陸相頁巖氣的泥頁巖評價——以延長下寺灣區(qū)上三疊統(tǒng)延長組長7段為例

楊鐿婷，張金川，王香增，曹金舟，唐 玄，王 龍，楊升宇

（1.中國地質(zhì)大學（北京）能源學院，北京 100083； 2.延長石油集團有限責任公司，陜西 西安 710075）

陸相頁巖氣的泥頁巖評價
——以延長下寺灣區(qū)上三疊統(tǒng)延長組長7段為例

楊鐿婷1，張金川1，王香增2，曹金舟2，唐 玄1，王 龍1，楊升宇1

（1.中國地質(zhì)大學（北京）能源學院，北京 100083； 2.延長石油集團有限責任公司，陜西 西安 710075）

以鄂爾多斯盆地的延長下寺灣區(qū)中生界延長組長7段陸相泥頁巖為研究對象，在樣品實驗數(shù)據(jù)分析和單井巖心觀察的基礎上，根據(jù)泥頁巖的發(fā)育與分布特點和有機地球化學特征對陸相頁巖氣的泥頁巖進行評價.結果表明：延長下寺灣區(qū)延長組長7段泥頁巖主要為淺湖—深湖相沉積，泥頁巖累計厚度適宜，有機質(zhì)類型以Ⅱ1為主，有機質(zhì)豐度較高，具備頁巖氣生成的物質(zhì)基礎，有機質(zhì)演化主要處于成熟階段.分析美國海相產(chǎn)氣頁巖與中國陸相產(chǎn)氣頁巖的綜合特征，長7段泥頁巖脆性礦物質(zhì)量分數(shù)大于25%，有利于儲層的后期改造.相對美國儲層物性較好的頁巖，根據(jù)現(xiàn)場解析法測得的長7段泥頁巖含氣量較高（平均為4.5 m3/t），埋深適中，分布穩(wěn)定，具有勘探潛力和開發(fā)前景.

陸相；泥頁巖；頁巖氣評價；有機質(zhì)豐度；有機質(zhì)成熟度；有機質(zhì)類型；鄂爾多斯盆地；下寺灣區(qū)；延長組

0 引言

頁巖氣是美國目前已投入工業(yè)性勘探開發(fā)的主要非常規(guī)天然氣聚集類型之一，其年產(chǎn)量和經(jīng)濟、技術可采儲量迅速攀升[1-2].根據(jù)高級資源國際（ARI）的預測，美國頁巖氣產(chǎn)量預計到2020年將達到2 066×108m3[3].隨著人們對頁巖氣研究的高度重視，中國也加強了對頁巖氣的形成條件和成藏機理的研究[4-11]，并已取得成果，初步展示中國頁巖油氣勘探的巨大資源潛力[12-14].張金川等[15]對頁巖氣的富集類型、形成機理、地質(zhì)特征與資源潛力進行研究，認為中國陸上廣泛發(fā)育海相、海陸過渡相、陸相三大套富有機質(zhì)黑色泥頁巖，具備形成頁巖氣的基本地質(zhì)條件，平面上以中國南方和西北地區(qū)最為有利（包括鄂爾多斯盆地及其周緣），剖面上以古生界資源量為最大，其次為中生界.徐士林等[16]對鄂爾多斯盆地相關頁巖氣進行研究，認為三疊系延長組泥頁巖分布廣泛，并且泥頁巖厚度較大、有機碳質(zhì)量分數(shù)較高、熱演化適中、氣測顯示活躍、頁巖中裂縫發(fā)育，頁巖氣資源潛力較大，確定鄂爾多斯盆地南部地區(qū)為三疊系延長組頁巖氣發(fā)育的有利區(qū)域.延長油田股份有限公司成功地探索了中國第一個陸相頁巖氣勘探井 ，由于目前對于海相頁巖的相關研究較多[17-23]，如美國阿拉巴契亞盆地的上泥盆統(tǒng)Ohio頁巖、福特沃斯盆地的下石炭統(tǒng)Barnett頁巖、密執(zhí)安盆地的Antrim頁巖及伊利諾斯盆地的New Albany頁巖，而海外及中國南方海相已取得的頁巖氣研究成果難以直接借鑒.中國在陸相頁巖氣勘探生產(chǎn)過程中積累的油氣分布地質(zhì)規(guī)律和認識仍然較少，因此，以延長探區(qū)的典型地區(qū)和層位作為研究對象，探討陸相頁巖氣的泥頁巖評價，將有助于掌握中國陸相頁巖氣的分布特點和規(guī)律，以及陸相頁巖氣資源潛力，推動頁巖氣勘探開發(fā)進程.

