匡立春，董大忠，何文淵，溫聲明，孫莎莎，李樹新，邱振，廖新維，李勇，武瑾，張磊夫，施振生，郭雯，張素榮

（1.中國(guó)石油天然氣集團(tuán)有限公司科技管理部，北京100007；2.中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院，北京100083；3.中國(guó)石油咨詢中心，北京100724；4.中國(guó)石油煤層氣有限責(zé)任公司，北京100028；5.中國(guó)石油大學(xué)（北京），北京102249；6.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京），北京100083）

0 引言

中國(guó)發(fā)育 3種類型的富有機(jī)質(zhì)頁巖，一是早古生代為主的海相頁巖；二是石炭紀(jì)—二疊紀(jì)為主的海陸過渡相頁巖；三是中新生代為主的陸相頁巖[1-3]。海陸過渡相頁巖是中國(guó)油氣勘探的重要領(lǐng)域，分布面積廣，資源潛力大，頁巖氣資源量約19.8×1012m3，占中國(guó)頁巖氣資源總量的 25%，但整體起步晚，具有較大的勘探開發(fā)前景[3-5]。近年來，圍繞海陸過渡相頁巖氣的鉆探和試井成果揭示其具有良好的含氣性和開發(fā)前景。鄂爾多斯盆地西北部鄂頁 1井二疊系太原組頁巖段直井壓裂測(cè)試無阻流量為1.95×104m3/d，鄂爾多斯盆地東南部延川地區(qū)二疊系山西組頁巖段 3口水平井壓裂測(cè)試產(chǎn)量（2.0～5.3）×104m3/d，大寧—吉縣地區(qū)5口直井山西組頁巖段壓裂測(cè)試均獲得工業(yè)氣流，最高無阻流量大于1.0×104m3/d。沁水盆地柿狀北306、壽陽Y01、吾元01等多口井二疊系見良好頁巖氣顯示，其中壽縣306井巖心測(cè)試含氣量為0.79～4.03 m3/t。湖南湘中漣源盆地湘頁 1井二疊系大隆組—龍?zhí)督M頁巖含氣量為 0.16～1.41 m3/t，直井壓裂測(cè)試產(chǎn)量為 2 300 m3/d。四川盆地川東地區(qū)二疊系龍?zhí)督M頁巖 2口井巖心測(cè)試含氣量為0.35～3.49 m3/t[6]。上述鉆探成果展示了海陸過渡相頁巖氣的勘探開發(fā)潛力。

鄂爾多斯和四川兩大盆地的海陸過渡相頁巖氣有利區(qū)面積合計(jì)達(dá)13.3×104km2，占全國(guó)的72%，地質(zhì)資源量合計(jì)為 13.5×1012m3，占全國(guó)的68%[3-9]。兩大盆地是中國(guó)海陸過渡相頁巖氣資源的主體，勘探成果初步展示鄂爾多斯盆地東緣有望在海陸過渡相頁巖氣領(lǐng)域率先實(shí)現(xiàn)突破，形成規(guī)?；a(chǎn)能，進(jìn)而成為中國(guó)天然氣產(chǎn)業(yè)新的戰(zhàn)略接替資源[3,10-12]。雖然海陸過渡相頁巖氣勘探取得了較好的鉆探成果，但是當(dāng)前海陸過渡相頁巖氣地質(zhì)理論與評(píng)價(jià)系統(tǒng)尚未建立，高效鉆井與儲(chǔ)集層改造亟需攻關(guān)，有效開發(fā)與開采技術(shù)有待探索。鄂爾多斯盆地東緣石炭系—二疊系發(fā)育豐富的海陸過渡相頁巖沉積，有部分學(xué)者進(jìn)行了一定的資源潛力評(píng)價(jià)，但是對(duì)于有利層段分布和勘探開發(fā)前景尚沒有明確認(rèn)識(shí)，制約了開發(fā)實(shí)踐的較大規(guī)模化開展。本文通過系統(tǒng)梳理鄂爾多斯盆地東緣山西組頁巖氣地質(zhì)特征，與國(guó)內(nèi)外典型海相和海陸過渡相頁巖氣特征進(jìn)行對(duì)比，明確了鄂爾多斯盆地東緣山西組海陸過渡相頁巖氣地質(zhì)條件與勘探開發(fā)前景，相關(guān)認(rèn)識(shí)對(duì)其他盆地海陸過渡相頁巖氣勘探開發(fā)具有借鑒和指導(dǎo)意義。

