Prediction of organic matter carbonization zones for Lower Silurian Longmaxi Formation in Middle-Upper Yangtze region

  • Yu-man WANG , 1 ,
  • Xin-jing LI 1 ,
  • Hao WANG 2 ,
  • Wei WU 3 ,
  • Shan JIANG 1 ,
  • Bo CHEN 2 ,
  • Jun-jun SHEN 2 ,
  • Guo-xiao ZHOU 1
Expand
  • 1. PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration and Development, Beijing 100083, China
  • 2. Yangtze University, Wuhan 430100, China
  • 3. Shale Gas Research Institute, Southwest Oil & Gas Field Company, PetroChina, Chengdu 610051, China

Received date: 2019-11-24

  Revised date: 2019-12-27

  Online published: 2019-12-11

Supported by

the National Science and Technology Major Project(2017ZX05035001)

Chinese Academy of Sciences Strategic Leading Science and Technology Project (Class A)(XDA14010101)

PetroChina Exploration & Production Shale Gas Play Evaluation and Strategic Selection Project(kt2018-01-06)

Highlights

It is a significant task for selecting and evaluating of marine shale gas areas in South China to determine the distribution range of organic matter carbonization belts and exclude the high risk zones of shale gas exploration. Based on a large number of drilling and outcrop data, this study has carried out the identification and prediction of the organic matter carbonation areas for Longmaxi Formation of Lower Silurian in the middle and upper Yangtze regions, and compiled the industrial maps of the distribution of the organic matter carbonation areas in Longmaxi Formation, as well as preliminarily obtained four achievements and understandings. Firstly, the criteria for identification of organic matter carbonation in high-over mature marine shales were put forward, in which the response characteristic of thin neck type from the logging resistivity is exclusively correlated with the carbonization of organic matter in shales. Therefore, it is a perfect standard for judging organic matter carbonization of high-over mature marine shales, reliable to apply this method and criterion. Secondly, the distribution of organic matter carbonation for Longmaxi Formation in the middle and upper Yangtze region has certain regularity, indicating that carbonation points are mainly distributed in four exploration areas, i.e. East Sichuan-West Hubei, Northwest Hubei, the west of South Sichuan and the east of Changning structure, covering an area of more than 35 000 km2.Thirdly, the organic matter carbonation of Longmaxi Formation shows a trend of continuous distribution in Eastern Sichuan-Western Hubei and west of southern Sichuan, with characteristics of a widespread area as well as weak-severe carbonation. Finally, regions of organic matter carbonation are relatively small, showing the characteristics of serious and weak carbonation in northwestern Hubei and the eastern Changning structure, respectively. Consequently, these four carbonation areas are restricted zones for the shale gas exploration of Longmaxi Formation, and high-risk belts for the shale gas resource evaluation and strategically selected areas.

Cite this article

Yu-man WANG , Xin-jing LI , Hao WANG , Wei WU , Shan JIANG , Bo CHEN , Jun-jun SHEN , Guo-xiao ZHOU . Prediction of organic matter carbonization zones for Lower Silurian Longmaxi Formation in Middle-Upper Yangtze region[J]. Natural Gas Geoscience, 2020 , 31(2) : 151 -162 . DOI: 10.11764/j.issn.1672-1926.2019.12.009

