劉 亢

(中國煤炭地質(zhì)總局勘查研究總院，北京 100039)

進入21世紀以來，頁巖氣的勘探開發(fā)的國際戰(zhàn)略地位越來越重要。美國和加拿大是最早進行頁巖氣勘探開發(fā)的國家，據(jù)美國能源信息署預測，到2050年，美國陸上除頁巖油氣區(qū)外其他領(lǐng)域天然氣產(chǎn)量持續(xù)下降，海上天然氣產(chǎn)量基本保持平穩(wěn)，天然氣產(chǎn)量增長幾乎全部依賴頁巖氣[1-3]。我國頁巖氣儲層類型多樣，分為海相、海陸過渡相和陸相儲層，通過多年的攻關(guān)和探索，我國南方海相頁巖氣勘探開發(fā)取得了重大突破。然而，我國海陸過渡相地層中也發(fā)育多套有機質(zhì)含量較高的泥頁巖。據(jù)《頁巖氣發(fā)展規(guī)劃(2016—2020年)》，2015年國土資源部評價全國頁巖氣技術(shù)可采資源量21.8×1012m3，其中海陸過渡相5.1×1012m3。華北地區(qū)C—P海陸過渡相富有機質(zhì)泥頁巖分布面積達15×104km2，以煤系頁巖氣為主要類型，具備良好的聚集成藏潛力，逐步受到重視。2014年，河南豫礦地質(zhì)勘查投資有限公司在我國南華北盆地實施鉆探首口海陸過渡相頁巖氣井——牟頁1井，明確了頁巖氣主要目的層為石炭-二疊系太原組、山西組和下石盒子組含煤巖系，獲得日產(chǎn)1 256 m3的穩(wěn)定氣流[4-6]，這是國內(nèi)首次取得的海陸過渡相頁巖氣勘查的重大發(fā)現(xiàn)。海陸過渡相的煤系頁巖氣為煤層、泥頁巖與致密砂巖疊置成藏，其成藏條件和開采過程更為復雜，與海相、陸相頁巖氣存在較大差異，因此對其基礎(chǔ)研究及勘探開發(fā)工作尚待深入推進[7-11]。

鄂爾多斯盆地是我國重要的煤炭資源戰(zhàn)略基地，盆地西緣本溪組泥頁巖有機質(zhì)豐度高，有效泥頁巖最厚處位于銀川東南地區(qū)附近，厚度大于40m[12]；盆地北部太原組發(fā)育泥頁巖層段，平均泥地比大于40%，TOC含量位于2.0%～2.5%[13]，有機質(zhì)成熟度適中，具有較強的生烴能力；盆地東緣山西組TOC含量較高，山西組上段平均5.28%，山西組下段平均3.02%，Ro平均1.89%，生氣條件優(yōu)越[14]。鄂爾多斯盆地煤系頁巖氣潛力不容忽視，是我國頁巖氣的戰(zhàn)略準備區(qū)[15]。然而，前人對鄂爾多斯盆地頁巖氣的研究多集中于盆地東緣和南北部，對盆地西緣的研究較少，且對整個盆地的石炭-二疊系頁巖氣的勘探潛力區(qū)篩選尚未進行系統(tǒng)研究。因此，本文以鄂爾多斯盆地石炭-二疊紀煤系為研究對象，分析泥頁巖的分布、埋深、地化、礦物、孔滲特征，為海陸過渡相頁巖氣的勘探開發(fā)提供一定科學依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

鄂爾多斯盆地位于華北陸塊西部，受印支運動和燕山運動的影響，盆地東部邊界退至呂梁山以西。晚侏羅世到早白堊世，呂梁山隆起之后，盆地開始獨立發(fā)展，其主體部位與晚古生代克拉通盆地繼承性發(fā)育，具有穩(wěn)定的基底，僅在盆緣發(fā)育斷裂和褶皺，因此被稱為殘延內(nèi)克拉通盆地[16-18]。鄂爾多斯盆地內(nèi)部構(gòu)造簡單、地層平緩、活動微弱，主要表現(xiàn)為隆起、拗陷、寬緩褶皺等構(gòu)造形式，而盆地邊緣表現(xiàn)為斷裂、褶皺密集發(fā)育，巖漿活動發(fā)育，活動性較強，為活動的褶皺山系和地塹系，總體構(gòu)成穩(wěn)定地塊被活動構(gòu)造帶所環(huán)繞的構(gòu)造格局(圖1)。

