朱占平，張明楊，孫 雷，劉 楊，崔 桐，代登亮

(1.吉林大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，長春 130061；2.中國地質(zhì)調(diào)查局 沈陽地質(zhì)調(diào)查中心，沈陽 110034；3.中國石油 吉林油田分公司 勘探開發(fā)研究院，吉林 松原 138000)

內(nèi)蒙古索倫—林西地區(qū)林西組泥頁巖儲層特征

朱占平1，張明楊1，孫 雷2，劉 楊3，崔 桐1，代登亮1

(1.吉林大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，長春 130061；2.中國地質(zhì)調(diào)查局 沈陽地質(zhì)調(diào)查中心，沈陽 110034；3.中國石油 吉林油田分公司 勘探開發(fā)研究院，吉林 松原 138000)

內(nèi)蒙古索倫—林西地區(qū)發(fā)育有較好生烴潛力的巨厚上二疊統(tǒng)林西組暗色泥頁巖，泥頁巖厚度高值帶主要分布于官地—巴彥花—索倫一線的西北部，累厚可達(dá)911 m，單層最大厚度63 m。場掃描電鏡、X-射線衍射分析等實驗結(jié)果表明：林西組暗色泥頁巖發(fā)育較多的脆性礦物，平均含量62.9%，最大可達(dá)70.8%；黏土礦物平均含量37.1%，最大可達(dá)41.5%；泥頁巖中的微孔隙、微裂隙發(fā)育，孔隙類型以粒間孔隙和粒內(nèi)孔隙為主，孔隙直徑一般為1～3 μm，最大為8 μm；孔隙度平均為1.288%，最大為4.42%；基質(zhì)滲透率平均為0.026 2×10-3μm2，最大為0.275 8×10-3μm2。與國內(nèi)外已發(fā)現(xiàn)頁巖氣盆地相比，林西組泥頁巖儲層具有一定的頁巖氣儲集條件，并具有可開發(fā)造縫的巖石學(xué)特征。推測區(qū)內(nèi)查干淖爾—白音諾爾一線的西北地區(qū)是較為有利的目標(biāo)區(qū)。

泥頁巖；儲層特征；林西組；索倫—林西地區(qū)；內(nèi)蒙古

頁巖氣是一種廣分布、低豐度、易發(fā)現(xiàn)、難開采的連續(xù)型非常規(guī)低效天然氣資源，具有典型的自生自儲、原地富集成藏的特點[1]，是近年揭示發(fā)現(xiàn)的具有較好前景的新資源。大量區(qū)域地質(zhì)調(diào)查表明，索倫—林西地區(qū)上二疊統(tǒng)林西組發(fā)育有較好生烴潛力的暗色泥頁巖，是晚古生代古亞洲洋封閉前的淺海相—海陸過渡相沉積[2]，分布穩(wěn)定、厚度巨大，具有潛在的頁巖氣勘探前景[3]。

前人對索倫—林西地區(qū)林西組暗色泥頁巖的研究主要集中在地層劃分對比、沉積環(huán)境特征、生烴與烴源巖評價等方面：暗色泥巖TOC含量主要集中在0.6%～1.1%，Tmax值主要集中在414～561℃，Ro值主要集中在1.3%～2.0%，有機(jī)質(zhì)類型以Ⅱ型干酪根為主，屬于中等—好烴源巖，達(dá)到了高成熟階段；林西組大部分泥頁巖伊利石結(jié)晶度大于0.42，處于中、晚成巖階段[3-7]。但缺乏對林西組泥頁巖儲集性能的研究。

近年來，隨著頁巖氣的勘探領(lǐng)域逐漸擴(kuò)大，頁巖氣的研究在國內(nèi)取得了一定進(jìn)展[8-10]，但東北地區(qū)頁巖氣的勘探開發(fā)程度相對較低，開展林西組頁巖氣儲層特征的研究，對東北地區(qū)頁巖氣資源的勘探具有重要的現(xiàn)實意義。

本文通過對內(nèi)蒙古索倫—林西地區(qū)分布的上二疊統(tǒng)林西組泥頁巖露頭的系統(tǒng)采樣與測試分析，從巖石學(xué)特征和儲集物性等方面深入討論了林西組儲層特征。

