沁水盆地榆社-武鄉(xiāng)區(qū)塊煤系頁巖氣儲層特征評價

魏書宏，申有義，楊曉東

(山西省煤炭地質(zhì)物探測繪院，山西 晉中 306000)

沁水盆地榆社-武鄉(xiāng)區(qū)塊煤系頁巖氣儲層特征評價

魏書宏，申有義，楊曉東

(山西省煤炭地質(zhì)物探測繪院，山西 晉中 306000)

通過對沁水盆地榆社-武鄉(xiāng)區(qū)塊石炭-二疊系山西組-太原組富有機質(zhì)泥頁巖展布特征、地球化學(xué)特征以及儲層特征進行分析認為，研究區(qū)富有機質(zhì)泥頁巖十分發(fā)育，連續(xù)性較好。 TOC含量集中分布于1.5%～2.5%，干酪根以III型為主，熱演化程度為高成熟—過成熟階段，為好-優(yōu)質(zhì)的烴源巖。泥頁巖礦物成分以黏土礦物和石英為主，黏土礦物主要為高嶺石和伊蒙混層。頁巖孔隙類型以黏土礦物粒間孔和有機質(zhì)孔最為發(fā)育。泥頁巖具有良好的吸附性能，頁巖比表面積和孔隙體積有很好的正相關(guān)關(guān)系，表明研究區(qū)頁巖具有較好的儲集性能。優(yōu)選的山西組-太原組頁巖氣有利區(qū)分布于研究區(qū)的北部及中部偏南一帶，有利區(qū)內(nèi)泥頁巖累計厚度均在50m以上，TOC含量大于2%，構(gòu)造較為簡單，埋深適中，有利于頁巖氣的勘探與開發(fā)。

煤系；頁巖氣；儲層特征；沁水盆地

0 引言

沁水煤田作為山西省重要的煤炭基地，隨著頁巖氣(海相、陸相和海陸過渡相頁巖氣)研究的不斷深入，沁水盆地頁巖氣資源又成為了國內(nèi)外的研究熱點[1-3]。沁水盆地煤系十分發(fā)育，煤層、泥頁巖、致密砂巖和灰?guī)r等互層頻繁，富有機質(zhì)泥頁巖發(fā)育較好，具有良好的頁巖氣資源潛力[4-5]。然而目前針對沁水盆地頁巖氣資源評價的研究較少，富有機質(zhì)泥頁巖的分布范圍、儲層特征和有利區(qū)帶的分布尚不明確，更沒有進行過資源量的定量評價。本文以榆社-武鄉(xiāng)區(qū)塊為例(圖1)，基于區(qū)內(nèi)鉆孔資料及測試分析成果，針對研究區(qū)山西組-太原組頁巖氣儲層特征及有利區(qū)帶進行了研究，研究成果既可指導(dǎo)沁水盆地下一步的頁巖氣勘探工作，又對沁水盆地煤系非常規(guī)天然氣的合探共采提供一定的理論與實際指導(dǎo)。

1 泥頁巖生烴條件

1.1 泥頁巖展布特征

沁水盆地上古生界含煤巖系為一套陸表海背景下的碳酸鹽巖臺地、潮坪、瀉湖、三角洲和濱淺湖沉積體系組合，本溪組-山西組發(fā)育有多套厚度較大、較為穩(wěn)定的砂巖、灰?guī)r、煤層等，與泥頁巖層頻繁互層，因此不宜將本溪組、太原組和山西組作為一整套頁巖體系進行評價，而應(yīng)將其分層段進行研究更為恰當(dāng)。在頁巖層段劃分時應(yīng)充分考慮煤系頁巖、砂巖、灰?guī)r和煤層的厚度及穩(wěn)定性及其相互關(guān)系。基于研究區(qū)本溪組-山西組巖性發(fā)育及組合特征，本次將其劃分為四個頁巖氣層段進行評價：K8砂巖底部到3煤頂板為第I層段；3煤底板到K4灰?guī)r頂部位為第II層段；K4灰?guī)r底部到15煤或K2灰?guī)r頂板為第III層段；15煤底板至本溪組底部鐵鋁巖頂部為第IV層段。劃分時將厚層砂巖、石灰?guī)r和煤層剔除至泥頁巖層段之外。

