下扬子北部地区下古生界页岩气形成条件

赵 挺,段宏亮

(中国石化江苏油田分公司勘探开发研究院，江苏 扬州 225009)

目前国内的页岩气勘探主要集中在中、上扬子区的下古生界海相页岩中[1-4]，而在海相页岩同样发育的下扬子地区，则缺乏相应的调查与研究工作。前人研究表明，下扬子地区下古生界下寒武统、上奥陶统—下志留统富有机质泥页岩分布较广泛，有机碳含量较高，具备良好的生烃条件。

1 页岩发育背景

1.1 区域沉积构造背景

受多期构造运动控制，位于扬子准地台东北部的下扬子北部地区(图1)先后发育了晚震旦世—晚奥陶世被动大陆边缘盆地、奥陶纪末—早石炭世前陆盆地、中石炭世—早三叠世被动大陆边缘盆地、中三叠世—中侏罗世前陆盆地、晚侏罗世—早白垩世走滑—拉分盆地和晚白垩世—第四纪陆相断坳陷盆地等6期不同性质的盆地[5-6](图2)。在上述多韵律叠合盆地演化过程中，受全球海平面升降影响和沉积、构造格局控制，研究区于早古生代先后沉积了下寒武统幕府山组(C-1m)、上奥陶统五峰组—下志留统高家边组(O3w—S1g)两套泥页岩层系[7]。

图1 下扬子北部地区构造区带划分

图2 下扬子北部地区构造旋回及原型盆地期次划分[7]

1.2 岩性及沉积相

(1)C-1m

开始于桐湾事件之后的早寒武世海侵，在震旦系“一台两盆”[8-9]的基本格局上进一步发展，期间下扬子区发育了台地—深水陆棚相较为完整的相带。早寒武世下扬子北部大部分地区为半闭塞台地—开阔台地相区(图3)，在南通—如东一线东南地区为深水陆棚相。据钻井及野外露头揭示，可将研究区内下寒武统幕府山组分为两段，上段为泥质白云岩、白云岩，下段主要为页岩。以位于南京幕府山的标准剖面为例(图4)，剖面自下往上碎屑物质减少，碳酸盐成分增加，普遍含磷，其岩性可分为上、下两段：上段以灰、灰白色白云岩为主，夹硅质页岩或泥岩，上部含磷，含三叶虫、腹足类及腕足类碎片，厚度为67 m；下段以浅灰、灰黄色页岩(砂质)为主，夹灰黑色硅质页岩、硅质岩、黑色碳质页岩及石煤层，顶部常夹透镜状灰岩或泥质岩，底部局部为含铁、含砾砂岩和砂质泥岩，厚度为12～109 m。

图3 下扬子北部地区早寒武世沉积相

图4 幕府山组下段页岩基干剖面图(据幕府山剖面)

(2)O3w—S1g晚奥陶世末期，海水明显加深，在下扬子区内沿开化—宁国—常州—南通一线以东南地区为无障壁海岸相，此线以北的下扬子北部地区为陆棚—盆地相。区内沉积的O3w主要为深灰、灰黑色硅质页岩、硅质岩，厚度约10 m。早志留世早期，区内沉积环境与晚奥陶世末期相同，仍属盆地—陆棚相(图5)。据江宁S1g标准剖面揭示，其底部发育灰黑色笔石页岩，且自下而上泥质含量逐渐减少，砂岩含量增多，为明显的海退序列。滁州三元支剖面及ZK11等部分浅钻孔资料(图6)均揭示了S1g底部的泥岩和笔石页岩。据此推测，其深水陆棚笔石页岩相主要分布在滁州—南京—扬州—泰州—盐城一带。由此向南，在黄桥地区的N4井、苏南无锡地区的东深1井钻遇的S1g以砂岩为主，推测在黄桥—海安—南通一带及以南地区主要为浅水陆棚页岩砂岩沉积区。总体来看，研究区内自南北两侧向中部S1g砂岩含量逐渐减少，泥页岩增多。

图5 下扬子北部地区晚奥陶世-早志留世沉积相

2 页岩气形成条件

2.1 地化特征

在幕府山标准剖面中，其下段泥页岩TOC含量1.73%～5.11%，平均3.42%。研究区内S121、N2井揭示的幕府山组泥岩TOC平均2.09%～3.31%。总体来说，其下段泥页岩的TOC均较高。平面上有机质丰度最高的地区位于江都-东台-海安一带，TOC大于3%，向北东、南西方向有机质丰度逐渐变差，至北部淮安地区其有机质丰度平均仅为0.93%。寒武纪以水生生物为主，不存在高等植物，C-1m干酪根碳同位素均小于-29‰，饱芳比一般大于3，生烃母质以Ⅰ型为主。C-1m页岩的R0介于0.73%～5.47%，区内普遍大于2.5%，仅在泰州—小海一带小于2.0%，表明其已经达到过成熟生干气阶段。

