江苏宁镇地区五峰—高家边组优质页岩分布及其与笔石带的对应关系：来自苏页1井的启示.pdf

为准确掌握江苏五峰一高家边组页岩气基础地质条件，在宁镇地区汤山一仑山复背斜南翼高家边组命名地实施页岩气参数井苏页1井，井深12 0 3.37 m，全孔取芯。苏页1井钻遇高家边组中下部五峰组、汤头组，为完整揭露五峰一高家边组底部富有机质页岩的典型钻孔。基于2 43个厘米-分米级采样间隔的TOC（总有机碳）数据，建立了五峰一高家边组下部TOC标准柱状图。根据TOC划分的页岩分段与笔石带对应良好，共分7 个页岩段，包括4个优质富有机质页岩段，其中WF4一LM3优质页岩段品质最好，为宁镇地区的典型代表。苏页1井Ro介于2.47%2.91%之间，平均值为2.6 2%，总体处于过成熟早-中期生干气阶段，干酪根类型为I型。五峰一高家边组优质、富有机质页岩呈2 层式，真厚度约为2 2.4m。页岩气勘探潜力最好的WF4一LM3优质页岩段真厚度为8.6m，应视为主要产气页岩小层和未来水平井钻进层段。不同页岩段的沉积速率不同，说明有机质含量与物源输人作用关系密切。关键词：页岩气；五峰一高家边组；优质页岩；富有机质页岩；笔石带；宁镇地区中图分类号：P618.30 引言下扬子地区五峰一高家边组的页岩气勘探潜力越来越受到重视（贾东等，2 0 16；方少之等，2 0 18；方朝刚等,2 0 2 0；黄正清等，2 0 2 0；郑红军等，2 0 2 0），随着江苏页岩气勘探工作的深入开展，已形成五峰组及高家边组底部为优质页岩段的共识（何委徽等，2019;殷梅等,2 0 2 0）。岩石中有足够数量的有机质是形成丰富油气的物质基础，也是决定岩石生烃能力的主要因素（邹才能等,2 0 13）,因此,深刻认识五峰组及高家边组底部优质页岩段的有机质含量变化特征，调查富含有机质页岩段的准确厚度和分布特征，对客观认识五峰一高家边组页岩气地质特征尤为重要。收稿日期：2 0 2 2-11-13；修回日期：2 0 2 2-12-0 8；编辑：蒋艳，朱明君基金项目：江苏省专项资金项目“江苏省页岩气资源调查与评价”（苏发改能源【2 0 15 1541号），江苏省地质学会2 0 2 1年重点学术研究课题和学术交流方向项目（苏地会2 0 2 1 30 号)作者简介：岑超（19 8 7 一），男，高级工程师，硕士，地球探测与信息技术专业，从事页岩气、金属矿与地热勘查工作，E-mail：32 7 1436 2 7 地质学刊Journal of Geology文献标识码：A文章编号：16 7 4-36 36(2 0 2 3)0 2-0 113-0 9色页岩的厚度约为40 8 0 m。方朝刚等（2 0 2 0）认为江苏中部南京一句容一线的五峰一高家边组底部的黑色硅质页岩和炭质页岩厚度均在40 6 0 m之间;贾东等(2 0 16)认为宁镇地区五峰一高家边组黑色笔石页岩厚度在汤山地区 8 0.5m，在仑山地区至少39.5m，有机质丰度较高，TOC质量分数多在1.2%4.0%之间，显示了较强的生烃能力；方少之等(2 0 18)根据钻井资料，认为高家边组页岩厚度超过40 m,TOC质量分数一般在2%4%之间,Ro为1.5%2.3%。然而，黑色页岩并非都富含有机质，富含有机质的页岩段常夹有贫有机质页岩段，总体上常表现为TOC含量高低互层或夹层。富有机质页岩与优质页岩的定义有所不同。页岩气基础地质调查工作指南（试行）（中国地质Vol.47 No.2Jun.2023前人调查发现南京及周边的五峰一高家边组黑114调查局，2 0 15中规定，富有机质泥页岩层段是指有机碳含量、镜质体反射率均在0.5%以上的富有机质泥页岩层系，可夹少量的砂岩、碳酸盐岩、硅质岩等其他岩类，富有机质泥页岩累计厚度占层段厚度的比例6 0%。郭旭升等（2 0 16）在陵页岩气田的研究中，给出了优质页岩气层段和深水陆棚（相带）优质页岩2 个名词,均以wToc2%为标志；熊强青等(2 0 19)通过对安徽巢湖地区页岩气地质调查井WHD1井的研究,认为五峰一高家边组下段富有机质页岩（wroc1%)厚度为43.9 0 m,优质页岩(Wroc2%)厚度为17.9 5 m。