劉明

（山西省煤炭地質(zhì)勘查研究院，太原 030031）

沁水盆地上古生界頁巖氣成藏特征及資源潛力評價

劉明

（山西省煤炭地質(zhì)勘查研究院，太原 030031）

依據(jù)地質(zhì)調(diào)查、鉆探資料及采集的大量巖樣分析測試成果，結(jié)合富含有機質(zhì)泥頁巖區(qū)域分布、地球化學特征、巖石儲集特征、含氣性等方面分析了研究區(qū)上古生界頁巖氣成藏條件，結(jié)果表明：在局部地段上古生界泥頁巖有效厚度大、有機質(zhì)含量高、孔隙和微裂縫發(fā)育、含氣量高，為頁巖氣成藏有利區(qū)。綜合各項成藏條件因素分析，最后預測了頁巖氣有利區(qū)范圍及資源量。

上古生界；頁巖氣；儲層物性；有利區(qū)；沁水盆地

0 引言

頁巖氣是指以吸附態(tài)、游離態(tài)等方式主體賦存在暗黑色泥頁巖中的一種非常規(guī)天然氣，為典型的“自生自儲、原地成藏”模式[1-4]。頁巖氣主要分布在盆地內(nèi)厚度較大、富有機質(zhì)的烴源巖儲層中，泥頁巖儲層孔隙度較低、滲透率低，具有資源潛力大、開采壽命長等特征[4-6]。近年來，隨著我國南方海相頁巖氣的快速發(fā)展，北方頁巖氣的研究也逐漸受到了廣泛的關(guān)注。我國北方上古生界主要發(fā)育有本溪組、太原組和山西組等海陸過渡相泥頁巖，具備形成頁巖氣的基本地質(zhì)條件。隨著沁水盆地內(nèi)頁巖氣探井的實施，并獲得工業(yè)性氣流，標志著我國北方沁水盆地已成為我國海陸過渡相頁巖氣勘探開發(fā)有望近期取得突破的重點地區(qū)。

本文擬從鉆孔、測試樣品等資料分析出發(fā)，對沁水盆地上古生界本溪組、太原組和山西組頁巖氣成藏條件進行研究，并綜合分析其頁巖氣富集區(qū)，以期為該區(qū)上古生界海陸過渡相頁巖氣勘探開發(fā)提供科學依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

沁水盆地位于山西省東南部，東西寬約120 km，南北長約330 km，總面積超過3×104km2。本區(qū)地層屬華北地層區(qū)劃，主要含煤地層為上石炭統(tǒng)太原組和下二疊統(tǒng)山西組，盆地中心出露三疊系[7-9]。本區(qū)構(gòu)造上位于華北斷塊區(qū)呂梁-太行山斷塊內(nèi)，呈長軸NNE-SSW向的大型復式向斜，軸線大致位于榆社-沁縣-沁水一線，東西兩翼基本對稱，由一系列軸向NNE次級短軸褶皺組合成隔擋式褶皺形態(tài)。盆地內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育，主要發(fā)育于東西邊部，斷裂規(guī)模和性質(zhì)不同，以正斷層居多，走向以北東向為主，局部呈近東西向和北西向。

2 頁巖氣成藏特征

鑒于區(qū)內(nèi)海陸過渡相頁巖體系中目的層垂向巖性變化大，頁巖常與煤層、灰?guī)r、砂巖互層的特征，將研究區(qū)上古生界目的層劃分為四個層段：①K8底部到3煤頂板（第Ⅰ層段）；②3煤底板到K4頂部（第Ⅱ?qū)佣危?；③K4底部到15煤頂板（第Ⅲ層段）；④15煤底板到本溪組鐵鋁巖頂部（第Ⅳ層段）（圖1）。

圖1 沁水盆地上古生界頁巖體系層段劃分圖Figure 1 Upper Paleozoic shale system zonation in Qinshui Bain

2.1 儲層沉積演化及賦存規(guī)律

沁水盆地四周均有太原組、山西組出露，從泥巖露頭線向盆地中央埋藏深度逐漸增大，以沁縣為中心的沁水向斜軸部地區(qū)，泥頁巖埋藏深度超過2 000 m，但面積有限。在晉中斷陷，泥頁巖埋藏深度一般在2 000～4 000 m，清徐一帶泥頁巖埋深超過5000 m，在臨汾斷陷，一般小于2 000 m?？v觀沁水盆地泥巖埋深變化，盆地內(nèi)部頁巖整體埋深處于1000～3500 m（圖2）。

圖2 沁水盆地上古生界泥頁巖埋深等值線Figure 2 Isogram of upper Paleozoic argillutite buried depth in Qinshui Basin

