賈騰飛, 王 猛,2*, 趙健光

(1.新疆大學地質(zhì)與礦業(yè)工程學院，烏魯木齊 830001；2.中國礦業(yè)大學煤層氣資源與成藏過程教育部重點實驗室，徐州 221116)

19世紀初期，人類對于能源的依賴主要以煤炭為主，到20世紀中期以石油為主，化石能源的大規(guī)模開發(fā)已經(jīng)持續(xù)了200年之久，尋找新能源來取代煤、石油等化石能源逐漸成為研究者的時代課題[1]。在當前國際能源供需關系極度矛盾的形勢下，非常規(guī)能源的勘探備受關注。頁巖氣的開發(fā)在國家戰(zhàn)略中已經(jīng)處于十分重要的地位[2]。近年來，頁巖氣在中國的發(fā)展不斷深入，但仍有不足?？v觀頁巖氣的發(fā)展歷史，其主要研究對象為海相泥頁巖，而對煤系泥頁巖的研究進展緩慢[3]。沁水盆地是中國重要的含煤盆地之一，隨著對煤炭和頁巖氣資源的不斷深入研究，發(fā)現(xiàn)沁水盆地在石炭、二疊系地層中還存在大量的煤系頁巖儲層[4]，其中對沁水煤田中部榆社縣和武鄉(xiāng)縣境內(nèi)山西組和太原組的泥頁巖測試井[5]、沁水盆地南部晉城斜坡帶的太原組泥頁巖測試井[6]和沁水盆地中部及南部的煤系地層的泥頁巖井[7]均發(fā)現(xiàn)了頁巖段的氣測異常，并進行測試表明具有較高的開采潛力。研究表明沁水盆地石炭、二疊系煤系頁巖相比于不同地區(qū)同一時期形成的頁巖，在其生產(chǎn)中產(chǎn)氣量的提高和日后的科研研究價值具有一定優(yōu)勢，為煤系頁巖氣的勘探和開發(fā)提供了有利條件。但目前針對該盆地頁巖氣資源勘探目標評價的研究還遠遠不夠，現(xiàn)有的研究對其成藏模式和類型只進行了簡單的劃分[8-10]，對頁巖氣的有利勘探方向、孔隙結構特征、儲層特征等問題的精細認識還待繼續(xù)進一步的工作研究。為此，以沁水盆地二疊系和石炭系地層作為研究對象，采集臨汾地區(qū)Y1井巖芯，通過對巖芯樣品的有機地化特征、儲層特征和含氣性特征進行研究和分析，以期為沁水盆地煤系泥頁巖資源氣的勘探提供指導、依據(jù)，同時對減少煤炭和石油等傳統(tǒng)能源的依賴做出貢獻。

1 樣品試驗和方法

1.1 樣品采集

1.1.1 地質(zhì)背景

沁水盆地西部起源黃河，東部抵達呂梁山脈，位于華北地臺中部，屬于晉西撓折帶的向西傾斜的單斜構造[11]。先后經(jīng)歷了印支運動、燕山運動和喜山運動大型構造活動的改造，以太原組發(fā)育的一組海陸交互相沉積的砂巖、泥質(zhì)砂巖、泥巖、石灰?guī)r及煤層和山西組發(fā)育的一組三角洲沉積的砂巖、泥質(zhì)砂巖、泥巖及煤層為特征，為頁巖氣的富集奠定了良好的基礎[11-12]。研究區(qū)位于臨汾市隰縣境內(nèi)Y1鉆井(圖1)。

1.1.2 樣品采集

研究區(qū)石炭系和二疊系泥頁巖較為發(fā)育，以石盒子組、山西組和太原組為主，下石盒子組累計厚94.18 m、山西組累計厚51.21 m、太原組累計厚101.47 m。

圖1 研究區(qū)構造示意圖

系統(tǒng)采集沁水盆地臨汾地區(qū)Y1井巖芯共計56塊(表1、圖2)，樣品編號有序，自上而下為新地層到老底層(圖2)，并進行相關試驗測試，由此獲得樣品地球化學參數(shù)、巖石學參數(shù)以及儲層的物性參數(shù)，進而優(yōu)選、預測勘探潛力和商業(yè)價值。

