楊 甫，馬東民，付德亮，田 濤，段中會(huì)，張育平

(1.國(guó)土資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2.陜西省煤田地質(zhì)集團(tuán)有限公司；3.西安科技大學(xué))

頁巖氣是指以吸附態(tài)、游離態(tài)和少量溶解態(tài)賦存于富含有機(jī)質(zhì)的泥頁巖及其夾層粉砂巖、細(xì)砂巖或白云巖等致密巖石中的非常規(guī)天然氣[1]。按照成因類型分為連續(xù)生成的生物成因氣、熱成因氣或二者的混合，以游離態(tài)存在于天然裂縫和孔隙空間中，以吸附態(tài)存在于干酪根、黏土顆粒表面，還有極少量以溶解狀態(tài)儲(chǔ)存于干酪根和瀝青質(zhì)中，游離氣所占比例在20%～85%[2]。頁巖既是作為生成天然氣的源巖，又是聚集、保存天然氣的儲(chǔ)層和蓋層，屬于一種自生自儲(chǔ)的非常規(guī)天然氣，與常規(guī)天然氣儲(chǔ)層相比，頁巖儲(chǔ)層孔隙度一般不大于10%，滲透率為(10-8～10-4) mD，屬于特低孔、超低滲儲(chǔ)層，一般無自然產(chǎn)能或產(chǎn)能很低，需進(jìn)行大型水力壓裂和水平井鉆探技術(shù)才能進(jìn)行有效的經(jīng)濟(jì)開采，單井產(chǎn)氣周期長(zhǎng)[1-4]。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

鄂爾多斯盆地是在古生代華北克拉通陸表海-濱淺海盆地基礎(chǔ)之上發(fā)育的中生代內(nèi)陸河湖相多旋迴大型疊合沉積盆地[5]，盆地西南緣經(jīng)歷了多期次的逆沖推覆—前緣坳陷，盆地東部經(jīng)歷了多期次的構(gòu)造抬升以及顯生宙以來盆地沉積范圍由東向西不斷退縮的過程；晚白堊世以來，鄂爾多斯盆地主體進(jìn)入了差異抬升剝蝕和周緣斷陷的后期改造階段，現(xiàn)今構(gòu)造面貌主要受盆地及相鄰造山帶晚古生代以來的建造和改造作用的影響，形成了盆地南部隆起、東部掀斜和北部向北、向西傾斜的構(gòu)造單元分區(qū)面貌。

銅川地區(qū)位于鄂爾多斯盆地南部渭北隆起東段，三疊系延長(zhǎng)組自下而上分為5個(gè)巖性段和10個(gè)油層組，第一段(長(zhǎng)10油層組)、第二段(長(zhǎng)9-長(zhǎng)8油層組)、第三段(長(zhǎng)7-長(zhǎng)4+5油層組)、第四段(長(zhǎng)3-長(zhǎng)2油層組)、第五段(長(zhǎng)1油層組)，其中長(zhǎng)10-長(zhǎng)9沉積期為晚三疊世湖盆形成階段，長(zhǎng)8沉積期湖盆規(guī)模增大其形態(tài)基本形成，長(zhǎng)7沉積期湖盆規(guī)模達(dá)到最大范圍，形成了鄂爾多斯盆地中生界主要烴源巖——“張家灘”頁巖，長(zhǎng)6-長(zhǎng)3沉積期湖盆萎縮逐漸消亡，長(zhǎng)2-長(zhǎng)1沉積期湖盆發(fā)生大規(guī)模的沼澤平原化[6]。

圖1 鄂爾多斯盆地銅川地區(qū)長(zhǎng)7段底面構(gòu)造與研究區(qū)位置Figure 1 Yanchang Formation Member 7 bottom structure and study area situation in Ordos Basin

2 頁巖氣形成條件

2.1 沉積環(huán)境

鄒才能等[7]研究認(rèn)為中國(guó)陸相富氫有機(jī)質(zhì)頁巖的沉積環(huán)境主要是半深湖-深湖相。研究區(qū)內(nèi)長(zhǎng)7油層組沉積相的展布控制了該段地層的富有機(jī)質(zhì)頁巖厚度變化，以渭北隆起中部旬邑-照金一線為界，東部沉積相為半深湖-深湖相，西部沉積相為濱淺湖-三角洲相。在銅川以北-黃陵一線西部范圍內(nèi)沉積相為半深湖-深湖相，東部沉積相為濱淺湖-三角洲相[8-9]。油層組富有機(jī)質(zhì)頁巖顏色為黑色、頁理較為發(fā)育，在銅川霸王莊油頁巖露頭巖層內(nèi)可見泥包砂等深水沉積構(gòu)造，也發(fā)現(xiàn)有介形蟲和魚鱗等化石，顯示出明顯的半深湖-深湖相沉積特征。

