高兵艷，彭文泉，張春池，胡彩萍，王會韜

(1.山東省第一地質礦產勘查院，山東 濟南 250110；2.山東省富鐵礦勘查技術開發(fā)工程實驗室，山東 濟南 250110；3.山東省地質調查院，山東 濟南 250014；4.臨朐縣自然資源和規(guī)劃局，山東 臨朐 262600)

0 引言

近年來，化石燃料價格不斷攀升，我國天然氣、石油進口占比逐年增長，對外依存程度不斷增加[1-2]，頁巖氣資源作為天然氣的有效補充，其勘查開發(fā)的重要性不斷顯現。2010年以來，山東省針對頁巖氣的專項勘查研究工作陸續(xù)實施，至今累計投入勘查資金超過1億元。魯西南含煤區(qū)作為山東省石炭-二疊系大面積分布區(qū)[3-4]，查明魯西南含煤區(qū)泥頁巖地質特征、有機地化特征、儲集物性特征、含氣性特征等尤為重要。

本文通過研究魯西南含煤區(qū)泥頁巖發(fā)育特征，有機碳含量、生烴潛量、氯仿瀝青“A”、干酪根類型、鏡質體反射率等有機地化特征，脆性礦成分、黏土礦物成分、微孔隙、巖石密度、孔隙度、滲透率等儲層物性特征及含氣性特征等，綜合分析海陸交互相沉積巖(山西組、太原組泥頁巖)頁巖氣生儲特征，為該區(qū)頁巖氣進一步勘查評價提供借鑒。

1 地質背景

魯西南含煤區(qū)位于魯西隆起區(qū)的西南部，西以聊考斷裂為界，東側以嶧山斷裂為界，北部主要以汶泗斷裂、巨野斷裂與省界圈閉，南側至省界(圖1)。

1.1 地層

魯西南含煤區(qū)地層發(fā)育較全，自新太古界至新生界均有發(fā)育，自下而上主要為：新太古代泰山巖群、古生代寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系、侏羅系、古近系、新近系和第四系。

1—(潛)凹陷；2—(潛)凸起；3—頁巖氣參數井位置及名稱；4—斷裂；5—省界；6—凹陷/凸起界線；7—魯西南含煤區(qū)范圍圖1 魯西南含煤區(qū)位置及構造示意圖

寒武系主要為濱海—近海岸沉積[5]，巖性由灰?guī)r、泥質灰?guī)r、鮞狀灰?guī)r、竹葉狀灰?guī)r及紫色、黃色頁巖所組成。

奧陶系屬開闊臺地相至潮坪瀉湖相交替沉積，巖性由厚層石灰?guī)r、豹皮狀灰?guī)r及白云質灰?guī)r組成。

石炭系屬海陸交互相沉積，巖性由暗色泥巖、粉砂巖、泥巖、頁巖、灰?guī)r和煤層，其暗色泥頁巖中富含有機質，為頁巖氣有利生儲層位。

二疊系下部屬海陸交互相沉積，巖性為砂巖、暗色泥巖、頁巖夾灰?guī)r、煤層，暗色泥頁巖中富含有機質，為頁巖氣有利生儲層位。上部轉變?yōu)殛懞?、河流相沉積，巖性由砂巖、粉砂巖、泥巖為主。

侏羅系屬陸相沉積，巖性為紫褐色泥巖、砂質泥巖和紫紅色砂礫巖等互層。

古近系屬陸相沉積，巖性為綠灰、灰—深灰色粉砂質泥巖、泥巖夾泥灰?guī)r、灰?guī)r等。

新近系屬陸相沉積，巖性由土黃、棕紅色泥巖、砂質泥巖與灰白色砂巖組成。

第四系屬陸相沉積，巖性為黃褐、棕黃色粘土質砂、砂質黏土，夾粉、細砂及中砂薄層。

1.2 構造

魯西南含煤區(qū)整體呈現為凸起與凹陷相間的構造格局[6-7]，近EW向和近SN向斷裂將該區(qū)切割成“格子”狀，規(guī)模較大的斷裂多成為凸起與凹陷的邊界斷裂，其中聊考斷裂、泗水斷裂、嶧山斷裂和巨野斷裂的一部分圈圍形成了魯西南含煤區(qū)。

1.3 巖漿巖

魯西南含煤區(qū)巖漿巖零星分布，從基性—中性—酸性巖均有發(fā)育[8]，其中以中酸性為主，形成時代主要為新太古代和中生代，中生代巖漿巖呈巖株、巖枝、巖脈狀產出，部分煤層鉆孔亦有揭露。

