浙西北下寒武统荷塘组页岩气勘探潜力

何　钰, 陈安清, 楼章华, 金　宠, 王　君, 尚长健, 朱晓亚

(1.浙江大学 海洋学院，杭州 310058; 2.成都理工大学 沉积地质研究院，成都 610059；3.浙江省地质矿产研究所，杭州 310007; 4.核工业北京地质研究所，北京 100029)

浙西北下寒武统荷塘组页岩气勘探潜力

何钰1, 陈安清2, 楼章华1, 金宠3, 王君1, 尚长健4, 朱晓亚3

(1.浙江大学 海洋学院，杭州 310058; 2.成都理工大学 沉积地质研究院，成都 610059；3.浙江省地质矿产研究所，杭州 310007; 4.核工业北京地质研究所，北京 100029)

[摘要]为了查明浙江地区下古生界页岩气勘探前景，通过分析浙西北地区下寒武统荷塘组页岩有机质丰度、类型、成熟度等地球化学特征，矿物组成、孔隙度等物理特征及沉积、构造环境和分布情况，研究了荷塘组页岩气富集条件和勘探潜力。结果表明：研究区荷塘组页岩有机碳的质量分数为0.32%～4.24%，有机质丰富，生烃潜力较好；镜质体反射率在2.81%～4.83%，热演化程度高，处于过成熟阶段，有利于页岩气藏形成；页岩平均孔隙度为2.74%，微米级孔隙发育，有利于页岩气的储集；等温吸附实验的最大吸附量分别为3.5 m3/t和5.16 m3/t，吸附甲烷能力良好；页岩脆性矿物的质量分数达76%～86%，有利于页岩气的压裂开采。荷塘组泥页岩在浙西北地区广泛分布，有效厚度为10～60 m，在中洲-昌化一带埋深适中，具备较好的勘探前景。

[关键词]浙西北；下寒武统；荷塘组；页岩气；地质条件；资源潜力

页岩气是指主要以吸附和游离状态存在于泥页岩的天然气藏[1]。近几年国内外的勘探实践表明，页岩气是未来重要的勘探领域。浙西北历经多次构造抬升剥蚀、逆冲推覆和岩浆活动，油气保存条件差，围绕盆地周缘的常规油气资源勘探长期未有突破。凹陷内部构造相对稳定，保存条件较好，自生自储的页岩气勘探理论为凹陷内部的天然气勘探带来了希望。古生界海相残留盆地发育多套泥页岩，有望成为页岩气勘探目标。

前期研究认为浙西北下寒武统荷塘组残留面积大，是页岩气最具潜力的勘探层位[2]。然而，目前尚未全面地开展该地区荷塘组的页岩气富集地质条件和勘探潜力研究。本文旨在通过对荷塘组页岩有机地化、储集物性、空间展布特征及含气性等页岩气富集地质条件的综合分析，初步评价浙西北荷塘组页岩气勘探潜力与方向，为浙江地区页岩气勘探提供地质依据。

1地质背景

1.1区域构造特征

本文所述的浙西北为江山-绍兴断裂带以西的浙江地区，在大地构造上属于扬子陆块东缘。研究区历经了新元古代沿江山-绍兴断裂扬子陆块和华夏陆块的碰撞对接[3-6]、南华系-中三叠统的陆内构造[7]和中生代中晚期以来受太平洋构造域影响的陆缘构造[8]三大重要阶段，依次形成了双溪坞群(江南古岛弧)基底、南华系-中三叠统沉积盖层和中上中生界的火山-沉积地层及分别与之对应的下、中、上三大构造层。对油气勘探最为重要的是中构造层中的早古生界，尤其是下寒武统的深水相沉积。该套地层历经加里东运动的区域隆升、印支运动的强烈薄皮冲滑和燕山期的火山-岩浆破坏，现今展现为被后期北北东向改造的北东向构造(图1)，影响了以下寒武统为烃源岩的油气系统的保存条件[9]。