2.2 分布范圍及厚度

鄂爾多斯盆地南部長(zhǎng)7油層組富有機(jī)質(zhì)頁巖的厚度為10～40m，其分布受沉積環(huán)境和沉積相的控制，深湖相沉積環(huán)境形成的油頁巖厚度大，淺湖和三角洲相沉積環(huán)境形成的油頁巖分布范圍較廣，但相比于深湖相沉積厚度較小。銅川以北、黃陵以西地區(qū)油頁巖相對(duì)發(fā)育，厚度較大(約30m)。研究區(qū)內(nèi)已有油頁巖鉆井資料[8]、油氣鉆探取心、測(cè)井解釋及露頭剖面測(cè)量總體顯示出該段油頁巖厚度在20～25m，單層厚度較大有利于頁巖氣形成。

2.3 有機(jī)地球化學(xué)特征

油頁巖有機(jī)地球化學(xué)特征是評(píng)價(jià)頁巖氣生成物質(zhì)基礎(chǔ)的重要指標(biāo)。本次主要從有機(jī)質(zhì)豐度、有機(jī)質(zhì)類型及有機(jī)質(zhì)成熟度等方面對(duì)研究區(qū)三疊系延長(zhǎng)組長(zhǎng)7段富有機(jī)質(zhì)頁巖生烴潛力進(jìn)行評(píng)價(jià)。

(1)有機(jī)質(zhì)豐度。北美地區(qū)含氣泥頁巖總有機(jī)碳含量(TOC)一般在1.5%～20%，其中，美國(guó)新墨西哥州圣胡安盆地Lewis頁巖的總有機(jī)碳含量(TOC)較低，分布在0.45%～2.50%[4]。一般認(rèn)為總有機(jī)碳含量(TOC)大于0.5%就可作為有潛力的頁巖氣源巖，李玉喜等[10]認(rèn)為產(chǎn)氣頁巖中的總有機(jī)碳含量(TOC)至少大于2.0%，最好在2.5%～3.0%以上，較高的總有機(jī)碳含量(TOC)往往代表頁巖具有更高的產(chǎn)氣能力。銅川地區(qū)延長(zhǎng)組長(zhǎng)7段泥頁巖鉆井巖心和露頭樣品巖石熱解參數(shù)(表1)顯示，總有機(jī)碳含量(TOC)為0.49%～31.6%，絕大多數(shù)大于2%，生烴潛量(S1+S2)為0.86～149.58mg/g，氯仿瀝青“A”值0.86～149.58mg/g。根據(jù)北美頁巖氣開發(fā)成功經(jīng)驗(yàn)，銅川地區(qū)延長(zhǎng)組長(zhǎng)7段富有機(jī)質(zhì)泥頁巖具有生成頁巖氣的物質(zhì)基礎(chǔ)。

(2)有機(jī)質(zhì)類型。北美地區(qū)含氣泥頁巖的干酪根類型主要以Ⅰ型和Ⅱ型干酪根為主，也有部分為Ⅲ型干酪根。泥頁巖中不同的干酪根類型只影響頁巖氣在有機(jī)質(zhì)表面的吸附率和擴(kuò)散率[13]，而不直接影響頁巖氣是否產(chǎn)氣。銅川地區(qū)延長(zhǎng)組長(zhǎng)7段油頁巖干酪根顯微組分鑒定結(jié)果(表2)，干酪根類型為Ⅰ和Ⅱ1型。根據(jù)法國(guó)石油研究院(1982)提出的巖石熱解參數(shù)烴指數(shù)(HI)和最大熱解峰溫(Tmax)圖版劃分銅川地區(qū)延長(zhǎng)組長(zhǎng)7段泥頁巖干酪根類型為Ⅰ和Ⅱ型，與干酪根顯微組分鑒定結(jié)果相一致。

