中國(guó)南方海相頁(yè)巖氣與華北煤系頁(yè)巖氣儲(chǔ)層特征差異分析

孫彩蓉，唐書恒，魏建光

(1．中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)海相儲(chǔ)層演化與油氣富集機(jī)理教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；2．中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)頁(yè)巖氣資源勘查與戰(zhàn)略評(píng)價(jià)國(guó)土資源部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083 )

中國(guó)南方海相頁(yè)巖氣與華北煤系頁(yè)巖氣儲(chǔ)層特征差異分析

孫彩蓉1，2，唐書恒1，2，魏建光1，2

(1．中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)海相儲(chǔ)層演化與油氣富集機(jī)理教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；2．中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)頁(yè)巖氣資源勘查與戰(zhàn)略評(píng)價(jià)國(guó)土資源部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083 )

我國(guó)海相頁(yè)巖氣的勘探開發(fā)已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，相比之下，煤系頁(yè)巖氣研究成果較少。本文以貴州鳳岡區(qū)的海相頁(yè)巖和沁水盆地的煤系頁(yè)巖為例，通過(guò)干酪根類型、總有機(jī)碳含量、礦物組成和孔隙結(jié)構(gòu)等四方面進(jìn)行儲(chǔ)層特性對(duì)比，分析海相頁(yè)巖氣儲(chǔ)層和煤系頁(yè)巖氣儲(chǔ)層差異，查明不同沉積環(huán)境下頁(yè)巖氣儲(chǔ)層特點(diǎn)，為煤系頁(yè)巖氣的進(jìn)一步勘探開發(fā)奠定基礎(chǔ)。研究結(jié)果表明兩者既有相似又有所區(qū)別：海相頁(yè)巖和煤系頁(yè)巖干酪根類型存在明顯差異，前者以Ⅰ型、Ⅱ型干酪根為主，后者主要為Ⅲ型干酪根；海相頁(yè)巖總有機(jī)碳含量和脆性礦物含量較煤系頁(yè)巖高；兩者均發(fā)育有機(jī)質(zhì)孔，且以中孔(2～50nm)為主，低溫氮?dú)馕角€都為Ⅳ型，但海相頁(yè)巖孔隙比表面積較高。加之煤系頁(yè)巖單層厚度薄，連續(xù)性差，對(duì)煤系頁(yè)巖氣的勘探開發(fā)不能完全照搬海相頁(yè)巖氣的開發(fā)模式，可以考慮與煤層氣、致密砂巖氣一起勘探開發(fā)，提高資源利用率，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)開采。

鳳岡區(qū)；沁水盆地；沉積環(huán)境；頁(yè)巖儲(chǔ)層；聯(lián)合開采；煤系頁(yè)巖氣

頁(yè)巖氣被認(rèn)為是未來(lái)能源世界的“主導(dǎo)者”，是一種低碳環(huán)保的潔凈能源。美國(guó)是頁(yè)巖氣勘探開發(fā)的探路和領(lǐng)路者，是世界上實(shí)現(xiàn)頁(yè)巖氣大規(guī)模商業(yè)開發(fā)的國(guó)家之一，帶動(dòng)了全球頁(yè)巖氣革命，改變了能源結(jié)構(gòu)?！?012年國(guó)外石油科技發(fā)展報(bào)告》顯示，全球頁(yè)巖氣技術(shù)可采資源量為187×1012m3，其中中國(guó)為36.08×1012m3，排名世界第一，中國(guó)被視為未來(lái)除美國(guó)之外頁(yè)巖氣開發(fā)最快的國(guó)家。我國(guó)廣泛發(fā)育海相頁(yè)巖，尤其四川盆地被認(rèn)為是勘探潛力最好的海相頁(yè)巖區(qū)域[1-4]，研究過(guò)程中取得了良好的成果，推動(dòng)我國(guó)頁(yè)巖氣的商業(yè)化開采。煤系頁(yè)巖廣泛發(fā)育是我國(guó)頁(yè)巖的一大特點(diǎn)，但目前對(duì)其研究較少。煤系頁(yè)巖氣是指富有機(jī)質(zhì)的煤系泥頁(yè)巖經(jīng)過(guò)生、排烴作用后殘留在泥頁(yè)巖層段(包含砂巖薄層)內(nèi)的天然氣[5]。鑒于儲(chǔ)層分析是頁(yè)巖研究的基礎(chǔ)，本文以貴州鳳岡區(qū)的海相頁(yè)巖和沁水盆地的煤系頁(yè)巖為例，通過(guò)干酪根類型、總有機(jī)碳含量、礦物組成和孔隙結(jié)構(gòu)等四方面進(jìn)行儲(chǔ)層特性對(duì)比，研究沉積環(huán)境對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層的影響，分析不同沉積環(huán)境下頁(yè)巖的儲(chǔ)層特點(diǎn)，指導(dǎo)頁(yè)巖氣的勘探開發(fā)[6]。

