宋海強(qiáng)，鄭 閣，陳 慶

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鄂爾多斯盆地L區(qū)塊頁(yè)巖氣地質(zhì)特征及勘探前景

宋海強(qiáng)1，鄭 閣2，陳 慶3

（1．陜西延長(zhǎng)石油國(guó)際勘探開(kāi)發(fā)工程有限公司，陜西西安 710075；2．中國(guó)石油煤層氣有限責(zé)任公司臨汾分公司；3．中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司采油二廠）

以鄂爾多斯盆地東緣L區(qū)塊二疊系山西組和太原組泥頁(yè)巖為研究對(duì)象，通過(guò)野外調(diào)查和實(shí)驗(yàn)測(cè)試，分析兩個(gè)層位泥頁(yè)巖的厚度、分布、地球化學(xué)特征，指出頁(yè)巖氣發(fā)育的有利層位。研究認(rèn)為,該區(qū)塊泥頁(yè)巖具有厚度較大、分布穩(wěn)定，泥頁(yè)巖有機(jī)碳含量較高，68%的樣品有機(jī)碳含量大于2.0%，熱演化程度適中，鏡質(zhì)體反射率一般為1.25%～1.84%，有機(jī)質(zhì)處于成熟生氣階段。與美國(guó)主要的頁(yè)巖氣盆地進(jìn)行對(duì)比分析，L區(qū)塊二疊系太原組及山西組發(fā)育的泥頁(yè)巖層為該區(qū)塊頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)的有利層位，具有良好的頁(yè)巖氣勘探前景。

鄂爾多斯盆地；二疊系；頁(yè)巖氣；地質(zhì)特征；勘探前景

1 地質(zhì)概況

鄂爾多斯盆地是一個(gè)大型的多旋回克拉通疊合盆地，構(gòu)造上位于中國(guó)沉積盆地分布的中部，油氣勘探歷史悠久，資源類型豐富。L區(qū)塊位于鄂爾多斯盆地東部，構(gòu)造長(zhǎng)期處于相對(duì)隆起區(qū)域，主體為一向西和北西緩傾的大型單斜構(gòu)造，有利于頁(yè)巖氣的形成、保存及勘探開(kāi)發(fā)[1]，目前盆地東緣是有利于煤層氣開(kāi)發(fā)的區(qū)域[2]，煤系泥頁(yè)巖層數(shù)多，累計(jì)厚度大，是頁(yè)巖氣形成的良好場(chǎng)所[3]。就整個(gè)盆地來(lái)說(shuō)，有關(guān)頁(yè)巖氣地質(zhì)特征及成藏條件方面的研究主要集中于盆地中南部[4-8]。

2 研究區(qū)頁(yè)巖氣地質(zhì)特征

研究區(qū)位于鄂爾多斯盆地東緣晉西饒褶帶的南端，整體呈一向北西傾斜的單斜構(gòu)造，構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單，局部發(fā)育一些NE、近NS 向的寬緩褶皺和撓曲［9］。該區(qū)塊長(zhǎng)期處于相對(duì)隆起狀態(tài)，僅在中晚寒武世、早奧陶世、中晚石炭世、二疊紀(jì)有較薄的沉積。主要研究層位為上古生界二疊系下統(tǒng)山西組、太原組，以及石炭系中統(tǒng)本溪組。其中，山西組為陸相沉積，厚度為80～160 m，由砂巖、泥巖及煤層組成；太原組則為濱淺海相沉積，厚度40～60 m，由泥巖、灰?guī)r、砂巖及煤層組成。

2.1 泥頁(yè)巖厚度

野外觀察及剖面實(shí)測(cè)顯示，研究區(qū)內(nèi)臺(tái)頭剖面本溪組以黑色泥巖、灰色粉砂巖和深灰色灰?guī)r為主，夾薄煤層，泥巖厚度為9.4 m；太原組以深灰色碎屑灰?guī)r、黑色泥巖和煤層為主，泥巖厚度25.0 m左右；山西組以淺灰色石英砂巖、黑色泥巖為主，夾煤層，泥巖厚度達(dá)26.1 m[10]。興縣關(guān)家崖地質(zhì)剖面太原組發(fā)育頁(yè)巖約45 m，禮泉東莊志留系發(fā)育頁(yè)巖約250 m。

