孫彩蓉，唐書恒，魏建光

(1．中國地質大學(北京)海相儲層演化與油氣富集機理教育部重點實驗室，北京 100083；2．中國地質大學(北京)頁巖氣資源勘查與戰(zhàn)略評價國土資源部重點實驗室，北京 100083 )

中國南方海相頁巖氣與華北煤系頁巖氣儲層特征差異分析

孫彩蓉1，2，唐書恒1，2，魏建光1，2

(1．中國地質大學(北京)海相儲層演化與油氣富集機理教育部重點實驗室，北京 100083；2．中國地質大學(北京)頁巖氣資源勘查與戰(zhàn)略評價國土資源部重點實驗室，北京 100083 )

我國海相頁巖氣的勘探開發(fā)已經取得了一定的進展，相比之下，煤系頁巖氣研究成果較少。本文以貴州鳳岡區(qū)的海相頁巖和沁水盆地的煤系頁巖為例，通過干酪根類型、總有機碳含量、礦物組成和孔隙結構等四方面進行儲層特性對比，分析海相頁巖氣儲層和煤系頁巖氣儲層差異，查明不同沉積環(huán)境下頁巖氣儲層特點，為煤系頁巖氣的進一步勘探開發(fā)奠定基礎。研究結果表明兩者既有相似又有所區(qū)別：海相頁巖和煤系頁巖干酪根類型存在明顯差異，前者以Ⅰ型、Ⅱ型干酪根為主，后者主要為Ⅲ型干酪根；海相頁巖總有機碳含量和脆性礦物含量較煤系頁巖高；兩者均發(fā)育有機質孔，且以中孔(2～50nm)為主，低溫氮氣吸附曲線都為Ⅳ型，但海相頁巖孔隙比表面積較高。加之煤系頁巖單層厚度薄，連續(xù)性差，對煤系頁巖氣的勘探開發(fā)不能完全照搬海相頁巖氣的開發(fā)模式，可以考慮與煤層氣、致密砂巖氣一起勘探開發(fā)，提高資源利用率，實現經濟開采。

鳳岡區(qū)；沁水盆地；沉積環(huán)境；頁巖儲層；聯合開采；煤系頁巖氣

頁巖氣被認為是未來能源世界的“主導者”，是一種低碳環(huán)保的潔凈能源。美國是頁巖氣勘探開發(fā)的探路和領路者，是世界上實現頁巖氣大規(guī)模商業(yè)開發(fā)的國家之一，帶動了全球頁巖氣革命，改變了能源結構?！?012年國外石油科技發(fā)展報告》顯示，全球頁巖氣技術可采資源量為187×1012m3，其中中國為36.08×1012m3，排名世界第一，中國被視為未來除美國之外頁巖氣開發(fā)最快的國家。我國廣泛發(fā)育海相頁巖，尤其四川盆地被認為是勘探潛力最好的海相頁巖區(qū)域[1-4]，研究過程中取得了良好的成果，推動我國頁巖氣的商業(yè)化開采。煤系頁巖廣泛發(fā)育是我國頁巖的一大特點，但目前對其研究較少。煤系頁巖氣是指富有機質的煤系泥頁巖經過生、排烴作用后殘留在泥頁巖層段(包含砂巖薄層)內的天然氣[5]。鑒于儲層分析是頁巖研究的基礎，本文以貴州鳳岡區(qū)的海相頁巖和沁水盆地的煤系頁巖為例，通過干酪根類型、總有機碳含量、礦物組成和孔隙結構等四方面進行儲層特性對比，研究沉積環(huán)境對頁巖儲層的影響，分析不同沉積環(huán)境下頁巖的儲層特點，指導頁巖氣的勘探開發(fā)[6]。

1 地質背景

貴州省頁巖氣資源豐富，其中以鳳岡區(qū)頁巖氣資源潛力最佳。鳳岡區(qū)位于貴州省北部，遵義地區(qū)東南部，與揚子地臺的區(qū)域構造演化相一致。區(qū)內發(fā)育牛蹄塘組和龍馬溪組兩套重要的含氣頁巖層系。牛蹄塘期為寒武紀的首次海侵期，隨著海平面的上升，沉積環(huán)境由下部的深水陸棚相過渡為淺水陸棚相，下部波浪作用小，以靜水沉積為主，巖性為黑色頁巖，上部水體較淺，碳酸鹽巖增多，生物漸趨繁盛；龍馬溪期盆地抬升，沉積序列特征為向上水體變淺，沉積環(huán)境為深水陸棚-淺水陸棚沉積，以為淺水陸棚沉積為主，頁巖沉積厚度變薄。

