鄂爾多斯盆地東緣太原組頁巖氣成藏特征

周 帥，陳尚斌，2，司慶紅，韓宇富，張 超

(1.中國礦業(yè)大學，江蘇 徐州 221116；2.煤層氣資源與成藏過程教育部重點實驗室，江蘇 徐州 221116；3.天津地質調查中心礦產資源調查院，天津 300170)

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鄂爾多斯盆地東緣太原組頁巖氣成藏特征

周 帥1，陳尚斌1，2，司慶紅3，韓宇富1，張 超3

(1.中國礦業(yè)大學，江蘇 徐州 221116；2.煤層氣資源與成藏過程教育部重點實驗室，江蘇 徐州 221116；3.天津地質調查中心礦產資源調查院，天津 300170)

以鄂爾多斯盆地東緣海陸過渡相太原組泥頁巖為研究對象，通過野外調查和實驗測試，分析太原組泥頁巖的空間展布、儲層地球化學與物性特征以及頁巖氣成藏特征，估算頁巖氣資源潛力。研究認為：鄂爾多斯盆地東緣太原組泥頁巖沉積于三角洲平原和潮坪—潟湖環(huán)境，沉積厚度為30～70 m，自東向西變??；泥頁巖有機質為Ⅲ型干酪根，有機碳含量為4.06%，成熟度為0.90%～2.40%，處于中等—過成熟階段；儲層孔隙以微孔為主，脆性礦物含量超過45%，具較好的頁巖氣源巖和儲層條件；頁巖氣藏主要為深埋熱作用與巖漿熱作用疊加的熱成因型氣藏，形成于早白堊世的生烴高峰期。采用體積法估算頁巖氣資源量約為1.924 3×1012m3；初步優(yōu)選出臨縣—興縣和石樓—隰縣—大寧—蒲縣等2個勘探有利區(qū)，有利區(qū)頁巖氣資源潛力約為0.92×1012m3，該研究為鄂爾多斯盆地東緣頁巖氣勘探開發(fā)提供了依據。

海陸過渡相頁巖氣；成藏特征；資源潛力；太原組；鄂爾多斯盆地東緣

0 引 言

中國富有機質泥頁巖廣泛發(fā)育，頁巖氣資源潛力巨大，頁巖氣儲層按沉積條件可分為海相頁巖、陸相頁巖和海陸過渡相頁巖3種類型[1-2]。中國頁巖氣可采資源總量約為25.08×1012m3，其中海陸過渡相頁巖氣可采資源量達到8.97×1012m3，主要勘探區(qū)域為南華北盆地、鄂爾多斯盆地和銀額盆地。前期勘探和試井生產顯示鄂爾多斯盆地臨興地區(qū)煤層氣、頁巖氣和致密砂巖氣(海陸過渡相地層)勘探開發(fā)具有良好的前景，近期在鄂爾多斯盆地石炭—二疊系見工業(yè)氣流，鄂爾多斯北部地區(qū)鄂頁1井經壓裂改造后在太原組獲得1.95×104m3/d的穩(wěn)定產量[3]。鄂爾多斯盆地東緣海陸過渡相太原組泥頁巖分布范圍大、厚度連續(xù)性好，具備較好的頁巖氣成藏基礎條件。分析其儲層成藏特征，估算頁巖氣資源潛力，優(yōu)選勘探有利的“甜點區(qū)”，為研究區(qū)頁巖氣勘探開發(fā)提供依據。

1 地質背景

研究區(qū)鄂爾多斯盆地東緣位于山西省西部，西、北以黃河為界，東、南以離石—紫金山斷裂帶為界，南北長約為400 km，東西寬約為80 km，總面積約為17 174 km2。地層總體向西偏南傾斜，自東向西依次出露石炭系、二疊系和三疊系地層。以離石—紫荊山斷裂帶為主斷裂線，北部為走向近南北、西傾的河東單斜，中部離石形成東部翹起、向西傾沒的鼻狀構造，發(fā)育離石向斜和玉家會背斜，南部內部呈現背斜向斜相間的構造，東側邊緣地層傾角較大，形成褶皺撓曲帶。

