鞏 固， 張春池， 高兵艷， 彭文泉， 黃興龍， 張 暉， 高華麗

(1.山東省煤田地質(zhì)規(guī)劃勘察研究院， 濟(jì)南 250104； 2.山東省非常規(guī)能源勘查技術(shù)創(chuàng)新平臺(tái)， 濟(jì)南 250104；3.山東省地質(zhì)調(diào)查院， 濟(jì)南 250014； 4.山東省第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院， 濟(jì)南 250014 )

0 引言

頁(yè)巖氣是指以吸附態(tài)、游離態(tài)等方式為主體，賦存在泥頁(yè)巖中的一種非常規(guī)天然氣，為典型的“自生自儲(chǔ)、原地成藏”模式[1]。近年來(lái)，在日益劇增的能源需求與國(guó)內(nèi)外頁(yè)巖氣成功勘查開(kāi)發(fā)的推動(dòng)下，我國(guó)在頁(yè)巖氣富集成藏機(jī)理及評(píng)價(jià)方法等方面進(jìn)行了大量的研究，并取得了豐富的成果[2-3]。

2013年，山東省對(duì)全省的頁(yè)巖氣資源開(kāi)展了系統(tǒng)的調(diào)查評(píng)價(jià)，在魯西地區(qū)上古生界分布區(qū)開(kāi)展了二維地震測(cè)量、頁(yè)巖氣參數(shù)井鉆探，進(jìn)行了一系列氣體測(cè)量、錄井、樣品化驗(yàn)、測(cè)井等與頁(yè)巖氣參數(shù)有關(guān)的工作，首次獲取山東省古生代含煤地層的頁(yè)巖氣參數(shù)，分析研究了頁(yè)巖氣成藏條件，為魯西地區(qū)上古生界頁(yè)巖氣勘探指明了方向。

1 地質(zhì)背景

1.1 構(gòu)造背景

魯西地區(qū)大地構(gòu)造位置屬于華北板塊(Ⅰ)東南緣的魯西地塊(Ⅱ)西部，跨整個(gè)魯西南潛隆(Ⅲ)和魯中隆起西部(Ⅲ)；其西、北以聊(城)—蘭(考)斷裂和齊(河)-廣(饒)斷裂與華北坳陷分界，東以魯中隆起區(qū)與沂沭斷裂帶(Ⅱ)比鄰。

魯西地區(qū)的構(gòu)造演化可劃分為太古代-元古代基底形成期、古生代蓋層發(fā)展期、中生代活化期、新生代差異活動(dòng)期四個(gè)階段。研究區(qū)于太古代-元古代華北地臺(tái)的基礎(chǔ)上形成穩(wěn)定的盆地結(jié)晶基底，在奧陶紀(jì)接受了巨厚的海相碳酸鹽巖沉積之后，加里東運(yùn)動(dòng)使得華北板塊整體抬升，遭受剝蝕，造成魯西地區(qū)缺失了上奧陶統(tǒng)、志留系、泥盆系及下石炭統(tǒng)。海西期初，華北板塊整體沉降，研究區(qū)演化為大型陸表海盆地，呈現(xiàn)出向北東、南東傾斜的箕狀陸表海盆地的古地理格局。海西運(yùn)動(dòng)在早二疊世末期開(kāi)始表現(xiàn)得極其強(qiáng)烈，在華北基本上結(jié)束了長(zhǎng)期的古生代海侵歷史，海水開(kāi)始向南退縮，研究區(qū)演變?yōu)殛懴嗉敖换ハ喑练e。至三疊紀(jì)，幾乎全部進(jìn)入抬升剝蝕階段，僅在小范圍的湖相沉積，中三疊世以后，全區(qū)進(jìn)入了抬升剝蝕階段。古新世早期，由于喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)的影響，各斷陷盆地的邊緣斷裂再次活動(dòng)，形成了現(xiàn)今的構(gòu)造格局。