1.4 沉積背景

華北地臺在奧陶紀接受了巨厚的海相碳酸鹽巖沉積之后，加里東運動使得華北板塊整體抬升，遭受剝蝕，造成大面積缺失了上奧陶統、志留系、泥盆系及下石炭統，推測沉積間斷在1.5億年左右。海西初期，受區(qū)域運動的影響，華北板塊整體沉降，逐步演化為大型陸表海盆地，海西運動在早二疊世末期開始表現得極其強烈，在華北基本上結束了長期的古生代海侵歷史，海水開始向南退出，演化為近海內陸盆地，陸相及過渡相沉積范圍擴展，而海相沉積萎縮。晚石炭紀與早二疊紀沉積時，表現為多期海侵，沉積了一套海陸交互相-陸相含煤巖系，巖性以暗色泥巖、粉砂巖、細砂巖及灰?guī)r、煤層為主，為頁巖氣形成的有利層位。

2 泥頁巖發(fā)育特征

2.1 厚度發(fā)育特征

石炭-二疊紀富有機質泥頁巖主要發(fā)育在山西組和太原組[9-11]。山西組上部以砂巖為主，下部以暗色泥頁巖為主，山西組厚度整體顯示北東厚、南西薄的特點，巖性上泥巖比例存在自北東向南西增厚之勢。太原組以暗色泥頁巖、灰?guī)r、煤層為主，暗色泥頁巖發(fā)育，是富有機質泥頁巖的主要賦存層位之一，太原組沉積厚度存在由北而南逐漸增厚的趨勢。山西組和太原組在魯西南含煤區(qū)暗色泥頁巖累計厚度可達100～200m，在濟寧—魚臺及成武—單縣一帶為暗色泥頁巖最為發(fā)育的地區(qū)。

2.2 泥頁巖埋藏特征

魯西南含煤區(qū)暗色泥頁巖埋深受構造控制變化較大，一般為100～5000m，形成成武、魚臺2個埋藏較深的凹陷帶，埋深均在2000m以上，巨野縣西部、寧陽—汶上一帶及其東部埋深為600～1000m，寧陽—汶上一帶向南部、兗州西南部埋深逐漸變淺，深度多小于600m。

3 有機地化特征

3.1 有機質豐度特征

有機質豐度是有機地化評價的重要指標[12-13]，依據黃第藩等含煤地層烴源巖有機質豐度評價標準(表1)，選取有機碳含量、氯仿瀝青“A”、生烴潛量等評價參數對魯西南含煤區(qū)泥頁巖進行烴源巖評價。

表1 含煤地層烴源巖有機質豐度評價標準

3.1.1 有機碳含量

泥頁巖中有機質的含量、質量與演化過程對烴類的形成量與儲存量存在直接決定作用，有機碳含量也是評價泥頁巖生氣潛力的關鍵參數[14]。

魯西南含煤區(qū)共施工3口頁巖氣參數井，分別為YYC1井、LYC1井和CYC1井，鉆孔揭露石炭-二疊紀太原組暗色泥頁巖最為發(fā)育，二疊紀山西組暗色泥巖發(fā)育厚度相對較薄，層數小于太原組，且主要集中發(fā)育在煤3以下，各井獲取的樣品相對較少，太原組樣品數量多，統計對比代表性較強。

YYC1井采集泥頁巖樣品159件，來自石盒子群5件、山西組14件、太原組140件。石盒子群5件樣品中僅1件有機碳含量達到好烴源巖，其余4件有機碳含量均小于0.6%，為非烴源巖，顯示石盒子群泥頁巖有機碳含量較低，以非烴源巖為主。山西組14件樣品中有機碳含量為好烴源巖和差烴源巖各4件，各占28.57%，中等烴源巖6件，占42.86%，顯示山西組泥頁巖以中等烴源巖為主。太原組140件泥頁巖樣品，極好烴源巖7件，占5.00%，好烴源巖21件，占15.00%，中等烴源巖68件，占48.57%，差烴源巖34件，占24.29%，顯示太原組以中等烴源巖為主。從YYC1井泥頁巖有機碳含量評價來看，太原組好于山西組，更好于石盒子群。

