王莉萍

（山西高碳能源低碳化利用研究設(shè)計院，山西太原 030006）

頁巖氣是指賦存于富有機(jī)質(zhì)泥頁巖及其夾層中，以吸附或游離狀態(tài)為主要存在方式的非常規(guī)天然氣，成分以甲烷為主，是一種清潔、高效的能源資源。中國頁巖氣地質(zhì)資源潛力為134.42萬億立方米（不含青藏區(qū)），可采資源潛力為25.08萬億立方米 （不含青藏區(qū)）[1]。國家已頒布頁巖氣“十二五”發(fā)展規(guī)劃，選取了19個有利開發(fā)區(qū)[2]，其中有山西壽陽和沁源兩個重點勘探開發(fā)區(qū)。為了論證山西沁水盆地頁巖氣資源情況，作者通過野外地質(zhì)調(diào)查、巖心觀察、老井復(fù)查、分析測試等方法手段，對沁水盆地山西組泥頁巖的有機(jī)地球化學(xué)特征、儲層特征等開展初步研究，并探討其頁巖氣勘探前景。

1 區(qū)域地質(zhì)

1.1 構(gòu)造演化

沁水盆地位于山西省東南部,北緯 35°15′至38°18′，東經(jīng) 111°45′至 113°45′之間，盆地長軸總體呈NNE向延伸，南北長約320 km，東西寬約120 km，總面積約為30 000 km2。沁水盆地是一個殘留型的構(gòu)造盆地，自三疊紀(jì)末期以來，在華北地臺構(gòu)造演化背景下經(jīng)歷了多期次的構(gòu)造運動[3]。但盆地內(nèi)總體構(gòu)造比較簡單，以內(nèi)部次級褶皺發(fā)育為特征，構(gòu)造線呈北北東向展布，南、北端受邊界構(gòu)造影響，構(gòu)造線方向偏轉(zhuǎn)為北東東向或近東西向。沁水煤田介于太行和呂梁隆起帶之間，復(fù)向斜軸線大致位于榆社—沁縣—沁水一線。南北翹起端呈箕狀斜坡，東西兩翼基本對稱，邊側(cè)下古生界出露區(qū)，傾角較大，向內(nèi)變平緩，古生界和中生界背斜、向斜和褶曲比較發(fā)育，但幅度不大，面積較小。不同地區(qū)構(gòu)造特點不同，總體來看，西部以中生代褶皺和新生代正斷層相疊加為特征，東北部和南部以中生代東西向、北東向褶皺為主，盆地中部北北東—北東向褶皺發(fā)育。斷層主要發(fā)育于東西邊部，在盆地中部有一組近東西向正斷層，即雙頭—襄垣斷裂構(gòu)造帶。根據(jù)盆地內(nèi)不同地區(qū)構(gòu)造式樣的差異，劃分為12個構(gòu)造區(qū)帶。

1.2 地層與沉積

沁水盆地是中生代形成的走向近南北向展布的大型復(fù)式向斜盆地，位于華北克拉通西部，盆地沒有形成明顯的斷裂和褶曲，沉積了石炭一二疊紀(jì)海陸交互相含煤地層，形成了早、晚古生代兩套烴源巖[4]。盆地內(nèi)地層自下（老）而上（新）主要有下古生界中奧陶統(tǒng)峰峰組（O2f）、上古生界中石炭統(tǒng)本溪組（C2b）上石炭統(tǒng)太原組（C3t）、下二疊統(tǒng)山西組（P1s）和下石盒子組（P1x）、中二疊統(tǒng)上石盒子組（P2s）和石千峰組（P2sh）、中生界三疊系（T）、新生界第四系，其中目的層為山西組和太原組的暗色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖及炭質(zhì)泥巖，在本區(qū)廣泛分布，保存完整，是進(jìn)行頁巖氣資源戰(zhàn)略調(diào)查的主要層系。

