜,它们呈北东东至近东西向展布,且向斜较开阔,背斜较紧密(葛肖虹,1987;郭令智等,1988;江苏省地质矿产局,1989)。汤山-仑山褶皱构造带绵延30余公里,核部由震旦系至下古生界组成,两翼为上古生界;北翼地层倾角陡立或倒转,南翼产状平缓,呈明显的不对称褶皱,断裂和岩浆影响相对较少(图1)。
夏邦栋和吕洪波(1988,1990)详细研究了下扬子南部震旦系和下古生界,提出下扬子地区在震旦纪—奥陶纪是一个裂陷槽,从晚奥陶世转变为前陆盆地,并一直持续到志留纪;刘宝珺等(1993,1994)通过详细的沉积作用研究,提出扬子块体东南大陆边缘在震旦纪为裂谷盆地,寒武纪—奥陶纪为被动大陆边缘,晚奥陶世—志留纪为前陆盆地,前陆盆地的物源来自东南部。汪新伟等(2008)根据岩浆岩资料和不整合的分布,认为华南早古生代造山作用主要发生在晚奥陶世,扬子块体在志留纪为造山后伸展环境。近来一些学者(舒良树等,2008;Faure et al.,2009; Charvet et al.,2010; Li et al.,2010; Wang et al.,2011)提出华南早古生代造山是陆内造山。Li等(2013)认为下扬子地区及邻区在新元古代晚期至中奥陶世为稳定的台地-斜坡-盆地沉积环境,而后发生造山运动,形成华南早古生代造山带并伴随广泛的变质事件和岩浆事件,虽然对于早古生代的演化存在一定的争议,但是对于华南存在早古生代造山过程早已取得共识,而且不同学者也认识到扬子块体南缘受造山带控制形成了前陆盆地。
下扬子地区下古生界为连续沉积,没有明显的角度不整合。在寒武纪—中奥陶世期间,岩相古地理及古生物等研究表明(王鸿祯,1985;刘宝珺和许效松,1994;冯增昭等,2004;马永生等,2009),该区是一个稳定的台地—斜坡的沉积环境,无明显的构造活动和火山作用,沉积主要受地形、海平面变化和物源供给等因素的控制。从晚奥陶世晚期开始,下扬子地区的沉积环境发生了剧变,碳酸盐岩台地被前陆盆地所代替,并且在研究区形成一个巨厚的碎屑楔,岩相及古流向数据都表明物源来自东南部(陈旭等,1988;刘宝珺和许效松,1994;冯增昭等,2004)。
晚奥陶世碎屑岩沉积的岩性、岩相和生物相分异明显,在江苏和皖北称为五峰组,在皖南、浙北为长坞组/三衢山组和堰口组。五峰组为一套灰黑色、黑色风化后成黄褐色的薄层硅质岩夹含碳质、硅质水云母页岩,厚度为9~17 m,主要分布在江苏汤山、仑山,安徽和县、宿松到东至一带,与下伏地层和上覆志留系呈整合接触。钻孔资料证实,在苏北盆地之下也有五峰组的分布,其中在洪泽地区其厚度为125 m;昆山地区亦发现五峰组沉积,厚度为119 m,但岩性变为灰色中、细粒砂岩,粉砂岩和泥岩(陈旭等,1988;徐学思,1997)。该组笔石非常发育,已经建立了四个笔石带(Chen et al.,2010),其时代为晚凯迪期—赫南特期。此外,五峰组的顶部为含腕足动物和三叶虫的壳相层。志留系在下扬子北部地区自下而上由高家边组、坟头组和茅山组三个地层组成。高家边组为一套巨厚的砂、页岩沉积,该组的岩性自下而上逐渐变粗。下段为碳质、硅质页岩,中段为黄绿色页岩夹少量细砂岩及粉砂岩,上段为细砂岩、粉砂岩夹页岩,在宁镇山脉最大厚度为1 539 m。所含化石几乎全为笔石,陈旭等(1988)根据笔石组合分析,划分出了七个笔石带,确定其时代为鲁丹期—埃隆期。一般认为该组为一套与海侵有关的浅海相沉积。
图1 研究区域地形及勘探井位置Fig.1 The topography map of the study zone and the well locations
下扬子地区植被繁茂雨水丰富,地表风化作用强烈,岩石风化层厚度一般可达10~20 m,天然露头中的下志留统黑色页岩普遍风化为灰黄色、灰白色泥页岩,探槽工程难以获取新鲜岩石样品,直接影响对下扬子地区页岩气勘探潜力的评价和预测。
为此本研究在汤山和仑山地区开展了5口浅井钻探工程。其中在汤山侯家塘地区有3口浅井,位于汤山背斜西北翼,地层陡倾向北西,地表出露下志留统高家边组风化岩石,属于下扬子地区下志留统高家边组标准剖面位置附近(图1)。汤山1号井(TSJ1)(N32°2′54.34″E119°0′40.00″)井底深度60多米,上段20 m为风化严重的灰黄色泥页岩,深20~55 m井段可见黑色泥页岩,55 m深处见底部奥陶系灰岩岩层。汤山2号井(TSJ2)(N32°2′55.8″E119°0′39.66″)和3号井(TSJ3)(N32°2′45.9″E119°0′26.1″)井底深度均达到120 m深,上段20 m同样为风化严重的灰黄色泥页岩,深20~120 m井段可见黑色泥页岩,由于受所用地质工程钻机的可钻深度限制以及地层产状较陡的原因,汤山2号井与3号井均未钻穿下志留统黑色页岩,也未见到底部奥陶纪灰岩。将汤山地区3口井按照其空间位置和海拔高程组成连井剖面(图2),以地面地层产状和岩芯微层理产状作为约束,根据钻井深度及可见黑色泥页岩井段深度,可以合理测算出汤山2号井黑色泥页岩地层厚度大于52.2 m;汤山3号井黑色泥页岩地层厚度大于80.5 m。由于地表风化严重,黑色泥页岩均未见顶,推测汤山地区黑色泥页岩地层总体厚度应该大于80.5 m。