1 研究區(qū)概況

鄂爾多斯盆地東緣地跨山西、陜西兩省，東接離石大斷裂、西臨黃河及韓城—合陽—銅川地區(qū)，呈狹長(zhǎng)弧形帶狀，南北長(zhǎng)約450 km，東西寬26～100 km，總面積4.5×104km2以上（見圖1a）[9,12]。研究區(qū)構(gòu)造較為簡(jiǎn)單，地層整體單斜西傾，出露地層由東向西漸新[12]。自中奧陶統(tǒng)頂部侵蝕面開始，廣泛沉積了石炭系—二疊系海陸過渡相地層，包括上石炭統(tǒng)本溪組、下二疊統(tǒng)太原組和山西組（見圖1b）[13-15]。研究區(qū)地層發(fā)育特征與鄂爾多斯盆地沉積構(gòu)造演化密切相關(guān)，晚石炭世—早二疊世，盆地作為華北克拉通的一部分沉積相對(duì)穩(wěn)定，發(fā)育一套海相、海陸過渡相沉積層系，并伴隨有泥炭堆積作用形成煤層。受區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)影響，水體變化頻繁，形成濱淺?！侵耷熬墶獮I淺湖相多期沉積旋回，沉積了多套海陸過渡相富有機(jī)質(zhì)頁巖（見圖1b），累計(jì)厚度43.5～187.3 m，平均厚度88.6 m[13,16]。最為典型的是山西組山2段頁巖，發(fā)育榆林—臨縣、石樓北—大寧—吉縣、韓城—黃陵等厚度中心，頁巖單層最大厚度達(dá)50 m（見圖2），平均總有機(jī)碳含量（TOC）為1%～3%，顯示頁巖氣資源潛力較大。

圖1 研究區(qū)位置（a）及地層柱狀圖（b）

鄂爾多斯盆地東緣的天然氣勘探開發(fā)由來已久。中國(guó)石油、中國(guó)石化、延長(zhǎng)石油和中聯(lián)煤層氣公司等都在此開展過工作，取得了良好效果。2008年以來，中國(guó)石油以煤層氣和煤系地層天然氣為主要勘探開發(fā)目標(biāo)，在韓城、臨汾、保德、河曲、準(zhǔn)格爾旗、三交等區(qū)塊開展了大量地震和鉆探工作，探明天然氣地質(zhì)儲(chǔ)量近6 000×108m3，新建天然氣產(chǎn)能近40×108m3/a，建成韓城和保德兩個(gè)煤層氣規(guī)模開發(fā)區(qū)。隨著該區(qū)天然氣勘探開發(fā)不斷推進(jìn)和天然氣資源富集地質(zhì)規(guī)律認(rèn)識(shí)的不斷深化，2018年以來，開展了煤層氣、致密氣、頁巖氣多類型、多層系、多領(lǐng)域勘探開發(fā)工作，以期實(shí)現(xiàn)多類型天然氣并舉、資源綜合有效開采新局面。在大寧—吉縣地區(qū)的7口直井對(duì)山西組頁巖段壓裂試氣，5口井獲工業(yè)氣流，最高測(cè)試產(chǎn)量超1×104m3/d。

2 頁巖氣地質(zhì)特征

2.1 區(qū)域沉積環(huán)境穩(wěn)定、富有機(jī)質(zhì)頁巖大面積分布

鄂爾多斯盆地東緣山西組為一套陸相三角洲、近海三角洲與陸表海過渡相沉積的頁巖層系[16-17]。山西組沉積時(shí)期，海水從鄂爾多斯盆地東西兩側(cè)逐漸退出，盆地逐漸由海相沉積轉(zhuǎn)換為陸相盆地，沉積環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定，有利于頁巖氣資源富集[10,18]。研究區(qū)內(nèi)山西組分為山2段和山1段。山西組沉積時(shí)期，北部準(zhǔn)格爾旗地區(qū)靠近北部物源，主要為一套粗粒的礫巖、含礫砂巖沖積扇沉積，向南變?yōu)檗p狀河粗砂巖沉積，發(fā)育扇間洼地淤積形成的沼澤環(huán)境。在保德—興縣地區(qū)主要發(fā)育辮狀河道、天然堤、河漫沼澤等環(huán)境，其中河漫沼澤較發(fā)育。向南由河流沉積體系過渡到潮控三角洲沉積體系，在三交—石樓地區(qū)發(fā)育潮控三角洲平原，分流間灣淤積形成平原沼澤環(huán)境。大寧—吉縣地區(qū)是南北物源過渡地帶，屬于三角洲前緣和濱海環(huán)境，為典型的海陸過渡相沉積環(huán)境。南部韓城—合陽地區(qū)在這一時(shí)期發(fā)育三角洲沉積，規(guī)模較小，主要為三角洲前緣。