區(qū)域構(gòu)造格局控制了盆地泥頁巖沉積環(huán)境和沉積分布情況，進一步控制著頁巖氣生成、形成、富集及分布，尤其影響著頁巖氣形成母質(zhì)類型和保存條件。整體上，鄂爾多斯盆地晚古生代沉積時期，受控于華北地臺，區(qū)域構(gòu)造特征相對穩(wěn)定、斷裂系統(tǒng)不發(fā)育、保存條件較好，沉積環(huán)境以海陸過渡相沉積為主。晚石炭世，盆地由海相逐漸過渡為海陸過渡相，包括沼澤相、三角洲相、障壁島相、潟湖相、潮坪相和河口灣相，沉積了本溪組、太原組和山西組煤系富有機質(zhì)泥頁巖。

圖1 鄂爾多斯盆地構(gòu)造簡圖Figure 1 Tectonic sketch of Ordos Basin

2 研究方法

本文在鄂爾多斯盆緣桌子山、賀蘭山、準格爾、河東和渭北5個煤田中，選取了11 個鉆孔共337個暗色煤系泥頁巖樣品，進行了地化特征和儲層特征測試。

依據(jù)《沉積巖中總有機碳的測定》(GB/T19145—2003)中的測定標準，利用CS230型碳硫分析儀，進行了TOC含量測試，分析了有機質(zhì)含量。依據(jù)《巖石熱解分析》(GB/T18602—2012)中的測試標準，利用OGE-VI巖石熱解儀進行巖石熱解實驗測試，獲得了熱解峰溫Tmax、氫指數(shù)HI等一系列熱解參數(shù)，分析了有機質(zhì)類型。利用巖石熱解實驗獲得的Tmax值，通過Jarvie等(2001)確定的公式計算：

Ro= 0.018×Tmax-7.16

(1)

式中：Ro為鏡質(zhì)體反射率，%；Tmax為熱解峰溫，℃。 (當S2<0.2mg/g時，Tmax不可靠)，估算了研究區(qū)富有機質(zhì)頁巖的鏡質(zhì)體反射率Ro值，分析了有機質(zhì)成熟度。

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)，利用日本理學TTRIII 多功能X射線衍射儀，分析了儲層礦物成分。通過常規(guī)壓汞測試、高壓壓汞測試等測試，分析了儲層孔隙度和滲透率。借助氬離子拋光-掃描電鏡技術(shù)，對鄂爾多斯煤系頁巖微觀儲集空間進行觀察，分析了頁巖儲層孔縫特征。

綜合鄂爾多斯盆地地質(zhì)背景、泥頁巖發(fā)育特征、有機地化及儲層物性數(shù)據(jù)分析，研究鄂爾多斯盆地石炭-二疊紀海陸過渡相頁巖氣的成藏條件及勘探潛力。

3 泥頁巖地層特征

鄂爾多斯盆地本溪組以障壁島-潮坪-潟湖沉積體系為主，主要為灰黑色—灰色泥巖與粉砂巖、細砂巖，不穩(wěn)定的薄煤層或煤線互層，泥頁巖厚度5～100m，平均厚度30m，埋深一般在1 000～3 500 m。太原組在盆地北部為辮狀河至三角洲相帶，南部廣大區(qū)域為潟湖—潮坪—障壁島，東部為淺海陸棚碳酸鹽巖沉積體系[18-21]，主要為暗色泥頁巖與薄層粉砂巖、細砂巖、碳酸巖及煤層互層，泥頁巖厚度5～100m，平均厚度40m。山西組以三角洲碎屑巖沉積和潮坪沉積為主[18-20]，全區(qū)分布，主要為暗色泥頁巖與薄層粉砂巖、細砂巖及煤層互層，泥頁巖厚度10～170m，平均厚度60m(表1)。

表1 鄂爾多斯盆地煤系泥頁巖地層特征Table 1 Coal measures argillutite stratigraphic features in Ordos Basin

