中扬子宜昌地区下寒武统水井沱组页岩气地球化学特征及其成因

中扬子宜昌地区下寒武统水井沱组页岩钻遇良好的页岩气显示,区内宜页1井水井沱组页岩经水力压裂后获得了高产工业气流,是四川盆地外下寒武统页岩气新的勘探区。采集压裂产气段的9个页岩气样品,测试气体组分、碳和氢同位素组成以及He同位素组成,分析水井沱组页岩气地球化学特征并探讨了页岩气成因。研究表明,页岩气组成中甲烷含量为87.17%~92.75%,乙烷含量为0.83%~0.94%,含微量的丙烷,页岩气干燥系数为0.99,为典型干气;非烃气体中氮气含量稍高,平均为7.73%,二氧化碳平均含量低于1%,不含H₂S。甲烷碳同位素值为-33.8‰~-33.1‰,乙烷碳同位素值为-39.2‰~-36.0‰,丙烷碳同位素值为-39.4‰~-38.5‰,二氧化碳的碳同位素值为-16.8‰~-14.6‰。甲烷氢同位素值为-133.8‰~-128.5‰,乙烷氢同位素值为-168.0‰~-146.1‰。气态烃稳定同位素分布具有δ¹³C₁ > δ¹³C₂ > δ¹³C₃和δD_CH4 > δD_C2H6的倒转特征。He同位素R/R_a为0.04~0.08,表明He为典型的壳源成因。综合页岩气分子组成和比值、碳氢同位素倒转分布以及页岩现今处于过成熟热演化阶段等特征,认为宜昌地区下寒武统页岩气为油型气,具有二次裂解成因的特点,且与四川盆地筇竹寺组页岩气具有相似的特征。     

中扬子宜昌地区寒武系水井沱组页岩含气性及影响因素

中扬子宜昌地区作为南方海相页岩气勘探的有利目标区之一,多口井于寒武系水井沱组页岩中见页岩气显示,但含气性差异较大。基于区域地质背景与页岩气钻井资料,结合现场解析含气量测试数据,描述了宜昌地区水井沱组页岩气纵向分布特征,探讨了页岩气含量的主要影响因素。该区水井沱组黑色岩系主要为碳质页岩和灰质页岩,厚50~140 m,有机碳含量高,以Ⅰ型为主,处于过成熟热演化阶段,具良好的生烃潜力;现场解析含气量为0.32~5.48 m³/t,含气量大于2 m³/t的页岩累计厚度达到44.05 m,反映该区页岩具较好的整体含气性。水井沱组页岩含气性受沉积相带、有机碳含量、矿物组分、孔隙度、裂缝发育程度、地层压力等多种因素影响。陆棚相沉积的黑色碳质页岩含气量高于斜坡相灰色钙质页岩,而局限台地相泥灰岩含气量最低;含气量与页岩中有机碳含量、石英矿物含量均呈较好的正相关性,与碳酸盐矿物含量呈弱的负相关性,与黏土矿物含量关系不大,而有机碳含量对含气量的控制作用更为显著;页岩孔隙度大小和孔隙分布差异是导致含气量差异的重要因素,此外页岩含气量还与储层裂缝发育程度和地层压力密切相关。     

上扬子地区下寒武统牛蹄塘组页岩中黄铁矿特征及其地质意义

黄铁矿的研究不仅为沉积、成岩环境的恢复提供依据,也为富有机质页岩的预测提供参考。以上扬子板块3个不同沉积位置钻井（宜昌EYY1井、威远W001-4井、汉中SNY1井）的下寒武统牛蹄塘组页岩为例,通过X射线衍射全岩矿物分析（XRD）、显微镜、扫描电镜和碳硫分析等实验手段对样品及其黄铁矿进行对比研究。研究区样品中黄铁矿主要发育草莓状、立方体自形、条带状及不规则非自形等4种类型。其中草莓状黄铁矿发育最多,其粒径整体较小且变化范围较窄,反映以同沉积成因为主,一般与有机质含量有良好的正相关性,其他类型黄铁矿则可能为成岩成因。3口钻井页岩样品中黄铁矿形貌特征和粒径特征差异显示,SNY1井沉积水体安静、还原性最强,W001-4井和EYY1井沉积水体下部具有贫氧—厌氧环境的转变,其中W001-4井高丰度黄铁矿可能受绵阳—长宁拉张槽热液活动的影响。岩相对黄铁矿含量具有一定的控制作用,硅质页岩和硅质—钙质过渡型页岩比钙质页岩更有利于黄铁矿的形成。黄铁矿对有机孔的发育和保存具有积极影响,有利于页岩储层中天然气的富集和储存。     

