崔樹輝，吳 鵬，趙 霏，牛艷偉，蔡文浙，王 波

(中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司，北京 100011)

0 引 言

頁巖氣作為一種新型清潔的非常規(guī)油氣資源，越來越受到諸多國家的重視[1]。我國頁巖氣主要發(fā)育3種類型：海相頁巖氣、海陸過渡相頁巖氣、陸相頁巖氣。在四川盆地、鄂爾多斯盆地、渤海灣盆地、松遼盆地、吐哈盆地、江漢盆地、塔里木盆地、準(zhǔn)噶爾盆地等均有海相頁巖氣成藏的地質(zhì)條件，而且松遼盆地、鄂爾多斯盆地、吐哈盆地、準(zhǔn)噶爾盆地等陸相沉積盆地的頁巖地層也有頁巖氣富集的基礎(chǔ)和條件[2-3]。根據(jù)國土資源部評價結(jié)果，全國頁巖氣技術(shù)可采資源量21.8×1012m3，其中海相13.0×1012m3，海陸過渡相5.1×1012m3，陸相3.7×1012m3，反映我國頁巖氣資源儲量較大[4-5]。目前，中國石油天然氣集團(tuán)有限公司在四川盆地川南地區(qū)的昭通、長寧、威遠(yuǎn)區(qū)塊已探明地質(zhì)儲量1.061×1012m3；中國石油化工集團(tuán)有限公司在涪陵、威榮區(qū)塊已探明地質(zhì)儲量9.408×1011m3[6]。

圖1 鄂爾多斯盆地(a)及臨興區(qū)塊構(gòu)造簡圖(b)Fig.1 Tectonic maps of the Ordos basin(a) and Linxing block(b)

前人研究以及中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司(以下簡稱：中聯(lián)公司)前期勘探成果表明，鄂爾多斯盆地東緣石炭系—二疊系地層具有非常厚且發(fā)育穩(wěn)定的泥頁巖層，沉積環(huán)境為海陸過渡相。臨興區(qū)塊目前主要開采致密氣，該區(qū)塊的泥頁巖地層有機(jī)質(zhì)含量豐富，具備了形成頁巖氣的基本地質(zhì)條件。本文開展的研究可以為該區(qū)域內(nèi)海陸過渡相頁巖氣的進(jìn)一步勘探開發(fā)提供資料和參考，也為中聯(lián)公司在該區(qū)塊實(shí)現(xiàn)三氣共采奠定基礎(chǔ)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

鄂爾多斯盆地為一大型多旋回克拉通盆地，其沉積-構(gòu)造發(fā)展演化經(jīng)歷了中晚元古代坳拉谷、早古生代淺海臺地、晚古生代近海平原、中生代內(nèi)陸湖盆和新生代周邊斷陷五大階段[7-8]。鄂爾多斯盆地位于華北地臺西緣，屬華北地臺的次級構(gòu)造單元[9]。盆地北鄰陰山褶皺帶，南接秦嶺造山帶，西抵鄂爾多斯臺緣褶皺帶，東達(dá)晉西撓褶帶[9]。根據(jù)基底性質(zhì)、構(gòu)造發(fā)展演化史及構(gòu)造特征，盆地可劃分為西緣逆沖帶、天環(huán)坳陷、伊陜斜坡、渭北撓褶帶、晉西撓褶帶和伊盟隆起等6個一級構(gòu)造單元[10](圖1(a))。

研究區(qū)本溪組—山西組構(gòu)造繼承性較好，構(gòu)造形態(tài)基本一致，總體構(gòu)造相對簡單，地層傾角不大，不同分區(qū)呈現(xiàn)一定差異，具體表現(xiàn)為：北部地區(qū)大致為三個北西向展布的低幅度背斜；中南部主要為受紫金山火山影響的穹窿背斜帶，沿著穹窿帶斷裂發(fā)育，總體呈環(huán)形放射狀展布；中西部圍著隆起發(fā)育的向斜區(qū)呈環(huán)狀分布，在西部局部發(fā)育平緩褶皺區(qū)(圖1(b))。

2 研究區(qū)沉積特征

研究區(qū)致密氣研究已經(jīng)取得巨大的成功，地質(zhì)資料豐富。致密氣前期勘探研究表明，研究區(qū)經(jīng)過晚石炭世的填平補(bǔ)齊作用，陸表海進(jìn)一步發(fā)展，水動力條件以潮汐作用為主并間或受風(fēng)暴流影響。石炭系—二疊系早期是一套以潮坪-潟湖-障壁島-碳酸鹽臺地沉積為主的障壁海岸沉積，沉積環(huán)境垂向上由海相演變?yōu)楹ｊ戇^渡相[10]。

