我國幾個(gè)典型地區(qū)頁巖氣頁巖地質(zhì)特征

趙丁名（吉林大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，吉林 長春 130061）

我國幾個(gè)典型地區(qū)頁巖氣頁巖地質(zhì)特征

趙丁名（吉林大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，吉林 長春 130061）

隨著美國在頁巖氣技術(shù)方面取得巨大成功，頁巖氣成為我國相關(guān)專家研究的焦點(diǎn)。本文通過搜集國內(nèi)外現(xiàn)有的典型盆地頁巖氣資料，從眾多區(qū)域中和不同時(shí)代層位中選取了五組代表性地層，分別為：北京地區(qū)下馬嶺組、上揚(yáng)子地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組、鄂爾多斯盆地東部二疊系山西組、鄂爾多斯盆地南部三疊系延長組7段和柴北緣中侏羅統(tǒng)大煤溝組7段。從頁巖的巖礦特征、有機(jī)質(zhì)豐度（TOC）、有機(jī)質(zhì)成熟度和有機(jī)質(zhì)類型等四個(gè)方面，并結(jié)合沉積環(huán)境特征與美國相關(guān)層位頁巖氣進(jìn)行對比，歸納總結(jié)出中國頁巖氣資源與美國頁巖氣資源的共同點(diǎn)和差異性。

頁巖；頁巖氣；巖礦特征；有機(jī)地球化學(xué)特征

頁巖氣是指主體上以吸附和游離狀態(tài)賦存于泥頁巖地層中聚集的非常規(guī)天然氣［1］。據(jù)有關(guān)專家預(yù)測，到2035年，美國頁巖氣產(chǎn)量的比重將會(huì)占到天然氣總產(chǎn)量的49%［2］。我國廣泛地區(qū)發(fā)育豐富頁巖氣資源，經(jīng)過系統(tǒng)的調(diào)查和技術(shù)的革新后開發(fā)潛力不可限量［3］。本文通過搜集國內(nèi)外頁巖氣相關(guān)文獻(xiàn)，結(jié)合地學(xué)知識(shí)制作相關(guān)參數(shù)的對比圖表等，總結(jié)和歸納中國部分頁巖氣特點(diǎn)［4，5］。

圖2.1 下馬嶺組巖礦分析圖［8，15-20］

1 相關(guān)地層頁巖氣簡述

1.1 中元古界——北京地區(qū)下馬嶺組

下馬嶺組原意是指在硅質(zhì)巖之上、砂礫巖之下的一套粉砂巖、頁巖夾白云巖的沉積地層［6］。傳統(tǒng)地質(zhì)學(xué)將下馬嶺歸屬于新元古界青白口系，最新研究將其歸屬于中元古界［7］。中元古代的末期，北京地區(qū)曾經(jīng)發(fā)生過著名的“芹峪運(yùn)動(dòng)”，使得北京地區(qū)的地臺(tái)不斷上升成為陸直到新元古代，海水從北東方向進(jìn)入北華北地區(qū)，使得北京地區(qū)形成內(nèi)陸海灣。北京地區(qū)在下馬嶺早中期處于海洋中，海水深度越來越大，海底環(huán)境由弱還原或弱氧化條件逐步地轉(zhuǎn)變?yōu)檫€原條件，下馬嶺中后期的沉積物發(fā)生改變，主要是富含有機(jī)質(zhì)的深色頁巖。

1.2 下古生界——上揚(yáng)子地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組

揚(yáng)子區(qū)東起神農(nóng)架，北抵漢南，西達(dá)龍門山一線，南至滇黔。牛蹄塘組是指在燈影組與明心寺組之間，下部黑色磷塊巖、白云巖或硅質(zhì)巖及黑色高碳質(zhì)頁巖，中部為夾些許砂質(zhì)頁巖的黑色碳質(zhì)頁巖，上部深色的碳質(zhì)頁巖［9］。

