劉鵬，朱炎銘，王懷勐，王毅，謝康珍（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)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；.山東泰山地質(zhì)勘查公司，山東 泰安 271000）

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地質(zhì)勘探

膠萊盆地水南組頁(yè)巖氣成藏條件與勘探方向

劉鵬1，2，朱炎銘1，2，王懷勐3，王毅1，2，謝康珍1，2
（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)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.山東泰山地質(zhì)勘查公司，山東 泰安 271000）

膠萊盆地是中國(guó)東部典型的中生代斷陷盆地，陸相湖盆背景下沉積的水南組發(fā)育較厚的富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖，是頁(yè)巖氣成藏的有利區(qū)，分析其成藏條件對(duì)于明確該區(qū)頁(yè)巖氣下一步勘探方向具有重要意義。鑒于此，文中依據(jù)頁(yè)巖氣成藏的重要參數(shù)，以野外調(diào)查資料為基礎(chǔ)，結(jié)合室內(nèi)多種測(cè)試手段，從沉積環(huán)境、泥頁(yè)巖分布、有機(jī)質(zhì)豐度及類型、有機(jī)質(zhì)成熟度、孔裂隙特征、礦物組分以及含氣性等7個(gè)方面與鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組7段泥頁(yè)巖進(jìn)行頁(yè)巖氣成藏地質(zhì)條件對(duì)比，并采用綜合信息疊加法進(jìn)行勘探目標(biāo)區(qū)預(yù)測(cè)。結(jié)果表明，研究區(qū)萊陽(yáng)凹陷西南部、夏格莊洼陷中部和諸城凹陷北部具備頁(yè)巖氣富集成藏的條件，可作為下一步頁(yè)巖氣有利勘探目標(biāo)。

陸相頁(yè)巖氣；成藏條件；勘探方向；水南組；膠萊盆地

頁(yè)巖氣是指賦存于泥頁(yè)巖中、主要以吸附和游離狀態(tài)存在的非常規(guī)天然氣［1-3］。我國(guó)頁(yè)巖氣資源豐富，海相、陸相以及海陸過(guò)渡相資源皆有分布，但成藏地質(zhì)條件復(fù)雜，目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此已經(jīng)進(jìn)行了許多卓有成效的研究［4-9］。

四川盆地［10］、鄂爾多斯盆地［11］及南襄盆地［12］頁(yè)巖氣已獲工業(yè)氣流，證實(shí)了我國(guó)陸相頁(yè)巖氣資源的巨大潛力。本文認(rèn)為，在陸相盆地的頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)過(guò)程中，除利用傳統(tǒng)海相頁(yè)巖評(píng)價(jià)方法以外，同時(shí)也應(yīng)注重與陸相頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)成功的地區(qū)對(duì)比。中國(guó)東部的膠萊盆地水南組發(fā)育一套湖相早白堊世富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖，自20世紀(jì)五、六十年代以來(lái)，勝利油田針對(duì)該套地層做了大量工作，但未取得突破性成果。在此基礎(chǔ)上，筆者通過(guò)野外地質(zhì)調(diào)查、實(shí)驗(yàn)測(cè)試等手段，綜合分析了該區(qū)水南組泥頁(yè)巖發(fā)育的地質(zhì)背景和頁(yè)巖氣成藏地質(zhì)條件，并與鄂爾多斯盆地晚三疊世延長(zhǎng)組7段進(jìn)行對(duì)比，提出了該區(qū)的勘探方向，以期對(duì)膠萊盆地今后的頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)具有指導(dǎo)作用。

1　地質(zhì)背景

膠萊盆地位于山東省東部，是中國(guó)東部典型的中生代陸相斷陷盆地［13］。該盆地南部以五榮斷裂為界，西與郯廬斷裂帶相鄰，北接膠北隆起，呈NE向展布，面積約11 519 km2。

根據(jù)斷塊構(gòu)造特征、基底起伏等情況，可將膠萊盆地劃分為萊陽(yáng)凹陷、大野頭凸起、海陽(yáng)凹陷、高密凹陷、柴溝地壘、諸城凹陷和牟平—即墨斷裂帶7個(gè)構(gòu)造單元，其中高密凹陷又分為平度洼陷、夏格莊洼陷、李黨家—馬山凸起和高密洼陷等次級(jí)構(gòu)造單元（見(jiàn)圖1）。

圖1　膠萊盆地構(gòu)造概況

陸相頁(yè)巖氣目的層發(fā)育于萊陽(yáng)群中段水南組，由于郯廬斷裂和牟平—即墨斷裂的走滑運(yùn)動(dòng)以及新生代的構(gòu)造抬升作用［14］，導(dǎo)致水南組頁(yè)巖主要分布在萊陽(yáng)凹陷、夏格莊洼陷、平度洼陷、諸城凹陷以及海陽(yáng)凹陷。