图2 汤山区1号井、2号井、3号井相对位置及剖面柱状图Fig.2 The column map of the sections in No.1,No.2 and No.3 wells in Tangshan zone
句容仑山地区钻探两口浅井,仑山4号井(LSJ4)与5号井(LSJ5)位于宁镇山脉仑山背斜东南翼的岗岗山附近,相距汤山浅井位置以东大约40多公里,地层产状相对平缓。仑山4号井(LSJ4)(N32°6′12.00″E119°15′39.1″)处于高家边组的命名地。钻井深度28 m,上段风化层深度13 m,深13~22 m井段可见黑色泥页岩,下段为奥陶系灰岩地层,而黑色泥页岩显然未见顶。仑山5号井(LSJ5)(N32°6′10.3″E119°15′41.5″)位于仑山4号井倾向方向东南81.5 m处,井深60多米。上段风化层8 m深,深8~57 m井段可见黑色笔石页岩,下段为奥陶系灰岩地层,黑色泥页岩同样未见顶。根据钻井深度、空间位置以及可见黑色泥页岩深度,推测仑山地区黑色泥页岩地层厚度大于39.5 m(图3)。
图3 仑山地区4号井和5号井相对位置及剖面柱状图Fig.3 The column map of the sections in No.4 and No.5 wells in Lunshan zone
3.1有机质丰度
岩石中有足够数量的有机质既是能够形成丰富油气的物质基础,又是决定岩石生烃能力大小的主要因素(邹才能等,2013)。有机碳质量分数是衡量岩石有机质丰度的重要指标,一般具有经济开采价值的页岩气远景区带的页岩总有机碳质量分数在2.0%以上(刘伟等,2010)。对江苏汤山和句容地区5口钻井中上奥陶系—下志留系页岩层段选取40个样品进行有机碳质量分数和32个样品镜质体反射率测试。总有机碳(TOC)测试实验仪器为德国elementar公司生产的vario MACRO elemental analyzer仪器。样品用玛瑙研钵研磨成粉末,过200目筛,用盐酸处理后上机测试。镜质体反射率(Ro)测试仪器为Zeiss公司Axioskop 40Pol显微镜及J&M公司MSP 210光度计,反射率标准物质GBW13401钆镓石榴石,GBW13402钇铝石榴石,GBW13403蓝宝石及GBW13404 K9玻璃,实验参照标准“沉积岩中镜质组反射率测定方法(SY/T 5124-1995)”。
测试结果表明,汤山2号井的黑色页岩主要由黑色泥页岩、硅质页岩、碳质页岩组成,页岩厚岩、碳质度大于52 m,TOC含量为1.2%~2.5%,微纳米孔隙发育(图4)。汤山3号井主要由深灰色—黑色泥页页岩、硅质泥页岩,夹薄层粉砂质泥岩、页岩厚度大于80 m,TOC含量一般在1.5%~3%之间(图5)。仑山5号钻井主要由深灰色—黑色泥页岩、碳质页岩、硅质泥页岩,夹薄层粉砂质泥岩组成,页岩厚度大于40 m,TOC的含量一般为2%~4%,Ro的含量位于1.5%~2.3%(图6)。可见,句容地区黑色页岩总有机碳的含量中等偏上,显示了较强的生烃能力。
3.2有机质类型
有机碳质量分数(TOC)和镜质体反射率(Ro)是决定烃源岩生气潜力的关键因素,干酪根类型是评价有机质质量的主要指标(柳广弟,2009)。对句容地区5口钻井中上奥陶系—下志留系页岩层段选取12个样品进行检测分析,结果表明研究区主要有机质类型为Ⅰ、Ⅱ1型(图4-6)。
3.3有机质成熟度
沉积岩中有机质丰度和类型是油气生成的物质基础,有机质成熟度是确定有机质能够生油、生气或判定有机质向烃类转化程度的关键指标,只有有机质达到一定热演化程度,才能开始大量生烃。四川盆地五峰组—龙马溪组总体埋藏较深,热演化程度较高。本研究对句容地区五口钻井的有机质成熟度进行地球化学分析测试镜质体反射率,结果表明,汤山2号井的黑色页岩Ro含量为2.0%~2.5%(图4),汤山3号井Ro介于1.7%~ 2.6%之间(图5),仑山5号Ro的含量位于1.5%~2.3%(图6)。反映出该区五峰组—高家边组热演化程度较高,属于高—过成熟晚期。由于热演化程度较高,下古生界的烃源岩早已越过生油阶段进入以产干气、湿气为主的阶段。导致该区成熟度高的原因除了埋藏作用外,还可能与岩石圈埋藏浅、地温梯度高有关,中新生代广泛的岩浆作用也可能有较大的影响。
广泛分布于下扬子地区的五峰组和高家边组,沉积于重大地区性构造事件和生物事件频发的奥陶纪末—志留纪初。笔石作为这两套黑色页岩中最丰富的海洋生物化石之一,其生物地层学已成为精确研究黑色页岩时空分布的有效手段。研究奥陶—志留之交的两套黑色页岩的笔石生物地层学有助于解黑色页岩发育的生物事件背景;理清黑色页岩笔石生物带与页岩气赋存的有利层段之间的对应关系;探索古生物化石的富集程度与黑色页岩的有机碳含量之间存在的生物控制规律。
