趙　勇，劉　予，李瑞杰，吳虎峻

（北京市地質(zhì)調(diào)查研究院，北京100195）

京西凹陷上古生界頁巖氣資源潛力分析

趙勇，劉予，李瑞杰，吳虎峻

（北京市地質(zhì)調(diào)查研究院，北京100195）

京西凹陷經(jīng)歷了地臺結(jié)晶基底-蓋層發(fā)育-板內(nèi)造山復(fù)雜構(gòu)造演化三個階段。在晚奧陶世-早石炭世處于隆起剝蝕區(qū)，自晚石炭世開始由東南向西北的海侵和早二疊紀(jì)自西北向東南海退的總趨勢，其間伴有多次小規(guī)模海水進(jìn)退事件的發(fā)生，使本區(qū)堆積了濱海湖沼、三角洲-沼澤相的深色泥頁巖、含煤建造。地層主要分布上石炭統(tǒng)太原組和下二疊統(tǒng)山西組黑色泥頁巖。本次針對太原、山西組含頁巖層系開展野外調(diào)查研究，在樣品測試，含氣量初評的基礎(chǔ)上，對京西凹陷上古生界頁巖氣資源前景進(jìn)行初步評價。研究表明，本區(qū)上古生界石炭-二疊系太原組-山西組有機(jī)質(zhì)豐度較高、有機(jī)質(zhì)類型好、達(dá)成熟-過成熟階段，具有頁巖氣形成與富集的有利地質(zhì)條件，可作為京西地區(qū)上古生界的生烴層位。經(jīng)采用概率體積法進(jìn)行頁巖氣資源評價，估算其潛在資源量約為8.12×108m3，表明該區(qū)域具有一定的頁巖氣資源勘探前景。

頁巖氣；上古生界；資源潛力；京西凹陷

前人在北京西山地區(qū)開展的地質(zhì)工作已有上百年的歷史，取得大量基礎(chǔ)地質(zhì)、礦產(chǎn)、遙感、水文、環(huán)境、工程地質(zhì)等各類成果，資料十分豐富。給后人研究奠定了堅(jiān)實(shí)的資料基礎(chǔ)和工作依據(jù)。但在非常規(guī)油氣（頁巖氣）地質(zhì)調(diào)查基本處于空白區(qū)。頁巖氣是指主體位于暗色泥頁巖或高碳泥頁巖中、以吸附或游離狀態(tài)為主要存在方式的天然氣聚集［1-2］。本次工作在京西凹陷開展頁巖氣資源前景調(diào)查工作，根據(jù)泥頁巖沉積與分布特征、有機(jī)地化參數(shù)、含氣性、儲集特征等進(jìn)行頁巖氣資源潛力分析，采用概率體積法對其資源量進(jìn)行了估算，認(rèn)為本區(qū)上古生界黑色泥頁巖具有一定的頁巖氣勘探前景。該研究可對首都地區(qū)尋找非常規(guī)天然氣清潔能源提供基礎(chǔ)性材料。

1　京西凹陷區(qū)域地質(zhì)背景

京西凹陷大地構(gòu)造位置位于太行山褶皺帶西山褶皺帶（圖1），面積約500 km2。本區(qū)從太古宙以來經(jīng)歷了前呂梁期的地臺結(jié)晶基底形成發(fā)展、后呂梁期-印支期的地臺蓋層發(fā)育和燕山-喜馬拉雅濱太平洋大陸邊緣活動3個構(gòu)造發(fā)展階段，地質(zhì)構(gòu)造漫長而復(fù)雜［3-4］。在晚奧陶世-早石炭世地臺整體抬升，處于隆起剝蝕區(qū)，沉積缺失，大約延續(xù)140Ma，發(fā)育了一古風(fēng)化殼。晚石炭世-中三疊世，本區(qū)再次下沉接受沉積，沉積環(huán)境由濱海平原向內(nèi)陸河湖盆地發(fā)展，沉積一套海陸交互相過渡為陸相含煤碎屑巖及不含煤的雜色碎屑巖系。

2　頁巖氣形成與富集條件

京西凹陷上古生界發(fā)育的泥頁巖層位穩(wěn)定，主要分布于上石炭統(tǒng)太原組、早二疊統(tǒng)山西組，面積分布較大，沉積厚度適中，泥頁巖層段富含有機(jī)質(zhì)且有機(jī)質(zhì)類型較好，大多處于成熟-過成熟階段，具備一定的頁巖氣形成條件。

