司慶紅，司馬獻章，張 超，王善博，曲 凱，孫衛(wèi)志，李中明

(1.中國地質(zhì)調(diào)查局 天津地質(zhì)調(diào)查中心，天津 300170； 2.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局 第一地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查院，河南 洛陽 471000； 3.河南省地質(zhì)調(diào)查院，河南 鄭州 450000)

引 言

洛伊凹陷為“三鼻五次凹一推覆”的構(gòu)造格局，是一個晚古生代與中生代的疊合盆地[1-3]，受多期次差異性構(gòu)造運動改造影響，各次級構(gòu)造單元上古生界埋深變化范圍大，烴源巖平面上熱演化程度總體呈“北高南低，西高東低”的變化趨勢[1,3-4]。前人在洛伊凹陷油氣勘探工作中以生界為目的層開展圈閉油氣藏的研究[1,5-6]，很少針對上古生界富有機質(zhì)泥頁巖。

本次研究選擇構(gòu)造相對穩(wěn)定、上古生界埋深適中、熱演化程度更貼近自然演化的義馬地區(qū)作為研究區(qū)，利用鉆探資料和實驗數(shù)據(jù)，依據(jù)頁巖氣評價標準，從富有機質(zhì)泥頁巖分布特征、生烴條件和物性條件三方面展開義馬地區(qū)上古生界富有機質(zhì)泥頁巖評價，并劃分頁巖氣有利層段。

義馬地區(qū)位于洛伊凹陷的西北緣，南以宜伊斷裂為界并與義馬—宜陽—伊川逆沖推覆帶相鄰，東北以義馬—龍門斷裂與新安—龍門鼻狀構(gòu)造帶相接，東南為宜陽次凹，面積約510 km2(圖1)[1]。

圖1 工作區(qū)及周邊構(gòu)造概況[1]Fig.1 A survey of the structures in the study area and its surrounding area[1]

1 富有機質(zhì)泥頁巖分布特征

義馬地區(qū)古生界殘留部分主要出露于新安凸起以北及澠池西北部的露頭區(qū)，順該凸起走向至盆地以南宜陽一帶見零星出露，由下向上為寒武系，奧陶系，石炭系本溪組，二疊系太原組、山西組、下石盒子組、上石盒子組等。從西到東，義馬地區(qū)上古生界地層厚度變化不大，山西組和下石盒子組略有增厚，上古生界殘存厚度為800～1 200 m，受宜伊斷裂的控制，次凹呈“北淺南深”的基本格局[1]。通過鉆孔編錄，ZK0302和ZK0402這2個鉆孔(鉆孔位置見圖1)，結(jié)合前人研究[2,7-8]劃分出5個上古生界富有機質(zhì)泥頁巖目標層(表1)。

表1 上古生界富有機質(zhì)泥頁巖層段分布Tab.1 Distribution of organic-rich shale in Upper Paleozoic formation

通過地層對比，發(fā)現(xiàn)2鉆孔上古生界富有機質(zhì)泥頁巖主要分布在下石盒子組、山西組和太原組，2鉆孔富有機質(zhì)泥頁巖層段埋深975.23～1 278.58 m，厚度分別為57.10 m和41.57 m，平均厚度為49.3 m。山2段厚度差異較大，其余各富有機質(zhì)層段厚度相對穩(wěn)定。

2 頁巖氣儲層特征

2.1 礦物成分與脆性特征

頁巖主要由有機質(zhì)和無機礦物組成，其中石英、長石、碳酸鹽巖、黃鐵礦的脆性礦物和黏土礦物占有較大比例，并且影響頁巖氣儲層評價、壓裂開發(fā)[9-10]。選取ZK0302和ZK0402樣品進行全巖X衍射分析，用礦物體積分數(shù)表征富有機質(zhì)泥頁巖的礦物組成(圖2)。

上古生界富有機質(zhì)泥頁巖主要由黏土礦物和脆性礦物組成，兩者占總礦物的76.4%～98.9%，平均94.6%。黏土礦物占19.3%～55.5%，平均36.1%；總脆性礦物占39.5%～78.2%，平均58.5%。脆性礦物主要為石英和碳酸鹽巖，石英占總礦物的20.5%～67.5%，平均46.7%；碳酸鹽巖占總礦物的0～29.4%，平均7.5%。

圖2 古生界富有機質(zhì)泥頁巖層段礦物組成剖面Fig.2 Mineral composition profile of organic-rich shale in Upper Paleozoic formation

