彭文泉，張春池，高兵艷，李政，梁云漢，曾愛平

(1.山東省第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 濟(jì)南 250014；2.山東省地質(zhì)調(diào)查院，山東 濟(jì)南 250014；3.中國石化勝利油田分公司勘探開發(fā)研究院，山東 東營 257015；4.山東省煤田地質(zhì)局物探測量隊(duì)，山東 濟(jì)南 250104)

0 引言

我國成為繼美國、加拿大之后第三個(gè)實(shí)現(xiàn)頁巖氣商業(yè)化開發(fā)的國家，在四川、重慶等地的頁巖氣勘探開發(fā)初具規(guī)模[1-2]。全國各地頁巖氣勘查項(xiàng)目紛紛展開，以實(shí)現(xiàn)當(dāng)?shù)仨搸r氣勘查的突破。

萊陽盆地位于萊陽市境內(nèi)，是山東省中生界白堊系泥頁巖沉積最好的盆地，水南組以半深湖--深湖相沉積為主，泥頁巖發(fā)育厚度為200～443m。以往研究以構(gòu)造演化和原型盆地恢復(fù)[3-6]、探討常規(guī)油氣生儲(chǔ)條件為主[7-8]，未對(duì)頁巖氣地質(zhì)特征進(jìn)行深入研究。該文通過對(duì)水南組泥頁巖有機(jī)地化分析研究，指出其具備頁巖氣形成的物質(zhì)基礎(chǔ)和地質(zhì)條件；進(jìn)而利用等溫吸附、泥頁巖孔隙度、流體飽和度等試驗(yàn)數(shù)據(jù)，求取水南組泥頁巖總含氣量，探討水南組泥頁巖的游離氣含量、吸附氣含量和溶解氣含量特征及變化規(guī)律，揭示萊陽盆地水南組頁巖氣的勘查潛力。

1 地質(zhì)背景特征

1.1 地質(zhì)特征

山東省中生界地層分布范圍相對(duì)有限，中生界萊陽群發(fā)育以膠萊坳陷為代表，其中暗色泥頁巖主要發(fā)育在萊陽群水南組內(nèi)[9]，且在膠萊坳陷萊陽盆地發(fā)育最厚。

水南組巖性主要為粉砂巖和泥頁巖組合，根據(jù)巖性發(fā)育特征可大致分為上中下3段：下段整體巖性為深灰色、淺灰色泥頁巖，夾粉砂巖、細(xì)砂巖，局部為泥頁巖與粉細(xì)砂巖不等厚互層。中段巖性整體為薄層的灰黑色、深灰色泥頁巖，夾有少量的粉砂質(zhì)頁巖、粉砂巖。上段巖性為深灰色、灰黑色薄層頁巖、粉砂質(zhì)頁巖，夾薄層粉砂巖、中--薄層細(xì)砂巖。

1.2 構(gòu)造特征

萊陽盆地位于膠東隆起的中部，面積約850km2，為陸相沉積為主的中生代殘留盆地。萊陽盆地形狀不規(guī)則，為一南斷北超的敞口箕狀盆地，南側(cè)邊界為五龍村斷裂，與大野頭凸起相接，北側(cè)超伏于膠北凸起之上，東西分別以桃村-東陡山斷裂、萊西斷裂為界，東臨牟平-即墨斷裂帶(圖1)。

1—構(gòu)造界線；2—斷裂；3—鉆孔及名稱圖1 萊陽凹陷構(gòu)造示意圖

1.3 沉積特征

水南組具有明顯的湖相沉積特征，巖石的顏色以淺灰、深灰、灰黑等還原條件下沉積的暗色色調(diào)為主；發(fā)育有平行微層理和微波狀紋層理，產(chǎn)豐富的動(dòng)、植物化石(圖2)。水南組代表了盆地湖泊發(fā)育鼎盛時(shí)期的沉積產(chǎn)物。

圖2 水南組泥頁巖中植物化石照片

水南組沉積巖石的變化特征可以反映當(dāng)時(shí)沉積環(huán)境的變化，水南組下段以深灰色、淺灰色為主，自底部向頂部砂巖夾層粒度逐漸由細(xì)砂巖變?yōu)榉凵皫r、粉砂質(zhì)泥頁巖，且砂質(zhì)含量逐漸減少，顯示水體由淺逐漸變深，沉積環(huán)境由濱淺湖向半深湖轉(zhuǎn)換。中段以灰黑色、深灰色為主，沉積粒度最細(xì)，反映水體較深的半深湖沉積環(huán)境。上段以深灰色、灰黑色為主，整體較中、下段砂巖含量大，局部泥頁巖與粉砂巖砂巖互層，反映該時(shí)期沉積環(huán)境由半深湖向?yàn)I淺湖的轉(zhuǎn)換。

