武 瑾,肖玉峰,劉 丹,劉 鑫,郭 為，李樹新,高金亮，吝 文

(1.中國石油勘探開發(fā)研究院,北京 100083； 2.國家能源頁巖氣研發(fā)(實(shí)驗(yàn))中心,北京 100083； 3.中國石油長慶油田公司,陜西 西安710000； 4.中國石油煤層氣有限責(zé)任公司,北京 100028)

0 引言

2000年以來,全球頁巖氣產(chǎn)業(yè)持續(xù)快速發(fā)展。中國已在四川盆地實(shí)現(xiàn)海相頁巖氣資源的有效開發(fā),2020年產(chǎn)量為2.00×1010m3[1]。海陸過渡相頁巖廣泛發(fā)育于華北地區(qū)、華南地區(qū)、準(zhǔn)噶爾盆地和塔里木盆地[2],頁巖氣資源量約為1.98×1013m3,占總資源量的25%,是未來頁巖氣勘探的重要領(lǐng)域[3]。近年來，海陸過渡相頁巖氣勘探開發(fā)取得進(jìn)展。鄂爾多斯盆地延安甘泉地區(qū)云頁平3井二疊系山西組頁巖段壓裂測試產(chǎn)量為5.3×104m3/d,云頁平1井組、云頁平6井等測試產(chǎn)量為(2.0～3.0)×104m3/d[4]；大寧—吉縣地區(qū)5口直井山西組頁巖段壓裂測試獲得工業(yè)氣流,產(chǎn)氣量為(0.2～1.0)×104m3/d[3]。南華北盆地中牟區(qū)塊牟頁1井、鄭東頁2井二疊系太原組—山西組直井壓裂分別獲得1 256.0和3 614.0 m3/d穩(wěn)定頁巖氣流[5]。漣源盆地湘頁1井二疊系大隆組直井壓裂測試產(chǎn)量為2 400.0 m3/d[6]。沁水盆地鉆探的SX-306、SY-Y-01、WY-001等3口井二疊系見到良好的頁巖氣顯示[7]。四川盆地川東北地區(qū)明1井二疊系龍?zhí)督M壓裂測試產(chǎn)量為(3.02～3.85)×104m3,川東南地區(qū)東頁深1井龍?zhí)督M巖心測試含氣量為0.56～8.78 m3/t[8]。

鄂爾多斯盆地東緣大寧—吉縣地區(qū)二疊系山西組發(fā)育一套典型的海陸過渡相頁巖,具有良好的勘探開發(fā)前景[3]。相較于海相頁巖,海陸過渡相頁巖沉積受海相與陸相環(huán)境的雙重控制,水動(dòng)力條件變化快,具有有機(jī)質(zhì)來源多樣、礦物種類多樣、巖石類型豐富、垂向疊置關(guān)系復(fù)雜等特征,導(dǎo)致表征頁巖氣儲(chǔ)層特征的參數(shù)存在非均質(zhì)性,制約優(yōu)質(zhì)頁巖層段識別優(yōu)選。中國對海陸過渡相頁巖的研究主要集中在頁巖的基本特征、分布及資源潛力評價(jià)等方面[9-16],頁巖氣儲(chǔ)層系統(tǒng)評價(jià)研究薄弱,圍繞頁巖儲(chǔ)層和孔隙結(jié)構(gòu)非均質(zhì)性開展研究較少,對于有利層段的分布及其控制因素認(rèn)識不足,制約海陸過渡相頁巖氣開發(fā)實(shí)踐的規(guī)?；_展。

以鄂爾多斯盆地東緣大寧—吉縣區(qū)塊山西組頁巖為例,根據(jù)礦物組分、地球化學(xué)參數(shù)、微觀孔隙結(jié)構(gòu)非均質(zhì)特征,分析頁巖氣儲(chǔ)層參數(shù)變化特征,探討儲(chǔ)層非均質(zhì)性及控制因素,為海陸過渡相頁巖氣有利層段優(yōu)選提供指導(dǎo)。