表1 樣品基本信息

圖2 巖芯柱狀圖

1.2 試驗方案

對所采集的56塊巖芯樣品隨機進行X射線衍射(XRD)、有機碳含量、掃描電鏡(SEM)、含氣量等測試?？傆袡C碳(TOC)測試依據(jù)《沉積巖中總有機碳的測定》(GB/T 19145—2003)，采用CS-800型分析儀；巖石熱解檢測依據(jù)《巖石熱解分析》(GB/T 18602—2012)，采用OG-2000V儀器；XRD分析測試依據(jù)《沉積巖中黏土礦物和常見非黏土礦物X射線衍射分析方法》(SY/T 5163—2010)，采用理學SmartLab儀器；SEM測試依據(jù)《巖石樣品掃描電子顯微鏡分析方法》(SY/T 5162—1997)和《巖石礦物能譜定量分析方法》(SY/T 6189—1996)，采用Tescan/OXFORD儀器，測試樣品可見多種孔隙類型；高壓壓汞試驗依據(jù)《壓汞法和氣體吸附法測定固體材料孔徑分布和孔隙度》(GB/T 21650.1—2008)，采用QUANTACHROME POREMASTER儀器；含氣量檢測依據(jù)《煤層氣含量測定方法》(GB/T 19559—2008)，采用HT-WB12恒溫水浴解析箱和解析罐，測試結果表明樣品含氣量豐富，以甲烷為主體；天然氣組分檢測依據(jù)《天然氣的組成分析氣相色譜法》(GB/T 13610—2003)，采用ARNELGC580型氣相色譜儀，測試結果表明氣體主要以甲烷為主；等溫吸附依據(jù)《煤的高壓等溫吸附試驗方法》(GB/T 19560—2008)，采用TerraTek-300等溫吸附儀，以上試驗在山西省煤炭地質(zhì)勘查研究院進行。

2 結果與分析

2.1 有機地球化學特征

2.1.1 有機質(zhì)類型

有機質(zhì)類型是烴源巖生烴潛力評價的一項基本參數(shù)，反映了烴源巖中干酪根的物質(zhì)來源，是決定油氣產(chǎn)出的重要參數(shù)。根據(jù)巖石熱解參數(shù)分析，樣品中的氫指數(shù)(HI)為28.08～53.24 mg/g，平均值36.45 mg/g，巖石熱解S2的峰值溫度Tmax均大于460 ℃(圖3)，表明烴源巖中的暗色頁巖大多具有腐殖型有機質(zhì)，與樣品中測定的Ⅱ～Ⅲ型干酪根相對應，具有混源的特征[13]。中國頁巖氣烴源巖類型豐富，但是海相頁巖主要以Ⅰ、Ⅱ型干酪根為主，海陸交互相主要以Ⅱ、Ⅲ型干酪根為主[14]，表明該區(qū)是一個具有良好生烴條件的海陸交互相沉積。

圖3 有機質(zhì)類型分布

2.1.2 有機質(zhì)豐度

頁巖樣品的有機地球化學測試結果如圖2所示。有機碳的測試結果表明，樣品中TOC含量為0.28%～16.87%，平均2.15%，有機質(zhì)豐度高，大多數(shù)樣品中的有機碳含量大于1%[圖4(a)]。由于有機質(zhì)的多微孔性，隨著有機碳含量的增高，樣品中各種微孔的孔隙率和類型增加，從而提高吸附的比表面積[15-16]，故該區(qū)屬于品質(zhì)較好-非常好的范圍；巖石熱解樣品中[圖4(b)]，樣品中有機碳含量整體較好，屬于較好的烴源巖。該區(qū)的生烴潛力值(S1+S2)[17-18]相對較低[圖4(c)]。通過資料調(diào)查顯示山西組與太原組暗色泥巖的生烴潛量都很低，成熟度相對較高，造成這種現(xiàn)象的原因是有機質(zhì)成熟度過高導致生烴潛量的降低[19]。樣品生烴潛力為0.022～1.02 mg/g，平均0.55 mg/g，通過與有機碳含量的關系[圖4(d)][20]，樣品的有機質(zhì)豐度較好，屬于一般-優(yōu)質(zhì)一類烴源巖。綜合以上幾點，該區(qū)具有良好的生油氣條件。