2 有機(jī)地球化學(xué)特征

2.1 有機(jī)碳含量

地表暗色泥頁巖采樣有機(jī)碳含量水南村附近3個(gè)樣平均0.85%，最高達(dá)1.45%，北泊子1個(gè)樣品為1.32%。水南組鉆孔樣品有機(jī)碳含量相對(duì)高于地表數(shù)值，萊參1孔8件樣品有機(jī)碳含量0.62%～1.32%，平均0.90%，萊孔2井灰色、深灰色泥頁巖有機(jī)碳含量相對(duì)較高為0.82%～23.00%。說明暗色泥巖沉積有利地段有機(jī)碳含量相對(duì)較高，具備頁巖氣生成的物質(zhì)基礎(chǔ)。

2.2 鏡質(zhì)體反射率

地表暗色泥頁巖采樣鏡質(zhì)體反射率0.62%～0.92%，平均達(dá)0.77%；水南組鉆孔樣品鏡質(zhì)體反射率相對(duì)高于地表數(shù)值，萊參1孔12件樣品鏡質(zhì)體反射率0.54%～1.34%，平均1.01%，萊淺2孔28件樣品鏡質(zhì)體反射率1.05%～2.14%，平均1.42%，相對(duì)較高，說明水南組已進(jìn)入生烴階段，部分地段可能已進(jìn)入大量生氣階段。

2.3 干酪根類型

萊陽盆地水南組有機(jī)質(zhì)干酪根類型多樣，Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ型均有發(fā)育。7件地表樣品中Ⅰ型3件、Ⅱ型2件、Ⅲ型2件。鉆孔樣品中萊孔2中3件全為Ⅰ型干酪根；萊淺1孔樣品中Ⅱ型干酪根占47%，Ⅰ，Ⅲ型干酪根所占比例一致；萊淺2孔樣品中Ⅱ型干酪根占48%，其次是Ⅰ型干酪根占31%。從有機(jī)質(zhì)類型來看，水南組有機(jī)質(zhì)類型以Ⅱ，Ⅰ型為主，具有較強(qiáng)的生烴能力。

3 泥頁巖物性特征

3.1 孔隙度

萊陽群水南組淺井(ZK8-ZK10井深小于50m)樣品孔隙度1.85%～4.39%，平均為3.00%；鉆孔樣品的孔隙度值變化較大，旺平1井水南組孔隙度值主要集中在2%～10%之間(圖3)。

在縱向上，孔隙度隨深度增加而變小的趨勢(shì)明顯(圖4a)，說明隨地層的增厚地層壓力增加，孔隙收縮變小[10-11]。

圖3 水南組泥頁巖孔隙度統(tǒng)計(jì)圖

3.2 流體飽和度

流體飽和度為含水飽和度、含油飽和度之和。

水南組泥頁巖流體飽和度為2.37%～53.21%，平均值為18.60%。

縱向上水南組泥頁巖流體飽和度具有隨深度增加而增大的趨勢(shì)(圖4b)，推測受壓力影響，孔隙度變小，流體具有集中的趨勢(shì)。

3.3 滲透率

萊陽群水南組泥頁巖滲透率較低，水南組樣品滲透率最大值為1.58mD，其中滲透率小于0.01mD的樣品數(shù)量占72.00%，0.1mD～0.01mD的樣品數(shù)量占22.00%，大于0.1mD的樣品數(shù)量占2.00%(圖5)。

圖4 水南組泥頁巖孔隙度、流體飽和度隨深度變化關(guān)系圖

圖5 水南組泥頁巖滲透率統(tǒng)計(jì)圖

4 含氣性特征

4.1 游離氣含量

游離氣是以游離態(tài)賦存于巖石基質(zhì)孔、裂隙和夾層孔隙中的氣體。游離氣含量受有效孔隙度和含氣飽和度控制，另外受地層壓力和溫度等諸多影響因素。含氣飽和度與流體飽和度之和為1。利用孔隙度和計(jì)算的含氣飽和度，求取水南組泥頁巖游離氣含量，計(jì)算公式如下：

