周 帥，陳尚斌，2，司慶紅，韓宇富，張 超

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，江蘇 徐州 221116；2.煤層氣資源與成藏過(guò)程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116；3.天津地質(zhì)調(diào)查中心礦產(chǎn)資源調(diào)查院，天津 300170)

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鄂爾多斯盆地東緣太原組頁(yè)巖氣成藏特征

周 帥1，陳尚斌1，2，司慶紅3，韓宇富1，張 超3

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，江蘇 徐州 221116；2.煤層氣資源與成藏過(guò)程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116；3.天津地質(zhì)調(diào)查中心礦產(chǎn)資源調(diào)查院，天津 300170)

以鄂爾多斯盆地東緣海陸過(guò)渡相太原組泥頁(yè)巖為研究對(duì)象，通過(guò)野外調(diào)查和實(shí)驗(yàn)測(cè)試，分析太原組泥頁(yè)巖的空間展布、儲(chǔ)層地球化學(xué)與物性特征以及頁(yè)巖氣成藏特征，估算頁(yè)巖氣資源潛力。研究認(rèn)為：鄂爾多斯盆地東緣太原組泥頁(yè)巖沉積于三角洲平原和潮坪—潟湖環(huán)境，沉積厚度為30～70 m，自東向西變??；泥頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)為Ⅲ型干酪根，有機(jī)碳含量為4.06%，成熟度為0.90%～2.40%，處于中等—過(guò)成熟階段；儲(chǔ)層孔隙以微孔為主，脆性礦物含量超過(guò)45%，具較好的頁(yè)巖氣源巖和儲(chǔ)層條件；頁(yè)巖氣藏主要為深埋熱作用與巖漿熱作用疊加的熱成因型氣藏，形成于早白堊世的生烴高峰期。采用體積法估算頁(yè)巖氣資源量約為1.924 3×1012m3；初步優(yōu)選出臨縣—興縣和石樓—隰縣—大寧—蒲縣等2個(gè)勘探有利區(qū)，有利區(qū)頁(yè)巖氣資源潛力約為0.92×1012m3，該研究為鄂爾多斯盆地東緣頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)提供了依據(jù)。

海陸過(guò)渡相頁(yè)巖氣；成藏特征；資源潛力；太原組；鄂爾多斯盆地東緣

0 引 言

中國(guó)富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖廣泛發(fā)育，頁(yè)巖氣資源潛力巨大，頁(yè)巖氣儲(chǔ)層按沉積條件可分為海相頁(yè)巖、陸相頁(yè)巖和海陸過(guò)渡相頁(yè)巖3種類(lèi)型[1-2]。中國(guó)頁(yè)巖氣可采資源總量約為25.08×1012m3，其中海陸過(guò)渡相頁(yè)巖氣可采資源量達(dá)到8.97×1012m3，主要勘探區(qū)域?yàn)槟先A北盆地、鄂爾多斯盆地和銀額盆地。前期勘探和試井生產(chǎn)顯示鄂爾多斯盆地臨興地區(qū)煤層氣、頁(yè)巖氣和致密砂巖氣(海陸過(guò)渡相地層)勘探開(kāi)發(fā)具有良好的前景，近期在鄂爾多斯盆地石炭—二疊系見(jiàn)工業(yè)氣流，鄂爾多斯北部地區(qū)鄂頁(yè)1井經(jīng)壓裂改造后在太原組獲得1.95×104m3/d的穩(wěn)定產(chǎn)量[3]。鄂爾多斯盆地東緣海陸過(guò)渡相太原組泥頁(yè)巖分布范圍大、厚度連續(xù)性好，具備較好的頁(yè)巖氣成藏基礎(chǔ)條件。分析其儲(chǔ)層成藏特征，估算頁(yè)巖氣資源潛力，優(yōu)選勘探有利的“甜點(diǎn)區(qū)”，為研究區(qū)頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)提供依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

