高兵艷，彭文泉，張春池，胡彩萍，王會韜

(1.山東省第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 濟(jì)南 250110；2.山東省富鐵礦勘查技術(shù)開發(fā)工程實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250110；3.山東省地質(zhì)調(diào)查院，山東 濟(jì)南 250014；4.臨朐縣自然資源和規(guī)劃局，山東 臨朐 262600)

0 引言

近年來，化石燃料價(jià)格不斷攀升，我國天然氣、石油進(jìn)口占比逐年增長，對外依存程度不斷增加[1-2]，頁巖氣資源作為天然氣的有效補(bǔ)充，其勘查開發(fā)的重要性不斷顯現(xiàn)。2010年以來，山東省針對頁巖氣的專項(xiàng)勘查研究工作陸續(xù)實(shí)施，至今累計(jì)投入勘查資金超過1億元。魯西南含煤區(qū)作為山東省石炭-二疊系大面積分布區(qū)[3-4]，查明魯西南含煤區(qū)泥頁巖地質(zhì)特征、有機(jī)地化特征、儲集物性特征、含氣性特征等尤為重要。

本文通過研究魯西南含煤區(qū)泥頁巖發(fā)育特征，有機(jī)碳含量、生烴潛量、氯仿瀝青“A”、干酪根類型、鏡質(zhì)體反射率等有機(jī)地化特征，脆性礦成分、黏土礦物成分、微孔隙、巖石密度、孔隙度、滲透率等儲層物性特征及含氣性特征等，綜合分析海陸交互相沉積巖(山西組、太原組泥頁巖)頁巖氣生儲特征，為該區(qū)頁巖氣進(jìn)一步勘查評價(jià)提供借鑒。

1 地質(zhì)背景

魯西南含煤區(qū)位于魯西隆起區(qū)的西南部，西以聊考斷裂為界，東側(cè)以嶧山斷裂為界，北部主要以汶泗斷裂、巨野斷裂與省界圈閉，南側(cè)至省界(圖1)。

1.1 地層

魯西南含煤區(qū)地層發(fā)育較全，自新太古界至新生界均有發(fā)育，自下而上主要為：新太古代泰山巖群、古生代寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系、侏羅系、古近系、新近系和第四系。

1—(潛)凹陷；2—(潛)凸起；3—頁巖氣參數(shù)井位置及名稱；4—斷裂；5—省界；6—凹陷/凸起界線；7—魯西南含煤區(qū)范圍圖1 魯西南含煤區(qū)位置及構(gòu)造示意圖

寒武系主要為濱?！０冻练e[5]，巖性由灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r、鮞狀灰?guī)r、竹葉狀灰?guī)r及紫色、黃色頁巖所組成。

奧陶系屬開闊臺地相至潮坪瀉湖相交替沉積，巖性由厚層石灰?guī)r、豹皮狀灰?guī)r及白云質(zhì)灰?guī)r組成。

石炭系屬海陸交互相沉積，巖性由暗色泥巖、粉砂巖、泥巖、頁巖、灰?guī)r和煤層，其暗色泥頁巖中富含有機(jī)質(zhì)，為頁巖氣有利生儲層位。

二疊系下部屬海陸交互相沉積，巖性為砂巖、暗色泥巖、頁巖夾灰?guī)r、煤層，暗色泥頁巖中富含有機(jī)質(zhì)，為頁巖氣有利生儲層位。上部轉(zhuǎn)變?yōu)殛懞唷⒑恿飨喑练e，巖性由砂巖、粉砂巖、泥巖為主。

侏羅系屬陸相沉積，巖性為紫褐色泥巖、砂質(zhì)泥巖和紫紅色砂礫巖等互層。

古近系屬陸相沉積，巖性為綠灰、灰—深灰色粉砂質(zhì)泥巖、泥巖夾泥灰?guī)r、灰?guī)r等。

新近系屬陸相沉積，巖性由土黃、棕紅色泥巖、砂質(zhì)泥巖與灰白色砂巖組成。

第四系屬陸相沉積，巖性為黃褐、棕黃色粘土質(zhì)砂、砂質(zhì)黏土，夾粉、細(xì)砂及中砂薄層。

1.2 構(gòu)造

魯西南含煤區(qū)整體呈現(xiàn)為凸起與凹陷相間的構(gòu)造格局[6-7]，近EW向和近SN向斷裂將該區(qū)切割成“格子”狀，規(guī)模較大的斷裂多成為凸起與凹陷的邊界斷裂，其中聊考斷裂、泗水?dāng)嗔?、嶧山斷裂和巨野斷裂的一部分圈圍形成了魯西南含煤區(qū)。