Sgi=1-Sw

V游—游離氣含量，m3/t；Sgi—含氣飽和度，%；Sw—流體飽和度，%；ρ—泥頁巖密度，t/m3；Bg—體積系數(shù)，無量綱；Psc—地面標(biāo)準(zhǔn)壓力，MPa；Zi—原始?xì)怏w偏離系數(shù)，無量綱；T—地層溫度，K；Pi—原始地層壓力，MPa；Tsc—地面標(biāo)準(zhǔn)溫度，K。

游離氣是在有效孔隙內(nèi)儲(chǔ)存的氣體，閉合、封閉孔隙內(nèi)游離氣不被計(jì)算在內(nèi)，從公式可以看出，游離氣含量受地層溫度、壓力、流體飽和度影響，與地層壓力呈正比，隨溫度的增加而減少，隨流體飽和度減小而增加，游離氣含量與孔隙度值擬合度較高(圖6a)。

圖6 水南組泥頁巖游離氣含量與孔隙度、深度變化關(guān)系圖

通過計(jì)算求得游離氣含量值變化較大，最小值0.044m3/t，最大值3.067m3/t，平均值為0.870m3/t。

在縱向上隨深度的增加，游離氣含量減小的趨勢(shì)明顯(圖6b)。

4.2 吸附氣含量

等溫吸附試驗(yàn)是將泥巖粉碎成60～80目顆粒，質(zhì)量不小于35g，測量其在某一溫度，不同壓力環(huán)境下的飽和吸附氣含量，亦為該溫度下最大吸附氣含量[12]。利用2件等溫吸附樣品，試驗(yàn)甲烷濃度為99.999%，實(shí)驗(yàn)壓力范圍1～12MPa，模擬儲(chǔ)層溫度。

該次試驗(yàn)采用恒溫30℃測定，借鑒李武廣等[13]不同溫度下等溫吸附實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果，選取有機(jī)碳含量、鏡質(zhì)體反射率相近的樣品擬合Langmuir體積(VL)和Langmuir壓力(PL)隨溫度的變化趨勢(shì)(表1)。

表1 不同溫度條件下等溫吸附數(shù)據(jù)

依據(jù)表1數(shù)值進(jìn)行擬合，獲得Langmuir體積(VL)、Langmuir壓力(PL)與溫度指數(shù)關(guān)系式：

VL=2.99e-0.002124t

(R2=0.985)

PL=2.77e-0.004111t

(R2=0.995)

類比得到水南組Langmuir體積(VL)、Langmuir壓力(PL)與溫度關(guān)系式為：

VL=ae-0.002124t

PL=be-0.004111t

根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)計(jì)算出上式中的常數(shù)a、b，從而獲取水南組泥頁巖在不同溫度、不同壓力下的Langmuir體積(VL)和Langmuir壓力(PL)。利用蘭格繆爾(langmuir)方程中，求取不同深度下的泥頁巖吸附氣量。蘭格繆爾(langmuir)方程為：

式中：V吸—吸附氣含量，m3/t；VL—Langmuir體積，cm3/g；PL—Langmuir壓力，MPa；P—地層實(shí)際壓力，MPa。

經(jīng)計(jì)算，水南組暗色泥頁埋深500m吸附氣含量介于0.412～0.474m3/t之間，平均為0.443m3/t；埋深1000m吸附氣含量介于0.485～0.573m3/t之間，平均為0.529m3/t；埋深2000m吸附氣含量介于0.512～0.616m3/t之間，平均為0.564m3/t(表2)。

等溫吸附試驗(yàn)是模擬理想狀態(tài)下，泥頁巖粉碎后對(duì)純甲烷的最大吸附能力，實(shí)際條件下受甲烷純度、吸附面積等影響，該次獲得的水南組泥頁巖吸附氣含量要大于實(shí)際值[14-21]。

4.3 溶解氣含量

萊陽盆地水南組沒有含油飽和度數(shù)據(jù)，因此無法準(zhǔn)確計(jì)算泥頁巖含油量，進(jìn)而無法準(zhǔn)確計(jì)算溶解氣含量。若將流體飽和度作為含油飽和度進(jìn)行大致推導(dǎo)，可以獲取理論狀態(tài)下(泥頁巖內(nèi)流體全部為石油)計(jì)算的最大溶解氣含量數(shù)據(jù)。依據(jù)孔隙度、流體飽和度數(shù)據(jù)，參考濟(jì)陽坳陷氣油比(46～60m3/m3)取值50m3/m3，泥頁巖密度取2.61t/m3，利用公式：