(3)有機(jī)質(zhì)成熟度。北美地區(qū)頁巖氣的成因類型既有生物成因氣又有熱成因氣，而且泥頁巖有機(jī)質(zhì)成熟度差異較大，從未成熟到成熟甚至過成熟均有發(fā)現(xiàn)，表明頁巖氣的生成伴隨著有機(jī)質(zhì)向烴類轉(zhuǎn)化的整個(gè)過程[14]。如伊利諾斯盆地New Albany有機(jī)質(zhì)頁巖和密執(zhí)安盆地北緣Antrim有機(jī)質(zhì)頁巖的成熟度均為0.4%～1.0%，形成了生物成因型頁巖氣藏[15]。銅川地區(qū)延長(zhǎng)組長(zhǎng)7段油頁巖成熟度指標(biāo)(表3)最大鏡質(zhì)體反射率(Ro)為0.51%～0.89%，最大熱解峰溫(Tmax)為430～479℃，整體屬于低成熟-成熟階段，具有生成頁巖氣的熱條件。

表1 研究區(qū)長(zhǎng)7段泥頁巖有機(jī)質(zhì)豐度參數(shù)Table 1 Argillutite organic matter abundance parameters in study area Yanchang Formation Member 7

表2 研究區(qū)長(zhǎng)7段泥頁巖干酪根顯微組分特征Table 2 Argillutite kerogen maceral features in study area Yanchang Formation Member 7 %

表3 研究區(qū)長(zhǎng)7段泥頁巖有機(jī)質(zhì)成熟度指標(biāo)Table 3 Argillutite organic matter maturity indicesin study area Yanchang Formation Member 7

圖2 研究區(qū)長(zhǎng)7段泥頁巖有機(jī)質(zhì)類型圖解Figure 2 Diagram of organic matter types in study area Yanchang Formation Member 7 argillutite

3 泥頁巖儲(chǔ)集條件

3.1 物性特征

北美地區(qū)頁巖氣儲(chǔ)層巖心分析總孔隙度分布在1%～14%，平均為3%～8.3%；滲透率分布在0～3 000nD，平均為10～1 000nD[16]。銅川地區(qū)采用注入/壓降試井法測(cè)試的延長(zhǎng)組長(zhǎng)7段泥頁巖孔隙度為1.18%～1.92%，滲透率為6 400 nD。壓汞測(cè)試孔隙度為2.58%～2.84%，門檻壓力0.001 76～0.016MPa和最大進(jìn)汞飽和度86.05%～97.98%及退汞效率68.96%～75.04%，表明孔隙有較好的連通性和滲透性，最大孔喉半徑46.0～102.65μm和中值半徑0.007 8～0.009 4μm及歪度系數(shù)0.79～0.87反映孔喉大小以細(xì)孔喉居多，與延長(zhǎng)頁巖氣示范基地長(zhǎng)7段泥頁巖物性分析結(jié)果相一致[16]。

3.2 孔隙結(jié)構(gòu)特征

含氣頁巖儲(chǔ)層的孔隙結(jié)構(gòu)特性不僅影響了頁巖氣的儲(chǔ)集和頁巖儲(chǔ)層的吸附能力，而且也影響了氣體的運(yùn)移[18]。北美地區(qū)頁巖氣儲(chǔ)層的儲(chǔ)集空間主要為納米級(jí)孔隙，孔隙主要為有機(jī)質(zhì)在成熟熱解過程中形成的粒內(nèi)微孔、粒間微孔及有機(jī)質(zhì)成熟収縮孔，少部分來自于莓球狀黃鐵礦重結(jié)晶作用形成的晶間孔和生物化石硅化-重結(jié)晶作用形成的粒間微孔隙[19]。銅川地區(qū)長(zhǎng)7段泥頁巖掃描電鏡和氬離子剖光掃描電鏡微觀孔隙觀察結(jié)果顯示，主要以溶蝕孔(圖3a)和黃鐵礦粒間孔 (圖3b)為主，缺少有