2　泥頁(yè)巖地質(zhì)特征

2.1泥頁(yè)巖分布

相對(duì)海相頁(yè)巖而言，我國(guó)陸相泥頁(yè)巖，尤其是斷陷湖盆中的富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖，具有沉積速度快，累計(jì)厚度大，區(qū)域性差異大等特征，且常夾有砂巖、煤層等其他薄層巖性組合［15-19］。本文將水南組一套灰黑色以泥頁(yè)巖為主的泥頁(yè)巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖湖相巖性組合作為富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖。受該區(qū)構(gòu)造活動(dòng)的影響，水南組泥頁(yè)巖空間展布特征呈現(xiàn)明顯的差異性，如萊陽(yáng)凹陷泥頁(yè)巖厚度60～160 m，埋深500～3 000 m；諸城凹陷泥頁(yè)巖厚度40～120 m，埋深2 000～3 500 m；夏格莊洼陷泥頁(yè)厚度80～200 m，埋深500～2 500 m；平度洼陷泥頁(yè)巖厚度小于40 m，埋深在1 500～2 500 m。與鄂爾多斯盆地分布面積較大的延長(zhǎng)組7段泥頁(yè)巖 （夾砂巖、粉砂巖，厚度為30～120 m，埋深在700～2 600 m［20］）對(duì)比發(fā)現(xiàn)，水南組泥頁(yè)巖在盆地內(nèi)部的分布較為局限，埋深整體較為接近，但其累計(jì)厚度較延長(zhǎng)組7段大，為頁(yè)巖氣的生成與儲(chǔ)存奠定了良好的物質(zhì)基礎(chǔ)。

2.2有機(jī)質(zhì)豐度及類型

天然氣可以吸附在頁(yè)巖的礦物顆粒及有機(jī)質(zhì)表面，因此有機(jī)質(zhì)豐度不僅決定頁(yè)巖的生氣量，也直接影響了頁(yè)巖的含氣量，通常用有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)（TOC）來(lái)評(píng)價(jià)有機(jī)質(zhì)豐度［21-24］。美國(guó)五大頁(yè)巖中的有機(jī)質(zhì)豐度一般在1.50%～20.00%，通常認(rèn)為TOC大于0.5%的頁(yè)巖是有潛力的源巖［25］。

鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組7段鉆井巖心的TOC一般為2.54%～6.16%，平均為3.74%，干酪根類型為Ⅰ1—Ⅱ2，偏向腐泥型、混合型［26］。水南組泥頁(yè)巖露頭多表現(xiàn)為深灰—灰黑色，風(fēng)化剝蝕嚴(yán)重的地區(qū)為灰綠色。在漫長(zhǎng)的地質(zhì)歷史變遷中，水南組頁(yè)巖雖然經(jīng)歷了多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和風(fēng)化淋濾的破壞作用，但野外剖面樣品仍顯示良好的有機(jī)質(zhì)豐度。地化測(cè)試分析結(jié)果顯示，水南組泥頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)豐度主體在1.50%以上，雖不如延長(zhǎng)組7段的高，但仍是具有潛力的烴源巖。干酪根類型以Ⅱ1，Ⅱ2型為主，且與延長(zhǎng)組7段同樣具有混合型特點(diǎn)（見(jiàn)表1）。因此，作為源巖，水南組泥頁(yè)巖顯示了良好的生油氣潛力。

表1　膠萊盆地水南組泥頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)類型及豐度

2.3有機(jī)質(zhì)成熟度

水南組泥頁(yè)巖樣品鏡質(zhì)體反射率Ro分布在0.80%～1.42%（見(jiàn)表2），說(shuō)明研究區(qū)頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)熱演化均已進(jìn)入成熟階段，并已經(jīng)生成少量的天然氣。在諸城皇華店地區(qū)，Ro呈現(xiàn)高值，分析認(rèn)為，該地區(qū)受南部巖漿活動(dòng)影響，加快了有機(jī)質(zhì)的演化速度。

鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組7段有機(jī)質(zhì)的成熟度與水南組頁(yè)巖類似，其Ro值主要分布在0.65%～1.09%［27］，這一點(diǎn)也證實(shí)了水南組的生烴潛力。

表2　膠萊盆地水南組泥頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)成熟度

2.4孔裂隙特征

頁(yè)巖氣賦存方式表現(xiàn)為多樣性，但主要以游離氣和吸附氣的形式存在，且以基質(zhì)孔隙和次生裂縫為主要存儲(chǔ)空間［28］。泥頁(yè)巖剖面樣品掃描電鏡照片（見(jiàn)圖2）顯示，水南組泥頁(yè)巖主要發(fā)育有機(jī)質(zhì)孔、粒內(nèi)孔、粒間孔等基質(zhì)孔隙，且頁(yè)巖中發(fā)育較多的張性微裂縫，裂縫寬度主要分布范圍為0.3～0.9 μm，裂縫長(zhǎng)度從幾微米到幾百微米不等。各種孔裂隙為頁(yè)巖氣運(yùn)移和儲(chǔ)集提供了良好的空間。