1 地質(zhì)背景

大寧—吉縣區(qū)塊位于鄂爾多斯盆地東緣晉西撓褶帶東南部,東接呂梁山脈,西鄰黃河,北起隰縣,南至鄉(xiāng)寧,面積約為5 784 km2(見圖1(a))[17]。晚古生代,華北地臺(tái)受區(qū)域構(gòu)造、基底斷裂及海平面升降影響,經(jīng)歷巨大的海陸變遷,發(fā)生多次海侵,在石炭—二疊系沉積一套海陸過渡相地層。鄂爾多斯盆地東緣發(fā)育本溪組、太原組、山西組3套頁巖。本溪組、太原組頁巖層段欠發(fā)育,山西組縱向發(fā)育多套頁巖,橫向分布穩(wěn)定,厚度為30～85 m。山西組自下而上可劃分為山2段和山1段,山2段自下而上又可細(xì)分為山23(P1s23)、山22(P1s22)、山21(P1s21)3個(gè)亞段。P1s23頁巖廣泛發(fā)育且分布穩(wěn)定,厚度為20～40 m(見圖1(a)),是大寧—吉縣區(qū)塊海陸過渡相頁巖氣勘探開發(fā)的重點(diǎn)目標(biāo)層位[4,18-19]。

大寧—吉縣區(qū)塊P1s23發(fā)育深灰色/灰黑色頁巖、深灰色/灰黑色粉砂質(zhì)頁巖,夾粉砂巖、細(xì)砂巖、煤層及煤線。綜合分析巖性、沉積構(gòu)造、地球化學(xué)及古生物特征,大寧—吉縣區(qū)塊山西組沉積環(huán)境為濱淺海相與三角洲相共存,P1s23形成于潮控三角洲—潮控河口海灣沉積環(huán)境[20]。潮控三角洲相可分為上三角洲平原、下三角洲平原和潮控三角洲前緣3類亞相；潮控河口海灣相又可分為潮坪、沼澤、障壁島、潟湖、海灣5類亞相[18](見圖1(b))。

2 實(shí)驗(yàn)樣品與方法

2.1 實(shí)驗(yàn)樣品

實(shí)驗(yàn)樣品取自大寧—吉縣區(qū)塊2口典型海陸過渡相頁巖氣取心井——大吉51和大吉3-4井,目的層為山西組山23(P1s23) 亞段。對大吉51井P1s23以20 cm 間隔連續(xù)系統(tǒng)采集巖心樣品183塊,對大吉3-4井P1s23采集代表性巖心樣品60塊,制備5 種規(guī)格的樣品:(1)75～150 μm(100～200 目)粉末樣品243 份,用于TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)測定、X 線衍射全巖礦物定量分析；(2)干酪根濕樣69 份,用于干酪根鏡檢；(3)垂直層理方向切制10 mm×10 mm×2 mm 塊體巖樣26 塊,進(jìn)行氬離子拋光及鍍碳處理,用于場發(fā)射掃描電鏡(FE-SEM)觀察；(4) 150～180 μm(80～100 目)粉末樣品26 份,用于低溫CO2、N2吸附測試；(5)10 mm×10 mm×10 mm 顆粒樣品26 份,用于高壓壓汞分析。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)測試、X線衍射全巖礦物分析在國家能源頁巖氣研發(fā)(實(shí)驗(yàn))中心完成,實(shí)驗(yàn)儀器分別為美國LECCO CS230 碳硫儀和日本理學(xué)TTRⅢ全自動(dòng)X線衍射儀,測試依據(jù)分別為GB/T 19145—2022《沉積巖中總有機(jī)碳測定》和SY/T 5163—2018《沉積巖中黏土礦物和常見非黏土礦物X線衍射分析方法》。干酪根顯微組分、場發(fā)射掃描電鏡(FE-SEM)實(shí)驗(yàn)在四川省科源工程技術(shù)測試中心完成,實(shí)驗(yàn)儀器分別為偏光顯微鏡Axio Scope.A1和ZEISS Sigma300掃描電鏡顯微鏡,測試依據(jù)為SY/T 5162—2014《巖石樣品掃描電子顯微鏡分析方法》。低溫氣體吸附及高壓壓汞實(shí)驗(yàn)在北京理化測試中心完成,實(shí)驗(yàn)儀器分別為美國康塔儀器公司Autosorb-IQ-MP 比表面積及孔徑分布儀和PoreMasterGT60 儀,測試孔徑范圍分別為0.35～200.00 nm和0.36×10-2～1.00×103μm。首先將頁巖樣品研磨至80～1 000目(150～1 800 μm),在70 ℃溫度條件下干燥48 h,在110 ℃溫度條件下抽真空,持續(xù)脫氣12 h,以除去水分及各種揮發(fā)分；然后設(shè)定相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；最后選取計(jì)算模型對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,測試依據(jù)為GB/T 19587—2017《氣體吸附BET法測定固態(tài)物質(zhì)比表面積》。