沁水盆地晚古生代主要發(fā)育碳酸鹽巖臺地、碎屑巖淺海和三角洲3種沉積相類型，其中第Ⅳ層段以障壁島-潟湖體系為主；第Ⅲ層段為泥炭沼澤相向上演化為濱外碳酸鹽陸棚相、障壁砂壩相、潟湖相；第Ⅱ?qū)佣蔚撞繛槌逼簼暫?，向上變化為三角洲前緣相、三角洲平原相；第Ⅰ層段以三角洲平原相為主，頁巖主要發(fā)育于沼澤微相。結(jié)合沉積學特征研究了目的層展布特征，研究區(qū)第Ⅰ層段頁巖厚度在6.7～68.5 m，大部分處于20～40 m（圖3a）；第Ⅱ?qū)佣雾搸r厚度在20～70 m，大部分大于30 m，由西至東呈遞增趨勢，沁縣、左權(quán)、屯留長治一帶頁巖厚度均在50 m以上（圖3b）；第Ⅲ層段頁巖厚度在10～40 m，大部分為10～30 m（圖3c）；第Ⅳ層段頁巖厚度整體呈由北向南遞減的趨勢，在盆地北部晉中—壽陽一帶，厚度在40～80 m，在盆地中部厚度為30～50 m，盆地南部的大部分地區(qū)頁巖厚度降至10～25 m（圖3d）。

圖3 沁水盆地上古生界泥頁巖厚度等值線Figure 3 Isogram of upper Paleozoic argillutite thickness in Qinshui Basin

2.2 儲層有機質(zhì)豐度及類型

對所測試的23個地點的樣品進行統(tǒng)計分析，包括15個鉆孔點，8個野外點。第Ⅰ層段TOC在0.60%～5.71%，平均為2.33%，在平面上呈東部大，向西部遞減的趨勢，研究區(qū)西北及西南地區(qū)TOC值最小，均在1.5%以下；在東北部壽陽一帶，TOC值達到最大（圖4a）；第Ⅱ?qū)佣蜹OC在0.71%～4.67%，平均為2.44%，中部及南部TOC普遍高于北部（圖4b）；第Ⅲ層段TOC在0.88%～3.05%，平均為2.15%（圖4c）；第Ⅳ層段TOC在0.67%～3.25%，平均為2.40%，呈現(xiàn)出中部大、南北兩側(cè)小的特點（圖4d）。

圖4 沁水盆地上古生界泥頁巖TOC等值線Figure 4 Isogram of upper Paleozoic argillutite TOC in Qinshui Basin

本次研究選取了全區(qū)8個鉆孔中的20個巖心樣品進行熱解分析，獲得了熱解峰溫Tmax、氫指數(shù)HI等一系列熱解參數(shù)。結(jié)果表明，沁水盆地泥頁巖最高熱解溫度Tmax為590.8℃，生烴潛量（S1+S2）為0.02～0.57 mg/g，HI多位于10～30 mg/g.TOC。根據(jù)熱解參數(shù)，在Tmax與HI關(guān)系圖中可看出整個沁水盆地石炭-二疊系泥頁巖有機質(zhì)類型均為Ⅲ型（圖5）。

圖5 沁水盆地上古生界泥頁巖HI與Tmax關(guān)系圖Figure 5 Relationship between upper Paleozoic argillutite HI and Tmaxin Qinshui Basin

2.3 熱演化程度

泥頁巖有機質(zhì)成熟度分布總體較穩(wěn)定，各層段Ro值相差不大，其中第Ⅰ層段Ro值分布較穩(wěn)定，位于2.3%左右；第Ⅱ?qū)佣蜶o值波動較大，分布在1.48%～3.65%，平均值約為2.5%；第Ⅲ層段Ro值為1.91%～3.14%，第Ⅳ層段Ro值為1.72%～3.54%，各層段泥頁巖均達到生氣階段（圖6）。

圖6 泥頁巖鏡質(zhì)組反射率Figure 6 Argillutite vitrinite reflectance

各地區(qū)的有機質(zhì)成熟度值略有差別，盆地中心較盆地北部、西部和南部略微偏低。在盆地西部沁源地區(qū)異常偏低，而位于盆地邊緣的義唐和張莊等地則較高（圖7）。整體上沁水盆地上古生界泥頁巖有機質(zhì)熱演化程度相對較高，普遍在1.5%以上，全區(qū)達到了生氣階段。

圖7 各地區(qū)Ro值分布特征Figure 7 ROvalue distribution features in different areas

2.4 儲層礦物組成

通過對106個鉆孔樣品進行全巖X衍射實驗發(fā)現(xiàn)，沁水盆地泥頁巖礦物主要為黏土礦物、石英、斜長石、菱鐵礦、黃鐵礦和重晶石。其中黏土礦物體積分數(shù)最高，主要由伊蒙混層、高嶺石及伊利石構(gòu)成，平均為53.8%，其次為石英，均值為33.9%（圖8）。高黏土礦物體積分數(shù)的特征表明研究區(qū)泥頁巖儲層有利于吸附氣的賦存。