1 地質(zhì)背景

貴州省頁(yè)巖氣資源豐富，其中以鳳岡區(qū)頁(yè)巖氣資源潛力最佳。鳳岡區(qū)位于貴州省北部，遵義地區(qū)東南部，與揚(yáng)子地臺(tái)的區(qū)域構(gòu)造演化相一致。區(qū)內(nèi)發(fā)育牛蹄塘組和龍馬溪組兩套重要的含氣頁(yè)巖層系。牛蹄塘期為寒武紀(jì)的首次海侵期，隨著海平面的上升，沉積環(huán)境由下部的深水陸棚相過(guò)渡為淺水陸棚相，下部波浪作用小，以靜水沉積為主，巖性為黑色頁(yè)巖，上部水體較淺，碳酸鹽巖增多，生物漸趨繁盛；龍馬溪期盆地抬升，沉積序列特征為向上水體變淺，沉積環(huán)境為深水陸棚-淺水陸棚沉積，以為淺水陸棚沉積為主，頁(yè)巖沉積厚度變薄。

沁水盆地蘊(yùn)含豐富的頁(yè)巖氣資源，2011年初步圈定沁水盆地的頁(yè)巖氣資源量為5.63×1012m3，其中太原組3.2×1012m3，山西組2.2×1012m3，下石盒子組0.23×1012m3。本文主要以山西組和太原組煤系頁(yè)巖為研究對(duì)象。太原組發(fā)育陸表海碳酸鹽巖臺(tái)地沉積和障壁海岸沉積，泥頁(yè)巖總厚46～65 m，含煤 7～16 層，下部的15號(hào)煤為主要可采煤層。受頻繁的海侵海退影響，太原組沉積環(huán)境多變，15號(hào)煤對(duì)應(yīng)于太原組的最大海泛面。山西組為三角洲沉積體系，泥頁(yè)巖總厚28～72 m，含煤 2～7層，主要可采煤層為3號(hào)煤層。

2 南方海相頁(yè)巖氣儲(chǔ)層和華北煤系頁(yè)巖氣儲(chǔ)層差異

2.1 干酪根類型

干酪根是油氣生成的物質(zhì)基礎(chǔ)，約占沉積有機(jī)物的80%～90%，是沉積有機(jī)質(zhì)的重要表現(xiàn)形式。根據(jù)不同的劃分標(biāo)準(zhǔn)及研究目的，可將干酪根劃分成不同的類型[7-10]。沉積環(huán)境對(duì)干酪根有兩方面的影響：①沉積環(huán)境控制生物種類的輸入及其降解，從而形成不同類型的干酪根；②沉積環(huán)境影響陸源碎屑輸入，而陸源碎屑可能會(huì)氧化有機(jī)質(zhì)，破壞干酪根。海相頁(yè)巖主要形成于半深水-深水陸棚環(huán)境，干酪根母質(zhì)為浮游生物和底棲動(dòng)物，干酪根一般富氫，主要為Ⅰ型、Ⅱ型干酪根。煤系頁(yè)巖通常形成于水動(dòng)力相對(duì)較弱的淺水環(huán)境，如沼澤環(huán)境，以陸源高等植物為母質(zhì)，通常為Ⅲ型干酪根。

由于干酪根碳同位素δ13C值相對(duì)穩(wěn)定而且可以用來(lái)追溯干酪根母源。在對(duì)鳳岡區(qū)頁(yè)巖研究過(guò)程中，以δ13C為主要依據(jù)并結(jié)合類型指數(shù)，將干酪根分為Ⅰ、Ⅱ1、Ⅱ2型、Ⅲ型四種類型(表1)。牛蹄塘組含有較豐富的浮游生物，其干酪根顯微組分與龍馬溪組的干酪根顯微組分有所不同，前者以腐泥無(wú)定型和腐殖無(wú)定型為主，后者以腐殖無(wú)定型為主。牛蹄塘組的δ13C介于—34.7‰～—28.6‰之間，類型指數(shù)為64～96，為Ⅰ型和Ⅱ1型干酪根類，生烴能力較好；龍馬溪組δ13C的分布范圍為-28.0‰～-29.15‰，平均為-28.7‰，類型指數(shù)為28～58，干酪根類型以Ⅱ1型為主。牛蹄塘組的δ13C較龍馬溪組偏輕是由于牛蹄塘組藻類含量多，類脂物富集[11]，還原環(huán)境下細(xì)菌的分解作用微弱。在生物化石方面，牛蹄塘組富含筆石化石，也見三葉蟲；龍馬溪組中筆石化石消失，取而代之的是三葉蟲和腕足等底棲生物繁盛，富含生物遺體，生物擾動(dòng)構(gòu)造發(fā)育。生物擾動(dòng)構(gòu)造主要發(fā)育于陽(yáng)光充足，氧含量豐富的環(huán)境[12]，表明龍馬溪組沉積環(huán)境水體變淺。