3 非均質(zhì)性

3.1 礦物與地化參數(shù)

3.1.1 礦物特征

山西組地層具有典型的海陸過渡相煤系地層礦物組成特征,整體上富黏土礦物,硅質(zhì)礦物(石英、長石)含量相對較少,含一定量的碳酸鹽礦物(方解石、白云石、鐵白云石)及少量黃鐵礦和菱鐵礦。將大寧—吉縣區(qū)塊山西組海陸過渡相頁巖與四川盆地N201、JY1、WX2井龍馬溪組海相頁巖及北美Barnett海相頁巖氣儲(chǔ)層礦物組分進(jìn)行三角圖投點(diǎn)對比(見圖2)。由圖2可以看出,P1s23頁巖礦物組分具有更強(qiáng)的非均質(zhì)性,相對于海相頁巖黏土礦物整體上質(zhì)量分?jǐn)?shù)偏多,但也有部分樣品硅質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)或碳酸鹽礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高。

海陸過渡相頁巖氣儲(chǔ)層沉積環(huán)境多變,巖石類型多樣,礦物組分復(fù)雜?？v向上,P1s23頁巖礦物具有強(qiáng)非均質(zhì)性,不同沉積相對應(yīng)頁巖層段礦物組分對比見圖3。

P1s23上段為潮控三角洲相沉積,頁巖礦物組分對比見圖3(a),頁巖黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)高,為44.0%～82.0%(平均為60.0%)；脆性礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)低,為18.0%～56.0%(平均為39.2%),以石英為主,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12.0%～51.0%(平均為34.9%),含少量長石(平均為2.2%)和菱鐵礦(平均為2.4%),不含碳酸鹽礦物和黃鐵礦。