1 林西組分布特征

上二疊統(tǒng)林西組在松遼盆地西部分布廣泛，主要集中在大興安嶺中南部地區(qū)。索倫—林西地區(qū)林西組主要分布在索倫、扎魯特、林西、西烏旗等地區(qū)，巖性以灰黑色泥頁巖、粉砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、細(xì)砂巖為主。經(jīng)8條剖面實測和野外踏勘發(fā)現(xiàn)，林西組泥頁巖沉積厚度較大，分布較廣。但研究區(qū)不同地區(qū)發(fā)育厚度、巖性有一定差別(圖1)。

1號索倫剖面位于索倫鎮(zhèn)北山，未見頂?shù)?。剖面全長754 m，主要發(fā)育灰黑色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、細(xì)砂巖，泥巖累積厚度551 m，最大單層厚度51 m；

2號保門屯剖面位于科右前旗保門屯村東，未見頂?shù)?。剖面全長150 m，主要發(fā)育灰黑色泥巖及粉砂質(zhì)泥巖，泥頁巖累積厚度63.8 m，最大單層厚度21.8 m；

3號陶海營子剖面位于扎魯特陶海營子，未見頂?shù)?。剖面全長950 m，主要發(fā)育細(xì)砂巖、粉砂巖、黑色泥巖、頁巖，泥頁巖累積厚度130 m，最大單層厚度63 m；

4號官地鎮(zhèn)林西組剖面位于林西縣官地鎮(zhèn)，未見頂?shù)?。剖面全長4 834 m，主要發(fā)育暗色泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、頁巖，泥頁巖累積厚度622.38 m，最大單層厚度38 m；

5號查干淖爾剖面位于西烏旗查干淖爾村東山，未見頂?shù)?。剖面全長205 m，主要發(fā)育黑色泥頁巖、細(xì)砂巖，泥頁巖累積厚度146m，最大單層厚度34 m；

圖1 內(nèi)蒙古索倫—林西地區(qū)林西組厚度分布

6號團(tuán)結(jié)村剖面位于林東團(tuán)結(jié)村南，未見頂?shù)?。剖面全長100 m，主要發(fā)育泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖，泥頁巖累積厚度19.77 m，最大單層厚度7.77 m；

7號白音華剖面位于西烏旗白音華地區(qū)，未見頂?shù)?。剖面全長1 039 m，主要發(fā)育灰黑色泥巖、泥質(zhì)粉砂巖，泥頁巖累積厚度424.76 m，最大單層厚度45.2 m；

8號團(tuán)結(jié)村剖面位于林東團(tuán)結(jié)村北，未見頂?shù)住Ｆ拭嫒L50 m，主要發(fā)育泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖，泥頁巖累積厚度17 m，最大單層厚度6 m。

另外，扎魯特地區(qū)的魯D1、魯D2井所鉆遇地層均為林西組，巖性以暗色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、細(xì)砂巖為主，泥頁巖厚度達(dá)911 m[3]；霍林郭勒南部HZK1井鉆遇林西組，巖性主要為泥頁巖，厚度超過600 m；在突泉、大石寨等地也發(fā)育林西組地層。

林西組泥頁巖厚度分布圖(圖1)顯示，厚度高值區(qū)主要分布于官地—巴彥花—索倫一線的西北地區(qū)，泥巖累厚可達(dá)800 m以上，單層最大厚度為63 m。HZK1井揭示，霍林郭勒南部地區(qū)，侏羅系火山巖覆蓋下的林西組暗色泥巖埋深達(dá)1 200 m。

總體上，林西組分布廣泛，發(fā)育的暗色泥頁巖厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于已經(jīng)進(jìn)行頁巖氣開采的北美Barnett和Lewis頁巖(Barnett頁巖厚度61～91 m，Lewis頁巖厚度152～579 m)，林西組巨厚的泥頁巖為頁巖氣的形成和儲集提供了有利的物質(zhì)基礎(chǔ)。