中上扬子地区下寒武统富有机质页岩吸水特征及对页岩气勘探的指示意义

以中上扬子地区下寒武统富有机质页岩为研究对象,分别选取位于寒武系页岩气勘探突破区的湖北宜昌和四川威远2个地区的3个钻井/露头剖面（宜昌WPZK001井剖面、长阳露头剖面和威远W001?4井剖面）和目前勘探失利区的2个典型剖面（贵州开阳剖面和重庆酉阳剖面）共37件样品,开展岩石小柱体的吸水实验,并与四川盆地志留系龙马溪组富有机质页岩进行对比研究。结果表明：寒武系页岩气勘探突破区的下寒武统水井沱组/筇竹寺组富有机质页岩与四川盆地志留系龙马溪组富有机质页岩相似,其饱和吸水量主要受有机碳含量和石英含量的控制,表现出较好的正相关关系,而寒武系页岩气勘探失利区的下寒武统牛蹄塘组富有机质页岩的饱和吸水量则与黏土矿物和碳酸盐矿物含量表现出弱的正相关关系,与有机碳含量和石英含量均无明显相关关系。这不仅指示了研究区下寒武统富有机质页岩发育孔隙网络特征,特别是有机质孔隙的发育,存在显著差异,同时也为从富有机质页岩矿物组成及其成因来源与孔隙发育耦合机制方面来探讨寒武系页岩含气性变化提供了新的研究思路。     

上扬子地区下寒武统页岩气资源潜力

上扬子地区下寒武统普遍发育黑色泥页岩,这套黑色泥页岩是早寒武世早期全球性海平面上升时,在上扬子地区形成区域性深水滞留缺氧的陆棚到斜坡环境沉积的,其岩性为黑色碳质页岩、黑色硅质页岩、石煤及深灰色粉砂质页岩。泥页岩有机碳含量高,最高达到12%,在剖面上有机碳含量由下向上逐渐减小,高有机质含量泥页岩主要分布在剖面下部。在空间上富含有机质的厚层泥页岩分布在川西南—黔北、渝东—湘鄂西和川东北,为泥页岩勘探最有潜力的地区。     

川南地区下寒武统筇竹寺组页岩储层特征

根据川南地区绵阳-长宁拉张槽3口井的源储实验资料研究表明,川南地区筇竹寺组具有有机质丰度高、富有机质页岩厚度大、演化程度高、高脆性等特征,经历多期构造运动改造,B1井区保存条件较好。微观储集空间分为有机孔、无机孔(黏土矿物晶间孔、脆性矿物粒间孔、粒内溶蚀孔及黄铁矿晶间孔)和微裂缝(构造微缝、成岩收缩缝和溶蚀缝)3大类,并可进一步细分为9种类型,孔隙形态表现为细颈墨水瓶广体孔含少量狭缝形孔和平板、楔形缝2种结构,孔径分布复杂,以中孔为主,少量微孔及大孔。优质页岩孔容、BET比表面积较大,为页岩游离气及吸附气提供良好的储集吸附空间。其孔隙类型与分布特征的差异主要受有机碳含量、成熟度、成岩作用、孔隙流体压力的控制。     