本次上古生界5個富有機質(zhì)泥頁巖層段脆性評價采用基于礦物組分的評價指標，即脆性指標[11]為

BI=(φQtz+φFeld+φFes)/φTotal×100% 。

(1)

式中：BI為脆性系數(shù)，%；φQtz為石英體積分數(shù)，%；φFeld為長石體積分數(shù)，%；φFes為黃鐵礦體積分數(shù)，%；φTotal為總礦物占頁巖體積分數(shù)，%。

經(jīng)計算，上古生界5個富有機質(zhì)泥頁巖層段總體脆性系數(shù)較高，集中分布在40%～60%，各層段脆性系數(shù)區(qū)別不大。從力學(xué)角度看，上古生界富有機質(zhì)泥頁巖層段易于實現(xiàn)后期壓裂施工。

2.2 孔裂隙發(fā)育特征

通過掃描電鏡觀察義馬地區(qū)上古生界泥頁巖孔裂隙發(fā)育情況。在60倍鏡下觀察到巖石中一溶蝕縫，縫寬0.85 mm左右，縫內(nèi)被泥質(zhì)完全充填，未見孔隙(圖3(a))。在400倍鏡下觀察到巖石中一縫寬0.04 mm左右構(gòu)造縫，縫內(nèi)被方解石充填完全，另可見一納米—微米級不規(guī)則微裂縫；粒間充填少量片狀伊利石，孔隙極少(圖3(b))。在1 000倍掃描電鏡下，可觀察到泥質(zhì)間微孔隙(圖3(c))，在2 000倍電子掃描電鏡下，觀察到粒間及炭質(zhì)粒內(nèi)微孔隙(圖3(d))。

不同尺度的孔隙對頁巖氣的賦存和運移具有不同的作用和貢獻。納米級孔隙對頁巖氣的賦存至關(guān)重要[12]，微米級及更大尺度的孔裂隙和孔隙的連通程度保障了頁巖氣的運移。上古生界富有機質(zhì)泥頁巖中發(fā)育不同尺度的孔裂隙，對頁巖氣賦存、富集有利。

采集上古生界7個泥頁巖樣品進行壓汞實驗。樣品埋深為885～1 254 m，自上而下樣品編號依次為KS-1、KS-2、KS-3、KS-4、KS-5、KS-6、KS-7。根據(jù)實驗結(jié)果分析，上古生界泥頁巖孔隙度、孔徑分布、比表面積、孔容等孔隙結(jié)構(gòu)特征如圖4所示。

圖3 上古生界富有機質(zhì)泥頁巖孔裂縫SEM實驗特征Fig.3 Characteristics of pores and cracks in organic-rich shale in Upper Paleozoic formation under SEM

圖4 壓汞實驗反映的上古生界泥頁巖孔隙結(jié)構(gòu)特征Fig.4 Pore structure characteristics of organic-rich shale in Upper Paleozoic formation from mercury pressure tests

壓汞實驗測得7個泥頁巖樣品的密度為2.38～2.72 t/m3，平均2.60 t/m3，平均孔徑為9.90 ～15.70 nm，平均12.54 nm；平均孔容為5.6 ～15.9 mL/g，平均10.36 mL/g；平均比表面積為1.42～5.65 m2/g，平均3.42 m2/g；孔隙度為1.22%～3.38%，平均2.22%。

由圖4(a)和圖4(b)可看出，隨著深度的增加，泥頁巖孔隙度、表面積與孔容有逐漸減小的趨勢，且三者相關(guān)性基本一致。從圖4(c)可看出泥頁巖孔隙主要由小孔和微孔組成，約占60%～80%，隨著深度增加，大孔比率呈略增加趨勢，可能是由構(gòu)造作用或者巖性差異引起的。圖4(d)顯示微孔和小孔幾乎貢獻了所有的表面積值，而大孔和中孔在表面積上的貢獻微乎其微。

由上述分析可知，上古生界泥頁巖發(fā)育微納米級孔喉網(wǎng)絡(luò)體系，主要包括微米—毫米級微裂縫和粒間-粒內(nèi)微小孔，可成為油氣運移聚集的有效通道和儲集空間。

2.3 滲透性

本次研究選取編號分別為S1和S2的上古生界泥頁巖，利用壓力脈沖超低滲透率儀開展?jié)B透率與圍壓變化關(guān)系的研究。將測得的S1和S2滲透率數(shù)據(jù)與有效應(yīng)力進行擬合(圖5)。

圖5 上古生界泥頁巖滲透率與有效應(yīng)力關(guān)系曲線Fig.5 Relationship curves between permeability and effective stress of shale samples from UpperPaleozoic formation