研究區(qū)鄂爾多斯盆地東緣位于山西省西部，西、北以黃河為界，東、南以離石—紫金山斷裂帶為界，南北長(zhǎng)約為400 km，東西寬約為80 km，總面積約為17 174 km2。地層總體向西偏南傾斜，自東向西依次出露石炭系、二疊系和三疊系地層。以離石—紫荊山斷裂帶為主斷裂線，北部為走向近南北、西傾的河?xùn)|單斜，中部離石形成東部翹起、向西傾沒(méi)的鼻狀構(gòu)造，發(fā)育離石向斜和玉家會(huì)背斜，南部?jī)?nèi)部呈現(xiàn)背斜向斜相間的構(gòu)造，東側(cè)邊緣地層傾角較大，形成褶皺撓曲帶。

晚石炭世—二疊紀(jì)末，海西運(yùn)動(dòng)主導(dǎo)多期次海進(jìn)海退，沉積了海陸過(guò)渡相為主的太原組地層。中生代以來(lái)，鄂爾多斯盆地東緣經(jīng)歷了3個(gè)構(gòu)造演化階段[4]：三疊紀(jì)—侏羅紀(jì)，地層穩(wěn)定沉積，未形成較大褶皺；早侏羅世之后，庫(kù)拉—太平洋板塊向華北板塊俯沖，形成北東向擠壓應(yīng)力，同時(shí)地殼垂直運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，形成東隆西坳的構(gòu)造格局，區(qū)內(nèi)表現(xiàn)為西傾單斜；新生代期間，喜山運(yùn)動(dòng)形成北東—南西向張應(yīng)力，在研究區(qū)南部形成鄉(xiāng)寧褶皺撓曲帶。

2 太原組頁(yè)巖氣儲(chǔ)層特征

2.1 儲(chǔ)層發(fā)育特征

2.1.1 巖相及沉積環(huán)境

北部扒樓溝和南部甘草山太原組剖面實(shí)測(cè)表明：太原組巖性以深灰色、黑色泥巖與深灰色灰?guī)r為主；底部以薄層石英砂巖與本溪組分界；下部為淺灰色泥巖、泥頁(yè)巖夾薄層細(xì)砂巖；中部為深灰色厚層含燧石結(jié)核生屑灰?guī)r夾泥巖；上部為深灰色、黑色泥巖和淺灰色中厚層中細(xì)粒石英砂巖；頂部以深灰色、灰黑色砂質(zhì)泥巖與山西組巖屑石英雜砂巖分界(圖1)。

太原組沉積南北不同，北部下段以潟湖、潮坪與三角洲交互沉積為主，上段為河流沉積；南部下段以潟湖潮坪、障壁島沉積為主，上部為三角洲平原和前緣沉積。太原組泥頁(yè)巖主要發(fā)育于三角洲平原沼澤微相和潟湖沼澤微相，其中前者頁(yè)巖厚度連續(xù)性好，有機(jī)質(zhì)含量較高，是主要的頁(yè)巖氣儲(chǔ)層段。

圖1 河?xùn)|煤田太原組柱狀圖

2.1.2 空間發(fā)育特征

太原組全區(qū)廣泛發(fā)育，厚度穩(wěn)定。據(jù)區(qū)內(nèi)實(shí)測(cè)3條剖面和收集的9個(gè)煤田鉆井資料統(tǒng)計(jì)：太原組厚度為60.46～126.00 m，平均為87.33 m，其中泥頁(yè)巖厚度為20.15～71.07 m，平均為38.67 m。太原組巖性南北差異較大，自北向南沉積物中砂泥巖含量減少且粒度變細(xì)，煤層厚度減薄，灰?guī)r厚度增加。太原組泥頁(yè)巖厚度具有自北向南、自東向西變薄的趨勢(shì)，富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖主要發(fā)育在太原組中上段，厚度連續(xù)穩(wěn)定；太原組下段也發(fā)育泥頁(yè)巖，但分層多，有機(jī)質(zhì)含量相對(duì)較低，且區(qū)域上連續(xù)性不如上段。