1 區(qū)域地質(zhì)背景

鄂爾多斯盆地地處華北克拉通西部，由于受濱太平洋構造域和特提斯—喜馬拉雅構造域地殼運動的影響，成為一個古生代穩(wěn)定沉降，中生代拗陷遷移，新生代周邊扭動、斷陷的多旋回克拉通盆地，現(xiàn)今盆地的構造形態(tài)總體為一東翼寬緩、西翼陡窄的不對稱大向斜的南北向矩形盆地[24-25].盆地內(nèi)地層分布較為廣泛，太古界、元古界、古生界、中生界和新生界地層均有出露，古生界缺失泥盆紀、石炭紀地層.延長探區(qū)位于鄂爾多斯盆地陜北斜坡東部，區(qū)域構造為一平緩的西傾單斜，地層傾角小于1°，千米坡降為7～10 m，內(nèi)部構造簡單，局部具有差異壓實形成的低幅度鼻狀隆起，橫跨延安市的甘泉、寶塔、安塞、延長、延川、子長、宜川七縣區(qū)和榆林市的橫山、子洲兩縣，下寺灣區(qū)位于鄂爾多斯盆地陜北斜坡中南部延長探區(qū)內(nèi)，位置見圖1.

圖1 延長下寺灣區(qū)位置

2 泥頁巖發(fā)育與分布

晚三疊世屬亞熱帶—溫帶過渡型氣候，鄂爾多斯盆地進入大型內(nèi)陸差異盆地的形成和發(fā)展時期[26].通過巖性、沉積構造、沉積序列、電性組合特征、野外露頭和粒度特征等方法，結合區(qū)域沉積背景、垂向沉積序列和沉積相共生組合關系，認為上三疊統(tǒng)延長組為一套陸相沉積，因湖盆四周發(fā)育有伊盟隆起、晉西撓褶帶、渭北隆起和西緣沖斷帶等古陸使得物源補給充足，上三疊統(tǒng)延長組發(fā)育以河流和湖泊相為主的陸緣碎屑巖沉積，構成一個河流—湖泊三角洲—湖沼相的沉積演化旋回[27-28].延長期沉降中心分布于盆地東部的子長—吳旗—富縣一帶，地層厚度超過1 000 m，湖盆水體經(jīng)歷由淺變深再變淺的過程，因而延長組沉積經(jīng)歷完整的湖進—湖退過程，其中長10段至長7段沉積期為湖進期，而長7段沉積期是最大湖進期，發(fā)育以暗色泥巖、炭質(zhì)泥巖及油頁巖為主的穩(wěn)定湖相泥巖，成為延長組最重要的生油層系，研究區(qū)所在位置長7段主要為湖泊相沉積.

延長下寺灣區(qū)的延長組長7段沉積期，屬淺湖—深湖相沉積環(huán)境，受區(qū)域構造背景影響，盆地基底整體下沉劇烈，湖盆發(fā)育達到鼎盛期，湖盆范圍明顯擴大，并且繁殖大量的水生生物和浮游生物，發(fā)育巨厚的泥巖.研究區(qū)內(nèi)的長7段（俗稱“張家灘頁巖”）以大套灰黑色泥頁巖、油頁巖為主，間夾薄層粉—細粒砂巖，通過單井巖心觀察也顯示動植物化石非常豐富（見圖2），厚度主要在70～120 m之間，累計泥巖厚度約為40 m，其單層泥巖厚度在3～25 m之間.由于湖盆沉降中心主要在研究區(qū)西南部，長7段地層厚度呈由西南至東北方向減薄的趨勢（見圖3）.美國頁巖氣勘探開發(fā)研究表明，頁巖氣富集的首要條件是具備足夠厚度的產(chǎn)氣泥頁巖，結合良好的有機地球化學、孔滲物性、裂縫發(fā)育程度和礦物組成等條件，共同控制泥頁巖的生氣量、儲集性能、含氣量和產(chǎn)率[29-30].