1.3 巖漿巖

魯西南含煤區(qū)巖漿巖零星分布，從基性—中性—酸性巖均有發(fā)育[8]，其中以中酸性為主，形成時(shí)代主要為新太古代和中生代，中生代巖漿巖呈巖株、巖枝、巖脈狀產(chǎn)出，部分煤層鉆孔亦有揭露。

1.4 沉積背景

華北地臺在奧陶紀(jì)接受了巨厚的海相碳酸鹽巖沉積之后，加里東運(yùn)動使得華北板塊整體抬升，遭受剝蝕，造成大面積缺失了上奧陶統(tǒng)、志留系、泥盆系及下石炭統(tǒng)，推測沉積間斷在1.5億年左右。海西初期，受區(qū)域運(yùn)動的影響，華北板塊整體沉降，逐步演化為大型陸表海盆地，海西運(yùn)動在早二疊世末期開始表現(xiàn)得極其強(qiáng)烈，在華北基本上結(jié)束了長期的古生代海侵歷史，海水開始向南退出，演化為近海內(nèi)陸盆地，陸相及過渡相沉積范圍擴(kuò)展，而海相沉積萎縮。晚石炭紀(jì)與早二疊紀(jì)沉積時(shí)，表現(xiàn)為多期海侵，沉積了一套海陸交互相-陸相含煤巖系，巖性以暗色泥巖、粉砂巖、細(xì)砂巖及灰?guī)r、煤層為主，為頁巖氣形成的有利層位。

2 泥頁巖發(fā)育特征

2.1 厚度發(fā)育特征

石炭-二疊紀(jì)富有機(jī)質(zhì)泥頁巖主要發(fā)育在山西組和太原組[9-11]。山西組上部以砂巖為主，下部以暗色泥頁巖為主，山西組厚度整體顯示北東厚、南西薄的特點(diǎn)，巖性上泥巖比例存在自北東向南西增厚之勢。太原組以暗色泥頁巖、灰?guī)r、煤層為主，暗色泥頁巖發(fā)育，是富有機(jī)質(zhì)泥頁巖的主要賦存層位之一，太原組沉積厚度存在由北而南逐漸增厚的趨勢。山西組和太原組在魯西南含煤區(qū)暗色泥頁巖累計(jì)厚度可達(dá)100～200m，在濟(jì)寧—魚臺及成武—單縣一帶為暗色泥頁巖最為發(fā)育的地區(qū)。

2.2 泥頁巖埋藏特征

魯西南含煤區(qū)暗色泥頁巖埋深受構(gòu)造控制變化較大，一般為100～5000m，形成成武、魚臺2個(gè)埋藏較深的凹陷帶，埋深均在2000m以上，巨野縣西部、寧陽—汶上一帶及其東部埋深為600～1000m，寧陽—汶上一帶向南部、兗州西南部埋深逐漸變淺，深度多小于600m。

3 有機(jī)地化特征

3.1 有機(jī)質(zhì)豐度特征

有機(jī)質(zhì)豐度是有機(jī)地化評價(jià)的重要指標(biāo)[12-13]，依據(jù)黃第藩等含煤地層烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(表1)，選取有機(jī)碳含量、氯仿瀝青“A”、生烴潛量等評價(jià)參數(shù)對魯西南含煤區(qū)泥頁巖進(jìn)行烴源巖評價(jià)。

表1 含煤地層烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

3.1.1 有機(jī)碳含量

泥頁巖中有機(jī)質(zhì)的含量、質(zhì)量與演化過程對烴類的形成量與儲存量存在直接決定作用，有機(jī)碳含量也是評價(jià)泥頁巖生氣潛力的關(guān)鍵參數(shù)[14]。

