楊 才，賀志強(qiáng)，郭仁旺，白靈麒，馮 巖，林海濤

(1.內(nèi)蒙古自治區(qū)地質(zhì)調(diào)查院，呼和浩特 010020；2.內(nèi)蒙古第四地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)院，內(nèi)蒙古 烏蘭察布 012000)

鄂爾多斯盆地北緣石炭系太原組泥頁(yè)巖生烴能力分析

楊 才1，賀志強(qiáng)2，郭仁旺1，白靈麒1，馮 巖1，林海濤1

(1.內(nèi)蒙古自治區(qū)地質(zhì)調(diào)查院，呼和浩特 010020；2.內(nèi)蒙古第四地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)院，內(nèi)蒙古 烏蘭察布 012000)

鄂爾多斯盆地是我國(guó)大型的油氣盆地，在內(nèi)蒙古境內(nèi)已發(fā)現(xiàn)蘇里格、大牛地等多個(gè)大型天然氣田，石炭—二疊系是主要的生烴層系。前人對(duì)煤層的生烴能力研究較多，認(rèn)為煤成氣對(duì)氣藏貢獻(xiàn)大。為弄清石炭系太原組泥頁(yè)巖的生烴能力，通過(guò)野外調(diào)查、取樣分析測(cè)試、老井資料復(fù)查等方法，對(duì)泥頁(yè)巖的賦存分布、有機(jī)質(zhì)類型、有機(jī)碳含量、有機(jī)質(zhì)成熟度等進(jìn)行了分析研究，認(rèn)為太原組泥頁(yè)巖具有較強(qiáng)的生烴能力，是本區(qū)天然氣的主要烴源巖，也是頁(yè)巖氣的主要成藏層位，太原組泥頁(yè)巖是我國(guó)北方尋找頁(yè)巖氣的有利層位。

鄂爾多斯盆地；太原組；海陸過(guò)渡相；泥頁(yè)巖；生烴能力；頁(yè)巖氣

鄂爾多斯盆地位于我國(guó)西北地區(qū)東部，地跨陜西、內(nèi)蒙古、山西、寧夏、甘肅五省(區(qū))，是我國(guó)第二大內(nèi)陸沉積盆地，也是我國(guó)主要的油氣盆地之一。太原組幾乎在全盆地均有分布，為海陸過(guò)渡相沉積，巖性為一套灰、灰白、灰黃、灰黑色砂巖、砂礫巖夾灰、灰黃、黃、灰黑、黑色泥巖及炭質(zhì)泥巖，上部夾煤層。一直以來(lái)，太原組只作為氣藏的烴源巖進(jìn)行研究，且對(duì)煤層的生烴能力研究較多，認(rèn)為煤成氣對(duì)氣藏貢獻(xiàn)大[1]。對(duì)富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖生烴能力的研究不足。

經(jīng)國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)，2011年12月3日，國(guó)土資源部發(fā)布了新發(fā)現(xiàn)礦種公告(2011年第30號(hào))，將頁(yè)巖氣作為我國(guó)第172個(gè)獨(dú)立礦種加強(qiáng)管理。中國(guó)南方地區(qū)的下寒武統(tǒng)牛蹄塘組、下志留統(tǒng)龍馬溪組等海相頁(yè)巖地層頁(yè)巖氣勘探取得突破，已建立了頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)示范區(qū)。隨著頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)熱的興起，一直被認(rèn)為只能作為烴源巖的泥頁(yè)巖成為頁(yè)巖氣研究的重點(diǎn)。目前研究的重點(diǎn)集中在海相和深湖相地層泥頁(yè)巖的含氣性，針對(duì)海陸過(guò)渡相地層泥頁(yè)巖的含氣性研究很少[2-5]。本文研究的范圍為鄂爾多斯盆地北緣的內(nèi)蒙古部分，研究的地層為石炭系太原組泥頁(yè)巖。通過(guò)野外調(diào)查、取樣及有機(jī)地球化學(xué)測(cè)試和老井資料復(fù)查，從太原組的空間展布、有機(jī)地球化學(xué)特征等方面，分析太原組海陸過(guò)渡相泥頁(yè)巖的生烴潛力。

1 太原組泥頁(yè)巖及空間展布特征

晚石炭世，鄂爾多斯盆地由海相逐漸過(guò)渡為海陸過(guò)渡相，包括沼澤相、三角洲相、障壁島相、瀉湖相、潮坪相和河口灣相，而富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖在這些沉積環(huán)境中皆有分布，其中，以沼澤相和三角洲相較為重要，沉積了太原組富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖層系和煤系[3-4,6]。