圖1 榆社-武鄉(xiāng)區(qū)塊位置圖(修改自郗兆棟等(2017))Figure 1 Situation of Yushe-Wuxiang block (after Xi Zhaodong et al, 2017, modified)

從圖2可以看出，研究區(qū)第I層段泥頁巖在南北向上厚度變化起伏較大；第II層段是泥頁巖最為發(fā)育的一個層段，厚度大且連續(xù)性好；第III層段泥頁巖在南北向上厚度較第II層段泥頁巖要小，縱向上受到廣泛分布的K2和K4灰?guī)r的阻隔，厚度上呈現(xiàn)南薄北厚的特征；第IV層段泥頁巖在南北向上厚度變化表現(xiàn)為南薄北厚，厚度變化較大。從圖3可以看出，東西向上各層段泥頁巖厚度變化不大，延展性較好，第II層段泥頁巖累計厚度最大?？傊瑥钠拭嫔峡?，第II層段泥頁巖較其他層段泥頁巖厚，北部地區(qū)泥頁巖較中部和南部地區(qū)泥頁巖厚度大。通過收集區(qū)內(nèi)及鄰區(qū)50余口鉆孔資料，統(tǒng)計了各層段的厚度數(shù)據(jù)(表1)。第II層段泥頁巖厚度平均達到49.03m，集中分布于45～60m；其中北部地區(qū)泥頁巖較厚，大部分地區(qū)達到50m以上；中部和南部地區(qū)泥頁巖相對較薄，中部地區(qū)泥頁巖厚度位于40～60m，南部大部分地區(qū)泥頁巖厚度則小于50m。研究區(qū)第I層段泥頁巖厚度平均19.41m，第III層段泥頁巖厚度平均18.61m，第IV層段泥頁巖厚度平均20.44m。

表1 榆社-武鄉(xiāng)地區(qū)泥頁巖層段厚度數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

1.2 泥頁巖地球化學(xué)特征

1.2.1 有機質(zhì)類型

研究區(qū)頁巖有機質(zhì)顯微組分以鏡質(zhì)組為主，含有一定殼質(zhì)組和惰質(zhì)組組分，有機質(zhì)類型指數(shù)TI和同位素值δ13CPDB(‰)的測試結(jié)果均指示研究區(qū)過渡相煤系頁巖有機質(zhì)主要源于陸生高等植物[6]，干酪根類型以III型為主，部分為II2型。研究區(qū)泥頁巖顯微組分生烴潛量介于1.07～98.3 mg/g，具有良好的生烴潛力。

圖2 榆社-武鄉(xiāng)地區(qū)南北向泥頁巖層段剖面對比圖Figure 2 Sectional comparison of NS argillutite sectors in Yushe-Wuxiang block

圖3 榆社-武鄉(xiāng)地區(qū)東西向泥頁巖層段剖面對比圖Figure 3 Sectional comparison of EW argillutite sectors in Yushe-Wuxiang block

層段樣品號顯微組分組含量/%腐泥組樹脂體殼質(zhì)組鏡質(zhì)組惰性組類型指數(shù)干酪根δ13CPDB/‰類型I1-15/254030-42.5-26.3III1-25/303530-36.25-24.0IIIII2-12/404018-26-22.9III2-215/6020525-23.0II22-310/6616823-23.7II2III3-115/353020-10-23.4III3-28/204230-43.5-23.6IIIIV4-120/6012833-24.0II2

1.2.2 有機質(zhì)豐度

榆社-武鄉(xiāng)區(qū)塊上古生界目標(biāo)層段泥頁巖樣品TOC測試結(jié)果顯示(圖4)：第I層段泥頁巖TOC含量為0.19%～24.97%，平均為2.36%，主要介于1%～2%；第II層段泥頁巖TOC含量為0.21%～20.52%，平均為2.71%，主要介于2%～4%；第III層段泥頁巖TOC含量為0.28%～4.07%，平均1.80%，主要介于1%～2%；第IV層段泥頁巖TOC含量為0.38%～14.31%，平均為1.66%，主要位于2%以下。研究區(qū)各層段泥頁巖樣品TOC含量變化范圍較大，集中分布于1.5%～2.5%，具有較好的生烴潛力。