由于沁水盆地煤系頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)來(lái)源以高等植物為主，δ13C重，屬于Ⅲ型干酪根，這與元素分析法判別的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合。元素分析實(shí)驗(yàn)表明，沁水盆地的煤系頁(yè)巖H/C原子比小于0.5，O/C原子比小于0.06，具有較好的生氣潛力。

表1 有機(jī)質(zhì)類型劃分表

注：類型指數(shù)=腐泥組×1+藻類組×0.75+動(dòng)物組×0.5+殼質(zhì)組×0.5+鏡質(zhì)組×(-0.75)+惰質(zhì)組×(-1)。

2.2 總有機(jī)碳含量(TOC)

總有機(jī)碳含量是對(duì)干酪根的定量化描述，表征有機(jī)質(zhì)豐度。隨著頁(yè)巖總有機(jī)碳含量的增加，有機(jī)質(zhì)孔增加，一方面有利于頁(yè)巖氣的吸附，另一方面增大了頁(yè)巖氣的儲(chǔ)集空間。多數(shù)研究表明，頁(yè)巖吸附氣含量與TOC之間具有良好的線性關(guān)系。因此總有機(jī)碳含量是表征頁(yè)巖儲(chǔ)層特征重要參數(shù)，一般認(rèn)為有效頁(yè)巖的總有機(jī)碳含量下限值為2%。

總有機(jī)碳含量較高的沉積環(huán)境往往是，母源充足、沉積速率適當(dāng)，且有利于有機(jī)質(zhì)保存的還原環(huán)境[13]。沉積和早期成巖作用期間的還原環(huán)境為有機(jī)質(zhì)的富集保存提供了良好的條件。圖1為鳳岡區(qū)牛蹄塘組、龍馬溪組以及沁水盆地山西組、太原組頁(yè)巖的TOC含量圖，從圖中可以看出TOC含量從高到低依次為牛蹄塘組、太原組、山西組、龍馬溪組。牛蹄塘組的有機(jī)質(zhì)碳同位素最輕，表明溶解氧和硫酸鹽還原菌對(duì)有機(jī)質(zhì)氧化的改造弱，加之藻類的繁殖消耗氧使有機(jī)質(zhì)大量富集，較深水的沉積環(huán)境利于有機(jī)質(zhì)的保存，因而TOC含量高。龍馬溪組較牛蹄塘組沉積厚度減薄，沉積環(huán)境水體變淺，氧含量增加，保存條件變差，有機(jī)質(zhì)減少，TOC含量降低[14]。相比之下，煤系頁(yè)巖以Ⅲ型干酪根為主，煤系頁(yè)巖排烴時(shí)間晚，排烴系數(shù)小，殘留烴量大[15]，但因?yàn)槌练e水體淺，巖性旋回明顯，單層厚度小，連續(xù)性差，TOC含量低于牛蹄塘組，其中山西組、太原組的TOC分別為2.56%、2.61%，大致與陳燕萍等測(cè)定的有機(jī)碳含量平均值2.54%相符[16]。太原組泥頁(yè)巖厚度及煤層厚度都比山西組厚，沉積環(huán)境水體較山西組深，更有利于有機(jī)質(zhì)的保存，造成太原組TOC含量略高于山西組。

2.3 礦物組成

礦物及其組合是沉積環(huán)境的響應(yīng)，礦物組成研究是儲(chǔ)層研究的重要組成部分。它影響著頁(yè)巖氣的吸附、運(yùn)移以及后期的壓裂開采[17]。同時(shí)，礦物組分為頁(yè)巖孔隙形成演化提供物質(zhì)基礎(chǔ)[18]，影響頁(yè)巖氣藏的形成。頁(yè)巖主要包括三大類礦物：脆性礦物、黏土礦物、碳酸鹽礦物。脆性礦物利于裂隙的形成及后期的開采壓裂；粘土礦物利于頁(yè)巖氣的吸附；碳酸鹽礦物則有益于溶蝕孔隙的發(fā)育。

