沁水盆地上古生界海陸過渡相頁巖氣成藏條件研究

賈俊杰

（山西省煤炭地質(zhì)114勘查院，長(zhǎng)治山西046000）

沁水盆地上古生界海陸過渡相頁巖氣成藏條件研究

賈俊杰*

（山西省煤炭地質(zhì)114勘查院，長(zhǎng)治山西046000）

以沁水盆地海陸過渡相富有機(jī)質(zhì)泥頁巖為研究對(duì)象，分析野外露頭和巖芯觀察、采樣，地化參數(shù)和物性參數(shù)等測(cè)試資料，研究富有機(jī)質(zhì)泥頁巖的沉積相、厚度及分布、有機(jī)質(zhì)類型及含量、熱成熟度、孔隙度等頁巖氣成藏條件。結(jié)果表明，沁水盆地上古生界石炭—二疊系海陸過渡相富有機(jī)質(zhì)泥頁巖主要發(fā)育在沼澤相和三角洲相。常與煤層，灰?guī)r、致密砂巖，粉砂巖等互層，縱橫變化快，單層厚度不大，有機(jī)碳含量相對(duì)海相、陸相泥頁巖較高，有機(jī)質(zhì)類型以混合型，腐殖型為主，有機(jī)質(zhì)熱成熟度多處在成氣高峰階段，有利于頁巖氣的形成。

沁水盆地；頁巖氣；海陸過渡相；有機(jī)質(zhì)類型；成藏條件

頁巖氣是以自生自儲(chǔ)為主的非常規(guī)天然氣，具有含氣面積廣泛、資源量大、生產(chǎn)壽命長(zhǎng)、產(chǎn)量穩(wěn)定等特點(diǎn)。美國(guó)對(duì)其5大頁巖氣盆地進(jìn)行了十分系統(tǒng)的研究工作，成功實(shí)現(xiàn)了頁巖氣產(chǎn)業(yè)化開發(fā)，一方面得益于美國(guó)頁巖氣儲(chǔ)層較穩(wěn)定，在一期或二期擠壓作用后，大都經(jīng)歷一次抬升，地質(zhì)構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單；另一方面美國(guó)地區(qū)的頁巖氣主要來源于海相頁巖，具有豐富的頁巖氣儲(chǔ)藏和開發(fā)潛力；然而我國(guó)早生代以來發(fā)育有含有機(jī)質(zhì)的海相、海陸過渡相和陸相泥頁巖層，非均質(zhì)性強(qiáng)，后期又經(jīng)歷不同期次、不同性質(zhì)、不同規(guī)模的構(gòu)造疊加改造，造成地質(zhì)條件復(fù)雜［1-3］。海陸過渡相沉積在中國(guó)分布面積較大，是我國(guó)油氣勘探的重要領(lǐng)域。與海相地層、陸相地層相比較，在面積、沉積、儲(chǔ)層礦物類型等方面又具有自己鮮明特點(diǎn)［4］。筆者在總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上，以沁水盆地上古生界石炭—二疊系地層為研究對(duì)象，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐，通過對(duì)鉆井巖芯觀察、分析，地化參數(shù)和物性參數(shù)等測(cè)試分析，研究頁巖氣成藏條件，總結(jié)沁水盆地上古生界石炭—二疊系海陸過渡相頁巖氣成藏特征。

1　地質(zhì)概況

沁水盆地地層自上而下發(fā)育二疊系上統(tǒng)上石盒子組（P2s）、二疊系下統(tǒng)下石盒子組（P1x）、二疊系下統(tǒng)山西組（P1s）、石炭系上統(tǒng)太原組（C3t）、石炭系中統(tǒng)本溪組（C2b）。主要發(fā)育碳酸鹽臺(tái)地、碎屑巖淺海和三角洲3種沉積相類型。通過前期頁巖氣氣測(cè)錄井資料分析，有明顯氣測(cè)顯示且具有研究意義的海陸過渡相主要發(fā)育于山西組到本溪組底部的鋁鐵質(zhì)泥巖段：第Ⅰ層段上石盒子組底界至山西組主采煤層以沼澤微相沉積為主；第Ⅱ?qū)佣紊轿鹘M主采煤層底界到K4灰?guī)r為潮坪瀉湖相，向上到山西組下部變化為三角洲前緣相、三角洲平原相，整體呈海退序列，廣泛發(fā)育瀉湖相、水下分流河道、水下分流間灣、沼澤相、分流河道、天然堤；第Ⅲ層段K4灰?guī)r至太原組主采煤層發(fā)育泥炭沼澤相向上演化為濱外碳酸鹽陸棚相、障壁砂壩相、潟湖相，構(gòu)成了若干個(gè)完整的次級(jí)海進(jìn)—海退沉積序列；第Ⅳ層段太原組主采煤層底到本溪組底發(fā)育以障壁島—瀉湖體系為主，間夾碳酸鹽巖臺(tái)地體系的一套沉積相組合。見表1。

