封宇博，劉友南，鄧春濤，梁 博

（1.西安石油大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，陜西西安 710065；2.西安石油大學(xué)陜西省油氣成藏地質(zhì)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710065）

得益于美國(guó)頁(yè)巖氣革命的成功，世界油氣能源格局產(chǎn)生了重大改變，為積極參與油氣能源重構(gòu)，國(guó)內(nèi)頁(yè)巖氣的勘探開(kāi)發(fā)步入了快車(chē)道[1]。目前國(guó)內(nèi)針對(duì)頁(yè)巖氣的勘探開(kāi)發(fā)主要集中在三大領(lǐng)域，即海相、陸相及海陸過(guò)渡相[2]，海相沉積發(fā)育時(shí)間為早古生代寒武、奧陶時(shí)期，陸相主要發(fā)育在中生代時(shí)期，海陸過(guò)渡相發(fā)生在三大板塊拼合時(shí)期（晚古生代）[3]。國(guó)內(nèi)四川盆地的古生界海相頁(yè)巖、鄂爾多斯盆地的中新生界陸相泥頁(yè)巖均蘊(yùn)藏大量非常規(guī)油氣資源[2]，除此以外，在河北省北部地區(qū)也探明含有一套富有機(jī)質(zhì)海相頁(yè)巖。

近年來(lái)，隨著頁(yè)巖油氣理論與技術(shù)的重大突破，遠(yuǎn)古地層頁(yè)巖油氣的勘探開(kāi)發(fā)引起業(yè)內(nèi)學(xué)者的關(guān)注。張金川等[4]研究發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖主要受到華北板塊、華南板塊、塔里木板塊三大板塊的共同作用，但在中元古代時(shí)期各板塊獨(dú)立發(fā)育，在中-上元古界，華北板塊是唯一含有頁(yè)巖這一沉積層，實(shí)地勘探河北省北部地區(qū)地表發(fā)現(xiàn)有大量油苗[5-6]，證實(shí)該地區(qū)中-上元古代發(fā)育了這套古老的富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖。這套富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖有著良好的生成和發(fā)育條件，主要集中于上元古界的青白口系下馬嶺組和中元古界薊縣系洪水莊組，TOC（總有機(jī)碳）含量分別約為1.80%和2.20%。筆者結(jié)合研究區(qū)頁(yè)巖Ro（鏡質(zhì)體反射率）、TOC 含量、熱解等一系列地球化學(xué)特征參數(shù)查明該區(qū)古老地層中頁(yè)巖氣潛力，為研究區(qū)頁(yè)巖氣的勘探開(kāi)發(fā)提供理論支撐。

1 地質(zhì)背景

河北省北部地區(qū)隸屬于華北地臺(tái)，中-新元古代（晉寧期）為裂谷型克拉通盆地，另外，期間多次冰期的旋回使得部分抬升地層受到風(fēng)化腐蝕，形成良好的儲(chǔ)集特性[7-8]。中元古代河北省北部地區(qū)頁(yè)巖主要發(fā)育在薊縣系的洪水莊組，為碳酸鹽巖潮坪相-淺海陸棚沉積，其主要分布在洪水莊組中部，可代表該時(shí)期水深的程度[9]。青白口系下馬嶺組沉積了一套以灰黑、深灰色為主，僅中部和底部夾雜部分砂巖的頁(yè)巖[10]。

2 樣品采集與實(shí)驗(yàn)

下馬嶺組和洪水莊組為寬城-興隆地區(qū)中-上元古界富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖主要發(fā)育層位，也是此次頁(yè)巖氣評(píng)價(jià)的重點(diǎn)對(duì)象，為了對(duì)該層位頁(yè)巖進(jìn)行系統(tǒng)科學(xué)研究特制定相應(yīng)取樣設(shè)計(jì)?？紤]到洪水莊組和下馬嶺組富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖厚度及鉆井深度，故設(shè)計(jì)取樣間隔為0.8 m；非頁(yè)巖段設(shè)計(jì)取樣間隔為2～3 m。為研究河北省北部地區(qū)的洪水莊組和下馬嶺組暗色頁(yè)巖中頁(yè)巖氣的有機(jī)地球化學(xué)特征、儲(chǔ)集特征和賦存機(jī)理等問(wèn)題，將部分樣品按相關(guān)規(guī)格進(jìn)行研磨處理，完成地球化學(xué)、儲(chǔ)集物性、礦物組成及含氣性等實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 有機(jī)地化

