中国中上元古界页岩气地质特征及有利区预测

2015-02-17荆铁亚王金意

特种油气藏 2015年6期

荆铁亚，杨光，林拓，陈亮，王金意

(1.中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司，北京 102209；2.中国华能集团公司页岩气开发利用办公室，北京 100031；3.中国地质调查局油气资源调查中心，北京 100029)

荆铁亚1，杨光2，林拓3，陈亮2，王金意1

作为中国沉积最早的地层，中、上元古界页岩气发育的地质条件和资源分布值得重视。通过文献调研、野外地质研究和实验分析相结合的手段，对页岩的分布、厚度和地球化学等特征及页岩气有利区进行了系统的分析。中、上元古界页岩主要分布在中上扬子地区的陡山沱组和燕山地区的洪水庄、下马岭组等地层中；沉积环境为大陆架和局限海相盆地内，分布相对稳定，沉积连续，厚度从20 m到150 m不等。页岩的地球化学指标较好，有机质类型以腐泥型为主，有机质丰度受控于沉积环境，TOC>2%的地层普遍发育。扬子地区中、上元古界页岩达到高—过成熟阶段，华北北部地区和建昌盆地略低，目前仍处于生烃高峰期。从页岩气聚集的地质条件上看，中国中、上元古界页岩气具有一定的资源潜力，湘鄂西和渝东南地区的陡山沱组、华北北部地区和建昌盆地的洪水庄组是页岩气发育较好的地区和层段，其勘探前景值得关注。

中、上元古界；页岩气；分布；地质特征

0 引言

目前，中国页岩气的研究主要集中在扬子地区下古生界等页岩地层中。其中，下寒武统牛蹄塘组(筇竹寺组)和下志留统龙马溪组已有工业页岩气流产出[1]。古生界地层沉积前，在扬子板块、华北板块和塔里木板块内还发育了多套中、上元古界页岩地层。在前期的研究中，中、上元古界地层通常被认为具有有机质丰度低、热演化程度高和构造作用强烈等特点，在烃源岩评价中常常被忽略，而在油气勘探中主要作为储集层研究[2]。目前，该时期地层作为页岩气勘探领域的研究相对较少，发育地质条件和资源潜力尚不明确[3-4]。随着非常规油气理论的进步和勘探领域的扩宽，认为某些地区的中、上元古界页岩地层具有较好的有机质丰度和适中的热演化程度，具备一定的页岩气发育地质条件。通过对中国重点地区中、上元古界页岩地层的分布特征和地球化学指标研究，初步探讨该领域页岩气发育的地质条件和有利性，为该领域的页岩气研究提供一定的参考。

1 页岩发育地质背景

元古界地层沉积在寒武纪之前，在漫长的地质历史时期中发育了多套页岩地层。其中，下元古界和太古界地层主要由变质岩组成，页岩不发育，现存页岩地层沉积在中上元古代时期。中上元古代地层主要分布在扬子板块周边、华北板块的燕山地区和鄂尔多斯盆地，塔里木盆地和东北地区也有局部发育[5]。

华北板块蓟县中、上元古界标准地层剖面的地层齐全，出露连续清晰，古生物化石丰富，是研究中、上元古界地层的天然“博物馆”，从底部向上细分为3个系和11个组，不同层段岩性和厚度变化较大(表1)。其中，该剖面长城系地层是以碎屑岩组合为主的海相沉积；蓟县系地层是以碳酸盐岩组合为主的海相沉积；青白口系地层由下部碎屑岩和上部碳酸盐岩为主的海相沉积组成。

鄂尔多斯盆地蓟县系主要由白云岩组成，含少量燧石团块夹砂岩及页岩；长城系底部为石英砂岩夹板岩，上部为粉砂质板岩、云质灰岩夹石英砂岩地层。震旦系罗圈组下部为泥砾岩与砾岩；上部为砂质页岩和板岩互层。鄂尔多斯盆地中、上元古界页岩发育程度相对较弱。

扬子地区上元古代地层由青白口系、南华系和震旦系构成，青白口系及以下地层不发育。南华系依据岩性组合又划分为莲沱组和南沱组地层；其中莲沱组主要由含凝灰质较高的粗碎屑岩组成，在中扬子地区对应为古城组和大塘坡组；南沱组为一套冰川沉积，地层为黄绿色块状冰碛泥砾岩，作为标志层可进行全球对比。震旦系划分为陡山沱组和灯影组地层，其中，陡山沱组地层中下部为白云岩，顶部为炭质页岩，在上扬子地区对应观音岩组，闽浙地区对应南岩组。灯影组地层主要为白云岩和灰岩，在滇黔桂地区对应留茶坡组，闽浙地区为黄连组。扬子地区中、上元古界地层在东南沿海一带普遍缺失。泥页岩主要发育在陡山沱组上部，岩性以炭质页岩和硅质页岩为主。