综上可见，WToc2%是较为通行的划分优质页岩的标志，而富有机质页岩的定义则差别较大。参考上述WHD1井的划分方法（熊强青等,2 0 19）,将WToc2%的页岩段定为优质页岩，WToc为1%2%的页岩段定为富有机质页岩，WToc1%的页岩段则定为贫有机质页岩。此外,五峰一高家边组岩性较单一,偶夹粉砂质条带或条纹,肉眼区分度较小,野外现场难以进行小层精细划分，而借助笔石生物带的精细划分进行黑色页岩小层划分对比，不失为一种经济便捷的方法，同时对确定主力产气页岩小层及指导水平井钻进层段具有重要意义（陈旭等,2 0 15）。基于江苏页岩气参数井苏页1井（12 0 3.37 m，全井取芯)钻探成果,研究笔石页岩的TOC含量变化与笔石生物学特征，查明优质页岩和富有机质页岩的厚度与分布特征,以及页岩分布与笔石带的对应关系。1地质背景研究区位于宁镇山脉,其整体构造为一褶皱冲断带,由以震旦一三叠系为主构成的3个背斜和2个向斜构造组成（葛肖虹，19 8 7;江苏省地质矿产局,19 8 9）。最南侧的青龙山一汤山一仑山复式背斜绵延约40 km，由南京淳化青龙山、大连山，经汤山,抵句容仑山。由西向东,该复式背斜的枢纽走向由北东转至北东东向，又趋北东向，呈反S形,核部出露的最老地层为寒武系，可见于仑山和南京湖山地区之南的汤山团子尖。苏页1井位于句容仑山湖东北侧、高家边村南侧,构造部位为青龙山一汤山一仑山复式背斜南翼，地质学刊为高家边组命名地（图1）。2钻遇地层特征2.1苏苏页1井地层特征苏页1井在高家边组露头上开钻，钻遇高家边组中下部五峰组、汤头组、宝塔组，未钻遇大规模破碎带，为完整揭露五峰一高家边组底部富有机质页岩层段的典型钻孔（图2）。高家边组自底至顶主要为黑色层状泥岩、深灰色薄层状含泥粉砂岩夹灰黑色薄层状粉砂质泥岩、深灰色中厚层状含粉砂泥岩、泥质粉砂岩等；五峰组主要为黑色层状泥岩、硅质页岩，致密，滴酸不起泡，轻微污手；汤头组为灰白色泥岩夹瘤状泥质灰岩；宝塔组为灰白色中厚层状瘤状灰岩、含泥质灰岩。宝塔一高家边组底部夹数十层凝灰岩,厚度不一,厚者可达10 cm。2.2黑黑色页岩段岩性特征苏页1井的黑色页岩段集中分布在五峰组（10 9 2.30 110 6.30 m，视厚度14.0 m）和高家边组底部（10 53.0 0 10 9 2.30 m，视厚度39.3m）。五峰组为黑色厚层状泥岩，局部为硅质岩，多见笔石化石，局部夹颜色稍浅的含粉砂泥岩夹层或团块。发育多为高角度的由黄铁矿、黄铜矿等金属矿物以及方解石、石英充填的细脉,岩芯中见星点状分布的细粒黄铁矿等金属矿物。岩芯断面见镜面光泽、擦痕。高家边组底部为黑色厚层状泥岩，岩芯断面见少量笔石化石，局部夹灰色薄层泥质粉砂岩,发育高角度裂缝，主要被乳白色石英及团块状细粒金属矿物充填。裂隙面见擦痕、镜面光泽，主要指示走滑。3页岩气物质基础3.1有机碳含量苏页1井T0C数据共2 43个（黄正清等,2 0 2 0；Yang et al.,2020),覆盖了2 4.8 8 118 9.7 0 m的全井岩芯。T0C测试主要取样段位于10 2 6.40 110 6.39m处,共8 0 m井段,采样2 0 0 个，平均采样间隔40cm。其中,10 6 3.2 6 110 6.39 m为目的层段,厚度约43m,采样152 个,采样间隔1%的井段集中于五峰一高家边组底部(图2、图 4)。3.2有机质成熟度苏页1井完成了5件样品的镜质体反射率测试、8 件样品的沥青质反射率测试。沥青质反射率与等效镜质体反射率采用公式(1)换算（丰国秀等，1988）。结果表明，苏页1井Ro介于2.47%2.9 1%之间，平均值为2.6 2%，总体处于过成熟早-中期生10 kmJC4Fig.1Drilling position planD12元13干气阶段。2 批样品均存在测点少的现象。VReu=0.656 9BR+0.336 4式(1)中,BR为沥青质反射率,VReu为等效镜质体反射率。3.3干酪根类型使用生物显微镜对苏页1井5块岩石的干酪根显微组分进行鉴定及类型划分,均显示为I型干酪根,且高氧化。4笔石生物学特征陈旭等（2 0 15)将扬子区域的2 套黑色笔石页岩划分为WF1WF4和LM1LM9共13个笔石生物带,对区域地层划分和对比具有很好的参考价值。