晚石炭世—二疊紀末，海西運動主導多期次海進海退，沉積了海陸過渡相為主的太原組地層。中生代以來，鄂爾多斯盆地東緣經歷了3個構造演化階段[4]：三疊紀—侏羅紀，地層穩(wěn)定沉積，未形成較大褶皺；早侏羅世之后，庫拉—太平洋板塊向華北板塊俯沖，形成北東向擠壓應力，同時地殼垂直運動加強，形成東隆西坳的構造格局，區(qū)內表現為西傾單斜；新生代期間，喜山運動形成北東—南西向張應力，在研究區(qū)南部形成鄉(xiāng)寧褶皺撓曲帶。

2 太原組頁巖氣儲層特征

2.1 儲層發(fā)育特征

2.1.1 巖相及沉積環(huán)境

北部扒樓溝和南部甘草山太原組剖面實測表明：太原組巖性以深灰色、黑色泥巖與深灰色灰?guī)r為主；底部以薄層石英砂巖與本溪組分界；下部為淺灰色泥巖、泥頁巖夾薄層細砂巖；中部為深灰色厚層含燧石結核生屑灰?guī)r夾泥巖；上部為深灰色、黑色泥巖和淺灰色中厚層中細粒石英砂巖；頂部以深灰色、灰黑色砂質泥巖與山西組巖屑石英雜砂巖分界(圖1)。

太原組沉積南北不同，北部下段以潟湖、潮坪與三角洲交互沉積為主，上段為河流沉積；南部下段以潟湖潮坪、障壁島沉積為主，上部為三角洲平原和前緣沉積。太原組泥頁巖主要發(fā)育于三角洲平原沼澤微相和潟湖沼澤微相，其中前者頁巖厚度連續(xù)性好，有機質含量較高，是主要的頁巖氣儲層段。

圖1 河東煤田太原組柱狀圖

2.1.2 空間發(fā)育特征

太原組全區(qū)廣泛發(fā)育，厚度穩(wěn)定。據區(qū)內實測3條剖面和收集的9個煤田鉆井資料統(tǒng)計：太原組厚度為60.46～126.00 m，平均為87.33 m，其中泥頁巖厚度為20.15～71.07 m，平均為38.67 m。太原組巖性南北差異較大，自北向南沉積物中砂泥巖含量減少且粒度變細，煤層厚度減薄，灰?guī)r厚度增加。太原組泥頁巖厚度具有自北向南、自東向西變薄的趨勢，富有機質泥頁巖主要發(fā)育在太原組中上段，厚度連續(xù)穩(wěn)定；太原組下段也發(fā)育泥頁巖，但分層多，有機質含量相對較低，且區(qū)域上連續(xù)性不如上段。

2.2 儲層有機地化特征

熱解和殘?zhí)糠治霰砻鳎禾M泥頁巖熱解峰溫分別為411.6、440.8、471.6、464.1 ℃，氫指數分別為45.24、17.34、8.04、6.81 mg/g，可知太原組泥頁巖有機質類型為Ⅲ型。

TOC測試表明，太原組泥頁巖TOC為1.38%～14.37%(一般為1.38%～3.19%)，平均為4.06%(TOC異常高值樣可能受煤層影響)(表1)。

表1 太原組泥頁巖TOC分布

根據同組煤測試結果[5]，成熟度為中等至過成熟階段；北部TOC較低，為0.90%～1.20%，南部TOC較高，為1.50%～2.50%，因埋深差異亦呈現出西高東低的趨勢。總體而言，太原組泥頁巖具有較好的生烴條件。