1.2.3 有機質(zhì)成熟度

研究區(qū)各層段泥頁巖樣品的Ro數(shù)據(jù)顯示(圖5)：第I層段泥頁巖Ro為1.95%～2.5%，平均為2.21%，第II層段泥頁巖Ro為2.0%～2.90%，平均為2.34%，第III層段泥頁巖Ro為1.9%～2.34%，平均2.14%，第IV層段泥頁巖Ro為1.94%～2.42%，平均為2.15%，從Ro值來看，研究區(qū)各層段泥頁巖都處于高成熟度-過成熟階段，對于III型干酪根而言，已有大量甲烷生成，有利于研究區(qū)頁巖氣聚集成藏。

1.3 泥頁巖儲層特征

1.3.1 巖石學(xué)特征

針對研究區(qū)四個層段共計36個泥頁巖樣品開展了X衍射全巖及黏土礦物分析，檢測發(fā)現(xiàn)泥頁巖的礦物成分共計10種，其中黏土礦物和石英是主要礦物，部分樣品碳酸鹽類礦物含量較高(圖6)。黏土礦物含量為25%～63.4%，平均46.6%；石英含量介于26.2%～47.1%，平均35.7%。除此之外，菱鐵礦含量較高是該區(qū)過渡相富有機質(zhì)泥頁巖的一大特點，這與當(dāng)時的沉積水介質(zhì)環(huán)境有關(guān)。黏土礦物主要由伊蒙混層、高嶺石及伊利石構(gòu)成(圖6b)，還包括少量綠泥石，幾乎不含蒙脫石。其中，伊蒙混層和高嶺石含量較高，平均分別為34.26%和36.11%；伊利石含量介于4%～61%，平均24.15%；個別樣品伊利石含量較高，伊蒙混層含量低，可能與泥頁巖較高的熱演化程度有關(guān)。

圖4 榆社-武鄉(xiāng)區(qū)塊各層段泥頁巖樣品TOC測試結(jié)果統(tǒng)計圖Figure 4 Cartogram of argillutite sample TOC tested results of sectors in Yushe-Wuxiang block

圖5 榆社-武鄉(xiāng)各層段泥頁巖Ro圖Figure 5 Argillutite Ro chart of sectors in Yushe-Wuxiang block

(a)黏土礦物

(b)組成圖6 研究區(qū)富有機質(zhì)泥頁巖X-衍射Figure 6 Study area organic matter rich argillutite X-ray diffraction bulk

1.3.2 儲集特征

泥頁巖儲層中的孔裂隙是游離氣的重要儲集空間，而有機質(zhì)和黏土礦物表面是氣體吸附的場所，泥頁巖的儲集性能對頁巖氣的聚集成藏、后期保存，以及儲層改造有著很大的影響。研究區(qū)泥頁巖主要以黏土礦物粒間孔和有機質(zhì)孔為主，黏土礦物粒間孔形態(tài)多樣，以多邊形和拉長的長條形為主，有機質(zhì)孔隙的大小從幾納米到幾百納米不等，孔隙之間的連通性相對較好，有機質(zhì)孔隙大多數(shù)呈圓形、橢圓形和蜂窩狀分布(表3)。

研究區(qū)泥頁巖比表面積介于1.82～19.61m2/g，平均為10.74m2/g，BJH總孔體積介于0.0064～0.03 cm3/g，平均為0.021 cm3/g，平均孔徑介于4.77～14.98nm，平均為8.95nm。泥頁巖孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)變化范圍比較寬泛，表明泥頁巖孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，非均質(zhì)性較強。從圖7可以看出，泥頁巖比表面積和總孔體積有很好的正相關(guān)關(guān)系，隨著比表面積的增大，泥頁巖的孔體積也越大；平均孔徑與泥頁巖比表面積呈負相關(guān)關(guān)系，隨著孔隙孔徑的減小，泥頁巖比表面積越高。泥頁巖中微孔含量越高，平均孔徑越小，泥頁巖的比表面積就越大，就能提供更多的甲烷吸附點位，同時也會使泥頁巖孔隙結(jié)構(gòu)變得更加復(fù)雜。