2個樣品所測數(shù)據(jù)擬合結(jié)果分別為y=0.049 1 e-0.28x和y=0.198 5e-0.546x，相關(guān)度均高達90%。頁巖氣有利層段的富有機質(zhì)泥頁巖覆壓滲透率下限為0.000 1×10-3μm2[11]，本次研究據(jù)此反演上古生界頁巖氣有利層段埋藏深度。將靜水壓力作為埋藏條件下的壓力系數(shù)，根據(jù)滲透率與有效應(yīng)力擬合曲線算出富有機質(zhì)泥頁巖滲透率大于0.000 1×10-3μm2的平均埋深在1 800 m以淺。

2.4 含氣性

選取山2段—太1段富有機質(zhì)泥頁巖編號分別為X1和X2的2個樣品，試驗溫度為30 ℃，采用純甲烷在平衡濕度條件下進行等溫吸附測試，測得富有機質(zhì)泥頁巖對甲烷有較強吸附性。朗格繆爾體積VL平均為1.63 m3/t，朗格繆爾壓力pL平均為1.5 MPa。2個樣品實測數(shù)據(jù)與等溫吸附曲線擬合效果好，甲烷吸附量隨著壓力增大呈增高趨勢(圖6)。

由于頁巖氣有利層段埋深開發(fā)上限為600 m[11]，且滲透率大于0.1×10-3μm2的平均埋深為1 800 m以淺。本次主要針對埋深在600～1 800 m的富有機質(zhì)泥頁巖進行含氣性評價。按照靜水壓力系數(shù)估算地層壓力，埋深在600～1 800 m的上古生界富有機質(zhì)泥頁巖地層壓力按6～18 MPa計算。利用朗格繆爾方程

V=VL·p/(pL+p)

(2)

計算上古生界富有機質(zhì)泥頁巖吸附含氣量。

圖6 上古生界泥頁巖等溫吸附擬合曲線Fig.6 Isothermal adsorption curves of shale samples from Upper Paleozoic formation

式(2)中，V為吸附含氣量，m3/t；p為地層壓力，MPa；VL為朗格繆爾體積，1.63 m3/t；pL為朗格繆爾壓力，1.5 MPa。

利用式(2)計算出上古生界富有機質(zhì)泥頁巖最大吸附氣含量為1.30 ～1.50 m3/t，平均1.4 m3/t。說明埋深在600～1 800 m的富有機質(zhì)泥頁巖具有較高含氣性。

3 討 論

3.1 富有機質(zhì)泥頁巖生烴條件

采集下2段—太1段富有機質(zhì)泥頁巖層段共76個樣品，樣品編號為T1—T76，其中T1— T27為鉆孔ZK0302富有機質(zhì)泥頁巖樣品，T28—T76為鉆孔ZK0402富有機質(zhì)泥頁巖樣品。對樣品T1—T76進行有機碳TOC質(zhì)量分數(shù)測試，測試結(jié)果顯示：富有機質(zhì)泥頁巖有機碳質(zhì)量分數(shù)總體在0.23%～9.67%，平均為1.38%(圖7)。

圖7 上古生界富有機質(zhì)泥頁巖有機碳含量直方圖Fig.7 Organic carbon content histogram of organic-rich shale in Upper Paleozoic formation

從圖7可看出，上古生界富有機質(zhì)泥頁巖有機質(zhì)豐度存在較強非均質(zhì)性，但總體有機碳含量較高，其中91%的樣品TOC質(zhì)量分數(shù)大于0.5%，超過 60%的樣品TOC質(zhì)量分數(shù)大于1.0%。

計算干酪根類型指數(shù)是判別有機質(zhì)類型最直接有效的方法，而鏡質(zhì)組反射率是一項衡量有機質(zhì)熱成熟的良好指標，被廣泛應(yīng)用于研究分散有機質(zhì)的熱演化程度[13-15]。干酪根類型指數(shù)計算公式

TI=(100MB+50E-75V-100I)/100。

(3)

式中：TI為類型指數(shù)，%；MB、E、V、I分別為無定性有機質(zhì)、殼質(zhì)組、鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組含量，%。當(dāng)TI<0，有機質(zhì)類型為Ⅲ型；TI在0～40，有機質(zhì)類型為Ⅱ2型；TI在40～80，有機質(zhì)類型為Ⅱ1型；TI>80，有機質(zhì)類型為Ⅰ型。