魯西南含煤區(qū)共施工3口頁巖氣參數(shù)井，分別為YYC1井、LYC1井和CYC1井，鉆孔揭露石炭-二疊紀(jì)太原組暗色泥頁巖最為發(fā)育，二疊紀(jì)山西組暗色泥巖發(fā)育厚度相對較薄，層數(shù)小于太原組，且主要集中發(fā)育在煤3以下，各井獲取的樣品相對較少，太原組樣品數(shù)量多，統(tǒng)計(jì)對比代表性較強(qiáng)。

YYC1井采集泥頁巖樣品159件，來自石盒子群5件、山西組14件、太原組140件。石盒子群5件樣品中僅1件有機(jī)碳含量達(dá)到好烴源巖，其余4件有機(jī)碳含量均小于0.6%，為非烴源巖，顯示石盒子群泥頁巖有機(jī)碳含量較低，以非烴源巖為主。山西組14件樣品中有機(jī)碳含量為好烴源巖和差烴源巖各4件，各占28.57%，中等烴源巖6件，占42.86%，顯示山西組泥頁巖以中等烴源巖為主。太原組140件泥頁巖樣品，極好烴源巖7件，占5.00%，好烴源巖21件，占15.00%，中等烴源巖68件，占48.57%，差烴源巖34件，占24.29%，顯示太原組以中等烴源巖為主。從YYC1井泥頁巖有機(jī)碳含量評價(jià)來看，太原組好于山西組，更好于石盒子群。

CYC1井采集泥頁巖樣品16件，樣品數(shù)量相對較少，其中石盒子群2件泥頁巖樣品均為非烴源巖，山西組3件，1件達(dá)到好烴源巖，2件為非烴源巖；太原組11件泥頁巖樣品中2件為極好烴源巖，4件為中等烴源巖、1件為差烴源巖，4件為非烴源巖。

LYC1井采集泥頁巖樣品34件，其中石盒子群8件，4件為差烴源巖，4件為非烴源巖；山西組5件，1件為極好烴源巖，2件為好烴源巖，2件為中等烴源巖；太原組21件，5件為好烴源巖，占23.81%，8件為中等烴源巖，占38.10%，7件為差烴源巖，占33.33%。

3口參數(shù)井揭露石盒子群泥頁巖中僅33.33%的樣品達(dá)到烴源巖標(biāo)準(zhǔn)，大部分為非烴源巖，且泥頁巖發(fā)育厚度有限，達(dá)不到頁巖氣評價(jià)要求。山西組和太原組泥頁巖有機(jī)碳含量一般為0.7%～3.5%，平均為2.80%，山西組和太原組達(dá)到烴源巖標(biāo)準(zhǔn)的樣品分別占90.91%和91.28%，中等及以上烴源巖占比中YYC1井和LYC1井要遠(yuǎn)好于CYC1井，這可能與CYC1井取樣位置和數(shù)量有一定關(guān)系?？傮w來看，太原組、山西組泥頁巖均以中等烴源巖為主(圖2)，泥頁巖有機(jī)碳含量滿足生氣條件。

3.1.2 生烴潛量

生烴潛量為泥頁巖中單位體積或單位重量有機(jī)質(zhì)在自然地質(zhì)條件下能夠生成烴類物質(zhì)的最大量。它是評價(jià)有機(jī)質(zhì)豐度的重要指標(biāo)之一，用S1+S2表示。S1為殘留烴，是巖石中已由有機(jī)質(zhì)生成但尚未排出的殘留烴(或稱之為游離烴)；S2為裂解烴，是巖石中未生烴有機(jī)質(zhì)所能夠生成的烴量[15]。

1—石盒子群；2—山西組；3—太原組圖2 石炭-二疊紀(jì)泥巖有機(jī)碳含量范圍分布圖

魯西南含煤區(qū)YYC1井197件巖石熱解樣品中，S1+S2值在0.5～6.0mg/g之間的樣品數(shù)占68.02%，其中石盒子群4件樣品中3件為非烴源巖，山西組差和中等烴源巖占77.78%，太原組差和中等烴源巖占68.48%(表2)，從生烴潛量評價(jià)山西組和太原組以差和中等烴源巖為主。