1.3 沁水盆地山西組泥頁巖分布

根據(jù)山西省內(nèi)野外地質(zhì)露頭資料證實，泥頁巖在多個地區(qū)、多套層系中發(fā)育，山西組巖性以暗色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、煤層為主。如鄉(xiāng)寧臺頭地質(zhì)剖面山西組發(fā)育頁巖約55 m[5]，沁水盆地山西組泥質(zhì)巖總厚度多在27.62～71.36 m[6]，山西組泥巖累計最大厚度超過100 m，沿盆地長軸方向分布，最厚處也位于沁源一帶。圖1為沁水盆地山西組泥頁巖取樣位置及樣品。

2 泥頁巖有機(jī)地球化學(xué)特征

2.1 有機(jī)質(zhì)豐度

鄂爾多斯盆地二疊系山西組平均有機(jī)碳含量為1.37%[7]，高于俄羅斯典型的煤系盆地-西伯利亞盆地，該盆地的平均有機(jī)碳為1.31%，因此該區(qū)的有機(jī)質(zhì)豐度高。本次試驗通過對17個山西組樣品有機(jī)碳含量測試數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，由于沁水盆地山西組泥頁部分樣品采自于該地區(qū)野外露頭，有機(jī)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)TOC最小值為0.32%，最大值為8.87%，平均值為3.11%，有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.0%以上的樣品比例達(dá)59%，（見圖2）。

2.2 有機(jī)質(zhì)成熟度

熱演化程度是衡量源巖是否處于生氣階段以及是否大量生氣的一項重要指標(biāo)。沁水盆地東部山西組主要為三角洲平原分流間灣環(huán)境，在盆地東西兩側(cè)鏡質(zhì)體反射率值較低，向盆地內(nèi)部反射率值增高。盆地南部反射率值高，在盆地南端陽城、晉城一帶，反射率可達(dá)4.5%。

3 泥頁巖儲層特征及含氣性

本次研究主要采集沁水盆地山西組露頭巖心，并進(jìn)行了巖心組成成分和力學(xué)性質(zhì)試驗分析，分析結(jié)果如下。

3.1 礦物特征

礦物分析分別從山西組1和山西組2巖樣中分別選擇3組進(jìn)行試驗，試驗結(jié)果（見表1）。

表1 巖樣的礦物學(xué)特征

表1全巖礦物組成定量分析表明，山西組頁巖碳酸鹽巖的成分最多，礦物成分以黏土和石英為主，含有少量鉀長石、方解石等，其中石英的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為24.3%，黏土的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為32.0%，可以初步推斷沁水盆地山西組頁巖的力學(xué)性質(zhì)是比較適合開發(fā)的。

3.2 儲層特征

本次試驗樣品取自沁水盆地長治地區(qū)2501號鉆孔，780 m處泥巖。在6 000倍電鏡下，可以明顯看到泥巖內(nèi)部發(fā)育有大量長條狀裂隙（見圖3）。

6 000倍電鏡掃描結(jié)果顯示，頁巖具有良好的儲層特征，20 000倍放大形態(tài)可以看出，此類裂隙在泥巖中不連續(xù)，中間有微小間斷，故認(rèn)為此裂隙是泥巖中碎屑顆粒之間的間隙，具備較好的頁巖氣儲集及開采潛力。

3.3 頁巖力學(xué)特征

此次取樣做試驗的露頭巖石樣本經(jīng)過挑選后，選擇了2組樣本進(jìn)行試驗，在下面的試驗結(jié)果記錄中的標(biāo)號分別對應(yīng)為SX1_01和SX2_01。每一個樣本在加工后圓柱狀巖樣的水平方向0度，45度，90度，以及垂直方向（以V代表）取心。分別從彈性模量、泊松比、抗壓強(qiáng)度、脆度四個方面進(jìn)行比較，結(jié)果（見表2）。