在河北省北部地區(qū)下馬嶺組和洪水莊組鉆取頁(yè)巖樣品共49 塊，其中，洪水莊組頁(yè)巖TOC 含量平均為3.44%，且TOC 含量多數(shù)大于3.00%；下馬嶺組頁(yè)巖TOC 含量平均為2.51%，且TOC 含量多數(shù)大于2.00%[11]。經(jīng)過(guò)熱解實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)下馬嶺組頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)游離烴含量S1在0.56～2.52 mg/g，平均為1.56 mg/g；熱解烴含量S2在0.86～13.31 mg/g，平均為9.78 mg/g。熱解峰溫Tmax在428.70～446.60 ℃，平均為434.64 ℃。洪水莊組頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)游離烴含量S1在0.16～1.31 mg/g，平均為0.64 mg/g；熱解烴含量S2在0.68～3.98 mg/g，平均為2.03 mg/g。

根據(jù)類(lèi)型指數(shù)和顯微組分顏色將這兩組干酪根判定為Ⅲ和Ⅰ干酪根，熱解峰溫Tmax在409.10～443.70 ℃，平均為422.44 ℃。所有樣品的熱解峰溫Tmax主要分布在410.00～430.00 ℃，屬于成熟油階段（圖1），生烴潛力很大且干酪根分子結(jié)構(gòu)復(fù)雜[12]。與氫指數(shù)建立關(guān)系后發(fā)現(xiàn)采集過(guò)程中樣品可能由于地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)埋藏較淺，受到風(fēng)化作用等影響，干酪根類(lèi)型判定會(huì)出現(xiàn)一定偏差。

圖1 頁(yè)巖樣品干酪根類(lèi)型圖

3.2 黏土礦物

下馬嶺組和洪水莊組黏土礦物含量分別平均為31.78%、22.03%，以高嶺石為主，其次為伊/蒙混層。洪水莊組中伊利石含量為10.80%～32.30%，平均為24.04%；下馬嶺組中伊利石含量為7.60%～15.60%，平均為11.52%。洪水莊組伊/蒙混層含量為2.50%～32.70%，平均為14.14%；下馬嶺組伊/蒙混層含量為8.80%～16.30%，平均為14.08%。洪水莊組中高嶺石含量為40.06%～62.20%，平均為51.25%；下馬嶺組中高嶺石含量為59.20%～69.10%，平均為63.67%。洪水莊組中綠泥石含量為0～21.30%，平均為10.61%；下馬嶺組中綠泥石含量為10.00%～20.00%，平均為16.00%（圖2）。

圖2 頁(yè)巖樣品黏土礦物含量三元相圖

3.3 孔縫結(jié)構(gòu)

基于掃描電鏡技術(shù)的發(fā)展，業(yè)內(nèi)人員對(duì)于頁(yè)巖儲(chǔ)層微觀孔隙結(jié)構(gòu)有了更清楚的認(rèn)知：頁(yè)巖主要發(fā)育有有機(jī)質(zhì)納米孔、黏土礦物粒間孔、巖石骨架礦物孔、古生物化石孔和微裂縫等[13]。在下馬嶺組和洪水莊組頁(yè)巖儲(chǔ)層主要發(fā)育溶蝕孔（圖3a、c、d、e）、裂隙（圖3b、f、g），且裂隙普遍被有機(jī)質(zhì)、黏土礦物以及副礦物填充（圖3h、i）。

圖3 頁(yè)巖樣品孔隙發(fā)育類(lèi)型

DFT 孔徑模型（圖4）反映出洪水莊組塊狀頁(yè)巖孔隙孔徑分布在2～10 nm，下馬嶺組層狀頁(yè)巖孔隙孔徑分布在2～5 nm。

圖4 頁(yè)巖樣品孔徑分布圖

3.4 儲(chǔ)集物性

頁(yè)巖的孔隙度、滲透率等參數(shù)是評(píng)估頁(yè)巖儲(chǔ)層的油氣儲(chǔ)集、運(yùn)移能力的重要指標(biāo)，洪水莊組樣品孔隙度和滲透率測(cè)試結(jié)果顯示，孔隙度平均為1.3%，滲透率平均為7.9×10-3mD，為特低孔滲物性頁(yè)巖儲(chǔ)層。下馬嶺組樣品孔隙度和滲透率測(cè)試結(jié)果顯示，孔隙度平均為3.7%，滲透率平均為6.0×10-3mD，孔隙度好于洪水莊組，為低孔特低滲儲(chǔ)層。

3.5 吸附氣量

鑒于吸附態(tài)是頁(yè)巖氣在頁(yè)巖中主要存在形式，明確頁(yè)巖吸附特性是預(yù)測(cè)頁(yè)巖氣含氣量的重要步驟。研究區(qū)頁(yè)巖吸附實(shí)驗(yàn)表明（圖5）：在一定條件下頁(yè)巖氣吸附氣量隨壓力的增加而增大，在實(shí)驗(yàn)最大壓力下，下馬嶺組實(shí)測(cè)吸附量為1.176～4.804 m3/t，平均為1.823 m3/t，洪水莊組實(shí)測(cè)吸附量為0.876～6.836 m3/t，平均為2.515 m3/t。

