扬子地区早志留世古环境、古气候综述

奥陶-志留过渡时期古气候与古环境发生了巨大改变,这一时期的古气候、古环境恢复一直是国际上地质领域研究的热点,近年来随着上扬子地区早志留油气勘探取得突破,国内扬子地区的早志留世的古气候、古环境研究也取得了诸多成果。本文归纳总结了扬子地区早志留世的古气候、古环境研究方法,通过扬子内部多个区域、多种地球化学指标的对比研究,明确了扬子地区早志留世古气候早期气候温暖湿润,水体较深而盐度较低,为还原性环境。晚期转为干旱气候,水体较浅而盐度较高,为次氧-氧化条件。     

湖南保靖地区下志留统重力流沉积特征及沉积模式

为揭示页岩气储层的形成机制,明确时空展布规律,指导页岩气的勘探部署,通过岩心观察和重力流理论分析,对湖南保靖地区下志留统重力流沉积特征及沉积模式进行研究。结果表明,湖南保靖地区下志留统主要发育浊流、碎屑流和液化流3种重力流沉积类型。其中,浊流发育不完整的鲍马序列浊积岩,下部以多期次单段式或两段式浊积岩叠加的进积型地层组合为主,上部以多期次三段式浊积岩叠加的加积型地层组合为主;碎屑流以块状细砂岩为主;液化流以厚层的泥质粉砂岩或粉砂质泥岩为主,发育变形层理。从下志留统龙马溪组沉积时期到马脚冲组沉积时期,湖南保靖地区断续发育海底扇、远岸水下扇和滑移-滑塌扇3种沉积模式。浊流主要发育海底扇扇端亚相浊积砂、扇端泥微相,扇中亚相网状水道、水道侧缘、前缘席状砂微相以及远岸水下扇扇中亚相水道侧缘、前缘席状砂微相,碎屑流发育远岸水下扇扇中亚相辫状水道微相,液化流发育滑移-滑塌扇扇中亚相滑移-滑塌水道、水道间湾微相。     

中、上扬子地区晚奥陶世—早志留世古地理演化及页岩沉积模式

为明确南方海相页岩沉积与古地理演化关系,以中、上扬子地区晚奥陶世—兰多维列世沉积的页岩为研究对象,以24口页岩气井笔石地层划带资料为重点,配合GBDB数据库中的露头剖面信息,综合前人资料,按照相-亚相-微相划分,结合沉积物、沉积环境、地化参数及测井特征,总结出陆棚、潮坪及三角洲3种沉积相、8种亚相以及相应的多种微相的划分方案。明确中、上扬子地区总体处于隆起围限的局限低能陆表浅海环境,其中页岩储层沉积有利相带为局限深水陆棚相。以年代地层“阶”为单位,“优势相”为方法和覆盖全区的沉积相剖面/钻井为控制点,有效推测各时期隆起边界变化情况,重建中、上扬子地区凯迪期、赫南特期、鲁丹期和埃隆期4个连续断代岩相古地理格局;以“阶”为标尺卡准各时期笔石页岩段厚度,明确各期沉积体系时空展布及页岩分布规律。黑色页岩发育受控于全球海平面上升、区域构造运动和古地理格局3种因素。页岩厚度明显受控于隆-坳相间格局,沉积模式为“两隆夹一凹”型：页岩气富集区被“两隆”所夹持,位于“一凹”之中。靠近隆起区,笔石带发生不同程度缺失,不利于页岩气的开发,页岩气作业应尽量避开远离笔石页岩发育先天不足的隆起区。     

中上扬子地区下志留统龙马溪组有机质碳化区预测

确定有机质碳化区分布范围和排除页岩气勘探高风险区是中国南方海相页岩气选区和勘探评价面临的重要任务。以大量钻井、露头资料为基础,对中上扬子地区下志留统龙马溪组开展了有机质碳化区识别与预测,编制龙马溪组有机质碳化区分布工业化图件,初步获得四点成果和认识:①提出海相页岩有机质碳化判识标准,其中测井电阻率"细脖子型"响应特征与页岩有机质石墨化具有唯一相关性,是判断高过成熟海相页岩有机质碳化的金标准。②中上扬子地区龙马溪组有机质碳化分布具有一定规律性,主要分布于川东-鄂西、鄂西北部、川南西部和长宁构造东侧4个探区,总面积超过35 000 km^2。③在川东-鄂西和川南西部2个探区,龙马溪组有机质碳化呈连片分布趋势,面积较大,显示弱-严重碳化特征。④在鄂西北部和长宁构造东侧2个探区,有机质碳化区面积相对较小,分别显示严重碳化和弱碳化特征。综合认为,上述4个碳化区为龙马溪组页岩气勘探禁区,也是页岩气资源评价和战略选区面临的高风险区。     