4 地球化學特征

4.1 有機質(zhì)豐度

有機質(zhì)豐度代表巖石中有機質(zhì)的相對含量，衡量和評價巖石生烴潛力，可用TOC含量來表達。TOC含量0.5%是泥頁巖產(chǎn)氣的下限，而較為有利的產(chǎn)氣頁巖TOC含量應大于2%[22]。煤系泥頁巖在垂向上與砂巖和煤層互層，有機質(zhì)豐度較高，烴源巖TOC含量大于3.0%為較好的烴源巖，1.5%～3.0%為中等烴源巖，0.75～1.5%為較差烴源巖。

鄂爾多斯盆地石炭-二疊紀海陸過渡相暗色泥頁巖TOC含量普遍較高，大部分地區(qū)大于2%，煤層附近的炭質(zhì)泥巖最高可達28%，尤其是河東煤田和準格爾煤田，TOC含量甚至大于3%(表2)。這是由于鄂爾多斯盆地海陸過渡相暗色泥巖在垂向上與薄煤層、粉砂巖、細砂巖頻繁互層，巖性變化快，TOC含量不穩(wěn)定，旋回性明顯，平均值較高。海陸過渡相煤系泥頁巖有機質(zhì)豐度往往高于海相頁巖，其豐富的有機質(zhì)在一定程度彌補了生烴潛力相對較低的不足。頁巖氣開發(fā)的實踐表明，TOC含量與頁巖含氣量為正相關(guān)關(guān)系，TOC含量越大，其容納及吸附能力就越強。因此，鄂爾多斯盆地海陸過渡相煤系泥頁巖的高TOC含量決定了其較高的頁巖氣聚集能力。

表2 鄂爾多斯盆地海陸過渡相暗色泥頁巖TOC含量Table 2 TOC content percentages of marine-terrestrialtransitional facies dark argillutite in Ordos Basin %

4.2 有機質(zhì)類型

本次研究采用巖石熱解方法進行有機質(zhì)類型的判斷。巖石熱解參數(shù)S1+S2> 20為I型，6～20為II1型，2～6為II2型，< 2為Ⅲ型；TYC> 20為I型，10～20為II1型，5～10為II2型，< 5為Ⅲ型[23-25]。

據(jù)巖石熱解實驗，從生烴潛量S1+S2以及熱解類型指數(shù)TYC均值，鄂爾多斯盆地石炭-二疊系暗色泥頁巖干酪根類型以Ⅲ型為主，僅在河東煤田和準格爾煤田有少量Ⅰ型和Ⅱ型(表3)。這是由于鄂爾多斯盆地海陸過渡相煤系泥頁巖多形成于水動力條件相對較強的淺水環(huán)境，有機質(zhì)主要來源于陸生高等植物，以及藻類等低等植物或水生動物。煤系泥頁巖的Ⅲ型干酪根與海相頁巖Ⅰ、Ⅱ型干酪根生烴模式不同，它沒有明顯的生氣高峰，而是緩慢、連續(xù)、長期的生成氣態(tài)烴。煤系頁巖氣比海相頁巖氣更早地進入富集頁巖氣窗，隨著有機質(zhì)演化程度越來越高，生氣量越來越大，頁巖氣富集窗范圍顯然更大。并且，Ⅲ型干酪根生烴后形成的孔隙為頁巖氣提供了有效的儲集空間，不會出現(xiàn)Ⅰ、Ⅱ型干酪根液態(tài)烴類堵塞孔喉，阻礙氣態(tài)烴類運移的不利情況。

表3 鄂爾多斯盆地海陸過渡相暗色泥頁巖干酪根類型Table 3 Kerogentypes of marine-terrestrial transitionalfacies dark argillutite in Ordos Basin

4.3 有機質(zhì)成熟度

成熟度控制有機質(zhì)生烴、有機質(zhì)孔隙發(fā)育和甲烷穩(wěn)定性，隨著成熟度增加，頁巖氣生成量增加，頁巖微孔隙增多，吸附能力增強，頁巖含氣量相應增加。鏡質(zhì)組反射率Ro可作為有機質(zhì)成熟度的指標，當Ro<0.5%時，干酪根處于未成熟階段；當0.5%2.0%時，為干氣帶，過成熟階段。