0 引言

有机质碳化是指进入高过成熟阶段的泥页岩经过有机质降解、裂解等过程,其固体有机质部分或全部转化为石墨或类石墨物质的地质现象或地质过程(即有机质石墨化),进入碳化阶段的富有机质页岩普遍具有生烃能力衰竭、基质孔隙(包括有机质孔隙、黏土矿物晶间孔等)大幅度减少,岩石物理属性显示超低电阻响应,不含气或微气显示等显著特征[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10]。勘探和研究证实,Ⅰ—Ⅱ1型有机质碳化的热成熟度R O值一般在3.5%以上[1,2,3],远高于经典生烃模式的干气阶段(R O值一般介于1.6%~3.0%[1,11]之间);在中国南方下寒武统和下志留统页岩气勘探区,尚未发现一口有机质碳化井获工业气流[1,3,4,5,6,7,8],有机质碳化因此被认为是高过成熟海相页岩气勘探面临的主要地质风险。近年来,经过科研人员的不懈努力,有关海相页岩(Ⅰ—Ⅱ1型干酪根,下同)有机质碳化的基本特征和识别方法等技术瓶颈逐渐被攻克[3,4,5,6,9,10,11,12,13,14,15,16,17],大量的钻井和露头资料不断出现和积累,使得勘探人员对中国南方下寒武统筇竹寺组和下志留系龙马溪组有机质碳化区预测成为可能。
确定有机质碳化分布区范围和排除页岩气勘探高风险区是当前中国南方页岩气选区和勘探评价面临的重要任务。目前,在中上扬子下志留统龙马溪组分布区,尚没有编制一张全区完整的有机质碳化分布图,相关研究成果和文献报道内容主要体现在两方面:一是在中国南方下寒武统筇竹寺组存在大面积有机质碳化区[1,3,4,5,6,8,11];二是在巫溪—鄂西及周边龙马溪组也存在有机质碳化现象[3,7]。本文通过梳理高过成熟页岩有机质碳化研究进展,确定海相页岩有机质碳化的判识标准,以川南西部永善—绥江探区解剖为重点,综合利用测井电阻率曲线、激光拉曼、物性分析、电镜等技术手段,对中上扬子地区龙马溪组重点井、露头等资料点进行有机质碳化特征识别,并以主力产层——鲁丹阶为目的层编制中上扬子地区龙马溪组有机质碳化区分布工业化图件,初步形成页岩气勘探风险区的整体认识,为中国南方海相页岩气富集区选择提供地质依据。

1 海相页岩有机质碳化研究进展

近几年随着勘探和研究的不断深入,关于海相页岩有机质碳化的研究成果不断取得新进展,主要表现在如下三方面:
一是基本形成了一套有效识别和评价有机质碳化程度的方法系列,主要包括光学识别法、电学识别法、物性分析法等3 种常用方法[1,3,4,5,6,9,10,11,12,13,15,16,17]。光学识别法主要利用激光拉曼、透射电镜、X-射线衍射等技术,对固体有机质进行光学成像,并依据特定光谱特征识别石墨或类石墨物质,并计算高过成熟有机质R O值和石墨含量。电学识别法是基于固体有机质石墨化后具有良好导电能力的岩石物理特性(即富有机质页岩超低阻特征与有机质丰度具有良好负相关性,见图1),采用测井、实验室测试等方法获得泥页岩电阻率(或电导率,或介电常数)响应值,并依据电性曲线形态和幅度值判断泥页岩有机质碳化程度,此方法对处于不同有机质碳化阶段的泥页岩,均能有效识别且反映灵敏,检测结果可直接用于勘探评价,因此成为最常用、最主要的识别方法。物性分析法是基于固体有机质石墨化后有机质孔隙大量减少的显著特点,采用实验分析测试、双孔隙介质孔隙度解释模型等方法获得泥页岩基质孔隙度(或基质比表面、或基质吸附能力,见图2)、有机质孔隙度(或有机质面孔率)等数据,并间接判断泥页岩有机质碳化程度。研究发现,中上扬子地区龙马溪组有机质碳化与岩石致密化在时限上基本同步[3],而下寒武统筇竹寺组情况较为复杂,在大部分探区有机质碳化与岩石致密化在时限上并不同步[3,5],形成这种差异的地质原因目前尚不清楚。
图1 W202、X202、LY1、YYY1井龙马溪组和Marcellus页岩测井电阻率与TOC关系

备注:Marcellus页岩数据来源于文献[13];Rt为测井电阻率,下同

Fig. 1 Rt-TOC Correlation of Longmaxi Formation (in Wells W202,X202,LY1 and YYY1) and Marcellus shale

图2 长宁筇竹寺组(已碳化)和龙马溪组(未碳化)页岩比表面积与吸附能力图版

Fig. 2 Correlation between BET surface to volume ratio and N2 adsorptive capacity of Qingzhusi Formation (graphitized) and Longmaxi Formation (not graphitized) in Changning region