P1s23下段為潮控河口海灣相沉積,由于潮坪、沼澤、障壁島3類亞相頁巖段不發(fā)育,僅討論潟湖、海灣2類亞相,并進(jìn)一步細(xì)分沉積微相。潟湖亞相可分為半封閉潟湖、封閉潟湖微相；海灣亞相可分為咸化海灣、深水海灣微相。潮控河口海灣相頁巖段礦物組分對比見圖3(b),縱向非均質(zhì)性較強(qiáng),不同沉積微相頁巖礦物組分差異較大。整體上,河口海灣相頁巖黏土礦物(平均為48.4%)與脆性礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)(平均為51.6%)相當(dāng),其中石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均為44.5%,部分樣品含大量碳酸鹽礦物,含少量菱鐵礦、黃鐵礦,不含長石。半封閉潟湖、封閉潟湖微相頁巖段礦物組分對比見圖3(c-d)。半封閉潟湖微相頁巖脆性礦物(平均為51.3%)與黏土礦物(平均為48.8%)相當(dāng),脆性礦物以石英為主(平均為42.7%),含少量白云石(平均為2.0%),個(gè)別樣品發(fā)育菱鐵礦結(jié)核,質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過40.0%。封閉潟湖微相頁巖脆性礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)高,為68.0%～80.0%(平均為74.1%),其中石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)為63.0%～73.0%(平均為68.1%),含少量白云石(平均為2.9%)和黃鐵礦(平均為3.1%)。咸化海灣、深水海灣微相頁巖段礦物組分對比見圖3(e-f)。海灣亞相頁巖碳酸鹽礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)開始增多。咸化海灣微相發(fā)育白云質(zhì)頁巖,脆性礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高,為67.0%～70.0%(平均為68.7%),其中石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)為57.0%～52.0%(平均為49.7%),方解石質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.0%～8.0%,白云石質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.0%～9.0%。黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)低,為30.0%～33.0%,平均為31.3%。深水海灣微相發(fā)育灰質(zhì)頁巖,脆性礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為59.0%～70.0%(平均為65.7%),以碳酸鹽礦物為主,方解石質(zhì)量分?jǐn)?shù)為28.0%～39.0%,白云石質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.0%～5.0%,石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)為21.0%～28.0%(平均為24.7%),黏土質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30.0%～41.0%(平均為34.3%)。整體上,封閉潟湖微相頁巖與四川盆地龍馬溪組海相頁巖氣儲(chǔ)層礦物組分及含量近似[1],指示較好的可壓裂性。

3.1.2 有機(jī)質(zhì)特征

不同類型的干酪根具有不同的生油、氣能力[20-22]。藻類體比鏡質(zhì)體更富含氫和脂質(zhì)組分,Ⅱ型比Ⅲ型干酪根有機(jī)孔更發(fā)育[23-25]。P1s23頁巖顯微組分以殼質(zhì)組(質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均為58.6%)為主,呈絮狀、團(tuán)塊狀,透射光下呈棕黑色,無熒光(見圖4(a))；其次為鏡質(zhì)組(質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均為30.9%),反射光下呈灰色、灰白色塊狀(見圖4(a-b)),透射光下呈棕黑色,無熒光(見圖4(b))；含少量惰質(zhì)組(質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均為8.7%),主要為絲質(zhì)體,透射光下呈黑色,形狀各異,無熒光(見圖4(c、f))；部分樣品含腐泥組(質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均為6.8%),透射光下呈團(tuán)塊狀、棕黑色,反射光下呈團(tuán)絮狀、深棕—棕黑色,由于熱演化程度高,未見熒光(見圖4(d-e))。根據(jù)干酪根類型指數(shù)TI確定干酪根類型,TI≥80,有機(jī)質(zhì)類型為Ⅰ型；40≤TI<80,有機(jī)質(zhì)類型為Ⅱ1型；0 ≤TI<40,有機(jī)質(zhì)類型為Ⅱ2型；TI<0,有機(jī)質(zhì)類型為Ⅲ型。P1s22頁巖干酪根類型指數(shù)TI介于-48.3～36.3,有機(jī)質(zhì)類型為Ⅱ2～Ⅲ型。

不同沉積相頁巖段顯微組分存在一定差異(見圖5)。三角洲相頁巖樣品顯微組分以殼質(zhì)組為主,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為22.0%～71.0%(平均為56.9%),包括腐殖無定形體(平均為54.0%)和少量角質(zhì)體(平均為4.0%)。鏡質(zhì)組質(zhì)量分?jǐn)?shù)為21.0%～75.0%(平均為33.0%),惰質(zhì)組質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.0%～17.0%(平均為10.0%),幾乎不含腐泥組。TI為-48.3～-0.8,有機(jī)質(zhì)類型為Ⅲ型。河口海灣相頁巖樣品顯微組分以殼質(zhì)組為主,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為52.0%～76.0%(平均為67.0%),主要包括腐殖無定形體(平均為66.0%)和少量角質(zhì)體(平均為2.5%)。鏡質(zhì)組質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14.0%～27.0%(平均為19.0%)。惰質(zhì)組質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0%～9.0%(平均為4.0%)。河口海灣相頁巖段含質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0%～24.0%的腐泥組無定形體,尤其深水海灣微相頁巖腐泥組質(zhì)量分?jǐn)?shù)為18.0%～24.0%,TI為3.8～36.3,有機(jī)質(zhì)類型為Ⅱ2型。

