河南省太原組–山西組頁巖氣成藏主控因素與勘探方向

邱慶倫 ， 李中明 ，劉永春 ，張 棟 ，董果果 ，劉 沖

（1．河南省地質(zhì)調(diào)查院，河南鄭州 450001； 2．河南豫礦地質(zhì)勘查投資有限公司；3．地下清潔能源勘查開發(fā)產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟）

重慶涪陵焦石壩、四川長寧–威遠(yuǎn)等地取得頁巖氣勘探開發(fā)重大突破后，南方龍馬溪組海相頁巖氣已經(jīng)進(jìn)入大規(guī)模商業(yè)開發(fā)模式。北方河南省牟頁1井太原組、山西組143 m厚的含氣層段分三段進(jìn)行分壓合試，獲得了日產(chǎn)1 256 m3天然氣的較穩(wěn)定氣流，實現(xiàn)了我國北方海陸過渡相頁巖氣勘探的重大發(fā)現(xiàn)；此外，中國地質(zhì)調(diào)查局組織實施的蔚參1井、華北石油局實施的通許1井、通許2井等均顯示太原組、山西組具有較好的勘探前景[1-2]。本文在對太原組、山西組頁巖氣成藏主控因素分析的基礎(chǔ)上，在河南省中東部平原覆蓋區(qū)優(yōu)選出太原組和山西組頁巖氣勘探有利區(qū)，為二疊系頁巖氣勘探部署提供依據(jù)。

1 頁巖氣形成地質(zhì)背景

1.1 富氣頁巖沉積環(huán)境

無論常規(guī)油氣還是非常規(guī)油氣，成藏主要受控于“烴源巖”及“保存”兩大要素，已在中國南方五峰組龍馬–溪組頁巖氣成藏勘探實踐中已經(jīng)得到了驗證，即原始的沉積條件和后期的保存條件是氣田成藏的關(guān)鍵[3–4]。

研究區(qū)河南中東部平原從北向南依次橫跨內(nèi)黃隆起、開封–臨清坳陷、通許隆起、周口坳陷和長山隆起3隆夾2坳的構(gòu)造格局（圖1）。構(gòu)造相對穩(wěn)定，地層產(chǎn)狀相對平緩。構(gòu)造演化大體上經(jīng)歷了寒武紀(jì)–中奧陶世濱淺海相沉降盆地發(fā)育時期、晚奧陶世–泥盆紀(jì)克拉通古陸隆起剝蝕期、石炭紀(jì)–二疊紀(jì)海陸過渡相沉降盆地發(fā)育時期和三疊紀(jì)–第四紀(jì)陸相盆地發(fā)育時期5個演化階段。其中，下二疊統(tǒng)太原組為三套灰?guī)r夾兩套黑色泥巖及煤層的沉積組合，總體表現(xiàn)為海進(jìn)退積序列，其中泥頁巖段為瀉湖相、灰?guī)r段為局限臺地相；而山西組下部主要為砂巖、上部總體為黑色泥巖與煤層，總體表現(xiàn)為海退進(jìn)積序列，逐漸由前三角洲向三角洲前緣過渡，最后發(fā)展為三角洲平原（圖2）。

1.2 富氣頁巖厚度及分布

圖1 研究區(qū)構(gòu)造位置

圖2 鄭西頁1井（左）及牟頁1井（右）綜合剖面

（1）太原組：河南省中東部地區(qū)太原組厚度主要為50~130 m，最大厚度約153 m，最小厚度約32 m。豫北和豫東地區(qū)厚度較大，為110~130 m；在濟(jì)源下冶—洛陽—汝州一線以西及汝州—魯山—確山一線以西地區(qū)厚度變小，大多在50 m以下直至尖滅，反映了當(dāng)時沉積基底地形有明顯差異，地層厚度變化總體表現(xiàn)為由北向南、由東向西變薄的趨勢，也說明在這兩條線以西地區(qū)近乎到古陸邊緣。在豫東柘城至永城一帶沉積厚度均大于130 m，是太原組沉積厚度最大的地區(qū)（圖3）。

