山西省海陸過渡相頁巖氣地質(zhì)評價及有利區(qū)優(yōu)選*

蘇育飛　張慶輝　屈曉榮　魏子聰　陳小棟

（山西省煤炭地質(zhì)勘查研究院）

山西省海陸過渡相頁巖氣地質(zhì)評價及有利區(qū)優(yōu)選*

蘇育飛張慶輝屈曉榮魏子聰陳小棟

（山西省煤炭地質(zhì)勘查研究院）

我國含氣頁巖分布廣泛、類型較多，其中海陸過渡相頁巖由于具有沉積環(huán)境不穩(wěn)定、區(qū)域分布不穩(wěn)定、垂向巖性變化大、有機質(zhì)類型差異較大、有機質(zhì)含量變化大等特點，評價工作相對較難。為此，以山西省石炭系—二疊系地層為研究對象，通過分析整理煤田鉆孔資料，鉆孔泥頁巖樣品、巖石學、有機地球化學等方面的實驗測試分析數(shù)據(jù)，系統(tǒng)研究了山西省海陸過渡相頁巖氣富集特征。結(jié)果表明：①山西省富有機質(zhì)泥頁巖厚度大，分布面積廣，埋藏深度適中；②源巖、儲層條件好，有利區(qū)面積廣，頁巖氣資源量大；③與煤層氣、致密砂巖氣疊置成藏。針對其地質(zhì)特征，同時參考海相頁巖的評價體系，將富有機質(zhì)泥頁巖厚度超過30 m、埋深超過1 000 m、TOC≥2.0%、Ro≥1.0%、氣含量超過1 m3/t等條件作為山西省頁巖氣有利區(qū)的選區(qū)標準，優(yōu)選山西省頁巖氣有利區(qū)，為下一步山西省頁巖氣勘探開發(fā)提供了指導性方向。圖4表1參10

海陸過渡相頁巖氣評價體系山西省有利區(qū)

1　概況

山西省全省面積15.7×104km2，其中含煤面積5.7×104km2，以儲藏有豐富的煤炭和煤層氣資源而聞名，境內(nèi)地層發(fā)育較為齊全，以五臺山—恒山—云中山、呂梁山、中條山及太行山等所出露的前寒武系為核心，向四周依次分布著寒武系、奧陶系；以云崗、寧武—靜樂、沁水及陜甘寧等構(gòu)造盆地中央分布的侏羅系、三疊系為中心，向四周依次出露二疊系、石炭系，二者相結(jié)合構(gòu)成本省境內(nèi)地層展布的基本格局［1-4］。

本次研究充分考慮海陸交互相頁巖體系中夾層（砂巖、灰?guī)r、煤層）的厚度及穩(wěn)定性［5］、所劃分的每個頁巖層段的可評價性等因素。選取本溪組鐵鋁巖段、太原組主采煤層、太原組石灰?guī)r段、山西組主采煤層以及山西組與下石盒子組分界砂巖作為各層段的界限，其中沁水煤田、西山煤田、霍西煤田及河東煤田中南部泥頁巖層系劃分了四個層段，第Ⅰ層段：山西組與下石盒子組分界砂巖底至山西組主采煤層頂；第Ⅱ?qū)佣危荷轿鹘M主采煤層底至灰?guī)r段頂；第Ⅲ層段：太原組石灰?guī)r段；第Ⅳ層段：太原組主采煤層底至鐵鋁巖段頂。大同煤田、寧武煤田以及河東煤田北部泥頁巖層系劃分了三個層段：第Ⅰ層段：山西組與下石盒子組分界砂巖底至山西組主采煤層頂；第Ⅱ+Ⅲ層段：山西組主采煤層底至太原組主采煤層頂；第Ⅳ層段：太原組主采煤層底至鐵鋁巖段頂。