表2 魯西南含煤區(qū)YYC1井泥頁巖生烴潛量統(tǒng)計(jì)表

3.1.3 氯仿瀝青“A”

氯仿瀝青“A”是評價(jià)烴源巖的另一個(gè)基本指標(biāo)。一般來說有機(jī)質(zhì)隨變質(zhì)程度的不斷增高，氯仿瀝青“A”含量有從低變高再變低的趨勢。僅LYC1井分析了少量樣品，按氯仿瀝青“A”評價(jià)顯示LYC1井以好烴源巖為主(圖3)。

圖3 LYC1井氯仿瀝青“A”分布范圍圖

3.2 酪根類型

干酪根類型是烴源巖質(zhì)量的主要標(biāo)志，不同類型的干酪根具有不同的生烴潛力[16-18]，分析干酪根類型對評價(jià)有機(jī)質(zhì)的生烴潛力具有重要意義。通常采用三類四分法劃分干酪根類型，YYC1井山西組和太原組66件樣品中Ⅲ型干酪根33件、Ⅱ2和Ⅱ1型干酪根分別為29件和3件，Ⅰ型干酪根僅1件。CYC1井28件樣品中Ⅲ型干酪根14件、為Ⅱ2和Ⅱ1型干酪根分別為4件和10件，無Ⅰ型干酪根存在。說明魯西南含煤區(qū)山西組和太原組機(jī)質(zhì)類型以Ⅲ型干酪根為主，占50%，其次為Ⅱ2和Ⅱ1型干酪根，分別占35.11%和13.83%，極少出現(xiàn)I型干酪根。

3.3 鏡質(zhì)體反射率

鏡質(zhì)組反射率(Ro)是反映有機(jī)質(zhì)演化程度或成熟度的最常用指標(biāo)，CYC1井鏡質(zhì)體反射率在0.90%～1.22%之間，樣品深度為1694～1991m，且鏡質(zhì)體反射率隨深度而增加的趨勢明顯。YYC1井鏡質(zhì)體反射率在0.53%～2.80%之間，樣品深度為1958～2212m，鏡質(zhì)體反射率值變化較大，鏡質(zhì)體反射率整體亦存在隨深度增加而增高的趨勢(圖4)。

1—CYC1井?dāng)?shù)據(jù)；2—YYC1井?dāng)?shù)據(jù)圖4 魯西南含煤區(qū)鏡質(zhì)體反射率與深度關(guān)系圖

根據(jù)《頁巖氣資源儲量計(jì)算與評價(jià)技術(shù)規(guī)范》(DZ/T 0254—2014)對演化程度分類：小于1.3%為低，1.3%～2.0%為中，大于2.0%為高，CYC1井有機(jī)質(zhì)演化程度均為低，YYC1井74件樣品中57件演化程度屬低，占77.03%，8件演化程度屬中，占10.81%，9件演化程度屬高，占12.16%。整體來看魯西南含煤區(qū)鏡質(zhì)體反射率主體在0.7%～2.0%，說明有機(jī)質(zhì)已進(jìn)入生烴階段。

4 儲層物性特征

頁巖氣為自生自儲的非常規(guī)天然氣，儲層的礦物成分組成、物性、微裂隙發(fā)育程度等對頁巖氣開發(fā)生產(chǎn)具有重要影響，其中脆性礦物含量是影響頁巖氣壓裂及產(chǎn)能的重要因素。

4.1 脆性礦物

頁巖氣產(chǎn)層的改造、壓裂難易程度與脆性礦物含量多少具有直接關(guān)系[19-22]，因此脆性礦物含量是儲層評價(jià)的重要參數(shù)之一?！俄搸r氣資源儲量計(jì)算與評價(jià)技術(shù)規(guī)范》(DZ/T 0254—2014)要求頁巖氣儲層脆性礦物不低于30%。

山西組和太原組泥頁巖分析數(shù)據(jù)顯示，魯西南含煤區(qū)巖石中脆性礦物主要為：石英、長石、碳酸鹽巖、黃鐵礦等。脆性礦物總含量為15.77%～91.39%，大部分在30%～60%，平均為55.70%，巖石中脆性礦物含量分類[23]為高脆性礦物含量。其中石英含量3.48%～74.12%，平均38.57%，長石含量0～29.53%，平均7.83%，碳酸鹽含量0～83.16%，平均4.75%，黃鐵礦含量0～45.00%，平均2.96%。