機(jī)孔(圖3c)[20]。

根據(jù)國(guó)際純粹和應(yīng)用化學(xué)協(xié)會(huì)(IUPAC)的孔隙分類方案[21]，將孔隙大小劃分為微孔(<2nm)、中小孔(2～50nm)、大孔(>50nm)。液氮吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，銅川地區(qū)鉆探Y(jié)K1井長(zhǎng)7段泥頁巖的BET總比表面積為0.7～4.71m2/g，平均為1.87m2/g，DFT總孔體積為(2.94～11.98)×10-3cm3/g，平均為6.19×10-3cm3/g，其中微孔所占孔隙體積比例為3.87%，中小孔所占孔隙體積比例為56.65%，大孔所占孔隙體積比例為39.49%，中小孔隙最多，大孔次之，微孔最少[20]。鉆探Z1井長(zhǎng)7段泥頁巖BET總比表面積為0.47～7.54m2/g，平均為3.66 m2/g，DFT總比表面積為0.26～5.04m2/g，平均為2.31m2/g，BJH總孔體積為(1.51～3.59)×10-3cm3/g，平均為14.44×10-3cm3/g，DFT總孔體積為(3.13～24.18)×10-3cm3/g，平均為12.09×10-3cm3/g，其中微孔所占孔隙體積比例為15.55%，中小孔所占孔隙體積比例為57.54%，大孔所占孔隙體積比例為26.91%，中小孔隙最多，大孔次之，微孔最少?？梢姡~川地區(qū)長(zhǎng)7段泥頁巖孔隙以中小孔為主，大孔次之，微孔最少，這一結(jié)果與延長(zhǎng)陸相頁巖氣示范區(qū)泥頁巖平均孔徑主要分布于6～9nm，均值為7.2nm，以中孔隙為主的測(cè)試結(jié)果相一致[17]?？讖椒植己捅缺砻娣e測(cè)試結(jié)果(圖4)表明，長(zhǎng)7段泥頁巖的孔徑分布以中小孔隙和大孔隙為主，并提供了大部分的比表面積，微孔少量分布，提供了少量比表面積。

圖3 泥頁巖掃描電鏡圖Figure 3 Argillutite SEM images

圖4 泥頁巖孔徑分布(a)和孔隙比表面積分布(b)Figure 4 Argillutite pore diameter distribution (a) and pore specific surface area distribution (b)

根據(jù)IUPAC的分類，雖然鉆探Z1井各樣品吸附曲線形態(tài)略有差別，但整體都成反S型，呈Ⅱ型吸附等溫線。脫附曲線在相對(duì)壓力(P/P0)為0.4～0.5時(shí)出現(xiàn)急劇下降拐點(diǎn)， 在相對(duì)壓力(P/P0)小于0.4時(shí)下降速度進(jìn)一步變慢，幾乎與吸附曲線發(fā)生重合，在相對(duì)壓力(P/P0)大于0.4～0.5時(shí)形成一個(gè)“滯后環(huán)”(圖5)，說明頁巖中的孔隙的存在以兩端均以開放型孔為主，孔隙類型主要以管狀孔和平行壁的狹縫狀孔為主，為吸附態(tài)和游離態(tài)的頁巖氣提供了有利存儲(chǔ)空間。

圖5 泥頁巖樣品低溫氮?dú)馕?脫附曲線Figure 5 Argillutite sample low temperature nitrogen adsorption/desorption curves

3.3 礦物組成

已有研究結(jié)果表明，具有高效開發(fā)的頁巖儲(chǔ)層需要特殊的礦物組成，如高的脆性礦物(石英、長(zhǎng)石、碳酸鹽巖等)含量、低黏土礦物含量，高含量的脆性礦物不僅影響著頁巖儲(chǔ)層基質(zhì)孔隙和微裂縫的發(fā)育與后期壓裂改造程度，也影響著頁巖氣產(chǎn)出的品質(zhì)和產(chǎn)能[22-23]，黏土礦物含量也影響著單位體積巖石的頁巖氣吸附氣含量[24]。北美地區(qū)頁巖氣勘探實(shí)踐顯示，一般具備工業(yè)開發(fā)價(jià)值的富有機(jī)質(zhì)頁巖，脆性礦物含量應(yīng)大于40.0%，黏土礦物含量要小于30.0%。銅川HJF長(zhǎng)7油頁巖的全巖組分分析結(jié)果，石英含量為30.2%，長(zhǎng)石含量為25.4%，黃鐵礦含量為22.92%，黏土礦物含量為19.2%，碳酸鹽含量較低為2.28%[8]；YK1井長(zhǎng)7泥頁巖的全巖組分分析結(jié)果，石英含量為23.8%，長(zhǎng)石含量為10.5%，黃鐵礦含量為11.5%，黏土礦物含量為25.2%，碳酸鹽含量為29.0%[20]；Z1井長(zhǎng)7油頁巖的全巖組分分析結(jié)果，石英含量為22.8%，長(zhǎng)石含量為35.5%，黃鐵礦含量為14.4%，黏土礦物含量為15.2%，碳酸鹽含量為10.1%(表4)。由此可見，銅川地區(qū)長(zhǎng)7段富有機(jī)質(zhì)泥頁巖與北美地區(qū)頁巖氣高產(chǎn)區(qū)頁巖儲(chǔ)層主要礦物組成特征具有一定的可比性，整體呈現(xiàn)為較高的脆性礦物含量，有利于后期水力壓裂微裂縫的形成和展布延伸，黏土礦物的存在有助于在頁巖微孔隙內(nèi)表面保存等多的吸附態(tài)天然氣。