圖3 研究區(qū)太原組地層等厚圖（據(jù)胡斌等[5]，2015，略改）

（2）山西組：分布在河南省內(nèi)三門峽—確山—固始一線以北的廣大地區(qū)，區(qū)域上較穩(wěn)定，厚度主要為60~105 m，最大厚度127 m，最小厚度約50 m，整體上厚度差別不太大，說明當(dāng)時沉積基底地勢差異也不大。豫東北地區(qū)厚度較大，為100~127 m；在陜縣—寶豐—確山一線以西地區(qū)厚度較小，一般小于60 m，反映了當(dāng)時沉積基底靠近西部伏牛古陸地勢較高。在開封—杞縣一帶地層厚度也不足 60 m，很可能存在一個水下隆起（圖4）。

2 頁巖氣成藏主控因素

2.1 富有機質(zhì)烴源巖是頁巖氣富集的物質(zhì)基礎(chǔ)

河南省頁巖氣主要目的層是下二疊統(tǒng)海陸過渡相的太原組和山西組，巖性主要為灰色–黑色頁巖夾灰?guī)r及細(xì)砂巖，具有普遍含氣的地質(zhì)特征，太原–山西期泥炭沼澤亞相和瀉湖亞相為海陸過渡相頁巖氣發(fā)育最有利相帶（圖2）。太原組–山西組優(yōu)質(zhì)頁巖總含氣量0.42～4.44 m3/t，平均為1.93 m3/t；有機質(zhì)類型均為 III型；平均有機碳含量太原組為2.20%，山西組為1.90%；成熟度3.0%～4.5%，處于過成熟晚期干氣階段。對牟頁1井山西組、太原組兩套頁巖氣層、一套砂巖氣層段壓裂試氣，其中太原組試氣井段厚度77.14 m，山西組下部試氣層段厚20.0 m，山西組上部試氣層段厚46.5 m。三層合采產(chǎn)氣1 256 m3/d，取得了南華北盆地海陸過渡相頁巖氣勘探的重大發(fā)現(xiàn)[6]。

2.2 孔隙、裂縫是頁巖氣主要儲集空間

牟頁1井及鄭西頁1井太原組含氣頁巖層段的孔隙度0.4%～4.5%，平均為2.1%；滲透率1.21×10-6～0.11×10-3μm2，平均7.48×10-6μm2。山西組含氣頁巖層段的孔隙度0.3%～8.8%，平均2.3%；滲透率0.023×10-3～0.92×10-3μm2，平均0.045×10-3μm2。

牟頁1井、鄭西頁1井太原組和山西組泥頁巖中微孔隙類型主要包括無機孔、有機質(zhì)孔及各類裂縫，既為頁巖氣的儲存提供空間，又是氣體重要的滲流通道。此外，太原組和山西組含氣層段層理非常發(fā)育，由一系列薄層頁巖及細(xì)砂巖互層組成，層理面構(gòu)造不穩(wěn)定，極易形成水平層理縫，這為頁巖氣提供了良好的儲存空間及滲流通道，有助于增加頁巖層中游離態(tài)天然氣體積和改善頁巖的滲流能力，從而獲得較高的產(chǎn)能。

圖4 研究區(qū)山西組地層等厚圖（據(jù)胡斌等[5]，2015，略改）

2.3 頁巖儲層具有良好的可壓性

牟頁1井、鄭西頁1井太原組、山西組頁巖儲層礦物以黏土礦物和石英為主，石英平均含量36%，黏土礦物平均含量35%，其次為長石，還有部分碳酸鹽巖和少量黃鐵礦；山西組的石英平均含量45%，黏土礦物平均含量46%，黏土礦物主要由伊利石、伊–蒙混層和綠泥石組成，底部、頂部伊利石較少，向中部增加。從太原組到山西組，總體上，石英含量高，具有向上逐漸增加的趨勢，顯示了較好的可壓裂性。太原組、山西組主要含氣層段巖石楊氏模量20～45 GPa，泊松比0.20～0.35，脆性指數(shù)為39%～71%，平均脆性指數(shù)接近于50%，適宜壓裂施工。

