二维地震勘探在页岩气勘查空白区的应用效果——以下扬子巢湖地区五峰组-高家边组下段为例

陈 耀, 熊强青

(安徽省勘查技术院，合肥 230001)

近年来，上扬子地区发现了涪陵、长宁-威远、昭通等页岩气田，主力产气层位均为五峰组-龙马溪组[1-5]，下扬子地区在晚奥陶世-早志留世同期也沉积了一套笔石页岩，称为五峰组-高家边组下段。对下扬子汤山-句容地区五峰组-高家边组下段页岩的沉积环境、地球化学、储集性能等特征初步研究认为[5-8]，五峰组-高家边组下段沉积于深水陆棚环境，发育较好的黑色富有机质页岩，具有较好的页岩气地质条件。下扬子巢湖地区与汤山-句容地区同属于沿江盆地褶皱带，推测具有类似的页岩气地质条件，初步研究认为巢湖地区五峰组-高家边组下段露头样品具有脆性矿物含量高和储集条件较好等特征[9]，总体针对巢湖地区五峰组-高家边组下段富有机质页岩厚度、有机地化、岩石学、储集物性以及含气性特征研究较为薄弱。该地区五峰组-高家边组下段露头风化严重，未见到新鲜的露头和完整连续的剖面，根据露头追踪的方法去部署井位难度较大，安徽省勘查技术院在巢湖地区部署了35 km二维地震工作量，由于缺乏钻井对层位的标定也无法利用地震资料对各个地层的分布进行准确预测。上扬子地区五峰组-龙马溪组黑色页岩在二维地震剖面上均具有较强的反射特征[10-12]，在巢湖地区页岩气勘查空白区根据二维地震剖面波组强反射特征部署的皖含地1井较好地揭示了五峰组-高家边组页岩气地质条件。

1 区域地质背景

巢湖地区在构造位置上属于下扬子地块西北部前陆盆地沿江隆坳褶断带，印支期-早燕山期，大别、扬子陆块发生陆-陆碰撞造山，造山带南部向南逆冲推覆，成为前陆逆冲推覆构造系统的根带。前陆带遭受强烈挤压，形成一系列推覆构造，总体呈北东向延伸。在晚奥陶世至早志留世，南缘华夏地块向北汇聚俯冲碰撞，在下扬子地块东南缘形成前陆盆地，西北部地区继续以被动大陆边缘发展为主，该时期以前渊盆地和陆棚相沉积环境为主，发育了了五峰组-高家边组下段黑色富有机质页岩。根据断裂发育和地层出露特征，巢湖地区可划分为无为盆地、逆冲推覆构造带以及含山断陷3个构造单元。无为盆地和含山断陷中新生代红层沉积厚度大，古生界地层埋藏较深。逆冲推覆构造带可以进一步划分为香泉推覆体、半汤推覆体、银屏山推覆体以及槐林咀推覆体，其中半汤推覆体为准原地型[13]，推覆方向为由北西向南东，后缘以发育正常背、向斜为特征，五峰组-高家边组地层分布较好，产状较为平缓，具有相对有利的构造条件，为逆冲推覆构造带上二维地震测线和井位部署的最优位置(图1)。

图1 二维地震测线和皖含地1井分布位置Fig.1 Locationof 2D seismiclineand Well WHD1

2 二维地震勘探

2.1 二维地震勘探难点及解决方法

二维地震勘探主要包括数据采集、资料处理以及资料解释3个阶段，下面对各个阶段实施过程中存在的问题及解决办法进行简要介绍。

(1)二维地震数据采集阶段。由于研究区断裂、褶皱发育，岩层破碎，地震波传播路径复杂，散射干扰和背景干扰较为严重，造成地震记录反射能量弱、信噪比低。根据试验点的结果，为取得高品质的地震反射资料，确定本次地震资料采集的激发方式统一为单井激发、井深12～16 m、药量6～8 kg。