鄂爾多斯盆地石炭-二疊紀暗色泥頁巖有機質(zhì)成熟度平均1.35%，一般在1.0%～1.5%，處于成熟—高成熟階段，僅賀蘭山煤田為2.97%～3.48%，為過成熟階段(表4)。這是由于鄂爾多斯盆地石炭二疊紀泥頁巖埋深較淺，地層壓力較小，熱演化程度較低，但賀蘭山地區(qū)由于巖漿熱事件的疊加影響，熱演化程度過高。泥頁巖的吸附能力也受有機質(zhì)成熟度的影響，隨著熱演化程度的不斷加深，大量生成的烴類物質(zhì)會產(chǎn)生地層壓力，使吸附氣含量不斷增大。但當泥頁巖有機質(zhì)成熟度加深到一定程度后，會導致有機質(zhì)生烴衰竭，而且?guī)r層中有機碳會呈現(xiàn)石墨化趨勢。因此，適中的熱演化程度是頁巖氣成藏的必要條件。

表4 鄂爾多斯盆地海陸過渡相暗色泥頁巖有機質(zhì)成熟度RoTable 4 Organic matter maturity (Ro) percentages ofmarine-terrestrial transitional facies dark argillutite in Ordos Basin %

5 儲層特征

5.1 礦物組成

脆性礦物含量是評價頁巖可改造性的重要指標，是影響頁巖基質(zhì)孔隙和微裂縫發(fā)育程度、含氣性及壓裂改造方式等的重要因素。脆性礦物含量越高，越有利于儲層壓裂，泥頁巖中脆性礦物含量可分為三個等級：40%～50%，為高等含量；30%～40%，為中等含量；<30%，為低含量。

鄂爾多斯盆地太原組泥頁巖石英含量在盆地東緣和盆地南部分別為45.2%和46.0%，山西組泥頁巖石英含量在盆地北部和盆地南部分別為44.0%和41.4%，脆性礦物含量達40%以上，為高等含量，易于泥頁巖后期的壓裂開發(fā)(表5)。盆地西緣脆性礦物含量普遍較低。

與海相頁巖相比，鄂爾多斯盆地海陸過渡相泥頁巖黏土礦物較為富集，而脆性礦物較為貧乏。鄂爾多斯盆地海陸過渡相泥頁巖黏土礦物集中于 50%～65% ，且黏土礦物中伊蒙混層和高嶺石水敏礦物含量較高。這是由于海陸過渡環(huán)境的近岸酸性介質(zhì)有利于高嶺石的形成和保存，海相環(huán)境或者遠岸環(huán)境介質(zhì)偏堿性，有利于蒙脫石和伊利石形成和保存。

表5 鄂爾多斯盆地海陸過渡相泥頁巖礦物組成及含量均值Table 5 Mineral components and content averages of marine-terrestrial transitional facies argillutite in Ordos Basin %

5.2 孔隙度和滲透率

孔隙度和滲透率是判斷頁巖氣成藏的重要參數(shù)，泥巖一般低孔隙度、特低滲透率，在斷裂帶、裂縫較發(fā)育的地區(qū)，泥頁巖孔、滲條件有一定程度的提高。一般情況下，泥頁巖的孔隙度在2%～12%，滲透率不超過0.1mD，實際開發(fā)過程中需利用壓裂技術(shù)來改造儲層，提高頁巖氣的產(chǎn)量。

鄂爾多斯盆地石炭-二疊紀泥頁巖孔隙度在1.07%～10.08%，屬于低孔隙度；滲透率除了在河東煤田本溪組和渭北煤田太原組大于0.1mD之外，其它地區(qū)均屬于低滲透率(表6)。

與海相頁巖相比，鄂爾多斯盆地海陸過渡相泥頁巖屬低孔、低滲，對其開采需依賴有效的人工壓裂措施。

表6 鄂爾多斯盆地海陸過渡相煤系泥頁巖孔隙度-滲透率Table 6 Porosities-permeabilities of marine-terrestrial transitional facies coal measures argillutite in Ordos Basin