图1　浙西北构造简图Fig.1　Simplified tectonic map of Northwest Zhejiang

1.2岩相古地理特征

早寒武世荷塘期，海水浸没至江山-绍兴和杭州-嘉兴一带，形成静水滞流海盆和平缓斜坡环境。在安吉-开化、江山-临安一带沉积了黑色炭质页岩、炭质硅质页岩、石煤和块状、结核状胶磷矿及薄层灰岩，生物除三叶虫外，还有大量的蓝藻、绿藻，水平层理发育，为半局限台沟相；桐庐-建德与萧山-衢县一带的荷塘组产有底栖三叶虫、腹足类、软舌螺、腕足类和蓝绿藻等化石，为半局限台地相；在杭州-嘉兴一带海水相对较浅，沉积了黑色含炭白云质泥岩、黑色粉细砂岩、粉-粗晶灰岩，生物群有三叶虫、软舌螺和蠕虫等底栖生物，为水体较深的半局限台地相(图2)。可见，有良好黑色页岩产出的区域为马金-乌镇断裂以西地区。

2页岩有机地化特征

本次研究采集的样品基本覆盖了整个浙西北地区，并对临安大石门荷塘组剖面进行了细致的解剖。有机地化、矿物成分和孔渗特征数据由长安大学成矿作用及动力学实验室测得；等温吸附试验由任丘华北石油邦达新技术有限公司完成。

图2　浙西北早寒武世岩相古地理Fig.2　Map showing paleographic lithofacies of the early Cambrian in Northwest Zhejiang

2.1有机质类型与有机碳含量

页岩气藏与常规气藏相同，都需要充足来源的有机质。有机质丰度指标主要包括有机碳含量

和氯仿沥青“A”。由于中国南方海相地层自沉积以来历经多次构造运动，残留的氯仿沥青“A”含量很低，不能准确反映烃源岩的生烃能力，所以主要采用烃源岩的有机碳含量对其进行评价。

除了评价烃源岩的生烃潜力以外，有机碳含量亦是评价页岩气藏吸附气量的重要参数。有机质作为吸附气的核心载体，其颗粒间广泛分布纳米级微孔隙[10,11](多数直径<2 nm，具有更强的吸附气体能力和更大的内表面积[12])，成为气体吸附的优先场所。

干酪根类型的不同决定了烃源岩是以产气为主还是以油为主，同时不同类型的干酪根对甲烷的吸附作用也不同[13]，原因可能为有机质的化学结构对吸附起到一定影响作用[14]。

临安大石门上塘村荷塘组野外实测剖面的14块泥页岩样品测试数据表明：在剖面上，荷塘组有机碳分布均匀，TOC质量分数(wTOC)为0.32%～4.24%，平均为2.14%，是良好的烃源岩；氯仿沥青“A”的含量普遍低，其质量分数平均为0.0019%；干酪根主要为Ⅰ型，以腐泥型干酪根为主(图3)。在平面上，TOC整体分布西高东低，昌化-中洲一带最高，wTOC约为4%；在开化-桐庐一带wTOC为2.5%～4%(图4)。

图3　浙西北荷塘组有机地球化学和物性综合柱状图Fig.3　Histogram of the organic geochemistry and physical properties of Hetang Formation in Northwest Zhejiang

图4　浙西北荷塘组TOC含量平面分布图Fig.4　TOC distribution of Hetang Formation in Northwest Zhejiang

2.2有机质成熟度

成熟度对页岩气成藏的影响复杂，成熟度决定了页岩气的成因及气体组分，不同成熟度的页岩气藏在美国均有开采[15,16]。页岩气藏的成因包括生物成因、热成因以及两种成因的混合[17]。低成熟度页岩气藏主要是生物成因，气藏中常含有一定量的CO2。高成熟度页岩气藏是热成因，随着成熟度的升高，干酪根和原油均裂解产生天然气，气体的生成速率加快。因此，在一些情况下，高成熟度不会是制约页岩气藏的主要因素。相反，成熟度低时，烃源岩仍处于生油阶段，产生的天然气少并且溶解于原油中。

成熟度也是页岩吸附气含量的重要影响因素。在热演化过程中，成岩作用改变了有机质的结构，打开了更多的微孔隙，为气体吸附提供了更好的场所[18]；同时烃类气体的生成使得地层压力增大，更有利于气体的吸附。在压力升高到一定程度时，在地层中产生的微裂缝也是页岩气的良好赋存空间及开采疏导通道[19]。现在亦有实验研究表明，甲烷气体更容易吸附在高成熟度的干酪根上[13]。

在实测剖面上，荷塘组镜体反射率(Ro)普遍较高，为2.81%～4.83%，平均为3.69%(图3)。在区域上，荷塘组的Ro平均值为3.73%，除临安-杭州一带以外(图5)，其他地区的Ro值基本上都大于2.0，达到生成干气的过成熟热演化阶段。