CYC1井采集泥頁巖樣品16件，樣品數量相對較少，其中石盒子群2件泥頁巖樣品均為非烴源巖，山西組3件，1件達到好烴源巖，2件為非烴源巖；太原組11件泥頁巖樣品中2件為極好烴源巖，4件為中等烴源巖、1件為差烴源巖，4件為非烴源巖。

LYC1井采集泥頁巖樣品34件，其中石盒子群8件，4件為差烴源巖，4件為非烴源巖；山西組5件，1件為極好烴源巖，2件為好烴源巖，2件為中等烴源巖；太原組21件，5件為好烴源巖，占23.81%，8件為中等烴源巖，占38.10%，7件為差烴源巖，占33.33%。

3口參數井揭露石盒子群泥頁巖中僅33.33%的樣品達到烴源巖標準，大部分為非烴源巖，且泥頁巖發(fā)育厚度有限，達不到頁巖氣評價要求。山西組和太原組泥頁巖有機碳含量一般為0.7%～3.5%，平均為2.80%，山西組和太原組達到烴源巖標準的樣品分別占90.91%和91.28%，中等及以上烴源巖占比中YYC1井和LYC1井要遠好于CYC1井，這可能與CYC1井取樣位置和數量有一定關系?？傮w來看，太原組、山西組泥頁巖均以中等烴源巖為主(圖2)，泥頁巖有機碳含量滿足生氣條件。

3.1.2 生烴潛量

生烴潛量為泥頁巖中單位體積或單位重量有機質在自然地質條件下能夠生成烴類物質的最大量。它是評價有機質豐度的重要指標之一，用S1+S2表示。S1為殘留烴，是巖石中已由有機質生成但尚未排出的殘留烴(或稱之為游離烴)；S2為裂解烴，是巖石中未生烴有機質所能夠生成的烴量[15]。

1—石盒子群；2—山西組；3—太原組圖2 石炭-二疊紀泥巖有機碳含量范圍分布圖

魯西南含煤區(qū)YYC1井197件巖石熱解樣品中，S1+S2值在0.5～6.0mg/g之間的樣品數占68.02%，其中石盒子群4件樣品中3件為非烴源巖，山西組差和中等烴源巖占77.78%，太原組差和中等烴源巖占68.48%(表2)，從生烴潛量評價山西組和太原組以差和中等烴源巖為主。

表2 魯西南含煤區(qū)YYC1井泥頁巖生烴潛量統計表

3.1.3 氯仿瀝青“A”

氯仿瀝青“A”是評價烴源巖的另一個基本指標。一般來說有機質隨變質程度的不斷增高，氯仿瀝青“A”含量有從低變高再變低的趨勢。僅LYC1井分析了少量樣品，按氯仿瀝青“A”評價顯示LYC1井以好烴源巖為主(圖3)。

圖3 LYC1井氯仿瀝青“A”分布范圍圖

3.2 酪根類型

干酪根類型是烴源巖質量的主要標志，不同類型的干酪根具有不同的生烴潛力[16-18]，分析干酪根類型對評價有機質的生烴潛力具有重要意義。通常采用三類四分法劃分干酪根類型，YYC1井山西組和太原組66件樣品中Ⅲ型干酪根33件、Ⅱ2和Ⅱ1型干酪根分別為29件和3件，Ⅰ型干酪根僅1件。CYC1井28件樣品中Ⅲ型干酪根14件、為Ⅱ2和Ⅱ1型干酪根分別為4件和10件，無Ⅰ型干酪根存在。說明魯西南含煤區(qū)山西組和太原組機質類型以Ⅲ型干酪根為主，占50%，其次為Ⅱ2和Ⅱ1型干酪根，分別占35.11%和13.83%，極少出現I型干酪根。

3.3 鏡質體反射率

鏡質組反射率(Ro)是反映有機質演化程度或成熟度的最常用指標，CYC1井鏡質體反射率在0.90%～1.22%之間，樣品深度為1694～1991m，且鏡質體反射率隨深度而增加的趨勢明顯。YYC1井鏡質體反射率在0.53%～2.80%之間，樣品深度為1958～2212m，鏡質體反射率值變化較大，鏡質體反射率整體亦存在隨深度增加而增高的趨勢(圖4)。

1—CYC1井數據；2—YYC1井數據圖4 魯西南含煤區(qū)鏡質體反射率與深度關系圖

根據《頁巖氣資源儲量計算與評價技術規(guī)范》(DZ/T 0254—2014)對演化程度分類：小于1.3%為低，1.3%～2.0%為中，大于2.0%為高，CYC1井有機質演化程度均為低，YYC1井74件樣品中57件演化程度屬低，占77.03%，8件演化程度屬中，占10.81%，9件演化程度屬高，占12.16%。整體來看魯西南含煤區(qū)鏡質體反射率主體在0.7%～2.0%，說明有機質已進入生烴階段。