大量勘探資料證實(shí)，鄂爾多斯盆地東緣山西組山2段和山1段均發(fā)育頁巖沉積（見圖2）。山1段頁巖厚度為9.7～51.5 m（平均24.6 m），山2段頁巖厚度為21.4～92.3 m（平均41.2 m）。山2段頁巖厚度大、夾層少而薄，頁巖單層最大厚度可達(dá)50 m，分布面積約4.5×104km2，發(fā)育榆林—臨縣、石樓北—大寧—吉縣、韓城—黃陵3大沉積中心。山2段自上而下又可細(xì)分為山21、山22和山23共3個(gè)亞段。大寧—吉縣地區(qū)山23亞段主要發(fā)育淺海海灣相—湖相、三角洲前緣、三角洲平原等沉積環(huán)境（見圖 3），為典型海陸過渡相沉積。據(jù)大吉51、大吉3-4等井巖心觀察，山2段識(shí)別出3種類型頁巖組合：①分布在下段的淺海海灣相—湖相頁巖，發(fā)育半還原—還原環(huán)境下含生物碎屑富有機(jī)質(zhì)頁巖、含炭屑頁巖、粉砂質(zhì)頁巖（見圖 4a、圖 4b）；②分布在中段的潮控下三角洲平原相黑色頁巖，可見片狀炭屑，黃/菱鐵礦結(jié)核及生物擾動(dòng)構(gòu)造（見圖4c、圖4d）；③分布在上段的上三角洲平原相黑色頁巖，主要為分流河道間的沼澤和湖泊沉積，為開放氧化環(huán)境，生物擾動(dòng)頻繁，發(fā)育炭質(zhì)頁巖和煤線（見圖4e、圖4f）。

研究區(qū)山2段頁巖TOC值相對(duì)較高，一般為1%～3%，最高可達(dá)10%以上（見圖5）。頁巖巖心樣品有機(jī)質(zhì)顯微組分、干酪根元素和鏡質(zhì)體反射率（Ro）測(cè)試分析結(jié)果顯示，鏡質(zhì)體和惰質(zhì)體含量較高，占顯微組分總量的56%～86%，有機(jī)質(zhì)類型以Ⅱ—Ⅲ型為主（見圖 6），Ro值為 1.5%～2.0%（見圖 7），已進(jìn)入生氣高峰階段。山23亞段是山2段頁巖中有機(jī)質(zhì)最為豐富的層段，測(cè)井解釋TOC值為1.40%～8.88%（平均4.91%），大寧—吉縣地區(qū)大吉51井山23亞段巖心實(shí)測(cè)TOC值為4.53%～11.68%（平均7.97%）。

以上數(shù)據(jù)表明，研究區(qū)山2段為典型海陸過渡相沉積，區(qū)域沉積環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定，富有機(jī)質(zhì)頁巖大面積分布。

2.2 發(fā)育微納米級(jí)孔-縫體系、具備較好儲(chǔ)集能力

2.2.1 微納米級(jí)孔-縫體系發(fā)育

圖2 鄂爾多斯盆地東緣石炭系—二疊系南北向連井剖面（剖面位置見圖1a；GR—自然伽馬；Vsh—泥質(zhì)含量）

圖3 鄂爾多斯盆地東緣大寧—吉縣地區(qū)山23亞段頁巖沉積微相及儲(chǔ)集層參數(shù)（TOCC—巖心實(shí)測(cè)總有機(jī)碳含量；φC—巖心實(shí)測(cè)孔隙度；φL—測(cè)井解釋孔隙度；SgC—巖心實(shí)測(cè)含氣飽和度；SgL—測(cè)井解釋含氣飽和度）

氬離子拋光聚焦離子束掃描電鏡（FIB-SEM）分析結(jié)果表明，研究區(qū)山2段頁巖發(fā)育微納米級(jí)孔-縫體系，主要由無機(jī)礦物孔隙、有機(jī)質(zhì)孔隙及微裂縫 3類儲(chǔ)集空間組成（見圖8）。其中無機(jī)礦物孔隙及微裂縫最為發(fā)育，有機(jī)質(zhì)孔隙發(fā)育程度相對(duì)較低且有一定的非均質(zhì)性。