泥頁巖的吸附能力對泥頁巖的含氣性評價和資源量估算具有重要的意義。本次研究中等溫吸附實驗溫度為30°C，泥頁巖樣品的最大吸附量介于0.06～17.17m3/t(圖8)，平均3.35m3/t，表明研究區(qū)泥頁巖具有良好的吸附能力，對于頁巖氣的保存較為有利。

(a)研究區(qū)泥頁巖比表面積和孔隙體積關(guān)系 (b)研究區(qū)泥頁巖比表面積和平均孔徑關(guān)系圖7 研究區(qū)泥頁巖孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)關(guān)系示意圖Figure 7 A schematic diagram of study area argillutite pore structure parameters relationship

圖8 研究區(qū)泥頁巖典型等溫吸附曲線Figure 8 Study area argillutite typical isothermal adsorption curve

2 頁巖氣有利區(qū)帶預(yù)測

頁巖氣的氣源條件、保存條件及開發(fā)條件是控制頁巖氣富集高產(chǎn)的三大主控因素[8-9]?；谘芯繀^(qū)頁巖氣地質(zhì)特征分析，第II層段整體泥頁巖發(fā)育連續(xù)，累計厚度大，TOC較高，埋深適中，含氣顯示較好，遠優(yōu)于其余三個層段，故本次選取第II層段為代表，根據(jù)富有機質(zhì)泥頁巖的累計厚度、TOC含量、有機質(zhì)成熟度、含氣量和構(gòu)造復(fù)雜程度等參數(shù)開展研究區(qū)頁巖氣有利區(qū)優(yōu)選的評價工作。評價結(jié)果顯示，研究區(qū)第二層段的頁巖氣資源潛力整體較好，有利區(qū)包括區(qū)塊北部一帶和區(qū)塊中部偏南地區(qū)兩塊有利區(qū)。區(qū)塊北部有利區(qū)泥頁巖厚度在60m以上，連續(xù)發(fā)育，TOC含量平均為2.23%，泥頁巖處于高成熟-過成熟階段，氣源條件較好，泥頁巖埋深適中，斷層少構(gòu)造程度簡單，保存條件較好；泥頁巖脆性指數(shù)在0.45以上，利于壓裂開采。區(qū)塊中部偏南地區(qū)的泥頁巖厚度在50m以上，泥頁巖連續(xù)沉積，TOC含量平均為2.05%，埋深集中于1 200～1 350m，保存條件較好，有利于頁巖氣的富集。

圖9 研究區(qū)泥頁巖第二層段有利區(qū)塊評價圖Fig. 9 Favorable area evaluation of second shale layer in the study area

3 結(jié)論

沁水盆地榆社-武鄉(xiāng)區(qū)塊泥頁巖廣泛發(fā)育，基于沉積環(huán)境與巖性組合特征，將頁巖氣目的層劃分為四個頁巖氣層段，其中第II層段(3煤底板到K4灰?guī)r頂部)泥頁巖累計厚度大(平均49.03m)，全區(qū)發(fā)育穩(wěn)定。 研究區(qū)富有機質(zhì)泥頁巖有機質(zhì)類型以腐殖型為主，各層段總有機碳含量變化較大，第I層段-第IV層段TOC平均值依次為2.36%、2.71%、1.80%、1.66%，有機質(zhì)成熟度處于高-過成熟階段，對于III型干酪根而言，利于甲烷的大量生成。研究區(qū)泥頁巖主要礦物成分為石英和黏土礦物，平均分別占35.7%與46.6%，黏土礦物以伊蒙混層和高嶺石為主；泥頁巖中孔裂隙較為發(fā)育，孔隙類型以黏土礦物粒間孔和有機質(zhì)孔為主，等溫吸附實驗顯示，泥頁巖具備較好的吸附性能。考慮氣源條件、保存條件及開發(fā)條件優(yōu)選出有利的頁巖氣區(qū)塊位于研究區(qū)的北部和中部偏南一帶，有利區(qū)內(nèi)泥頁巖累計厚度均在50m以上，TOC含量大于2%，構(gòu)造較為簡單，埋深適中，有利于頁巖氣的勘探與開發(fā)。

[1] 楊曉東,張苗,魏巍,等. 沁水盆地古縣區(qū)塊煤系“三氣”儲層孔隙特征對比[J]. 天然氣地球科學(xué),2017,03:356-365.