(2)二维地震资料处理阶段。由于研究区地表起伏较大且风化层厚薄不一致造成表层结构纵横向变化大。为消除浅地表横向不均匀的影响，在资料处理过程中加强了静校正处理。

图2 皖含地1井钻前二维地震解释预测深度Fig.2 2D seismic interpretation prediction depth before Well WHD1 drilled

(3)二维地震资料解释阶段。由于研究区为页岩气勘查空白区，区内缺乏揭穿五峰组-高家边组下段的钻孔进行合成记录的标定，五峰组-高家边组下段在区域上出露也不完整，资料掌握程度无法准确预测目的层位在地震反射剖面上的分布特征。通过地质露头的对比，可以确定目的层上覆层位坟头组的地震反射层位；随后利用中上扬子地区五峰组-龙马溪组黑色页岩在地震剖面上的强反射特征推测研究区五峰组-高家边组下段黑色页岩在深部的分布特征。

2.2 二维地震资料解释成果对井位部署的指导

优选的皖含地1井位于半汤推覆体，半汤推覆体后缘出露志留系地层主要为坟头组和高家边组，坟头组上段为泥岩，中段为含粉砂质泥岩、石英粉砂岩，下段为石英砂岩不易形成较强反射；高家边组上段和中段为一套灰色砂泥岩互层，也不易形成强反射。根据黑色页岩的波组强反射特征，由于工区整个奥陶-志留系只有可能在五峰组-高家边组下段发育一套连续沉积的黑色页岩，推测首次出现的强反射波组即为五峰组-高家边组下段目的层反射特征(图2)。通过二维地震地质解释剖面，优选了皖含地1井，该井位于宽缓的背斜西北翼，地层倾角宽缓，距西北1.5 km发育一正断层，断层倾向为NW向，倾角较陡，错断地层涉及坟头组和高家边组，断距约1 km，初步推断为张性断裂。皖含地1井位于断层下盘，推测目的层受断层构造扰动的影响较小。根据时深转换关系，预测皖含地1井钻遇五峰组-高家边组下段顶界埋深为1 422 m。

图3 皖含地1井预测地层与实钻地层对比图Fig.3 Comparison of predicted and drilled formation in Well WHD1

实际上，皖含地1井自上而下坟头组、高家边组上段、高家边组中段、高家边组下段、五峰组、汤头组、宝塔组、庙坡组、牯牛潭组、大湾组以及红花园组，钻遇五峰组-高家边组下段的井深为1 266.05～1 309.95 m，与预测深度相差156 m(图3)，说明在当时的时深转换过程当中速度估算偏大，导致预测深度变大。总体而言，二维地震解释预测深度结果在该页岩气空白区应用效果较好。

3 页岩气地质条件

3.1 有机地化条件

采取了皖含地1井五峰组-高家边组77个井下页岩样品进行了总有机碳(total organic carbon，TOC)含量分析(图4)，根据实验结果可知：皖含地1井五峰组页岩TOC含量介于0.70%～2.99%，平均为1.66%，其中TOC含量大于1%的页岩样品数占71.43%，大于2%的页岩样品数占28.57%；高家边组下段页岩TOC含量介于0.18%～3.25%，平均为1.43%，其中TOC含量大于1%的页岩样品数占72.22%，大于2%的页岩样品数占13.89%；高家边组中段页岩TOC含量介于0.10%～1.46%，平均为0.33%，其中TOC含量小于1%的页岩样品数占85.29%。综上所述，五峰组-高家边组下段页岩有机质丰度总体评价为中等-好等级，其中1 266.05～1 309.95 m深度段的页岩TOC含量总体大于1%，为富有机质页岩层段，厚度为43.9 m；1 292～1 309.95 m深度段的页岩TOC含量总体大于2%，为优质页岩层段，厚度为17.95 m。