2.1泥頁巖的分布

研究區(qū)泥頁巖主要發(fā)育在上古生界石炭-二疊系太原-山西組地層中，太原-山西組發(fā)育深灰色泥巖、黑色頁巖、炭質(zhì)粉砂巖、砂巖等。據(jù)本次野外路線地質(zhì)調(diào)查、露頭剖面測量與老井資料復(fù)查，結(jié)合區(qū)域構(gòu)造和沉積地層分布特征，其泥頁巖層系分布較穩(wěn)定，呈北東-南西向分布，在凹陷南部邊沿沿秋林鋪-蓮花庵-史家營-金雞臺一線展布，泥頁巖層段在史家營-金雞臺地區(qū)厚度較大（圖1）。在沉積上，地層表現(xiàn)為頻繁的砂泥互層現(xiàn)象，累計厚度相對較大，夾層發(fā)育，單層有效厚度變化較大，部分夾煤層或煤線，局部暗色泥頁巖可見植物化石?？傮w上，太原組-山西組泥頁巖層系有效累計厚度約50余米（圖2）。

圖1　大地構(gòu)造位置及地質(zhì)構(gòu)造簡圖Fig.1 Schematic map o f geo logica land tectonic o f study a rea

2.2泥頁巖有機(jī)地球化學(xué)特征

本次研究對太原組-山西組地表實(shí)測剖面和地下鉆井進(jìn)行泥頁巖樣品采集，地表采集樣品17件，鉆井中采集17件。分析化驗(yàn)發(fā)現(xiàn)（表1），有機(jī)碳含量為0.29%～6.54%，其中有機(jī)碳含量大于2.0%的占53%，大于1.0%的占21%（圖3），按照TOC豐度評價標(biāo)準(zhǔn)［5］，總體屬于中等-好烴源巖，是一套重要的富有機(jī)質(zhì)頁巖層系。

本次根據(jù)典型樣品有機(jī)顯微組分分析結(jié)果（表2），有機(jī)質(zhì)類型主要為腐泥腐植型干酪根Ⅱ2型。其中顯微組分主要腐泥組為主（腐泥無定型），其次為惰質(zhì)組，缺乏腐殖無定形、鏡質(zhì)組和殼質(zhì)組。從腐泥組分的顯微組成特征來看，無定形呈現(xiàn)黃色熒光表明（圖4），具有一定的生烴潛力。

表1　泥頁巖有機(jī)碳（TOC）含量測試數(shù)據(jù)表Tab le 1 TOC data o f the c lay sha le sam p les

表2　泥頁巖干酪根顯微組分鑒定數(shù)據(jù)表Tab le 2 M ic ro-com poseition o f ke rogen in the c lay sha le sam p les

鏡質(zhì)體反射率測試結(jié)果表明，暗色泥頁巖的成熟度（Ro）在0.22%～5.38%之間，平均2.65%（圖5），該套泥頁巖層系總體演化程度較高，達(dá)成熟-過成熟階段，進(jìn)入生氣階段。

2.3泥頁巖儲集特性

圖2　含泥頁巖地層柱狀圖Fig.2 Com p rehensive stratigraphic co lumn o f the c lay sha le

圖3　泥頁巖樣品有機(jī)碳含量（TOC）圖Fig.3 TOC frequency o f the c lay sha le sam p les

通過對上古生界太原組-山西組泥頁巖露頭和鉆井樣品物性分析，泥頁巖儲層具超低孔、低滲致密的物性特征。泥頁巖物性分析中，孔隙度分布區(qū)間為0.172%～9.4%，平均值 1.93%。滲透率為0.001 6×10-3μm2～0.043 8×10-3μm2，平均值0.007×10-3μm2。

掃描電鏡特征顯示，本區(qū)泥頁巖微孔隙和微裂縫等較發(fā)育。其中微孔隙可分為溶孔、泥質(zhì)層間微孔、微孔縫、晶間微孔隙等（圖6）。微裂縫的產(chǎn)生可能與斷層和褶皺等構(gòu)造運(yùn)動有關(guān)。微裂縫和孔隙的發(fā)育為頁巖氣的游離富集和吸附提供儲滲空間。

本次據(jù)鉆孔典型黑色泥頁巖樣品粘土礦物及全巖X-射線衍射分析，暗色泥頁巖的礦物成分主要為碎屑礦物和粘土礦物。其中碎屑礦物含量在14.9%～64%之間，成分主要為石英和少量的鉀長石和斜長石，粘土礦物含量在36%～85.1%之間。測試結(jié)果顯示，泥頁巖全巖礦物中，粘土礦物所占比重比較大，普遍在50%以上，主要的脆性礦物石英含量主要落在12.6%～59%之間（圖7、8）。