沁水盆地蘊含豐富的頁巖氣資源，2011年初步圈定沁水盆地的頁巖氣資源量為5.63×1012m3，其中太原組3.2×1012m3，山西組2.2×1012m3，下石盒子組0.23×1012m3。本文主要以山西組和太原組煤系頁巖為研究對象。太原組發(fā)育陸表海碳酸鹽巖臺地沉積和障壁海岸沉積，泥頁巖總厚46～65 m，含煤 7～16 層，下部的15號煤為主要可采煤層。受頻繁的海侵海退影響，太原組沉積環(huán)境多變，15號煤對應于太原組的最大海泛面。山西組為三角洲沉積體系，泥頁巖總厚28～72 m，含煤 2～7層，主要可采煤層為3號煤層。

2 南方海相頁巖氣儲層和華北煤系頁巖氣儲層差異

2.1 干酪根類型

干酪根是油氣生成的物質基礎，約占沉積有機物的80%～90%，是沉積有機質的重要表現形式。根據不同的劃分標準及研究目的，可將干酪根劃分成不同的類型[7-10]。沉積環(huán)境對干酪根有兩方面的影響：①沉積環(huán)境控制生物種類的輸入及其降解，從而形成不同類型的干酪根；②沉積環(huán)境影響陸源碎屑輸入，而陸源碎屑可能會氧化有機質，破壞干酪根。海相頁巖主要形成于半深水-深水陸棚環(huán)境，干酪根母質為浮游生物和底棲動物，干酪根一般富氫，主要為Ⅰ型、Ⅱ型干酪根。煤系頁巖通常形成于水動力相對較弱的淺水環(huán)境，如沼澤環(huán)境，以陸源高等植物為母質，通常為Ⅲ型干酪根。

由于干酪根碳同位素δ13C值相對穩(wěn)定而且可以用來追溯干酪根母源。在對鳳岡區(qū)頁巖研究過程中，以δ13C為主要依據并結合類型指數，將干酪根分為Ⅰ、Ⅱ1、Ⅱ2型、Ⅲ型四種類型(表1)。牛蹄塘組含有較豐富的浮游生物，其干酪根顯微組分與龍馬溪組的干酪根顯微組分有所不同，前者以腐泥無定型和腐殖無定型為主，后者以腐殖無定型為主。牛蹄塘組的δ13C介于—34.7‰～—28.6‰之間，類型指數為64～96，為Ⅰ型和Ⅱ1型干酪根類，生烴能力較好；龍馬溪組δ13C的分布范圍為-28.0‰～-29.15‰，平均為-28.7‰，類型指數為28～58，干酪根類型以Ⅱ1型為主。牛蹄塘組的δ13C較龍馬溪組偏輕是由于牛蹄塘組藻類含量多，類脂物富集[11]，還原環(huán)境下細菌的分解作用微弱。在生物化石方面，牛蹄塘組富含筆石化石，也見三葉蟲；龍馬溪組中筆石化石消失，取而代之的是三葉蟲和腕足等底棲生物繁盛，富含生物遺體，生物擾動構造發(fā)育。生物擾動構造主要發(fā)育于陽光充足，氧含量豐富的環(huán)境[12]，表明龍馬溪組沉積環(huán)境水體變淺。

由于沁水盆地煤系頁巖有機質來源以高等植物為主，δ13C重，屬于Ⅲ型干酪根，這與元素分析法判別的實驗結果相吻合。元素分析實驗表明，沁水盆地的煤系頁巖H/C原子比小于0.5，O/C原子比小于0.06，具有較好的生氣潛力。

表1 有機質類型劃分表

注：類型指數=腐泥組×1+藻類組×0.75+動物組×0.5+殼質組×0.5+鏡質組×(-0.75)+惰質組×(-1)。

2.2 總有機碳含量(TOC)

總有機碳含量是對干酪根的定量化描述，表征有機質豐度。隨著頁巖總有機碳含量的增加，有機質孔增加，一方面有利于頁巖氣的吸附，另一方面增大了頁巖氣的儲集空間。多數研究表明，頁巖吸附氣含量與TOC之間具有良好的線性關系。因此總有機碳含量是表征頁巖儲層特征重要參數，一般認為有效頁巖的總有機碳含量下限值為2%。