2.3 儲層物性特征

2.3.1 物質組成

樣品全巖及黏土礦物X射線衍射分析實驗表明，礦物組成主要以黏土和石英為主。黏土礦物含量為20.9%～65.2%，平均為48.7%，主要由伊/蒙混層和高嶺石組成；石英含量為33.5%～61.7%，平均為45.3%，另含有少量方解石和黃鐵礦。石英和碳酸鹽巖等脆性礦物含量是影響頁巖基質孔隙和微裂縫發(fā)育、含氣性及壓裂改造的重要因素[6]，區(qū)內儲層脆性指數達到45%，有很好的壓裂改造潛力[7]。

2.3.2 孔裂隙結構

太原組泥頁巖孔隙主要發(fā)育粒間孔(圖2a—c)和微裂縫(圖2d)，孔徑一般小于5 μm，粒間孔孔隙之間連通性較好；微裂縫寬度較小，伸展較長。頁巖內部存在的微孔隙和微裂隙較多，頁巖儲層有較強的吸附能力[2]。

圖2 太原組泥頁巖SEM鏡下照片

高壓壓汞實驗和低溫液氮吸附實驗測試表明，鄂爾多斯盆地東緣太原組的孔容為0.016 9～0.069 4 mL/g，平均為0.035 3 mL/g，比表面積為5.92～15.98 m2/g，平均為9.24 m2/g；孔隙度為3.38%～12.52%，平均為6.87%；平均孔徑為8.3～15.0 nm(表2)。

表2 太原組泥頁巖高壓壓汞、低溫液氮測試統(tǒng)計

圖3為太原組頁巖巖樣高壓壓汞曲線和低溫液氮吸附曲線。根據退汞曲線近于平行，退汞量較少，滯留汞量大的特點，可知孔隙以開放型為主，封閉或半封閉孔較少；進汞曲線上對應較大孔徑的低壓段進汞較少，指示大孔含量較少；進汞曲線高壓段和液氮吸附線相對低壓段有較大的吸附量，反映有較多的微孔；液氮等溫吸附曲線屬于H2型，含有較多的不規(guī)則孔隙；相對壓力為0.2～0.7段吸附量增加緩慢，孔隙的連續(xù)性較差，脫附曲線存在明顯的轉折點，顯示含有一定“墨水瓶”型孔隙。

圖3 太原組頁巖樣壓汞曲線和液氮吸附曲線

3 頁巖氣成藏過程

3.1 海陸過渡相頁巖氣成藏特殊性

近年來的頁巖氣勘查研究工作已初步形成了海相頁巖氣成藏評價體系，而海陸過渡相頁巖氣評價較為復雜，目前尚處于起步階段。海陸過渡相儲層由于沉積環(huán)境的橫向變化大，導致在同一盆地中往往出現多個沉積中心，頁巖厚度和分布不穩(wěn)定。平面上表現為富有機質頁巖厚度、有機質類型和有機碳含量變化大；縱向上垂向巖性變化不穩(wěn)定，由于沉積環(huán)境變化較快，導致富有機質頁巖單層厚度較小且常與砂巖或者灰?guī)r互層，影響儲層空間發(fā)育和封蓋性能。鑒于海陸過渡相頁巖的特殊性，需要從頁巖的生烴、儲層特征和保存等方面建立適合海陸過渡相頁巖氣的成藏評價體系(表3)。

表3 太原組泥頁巖高壓壓汞、低溫液氮測試統(tǒng)計

3.2 頁巖氣成藏過程

李艷霞[8]等人應用流體包裹體均一化溫度資料，采用Basin Model-ID盆地分析軟件對鄂爾多斯東部地區(qū)太原組進行了生排烴模擬，認為太原組海陸過渡相頁巖氣成藏過程主要經歷初始生烴、排烴高峰及生烴終止3個時期。

(1) 初始生烴期。早三疊世(210 Ma)時期，北部區(qū)域埋深較淺，演化程度低，尚未開始生烴；南部源巖Ro達到0.70%～0.72%，開始生烴，但生烴量有限，頁巖氣多局限吸附于巖石中有機質和黏土礦物顆粒表面。