圖2　膠萊盆地水南組泥頁(yè)巖孔縫特征

水南組泥頁(yè)巖主要發(fā)育介孔，孔徑分布在8.0～18.0 nm，平均為13.3 nm，發(fā)育一定的微孔（小于2 nm）和宏孔（大于50 nm）。其中介孔體積占總孔體積的75.70%，宏孔及微孔體積分別占14.95%和9.40%，總孔體積（介孔、微孔和宏孔體積之和）為28.4～59.1 μL/ g，平均為40.6 μL/g。聯(lián)合對(duì)比介孔、微孔以及宏孔的總比表面積（見(jiàn)圖3）表明，微孔和介孔提供主要的比表面積，微孔總比表面積在5.035～20.150 m2/g，平均為13.959 m2/g，介孔總比表面積介于1.300～15.845 m2/g，平均為8.895 m2/g，宏孔僅提供少量的比表面積。

圖3　膠萊盆地水南組頁(yè)巖孔隙比表面積分布

2.5礦物組分特征

一般認(rèn)為，理想的含氣頁(yè)巖礦物組分富含石英、碳酸鹽巖等脆性礦物，且黏土質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于30.00%［29］。研究區(qū)樣品X射線衍射實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：水南組頁(yè)巖黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)在21.60%～42.90%，平均為32.23%，主要由伊蒙混層、高嶺石、伊利石、綠泥石及綠蒙混層構(gòu)成；長(zhǎng)石、石英等脆性礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)在49.10%～53.60%，平均為51.10%；方解石、黃鐵礦等其他礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布在9.00%～28.10%，平均為16.93%。

王永煒等［29］研究發(fā)現(xiàn)，鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組7段富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖石英等脆性礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)在15.00%～56.00%，平均為31.10%，黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)在20.00%～77.00%，平均為44.50%。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，膠萊盆地水南組富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖脆性礦物更發(fā)育，更易在外力作用下形成誘導(dǎo)裂縫，從而增強(qiáng)頁(yè)巖氣的滲流能力。

2.6吸附性特征與含氣性分析

吸附態(tài)天然氣占比變化較大，為20%～85%［30］。但隨著國(guó)內(nèi)學(xué)者研究的不斷深入，普遍認(rèn)為20%明顯偏低，其占例應(yīng)在40%以上［31］。實(shí)驗(yàn)表明，水南組富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖吸附含氣量在0.63～0.95 cm3/g，平均為0.82 cm3/g，顯示了較強(qiáng)的吸附能力（見(jiàn)圖4）。

若吸附態(tài)天然氣能占天然氣賦存總量的50%，則頁(yè)巖含氣量可達(dá)1.64 cm3/g，說(shuō)明目標(biāo)層位具有較高的含氣量。鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組7段頁(yè)巖吸附氣量為0.34～1.35 cm3/g，平均為0.75 cm3/g。周文等［32］假設(shè)吸附氣占總含氣量的50%，估算的延長(zhǎng)組7段頁(yè)巖含氣量可達(dá)1.50 cm3/g。對(duì)比認(rèn)為，本文對(duì)水南組泥頁(yè)巖含氣量的估算具有較高的參考價(jià)值，表明該區(qū)頁(yè)巖具有良好的天然氣資源基礎(chǔ)。

圖4　膠萊盆地水南組泥頁(yè)巖等溫吸附曲線

2.7成藏條件對(duì)比

從基礎(chǔ)地質(zhì)條件、頁(yè)巖生烴條件以及儲(chǔ)層條件3個(gè)方面對(duì)比了膠萊盆地水南組和鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組7段頁(yè)巖氣的成藏條件（見(jiàn)表3）。兩者均發(fā)育半深湖—深湖相富有機(jī)質(zhì)泥巖，埋深接近且適中，具有相似的基礎(chǔ)地質(zhì)條件。兩者生烴條件的差異性主要體現(xiàn)在源巖厚度和有機(jī)質(zhì)豐度2個(gè)方面，鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組7段有機(jī)質(zhì)豐度明顯高于膠萊盆地水南組，但水南組富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖厚度優(yōu)于延長(zhǎng)組7段，在一定程度上彌補(bǔ)了有機(jī)質(zhì)豐度上的不足。延長(zhǎng)組7段頁(yè)巖孔徑比水南組頁(yè)巖好，但其總的孔隙體積明顯弱于后者，且水南組頁(yè)巖脆性礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于前者，在資源開(kāi)發(fā)過(guò)程中具有更好的可改造性，能更好地改善泥頁(yè)巖的滲流能力，形成高產(chǎn)。