4 儲層物性特征

頁巖氣為自生自儲的非常規(guī)天然氣，儲層的礦物成分組成、物性、微裂隙發(fā)育程度等對頁巖氣開發(fā)生產具有重要影響，其中脆性礦物含量是影響頁巖氣壓裂及產能的重要因素。

4.1 脆性礦物

頁巖氣產層的改造、壓裂難易程度與脆性礦物含量多少具有直接關系[19-22]，因此脆性礦物含量是儲層評價的重要參數之一。《頁巖氣資源儲量計算與評價技術規(guī)范》(DZ/T 0254—2014)要求頁巖氣儲層脆性礦物不低于30%。

山西組和太原組泥頁巖分析數據顯示，魯西南含煤區(qū)巖石中脆性礦物主要為：石英、長石、碳酸鹽巖、黃鐵礦等。脆性礦物總含量為15.77%～91.39%，大部分在30%～60%，平均為55.70%，巖石中脆性礦物含量分類[23]為高脆性礦物含量。其中石英含量3.48%～74.12%，平均38.57%，長石含量0～29.53%，平均7.83%，碳酸鹽含量0～83.16%，平均4.75%，黃鐵礦含量0～45.00%，平均2.96%。

YYC1井和LYC1井56件樣品中脆性礦物含量小于30%的樣品僅5件，占樣品總數的8.77%，說明魯西南含煤區(qū)泥頁巖從脆性礦物含量分析，有利于壓裂改造。

4.2 黏土礦物

泥頁巖中除有機質吸附甲烷之外，黏土礦物對甲烷也具有吸附作用[14-28]，蒙脫石為黏土礦物中對甲烷的吸附性能最強者。同時黏土礦物對當時的沉積環(huán)境具有較強的敏感性。

魯西南含煤區(qū)YYC1井、LYC1井山西組和太原組巖石中黏土礦物主要為：高嶺石、伊利石/蒙脫石混層、伊利石、綠泥石等。其中，高嶺石占5%～68%，平均30.77%，伊利石/蒙脫石混層占0～81%，平均30.25%，伊利石占0～94%，平均24.82%，另外綠泥石占0～37%，平均12.77%。

魯西南含煤區(qū)黏土礦物中伊利石和高嶺石的含量均較高，蒙脫石檢出值很小或未檢出，說明在古溫壓條件下蒙脫石已轉化為伊利石、高嶺石、綠泥石或伊利石/蒙脫石混層。魯西南含煤區(qū)YYC1井和LYC1井黏土礦物中均含有一定量綠泥石，說明古沉積環(huán)境中含有一定量的Fe2+、Mg2+，并存在酸堿環(huán)境的變化。

4.3 微孔隙發(fā)育特征

通過對LYC1井山西組和太原組泥頁巖巖心進行自然斷面電鏡掃描發(fā)現，泥頁巖中微裂隙發(fā)育，除微裂隙外還發(fā)育礦物間隙、礦物顆粒內部溶蝕孔、泥粒孔、碎屑表面溶蝕孔等。發(fā)育大小從幾納米到幾微米(圖5)，微裂隙的發(fā)育利于游離氣的儲存和運移[29-30]，對后期壓裂改造和提高產能具有重要意義。

圖5 LYC1井(掃描電鏡下)巖石微裂隙發(fā)育特征

4.4 巖石密度

巖石密度與地層所受的溫壓條件密切相關，從YYC1井11件視密度樣品顯示，山西組和太原組泥頁巖視密度值在2.55～2.74m3/t，平均值為2.68m3/t。從視密度值與樣品埋深關系來看，YYC1井泥頁巖巖石視密度值隨深度增加而增大的趨勢明顯(圖6)。

圖6 YYC1井泥頁巖視密度分布圖

4.5 孔隙度、滲透率特征

孔隙度是儲層的一項重要物性參數，一般情況下泥頁巖孔隙、裂隙越發(fā)育，游離氣富集程度越高，同時孔隙度的增加增大了有機質的吸附表面積，利于頁巖氣的吸附[31]。滲透率是判斷頁巖氣藏是否具有開發(fā)經濟價值的重要參數，泥頁巖的基礎滲透率一般都非常低，但隨著裂縫的發(fā)育而會大幅度提高。