據(jù)美國(guó)及加拿大頁(yè)巖氣田的資料[11]，世界第一大頁(yè)巖氣田——富特沃斯盆地巴內(nèi)特頁(yè)巖氣田頁(yè)巖的厚度為61～152 m，其中產(chǎn)層的厚度為30 m，而Fayetteville和Marcellus氣田頁(yè)巖厚度也均在15 m以上，說(shuō)明厚度是評(píng)價(jià)頁(yè)巖氣藏的有效指標(biāo)之一。邵珠福等( 2012) 認(rèn)為，頁(yè)巖氣所要求的頁(yè)巖累計(jì)有效厚度在15 m以上，具有工業(yè)開(kāi)采價(jià)值的頁(yè)巖累計(jì)有效厚度在30 m 以上[12]。對(duì)研究區(qū)煤層氣井鉆探結(jié)果統(tǒng)計(jì)，L區(qū)塊二疊系山西組和太原組泥頁(yè)巖厚度較大，分別為30～70 m和15～35 m，縱向上發(fā)育在山西組5#煤上部（山1段）及太原組8#煤上部（太1段）之間，厚度較大，普遍大于30 m，最厚可達(dá)85 m。山1段最大單層厚度均在20 m以上，太一段最大單層厚度均在15 m以上，均達(dá)到頁(yè)巖氣成藏的有利厚度。

2.2 有機(jī)質(zhì)豐度

評(píng)價(jià)有機(jī)質(zhì)豐度常用的指標(biāo)有總烴含量( HC) 、氯仿瀝青“A”、總有機(jī)碳含量( TOC)，前2個(gè)指標(biāo)受控于TOC，所以本文用TOC來(lái)評(píng)價(jià)頁(yè)巖的有機(jī)質(zhì)豐度。前人對(duì)鄂爾多斯盆地上古生界山西組—本溪組的暗色泥巖研究顯示，山西組泥巖的TOC含量為0.24%～21.89%，平均值為2.25%，太原組泥巖有機(jī)碳為 0.31%～14.54%，平均值為3.63%[13 ]。張金川等認(rèn)為，泥頁(yè)巖TOC含量大于0.5%可以作為產(chǎn)氣頁(yè)巖的下限，而較為有利的產(chǎn)氣頁(yè)巖TOC含量應(yīng)大于2.0%，從有機(jī)質(zhì)豐度指標(biāo)來(lái)看，山西組和太原組泥頁(yè)巖屬于較有利的含氣頁(yè)巖。

2.3 有機(jī)質(zhì)成熟度

評(píng)價(jià)有機(jī)質(zhì)成熟度的方法有很多，鏡質(zhì)體反射率法（o）是其中常用且有效的方法之一，前人研究資料表明，鄂爾多斯盆地上古生界本溪組泥頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)o為1.25%~1.84%，平均1.52%，絕大部分樣品的o大于1.0%[13]；o大于1.00%，標(biāo)志著有機(jī)質(zhì)步入成熟階段，開(kāi)始生烴；如果o大于2.25%，則有機(jī)質(zhì)已經(jīng)過(guò)成熟[14]。本次實(shí)測(cè)結(jié)果顯示山西組泥巖o最高，大部分超過(guò)1.3%，有機(jī)質(zhì)演化程度高；太原組泥巖o則主要為1.0%～1.5%。根據(jù)泥巖烴類的演化模式可知，該階段是中成熟到高成熟階段，非常有利于泥頁(yè)巖大量生氣（圖1）。