6014815Z910(1)116系统组层号(m)023地质学刊深侧向自然电位井温(mV)()40 10深度岩性2023年密度(g/cm)0.1M1.550浅侧向中子孔隙度0.1M0井径自然伽马(API)000503(%)1000(mm)侧向电阻率300(2M)0.5TOC(%)双收时差51.000Ro(%)3F100142003002829400500高家边组志留系下统3738F60070039-800404142-900WMN：10 1147F1 000正统五峰红汤头组奥陶系州塔组中57统58-110012001-砂砾石；2-粉砂质泥岩；3-泥质粉砂岩；4-细砂岩；5-粉砂岩；6-角砾岩；7-泥岩；8-炭质页岩；9-硅质岩；10-瘤状灰岩；11-灰岩Fig.2 Comprehensive histogram of the Suye 1 wllM图2 苏页1井综合柱状图第47 卷第2 期岑超等：江苏宁镇地区五峰一高家边组优质页岩分布及其与笔石带的对应关系：来自苏页1井的启示井深岩性系统组(m)1066117火山灰笔石带CoronograptuscyphusLM510701074鲁丹阶高家边组系Cystograptusvesiculosus107810823110861090赫南特1094阶五峰1098组奥陶系凯汤头组迪阶宝塔组1110(a)Avitograptus avitus,1,068.01 m;(b)Atavagraptus sp.,1,068.01 m;(c)Parakidograptus acuminatus,1,090.06 m;(d)Normalograptus anjiensis,1,090.26 m;(e)Agetograptus sp.,1,090.26 m;(f)Normalograptus laciniosus,1,090.26 m;(g)Neodiplograptusmodestus,1,090.26m;(h)Neodiplograptussp.,1,087m;(i)Neodiplograptus modestus,1,090.06m;(j)Normalograptus minor,1,090.26 m苏页1井钻遇丰富的笔石页岩，笔石生物学研究结果表明，WF2与WF3笔石带界线位于10 9 9.2 6m,LM2与LM3笔石带界线位于10 9 0.46 m。在10631104m井段,由底到顶可划分出WF2LM5笔石带，建立了苏页1井五峰一高家边组下段笔石带序列(图3、图4)。302928Parakidograptus2527acuminatus2224Akidograptusascensus+2021Metabolograptuspersculptus19Metabolograptusextraordinarius18WF4Paraorthograptus17pacificus16DicellograptuscomplexusWF211021314812(448.5 3.0)Ma674.5(449.9 3.8)Ma1106（左侧柱状图等据Yangetal.,2020修改；右侧图中比例尺为1mm）Fig.3 Graptolite biozone and important graptolite plates of the Suye 1 well(histogram on the left modified from Yang et al.,2020;scale size of pictures on the right set 1 mm)LM4LM3LM2LM1WF3()）()图3苏页1井笔石带及重要笔石图版5 讨 论5.1优质页岩分布与笔石带对应关系贾东等(2 0 16)认为，宁镇地区五峰一高家边组页岩气赋存的有利地层段大致相当于笔石P.acuminatus 和Cy.vesiculosus 带,即LM3、LM 4笔118地质学刊2023年LM5下部系统组井深(m)1 