川南下志留统龙马溪组页岩吸附特征及控制因素

页岩的吸附特征是评价页岩气是否具有开采价值的一个重要标准,是研究页岩气富集规律的一个核心内容。为此,以四川盆地南部地区下志留统龙马溪组取心页岩为研究对象,开展页岩等温吸附实验研究。实验发现龙马溪组泥页岩的Langmuir体积较大,平均为1.33m3/t,Langmuir压力平均为1.66 MPa,反映了龙马溪组页岩的吸附能力较强,具有良好的储气能力,但不利于解吸。结合页岩矿物特征及孔隙结构特征,研究发现温度、有机碳含量、湿度、比表面积等是影响龙马溪组页岩吸附能力的主要因素;页岩气的吸附过程属于放热反应,随温度升高吸附气量减少;由于水分占据了一定原本被气体吸附的孔隙表面,因而湿度越大,吸附气量越小;中孔和宏孔体积与页岩饱和吸附气量具有较好的正相关性;有机碳含量越高,饱和吸附气气量就越大;比表面积更是饱和吸附气量的控制因素,二者具有极高的相关性。     

川东北地区下志留统龙马溪组上升洋流相页岩沉积特征

上升洋流相是海相富有机质页岩的重要沉积模式。依据川东北巫溪地区下志留统龙马溪组露头和钻井资料,对埃隆阶富有机质页岩开展了精细表征,初步认为巫溪地区埃隆阶显示出具有受上升洋流控制的沉积建造特征,并形成了4点认识：①岩性组合多样,自下而上出现厚层状碳质页岩夹硅质页岩、碳质页岩夹高自然伽马（GR为185~203 cps）砂岩层、碳质页岩和黏土质页岩夹重晶石团块、黏土质页岩与高自然伽马砂岩层韵律层、厚层-块状黏土质页岩等多种深水岩相组合,较五峰组-鲁丹阶复杂。②具有低S/C值、高Mo含量,显示埃隆阶沉积期巫溪海域拥有低盐度、弱封闭的大陆边缘特征。③P、Fe、Ba等营养物质含量丰富,显示巫溪海域古生产力在奥陶纪和志留纪之交普遍较高,并在埃隆阶沉积期达到高峰,且明显高于同期台盆区。④沉积速率总体较快,大致呈现初期慢、中晚期快的特点,在埃隆阶沉积中期以后达到25.24~149.42m/Ma,并控制形成厚18~50 m、TOC为2%~4%的富有机质页岩。由此判断,扬子海盆龙马溪组富有机质页岩除主体为静水陆棚相缓慢沉积外,在台盆区北缘埃隆阶及以上存在上升洋流相沉积。     

四川盆地及其周缘下志留统龙马溪组层序与沉积特征

开展四川盆地及其周缘下志留统龙马溪组高精度沉积环境研究是目前该区页岩气勘探开发面临的重要课题。以野外露头剖面、钻井资料为基础,依据特定的笔石带和重要标志层建立了等时地层格架,并结合岩相、古生物群落、钙质含量、测井响应特征、地球化学特征等地质信息开展了龙马溪组早、晚期沉积微相研究,揭示了其地层层序、沉积演化以及优质页岩分布等特征:①页岩地层具有顶、底界区域穿时性,自下而上可划分为SQ1和SQ2两个三级层序,SQ1主体为最大海侵期形成的深水相沉积组合,而SQ2总体为海平面下降期形成的半深水—浅水相沉积组合;②发育钙质深水陆棚、泥质深水陆棚等8种沉积微相,富有机质页岩主要形成于SQ1深水域;③从SQ1到SQ2,沉积中心自川南—川东坳陷区向川北地区迁移,川中古隆起为持续的水下隆起。结论认为:①SQ1是龙马溪组主力产层的沉积期,川南—川东坳陷为SQ1期深水陆棚中心区,是页岩气富集区;②川北地区的黑色页岩形成于SQ2晚期,且分布局限,页岩气勘探潜力相对不足,而鄂西地区黑色页岩的沉积规模和勘探潜力则介于川南—川东和川北地区之间。     