2　泥頁巖烴源巖特征

2.1分布特征

沁水盆地上古生界巖性復(fù)雜，上部以泥巖和砂巖為主，中下部以泥頁巖、砂巖、灰?guī)r及煤層為主，巖性互層頻繁。

第Ⅰ層段頁巖厚度為8.7～70.5m之間，大部分區(qū)域厚度處于20～40m。第Ⅱ?qū)佣雾搸r厚度在16～75m之間，大部分區(qū)域泥頁巖厚度大于30m，由西至東呈遞加趨勢(shì)，沁縣、左權(quán)、屯留長(zhǎng)治一帶頁巖厚度均50m以上。第Ⅲ層段頁巖厚度較小，一般在8～45m之間，大部分地區(qū)泥頁巖厚度為10～30m之間。第Ⅳ層段頁巖厚度整體由北向南遞減的趨勢(shì)，在盆地北部晉中—壽陽一帶，頁巖厚度在40～80m之間，盆地中部地區(qū)頁巖厚度在30～50m之間，盆地南部的大部分地區(qū)頁巖厚度降至10～25m之間，汲取前人努力，對(duì)比已有鉆孔地層資料以及達(dá)到頁巖氣成藏厚度要求故將研究區(qū)目標(biāo)層段人為分為4段。

根據(jù)沁水盆地上古生界海陸過渡相泥頁巖統(tǒng)計(jì)結(jié)果表（表2），每一層段單層厚度最小0.4m最大15m，平均3.51m；每一層段累計(jì)泥頁巖總厚度最小8.4m，最大80.9m，平均29.1m；第第Ⅱ?qū)佣闻c第Ⅳ層段接近。

2.2有機(jī)碳含量

烴源巖中的有機(jī)質(zhì)是形成油氣的物質(zhì)基礎(chǔ)，有機(jī)質(zhì)在巖石中的含量是決定巖石生烴能力的主要因素［5］。沁水盆地存在幾類烴源巖，由于泥頁巖有機(jī)質(zhì)類型以混合型、腐殖型為主，所以用含煤地層泥頁巖總有機(jī)碳含量（TOC）評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)（表3）評(píng)價(jià)烴源巖級(jí)別。

表1　沁水盆地上古生界海陸過渡相沉積地層

表2　沁水盆地上古生界海陸過渡相泥頁巖層段統(tǒng)計(jì)結(jié)果

表3　含煤地層泥頁巖總有機(jī)碳含量（TOC）評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)（黃第藩等，1996）

研究區(qū)第Ⅰ層段TOC在0.60%～5.71%之間，平均為2.33%，在平面上呈東部大，向西部遞減的趨勢(shì)，西北及西南地區(qū)TOC值最小，均在1.5%以下；在東北部壽陽一帶，TOC值達(dá)到最大；第Ⅱ?qū)佣蜹OC在0.71%～4.67%之間，平均為2.44%，中部及南部TOC普遍高于北部；第Ⅲ層段TOC在0.88%～3.05%之間，平均為2.15%；第Ⅳ層段TOC在0.67%～3.25%之間，平均為2.40%，呈現(xiàn)出中部大、南北兩側(cè)小的特點(diǎn)，泥頁巖總體上屬于中等—好烴源巖（見圖1、圖2）。

2.3有機(jī)質(zhì)類型

有機(jī)質(zhì)類型是評(píng)價(jià)烴源巖的質(zhì)量指標(biāo)，不同有機(jī)質(zhì)類型，其生油氣潛力和產(chǎn)烴類型都有一定的差異。按照組成與性質(zhì)，可以將干酪根分為腐泥質(zhì)和腐殖質(zhì)。腐泥質(zhì)有機(jī)質(zhì)主要來源于水中浮游生物和底棲生物，形成于滯水還原條件的水盆地中，如閉塞的瀉湖、海灣、湖泊。腐殖質(zhì)有機(jī)質(zhì)主要來源于高等植物有機(jī)質(zhì)，形成于有氧環(huán)境中，如沼澤、湖泊或與其有關(guān)的沉積環(huán)境［6-8］。本次干酪根分類引用油田中的應(yīng)用的三類四型法。分為（Ⅰ型）腐泥型、（ⅡA型）腐殖—腐泥型、（ⅡB型）腐泥—腐殖型和（Ⅲ型）腐殖型。Ⅰ型干酪根有機(jī)質(zhì)生油能力高，主要以生油為主；ⅡA型和ⅡB型生油能力中等，Ⅲ型干酪根省油能力差，主要以生氣為主。沁水盆地海陸過渡相泥頁巖干酪根以（ⅡB型和Ⅲ型）混合型、腐殖型為主（圖3）。