圖4 樣品對比

2.1.3 有機質(zhì)成熟度

有機質(zhì)的熱演化程度可以反映烴源巖中有機質(zhì)的油氣轉(zhuǎn)化程度，在一定程度成熟度越高對其成藏越有利[21]。根據(jù)烴源巖有機質(zhì)演化階段的Tmax劃分，樣品Tmax為469.34～490.17 ℃，整體位于470 ℃左右；樣品的鏡質(zhì)組反射率(RO)為1.71%～2.10%，頁巖處于高成熟至過成熟階段。在頁巖達到過成熟度之前，隨著成熟度的增高，含氣量逐漸增加，對氣體聚集成藏越有利、對頁巖體積壓縮產(chǎn)生微孔隙越有利；研究表明RO>3%時，會使有機質(zhì)過成熟，導致生氣量顯著減少，綜合以上兩點該區(qū)是尋找頁巖油氣的目標區(qū)，具備良好的生油氣基礎[22]。

2.2 儲層特征

2.2.1 無機礦物特征

通過Y1井8個樣品X-衍射全巖分析，頁巖樣品的礦物成分測試(表2)，礦物成分以石英和黏土礦物為主，石英質(zhì)量分數(shù)為23.3%～64.1%，平均41.57%；黏土總量為32.8%～76.7%，平均56.79%。黏土礦物以高嶺石為主，高嶺石的質(zhì)量分數(shù)為16.2%～100%，平均63.13%；伊利石質(zhì)量分數(shù)為20.7%～70%，平均36.57%。此外樣品中發(fā)育有一定量的長石、石膏、白云母等含量普遍小于5%。蒙脫石逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐晾透邘X石，高嶺石已經(jīng)少量轉(zhuǎn)化為綠泥石和伊利石[23]。

表2 礦物成分測試分布

黏土礦物具有較大的孔容比和比表面積，有利于吸附頁巖氣[24]，在一定程度上高嶺石與地層含油氣級別成正比[25]；脆性礦物易在外力下產(chǎn)生裂隙[26]，成為重要的頁巖氣滲流通道，故石英等脆性礦物質(zhì)量分數(shù)越高，越容易形成網(wǎng)狀結構裂隙。結合脆性礦物和黏土礦物特征，該區(qū)是尋找頁巖油氣的目標區(qū)，具有良好的生油氣條件。

2.2.2 微觀孔隙特征

圖5 孔隙特征

近年來，有學者基于孔隙的研究，將孔隙劃分出多種類型[27]。其中具有代表性的有:Slatt等[28]基于Burnett的孔隙類型的研究，將孔隙類型分為有機孔隙、微裂縫、黏土粒間孔、糞球粒內(nèi)孔、碎屑內(nèi)孔隙和顆粒內(nèi)孔隙；Loucks等[29]將基質(zhì)孔隙劃分為有機孔隙、粒間孔和粒內(nèi)孔。Y1井巖芯樣品SEM照片主要觀察到的孔隙有粒內(nèi)孔隙、粒間孔隙、裂縫和有機質(zhì)孔隙四種類型(圖5)。為便于描述孔隙類型，基于國際理論和應用化學協(xié)會的標準[30]，將孔隙分為微孔(<2 nm)、介孔(2～50 nm)、宏孔(>50 nm)。

(1)裂縫：樣品中發(fā)育大量的微裂隙、裂縫，多存在于黏土[圖5(j)～圖5(k)]、有機質(zhì)以及顆粒碎屑周邊及內(nèi)部，其中，黏土礦物的裂縫主要是由成巖作用下的脫水收縮引起的；有機質(zhì)以及石英等碎屑礦物則是與礦物的硬度有關。裂縫的形態(tài)具有多樣性，具有狹長型、鋸齒形等，長度一般都是微米級，寬度一般納米級[圖5(l)]，樣品寬度在10～200 nm，延伸方向各異具有良好的延伸性，少見貫穿的裂縫。針對頁巖的儲層而言，裂隙多且有良好的延伸性會導致氣體的運移和逸散，與宏觀裂縫不一樣，頁巖的微裂縫發(fā)育位置多樣，長度一般微米級，幾乎不見貫穿，可以使得頁巖的壓裂性好，容易形成微裂縫網(wǎng)絡，有利于成為與宏觀裂隙溝通的通道，能夠提高儲層的滲透性。

(2)有機質(zhì)孔：頁巖中有機質(zhì)孔是發(fā)育最多的一類孔隙，在高產(chǎn)頁巖氣井中有機質(zhì)孔隙均特別發(fā)育，多數(shù)情況下，它們是納米級孔隙并具有多樣的孔隙形態(tài)，主要發(fā)育在有機質(zhì)內(nèi)、有機質(zhì)間，呈現(xiàn)出凹坑狀[圖5(s)]、橢圓形[圖5(m)]、蠕蟲狀[圖5(p)]、圓形[圖5(n)～圖5(o)]、氣泡[圖5(t)]等形式，孔隙大小多位于4～800 nm。少見沒有孔隙發(fā)育的有機質(zhì)[圖5(q)]。此外，有機質(zhì)納米孔隙使整體連接性好容易形成孔隙網(wǎng)絡。

