沁水盆地上古生界頁(yè)巖氣成藏特征及資源潛力評(píng)價(jià)

劉明

（山西省煤炭地質(zhì)勘查研究院，太原 030031）

沁水盆地上古生界頁(yè)巖氣成藏特征及資源潛力評(píng)價(jià)

劉明

（山西省煤炭地質(zhì)勘查研究院，太原 030031）

依據(jù)地質(zhì)調(diào)查、鉆探資料及采集的大量巖樣分析測(cè)試成果，結(jié)合富含有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖區(qū)域分布、地球化學(xué)特征、巖石儲(chǔ)集特征、含氣性等方面分析了研究區(qū)上古生界頁(yè)巖氣成藏條件，結(jié)果表明：在局部地段上古生界泥頁(yè)巖有效厚度大、有機(jī)質(zhì)含量高、孔隙和微裂縫發(fā)育、含氣量高，為頁(yè)巖氣成藏有利區(qū)。綜合各項(xiàng)成藏條件因素分析，最后預(yù)測(cè)了頁(yè)巖氣有利區(qū)范圍及資源量。

上古生界；頁(yè)巖氣；儲(chǔ)層物性；有利區(qū)；沁水盆地

0 引言

頁(yè)巖氣是指以吸附態(tài)、游離態(tài)等方式主體賦存在暗黑色泥頁(yè)巖中的一種非常規(guī)天然氣，為典型的“自生自儲(chǔ)、原地成藏”模式[1-4]。頁(yè)巖氣主要分布在盆地內(nèi)厚度較大、富有機(jī)質(zhì)的烴源巖儲(chǔ)層中，泥頁(yè)巖儲(chǔ)層孔隙度較低、滲透率低，具有資源潛力大、開采壽命長(zhǎng)等特征[4-6]。近年來(lái)，隨著我國(guó)南方海相頁(yè)巖氣的快速發(fā)展，北方頁(yè)巖氣的研究也逐漸受到了廣泛的關(guān)注。我國(guó)北方上古生界主要發(fā)育有本溪組、太原組和山西組等海陸過(guò)渡相泥頁(yè)巖，具備形成頁(yè)巖氣的基本地質(zhì)條件。隨著沁水盆地內(nèi)頁(yè)巖氣探井的實(shí)施，并獲得工業(yè)性氣流，標(biāo)志著我國(guó)北方沁水盆地已成為我國(guó)海陸過(guò)渡相頁(yè)巖氣勘探開發(fā)有望近期取得突破的重點(diǎn)地區(qū)。

本文擬從鉆孔、測(cè)試樣品等資料分析出發(fā)，對(duì)沁水盆地上古生界本溪組、太原組和山西組頁(yè)巖氣成藏條件進(jìn)行研究，并綜合分析其頁(yè)巖氣富集區(qū)，以期為該區(qū)上古生界海陸過(guò)渡相頁(yè)巖氣勘探開發(fā)提供科學(xué)依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

沁水盆地位于山西省東南部，東西寬約120 km，南北長(zhǎng)約330 km，總面積超過(guò)3×104km2。本區(qū)地層屬華北地層區(qū)劃，主要含煤地層為上石炭統(tǒng)太原組和下二疊統(tǒng)山西組，盆地中心出露三疊系[7-9]。本區(qū)構(gòu)造上位于華北斷塊區(qū)呂梁-太行山斷塊內(nèi)，呈長(zhǎng)軸NNE-SSW向的大型復(fù)式向斜，軸線大致位于榆社-沁縣-沁水一線，東西兩翼基本對(duì)稱，由一系列軸向NNE次級(jí)短軸褶皺組合成隔擋式褶皺形態(tài)。盆地內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育，主要發(fā)育于東西邊部，斷裂規(guī)模和性質(zhì)不同，以正斷層居多，走向以北東向?yàn)橹?，局部呈近東西向和北西向。

2 頁(yè)巖氣成藏特征

鑒于區(qū)內(nèi)海陸過(guò)渡相頁(yè)巖體系中目的層垂向巖性變化大，頁(yè)巖常與煤層、灰?guī)r、砂巖互層的特征，將研究區(qū)上古生界目的層劃分為四個(gè)層段：①K8底部到3煤頂板（第Ⅰ層段）；②3煤底板到K4頂部（第Ⅱ?qū)佣危虎跭4底部到15煤頂板（第Ⅲ層段）；④15煤底板到本溪組鐵鋁巖頂部（第Ⅳ層段）（圖1）。