圖2 下寺灣區(qū)延長組長7段泥頁巖植物碳屑與動物化石

圖3 下寺灣區(qū)延長組長7段厚度等值線

3 泥頁巖有機地球化學特征與分析

3.1 有機質(zhì)豐度

評價有機質(zhì)豐度的指標為有機碳質(zhì)量分數(shù)w（TOC）、氯仿瀝青“A”質(zhì)量分數(shù)w（氯仿瀝青“A”）和巖石熱解生烴潛量S1＋S2等.有機碳質(zhì)量分數(shù)是頁巖氣聚集最重要的控制因素之一，它控制著頁巖的物理化學性質(zhì)，包括顏色、密度、抗風化能力和硫質(zhì)量分數(shù)等，并在一定程度上控制著頁巖彈性、裂縫發(fā)育程度和頁巖含氣量.

研究區(qū)內(nèi)長7段泥頁巖樣品實驗測試結果顯示，下寺灣區(qū)長7段泥頁巖的有機碳質(zhì)量分數(shù)分布范圍為0.49%～6.08%（見圖4），平均為2.74%，大部分樣品有機碳質(zhì)量分數(shù)超過2%（見圖5）.美國頁巖氣開采經(jīng)驗表明要獲得工業(yè)價值的頁巖氣藏，w（TOC）平均值應大于2.00%～2.50%，可見延長油氣區(qū)延長組頁巖具備頁巖氣生成的物質(zhì)基礎.w（TOC）不僅是衡量烴源巖生烴潛力的重要參數(shù)，而且有機質(zhì)可以作為吸附氣的核心載體，其大小直接影響吸附氣數(shù)量的變化[29]，且w（TOC）越高，其產(chǎn)氣能力越強.因此，下寺灣區(qū)延長組長7段泥頁巖的吸附氣含氣量是比較高的，且具備一定的產(chǎn)氣能力.w（氯仿瀝青“A”）是指用氯仿從沉積巖（物）中溶解（抽提）出來的有機質(zhì)[31]，它能夠反映沉積巖中可溶有機質(zhì)的質(zhì)量分數(shù).根據(jù)測試結果，長7段泥頁巖的w（氯仿瀝青“A”）為0.03%～2.49%，平均為0.66%，超過50%的樣品w（氯仿瀝青“A”）大于0.50%（見圖5）；S1＋S2包括烴源巖中已經(jīng)生產(chǎn)的和潛在能生成的烴量之和，長7段泥頁巖的生烴潛量為0.26～14.02 mg/g，平均為7.14 mg/g（見圖5）.其中，Ro為鏡質(zhì)組反射率，tmax為熱解峰溫.

圖4 下寺灣區(qū)延長組長7段泥頁巖有機質(zhì)豐度與成熟度指標綜合剖面

圖5 下寺灣區(qū)延長組長7段泥頁巖有機質(zhì)豐度指標分布頻率

黃第藩對我國主要陸相含油氣盆地的有機質(zhì)豐度進行總結[32]，在陸相淡水—半咸水沉積中，主力油源層的w（TOC）在1.0%以上，平均在1.2%～2.3%之間變化，w（氯仿瀝青“A”）在0.1%以上，平均在0.1%～0.3%之間變化.由圖4可以看出，研究區(qū)長7段泥頁巖的w（TOC）與w（氯仿瀝青“A”）大部分要高于陸相含油氣盆地的有機質(zhì)豐度的標準值，根據(jù)陸相烴源巖豐度評價指標[33]，延長組長7段為較好的源巖，可以為油氣的生成提供豐富的物質(zhì)基礎.