結(jié)合野外露頭與鉆井資料，太原組下部巖性為灰白色砂巖、深灰色泥巖及煤層，為沼澤相和三角洲相沉積，產(chǎn)腕足類化石及豐富植物化石。上部巖性為一套黑色深灰色泥巖，夾泥灰?guī)r、灰?guī)r，多為瀉湖相沉積，產(chǎn)豐富的蜓類、腕足類化石。綜合分析已有資料，研究區(qū)太原組發(fā)育較好泥頁(yè)巖層段，平均泥地比均大于40%，主體巖性為暗色泥巖與煤層、粉砂巖、砂巖互層。

結(jié)合野外調(diào)查與鉆井資料，除北部古隆起區(qū)，太原組在全區(qū)廣大范圍均有分布(圖1)，分布面積達(dá)6.2萬(wàn)km2。太原組厚度在全區(qū)變化不大，總體為北部薄(20～60m)，向南增厚(90～120m)。

圖1 太原組分布及埋深圖Figure 1 Taiyuan Formation distribution and buried depth

2 太原組泥頁(yè)巖有機(jī)地球化學(xué)特征

2.1 有機(jī)質(zhì)類型

本區(qū)太原組主要沉積相為三角洲平原亞相和三角洲前緣亞相，巖性主要為泥晶生物灰?guī)r、灰黑-黑色泥巖、砂質(zhì)泥巖及灰白色石英砂巖、煤層。本區(qū)太原組構(gòu)造運(yùn)動(dòng)微弱，海底平緩，水動(dòng)力條件較弱，物質(zhì)供給少，有機(jī)質(zhì)主要為陸生高等植物。通過(guò)干酪根熱解、鏡檢和全巖顯微分析，對(duì)樣品進(jìn)行綜合分析，確定有機(jī)質(zhì)類型。

太原組泥頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)類型樣品測(cè)試結(jié)果顯示，干酪根熱解結(jié)果中低成熟區(qū)域顯示有機(jī)質(zhì)類型主要為Ⅱ2型，其次為Ⅲ型，高成熟區(qū)域不能分辨(圖2a)；干酪根鏡檢表明有機(jī)質(zhì)以腐殖無(wú)定形體、殼質(zhì)碎屑體和無(wú)結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體為主，絕大多數(shù)樣品TI指數(shù)位于0～40，其次小于0，極少位于40～80，顯示有機(jī)質(zhì)類型主要是Ⅱ2型，其次是Ⅲ型(圖2b)；干酪根全巖顯微組分中腐泥組約占總量的7%，殼質(zhì)組約占55%，鏡質(zhì)組約占25%，惰質(zhì)組約占13%，大部分樣品點(diǎn)位于干酪根全巖顯微組分三角圖中的Ⅱ2型區(qū)域，其次位于Ⅲ型區(qū)域(圖2c、圖2d)。

綜合分析，上石炭統(tǒng)太原組泥頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)類型主要是Ⅱ2型(偏腐殖混合型)，其次是Ⅲ型(腐殖型)。王社教等對(duì)整個(gè)鄂爾多斯盆地上古生界泥頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)類型進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，認(rèn)為干酪根類型為偏腐殖混合型-腐殖型[6]。與本次研究結(jié)論一致。

2.2 有機(jī)質(zhì)豐度

本次研究主要針對(duì)太原組泥頁(yè)巖開(kāi)展了有機(jī)碳含量(TOC)、生烴潛量(S1+S2)測(cè)試分析，評(píng)價(jià)其有機(jī)質(zhì)豐度。評(píng)價(jià)有機(jī)質(zhì)豐度的常用指標(biāo)是有機(jī)碳含量(TOC)，有機(jī)碳是指巖石中除去碳酸鹽、石墨中無(wú)機(jī)碳以外的碳，即有機(jī)碳等于總碳減去無(wú)機(jī)碳。生烴潛力(S1+S2)指標(biāo)，一般能反映出未成熟的烴源巖的真正原始產(chǎn)烴潛力，但當(dāng)有機(jī)質(zhì)已經(jīng)達(dá)到成熟階段、尤其是高成熟階段時(shí)，生烴潛量(S1+S2)只能代表殘余生烴潛力。因此，隨著有機(jī)質(zhì)成熟度的提高，生烴潛量(S1+S2)會(huì)明顯地變小。