二是确定了海相页岩有机质碳化的热成熟度门限。由于有机质碳化阶段导致页岩源储品质的损害是致命的,主要表现为页岩的生烃能力衰竭[3,4,5,6,7]、有机质孔隙和黏土矿物晶间孔的大量减少甚至消失[3,4,5,6,7]、对天然气的吸附能力降低(图2)等。众多学者以中国南方下寒武统和下志留统页岩为主要研究对象,通过建立海相页岩激光拉曼谱、测井电阻率响应和孔隙度3种属性的自然演化序列,研究确定Ⅰ—Ⅱ1型有机质碳化的R O门限值为3.5%,并以此作为古老海相地层有机质碳化的判识标准和页岩气勘探不可逾越的理论红线[3,5,11]
三是开始探索海相页岩有机质碳化区分布预测。有学者应用电学识别法(主要应用测井电阻率曲线)、光学识别法(主要应用激光拉曼谱)和海相页岩有机质碳化的热成熟度门限(R O=3.5%)开展了四川盆地川中古隆起及周缘下寒武统页岩有机质碳化区预测,确定四川盆地筇竹寺组有机质碳化的最大深度下限,其中磨溪—高石梯地区为5 200 m、威远地区为4 000 m,并初步预测了2个区块有机质碳化区和非碳化区范围[3,5],其中有机质碳化的最大深度界限5 200 m对开展重点探区龙马溪组有机质碳化分布预测具有参考价值,值得进一步关注。PIANE等[13]利用测井电阻率、实验室介电测量、透射电子显微镜和电子能量损失谱等方法和技术对美国宾夕法尼亚州东北部Marcellus页岩开展有机质碳化表征,得出的结论与中国南方龙马溪组和筇竹寺组碳化特征一致(图1)。
上述研究成果和认识为本文开展中上扬子地区下志留统页岩有机质碳化分布预测提供了方法和地质依据。

2 海相页岩有机质碳化判识标准

R O门限值3.5%作为判断海相页岩有机质(Ⅰ—Ⅱ1型有机质)石墨化的理论标准,主要是以激光拉曼检测方式获得的R O值为基础[3,9]。在中上扬子地区超过20×104 km2的龙马溪组分布区,开展有机质碳化研究仍面临资料点分布局限(评价井主要分布于川南坳陷及周缘、涪陵气田及周边、当阳复向斜和巫溪等少部分探区,盆外主要以露头为主)[2,3,7]、热成熟度测试资料准确性较差(普遍以镜质体、笔石体检测为主)等突出问题,可见仅依据Ⅰ—Ⅱ1型有机质碳化的R O门限值3.5%则难以实现中上扬子地区龙马溪组有机质碳化区的有效预测。因此,在如何使用此下限值开展重点探区有机质碳化评价和预测时,必须提出一套识别和判断标准。
笔者等曾撰文报道,进入碳化阶段的富有机质页岩普遍具有3个基本特征[3,4,5,6]:①测井电阻率曲线呈显著的“细脖子型”特征,即电阻率测井值一般小于8 Ω·m,且至少低于贫有机质页岩段2个数量级,并与TOC负相关,在有机质严重碳化区,电阻率测井值普遍低于2 Ω·m(图1)。②拉曼谱异常,即在G′峰位置出现低幅度以上的石墨峰,D峰与G峰峰高比普遍大于0.63;在有机质严重碳化区,可能出现D峰高于G峰。③物性和含气性差,即页岩基质孔隙度仅为正常水平一半甚至以下,不含气或微气显示[3]
经过近几年的勘探实践和持续研究,笔者对上述3个典型特征进行丰富和完善,便形成了海相页岩有机质碳化判识标准(表1)。其中,测井电阻率响应是对某一体积内地质体导电性的直接反应,其在石墨化页岩段的“细脖子型”特征与黏土矿物、高矿化度地层水、黄铁矿等导电介质关系不大[3,4,6,13],仅与页岩中有机质含量负相关(即与有机质石墨化具有唯一相关性)(图1),因此是判断高过成熟海相页岩有机质碳化的金标准,方法和标准可靠;激光拉曼谱一般对井下样品反应较为准确,在露头区受样品风化程度和观察点选择影响较大,对弱石墨化样品检测存在一定误差,但由于拉曼谱是计算高过成熟海相页岩R O值的有效方法[9,10,11,15],因此必须大量使用。物性和含气性是页岩储层的两大基本属性,其品质差是受页岩高强度压实作用、高过成岩作用、有机质碳化等多种地质作用的综合结果[3,5,11],若使用其判识有机质碳化,则必须针对有机质碳化与岩石致密化在时限上同步的页岩地层(如中国南方龙马溪组),对寒武系适用性较差(表1);另外,在物性参数使用上,增加页岩基质比表面积、吸附能力的两项特色参数(表1图2),以满足于仅有比表面积、吸附能力(缺少基质孔隙度)测试结果的资料点。
表1 海相页岩有机质碳化的基本特征和判识标准(根据文献[3-7,11-14]和图1、图2编制)