表1 中国中、上元古界地层分区及主要分布范围

中国中、上元古界黑色页岩地层主要分布的地区和层位为扬子板块的震旦系陡山沱组、华北和辽西地区长城系串岭沟组、蓟县系洪水庄组和青白口系下马岭组等地层中。

2 扬子地区震旦系

震旦系是中国南方地区发育的第一套海相烃源岩层系，上扬子、中扬子和下扬子地区均有不同程度的分布。其中灯影组地层岩性以白云岩和灰岩为主，夹少量泥岩或泥灰岩，一般作为储集层研究。陡山沱组地层展布在南华系南沱组冰碛岩之上，以黑色炭质页岩和粉砂质页岩为主同时发育少量泥灰岩和灰岩，岩性组合在不同地区具有一定的差异。

震旦系早期在上扬子地区为滨岸相碎屑岩沉积，中下扬子地区发育以碳酸盐岩沉积为主的台地相区。陡山沱组晚期，海侵面积增大，良好的深水还原环境为黑色页岩的发育提供了条件。总体上看，扬子地区陡山沱组页岩地层沉积环境主要为陆棚相和台内盆地相，灰岩地层主要发育在台地相[6-7]。黑色页岩段主要发育于台内盆地相内，有机质丰度较高；潮坪和台缘浅滩相由于水体很浅，动荡频繁，不利于有机质富集，发育白云岩为主。

陡山沱组黑色页岩主要分布于黔北、黔东等及上扬子东南缘和中扬子地区，下扬子地区也有局部发育。黔北和黔东等地黑色页岩厚度为20～70 m，四川盆地东南缘陡山沱组厚约50 m，鄂西地区陡山沱组黑色页岩厚约20 m，湘西鹤峰地区页岩厚度为50～200 m，最厚可达350 m[6-8]。总体上，陡山沱组页岩分布以上扬子东南缘的湘鄂西和渝东南为展布厚度中心，黑色页岩厚度最大超过60 m，向四川盆地和下扬子、华夏板块逐渐减薄。

陡山沱组页岩有机质主要由水生藻类形成的，有机质类型以I型为主[6，9]。中扬子地区陡山沱组页岩干酪根显微组分以腐泥组+壳质组为主，含量为85.3%～95.3%，干酪根碳同位素为-28.47‰～-32.75‰，有机质类型多发育Ⅰ—Ⅱ1型[8]。湖北鹤峰和宜昌的野外露头采集的陡山沱组页岩样品干酪根显微组分由腐泥组构成，类型指数均以Ⅱ1型为主。

页岩有机质丰度变化较大，陡山沱组页岩样品的TOC从0.1%到10.0%均有发育，与沉积环境密切相关，其中，深海陆棚相和局限台地相有利于有机质的富集保存，从而产生较高的有机质丰度。上扬子地区陡山沱组页岩TOC为0.1%～3.6%，其中鄂西渝东地区陡山沱组页岩TOC含量较高，平均达到4.4%；中扬子地区陡山沱组页岩TOC为1.0%～3.0%；湘西石门地区陡山沱组页岩的TOC为0.5%～2.0%。测试分析表明，陡山沱组页岩TOC为0.5%～2.0%，其中，TOC>1.0%的页岩实验样品数占全部测试样品的54%，TOC最大可达5.1%，位于湘西北地区，总体页岩样品平均TOC含量为1.26%。

由于中、上元古界页岩有机质来源主要为低等生物，缺乏镜质体组分，因此，热演化阶段的划分主要借助于沥青反射率(Rb)或最高热解峰值(Tmax)等指标分析。文献表明，陡山沱组页岩Rb为2.00%～4.00%，如湘西北地区陡山沱组页岩的Rb为2.38%～2.87%；雪峰山西侧地区陡山沱组页岩的Rb为1.78%～3.05%；中扬子地区陡山沱组页岩有机质热演化程度较高，Rb一般为2.50%～3.50%，湖北利川利1井陡山沱组页岩的Rb平均为4.73%，咸丰地区咸2井陡山沱组页岩Rb平均为3.83%[6，9]。总体上看，扬子地区震旦系页岩处于高成熟—过成熟阶段。

陡山沱组页岩的储层物性与下古生界页岩相当，如湘西北地区陡山沱组页岩孔隙度为0.6%～8.7%，平均为3.9%，渗透率均小于0.04×10-3μm2，属低孔、低渗类型，埋深为2 000～5 000 m，储层指标也与北美产气页岩相当[9]。陡山沱组页岩沉积环境为海侵期的陆棚相和台内盆地相，有机质保存条件好，丰度高，热演化程度处于高成熟—过成熟演化阶段。陡山沱组页岩气有利发育地区应为构造相对简单、厚度大、热演化程度相对较低的湘鄂西和渝东南地区。