本次研究以所劃分的層段為單位，分別評價各層段的頁巖空間展布特征、有機地化特征、儲層物性、地質(zhì)條件配置等地質(zhì)基礎量，劃分各層段頁巖氣勘探開發(fā)有利區(qū)，進而評價整個區(qū)域的頁巖氣資源潛力。

2　研究方法

2.1基礎資料收集

收集了煤炭、地礦、石油等系統(tǒng)在山西省開展的地質(zhì)、礦產(chǎn)普查資料以及地層、沉積、構(gòu)造等專題研究成果，共查閱收集了煤炭地質(zhì)勘查報告100余件，鉆孔600余口。

2.2鉆孔巖芯采樣

選擇了全省55個煤田鉆孔進行了泥頁巖采樣工作，共采集樣品2 032塊，其中采樣深度超過1 000 m的鉆孔有23個樣品數(shù)，占到了總采樣數(shù)的40%，采樣點分布較均勻。

2.3調(diào)查井及相配套工作

共實施5口頁巖氣調(diào)查井，其中沁水煤田3口，河東煤田2口。5口調(diào)查井累計進尺7 872.82 m，全部為全孔取芯井，其中目的層段平均巖心采取率為96%，終孔層位為山西省含煤地層的基底奧陶系五峰組地層中，同時配套進行錄井、采樣測試等相關地質(zhì)工作。各調(diào)查井所在區(qū)域地層保存完整，構(gòu)造簡單，基本可代表山西省頁巖氣藏的地質(zhì)情況。

2.4實驗測試

試驗測試項目的選擇以及測試方法依據(jù)全國頁巖氣資源戰(zhàn)略調(diào)查先導試驗區(qū)《頁巖氣實驗測試技術要求（試行）》（國土資源部油氣資源戰(zhàn)略研究中心，2010）的相應要求執(zhí)行，其中現(xiàn)場含氣量測試依據(jù)煤層氣含量測定方法（GB/T 19559—2008），對采集的泥頁巖樣品從巖石學分析、地球化學分析、含氣性分析等三個方面進行了有機碳含量、成熟度、含氣量等17項試驗測試分析。

采取的泥頁巖樣品由中國礦業(yè)大學（徐州）的煤層氣資源與成藏過程教育部重點實驗室和山西省地質(zhì)礦產(chǎn)研究院承擔化驗測試。

3　泥頁巖空間展布特征

3.1厚度發(fā)育特征

3.1.1泥頁巖厚度統(tǒng)計原則

泥頁巖厚度統(tǒng)計工作以層段為統(tǒng)計單元，分別統(tǒng)計各個層段的暗色泥頁巖厚度。為客觀評價山西省頁巖氣資源潛力、圈定頁巖氣有利區(qū)作準備，綜合研究區(qū)泥頁巖發(fā)育特征，泥頁巖厚度統(tǒng)計采用以下原則：

（1）泥頁巖厚度統(tǒng)計以劃分的層段為統(tǒng)計單元，選取泥頁巖連續(xù)發(fā)育的泥頁巖段作為厚度統(tǒng)計的基礎。

（2）泥頁巖段必須為泥頁巖層，可包含厚度小于3m的砂巖、厚度小于m的灰?guī)r及非主采煤層，3m以上的砂巖和1 m以上的石灰?guī)r作為泥頁巖段的分界。整體呈泥頁巖夾砂巖（石灰?guī)r、煤層）的形態(tài)。

（3）劃分的泥頁巖段中泥頁巖的比例必須大于等于60%，且同時要求頂部5 m及底部5 m的泥頁巖小段泥地比必須大于等于60%，如不滿足，則重新劃分，直至滿足。

（4）若層段內(nèi)發(fā)育的泥頁巖段均小于10 m，或者大于10 m的泥頁巖段僅有一個，即各泥頁巖段被厚度大于等于3 m的砂巖或厚度大于等于1 m的石灰?guī)r隔開，則選取厚度最大的泥頁巖段作為本層段的統(tǒng)計結(jié)果；若層段內(nèi)發(fā)育多個厚度大于10 m的泥頁巖段，則取大于10 m的各個泥頁巖段厚度之和作為本層段的統(tǒng)計結(jié)果。