Table 1 Essential characteristic and criterion about organic matter graphitization of marine shale (formulated according to Refs. [3-7,11-14] and Figs.1 & 2)

序号 页岩地质属性 基本特征和判识标准 应用结果评价
测井电阻率响应

富有机质页岩段Rt曲线呈 “细脖子型”特征:

Rt值<8 Ω·m,且至少低于贫有机质页岩段2个数量级,并与TOC负相关;在严重碳化阶段普遍<2 Ω·m,在弱碳化阶段一般介于2~8 Ω·m

富有机质页岩超低电阻特征与有机质石墨化具有唯一相关性,方法和标准可靠
激光拉曼谱 拉曼谱异常:在G′峰位置出现石墨峰,D峰与G峰峰高比普遍大于0.63 是计算高过成熟海相页岩Ro值的有效方法;受样品风化程度和观察点选择影响较大,对弱石墨化样品检测存在误差。方法和标准的可靠性居中
3 物性和含气性 物性和含气性差:基质孔隙度仅为正常水平1/2以下,或基质比表面积、吸附能力仅为正常水平1/2以下;不含气或微气显示 适用于有机质碳化与岩石致密化在时限上同步的页岩地层(如中国南方志留系),对中国南方寒武系适用性较差
本文将以表1中有机质碳化的基本特征和判识标准为依据,开展中上扬子地区下志留统页岩有机质碳化分布预测。

3 志留系有机质碳化区预测

勘探和研究证实,巫溪、恩施、丰都、仁怀等探区为龙马溪组有机质碳化区,已发现X202、LY1、TY1和RY1等井区出现碳化特征,并有专文论述[3,7],结论总体可靠。近期,笔者在川南西部的永善—绥江探区发现多个有机质碳化资料点,且具有连片分布趋势。本文依据表1中基本特征和评价标准,采用点面结合方式先对永善—绥江碳化区进行预测,进而推广到中上扬子志留系分布区,并以30余口钻井和20多个露头剖面资料为基础,编制中上扬子地区鲁丹阶有机质碳化区分布图(图3),以揭示龙马溪组有机质碳化分布规律。
图3 中上扬子地区鲁丹阶有机质碳化区预测

Fig.3 Distribution prediction of graphitized organic matter areas in Rhuddanian,Central-Upper Yangtze region

本文资料点的有机质激光拉曼图谱主要由核工业北京地质研究院分析测试中心检测完成。检测流程为:首先,将页岩岩样制作成岩石薄片;然后,利用LabRAM HR800显微激光拉曼光谱仪(波长532 nm)对薄片中固体有机质进行扫描成图。针对每个页岩岩样(即薄片),选择至少2个有机质作为检测点位进行拉曼成图,扫描范围为100~4 200 cm-1,测试环境要求室温25 ℃、湿度50%。
本文资料点的R O值主要采用激光拉曼光谱分析法测得。此检测方法基于页岩中固体有机质拉曼峰(主要包括D峰、G峰和G′峰)的形态和位移能够充分反映芳香碳环结构中原子和分子的震动信号与样品热演化程度的关系[1,3,9] ,即D峰和G峰的峰间距(G-D)与峰高比(Dh/Gh)一般随着热演化程度升高而增加,G′峰(即石墨峰)在无烟煤阶段出现并随着石墨化程度加剧而增高[1,3,9]。刘德汉等[9]提出了利用固体有机质拉曼光谱参数(即D峰和G峰的峰间距或峰高比)计算泥页岩样品热成熟度的相关计算公式,并在地质学研究领域得到广泛应用[1,2]。此方法核心在于,在G′峰出现以前,主要依据峰间距计算R O[9],公式为:拉曼R O%=0.053 7×d(GD)-11.21;在G′峰出现以后,则主要依据峰高比计算R O[9],公式即:拉曼R O%=1.165 9×h(D h/G h)+2.758 8。