图5　浙西北荷塘组Ro值平面分布图Fig.5　Ro distribution of Hetang Formation in Northwest Zhejiang

3页岩储层特征

3.1页岩矿物成分特征

页岩矿物成分对页岩气完井至关重要。当页岩层中天然裂缝不够发育时，需要通过人工压裂产生裂缝的方法来满足页岩气工业开采要求。根据页岩气藏的开采经验：页岩中的石英等脆性矿物含量高时更容易被压裂；碳酸盐矿物易溶蚀产生溶孔；而黏土矿物则不利于储层的压裂造缝[20]。但是，黏土矿物对吸附气有一定影响[18,21-26]，其晶体层间发育的微孔隙为气体吸附提供场所。不同的黏土矿物吸附性不同[23]，但其对气体的吸附性影响都不及有机质明显[24,26]。

荷塘组多数样品的长英质矿物质量分数为76%～86%，最低为45%，平均为81%；黏土矿物的质量分数一般为10%～23%，最高达35%，平均为16%(图3)。总体上，荷塘组脆性矿物含量高，黏土矿物含量低，有利于页岩气的开采。

3.2页岩孔渗特征

和常规储层一样，孔隙度是描述储层特性的一个重要方面。孔隙发育的页岩中可以储存大量的游离气。渗透率是页岩气开采的重要参数。世界富含页岩气的烃源岩分布广泛，没得到广泛开发的重要原因在于很多页岩渗透率很低。成岩作用、有机质演化和构造应力等因素能够使泥页岩形成一定规模的天然裂缝系统，提高渗透率，其发育程度直接影响到页岩气开采效益[27]。然而大部分情况下天然裂缝不能满足工业开采的渗透率要求，需要通过后期的人工压裂，改造储层的渗透率。

荷塘组页岩的微孔隙发育，孔径以2～20 μm居多，见20～40 μm较大孔隙(图6),孔隙度为2.74%，渗透率为0.02×10-3μm2(图3)，表明荷塘组页岩是良好的储层，但渗透率低，需要后期人工压裂。

图6　浙西北荷塘组页岩扫描电镜照片Fig.6　Image of scanning electron microscope of the Hetang shale in Northwest Zhejiang

3.3页岩甲烷吸附性特征

在页岩气生成阶段，在生物作用或热演化作用下生成的天然气首先要满足有机质和岩石颗粒表面的吸附要求，在一定的压力下，当吸附的气量与逃逸的气量达到平衡时，进一步生成的页岩气才会以游离相聚集在裂缝中。所以吸附状天然气是页岩游离状天然气赋存的基础。当页岩气开采时，地层压力降低，吸附气大量地转化为游离气从而被开采利用。因此，吸附态天然气某种程度上决定了页岩气井的稳产寿命以及页岩气藏的储量[28]。

页岩对甲烷的吸附能力直接影响吸附态天然气含量。页岩对甲烷的吸附能力包括一定温度、压力等条件下页岩对甲烷的最大吸附量以及对甲烷吸附解析的难易程度。通过等温吸附试验得出的等温吸附曲线可以描述页岩对甲烷的吸附情况。测试表明浙西北地区荷塘组泥页岩最大吸附量分别为3.5 m3/t和5.16 m3/t(图7)，甲烷吸附性良好。

图7　浙西北荷塘组页岩等温吸附曲线Fig.7　Adsorption isotherm curves of the Hetang shale in Northwest Zhejiang

4页岩气富集条件和分布特征

4.1页岩有效厚度的平面分布

形成工业页岩气藏的页岩需要足够的有效厚度。有效厚度指页岩中wTOC>0.5%的厚度。足够大的有效厚度可以确保充足的有机质、储集空间和页岩的封盖能力，有利于页岩气的保存[19,29]。

荷塘组为深水陆棚-盆地相沉积，页岩的泥地比基本在1/10左右，由黑色薄层硅质页岩、炭质页岩及石煤层组成。荷塘组页岩沉积沉降中心位于安吉-中洲一线，呈NE向带状展布；安吉-昌化一带有效厚度最大，为50～60 m；开化-中洲一带厚度为30～50 m，常山-诸暨凸起的厚度<20 m，杭州-嘉兴一带的厚度<10 m。安吉-临安-昌化一带以及常山-诸暨一线火山岩、凝灰岩广泛发育，淳安周边凝灰岩亦有分布。浙西有部分区域震旦系出露，主要分布在开化-昌化一带，临安、常山亦有零星分布(图8)。