圖1 沁水盆地上古生界頁(yè)巖體系層段劃分圖Figure 1 Upper Paleozoic shale system zonation in Qinshui Bain

2.1 儲(chǔ)層沉積演化及賦存規(guī)律

沁水盆地四周均有太原組、山西組出露，從泥巖露頭線向盆地中央埋藏深度逐漸增大，以沁縣為中心的沁水向斜軸部地區(qū)，泥頁(yè)巖埋藏深度超過(guò)2 000 m，但面積有限。在晉中斷陷，泥頁(yè)巖埋藏深度一般在2 000～4 000 m，清徐一帶泥頁(yè)巖埋深超過(guò)5000 m，在臨汾斷陷，一般小于2 000 m。縱觀沁水盆地泥巖埋深變化，盆地內(nèi)部頁(yè)巖整體埋深處于1000～3500 m（圖2）。

圖2 沁水盆地上古生界泥頁(yè)巖埋深等值線Figure 2 Isogram of upper Paleozoic argillutite buried depth in Qinshui Basin

沁水盆地晚古生代主要發(fā)育碳酸鹽巖臺(tái)地、碎屑巖淺海和三角洲3種沉積相類型，其中第Ⅳ層段以障壁島-潟湖體系為主；第Ⅲ層段為泥炭沼澤相向上演化為濱外碳酸鹽陸棚相、障壁砂壩相、潟湖相；第Ⅱ?qū)佣蔚撞繛槌逼簼暫?，向上變化為三角洲前緣相、三角洲平原相；第Ⅰ層段以三角洲平原相為主，?yè)巖主要發(fā)育于沼澤微相。結(jié)合沉積學(xué)特征研究了目的層展布特征，研究區(qū)第Ⅰ層段頁(yè)巖厚度在6.7～68.5 m，大部分處于20～40 m（圖3a）；第Ⅱ?qū)佣雾?yè)巖厚度在20～70 m，大部分大于30 m，由西至東呈遞增趨勢(shì)，沁縣、左權(quán)、屯留長(zhǎng)治一帶頁(yè)巖厚度均在50 m以上（圖3b）；第Ⅲ層段頁(yè)巖厚度在10～40 m，大部分為10～30 m（圖3c）；第Ⅳ層段頁(yè)巖厚度整體呈由北向南遞減的趨勢(shì)，在盆地北部晉中—壽陽(yáng)一帶，厚度在40～80 m，在盆地中部厚度為30～50 m，盆地南部的大部分地區(qū)頁(yè)巖厚度降至10～25 m（圖3d）。

圖3 沁水盆地上古生界泥頁(yè)巖厚度等值線Figure 3 Isogram of upper Paleozoic argillutite thickness in Qinshui Basin

2.2 儲(chǔ)層有機(jī)質(zhì)豐度及類型

對(duì)所測(cè)試的23個(gè)地點(diǎn)的樣品進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，包括15個(gè)鉆孔點(diǎn)，8個(gè)野外點(diǎn)。第Ⅰ層段TOC在0.60%～5.71%，平均為2.33%，在平面上呈東部大，向西部遞減的趨勢(shì)，研究區(qū)西北及西南地區(qū)TOC值最小，均在1.5%以下；在東北部壽陽(yáng)一帶，TOC值達(dá)到最大（圖4a）；第Ⅱ?qū)佣蜹OC在0.71%～4.67%，平均為2.44%，中部及南部TOC普遍高于北部（圖4b）；第Ⅲ層段TOC在0.88%～3.05%，平均為2.15%（圖4c）；第Ⅳ層段TOC在0.67%～3.25%，平均為2.40%，呈現(xiàn)出中部大、南北兩側(cè)小的特點(diǎn)（圖4d）。

圖4 沁水盆地上古生界泥頁(yè)巖TOC等值線Figure 4 Isogram of upper Paleozoic argillutite TOC in Qinshui Basin