(3)粒內(nèi)孔：礦物內(nèi)部形成的孔隙，主要包括黏土礦物層間粒內(nèi)孔隙，石英和黃鐵礦顆粒的內(nèi)部[圖5(b)～圖5(d)]，分布不具有規(guī)律性，孔徑大小變化大，由幾百納米到幾十微米，且連通性較差。同時黃鐵礦集合體常常與有機質(zhì)相伴生，故可以將黃鐵礦粒內(nèi)孔作為良好的儲集空間。倘若在埋藏條件不好的情況下，部分礦物例如碳酸鹽、長石等會遇到酸性流體，發(fā)生溶蝕作用形成溶蝕孔[圖5(a)]。

(4)粒間孔：通常發(fā)育在礦物碎屑顆粒、基質(zhì)。在黏土礦物中，粒間孔常呈現(xiàn)拉長型，孔徑一般為微米級[圖5(g)]；在黃鐵礦顆粒中粒間孔隙主要為相互支撐，孔徑微米級[圖5(h)]。此外由于礦物性質(zhì)的轉(zhuǎn)變(方解石-白云石)，礦物體積發(fā)生形變形成晶間孔[圖5(e)]，形狀不規(guī)則。顆粒間孔隙彼此具有一定的連通性，可以增加氣體的滲透性。

I為進汞曲線；E為退汞曲線

2.2.3 孔徑分布定量表征

高壓壓汞試驗是常用表征煤層孔隙連通性、結構復雜度以及孔隙的發(fā)育情況的一種手段[31]，共選取了7塊巖芯樣品其中包括一塊煤樣分別測試，所有樣品深度均超過1 000 m，屬于深部地層。除煤樣外，樣品的比孔容為0.005 3～0.016 2 cm3/g，平均0.008 5 cm3/g，比表面積為0.002 1～2.805 8 m2/g，平均0.856 1 m2/g，孔隙度為0.974%～3.998%，平均2.161%；煤樣的比孔容為0.062 cm3/g，比表面積為5.955 m2/g，孔隙度為8.002%。對比研究區(qū)的壓汞參數(shù)，煤樣的比孔容和比表面積都相對較高，但總體還是相對較小，可為頁巖氣的吸附賦存提供基本的地質(zhì)條件[32]。根據(jù)前人研究，孔隙度小于10%為油氣運移較困難，但利于儲集。故研究區(qū)雖然屬于成熟度高、利于頁巖氣儲集的地區(qū)[33]，但是孔隙度較低在日后的開發(fā)始終是其固有的缺陷[34]。

對研究區(qū)巖芯樣的進退汞曲線及孔徑分布進行分析，研究區(qū)壓汞曲線分為Ⅲ類[35-38]，Ⅰ 類如圖6(a)所示，在壓力較低的時候進汞量多，隨著壓力的不斷增加，進汞量最終達到飽和，對應的孔徑分布是孔徑分布廣泛，以介孔為主，優(yōu)勢孔徑峰值在7 nm左右，退汞曲線滯后，開口大，主要以開放孔為主，孔隙連通性較好；Ⅱ類如圖6(c)所示，在壓力較低的時候進汞量大，隨著壓力的增加，進汞量基本不發(fā)生變化，以墨水瓶孔為主，樣品的孔隙連通性差，孔徑主要以宏孔發(fā)育，優(yōu)勢孔徑峰值在10×103nm左右；Ⅲ 類如圖6(e)所示，進退汞曲線斜率基本不變化，表明孔隙配置合理，以半開放孔為主，連通性一般，優(yōu)勢孔徑峰值在8 nm及10×104nm左右。

2.3 含氣性特征

頁巖資源潛力評價的重要參數(shù)之一就是含氣性特征。目前中國學者多采用直接法和間接法測定頁巖的含氣量，直接法為現(xiàn)場解析法，指將鉆井所取的巖芯樣密閉封存運送至實驗室，用科學技術手段模擬地層環(huán)境對巖芯進行測試；間接法指在室內(nèi)條件下，對巖芯進行等溫度不同壓力下的等溫吸附試驗測定含氣量[39-40]。