表3　延長(zhǎng)組7段與水南組頁(yè)巖氣成藏地質(zhì)條件對(duì)比

3　勘探方向分析

膠萊盆地水南組泥頁(yè)巖厚度大，埋深適中，有機(jī)質(zhì)豐度、成熟度中等，含氣量高，儲(chǔ)層孔裂隙發(fā)育，可改造性好。綜合分析認(rèn)為，該區(qū)具有頁(yè)巖氣成藏的良好地質(zhì)條件。參考國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)陸相頁(yè)巖氣評(píng)價(jià)參數(shù)的分析［33］，結(jié)合膠萊盆地已有資料，將勘探方向優(yōu)選指標(biāo)定為：泥頁(yè)巖厚度大于60 m，成熟度Ro＞0.90%，脆性礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于40.00%，含氣量大于1 cm3/g，埋深大于500 m。鑒于剖面樣品顯示TOC較低，推測(cè)深部TOC較高，暫且將TOC＞1.5%作為劃分指標(biāo)。采用綜合信息疊加法分析認(rèn)為，該區(qū)頁(yè)巖氣主要勘探方向?yàn)槿R陽(yáng)凹陷西南部、夏格莊洼陷中部和諸城凹陷北部（見(jiàn)圖5）。

圖5　膠萊盆地頁(yè)巖氣資源勘探目標(biāo)分布

4　結(jié)論

1）膠萊盆地早白堊世水南組富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖是一套半深湖—深湖相沉積，泥頁(yè)巖厚度、有機(jī)質(zhì)豐度、熱演化程度、含氣量以及有機(jī)質(zhì)類型等均顯示了較好的生烴條件。

2）水南組泥頁(yè)巖埋深分布在500～3 000 m，發(fā)育有機(jī)質(zhì)孔、粒內(nèi)孔、粒間孔等基質(zhì)孔隙，孔徑主要分布在8.0～18.0 nm，且頁(yè)巖中發(fā)育較多張性微裂縫，裂縫寬度主要分布在0.30～0.90 μm，脆性礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均超過(guò)50.00%。良好的儲(chǔ)層條件，不僅為頁(yè)巖氣提供了更好的賦存空間，也為資源開(kāi)采創(chuàng)造了有利條件。

3）在綜合分析膠萊盆地水南組頁(yè)巖氣成藏地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，選定了萊陽(yáng)凹陷西南部、夏格莊洼陷中部和諸城凹陷北部作為勘探首選區(qū)。

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（編輯高學(xué)民）

Shale gas pooling conditions and exploration targets of Shuinan Formation in Jiaolai Basin

Liu Peng1，2，Zhu Yanming1，2，Wang Huaimeng3，Wang Yi1，2，Xie Kangzhen1，2
（1.School of Resources and Geosciences，China University of Mining and Technology，Xuzhou 221116，China；2.MOE Key Laboratory of Coalbed Methane Resources and Reservoir Formation Process，China University of Mining and Technology，Xuzhou 221116，China；3.Taishan Geological Survey Company，Tai′an 271000，China）

Jiaolai Basin is typical of the Mesozoic fault basin in eastern China，where a set of thick black shale is developed in Shuinan formation and favorable conditions exist for shale gas accumulation.It is very important to analyze its shale gas accumulation conditions and recognize future exploration targets.According to the types of shale gas reservoirs and gas pooling elements，combining the field survey data with indoor variety of testing methods，this paper analyzes various conditions，such as the sedimentary environment，shale distribution，abundance and type of organic matter，organic matter maturity，holes and cracks，mineral components，adsorption isotherm，as well as gas content.Favorable areas are forcasted by comparing the geological characteristics with the Chang 7 layer′s shale and using overlapping of available data，the conclusion is that the study area southwest of Laiyang Depression，Xiagezhuang Sag and Zhucheng Depression can be selected as the next exploration targets.

continental shale gas；accumulation condition；exploration target；Shuinan Formation；Jiaolai Basin

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“中上揚(yáng)子地區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖微孔結(jié)構(gòu)演變與頁(yè)巖氣成藏效應(yīng)”（41272155）

TE122.2

A

10.6056/dkyqt201601001

2015-07-25；改回日期：2015-10-27。

劉鵬，男，1990年生，在讀碩士研究生，主要研究方向?yàn)闃?gòu)造地質(zhì)學(xué)。E-mail：scdzlp@163.com。

引用格式：劉鵬，朱炎銘，王懷勐，等.膠萊盆地水南組頁(yè)巖氣成藏條件與勘探方向［J］.斷塊油氣田，2016，23（1）：1-5.

Liu Peng，Zhu Yanming，Wang Huaimeng，et al.Shale gas pooling conditions and exploration targets of Shuinan Formation in Jiaolai Basin ［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2016，23（1）：1-5.