0661070岩性火山笔石带灰CoronograptuscyphusTOC(%)02-LM5号页岩分段346贫有机质页岩段LM5底部富有机质页岩段1074高家边组志鲁留丹1078系阶5CystograptusvesiculosusLM4上部贫有机质页岩段10824LM4下部31C301086CCCCCCSi1090CSiC赫南特阶SiSi1094SiSiSiSi五Si峰CSi组1098CSi奥陶系CSi1102凯汤迪头阶组1106宝塔组1110富有机质页岩段LM42928ParakidograptisSi2527acuminatusLM32224Akidograptus,CascensusLM2Si+2021MetabolograptuspersculptusLM1Si19SiSiSiSiSiSiCSiSiSiSiCSiSiCWF4-LM33优质页岩段SiiMetabolograptusextraordinarius18WF4Paraorthograptus17pacificusDicellograptus16complexusWF21314812(448.5 3.0)Ma6745(449.9 3.8)Ma312WF32富有机质页岩段WF1贫有机质页岩段WF2WF310图4苏页1井笔石带与页岩分段对应关系1-页岩；2-泥岩；3-粉砂质泥岩；4-泥质粉砂岩；5-粉砂岩；6-炭质泥岩；7-钙质泥岩；8-泥灰岩；9-硅质页岩；10-火山岩；11-笔石;12-瘤状灰岩Fig.4 Corresponding relationship between graptolite zone and shale segments in the Suye 1 well1112第47 卷第2 期岑超等：江苏宁镇地区五峰一高家边组优质页岩分布及其与笔石带的对应关系：来自苏页1井的启示石带。Yang等(2 0 2 0)认为，WF4LM3为主要的富有机质页岩层段。通过苏页1井TOC标准柱状图与笔石带对比可发现，五峰一高家边组底部页岩因TOC含量不同而表现出明显的分段性,且与笔石带呈良好的耦合关系。苏页1井10 54.50 110 2.0 0 m井段可分出7个页岩分段，自底至顶依次为WF1贫有机质页岩段、WF2一WF3富有机质页岩段、WF4LM3优质页岩段、LM4下部富有机质页岩段、LM4上部贫有机质页岩段、LM5底部富有机质页岩段、LM5下部贫有机质页岩段（图4）。以TOC含量高低和其中贫有机质页岩的分布情况，将苏页1井10 54.50 1102.00m井段的页岩气潜力分为最好、好、差3类,其中最好和好的页岩段共4段（表1）。苏页1井优质与富有机质页岩呈2 层式，下层包括LM4下部富有机质页岩段、WF4一LM3优质页岩段、WF2一WF3富有机质页岩段，上层包括LM5底部富有机质页岩段（图4、表1）。页岩分段与笔石带的良好耦合关系是沉积环境、古生产力、碎屑输人、氧化还原条件等多重因素共同作用的结果。Yang等（2 0 2 0)研究认为，WF4一LM3在上升流、火山作用和氧化还原条件等控制因素的共同作用下,成为显著的富含有机质的生物带。视厚度分段号页岩分段LM5下部7贫有机质页岩段LM5底部6富有机质页岩段LM4上部5贫有机质页岩段LM4下部4富有机质页岩段WF4LM33优质页岩段WF2WF32富有机质页岩段WF11贫有机质页岩段119此次研究结果与Yang等（2 0 2 0）的结果基本一致，WF4LM3笔石带对应的页岩段为全井TOC含量最高且不含贫有机质页岩夹层的页岩段；LM4优质页岩与贫有机质页岩的高频互层，可能反映了外界控制因素的高频变化,其具体形成机制尚待进一步研究。5.2优质页岩厚度苏页1井完整钻获五峰一高家边组岩芯，未见大规模破碎带，地层稳定，因此其优质、富有机质页岩的厚度为宁镇地区的代表值。根据苏页1井岩芯层面倾角，取地层倾角2 0 计算各层真厚度（表2）。