根据测试的沥青体反射率换算可知[14]，五峰组-高家边组等效镜质体反射率(Ro)介于1.85%～3.06%，平均为2.40%，其中Ro<2%的页岩样品数占20%，2%3%的页岩样品数占10%。综上所述，五峰组-高家边组页岩热演化程度总体处于过成熟早期-中期阶段，以生干气为主(图5)。

图4 五峰组-高家边组页岩有机碳含量统计分布Fig.4 Wufeng-Gaojiabian Formation shale total organic carbon distribution characteristics

图5 五峰组-高家边组页岩热演化成熟度统计分布Fig.5 Wufeng-Gaojiabian Formation shale thermale volution characteristics

3.2 岩石学条件

石英矿物含量越高，页岩的可压裂性越好；黏土矿物含量越高，页岩的自吸能力越强。这从而导致页岩储层压裂液返排率偏低[15]。五峰组-高家边组下段全岩矿物特征如下：黏土矿物含量变化范围为19.2%～61.4%，平均为45%；石英矿物含量变化范围为26.6%～73.7%，平均为41.8%；长石矿物含量变化范围为1.6%～9.2%，平均为5.5%；碳酸盐矿物含量变化范围为0.1%～18.3%，平均为1.7%。其中优质页岩段黏土矿物含量为19.2%～58.8%，平均为38.7%；石英矿物含量为30.7%～73.7%，平均为47.2%，具有较好的压裂地质条件。

根据硅质矿物-碳酸盐矿物-黏土矿物三端元分析[16]，涪陵页岩气田五峰组-龙马溪组页岩主要发育硅质页岩相、混合硅质页岩相、含黏土硅质页岩相、含灰/硅混合质页岩相、含黏土/硅混合质页岩相、混合质页岩相、含硅黏土质页岩相和含黏土/灰混合质页岩相等8种岩相，其中混合硅质页岩相、含黏土硅质页岩相、含黏土/硅混合质页岩相为优势岩相。通过对皖含地1井五峰组-高家边组页岩进行三端元矿物分析认为：五峰组-高家边组下段页岩岩相主要为含黏土硅质页岩相、含硅黏土质页岩相以及含黏土/硅混合质页岩相；高家边组中段页岩岩相主要为含黏土硅质页岩相和含硅黏土质页岩相(图6)。可见巢湖地区五峰组-高家边组下段发育两种与涪陵页岩气田五峰组-龙马溪组相同的优势页岩岩相。

图6 五峰组-高家边组页岩矿物组成三角图Fig.6 Wufeng-Gaojiabian Formation shale mineral composition characteristics

3.3 储集物性条件

根据气体孔隙度和渗透率测定可知：高家边组下段岩性黑色泥岩、含碳泥岩，孔隙度变化范围为0.54%～4.19%，平均值为2.69%，渗透率变化范围为0.001 28～0.112 mD，平均值为0.009 77 mD；五峰组岩性为黑色含碳硅质页岩，孔隙度变化范围为0.94%～3.83%，平均值为2.59%，渗透率变化范围为0.000 957～0.057 4 mD，平均值为0.015 47 mD。综上所述，五峰组-高家边组下段页岩表现为超低孔超低渗。

巢湖地区下志留统高家边组页岩在场发射环境扫描电镜观察下，粒间孔隙、粒内孔隙、裂缝孔隙和溶蚀孔隙较为常见[9]，有机质孔隙需在氩离子抛光扫描电镜下进行观察。有机质孔隙是有机质在生烃后形成的孔隙，与页岩地层中有机质的含量及热演化程度密切相关[17]。使用氩离子抛光扫描电镜对巢湖地区皖含地1井五峰组-高家边组下段富有机质页岩观察发现其发育大量有机质孔隙，常与石英、黄铁矿、黏土矿物以及磷灰石等矿物伴生(图7)。充填于石英、黄铁矿等晶间孔隙中时[图7(a)、图7(b)]，有机质孔隙呈圆形，孔径5～30 nm；与黏土矿物伴生时[图7(c)]，有机质孔隙呈不规则长条形，孔径介于30～40 nm；与磷灰石伴生时[图7(d)]，毗邻磷灰石的有机质发育大量孔隙，远离磷灰石的有机质孔隙相对不发育，推测磷灰石对有机质热演化生孔具有一定的催化作用，孔径变化范围较大，介于10～80 nm，既发育中孔又有大孔。有机质孔隙对页岩气的吸附能力较强[18]，大量的有机质孔隙发育能够为页岩气的赋存提供有利的储集空间。综上所述，五峰组-高家边组下段富有机质页岩的有机质孔隙较为发育，总体以中孔为主，在有机质生烃的过程中能有效地聚集页岩气。