2 儲層巖石學(xué)特征

泥頁巖作為儲層，含氣頁巖顯示低的孔隙度(<10%)和低的滲透率(<0.1×10-3μm2)，所以頁巖氣的開采通常采用人工激發(fā)裂縫來提高產(chǎn)能，泥頁巖的礦物組成特征直接影響了其可造縫性能。

泥頁巖在礦物組成上，主要包括一定數(shù)量的黏土、石英、碳酸鹽、黃鐵礦和有機(jī)質(zhì)等。黏土礦物的類型、數(shù)量、產(chǎn)狀及其分布特征等，對儲層儲滲條件具有明顯的控制作用。黏土礦物質(zhì)點微小、比表面積大，是低滲透頁巖儲層的重要組成部分，其存在和發(fā)育對頁巖儲層性質(zhì)，特別是孔隙度和滲透率具有較大影響。而富含硅質(zhì)的泥頁巖要比富含黏土質(zhì)泥頁巖更容易產(chǎn)生裂縫。故查明泥頁巖中黏土礦物和脆性礦物的含量，對儲層性質(zhì)研究和以后頁巖氣開發(fā)利用是十分必要的。

2.1 黏土礦物含量

泥頁巖的黏土礦物主要為伊利石、蒙脫石、高嶺石和綠泥石。不同的黏土礦物對天然氣的吸附能力有著明顯的差別。實驗結(jié)果表明：在30 ℃溫度條件下，伊利石和蒙脫石吸附CH4的能力明顯高于高嶺石[9]。

X-射線衍射分析顯示，林西組暗色泥頁巖中黏土礦物由伊/蒙混層、綠/蒙混層、伊利石和綠泥石組成。伊/蒙混層相對含量12%～76%，平均含量38.8%；伊利石相對含量24%～88%，平均58.4%；綠/蒙混層和綠泥石相對含量分別為9%和5%。其中伊利石含量較高，有利于吸附氣的富集。

同時，全巖分析表明，林西組泥頁巖中黏土礦物總含量分布在29.2%～41.5%，平均37.1%(表1)，與成功開發(fā)頁巖氣的北美Ohio、Woodford/Barnett頁巖中黏土礦物含量(15%～65%)基本相似[9]，具有頁巖氣藏的黏土礦物組成基本條件。

2.2 脆性礦物含量

巖石中的脆性礦物特征是控制裂縫發(fā)育程度的主要因素。含石英高的頁巖脆性較強(qiáng)，容易在外力作用下形成天然裂縫和誘導(dǎo)裂縫，有利于天然氣滲流和成藏。林西組泥頁巖全巖X-射線衍射分析數(shù)據(jù)表明(表1)，其石英含量分布在41.7%～53.6%，平均46.1%；長石含量分布在7.3%～22.9%，平均12.2%；碳酸鹽含量分布在0～3.1%，其中方解石含量最高為2.2%，白云石含量最高為0.4%。林西組泥頁巖儲層中總的脆性礦物含量介于59.1%～70.8%，平均含量為62.9%，與美國已成功頁巖氣開發(fā)的Ohio頁巖和Barnett硅質(zhì)頁巖儲層礦物組成相似(圖2)，具有頁巖氣藏的脆性礦物組成基本條件。

表1 內(nèi)蒙古索倫—林西地區(qū)林西組泥頁巖X衍射分析數(shù)據(jù)

注：測試單位為重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院國土資源部重慶檢測中心。

單從脆性礦物石英含量來看，北美典型的頁巖氣高產(chǎn)探區(qū)泥頁巖中除了具有較高含氣量之外，石英礦物含量也很高。例如圣胡安(San Juan)盆地Lewis頁巖中石英礦物含量為50%～75%，最高含量可達(dá)75%；福特沃斯(Fort Worth)盆地Barnett頁巖中石英礦物含量為35%～60%，而阿巴拉契亞(Appalachain)盆地Ohio頁巖中石英礦物含量為45%～60%。研究區(qū)林西組泥頁巖中石英礦物含量為41.7%～53.6%，與北美主要頁巖氣盆地泥頁巖中的石英含量相當(dāng)，具有一定的可對比性(圖3)，易于頁巖氣開發(fā)時的造縫。