5.3 孔縫特征

微孔隙和裂縫既為頁巖氣提供聚集空間，也為頁巖氣產(chǎn)出提供運移通道。頁巖氣產(chǎn)量與頁巖內(nèi)部微孔隙和裂縫發(fā)育程度有關(guān)，說明微孔隙和裂縫的存在極大地改善了頁巖的滲流能力。因此，頁巖氣勘探目標應選擁有較高滲透能力或具備可改造條件的泥頁巖微孔隙和裂縫發(fā)育帶。

鄂爾多斯盆地石炭-二疊紀海陸過渡相泥頁巖孔縫類型初步劃分為有機孔、無機孔和微裂縫三大類。其中，無機孔分為層間孔、粒間孔、粒內(nèi)孔和晶間孔；微裂縫分為溶蝕縫和成巖縫[30]。海陸過渡相泥頁巖發(fā)育微孔隙和微裂縫的主要地質(zhì)因素包括沉積作用、成巖作用、有機質(zhì)變質(zhì)作用、溶蝕作用以及構(gòu)造應力作用等。微孔隙和微裂縫為煤系泥頁巖氣提供了良好的儲集空間和滲流、運移通道，有利于煤系泥頁巖氣的成藏，同時也為煤系泥頁巖氣的壓裂開采提供了有利條件。

與海相頁巖相比，鄂爾多斯盆地海陸過渡相煤系泥頁巖的埋深更小，壓實相對較弱，物源多樣性強，孔隙類型和孔隙形態(tài)更為豐富。煤系泥頁巖孔隙多為大小不一的粒間孔，由有機質(zhì)與其中的黏土顆粒直接接觸或黏土收縮而形成，常呈狹縫狀。煤系泥頁巖的微裂縫總體走向近似水平，局部延伸方向在一定程度上受控于石英碎屑顆粒和有機質(zhì)顆粒的形狀，特別是在石英等剛性顆粒棱角支撐下，微裂縫易發(fā)生明顯彎曲。透射光下，大多數(shù)微裂縫平行于層理方向延伸，在缺乏層理結(jié)構(gòu)的泥頁巖中依然如此。

6 海陸過渡相煤系泥頁巖獨特性

鄂爾多斯盆地石炭-二疊紀煤系泥頁巖與海相頁巖相比，在成藏方面存在一定相似之處，但也存在一定的獨特性，主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

6.1 沉積相類型多、更替速度快

鄂爾多斯盆地石炭-二疊紀泥頁巖在沼澤相、三角洲相、障壁島相、潟湖相、潮坪相和河口灣相等海陸過渡相中皆有分布，單井剖面上對應的沉積相類型較多，且變化頻率較高。沉積環(huán)境的改變，使煤系出現(xiàn)不同的沉積組合特征，對煤系頁巖氣的聚集產(chǎn)生多方面的影響。

6.2 巖性多旋回發(fā)育、與薄煤層互層、有機質(zhì)豐度高

鄂爾多斯盆地石炭-二疊紀泥頁巖巖性多樣，砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖和泥巖交替發(fā)育，部分地區(qū)還發(fā)育碳酸鹽巖。沉積環(huán)境的快速更替造成巖性的快速變化，與薄煤層的多旋回互層，導致海陸過渡相泥頁巖TOC含量普遍較高。較高的 TOC 值使煤系泥頁巖的吸附能力顯著增強。

6.3 有機質(zhì)來源主要為高等植物

與海相和湖相泥頁巖不同，海陸過渡相泥頁巖中有機質(zhì)主要來源于陸地高等植物，干酪根顯微組分以鏡質(zhì)組及惰質(zhì)組中的絲質(zhì)體為主，有機質(zhì)類型以Ⅲ型為主。Ⅲ型干酪根在有機質(zhì)成熟度較低時便開始生氣，因此海陸過渡相頁巖含氣量較高。

6.4 熱演化程度適中，以生氣為主

鄂爾多斯盆地石炭-二疊紀泥頁巖的有機質(zhì)成熟度變化不大，集中在1.0%～1.5%，處于成熟—高成熟演化階段。煤系頁巖氣比海相頁巖氣更早進入富集頁巖氣窗，隨著有機質(zhì)演化程度的提高，不斷有氣體生成，其富集窗范圍更大。