總有機碳含量較高的沉積環(huán)境往往是，母源充足、沉積速率適當，且有利于有機質保存的還原環(huán)境[13]。沉積和早期成巖作用期間的還原環(huán)境為有機質的富集保存提供了良好的條件。圖1為鳳岡區(qū)牛蹄塘組、龍馬溪組以及沁水盆地山西組、太原組頁巖的TOC含量圖，從圖中可以看出TOC含量從高到低依次為牛蹄塘組、太原組、山西組、龍馬溪組。牛蹄塘組的有機質碳同位素最輕，表明溶解氧和硫酸鹽還原菌對有機質氧化的改造弱，加之藻類的繁殖消耗氧使有機質大量富集，較深水的沉積環(huán)境利于有機質的保存，因而TOC含量高。龍馬溪組較牛蹄塘組沉積厚度減薄，沉積環(huán)境水體變淺，氧含量增加，保存條件變差，有機質減少，TOC含量降低[14]。相比之下，煤系頁巖以Ⅲ型干酪根為主，煤系頁巖排烴時間晚，排烴系數小，殘留烴量大[15]，但因為沉積水體淺，巖性旋回明顯，單層厚度小，連續(xù)性差，TOC含量低于牛蹄塘組，其中山西組、太原組的TOC分別為2.56%、2.61%，大致與陳燕萍等測定的有機碳含量平均值2.54%相符[16]。太原組泥頁巖厚度及煤層厚度都比山西組厚，沉積環(huán)境水體較山西組深，更有利于有機質的保存，造成太原組TOC含量略高于山西組。

2.3 礦物組成

礦物及其組合是沉積環(huán)境的響應，礦物組成研究是儲層研究的重要組成部分。它影響著頁巖氣的吸附、運移以及后期的壓裂開采[17]。同時，礦物組分為頁巖孔隙形成演化提供物質基礎[18]，影響頁巖氣藏的形成。頁巖主要包括三大類礦物：脆性礦物、黏土礦物、碳酸鹽礦物。脆性礦物利于裂隙的形成及后期的開采壓裂；粘土礦物利于頁巖氣的吸附；碳酸鹽礦物則有益于溶蝕孔隙的發(fā)育。

應用X射線衍射(XRD)技術對頁巖樣品全巖礦物進行分析，結果見表2和圖2。從實驗結果可以看出：①脆性礦物含量從高到低依次為牛蹄塘組、龍馬溪組、山西組、太原組，整體上而言，海相頁巖脆性礦物含量較高，其脆性礦物含量接近于美國Barnett頁巖的脆性礦物含量，而山西組和太原組脆性礦物含量較低，增大了壓裂難度；②煤系頁巖礦物分布集中，分布范圍較海相頁巖小；③均含有一定量的黃鐵礦，黃鐵礦是還原環(huán)境的特征礦物，黃鐵礦含量高表明其沉積環(huán)境有利于有機質的保存。徐祖新等[19]在對中揚子地區(qū)陡山沱組頁巖的研究過程中發(fā)現黃鐵礦含量和其吸附氣含量呈正相關關系，可以利用黃鐵礦的含量來推測頁巖吸附氣含量。

圖1 鳳岡區(qū)牛蹄塘組、龍馬溪組和沁水盆地山西組、太原組頁巖TOC圖

脆性礦物=石英+長石+黃鐵礦碳酸鹽礦物=方解石+白云石+黃鐵礦圖2 鳳岡區(qū)牛蹄塘組、龍馬溪組和沁水盆地山西組、太原組及Barnet頁巖礦物三角圖

表2 鳳岡區(qū)牛蹄塘組、龍馬溪組，沁水盆地山西組、太原組和Barnet頁巖主要礦物含量(單位：%)

圖3 鳳岡區(qū)牛蹄塘組、龍馬溪組和沁水盆地山西組、太原組頁巖樣品液氮等溫吸附曲線

此外，鳳岡區(qū)海相頁巖與沁水盆地煤系頁巖在粘土礦物組成上也存在明顯的差異。鳳岡區(qū)海相頁巖粘土礦物以伊利石和伊蒙混層為主，含有少量的高嶺石和綠泥石；而沁水盆地煤系頁巖主要以伊蒙混層及高嶺石為主，含有少量的伊利石，幾乎不含綠泥石。一般認為，伊利石形成于氣候干冷，淋濾作用弱的條件，而高嶺石形成于潮濕氣候，強烈淋濾的酸性條件下[20]，而不同的黏土礦物組合也反映其經歷成巖作用的差異。

2.4 孔隙結構

孔隙為頁巖氣的存儲提供空間，孔隙比表面積影響頁巖吸附氣含量，因此孔隙分析是頁巖氣儲層評價的關鍵，這直接影響著頁巖氣資源的勘探評價與開發(fā)。與煤層氣儲層相似，頁巖甲烷吸附量與微孔體積之間存在較好的正相關關系[22]。

在孔隙類型方面，鳳岡區(qū)牛蹄塘組和龍馬溪組以有機質孔為主，此外發(fā)育一定量的黏土礦物層間孔，而沁水盆地山西組和太原組以有機質孔和黃鐵礦晶間孔為主。有機質孔是較高成熟度頁巖含量較多的孔隙類型，是有機質在成藏演化過程中受到地質環(huán)境的變化影響形成的[23]。黏土礦物層間孔的形成可能與伊蒙礦物的轉化有關，當蒙脫石向伊利石轉化時，體積減小產生孔隙。