通過計算研究區(qū)各層段泥頁巖脆性系數(shù)發(fā)現(xiàn)，泥頁巖脆性系數(shù)大部分均位于30%以上，有利于泥頁巖儲層的后期改造。僅第Ⅳ層段兩個樣品指示出其脆性礦物含量低于20%（圖9）。

圖8 泥頁巖黏土礦物含量Figure 8 Argillutite clay minerals content

圖9 泥頁巖脆性系數(shù)分布圖Figure 9 Argillutite brittleness coefficient distributions

2.5 儲層孔隙發(fā)育特征

顯微鏡下泥頁巖較為致密，裂隙較發(fā)育，以平行裂縫、交叉裂縫、Y型裂縫及復雜裂縫系統(tǒng)為主。掃描電鏡下泥頁巖主要發(fā)育有機質(zhì)孔、粒內(nèi)孔（脆性礦物、黏土礦物）、粒內(nèi)溶蝕孔、黃鐵礦晶間孔和粒間孔等類型[10]。

壓汞實驗表明，研究區(qū)上古生界泥頁巖儲集空間以直徑小于100 nm的中（小-過渡）微裂隙和孔隙為主，僅個別樣品孔徑達到10 000 nm以上（圖10）。

研究區(qū)上古生界泥頁巖儲層孔隙度主要為1.0%～2.0%，總孔比表面積一般為1.5～3.0 m2/g，整體上孔隙度的變化和總孔容、總孔比表面積的變化趨勢是一致的，具有良好的泥頁巖儲層孔裂隙系統(tǒng)（圖11）。

圖10 泥頁巖孔徑分布特征Figure 10 Argillutite pore diameter distribution features

低溫液氮實驗測試結(jié)果表明：研究區(qū)泥頁巖孔隙直徑為8～16 nm，最大可達34.55 nm，其中第Ⅰ層段孔徑平均為12.30 nm，總比表面積平均為6.40 m2/ g，孔體積平均為0.014 4 cm3/g；第Ⅱ?qū)佣慰讖狡骄鶠?1.62 nm，總比表面積平均為7.37 m2/g，孔體積平均為0.015 cm3/g；第Ⅲ層段泥頁巖孔徑平均為6.96nm，總比表面積平均為10.68 m2/g，孔體積平均為0.016 cm3/g；第Ⅳ層段孔徑平均為9.99 nm，總比表面積平均為9.78 m2/g，孔體積平均為0.016 cm3/g。

圖11 泥頁巖總孔比表面積及孔隙度Figure 11 Argillutite total pore specific surface area and porosity

2.6 儲層含氣性分析

在全區(qū)共選取30件不同層段的樣品進行了等溫吸附測試和含氣量測試，結(jié)果顯示在30℃下，研究區(qū)泥頁巖最大吸附量為0.440～4.73 m3/t。其中第Ⅰ層段最大吸附量平均為1.01 m3/t，含氣量為1.023～ 1.718 m3/t（圖12a）；第Ⅱ?qū)佣文囗搸r最大吸附量平均為1.17 m3/t，含氣量為1.131～1.742 m3/t（圖12b）；第Ⅲ層段泥頁巖最大吸附量平均為1.10 m3/t，含氣量為1.119～1.871 m3/t（圖12c）；第Ⅳ層段泥頁巖最大吸附量平均為1.076 m3/t，含氣量為1.109～1.404m3/t（圖12d）。整體上研究區(qū)泥頁巖儲層均處于含氣過飽和狀態(tài)，顯示出良好的含氣性特征。

圖12 泥頁巖等溫吸附實驗Figure 12 Argillutite isothermal adsorption experiment

2.7 氣藏保存特征

沁水盆地目的層上覆有效地層厚度一般為0～3 000 m，其中盆地中心上覆有效地層厚度較大，向盆地邊緣遞減。盆地中心上覆有效地層厚度均大于1000 m，氣體保存條件較好，邊緣一般小于600 m，氣體保存較差，不宜作為有利區(qū)。

整體上研究區(qū)上古生界泥頁巖厚度大、有機質(zhì)含量高且主要以Ⅲ型為主，熱演化均達到了生氣階段，具有良好的生氣潛力；泥頁巖儲層中黏土礦物含量較高、孔裂隙系統(tǒng)較為發(fā)育、含氣性良好且均處于過飽和狀態(tài)，具有良好的儲存條件；氣藏上覆地層厚度大，具有良好的保存條件。