P1s23頁巖TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%～11.7%,平均為2.9%(剔出非頁巖樣品)。不同沉積環(huán)境中富集形成的頁巖TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異較大。三角洲相頁巖樣品TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%～7.3%,平均為2.3%。河口海灣相頁巖樣品TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%～11.7%,平均為4.3%。潟湖亞相中,半封閉潟湖微相發(fā)育富含粉砂紋層的頁巖,TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低,為1.0%～2.7%,平均為1.6%；封閉潟湖微相發(fā)育含白云石條帶、含炭屑紋層的頁巖,TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.5%～8.9%,平均為7.3%。海灣亞相中,咸化海灣微相發(fā)育生屑白云質(zhì)頁巖,TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10.9%～11.7%,平均為11.2%；深水海灣微相發(fā)育生屑鈣質(zhì)頁巖,TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.0%～7.4%,平均為6.6%(見圖1(b)、圖6)。

3.2 微觀孔隙結(jié)構(gòu)

3.2.1 孔隙類型

P1s23頁巖主要發(fā)育有機(jī)質(zhì)孔、礦物粒間孔、黏土礦物層間孔、黃鐵礦晶間孔、礦物溶蝕孔及微裂縫(見圖7)。

三角洲相頁巖主要發(fā)育礦物粒間孔、黏土礦物層間孔,有機(jī)質(zhì)孔發(fā)育不佳。礦物粒間孔孔徑集中在20～200 nm之間,黏土礦物層間孔孔徑多在100～200 nm之間(見圖7(a-b))。該類頁巖中有機(jī)質(zhì)呈條塊狀,形狀棱角分明(見圖7(c)),發(fā)育少量圓形或橢圓形原始生氣孔,孔徑小于20 nm,且常見與礦物顆粒間發(fā)育狹長邊緣微裂縫(見圖7(d))。利用JMicroVision圖像分析三角洲相頁巖面孔率較低,為0.36%～0.59%。河口海灣相頁巖礦物粒間孔、有機(jī)質(zhì)孔及微裂縫發(fā)育。該類頁巖發(fā)育團(tuán)塊狀、填隙狀及條塊狀3類有機(jī)質(zhì)。團(tuán)塊狀有機(jī)質(zhì)周邊略圓滑,發(fā)育大量復(fù)雜液態(tài)烴氣泡孔,呈“大孔套小孔”或海綿狀,孔徑為50～100 nm(見圖7(e-g))；填隙狀有機(jī)質(zhì)與礦物顆粒間發(fā)育粒間孔,孔徑為50～100 nm(見圖7(h))；條塊狀有機(jī)質(zhì)發(fā)育原始生氣孔,孔徑小于20 nm(見圖7(i))。礦物粒間孔孔徑集中在20～200 nm之間(見圖7(j))。此外,發(fā)育黃鐵礦晶間孔、方解石溶蝕孔,孔徑分布在100～500 nm之間(見圖7(k-l))。河口海灣相頁巖面孔率較高,為1.0%～1.4%。

3.2.2 孔隙結(jié)構(gòu)特征

根據(jù)低溫CO2吸附法、低溫N2吸附法及高壓壓汞法,分別定量表征P1s23頁巖微孔(d<2 nm)、中孔(2 nm50 nm)孔隙結(jié)構(gòu)特征[26-27]。