O3w—S1g底部以泥页岩为主，其中与上扬子五峰—龙马溪组(O3w—S1l)优质页岩段相对应的WF2-LM5笔石带在本区内也为一套富含笔石的灰黑色、黑色页岩。据苏南汤山地区的ZK9、ZK10、ZK11井揭示，此段笔石页岩TOC最高为3.64%，平均为1.22%。横向上，富有机质泥页岩(笔石页岩)主要分布于本区东南部的泰州、泰兴、海安一带，向北东、南西方向，富有机质泥页岩厚度逐渐变薄，有机质丰度逐渐变差。O3w—S1g泥页岩干酪根碳同位素大多小于-29‰，饱芳比一般大于3，生烃母质以Ⅰ型为主。O3w—S1g热演化程度(R0)在区内介于1.08%～4.77%，主要介于1.5%～2.5%之间，正处于高成熟生干气阶段。

图6 高家边组下段页岩基干剖面图(据ZK11井)

2.2 储集性

C-1m下段页岩脆性矿物含量平均为59.4%，主要以石英为主(46.5%)，其次为长石(9.3%)，黏土矿物含量低(28.9%)，其页岩压裂造缝能力较强。由扫描电镜可见，C-1m黑色页岩中微裂缝比较发育，部分裂缝被石膏充填(图7)。次生的微溶孔也比较发育，溶孔直径最大可达50 μm。

O3w脆性矿物含量高，平均61.5%，以石英和斜长石为主，黏土矿物较低，平均为37.3%，压裂造缝条件好。S1g下段页岩脆性矿物含量也较高，平均55.9%，以石英为主，少量斜长石；黏土矿物含量亦较高，为42.8%，因此压裂改造条件一般。O3w深灰色泥岩、S1g的灰黑色泥岩中可见1～4 μm的微裂缝，微溶孔也比较发育(图8)。

图7 C-1m页岩样品氩离子抛光扫描电镜

图8 O3w—S1g页岩样品氩离子抛光扫描电镜

2.3 含气性

因缺乏井下岩心解析气体数据，本区内页岩的含气性只能参考等温吸附实验数据定性判断其含气量。通过泥页岩岩心和露头样品等温吸附实验分析可知(表1)，C-1m吸附气含量最高，泥页岩吸附气含量平均为3.78 m3/t；而O3w—S1g吸附气含量相对较低，S1g为1.32 m3/t，O3w吸附气含量最低，仅为1.18 m3/t。

表1 下扬子北部地区海相探区泥页岩等温吸附实验结果统计表

2.4 展布特征

(1)优质页岩分布及厚度。基于页岩层的有机碳含量、演化程度、脆性矿物含量等参数，据中石化《页岩气资源评价方法》标准(试行版，2013.9)(表2)，最终评价优选出C-1m下段页岩23.7 m、O3w—S1g底部页岩46.9 m为本区下古生界优质页岩段，且大多为Ⅱ-Ⅲ类页岩储层。对比来看，本区C-11m、O3w—S1g页岩与上扬子地区下寒武统牛蹄塘组(C-11n)、上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组(O3w-S1l)页岩特征相似(表3)。

C-11m优质页岩横向上广泛分布，但是由于后期遭受多期构造运动的改造与叠加，区内各资料点揭示厚度差异较大。南京幕府山剖面实测厚度为23.7 m，区内仅有4口井揭示该套泥页岩。其中真武断裂带Z51井和X15井分别揭示泥页岩厚363 m和248 m，泰州凸起上的S121井揭示暗色岩厚116 m，淮安地区NC1井揭示暗色泥页岩厚68 m，总体反映扬州—东台一带厚度最大，大于200 m；向南东、北西厚度逐渐变薄至50 m左右。暗色泥页岩厚度变化趋势与该区沉积相与沉积格局一致，南京—镇江—南通一带为早古生代陆内裂谷盆地的中央台地区(宁-巢台地)，沉积厚度较薄。

O3w—S1g优质页岩主要分布在滁州-南京-扬州-泰州-盐城地区。与上扬子地区上奥陶—下志留统优质笔石页岩段对应的优质页岩在镇江-句容地区的ZK11井揭示有效厚度为46.9 m。N4井揭示S1g底部页岩段含砂，其页岩厚度约54.6 m。结合早志留世全区沉积格局及沉积相，推测S1g下段富有机质泥页岩应主要分布于扬州-泰州-大丰一带，厚度小于100 m。

(2)优质页岩层埋深。C-1m页岩在区内埋深比较大。据钻井、物探资料推测，该套页岩在盐城、金湖、高邮、海安等新生界深凹带地区埋深大于6 000 m。在扬州-镇江-扬中地区埋深约3 000 m，向东南至南通一带埋深小于3 000 m。

O3w—S1g页岩埋深趋势与C-1m页岩类似。页岩在盐城、金湖、高邮、海安等新生界深凹带地区埋深较大，其中在海安凹陷页岩埋深大于5 000 m。在新生界深凹带之间的低凸起部位埋深小于3 500 m，向东南至南通一带埋深小于2 000 m。