上扬子地区下寒武统高演化页岩微观孔隙特征

为揭示高演化页岩储层微观孔隙特征及储集性能,采用全岩X-射线衍射、有机碳测定、氦气孔隙度测试、低温氮气吸附、高压压汞-吸附联合测定及氩离子抛光-扫描电镜等多种技术方法,开展了上扬子地区下寒武统高演化页岩微观孔隙结构、类型及其特征研究。结果表明：页岩比表面积介于0.46~34.70m²/g之间,平均为12.36 m²/g,总孔容介于（0.43~11.29）×10^-3cm³/g之间,平均为4.65×10^-3cm³/g,孔径以小孔（2～10nm）为主,其次为中孔（10～50nm）,小孔孔容、TOC与比表面积呈正线性关系;页岩发育有机质孔、粒间孔、粒内孔、黏土矿物层间孔、黄铁矿晶间孔、构造微裂缝及成岩微裂缝7种孔隙类型,其中微裂缝全区普遍发育,四川盆地内部以粒间孔、黏土矿物层间孔及有机质孔为主,四川盆地之外仅发育有机质孔,形态以不规则形、狭缝形为主,无机矿物质孔欠发育,认为两者孔隙类型的差异与有机质含量高低密切相关。     

上扬子地区下寒武统筇竹寺组页岩沉积环境

上扬子地区下寒武统页岩展现出了良好的页岩气勘探前景，是油气资源的重要战略接替领域。通过露头观测、岩心描述、薄片观察、扫描电镜分析以及主微量元素地球化学分析，对该套页岩沉积环境进行了综合研究。根据矿物学、岩石组构及沉积构造的不同，在筇竹寺组识别出5大类12小类岩相类型，进一步总结了浅水陆棚、深水陆棚、斜坡-盆地沉积体系中发育的6类典型的沉积序列，建立了相应的沉积模式。浅水陆棚沉积处于氧化、相对低的古海洋生产力条件下，发育磷质-云质-泥质沉积序列和砂质-泥质-灰质沉积序列，有机质含量普遍偏低。深水陆棚以及斜坡-盆地沉积处于贫氧-缺氧、高海洋生产力的条件下，发育富含有机质的泥质-磷质-云质沉积序列、硅质-泥质沉积序列和泥质沉积序列。在四川盆地资阳-长宁一线陆内裂陷槽内部以及四川盆地之外东南部黔中、黔北及鄂西-渝东等大部分深水陆棚沉积区是富有机质页岩发育的有利区域。此外，热液活动为黔西北地区下寒武统牛蹄塘组黑色页岩提供了必要的物质基础和保存条件，有利于形成富有机质的页岩。     

中扬子宜昌地区沉积—构造演化与寒武系页岩气富集规律

鄂西宜昌斜坡是四川盆地外寒武系页岩气勘探新区,与盆内勘探不同,宜昌斜坡发育于黄陵隆起之上,页岩气富集地质条件研究薄弱。利用最新的地震、钻探和测试资料,分析认为研究区沉积、构造演化具有特殊性,先后经历了印支期隆起雏形、燕山期快速抬升剥蚀、喜马拉雅期充填改造3个关键沉积—构造阶段。宜昌地区相对稳定的构造条件,对页岩气富集成藏有4个方面的影响：①桐湾运动末期形成早寒武世隆、凹相间的古地理格局直接影响宜昌地区寒武系水井沱组富有机质页岩的展布,对页岩气的形成分布有重要的源控作用,水井沱组页岩含气量与 TOC 含量具有较好正相关性,指示有机质丰度是影响页岩气富集的关键因素。②印支期开始隆升、燕山期迅速隆升的黄陵岩体控制宜昌斜坡区构造沉降,使下古生界页岩层埋藏深度适中、抬升早、有机质热成熟度相对低,在中、下扬子区下古生界页岩过成熟演化背景下尤为特殊。适宜的热演化条件下,水井沱组页岩有机质纳米孔发育,构成页岩气重要储集空间。③受黄陵隆起的砥柱作用,宜昌斜坡在南方中、新生代多期次强烈构造活动中免遭构造破坏和强改造,表现为隆升剥蚀为主、局限断裂活动为辅、整体构造变形弱的特点,构造保存条件较临区优越,加之页岩渗透性极低,使宜昌单斜构造上水井沱组页岩气仍有效保存,是当前该区勘探的主体。④寒武系页岩裂缝发育,早期构造作用形成的高角度裂缝、晚期由于重力顺层滑脱作用形成的低角度剪切缝,共同构成页岩气运移、储集的重要空间。宜昌地区页岩气的勘探突破表明,古隆起、古斜坡等稳定古构造周缘是中下扬子区古生界页岩气勘探的潜在有利区。     