下扬子区奥陶系—志留系的界线位于高家边组底部,五峰组和高家边组跨越了从奥陶系凯迪阶上部的Dicellograptus complexus带至志留系埃隆阶顶部的Coronograptus gregarius带,共包含4阶11个笔石(亚)带。在宁镇地区采集的浅井地质岩芯研究显示,五峰组内含笔石:Appendispinograptus supernus (Elles and Wood),Amplexograptus latus (Elles and Wood),Persculptograptus ojsuensis (Koren' and Mikhaylova),Dicellograptus ornatus Elles and Wood,Dicellograptus complexus Davies等,大致相当于奥陶系凯迪阶Dicellograptus complexus带至赫尔南特阶Normalograptus extraordinarius带,在高家边组采集到多层笔石,其中Normalograptus persculptus (Elles and Wood),Akidograptus ascensus Davies,Normalograptus ajjeri (Legrand),Normalograptus angustus (Perner),Normalograptus wangjiawanensis (Mu and Lin),Normalograptus acceptus (Koren' and Mikhaylova),N.rectangularis (McCoy),Atavagraptus orientalis (Li),Paraorthograptus longispinus Mu and Ni,Avitagraptus avitus (Davies),Neodiplograptus modestus (Lapworth),Atavagraptus gracilis Hutt,Normalograptus normalis (Lapworth),Cystograptusvesiculosus (Nicholoson),Paraorthograptus ensiformis Li,Normalograptus anjiensis (Yang),Hirsutograptus sinitzini (Chaletzkaya),Rectograptus uniformis (Mu and Li),Normalograptus mirnyensis (Obut and Sobolevskaya),Parakidograptus acuminatus (Nicholoson),Pseudorthograptus sp.,Glyptograptus incertus Elles and Wood,Normarlograptus serratus (Elles and Wood)等,大致相当于奥陶系赫尔南特阶“N”.persculptus带到志留纪鲁丹阶的Akidograptus ascensus带、Parakidograptus acuminatus带至Cystograptus vesiculosus带(图7)。
图4 汤山2号井岩性柱状图及烃源岩条件Fig.4 The column map of the core in No.2 well in Tangshan and the hydrocarbon source rock condition
图5 汤山3号井岩性柱状图及烃源岩条件Fig.5 The column map of the core in No.3 well in Tangshan and the hydrocarbon source rock condition
图6 仑山5号井岩性柱状图及烃源岩条件Fig.6 The column map of the core in the No.5 well in Lunshan and the hydrocarbon source rock condition
上扬子区的页岩气很可能部分产自P.pacificus、A.ascensus-P.acuminatus和C.vesiculosus等笔石带内(陈旭等,2012;樊隽轩等,2012;郭彤楼和刘若冰,2013)。从句容仑山5号井地质岩芯柱内获得大量笔石化石,其中不乏重要的带化石。经鉴定可较为清晰识别出志留系鲁丹阶至埃隆阶的笔石A.ascensus带至C.vesiculosus带。从同一岩芯柱取样测试的有机碳(TOC)数据来看,有机碳含量高的层位大致相当于笔石P.acuminatus 和C.vesiculosus带(图7)。即页岩气赋存的有利层段大致相当于笔石P.acuminatus至C.vesiculosus带,这一结果与上扬子区黑色笔石页岩生物地层学研究结论较为一致。