太原組泥頁(yè)巖有機(jī)碳含量(TOC)測(cè)試結(jié)果顯示，TOC最低為0.6%，最高為4.3%，平均為2.46%，主體位于2.0%～2.5%(圖3a)；太原組泥頁(yè)巖殘余生烴潛力(S1+S2)最低0.04mg/g，最高14.6mg/g，平均1.36mg/g，變化范圍大，大部分樣品低于2.0mg/g(圖3b)。

2.3 有機(jī)質(zhì)成熟度

常用的反映有機(jī)質(zhì)成熟度的實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法有：鏡質(zhì)體反射率(Ro)和烴源巖最大熱解峰溫(Tmax)值等。鏡質(zhì)體反射率是確定有機(jī)質(zhì)成熟度劃分油氣形成階段的十分有效指標(biāo)， 最大熱解峰溫值是隨著生油巖的埋藏深度的增大和地層時(shí)代的變老而增高，是重要的成熟度參數(shù)。

太原組泥頁(yè)巖的鏡質(zhì)體反射率(Ro)最低為0.9%，最高為2.0%，主要位于1.2%～1.99%，平均為1.39%；最大熱解峰溫(Tmax)值位于443～537℃，平均489℃(圖4)。

c干酪根全巖顯微組分含量圖 d干酪根全巖顯微組分三角圖圖2 太原組泥頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)類型特征Figure 2 Taiyuan Formation argillutite organic matter type characteristics

a有機(jī)碳含量柱狀圖 b殘余生烴潛力柱狀圖圖3 太原組泥頁(yè)巖樣品有機(jī)質(zhì)豐度特征Figure 3 Taiyuan Formation argillutite sample organic matter abundance characteristics

圖4 太原組泥頁(yè)巖樣品Tmax、Ro分布圖Figure 4 Taiyuan Formation argillutite sample Tmax and Ro distribution

3 太原組泥頁(yè)巖生烴能力分析

目前，研究者認(rèn)為，泥頁(yè)巖產(chǎn)生烴類氣體受如下幾個(gè)條件控制：具還原性質(zhì)的沉積環(huán)境、泥頁(yè)巖達(dá)到一定的有效厚度、有機(jī)碳含量超過(guò)下限標(biāo)準(zhǔn)、干酪根類型和成熟度適中[2]。

分析北美泥頁(yè)巖生氣的有機(jī)地化條件，主要表現(xiàn)為黑色泥頁(yè)巖的有機(jī)碳含量(TOC)不小于2.00%，有機(jī)質(zhì)成熟度(Ro)為1.1%～3.5%[7]。我國(guó)對(duì)海陸過(guò)渡相頁(yè)巖氣有利區(qū)、目標(biāo)區(qū)優(yōu)選的有機(jī)地化指標(biāo)為：有機(jī)碳含量(TOC)大于2.0%，有機(jī)質(zhì)成熟度(Ro)為Ⅰ型干酪根不小于1.2%、Ⅱ型干酪根不小于0.7%、Ⅲ型干酪根不小于0.5%[8]。符合上述指標(biāo)的泥頁(yè)巖即具有產(chǎn)生甲烷氣體的能力。

本區(qū)太原組泥頁(yè)巖是在海陸過(guò)渡相環(huán)境中沉積的，沉積速度較快，是一種封閉性較好的還原環(huán)境。有機(jī)碳含量(TOC)最低為0.6%，最高為4.3%，平均為2.46%，主體位于2.0%～2.5%?？傮w超過(guò)了我國(guó)對(duì)海陸過(guò)渡相頁(yè)巖氣有利區(qū)、目標(biāo)區(qū)優(yōu)選的有機(jī)碳含量指標(biāo)下限。太原組泥頁(yè)巖分布范圍大，達(dá)到6.2萬(wàn)km2，厚度穩(wěn)定，具有生烴的物質(zhì)基礎(chǔ)。

本區(qū)太原組泥頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)類型主要是Ⅱ2型，其次是Ⅲ型。鏡質(zhì)體反射率(Ro)最低為0.9%，最高為2.0%，平均為1.39%，主要位于1.2%～1.99%之間。超過(guò)了海陸過(guò)渡相頁(yè)巖氣有利區(qū)、目標(biāo)區(qū)優(yōu)選的有機(jī)質(zhì)成熟度指標(biāo)下限，已具有較強(qiáng)的生烴能力。