3.1 永善—绥江探区

永善—绥江探区位于川南坳陷西部(即长宁构造西部),邻近长宁—筠连页岩气主产区,是川南页岩气拓展勘探的重要区块,面积近5 000 km2。区内拥有永善苏田剖面、B1井、YYY1井、Y201井、YD1井等重要资料点(图3图5)。本文通过建立长宁—永善—绥江龙马溪组测井电阻率区域大剖面(图5),并结合重点资料点激光拉曼测试,预测有机质碳化区分布(图3),以确定川南西部页岩气勘探高风险区。
图5 RY1井—Y1井—N203井—B1井—YYY1井—Y201井—GS1井龙马溪组电阻率曲线对比

Fig.5 Resistivity responses of Longmaxi shale in Wells RY1,Y1,N203,B1,YYY1,Y201 and GS1

根据永善苏田剖面资料(图4),区内五峰组—龙马溪组厚度超过200 m,其中五峰组—鲁丹阶厚24.5 m,为坳陷期深水陆棚相沉积、薄—中层状硅质页岩,含钙质,页理十分发育,GR值为150~225 cps,TOC值一般为1.0%~6.3%,干酪根碳同位素值为-30.0‰~-29.2‰(平均为-29.6‰),Ba含量为1 967~4 499 μg/g(平均为3 033 μg/g),是页岩气勘探主力层系。埃隆阶厚度超过150 m,自下而上形成由深水陆棚相向浅水陆棚相缓慢过渡的岩相组合,主要包括:下部54 m(Demirastrites triangulatus带)为前陆期沉积的深水—半深水相灰黑色黏土质硅质混合页岩、含钙质黏土质页岩和炭质页岩,夹多层钙质结核层和斑脱岩,GR值为123~219 cps,TOC值一般为0.3%~2.5%(平均为1.3%),干酪根碳同位素值为-30.4‰~-28.9‰(平均为-29.5‰),Ba含量较高(一般为1 710~5 514 μg/g,平均为3 763 μg/g);中部(Lituigrapatus convolutus带)为深灰色黏土质页岩,厚度不足30 m,GR值为151~184 cps,TOC值下降至0.4%~1.3%,干酪根碳同位素值为-29.8‰~-27.9‰(平均为-29.3‰),Ba含量减少至1 654~1 950 μg/g;上部为浅水相灰色、灰绿色黏土质页岩,笔石少,GR值为137~188 cps,TOC值下降至0.1%~0.2%,干酪根碳同位素值显著增高(一般为-28.9‰~-28.1‰)(图4)。根据GR响应值、地球化学和元素等测试数据,永善地区五峰组—龙马溪组TOC>1%的黑色页岩段超过80 m,其中TOC>2%的富有机质页岩厚度在25 m左右。
图4 永善苏田五峰组—龙马溪组综合柱状图

注:GR值采用手持式HD2000伽马仪测得,单位为计算率/秒(即cps),下同

Fig.4 Stratigraphic histogram of Wufeng-Longmaxi formations in the Sutian section (Yongshan)

根据有机质激光拉曼光谱和氩离子抛光+SEM检测结果(图6,图7),永善地区龙马溪组R O值为3.59%~3.67%(图4),D峰与G峰峰间距和峰高比分别为271.07~275.32 cm-1和0.71~0.78,在G'峰位置(对应拉曼位移2 653.1 cm-1)出现中等幅度石墨峰,镜下有机质孔较少,面孔率仅为5.8%(与长宁地区筇竹寺组4.6%~10.6%水平相当[6],远低于长宁气田龙马溪组11.9%~23.9%的水平[6])。
图6 永善苏田龙马溪组有机质激光拉曼图谱

Fig.6 OM laser Raman spectra of the Longmaxi Formation in the Sutian section (Yongshan)

图7 永善苏田龙马溪组氩离子抛光+SEM照片(有机质面孔率5.8%)

Fig.7 Backscattered electron image of the Longmaxi Formation in the Sutian section (Yongshan)(the area ratio of OM pores is 5.8%)