2.2 儲(chǔ)層有機(jī)地化特征

熱解和殘?zhí)糠治霰砻鳎禾M泥頁(yè)巖熱解峰溫分別為411.6、440.8、471.6、464.1 ℃，氫指數(shù)分別為45.24、17.34、8.04、6.81 mg/g，可知太原組泥頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)類(lèi)型為Ⅲ型。

TOC測(cè)試表明，太原組泥頁(yè)巖TOC為1.38%～14.37%(一般為1.38%～3.19%)，平均為4.06%(TOC異常高值樣可能受煤層影響)(表1)。

表1 太原組泥頁(yè)巖TOC分布

根據(jù)同組煤測(cè)試結(jié)果[5]，成熟度為中等至過(guò)成熟階段；北部TOC較低，為0.90%～1.20%，南部TOC較高，為1.50%～2.50%，因埋深差異亦呈現(xiàn)出西高東低的趨勢(shì)。總體而言，太原組泥頁(yè)巖具有較好的生烴條件。

2.3 儲(chǔ)層物性特征

2.3.1 物質(zhì)組成

樣品全巖及黏土礦物X射線衍射分析實(shí)驗(yàn)表明，礦物組成主要以黏土和石英為主。黏土礦物含量為20.9%～65.2%，平均為48.7%，主要由伊/蒙混層和高嶺石組成；石英含量為33.5%～61.7%，平均為45.3%，另含有少量方解石和黃鐵礦。石英和碳酸鹽巖等脆性礦物含量是影響頁(yè)巖基質(zhì)孔隙和微裂縫發(fā)育、含氣性及壓裂改造的重要因素[6]，區(qū)內(nèi)儲(chǔ)層脆性指數(shù)達(dá)到45%，有很好的壓裂改造潛力[7]。

2.3.2 孔裂隙結(jié)構(gòu)

太原組泥頁(yè)巖孔隙主要發(fā)育粒間孔(圖2a—c)和微裂縫(圖2d)，孔徑一般小于5 μm，粒間孔孔隙之間連通性較好；微裂縫寬度較小，伸展較長(zhǎng)。頁(yè)巖內(nèi)部存在的微孔隙和微裂隙較多，頁(yè)巖儲(chǔ)層有較強(qiáng)的吸附能力[2]。

圖2 太原組泥頁(yè)巖SEM鏡下照片

高壓壓汞實(shí)驗(yàn)和低溫液氮吸附實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，鄂爾多斯盆地東緣太原組的孔容為0.016 9～0.069 4 mL/g，平均為0.035 3 mL/g，比表面積為5.92～15.98 m2/g，平均為9.24 m2/g；孔隙度為3.38%～12.52%，平均為6.87%；平均孔徑為8.3～15.0 nm(表2)。

表2 太原組泥頁(yè)巖高壓壓汞、低溫液氮測(cè)試統(tǒng)計(jì)

圖3為太原組頁(yè)巖巖樣高壓壓汞曲線和低溫液氮吸附曲線。根據(jù)退汞曲線近于平行，退汞量較少，滯留汞量大的特點(diǎn)，可知孔隙以開(kāi)放型為主，封閉或半封閉孔較少；進(jìn)汞曲線上對(duì)應(yīng)較大孔徑的低壓段進(jìn)汞較少，指示大孔含量較少；進(jìn)汞曲線高壓段和液氮吸附線相對(duì)低壓段有較大的吸附量，反映有較多的微孔；液氮等溫吸附曲線屬于H2型，含有較多的不規(guī)則孔隙；相對(duì)壓力為0.2～0.7段吸附量增加緩慢，孔隙的連續(xù)性較差，脫附曲線存在明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，顯示含有一定“墨水瓶”型孔隙。