無機(jī)礦物孔隙主要包括礦物溶蝕孔、黏土礦物層間孔、黃鐵礦晶間孔及礦物邊緣孔等（見圖 8a—圖8c）。山2段底部含有少量方解石、白云石等碳酸鹽礦物及長(zhǎng)石等易溶礦物，遭受溶蝕后產(chǎn)生礦物溶蝕孔，孔隙形態(tài)呈圓形、橢圓形或不規(guī)則形，孔徑一般為幾十至上百納米，常分布在粒間（見圖 8a）或粒內(nèi)（見圖8b）。黏土礦物中發(fā)育大量層間微孔隙，多為絲縷狀或卷曲片狀伊利石及書頁狀或手風(fēng)琴狀高嶺石中發(fā)育的狹縫型微孔隙，相互平行排列，寬度為納米級(jí)，長(zhǎng)度為微米級(jí)（見圖8c）。頁巖中黃鐵礦大量發(fā)育，以草莓狀集合體或分散狀黃鐵礦晶體出現(xiàn)，晶體間存在一定數(shù)量孔徑為50～200 nm的不規(guī)則晶間孔（見圖8d）。

圖4 鄂爾多斯盆地東緣大寧—吉縣地區(qū)大吉51井山23亞段沉積特征

圖5 鄂爾多斯盆地東緣山西組山2段頁巖實(shí)測(cè)總有機(jī)碳含量頻率分布直方圖

圖6 鄂爾多斯盆地東緣山西組山2段頁巖干酪根元素組成類型劃分圖

圖7 鄂爾多斯盆地東緣山西組山2段頁巖鏡質(zhì)體反射率頻率分布直方圖

有機(jī)質(zhì)孔隙發(fā)育程度相對(duì)偏低，以少量原始有機(jī)質(zhì)結(jié)構(gòu)孔隙、有機(jī)質(zhì)內(nèi)部生烴孔隙以及有機(jī)質(zhì)周緣孔隙為主（見圖8e、圖8f）。部分有機(jī)質(zhì)內(nèi)部發(fā)育大量納米級(jí)生烴氣孔，呈圓形、橢圓形或不規(guī)則形，孔徑分布在幾十至幾百納米，連通性較好，發(fā)育具有一定非均質(zhì)性（見圖8e）。有機(jī)質(zhì)與礦物接觸位置可觀察到邊緣孔縫，在頁巖中普遍發(fā)育，以縫狀、條帶狀、不規(guī)則狀居多，孔徑不一，可能是有機(jī)質(zhì)與礦物顆粒間的硬度差或有機(jī)質(zhì)熱解收縮造成（見圖8g）。黏土礦物層間縫、礦物顆粒間縫等相對(duì)發(fā)育，寬度一般為幾十納米至幾百納米，長(zhǎng)度一般為數(shù)微米（見圖8h、圖8i）。山2段頁巖黏土礦物以伊利石、高嶺石為主，在成巖演化過程中，蒙脫石通過伊蒙混層向伊利石轉(zhuǎn)化，伴隨體積減小在伊利石層間產(chǎn)生微孔縫，且生烴演化過程中所具有的酸性成巖條件造成長(zhǎng)石類礦物蝕變形成高嶺石，在高嶺石晶間發(fā)育大量微孔縫（見圖8h）。山2段頁巖有機(jī)質(zhì)顯微組分以鏡質(zhì)組為主，生氣能力強(qiáng)，在熱演化過程中產(chǎn)生的異常壓力使有機(jī)質(zhì)發(fā)生破裂而形成微裂隙（見圖8g）。

圖8 鄂爾多斯盆地東緣山2段頁巖掃描電鏡下孔縫特征

2.2.2 儲(chǔ)集層物性較好

鄂爾多斯盆地東緣17口井山2段頁巖測(cè)井解釋孔隙度為 4%～6%，孔隙度與滲透率具有明顯正相關(guān)關(guān)系。其中山23亞段優(yōu)質(zhì)頁巖段測(cè)井解釋孔隙度為5.1%～5.8%（平均5.3%）；巖心實(shí)測(cè)孔隙度為1.25%～4.85%（平均 3.80%）、滲透率為（0.01～0.10）×10-3μm2（平均 0.04×10-3μm2）（見圖 3），顯示研究區(qū)頁巖具有相對(duì)較好的儲(chǔ)集能力。