3.1.2泥頁巖厚度展布特征

山西省富有機質(zhì)泥頁巖總厚較大，但單層厚度較小，各層段中泥頁巖厚度一般在10～50 m范圍內(nèi)，由于海陸交互相沉積環(huán)境變化較為迅速，各含煤盆地中各層段泥頁巖厚度變化亦較大，泥頁巖厚度分布不穩(wěn)定。在各含煤盆地中，沁水盆地與河東煤田泥頁巖厚度較大，其中沁水盆地第Ⅱ?qū)佣闻c河東煤田第Ⅳ層段暗色泥頁巖發(fā)育最好，大部分在30m以上，平均厚36m，大同煤田在各含煤盆地中暗色泥頁巖厚度較小，各層段泥巖厚度一般在30m以下。

3.2泥頁巖埋深特征

山西省各含煤盆地均為中生代形成，盆地基本構(gòu)造特征主要受中生代構(gòu)造所控制，均為向斜構(gòu)造，石炭系—二疊系暗色泥頁巖埋深特征主要受各含煤盆地構(gòu)造特征的控制，總體呈現(xiàn)出盆地中心埋深大，逐漸盆地邊緣遞減的變化特征。

石炭系—二疊系暗色泥頁巖埋藏深度主要介于0～3 000 m，自盆地邊緣至盆地中心，埋深逐漸增大。其中沁水盆地中石炭系—二疊系處于頁巖氣最佳埋深（大于1000 m）的區(qū)域面積最大，約為16 832 km2，其次為河東煤田，為11 179 km2，大同盆地中石炭二疊系埋藏深度太小，小于1000m，最不利于頁巖氣成藏。

4　巖石學特征

4.1薄片鑒定

在顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，泥頁巖樣品整體為泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，成分不均勻，填隙物中由微小石英顆粒和針狀白云母組成，含有較多不透明礦物，其中黃鐵礦顆粒較大，局部集中分布或條帶狀分布，多為半自形粒狀，黑色，反射光下金屬光澤，淺黃銅色；碳質(zhì)物分布較為均勻，不規(guī)則浸染狀，反射光下無光澤；膠結(jié)物以黏土礦物為主（圖1）。

圖1　泥頁巖樣品顯微鏡觀察圖

4.2礦物成分與脆性系數(shù)

泥頁巖的礦物組成一般以石英或黏土礦物為主，此外還包括方解石、白云石等碳酸鹽巖礦物以及長石、黃鐵礦和少量石膏等礦物。黏土礦物包括高嶺石、伊利石、綠泥石、伊蒙混層等，含少量蒙脫石或不含蒙脫石。

本次研究主要通過X射線衍射（XRD）技術，對頁巖全巖及黏土的物質(zhì)組成進行分析，全巖X衍射實驗結(jié)果見表1，從表1可以發(fā)現(xiàn)其礦物成分呈現(xiàn)出黏土礦物含量高，石英與方解石含量偏低的特征。黏土礦物中以高嶺石與伊利石為主。在平面上，各含煤盆地中各礦物成分含量變化較小，黏土礦物一般在50%以上，石英含量一般在35%左右。依據(jù)脆性系數(shù)計算公式［7］計算，山西省各層段泥頁脆性系數(shù)一般在33%～50%之間，其中河東煤田與大同盆地泥頁巖脆性系數(shù)較高，一般在40%以上，其余含煤盆地脆性系數(shù)較低，一般在30%～40%之間?？傮w而言，山西省各含煤盆地中暗色泥頁巖較適合壓裂，脆性系數(shù)均高于現(xiàn)行的頁巖氣有利區(qū)脆性標準（30%）［8］。

