鄂爾多斯盆地平?jīng)鼋M頁(yè)巖氣富集地質(zhì)條件

鄧 昆，周 文，鄧虎成，陳文玲

（油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)（成都理工大學(xué)），成都610059）

鄂爾多斯盆地西南緣分布著厚度巨大的中奧陶世平?jīng)銎诔练e地層，發(fā)育的筆石頁(yè)巖為中國(guó)北方海相頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)的主要層系［1－3］，近年來(lái)相關(guān)的研究工作較少。而四川盆地及周緣地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組頁(yè)巖、下志留統(tǒng)龍馬溪組頁(yè)巖氣方面已取得了突破性進(jìn)展［4－9］。平?jīng)銎诠P石頁(yè)巖沉積環(huán)境與美國(guó)沃斯堡盆地Barnett頁(yè)巖具有一定的相似性，主要形成于深水斜坡－盆地環(huán)境。通過(guò)多年對(duì)鄂爾多斯盆地中奧陶統(tǒng)平?jīng)鼋M的研究，依托國(guó)土資源部油氣中心 “華北及東北區(qū)頁(yè)巖氣資源調(diào)查評(píng)價(jià)與選區(qū)”項(xiàng)目，對(duì)平?jīng)鼋M頁(yè)巖氣富集地質(zhì)條件，包括頁(yè)巖的巖礦特征、發(fā)育規(guī)模、埋深、地球化學(xué)指標(biāo)和含氣量等參數(shù)進(jìn)行了初步分析，以期推進(jìn)鄂爾多斯盆地下古生界海相頁(yè)巖氣的勘探與地質(zhì)研究持續(xù)深入。

1 平?jīng)鼋M巖礦特征

中奧陶世平?jīng)銎诔练e體系分為深水斜坡、盆地平原和碳酸鹽臺(tái)地，不同分區(qū)沉積組合類型有一定差異。筆石頁(yè)巖沉積主要發(fā)育于盆地西緣，巖石地層在西緣中段、北段又稱為拉什仲組（上平?jīng)銎冢┖蜑趵私M（下平?jīng)銎冢Ｆ渲袨趵私M以黑色頁(yè)巖為主，以含豐富筆石為特征（圖1－A）；而拉什仲組為黃綠色頁(yè)巖、砂質(zhì)頁(yè)巖、泥質(zhì)粉砂巖以及火山碎屑巖呈不等厚互層（圖1－B，C）。平?jīng)鼋M筆石頁(yè)巖在平?jīng)觯]縣一帶發(fā)育甚好（圖1－D），稱為平?jīng)鼋M，下段和上段各夾數(shù)層薄層灰?guī)r或灰?guī)r透鏡體?？v向上平?jīng)鼋M頁(yè)巖自下而上顏色由深變淺，筆石含量變少，有機(jī)質(zhì)含量越來(lái)越低。

平?jīng)鼋M頁(yè)巖野外樣品全巖X射線衍射分析結(jié)果：脆性礦物含量高，石英的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為22%～72%，平均為52%；長(zhǎng)石的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%～5%，烏海老石旦剖面筆石頁(yè)巖不含長(zhǎng)石；方解石的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%～26%。環(huán)縣石板溝方解石的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)26%，為鈣質(zhì)頁(yè)巖。黏土礦物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為19%～72%，平均為35%左右，以伊利石和綠泥石為主；部分樣品含少量高嶺石和蒙脫石，質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過(guò)10%。粉砂質(zhì)頁(yè)巖中伊利石、綠泥石含量較高，石英含量較低。筆石頁(yè)巖見(jiàn)微裂縫發(fā)育，有機(jī)質(zhì)不均勻分布，筆石化石方解石化及黃鐵礦、針鐵礦充填微孔等（圖1－E，F(xiàn)，G，H）。圖2顯示可以根據(jù)礦物組合分為2類：石英＋方解石＋伊利石組合，石英＋方解石＋伊利石＋綠泥石組合。

圖1 平?jīng)鼋M巖石學(xué)及礦物學(xué)特征Fig.1 Petrological and mineralogical characteristics of images of Pingliang Formation

2 含氣頁(yè)巖分布

2.1 平面分布

平?jīng)鼋M含氣頁(yè)巖層系主要分布于盆地西緣和西南緣的臺(tái)地前緣碎屑巖斜坡相帶和深水盆地相帶內(nèi)，橫向變化較大，沿鄂7井－李華1井－環(huán)縣－龍2井以西至青銅峽－固原斷裂含氣頁(yè)巖層系逐漸增厚，最厚處可達(dá)70m，烏海桌子山－老石旦－任3井－惠探1井－平?jīng)鎏y(tǒng)山一線及其以西地區(qū)為頁(yè)巖氣層系主要發(fā)育區(qū)（圖3）。盆地南緣沉積相帶主要為開(kāi)闊臺(tái)地相帶、臺(tái)地邊緣生物礁和臺(tái)地前緣碳酸鹽巖斜坡相帶，頁(yè)巖少量發(fā)育于碳酸鹽巖地層夾層內(nèi)，有機(jī)質(zhì)含量低，一般在起算厚度之下。

