我国南方震旦系陡山沱组页岩气资源潜力与勘查向

我国南方页岩气勘探主要目的层系为上奥陶统-下志留统五峰-龙马溪组、下寒武统牛蹄塘组(筇竹寺组)和震旦系陡山沱组(张金川等,2009;梁狄刚等,2008;李玉喜等,2009;董大忠,2011;张大伟等,2011;EIA,2013;Hao et al.,2013),针对五峰-龙马溪组的页岩气田已经在重庆焦石坝、长宁-威远地区取得了很大的突破(郭彤楼等,2014;郭旭升,2014;王志刚,2015)。下寒武统页岩气钻井在威远(董大忠等,2012)与黔北岑巩地区取得一定的发现(冷济高等,2016)。但是震旦系陡山沱组页岩时代老,目前该层系页岩气勘查和研究程度较低。

自2013年开始,中国地质调查局在鄂西秭归地区实施了秭地1井和秭地2井两口页岩气调查井,秭地1井和秭地2井井深分别为861.86米和1445.81米,秭地1井在陡山沱组获得1.5立方米/吨页岩气显示(解析气和损失气),甲烷含量84.8%,而秭地2井在陡山沱组解析气最高达1.6立方米/吨(解析气和损失气)。为了进一步获取页岩气参数,中国地质调查局油气资源调查中心在该区实施二维地震工程195千米,取得较好二维地震结果,并依据地质与地球物理数据,部署油气参数井鄂阳页1井,获得下震旦统陡山沱组钻遇高含气页岩130.5米,现场解析气含量高达2.26立方米/吨,总含气量最高达4.82立方米/吨。鉴于鄂阳页1井含气量高,对该井陡山沱组页岩进行了直井压裂试气,分两段采用套管桥塞分层压裂、合层测试。共压入液量4031.91立方米,加砂131.4立方米,本项目施工顺利,表明鄂阳页1井陡山沱组页岩可压性较好。采用6毫米油嘴测试求产10小时累积产气450.63立方米,折算日产1081.51立方米/天,采用12毫米油嘴求产24小时,最高瞬时产量达到450.63立方米,折算日产1081.51立方米/天。证明了前寒武纪陡山沱组页岩气具有商业勘探开发的价值,开拓了我国南方页岩气勘查新层系(何正等,2016;包书景等,2017)。本文以鄂阳页1井为例,主要分析我国南方地区震旦系陡山沱组页岩气勘探开发潜力。

陡山沱组暗色泥页岩中以脆性矿物为主,含量较高,一般含量分布在21.0%~78.7%之间,脆性矿物以石英为主要成分,钾长石、斜长石含量较少;粘土矿物含量一般在11.1%~40.1%之间,平均25.8%,碳酸盐岩矿物一般低于20.0%,部分样品为泥质白云岩并含有较多的碳酸盐岩矿物。

陡山沱组页岩TOC含量分布不均,但整体含量较高。湘西北地区壶瓶山地区陡山陀组暗色泥页岩有机碳含量相对较低,一般在0.5%以上,主分布区间为0.7%~4.0%,最大可达5.1%;中扬子地台西南部桑植–石门复向斜中的慈利次向斜地区有机碳含量较高,一般在1.0%~4.2%之间;张家界地区大庸向斜地区暗色泥页岩发育,有机碳含量较高,一般在1.5%~8.0%之间;吉首市默戎古丈向斜地区,有机碳含量一般在0.5%~8.0%之间,碳质页岩有机碳含量高,最高可达 12.5%。宜昌地区一般为0.5%~5.22%之间,但部分地区亦较低,在该区官庄坪剖面上,陡山陀组有机碳含量一般在0.6%~3.6%之间,主频率为1.0%~3.2%,少数样品的有机碳含量可以达到5.0%以上,岩性以灰黑色泥页岩为主,有机碳含量高值区一般分布在本组中下部。鹤峰白果坪页岩有机碳含量平均为2.6%,一般为1.0%~3.0%之间,京山地区一般在1.5%~5.0%之间。桑植–古丈一带,有机碳基本上在1.2%~8.0%之间,利川-彭水一线以西地区有机碳含量一般小于1.0%。鄂西黄陵背斜及长阳复背斜地区陡山沱组暗色泥页岩比较发育,区域厚度较大,典型野外露头样品揭示有机碳含量分布不均,变化较大,一般含量在0.5%~6.1%之间,平均含量在2.1%左右;其中典型剖面雾河地区有机碳含量整体较高,一般在分布在0.5%~2.8%之间,主体分布在1.0%~2.0%之间。