表1　山西省泥頁巖礦物成分及脆性系數(shù)表

4.3孔裂隙發(fā)育特征

泥頁巖儲層孔隙是頁巖氣的重要儲集空間，孔容、孔比表面積的大小是判斷儲氣空間的重要參數(shù)?？紫兜男螒B(tài)特征決定了單孔之間的連通性，它決定了儲氣場所和氣體運移通道的之間的聯(lián)系。儲層裂縫是頁巖氣運移的重要通道，它既是連通孔隙、解吸氣流的重要通道，也是游離氣的重要儲藏空間。

本次研究主要通過壓汞和低溫液氮實驗，對山西省石炭系—二疊系暗色泥頁巖孔裂隙進行定量分析，測試結(jié)果顯示泥頁巖的孔徑主要以小于100nm為主（圖2），泥頁巖孔隙以小孔為主，孔隙度一般介于1%～9%，在各盆地中沁水盆地泥頁巖孔隙度較小，一般介于1%～3%。而河東煤田孔隙度較大，均值在4%左右，寧武盆地泥頁巖孔隙度均值在2.5%左右。在孔徑分布方面，各含煤盆地泥頁巖主要以小于100 nm的孔隙最為發(fā)育，而這種孔隙結(jié)構(gòu)有利于吸附氣的存儲。

圖2　泥頁巖孔徑分布直方圖

通過掃描電鏡對泥頁巖樣品的有機質(zhì)形態(tài)、孔隙發(fā)育特征及其連通性進行觀察，發(fā)現(xiàn)主要發(fā)育大量黏土礦物、碎屑礦物以及薄片狀有機質(zhì)，且發(fā)育的孔隙主要為有機質(zhì)孔、碎屑礦物間的微裂隙及黏土礦物層間裂隙等類型（圖3）。

圖3　泥頁巖樣品的電鏡掃描圖

綜上分析表明，山西省泥頁巖儲層的物性特征較差，泥頁巖整體以泥質(zhì)結(jié)構(gòu)為主，黏土礦物膠結(jié)，礦物組成中黏土含量較高，脆性系數(shù)偏低；孔隙間填隙物中由微小石英顆粒和針狀白云母組成，且以小孔為主，孔隙連通性差，影響頁巖氣游離氣的含量，有利于吸附氣的存儲。因此，在后期開發(fā)中需要選擇合適的儲層改造技術。

5　有機地化特征

5.1有機碳含量

有機碳是指存在于頁巖有機質(zhì)中的碳，是頁巖氣聚集最重要的控制因素之一。總有機碳含量（TOC）越高，生烴潛力越大，單位面積內(nèi)泥頁巖的含氣性也越高，一定程度上也有利于甲烷的吸附［9］。本次研究中有機碳含量的測試是通過CS-230、CS-800紅外碳硫儀來測定，實驗測試樣品為5～10 g，碾磨至60目。

山西省各含煤盆地泥頁巖均形成于海陸交互相沉積環(huán)境，TOC均值相對較高，但分布不集中，TOC介于0.1%～30%。其中寧武盆地TOC均值最大，達3.5%；其次為沁水盆地，TOC平均為3.09%?；粑髅禾颰OC最小，但均值也達到了2.3%。綜合分析，山西省各含煤盆地泥頁巖TOC介于2%～4%，較高的TOC保證了泥頁巖的生氣能力與存儲氣體的能力，就TOC角度而言，山西省各含煤盆地有著較好的頁巖氣勘探開發(fā)前景。

