李學(xué)元，陳尚斌，李緒慧，陳 司，王笑奇

(1.煤層氣資源與成藏過(guò)程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221008；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，江蘇 徐州 221116；3.河北省煤田地質(zhì)勘查院，河北 邢臺(tái) 054000)

0 引 言

中國(guó)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層類型多，資源豐富，分布廣泛，但至今在勘探和開發(fā)上取得重大進(jìn)展的區(qū)域和層位還相對(duì)有限。華北北部中、上元古界是油氣地質(zhì)研究的重要層段，其中，下馬嶺組海相頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)相對(duì)富集[1]，具有頁(yè)巖氣成藏潛力[2-5]。前人對(duì)張家口-懷來(lái)地區(qū)下馬嶺組富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖沉積環(huán)境、生烴潛力及生物化石等進(jìn)行了研究[6-8]，取得了重要進(jìn)展，認(rèn)為該區(qū)下馬嶺組頁(yè)巖生烴條件優(yōu)越，是重要的油源巖，但將下馬嶺組作為頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的研究相對(duì)較少。此次研究采集張家口-懷來(lái)地區(qū)夏家溝、趙家山、水窖溝和盆兒窯西等露頭區(qū)中、上元古界下馬嶺組暗色泥頁(yè)巖樣品，運(yùn)用TOC測(cè)定、X射線衍射、掃描電子顯微鏡、高壓壓汞和低溫液氮等實(shí)驗(yàn)，對(duì)儲(chǔ)層有機(jī)地球化學(xué)和物性特征進(jìn)行研究，并依據(jù)頁(yè)巖氣資源評(píng)價(jià)方法，對(duì)下馬嶺組頁(yè)巖氣儲(chǔ)層和資源潛力進(jìn)行精細(xì)評(píng)價(jià)，為下馬嶺組頁(yè)巖氣資源勘查和有利區(qū)優(yōu)選提供科學(xué)依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

燕山地區(qū)隸屬于華北地臺(tái)，是華北地臺(tái)上的活動(dòng)性構(gòu)造單元，稱之為“燕山沉降帶”，呈現(xiàn)出“五坳兩隆”的構(gòu)造格局[9]。研究區(qū)位于宣龍坳陷東南部，處于冀西陷褶斷束、宣龍復(fù)向斜、宣后向斜的中央部位。區(qū)域內(nèi)斷層較發(fā)育，主要呈SN—EW向，其次為褶皺構(gòu)造(圖1)。

研究區(qū)地層屬華北地層大區(qū)、燕山地層分區(qū)，由老至新依次出露遷西群、長(zhǎng)城系、薊縣系、青白口系、寒武系、侏羅系和第四系(圖1)。青白口系下馬嶺組為一套海相頁(yè)巖組合，巖性主要為黑色頁(yè)巖、砂質(zhì)頁(yè)巖和粉砂巖，富含藻類化石，自下而上可以分為4段，其中，三段和四段為富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖層段(圖2)。

2 儲(chǔ)層特征

2.1 空間展布特征

鐵嶺組末期，華北板塊發(fā)生“芹峪運(yùn)動(dòng)”，地殼上升，薊縣系的沉積作用結(jié)束。至下馬嶺組沉積時(shí)期，海水入侵，沉積相主要為淺水—深水陸棚相，其次為無(wú)障壁海岸相沉積[1, 7]。下馬嶺組早期，海水較淺，海底處于弱氧化—弱還原環(huán)境，沉積物以砂泥質(zhì)為主；下馬嶺組中后期，海水深度增加，海底還原條件加強(qiáng)，下馬嶺組的暗色泥頁(yè)巖主要在該時(shí)期形成；下馬嶺組末期地殼上升，沉積作用發(fā)生間斷[10](圖2)。

根據(jù)實(shí)測(cè)剖面數(shù)據(jù)，研究區(qū)厚度較為穩(wěn)定，約為400～600 m，其中，暗色泥頁(yè)巖厚度一般約為80～110 m，自東南向西北有變薄的趨勢(shì)，沉積中心位于趙家山—夏家溝一帶(圖3)。結(jié)合鉆井資料，下馬嶺組在黃羊山-雞鳴山逆沖推覆斷層以南大部分區(qū)域已經(jīng)出露，在斷層以北地區(qū)埋藏深度為1 000～2 500 m，自北向南埋藏深度逐漸增加。