研究區(qū)本溪組、太原組和山西組發(fā)育多套泥頁巖，與砂巖、煤頻繁互層發(fā)育。據(jù)LX-101井巖心觀察，單井沉積相劃分結(jié)果分析，從本溪組至山西組，共發(fā)育兩種沉積相類型，依次為潮坪相、曲流河三角洲相(圖2)。其中本溪組至太原組發(fā)育潮坪相，主要巖性為灰白色-灰色粗砂巖、灰色中-細(xì)砂巖以及泥灰?guī)r，中間夾少量泥質(zhì)粉砂巖和粉砂質(zhì)泥巖，發(fā)育羽狀、槽狀交錯層理、爬升層理等各種交錯層理，局部地區(qū)可見壓模、錳結(jié)核、重荷模。山西組為海陸過渡相的曲流河三角洲沉積體系，巖性組合以粗砂巖-中砂巖-粉砂巖與泥巖為主，含少量中砂巖-細(xì)砂巖。沉積構(gòu)造以牽引流成因?yàn)橹?，主要發(fā)育各類交錯層理，如波狀、爬升層理、沖刷面、透鏡狀層理、平行層理；動植物化石主要為炭屑、介殼、植物碎片、根莖、葉片。

圖2 LX-101井本溪組、太原組和山西組綜合柱狀圖Fig.2 Integrated histogram of the Benxi, Taiyuan and Shanxi formations in well LX-101

本溪組地層厚度平均約64 m，層內(nèi)泥頁巖累計厚度總體較薄，區(qū)塊北部及中部泥頁巖較其他地區(qū)發(fā)育，累計厚度在30 m之上，其他地區(qū)均小于30 m，單層最大厚度普遍在15 m以下(圖3(a))。太原組厚度平均約43 m，區(qū)塊東部以及西北部泥頁巖厚度較大，厚度在30～50 m范圍，單層厚度與累計厚度分布趨勢相近，在區(qū)塊東部和西北部以及中部地區(qū)，厚度在15 m以上，其他地區(qū)普遍小于15 m(圖3(b))。山西組厚度約102 m，層內(nèi)泥頁巖累計厚度大于本溪組和太原組，和地層的總厚度趨勢一致，全區(qū)泥頁巖累計厚度普遍大于50 m，在區(qū)塊北部最高可達(dá)100 m以上，泥頁巖單層厚度普遍小于30 m，只在區(qū)塊中部部分地區(qū)大于30 m(圖3(c))。

圖3 臨興區(qū)塊本溪組(a)、太原組(b)和山西組(c)泥頁巖累計厚度等值線圖(單位：m) Fig.3 Contour maps for accumulated thickness map of carbonaceous mudstone of the Benxi (a),Taiyuan (b) and Shanxi(c) formations in the Linxing block(unit:m)

3 泥頁巖有機(jī)地球化學(xué)特征

頁巖中的有機(jī)質(zhì)是頁巖氣生成的母質(zhì)，其豐度、類型和成熟度對頁巖氣的成藏起到了控制性的作用[11-14]，本文對研究區(qū)本溪組、太原組和山西組進(jìn)行有機(jī)地球化學(xué)分析。

3.1 有機(jī)質(zhì)豐度

根據(jù)研究區(qū)69塊泥頁巖樣品的測試數(shù)據(jù)，本溪組泥頁巖有機(jī)質(zhì)豐度在0.26%～37.30%范圍內(nèi)，平均為2.26%；太原組泥頁巖有機(jī)質(zhì)豐度在1.24%～34.70%范圍內(nèi)，平均為3.80%；山西組泥頁巖有機(jī)質(zhì)豐度在0.30%～20.60%范圍內(nèi)，平均為3.17%。研究區(qū)本溪組、太原組和山西組整體屬于中等-優(yōu)質(zhì)烴源巖，太原組相對于山西組和本溪組生烴潛力更好(圖4)。