中上扬子地区下寒武统筇竹寺组结核体发育特征及沉积环境意义

以四川盆地及周缘露头和钻井资料为基础,系统研究了下寒武统筇竹寺组结核体发育特征及沉积环境意义,得到3点认识：①筇竹寺组结核体产出层位与岩相特征区域差异大。在川东—鄂西—湘黔和川南坳陷区,结核体主要发育于SQ1段,并以钙质硅质混合页岩相、硅质页岩相、云质页岩相和白云岩相为主,黏土含量普遍在25%以下且明显低于围岩,TOC含量为下部核体高、上部核体低。在川中—川北坳陷区,结核体在SQ1段和SQ2段均发育,且以钙质页岩相和泥灰岩相为主,钙质明显高于围岩,黏土质较围岩显著降低,TOC含量普遍在1.50%以下。结核体内岩石矿物成分差异明显,钙质、硅质等脆性矿物主要富集于结核体中心区,黏土质和有机质则富集于结核体边缘,GR值大多表现为在核体中央区为相对低值响应、在核体边缘响应值明显升高的显著特征。②结核层普遍赋存于TOC含量在0.7%以上的炭质页岩、粉砂质页岩和硅质页岩中,在SQ1段TOC>2.0%的炭质页岩和硅质页岩中尤其发育,在TOC>0.2%深灰色粉砂质页岩中也偶尔产出,显示结核体与深色页岩（尤其优质页岩）具有共生关系。③结核体为扬子海盆裂陷活动的重要沉积响应,根据筇竹寺组结核体分布特征及其与黑色页岩的配置关系,将筇竹寺期扬子海盆的裂陷活动划分为发展期（SQ1时期）、调整期（SQ2时期）和萎缩期（SQ3时期）3个期次。受SQ1时期大规模裂陷作用和上升洋流活动共同控制,扬子海盆结核体和富有机质页岩广泛发育于筇竹寺组下部。在裂陷调整期和萎缩期,随着裂陷活动减弱和萎缩,构造活动以区域抬升为主,水体变浅,洋流活动向东南方向退却,结核体和富有机质页岩仅在少部分裂陷区呈小规模沉积。     

下扬子地区下寒武统荷塘组泥页岩地质特征与勘探前景——以浙西江山—桐庐地区为例

以往研究认为下扬子地区下寒武统暗色泥岩热演化程度普遍过高,制约了油气成藏,最新野外调查发现在浙西江山-桐庐地区存在热演化程度相对较低的区域。围绕该相对低值区域,以浙西区域地质调查资料、最新钻探的井下资料分析结果为基础,分析了江山-桐庐地区下寒武统荷塘组地质地化特征及页岩气勘探前景。该区荷塘组处于有利沉积相带内（深水盆地-陆棚相）,具有沉积厚度大、有机质丰度高、热演化程度相对较低、脆性矿物含量高、黏土矿物含量适中、微孔隙微裂缝较发育等特点,认为该区具有较好的成藏物质基础。并以"高中找厚"（寻找高有机质丰度泥页岩沉积较厚区域）、"高中找低"（在普遍高热演化程度环境中寻找较低值区域）、"强中找稳"（在强构造背景中寻找地层稳定、埋藏较深区域）为原则,同时避开岩体以及岩浆活动较强烈的区域,优选出常山-开化地区为页岩气有利勘探区。     