1.2 沉積環(huán)境

魯西地區(qū)晚古生代是一個(gè)大型陸表海盆地，沉積體系類(lèi)型主要包括潮坪沉積體系，障壁-潟湖沉積體系和大型河控淺水三角洲沉積體系[4]。沉積環(huán)境由海相-海陸交互相向陸相演化，其中石炭紀(jì)以海相沉積環(huán)境為主，末期頂部有海陸過(guò)渡環(huán)境的三角洲相沉積[5-6]。早二疊世早期發(fā)展為三角洲沉積體系，到早二疊世晚期及晚二疊世早期，基本為一套陸相沖積沉積體系，到晚二疊世晚期，發(fā)育一套陸相河流-湖泊沉積。

2 暗色泥頁(yè)巖生烴條件

2.1 發(fā)育特征及分布

魯西地區(qū)的石炭-二疊系主要分布于魯西南的兗州、濟(jì)寧、滕縣、陶棗、巨野及陽(yáng)谷-茌平、黃河北等地。富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖主要發(fā)育在太原組和山西組，具有形成頁(yè)巖氣藏的潛力。其中太原組在各地區(qū)發(fā)育程度有所差異，沉積厚度由北而南逐漸增厚，灰?guī)r與煤層夾層逐漸增多，物質(zhì)成分從結(jié)構(gòu)上看砂、泥巖之比自北而南有漸增大之勢(shì)。山西組厚度、巖性、含煤層等方面，在各地差異比較大，厚度整體顯示北東厚、南西薄之特點(diǎn)，從巖性上看，濟(jì)寧、棗莊一帶砂巖比例較大，自南西向北東有增厚變粗之勢(shì)。

從山西-太原組暗色泥頁(yè)巖累計(jì)厚度統(tǒng)計(jì)來(lái)看，臨清坳陷暗色泥頁(yè)巖累計(jì)厚度60～160m，黃河北含煤區(qū)暗色泥頁(yè)巖累計(jì)厚度60～100m，陽(yáng)谷-茌平含煤區(qū)暗色泥頁(yè)巖累計(jì)厚度80～180m，魯西南含煤區(qū)暗色泥頁(yè)巖累計(jì)厚度100～200m，總體上存在由黃河北含煤區(qū)向西、向南增厚的趨勢(shì)。臨清坳陷的桑阿鎮(zhèn)-康莊鎮(zhèn)、黃河北含煤區(qū)的焦廟鎮(zhèn)-表白寺鎮(zhèn)、陽(yáng)谷-茌平含煤區(qū)的樂(lè)平鋪鎮(zhèn)、魯西南含煤區(qū)的濟(jì)寧-魚(yú)臺(tái)及成武-單縣等地區(qū)為各坳陷盆地暗色泥頁(yè)巖發(fā)育最厚的區(qū)域。

2.2 有機(jī)碳含量

有機(jī)碳含量(TOC)是反應(yīng)泥頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)豐度的重要指標(biāo)，是衡量暗色泥頁(yè)巖生氣強(qiáng)度和生氣量的關(guān)鍵參數(shù)[7]，也是頁(yè)巖氣聚集的主要物質(zhì)基礎(chǔ)。有機(jī)碳含量的貧、富直接影響了泥頁(yè)巖生烴能力，含量高意味著有充足的母質(zhì)來(lái)生烴；因含氣量與有機(jī)碳含量呈正相關(guān)關(guān)系[8-10]，泥頁(yè)巖中有機(jī)碳含量高增大了吸附面積的同時(shí)也增加了吸附氣含量。

魯頁(yè)參1井揭露石炭-二疊系有機(jī)碳含量在縱向上變化較大，從魯頁(yè)參1井33件泥巖TOC樣品分析，石盒子群TOC全部小于1.5%，烴源巖級(jí)別為非烴源巖或較差烴源巖。山西組和太原組有機(jī)質(zhì)含量相對(duì)較高，山西組以中等、好烴源巖為主；太原組TOC平均值為2.12%，21件樣品中非烴源巖1件，差烴源巖6件，中等烴源巖8件，好烴源巖6件，中等烴源巖所占比例最多，較差和好烴源巖次之。(圖1)。