3.2 有機質(zhì)類型

烴源巖的優(yōu)劣與有機質(zhì)豐度和類型有關，決定有機質(zhì)類型的關鍵因素是其母質(zhì)來源，文中采用三類四分法，將其分為腐泥型（Ⅰ）、腐植—腐泥型（Ⅱ1）、腐泥—腐植型（Ⅱ2）和腐植型（Ⅲ）.腐泥型干酪根主要來自低等水生生物、浮游生物和藻類，富氫貧氧，生烴潛能高.腐植型干酪根主要來自高等植物，富含芳基結構的木質(zhì)素、纖維素和丹寧，生烴潛能低，中間型干酪根是腐泥型和腐植型干酪根不同比例的混合[34].判別有機質(zhì)類型的依據(jù)主要有干酪根鏡鑒、干酪根碳同位素組成及干酪根元素組成等.干酪根類型可以影響氣體含量、賦存方式及氣體成分.

不同類型的干酪根的顯微組分不同.腐泥組代表低等生物生源物質(zhì)，以藻類體占優(yōu)勢；鏡質(zhì)組、殼質(zhì)組和惰性組是高等植物生源物質(zhì)，常見無結構鏡質(zhì)體、鏡屑體、孢子體和殼屑體.烴源巖顯微組分中，殼質(zhì)組和腐泥組是有利于生烴的富氫組分，其數(shù)量和質(zhì)量對烴源巖的生烴潛力影響極大.通過干酪根鏡下鑒定，長7段泥頁巖顯微組分以腐泥組與殼質(zhì)組為主，部分樣品缺乏惰質(zhì)組（見圖6）.由圖6可以看出，利于生烴的富氫組分較為豐富，為油氣的生成提供主要的物質(zhì)基礎，有機質(zhì)類型為腐泥型—混合型.通過干酪根元素鑒定，由范氏圖同樣可以看出長7段泥頁巖具有以Ⅱ1型干酪根為主的特點（見圖7）.

圖6 下寺灣區(qū)延長組長7段泥頁巖顯微組分三角圖

圖7 下寺灣區(qū)延長組長7段泥頁巖干酪根H/C-O/C關系

3.3 有機質(zhì)成熟度

油氣的生成經(jīng)過一系列的變化，需要依靠成熟度指標對其進行衡量，只要是在演化過程中能夠體現(xiàn)出規(guī)律性變化的參數(shù)都可以成為成熟度指標.鏡質(zhì)組反射率（Ro）具有隨著熱演化程度的升高而穩(wěn)定增大的特點，且具有相對廣泛與穩(wěn)定的可比性，因此成為最為廣泛的成熟度指標.由圖4可以看出，下寺灣區(qū)延長組長7段泥頁巖的Ro主要分布在0.50%～1.50%之間，且隨著深度的增加鏡質(zhì)組反射率增大，根據(jù)有機質(zhì)成熟度劃分標準，長7段泥頁巖的Ro處于成熟階段.熱解峰溫（tmax）也是反映有機質(zhì)成熟度的主要參數(shù)之一，隨著有機質(zhì)成熟度的增高，熱解峰溫逐漸增大.一般情況下，熱解峰溫達到435℃，有機質(zhì)進入生烴門限.延長油氣區(qū)的延長組長7段源巖熱解峰溫除個別樣品，多數(shù)介于440～480℃之間，表明已進入生烴門限，且處于成熟階段（見圖4）.由于范式圖顯示不同類型的干酪根有不同的熱演化軌跡，因此由圖7可以看出，延長組長7段泥頁巖的Ro主要分布在0.45%～1.50%之間.