表2 苏页1井优质页岩及富有机质页岩厚度Table 2 Thickness of high quality shale andorganic-rich shale in the Suye 1 well视厚度地层倾角真厚度页岩分段备注/m/mLM5底部2.8富有机质页岩段LM4下部7.3富有机质页岩段WF4LM39.1优质页岩段WF2WF3富有机质页岩段计表1苏页1井页岩分段特征Table 1Shale segmentation characteristics of the Suye 1 well顶深底深/m/m1054.51 065.41 065.41 068.21 068.21 081.01 081.01 088.31 088.31 097.41 097.41 102.01 102.01 103.52020204.620富有机质WToc/%/m页岩分布特征偶见富有机质页岩10.9夹层富有机质页岩连续2.8发育，无贫有机质页岩夹层贫有机质页岩为主，12.8偶见优质页岩夹层以优质页岩、富有机质页岩为主，其中见7.3贫有机质页岩高频夹层整段优质页岩，无贫9.1有机质页岩夹层4.6整段富有机质页岩贫有机质页岩中夹1.5富有机质页岩2.66.98.64.322.4最小值最大值平均值勘探潜力0.081.731.321.890.133.440.063.071.443.630.862.080.211.16主要目标层位页岩气0.57差1.70好0.72差1.72好2.70最好1.40好0.75差120根据计算结果，认为宁镇地区五峰一高家边组优质、富有机质页岩呈2 层式，下层真厚度为19.8m，上层真厚度为2.6 m，累计2 2.4m。其中,页岩气勘探潜力最好的WF4一LM3优质页岩段真厚度为8.6m，该优质页岩段是未来页岩气勘查的主要目标层位，也是未来开展水平井钻进的首选目的层段。5.3沉积速率用苏页1井各笔石带页岩真厚度除以持续时间，得到各笔石带页岩沉积速率（表3）。对比沉积速率及TOC含量发现：WF2LM3笔石带对应优质、富有机质页岩段，沉积速率均 6.33m/Ma;LM4笔石带为富有机质页岩与贫有机质页岩互层，沉积速率显著增大至2 1.0 9 m/Ma，说明沉积环境发生了改变，物源输人作用变强，沉积速率变快的同时页岩中的TOC含量降低。6 结 论（1)苏页1井为完整揭露五峰一高家边组底部富有机质页岩层段的典型钻孔。基于2 43个厘米-分米级间隔的岩芯TOC数据,结合笔石带研究成果,建立了五峰一高家边组TOC分段与笔石带的对应标准。将五峰一高家边组划分为7 个与笔石带耦合的页岩分段，包含4个优质、富有机质页岩段,其中品质最好的为WF4一LM3优质页岩段，代表了宁镇地区的典型状况。(2)苏页1井五峰一高家边组干酪根类型为I型,且高氧化;Ro介于2.47%2.9 1%之间,平均值为2.6 2%，总体处于过成熟早-中期生干气阶段。Table 3 Sedimentation rates and TOC mass fraction of graptolite biozone in the Suye 1 well底界年龄持续时间页岩视厚度 页岩真厚度沉积速率笔石带/MaLM5441.57LM4442.47LM3443.40LM2443.83LM1444.43WF4445.16WF3447.02WF2447.62注：笔石带底界年龄据陈旭等，2 0 15地质学刊(3)五峰一高家边组优质（富有机质）页岩呈2层式，真厚度约为2 2.4m。其中页岩气勘探潜力最好的WF4一LM3优质页岩段真厚度为8.6 m，应作为主力产气页岩小层和未来水平井钻进层段。（4)W F2 LM 3页岩段沉积速率均小于6.33m/Ma,页岩有机质含量较高。LM4页岩段沉积速率显著增大至2 1.0 9 m/Ma,表现为富有机质页岩与贫有机质页岩互层，且上部几乎全为贫有机质页岩，说明有机质含量与物源输入作用关系密切。致谢王文卉博士、陈清博士进行了笔石鉴定工作,杨生超博士对工作提出了宝贵意见。工作中得到了中国地质调查局南京地质调查中心魏乃颐教授、江苏油田郑开富高级工程师、南京大学贾东教授等的悉心指导,并得到了页岩气项目组的大力支持，在此一并感谢！参考文献陈旭，樊隽轩，张元动，等，2 0 15.五峰组及龙马溪组黑色页岩在扬子覆盖区内的划分与圈定J.地层学杂志，39(4):351-358.丰国秀，陈盛吉，19 8 8.岩石中沥青反射率与镜质体反射率之间的关系J.天然气工业，8（3）：2 0-2 5,7.方少之，贾东，苑京文，2 0 18.