對鳳岡區(qū)的海相頁巖和沁水盆地的煤系頁巖樣品進行低溫氮氣吸附實驗。實驗結果表明兩類頁巖低溫氮氣吸附曲線均為Ⅳ型，表明孔隙以中孔為主(2～50 nm)，此外也發(fā)育少量微孔和大孔，滯后環(huán)類型多為H3型，對應于平行壁的狹縫性孔(圖3)。但兩者孔隙比表面積有較大區(qū)別，牛蹄塘組、龍馬溪組頁巖樣品孔隙平均比表面積分別為19.21 m2/g、10.12 m2/g，而山西組和太原組頁巖樣品對應的孔隙平均比表面積為6.40 m2/g和8.97 m2/g。

3 總 結

1)沉積環(huán)境水動力較弱，為有機質的保存創(chuàng)造了有益的環(huán)境。半深海-深海陸棚環(huán)境和海陸過渡相沉積環(huán)境均有利于頁巖氣的形成。不同沉積環(huán)境，頁巖氣儲層特征不同，同一沉積環(huán)境，不同的水動力條件也會導致頁巖氣儲層的差異。

2)煤系頁巖氣儲層與海相頁巖氣儲層既有相似又有區(qū)別。海相頁巖以Ⅰ型、Ⅱ型干酪根為主，煤系頁巖干酪根類型多為Ⅲ型；就總有機碳含量和脆性礦物含量而言，海相頁巖較高；兩者均發(fā)育有機質孔，均以中孔(2～50 nm)為主，但海相頁巖孔隙比表面積較高。

3)煤系頁巖儲層特性區(qū)別于海相頁巖，因此對煤系煤巖的勘探開發(fā)不能完全照搬海相頁巖的開發(fā)模式。華北煤系頁巖沉積環(huán)境變化速度相對較快，導致其單層厚度薄，垂向上巖性變化較大，連續(xù)性差，單獨開采可能經濟價值較低。煤系地層中煤層、泥頁巖和砂巖在垂向上相互疊置，形成了頁巖氣、煤層氣及致密砂巖氣共同成藏的復合成藏體系，可考慮與煤層氣、致密砂巖氣聯合開采，綜合利用資源，提高資源利用率，實現經濟開采。

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The differences of reservoir features between southern marine shale gas and northern coal-bearing shale gas in China

SUN Cairong1，2，TANG Shuheng1，2，WEI Jianguang1，2

(1．MOE Key Lab of Marine Reservoir Evolution and Hydrocarbon Enrichment Mechanism，China University of Geosciences (Beijing)，Beijing 100083，China ；2．MOLR Key Lab of Shale Gas Resources Survey and Strategic Evaluation，China University of Geosciences (Beijing)，Beijing 100083，China )

Marine shale gas has been developed widely in southern China，which proves better prospects.While researches about coal-bearing shale gas remain fewer.This paper mainly takes marine shale gas in Fenggang district of Guizhou province and coal-bearing shale gas in Qinshui basin as an example，contrasting reservoir features between four factors，including the kerogen type，total content of organic carbon，mineral composition and pore structure，then points out the reservoir differences to analysis the shale under the control of depositional environment.The studies show that there exists both differences and similarities between them.Marine shale gas reservoir possesses typeⅠand typeⅡkerogen，however, coal-bearing shale gas reservoir mostly owns type Ⅲ kerogen.In addition，marine shale gas reservoir has higher TOC content，brittle mineral content and larger pore surface.On the other hand，these two kinds of shale develop organic pores.Meanwhile，nitrogen isothermal adsorption curves are consistent with typeⅣ，and mesopores play a dominant role in pores.However，due to the thin layer thickness and poor continuity of coal-bearding shale，the exploration of coal bearing shale gas can not copy the pattern of marine shale gas.It is considerable that coal bearing shale gas can be co-exploit with the tight sandstone gas and coalbed methane to improve resource utilization and achieve economic exploitation.

Fenggang district；Qinshui basin；depositional environment；shale reservoir；combined exploit；coal-bearing shale gas

2016-06-10

國家自然科學基金項目“腐泥型有機質納米孔隙結構演化特征及吸附甲烷能力研究”資助(編號：41272176)；國家自然科學基金項目“鄂爾多斯盆地與煤共生多種金屬元素的富集機理與分布規(guī)律”資助(編號：41330317)

孫彩蓉(1991-)，女，山西文水人，碩士研究生，研究方向為礦產普查與勘探，E-mail：2006140050@cugb.edu.cn。

唐書恒，教授、博士生導師，從事能源地質研究，E-mail：tangsh@cugb.edu.cn。

TE122.2

A

1004-4051(2017)03-0166-05