2.3.1 現(xiàn)場解析法

現(xiàn)場解析法主要測量頁巖的解析氣量體積、損失氣量體積和殘余氣量體積(圖2)，Y1井巖芯樣品的總氣量為0.71～4.41 m3/t；解析氣量為0.559～3.982 m3/t，平均1.172 m3/t，解析氣量相當可觀；損失氣量和殘余氣量之和比解析氣量平均為9%(圖7)，表明樣品的析出量可觀。通過扣除樣品中的空氣，得到甲烷平均占總氣量的76%，與樣品天氣然檢測中扣除空氣以后甲烷平均含量相對應。該區(qū)頁巖總體含氣量豐富，是勘探的有利區(qū)。

2.3.2 等溫吸附法

通過砂巖、砂質(zhì)泥巖和煤層對氣體的吸附，由Langmuir方程求蘭氏體積[41](圖8)，可以得出砂巖對氣體的吸附量最低，吸附氣量為0.31～0.44 m3/t，平均值為0.42 m3/t，吸附能力較差；砂質(zhì)泥巖對氣體的吸附量優(yōu)于砂巖，吸附氣量在0.36～0.68 m3/t，平均值0.62 m3/t；煤層對氣體的吸附最強，吸附氣量在2.28～6.02 m3/t，平均值4.85 m3/t。

圖7 解吸量比重

圖8 等溫吸附曲線

3 勘探潛力綜合評價

將臨汾地區(qū)Y1井的各項參數(shù)指標與評價頁巖的標準和國內(nèi)外頁巖氣商業(yè)開發(fā)案例進行對比(表3)[42-44]，就Y1井單獨分析，從表3中各項參數(shù)可以看出有機質(zhì)豐度高，熱演化程度高，有優(yōu)質(zhì)的頁巖氣成藏的物質(zhì)基礎；對比頁巖氣商業(yè)開發(fā)的案例來看，臨汾區(qū)Y1井頁巖在各項指標上均與其相差不多，甚至有所超越，但孔隙度不高，故在以后的開發(fā)中始終存在缺陷。在整體的綜合評價上臨汾區(qū)Y1井頁巖具有較好的勘探潛力。

表3 頁巖氣潛力對比

綜上所述，本區(qū)暗色泥頁巖的優(yōu)點在于：①有機質(zhì)成熟度較高，處于高成熟～過成熟階段，有機質(zhì)類型主要以Ⅱ、Ⅲ型干酪根為主，富含較多偏腐殖質(zhì)有機質(zhì)，有利于頁巖氣的生成；②有機質(zhì)豐富，尤其是在煤層附近；③脆性礦物質(zhì)量分數(shù)相對較高，對后期開采形成裂隙有利。地層累計厚度厚，均>50 m，分布面積廣；④埋藏深度適中，有利于頁巖氣的開發(fā)和勘探。

4 結論

沁水盆地沉積了許多暗色煤系頁巖，分布范圍廣，選擇了山西省臨汾地區(qū)Y1井巖芯鉆孔作為研究對象，通過巖芯選取、巖石學特征分析、有機地球化學特征分析、掃面電鏡等方法為手段，對研究區(qū)內(nèi)山西組、太原組地層的烴源巖性能和潛力分析進行研究，得到如下結論。

(1)研究區(qū)石炭系、二疊系暗色巖系主要巖性為泥巖、砂巖、砂質(zhì)泥巖和煤層，少量泥質(zhì)灰?guī)r和石灰?guī)r，微量鋁質(zhì)泥巖和含鋁泥巖，部分地層可見黃鐵礦。

(2)Y1井巖芯樣品總體有機質(zhì)豐度高，大部分樣品中的有機碳含量均大于1%；有機質(zhì)熱演化程度相對較高，達到高成熟階段；有機質(zhì)類型反映了混源的特征，是良好的氣源型干酪根組合。

(3)Y1井礦物成分主要為石英和高嶺石，脆性礦物含量高。研究區(qū)孔隙具有良好的連通性且孔徑以介孔和宏孔為主，易形成孔隙網(wǎng)絡結構，具有良好的頁巖氣開采條件。

(4)臨汾地區(qū)Y1井地區(qū)石炭、二疊系具有較好的頁巖資源潛量，有良好的頁巖氣勘探開發(fā)基礎，具有商業(yè)價值。