3 燕山地区中上元古界

华北板块中、上元古界地层主要分布在河北省北部和辽宁省西部等地的燕山地区。中、上元古界地层在该区出露连续稳定，厚度比较大。页岩地层在地质历史时期经历了一定的热演化过程，具有生烃的基本特征，且大量的油苗也显示了该套地层具有一定的生烃能力。

3.1 冀北地区

天津蓟县中、上元古界地层底界不整合于太古宙变质岩之上，顶界被寒武系所覆盖，为一套未变质或轻微变质的碳酸盐岩和碎屑岩等岩石组合，地层中富含叠层石和微古植物等化石。野外地质剖面和探井揭示，中、上元古界地层分布在内蒙隆起以南、五台隆起以东和郯庐断裂带以西的广大区域内，页岩主要发育在长城系串岭沟组、铁岭组和洪水庄组以及青白口系下马岭组地层中。岩相古地理表明该地区中、上元古代时期以局限的海湾沉积为主[10]。

蓟县地区地层最大厚度可达6 000 m以上。页岩厚度大且稳定分布，串岭沟组地层沉积环境为湿热气候条件下的滨海到浅海沉积，岩性以灰—灰黑色页岩、粉砂质页岩和白云岩为主，厚度为83～402 m。洪水庄组地层沉积环境与串岭沟组相似，为浅海静水沉积，岩性以黑色或灰黑色页岩为主，夹有薄层白云岩，页岩最大厚度约为140 m。铁岭组地层以深灰色白云岩和灰岩为主，夹薄层状黑色页岩，地层厚度为150～300 m。下马岭组地层发育在潮坪和浅海陆棚相中，岩性以绿色、黑色或灰色页岩为主，页岩厚度为100～300 m，部分地区遭受剥蚀。平面上，页岩地层厚度以蓟县为中心，向周边逐渐降低，北京昌平、房山和门头沟地区，天津蓟县和宝坻地区，河北迁西县均含有一定厚度的中、上元古界页岩分布。

中、上元古代页岩地层中有机质类型多为Ⅰ或Ⅱ1型。页岩中有机碳同位素分析表明，同位素组成多为富烃碳同位素，δ13C为-29.0‰～-34.6‰，具有海相藻类的有机质特征，干酪根类型为I型。中、上元古代时期尚无陆生植物，干酪根原始组分主要以细菌和藻类形成的腐泥组，下马岭组页岩显微组分以腐泥组为主，平均为65%，惰质组平均为35%，不含壳质组和镜质组，属于Ⅰ—Ⅱ型干酪根。

中、上元古界下马岭组TOC平均为2.20%，最高可达11.00%；铁岭组页岩TOC含量值最高达4.50%；洪水庄组页岩TOC平均为1.85%，最高为5.60%。由于串岭沟地层年代比较老，TOC含量较低，平均仅为0.23%。华北地区下马岭组、铁岭组和洪水庄组氯仿沥青“A”和总烃含量也较高，氯仿沥青“A”的平均值分别为305×10-6、876×10-6和1 018×10-6。下马岭组、铁岭组和洪水庄组的总烃含量大多为6～9 mg/L，具有一定的生烃潜力，串岭沟组页岩的氯仿沥青“A”和总烃含量都比较低。从层位上，下马岭组和洪水庄组页岩的有机质丰度较高，串岭沟组和高于庄组页岩则相对较低(表2)。平面上，有机质丰度较高的地区基本与沉积沉降中心保持一致，主要分布在天津蓟县和宝坻地区以及北京房山和门头沟等地区。

表2 华北北部地区中、上元古界泥页岩有机质丰度

铁岭组和洪水庄组页岩的Rb分别为1.28%和1.38%，演化程度相对较低；高于庄组页岩的Rb为2.21%，在大部分地区均已达到成熟—高成熟阶段(表3)。

表3 华北北部地区中、上元古界泥页岩热演化程度

该地区中、上元古界页岩Tmax为450～490 ℃，处于高—过成熟演化阶段，由于页岩时代久远和受后期运动的影响，研究区页岩Tmax值一般作为表征有机质热演化程度的辅助手段。一般来说，中、上元古界页岩中有机质的热演化程度随着年代变老而逐渐增高，下马岭组处于生油为主的阶段，铁岭组和洪水庄组页岩处于生大量凝析油气阶段，而长城系高于庄组则处于干气生产阶段。下马岭组页岩Tmax值高于下伏的铁岭组和洪水庄组地层，可能与下马岭组地层中夹有2～3层的辉绿侵入岩有关。相对于扬子地区发育的陡山沱组页岩地层，该地区中、上元古界页岩热演化程度较低，可能与该地区未经历大的深埋过程和相对稳定的构造运动有关。