渝东南地区下志留统石牛栏组生物礁沉积特征

渝东南地区下志留统石牛栏组发育一定规模的生物礁。以重庆万盛机枪台剖面和贵州习水吼滩剖面为主要对象,利用野外观察、普通薄片、碳/氧同位素等手段,对研究区下志留统石牛栏组生物礁进行了详细研究。结果表明,研究区生物礁主要发育石牛栏组中上部,且具有一定规模;岩石结构及碳/氧同位素变化揭示了该时期海平面由缓慢上升到急剧下降的变化过程,沉积环境表现为早期浅水混积陆棚—中期生物礁滩沉积—晚期礁前斜坡沉积的演化过程,水体环境适合珊瑚礁及生物群落的大量繁殖。由此证实了渝东南地区下志留统石牛栏组生物礁发育主要受海平面变化及陆源碎屑物质注入的影响,海平面的缓慢变化是生物礁发育的基本条件,陆源碎屑物质的多少制约了生物礁的发育过程。     

四川盆地南部下志留统龙马溪组页岩孔隙结构特征

页岩的孔隙结构特征对页岩气的储集和运移有着显著的影响。不同的孔隙结构表征技术往往适用于特定的孔隙尺寸范围,而由于页岩孔径大小变化范围较大且发育大量的纳米级孔隙,对其孔隙结构进行合理的表征十分困难。为此,综合利用低压N_2吸附法、高压压汞法以及岩心核磁共振法对四川盆地南部下志留统龙马溪组页岩的孔隙结构特征进行了深入研究,探讨了影响孔隙发育的主要因素。结果表明:①该区龙马溪组页岩孔隙形状复杂,孔径分布普遍具有双峰或三峰特征,主要发育孔隙直径介于0~10 nm的微孔和中孔,也有少量大孔和微裂缝发育;②页岩样品的矿物成分以石英和黏土矿物为主,而后者是页岩微孔和中孔发育的主要贡献者,其含量与岩样微孔体积和中孔体积均具有正相关性;③此外,有机碳含量也是控制该区泥页岩孔隙发育的主要因素之一,主要通过有机质热演化生烃作用影响孔隙的发育;④目前的测试手段难以对直径小于2 nm的孔喉进行准确测试,这也是未来攻关的技术难点。     

下扬子地区望江坳陷二叠系富有机质页岩孔隙结构特征与影响因素

下扬子地区虽发育有厚层富有机质页岩,但目前尚未取得明显突破。以页岩气地质调查井WWD4井二叠系大隆组与吴家坪组2套富有机质页岩为研究对象,对下扬子地区望江坳陷二叠系富有机质页岩的微观孔隙进行了定性观察与定量化表征,讨论TOC含量与矿物组成对不同尺度孔隙结构的主控因素。结果表明：大隆组和吴家坪组页岩孔隙分布以微孔与中孔为主。下扬子地区望江坳陷上二叠统大隆组与吴家坪组的孔隙发育与有机质关系密切。其中微孔比表面积与孔体积和TOC含量良好的相关关系证明了有机质是微孔发育的主要控制因素。而介孔—大孔的比表面积与孔体积与TOC含量之间相关关系减弱表明除了有机质的贡献外,还有黏土矿物、长石等矿物产生的粒间孔与溶蚀孔的贡献。同时,吴家坪组页岩黏土含量、TOC含量及比表面积（孔体积）存在内在联系。对于脆性矿物而言,大隆组石英与碳酸盐矿物含量和页岩总比表面积（孔体积）之间不存在相关性。而吴家坪组石英含量与页岩总比表面积（孔体积）之间存在一定的负相关性,页岩总比表面积（孔体积）随着石英含量的升高而降低。通过该项研究,为下扬子地区页岩气的勘探与开发提供基础参数与理论依据。     

中上扬子地区志留系龙马溪组页岩气资源潜力评价

中上扬子地区志留系以泥页岩沉积为主,其中龙马溪组下部发育富含有机质的泥页岩。这套泥页岩是在鲁丹期冰川消融期海平面快速上升时沉积的,受台地古地形的影响,厚层富烃泥页岩主要分布在川东、湘西及鄂东地区。龙马溪组泥页岩以含碳粉砂质泥页岩为主,分布稳定;有机碳含量最高达到6.5%,在石柱冷水溪剖面TOC大于1.0%的厚度近105m,有机质类型以Ⅰ—Ⅱ为主,成熟度高,是页岩气勘探的潜力地区。     