圖5 頁(yè)巖甲烷等溫吸附擬合曲線圖

4 討論

4.1 頁(yè)巖氣生成潛力

頁(yè)巖中有效烴源巖指的是可以生成且排出油氣的烴源巖，其中有機(jī)質(zhì)豐度、含氫指數(shù)和干酪根類(lèi)型都對(duì)烴源巖生烴排烴有著重要影響[14]。其中頁(yè)巖中有機(jī)質(zhì)豐度的多少還對(duì)甲烷氣體的吸附能力和產(chǎn)出效率都有著非常明顯的作用。河北省北部地區(qū)中元古界洪水莊組有機(jī)質(zhì)豐度在0.91～1.77，下馬嶺組有機(jī)質(zhì)豐度在0.37～0.83。生烴潛力（S1+S2）隨著TOC 含量的增大而增大，呈明顯正相關(guān)關(guān)系（圖6），而且洪水莊組生烴潛力遠(yuǎn)大于下馬嶺組。因此，TOC 含量可作為判定研究區(qū)頁(yè)巖生烴潛力的關(guān)鍵參數(shù)之一。

圖6 頁(yè)巖樣品有機(jī)質(zhì)豐度TOC 與生烴潛力（S1+S2）關(guān)系圖

S2與TOC 含量的相關(guān)性可判斷干酪根優(yōu)劣，因此，也用來(lái)衡量烴源巖的生烴能力。河北省北部地區(qū)中元古界地層干酪根總體處于中好區(qū)間（圖7），洪水莊組干酪根發(fā)育整體好于下馬嶺組。

圖7 頁(yè)巖樣品干酪根優(yōu)劣圖

前人研究表明，在滿足一定有機(jī)質(zhì)豐度的條件下，熱成熟度Ro 也是預(yù)測(cè)頁(yè)巖生烴潛力的重要指標(biāo)，烴源巖必須滿足一定成熟度后才能進(jìn)行生烴排烴[15]。頁(yè)巖生烴潛力所劃分的熱演化程度條件范圍為0.6%～2.0%，臨界值為0.4%～0.6%[16]，而研究區(qū)熱演化成熟度范圍在0.5%～1.3%，即研究區(qū)頁(yè)巖儲(chǔ)層滿足生烴條件，所以研究區(qū)頁(yè)巖有較好的生烴排烴潛力。

4.2 巖相與含氣性關(guān)系

頁(yè)巖含氣性與諸多因素有關(guān)，筆者主要針對(duì)巖相與含氣性關(guān)系進(jìn)行研究。研究結(jié)果表明：層狀頁(yè)巖吸附氣體能力比塊狀頁(yè)巖吸附能力強(qiáng)，層狀頁(yè)巖吸附氣平均氣量為3.03 cm3/g，塊狀頁(yè)巖吸附氣平均氣量為2.93 cm3/g，層狀頁(yè)巖孔隙度（平均為6.83%）大于塊狀頁(yè)巖的平均孔隙度（1.23%），層狀頁(yè)巖有著明顯的孔隙度優(yōu)勢(shì)。

另外，層狀頁(yè)巖黏土含量中高嶺石含量占比明顯較大，比表面積平均值為11.21 m2/g，較塊狀頁(yè)巖比表面積平均值（1.56 m2/g）有著非常大的差距。裂隙的普遍發(fā)育使得層狀頁(yè)巖孔隙平均體積為0.02 cm3/g，大于塊狀頁(yè)巖孔隙平均體積0.01 cm3/g。較大的比表面積和孔隙體積會(huì)使層狀頁(yè)巖有著良好的頁(yè)巖氣儲(chǔ)集賦存空間（圖8），物性較好也是促進(jìn)層狀頁(yè)巖中頁(yè)巖氣擴(kuò)散和采集的必備條件之一。

圖8 頁(yè)巖樣品孔隙體積與比表面積相對(duì)含量

5 結(jié)論

（1）研究區(qū)下馬嶺組和洪水莊組烴源巖發(fā)育較好，生烴潛力（S1+S2）與TOC 含量呈明顯正相關(guān)關(guān)系，有較好的生排烴潛力。

（2）研究區(qū)頁(yè)巖孔隙特征整體復(fù)雜，孔隙大小以介孔以下為主，儲(chǔ)層物性為低孔低滲，富集儲(chǔ)存條件較好。

（3）研究表明頁(yè)巖含氣性與巖相類(lèi)型關(guān)系密切：層狀頁(yè)巖含氣性?xún)?yōu)于塊狀頁(yè)巖。