1.3 上古生界——鄂爾多斯盆地東部二疊系山西組

伊陜斜坡之上的二疊系山西組，向下其底部與下古生界呈平行不整合的接觸關(guān)系，向上頂部與中生界呈整合接觸。上古生界的地層一直處于連續(xù)沉積的狀態(tài)，未發(fā)生間斷現(xiàn)象。在此期間內(nèi)，上古生界經(jīng)歷了由海變?yōu)殛懙氐沫h(huán)境變化和由河流到湖泊沉積的轉(zhuǎn)變。山西組在整個(gè)盆地廣泛發(fā)育了以深灰色、黑色為主并且含有豐富有機(jī)質(zhì)的泥頁巖，厚度較大且橫向分布連續(xù)性好。

圖2.2 牛蹄塘組巖礦分析圖［11，15-20］

1.4 中生界——鄂爾多斯盆地南部三疊系延長組7段

鄂爾多斯盆地三疊世至晚白堊世之間發(fā)生的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，深刻地影響著鄂爾多斯盆地的油氣生成和聚集作用。晚三疊世，揚(yáng)子板塊與華北地臺(tái)由于板塊活動(dòng)發(fā)生了碰撞和拼合作用，使得秦嶺海槽和北祁連海向西南不斷地退縮。北部地區(qū)秦嶺山脈產(chǎn)生崛起，在廣袤的鄂爾多斯盆地內(nèi)部，形成了一個(gè)巨大的淡水湖泊，從而沉積了延長組長10至長1段的地層［2］。

圖2.3 山西組巖礦分析圖［13，15-20］

圖2.4 延長組7段巖礦分析圖［2，15-20］

圖2.5 大煤溝組7段巖礦分析圖［14，15-20］

圖2.6 各組巖礦分析圖［2，8，11，13，14］

1.5 中生界——柴北緣中侏羅統(tǒng)大煤溝組7段

柴達(dá)木盆地地處青藏高原東北部，屬于塔里木——中朝板塊的南部地塊，北側(cè)為宗務(wù)隆山——青海南山斷裂，南側(cè)為祁連褶皺系，西側(cè)為阿爾金山，東側(cè)為鄂拉山斷裂［14］。柴達(dá)木盆地侏羅系主要是在柴達(dá)木盆地北緣和阿爾金山前地帶。侏羅統(tǒng)內(nèi)部為連續(xù)沉積，下侏羅統(tǒng)包含湖西山組、小煤溝組，中侏羅世沉積發(fā)育了大煤溝組和石門溝組。早中侏羅世沉積的泥巖顏色整體為深灰色和灰黑色等深色［14］。

2 相關(guān)數(shù)據(jù)的對比

2.1 巖礦特征對比

頁巖氣具有自生自儲(chǔ)的特性。頁巖氣的產(chǎn)出需要裂縫存在，大多數(shù)情況下需要人為制造微裂縫。含硅質(zhì)多的泥頁巖比含粘土質(zhì)多的泥頁巖更容易壓裂，從而更利于頁巖氣的開采。泥頁巖中硅質(zhì)礦物的含量會(huì)決定巖石的脆性以及在外力擠壓下巖石裂縫發(fā)育情況。加拿大商業(yè)開采的項(xiàng)目中硅含量達(dá)到40%，一般認(rèn)為能達(dá)到商業(yè)開發(fā)的下限值是25%。

