蘭 俊

（中國石化華北油氣分公司勘探開發(fā)研究院，河南鄭州 450006）

頁巖氣是指主體以吸附、游離等方式存在于暗色泥頁巖及其間所夾砂質(zhì)、粉砂質(zhì)泥巖地層中的一種非常規(guī)天然氣資源[1–4]。我國富含有機質(zhì)泥頁巖分布廣泛，具備頁巖氣成藏條件，頁巖氣資源潛力巨大[5–6]。南華北盆地自20世紀(jì)50年代開展油氣勘探以來，積累了大量研究成果。前人研究證實南華北盆地石炭–二疊系發(fā)育一套海陸交互相沉積，暗色泥頁巖分布廣泛，沉積厚度大[7–9]?？碧揭沧C實，通許地區(qū)上古生界海陸過渡相泥頁巖累計厚度大且有機質(zhì)豐度較高，具有較好的頁巖氣成藏潛力。目前國內(nèi)頁巖氣勘探開發(fā)和研究多圍繞南方海相地層開展，并初步形成了“深水陸棚相帶是基礎(chǔ)，良好保存條件是關(guān)鍵”的海相泥頁巖氣富集模式。與此對比，國內(nèi)對海陸過渡相泥頁巖氣的研究相對較少[10]。

通許地區(qū)海陸過渡相煤系頁巖分布廣泛，具有可觀的天然氣資源潛力[11]。河南豫礦地質(zhì)勘查投資有限公司于2014年在南華北地區(qū)實施的牟頁1井與鄭東頁2井，明確了頁巖氣主要目的層組為石炭–二疊系太原組、山西組，其中牟頁1井在泥頁巖層段獲得最高4.44 m3/t的總含氣量，經(jīng)壓裂排采獲得日產(chǎn)1 300 m3的穩(wěn)產(chǎn)氣流；鄭東頁2井測試日產(chǎn)氣超過3 000 m3，累計產(chǎn)氣量8×104m3。顯示該區(qū)具有較好的頁巖氣成藏潛力[12]。

1 煤系頁巖分布特征

通許地區(qū)主體位于通許隆起，自西向東可劃分為尉氏斷階、莊頭斜坡、尉北凸起、杞縣凹陷，以古生界天然氣勘探為主。通許地區(qū)古生界構(gòu)造復(fù)雜，構(gòu)造單元邊界以斷裂和地層殘存邊界為界。區(qū)內(nèi)斷裂發(fā)育，主要發(fā)育北西和北東向兩組斷裂。石炭–二疊紀(jì)，南華北盆地處于持續(xù)抬升狀態(tài)，華北地臺主體向南傾斜，海水逐漸由東南退出。通許地區(qū)石炭紀(jì)太原期遭遇陸表海侵，區(qū)內(nèi)以潮坪、瀉湖和泥炭沼澤相沉積為主；山西期，海水逐漸退出，區(qū)內(nèi)發(fā)育一套以含煤泥頁巖夾薄層碎屑巖沉積為主的三角洲沉積體系；至晚二疊世石盒子期及石千峰期，海水完全退出，通許地區(qū)進入以陸相三角洲、湖相沉積為主的陸相沉積階段。

根據(jù)郭少斌[10]等研究，南華北盆地太原組、山西組和下石盒子組泥頁巖干酪根類型一般以Ⅱ–Ⅲ型為主，泥頁巖累計厚度集中于20～57 m。鉆井揭示通許地區(qū)山西組、太原組泥頁巖都呈北西向條帶狀分布，發(fā)育地區(qū)也具有一致性。其中，莊頭斜坡、杞縣凹陷厚度較大，山西組泥頁巖（TOC＞ 0.5%）厚度最大可達60 m以上（圖1a），太原組泥頁巖厚度最大可達40 m以上（圖1b）。通許4井鉆遇山西組地層厚度105 m，太原組地層厚度75 m，其中泥頁巖地層厚度分別為65 m和46 m，證實通許地區(qū)海陸相泥頁巖累計厚度較大，具有較好的資源潛力。

