曹學明，周志強

（甘肅煤炭地質(zhì)勘查院，蘭州730000）

甘肅省慶陽地區(qū)頁巖氣地質(zhì)特征分析

曹學明，周志強

（甘肅煤炭地質(zhì)勘查院，蘭州730000）

慶陽地區(qū)含有較厚的上三疊統(tǒng)長7段黑色（暗色）泥頁巖，為了研究該區(qū)頁巖氣勘探潛力，根據(jù)對頁探1井的測井及對樣品的各種電子光學測試，從泥頁巖層的電性特征、儲層特征、地化特征、含氣性特征等方面，對慶陽地區(qū)的頁巖氣地質(zhì)特征做了分析研究。結果表明：該區(qū)泥頁巖層可以通過常規(guī)測井的一般特征、ΔlgR法、GR-KTh重疊法等綜合的方法進行較好的識別；該區(qū)的暗色泥頁巖厚度較大，脆性礦物以石英和長石為主，含量較高；儲層屬低孔低滲儲層，物性較差，孔隙及裂隙均有發(fā)育；有機碳含量較高，有機質(zhì)成熟度較高，具有較強的生排烴能力；有較大的含氣量及較好的儲氣能力；綜合分析認為，慶陽地區(qū)具有較好的頁巖氣勘探潛力。

頁巖氣；電性特征；地質(zhì)特征；慶陽地區(qū)；儲氣能力

0引言

頁巖氣是一種重要的非常規(guī)天然氣資源，與常規(guī)儲層氣藏不同，泥頁巖既是其生成的源巖，又是其聚集和保存的儲層和蓋層，表現(xiàn)為典型的原地成藏模式。美國是世界上頁巖氣勘探開發(fā)最早的國家，已經(jīng)確定頁巖氣資源量為15×1012～30×1012m3，探明的頁巖氣儲量達24.4×1012m3。近年來，在美國頁巖氣領域成功的促進下，引發(fā)了世界對頁巖氣研究的熱潮，中國也開始了對頁巖氣理論的研究與勘查工作。目前我國已形成了長寧-威遠、涪陵、延長等數(shù)個頁巖氣示范區(qū)。張金川預測我國頁巖氣可采資源儲量約26×1012m3。據(jù)王香增估算，鄂爾多斯盆地及外圍地質(zhì)資源量近12×1012m3［1-3］。2011年4月，由延長石油在陜西甘泉完井的LP177井成功產(chǎn)氣，標志著鄂爾多斯盆地具有良好的頁巖氣勘探潛力。但是，甘肅省尚未有系統(tǒng)的頁巖氣研究工作。2015年3月，甘肅煤田地質(zhì)局在慶陽地區(qū)施工了該區(qū)甚至是甘肅省第一口真正意義的頁巖氣調(diào)查井-頁探1井，從此啟動了慶陽地區(qū)頁巖氣資源的調(diào)查研究工作。

鄂爾多斯盆地長7段底部的黑色（暗色）泥頁巖，為盆地的一套重要烴源巖，在慶陽地區(qū)分布穩(wěn)定。盡管前人對該層的生烴情況有所研究，但對其含氣性等評價頁巖氣開發(fā)潛力的基本參數(shù)缺少系統(tǒng)性的研究，因此，本文根據(jù)頁探1井的實測數(shù)據(jù)對本區(qū)的頁巖氣地質(zhì)情況的研究，希望對慶陽地區(qū)的陸相頁巖氣研究提供一定的指導或借鑒作用。

1地質(zhì)概況

1.1構造背景

鄂爾多斯盆地是一個多旋回克拉通疊合盆地，經(jīng)歷了早古生代華北陸表海、晚古生代華北濱淺海、中生代內(nèi)陸湖盆和新生代周緣斷陷等多旋回演化，形成了現(xiàn)在的構造格局［4］。根據(jù)構造形態(tài)，盆地可劃分為6個一級構造單元：伊盟隆起、渭北隆起、西緣沖斷帶、晉西撓褶帶、天環(huán)坳陷和陜北斜坡［5］。慶陽地區(qū)位于鄂爾多斯盆地西南部陜北單斜（慶陽單斜）。