圖8 下寺灣地區(qū)LP-X井延長組長7段ln（C1/C2）與ln（C2/C3）交會圖

美國頁巖氣勘探實踐表明，美國頁巖氣產(chǎn)區(qū)的海相頁巖成熟度普遍大于1.30%，而鄂爾多斯盆地延長下寺灣區(qū)的陸相泥頁巖成熟度相對較低，平均為0.92%.根據(jù)對研究區(qū)現(xiàn)場解析的目的層頁巖氣組分碳同位素分析，其為原油伴生氣（見圖8），與源巖的演化程度也是相匹配的.由于干酪根類型并不影響源巖層的產(chǎn)氣數(shù)量，有機質(zhì)豐度和熱成熟度才是決定源巖產(chǎn)氣能力的重要變量，若適當?shù)臒岢墒於绕ヅ溥m宜的有機質(zhì)豐度使生氣作用處于最佳狀態(tài)，外加泥頁巖具有足夠的厚度和裂縫孔隙度，這些地區(qū)將成為勘探和開采頁巖氣的有利遠景區(qū).與海相地層相比，陸相頁巖在面積上規(guī)模相對較小，但研究區(qū)目的層的有機質(zhì)豐度與海相頁巖的相當；由于研究區(qū)的陸相頁巖在構造上后期改造弱，因此對于陸相頁巖氣的保存是一個有利條件；由于有機質(zhì)熱演化程度整體較海相低，主要處于生油窗內(nèi)，所以研究區(qū)頁巖中常出現(xiàn)油氣共存的現(xiàn)象，頁巖氣主要為熱解氣，多與石油伴生；加之研究區(qū)長7段泥頁巖具有較高的有機質(zhì)豐度，這為吸附氣含量提供可靠的保證，根據(jù)等溫吸附實驗測得的泥頁巖最大含氣量結果顯示，最小的為1.62 m3/t，最大的為5.46 m3/t（見表1）.下寺灣區(qū)頁巖氣井壓裂后成功點火的事實證明該區(qū)具備頁巖氣的富集條件.

表1 下寺灣區(qū)延長組長7段泥頁巖樣品含氣量統(tǒng)計

4 陸相泥頁巖評價

頁巖氣在頁巖孔隙和天然裂縫中以游離方式存在，在干酪根和黏土顆粒表面上以吸附狀態(tài)存在，在干酪根和瀝青質(zhì)中甚至還可能以溶解狀態(tài)存在[35].頁巖氣做為一種自生自儲、以吸附作用為主的非常規(guī)天然氣，泥頁巖的源巖特征與儲層特征對頁巖氣的富集產(chǎn)生影響，而儲層特征中較高的脆性礦物質(zhì)量分數(shù)與能夠成為有效儲集空間的裂縫發(fā)育程度是重要的影響因素.因此，也是Jarvie D等將石英質(zhì)量分數(shù)定義為確定頁巖脆性系數(shù)的主要因素[36]的重要原因.

美國海相產(chǎn)氣頁巖主要發(fā)育于前陸盆地（福特沃斯盆地與阿巴拉契亞盆地）和部分克拉通盆地（伊利諾斯盆地和密執(zhí)安盆地）的海相地層中，多為海相深水沉積與近海陸棚沉積，有機質(zhì)類型以Ⅰ、Ⅱ為主，泥巖單層厚度大、分布范圍廣，有機碳質(zhì)量分數(shù)和熱演化程度較高，泥頁巖儲集物性較好、含氣量大，脆性礦物質(zhì)量分數(shù)高（見圖9）.鄂爾多斯盆地下寺灣區(qū)的延長組長7段泥頁巖與美國海相產(chǎn)氣頁巖相比，主要為淺湖—深湖沉積，有機質(zhì)類型以Ⅱ1為主，有機碳質(zhì)量分數(shù)和泥巖累計厚度適宜，熱演化程度適中，分布穩(wěn)定（見圖8）.Wang F P篩選了含氣頁巖系統(tǒng)的關鍵參數(shù)，認為頁巖儲層最小石英質(zhì)量分數(shù)為25%，最優(yōu)為35%[37]，延長組長7段泥頁巖儲集物性比美國海相頁巖稍差，但石英質(zhì)量分數(shù)約為35%，脆性礦物質(zhì)量分數(shù)較高，有利于儲層的后期改造.相對美國儲層物性較好的頁巖，延長組長7段泥頁巖含氣量較高，根據(jù)現(xiàn)場解析法實驗測得的含氣量平均為4.5 m3/t，超過1.0 m3/t工業(yè)開采界限值.在氣測錄井過程中，下寺灣區(qū)單井的延長組長7段泥頁巖段的氣測全烴曲線迅速上升，出現(xiàn)高值，平均約為3%（見圖10），說明地層中所含烷烴組分含量較高.此外，研究區(qū)發(fā)育的延長組長7段的泥頁巖相比美國海相產(chǎn)氣頁巖（見圖7），埋藏深度較為適中，通常隨著深度的增加，壓力與溫度的增大導致區(qū)域裂縫發(fā)育程度減弱，因此埋藏深度過深，在一定程度上不利于頁巖氣的開采.