冀北地区中、上元古界页岩地层厚度大，分布稳定且连续性好。由于良好的气候环境和保存条件，页岩中有机质丰度较高且具有适中的热演化程度，因此，该地区页岩地层具有较好的生烃条件。其中，洪水庄组发育页岩气的地质条件较优，其次为下马岭组和铁岭组，有利区分布在以天津蓟县和北京门头沟为中心的周边区域。

3.2 建昌盆地

建昌盆地位于辽宁省西部地区，区域上属于燕山构造带的东段，下部为元古界和古生代地层、上部为中生界地层的叠合盆地，中、上元古界地层出露在盆地周边[11]。建昌盆地中、上元古界地层最大沉积厚度在5 000 m以上，主要分布在凌源和北票等地，沉积的页岩地层，分别位于洪水庄组、铁岭组及下马岭组中。

洪水庄组地层为相对封闭的海湾相沉积，岩性以灰黑、灰绿色泥页岩为主，岩性和展布较稳定，在凌源和宽城一带厚度最大，为184 m，向周边地区逐渐减薄。其中，H1井揭示洪水庄组页岩厚度为60 m，Y1井揭示页岩厚度为76 m，野外地质剖面中该页岩厚度为60～114 m，厚度变化受控于沉降中心位置。铁岭组地层沉积相为潮上带和潮间带，岩性以灰色泥质白云岩夹页岩为主，局部见叠层石，下部为白云岩，上部主要由白云质页岩和黑色页岩构成。地层厚度在喀左辘轳井地区最大，为337 m，向南厚度逐渐减薄，其中，凌源老庄户为276 m，喀左北洞处为198 m。受构造抬升剥蚀，朝阳铁匠炉和凤凰山等地地层厚度较小，甚至缺失。该段地层中见较多的油苗和沥青，显示了较好的生油气条件。下马岭组页岩地层分布范围相对局限，岩性主要为砂质页岩、钙质页岩和硅质页岩，属潮间带的澙湖亚相沉积，地层厚度为23～235 m，主要分布在朝阳南部和凌源的沟门子地区等。宏观上看，洪水庄组页岩分布比较稳定且面积较大，其次为铁岭组和下马岭组页岩地层。

建昌盆地内中新元古界页岩干酪根碳同位素数值为-29.40‰～-33.85‰，为Ⅰ型干酪根。研究表明，洪水庄组、铁岭组和下马岭组页岩干酪根类型均以Ⅰ—Ⅱ1型为主[11]。

洪水庄组页岩有机质丰度最高，H1井TOC为0.2%～7.8%，平均为3.1%；Y1井TOC平均为1.2%，最大可达2.8%；在凌源老庄户露头区洪水庄组页岩的TOC为0.6%～4.5%，平均为2.0%。铁岭组有机质丰度相对较低，H1井TOC为0.1%～1.0%，平均为0.5%；Y1井TOC平均为0.28%，最大为1.15%，野外露头页岩样品TOC为0.30%～5.00%，平均为1.73%。下马岭组页岩野外露头TOC为0.30%～5.00%，平均为2.68%，Y1井和H1井中下马岭组地层缺失。层位上看，洪水庄组页岩的有机质丰度明显好于铁岭组，是该地区重要的富有机质页岩层系。

中、上元古界页岩中有机质的热演化程度相对较低。H1井洪水庄组页岩的Rb为0.54%～0.91%，平均为0.68%，处于凝析油气生成阶段；洪水庄组岩石热解峰值Tmax为425～437 ℃，平均为431 ℃。铁岭组Tmax为423～457 ℃，平均为436 ℃，处于生烃高峰期。此外，野外露头地层中的轻质沥青和部分油迹也间接印证了该地区页岩相对较低的演化程度特征。值得注意的是，下马岭组在该区受到了辉绿岩的侵入烘烤影响，有机质热演化程度较高，达到了高—过成熟阶段。

辽西建昌盆地洪水庄组泥页岩厚度大、分布稳定，有机质类型主要以腐泥型为主，有机质丰度相对较高，热演化程度适中，具有较好的页岩气发育地质条件。相对于洪水庄组，铁岭组和下马岭组的页岩气发育地质略差，但也具有一定的页岩气发育资源前景。建昌盆地内中、上元古界页岩气发育有利区主要分布在凌源老庄户、六官营子等西部地区。