宋海強，鄭 閣，陳 慶

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鄂爾多斯盆地L區(qū)塊頁巖氣地質特征及勘探前景

宋海強1，鄭 閣2，陳 慶3

（1．陜西延長石油國際勘探開發(fā)工程有限公司，陜西西安 710075；2．中國石油煤層氣有限責任公司臨汾分公司；3．中國石油長慶油田分公司采油二廠）

以鄂爾多斯盆地東緣L區(qū)塊二疊系山西組和太原組泥頁巖為研究對象，通過野外調查和實驗測試，分析兩個層位泥頁巖的厚度、分布、地球化學特征，指出頁巖氣發(fā)育的有利層位。研究認為,該區(qū)塊泥頁巖具有厚度較大、分布穩(wěn)定，泥頁巖有機碳含量較高，68%的樣品有機碳含量大于2.0%，熱演化程度適中，鏡質體反射率一般為1.25%～1.84%，有機質處于成熟生氣階段。與美國主要的頁巖氣盆地進行對比分析，L區(qū)塊二疊系太原組及山西組發(fā)育的泥頁巖層為該區(qū)塊頁巖氣勘探開發(fā)的有利層位，具有良好的頁巖氣勘探前景。

鄂爾多斯盆地；二疊系；頁巖氣；地質特征；勘探前景

1 地質概況

鄂爾多斯盆地是一個大型的多旋回克拉通疊合盆地，構造上位于中國沉積盆地分布的中部，油氣勘探歷史悠久，資源類型豐富。L區(qū)塊位于鄂爾多斯盆地東部，構造長期處于相對隆起區(qū)域，主體為一向西和北西緩傾的大型單斜構造，有利于頁巖氣的形成、保存及勘探開發(fā)[1]，目前盆地東緣是有利于煤層氣開發(fā)的區(qū)域[2]，煤系泥頁巖層數多，累計厚度大，是頁巖氣形成的良好場所[3]。就整個盆地來說，有關頁巖氣地質特征及成藏條件方面的研究主要集中于盆地中南部[4-8]。

2 研究區(qū)頁巖氣地質特征

研究區(qū)位于鄂爾多斯盆地東緣晉西饒褶帶的南端，整體呈一向北西傾斜的單斜構造，構造相對簡單，局部發(fā)育一些NE、近NS 向的寬緩褶皺和撓曲［9］。該區(qū)塊長期處于相對隆起狀態(tài)，僅在中晚寒武世、早奧陶世、中晚石炭世、二疊紀有較薄的沉積。主要研究層位為上古生界二疊系下統山西組、太原組，以及石炭系中統本溪組。其中，山西組為陸相沉積，厚度為80～160 m，由砂巖、泥巖及煤層組成；太原組則為濱淺海相沉積，厚度40～60 m，由泥巖、灰?guī)r、砂巖及煤層組成。

2.1 泥頁巖厚度

野外觀察及剖面實測顯示，研究區(qū)內臺頭剖面本溪組以黑色泥巖、灰色粉砂巖和深灰色灰?guī)r為主，夾薄煤層，泥巖厚度為9.4 m；太原組以深灰色碎屑灰?guī)r、黑色泥巖和煤層為主，泥巖厚度25.0 m左右；山西組以淺灰色石英砂巖、黑色泥巖為主，夾煤層，泥巖厚度達26.1 m[10]。興縣關家崖地質剖面太原組發(fā)育頁巖約45 m，禮泉東莊志留系發(fā)育頁巖約250 m。

據美國及加拿大頁巖氣田的資料[11]，世界第一大頁巖氣田——富特沃斯盆地巴內特頁巖氣田頁巖的厚度為61～152 m，其中產層的厚度為30 m，而Fayetteville和Marcellus氣田頁巖厚度也均在15 m以上，說明厚度是評價頁巖氣藏的有效指標之一。邵珠福等( 2012) 認為，頁巖氣所要求的頁巖累計有效厚度在15 m以上，具有工業(yè)開采價值的頁巖累計有效厚度在30 m 以上[12]。對研究區(qū)煤層氣井鉆探結果統計，L區(qū)塊二疊系山西組和太原組泥頁巖厚度較大，分別為30～70 m和15～35 m，縱向上發(fā)育在山西組5#煤上部（山1段）及太原組8#煤上部（太1段）之間，厚度較大，普遍大于30 m，最厚可達85 m。山1段最大單層厚度均在20 m以上，太一段最大單層厚度均在15 m以上，均達到頁巖氣成藏的有利厚度。

