河南溫縣區(qū)塊太原組—山西組頁巖氣成藏條件及勘探方向研究

邱慶倫，李中明，劉　沖，劉艷杰，朱德勝，張　棟，甕紀昌.

(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，河南鄭州　450012； 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，河南鄭州　450001)

自2011年設立頁巖氣獨立礦種以來，在重慶涪陵焦石壩、四川長寧—威遠等地相繼取得頁巖氣開發(fā)重大突破[1-2]，其中焦石壩地區(qū)探明地質(zhì)儲量1067.5×108m3，2015年頁巖氣年產(chǎn)已達50×108m3，由此，我國與美國及加拿大成為僅有的3個頁巖氣商業(yè)性開發(fā)的國家。

為順應國際、國內(nèi)清潔能源勘查大趨勢，河南豫礦地質(zhì)勘查投資有限公司在2012年國土資源部舉行的第二輪頁巖氣探礦權(quán)招標中獲得了河南溫縣和河南中牟兩個頁巖氣勘查區(qū)塊(圖1)，河南省地質(zhì)調(diào)查院作為這兩個頁巖氣區(qū)塊的勘查實施單位，在河南省主要針對石炭-二疊系海陸過渡相頁巖氣層系進行勘探，在中牟區(qū)塊組織實施了河南省內(nèi)第一口頁巖氣探井(牟頁1井)，對該井太原組、山西組143 m厚的含氣層段分三段進行分壓合試，獲得了日產(chǎn)1256 m3天然氣的較穩(wěn)定氣流，實現(xiàn)了我國北方海陸過渡相地區(qū)頁巖氣勘探的重大發(fā)現(xiàn)[3]；在此基礎(chǔ)上，在河南溫縣區(qū)塊組織實施了鄭西頁1井、中牟區(qū)塊實施了鄭東頁2井。同時，中國地質(zhì)調(diào)查局油氣調(diào)查中心組織實施的尉參1井及華北地區(qū)河南等省頁巖氣資源潛力評價項目，主要目的層也是海陸過渡相層系頁巖氣，均顯示該區(qū)石炭二疊系海陸過渡相層系頁巖氣具有良好的勘探前景[4-6]。本文重點分析河南溫縣區(qū)塊太原組、山西組頁巖氣成藏條件，并就頁巖氣勘探潛力進行闡述，從而為下一步勘探投資方向提供依據(jù)。

圖1　河南溫縣頁巖氣區(qū)塊構(gòu)造背景及地理位置Fig.1　Formation background and location of Henan Wenxian shale gas block

1　地質(zhì)背景

河南溫縣區(qū)塊位于濟源凹陷的中東部，南鄰通許隆起，北臨山西隆起，走向近東西，是受不同構(gòu)造體系影響形成的中、新生代斷陷式沉積凹陷。溫縣勘查區(qū)塊涉及5個構(gòu)造單元，從北向南依次為武陟凸起、沁陽—金城次凹、崇武中央凸起、溫縣次凹和通許隆起。地貌為平原覆蓋區(qū)，斷裂發(fā)育，構(gòu)造負責，太原組、山西組頁巖氣層系整體南高北低、東高西低。從早至晚，經(jīng)歷了寒武紀-中奧陶世濱淺海相沉降盆地發(fā)育時期、晚奧陶世-泥盆紀克拉通古陸隆起剝蝕期、石炭紀-二疊紀海陸過渡相沉降盆地發(fā)育時期和三疊紀-第四紀陸相盆地發(fā)育時期4個構(gòu)造演化階段。其中，下二疊統(tǒng)太原組總為三套灰?guī)r夾二套黑色泥巖及煤層沉積組合，總體表現(xiàn)為海進退積序列，其中泥頁巖段為潟湖相，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)為海退進積序列，逐漸由前三角洲向三角洲前緣，最后演化為三角洲平原(圖2)。

圖2　鄭西頁1井綜合剖面Fig.2　The synthetical section of well Zhenxiye-1

2　地質(zhì)特征

2.1　頁巖地球化學特征

2.1.1有機質(zhì)類型

對河南溫縣區(qū)塊內(nèi)鄭西頁1井太原組、山西組頁巖氣層段采取25個干酪根樣品，干酪根鏡檢結(jié)果顯示，鄭西頁1井目的層段泥頁巖干酪根顯微組分殼質(zhì)組含量為59%，鏡質(zhì)組含量為25%，惰質(zhì)組含量為16%，有機質(zhì)類型多為Ⅲ型，太原組個別為Ⅱ2型干酪根(圖3)。