應(yīng)用X射線衍射(XRD)技術(shù)對(duì)頁(yè)巖樣品全巖礦物進(jìn)行分析，結(jié)果見表2和圖2。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出：①脆性礦物含量從高到低依次為牛蹄塘組、龍馬溪組、山西組、太原組，整體上而言，海相頁(yè)巖脆性礦物含量較高，其脆性礦物含量接近于美國(guó)Barnett頁(yè)巖的脆性礦物含量，而山西組和太原組脆性礦物含量較低，增大了壓裂難度；②煤系頁(yè)巖礦物分布集中，分布范圍較海相頁(yè)巖??；③均含有一定量的黃鐵礦，黃鐵礦是還原環(huán)境的特征礦物，黃鐵礦含量高表明其沉積環(huán)境有利于有機(jī)質(zhì)的保存。徐祖新等[19]在對(duì)中揚(yáng)子地區(qū)陡山沱組頁(yè)巖的研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)黃鐵礦含量和其吸附氣含量呈正相關(guān)關(guān)系，可以利用黃鐵礦的含量來(lái)推測(cè)頁(yè)巖吸附氣含量。

圖1 鳳岡區(qū)牛蹄塘組、龍馬溪組和沁水盆地山西組、太原組頁(yè)巖TOC圖

脆性礦物=石英+長(zhǎng)石+黃鐵礦碳酸鹽礦物=方解石+白云石+黃鐵礦圖2 鳳岡區(qū)牛蹄塘組、龍馬溪組和沁水盆地山西組、太原組及Barnet頁(yè)巖礦物三角圖

表2 鳳岡區(qū)牛蹄塘組、龍馬溪組，沁水盆地山西組、太原組和Barnet頁(yè)巖主要礦物含量(單位：%)

圖3 鳳岡區(qū)牛蹄塘組、龍馬溪組和沁水盆地山西組、太原組頁(yè)巖樣品液氮等溫吸附曲線

此外，鳳岡區(qū)海相頁(yè)巖與沁水盆地煤系頁(yè)巖在粘土礦物組成上也存在明顯的差異。鳳岡區(qū)海相頁(yè)巖粘土礦物以伊利石和伊蒙混層為主，含有少量的高嶺石和綠泥石；而沁水盆地煤系頁(yè)巖主要以伊蒙混層及高嶺石為主，含有少量的伊利石，幾乎不含綠泥石。一般認(rèn)為，伊利石形成于氣候干冷，淋濾作用弱的條件，而高嶺石形成于潮濕氣候，強(qiáng)烈淋濾的酸性條件下[20]，而不同的黏土礦物組合也反映其經(jīng)歷成巖作用的差異。

2.4 孔隙結(jié)構(gòu)

孔隙為頁(yè)巖氣的存儲(chǔ)提供空間，孔隙比表面積影響頁(yè)巖吸附氣含量，因此孔隙分析是頁(yè)巖氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)的關(guān)鍵，這直接影響著頁(yè)巖氣資源的勘探評(píng)價(jià)與開發(fā)。與煤層氣儲(chǔ)層相似，頁(yè)巖甲烷吸附量與微孔體積之間存在較好的正相關(guān)關(guān)系[22]。

在孔隙類型方面，鳳岡區(qū)牛蹄塘組和龍馬溪組以有機(jī)質(zhì)孔為主，此外發(fā)育一定量的黏土礦物層間孔，而沁水盆地山西組和太原組以有機(jī)質(zhì)孔和黃鐵礦晶間孔為主。有機(jī)質(zhì)孔是較高成熟度頁(yè)巖含量較多的孔隙類型，是有機(jī)質(zhì)在成藏演化過(guò)程中受到地質(zhì)環(huán)境的變化影響形成的[23]。黏土礦物層間孔的形成可能與伊蒙礦物的轉(zhuǎn)化有關(guān)，當(dāng)蒙脫石向伊利石轉(zhuǎn)化時(shí)，體積減小產(chǎn)生孔隙。

對(duì)鳳岡區(qū)的海相頁(yè)巖和沁水盆地的煤系頁(yè)巖樣品進(jìn)行低溫氮?dú)馕綄?shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明兩類頁(yè)巖低溫氮?dú)馕角€均為Ⅳ型，表明孔隙以中孔為主(2～50 nm)，此外也發(fā)育少量微孔和大孔，滯后環(huán)類型多為H3型，對(duì)應(yīng)于平行壁的狹縫性孔(圖3)。但兩者孔隙比表面積有較大區(qū)別，牛蹄塘組、龍馬溪組頁(yè)巖樣品孔隙平均比表面積分別為19.21 m2/g、10.12 m2/g，而山西組和太原組頁(yè)巖樣品對(duì)應(yīng)的孔隙平均比表面積為6.40 m2/g和8.97 m2/g。