图8　浙西北荷塘组页岩有效厚度等值图Fig.8　Thickness distribution of the Hetang shale enriched in hydrocarbon, Northwest Zhejiang

4.2页岩埋深的平面分布

埋深是页岩气工业开采需要考虑的因素之一。随着埋深的增加，有机质演化程度增高，地层压力增大，吸附气量和游离气量随之增加[30]；同时由于地热梯度的影响，不同深度层位温度差异很大，直接影响着页岩气吸附情况[13,23]。目前正在开采的页岩气藏埋深都不是很大，这是由于过高的埋深会加大勘探开发的成本；但随着油气资源的日益紧缺，深部页岩气藏会得到越来越多的重视[19]。

荷塘组经历次构造作用，埋于O3、S1等古生界之下，现今其顶界面埋深,在中洲-昌化凸起为1～3 km，埋深中心位于昌化镇之东；开化-桐庐凹陷荷塘组的埋深达2.5～5 km，埋深中心位于淳安-建德之间,呈北东向展布(图9)。

图9　浙西北荷塘组顶面埋深平面图Fig.9　Buried depth of Hetang Formation top surface in Northwest Zhejiang

5结 论

a.浙西北地区下寒武统荷塘组泥页岩广泛分布，有效厚度在10～60 m，有机质丰度高，平均有机碳质量分数为2.14%，镜体反射率平均为3.73%，以腐泥型干酪根为主，基本上处于过成熟的干气生成阶段，有利于页岩气藏的形成。

b.荷塘组页岩脆性矿物发育，质量分数达76%～86%，容易在外力作用下产生裂缝，有利于页岩气的开采。

c.荷塘组微孔隙发育；同时，等温吸附实验表明荷塘组页岩具有较强的吸附能力，有利于页岩气的储集。

d.有效页岩厚度、有机碳含量、热演化程度、埋深等因素综合分析表明浙西北荷塘组具有较好的页岩气成藏潜力，有利区主要分布在中洲-昌化凸起和安吉-长兴凹陷。

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Analysis of shale gas potential of Lower Cambrian Hetang Formation in Northwest Zhejiang, China

HE Yu1, CHEN An-qing2, LOU Zhang-hua1, JIN Chong3,WANG Jun1, SHANG Chang-jian4, ZHU Xiao-ya3

1.OceanCollege,ZhejiangUniversity,Hangzhou310058,China;2.InstituteofSedimentaryGeology,ChengduUniversityofTechnology,Chengdu610059,China;3.ZhejiangInstituteofGeologyandMineralResource,Hangzhou310007,China;4.BeijingResearchInstituteofUraniumGeology,Beijing100029,China

Abstract:The shale gas accumulation condition and resource potential of the Lower Cambrian Hetang Formation in the Northwest Zhejiang are studied based on the geochemical characteristics of organic matter abundance, organic matter types, maturity of organic matters, and physical properties such as mineral composition, porosity，sedimentation and structure environment and shale distribution. It shows that the mass fraction of total organic carbon in the shale is 0.32%～4.24%, with high abundance of organic matter and affirmative hydrocarbon-generating potential. Thermal evolution degree reaches postmaturity and the value of vitrinite reflectance is 2.81%～4.83%, favorable for shale gas generation. The shale is rich in brittle minerals with a proportion of 76%～86%, favorable for exploitation of shale gas; and the average porosity of the shale is 2.74%, with a lot of micrometer-level pores suitable for gas accumulate. Isothermal adsorption test shows that the maximum adsorption is 3.5 m3/t and 5.16 m3/t, showing good ability of methane adsorption. The Hetang shale with effective thickness about 10～60 m distributes widely in the research area, and its buried depth is moderate, suitable for shale gas exploitation.

Key words:Northwest Zhejiang; Lower Cambrian; Hetang Formation; shale gas; geologic feature; resource potential

DOI:10.3969/j.issn.1671-9727.2016.03.06

[文章编号]1671-9727(2016)03-0300-08

[收稿日期]2015-06-05。

[基金项目]全国油气资源战略选区与评价国家专项(2009GXYQ-15);国家公益性行业科研专项(201211013)。

[通信作者]陈安清(1981-),男,博士,副教授,研究方向：沉积学, E-mail:aqinth@163.com。

[分类号]TE132.2

[文献标志码]A

[第一作者] 何钰(1990-),男,硕士研究生,研究方向：构造地质与页岩气聚集保存, E-mail:775857669@qq.com。