1.2沉積背景

自元古代以來，鄂爾多斯地區(qū)一直為一穩(wěn)定地臺。早二疊世以前以海相為主，早二疊世以來，海水逐漸向東、西、南方向退出。毗鄰鄂爾多斯北緣的東西向內(nèi)蒙興安地槽強烈抬升，西緣南北向的“古陸架”活動加劇并凸起，南部北西向的秦嶺海槽完全關閉從而使盆地成了北受東西向、西受南北向、南受近東西向制約的陸塊。在這種古地理面貌的控制下，開始了上三疊統(tǒng)延長組的沉積。

慶陽地區(qū)在長9段沉積期處于半深湖相沉積時期，以快速下沉為主，處于一種欠補償狀態(tài)，至長8期湖盆下沉作用逐漸減緩，盆地西南部、南部物源供給速率較長9有所加強，砂體橫向分布較穩(wěn)定，陸源碎屑供給充足，湖岸線比長9期略向湖盆中心收縮。上部為三角洲前緣及前三角洲的灰白色細砂巖與灰綠色、灰黑色泥巖的互層。進入長7期，湖盆快速下沉，為延長組最大湖侵期，湖盆范圍較長8期明顯擴大，水體變深。長6期盆地下沉作用漸趨減緩，湖盆開始收縮，沉積物的供給速率開始向大于可容空間的增加速率轉(zhuǎn)變，沉積作用大大加強，整個湖盆從此進入逐漸填實、收斂，直至最后消亡的歷程。

1.3目標層段地層情況

研究的目的層為上三疊統(tǒng)延長組，根據(jù)區(qū)域地層標志及沉積旋回等特征，將延長組共劃分為10段，其中長7段、長9段為區(qū)域內(nèi)烴源巖發(fā)育的目的層及標志層。但在本地區(qū)，頁探1井中未見處于長9段中上部的黑色頁巖。長7段底部為一套半深湖的黑色（暗色）泥頁巖，中部為淺湖相的黑色、灰綠色泥巖夾薄層的淺湖砂巖，頂部為三角洲前緣及前三角洲的灰白色細砂巖與灰綠色、灰黑色泥巖的互層沉積物。

2電性識別特征

2.1一般電性特征

含氣泥頁巖的最大特征就是有機質(zhì)含量高，因此在常規(guī)測井系列中，如自然伽馬、聲波、電阻率、密度等測井曲線中均有較好的顯示。一般含氣泥頁巖中有機質(zhì)均吸附鈾的同位素，另外黏土顆粒的吸附作用等都可導致自然伽馬值的增高。有機質(zhì)密度與巖石骨架密度的差異較大，有機質(zhì)含量增多，密度值越低，聲波時差增大也越大，因此含氣泥頁巖層密度往往要低于相同巖性的貧有機碳泥頁巖層。同時，由于有機碳電阻率高，含氣泥頁巖層的電阻率也要高于同巖性的泥頁巖層。一般情況下，含氣泥頁巖層在測井曲線上具有自然伽馬高、聲波時差高、電阻率高、密度低這“三高一低”的電性特征（圖1）。

2.2ΔlgR法

ΔlgR法是一種利用測井資料來識別和計算地層中含有機質(zhì)巖層總有機質(zhì)碳的一種方法，該方法通過將聲波時差和電阻率曲線重疊，并使兩條曲線刻度標示相反，則曲線基本重合在一起反映了飽含水但缺乏有機質(zhì)的地層，在富含有機質(zhì)的泥巖或頁巖層段，電阻率和聲波時差曲線出現(xiàn)分離，其主要原因是：聲波時差（AC）曲線產(chǎn)生差異是由于聲波對低密度和低速度（高聲波時差）的干酪根的響應造成的，在未成熟的富含有機質(zhì)巖石中，由于油氣還沒有生成，觀察到的電阻率與孔隙度曲線之間的差異僅僅是由于孔隙度曲線響應而造成的，在成熟的烴源巖中，除了孔隙度曲線響應之外，由于有烴類的存在，地層電阻率的增加，并且烴類含量越高，兩條曲線產(chǎn)生的差異更大則更大［6］。

通過自然伽馬測井曲線定量確定泥頁巖段后，通過電阻率（LLD）與聲波時差（AC）曲線之間的間距（ΔlgR）來反映有機質(zhì)含量的高低，從而對含氣（油）頁巖層段進行識別。