[2] 郗兆棟,唐書恒,李俊,等. 沁水盆地中東部海陸過渡相頁巖孔隙結(jié)構(gòu)及分形特征[J]. 天然氣地球科學(xué),2017,03:366-376.

[3] 付娟娟,郭少斌,高全芳,等. 沁水盆地煤系頁巖氣儲層特征及評價[J]. 地學(xué)前緣,2016,02:167-175.

[4] 蘇育飛,張慶輝, 魏子聰. 沁水盆地石炭系-二疊系頁巖氣資源潛力評價[J]. 中國煤炭地質(zhì),2016,04:27-34.

[5] 劉明. 沁水盆地上古生界頁巖氣成藏特征及資源潛力評價[J]. 中國煤炭地質(zhì),2016,12:25-33.

[6]Xi, Zhaodong, Tang, Shuheng, Zhang, Songhang, et al. Nano-Scale Pore Structure of Marine-Continental Transitional Shale from Liulin Area, the Eastern Margin of Ordos Basin, China. Journal of Nanoscience and Nanotechnology, Volume 17, Number 9, September 2017, pp. 6109-6123(15).

[7]郗兆棟, 田忠斌, 唐書恒. 鄂爾多斯盆地東緣海陸過渡相頁巖氣儲層孔隙特征及影響因素[J]. 中國地質(zhì), 2016, 43(6): 2059-2069.

[8]Jarvie, D.M., Hill, R.J., Ruble, T.E., et al., 2007. Unconventional shale-gas systems: the Mississippian Barnett Shale of north-central Texas as one model for thermogenic shale-gas assessment. AAPG Bull. 91, 475-499.

[9]Ross, D.J.K., Bustin, R.M., 2008. Characterizing the shale gas resource potential of Devonian-Mississippian strata in the Western Canada sedimentary basin: application of an integrated formation evaluation. AAPG Bull. 92 (1), 87-125.

AssessmentofCoalMeasuresShaleGasReservoirFeaturesinYushe-WuxiangBlock,QinshuiBasin

Wei Shuhong, Shen Youyi and Yang Xiaodong

(Shanxi Coal Geological Geophysical Surveying and Mapping Institute, Jinzhong, Shanxi 306000)

Through analysis of Permo-Carboniferous Shanxi and Taiyuan formations organic rich argillutite distribution, geochemical and reservoir features in the Yushe-Wuxiang block, Qinshui Bain has considered that the organic rich argillutite in the study area is well developed with better continuity. The TOC content is concentrated between 1.5%～2.5%, kerogen mainly type III, thermal evolution degree in high maturity to over maturity stage, thus a good-excellent source rock. The mineral composition of argillutite is mainly clay minerals and quartz. Clay minerals have kaolinite and illite/montmorillonite mixed-layer. The most developed shale pore type is clay mineral intergranular and organic matter pores. Argillutite has good adsorptivity, shale specific surface area and pore volume is positively correlated, thus indicated argillutite in the area has better reservoir properties. Optimized shale gas favorable areas in the Shanxi and Taiyuan formations are distributed in north and middle by south parts in study area, argillutite accumulated thickness in favorable areas all above 50m, TOC content over 2%, structurally simple and buried depth moderate, thus propitious to shale gas exploration and exploitation.

coal measures; shale gas; reservoir features; Qinshui Basin

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.08.05

1674-1803(2017)08-0025-07

山西省煤基重點科技攻關(guān)項目(MQ2014-02)

魏書宏(1966—)，男，山西晉中人，高級工程師，從事能源地質(zhì)勘查工作。

2017-05-19

A

責(zé)任編輯：宋博輦