下扬子地区寒武系页岩气成藏条件分析与资源潜力评价

下扬子地区寒武系为海相沉积地层,分布面积达13×10⁴ km²,其中下寒武统荷塘组（幕府山组）发育黑色碳质泥岩,厚度达276 m,有机碳含量为0.25%~23.52%,平均含量为4.54%,有机质类型以Ⅰ型为主,页岩气成藏条件十分有利。该区下寒武统地层经历了加里东、华力西、印支、燕山和喜马拉雅期的构造运动及岩浆活动的改造,个别地段已经成为变质岩的一部分;很多地区荷塘组碳质泥岩演化程度较高,镜质体反射率（R_o）最大可达6.32%,完全处于过成熟阶段。该区荷塘组上覆地层较厚,但受构造影响,荷塘组地层埋藏深度变化较大。综合荷塘组碳质泥岩的厚度、埋深、有机碳含量和镜质体反射率等4个方面的指标,开展了下扬子地区寒武系地层的页岩气地质调查和潜力评价,共划分出3个页岩气远景目标区,分布于江西上饶-浙江桐庐、江苏扬州和安徽全椒等地,估算资源量为288 944.4×10⁸ m³。     

中、上扬子地区常压页岩气勘探前景——以湘中坳陷下寒武统为例

中、上扬子地区常压页岩气领域是一个备受关注的新热点,湘中坳陷下寒武统属于盆外常压页岩气领域的典型例子。基于2条野外露头实测剖面,8条观察剖面,1口浅钻井和地震等第一手资料,开展了湘中坳陷下寒武统页岩气地质特征研究。该坳陷下寒武统具有优越的页岩气形成条件,其中,黑色炭质页岩、硅质页岩形成于有利的大陆斜坡-盆地相深水环境,连续厚度超过150 m,优质页岩厚度为50~90 m;黑色页岩TOC值介于1.12%~22.07%,平均为4.64%,R_o平均为2.78%。页岩储集空间包括有机质纳米孔、溶蚀孔、黄铁矿晶间孔、粘土矿物晶间孔、岩心尺度高角度裂缝以及层理缝等,以有机质孔为主;有机质纳米孔因泄压后暴露于地表而呈现为长条、不规则多边形,孔径大小为21.8~328.4 nm;地表样品见到大量的淡水成因的次生溶蚀孔和构造成因的裂缝,孔隙度介于2.22%~8.7%,平均为6.05%;矿物主要以石英为主,平均含量为61.2%,其次为粘土矿物,平均含量为23.5%,脆性矿物含量平均为73.38%。等温吸附实验测试表明页岩平均吸附能力为5.95 m³/t。通过综合地质方法,预测了下寒武统新层系Ⅰ类页岩气有利区面积为8 766.1 km²;在龙山凸起两侧,下寒武统埋深多在3 000~4 000 m,保存条件较好,具有良好的页岩气勘探前景。     

鄂西宜昌斜坡区寒武系页岩储层发育特征——以鄂宜页1井为例

以获得重大突破的鄂宜页1井为研究对象,对寒武系水井沱组黑色页岩进行了有机地球化学、矿物X射线衍射、场发射扫描电镜及核磁共振分析等测试,研究了鄂西宜昌斜坡区页岩储层的发育特征。该区页岩主要由黏土矿物、石英和碳酸盐矿物组成,由浅至深表现出黏土矿物和碳酸盐矿物逐渐减少、石英含量逐渐增加的趋势,总体上显示出"高钙低硅"特征;页岩的孔隙度与有机碳含量表现出正相关性,尤其有机碳含量大于2.0%的层段,页岩孔隙度随有机碳升高而增大明显;页岩孔隙以微孔和小孔为主,小孔和中孔对孔隙度贡献明显;页岩中脆性矿物内的孔隙对页岩基质孔隙的贡献稳定,而有机质孔和黏土矿物层间孔隙的贡献与其各自含量变化相关,随深度的增加有机质孔贡献逐渐升高,而黏土矿物层间孔隙贡献逐渐降低。