選取澠池ZK0302、ZK0402上古生界富有機質(zhì)泥巖樣品進行干酪根鏡鑒和鏡質(zhì)組反射率測定。 干酪根鏡鑒結(jié)果顯示：鏡質(zhì)組V在7.9%～100%，平均50.5%；殼質(zhì)組E在0～87.2%，平均44.6%；惰性質(zhì)組I在0～45.5%，平均4.9%。利用式(3)計算出類型指數(shù)TI<0，說明上古生界富有機質(zhì)泥頁巖有機質(zhì)類型為Ⅲ型。

經(jīng)分析，下石盒子組富有機質(zhì)泥頁巖Ro在0.95%～1.07%，說明下1段—下2段有機質(zhì)處于成熟階段。山西組—太原組富有機質(zhì)泥頁巖樣品Ro在1.21%～1.67%，平均1.45%，其中80%樣品Ro值超過1.3%，說明太1段—山2段有機質(zhì)主體處于高成熟階段，少部分處于成熟階段，有利于生氣。

3.2 生烴條件評價及頁巖氣有利目標層優(yōu)選

根據(jù)頁巖氣地質(zhì)評價方法[11]，結(jié)合上述分析，對義馬地區(qū)上古生界下2段—太1段富有機質(zhì)泥頁巖進行生烴條件評價(表2)。

表2 上古生界富有機質(zhì)泥頁巖生烴條件評價Tab.2 Evaluation of hydrocarbon generation capacity of organic-rich shale in Upper Paleozoic formation

注：山1段和太1段連續(xù)，總厚度平均24.2 m，作為同一層段進行評價。

由表2可見，作為連續(xù)層段的太1段和山1段厚度大，有機質(zhì)豐度高，是最好的生氣源巖。山2段厚度變化較大，是僅次于太1段和山1段的優(yōu)質(zhì)生氣源巖。下1段有機質(zhì)豐度較高，但非均質(zhì)性較強，厚度較大，為較好生油源巖。下2段有機質(zhì)豐度較低，厚度較小，為中等生油源巖。

義馬地區(qū)上古生界富有機質(zhì)泥頁巖脆性系數(shù)較高、利于壓裂，孔隙度平均高于2.0%，微米級孔喉網(wǎng)絡(luò)體系發(fā)育，可成為油氣運移聚集的有效通道和儲集空間。由于滲透率受埋深影響較大，根據(jù)頁巖氣開發(fā)的滲透率下限，埋深600～1 800 m的層段含氣性較高，優(yōu)選為頁巖氣開發(fā)的有利層段。通過富有機質(zhì)泥頁巖生烴條件評價，發(fā)現(xiàn)山2段和山1段—太1段為優(yōu)質(zhì)生氣源巖。綜合二者，將義馬地區(qū)埋深在600～1 800 m的山2段、山1段和太1段劃分為頁巖氣有利目標層。

建議下一步在義馬地區(qū)開展山2段和山1段—太1段頂?shù)茁裆畹恼{(diào)查工作，以圈定該區(qū)上古生界頁巖氣有利區(qū)。

4 結(jié) 論

(1)義馬地區(qū)上古生界為典型的海陸交互相沉積，富有機質(zhì)泥頁巖平均厚度為49.3 m。共發(fā)育下2段—太1段5個富有機質(zhì)泥頁巖目標層。山2段厚度變化較大，其余各富有機質(zhì)泥頁巖層段分布穩(wěn)定性相對較好。

(2)上古生界富有機質(zhì)泥頁巖脆性系數(shù)較高，集中在40%～60%，利于壓裂施工。微米級孔喉網(wǎng)絡(luò)體系發(fā)育，微米—毫米級微裂縫和粒間-粒內(nèi)微小孔為油氣運移聚集提供有效通道和儲集空間。在1 800 m以淺上古生界富有機質(zhì)泥頁巖滲透性和含氣性條件較好，有利于頁巖氣儲集。

(3)上古生界富有機質(zhì)泥頁巖有機質(zhì)豐度高，有機質(zhì)類型為Ⅲ型、主體處于成熟—高成熟階段，利于生氣。山2段和山1段—太1段2個富有機質(zhì)泥頁巖層段為頁巖氣有利層段。義馬地區(qū)埋深在600～1 800 m的山2段、山1段和太1段優(yōu)選為頁巖氣有利目標層。

致謝:

參加本次工作的還有張棟、蔡鐵剛、張偉、王立宏、陳尚斌、周曉剛、周帥等，向他們表示感謝！向?qū)徃鍖＜液途庉嬂蠋熢诎倜χ懈冻龅男羷谥乱哉\摯的謝意！

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