圖1研究區(qū)構(gòu)造位置及地質(zhì)簡(jiǎn)圖

2.2 有機(jī)地球化學(xué)特征

樣品熱解氫指數(shù)為385.00～527.69 mg/g，平均為461.10 mg/g；降解率為32.30%～44.50%，平均為38.73%；生烴潛量為8.48～24.52 mg/g，平均為16.91 mg/g。雖然不同的熱解參數(shù)劃分的有機(jī)質(zhì)類型有所差異，但總體上表現(xiàn)為Ⅰ型與Ⅱ1型。前人[6]在下花園地區(qū)下馬嶺組發(fā)現(xiàn)了8億年前保存完好的紅藻化石，佐證了下馬嶺組有機(jī)質(zhì)類型為Ⅰ型。因此，下馬嶺組頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)類型以Ⅰ型為主，部分為Ⅱ1型，生烴潛力大。

下馬嶺組暗色泥頁(yè)巖TOC較高，為0.78%～5.64%，平均為2.12%，其中，大于2.00%的約占50%。下馬嶺組以海相低等生物為主要生物來(lái)源，缺乏鏡質(zhì)組，因此，需借助于巖石熱解參數(shù)和類鏡質(zhì)體反射率分析有機(jī)質(zhì)成熟度。當(dāng)有機(jī)質(zhì)熱演化程度較低時(shí)，鏡質(zhì)組反射率與類鏡質(zhì)體反射率存在以下對(duì)應(yīng)關(guān)系[11]：

Ro=1.042Rom+0.052 ，0.3%

(1)

式中：Ro為鏡質(zhì)組反射率，%；Rom為類鏡質(zhì)組反射率，%。

利用式(1)將類鏡質(zhì)體反射率轉(zhuǎn)化為鏡質(zhì)組反射率，得出下馬嶺組暗色泥頁(yè)巖Ro為0.69%～1.90%，平均為1.11%，主要位于低成熟階段。

2.3 礦物特征

下馬嶺組泥頁(yè)巖樣品脆性礦物以石英為主，含量為54.7%～64.3%，平均為59.9%，其次為鉀長(zhǎng)石和斜長(zhǎng)石，平均含量分別占1.8%和2.0%，僅樣品ZJS-5含有黃鐵礦，含量較低，為1.3%，脆性礦物總含量在60.0%左右，對(duì)后期開發(fā)與壓裂改造較為有利；黏土礦物含量為31.0%～41.4%，平均為36.0%，其中，伊蒙混層平均為67.3%，伊利石平均為31.0%，除趙家山剖面樣品ZJS-4外均含有高嶺石，含量均為2.0%左右，只有趙家山剖面樣品ZJS-5含有綠泥石，且含量較低，僅為1.0%。

圖2下馬嶺組綜合柱狀圖

2.4 孔隙特征

下馬嶺組頁(yè)巖主要發(fā)育溶蝕孔、粒間孔、層間孔和微裂隙。壓汞法測(cè)得下馬嶺組頁(yè)巖孔隙度為2.45%～2.93%，平均為2.71%；孔體積為0.010 8～0.014 7 cm3/g，平均為0.012 7 cm3/g；比表面積為5.991～8.230 m2/g，平均為6.983 m2/g；且以微孔和過(guò)渡孔對(duì)孔體積和比表面積貢獻(xiàn)最大(依據(jù)霍多特孔隙分類標(biāo)準(zhǔn)[12])。氮?dú)馕椒y(cè)得下馬嶺組頁(yè)巖樣品的比表面積為4.432～10.368 m2/g，平均為7.053 m2/g；孔體積為0.007 6～0.015 5 cm3/g，平均為0.012 0 cm3/g；孔徑為3.728～4.723 nm，平均為4.332 nm。綜合壓汞法和氮?dú)馕椒ǚ治稣J(rèn)為，下馬嶺組頁(yè)巖的孔體積和比表面積大，孔隙較發(fā)育，有助于頁(yè)巖氣的保存。

2.5 滲透率特征

滲透率測(cè)試選取壓力為2.76、5.52、8.27、11.03、16.55、22.06 MPa。測(cè)試結(jié)果表明，下馬嶺組頁(yè)巖滲透率極低，為0.127×10-7～6.851×10-7μm2，平均為1.932×10-7μm2，隨著埋藏深度不斷增大，滲透率不斷降低。