(2) 排烴高峰期。早侏羅世(200～175 Ma)時期，北部Ro達到0.70%～0.90%，開始生烴；南部受燕山期巖漿活動影響，Ro達到1.03%，進入第1個生烴高峰，天然氣在有機質和黏土礦物顆粒表面達到吸附飽和后，在微裂隙中充填富集。早白堊世(140.0～97.5 Ma)再次進入排烴高峰(現今成熟度北部為0.90%～1.20%，南部達到1.50%～2.50%)，天然氣持續(xù)生成。

(3) 生烴終止期。早白堊世結束后(97.5 Ma)，鄂爾多斯盆地東部抬升，中生界部分層系遭受剝蝕，古地溫降低，烴源巖停止生烴。

綜上可知，頁巖氣主要形成于早白堊世的生烴高峰期，并體現出深埋熱作用與巖漿熱作用疊加的熱成因型成藏特征。

3.3 頁巖氣保存條件

頁巖氣屬自生自儲式成藏，滲透率低，運移距離短，頁巖氣成藏幾乎沒有運、聚過程[9]。泥頁巖達到一定厚度，其保存不需要蓋層即可形成自封閉頁巖氣藏[10]。研究區(qū)內太原組的巖性主要為灰色、灰黑色泥頁巖和泥質灰?guī)r，厚度連續(xù)性較好，內部又夾有煤層，上部為生屑灰?guī)r或泥灰?guī)r封蓋，向下有本溪組鐵質鋁土巖封堵，不易散失。從儲層條件來看，富有機質頁巖氣藏主要分布在北部地區(qū)的太原組中段和南部的中上段。

研究區(qū)構造簡單，主體為平緩的單斜，只在邊界附近斷裂發(fā)育，對頁巖氣藏的影響較弱。早白堊世后，鄂爾多斯盆地東部抬升，太原組上覆地層遭受剝蝕。但據區(qū)內鉆井資料統(tǒng)計，太原組埋深為300～3 000 m，主體在1 000～2 500 m，頁巖氣的保存較好。

4 資源潛力計算與有利區(qū)優(yōu)選

4.1 資源潛力計算參數的確定

根據《頁巖氣資源/儲量計算與評價技術規(guī)范》(DZ/T 0254-2014)，研究區(qū)勘查程度中等，資源量估算采用體積法。其計算公式為：

Gz=0.01AghρyCz

(1)

Cz≈Cx+Cy

(2)

式中：Gz為頁巖氣總地質儲量，108m3；Ag為含氣面積，km2；h為頁巖有效厚度，m；ρy為頁巖質量密度，t/m3；Cz、Cx、Cy分別為頁巖總含氣量、吸附含氣量、游離含氣量，m3/t。

研究區(qū)構造簡單，平均坡度小于1 °，Ag可依照平面面積計算；h可根據野外資料和鉆井數據，繪制頁巖厚度等值線圖進行計算；據中國礦業(yè)大學的測試結果，頁巖質量密度取值為2.63 g/cm3；區(qū)內太原組沉積、巖性及埋深等特征與鄰區(qū)沁水盆地相似，頁巖含氣量可借鑒其測試結果，根據等溫吸附實驗的推算[11]，本次采用Cz為1.75 m3/t。

4.2 資源潛力評價與計算

估算全區(qū)頁巖氣潛在資源量為1.924 3×1012m3，埋深小于500 m的區(qū)域封蓋保存條件差，沒有進行資源量計算；埋深為500～1 000 m的資源量為0.340 1×1012m3，埋深為1 000～2 000 m的資源量為1.085 3×1012m3，埋深大于2 000 m的資源量為0.498 9×1012m3。

4.3 有利區(qū)優(yōu)選

據《頁巖氣資源/儲量計算與評價技術規(guī)范》可知：研究區(qū)內有機碳含量高、熱演化程度中—高等；脆性礦物含量高、孔隙度中等；埋深以中淺層為主，構造條件簡單，具備較好的頁巖氣成藏條件。儲層孔隙發(fā)育較好，TOC、Ro以及含氣量等關鍵參數均達到標準，此次有利區(qū)優(yōu)選主要考慮頁巖厚度和埋深。考慮海陸過渡相太原組泥頁巖夾層問題，選定有利區(qū)頁巖厚度大于40 m，有利區(qū)埋深定為1 000～4 500 m。據此，優(yōu)選出2個有利區(qū)：臨縣—興縣有利區(qū)和石樓—隰縣—大寧—蒲縣有利區(qū)(圖4)，有利區(qū)頁巖氣資源潛力約為0.92×1012m3。