圖3　太原組、山西組干酪根類型劃分Fig.3　Kerogen classification of Taiyuan and Shanxi formations

2.1.2有機質(zhì)豐度

鄭西頁1井二疊系太原組地層總厚度為53.5 m，巖性復雜，砂巖、泥巖、煤層和灰?guī)r互層，暗色泥巖累計厚度為21 m，煤層厚度為1.5 m。55個有機碳含量(TOC)樣品測試結(jié)果顯示，太原組有機碳含量介于0.41%～13.22%之間，平均含量為1.79%，其中約25%的總有機碳含量超過2.0%(圖4)。山西組地層總厚度為62.5 m，巖性復雜，砂巖、泥巖互層，暗色泥巖累計厚度為22 m，煤層厚度為0.8 m。77個有機碳含量(TOC)測試結(jié)果顯示，山西組有機碳含量介于0.07%～13.51%之間，平均含量為1.70%(圖5)。總體上，太原組、山西組均屬于好的烴源巖，有機質(zhì)豐度滿足頁巖氣成藏條件；相對而言，太原組烴源巖條件要略好于山西組。

圖4　鄭西頁1井太原組樣品TOCFig.4　The TOC of Taiyuan formation in well Zhenxiye-1

圖5　鄭西頁1井太原組樣品TOCFig.5　The TOC of Shanxi formation in well Zhenxiye-1

在鄭西頁1井中，在泥巖和砂巖中兩者的R2分別達到了0.6005和0.5983(圖6)，均具有較好的相關(guān)性，表明有機質(zhì)豐度是頁巖氣富集的主控因素。

圖6　鄭西頁1井TOC和巖芯解吸含氣量相關(guān)性Fig.6　The correlation betweenTOC and core analytic volume of well Zhenxiye-1

2.1.3有機質(zhì)成熟度

本文通過采集二疊系太原組、山西組樣品鏡質(zhì)體反射率(Ro)來評價成熟度。鄭西頁1井太原組和山西組泥頁巖成熟度全部超過4.0%，介于4.1%～4.5%之間，平均為4.2%，均處于過成熟晚期干氣階段(圖7)。太原組烴源巖在中三疊世末達到低成熟—成熟早期；早白堊世末，大部分地區(qū)達到高成熟，以干氣為主；漸新世末仍處于干氣階段。

2.2　埋深特征

根據(jù)以往地震資料，溫縣區(qū)塊太原組、山西組頁巖氣層系現(xiàn)今埋深多在3500～5000 m之間，勘查區(qū)東南部稍淺，約在3000～4000 m之間，而北部沁陽—金城次凹和南部的溫縣次凹區(qū)埋深大于6000 m。

圖7　鄭西頁1井太原組、山西組Ro分布Fig.7　The Ro distribution of Taiyuan and Shanxi formations in well Zhenxiye-1

2.3　儲集特征

2.3.1巖石特征

全巖分析表明，太原組、山西組砂巖儲層和泥巖儲層礦物含量均以石英和黏土為主，另外含有少量的長石、碳酸鹽巖礦物和鐵礦(圖8)。其中，泥巖儲層石英含量較低，為26%～57%，平均值為38.9%；砂巖儲層石英含量較高，為34%～88%，平均值為56.3%。充分表明巖石脆性與造縫能力較強，較適宜進行壓裂改造。

黏土分析表明(圖9)，砂巖儲層和泥巖儲層黏土礦物含量均以伊蒙混層為主，其次為伊利石，另外含有少量綠泥石和高嶺石。砂巖儲層伊蒙混層含量為53%～71%，平均值為61.7%；泥巖儲層伊蒙混層含量為48%～75%，平均含量為63.2%。另外，伊蒙混層中蒙脫石含量小于20%，氣體吸附能力較差。

圖8　砂巖儲層(左)和泥巖儲層(右)全巖礦物含量分布Fig.8　The distribution of whole mineral content on sandstone (left) and mud rock (right)