下扬子地区志留系高家边组沉积时代及页岩气潜力J.地球科学与环境学报，40(1):24-35.方朝刚，黄正清，滕龙，等，2 0 2 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Province,Suye 1 shale gas parameter well with a depth of 1,203.37 m was carried out in the Gaojiabian Formation,the southern wing ofTangshan-Lunshan anticlinorium in Ningzhen area.The Suye 1 well was drilled into the Wufeng Formation and Tangtou Formation inthe middle and lower parts of the Gaojiabian Formation,which is a typical borehole that completely exposed organic-rich shale at thebottom of the Wufeng-Gaojiabian Formation.Based on 243 records of TOC(total organic carbon)data at centimetre-decimeter inter-vals,a standard TOC histogram was established for the lower part of the Wufeng-Gaojiabian Formation.The shale segments based onTOC corresponds well to the graptolite biozone,which is divided into 7 segments,including 4 high-quality organic-rich shale segments,among which WF4-LM3 shale segment has the best quality and is a typical representative in Ningzhen area.The Ro of the Suye 1 wellis between 2.47%and 2.91%,with an average value of 2.62%.It is generally in the early-middle stage of over-mature,dry gas genera-tion,where kerogen belongs to type I kerogen.The high-quality organic-rich shale of the Wufeng-Gaojiabian Formation consists of twolayers with a true thickness of 22.4 m.The true thickness of high-quality WF4-LM3 shale segment with the best potential is 8.6 m,which should be regarded as the main gas producing shale bed and the future horizontal drilling target.The different deposition rates ofdifferent shale sections indicate that organic matter content is closely related to source input.Key words:shale gas;Wufeng-Gaojiabian Formation;high-quality shale;organic-rich shale;graptolite biozone;Ningzhen area