綜上所述，索倫—林西地區(qū)上二疊統(tǒng)林西組泥頁巖中發(fā)育大量的石英等脆性礦物，極易在外力作用下形成裂縫，有利于頁巖氣從泥頁巖中解析出來；同時，黏土礦物含量比例適當(dāng)，具有頁巖氣成藏的巖石學(xué)基礎(chǔ)條件。

圖2 內(nèi)蒙古索倫—林西地區(qū)林西組泥頁巖儲層巖礦組成與北美頁巖對比

圖3 內(nèi)蒙古索倫—林西地區(qū)林西組與北美頁巖氣盆地泥頁巖石英含量對比

3 儲集層物性

泥頁巖結(jié)構(gòu)致密，孔隙發(fā)育較差，儲集層一般為特低孔滲型，以發(fā)育多類型微米級甚至納米級孔隙為特征。頁巖氣一部分吸附在有機(jī)質(zhì)和黏土礦物表面，另一部分以游離狀態(tài)儲集在基質(zhì)孔隙和裂縫孔隙中，因此孔隙體積越大，所含的游離氣量就越高[11-13]。

3.1 儲層空間特征

場掃描電鏡分析表明，林西組泥頁巖中的微孔隙、微裂隙非常發(fā)育。微裂縫規(guī)模最大可達(dá)0.5 μm×35 μm(圖4a)，具有較高的滲透能力；微孔隙呈孔穴狀，規(guī)模一般在0.5～3 μm，個別可達(dá)6～8 μm。區(qū)內(nèi)林西組泥頁巖孔隙類型主要為有機(jī)質(zhì)(瀝青)孔和干酪根網(wǎng)絡(luò)、礦物質(zhì)孔(粒內(nèi)孔、粒間孔、溶蝕孔和雜基孔隙等)以及有機(jī)質(zhì)和各種礦物之間的孔隙等3類。

3.1.1 有機(jī)質(zhì)孔和/或干酪根網(wǎng)絡(luò)

該類孔隙的孔徑一般為納米級，表現(xiàn)為吸收孔隙，是吸附態(tài)賦存的天然氣的主要儲集空間。由于泥頁巖中微層理面滲透性相對較好，且有機(jī)質(zhì)相對富集，在大量生氣階段易于形成相互連通的干酪根網(wǎng)絡(luò)(圖4b)，是頁巖中天然氣富集的重要孔隙類型之一。另外，這些分散有機(jī)質(zhì)的表面是一種活性非常強(qiáng)的吸附劑，能極大提高泥頁巖的吸附能力，并且伴隨著成熟度的增加，有機(jī)質(zhì)熱生烴演化還會形成一些收縮微孔隙[14]，為頁巖氣賦存提供儲集空間。

3.1.2 礦物質(zhì)孔

本區(qū)礦物質(zhì)孔主要包括黏土礦物層間孔隙、粒間孔、粒內(nèi)孔、溶蝕孔等。其中，黏土礦物層間孔隙主要是一些黏土礦物的納米級層間孔隙；粒間孔主要發(fā)育于晶形較好、晶體粗大的礦物集合體中，孔隙直徑一般在1～2.5 μm，2 μm左右的孔隙較多；粒內(nèi)孔隙多為晶體內(nèi)部孔隙，大部分孔隙直徑為1～5 μm，其中2 μm多見(圖4c)，另見少量直徑為納米級至0.5 μm的孔隙；溶蝕孔隙直徑一般為1～1.5 μm，有時也發(fā)育15 μm的大孔隙(圖4d)；另外還發(fā)現(xiàn)發(fā)育有方解石邊緣孔隙、晶體晶間縫，一般長10～40 μm。

研究區(qū)林西組31件樣品的孔隙直徑分類統(tǒng)計表明，65%的粒間孔隙直徑分布在1～3 μm；55%的粒內(nèi)孔隙直徑分布在1～2 μm；87%的溶蝕孔隙直徑分布在1～3 μm。