2.4有機(jī)質(zhì)熱成熟度

頁巖氣可以在不同有機(jī)質(zhì)類型的烴源巖中產(chǎn)出，但是干酪根類型并不是決定產(chǎn)氣量的關(guān)鍵因素，有機(jī)質(zhì)豐度和成熟度才是決定烴源巖產(chǎn)氣能力的重要因素。本文采用鏡質(zhì)組反射率（Ro）值來確定有機(jī)質(zhì)的成熟度。成熟度過低，有機(jī)質(zhì)未進(jìn)入生烴階段。相反，成熟度過高，有機(jī)質(zhì)已過生烴階段。鏡質(zhì)組反射率（Ro）與生氣量有一定的正相關(guān)性［9］。

圖1　研究區(qū)上古生界海陸過渡相4個(gè)泥頁巖層段樣品TOC含量

圖2　研究區(qū)上古生界海陸過渡相泥頁巖層段總有機(jī)碳TOC含量

圖3　各干酪根類型所占比例

從美國(guó)五大產(chǎn)氣頁巖的鏡質(zhì)組反射率（Ro）來看，0.4%＜Ro＜2.2%，當(dāng)Ro＞0.4%，烴源巖就可以產(chǎn)生天然氣。一般Ro＞1.0%，更容易生氣，1.0%＜Ro＜2.0%為生氣窗，當(dāng)Ro＞1.4%時(shí)生成干氣。0.4%＜Ro＜0.6%時(shí)可生成生物成因氣，可以將有機(jī)質(zhì)的演化劃分為5類：Ro＜0.5%為未成熟階段；0.5%＜Ro＜0.7%為低成熟階段；0.7%＜Ro＜1.3%為成熟階段；1.3%＜Ro＜2.0%為高成熟階段；Ro＞2.0%為過成熟階段［10］。

通過對(duì)研究區(qū)相關(guān)鉆井內(nèi)泥頁巖樣品的鏡質(zhì)組反射率（Ro）分析晚古生代泥頁巖Ro基本都處于1.2%～2.5%范圍內(nèi)，部分樣品中泥頁巖Ro達(dá)到3.0%，大部分已經(jīng)進(jìn)入干氣窗內(nèi)，總體位于成熟—高成熟階段，生成大量的熱成因甲烷，有利于頁巖氣成藏。盆地由北向南總體上呈現(xiàn)上漲趨勢(shì)，在盆地南端的晉城、陽城一帶石炭—二疊地層的鏡質(zhì)體反射率最高，可達(dá)3.5%左右。

3　有機(jī)質(zhì)泥頁巖儲(chǔ)層特征

3.1礦物組成

泥頁巖的礦物組成主要包括石英、長(zhǎng)石、方解石、云母等陸源碎屑礦物，伊利石、蒙脫石、高嶺石等粘土礦物和黃鐵礦等自生礦物以及有機(jī)質(zhì)。礦物的相對(duì)含量會(huì)直接影響泥頁巖的巖石力學(xué)性質(zhì)和對(duì)氣體的吸附能力。粘土礦物為層狀硅酸鹽，有較高的微孔隙體積和較大的比表面積，有較強(qiáng)的吸附天然氣的能力。通過對(duì)不同礦物含量的Barnett頁巖進(jìn)行等溫模擬實(shí)驗(yàn)表明，在有機(jī)碳含量接近和壓力相同條件下，粘土含量高的泥頁巖所吸附的氣體量要高，且隨壓力增大，差距增大。硅質(zhì)礦物、碳酸鹽礦物含量決定了巖石的脆性程度，從而導(dǎo)致頁巖氣儲(chǔ)層不同的改造模式和效果［11］。與美國(guó)主要頁巖相比，我國(guó)各沉積相頁巖碳酸鹽礦物含量較少，硅質(zhì)礦物和粘土礦物含量相對(duì)較多。

通過樣品巖芯X-射線分析研究區(qū)泥頁巖主要礦物為粘土礦物、石英、斜長(zhǎng)石、菱鐵礦、黃鐵礦和重晶石。在測(cè)定的48個(gè)樣品中，石英含量大于30%的有38個(gè)，占79%。粘土含量大于50%的有34個(gè)，占70%，碳酸鹽礦物含量較高。

通過脆性分析可知，第Ⅰ層段、第Ⅱ?qū)佣?、第Ⅲ層?套泥頁巖的脆性系數(shù)均在28%以上，而第Ⅳ層段樣品指示出其脆性礦物含量甚少，總體脆性系數(shù)普遍小于南方海相下古生界泥頁巖。