2.4 保存條件是頁巖氣富集及產(chǎn)能的關(guān)鍵因素

優(yōu)質(zhì)蓋層及穩(wěn)定的構(gòu)造是頁巖氣富集及產(chǎn)能影響的關(guān)鍵因素[7–9]，前人研究認(rèn)為[10]，河南省中東部中侏羅世為海陸過渡相地層的烴源巖生氣高峰，三疊紀(jì)和白堊紀(jì)次之，生氣高峰時間越早，越不利于頁巖氣的保存。同時北方海陸過渡相頁巖氣層系經(jīng)歷了多期油氣成藏過程，而多期成藏對氣田形成和保存通常具有負(fù)面作用，對于河南北部溫縣區(qū)塊鄭西頁1井、中牟區(qū)塊牟頁1井而言，井區(qū)3 km以內(nèi)均有數(shù)條“通天”斷層，非常不利于頁巖氣的保存。而河南省中東部地區(qū)太原組和山西組蓋層為石盒子組泥巖，橫向分布穩(wěn)定，突破壓力達(dá)14.1 MPa，顯示了較高的封閉能力，是區(qū)域性蓋層，保存條件較好，故在構(gòu)造相對穩(wěn)定的鄂爾多斯發(fā)現(xiàn)了大牛地致密砂巖氣田[11]。美國及我國南方海相頁巖氣的勘探開發(fā)均表明，壓力系數(shù)較高的頁巖氣井一般具有較好的產(chǎn)能，但以海陸過渡相太原組、山西組為勘探目的層的鄭西頁1井、牟頁1井、尉參1井及鄭東頁2井四口頁巖氣井均顯示常壓，地層壓力均為1.0 MPa左右，壓裂試氣效果也顯著差于南方海相頁巖氣田，一定程度上說明了保存條件較差，導(dǎo)致地層壓力較低，從而決定了頁巖氣產(chǎn)能的巨大差異。因此，對于河南省海陸過渡相頁巖氣層系而言，在頁巖氣層系厚度、埋深及蓋層條件相似的情況下，尋找構(gòu)造相對穩(wěn)定的區(qū)域，是下一步進(jìn)行頁巖氣、致密砂巖氣勘探選區(qū)的關(guān)鍵。

3 頁巖氣勘探方向

綜上所述，河南省二疊系太原組和山西組是較好的頁巖氣勘探層系，具有普遍含氣的地質(zhì)特征。對于河南省平原覆蓋區(qū)而言，通許隆起東緣的永城及柘城一帶，太原組底界埋深為600～4 000 m，太原組和山西組厚度也是全省最大的區(qū)域，分別大于130 m和100 m；且永城一帶有煤田區(qū)，煤層厚度5～13 m，生烴條件較好，構(gòu)造相對較為穩(wěn)定，是較為理想的頁巖氣勘探有利區(qū)，具有較好的頁巖氣勘探前景。

4 結(jié)論

（1）河南省下二疊統(tǒng)海陸過渡相的太原組和山西組頁巖氣層系，為黑色頁巖夾灰?guī)r及細(xì)砂巖，具有普遍含氣的地質(zhì)特征，有機質(zhì)類型為Ⅲ型，處于過成熟晚期，孔隙、裂縫是頁巖氣的主要儲存空間；脆性礦物含量高，顯示了較好的可壓性；河南北部地區(qū)頁巖氣保存條件差，而中東部地區(qū)區(qū)域泥巖蓋層穩(wěn)定、保存條件較好。

（2）河南省平原覆蓋區(qū)通許隆起東緣的永城及柘城一帶，太原組和山西組厚度埋深適中、生烴條件好、厚度最大、構(gòu)造相對穩(wěn)定，是較為理想的頁巖氣勘探有利區(qū)。

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