2.2 有機質豐度

評價有機質豐度常用的指標有總烴含量( HC) 、氯仿瀝青“A”、總有機碳含量( TOC)，前2個指標受控于TOC，所以本文用TOC來評價頁巖的有機質豐度。前人對鄂爾多斯盆地上古生界山西組—本溪組的暗色泥巖研究顯示，山西組泥巖的TOC含量為0.24%～21.89%，平均值為2.25%，太原組泥巖有機碳為 0.31%～14.54%，平均值為3.63%[13 ]。張金川等認為，泥頁巖TOC含量大于0.5%可以作為產氣頁巖的下限，而較為有利的產氣頁巖TOC含量應大于2.0%，從有機質豐度指標來看，山西組和太原組泥頁巖屬于較有利的含氣頁巖。

2.3 有機質成熟度

評價有機質成熟度的方法有很多，鏡質體反射率法（o）是其中常用且有效的方法之一，前人研究資料表明，鄂爾多斯盆地上古生界本溪組泥頁巖有機質o為1.25%~1.84%，平均1.52%，絕大部分樣品的o大于1.0%[13]；o大于1.00%，標志著有機質步入成熟階段，開始生烴；如果o大于2.25%，則有機質已經過成熟[14]。本次實測結果顯示山西組泥巖o最高，大部分超過1.3%，有機質演化程度高；太原組泥巖o則主要為1.0%～1.5%。根據泥巖烴類的演化模式可知，該階段是中成熟到高成熟階段，非常有利于泥頁巖大量生氣（圖1）。

2.4 巖性特征

圖1 總有機碳含量分布直方圖

對J11井的鉆井巖心進行觀察，其二疊系下統山西組（988.00~1 074.34 m）上部以灰色、深灰色泥巖和灰黑色泥巖為主，夾中-厚層淺灰色細砂巖；下部為灰黑色、深灰色泥巖，碳質泥巖與淺灰、深灰色細砂巖，黑色煤及煤條帶呈不等厚互層。二疊系下統太原組（1 074.34~1 127.80 m）上部以灰黑色泥巖為主。

Ｘ-射線衍射沉積巖全巖及黏土礦物定量分析結果表明，J11井山西組和太原組泥頁巖的礦物成份以黏土礦物為主，含量60.7%~73.8%，其中高嶺石含量最高，伊利石和伊蒙混層次之；石英含量較低，為21.5%~33.2%，平均29.3%（圖2）。礦物的脆性指數較低，在壓裂過程中不易形成復雜的縫網體系，并且已經形成縫網體系易被黏土礦物充填，從而導致頁巖氣產能較低。盆地東緣隰縣地區(qū)頁1井全巖分析結果顯示主要礦物有石英、黏土礦物、方解石、菱鐵礦等，其中以石英和黏土含量最高，石英含量最大值達到51.2%，平均含量達到 34.7%；黏土礦物含量較高，最大比例可達81.1%，平均值 45.2%。黏土礦物中，高嶺石含量 37%，伊蒙混層 45%，綠泥石含量8%，伊利石12%，不含蒙脫石[15]。對比頁1井黑色頁巖全巖及黏土礦物含量的研究結果，14井的黏土礦物明顯高于頁1井，石英含量也較低。由于研究區(qū)僅有一口鉆井的Ｘ-射線衍射資料，數據的可靠性有限，可進一步獲取翔實的數據進行研究。