由低溫CO2吸附曲線(見圖8(a))可知,三角洲相頁巖微孔吸附量小,最大吸附量為0.76～0.78 cm3/g,微孔比表面積為2.18～8.48 m2/g,微孔孔體積為0.003 cm3/g。河口海灣微相頁巖微孔發(fā)育,最大吸附量為1.29～2.99 cm3/g,微孔比表面積為18.18～41.26 m2/g,微孔孔體積為0.003～0.015 cm3/g。咸化海灣微相頁巖微孔最發(fā)育,最大吸附量為2.99 cm3/g,微孔比表面積為41.26 m2/g,微孔孔體積為0.015 cm3/g。

低溫N2吸附—脫附曲線特征(見圖8(b))表明,三角洲相頁巖主要發(fā)育兩端開口的楔形孔或似片狀顆粒組成的槽狀孔,中孔比表面積和孔體積分別為5.00～5.40 m2/g和0.010～0.017 cm3/g。河口海灣微相頁巖主要發(fā)育四邊開放的槽狀孔或狹縫形孔,中孔比表面積和孔體積分別為2.40～5.00 m2/g和0.008～0.030 cm3/g。

高壓壓汞曲線特征(見圖8(c))表明,三角洲相頁巖進(jìn)汞曲線隨壓力增大先快速升高后保持不變,發(fā)育一定量的宏孔,退汞效率約為40%,孔隙連通性一般。河口海灣微相頁巖宏孔結(jié)構(gòu)存在一定差異。半封閉潟微相湖頁巖宏孔發(fā)育最差,退汞效率為5%；封閉潟湖微相頁巖進(jìn)汞曲線持續(xù)上升,退汞效率約為60%,孔隙連通性較好；深水海灣微相頁巖進(jìn)汞曲線先快速增加后緩慢增加,退汞曲線先保持不變后快速下降,退汞效率約為30%；咸化海灣微相頁巖進(jìn)汞曲線呈臺(tái)階式上升,退汞效率約為60%,孔隙連通性較好。

整體上,三角洲相頁巖孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)較差,總比表面積為7.60～13.40 m2/g,總孔體積為0.013～0.020 cm3/g,孔隙度為0.58%～1.93%。三角洲相頁巖以微孔、中孔為主,占比分別為36.5%、37.8%,宏孔占比為25.7%(見圖8(d))。除半封閉潟湖微相頁巖外,河口海灣相頁巖孔隙結(jié)構(gòu)整體較好,總比表面積較高,為21.30～43.63 m2/g；總孔體積較大,為0.014～0.023 cm3/g；孔隙度為5.10%～5.50%。河口海灣相頁巖以微孔為主,占比為78.8%；宏孔占比為14.2%；中孔最少,為7.0%。

4 主控因素

封閉潟湖—海灣微相頁巖有機(jī)質(zhì)豐度高、類型好,儲(chǔ)集空間類型多樣,孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu),脆性礦物含量高,是山西組優(yōu)質(zhì)頁巖氣儲(chǔ)層發(fā)育段?？傮w上,優(yōu)質(zhì)頁巖的形成受沉積環(huán)境和成巖作用共同控制。

4.1 沉積環(huán)境

沉積環(huán)境控制富有機(jī)質(zhì)頁巖的形成與分布,決定頁巖有機(jī)質(zhì)和無機(jī)礦物的發(fā)育特征,是控制頁巖氣儲(chǔ)層非均質(zhì)性的基礎(chǔ)因素。