王社教等對(duì)鄂爾多斯盆地太原組泥頁(yè)巖的熱模擬實(shí)驗(yàn)表明，Ro<0.7%時(shí)，幾乎沒(méi)有氣態(tài)烴產(chǎn)出；Ro為0.7%～1.1%時(shí)，液態(tài)烴產(chǎn)率隨Ro增大迅速下降，而氣態(tài)烴產(chǎn)率則迅速增大；Ro>1.1%時(shí)，液態(tài)烴產(chǎn)率隨Ro增大緩慢下降，而氣態(tài)烴產(chǎn)率則隨Ro增大迅速增大[6]。可見(jiàn)，在具有生烴物質(zhì)的基礎(chǔ)上，有機(jī)質(zhì)的成熟度(Ro)是生氣量的重要指標(biāo)。本區(qū)太原組泥頁(yè)巖Ro主體集中在1.2%～1.99%，以生成氣態(tài)烴為主，處于有利于生成頁(yè)巖氣的成熟度范圍內(nèi)。

4 結(jié)論

1)太原組泥頁(yè)巖有機(jī)碳含量(TOC)主體位于2.0%～2.5%，最高為4.3%，泥頁(yè)巖分布范圍大，達(dá)到6.2萬(wàn)km2，厚度穩(wěn)定，具有生烴的物質(zhì)基礎(chǔ)。有機(jī)質(zhì)類型主要是Ⅱ2型，其次是Ⅲ型。鏡質(zhì)體反射率(Ro)主要位于1.2%～1.99%，處于成熟—高成熟階段，以生成氣態(tài)烴為主。是本區(qū)蘇里格、大牛地等氣田的主要?dú)庠粗弧?/p>

2)太原組泥頁(yè)巖在鄂爾多斯盆地分布廣泛，層位、厚度穩(wěn)定，有機(jī)碳含量超過(guò)海陸過(guò)渡相頁(yè)巖氣有利區(qū)、目標(biāo)區(qū)優(yōu)選指標(biāo)的要求，有機(jī)質(zhì)處于有利于生成頁(yè)巖氣的成熟度范圍內(nèi)。太原組是成藏頁(yè)巖氣的有利層位，也是我國(guó)北方海陸過(guò)渡相地層中尋找頁(yè)巖氣的有利層位。

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Carboniferous Taiyuan Formation Paralic Facies Organic-rich Argillutite Hydrocarbon Generation Capacity Analysis in Northern Ordos Basin

Yang Cai1, He Zhiqiang2, Guo Renwang1, Bai Lingqi1, Feng Yan1and Lin Haitao1

(1.Inner Mongolia Institute of Geological Survey, Hohhot, Inner Mongolia 010020;2.Inner Mongolia Fourth Geology and Mineral Resources Exploration and Exploitation Institute, Ulanqab, Inner Mongolia 012000)

The Ordos Basin is a large-sized oil and gas basin in China, multiple large natural gas fields such as Surig and Daniudi have been found in the basin, while the Permo-Carboniferous is the hydrocarbon generation measures. Most previous studies put attention on coal seam hydrocarbon generation capacity; considered that the coal gas has contributed to the gas reservoir a lot. To find out hydrocarbon generation capacity of the Carboniferous Taiyuan Formation paralic facies argillutite, through field investigation, sampling analytic tests, old well information review carried out analytic study on argillutite hosting and distribution, organic matter type, organic carbon content and organic matter maturity etc. The study has shown that the argillutite has strong hydrocarbon generation capacity, thus the main source rock of natural gas in the area, also the main reservoiring horizon of shale gas. Thus the Taiyuan Formation paralic facies argillutite is the favorable horizon to prospect shale gas in North China.

Ordos Basin; Taiyuan Formation; paralic facies; argillutite; hydrocarbon generation capacity; shale gas

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.07.04

1674-1803(2017)07-0014-04

內(nèi)蒙古自治區(qū)頁(yè)巖氣潛力調(diào)查評(píng)價(jià)及開(kāi)發(fā)利用選區(qū)研究(2012-03-ZY01)。

楊才(1967—)，男，內(nèi)蒙古清水河縣人，1987年畢業(yè)于長(zhǎng)春地質(zhì)學(xué)院，煤田地質(zhì)與勘查專業(yè)，高級(jí)工程師，現(xiàn)主要從事能源地質(zhì)礦產(chǎn)勘查工作。

2017-04-11

責(zé)任編輯：宋博輦

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