YYC1井和LYC1井56件樣品中脆性礦物含量小于30%的樣品僅5件，占樣品總數(shù)的8.77%，說明魯西南含煤區(qū)泥頁巖從脆性礦物含量分析，有利于壓裂改造。

4.2 黏土礦物

泥頁巖中除有機(jī)質(zhì)吸附甲烷之外，黏土礦物對甲烷也具有吸附作用[14-28]，蒙脫石為黏土礦物中對甲烷的吸附性能最強(qiáng)者。同時(shí)黏土礦物對當(dāng)時(shí)的沉積環(huán)境具有較強(qiáng)的敏感性。

魯西南含煤區(qū)YYC1井、LYC1井山西組和太原組巖石中黏土礦物主要為：高嶺石、伊利石/蒙脫石混層、伊利石、綠泥石等。其中，高嶺石占5%～68%，平均30.77%，伊利石/蒙脫石混層占0～81%，平均30.25%，伊利石占0～94%，平均24.82%，另外綠泥石占0～37%，平均12.77%。

魯西南含煤區(qū)黏土礦物中伊利石和高嶺石的含量均較高，蒙脫石檢出值很小或未檢出，說明在古溫壓條件下蒙脫石已轉(zhuǎn)化為伊利石、高嶺石、綠泥石或伊利石/蒙脫石混層。魯西南含煤區(qū)YYC1井和LYC1井黏土礦物中均含有一定量綠泥石，說明古沉積環(huán)境中含有一定量的Fe2+、Mg2+，并存在酸堿環(huán)境的變化。

4.3 微孔隙發(fā)育特征

通過對LYC1井山西組和太原組泥頁巖巖心進(jìn)行自然斷面電鏡掃描發(fā)現(xiàn)，泥頁巖中微裂隙發(fā)育，除微裂隙外還發(fā)育礦物間隙、礦物顆粒內(nèi)部溶蝕孔、泥?？?、碎屑表面溶蝕孔等。發(fā)育大小從幾納米到幾微米(圖5)，微裂隙的發(fā)育利于游離氣的儲存和運(yùn)移[29-30]，對后期壓裂改造和提高產(chǎn)能具有重要意義。

圖5 LYC1井(掃描電鏡下)巖石微裂隙發(fā)育特征

4.4 巖石密度

巖石密度與地層所受的溫壓條件密切相關(guān)，從YYC1井11件視密度樣品顯示，山西組和太原組泥頁巖視密度值在2.55～2.74m3/t，平均值為2.68m3/t。從視密度值與樣品埋深關(guān)系來看，YYC1井泥頁巖巖石視密度值隨深度增加而增大的趨勢明顯(圖6)。

圖6 YYC1井泥頁巖視密度分布圖

4.5 孔隙度、滲透率特征

孔隙度是儲層的一項(xiàng)重要物性參數(shù)，一般情況下泥頁巖孔隙、裂隙越發(fā)育，游離氣富集程度越高，同時(shí)孔隙度的增加增大了有機(jī)質(zhì)的吸附表面積，利于頁巖氣的吸附[31]。滲透率是判斷頁巖氣藏是否具有開發(fā)經(jīng)濟(jì)價(jià)值的重要參數(shù)，泥頁巖的基礎(chǔ)滲透率一般都非常低，但隨著裂縫的發(fā)育而會大幅度提高。

山西組泥頁巖孔隙度為0.999%～2.886%，平均1.713%，滲透率為0.140～0.800mD，平均0.3 48mD。太原組泥頁巖孔隙度為1.126%～10.357%，平均3.792%，滲透率為0.200～2.620mD，平均0.510mD；灰?guī)r孔隙度為2.298%～9.410%，平均5.215%，滲透率為0.140～0.490mD，平均0.315mD(表3)。

表3 石炭—二疊系泥頁巖孔隙度與滲透率一覽表

山西組和太原組泥頁巖大部分孔隙度值為1%～5%之間，屬于特低—低頁巖氣層孔隙度，滲透率均小于1mD，屬于特低頁巖氣層空氣滲透率。從山西組和太原組泥頁巖滲透率和孔隙度分析，特低—低頁巖氣層孔隙度和特低頁巖氣層空氣滲透率不利于后期頁巖氣產(chǎn)能的提高。