2.4 巖性特征

圖1 總有機(jī)碳含量分布直方圖

對(duì)J11井的鉆井巖心進(jìn)行觀察，其二疊系下統(tǒng)山西組（988.00~1 074.34 m）上部以灰色、深灰色泥巖和灰黑色泥巖為主，夾中-厚層淺灰色細(xì)砂巖；下部為灰黑色、深灰色泥巖，碳質(zhì)泥巖與淺灰、深灰色細(xì)砂巖，黑色煤及煤條帶呈不等厚互層。二疊系下統(tǒng)太原組（1 074.34~1 127.80 m）上部以灰黑色泥巖為主。

Ｘ-射線衍射沉積巖全巖及黏土礦物定量分析結(jié)果表明，J11井山西組和太原組泥頁(yè)巖的礦物成份以黏土礦物為主，含量60.7%~73.8%，其中高嶺石含量最高，伊利石和伊蒙混層次之；石英含量較低，為21.5%~33.2%，平均29.3%（圖2）。礦物的脆性指數(shù)較低，在壓裂過(guò)程中不易形成復(fù)雜的縫網(wǎng)體系，并且已經(jīng)形成縫網(wǎng)體系易被黏土礦物充填，從而導(dǎo)致頁(yè)巖氣產(chǎn)能較低。盆地東緣隰縣地區(qū)頁(yè)1井全巖分析結(jié)果顯示主要礦物有石英、黏土礦物、方解石、菱鐵礦等，其中以石英和黏土含量最高，石英含量最大值達(dá)到51.2%，平均含量達(dá)到 34.7%；黏土礦物含量較高，最大比例可達(dá)81.1%，平均值 45.2%。黏土礦物中，高嶺石含量 37%，伊蒙混層 45%，綠泥石含量8%，伊利石12%，不含蒙脫石[15]。對(duì)比頁(yè)1井黑色頁(yè)巖全巖及黏土礦物含量的研究結(jié)果，14井的黏土礦物明顯高于頁(yè)1井，石英含量也較低。由于研究區(qū)僅有一口鉆井的Ｘ-射線衍射資料，數(shù)據(jù)的可靠性有限，可進(jìn)一步獲取翔實(shí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行研究。

臺(tái)頭剖面泥頁(yè)巖樣品中普遍發(fā)育有機(jī)質(zhì)內(nèi)孔隙、黏土礦物微孔隙，有機(jī)質(zhì)孔徑普遍為10~100 nm，個(gè)別的孔徑可達(dá)幾百納米；黏土礦物微孔隙稍大，一般為1~10 μm，個(gè)別孔徑十幾微米，但都不超過(guò)20 μm。微裂縫不發(fā)育，多發(fā)育解理縫[10]。研究區(qū)內(nèi)泥頁(yè)巖層理發(fā)育，容易形成橫向裂縫，垂向裂縫相對(duì)少些；另外，前人研究結(jié)果表明，在太原組見(jiàn)到包括泥頁(yè)巖在內(nèi)的多種巖性裂縫發(fā)育，部分裂縫含氣，其中泥頁(yè)巖中巖性裂縫有10條，碳質(zhì)泥巖中7條，泥質(zhì)砂巖中7條，硅質(zhì)巖與煤層中62條。

2.5 埋深及封蓋條件

L區(qū)塊頁(yè)巖埋深為1 500～2 300 m，與美國(guó)Ft. worth盆地頁(yè)巖氣生產(chǎn)深度比較接近，因此是頁(yè)巖氣埋藏比較理想的深度。此外，該區(qū)塊二疊系頁(yè)巖氣具有多套厚層泥巖覆蓋良好的封蓋條件。山西組上部為下石盒子組和上石盒子組，其中上石盒子組泥巖厚度為200～350 m，是一套良好的區(qū)域性蓋層；而下石盒子組泥巖厚度多在75 m以上，是一套局部性蓋層。由此可見(jiàn)，研究區(qū)的頁(yè)巖氣具有良好的多套厚層泥巖封閉條件。