据永善地区YYY1井测井资料(图1图5),在五峰组—龙马溪组黑色页岩段(2 922~3 067 m),测井电阻率Rt曲线呈明显的 “细脖子型”特征,即:底部86 m富有机质页岩段Rt值一般0.2~1.0 Ω·m(平均为0.5 Ω·m,低于巫溪龙马溪组1个数量级,略高于宾夕法尼亚州东北部高过成熟的Marcellus 页岩,与利川LY1龙马溪组相当),且至少低于上部贫有机质页岩段2个数量级,并与TOC负相关。另外,区内页岩气钻井已超过5口,且在龙马溪组下部富有机质页岩段均发现测井电阻率曲线普遍显“细脖子型”特征(图5),其中:YYY1—Y201井区富有机质页岩段电阻率小于2 Ω·m且低于贫有机质页岩段2个数量级,显示出有机质严重碳化特征,推测该区域为碳化中心区(R O值为3.6%~3.8%)(图5);B1井富有机质页岩段电阻率小于8 Ω·m且低于贫有机质页岩段2个数量级,显示出有机质弱碳化特征(与巫溪地区相当),推测该井区R O值为3.50%~3.60%;向北至GS1井区,电阻率曲线显示正常(即富有机质页岩段电阻率一般在20 Ω·m以上),说明龙马溪组未出现有机质碳化特征。根据电阻率剖面判断,龙马溪组有机质碳化区东界位于B1井东侧附近,北界则位于Y201井与GS1井区之间(即天宫堂构造中南部)(图3图5)。
从拉曼和电阻率响应特征看,该地区龙马溪组碳化区分布面积约为5 000 km2图3),其中永善苏田—Y201井一带为碳化区腹部(即严重碳化区),热演化程度明显高于长宁和巫溪探区,与利川探区相当,即已进入有机质碳化的超无烟煤阶段[9];向东、向北则碳化程度减弱,并进入有机质非碳化区。
需要说明的是,在高过成熟海相页岩分布区,找到有机质碳化的最大深度下限对碳化区的分布预测具有重要的地质意义,例如:在四川盆地下寒武统分布区,有GS17、P1和Z1等3口井恰好钻遇筇竹寺组有机质碳化深度界限[3,5],蒋珊等[5]应用测井电阻率曲线和录井资料准确找到了该深度界限值(磨溪—高石梯地区5 200 m、威远地区4 000 m),并结合构造和埋藏史科学预测了川中古隆起及周缘筇竹寺组页岩有机质碳化区范围。在永善—绥江地区,下志留统底界最大埋深在4 500 m左右(未突破5 200 m有机质碳化深度下限),且尚未发现一口井钻遇龙马溪组有机质碳化深度界限,因此无法通过构造史、埋藏史等地质分析手段了解该探区有机质碳化规律,只能通过大量资料点的电性和拉曼特征预测碳化区边界。

3.2 其他探区

与永善—绥江探区相似,在中上扬子其他探区也尚未发现一口钻遇龙马溪组有机质碳化深度门限的评价井,有机质碳化分布预测只能依据大量可靠资料点的电性、拉曼和物性等3个典型特征来实现。笔者尽可能使用区内钻孔的测井电阻率资料,并结合13个新鲜露头的激光拉曼、物性等测试资料(图8表2),以鲁丹阶为目的层对龙马溪组进行碳化特征筛选和预测(图3)。
图8 重点探区龙马溪组有机质激光拉曼谱

(a)保康歇马,峰间距251.5 cm-1,峰高比0.67,R O值3.10%;(b)南漳李庙,峰间距250.0~255.7 cm-1,峰高比0.90~1.00,R O值3.80%~3.90%;(c)Y201井,峰间距261.4~262.8 cm-1,峰高比0.90~0.91,R O值3.70%~3.80%;(d)秀山大田坝,峰间距257.1~261.4 cm-1,峰高比0.59~0.61,R O值2.80%~2.90%;(e)巴东思阳桥,峰间距257.2~261.4 cm-1,峰高比0.65~0.72,R O值3.0%~3.3%;(f)石柱漆辽,峰间距271.35~272.77 cm-1,峰高比0.62~0.63,R O值3.50%~3.54%;(g)鹤峰官屋,峰间距257.93~269.20 cm-1,峰高比0.65~0.70,R O值3.38%~3.42%;(h)龙山红岩溪,峰间距259.38~266.39 cm-1,峰高比0.60~0.65,R O值3.1%~3.3%