2.6 含氣性特征

30 ℃時(shí)的等溫吸附結(jié)果表明，下馬嶺組頁(yè)巖甲烷最大吸附量較高，為3.13～3.20 m3/t，平均為3.17 m3/t；朗格繆爾壓力為3.74～4.36 MPa，平均為4.05 MPa。依據(jù)李武廣等不同溫度下頁(yè)巖樣品的甲烷等溫吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果[13]，擬合頁(yè)巖最大吸附量和朗格繆爾壓力隨溫度的變化趨勢(shì)。類比得到頁(yè)巖最大吸附量、朗格繆爾壓力與溫度呈指數(shù)關(guān)系：

VL=Ae-0.002 15 t

(2)

pL=Be-0.004 11 t

(3)

式中：VL為最大吸附量，m3/t；pL為朗格繆爾壓力，MPa；t為溫度，℃；A、B均為常數(shù)。

將測(cè)得的最大吸附量和朗格繆爾壓力平均值以及實(shí)驗(yàn)溫度(30 ℃)帶入式(2)、(3)，可求出A、B的值分別為3.38和4.58，從而求得不同溫度下的最大吸附量及對(duì)應(yīng)的朗格繆爾壓力，根據(jù)朗格繆爾方程及相關(guān)參數(shù)求得不同埋深情況下頁(yè)巖吸附氣含量。

游離氣含量計(jì)算采用容積法，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程及相關(guān)系數(shù)計(jì)算游離氣含量。下馬嶺組頁(yè)巖總含氣量(吸附氣與游離氣之和)較高，為2.68～3.23 m3/t，平均為3.02 m3/t，其中，吸附氣含量占80%左右，在1 000～2 500 m埋深范圍內(nèi)，含氣量隨著埋藏深度的增加而增大(表1)。

3 儲(chǔ)層與資源潛力評(píng)價(jià)

3.1 儲(chǔ)層評(píng)價(jià)

依據(jù)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[14-15](表2)，下馬嶺組頁(yè)巖埋藏深度適中，有效厚度大，生烴潛力高，儲(chǔ)層物性較好，具備頁(yè)巖氣成藏的基礎(chǔ)條件，為Ⅰ、Ⅱ類儲(chǔ)層，應(yīng)給予重點(diǎn)關(guān)注。

圖3 張家口-懷來(lái)地區(qū)下馬嶺組剖面對(duì)比

注：H為埋藏深度；t為溫度；p為儲(chǔ)層壓力；δ為有效應(yīng)力；φ為孔隙度；V為孔體積；VL為最大吸附量；pL為朗格繆爾壓力；S為含氣飽和度；Cx為吸附氣含量；Cy為游離氣含量；Cz為總含氣量。

表2 頁(yè)巖氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及下馬嶺組頁(yè)巖氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)結(jié)果

3.2 資源潛力估算

研究區(qū)頁(yè)巖氣勘探程度較低，采用體積法估算資源潛力，其計(jì)算公式為：

Gz=0.01AghρyCz

(4)

式中：Gz為頁(yè)巖氣總地質(zhì)儲(chǔ)量，108m3；Ag為含氣面積，km2；h為有效厚度，m；ρy為頁(yè)巖密度,t/m3；Cz為頁(yè)巖總含氣量,m3/t。

依據(jù)《頁(yè)巖氣資源/儲(chǔ)量計(jì)算與評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》(DZ/T 0254-2014)對(duì)資源量計(jì)算公式中的相關(guān)系數(shù)進(jìn)行取值，有效厚度和總含氣量均取最小值，分別為80 m、2.7 m3/t，頁(yè)巖氣含氣面積約為300.7 km2，頁(yè)巖密度為2.7 t/m3，通過(guò)上式算得研究區(qū)下馬嶺組頁(yè)巖氣地質(zhì)資源量為1 753.68×108m3，資源豐度為5.83×108m3/km2，資源潛力較高，具有潛在的開發(fā)價(jià)值。

4 勘探導(dǎo)向

下馬嶺組海相頁(yè)巖沉積環(huán)境同南方龍馬溪組和筇竹寺組海相頁(yè)巖基本一致，主要為淺水—深水陸棚相，淺水—深水陸棚相為頁(yè)巖氣開發(fā)有利相帶[16]，并控制了頁(yè)巖有效厚度。其頁(yè)巖有效厚度優(yōu)于龍馬溪組，與筇竹寺組相當(dāng)，達(dá)到了好烴源巖的標(biāo)準(zhǔn)。中國(guó)頁(yè)巖氣開發(fā)經(jīng)濟(jì)最大有效深度為4 000 m[17]，與南方海相頁(yè)巖相比，下馬嶺組埋藏深度適中，有利于頁(yè)巖氣的商業(yè)開發(fā)。