2.2 埋藏深度

圖2 平?jīng)鼋M頁(yè)巖全巖礦物分析雷達(dá)圖Fig.2 Radar map showing the bulk－rock analysis of the shale rock from Pingliang Formation

結(jié)合盆地西緣地震剖面、野外剖面調(diào)查、鉆井資料，平?jīng)鼋M含氣頁(yè)巖層系受沉積相和后期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的控制，在惠探1井和蘆參1井一線埋深達(dá)到最大，超過(guò)了4.5km，以惠探1井和蘆參1井為中心，向南北方向埋藏變淺；北部至烏海老石旦、南至平?jīng)鲢y洞官莊（太統(tǒng)山）一帶平?jīng)鼋M逐漸出露地表（圖4）。過(guò)石溝驛地區(qū)02XY01地震地質(zhì)解釋剖面圖表明在平?jīng)鰯嗔岩晕骱湎岛蛫W陶系出露地表，即平?jīng)鼋M在青龍山一線出露；而平?jīng)鰯嗔岩詵|，平?jīng)鼋M埋深＞4km，如惠探1井和蘆參1井分別在4 124m和4 608m鉆遇平?jīng)鼋M（圖5）。

圖3 鄂爾多斯盆地平?jīng)鼋M泥頁(yè)巖層系等厚圖Fig.3 Mud shale thickness distribution of Pingliang Formation in Ordos Basin

圖4 鄂爾多斯盆地平?jīng)鼋M泥頁(yè)巖層系埋深圖Fig.4 Buried depth of the mud shale layer system of Pingliang Formation in Ordos Basin

3 含氣頁(yè)巖有機(jī)地球化學(xué)

3.1 有機(jī)質(zhì)類型

有機(jī)質(zhì)類型可以決定頁(yè)巖生烴初期所生成油氣的類型。陳孟晉（2007）對(duì)鄂爾多斯盆地西部平?jīng)鼋M67個(gè)樣品（灰?guī)r和泥灰?guī)r16個(gè)，泥巖51個(gè)）進(jìn)行了有機(jī)組分顯微定量分析，腐泥組質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，平均40%以上；動(dòng)物有機(jī)組次之，平均30%～35%；殼質(zhì)組相對(duì)較少，平均20%～30%［10］。平?jīng)鼋M烴源巖有機(jī)質(zhì)類型除少數(shù)層段為Ⅱ1型以外，其余絕大部分為Ⅰ型。本次研究對(duì)平?jīng)鼋M野外頁(yè)巖樣品的熱解分析也表明了平?jīng)鼋M富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)類型除太統(tǒng)山剖面以Ⅱ2型為主，其他均為I型干酪根（表1）。因此，綜合前人分析及本次測(cè)試結(jié)果，確定平?jīng)鼋M含氣頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)類型主要為I型，個(gè)別為Ⅱ1型和Ⅱ2型。

圖5 鄂爾多斯西緣02XY01地震地質(zhì)解釋剖面圖Fig.5 Profile of seismic－geological interpretation（02XY01）of the west margin on Ordos Basin

3.2 有機(jī)質(zhì)豐度

根據(jù)前人對(duì)平?jīng)鼋M地表剖面和環(huán)14井、任3井等共計(jì)56件樣品有機(jī)碳分析數(shù)據(jù)［10，11］及本次鉆井、野外采樣完成的45件分析數(shù)據(jù)，平?jīng)鼋M含氣頁(yè)巖平均有機(jī)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.38%。縱向上下段有機(jī)質(zhì)較富，上段有機(jī)質(zhì)較貧?；萏?井烏拉力克組泥頁(yè)巖TOC的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（wTOC）平均值為0.63%，拉什仲組泥頁(yè)巖wTOC平均值為0.17%（圖6）；老石旦剖面烏拉力克組wTOC在1.5%～2%之間；西南緣銀洞官莊剖面平?jīng)鼋MwTOC在0.5%～1.0%之間。平?jīng)鼋M有機(jī)碳含量的平面分布總體表現(xiàn)為北高南低的特征，北部布1井和天深1井有機(jī)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般為0.6%～1.4%，盆地西緣往南有機(jī)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸降低至0.2%以下（圖7）。