圖1 通許地區(qū)石炭–二疊系泥頁巖厚度等值線圖

2 煤系頁巖有機質(zhì)特征

為探究通許地區(qū)海陸過渡相煤系頁巖有機質(zhì)特征，選取處于構(gòu)造單元穩(wěn)定區(qū)、保存及儲存條件均較好的尉參1井、通許3井、通許4井等6口探井，對石炭–二疊系山西組、太原組共54塊泥頁巖樣品進行有機碳含量（TOC）、巖石熱解、顯微組分鑒定等分析化驗。其中有機碳含量依據(jù)GB/T 19145—2003[13]，采用總有機碳測定儀在室溫條件測定。其方法是用稀鹽酸去除樣品中的無機碳后，在高溫氧氣流中燃燒，使總有機碳轉(zhuǎn)化為二氧化碳，經(jīng)測定儀監(jiān)測并給出總有機碳的含量；顯微組分鑒定依據(jù)SY/T 5124—1995[14]，采用顯微光度計在室溫條件測定，顯微鏡放大200倍；巖石熱解依據(jù)GB/T 18602—2012[15]，采用巖石熱解儀在室溫條件測定。

由總有機碳測定儀測定結(jié)果可得，通許地區(qū)石炭–二疊系海陸過渡相煤系泥頁巖TOC為0.13%～9.84%，平均1.60%，屬于較優(yōu)質(zhì)的烴源巖；其中山西組泥頁巖TOC為0.08%～4.19%，平均1.12%，有機質(zhì)豐度較高的烴源巖主要分布在牟頁1井–太參3井一線，位于通許地區(qū)中北部地區(qū)（圖2a）；太原組泥頁巖TOC為0.50%～9.84%，平均2.32%，有機質(zhì)豐度較高的烴源巖也主要分布在牟頁1井–太參3井一線（圖2b）。

圖2 通許地區(qū)石炭–二疊系TOC等值線圖

由巖石熱解儀在室溫條件下測定所得的巖石熱解峰溫Tmax參數(shù)表明，山西組泥巖Ro為2.19%～3.32%，平均2.69%；太原組泥巖Ro為2.46%～3.38%，平均2.77%；根據(jù)熱演化程度（Ro）分析認(rèn)為，通許地區(qū)山西組和太原組頁巖已達到過成熟階段，屬于煤型裂解氣。

通過對干酪根樣品進行顯微組分鑒定，太原組–山西組泥巖顯微組分分別以鏡質(zhì)組和腐泥組為主，有機質(zhì)類型屬于Ⅲ型干酪根。

采用巖石熱解儀在室溫條件測得的泥頁巖生烴潛力（S1+S2）為0.05～0.75mg/g，平均為0.21mg/g；氫指數(shù)為2～114 mg/g，平均為19 mg/g。

根據(jù)上述各項測試分析，以尉參1井為例建立頁巖有機地球化學(xué)剖面。由于海陸交互相泥頁巖地層巖相變化快，單層厚度薄，山西組和太原組泥頁巖有機質(zhì)豐度、含氣量等各項參數(shù)縱向非均質(zhì)性均較強。其中煤層TOC含量最高，隨著埋深增加，山西組底部和太原組泥頁巖TOC逐漸增大，與生烴潛力S1+S2及Ro成正比，表明通許地區(qū)太原組、山西組的殘余生烴潛力較好，由于太原組的有機質(zhì)成熟度相對較高，太原組頁巖TOC含量較山西組更高（圖3）。

圖3 尉參1井石炭–二疊系有機地球化學(xué)剖面

有機質(zhì)在熱演化過程中形成的有機孔隙，是頁巖游離氣的主要儲集空間[16]。大量研究表明[17–20]，脆性礦物主要與頁巖的造縫能力有關(guān)，可以形成微裂縫以及次生溶蝕孔，改善儲集條件。

通過X射線衍射分析頁巖的礦物組分，通許地區(qū)太原組和山西組頁巖脆性礦物（石英+方解石+長石+黃鐵礦+菱鐵礦）質(zhì)量分?jǐn)?shù)為47.1%～63.4%，其中石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，為29.9%～39.9%；黃鐵礦+菱鐵礦質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.4%～5.5%；長石質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低，為1.2%～3.1%（圖4）。黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為31.6%～52.9%，白云石礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%～6.0%。由此可知通許地區(qū)頁巖脆性礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)高，黏土礦物和白云石質(zhì)量分?jǐn)?shù)適中，相對有利于儲集空間的發(fā)育以及后期壓裂作業(yè)改造。