鄂西雾河地区陡山沱组页岩实测有机碳分布直方图

上震旦统陡山沱组层位比较老,在寒武纪生物大爆发之前,不发育高等植物,镜下观察有机质类型以低等水生生物、浮游生物等为来源的腐泥无定形体为主。有机质显微镜组分观察结果表明,上震旦统陡山沱组有机质显微组分以腐泥组组分为主,其含量在90%以上,其中腐泥无定形体含量占到70%以上。陡山沱组页岩仅含有微量的镜质组组分。有机质类型为Ⅰ型。

湘西地区(左)和鄂西地区(右)陡山沱组页岩干酪根显微组分图解

上震旦统陡山沱组沉积期高等植物不发育,主要发育藻类浮游生物等,且由于地质历史时期埋深较大,热演化程度高,页岩缺乏镜质体。因此,有机质成熟度首先测定沥青反射率,然后经过换算为等效的镜质体反射率。湘西地区暗色泥页岩中有机质经历了较高的热演化过程,有机质成熟度高,经换算的镜质体反射率主要在2.0%~4.0%之间,最高可达到3.7%;仅在壶瓶山地区东山峰背斜的杨家坪剖面,暗色泥页岩有机质成熟度在2.0%左右。在滇黔桂地区Ro值介于2.0%~6.0%之间,处于过成熟-变质阶段。在鄂西宜昌、鹤峰、恩施附近,暗色泥页岩有机质热演化程度亦较高,但相对湘西地区,热演化程度低,测定的等效镜质体反射率在1.8%~2.1%之间,平均在2.0%左右。江汉平原区,海9井Ro仅为1.87%。

湘西地区(左)和鄂西地区(右)有机质成熟度柱状图

陡山沱组页岩中发育颗粒矿物孔隙、粘土矿物孔隙、有机质孔隙等多种类型的孔隙。陡山沱组页岩有机质孔具有不规则状、气泡状、椭圆状等形态,在二维平面呈孤立状,但在三维空间上,它们是互相连通的,一个有机质内部可含几百到几千个纳米孔,孔径多在微孔和中孔范围内,少量孔径可达宏孔级,孔隙之间连通性较差,孔喉狭小,多为单边封闭型孔隙。处于微孔和中孔范围内的有机质孔隙提供了页岩主要比表面积,为吸附天然气提供重要赋存场所。陡山沱组页岩样品发育一定程度的微裂缝。微裂缝主要有两种类型:一种发育在颗粒内部,另一种发育在碎屑颗粒边缘。颗粒间的微裂缝呈锯齿状弯曲,裂缝间距可达50纳米以上,颗粒内部的微裂缝一般比较平直,曲折度较小,少有胶结物充填。微裂隙的宽度虽小,但是足够为气体分子提供渗流途径。

扫描电镜下陡山沱组泥页岩微观结构

上震旦统陡山沱组暗色泥页岩地球化学特征、矿物岩石成因与储层物性、吸附能力等特征与北美地区Barnett页岩具有相似性。该套泥页岩发育范围遍及南方,以湘鄂西地区最为发育,以台缘斜坡及台内盆地相沉积环境为主,页岩发育厚度一般在30~350米左右,有机碳含量分布不均,一般在0.5%以上,大部分地区高于1.0%,局部地区可达到10%以上,有机质类型以I型为主,过成熟演化阶段,部分地区进入变质作用阶段;泥页岩储层空间发育粒间孔、粒内孔、有机质孔、裂缝等;孔隙度一般小于5%,发育有机质孔,但密度较小,连通性较低,储集物性较差;矿物组成以硅质为主,石英含量可达21%~78%,由于较高的成岩作用和硅质成分,脆性较好;储层孔隙空间BET比表面积较大,一般在0.23~36.26平方米/克之间,BJH吸附总孔体积分布在0.72~50.87×10-3立方厘米/克之间,BJH吸附孔径主要分布在6.55~8.92纳米之间,孔径分布以1~50纳米的微孔及中孔为主;暗色泥页岩储层吸附能力一般在0.8~3.05立方厘米/克之间。

震旦系陡山沱组新层系主要问题是该套页岩经历了多期构造改造,演化程度高,保存条件差,通过鄂阳页1井陡山沱组直井压裂的情况来看,宜昌地区陡山沱组页岩具有成熟度低,构造简单的特征,主要受控于黄陵古隆起构造抬升的地质过程。因此建议在我国南方主要的古隆起周缘进行古老层系的勘探,包括有黄陵背斜周缘的宜昌地区、汉南隆起周缘的汉中地区、雪峰山古隆起周缘的湘西北和黔东北地区,建议在这些地区加强研究,加大页岩气勘探投入,有望获得最古老页岩新层系的突破。

 

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