3.2 有機(jī)質(zhì)類型

采用巖石熱解快速定量評價技術(shù)，根據(jù)不同有機(jī)質(zhì)類型和不同成熟度烴源巖中單位重量有機(jī)碳的生烴潛力能力的差異，提出了利用熱解得到的氫指數(shù)(IH)與最高熱解溫度(Tmax)來對15塊樣品進(jìn)行了有機(jī)質(zhì)類型劃分。本溪組、太原組和山西組泥頁巖干酪根類型均以Ⅲ型為主，次為Ⅱ2型(圖5)。筆者依據(jù)《透射光-熒光干酪根顯微組分鑒定及類型劃分方法SY/T5125-2014》，選取33塊樣品，采用類型指數(shù)(TI值)劃分有機(jī)質(zhì)類型，TI值整體處于-58.0～32.5之間，即本溪組泥頁巖干酪根類型以Ⅲ型為主，太原組泥頁巖干酪根類型以Ⅱ2、Ⅲ型為主，山西組泥頁巖干酪根類型為Ⅲ型為主。綜上，研究區(qū)本溪組、太原組和山西組有機(jī)質(zhì)類型以混合型-腐殖型為主，偏生氣型。

圖4 研究區(qū)泥頁巖有機(jī)質(zhì)豐度分布特征Fig.4 Organic matter abundance distribution in the study area

3.3 有機(jī)質(zhì)成熟度

對研究區(qū)樣品進(jìn)行成熟度分析，本溪組泥頁巖最高熱解溫度Tmax在375～474 ℃之間，平均為442 ℃；太原組泥頁巖最高熱解溫度Tmax在450～479 ℃之間，平均為464 ℃；山西組泥頁巖最高熱解溫度Tmax在451～541 ℃之間，平均為480 ℃。臨興地區(qū)本溪組、太原組及山西組三套泥頁巖處于成熟-高成熟階段，均進(jìn)入生氣窗；鏡質(zhì)體反射率(Ro)作為目前最廣泛、最權(quán)威的成熟度指標(biāo)，具有廣泛、穩(wěn)定的可比性。針對LX-101井本溪組、太原組和山西組泥頁巖巖心，共測試194個點(diǎn)，處于0.7%～1.6%之間，說明研究區(qū)本溪組、太原組和山西組三套地層有機(jī)質(zhì)成熟度均處于成熟-高成熟階段，具有可觀的生烴潛力。

4 儲層特征

頁巖中的脆性礦物、碳酸鹽礦物以及黏土礦物含量對頁巖氣的含量、含氣性以及后期的儲層改造有一定的影響[15-18]。頁巖的儲存空間主要有孔隙和裂隙，孔隙度的大小對頁巖儲能起著決定性作用，裂隙不僅是頁巖氣的通道，也影響著頁巖的連通性，比表面積決定了頁巖吸附能力的大小[19-31]。

4.1 礦物特征

通過對LX-101井的本溪組、太原組和山西組的泥頁巖巖心進(jìn)行全巖礦物X衍射定量分析，結(jié)果表明，其礦物組成包括石英、鉀長石、斜長石和黏土礦物，以及少量黃鐵礦和碳酸鹽礦物(菱鐵礦和鐵白云石)，黏土礦物主要包括高嶺石、伊利石、綠泥石和伊蒙混層。其中山西組脆性礦物含量在44.2%～59.0%之間，平均53.1%；太原組脆性礦物含量在22.2%～54.0%之間，平均51.4%；本溪組脆性礦物含量在2.0%～68.8%之間，平均22.5%，低于山西組和太原組的脆性礦物含量。山西組泥頁巖樣品黏土礦物含量在39.2%～51.1%之間，平均45%；太原組頁巖樣品黏土礦物含量在30.7%～46.6%之間，平均46.7%；本溪組頁巖黏土礦物含量在26.8%～97.2%之間，平均76%，略高于山西組和太原組泥頁巖黏土礦物含量(圖6)。在北美含頁巖氣儲層中，石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)通常大于50%，且多呈黏土粒級，石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，頁巖脆性越強(qiáng)，更容易形成天然裂縫和誘導(dǎo)裂縫，有利于頁巖氣的開發(fā)。對比研究山西組、太原組和本溪組的礦物含量，山西組和太原組泥頁巖脆性礦物含量較本溪組多，說明山西組和太原組具有良好的可壓裂性。

圖6 臨興區(qū)塊本溪組、太原組和山西組全巖礦物組成特征Fig.6 Mineral composition of shale from the Benxi, Taiyuan and Shanxi formations in the Linxing block

圖7 臨興區(qū)塊本溪組、太原組和山西組泥頁巖掃描電鏡圖Fig.7 Scanning electron microscope images of muddy shale of the Benxi, Taiyuan and Shanxi formations in the Linxing block(a)山西組，可見較連通的有機(jī)質(zhì)孔隙; (b)山西組，見寬約11 μm微裂縫;(c)太原組，有機(jī)質(zhì)內(nèi)孔隙發(fā)育; (d)太原組，可見有機(jī)質(zhì)中較連通，微裂隙發(fā)育;(e)本溪組，較大的溶蝕孔隙; (f)本溪組，可見粒間寬約5 μm微裂縫