2.3 富含石英等脆性礦物、有利于儲(chǔ)集層壓裂

無論是海相頁巖還是陸相頁巖的巖石組合與礦物成分都相對(duì)復(fù)雜[10,19-20]，海陸過渡相頁巖也不例外。鄂爾多斯盆地東緣山2段頁巖層系巖性較為復(fù)雜，包括炭質(zhì)頁巖、灰質(zhì)頁巖、粉砂質(zhì)頁巖、泥質(zhì)粉砂巖，夾細(xì)砂巖、粉砂巖、煤層及煤線（見圖 1、圖 3）。X射線衍射測(cè)試分析結(jié)果顯示，山2段頁巖礦物組分主要包括石英和黏土，含有少量方解石、白云石、長(zhǎng)石、黃鐵礦等（見圖9），石英含量為24%～54%（平均38.6%），黏土礦物含量較高且變化較大，為 22%～72%（平均55.3%）。黏土礦物中高嶺石、綠泥石、伊利石、伊蒙混層含量分別為 61.50%、20.58%、15.75%、2.17%。碳酸鹽礦物含量除個(gè)別樣品含量較高外，總體較少，平均為3.3%。樣品中見黃鐵礦、菱鐵礦等自生礦物，含量一般小于5%。以石英、碳酸鹽礦物作為主要脆性礦物，估算山2段頁巖脆性礦物含量為 40%～65%；山23優(yōu)質(zhì)頁巖段的石英含量平均為 55%，黏土礦物含量為 20.0%～41.0%（平均 28.9%），脆性礦物含量為59%～80%（平均71%）。

圖9 鄂爾多斯盆地東緣山西組山2段頁巖礦物含量三角圖

礦物脆性指數(shù)可以用來表征頁巖儲(chǔ)集層可壓裂能力，一般采用石英、碳酸鹽等礦物含量之和與石英、碳酸鹽、黏土等礦物含量之和相除來計(jì)算。結(jié)果表明鄂爾多斯盆地東緣山2段頁巖層系的脆性指數(shù)最高可達(dá) 85%，平均為 51.2%；山23亞段優(yōu)質(zhì)頁巖段礦物脆性指數(shù)平均為72%?；诖髮帯h區(qū)塊3口頁巖氣井（吉2-4井、吉41井、吉36井）的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)分析，山2段頁巖具有較好巖石力學(xué)特征，楊氏模量為 20～44 GPa，泊松比為0.20～0.27，表明具有良好的儲(chǔ)集層改造品質(zhì)，有利于儲(chǔ)集層壓裂。

2.4 頁巖地層壓力適中、含氣量高

鄂爾多斯盆地東緣山2段頁巖層系底界埋深為800～2 600 m，大寧—吉縣區(qū)塊埋深為1 200～2 600 m，石樓西地區(qū)埋深為1 600～2 600 m，地層壓力系數(shù)為 0.95～1.05，以常壓為主[21]。含氣性是評(píng)價(jià)頁巖氣是否具備開發(fā)潛力最重要的參數(shù)[22-23]。大寧—吉縣區(qū)塊 17口井山2段頁巖測(cè)井解釋含氣量為 1.38～5.66 m3/t（平均值2.63 m3/t），其中大吉51井2 295～2 298 m 山23優(yōu)質(zhì)頁巖段測(cè)井解釋含氣量為 1.55～3.72 m3/t（平均值2.15 m3/t），巖心實(shí)測(cè)含氣量為0.75～3.71 m3/t（平均值2.15 m3/t）（見圖3）。研究區(qū)山西組頁巖中所夾煤巖含氣量達(dá)10.98～16.98 m3/t值得關(guān)注。研究區(qū)頁巖氣組分 CH4含量為 95.15%～99.03%，平均值為96.60%，僅含極少量重?zé)N氣及非烴氣體，為典型干氣。