山西組泥頁巖孔隙度為0.999%～2.886%，平均1.713%，滲透率為0.140～0.800mD，平均0.3 48mD。太原組泥頁巖孔隙度為1.126%～10.357%，平均3.792%，滲透率為0.200～2.620mD，平均0.510mD；灰?guī)r孔隙度為2.298%～9.410%，平均5.215%，滲透率為0.140～0.490mD，平均0.315mD(表3)。

表3 石炭—二疊系泥頁巖孔隙度與滲透率一覽表

山西組和太原組泥頁巖大部分孔隙度值為1%～5%之間，屬于特低—低頁巖氣層孔隙度，滲透率均小于1mD，屬于特低頁巖氣層空氣滲透率。從山西組和太原組泥頁巖滲透率和孔隙度分析，特低—低頁巖氣層孔隙度和特低頁巖氣層空氣滲透率不利于后期頁巖氣產能的提高。

5 含氣性特征

5.1 現場解析試驗

現場解析試驗是獲取泥頁巖含氣量最直接的方法，也是公認的最接近頁巖實際含氣量的方法[32-34]。通過現場解析試驗獲取魯西南含煤區(qū)泥頁巖、粉砂巖含氣量大部分小于0.5m3/t，少數樣品超過1.0m3/t。煤層含氣量明顯高于泥頁巖含氣量，絕大部分樣品大于1.0m3/t，最大值達9.15m3/t，靠近煤層的泥頁巖、粉砂巖、砂巖含氣量明顯高于遠離煤層的同巖性巖石的含氣量。魯西南含煤區(qū)的CYC1井、YYC1井、LYC1井泥頁巖總含氣量相近一般在0.20～0.50m3/t。

5.2 等溫吸附試驗

等溫吸附試驗是模擬地層溫壓條件下巖石的最大吸附能力，一般是獲取恒定溫度不同壓力下吸附氣量數據，求得蘭格繆爾(langmuir)方程中Langmuir體積VL和Langmuir壓力PL，蘭格繆爾(langmuir)方程為(式1)：

(式1)

V—吸附氣量(m3/t)；VL—Langmuir體積(cm3/g)；PL—Langmuir壓力(MPa)；P—地層實際壓力(MPa)。

依據試驗獲取的Langmuir體積、Langmuir壓力和地層壓力，求得飽和吸附氣量。魯西南含煤區(qū)采集煤巖樣品及LYC1井泥頁巖樣品進行等溫吸附試驗，深度按1000m，地層壓力按正常地壓(壓力系數1.0)計算，結果見表4。

表4 魯西南含煤區(qū)吸附氣量計算表

通過計算可以看出魯西南含煤區(qū)煤的飽和吸附氣量9.02～14.85m3/t，泥頁巖最大吸附氣量遠小于煤層，僅為2.33～2.88m3/t。泥頁巖的最大吸附氣量遠大于解析氣量，說明泥頁巖遠未達到飽和吸附狀態(tài)，具備吸附氣的存儲能力。

6 結論

(1)山西組和太原組是魯西含煤區(qū)海陸交互相沉積地層最為發(fā)育層位，暗色泥頁巖發(fā)育累計厚度100～200m。

(2)山西組和太原組暗色泥頁巖含豐富有機質，有機碳含量為0.6%～3.0%，以中等烴源巖為主，干酪根類型以Ⅲ型為主，鏡質體反射率為0.7%～2.0%，有機質已進入生氣階段，具備頁巖氣生成的物質基礎和演化程度。

(3)山西組和太原組暗色泥頁巖礦物成分中脆性礦物主要在30%～60%之間，脆性礦物以石英、長石為主，巖石微裂隙、微孔隙發(fā)育，礦物成分和微裂隙發(fā)育情況有利于頁巖氣的儲集和儲層的壓裂、改造?？紫抖戎饕?%～5%之間，滲透率小于1mD，孔滲條件不利于后期頁巖氣產能的提高。山西組和太原組暗色泥頁巖解析氣量0.15～0.30m3/t，最大吸附氣量為2.33～2.88m3/t，暗色泥頁巖具備吸附氣的存儲能力。

(4)魯西南含煤區(qū)海陸交互相沉積泥頁巖具備頁巖氣形成的物質基礎、演化程度、儲集空間及壓裂脆性條件，可作為山東省頁巖氣勘查的選擇層位。