5 含氣性特征

5.1 現(xiàn)場解析試驗(yàn)

現(xiàn)場解析試驗(yàn)是獲取泥頁巖含氣量最直接的方法，也是公認(rèn)的最接近頁巖實(shí)際含氣量的方法[32-34]。通過現(xiàn)場解析試驗(yàn)獲取魯西南含煤區(qū)泥頁巖、粉砂巖含氣量大部分小于0.5m3/t，少數(shù)樣品超過1.0m3/t。煤層含氣量明顯高于泥頁巖含氣量，絕大部分樣品大于1.0m3/t，最大值達(dá)9.15m3/t，靠近煤層的泥頁巖、粉砂巖、砂巖含氣量明顯高于遠(yuǎn)離煤層的同巖性巖石的含氣量。魯西南含煤區(qū)的CYC1井、YYC1井、LYC1井泥頁巖總含氣量相近一般在0.20～0.50m3/t。

5.2 等溫吸附試驗(yàn)

等溫吸附試驗(yàn)是模擬地層溫壓條件下巖石的最大吸附能力，一般是獲取恒定溫度不同壓力下吸附氣量數(shù)據(jù)，求得蘭格繆爾(langmuir)方程中Langmuir體積VL和Langmuir壓力PL，蘭格繆爾(langmuir)方程為(式1)：

(式1)

V—吸附氣量(m3/t)；VL—Langmuir體積(cm3/g)；PL—Langmuir壓力(MPa)；P—地層實(shí)際壓力(MPa)。

依據(jù)試驗(yàn)獲取的Langmuir體積、Langmuir壓力和地層壓力，求得飽和吸附氣量。魯西南含煤區(qū)采集煤巖樣品及LYC1井泥頁巖樣品進(jìn)行等溫吸附試驗(yàn)，深度按1000m，地層壓力按正常地壓(壓力系數(shù)1.0)計(jì)算，結(jié)果見表4。

表4 魯西南含煤區(qū)吸附氣量計(jì)算表

通過計(jì)算可以看出魯西南含煤區(qū)煤的飽和吸附氣量9.02～14.85m3/t，泥頁巖最大吸附氣量遠(yuǎn)小于煤層，僅為2.33～2.88m3/t。泥頁巖的最大吸附氣量遠(yuǎn)大于解析氣量，說明泥頁巖遠(yuǎn)未達(dá)到飽和吸附狀態(tài)，具備吸附氣的存儲能力。

6 結(jié)論

(1)山西組和太原組是魯西含煤區(qū)海陸交互相沉積地層最為發(fā)育層位，暗色泥頁巖發(fā)育累計(jì)厚度100～200m。

(2)山西組和太原組暗色泥頁巖含豐富有機(jī)質(zhì)，有機(jī)碳含量為0.6%～3.0%，以中等烴源巖為主，干酪根類型以Ⅲ型為主，鏡質(zhì)體反射率為0.7%～2.0%，有機(jī)質(zhì)已進(jìn)入生氣階段，具備頁巖氣生成的物質(zhì)基礎(chǔ)和演化程度。

(3)山西組和太原組暗色泥頁巖礦物成分中脆性礦物主要在30%～60%之間，脆性礦物以石英、長石為主，巖石微裂隙、微孔隙發(fā)育，礦物成分和微裂隙發(fā)育情況有利于頁巖氣的儲集和儲層的壓裂、改造?？紫抖戎饕?%～5%之間，滲透率小于1mD，孔滲條件不利于后期頁巖氣產(chǎn)能的提高。山西組和太原組暗色泥頁巖解析氣量0.15～0.30m3/t，最大吸附氣量為2.33～2.88m3/t，暗色泥頁巖具備吸附氣的存儲能力。

(4)魯西南含煤區(qū)海陸交互相沉積泥頁巖具備頁巖氣形成的物質(zhì)基礎(chǔ)、演化程度、儲集空間及壓裂脆性條件，可作為山東省頁巖氣勘查的選擇層位。