3.2孔縫發(fā)育程度

泥頁巖儲(chǔ)集空間分為孔隙（殘余原生孔隙、次生溶蝕孔隙等）和裂縫（構(gòu)造縫、層間頁理縫、層面滑移縫、成巖收縮微裂縫、有機(jī)質(zhì)演化異常壓力縫），為頁巖氣的產(chǎn)出提供了運(yùn)移通道［12］。正如頁巖氣生產(chǎn)中首先釋放出的是主裂縫中的游離氣，隨后是微孔洞和微裂隙中的游離氣及少量的解析氣，最后是吸附在有機(jī)質(zhì)和粘土礦物表面的解析擴(kuò)散氣。裂縫的存在某種程度上改善了泥頁巖的滲流能力，同時(shí)也增加了泥頁巖的儲(chǔ)集空間。然而少量大型天然裂縫，雖然提高了頁巖氣局部的滲透率卻打破了泥頁巖的密封性，造成了頁巖氣的逸散。

研究區(qū)泥頁巖樣品分析表明，頁巖儲(chǔ)集空間以直徑小于100nm的中（小—過渡）微裂隙和孔隙為主。低溫液氮實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果同樣表明：孔隙直徑主要介于8～16nm之間，最大可達(dá)34.55nm，其中第Ⅰ層段泥頁巖孔徑平均為12.30nm，第Ⅱ?qū)佣渭s為11.62nm，而第Ⅲ和第Ⅳ層段泥頁巖孔隙直徑相對(duì)較小，平均為8.63～9.33nm左右，泥頁巖總孔比表面積平均為9.39m2/g。

3.3孔隙特征

孔隙度和滲透率是判斷頁巖氣藏優(yōu)劣的重要參數(shù)之一，頁巖氣藏的滲透率一般小于0.01×10-3μm2，1μm2=1000mD，主要介于0.01～0.1mD，由頁巖滲透率級(jí)別表（表5）看出屬于特低滲儲(chǔ)層，壓汞實(shí)驗(yàn)表明頁巖孔隙度主要介于1.0%～2.0%，總孔比表面積一般介于1.5～3.0m2/g，由頁巖孔隙度級(jí)別表（表4）看，屬于特低孔隙度。等溫吸附實(shí)驗(yàn)表明，泥頁巖吸附量較小，在30℃下最大吸附量介于0.440～4.734m3/t之間，平均為1.46m3/t。盡管頁巖氣儲(chǔ)層低孔、低滲，但仍具有一定的頁巖氣儲(chǔ)集條件。這是因?yàn)樘烊涣严逗臀⒖紫兜拇嬖冢沟庙搸r氣不僅以游離態(tài)形式儲(chǔ)存和富集于裂隙和大孔隙中，還以吸附態(tài)儲(chǔ)存和富集于微孔隙表面，大孔隙有利于其他滲流，微孔隙利于氣體聚集。

表4　頁巖孔隙度級(jí)別表

表5　頁巖滲透率級(jí)別表

4　結(jié)論

（1）沁水盆地上古生界海陸過渡相沉積主題為沼澤相、三角洲相、潮坪瀉湖相和障壁島—潟湖體系。發(fā)育富有機(jī)質(zhì)暗色泥頁巖、含炭質(zhì)泥頁巖、煤層和粉砂巖、砂質(zhì)泥巖薄層，單層厚度不大，有機(jī)質(zhì)泥頁巖分布廣泛，符合頁巖氣賦存的基本地質(zhì)條件。

（2）沁水盆地上古生界海陸過渡相富有機(jī)質(zhì)泥頁巖發(fā)育以混合型、腐殖型為主，生烴能力較好，有機(jī)質(zhì)豐度較高，平均有機(jī)質(zhì)碳含量2.33%，泥頁巖總體上屬于中等—好烴源巖。主體處于成熟—高成熟演化階段，脆性好較好，微孔縫發(fā)育，孔滲性較低，具備頁巖氣聚集的地球化學(xué)條件和儲(chǔ)集條件。

（3）通過綜合氣測(cè)錄井分析表明，沁水盆地上古生界海陸過渡相富有機(jī)質(zhì)泥頁巖多于煤層、砂巖等互層，煤層相鄰近段氣測(cè)顯示值較高，形成了頁巖氣、煤層氣、致密砂巖氣疊置成藏，是沁水盆地上古生界海陸過渡相頁巖氣層藏的鮮明特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)3氣共采，為實(shí)現(xiàn)山西省煤炭資源戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型提供了很好的前景。

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TE122.2

A

1004-5716（2016）02-0047-04

2015-10-22

2015-10-23

賈俊杰（1984-），男（漢族），山西陽泉人，助理工程師，現(xiàn)從事煤層氣與頁巖氣綜合氣測(cè)錄井工作。