2.4等溫吸附模擬

頁巖等溫吸附曲線是描述頁巖儲存氣體能力的曲線，在恒溫下頁巖吸附氣量是壓力的函數(shù)。本次實(shí)驗(yàn)采用儀器FY-KT 1000型等溫吸附儀。樣品制備過程將每個樣品取120～200 g，破碎至60目以下，噴灑蒸餾水，使其預(yù)濕，充分混合后，再放入底部裝有過飽和K2SO4溶液的恒溫箱中，該溶液可以使相對濕度保持在97%～98%之間。間隔24小時稱重一次，直到恒重為止，過程持續(xù)約3天。其實(shí)驗(yàn)過程如下：

（1）將預(yù)處理達(dá)到平衡水分的樣品準(zhǔn)確稱重，密封在實(shí)驗(yàn)缸內(nèi)，溫度控制精度為0.1℃，壓力測量精度為0.1 psi。

（2）氣密性檢查：用氦氣作測量氣體，調(diào)節(jié)溫度，系統(tǒng)采集參考缸和樣品缸的壓力數(shù)據(jù)，壓力平衡視為氣密性良好。

（3）自由空間體積測定：根據(jù)質(zhì)量守恒定律，采用容量法，用不被煤吸附的氦氣作為測量氣體，需重復(fù)3～4次，使測量結(jié)果可靠。

（4）等溫吸附實(shí)驗(yàn)：首先確定最高壓力點(diǎn)和各實(shí)驗(yàn)壓力點(diǎn)，注入甲烷氣，測定8個壓力點(diǎn)，從大氣壓力向設(shè)計的最高壓力平穩(wěn)增加。每一個壓力點(diǎn)達(dá)到平衡的時間不小于12小時，然后再增壓到下一個壓力點(diǎn)，逐漸加壓至最終壓力。

圖4　有機(jī)顯微微觀組分特征Fig.4 Characteristics o fm icro-com poseition o f kerogen

圖5　泥頁巖樣品成熟度（Ro）柱狀圖Fig.5 Ro o f the c lay sha le sam p les

圖6　泥頁巖微孔隙與微裂縫特征Fig.6 Characteristics o fm iro-pore and m icro-fracture in b lack sha le

圖7　上古生界（太原組-山西組）泥頁巖粘土礦物含量組成分布圖Fig.7 Co lumnar section o f com ponents o f clay m inera l in the sha le，Upper Pa leozoic

圖8　上古生界（太原組-山西組）泥頁巖全巖礦物組分組成分布圖Fig.8 Co lum na r sec tion o f com ponen ts o f rock m ine ra logica l in the sha le，Uppe r Pa leozoic

數(shù)據(jù)處理：根據(jù)自由空間測定的數(shù)據(jù)，計算樣品自由空間體積。根據(jù)吸附過程中每一點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)壓力，利用理想氣體定律，分別計算每點(diǎn)的吸附量，通過回歸得到一條曲線，即等溫吸附曲線，遵循Langmuir等溫吸附關(guān)系［6］：

V=VL×P/（PL+P）

式中：V為在壓力P下單位體積儲層里吸附氣的體積（m3/t）；VL為Langmuir壓力，表示吸附劑的最大吸附體積（m3/t）；P為地層壓力（MPa）；PL為Langmuir壓力（MPa）。

本次選取鉆井中8件富含有機(jī)質(zhì)泥頁巖樣品進(jìn)行等溫吸附實(shí)驗(yàn)，樣品編號及其測試結(jié)果如下表3。

本次取吸附氣含量為各樣品測得的Langmuir體積（VL）的1/2估算，即V=1/2VL，計算得出含氣量平均值（q）1.22m3/t。

從上述做等溫吸附實(shí)驗(yàn)的8件樣品中選出5件樣品，根據(jù)它們的巖石礦物測試參數(shù)，見表4，結(jié)合其等溫吸附模擬實(shí)驗(yàn)吸附曲線變化趨勢（圖9），進(jìn)行頁巖氣含氣量影響因素綜合評價。分析結(jié)果顯示，吸附能力最強(qiáng)的是YZK-18-2樣品，其次是YZK-48-1、YZK-50-2、YZK-20-2、YZK-48-3?？梢姡S著TOC含量的不斷增加，其吸附氣含量明顯呈逐步上升趨勢。

表3　含氣量測試數(shù)據(jù)表Tab le 3 Gas content o f the c lay sha le

表4　泥頁巖全巖X衍射分析及有機(jī)碳含量數(shù)據(jù)表（%）Tab le 4　Who le rock X-ray diffraction and TOC frequency