3 頁巖氣勘探潛力與開發(fā)前景

3.1 具有良好勘探前景

海陸過渡相頁巖與海相頁巖相比具有以下地質(zhì)特征：①沉積上與煤層（線）、致密粉砂巖（砂巖）互層，橫向變化較快；②有機(jī)質(zhì)類型以Ⅱ—Ⅲ型干酪根為主，有機(jī)質(zhì)豐度和成熟度較高，生氣能力強(qiáng)；③儲(chǔ)集層巖石礦物組分復(fù)雜，黏土礦物含量相對(duì)較高[3,5,8]。鄂爾多斯盆地東緣山2段作為典型海陸過渡相頁巖層系，有機(jī)質(zhì)類型主體為Ⅱ—Ⅲ型，TOC值為 1%～3%，其中山23亞段TOC平均值達(dá)7.97%。頁巖層系成熟度為高成熟（Ro值為1.5%～2.0%）且具有較高含氣量（平均值高于2.0 m3/t），總體上為頁巖氣富集層段[1,24]，但略低于典型海相頁巖（見圖10a）。該頁巖層系比較典型特征為發(fā)育無機(jī)孔隙與微裂縫，有機(jī)質(zhì)孔相對(duì)不發(fā)育，儲(chǔ)集層測(cè)井解釋孔隙度為4%～6%，巖心實(shí)測(cè)孔隙度平均為3.8%，低于典型海相頁巖[1,25-26]，例如美國(guó)主要海相含氣頁巖總孔隙度為2%～14%，主體為4%～7%，測(cè)井解釋孔隙度為4%～12%（平均值為5.2%）[27-28]；中國(guó)南方下古生界的海相頁巖孔隙度為3.0%～9.1%（平均值為6.95%）。頁巖儲(chǔ)集層孔隙發(fā)育受多種因素的影響，包括有機(jī)碳含量、干酪根類型、熱演化程度、黏土礦物類型及含量等均不同程度的控制著納米孔隙的發(fā)育。諸多研究已證實(shí)，頁巖有機(jī)質(zhì)類型和有機(jī)碳含量是影響有機(jī)質(zhì)孔隙發(fā)育的重要因素[18,29-30]。山2段頁巖層系總有機(jī)碳含量與BJH（Barrett-Joyner-Halenda）總孔體積為弱負(fù)相關(guān)性，明顯不同于海相頁巖的正相關(guān)特征（見圖10b），與掃描電鏡觀察到有機(jī)孔不發(fā)育的結(jié)果相一致（見圖8）。山2段頁巖層系中黏土礦物含量相對(duì)較高，與BJH總孔體積具有較差的正相關(guān)性（見圖10c）。與中國(guó)南方典型海相頁巖相比，山2段頁巖層系孔隙體積明顯偏低（見圖11），但總體上仍具有較好的儲(chǔ)集能力。

圖10 鄂爾多斯盆地東緣山2段海陸過渡相頁巖與典型海相頁巖儲(chǔ)集層關(guān)鍵參數(shù)對(duì)比

圖11 鄂爾多斯盆地東緣山2段海陸過渡相頁巖厚度（a）、埋深（b）、成熟度（c）、頁巖氣資源及有利區(qū)（d）分布圖

海陸過渡相頁巖氣在儲(chǔ)集層分布、礦物組分、有機(jī)質(zhì)類型、埋深及壓力系統(tǒng)等方面與海相具有一定差異。鄂爾多斯盆地東緣山2段頁巖厚度大，單層最大厚度可達(dá)50 m，并發(fā)育榆林—臨縣、石樓北—大寧—吉縣、韓城—黃陵等沉積中心（見圖 11a）。該頁巖層系埋深適中，主體為800～2 600 m（見圖11b），成熟度自北向南逐漸增加，Ro值為1.5%～2.0%（見圖11c），已進(jìn)入生氣高峰階段?？傮w來說，比較不同類型頁巖氣的基本地質(zhì)條件，如埋深、厚度、有機(jī)質(zhì)含量、熱演化程度、含氣量、壓力系數(shù)等，鄂爾多斯盆地東緣山2段頁巖均處于相對(duì)中等的位置。山2段頁巖TOC值、熱演化程度、含氣量、孔隙度等關(guān)鍵參數(shù)與美國(guó)San Juan盆地Lewis海陸過渡相頁巖接近，但是黏土礦物含量較高[31-33]。Lewis頁巖曾經(jīng)是美國(guó)傳統(tǒng)5大頁巖氣產(chǎn)氣層系之一，可見鄂爾多斯盆地東緣山2段在埋深、厚度、含氣量等方面具有良好的頁巖氣地質(zhì)條件及勘探前景。