圖2 J11井的Ｘ-射線衍射沉積巖全巖及黏土礦物定量分析結(jié)果

3 勘探前景評(píng)價(jià)

美國(guó)頁(yè)巖氣的勘探開(kāi)發(fā)表明，頁(yè)巖氣產(chǎn)出最好的地區(qū)必須是有機(jī)碳含量、厚度、孔隙度和滲透率以及適當(dāng)?shù)臒岢墒於?、裂縫、礦物成分及含量、埋深等良好匹配的區(qū)域，所以上述各種地質(zhì)參數(shù)是進(jìn)行頁(yè)巖氣藏的有利勘探區(qū)預(yù)測(cè)的重要基礎(chǔ)。經(jīng)上述分析表明，鄂爾多斯盆地東緣上古生界泥頁(yè)巖分布范圍廣，累計(jì)厚度大于30 m，整體上TOC含量大于2. 0%，o為1.0%～2.25%，埋深適中，有利于頁(yè)巖氣成藏。

將L區(qū)塊頁(yè)巖氣形成的各項(xiàng)地質(zhì)參數(shù)與美國(guó)頁(yè)巖氣主要盆地進(jìn)行對(duì)比分析（表1）表明，它們均具有有機(jī)質(zhì)豐度高、烴源巖分布廣、厚度大的共性特征。對(duì)頁(yè)巖成熟度和埋深進(jìn)行對(duì)比，一類是埋藏較深、成熟度較高的頁(yè)巖氣藏類型，如鄂爾多斯盆地L區(qū)塊和美國(guó)的San Juan 等盆地，頁(yè)巖氣藏埋深，一般為1 000~2 700 m，o為1.2%~2.0%，處于高成熟、成熟生氣階段。另一類如美國(guó)的Michigan等盆地，頁(yè)巖氣藏埋深一般在170~1 600 m,o為0.4%~1.2%，處于低成熟、成熟生油和熱解氣、生物氣階段。通常埋藏較深、成熟度較高的頁(yè)巖氣藏比埋藏較淺、成熟度低的頁(yè)巖氣藏具有更高的產(chǎn)量和資源量。綜合研究結(jié)果顯示，山西組及太原組泥巖發(fā)育厚度大，分布穩(wěn)定，有機(jī)碳含量較高，成熟度高。另外，煤層氣井鉆井過(guò)程中氣測(cè)顯示活躍，認(rèn)為L(zhǎng)區(qū)塊山西組、太原組具有頁(yè)巖氣形成的地質(zhì)條件。

表1 鄂爾多斯盆地與美國(guó)五大盆地頁(yè)巖氣形成條件對(duì)比

4 結(jié)論

（1）研究區(qū)內(nèi)二疊系下統(tǒng)山西組及太原組暗色泥頁(yè)巖分布穩(wěn)定，厚度較大，分別為30～70 m和15～35 m，TOC含量高，泥頁(yè)巖o高，處于成熟–高成熟生氣階段，有利于頁(yè)巖氣的生成，具備頁(yè)巖氣形成的地質(zhì)基礎(chǔ)。

（2）綜合L區(qū)塊頁(yè)巖氣地質(zhì)特征和美國(guó)頁(yè)巖氣主要盆地地質(zhì)條件進(jìn)行對(duì)比認(rèn)為，研究區(qū)內(nèi)二疊系山西組及太原組為頁(yè)巖氣勘探的有利層段，下一步可有針對(duì)性地對(duì)頁(yè)巖氣井進(jìn)行取心、錄井、測(cè)井工作，對(duì)研究區(qū)頁(yè)巖氣地質(zhì)條件和有利目標(biāo)進(jìn)行深化研究。

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編輯：趙川喜

1673–8217（2017）05–0033–04

TE122.2

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2017–04–20

宋海強(qiáng)，碩士，工程師，1978年生，2009年畢業(yè)于長(zhǎng)江大學(xué)，現(xiàn)從事海外油氣勘探工作。