Fig.8 OM laser Raman spectras of the Longmaxi Formation in major prospects

表2 四川盆地及周边重点地区龙马溪组有机质碳化点地质参数

Table 2 Geologic parameters of graphitized Longmaxi Formation in major prospects in the Sichuan Basin and surrounding regions

井号/剖面 区块 埋深/m TOC/% 拉曼R O/% 孔隙度/% 自然伽马/API 电阻率/(Ω·m) 含气量/(m3/t) 有机质碳化程度 保存条件 参考文献
LY1 鄂西 2 790~2 830 1.1~6.0 3.56~3.73 (1.90~4.77)/2.76 150~270 0.1~0.9 0.13~0.48 严重碳化 盆外向斜区,保存条件较好 [3,7]
HY1 鄂西 2 142~2 166 1.5~5.3 3.80~4.00 150~270 (0.01~0.30)/0.2 微气 严重碳化 盆外向斜区,保存条件较好 [3,7,18]
X202 川东北 1 965~1 989 0.5~6.4 3.48~3.51 (2.40~8.78)/3.85 145~300 3~7 1.38~3.00,试产为微气 弱碳化 盆外褶皱带,龙马溪组具自封盖性,保存条件中等 [3]
TY1 川东 >3 900 2.0~5.0 3.50~3.55 150~350 2~6/4 微气,压力系数小于1 弱碳化 盆地内,保存条件好 [3,19]
JS1 川东 4 925~4 975 73~223 (3.2~10)/7.3 弱碳化 盆地内,保存条件好
B1 川南 <1 500 3.5~3.6 0.8~8 弱碳化 盆外向斜区,保存条件较好
YYY1 川南 2 900~3 070 1.9~9.0 3.6~3.9 120~250 0.12-0.3 <0.2 严重碳化 盆内向斜区,保存条件较好
Y201 川南 3 500~3 660 3.60~3.80 1.2 160~300 0.6-2 严重碳化 位于盆地内,保存条件好
RY1 川南 4 030~4 055 1.9~6.5 3.50~3.60 (0.50~2.30)/0.74 180~250 1.8~8.0 0.51 弱碳化 盆地内,保存条件好 [3,18,19,20]
永善苏田 川南 露头 1.5~6.3 3.59~3.67 150~225 严重碳化 位于盆地外,保存条件差
城口明中 川东北 露头 (0.26~2.63)/0.80 180~521 严重碳化 位于盆地外,保存条件差
巫溪白鹿 川东北 露头 (0.66~1.58)/1.05 180~310 弱碳化 位于盆地外,保存条件差
彭水鹿角 川东 露头 1.4~4.7 3.50~3.55 180~580 弱碳化 位于盆地外,保存条件差
咸丰龙坪 鄂西 露头 2.0~4.8 3.56 190~300 弱碳化 位于盆地外,保存条件差
石柱漆辽 川东 露头 1.9~11.2 3.50~3.54 150~480 弱碳化 位于盆地内,保存条件差
南漳李庙 鄂西北 露头 3.4~8.5 3.80~3.90 180~350 严重碳化 位于盆地外,保存条件差

注:表中斜线后数值为平均值,露头点GR值为HD2000伽马仪检测结果(单位为cps,即计数率/秒)