图7 笔石化石照片及分类Fig.7 Photos of selected graptolites from the borehole
此次还对研究区进行了浅层地球物理勘察,完成汤山浅层地震反射剖面(图8)以及浅层电阻率成像剖面各一条(图9)。
浅层地震反射剖面勘察方法主要包括数据提取、地形校正、数据漂移校正、噪音消除、增益控制、波速场分析、CMP迹线组合的速度动校正、堆栈处理等步骤。由于对基于Kichhoff方法的叠前深度偏移校正技术还没有充分的掌握及其计算的复杂性,成像结果是未进行偏移校正的结果。虽然本次在反射地震资料的处理上没有作偏移校正,但经过处理后的图像仍基本上反映出勘探处的地层结构。从所得地震图像上可以看出(图8),本区地层可能有两种倾向的层面,一种是倾向图像右侧的层面,视倾角在53.6°左右,考虑到图像未作偏移校正,实际的层面倾角可能达到60°左右。另一种是倾向图像左侧的界面,与前者相比,界面延伸长度短、界面窄、重复规律不明显,很可能是与岩石层面相交的一些破裂面。
二极法测得的浅层电阻率成像剖面中,向左倾斜的高阻值区域的存在也支持了这种向左倾斜的构造特征的存在(图9)。高密度电阻率成像计算方法,经过异常数据消除、数据格式转换、视电阻率计算、离散平滑等步骤,最后进行成图。二极法测定的结果和四极法测定的结果分别成图。从四极法获得的电阻率图像上,可以看到从左侧25 m附近,沿着右下方直到70 m处的30 m深度附近,再到右上角110 m处的5 m深度附近,存在着一片明显的低阻值区域。这一低阻值区域在二极法测定的图像上得到了进一步的验证,并揭示出该低阻值区域可能延伸到了更深的范围。笔者推测,该低阻值区域很可能就是位于基岩之上的坡积物或是风化层,因具有很强的导水和富水性而使其阻值偏低。图像上左侧阻值较高的区域应该是基岩所处的区域,它和坡积物之间界面的视倾角在52.3°左右。考虑到地面有5.7°的坡度,实际的视倾角应该在58°左右。
图8 汤山浅层地震反射剖面(剖面图位置见图1 A-B)Fig.8 The shallow seismic reflection profile in Tangshan
图9 汤山浅层二级电阻率成像剖面(剖面图位置见图1 A-B)Fig.9 The 2-pole resistivity cross section in Tangshan
本研究首次尝试对江苏省南京汤山以及句容仑山地区五峰组—高家边组黑色页岩进行浅井钻探,笔石生物地层学研究精确约束了钻井中地层的年代,研究表明出现在9.3 m、33.5 m、37.7 m、39.6 m深度的笔石化石,大致对应志留纪的笔石Co.cyphus,Cy.vesiculosus,P.acuminatus和A.ascensus带。页岩气赋存的有利层段大致相当于笔石P.acuminatus和Cy.vesiculosus带,与上扬子区的黑色笔石页岩生物地层学研究结论较为一致。
通过厚度和倾角测量得出汤山地区上奥陶—志留之交的黑色页岩(五峰组和高家边组)总体厚度大于80.5 m,仑山地区黑色泥页岩地层厚度大于39.5 m。钻井岩芯TOC含量较高,一般在1.2%~4%,热演化程度Ro介于1.5%~2.6%,处于高—过成熟阶段,以生成干气为主,有机质类型主要为干酪根Ⅰ、Ⅱ1型,与上扬子焦石坝的志留系黑色页岩地层有很大的对比性。因此,作者认为位于下扬子地区的江苏省也具有良好的页岩气勘探开发前景。
致谢:本研究受江苏省科技支撑计划——“江苏省页岩气储集系统精细表征与评价技术研发”资助(项目号:BE2013115)。感谢在文章撰写和评审过程中来自肖安成教授、陈汉林教授、沈晓华教授、程晓敢副教授、吴磊副教授和章凤奇副教授等的宝贵的意见和建议。
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JIA Dong1*,HU Wenxuan1,YAO Suping1,YIN Hongwei1,LI Yiquan2,WANG Wenhui1,ZHOU Qiyou1,WU Xiaojun1
1.Institute of Energy Sciences,School of Earth Sciences and Engineering,Nanjing University,Nanjing 210023,China; 2.School of Geographic and Oceanographic Sciences,Nanjing University,Nanjing 210023,China