本次研究選取了全區(qū)8個(gè)鉆孔中的20個(gè)巖心樣品進(jìn)行熱解分析，獲得了熱解峰溫Tmax、氫指數(shù)HI等一系列熱解參數(shù)。結(jié)果表明，沁水盆地泥頁(yè)巖最高熱解溫度Tmax為590.8℃，生烴潛量（S1+S2）為0.02～0.57 mg/g，HI多位于10～30 mg/g.TOC。根據(jù)熱解參數(shù)，在Tmax與HI關(guān)系圖中可看出整個(gè)沁水盆地石炭-二疊系泥頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)類型均為Ⅲ型（圖5）。

圖5 沁水盆地上古生界泥頁(yè)巖HI與Tmax關(guān)系圖Figure 5 Relationship between upper Paleozoic argillutite HI and Tmaxin Qinshui Basin

2.3 熱演化程度

泥頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)成熟度分布總體較穩(wěn)定，各層段Ro值相差不大，其中第Ⅰ層段Ro值分布較穩(wěn)定，位于2.3%左右；第Ⅱ?qū)佣蜶o值波動(dòng)較大，分布在1.48%～3.65%，平均值約為2.5%；第Ⅲ層段Ro值為1.91%～3.14%，第Ⅳ層段Ro值為1.72%～3.54%，各層段泥頁(yè)巖均達(dá)到生氣階段（圖6）。

圖6 泥頁(yè)巖鏡質(zhì)組反射率Figure 6 Argillutite vitrinite reflectance

各地區(qū)的有機(jī)質(zhì)成熟度值略有差別，盆地中心較盆地北部、西部和南部略微偏低。在盆地西部沁源地區(qū)異常偏低，而位于盆地邊緣的義唐和張莊等地則較高（圖7）。整體上沁水盆地上古生界泥頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)熱演化程度相對(duì)較高，普遍在1.5%以上，全區(qū)達(dá)到了生氣階段。

圖7 各地區(qū)Ro值分布特征Figure 7 ROvalue distribution features in different areas

2.4 儲(chǔ)層礦物組成

通過(guò)對(duì)106個(gè)鉆孔樣品進(jìn)行全巖X衍射實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，沁水盆地泥頁(yè)巖礦物主要為黏土礦物、石英、斜長(zhǎng)石、菱鐵礦、黃鐵礦和重晶石。其中黏土礦物體積分?jǐn)?shù)最高，主要由伊蒙混層、高嶺石及伊利石構(gòu)成，平均為53.8%，其次為石英，均值為33.9%（圖8）。高黏土礦物體積分?jǐn)?shù)的特征表明研究區(qū)泥頁(yè)巖儲(chǔ)層有利于吸附氣的賦存。

通過(guò)計(jì)算研究區(qū)各層段泥頁(yè)巖脆性系數(shù)發(fā)現(xiàn)，泥頁(yè)巖脆性系數(shù)大部分均位于30%以上，有利于泥頁(yè)巖儲(chǔ)層的后期改造。僅第Ⅳ層段兩個(gè)樣品指示出其脆性礦物含量低于20%（圖9）。

圖8 泥頁(yè)巖黏土礦物含量Figure 8 Argillutite clay minerals content

圖9 泥頁(yè)巖脆性系數(shù)分布圖Figure 9 Argillutite brittleness coefficient distributions

2.5 儲(chǔ)層孔隙發(fā)育特征

顯微鏡下泥頁(yè)巖較為致密，裂隙較發(fā)育，以平行裂縫、交叉裂縫、Y型裂縫及復(fù)雜裂縫系統(tǒng)為主。掃描電鏡下泥頁(yè)巖主要發(fā)育有機(jī)質(zhì)孔、粒內(nèi)孔（脆性礦物、黏土礦物）、粒內(nèi)溶蝕孔、黃鐵礦晶間孔和粒間孔等類型[10]。

壓汞實(shí)驗(yàn)表明，研究區(qū)上古生界泥頁(yè)巖儲(chǔ)集空間以直徑小于100 nm的中（小-過(guò)渡）微裂隙和孔隙為主，僅個(gè)別樣品孔徑達(dá)到10 000 nm以上（圖10）。

研究區(qū)上古生界泥頁(yè)巖儲(chǔ)層孔隙度主要為1.0%～2.0%，總孔比表面積一般為1.5～3.0 m2/g，整體上孔隙度的變化和總孔容、總孔比表面積的變化趨勢(shì)是一致的，具有良好的泥頁(yè)巖儲(chǔ)層孔裂隙系統(tǒng)（圖11）。