三角洲相沉積距離物源最近,受陸源碎屑輸入影響最大。Al、Ti 元素常被用來指示陸源碎屑物的輸入,Sr/Ba可有效判斷水體鹽度,Ni/Co廣泛用于判別氧化還原環(huán)境。元素分析結(jié)果顯示,三角洲相頁巖Al2O3與TiO2平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)偏高,分別為23.90%和0.93%,表明沉積環(huán)境臨近物源區(qū),陸源碎屑物的輸入稀釋有機(jī)質(zhì),同時(shí)帶來大量陸源黏土,Sr/Ba為 0.23～0.74,Ni/Co為0.80～4.65,指示淡水含氧沉積環(huán)境,不利于有機(jī)質(zhì)保存,導(dǎo)致儲(chǔ)層TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)低、黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)高。半封閉潟湖微相沉積為海岸帶因發(fā)育障壁砂壩而形成半局限低能淺水環(huán)境,局部與外海及河流溝通,Al2O3與TiO2平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為17.40%和0.66%,表明在一定程度上也受到陸源碎屑輸入的影響,Sr/Ba為0.38～0.49,Ni/Co為3.20～4.69,指示陸相淡水氧化的沉積水體,不利于有機(jī)質(zhì)的堆積埋藏,同樣表現(xiàn)為TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)低、黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)高。封閉潟湖微相為沉積靠近海洋的閉塞低能環(huán)境,與海灣微相的相似,距離物源較遠(yuǎn),Al2O3與TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)低,分別為10.50%和0.40%,表明封閉潟湖—海灣微相受陸源碎屑物輸入影響較小,陸源黏土較少,Sr/Ba為0.80～2.60,Ni/Co為7.70～11.30,指示厭氧條件海相海水介質(zhì),強(qiáng)還原沉積水體利于有機(jī)質(zhì)的保存,封閉潟湖—海灣微相頁巖氣儲(chǔ)層TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)高、黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)低。

不同沉積環(huán)境發(fā)育的泥頁巖有機(jī)質(zhì)母質(zhì)來源存在較大差異,控制有機(jī)質(zhì)孔隙的發(fā)育[28-29]。生烴能力較強(qiáng)的有機(jī)質(zhì)顯微組分形成有機(jī)質(zhì)孔的潛能更強(qiáng),生烴能力較差的有機(jī)質(zhì)顯微組分形成有機(jī)質(zhì)孔的潛能較低[30]。山西組頁巖主要發(fā)育條塊狀、填隙狀及團(tuán)塊狀3類有機(jī)質(zhì)。條塊狀有機(jī)質(zhì)棱角分明,呈較大的孤立塊狀,多為陸源植物木質(zhì)有機(jī)質(zhì),為典型的Ⅲ型干酪根,生烴能力較差,發(fā)育少量孔隙,孔徑小于20 nm,孔隙結(jié)構(gòu)特征較差。這類孔隙可能含部分繼承于母源物質(zhì)的孔,即并非自生有機(jī)質(zhì)孔隙[31-32]。填隙狀有機(jī)質(zhì)為充填于礦物顆粒間的固體瀝青,與礦物顆粒間發(fā)育粒間孔,孔徑為50～100 nm。團(tuán)塊狀有機(jī)質(zhì)與海相頁巖中常見的有機(jī)質(zhì)特征近似,來源于海洋浮游藻類,為Ⅱ2型干酪根,生烴能力相對較強(qiáng)[22-24],發(fā)育復(fù)雜、海綿狀液態(tài)烴氣泡孔,孔徑為50～100 nm。三角洲相頁巖有機(jī)質(zhì)主要來源于陸源植物碎屑,干酪根類型為Ⅲ型,生烴能力相對較弱[22-24],有機(jī)質(zhì)孔隙發(fā)育較差。封閉潟湖—海灣微相頁巖沉積受陸源和海洋雙重控制,有機(jī)質(zhì)來源既有陸源植物碎屑,也有海洋浮游藻類,干酪根類型為Ⅱ2,生烴能力相對較強(qiáng),有機(jī)質(zhì)孔隙較發(fā)育。此外,封閉潟湖—海灣微相中大量的浮游生物死亡后沉落海底,形成大量生物硅質(zhì),可有效提高儲(chǔ)層的脆性[33]。