Abstract:The shale gas exploration of the Longmaxi formation in the Lower Silurian in the upper Yangtze region obtained great breakthrough in recent years.More and more attention is focused on the shale gas resource potential and exploration prospect in the lower Yangtze zone,which is in the same tectonic block with the upper Yangtze.The Gaojiabian formation in the lower Yangtze is the equivalent layer of the Longmaxi formation in the upper Yangtze.Due to the strong erosion on the surface and the bad exposure,the distribution and the thickness of the black shale rock are unclear,which restrict the evaluation and prospection of the shale gas exploration potential.In this respect,this study performed the shallow well drilling project for the black shale in the Tangshan in Nanjing and Lunshan in Jurong.On basis of the analysis of the cores from these 5 boreholes,this study revealed the characteristics of the black shale,including the thickness,geochemical features,petrology,and biostratigraphy.The results suggest that the black shale is well comparable with the Jiaoshiba in the upper Yangtze and that at least 4 graptolite fossil zones are consistent with each other.The thickness of the Wufeng-Gaojiabian black graptolite shale is larger than 80.5 m in Tangshan zone,and larger than 39.5 m in Lunshan.book=128,ebook=131The organic abundance is relatively high.The TOC content is from 1.2% to 4%,which implies relative strong hydrocarbon generation capacity.The Ro ranges from 1.5% to 2.6%,which indicates the thermal evolution degree is high-over mature.The hydrocarbon entered the gas generation stage.The organic pattern of the black shale is mainly kerogenⅠandⅡ1.Therefore,we considered the lower Silurian shale has good shale gas resource potential in the lower Yangtze zone.
Key words:Lower Yangtze; shale gas; Lower Silurian black shale; shallow borehole drilling; potential
Corresponding author:JIA Dong,Professor; E-mail: djia@nju.edu.cn
作者简介:贾东,男,1960年生,教授,博士生导师,主要从事含油气盆地构造和活动构造研究;E-mail: djia@nju.edu.cn
基金项目:江苏省科技支撑计划(工业)(BE2013115)
收稿日期:2015-12-11;修回日期:2016-02-25
DOI:10.16108/j.issn1006-7493.2015245
中图分类号:P618.13
文献标识码:A
文章编号:1006-7493(2016)01-0127-11