4.2 微觀孔隙結(jié)構(gòu)

采用氬離子拋光-掃描電鏡定性觀察泥頁巖樣品孔隙類型，本次研究根據(jù)孔隙成因?qū)⒀芯繀^(qū)孔隙類型分為粒間孔隙、溶蝕孔隙、有機(jī)質(zhì)孔隙和微裂縫。粒間孔隙內(nèi)充填高嶺石、片狀云母且受擠壓，部分充填黃鐵礦，周圍為絲片狀伊利石。山西組、太原組巖心見可連通的有機(jī)質(zhì)孔隙，部分被伊利石充填；本溪組見較大的溶蝕孔隙，泥頁巖中部分長石和碳酸鹽礦物遭受侵蝕后，發(fā)生礦物溶解，產(chǎn)生的礦物溶蝕孔隙。山西組、太原組和本溪組樣品均見到微裂縫較為發(fā)育，微裂縫寬3～13 μm，較連通，部分充填片狀伊利石；石英、長石部分溶蝕產(chǎn)生溶蝕孔隙，部分被伊利石充填(圖7)。受泥頁巖熱演化階段的影響，研究區(qū)有機(jī)質(zhì)孔隙發(fā)育程度較低，主要為有機(jī)質(zhì)結(jié)構(gòu)孔隙和有機(jī)質(zhì)生烴孔隙，連通性好，為頁巖氣的運(yùn)移提供了良好的通道。

4.3 孔滲特征

對山西組、太原組和本溪組泥頁巖巖心進(jìn)行物性分析，結(jié)果顯示，山西組泥頁巖孔隙度集中在0.5%～6%之間，平均孔隙度為2.2%，滲透率小于0.4×10-3μm2(圖8(a))；太原組泥頁巖孔隙度集中在0.5%～4%之間，平均孔隙度為1.54%，滲透率小于0.4×10-3μm2(圖8(b))；本溪組泥頁巖孔隙度集中在0.5%～2.5%之間，平均孔隙度為1.4%，滲透率大部分小于0.2×10-3μm2(圖8(c))。研究區(qū)泥頁巖整體物性較差，屬于低孔低滲儲集層，其中山西組孔滲特性相對優(yōu)于太原組、本溪組。

圖8 臨興區(qū)塊泥頁巖孔隙度(左)和滲透率(右)分布直方圖Fig.8 Histograms of porosity (left) and permeability (right) distribution in the Linxing block(a)山西組;(b)太原組;(c)本溪組

5 儲層含氣性特征

測試研究區(qū)72塊泥頁巖樣品的含氣量，結(jié)果顯示，本溪組泥頁巖含氣量范圍在0.61～1.67 m3/t，平均0.98 m3/t；太原組泥頁巖含氣量范圍在0.48～2.46 m3/t，平均1.26 m3/t；山西組泥頁巖含氣量范圍在0.58～2.49 m3/t，平均1.24 m3/t。其中解吸氣和殘余氣含量占到總含氣量的75%，損失氣占總含氣量的25%(圖9)。研究區(qū)本溪組、太原組和山西組整體上表現(xiàn)出良好的含氣性特征，山西組和太原組相對本溪組較好。通過等溫吸附實(shí)驗(yàn)對研究區(qū)泥頁巖的吸附性能進(jìn)行分析，本次實(shí)驗(yàn)在50 ℃的溫度條件下，應(yīng)用99.99%的甲烷，采用FCG-033型磁懸浮天平重量法高壓等溫吸附儀測量了本溪組，太原組和山西組三套地層的泥頁巖樣品在不同壓力下的甲烷吸附量，測試樣品顆粒在40～80目之間。等溫吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在實(shí)驗(yàn)溫度50 ℃、壓力21 MPa下，泥頁巖的吸附氣量在0.38～4.02 cm3/g 之間，平均1.20 cm3/g，達(dá)到工業(yè)頁巖氣開采的下限值。