4.2 成巖作用

山西組成巖作用主要為壓實(shí)作用,在一定程度上控制頁巖氣儲(chǔ)層儲(chǔ)集空間特征。海陸過渡相頁巖礦物組分及含量的強(qiáng)非均質(zhì)性,造成成巖過程中不同層段頁巖的抗壓實(shí)作用能力不同。頁巖Si與Al元素交會(huì)圖可判識硅質(zhì)成因,研究區(qū)P1s23頁巖與北美Barnett海相富有機(jī)質(zhì)頁巖Si 與Al元素交會(huì)圖見圖9,可見封閉潟湖—海灣微相頁巖與北美Barnett海相富有機(jī)質(zhì)頁巖類似,在伊利石Si/Al線之上為過量硅部分,反映更多成分的生物成因硅。早—中成巖階段早期,封閉潟湖—海灣微相硅質(zhì)生物蛋白石轉(zhuǎn)化形成高硬度結(jié)構(gòu)的隱晶質(zhì)、微晶石英集合體[4、18],構(gòu)成堅(jiān)硬的硅質(zhì)顆粒支撐格架,避免原生孔隙的進(jìn)一步壓實(shí)[34](見圖10)。早期液態(tài)烴充注于格架粒間孔,隨熱演化程度的增高,滯留于格架粒間孔的液態(tài)烴裂解生氣而形成有機(jī)質(zhì)孔隙[33]。因此,硅質(zhì)支撐格架為有機(jī)質(zhì)孔的形成與保持提供空間與保持[35-36]。三角洲相非優(yōu)勢巖相Si、Al 元素?cái)?shù)據(jù)點(diǎn)多位于Si/Al 線之下(見圖9),反映更多成分的陸源碎屑硅,由母巖風(fēng)化后通過風(fēng)、河流等搬運(yùn)至盆地中,顆粒粒徑較大,原生孔隙少,且抗壓實(shí)能力較差,對儲(chǔ)集空間的貢獻(xiàn)不大[36-37]。

5 結(jié)論

(1)鄂爾多斯盆地東緣大寧—吉縣區(qū)塊山西組頁巖氣儲(chǔ)層非均質(zhì)性包括礦物組分、有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)及類型、微觀孔隙類型、微觀孔隙結(jié)構(gòu)等。潮控三角洲相頁巖脆性礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)低,TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低,有機(jī)質(zhì)類型為Ⅲ型,有機(jī)質(zhì)孔發(fā)育不佳,面孔率低,孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)較差,對應(yīng)中等頁巖氣儲(chǔ)層。潮控河口海灣相頁巖中,封閉潟湖—海灣微相頁巖脆性礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)高,TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)高,有機(jī)質(zhì)類型為Ⅱ2型,儲(chǔ)集空間類型多樣,且發(fā)育大量液態(tài)烴氣泡孔,面孔率高,孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu),對應(yīng)優(yōu)質(zhì)頁巖氣儲(chǔ)層。

(2)封閉潟湖—海灣微相是山西組優(yōu)質(zhì)頁巖氣儲(chǔ)層發(fā)育段。頁巖氣儲(chǔ)層非均質(zhì)性受沉積環(huán)境和成巖作用共同控制。封閉潟湖—海灣微相有機(jī)質(zhì)來源于陸源植物碎屑和海洋浮游藻類,有利于Ⅱ2型干酪根形成,易于產(chǎn)生大量有機(jī)質(zhì)氣泡孔,富生物成因硅也有利于有機(jī)質(zhì)孔的形成與保持。三角洲相頁巖有機(jī)質(zhì)來源于陸源植物碎屑,發(fā)育Ⅲ型干酪根,有機(jī)質(zhì)孔發(fā)育不佳,且陸源硅質(zhì)對于儲(chǔ)集空間貢獻(xiàn)不大。