圖3 太原組頁(yè)巖樣壓汞曲線和液氮吸附曲線

3 頁(yè)巖氣成藏過(guò)程

3.1 海陸過(guò)渡相頁(yè)巖氣成藏特殊性

近年來(lái)的頁(yè)巖氣勘查研究工作已初步形成了海相頁(yè)巖氣成藏評(píng)價(jià)體系，而海陸過(guò)渡相頁(yè)巖氣評(píng)價(jià)較為復(fù)雜，目前尚處于起步階段。海陸過(guò)渡相儲(chǔ)層由于沉積環(huán)境的橫向變化大，導(dǎo)致在同一盆地中往往出現(xiàn)多個(gè)沉積中心，頁(yè)巖厚度和分布不穩(wěn)定。平面上表現(xiàn)為富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖厚度、有機(jī)質(zhì)類(lèi)型和有機(jī)碳含量變化大；縱向上垂向巖性變化不穩(wěn)定，由于沉積環(huán)境變化較快，導(dǎo)致富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖單層厚度較小且常與砂巖或者灰?guī)r互層，影響儲(chǔ)層空間發(fā)育和封蓋性能。鑒于海陸過(guò)渡相頁(yè)巖的特殊性，需要從頁(yè)巖的生烴、儲(chǔ)層特征和保存等方面建立適合海陸過(guò)渡相頁(yè)巖氣的成藏評(píng)價(jià)體系(表3)。

表3 太原組泥頁(yè)巖高壓壓汞、低溫液氮測(cè)試統(tǒng)計(jì)

3.2 頁(yè)巖氣成藏過(guò)程

李艷霞[8]等人應(yīng)用流體包裹體均一化溫度資料，采用Basin Model-ID盆地分析軟件對(duì)鄂爾多斯東部地區(qū)太原組進(jìn)行了生排烴模擬，認(rèn)為太原組海陸過(guò)渡相頁(yè)巖氣成藏過(guò)程主要經(jīng)歷初始生烴、排烴高峰及生烴終止3個(gè)時(shí)期。

(1) 初始生烴期。早三疊世(210 Ma)時(shí)期，北部區(qū)域埋深較淺，演化程度低，尚未開(kāi)始生烴；南部源巖Ro達(dá)到0.70%～0.72%，開(kāi)始生烴，但生烴量有限，頁(yè)巖氣多局限吸附于巖石中有機(jī)質(zhì)和黏土礦物顆粒表面。

(2) 排烴高峰期。早侏羅世(200～175 Ma)時(shí)期，北部Ro達(dá)到0.70%～0.90%，開(kāi)始生烴；南部受燕山期巖漿活動(dòng)影響，Ro達(dá)到1.03%，進(jìn)入第1個(gè)生烴高峰，天然氣在有機(jī)質(zhì)和黏土礦物顆粒表面達(dá)到吸附飽和后，在微裂隙中充填富集。早白堊世(140.0～97.5 Ma)再次進(jìn)入排烴高峰(現(xiàn)今成熟度北部為0.90%～1.20%，南部達(dá)到1.50%～2.50%)，天然氣持續(xù)生成。

(3) 生烴終止期。早白堊世結(jié)束后(97.5 Ma)，鄂爾多斯盆地東部抬升，中生界部分層系遭受剝蝕，古地溫降低，烴源巖停止生烴。

綜上可知，頁(yè)巖氣主要形成于早白堊世的生烴高峰期，并體現(xiàn)出深埋熱作用與巖漿熱作用疊加的熱成因型成藏特征。

3.3 頁(yè)巖氣保存條件

頁(yè)巖氣屬自生自?xún)?chǔ)式成藏，滲透率低，運(yùn)移距離短，頁(yè)巖氣成藏幾乎沒(méi)有運(yùn)、聚過(guò)程[9]。泥頁(yè)巖達(dá)到一定厚度，其保存不需要蓋層即可形成自封閉頁(yè)巖氣藏[10]。研究區(qū)內(nèi)太原組的巖性主要為灰色、灰黑色泥頁(yè)巖和泥質(zhì)灰?guī)r，厚度連續(xù)性較好，內(nèi)部又夾有煤層，上部為生屑灰?guī)r或泥灰?guī)r封蓋，向下有本溪組鐵質(zhì)鋁土巖封堵，不易散失。從儲(chǔ)層條件來(lái)看，富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖氣藏主要分布在北部地區(qū)的太原組中段和南部的中上段。