5.2有機質(zhì)類型

由于石炭系—二疊系泥頁巖有機質(zhì)成熟度較高，本次研究主要采用有機巖石學評價方法進行有機質(zhì)類型評價。

干酪根顯微組分統(tǒng)計結(jié)果表明，山西省石炭系—二疊系泥頁巖顯微組分包括了鏡質(zhì)組、惰質(zhì)組和殼質(zhì)組，以鏡質(zhì)組含量最高，每個層段鏡質(zhì)組含量平均值分別為88.1%、82.6%、93.0%和87.9%，惰質(zhì)組含量次之，殼質(zhì)組含量較低，基本小于1%，表明石炭系—二疊系泥頁巖有機質(zhì)類型主要為Ⅲ型干酪根。這一結(jié)論與第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ層段泥頁巖較低的類型指數(shù)值相吻合，各層段TI平均值分別為-76.2、-73.4、-76.1和-76.2。一般來說，相較于其它顯微組分，鏡質(zhì)組更有利于生氣，且其對甲烷吸附能力更強。因此，從顯微組分來看，石炭系—二疊系泥頁巖對于頁巖氣生成和儲集非常有利。

5.3有機質(zhì)成熟度

有機質(zhì)成熟度是有機質(zhì)演化程度的衡量指標，反映有機質(zhì)是否已經(jīng)進入熱成熟生氣階段（生氣窗），有機質(zhì)進入生氣窗后，生氣量劇增，有利于形成商業(yè)性頁巖氣藏。本次實驗測試依據(jù)標準為SY/ T 5124—1995《沉積巖中鏡質(zhì)組反射率的測定方法》，利用Leica DM4500P/DFC450C儀器，將泥頁巖樣品制作成光片，在油浸條件下進行鏡質(zhì)組反射率的測定。

實驗結(jié)果表明：山西省石炭系—二疊系暗色泥頁巖有機質(zhì)成熟度較高，處于成熟—過成熟階段，地史時期中已有大量的熱解氣生成，有利于頁巖氣的賦存富集。在各含煤盆地中，沁水盆地與霍西煤田有機質(zhì)成熟度最高，介于2%～4%，這主要與燕山期構(gòu)造熱運動有關；寧武盆地與河東煤田泥頁巖有機質(zhì)成熟度與現(xiàn)今埋深有著較大相關度，有機質(zhì)成熟度一般介于1%～2.5%；大同盆地中泥頁巖成熟度較低，一般為1%左右。

6　有利區(qū)優(yōu)選

（1）泥頁巖厚度

由于海陸過渡相沉積環(huán)境的不穩(wěn)定，頁巖體系在垂向上巖性變化，常與砂巖/粉砂巖互層，為保證體系中暗色泥巖所占的比例，引入“泥地比”這一評價指標。在《頁巖氣資源潛力評價方法與有利區(qū)優(yōu)選標準操作手冊》（討論稿）中也將“泥地比大于60%，單層泥巖厚度大于5 m且連續(xù)厚度不小于30 m”作為一個厚度方面的評價指標之一。因此在本次研究中，在有夾層的情況中，將泥地比大于60%，連續(xù)厚度不小于30 m作為厚度的評價標準，且所夾砂巖厚度小于3 m，石灰?guī)r厚度小于1 m。

（2）埋深

北美頁巖氣開發(fā)較為成功的地區(qū)頁巖埋藏深度介于1 000～3 500 m。因此，本次研究有利區(qū)埋深的標準定為大于等于1 000 m。

（3）總有機碳含量

美國海相頁巖有利區(qū)評價體系及中國南方頁巖有利區(qū)評價體系均將TOC含量大于2%作為有機質(zhì)豐度的評價標準，本次研究將頁巖層段TOC加權平均值≥2.0%作為有利區(qū)優(yōu)選標準。