圖10 泥頁(yè)巖孔徑分布特征Figure 10 Argillutite pore diameter distribution features

低溫液氮實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明：研究區(qū)泥頁(yè)巖孔隙直徑為8～16 nm，最大可達(dá)34.55 nm，其中第Ⅰ層段孔徑平均為12.30 nm，總比表面積平均為6.40 m2/ g，孔體積平均為0.014 4 cm3/g；第Ⅱ?qū)佣慰讖狡骄鶠?1.62 nm，總比表面積平均為7.37 m2/g，孔體積平均為0.015 cm3/g；第Ⅲ層段泥頁(yè)巖孔徑平均為6.96nm，總比表面積平均為10.68 m2/g，孔體積平均為0.016 cm3/g；第Ⅳ層段孔徑平均為9.99 nm，總比表面積平均為9.78 m2/g，孔體積平均為0.016 cm3/g。

圖11 泥頁(yè)巖總孔比表面積及孔隙度Figure 11 Argillutite total pore specific surface area and porosity

2.6 儲(chǔ)層含氣性分析

在全區(qū)共選取30件不同層段的樣品進(jìn)行了等溫吸附測(cè)試和含氣量測(cè)試，結(jié)果顯示在30℃下，研究區(qū)泥頁(yè)巖最大吸附量為0.440～4.73 m3/t。其中第Ⅰ層段最大吸附量平均為1.01 m3/t，含氣量為1.023～ 1.718 m3/t（圖12a）；第Ⅱ?qū)佣文囗?yè)巖最大吸附量平均為1.17 m3/t，含氣量為1.131～1.742 m3/t（圖12b）；第Ⅲ層段泥頁(yè)巖最大吸附量平均為1.10 m3/t，含氣量為1.119～1.871 m3/t（圖12c）；第Ⅳ層段泥頁(yè)巖最大吸附量平均為1.076 m3/t，含氣量為1.109～1.404m3/t（圖12d）。整體上研究區(qū)泥頁(yè)巖儲(chǔ)層均處于含氣過(guò)飽和狀態(tài)，顯示出良好的含氣性特征。

圖12 泥頁(yè)巖等溫吸附實(shí)驗(yàn)Figure 12 Argillutite isothermal adsorption experiment

2.7 氣藏保存特征

沁水盆地目的層上覆有效地層厚度一般為0～3 000 m，其中盆地中心上覆有效地層厚度較大，向盆地邊緣遞減。盆地中心上覆有效地層厚度均大于1000 m，氣體保存條件較好，邊緣一般小于600 m，氣體保存較差，不宜作為有利區(qū)。

整體上研究區(qū)上古生界泥頁(yè)巖厚度大、有機(jī)質(zhì)含量高且主要以Ⅲ型為主，熱演化均達(dá)到了生氣階段，具有良好的生氣潛力；泥頁(yè)巖儲(chǔ)層中黏土礦物含量較高、孔裂隙系統(tǒng)較為發(fā)育、含氣性良好且均處于過(guò)飽和狀態(tài)，具有良好的儲(chǔ)存條件；氣藏上覆地層厚度大，具有良好的保存條件。

3 頁(yè)巖氣有利區(qū)預(yù)測(cè)及開發(fā)潛力評(píng)價(jià)

本文進(jìn)一步綜合研究區(qū)泥頁(yè)巖厚度、埋深、含氣量、有機(jī)質(zhì)豐度、脆性礦物、有機(jī)質(zhì)成熟度等指標(biāo)，劃分了頁(yè)巖氣有利區(qū)，結(jié)合沁水盆地頁(yè)巖氣地質(zhì)條件與成藏特征，本次研究將研究區(qū)目的層有利區(qū)優(yōu)選標(biāo)準(zhǔn)定為：①富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖系統(tǒng)厚度大于30 m；②儲(chǔ)層埋深為1 000～3 500 m；③TOC大于2.0%；④Ro大于1.0%；⑤有利區(qū)位置處于構(gòu)造穩(wěn)定區(qū)范圍內(nèi)（圖13）。最后依據(jù)劃分的有利區(qū)含氣面積、厚度、含氣量和你頁(yè)巖氣密度等參數(shù)進(jìn)行了頁(yè)巖氣資源評(píng)價(jià)，計(jì)算公式為：