圖4 鄂爾多斯盆地東緣太原組埋深、泥頁巖厚度等值線及有利區(qū)優(yōu)選

(1) 臨縣—興縣有利區(qū)。位于離石紫荊山斷裂帶西側，面積約為1 356.6 km2，富有機質頁巖厚度達40～60 m，TOC含量高，Ro(0.90%～1.20%)屬中等成熟度階段，埋深為1 000～2 000 m。區(qū)塊內構造為河東單斜，東部受斷裂帶作用，泥頁巖裂隙發(fā)育，有利于增加頁巖中游離氣的含量。采用體積法估算該區(qū)頁巖氣資源潛力約為0.21×1012m3。

(2) 石樓—隰縣—大寧—蒲縣有利區(qū)。位于離石斷裂帶的西側和鄉(xiāng)寧褶皺帶的北部，面積約為3 937.36 km2，富有機質頁巖厚度達40～70 m，TOC含量高，Ro為1.20%～2.50%，屬過成熟階段，埋深為1 000～2 500 m。區(qū)塊內構造相對復雜，受喜山運動的影響，發(fā)育NNE至NE向的小褶皺帶，泥頁巖中孔裂隙發(fā)育。估算該區(qū)頁巖氣資源潛力約為0.71×1012m3。

5 結 論

(1) 鄂爾多斯盆地東緣太原組屬于海陸過渡相沉積，南部為濱淺海潮坪—潟湖、障壁島沉積，北部為濱海河流平原沉積。主要巖性為灰色、灰黑色泥頁巖和泥質灰?guī)r。太原組頁巖厚度約為17.0～71.0 m，平均為36.7 m，具東厚西薄的展布特征。

(2) 太原組頁巖有機碳含量高、熱演化程度為中—高等；脆性礦物含量高、孔隙度中等；埋深以中淺層為主，構造條件簡單，具備較好的頁巖氣成藏條件。

(3) 太原組頁巖氣藏為深埋熱作用與巖漿熱作用疊加的熱成因型氣藏，主要形成于早白堊世的生烴高峰期；頁巖氣藏主要分布在北部地區(qū)太原組的中段和南部太原組的中上段。

(4) 體積法估算太原組頁巖氣潛在資源量為1.924 3×1012m3；初步優(yōu)選出臨縣—興縣和石樓—隰縣—大寧—蒲縣2個有利勘探區(qū)，有利區(qū)資源量分別為0.21×1012、0.71×1012m3。

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編輯 林樹龍

10.3969/j.issn.1006-6535.2016.01.009

20150907；改回日期：20151123

中國博士后科學基金第八批“儲層微觀非均質性對頁巖氣賦存機理的影響研究”(2015T80595)；江蘇省基礎研究計劃青年基金“成熟度對頁巖氣儲層微觀非均質性影響機理研究”(BK20130177)；中國博士后科學基金“儲層微觀孔隙非均質性對吸附態(tài)頁巖氣賦存的影響研究”(2014M551684)

周帥(1994-)，男，2014年畢業(yè)于中國礦業(yè)大學地質工程專業(yè)，現為該校礦產普查與勘探專業(yè)在讀碩士研究生，主要從事頁巖氣地質研究。

陳尚斌(1983-)，男，副教授，2006年畢業(yè)于中國礦業(yè)大學資源環(huán)境與城鄉(xiāng)規(guī)劃管理專業(yè)，2012年畢業(yè)于該校地質資源與地質工程專業(yè)，獲博士學位，現主要從事頁巖氣地質研究。

TE122.2

A

1006-6535(2016)01-0038-06