表2 露頭巖心樣本的力學(xué)參數(shù)表

從表2可以看出，所有巖樣的平均彈性模量是18.6 GPa，平均抗壓強(qiáng)度是81.16 MPa。這些值相對于砂巖的典型彈性模量25～50 GPa和典型抗壓強(qiáng)度100～200 MPa要偏小，符合正常頁巖的情況。這說明本次取樣的巖心品質(zhì)是典型的頁巖。此外，此次試驗巖心樣本的平均脆度是36.25。脆性越高意味著彈性模量越大而泊松比越小，這種情況表明巖石在壓力作用下軸向和側(cè)向的變形較小，因此壓裂效果越明顯。與美國Barnett頁巖的脆度相比，山西組的頁巖脆度要稍差一些，這表示常規(guī)壓裂效果會比后者差，因此開發(fā)時不能照搬國外經(jīng)驗，而應(yīng)因地制宜，采用適合的壓裂技術(shù)。

4 沁水盆地儲量估算

本次儲量采用概率體積法進(jìn)行估算[8,9]。依據(jù)概率體積法基本原理，頁巖氣資源量為泥頁巖質(zhì)量與單位質(zhì)量泥頁巖所含天然氣（含氣量）之概率乘積。

假設(shè)Qt為頁巖氣資源量（108m3），A為含氣泥頁巖面積（km2），h為有效頁巖厚度（m），ρ為泥頁巖密度（t/m3），q 為含氣量（m3/t），則：

根據(jù)研究分析表明，沁水盆地含氣泥頁巖面積為5 000 km2左右，頁巖有效厚度平均值為50 m，泥頁巖密度為2.6 t/m3，含氣量為1 m3/t。則估算出沁水盆地頁巖氣資源量大致為0.65×1012m3，約為全國總儲量的2%，具有一定的開采價值。

5 結(jié)語

綜合上面的結(jié)果表明，礦物成分中石英的含量較高，表明頁巖硬脆性較好；大部分樣本的有機(jī)碳含量也達(dá)到了較好的指標(biāo)，儲量也較豐富。因此，可以得出初步結(jié)果：山西省境內(nèi)的頁巖有機(jī)質(zhì)豐度較高、巖石力學(xué)性質(zhì)有利于開發(fā)。但與美國Barnett頁巖的脆度相比，山西組的頁巖脆度要稍差一些，這表示常規(guī)壓裂效果會比后者差，因此開發(fā)時不能照搬國外經(jīng)驗，而應(yīng)因地制宜，采用適合的壓裂技術(shù)。

［1］張大偉.2011加快中國頁巖氣勘探開發(fā)和利用的主要途徑［J］，天然氣工業(yè)，2011，31（5）:1-5.

［2］頁巖氣十二五發(fā)展規(guī)劃（2011-2015年）［G］.國家發(fā)改委，2012.

［3］李月，林玉祥，于騰飛.沁水盆地構(gòu)造演化及其對游離氣藏的控制作用［J］.桂林理工大學(xué)學(xué)報，2011，31（4）：481-487.

［4］肖暉，任戰(zhàn)利，崔軍平.沁水盆地石炭二疊系煤層氣成藏期研究［J］.中國地質(zhì)，2007，34（3）:490－496.

［5］門相勇.鄂爾多斯盆地東南緣頁巖氣勘探前景與發(fā)展建議［G］.會議論文集，2011.

［6］顧嬌楊.沁水盆地頁巖氣資源前景展望［G］.2011年煤層氣學(xué)術(shù)研討會論文集.

［7］王社教，李登華，李建忠，等.鄂爾多斯盆地頁巖氣勘探潛力分析［J］.地質(zhì)勘探，2011，32（12）：1-7.

［8］張金華，魏偉，鐘太賢.國外頁巖氣資源儲量評價方法分析［J］.中外能源，2011，16（9）：38-42.

［9］HARTMAN C.Shale gas core analyses required for gas reserve estimates［R］.2009.