3 總 結(jié)

1)沉積環(huán)境水動(dòng)力較弱，為有機(jī)質(zhì)的保存創(chuàng)造了有益的環(huán)境。半深海-深海陸棚環(huán)境和海陸過(guò)渡相沉積環(huán)境均有利于頁(yè)巖氣的形成。不同沉積環(huán)境，頁(yè)巖氣儲(chǔ)層特征不同，同一沉積環(huán)境，不同的水動(dòng)力條件也會(huì)導(dǎo)致頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的差異。

2)煤系頁(yè)巖氣儲(chǔ)層與海相頁(yè)巖氣儲(chǔ)層既有相似又有區(qū)別。海相頁(yè)巖以Ⅰ型、Ⅱ型干酪根為主，煤系頁(yè)巖干酪根類型多為Ⅲ型；就總有機(jī)碳含量和脆性礦物含量而言，海相頁(yè)巖較高；兩者均發(fā)育有機(jī)質(zhì)孔，均以中孔(2～50 nm)為主，但海相頁(yè)巖孔隙比表面積較高。

3)煤系頁(yè)巖儲(chǔ)層特性區(qū)別于海相頁(yè)巖，因此對(duì)煤系煤巖的勘探開發(fā)不能完全照搬海相頁(yè)巖的開發(fā)模式。華北煤系頁(yè)巖沉積環(huán)境變化速度相對(duì)較快，導(dǎo)致其單層厚度薄，垂向上巖性變化較大，連續(xù)性差，單獨(dú)開采可能經(jīng)濟(jì)價(jià)值較低。煤系地層中煤層、泥頁(yè)巖和砂巖在垂向上相互疊置，形成了頁(yè)巖氣、煤層氣及致密砂巖氣共同成藏的復(fù)合成藏體系，可考慮與煤層氣、致密砂巖氣聯(lián)合開采，綜合利用資源，提高資源利用率，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)開采。

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The differences of reservoir features between southern marine shale gas and northern coal-bearing shale gas in China

SUN Cairong1，2，TANG Shuheng1，2，WEI Jianguang1，2

(1．MOE Key Lab of Marine Reservoir Evolution and Hydrocarbon Enrichment Mechanism，China University of Geosciences (Beijing)，Beijing 100083，China ；2．MOLR Key Lab of Shale Gas Resources Survey and Strategic Evaluation，China University of Geosciences (Beijing)，Beijing 100083，China )

Marine shale gas has been developed widely in southern China，which proves better prospects.While researches about coal-bearing shale gas remain fewer.This paper mainly takes marine shale gas in Fenggang district of Guizhou province and coal-bearing shale gas in Qinshui basin as an example，contrasting reservoir features between four factors，including the kerogen type，total content of organic carbon，mineral composition and pore structure，then points out the reservoir differences to analysis the shale under the control of depositional environment.The studies show that there exists both differences and similarities between them.Marine shale gas reservoir possesses typeⅠand typeⅡkerogen，however, coal-bearing shale gas reservoir mostly owns type Ⅲ kerogen.In addition，marine shale gas reservoir has higher TOC content，brittle mineral content and larger pore surface.On the other hand，these two kinds of shale develop organic pores.Meanwhile，nitrogen isothermal adsorption curves are consistent with typeⅣ，and mesopores play a dominant role in pores.However，due to the thin layer thickness and poor continuity of coal-bearding shale，the exploration of coal bearing shale gas can not copy the pattern of marine shale gas.It is considerable that coal bearing shale gas can be co-exploit with the tight sandstone gas and coalbed methane to improve resource utilization and achieve economic exploitation.

Fenggang district；Qinshui basin；depositional environment；shale reservoir；combined exploit；coal-bearing shale gas

2016-06-10

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“腐泥型有機(jī)質(zhì)納米孔隙結(jié)構(gòu)演化特征及吸附甲烷能力研究”資助(編號(hào)：41272176)；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“鄂爾多斯盆地與煤共生多種金屬元素的富集機(jī)理與分布規(guī)律”資助(編號(hào)：41330317)

孫彩蓉(1991-)，女，山西文水人，碩士研究生，研究方向?yàn)榈V產(chǎn)普查與勘探，E-mail：2006140050@cugb.edu.cn。

唐書恒，教授、博士生導(dǎo)師，從事能源地質(zhì)研究，E-mail：tangsh@cugb.edu.cn。

TE122.2

A

1004-4051(2017)03-0166-05