據(jù)中國石化在川南地區(qū)龍馬溪組頁巖氣開發(fā)試驗表明，日產(chǎn)氣總量達(dá)55×104m3的龍馬溪組頁巖，其孔隙主要為晶間孔隙、晶內(nèi)溶蝕孔隙、粒間孔隙等，納米級孔隙直徑主要為5.3～6.8 nm，微米級孔隙直徑主要為1～3 μm。本區(qū)林西組泥頁巖儲層與川南地區(qū)龍馬溪組泥頁巖儲層孔隙特征有一定的相似性，具備頁巖氣成藏孔隙特征。

3.1.3 有機(jī)質(zhì)和礦物質(zhì)之間的孔隙

主要指有機(jī)質(zhì)和礦物之間的各種孔隙，只占頁巖孔隙的一小部分，但意義重大。該類孔隙連通了有機(jī)質(zhì)(瀝青)孔和/或干酪根網(wǎng)絡(luò)和礦物質(zhì)孔，把兩類孔隙連接起來，使得有機(jī)質(zhì)中生成的天然氣能夠運移至礦物質(zhì)孔中賦存，某種程度上有微裂縫的作用，對頁巖氣的聚集和產(chǎn)出至關(guān)重要。

統(tǒng)計表明，礦物質(zhì)孔在研究區(qū)目的層孔隙類型中占了很大比重，其中粒間孔隙和粒內(nèi)孔隙分別占全部孔隙的35%和29%；其次是溶蝕孔隙和晶間孔隙，所占比例分別為19%和10%；最后是有機(jī)質(zhì)孔隙，所占比重約6%。

3.2 孔隙度與滲透率

在常規(guī)儲層分析中，孔隙度和滲透率是儲層特征研究中最重要的2個參數(shù)，這對于頁巖氣藏同樣適用。據(jù)林西組泥頁巖孔隙度分布(圖5)可知，研究區(qū)內(nèi)不同地帶，其泥頁巖的孔滲性差異較大。

其中，西烏旗地區(qū)暗色泥巖儲層物性較好，孔隙度為1.70%～4.42%，平均為3.06%；滲透率為(0.003 2～0.004 5)×10-3μm2，平均為0.003 85×10-3μm2。其次為索倫地區(qū)，儲層物性中等，其孔隙度為0.21%～3.46%，平均為1.297%；滲透率為(0.001 4～0.006 3)×10-3μm2，平均為0.002 2×10-3μm2。白音華、霍林郭勒等地區(qū)，儲層物性中等，其孔隙度為0.788%～1.492%，平均為1.076%；滲透率為(0.001 4～0.094 9)×10-3μm2，平均為0.019 5×10-3μm2。林西地區(qū)相對較差，孔隙度為0.50%～0.85%，平均為0.71%；滲透率為(0.003 1～0.275 8)×10-3μm2，平均為0.083 45×10-3μm2。

由林西組泥頁巖孔隙度分布(圖5)可以看出，研究區(qū)的東南部物性較差，孔隙度小于1.0%，只有研究區(qū)西北部查干淖爾—白音諾爾—索倫軍馬場一線以北地區(qū)物性較好，孔隙度大于3.0%。

與Barnett頁巖(總孔隙度4%～5%，滲透率一般低于0.001×10-3μm2)對比可以看出，只有研究區(qū)西北部查干淖爾—白音諾爾—索倫軍馬場一線以北地區(qū)的泥頁巖儲集物性接近于較有利的頁巖氣成藏要求；其中查干淖爾樣品孔隙度4.42%達(dá)到了Barnett頁巖成藏物性。與已被證實具有開發(fā)價值的圣胡安盆地的Lewis頁巖(孔隙度1.72%，滲透率1×10-7μm2[15-16])和我國四川盆地的筇竹寺組頁巖(孔隙度1.46%～2.61%)及龍馬溪組頁巖(孔隙度1.00%～5.00%)[17]相比，區(qū)內(nèi)官地—白音華—巴林左旗—巴彥花—大石寨一線以北的林西組泥頁巖孔隙度具有頁巖氣成藏物性。