6.5 富黏土礦物、貧脆性礦物

鄂爾多斯盆地石炭-二疊紀泥頁巖中黏土礦物含量較高，集中于50%～65% ，煤系黏土礦物的大量存在提高了其對頁巖氣的吸附能力。同時，黏土顆粒多與有機質(zhì)形成大小不一的粒間孔，為煤系頁巖氣提供了良好的儲集空間。部分地區(qū)脆性礦物含量超過40%，利于頁巖的成功壓裂。

6.6 多種天然氣藏同時發(fā)育

鄂爾多斯盆地石炭-二疊紀沉積環(huán)境變化快、巖性多樣，致使以煤層、泥頁巖為源巖的多種天然氣同時發(fā)育，烴源巖與儲集層空間距離相對較小，一般為同層或互層，具有煤層氣、煤系頁巖氣、煤系致密砂巖氣和常規(guī)儲層氣連續(xù)過渡序列[7，31-32]。

7 勘探潛力分析

鄂爾多斯盆地石炭-二疊系頁巖氣藏最有勘探潛力的區(qū)域位于盆地東部河東煤田山西組和太原組、盆地南部渭北煤田太原組，以及盆地西部桌子山煤田和北部準格爾煤田本溪組(圖2)。

7.1 本溪組勘探潛力區(qū)

本溪組盆地沉積面貌由西向東以潮坪-潟湖-障壁島-淺水陸棚環(huán)境為特征。泥巖厚度較大的區(qū)域主要位于天環(huán)凹陷西北部、陜北斜坡帶烏審旗以東、靖邊以東及志丹以東地區(qū)，泥巖厚度一般大于30m。最厚處位于中央隆起帶以西的銀川東南地區(qū)附近，厚度大于40m。桌子山煤田TOC均值為3.0%，Ⅲ型干酪根，Ro均值為1.0%，處于成熟階段。準格爾煤田TOC均值為4.0%，Ⅲ型干酪根，Ro均值為1.1%，處于成熟階段，是有利的頁巖氣勘探潛力區(qū)。

圖2 鄂爾多斯盆地石炭-二疊紀海陸過渡相頁巖氣有利區(qū)Figure 2 Shale gas favorable areas in Ordos Basin Permo-Carboniferous marine-terrestrial transitional facies argillutite

7.2 太原組勘探潛力區(qū)

河東煤田TOC含量均值為5.79%，局部區(qū)域TOC高達10%以上，I型干酪根，Ro均值為1.58%，處于高成熟階段。石英含量均值為44.1%，孔隙度均值1.99%，滲透率均值0.044mD。渭北石炭-二疊紀煤田TOC含量均值為3.82%，局部區(qū)域TOC高達6.0%以上，Ⅲ型干酪根，Ro均值為1.02%，處于成熟階段。石英含量均值47.8%，孔隙度均值4.8%，滲透率均值0.133mD，是有利的頁巖氣勘探潛力區(qū)。

7.3 山西組勘探潛力區(qū)

河東煤田TOC含量均值為4.6%，局部區(qū)域TOC含量高達5.9%，Ⅲ型干酪根，Ro均值為1.69%，處于高成熟階段。石英含量均值37.9%，孔隙度均值1.00%，滲透率均值0.007mD，是有利的頁巖氣勘探潛力區(qū)。

8 結(jié)論

1)鄂爾多斯盆地石炭-二疊紀煤系頁巖平均厚度30～60m，埋深1 000～3 500m；TOC含量1.0%～6.8%，有機質(zhì)成熟度0.54%～2.97%，干酪根類型以Ⅲ型為主；石英含量4.0%～67.5%，孔隙度在1.07%～10.08%，滲透率0.001～0.452mD，具備良好的頁巖氣成藏條件。

2)與海相頁巖相比，鄂爾多斯盆地海陸過渡相泥頁巖存在一定的獨特性，即沉積相類型多、更替快速，巖性多旋回發(fā)育、與薄煤層互層、有機質(zhì)豐度含量高，有機質(zhì)來源主要為高等植物，熱演化程度適中，以生氣為主，礦物組成富黏土礦物、貧脆性礦物，多種天然氣藏同時發(fā)育。

3)頁巖氣勘探潛力區(qū)位于盆地東部河東煤田山西組和太原組、盆地南部渭北煤田太原組，以及盆地西部桌子山煤田和北部準格爾煤田本溪組。