依據(jù)鄂爾多斯盆地東緣山2段頁巖層系的基本地質(zhì)特征，參考典型海相頁巖氣評(píng)價(jià)指標(biāo)[1,3,18]，初步提出海陸過渡相頁巖氣有利層段含氣性和可壓性評(píng)價(jià)指標(biāo)。含氣性評(píng)價(jià)指標(biāo)包括TOC值大于2%、孔隙度大于2%、含氣量大于2 m3/t?？蓧盒栽u(píng)價(jià)指標(biāo)包括脆性礦物含量高于 50%、發(fā)育微裂縫。在此基礎(chǔ)上，頁巖氣有利區(qū)的評(píng)價(jià)再加上頁巖厚度大于25 m、埋深大于1 500 m 兩項(xiàng)指標(biāo)（見圖 11b）。根據(jù)原國(guó)土資源部2014年頒布的《頁巖氣資源/儲(chǔ)量計(jì)算與評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》[34]，采用體積法估算山2段頁巖氣資源量。其中有利頁巖面積為22 800 km2，儲(chǔ)集層厚度為37～59 m，頁巖密度為2.6～2.7 g/cm3，含氣量為2.15～2.63 m3/t，起算埋深1 000 m，估算地質(zhì)資源量為（3.3～5.2）×1012m3。發(fā)育榆林—臨縣、石樓北—大寧—吉縣、韓城—黃陵等3個(gè)有利區(qū)塊（見圖11d），其中榆林—臨縣有利區(qū)面積約4 600 km2，地質(zhì)資源量為（6 670～10 580）×108m3；石樓北—大寧—吉縣有利區(qū)面積約6 000 km2，地質(zhì)資源量為（8 700～13 800）×108m3；韓城—黃陵有利區(qū)面積約 2 200 km2，地質(zhì)資源量為（3 200～5 060）×108m3。

3.2 開發(fā)潛力大

頁巖氣開發(fā)效果受控于頁巖儲(chǔ)集層含氣性、物性條件、力學(xué)性質(zhì)、儲(chǔ)集層壓力和儲(chǔ)集層可改造性等[25,35-37]。鄂爾多斯盆地東緣山2段中以山23亞段頁巖厚度最大，一般為20～40 m，分布穩(wěn)定且夾層少（見圖1、圖2），該層段具有“高含氣量、高脆性礦物含量”特征，是頁巖氣最有利甜點(diǎn)段，也是目前主要壓裂測(cè)試層段。

2018—2019年對(duì)大寧—吉縣區(qū)塊一口直井—大吉51井2 295～2 298 m“甜點(diǎn)段”進(jìn)行壓裂，隨后進(jìn)行了1 612 h試采和1 073 h關(guān)井壓力恢復(fù)測(cè)試。原始地層壓力為17.86 MPa，測(cè)試期間共產(chǎn)出頁巖氣33.9×104m3，產(chǎn)氣量穩(wěn)定，平均日產(chǎn)氣量為0.6×104m3。試采期間平均壓降速率為 0.11 MPa/d，單位井底壓降采氣量為4.7×104m3/MPa。關(guān)井7 d的壓力恢復(fù)速率為0.59 MPa/d。試井解釋地層有效滲透率為 0.06×10-3μm2，無阻流量為2.3×104m3/d，外推地層壓力為17.25 MPa，比原始地層壓力降低了0.6 MPa，表現(xiàn)出較高壓力保持水平，說明地層能量較高，壓力恢復(fù)快。若以無阻流量的1/5～1/3進(jìn)行配產(chǎn)，該井能夠以0.6×104m3/d進(jìn)行有效生產(chǎn)；若根據(jù)試采期間的平均產(chǎn)量進(jìn)行配產(chǎn)，該井能夠以0.5×104m3/d進(jìn)行有效生產(chǎn)。與美國(guó)頁巖氣壓裂直井平均產(chǎn)量0.8×104m3/d相比，表現(xiàn)出很好的開發(fā)前景。按試井成果預(yù)測(cè)單井控制動(dòng)態(tài)儲(chǔ)量為882×104m3，井控儲(chǔ)量高。壓裂改造在井附近形成了半長(zhǎng)約為66 m的裂縫，導(dǎo)流能力約為75×10-3μm2·m，井控區(qū)域?yàn)?18 m×700 m。