3 頁巖氣有利區(qū)預測及開發(fā)潛力評價

本文進一步綜合研究區(qū)泥頁巖厚度、埋深、含氣量、有機質(zhì)豐度、脆性礦物、有機質(zhì)成熟度等指標，劃分了頁巖氣有利區(qū)，結(jié)合沁水盆地頁巖氣地質(zhì)條件與成藏特征，本次研究將研究區(qū)目的層有利區(qū)優(yōu)選標準定為：①富有機質(zhì)頁巖系統(tǒng)厚度大于30 m；②儲層埋深為1 000～3 500 m；③TOC大于2.0%；④Ro大于1.0%；⑤有利區(qū)位置處于構(gòu)造穩(wěn)定區(qū)范圍內(nèi)（圖13）。最后依據(jù)劃分的有利區(qū)含氣面積、厚度、含氣量和你頁巖氣密度等參數(shù)進行了頁巖氣資源評價，計算公式為：

圖13 頁巖氣富集區(qū)Figure 13 Shale gas enrichment areas

Gz=0.01·Ag·h·ρy·Cz

Gz為頁巖氣總地質(zhì)儲量，億m3；Ag為含氣面積，km2；h為有效厚度m；ρy為頁巖質(zhì)量密度t/m3；Cz為頁巖氣總含氣量m3/t。

最后得出：第Ⅰ層段有利區(qū)面積較小且分散，有利區(qū)位置位于壽陽縣東南松塔鎮(zhèn)附近、沁源縣、沁水縣東北部等地，總面積1 496.89 km2，資源量為0.18× 1012m3（圖13a）。第Ⅱ?qū)佣文囗搸r厚度大且有機質(zhì)豐度高，各地質(zhì)配置均較好，面積為8 420.31 km2，資源量為1.53×1012m3（圖13b）。第Ⅲ層段有利區(qū)位于壽陽縣的南部及平遙縣的西部和北部，東南部長治碾張地區(qū)有零星發(fā)育，面積為1854.44 km2，資源量為0.30×1012m3（圖13c）。第Ⅳ層段有利區(qū)位于研究區(qū)北部與中部地區(qū)，面積為6 550.43 km2，資源量為0.92×1012m3（圖13d）。

研究區(qū)上古生界有利區(qū)頁巖氣總資源量為2.93×1012m3，資源豐度為（1.2～1.82）×108m3/km2，整體上研究區(qū)上古生界頁巖氣資源潛力巨大。

4 結(jié)論

1）首次打破組的概念，將研究區(qū)目的層劃分為四個層段；分別對四個層段進行有機地球化學、空間展布、儲層物性、沉積相等方面研究，分層段劃分有利區(qū)，并計算了各層段有利區(qū)頁巖氣資源量。

2）泥頁巖厚度大，分布范圍廣，且有機碳含量平均為2.33%，有機質(zhì)成熟度高，已經(jīng)進入干氣窗內(nèi)，為頁巖氣的成藏奠定了基礎條件。泥頁巖儲層主要以黏土礦物和石英為主，脆性系數(shù)較高，孔裂隙發(fā)育，儲層物性條件良好，為頁巖氣的成藏提供了豐富的儲集空間。上覆有效地層厚度大，為頁巖氣藏的保存提供了有利條件。

3）研究區(qū)不同層段頁巖氣有利區(qū)分布范圍差異性較大，主要以第Ⅱ?qū)佣魏偷冖魧佣雾搸r氣富集區(qū)分布范圍廣為特征，四個層段有利區(qū)面積總共為18322.07 km2；頁巖氣總資源量為2.93×1012m3。資源豐度達到（1.2～1.82）×108m3/km2，資源潛力巨大。

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Upper Paleozoic Shale Gas Reservoiring Features and Resource Potential Assessment in Qinshui Basin

Liu Ming
(Shanxi Provincial Coal Geological Exploration Research Institute,Taiyuan,Shanxi 030031)

Using geological survey and drilling data,as well as collected massive rock samples analyzed results,studied upper Paleozo?ic shale gas reservoiring conditions from aspects of regional distribution of organic matter rich argillutite,geochemical features,rock gas concentration features and gas-bearing property in the area.The result has shown that the upper Paleozoic argillutite in local sec?tors have large effective thickness,high organic matter content,developed pores and microfractures,and high gas content,thus the shale gas reservoiring favorable area.Integrated various reservoiring conditions,finally has predicted shale gas favorable area extent and resources.

Upper Paleozoic Erathem;shale gas;reservoir physical property;favorable area;Qinshui Basin

P618.3

A

10.3969/j.issn.1674-1803.2016.12.05

1674-1803(2016)12-0025-09

劉明（1981—），男，漢族，山西太原人，助理工程師，2013年畢業(yè)于太原理工大學資源勘查工程專業(yè)，長期從事煤層氣、頁巖氣、地質(zhì)勘查及地質(zhì)調(diào)查與研究。

2016-06-23

責任編輯：宋博輦