2.1.1 下馬嶺組和牛蹄塘組分析

下馬嶺組頁巖主要由石英和黏土礦物組成，也含有少量長石和碳酸鹽礦物。（見圖2.1-圖2.2）

石英的質(zhì)量分?jǐn)?shù)是最高的，黏土礦物次之，長石質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%～16%，碳酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)最少，甚至有多件樣品不含碳酸鹽，平均為2.6%［8］。同美國的Fort worth盆的地Barnett頁巖相比，巖石礦物與黏土礦物組成這兩個(gè)方面具有相似之處，二者均呈現(xiàn)出高脆性礦物以及高吸附黏土礦物的特點(diǎn)。牛蹄塘組礦物組成主要以碎屑礦物和粘土礦物為主，其中還含有一定量的碳酸鹽巖、黃鐵礦和重晶石。其中碎屑礦物含量平均值為61.3%，碎屑礦物的成分主要為石英和長石，粘土礦物主要為伊利石和伊蒙混層礦物［11］。從粘土礦物成分來看，黔北地區(qū)下寒武統(tǒng)牛蹄塘組石英和粘土礦物為黑色泥頁巖的主要組成部分，它對頁巖吸附氣含量會(huì)有很大的影響。（見圖2.3-圖2.4）

2.1.2 山西組、延長組7段和大煤溝組7段分析

山西組頁巖中的脆性礦物礦物以石英和長石為主構(gòu)成，黏土礦物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為57.5%，其他礦物平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.97%。黏土礦物以伊利石和高嶺石為主，綠泥石和伊蒙混層質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低［13］。山西組主要為深黑色的泥頁巖，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)其中含有大量的有機(jī)質(zhì)。黏土礦物以高嶺石和伊利石為主，與美國Bossier頁巖相似，礦物組成中石英等脆性礦物含量較高，有利于通過壓裂等方法改造泥頁巖儲(chǔ)層滲透性。延長組7段多為黑色和深色泥巖。頁巖中礦物成分或者碎屑的成分主要為石英、長石、云母，而酸性噴出巖或者變質(zhì)巖等碎屑物質(zhì)含量則較少［2］。延長組7段與北美地區(qū)頁巖相比，長7段頁巖石英含量偏低，含量為27.75%，長石的含量偏高，達(dá)到26.28%，粘土礦物的含量也偏高42.11%。脆性礦物總量在36%～77%，平均57.2%［2］。大煤溝組7段主要為深黑色或者深色的頁巖，頁巖中富有機(jī)質(zhì)。根據(jù)三角圖的表征，發(fā)現(xiàn)大煤溝組7段頁巖出現(xiàn)含量兩大一小的現(xiàn)象，分別是硅質(zhì)礦物和粘土礦物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)比較大而碳酸鹽礦物含的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小。當(dāng)泥頁巖中的粘土礦物含量大的時(shí)候，頁巖中的相關(guān)粘土礦物對頁巖氣的吸附能力就越強(qiáng)，而當(dāng)頁巖中的脆性礦物含量大的時(shí)候，頁巖在后期當(dāng)中的頁巖氣的開采過程中更容易將頁巖壓裂。（見圖2.5-圖2.6）

2.1.3 小結(jié)

五組研究目標(biāo)中均符合高脆性礦物和高粘土礦物的特點(diǎn)，下馬嶺組頁巖易于壓裂開采，山西組難于壓裂難于開采。由于粘土礦物具有較強(qiáng)的吸附能力，綜合考慮來看，牛蹄塘組、延長組7段和大煤溝組7段為代表的湖湘沉積和淺海相沉積在利于頁巖氣的壓裂開采基礎(chǔ)上，具有更大的效益。

2.2 有機(jī)質(zhì)豐度

足夠的有機(jī)質(zhì)是形成油氣的物質(zhì)基礎(chǔ)并決定生烴能力的主要因素?？傆袡C(jī)碳含量（TOC）是國內(nèi)外普遍采用的有機(jī)質(zhì)豐度指標(biāo)［21］。

根據(jù)美國頁巖氣開采經(jīng)驗(yàn)，含氣頁巖的總有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)下限定在0.5%。根據(jù)“各組有機(jī)質(zhì)豐度（TOC）對比圖”來看，各組的有機(jī)質(zhì)豐度平均值均遠(yuǎn)大于下限值，所以單純從有機(jī)質(zhì)豐度角度來看，五組研究目標(biāo)均具有良好的頁巖氣開采價(jià)值。