其中，加權平均TOC=（各層頁巖TOC×相應厚度+各煤層對應厚度×TOC含量+0.11×所夾灰?guī)r厚度+砂巖TOC×相應厚度）/層段總厚度

（4）鏡質(zhì)組反射率

相比于海相頁巖干酪根類型以Ⅰ型、Ⅱ型為主，海陸過渡相頁巖干酪根類型以Ⅲ為主，美國五大盆地海相頁巖有利區(qū)成熟度Ro的評選標準一般為大于1.2%（Xia Wen wu等，2009），此階段Ⅰ型干酪根和Ⅱ型干酪根生油量開始降低，生氣量逐漸增加，而對于Ⅲ型干酪根自進入低成熟期開始（Ro＞0.7）就以生氣為主，鑒于此，認為海陸過渡相頁巖有機質(zhì)成熟度進入低成熟階段時（Ro值大于0.7），其生氣量就達到有利區(qū)評選標準，本次研究將Ro＞1.0，作為海陸過渡相頁巖有利區(qū)有機質(zhì)成熟度的下限。

（5）含氣量

參考《頁巖氣資源潛力評價方法與有利區(qū)優(yōu)選標準操作手冊》（討論稿），本次研究將海陸過渡相頁巖有利區(qū)含氣量評選標準定為1.0 m3/t。

綜合頁巖厚度、埋深、含氣量、有機質(zhì)豐度、有機質(zhì)演化程度等指標，疊合四個層段有利區(qū)，劃分出山西省頁巖氣有利區(qū)（圖4），主要集中在四個區(qū)域：①沁水盆地北部壽陽縣一帶；②沁水盆地中部武鄉(xiāng)縣一帶；③河東煤田南部大寧縣—蒲縣—吉縣一帶；④寧武盆地南部靜樂縣—嵐縣一帶。

7　結(jié)論

（1）山西省富有機質(zhì)泥頁巖總厚較大，但單層厚度較小，各層段中泥頁巖厚度一般在10～50 m范圍內(nèi)，在各含煤盆地中，沁水盆地與河東煤田泥頁巖厚度較大，其中沁水盆地第Ⅱ?qū)佣闻c河東煤田第Ⅳ層段暗色泥頁巖發(fā)育最好，平均厚36 m。

（2）山西省泥頁巖儲層的物性特征較差，泥頁巖整體以泥質(zhì)結(jié)構(gòu)為主，黏土礦物膠結(jié)，礦物組成中黏土含量較高，脆性系數(shù)偏低，孔隙間填隙物中由微小石英顆粒和針狀白云母組成，且以小孔為主，孔隙連通性差，影響頁巖氣游離氣的含量；山西省泥頁巖有機地化條件好，有機質(zhì)豐度高，各含煤盆地泥頁巖TOC介于2%～4%，有機質(zhì)類型以Ⅲ型干酪根為主，有機質(zhì)成熟度較高，處于成熟—過成熟階段；現(xiàn)場解吸和氣測錄井表明石炭系—二疊系泥頁巖含氣性較好，實測含氣量為1 m3/t左右。

（3）綜合泥頁巖厚度、埋深、TOC、Ro和含氣性特征，優(yōu)選出了山西省頁巖氣有利勘查區(qū)，主要集中在沁水盆地北部壽陽縣一帶、沁水盆地中部武鄉(xiāng)縣一帶、河東煤田南部大寧縣—蒲縣—吉縣一帶以及寧武盆地南部靜樂縣—嵐縣一帶等四個區(qū)域。

（4）山西省海陸過渡相頁巖氣與煤層氣、致密砂巖氣共探共采是其開發(fā)方向。

圖4　山西省頁巖氣有利區(qū)優(yōu)選圖

［1］董大忠，鄒才能，李建忠，等.頁巖氣資源潛力與勘探開發(fā)前景［J］.地質(zhì)通報，2011，30（2-3）：324-336.

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（修改回稿日期2016－06－18編輯王曉清）

山西省煤炭可持續(xù)發(fā)展基金-山西省頁巖氣地質(zhì)調(diào)查及評價項目（2156301）。

蘇育飛，男，1985年出生，山西晉城人，碩士，工程師；主要從事頁巖氣、煤層氣、煤炭相關地質(zhì)研究工作。地址：（030000）山西省太原市晉陽街170號匯鏹磁材大廈。電話：13485308410。E-mail：281967976@qq.com