1—石盒子群；2—山西組；3—太原組圖1 魯頁(yè)參1井石炭-二疊系泥巖TOC含量直方圖Figure 1 Histogram of well LYC No.1 Permo-Carboniferous argillutite TOC content

暗色泥頁(yè)巖有機(jī)碳含量高值區(qū)在平面上的分布與暗色泥頁(yè)巖厚度高值區(qū)的分布基本一致。

2.3 干酪根類(lèi)型

有機(jī)質(zhì)類(lèi)型在一定程度上可以用來(lái)衡量有機(jī)質(zhì)產(chǎn)烴能力，不同的沉積環(huán)境代表有機(jī)質(zhì)母質(zhì)來(lái)源不同，巖石有機(jī)質(zhì)顯微組分不同，干酪根類(lèi)型也有差異。山西組樣品中腐泥組成分百分含量一般小于35%，殼質(zhì)組成分一般小于25%，鏡質(zhì)組成分一般大于50%，惰質(zhì)組成分一般小于10%；太原組樣品中腐泥組成分一般小于30%，極少部分值較高，殼質(zhì)組成分一般小于20%，鏡質(zhì)組成分一般大于40%，惰質(zhì)組成分百分含量一般小于10%。顯微組分分析表明：山西組與太原組有機(jī)質(zhì)類(lèi)型以鏡質(zhì)組為主(表1)。

依據(jù)159件石炭-二疊系干酪根樣品分析，有機(jī)質(zhì)類(lèi)型以Ⅲ型為主，Ⅲ型占62%。其次為Ⅱ2和Ⅱ1型，共占35%，I型極少。

2.4 鏡質(zhì)體反射率

反映有機(jī)質(zhì)成熟度的指標(biāo)有很多，最常用的是鏡質(zhì)組反射率(Ro)，有機(jī)質(zhì)的成熟度決定生氣方式和成因類(lèi)型。只有達(dá)到一定的成熟度，有機(jī)質(zhì)才能進(jìn)入生氣窗，并且大量生氣[11]。

Ⅰ型和Ⅱ型干酪根主要以生油為主， Ⅲ型干酪根主要以生氣為主[12-13]。實(shí)驗(yàn)條件下，不同類(lèi)型干酪根主生氣期對(duì)應(yīng)的鏡質(zhì)組反射率不同， Ⅰ型干酪根鏡質(zhì)組反射率為1.2%～2.3%， Ⅱ型干酪根為1.1%～2.6%，Ⅲ型干酪根為0.7%～2.0%[14]。石炭-二疊系鏡質(zhì)體反射率一般在0.7%～1.7%，泥頁(yè)巖熱演化程度分類(lèi)為低-中，也就是烴源巖有機(jī)質(zhì)成熟度以低成熟-成熟為主。

表1 部分鉆孔干酪根顯微組分統(tǒng)計(jì)表

2.5 生烴潛量及氯仿瀝青“A”

(1)生烴潛量。指某一體積或某一重量烴源巖中有機(jī)質(zhì)在自然地質(zhì)條件下可以生成烴類(lèi)物質(zhì)的最大數(shù)量。它包括至今已生成的烴量和尚未轉(zhuǎn)化的剩余生烴潛量?jī)刹糠?。魯西地區(qū)石炭-二疊系泥頁(yè)巖S1+S2值在0.5～6.0mg/g，S1+S2值一般在0.5～2.0mg/g，其次為2.0～6.0mg/g，從生烴潛量分析烴源巖級(jí)別以差-中等為主。

從縱向上看，太原組生烴潛量一般高于石炭-二疊系其它組段，山西組個(gè)別樣品生烴潛量值也很高。

(2)氯仿瀝青“A”。數(shù)據(jù)顯示，隨著變質(zhì)程度的增高，氯仿瀝青“A”含量有從低變高再變低的趨勢(shì)。魯西地區(qū)石炭-二疊系總體來(lái)說(shuō)除非烴源巖樣品之外，按氯仿瀝青“A”分級(jí)劃分為好和中等的樣品占大多數(shù)。魯頁(yè)參1井，以好烴源巖為主(圖2)，次之為差烴源巖。