3.3 有機(jī)質(zhì)成熟度

平?jīng)鼋M含氣頁(yè)巖瀝青Ro分析測(cè)試結(jié)果及平面分布特征表明：整個(gè)盆地平?jīng)鼋M含氣頁(yè)巖發(fā)育區(qū)有機(jī)質(zhì)成熟度總體上達(dá)到成熟—過(guò)成熟階段，棋探1井至惠探1井、馬家灘一帶Ro達(dá)1.9%～2.1%，在盆地西緣南段平?jīng)龅貐^(qū)Ro為1.5%～1.7%（圖8）。平?jīng)鼋M頁(yè)巖熱演化程度整體偏高，不同地區(qū)有一定差異性，即熱演化程度既有屬于高－過(guò)成熟階段的，還有仍為低熟階段者（余探1井－任3井以西）。

表1 平?jīng)鼋M含氣頁(yè)巖野外樣品熱解測(cè)試結(jié)果Table 1 Pyrolysis test results of the gas－bearing shale field samples from Pingliang Formation

圖6 惠探1井烏拉力克組、拉什仲組綜合剖面圖Fig.6 The columnar section of the Ula Lectra Formation and Rush Formation of Well Huitan 1

4 平?jīng)鼋M頁(yè)巖含氣性分析

圖7 鄂爾多斯盆地平?jīng)鼋M泥頁(yè)巖TOC等值線圖Fig.7 Mud shale TOC isopach map of Pingliang Formation in Ordos Basin

含氣頁(yè)巖中天然氣主要以2種狀態(tài)形式存在，一種是吸附態(tài)，吸附在有機(jī)質(zhì)及巖礦固體物質(zhì)表面；另一種是游離態(tài)存在于微孔隙系統(tǒng)及天然裂縫中［12－17］。等溫吸附模擬是解吸的逆過(guò)程，在30℃高壓條件下，運(yùn)用Boyles定律氣體裝置測(cè)量甲烷的等溫線，獲得吸附氣含量參數(shù)。選取老石旦剖面2組樣品進(jìn)行等溫吸附試驗(yàn)，測(cè)得Langmuir質(zhì)量體積分別為1.77m3／t和1.79m3／t，Langmuir壓力分別為0.65MPa和1.56MPa。獲得理論吸附氣量為0.65m3／t和1.56m3／t，平均吸附氣含量為1.105m3／t（圖9）。試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以反映平?jīng)鼋M頁(yè)巖具有良好的吸附能力。

圖8 鄂爾多斯盆地平?jīng)鼋M泥頁(yè)巖Ro等值線圖Fig.8 Mud shale Roisopach map of Pingliang Formation in Ordos Basin

5 結(jié)論

圖9 烏拉力克組頁(yè)巖等溫吸附曲線Fig.9 Isothermal adsorption curve of the Ula Lectra Formation shale

a.鄂爾多斯盆地西南緣發(fā)育一定規(guī)模的海相筆石頁(yè)巖，其中平?jīng)鼋M下段（烏拉力克組）以黑色頁(yè)巖為主，以含豐富筆石為特征，其中脆性礦物石英含量較高；而平?jīng)鼋M上段（拉什仲組）為黃綠色頁(yè)巖、砂質(zhì)頁(yè)巖為主，黏土礦物相對(duì)含量較高。據(jù)礦物組合分為2類：石英＋方解石＋伊利石組合，石英＋方解石＋伊利石＋綠泥石組合。

b.鄂爾多斯盆地西南緣平?jīng)鼋M海相筆石頁(yè)巖自東向西逐漸變厚；西緣中段埋深較大，超過(guò)4.5km，向南北逐漸變淺，在北段、西部和南部部分區(qū)域出露地表。有機(jī)質(zhì)類型主要為I型，個(gè)別為Ⅱ1型和Ⅱ2型。平?jīng)鼋M有機(jī)碳含量的平面分布總體表現(xiàn)為北高南低的特征，有機(jī)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)主要在0.2%～1.4%之間，大部分區(qū)域達(dá)到0.5%頁(yè)巖氣選區(qū)下限。平?jīng)鼋M頁(yè)巖熱演化程度整體偏高，多在高－過(guò)成熟階段，Ro值主體在0.9%～2.1%范圍，不同地區(qū)有一定差異性。

c.通過(guò)等溫吸附模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行含氣性分析，獲得理論吸附氣量為1.105m3／t，反映平?jīng)鼋M頁(yè)巖具有良好的吸附能力。依據(jù)平?jīng)鼋M海相頁(yè)巖發(fā)育規(guī)模、埋深、地球化學(xué)指標(biāo)分析和含氣量等參數(shù)，認(rèn)為鄂爾多斯盆地西南緣中奧陶統(tǒng)平?jīng)鼋M為頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)的潛力層系。

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