研究區(qū)構(gòu)造簡(jiǎn)單，主體為平緩的單斜，只在邊界附近斷裂發(fā)育，對(duì)頁(yè)巖氣藏的影響較弱。早白堊世后，鄂爾多斯盆地東部抬升，太原組上覆地層遭受剝蝕。但據(jù)區(qū)內(nèi)鉆井資料統(tǒng)計(jì)，太原組埋深為300～3 000 m，主體在1 000～2 500 m，頁(yè)巖氣的保存較好。

4 資源潛力計(jì)算與有利區(qū)優(yōu)選

4.1 資源潛力計(jì)算參數(shù)的確定

根據(jù)《頁(yè)巖氣資源/儲(chǔ)量計(jì)算與評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》(DZ/T 0254-2014)，研究區(qū)勘查程度中等，資源量估算采用體積法。其計(jì)算公式為：

Gz=0.01AghρyCz

(1)

Cz≈Cx+Cy

(2)

式中：Gz為頁(yè)巖氣總地質(zhì)儲(chǔ)量，108m3；Ag為含氣面積，km2；h為頁(yè)巖有效厚度，m；ρy為頁(yè)巖質(zhì)量密度，t/m3；Cz、Cx、Cy分別為頁(yè)巖總含氣量、吸附含氣量、游離含氣量，m3/t。

研究區(qū)構(gòu)造簡(jiǎn)單，平均坡度小于1 °，Ag可依照平面面積計(jì)算；h可根據(jù)野外資料和鉆井?dāng)?shù)據(jù)，繪制頁(yè)巖厚度等值線圖進(jìn)行計(jì)算；據(jù)中國(guó)礦業(yè)大學(xué)的測(cè)試結(jié)果，頁(yè)巖質(zhì)量密度取值為2.63 g/cm3；區(qū)內(nèi)太原組沉積、巖性及埋深等特征與鄰區(qū)沁水盆地相似，頁(yè)巖含氣量可借鑒其測(cè)試結(jié)果，根據(jù)等溫吸附實(shí)驗(yàn)的推算[11]，本次采用Cz為1.75 m3/t。

4.2 資源潛力評(píng)價(jià)與計(jì)算

估算全區(qū)頁(yè)巖氣潛在資源量為1.924 3×1012m3，埋深小于500 m的區(qū)域封蓋保存條件差，沒(méi)有進(jìn)行資源量計(jì)算；埋深為500～1 000 m的資源量為0.340 1×1012m3，埋深為1 000～2 000 m的資源量為1.085 3×1012m3，埋深大于2 000 m的資源量為0.498 9×1012m3。

4.3 有利區(qū)優(yōu)選

據(jù)《頁(yè)巖氣資源/儲(chǔ)量計(jì)算與評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》可知：研究區(qū)內(nèi)有機(jī)碳含量高、熱演化程度中—高等；脆性礦物含量高、孔隙度中等；埋深以中淺層為主，構(gòu)造條件簡(jiǎn)單，具備較好的頁(yè)巖氣成藏條件。儲(chǔ)層孔隙發(fā)育較好，TOC、Ro以及含氣量等關(guān)鍵參數(shù)均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，此次有利區(qū)優(yōu)選主要考慮頁(yè)巖厚度和埋深?？紤]海陸過(guò)渡相太原組泥頁(yè)巖夾層問(wèn)題，選定有利區(qū)頁(yè)巖厚度大于40 m，有利區(qū)埋深定為1 000～4 500 m。據(jù)此，優(yōu)選出2個(gè)有利區(qū)：臨縣—興縣有利區(qū)和石樓—隰縣—大寧—蒲縣有利區(qū)(圖4)，有利區(qū)頁(yè)巖氣資源潛力約為0.92×1012m3。