圖9 含氣量分布直方圖Fig.9 Histogram of shale gas content

6 成藏因素分析

對比國內(nèi)海相和陸相頁巖以及研究區(qū)本溪組、太原組和山西組海陸過渡相泥頁巖的含氣性關(guān)鍵參數(shù)(表1)發(fā)現(xiàn)，按照北美頁巖氣的商業(yè)開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)(含氣量下限值為1.1 m3/t)。山西組和太原組的含氣量達(dá)到了北美下限值，本溪組接近于北美下限。研究區(qū)海陸過渡相有機(jī)質(zhì)含量相對海相較高。海相和陸相處于生油階段，而研究區(qū)已經(jīng)達(dá)到了生氣階段。山西組和太原組的脆性礦物相對甘泉地區(qū)和川南威遠(yuǎn)長寧地區(qū)較高，有利于儲層改造。而本溪組的黏土礦物含量相對甘泉地區(qū)和川南威遠(yuǎn)長寧地區(qū)較高，儲層后期改造比較困難。研究區(qū)埋深比海相和陸相頁巖大，并且具有良好的構(gòu)造條件，區(qū)內(nèi)的紫金山巖體不僅加速了圍巖有機(jī)質(zhì)的成熟，而且改善了隆起區(qū)儲層的滲透率和天然氣運(yùn)移的通道。分析認(rèn)為，有利的沉積環(huán)境、成熟-過成熟演化階段、較好的儲層物性、連續(xù)穩(wěn)定分布的頁巖儲層等，共同導(dǎo)致山西組和太原組頁巖氣的富集成藏。

7 富集區(qū)預(yù)測

根據(jù)吳鵬等建立的海陸過渡相頁巖氣“五步四關(guān)鍵三原則”勘探評價流程，以及海陸過渡相頁巖氣有利區(qū)評價參數(shù)體系[32](表2)。結(jié)合臨興區(qū)塊的地質(zhì)特征，臨興區(qū)塊局部受紫金山火山活動的影響，煤系地層埋深適中、保存條件較好，總體有利于天然氣的富集成藏[33]。結(jié)合區(qū)內(nèi)地質(zhì)條件特征，重點(diǎn)參考有效厚度、TOC、孔隙度、含氣量、脆性指數(shù)等富集參數(shù)下限，對研究區(qū)本溪組、太原組和山西組富集區(qū)進(jìn)行了預(yù)測評價。

綜合上述指標(biāo)，依據(jù)海陸過渡相有利區(qū)評價參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合實(shí)際資料情況，將泥頁巖有效厚度25 m、含氣量1.0 m3/t、TOC 2%、孔隙度2%、脆性礦物含量45%等作為下限值，預(yù)測研究區(qū)的泥頁巖富集區(qū)。結(jié)果顯示，山西組頁巖氣資源有利區(qū)主要集中在區(qū)塊的北部和南部LX-1井附近(圖10(c))；太原組頁巖氣資源有利區(qū)主要集中在區(qū)塊的北部(圖10(b))；本溪組頁巖氣資源有利區(qū)范圍極為有限，在區(qū)塊西北部邊緣和東北部邊緣，有利區(qū)面積較小(圖10(a))。

表1 臨興區(qū)塊本溪組—山西組與甘泉地區(qū)陸相延長組、川南威遠(yuǎn)長寧地區(qū)海相龍馬溪組頁巖關(guān)鍵參數(shù)對比

表2 海陸過渡相頁巖氣有利區(qū)評價參數(shù)[32]

圖10 臨興區(qū)塊本溪組(a)、太原組(b)和山西組(c)頁巖氣富集區(qū)預(yù)測圖Fig.10 Map of predicted shale gas enrichment area for the Benxi Formation (a),Taiyuan Formation (b) and Shanxi Formation (c) in the Linxing block

8 結(jié) 論

(1)臨興區(qū)塊本溪組、太原組和山西組泥頁巖為中等-優(yōu)質(zhì)烴源巖，有機(jī)質(zhì)類型以混合型-腐殖型為主，有機(jī)質(zhì)成熟度整體處于成熟-高成熟階段且均進(jìn)入生氣窗，具備生烴供氣能力。

(2)山西組和太原組泥頁巖脆性礦物含量較本溪組多，說明山西組和太原組具有良好的可壓裂性，整體屬于低孔低滲儲集層。

(3)本溪組、太原組和山西組整體表現(xiàn)良好的含氣性特征，山西組和太原組相對較好。

(4)山西組頁巖氣富集區(qū)主要集中在北部和西南部；太原組頁巖氣主要集中在北部；本溪組在區(qū)塊西北部邊緣和東北部邊緣，太原組頁巖氣資源潛力最優(yōu)，本溪組頁巖氣發(fā)展?jié)摿τ邢?。整體而言，研究區(qū)北部片區(qū)頁巖氣綜合潛力較大，可以作為未來主要勘探區(qū)域。