2.3GR-KTh重疊法

利用泥頁巖的高GR、高U的電性特征，使GRKTh曲線重疊，在泥頁巖層段處，兩曲線分離，使用此方法可有效的劃分出含氣泥頁巖層（圖1）。

3儲集層特征

3.1礦物成分特征

根據(jù)頁探1井長7段5個泥頁巖樣品所做的X衍射結果顯示，長7段黏土礦物含量為34%～60%，平均為49.4%；石英含量為28%～41%，平均為34.4%；長石含量為6%～14%，平均為10.4%；黃鐵礦含量為0～6%，平均為2%；方解石含量為0～3%，平均為0.6%。黏土礦物主要為伊/蒙間層，其含量為59%～64%，平均為64.6%；其次為伊利石含量24%～29%，平均為27%；再次為綠泥石含量為6%～12%，平均為9.6%。泥頁巖內(nèi)脆性礦物（石英+長石+黃鐵礦等）含量超過30%，表明該儲層可壓裂性較好，較容易在后期開發(fā)過程中改造形成小裂隙［6］。

圖1　含氣泥頁巖層的測井識別方法Figure 1 Gas-bearing argillutite well logging identification

3.2泥頁巖厚度

根據(jù)區(qū)域資料，做為盆地區(qū)域標志層的慶陽地區(qū)長7段底部的黑色（暗色）泥頁巖厚度10～50 m。根據(jù)頁探1井的資料顯示，該段單一厚度達27 m，層系厚度達50 m以上。

3.3泥頁巖孔滲特征

根據(jù)實驗室對長7段泥頁巖樣品進行的儲層物性分析及脈沖式孔滲試驗數(shù)據(jù)表明，長7段泥頁巖儲層的孔滲變化范圍均較大?？紫抖葹?.7%～ 8%，平均為3.94%，孔隙度小于1.5%的樣品數(shù)占將近40%（圖2左）；滲透率為0.000183～0.0433 mD，平均為0.006 7 mD，70%的樣品滲透率小于0.005 mD（圖2右）。壓汞曲線表現(xiàn)為較高的排驅(qū)壓力，一般排驅(qū)長壓力為5.31～16.31 MPa，平均為10.318 MPa；喉道直徑均值為0.03～0.09 μm，平均為0.05 μm，喉道較細。上述數(shù)據(jù)表明，長7段為低孔低滲儲集層，物性較差，導致其游離氣儲存的條件可能相對較差。

圖2　長7段孔滲頻率圖Figure 2 Chang-7 member porosity and permeability frequency chart

長7段泥頁巖孔隙度與滲透率之間相關關系較為明顯，總體呈現(xiàn)正相關關系（圖3）。

3.4孔隙特征

3.4.1孔隙類型

在微觀條件下，慶陽地區(qū)孔隙主要有粒間孔、溶蝕孔和有機質(zhì)生烴孔3類。

圖3　長7段孔滲關系圖Figure 3 Relationship between porosity and permeability in Chang-7 member

（1）礦物質(zhì)殘留粒間孔。碎屑顆粒粒間孔是有石英、長石等剛性碎屑顆粒堆積所形成的孔隙空間，在泥頁巖的粉砂紋層中最為發(fā)育。孔隙的形態(tài)有不規(guī)則形、長條形、三角形等，以不規(guī)則型為主，孔隙級別主要為大孔（圖4A）。黏土礦物粒間孔是由黏土礦物所圍成的孔隙空間，主要為不規(guī)則狀的微孔隙，但局部也形成有大孔隙（圖4C、圖4D）。

（2）溶蝕孔。泥頁巖中由溶蝕作用形成的次生孔隙在砂巖紋層中較為常見，以及在粒間填隙物中較為常見。在晶型比較好的莓粒狀黃鐵礦內(nèi)部發(fā)育有溶蝕孔隙（圖4B），孔徑為幾百納米。

（3）有機質(zhì)生烴孔。泥頁巖中有機生烴孔是指干酪根在生烴過程中產(chǎn)生的孔隙空間。有機質(zhì)生烴孔多為孤立狀分布。單個有機質(zhì)孔孔隙的形態(tài)以橢圓形和長條形為主，也有三角形、多邊形等。橢圓形有機質(zhì)孔的直徑一般為幾十、幾百納米，長條形有機質(zhì)孔的寬度為幾百納米，長度為幾微米?？紫冻３扇悍植?，主要分布在干酪根邊緣區(qū)域（圖4E、圖4F）。