3 含氣性評價

頁巖氣評價方法中的一個重要參數(shù)是含氣性，即計算每噸頁巖中所含天然氣的體積。據(jù)李郭琴等研究[17]，以及頁巖氣儲量計算規(guī)范細(xì)則[18]，頁巖氣評價可分為直接法和間接法兩種，直接法是計算頁巖氣的損失氣量、解析氣量以及殘余氣量三者之和。具體方法是通過現(xiàn)場取心，模擬實際地層條件，對巖心進行解析實驗，從而獲取解析氣量和損失氣量，再將解析后的巖心放入密閉容器中再次解析，獲得殘余氣量，最終將三者相加獲得含氣量。間接法是利用等溫吸附實驗所獲取的最大吸附氣量進行含氣量推算。由于解析法測量的是釋放出來的總含氣量，不能確定吸附氣及游離氣所占比例，因而還要采用間接法測量吸附氣含量和游離氣含量；等溫吸附法用于測定頁巖的吸附氣含量，測井解釋方法確定游離氣含量，頁巖含氣量即為吸附氣含量和游離氣含量之和。

目前直接測試含氣量是國內(nèi)頁巖氣含氣量測量的主要方法，又稱解析氣法?，F(xiàn)場共取泥頁巖解析樣品71塊，其中山西組15塊、太原組56塊。從尉參1井、通許3井、通許4井等現(xiàn)場氣體解析測試結(jié)果可以看出：①山西組解析氣含量為0.292～2.858 m3/t，平均為0.662 m3/t，太原組解析氣含量為0.664～4.506 m3/t，平均為1.644 m3/t?？傮w分析表明，解析氣含量太原組相對優(yōu)于山西組（圖5），太原組泥頁巖含氣量也高于美國泥頁巖含氣量開采底限（0.5～1.0 m3/t）[21–23]，說明通許地區(qū)頁巖氣有著良好的開發(fā)前景；②含氣量統(tǒng)計表明，位于莊頭斜坡帶的尉參1井和牟頁1井的太原組含氣量明顯高于處在尉北凸起的通許4井以及杞縣凹陷的通許3井，這可能與莊頭斜坡上古生界地層齊全，中生界殘留厚度較大，保存條件較好，并處在構(gòu)造高點的空間配置特征有關(guān)。因此莊頭斜坡帶應(yīng)為下步頁巖氣勘探的重點區(qū)帶。

圖5 通許地區(qū)石炭–二疊系含氣量統(tǒng)計直方圖

頁巖氣主要以吸附或游離狀態(tài)賦存在泥頁巖中，影響頁巖含氣性的因素很多，有機質(zhì)類型、孔隙類型及礦物含量都會對含氣結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。TOC含量的高低很大程度上決定了頁巖的含氣量[16]，前人研究成果表明，TOC含量越高，生烴潛力越大[17]，含氣量越高。尉參1井山西組和太原組共14個巖心樣品含氣量測試結(jié)果表明，尉參1井泥頁巖含氣量與TOC呈明顯正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)達0.907 1（圖6）。

圖6 尉參1井山西組和太原組TOC與泥頁巖含氣量關(guān)系

4 結(jié)論

（1）通許地區(qū)石炭–二疊系海陸過渡相煤系富有機質(zhì)泥頁巖單層厚度不大，相對海相頁巖較薄，單層平均厚度山西組為50～65 m，太原組為35～45 m；常與煤層和致密砂巖甚至灰?guī)r互層，在適宜地質(zhì)條件下可以形成頁巖氣藏或與煤層氣、致密砂巖氣形成疊置型氣藏。

（2）通許地區(qū)石炭系煤系頁巖有機碳含量較高，山西組有機碳含量最大值為4.19%，最小值為0.08%，平均值為1.12%；太原組有機碳含量最大值為9.84%，最小值為0.50%，平均值為2.32%，鏡質(zhì)體反射率實測為2.19%～3.38%，平均值為2.72%，烴源巖進入過成熟階段，處于主生氣窗范圍，利于干氣大量生成。

（3）通許地區(qū)煤系頁巖山西組含氣量為0.292～2.858 m3/t，平均值為0.662 m3/t；太原組含氣量為0.664～4.506 m3/t，平均值為1.644 m3/t，太原組解析氣含氣量較高，區(qū)內(nèi)頁巖氣具有良好的開發(fā)前景，其中莊頭斜坡帶是下步頁巖氣勘探的重點區(qū)帶。