圖13 頁(yè)巖氣富集區(qū)Figure 13 Shale gas enrichment areas

Gz=0.01·Ag·h·ρy·Cz

Gz為頁(yè)巖氣總地質(zhì)儲(chǔ)量，億m3；Ag為含氣面積，km2；h為有效厚度m；ρy為頁(yè)巖質(zhì)量密度t/m3；Cz為頁(yè)巖氣總含氣量m3/t。

最后得出：第Ⅰ層段有利區(qū)面積較小且分散，有利區(qū)位置位于壽陽(yáng)縣東南松塔鎮(zhèn)附近、沁源縣、沁水縣東北部等地，總面積1 496.89 km2，資源量為0.18× 1012m3（圖13a）。第Ⅱ?qū)佣文囗?yè)巖厚度大且有機(jī)質(zhì)豐度高，各地質(zhì)配置均較好，面積為8 420.31 km2，資源量為1.53×1012m3（圖13b）。第Ⅲ層段有利區(qū)位于壽陽(yáng)縣的南部及平遙縣的西部和北部，東南部長(zhǎng)治碾張地區(qū)有零星發(fā)育，面積為1854.44 km2，資源量為0.30×1012m3（圖13c）。第Ⅳ層段有利區(qū)位于研究區(qū)北部與中部地區(qū)，面積為6 550.43 km2，資源量為0.92×1012m3（圖13d）。

研究區(qū)上古生界有利區(qū)頁(yè)巖氣總資源量為2.93×1012m3，資源豐度為（1.2～1.82）×108m3/km2，整體上研究區(qū)上古生界頁(yè)巖氣資源潛力巨大。

4 結(jié)論

1）首次打破組的概念，將研究區(qū)目的層劃分為四個(gè)層段；分別對(duì)四個(gè)層段進(jìn)行有機(jī)地球化學(xué)、空間展布、儲(chǔ)層物性、沉積相等方面研究，分層段劃分有利區(qū)，并計(jì)算了各層段有利區(qū)頁(yè)巖氣資源量。

2）泥頁(yè)巖厚度大，分布范圍廣，且有機(jī)碳含量平均為2.33%，有機(jī)質(zhì)成熟度高，已經(jīng)進(jìn)入干氣窗內(nèi)，為頁(yè)巖氣的成藏奠定了基礎(chǔ)條件。泥頁(yè)巖儲(chǔ)層主要以黏土礦物和石英為主，脆性系數(shù)較高，孔裂隙發(fā)育，儲(chǔ)層物性條件良好，為頁(yè)巖氣的成藏提供了豐富的儲(chǔ)集空間。上覆有效地層厚度大，為頁(yè)巖氣藏的保存提供了有利條件。

3）研究區(qū)不同層段頁(yè)巖氣有利區(qū)分布范圍差異性較大，主要以第Ⅱ?qū)佣魏偷冖魧佣雾?yè)巖氣富集區(qū)分布范圍廣為特征，四個(gè)層段有利區(qū)面積總共為18322.07 km2；頁(yè)巖氣總資源量為2.93×1012m3。資源豐度達(dá)到（1.2～1.82）×108m3/km2，資源潛力巨大。

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Upper Paleozoic Shale Gas Reservoiring Features and Resource Potential Assessment in Qinshui Basin

Liu Ming
(Shanxi Provincial Coal Geological Exploration Research Institute,Taiyuan,Shanxi 030031)

Using geological survey and drilling data,as well as collected massive rock samples analyzed results,studied upper Paleozo?ic shale gas reservoiring conditions from aspects of regional distribution of organic matter rich argillutite,geochemical features,rock gas concentration features and gas-bearing property in the area.The result has shown that the upper Paleozoic argillutite in local sec?tors have large effective thickness,high organic matter content,developed pores and microfractures,and high gas content,thus the shale gas reservoiring favorable area.Integrated various reservoiring conditions,finally has predicted shale gas favorable area extent and resources.

Upper Paleozoic Erathem;shale gas;reservoir physical property;favorable area;Qinshui Basin

P618.3

A

10.3969/j.issn.1674-1803.2016.12.05

1674-1803(2016)12-0025-09

劉明（1981—），男，漢族，山西太原人，助理工程師，2013年畢業(yè)于太原理工大學(xué)資源勘查工程專業(yè)，長(zhǎng)期從事煤層氣、頁(yè)巖氣、地質(zhì)勘查及地質(zhì)調(diào)查與研究。

2016-06-23

責(zé)任編輯：宋博輦