圖4 鄂爾多斯盆地東緣太原組埋深、泥頁(yè)巖厚度等值線及有利區(qū)優(yōu)選

(1) 臨縣—興縣有利區(qū)。位于離石紫荊山斷裂帶西側(cè)，面積約為1 356.6 km2，富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖厚度達(dá)40～60 m，TOC含量高，Ro(0.90%～1.20%)屬中等成熟度階段，埋深為1 000～2 000 m。區(qū)塊內(nèi)構(gòu)造為河?xùn)|單斜，東部受斷裂帶作用，泥頁(yè)巖裂隙發(fā)育，有利于增加頁(yè)巖中游離氣的含量。采用體積法估算該區(qū)頁(yè)巖氣資源潛力約為0.21×1012m3。

(2) 石樓—隰縣—大寧—蒲縣有利區(qū)。位于離石斷裂帶的西側(cè)和鄉(xiāng)寧褶皺帶的北部，面積約為3 937.36 km2，富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖厚度達(dá)40～70 m，TOC含量高，Ro為1.20%～2.50%，屬過(guò)成熟階段，埋深為1 000～2 500 m。區(qū)塊內(nèi)構(gòu)造相對(duì)復(fù)雜，受喜山運(yùn)動(dòng)的影響，發(fā)育NNE至NE向的小褶皺帶，泥頁(yè)巖中孔裂隙發(fā)育。估算該區(qū)頁(yè)巖氣資源潛力約為0.71×1012m3。

5 結(jié) 論

(1) 鄂爾多斯盆地東緣太原組屬于海陸過(guò)渡相沉積，南部為濱淺海潮坪—潟湖、障壁島沉積，北部為濱海河流平原沉積。主要巖性為灰色、灰黑色泥頁(yè)巖和泥質(zhì)灰?guī)r。太原組頁(yè)巖厚度約為17.0～71.0 m，平均為36.7 m，具東厚西薄的展布特征。

(2) 太原組頁(yè)巖有機(jī)碳含量高、熱演化程度為中—高等；脆性礦物含量高、孔隙度中等；埋深以中淺層為主，構(gòu)造條件簡(jiǎn)單，具備較好的頁(yè)巖氣成藏條件。

(3) 太原組頁(yè)巖氣藏為深埋熱作用與巖漿熱作用疊加的熱成因型氣藏，主要形成于早白堊世的生烴高峰期；頁(yè)巖氣藏主要分布在北部地區(qū)太原組的中段和南部太原組的中上段。

(4) 體積法估算太原組頁(yè)巖氣潛在資源量為1.924 3×1012m3；初步優(yōu)選出臨縣—興縣和石樓—隰縣—大寧—蒲縣2個(gè)有利勘探區(qū)，有利區(qū)資源量分別為0.21×1012、0.71×1012m3。

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編輯 林樹(shù)龍

10.3969/j.issn.1006-6535.2016.01.009

20150907；改回日期：20151123

中國(guó)博士后科學(xué)基金第八批“儲(chǔ)層微觀非均質(zhì)性對(duì)頁(yè)巖氣賦存機(jī)理的影響研究”(2015T80595)；江蘇省基礎(chǔ)研究計(jì)劃青年基金“成熟度對(duì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層微觀非均質(zhì)性影響機(jī)理研究”(BK20130177)；中國(guó)博士后科學(xué)基金“儲(chǔ)層微觀孔隙非均質(zhì)性對(duì)吸附態(tài)頁(yè)巖氣賦存的影響研究”(2014M551684)

周帥(1994-)，男，2014年畢業(yè)于中國(guó)礦業(yè)大學(xué)地質(zhì)工程專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)為該校礦產(chǎn)普查與勘探專(zhuān)業(yè)在讀碩士研究生，主要從事頁(yè)巖氣地質(zhì)研究。

陳尚斌(1983-)，男，副教授，2006年畢業(yè)于中國(guó)礦業(yè)大學(xué)資源環(huán)境與城鄉(xiāng)規(guī)劃管理專(zhuān)業(yè)，2012年畢業(yè)于該校地質(zhì)資源與地質(zhì)工程專(zhuān)業(yè)，獲博士學(xué)位，現(xiàn)主要從事頁(yè)巖氣地質(zhì)研究。

TE122.2

A

1006-6535(2016)01-0038-06