目前,四川盆地及周缘鲁丹阶低电阻—超低电阻的井区主要分布于巫溪、恩施、石柱、仁怀、永善和绥江等地区,新鲜露头激光拉曼和物性测试资料主要来自于城口明中、巫溪白鹿、彭水鹿角、咸丰龙坪、石柱漆辽、南漳李庙、保康歇马、巴东思阳桥、鹤峰官屋、秀山大田坝、龙山红岩溪和永善苏田等剖面点(图8表2)。根据上述资料点,鲁丹阶有机质碳化区分布趋势较明朗,主要集中在川东—鄂西、川南西部、长宁构造东侧和鄂西北部(图3)。
在川东—鄂西龙马溪组分布区,通过激光拉曼和物性检测发现石柱漆辽、彭水鹿角、咸丰龙坪、城口明中和巫溪白鹿等有机质碳化区,拉曼R O值介于3.50%~3.56%之间,有机质激光拉曼谱在G'峰处普遍出现石墨峰[见图8(f)石柱漆辽剖面],在城口明中和巫溪白鹿剖面出现特低孔特征(龙马溪组孔隙度平均值分别为0.80%、1.05%,远低于4%~6%的基质孔隙度正常水平)(表2),显示出有机质碳化特征。根据川中隆起及周缘筇竹寺组有机质碳化最大深度下限5 200 m[5]和WK1井龙马溪组热演化程度(埋深5 210~5 260 m,拉曼R O 值3.45%)[9]判断,位于WK1井以东的川东北大部分地区(龙马溪组埋深普遍在5 500 m以深)均已进入有机质碳化阶段。另外,结合区内X202、LY1、HY1、JS1、TY1等井低阻—超低阻响应特征(表2)以及前人关于巫溪—恩施地区龙马溪组有机质碳化和物性研究成果[3,7]推断,川东—鄂西地区龙马溪组有机质碳化特征(R O≥3.5%)遍布城口、巫溪、万县、石柱中北部、利川、恩施等地区,呈连片分布趋势,面积超过30 000 km2,其西部边界位于JY1井—C7井—WK1井(3口井鲁丹阶电阻率一般为20~80 Ω·m)东侧,临近涪陵页岩气田,东部边界位于巴东思阳桥和鹤峰官屋两剖面点西侧,南部边界则位于彭水鹿角和咸丰龙坪南侧,其中严重碳化区位于恩施—利川—石柱—城口地区(图3)。
在鄂西北部南漳李庙地区发现龙马溪组出现有机质碳化现象(图3)。激光拉曼显示[图8(b),表2]:该地区龙马溪组R O值为3.80%~3.90%,D峰与G峰峰间距和峰高比分别为250.0~255.7 cm-1和0.90~1.00,在G'峰位置(对应拉曼位移2 677.1 cm-1)出现高幅度石墨峰,说明该地区龙马溪组已出现有机质严重碳化特征。钻探显示,位于该露头点南部的当阳复向斜腹部测井电阻率曲线普遍显示正常响应,鲁丹阶电阻率值一般为27~180 Ω·m(J101井)。另外,在该露头点西部的保康歇马露头点,龙马溪组有机质拉曼谱显示正常,在G'峰位置(对应拉曼位移2 667.1 cm-1)呈斜坡状(即未出现石墨峰),计算拉曼R O值为3.10%[图8(a)]。这说明,南漳以南和以西尚未出现有机质碳化特征。
在长宁构造东侧,龙马溪组出现局部有机质碳化特征,主要分布于仁怀—习水地区(图3图5),紧邻长宁页岩气主产区。根据RY1井资料,该区龙马溪组富有机质页岩电阻率一般为1.8~8.0 Ω·m,岩心孔隙度为0.50%~2.30%(平均0.74%),钻探为微气显示,说明该区龙马溪组已出现弱碳化特征。邻近该井西侧的Y1井电阻率曲线则为正常响应(一般为20.0~100.0 Ω·m),说明有机质碳化边界位于该井以东至RY1井以西(图3)。
通过上述分析和预测,中上扬子地区龙马溪组有机质碳化区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等4个探区,面积超过35 000 km2图3),约占整个龙马溪组分布区的15%~20%。其中,川东—鄂西和川南西部2个探区已出现有机质碳化连片分布趋势,面积较大,显弱—严重碳化特征;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。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。

4 结论

(1)黑色页岩段测井电阻率 “细脖子型”响应特征与黏土矿物、高矿化度地层水、黄铁矿等导电介质关系不大,仅与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,方法和标准可靠。
(2)物性和含气性是页岩储层的两大基本属性,其品质差是受页岩高强度压实作用、高过成岩作用、有机质碳化等多种地质作用的综合结果,若使用其判识页岩有机质碳化,则必须针对碳化与岩石致密化在时限上同步的页岩地层,对中国南方志留系龙马溪组较适用,对寒武系适用性可能较差。
(3)在中上扬子地区尚未发现一口钻遇龙马溪组有机质碳化深度门限的评价井,有机质碳化分布预测只能依据大量可靠资料点的电性、拉曼和物性等3个典型地质特征来实现。中上扬子地区龙马溪组有机质碳化区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,面积超过35 000 km2,约占整个龙马溪组分布区的15%~20%。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,显弱—严重碳化特征。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。因此认为,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。
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