表2 页岩气综合评价标准数据表

表3 上、下扬子地区下古生界页岩参数对比表

2.5 保存条件

四川盆地的页岩气勘探显示，宽缓型褶皱向斜部位页岩气井产气量相对较高。目前发现的焦石坝、涪陵、丁山等页岩气田均位于四川盆地周缘的低幅度构造带，另外，中扬子页岩气勘探有利区也位于构造较为宽缓的川东北-大冶对冲带中。因此，构造变形弱且具有低幅度构造背景是页岩气有利保存区优选的重要因素[10]。

下扬子北部地区下古生界的构造变形改造主要发生在以逆冲推覆运动为主的印支-燕山期和以伸展拉张运动为主的喜山期。其中，在印支-燕山期以前陆变形为主，自北西向南东依据构造变形样式和强度依次划分出根带、中带、锋带[11-15]。根带变形强烈，以逆冲叠瓦扇断层组合及紧闭、倒转褶皱为特征；中带变形程度中等至强，由前后相互叠置的逆冲推覆体构成；锋带变形较弱，以宽缓的褶皱为主[12](图1)。

在经历了印支-燕山期逆冲推覆之后，区内海相中、古生界进入以拉张伸展运动为主的喜山期。早期逆冲推覆的主干断裂大多发生反转，破坏强烈的海相中、古生界逆冲推覆体沿着主断面回滑，其上接受了中、新生界沉积[16]。这种经历印支-燕山期强烈的逆冲推覆，喜山期又发生大幅度反转沉降的地区(如高邮、盐城、黄桥等地区)，其页岩气保存条件较为不利。强烈的抬升、大幅度的沉降会破坏页岩内部结构，加速其内部的吸附气、游离气的逸散。反之，在印支-燕山期构造活动强度比较弱，且在喜山期沉降较弱的地区更有利于页岩气的保存。比如对冲锋带的南通-如皋地区、扬中-镇江地区和江都-东台逆冲推覆体南部的扬州-江都地区。上述地区于印支-燕山期变形较弱，之后在喜山期发生了微弱的沉降(图9)，是“印支-燕山期弱变形、喜山期弱沉降”的保存有利区。

图9 南通-如皋地区埋藏史曲线

3 页岩气勘探方向

上扬子通过勘探实践总结出“深水陆棚相优质页岩是海相页岩气富集的基础，良好的保存条件是海相页岩气富集高产的关键”页岩气“二元富集”理论[17]。据此，在下古生界两套优质页岩分布范围内，叠合“印支-燕山期弱变形、喜山期弱沉降”的保存有利区，同时考虑目前页岩气勘探的最优经济埋深(小于3 000 m[18])，优选下古生界页岩气勘探有利区如下。

C-1m页岩气勘探有利区为镇江-扬中、黄桥、南通-如东地区(图3)。此有利区内C-1m页岩层厚度为100 m左右，埋深2 500～3 000 m。有利区位于对冲锋带东部，其海相中、古生界变形强度较弱，以宽缓的褶皱为主。印支-燕山期变形弱，喜山期沉降弱，区内断裂不发育，保存条件较好。地表平缓，大部分地区为平原，靠近长江，水系发育。

据区域沉积相、钻井资料推测，O3w—S1g页岩主要分布于滁州-南京-扬州-泰州-盐城一带。O3w—S1g页岩气勘探有利区为镇江-扬中、泰州一带(图5)。其中，泰州有利区位于江都-东台推覆体下盘的稳定原地体中，镇江-扬中有利区位于对冲锋带中。这两个地区海相中、古生界变形强度较弱，且之上的中、新生界厚度均小于500 m，表明其印支-燕山期变形弱，喜山期沉降弱，保存条件有利。有利区大部分为平原地带，地表平缓，区内页岩埋深2 000～3 000 m。但镇江-扬中、泰州有利区与城市居住区重叠，增加了勘探难度。

4 结论

(1)下扬子北部地区下古生界主要发育C-1m、O3w—S1g两套页岩层系。其中，C-1m下段、O3w—S1g底部为优质页岩层段。C-1m优质页岩有机碳含量平均3.42%，脆性矿物含量平均59.4%，中微裂缝比较发育，吸附气含量平均3.78 m3/t，在下扬子北部地区均有分布，其厚度约50～200 m；O3w—S1g优质页岩有机碳含量最高3.64%，平均1.22%，脆性矿物含量56.4%，吸附气含量平均1.25 m3/t，主要分布于滁州-南京-扬州-泰州-盐城一带，厚度约50～100 m。

(2)依据页岩层分布、页岩成熟度、保存条件、埋深等因素优选出下扬子北部地区页岩气勘探有利区。其中，C-1m有利区分布于镇江-扬中、黄桥、南通-如东地区，区内C-1m优质页岩厚度约100 m，构造变形较弱，页岩埋深2 500～3 000 m；O3w—S1g有利区分布于镇江-扬中、泰州地区，位于O3w—S1g页岩沉积有利相带中，优质页岩厚度小于100 m，区内构造变形弱，页岩埋深2 000～3 000 m。