圖4　長7段泥頁巖孔裂隙特征Figure 4 Chang-7 member argillutite porosity and fracture features

3.4.2裂隙

裂隙既可為頁巖氣提供儲集空間，又可為頁巖氣的生產(chǎn)提供運移通道，裂隙的發(fā)育程度和規(guī)模是影響頁巖氣聚集和泥頁巖含氣量的重要因素，決定著泥頁巖滲透率的大小，控制著泥頁巖的連通程度，進一步控制著氣體的流動速度以及氣藏的產(chǎn)能。

利用光學顯微鏡可以觀察到泥頁巖內(nèi)部的一些微小裂隙特征。圖4G中顯示層間微小裂縫，圖4H為層內(nèi)微裂縫，部分裂隙被方解石或硅質(zhì)所填充，圖4I層間裂隙，部分裂隙被填充物所填充，圖4J中顯示為寬大裂隙被纖維狀方解石所填充。

4泥頁巖地化特征

4.1有機質(zhì)碳含量（TOC）

根據(jù)對頁探1井長7段19個樣品的有機碳含量測試，TOC含量為0.41%～16.13%，平均為6.89%；TOC含量在1%～7%及9%～11%區(qū)間近70%（圖5）?？傮w有機質(zhì)含量較高，屬好的烴源巖。

4.2有機質(zhì)類型

有機質(zhì)類型的研究方法主要有有機地球化學方法和有機巖石學方法。有機地球化學方法主要包括有機元素分析和熱解分析等；有機巖石學方法主要為鏡下有機顯微組分鑒定或干酪根鏡檢。

4.2.1泥頁巖有機顯微組分組成特征

有機顯微組分指烴源巖中呈分散狀態(tài)存在于礦物之間的固體有機質(zhì)。

根據(jù)頁探1井的泥頁巖顯微組分分析，長7段泥頁巖干酪根顯微組分主要包括腐泥組、鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組三大類，未見殼質(zhì)組。其中腐泥組主要為無定形體，透光下顏色以棕色為主。無定形體形態(tài)不規(guī)則，多呈不均勻絮狀、分散狀、團塊狀散布于整個光片區(qū)域（圖6）。

圖5　TOC分布頻率圖Figure 5 TOC distribution frequency chart

根據(jù)干酪根有機顯微組分相對含量的含量統(tǒng)計分析（表1），本區(qū)腐泥組百分含量為55%～75%，平均為66%，是泥頁巖干酪根的主要部分；鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組來源于陸源植物，均屬腐殖型有機質(zhì)。根據(jù)鏡下組分含量估算，鏡質(zhì)組百分含量為3%～15%，平均9.43%；惰質(zhì)組百分含量為19%～30%，平均24.57%。根據(jù)干酪根不同顯微組分對成烴貢獻大小而確定的有機質(zhì)類型指數(shù)范圍為13.75～50.75，平均為34.36。干酪根類型主要為Ⅱ1和Ⅱ2型。

根據(jù)以上分析，目標層干酪根顯微組分以腐泥組最為發(fā)育，惰質(zhì)組次之，無殼質(zhì)組發(fā)育。說明目標層泥頁巖具有腐泥型和混合型干酪根的特點，有機質(zhì)以低等生物為主要來源，有機質(zhì)利于生烴，為頁巖氣生成奠定了物質(zhì)基礎。

表1　泥頁巖干酪根顯微組分統(tǒng)計表Table 1 Statistics of argillutite kerogen macerals

圖6　長7段泥頁巖顯微組分圖Figure 6 Chang-7 member argillutite macerals

4.2.2熱解參數(shù)特征

目的層段共對5個樣品進行了熱解分析，獲得了熱解峰值、生烴潛量（S1+S2）等，見表2。

從表2可以看出，Tmax分布為317～457℃，平均為421.6℃；生烴潛量（S1+S2）為0.67～33.53 mg/g，平均為15.81 mg/g。根據(jù)圖7，Tmax有隨著埋深增加而增大的趨勢。

表2　長7段泥頁巖熱解參數(shù)Table 2 Chang-7 member pyrolysis parameters

圖7　Tmax與深度關系圖Figure 7 Relationship between Tmaxand depth

4.2.3有機質(zhì)成熟度

采用鏡質(zhì)組反射率（R0）法。根據(jù)鏡質(zhì)組反射率可以將有機質(zhì)的演化分為R0小于0.5為未成熟階段；0.5%～0.7%為低成熟階段；0.7%～1.3%為成熟階段；1.3～2.0為高成熟階段；大于2.0為過成熟階段。