圖2 魯頁(yè)參1井氯仿瀝青“A”含量直方圖Figure 2 Histogram of well LYC No.1 chloroform bitumen A content

3 暗色泥頁(yè)巖物性特征

3.1 礦物特征

3.1.1 脆性礦物

《頁(yè)巖氣資源/儲(chǔ)量計(jì)算與評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》[15]要求脆性礦物含量不低30%，脆性礦物含量的多少直接影響頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的壓裂效果，高脆性礦物含量易產(chǎn)生誘導(dǎo)縫，并為其提供有效支撐，利于后期的增產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)。

脆性礦物主要由石英、長(zhǎng)石和碳酸鹽礦物組成。魯西地區(qū)泥頁(yè)巖中脆性礦物主要為：石英、長(zhǎng)石、方解石和白云石，另外還含有鐵白云石、菱鐵礦、黃鐵礦等。脆性礦物一般在30%～60%，平均為55.70%，其中石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.48%～74.12%，平均38.57%(圖3)，長(zhǎng)石質(zhì)量分?jǐn)?shù)0～83.16%，平均4.03%，碳酸鹽礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)0～29.53%，平均7.93%，石炭-二疊系巖石從脆性礦物含量分析，利于后期改造[16]。

1—石英；2—方解石；3—白云石；4—菱鐵礦；5—黃鐵礦；6—斜長(zhǎng)石；7—鉀長(zhǎng)石(正長(zhǎng)石)；8—黏土礦物總量圖3 魯西南含煤區(qū)泥頁(yè)巖全巖礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)圖Figure 3 Mass fractions diagram of argillutite whole rock minerals in southwestern Shandong coal-bearing area

3.1.2 黏土礦物

泥頁(yè)巖中不僅有機(jī)質(zhì)能夠吸附甲烷，黏土礦物也對(duì)甲烷具有一定的吸附能力[17-18]，蒙脫石是黏土礦物中對(duì)甲烷吸附能力最大者[19]。

石炭-二疊紀(jì)泥頁(yè)巖中黏土礦物主要為：高嶺石、伊/蒙混層、伊利石等(圖4)。其中，高嶺石占5%～68%，平均30.77%，伊/蒙混層占0～81%，平均30.25%，伊利石占0～94%，平均24.82%，綠泥石占0～37%，平均12.77%。

1—高嶺石；2—綠泥石；3—伊利石；4—伊/蒙間層礦物；5—綠/蒙間層礦物圖4 魯西南含煤區(qū)黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)圖Figure 4 Mass fractions diagram of clay minerals in southwestern Shandong coal-bearing area

3.2 掃描電鏡

通過(guò)對(duì)石炭-二疊系泥頁(yè)巖進(jìn)行自然斷面電鏡掃描研究，泥頁(yè)巖儲(chǔ)層主要發(fā)育有礦物質(zhì)孔隙、礦物顆粒內(nèi)部溶蝕孔、碎屑表面溶蝕孔、泥粒孔和微裂隙等。發(fā)育大小從幾十納米到幾百納米(圖5)。

3.3 孔滲特征

孔隙度和滲透率是判斷頁(yè)巖氣藏優(yōu)劣的重要參數(shù)之一，較低的孔隙度，滲透率將會(huì)影響商業(yè)產(chǎn)值[20-21]。石炭-二疊系泥頁(yè)巖儲(chǔ)層的孔隙度和滲透率一般比較小，其滲透率均小于1mD，孔隙度大都在2%～5%，總體屬于低滲、低孔隙度儲(chǔ)層。

橫向上，山西組、太原組泥巖孔隙度、滲透率區(qū)域上變化規(guī)律相同，以魯西南含煤區(qū)最高，黃河北含煤區(qū)次之，陽(yáng)谷-茌平含煤區(qū)最小?？v向上，魯西南含煤區(qū)樣品分析顯示，山西組泥巖平均孔隙度和滲透率均高于太原組。

3.4 巖石密度

魯頁(yè)參1井采集11個(gè)石炭-二疊系泥頁(yè)巖巖石密度樣品，巖石密度值般在2.55～2.74m3/t(表2)，平均值為2.68m3/t。受地層壓實(shí)作用，巖石密度隨深度的增加而增加[22-23]。