4 泥頁巖含氣性

中石化華北油田公司2010在鎮(zhèn)涇區(qū)塊實(shí)施了JH4頁巖氣探井，在長(zhǎng)7段泥頁巖進(jìn)行了頁巖氣的射孔壓裂試氣，將該段試氣層綜合評(píng)價(jià)為含氣低產(chǎn)水層。銅川地區(qū)油頁巖資源評(píng)價(jià)項(xiàng)目組在H3-1和H3井長(zhǎng)7油頁巖段發(fā)現(xiàn)有較好的氣測(cè)異常全烴值為1.5%～5.5%，對(duì)氣體組分進(jìn)行分析顯示甲烷含量值為17.31%～21.06%，平均為19.47%，反映長(zhǎng)7油頁巖含有頁巖氣[8]。銅川北部鉆井長(zhǎng)7段頁巖含氣的測(cè)井響應(yīng)明顯，在聲波時(shí)差和中子交會(huì)圖中有鏡像特征(圖6)， 氣測(cè)錄井顯示長(zhǎng)7段富有機(jī)質(zhì)泥頁巖全烴值為1.78%～19.7%，平均值為6.2%，甲烷含量為1.61%～16.53%，平均值為5.17%，反映頁巖層段具有良好含氣顯示。現(xiàn)場(chǎng)頁巖氣解析試驗(yàn)結(jié)果顯示，頁巖甲烷總氣含量為1.03～1.25m3/t，平均1.14m3/t，含氣量較高。等溫吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，銅川地區(qū)長(zhǎng)7段泥頁巖35℃的等溫條件下，蘭氏體積最大吸附能力為4.0～6.2m3/t，46℃的等溫條件下，蘭氏體積最大吸附能力為17.73～19.49m3/t，頁巖吸附性較好，有利吸附態(tài)頁巖氣保存，顯示銅川地區(qū)長(zhǎng)7段泥巖具有較好的頁巖氣勘探潛力。

圖6 ZJS01井頁巖氣測(cè)井響應(yīng)特征Figure 6 Shale gas well logging response features in well ZJS01

5 結(jié)論

(1)銅川地區(qū)延長(zhǎng)組長(zhǎng)7段油頁巖沉積相為半深湖-深湖環(huán)境，油頁巖單層厚度大，有機(jī)質(zhì)碳含量較高，有機(jī)質(zhì)類型以Ⅰ型和Ⅱ型為主，有機(jī)質(zhì)熱演化程度為低熟-成熟階段，具備形成頁巖氣的地質(zhì)條件。

(2) 頁巖儲(chǔ)層孔隙度較低，但滲透率高具有較好的連通性和滲透性；孔隙大小以中小孔為主，溶蝕孔、黃鐵礦粒間孔發(fā)育，有機(jī)質(zhì)孔較少，孔隙類型以管狀孔和平行壁的狹縫狀孔為主，為吸附態(tài)和游離態(tài)的頁巖氣提供有利存儲(chǔ)空間。

(3) 泥頁巖脆性礦物含量超過50%，黏土礦物含量低于30%，有利于微裂縫的形成和后期壓裂改造，具有較好的可改造性。

(4) 氣測(cè)錄井得到的油頁巖全烴值平均為6.2%，現(xiàn)場(chǎng)解吸頁巖氣甲烷含量平均為1.14m3/t，儲(chǔ)層溫度下等溫吸附法測(cè)得泥頁巖吸附含氣量為4.0～6.2 m3/t，顯示泥頁巖具有天然氣吸附能力，銅川地區(qū)頁巖氣勘探具有較大潛力。

致謝：掃描電鏡、壓汞實(shí)驗(yàn)在四川省科源工程技術(shù)測(cè)試中心完成、氮?dú)馕胶偷葴匚綄?shí)驗(yàn)在國(guó)土資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室測(cè)定，中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院蘭州油氣資源中心李成成博士提供了氬離子拋光掃描電鏡照片，在此一并表示感謝。

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