下扬子地区二叠系页岩有机质孔隙发育特征及其影响因素

利用高分辨率成像技术实现不同类型页岩孔隙结构的定性描述和定量表征是页岩储层评价研究的重要课题之一。为此,选取下扬子地区二叠系大隆组和孤峰组2套页岩作为研究对象,首先采用氩离子抛光—扫描电镜技术对其有机质孔隙结构进行了系统的观察,再结合三维重构数据和Image J软件对有机质孔隙结构参数进行了统计与分析,最后探讨了影响有机质孔隙发育的主要因素。结果表明:(1)该区页岩有机质孔隙可划分为有机质粒内孔、有机质边缘收缩缝、有机质内部微裂隙3种类型,不同的有机质其孔径、孔隙数量、面孔率、有机质孔隙度等孔隙结构参数存在着较大的差异;(2)不同的有机质孔隙类型是随着有机质热演化作用推进阶段的不同而形成的,伴随着有机质生烃演化过程的进行,有机质粒内孔持续发育,并逐渐形成有机质边缘收缩缝,高演化条件下在有机质局部(特别是镜质体组分)还会产生有机质内部微裂隙;(3)该区页岩有机质孔隙发育非均质性的内因主要受控于有机碳含量、有机质热演化程度、有机质显微组分以及黏土矿物含量等因素,而外因则主要受控于异常压力。     

华南中上扬子早志留世古地理与生储盖层分布

依据"构造控盆、盆地控相、相控油气基本地质条件"思路,重建华南中上扬子地区早志留世鲁丹期、埃隆期和特列奇期岩相古地理格局,并从盆地沉积演化的角度总结生储盖层发育条件与时空分布规律。赫南特期末期冰川消融后全球的快速海进和构造挤压造成的地壳挠曲,导致中上扬子地区在鲁丹期形成以深水陆棚为主的古地理格局,发育的多个坳陷区成为有利烃源岩的沉积中心。埃隆期处于构造挤压的间歇期,由于相对海平面下降等因素,形成特殊的混积型碳酸盐缓坡,以礁滩相为主的碳酸盐岩储集层主要分布在沿岸的潮下高能带。特列奇期构造运动加剧,盆地整体抬升。东部作为构造挤压的前锋带,形成滨岸/潮坪/三角洲组成的复合性海岸环境,有利于储集砂体的发育,其中以小河坝组的临滨砂坝和三角洲前缘席状砂最具储集潜力,而广泛分布的韩家店组潮坪—陆棚相泥页岩可作为下伏含油气层系的良好封盖层。图9表3参30     

上扬子区下寒武统富有机质页岩沉积环境及其对有机质含量的影响

选取上扬子区3个下寒武统地层剖面,对岩石样品进行了有机碳含量和主、微量元素测试,结合前人研究成果,分析了早寒武世不同沉积阶段生物初级生产力及氧化还原条件的变化特征,及其对有机质富集的影响。结果表明：第Ⅰ-Ⅱ阶段,浅水陆棚以缺氧铁化海水为主,具有较高的初级生产力;深水陆棚为缺氧硫化环境,生物初级生产力较低;斜坡-盆地区为缺氧铁化环境且上升洋流带来大量营养物质,生物初级生产力最高。第Ⅲ阶段,陆棚区与开阔海沟通良好,为氧化环境,有机质难以有效保存;斜坡-盆地区演化为氧化-贫氧环境,由于初级生产力依然很高,大量有机质在氧化分解之前快速堆积埋藏而形成有效烃源岩。总体而言,陆棚区富有机质页岩主要受海水氧化还原条件控制,有机质在还原环境中更易保存;斜坡-盆地区富有机质页岩中有机质含量主要受生物初级生产力和沉积环境控制,相同沉积条件下,有机质丰度相较于陆棚区更高。下寒武统富有机质页岩是页岩气勘探开发的有利层系,有机质含量可影响页岩中的含气量,因此发育的陆棚及斜坡-盆地相页岩是页岩气勘探开发的层位。     

Analysis of influence factors of methane adsorption capacity of the Lower Silurian shale

Abstract

The Lower Silurian marine shale gas in South China has great potential. In order to study the influence factors of methane adsorption capacity of the marine shale in Sangzhi block, six samples from the Lower Silurian were investigated by a series of experiments. The total organic carbon (TOC) content ranges from 1.97 to 3.49% and organic matter are in the state of over-maturity. The dominant mineralogical compositions are quartz and clay minerals. The methane adsorption capacity of the studied shale ranges from 1.5627 to 2.2033?cm³/g, and is mainly influenced by the TOC content.     

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。     

下扬子区下组合烃源岩热演化及有效性研究

下扬子区是南方海相具有油气勘探远景的地区之一。应用新增的勘探资料,采用新的技术方法,结合野外、室内综合研究,分析烃源岩构造-热演化。研究结果表明,晚印支-早燕山期,下扬子区的构造运动以逆冲推覆为主,大部分地区遭到抬升剥蚀,部分地区下古生界烃源岩抬升后晚期没有再度深埋,保留了印支期的热演化状况,因此下古生界高成熟腐泥型烃源岩现今仍具有一定的生烃潜力。在演化程度普遍较高的下扬子区下古生界,找到局部热演化程度相对较低,具有油气勘探前景的地区和层位是可能的。