有機(jī)質(zhì)是衡量烴源巖生烴能力最基本的依據(jù)，下馬嶺組頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)類型以Ⅰ型為主，部分為Ⅱ1型，與龍馬溪組和筇竹寺組海相頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)類型相同，生烴潛力大。下馬嶺組海相頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)含量高，在縱向上表現(xiàn)出較強(qiáng)的非均質(zhì)性，主要受沉積環(huán)境的控制。下馬嶺組有機(jī)質(zhì)成熟度低，受巖漿熱作用影響，在研究區(qū)不同位置變化較大，其較高值也已進(jìn)入生氣階段，尋找該區(qū)域內(nèi)有機(jī)質(zhì)成熟度較高的地區(qū)尤為重要。

以石英為主的脆性礦物含量高低對(duì)后期增產(chǎn)措施的開展具有重要影響[18]，下馬嶺組脆性礦物含量要低于筇竹寺組，高于龍馬溪組，僅從脆性礦物含量角度來(lái)看三者均具有較好的開發(fā)條件。黏土礦物的含量與吸附氣含量具有一定的正相關(guān)關(guān)系[19]，下馬嶺組較低的黏土礦物含量雖然對(duì)吸附氣不利，但首選儲(chǔ)層一般需要具備有機(jī)質(zhì)含量高、硅質(zhì)含量高、脆性礦物含量高等特征。下馬嶺組頁(yè)巖孔隙度稍低于龍馬溪組和筇竹寺，但其孔體積和比表面積大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，豐富的內(nèi)表面積可以通過(guò)吸附方式儲(chǔ)存大量氣體。裂隙的發(fā)育可以為頁(yè)巖氣提供充足的儲(chǔ)集空間，也可以為頁(yè)巖氣提供良好的運(yùn)移通道，更能有效提高頁(yè)巖氣產(chǎn)量。下馬嶺組滲透率條件差，與龍馬溪組和筇竹寺組相比低一個(gè)數(shù)量級(jí)，鑒于其脆性礦物含量高，易于產(chǎn)生人工誘導(dǎo)裂縫，若能采用經(jīng)濟(jì)有效的壓裂改造方式，滲透率不會(huì)制約下馬嶺組富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖的開發(fā)。

與2套南方產(chǎn)氣海相頁(yè)巖相比，下馬嶺組頁(yè)巖因受限于較低的成熟度和滲透率[15,20](表3)，“低中尋高”并采用經(jīng)濟(jì)有效的增產(chǎn)措施是下馬嶺組頁(yè)巖氣勘探開發(fā)突破的關(guān)鍵。

表3 下馬嶺組與筇竹寺組和龍馬溪組儲(chǔ)層評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)比

5 結(jié) 論

(1) 下馬嶺組為一套海相頁(yè)巖組合，巖性主要為黑色頁(yè)巖、砂質(zhì)頁(yè)巖和粉砂巖，三段和四段為富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖層段，累計(jì)厚度為80～110 m，埋藏深度為1 000～2 500 m。

(2) 有機(jī)質(zhì)類型以Ⅰ型為主，部分為Ⅱ1型；有機(jī)質(zhì)含量平均為2.12%；有機(jī)質(zhì)成熟度位于低成熟階段，其高值也已進(jìn)入熱解生氣階段。礦物組成以石英和黏土礦物為主，分別占59.9%和36.0%；主要發(fā)育溶蝕孔、粒間孔、層間孔和微裂隙；孔隙度平均為2.71%，平均孔徑為4.33 nm，孔體積和比表面積分別約為0.012 cm3/g和7.02 m2/g；滲透率極低；總含氣量平均為3.02 m3/t。

(3) 下馬嶺組頁(yè)巖埋藏深度適中，有效厚度大，生烴潛力高，儲(chǔ)層物性較好，具備頁(yè)巖氣成藏的基礎(chǔ)條件，為Ⅰ、Ⅱ類儲(chǔ)層；估算地質(zhì)資源量為1 753.68×108m3，資源豐度為5.83×108m3/km2，資源潛力較高，具有潛在的開發(fā)價(jià)值。

(4) 因受限于較低的成熟度和滲透率，“低中尋高”并采用經(jīng)濟(jì)有效的增產(chǎn)措施是下馬嶺組頁(yè)巖氣勘探開發(fā)突破的關(guān)鍵，應(yīng)給予重點(diǎn)關(guān)注。