圖9 美國海相產(chǎn)氣頁巖與中國陸相產(chǎn)氣頁巖綜合特征對比

圖10 下寺灣區(qū)LP-Y井的延長組長7段氣測全烴曲線

5 結論

（1）鄂爾多斯盆地下寺灣區(qū)延長組長7段沉積期，屬淺湖—深湖相沉積環(huán)境；巖性以大套灰黑色泥頁巖和油頁巖為主，間夾薄層粉—細粒砂巖，厚度主要在70～120 m之間，累計泥巖厚度約為60 m，其單層泥巖厚度主要在5～15 m之間；由于湖盆沉降中心主要在研究區(qū)西南部，長7段地層厚度呈由西南至東北方向減薄的趨勢.

（2）鄂爾多斯盆地下寺灣區(qū)延長組長7段泥頁巖的有機質(zhì)類型以Ⅱ1為主，平均有機碳質(zhì)量分數(shù)為2.74%，平均氯仿瀝青“A”質(zhì)量分數(shù)為0.66%；平均生烴潛量為7.14 mg/g，綜合各項指標其有機質(zhì)豐度較高，有機質(zhì)演化階段主要處于成熟階段，具備頁巖氣生成的物質(zhì)基礎.

（3）鄂爾多斯盆地下寺灣區(qū)延長組長7段泥頁巖與美國海相產(chǎn)氣頁巖相比，有機碳質(zhì)量分數(shù)和泥巖累計厚度適宜，熱演化程度適中，脆性礦物質(zhì)量分數(shù)大于25%，有利于儲層的后期改造，現(xiàn)場解析法測得的含氣量較高（平均為4.5 m3/t）.此外，由于埋深適中，分布穩(wěn)定，具有勘探潛力和開發(fā)前景.

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Source rock evaluation of continental shale gas：A case study of Chang 7 of Mesozoic Yanchang Formation in Xia Siwan area of Yanchang/2012，36（4）：10-17

YANG Yi-ting1，ZHANG Jin-chuan1，WANG Xiang-zeng2，CAO Jin-zhou2，TANG Xuan1，WANG Long1，YANG Sheng-yu1
（1.School of Energy Resources，China University of Geosciences（Beijing），Beijing 100083，China；2.Yanchang Petroleum （Group）CO.，LTD，Xi＇an，Shanxi 710075，China）

Based on a large number of samples experimental data analysis and core observation，the systemic evaluation of continental mudstone takes the Mesozoic continental mudstone of the Seven Member of Yanchang Formation in Xia Si-wan area of the Ordos Basin as the research object.And its research of development，distribution and organic geochemical characteristics are carried out.The mudstone of the Seven Member of Yanchang Formation organic material is mainly made up of shallow-deep lake sediments，its cumulative thickness of shale is suitable and organic matter is mainly type II 1.It possesses the material basis of shale gas generation，with higher organic matter abundance in addition to in the mature stage of organic matter evolution.According to the comprehensive correlation of characteristics between continental shale in China and marine shale in America，the mudstone of the Seven Member of Yanchang Formation is conducive to latter reconstruction of the reservoirs for the large quantities of brittle mineral content（more than 25%）.Compared with the layers with impressive reservoir properties in America，the mudstone of the Seven Member of Yanchang Formation has higher gas content（average value is 4.5 m3/t）.Moreover，appropriately buried depth and steady distribution contribute to exploration and development of shale gas.Consequently，the continental shale gas of the Seven Member of Yanchang Formation in Xia Si-wan area of the Ordos Basin possesses large exploration potential and broad prospects of development.

continental；mudstone；shale gas evaluation；richness of organic matter；maturity of organic matter；organic matter type；Ordos basin；Xia Si-wan area；Yanchang Formation

TE121.2

A

2095-4107（2012）04-0010-08

DOI 10.3969/j.issn.2095-4107.2012.04.002

2012-05-30；編輯：陸雅玲

國家自然科學基金項目（41102088）

楊鐿婷（1988-），女，碩士研究生，主要從事非常規(guī)油氣成藏與分布規(guī)律方面的研究.