表2 魯頁(yè)參1井巖石密度統(tǒng)計(jì)表

4 保存條件

頁(yè)巖氣具有自生、自儲(chǔ)特征，暗色泥巖自身為頁(yè)巖氣儲(chǔ)層也是蓋層，但其上覆蓋層的厚度、巖性對(duì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的保護(hù)和甜點(diǎn)的形成亦起到了決定性作用，蓋層對(duì)頁(yè)巖氣形成和后期保存起到了較大的影響。魯西地區(qū)石炭-二疊系富含有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖主要發(fā)育在山西組和太原組，其上覆蓋層不同沉積時(shí)代，受沉積環(huán)境變化，巖性差異性較大。

根據(jù)蓋層沉積時(shí)代可分為同期連續(xù)沉積蓋層，剝蝕后沉積蓋層。石盒子群的黑山組、萬(wàn)山組、奎山組、孝婦河組是石炭-二疊紀(jì)沉積的最高層位，總體上由紫黃相間的雜色碎屑巖組成，屬河湖相沉積。沉積的泥巖和粉砂巖經(jīng)后期的壓實(shí)成巖作用，孔隙度和滲透率都大大降低，其上還沉積了中生代或新生代，后期改造活動(dòng)弱，或未被后期改造，對(duì)山西組、太原組頁(yè)巖氣富集起到了很好的覆蓋、保存作用，為頁(yè)巖氣保存條件較好的區(qū)域，這些區(qū)域多于暗色泥頁(yè)巖有機(jī)碳含量高值區(qū)和厚度高值區(qū)重疊。

但在凹陷盆地的邊部或凸起地區(qū)，石盒子群剝蝕完畢，甚至進(jìn)一步對(duì)山西組和太原組進(jìn)行剝蝕，在后期沉降運(yùn)動(dòng)中，山西組、太原組被隨后沉積的中生界或新生界所直接覆蓋。中、新生代以陸相碎屑沉積為主，巖性以砂巖、泥巖互層為特征，如陽(yáng)谷-茌平含煤區(qū)西緣、黃河北含煤區(qū)南緣、魯西南含煤區(qū)鄆城一帶等。這些地區(qū)在山西組和太原組生烴演化后遭到剝蝕，生成的烴類(lèi)大部分散逸殆盡，后期新地層覆蓋其上，上覆地層以中、新生代砂巖沉積為主，之后并未進(jìn)入二次生烴演化，上覆地層未起到對(duì)油氣富集區(qū)的封隔和保存作用，為頁(yè)巖氣保存條件最差的區(qū)域。

5 結(jié)論

魯西地區(qū)上古生界沉積了一套富有機(jī)質(zhì)黑色頁(yè)巖，分布范圍廣，厚度大，有機(jī)碳含量較高，有機(jī)質(zhì)類(lèi)型以Ⅲ型為主，成熟度適中，為頁(yè)巖氣有利的生儲(chǔ)層位。

泥頁(yè)巖中礦物組成以石英和黏土礦物為主，脆性礦物中石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均38.57%，巖石性脆、造縫能力強(qiáng)，泥頁(yè)巖中發(fā)育大量的微米-納米級(jí)孔裂隙，有利區(qū)后期壓裂集氣，孔隙度和滲透率值相對(duì)較低，是頁(yè)巖氣開(kāi)采的不利因素。

臨清坳陷的桑阿鎮(zhèn)-康莊鎮(zhèn)、黃河北含煤區(qū)的焦廟鎮(zhèn)-表白寺鎮(zhèn)、陽(yáng)谷-茌平含煤區(qū)的樂(lè)平鋪鎮(zhèn)、魯西南含煤區(qū)的濟(jì)寧-魚(yú)臺(tái)及成武-單縣等地區(qū)山西-太原組暗色泥頁(yè)巖發(fā)育厚度大，有機(jī)碳含量高，保存條件好，為頁(yè)巖氣進(jìn)一步勘查的潛力區(qū)。