式中：V溶—溶解氣含量，m3/t；Φ—孔隙度，%；ω—流體飽和度，%；ρ巖—泥頁巖密度，t/m3；b—?dú)庥捅龋琺3/m3。

表2 萊陽凹陷水南組泥頁巖吸附氣含量

通過上式求得頁巖氣最大溶解氣含量為0.005～1.023m3/t，平均值為0.145m3/t，其中78%的樣品小于0.200m3/t，實(shí)際值可能遠(yuǎn)小于該數(shù)值。說明水南組泥頁巖中溶解氣賦存很少，不占主導(dǎo)地位；另外溶解氣含量總體上具有隨深度增加而減小的趨勢(shì)(圖7)。

圖7 溶解氣含量隨深度變化圖

4.4 泥頁巖總含氣量及可靠性

萊陽群水南組泥頁巖總含氣量由游離氣含量、吸附氣含量和溶解氣含量三部分組成，游離氣含量0.044～3.067m3/t，平均值為0.870m3/t；埋深500～2000m理論吸附氣含量0.412～0.616m3/t，平均值為0.523m3/t；溶解氣含量為0.005～1.023m3/t，平均值為0.145m3/t；水南組泥頁巖總含氣量平均值為1.538m3/t，大于1m3/t的含氣量下限標(biāo)準(zhǔn)[22]。游離氣含量是吸附氣含量的1.66倍，低于焦石壩龍馬溪組下部——五峰組的2.4～2.7倍[23]。

對(duì)泥頁巖中賦存的三種形態(tài)的頁巖氣計(jì)算值的可靠性進(jìn)行分析，游離氣含量計(jì)算時(shí)考慮了溫度、壓力的影響，計(jì)算值接近實(shí)際值，游離氣含量平均值占泥頁巖總含氣量的57%。吸附氣含量求取時(shí)考慮了壓力、溫度變化的影響，但該值為理論最大吸附量，計(jì)算值仍大于實(shí)際值，吸附氣含量平均值占泥頁巖總含氣量的34%。溶解氣含量計(jì)算時(shí)將泥頁巖中流體全部視為油，計(jì)算值也高于實(shí)際值，溶解氣含量平均值僅占泥頁巖總含氣量的9%。

從萊陽盆地水南組泥頁巖中賦存的游離氣含量、吸附氣含量和溶解氣含量可靠性和所占比例說明，游離氣含量占主導(dǎo)地位，吸附氣含量次之，溶解氣含量最少。

室內(nèi)試驗(yàn)獲取的泥頁巖總含氣量為理想狀態(tài)下的理論最大含氣量，一般要大于實(shí)際泥頁巖總含氣量。在沒有實(shí)測數(shù)據(jù)的區(qū)域，室內(nèi)試驗(yàn)是獲取泥頁巖總含氣量的主要途徑。

5 結(jié)論

(1)分析認(rèn)為萊陽群水南組沉積環(huán)境和巖性有利于頁巖氣賦存。水南組泥頁巖有機(jī)碳含量在0.62%～23.00%，干酪根類型以Ⅰ，Ⅱ型為主；具備頁巖氣生成的物質(zhì)基礎(chǔ)和能力；鏡質(zhì)反射率0.62%～2.14%，萊淺2井樣品平均值為1.42%，說明萊陽盆地部分地區(qū)已進(jìn)入頁巖氣大量生成階段。

(2)水南組泥頁巖孔隙度2%～10%，流體飽和度平均值為18.60%，有利于游離氣的賦存；滲透率較低，一般小于0.01mD，不利于頁巖氣的運(yùn)移。

(3)對(duì)水南組泥頁巖中游離、吸附、溶解三種狀態(tài)含氣量的計(jì)算和分析，認(rèn)為萊陽盆地水南組頁巖氣以游離氣含量(占57%)為主，吸附氣含量(占34%)次之，溶解氣含量所占比例最小。泥頁巖總含氣量理論值高達(dá)1.538m3/t，具備較好頁巖氣勘查的潛力，建議在萊陽盆地進(jìn)一步開展頁巖氣資源勘查工作。