圖9　砂巖儲層(左)和泥巖儲層(右)黏土礦物含量分布Fig.9　The distribution of clay mineral content on sandstone (left) and mud rock (right)

2.3.2物性特征

鄭西頁1井錄井過程中進行的孔隙度與滲透率巖礦測試結(jié)果均表明，該區(qū)太原組含氣頁巖層段的孔隙度分布范圍在0.4%～2.1%，平均為1.2%(圖10)；平均滲透率為2.75×10-3mD。山西組含氣頁巖層段的孔隙度分布范圍在1.8%～2.9%，平均為2.3%；平均滲透率為7.96×10-3mD(圖11)。總體上山西組孔隙度及滲透率均高于太原組，與涪陵焦石壩五峰組—龍馬溪組相比，約有1倍多的差距。根據(jù)特殊測井解釋泥巖發(fā)育水平層理，砂巖主要發(fā)育低角度層理，局部發(fā)育交錯層理。太原組灰?guī)r中縫合線和高導縫較發(fā)育，說明儲層連通性較好。從滲透率來看都小于0.1 mD，屬于特低滲類型。總體孔隙度與滲透率均較低，其泥頁巖儲層均為低孔低滲儲層。

圖10　鄭西頁1井山西組、太原組孔隙度分布Fig.10　The porosity distribution of Taiyuan and Shanxi formations in well Zhenxiye-1

圖11　鄭西頁1井山西組、太原組滲透率分布Fig.11　The pervasion distribution of Taiyuan and Shanxi formations in well Zhenxiye-1

2.4　巖石力學性質(zhì)

綜合楊氏模量、泊松比、破裂壓力和脆性指數(shù)幾項分析巖石的可壓性。一般情況下，楊氏模量大、泊松比小、脆性指數(shù)大、破裂壓力小的地層性脆，易于壓裂。根據(jù)測井成果，太原組、山西組主要含氣層段巖石的楊氏模量在37～58 GPa之間，泊松比在0.22～0.27之間；根據(jù)巖芯單軸壓縮試驗測試結(jié)果，儲層彈性模量為31～48 GPa，泊松比為0.15～0.21，脆性指數(shù)為39%～71%，與測井解釋結(jié)果較接近。表明儲層脆性指數(shù)大，地層易于壓裂。

本井計算的最小水平主應力在54～61 MPa之間，平均值為58 MPa；最大水平主應力在74～82 MPa之間，平均值為78 MPa，水平兩向主應力差異相對較小，差異系數(shù)低于35%，易于形成體積縫網(wǎng)。根據(jù)各向異性提供的快橫波方位及鉆井誘導縫，確定最大水平主應力方向為北東東60°左右。

巖芯照片(圖12)及FMI測量處理解釋均顯示，太原組、山西組含氣頁巖層段發(fā)育水平層理，砂巖發(fā)育低角度層理，局部見交錯層理。另外，高導縫發(fā)育，見到大量的鉆井誘導縫與井壁崩落，有利于多裂縫的產(chǎn)生。

2.5　頁巖含氣特征

溫縣區(qū)塊鄭西頁1井下二疊統(tǒng)太原組、山西組鉆進中發(fā)現(xiàn)多次氣測異常，現(xiàn)場解吸及等溫吸附測試均顯示具有普遍含氣的特征(圖2、圖13)。可以看出，不同巖性的等溫吸附氣量和現(xiàn)場解吸含氣量的相對大小不同，即砂巖和灰?guī)r樣品的等溫吸附氣量一般大于現(xiàn)場解吸氣量，而泥巖的等溫吸附氣量有多個樣品要小于現(xiàn)場解吸氣量，這可能與不同巖性初始含氣結(jié)構(gòu)、含氣飽和度、吸附能力大小以及孔隙分布特征有關(guān)。總體上，太原組含氣量介于0.59～3.19 m3/t之間，平均含氣量為1.39 m3/t；山西組含氣量介于0.47～2.96 m3/t之間，平均含氣量為1.32 m3/t；總含氣量由上到下呈現(xiàn)出逐漸升高的趨勢?，F(xiàn)場解吸的氣體成分主要包括甲烷、二氧化碳、氮氣以及少量的乙烷和丙烷，其中甲烷含量為61%～93%，平均含量為87%。