图7 五峰组-高家边组下段页岩有机质孔隙度发育特征Fig.7 Wufeng-Gaojiabian Formation lower member shale organicpore characteristics

3.4 含气性潜力分析

皖含地1井志留系高家边组下段底部发现气测异常，显示层有2层，累计厚度为13 m，解释为含气层。在井段1 270.0～1 274.0 m发现气测显示，厚度共4.0 m，全烃由0.15%上升至0.60%，岩性为灰黑色泥页岩，钻时25～35 min/m，气测解释为含气层。在井段1 292.0～1 301.0 m发现气测显示，厚度为9.0 m，全烃由0.10%上升至0.90%，岩性为灰黑色泥页岩，钻时35～45 min/m，气测解释为含气层。

五峰组-高家边组下段页岩现场解吸气量为2～55 mL，折算成单位岩石体积为0.000 9～0.024 6 m3/t，解吸气量自上而下逐渐升高随后降低，在五峰组和高家边组下段交界处达到最高值，与有机碳含量的变化趋势一致，其中1 299.90～1 300.12 m页岩样品解吸气可点燃。

五峰组-高家边组下段黑色页岩由于每个样品解吸气量均较小，故将所有样品的气体集中到一个瓶子里进行了送样气体组分化验分析(每个气样分析最少需要150 mL)。分析结果表明：氮气含量占比50.62%，二氧化碳含量占比21.08%，烃类气体含量占比28.30%，其中甲烷为18.38%，乙烷为4.52%，丙烷为2.71%。初步分析认为氮气和二氧化碳含量较高的原因可能如下：①由于每个样品的气量较小，不易收集，可能在收集的过程中混入了空气；②由于构造活动的影响，深大断裂沟通地层与大气层，导致空气与原位烃类气体发生了置换。

通过将五峰组-高家边组下段页岩气关键参数特征与上扬子五峰组-龙马溪组地层对比分析可知(表1[19-21])，下扬子巢湖地区皖含地1井位于逆冲推覆构造带，揭示的五峰组-高家边组下段优质页岩厚度相对较薄，含气量较低，但是沉积环境、有机质丰度、热演化成熟度以及脆性矿物含量等页岩气评价静态指标与上扬子主力产气区块五峰组-龙马溪组具有可对比性，值得展开下一步工作寻找有利相带和构造，有望获得下扬子五峰组-高家边组下段页岩气突破。

4 结论

(1)在页岩气勘查空白区，在第四系覆盖较多和露头风化严重的情况下，利用二维地震剖面进行井位论证部署适用性较强，其中富有机质页岩层在剖面上具有明显强反射特征，可以作为标志层与其他层位区分开来。

表1 巢湖五峰组-高家边组下段与上扬子地区五峰组-龙马溪组页岩气地质参数对比[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井钻遇地层与实际地层一致性较好，完整地揭示了五峰组-高家边组地层，其中五峰组-高家边组下段黑色页岩发育，有机质丰度较高，热演化成熟度适中，可压裂性较好，有机质孔隙发育，与上扬子五峰组-龙马溪组各项页岩气地质特征参数类似，具有较好的页岩气资源前景。