圖9　泥頁巖樣品等溫吸附曲線圖Fig.9 Methane adsorp tion isotherm o f the c lay shale

3　頁巖氣資源量估算

由于京西凹陷油氣勘探程度低，非常規(guī)油氣（頁巖氣）勘探處于空白區(qū)。本次資源量預(yù)測在含氣性實(shí)驗(yàn)測試基礎(chǔ)上，采用概率體積法對資源進(jìn)行評估［7-10］。依據(jù)概率體積法基本原理，頁巖氣資源量為泥頁巖質(zhì)量與單位質(zhì)量泥頁巖所含天然氣（含氣量）之概率乘積。

假設(shè)Qt為頁巖氣資源量（108m3），A為含氣泥頁巖面積（km2），h為有效頁巖厚度（m），ρ為泥頁巖密度（t/m3），q為含氣量（m3/t），則，

q=VLP/（PL+P）（VL為Langmuir體積；P為地層壓力；PL為Langmuir壓力）

泥頁巖含氣量是頁巖氣資源計算和評價過程中的關(guān)鍵參數(shù)［11-13］。在本次實(shí)際工作中，含氣量參數(shù)主要是依據(jù)等溫吸附實(shí)驗(yàn)法，即將待實(shí)驗(yàn)樣品置于近似地下溫度的環(huán)境中，模擬并計量不同壓力條件下的最大吸附氣量。考慮頁巖氣主要以吸附狀態(tài)存在于泥頁巖地層中［14-15］，故以此來估算頁巖氣吸附氣資源量。

根據(jù)京西凹陷區(qū)域面積（A）500 km2，有效頁巖厚度（h）50m，泥頁巖密度（ρ）2.63 t/m3，含氣量平均值（q）1.22m3/t，估算頁巖氣潛在資源量約為Qt= 0.01·A·h·ρ·q=8.12×108m3。

4　結(jié)論

經(jīng)綜合分析認(rèn)為，研究區(qū)京西凹陷上古生界石炭-二疊系黑色頁巖有機(jī)質(zhì)豐度較高、有機(jī)質(zhì)類型好、處于成熟-過成熟階段，泥頁巖具備儲、滲條件，經(jīng)概率體積法估算其潛在資源量約為800×108m3，表明京西凹陷具有一定的頁巖氣資源勘探前景。

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An Analysisof Resource Potentialon Upper Paleozoic Shale Gas in Depression ofWestern Beijing

ZHAOYong，LIUYu，LIRui-jie，WUHu-jun
（Beijing InstituteofGeological Survey，Beijing 100195，China）

The Jingxisag hasexperienced three stagesof complex tectonic evolution thatcontain platform crystalline basement，caprock developmentand intraplateorogeny.Itwas in the uplift and denudation zone during late Ordovician toearly Carboniferousepoch.The transgression starts from southeast tonorthwestsince late Carboniferousand the regression starts from northwest tosoutheast.Meantime，many small-scale transgressive and regressive eventsoccured.General trendof transgression and regression makes the area accumulating the dark mud shale and coal bearing constructionof littoral-limnetic facies and delta-swamp facies.The formation is composed of blackmud shale thatmainly distributeson Taiyuan Groupof Upper Carboniferous and ShanxiGroupof lower Perm ian series.Baseon geologicalsurvey，the shalegas resources are evaluated prelim inarilyon the basis sample tests and gas contentassessmentof Upper Palaeozoic Shanxiand Taiyuan Group in the depression westof Beijing.The results show that the Carboniferous strata have aw ide distribution，w ith variable single layer thickness，well developed darkmudstones and abundantorganicmatter.The abundanceof hydrocarbon source rocks ismedium togood，and theorganicmatter ismainlyof typeⅡ1，the thermal evolutionoforganicmatter has entered the highmature-overmature stage and consistsmainlyof dry gas.The study area has the basic geological conditionsof producing shale gas.By a probability volumemethod，it shows that Upper Palaeozoic Shanxiand Taiyuan Group shalegas resource isof certain value forexploration developmentw ith volumeof 800×108m3.

shalegas；Upper Palaeozoic；resource potential；depressionofwestern Beijing

P618.13

A

1672－4135（2015）04－0284-07

2015-06-02

中國地質(zhì)調(diào)查“重點(diǎn)地區(qū)頁巖氣資源調(diào)查評價專題-京西地區(qū)頁巖氣資源前景調(diào)查評價（1211302108025-3）”

趙勇（1983-），男，工程師，2011年畢業(yè)于中國地質(zhì)大學(xué)構(gòu)造地質(zhì)專業(yè)，從事地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查與研究工作，E-mail：zhaoyong3068@163.com。