山西組多層頁巖疊置，在頁巖氣開發(fā)過程中，以改造優(yōu)質(zhì)氣層為主?？紤]巖石礦物和孔隙組成，可以增加前置酸用量，溶蝕礦物填充及碳酸鹽巖，提高改造體積，解除排采隱患。大吉27井、大吉36井、大吉41井、大吉2-4井的前期壓裂曲線表明，閉合應(yīng)力為43～53 MPa，推算作用在支撐劑上的有效閉合應(yīng)力在25 MPa以上，推薦支撐劑為70/140目（0.106～0.212 mm）石英砂和40/70目（0.212～0.425 mm）石英砂和中強(qiáng)度陶粒組合。施工凈壓力越高，形成的裂縫網(wǎng)絡(luò)越復(fù)雜，單井產(chǎn)量越高。提高排量是提高凈壓力的最重要手段。前期壓裂施工分析顯示，排量大于12 m3/min，施工壓力穩(wěn)定。研究區(qū)頁巖孔隙尺度小，靜啟動(dòng)壓力大，間斷排采對(duì)地層能量損失大，在壓裂液返排過程中應(yīng)慢速返排，全程油嘴控制，降低吐砂風(fēng)險(xiǎn)，保證連續(xù)排采?？傮w來看，研究區(qū)山西組山2段頁巖氣資源豐富，頁巖可壓裂性和頁巖氣可采性良好，開發(fā)潛力大。

另外，山西組和太原組兩套主煤層在鄂爾多斯盆地東緣全區(qū)發(fā)育，山西組主煤層全區(qū)厚度為1～15 m，一般2.5 m以上；太原組主煤層厚度為2～20 m，一般3.5 m以上[21]。煤層Ro值一般為0.59%～2.35%，由北往南熱演化程度逐漸升高，從長(zhǎng)焰煤開始，煤層累計(jì)生氣量50 m3/t以上[21,38]。因此，研究區(qū)頁巖氣及鄰近層位多類型天然氣資源豐富，且多層頁巖垂向疊置，在今后勘探開發(fā)實(shí)踐中可以考慮多層系多類型氣協(xié)同開發(fā)。

4 結(jié)論

鄂爾多斯盆地東緣石炭系—二疊系為海陸過渡相沉積，發(fā)育多套頁巖且厚度大，TOC、熱演化程度、孔滲特征、含氣量、構(gòu)造保存、埋藏深度等具有優(yōu)勢(shì)，具備良好的生、儲(chǔ)、封蓋條件，頁巖氣形成富集地質(zhì)條件良好。研究區(qū)二疊系山西組山2段頁巖氣具有 4大地質(zhì)特征：①沉積環(huán)境穩(wěn)定，富有機(jī)質(zhì)頁巖大面積分布；②發(fā)育微納米級(jí)孔-縫體系，具備較好儲(chǔ)集能力；③富含石英等脆性礦物，有利于儲(chǔ)集層壓裂改造；④頁巖地層壓力適中，含氣量高。

依據(jù)鄂爾多斯盆地東緣山2段頁巖層系基本地質(zhì)特征，結(jié)合海陸過渡相頁巖氣有利層段評(píng)價(jià)指標(biāo)，估算研究區(qū)山2段頁巖氣地質(zhì)資源量為（3.3～5.2）×1012m3，確定了榆林—臨縣、石樓北—大寧—吉縣、韓城—黃陵地區(qū) 3個(gè)有利區(qū)塊，有利區(qū)總面積約 1.28×104km2，資源量為（1.8～2.9）×1012m3，勘探潛力大。

鄂爾多斯盆地東緣山2段單井產(chǎn)氣量穩(wěn)定，單井控制儲(chǔ)量高，地層可采性和可壓裂性良好。系統(tǒng)試井結(jié)果證實(shí)地層能量充足，具有較好穩(wěn)產(chǎn)能力，開發(fā)前景好。鄂爾多斯盆地東緣山西組和太原組發(fā)育多套煤層，且與多套頁巖層系垂向疊置，可考慮多類型氣協(xié)同開發(fā)。

致謝：本文得到了中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院、國(guó)家能源頁巖氣研發(fā)（實(shí)驗(yàn)）中心、中國(guó)石油煤層氣公司的大力支持。撰寫過程中得到了中國(guó)科學(xué)院鄒才能院士、戴金星院士的悉心指導(dǎo)，中國(guó)石油咨詢中心孫平教授、劉炳玉高級(jí)工程師，中國(guó)石油大學(xué)（北京）陳志明副教授等的幫助，在此一并致謝。