臺頭剖面泥頁巖樣品中普遍發(fā)育有機質內孔隙、黏土礦物微孔隙，有機質孔徑普遍為10~100 nm，個別的孔徑可達幾百納米；黏土礦物微孔隙稍大，一般為1~10 μm，個別孔徑十幾微米，但都不超過20 μm。微裂縫不發(fā)育，多發(fā)育解理縫[10]。研究區(qū)內泥頁巖層理發(fā)育，容易形成橫向裂縫，垂向裂縫相對少些；另外，前人研究結果表明，在太原組見到包括泥頁巖在內的多種巖性裂縫發(fā)育，部分裂縫含氣，其中泥頁巖中巖性裂縫有10條，碳質泥巖中7條，泥質砂巖中7條，硅質巖與煤層中62條。

2.5 埋深及封蓋條件

L區(qū)塊頁巖埋深為1 500～2 300 m，與美國Ft. worth盆地頁巖氣生產深度比較接近，因此是頁巖氣埋藏比較理想的深度。此外，該區(qū)塊二疊系頁巖氣具有多套厚層泥巖覆蓋良好的封蓋條件。山西組上部為下石盒子組和上石盒子組，其中上石盒子組泥巖厚度為200～350 m，是一套良好的區(qū)域性蓋層；而下石盒子組泥巖厚度多在75 m以上，是一套局部性蓋層。由此可見，研究區(qū)的頁巖氣具有良好的多套厚層泥巖封閉條件。

圖2 J11井的Ｘ-射線衍射沉積巖全巖及黏土礦物定量分析結果

3 勘探前景評價

美國頁巖氣的勘探開發(fā)表明，頁巖氣產出最好的地區(qū)必須是有機碳含量、厚度、孔隙度和滲透率以及適當的熱成熟度、裂縫、礦物成分及含量、埋深等良好匹配的區(qū)域，所以上述各種地質參數是進行頁巖氣藏的有利勘探區(qū)預測的重要基礎。經上述分析表明，鄂爾多斯盆地東緣上古生界泥頁巖分布范圍廣，累計厚度大于30 m，整體上TOC含量大于2. 0%，o為1.0%～2.25%，埋深適中，有利于頁巖氣成藏。

將L區(qū)塊頁巖氣形成的各項地質參數與美國頁巖氣主要盆地進行對比分析（表1）表明，它們均具有有機質豐度高、烴源巖分布廣、厚度大的共性特征。對頁巖成熟度和埋深進行對比，一類是埋藏較深、成熟度較高的頁巖氣藏類型，如鄂爾多斯盆地L區(qū)塊和美國的San Juan 等盆地，頁巖氣藏埋深，一般為1 000~2 700 m，o為1.2%~2.0%，處于高成熟、成熟生氣階段。另一類如美國的Michigan等盆地，頁巖氣藏埋深一般在170~1 600 m,o為0.4%~1.2%，處于低成熟、成熟生油和熱解氣、生物氣階段。通常埋藏較深、成熟度較高的頁巖氣藏比埋藏較淺、成熟度低的頁巖氣藏具有更高的產量和資源量。綜合研究結果顯示，山西組及太原組泥巖發(fā)育厚度大，分布穩(wěn)定，有機碳含量較高，成熟度高。另外，煤層氣井鉆井過程中氣測顯示活躍，認為L區(qū)塊山西組、太原組具有頁巖氣形成的地質條件。

表1 鄂爾多斯盆地與美國五大盆地頁巖氣形成條件對比

4 結論

（1）研究區(qū)內二疊系下統山西組及太原組暗色泥頁巖分布穩(wěn)定，厚度較大，分別為30～70 m和15～35 m，TOC含量高，泥頁巖o高，處于成熟–高成熟生氣階段，有利于頁巖氣的生成，具備頁巖氣形成的地質基礎。

（2）綜合L區(qū)塊頁巖氣地質特征和美國頁巖氣主要盆地地質條件進行對比認為，研究區(qū)內二疊系山西組及太原組為頁巖氣勘探的有利層段，下一步可有針對性地對頁巖氣井進行取心、錄井、測井工作，對研究區(qū)頁巖氣地質條件和有利目標進行深化研究。

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編輯：趙川喜

1673–8217（2017）05–0033–04

TE122.2

A

2017–04–20

宋海強，碩士，工程師，1978年生，2009年畢業(yè)于長江大學，現從事海外油氣勘探工作。