圖5 內(nèi)蒙古索倫—林西地區(qū)林西組泥頁巖孔隙度分布

綜上所述，林西地區(qū)泥頁巖滲透率較高，為0.083 45×10-3μm2，但孔隙度較差，小于1.0%；索倫地區(qū)泥頁巖孔隙度較好，可達(dá)3.46%，但滲透率較差，為0.002 2×10-3μm2；白音華—霍林郭勒地區(qū)泥頁巖孔滲中等，孔隙度0.788%～1.492%，滲透率為0.019 5×10-3μm2；查干淖爾地區(qū)泥頁巖物性較好，孔隙度可達(dá)4.42%，滲透率為0.004 5×10-3μm2，是頁巖氣成藏的較有利地區(qū)。

綜合暗色泥頁巖厚度等數(shù)據(jù)分析，推測索倫—林西地區(qū)西北部的查干淖爾—白音諾爾一線以北地區(qū)為頁巖氣儲集成藏的有利地區(qū)。

4 結(jié)論

(1)索倫—林西地區(qū)林西組巨厚暗色泥頁巖中石英等脆性礦物含量較高，黏土礦物含量適當(dāng)，具有頁巖氣成藏的巖石學(xué)特征。

(2)研究區(qū)內(nèi)林西組泥頁巖儲層中微孔隙、微裂隙發(fā)育，孔隙類型以粒間孔隙和粒內(nèi)孔隙為主，孔隙類型與大小具備頁巖氣成藏的孔隙特征。

(3)研究區(qū)西北部的查干淖爾—白音諾爾一線以北地區(qū)，林西組暗色泥頁巖發(fā)育巨厚，埋深較大，儲層物性較好，推測是頁巖氣儲集成藏的有利地區(qū)。

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(編輯 韓 彧)

Reservoir characteristics of mud shales from Upper Permian Linxi Formation in Suolun-Linxi area, Inner Mongolia

Zhu Zhanping1, Zhang Mingyang1, Sun Lei2, Liu Yang3, Cui Tong1, Dai Dengliang1

1.CollegeofEarthSciences,JilinUniversity,Changchun,Jilin130061,China; 2.ShenyangGeologicalSurveyCenter,ChinaGeologicalSurveyBureau,Shenyang,Liaoning110034,China; 3.ResearchInstituteofPetroleumExplorationandDevelopment,JilinOilfieldCompany,PetroChina,Songyuan,Jilin138000,China

In the Suolun-Linxi regions of the Inner Mongolia, extensive mud shales with a good hydrocarbon potential occur in the Upper Permian Linxi Formation. The thickness of the mud shales reaches a peak in the northwest of the Guandi-Bayanhua-Suolun areas. The total thickness is up to 911 m, and the maximum thickness of a single layer is 63 m.Field scanning electron microscopy and X-ray diffraction show that the mud shales are rich in brittle minerals, with an average content of 62.9% and a maximum content of 70.8%. The average content of clay minerals is 37.1%, and the maximum content is 41.5%. Micro pores and micro cracks are common. The pores are mainly intergranular and intragranular ones, with an average diameter of 1-3 μm and the maximum diameter of 8 μm. The average and maximum porosities of the mud shales are 1.288% and 4.42%, respectively. The average and maximum permeabilities of the matrix are 0.026 2×10-3μm2and 0.275 8×10-3μm2, respectively. Compared to the shale gas basins already found in China and abroad, the mud shales of the Linxi Formation are favorable for shale gas accumulation, and possess the petrological characteristics of development. In conclusion, the northwest of the Chagannaoer-Baiyinnuoer area has a good exploration potential.

mud shale;reservoir characteristics;Linxi Formation;Suolun-Linxi area;Inner Mongolia

1001-6112(2015)03-0354-07

10.11781/sysydz201503354

2014-10-08 ；

2015-03-11。

朱占平(1971—)，男，博士，副教授，從事沉積學(xué)與石油地質(zhì)學(xué)研究。E-mail：zhuzp@jlu.edu.cn。

國土資源部2013年度“索倫—林西地區(qū)油氣資源選區(qū)調(diào)查”專項(1211302108019)資助。

TE122.2

A