圖3.7 各組有機(jī)質(zhì)豐度（TOC）對比圖［2，8，11，13，14］

2.3 有機(jī)質(zhì)成熟度

目前鏡質(zhì)反射率通常表征有機(jī)質(zhì)成熟度。根據(jù)鏡質(zhì)體反射率的大小，可將有機(jī)質(zhì)的演化程度分為四個(gè)階段：未成熟階段，成熟階段，高成熟階段和過成熟階段。不同階段的生烴機(jī)理和主要產(chǎn)物等會(huì)有所不同［21］。有機(jī)質(zhì)成熟度過低，有機(jī)質(zhì)未進(jìn)入生烴階段；成熟度過高，有機(jī)質(zhì)已過生烴階段，油氣經(jīng)長期運(yùn)移導(dǎo)致未能成藏。

圖2.8 各組有機(jī)質(zhì)成熟度（Ro）對比圖［2，8，11，13，14］

下馬嶺組和牛蹄塘組Ro＞2.0%，有機(jī)質(zhì)演化處于過成熟階段，生烴機(jī)理為熱裂解干氣作用。山西組2.0%＞Ro＞1.2%，有機(jī)質(zhì)演化處于高成熟階段，生烴機(jī)理為熱裂解濕氣作用，在該階段的主要產(chǎn)物都是都是甲烷及氣態(tài)同系物。延長組7段和大煤溝組7段的1.2%＞Ro＞0.5%，生烴機(jī)理為熱催化作用，有機(jī)質(zhì)演化處于成熟階段。

根據(jù)美國頁巖氣經(jīng)驗(yàn)，頁巖氣產(chǎn)地頁巖的有機(jī)成熟度大多數(shù)大于1.3%，在阿巴拉起亞盆地的西弗吉尼亞州南部最高可達(dá)4.0%，還有有頁巖氣的產(chǎn)出的地區(qū)頁巖的有機(jī)成熟度都比較高。下馬嶺組、牛蹄塘組、山西組、延長組7段和大煤溝組7段的有機(jī)質(zhì)成熟度依次降低，說明其生烴潛力依次下降。

2.4 有機(jī)質(zhì)類型

有機(jī)質(zhì)類型可以表征生成烴類的數(shù)量、烴類的類型、成油或成氣的門限值和烴類的形態(tài)（如油、凝析油或氣），不同類型的有機(jī)質(zhì)具有不同的生烴潛力。不同來源的有機(jī)質(zhì)會(huì)形成不同類型的干酪根，干酪根主要?jiǎng)澐譃槿齻€(gè)類型［21］。下馬嶺組和牛蹄塘組均以II型為主；山西組以III型為主；延長組7段以II型為主；

圖3.9 各組有機(jī)質(zhì)類型對比圖［2，8，11，13，14］

大煤溝組以I為主，II型和III為輔。I型和II型干酪根為美國頁巖氣生成的主要有機(jī)質(zhì)類型。下馬嶺組、牛蹄塘組、延長組7段和大煤溝組7段的頁巖的有機(jī)質(zhì)類型同美國生成頁巖氣的有機(jī)質(zhì)類型非常相似，有利于頁巖氣的形成。

3 結(jié)語

從陸相到淺海相到深海相環(huán)境，隨著水深不斷增大，脆性礦物含量越來越多，壓裂越來越容易。粘土礦物具有吸附游離頁巖氣的能力，頁巖氣的綜合效益并非脆性礦物越多越好，適當(dāng)?shù)拇嘈缘V物與粘土礦物比例，更利于頁巖氣的形成和聚集。各個(gè)地質(zhì)時(shí)期地層普遍發(fā)育頁巖氣的干酪根類型與美國的干酪根類型吻合，多數(shù)為I型和II型。

加強(qiáng)頁巖氣相關(guān)技術(shù)研發(fā)和提升管理水平，我國頁巖氣會(huì)快速發(fā)展。

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趙丁名（1991-），男，研究生在讀，主要從事沉積學(xué)及油氣勘探研究。