從實測的泥頁巖的有機質(zhì)成熟度來看，本區(qū)目的層段5個樣品的鏡質(zhì)組反射率為0.87%～1.37%，其中處于成熟階段的樣品數(shù)3個，處于高成熟階段的樣品數(shù)2個（圖8），表明本區(qū)的泥頁巖有機質(zhì)處在成熟階段或以上，具有較強的生排烴能力。

5含氣性特征

主要是采用了解析法和等溫吸附法。

圖8　鏡質(zhì)組反射率（R0）統(tǒng)計圖Figure 8 Statistics of vitrinite reflectance（RO）

5.1解析法

解析法是測量頁巖氣含量最直接最常用的方法［3］，本方法中泥頁巖含氣量主要有解吸氣量、殘余氣量和損失氣量3部分構成的，其中損失氣的是頁巖氣含氣量測定的難點。本次測試主要采用USBM法恢復損失氣量，其計算方法見圖9。

根據(jù)實測解吸氣量、殘余氣量及損失氣量三部分的總和，求得長7段泥頁巖在標況（0℃，101.325 kPa）下的含氣量為1.19～3.9 m3/t，平均為2.62 m3/t。

5.2等溫吸附法

根據(jù)國內(nèi)及北美泥頁巖勘探經(jīng)驗，泥頁巖吸附氣體積多用朗繆爾方程計算。根據(jù)頁探1井對長7段3個樣品進行的等溫吸附測試（圖10），得到的最大吸附氣量分別為6.04、3.09、3.83 m3/t，平均為4.32 m3/t，表明泥頁巖具有較好的儲氣能力。

6結論

圖9　采用直線法估算泥頁巖損失氣量圖Figure 9 Method of lines estimated argillutite loss of gas

圖10　長7段泥頁巖等溫吸附圖Figure 10 Chang-7 member argillutite isothermal adsorption curves

慶陽地區(qū)上三疊統(tǒng)延長組長7段發(fā)育良好，通過研究后認為：①該區(qū)目的層段具有較好的測井顯示，用常規(guī)測井的一般電性特征、ΔlgR法及GR-KTh法等綜合的方法可以較好的識別。②該區(qū)頁巖氣具有較好的地質(zhì)特征：目的層段孔隙主要有粒間孔、溶蝕孔和有機質(zhì)生烴孔3類，同時層間或?qū)觾?nèi)裂隙也有發(fā)育；孔隙度與滲透率均較低，儲層物性較差，但脆性礦物含量較高，具備下步開發(fā)時改造成小裂隙的地質(zhì)條件；TOC含量較高，有機質(zhì)成熟度較高，生烴潛力較大；干酪根類型主要為Ⅱ1和Ⅱ2型；儲層有較大的含氣量及較好的儲氣能力；③綜合分析認為，該區(qū)長7段黑色（暗色）泥頁巖具有較好的頁巖氣勘探潛力。

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Shale Gas Geological Characteristic Analysis in Qingyang Area，Gansu Province

Cao Xueming，Zhou Zhiqiang
（Gansu Coal Geological Exploration Institute，Lanzhou，Gansu 730000）

The thicker upper Triassic Chang-7 member black（dark）argillutite has developed in the Qingyang area.To study shale gas exploration potential in the area，based on well logging data from borehole YT No.1 and sample electronic optical tests，from aspects of argillutite electrical，reservoir，geochemical and gas-bearing property characteristics，carried out analytic study on shale gas geological features in Qingyang area.The result has shown that the argillutite in the area can be well identified through integrated methods including traditional well logging general features，ΔlgR method，GR-KTh superposition method etc.The dark argillutite in the area has large thickness；brittle minerals have mainly quartz and feldspar with larger contents.The reservoir is low porosity，low permeability，poorer physical properties，developed both pores and fractures；higher content of organic carbon，better organic matter maturity，stronger hydrocarbon generation and expulsion capacities；larger gas content and better reserve capacity.The comprehensive analysis considered that Qingyang area has better shale gas exploration potential.

shale gas；electrical characteristics；geological features；Qingyang area；gas reserve capacity

P168.13

A

10.3969/j.issn.1674-1803.2016.09.07

1674-1803（2016）09-0030-07

曹學明（1980—），男，甘肅定西人，碩士，從事煤、非常規(guī)能源地質(zhì)等方面的研究工作。

2016-05-09

責任編輯：宋博輦