圖12　鄭西頁1井太原組、山西組巖芯照片F(xiàn)ig.12　The drilling core photographs of Taiyuan and Shanxi formations of well Zhenxiye-1a.鄭西頁1井3303 m處山西組粉砂巖逆粒序; b.3352 m處太原組黑色泥巖;c.3363 m處太原組具水平層理灰黑色泥巖

圖13　鄭西頁1井太原組、山西組等溫吸附與現(xiàn)場解吸對比Fig.13　The contrastive of adsorption and locale resolution on Taiyuan and Shanxi formations in well Zhenxiye-1

2.6　頁巖氣保存條件

是否具有優(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[1,2,7-12]。前人研究認為[13]，對于河南溫縣區(qū)塊一帶常規(guī)油氣藏而言，烴源巖生氣高峰的時代以中侏羅世為主，三疊紀和白堊紀次之，明顯早于南方龍馬溪組海相頁巖氣的生氣高峰古近紀。相對而言，生氣高峰時間越早，越不利于頁巖氣的保存。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面作用。對于河南溫縣區(qū)塊鄭西頁1井一帶而言，二維地震資料顯示，上古生界和新近系明顯為兩個構(gòu)造變形層，上古生界斷裂較多，多數(shù)貫穿上古生界頂部平頂山組；而新近系以來則斷層構(gòu)造活動較弱。距離鄭西頁1井3 km以內(nèi)就有7條斷層貫穿了古近紀的松散地層(圖14)，其中距離該井最近的斷層僅100 m，這是該區(qū)頁巖氣保存至關(guān)重要、甚至是決定性的因素；相對而言，焦石壩地區(qū)在長約20 km、寬約10 km、面積約200 km2范圍內(nèi)非常穩(wěn)定，基本沒有斷層活動，保存條件較好。另外，優(yōu)質(zhì)蓋層、特別是膏鹽巖蓋層是海相層系形成大中型油氣田的關(guān)鍵[1]，焦石壩頁巖氣氣田蓋層即以膏鹽巖為主。對研究區(qū)太原組和山西組頁巖來說，主要蓋層為石盒子組泥巖，橫向分布穩(wěn)定，突破壓力達14.1 MPa，顯示了較高的封閉能力，是區(qū)域性蓋層。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4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，這也從一定程度上說明了保存條件較差導致地層壓力較低，從而決定了頁巖氣產(chǎn)能的巨大差異。盡管如此，在華北地區(qū)廣泛分布的太原組和山西組頁巖氣層系，在構(gòu)造相對穩(wěn)定的鄂爾多斯就建成了大牛地致密砂巖氣氣田[14]。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，進行頁巖氣、致密砂巖氣兼探是下一步勘探選區(qū)的關(guān)鍵。

圖14　鄭西頁1井周緣地震構(gòu)造特征Fig.14　Structure characteristics indicated by earthquake section in well Zhengxiye-1

3　頁巖氣勘探方向

根據(jù)研究區(qū)塊太原組、山西組頁巖氣地質(zhì)特征，確定出頁巖厚度、含氣量、有機質(zhì)豐度、有機質(zhì)熱演化程度、構(gòu)造復雜性和頁巖埋深等地質(zhì)因素作為評價標準，相對而言目的層系埋深變化最大，其他指標變化相對較小。本次重點以埋深為重要參考依據(jù)，即以3500 m、4500 m分別作為劃分界線，將埋深介于2500～3500 m之間的區(qū)域歸為一類有利目標區(qū)，而埋深介于3500～4500 m之間的區(qū)域為二類有利目標區(qū)。據(jù)此，將溫縣區(qū)塊劃分出一類有利目標區(qū)和二類有利目標區(qū)各1個(圖15)。

一類有利目標區(qū)位于鄭西頁1井及周邊，太原組底板埋深2500～3500 m之間，面積為15 km2；二類有利目標區(qū)位于勘查區(qū)東南部一帶，面積為40 km2。這兩個區(qū)頁巖氣目的層系均為二疊系太原組、山西組，總厚度約118 m，具有普遍含氣的特征?？傮w上太原組TOC、含氣量稍高于山西組，從太原組底部向上部山西組頂部具有含氣量逐漸增加的趨勢，但現(xiàn)有可供勘探面積相對較小，該區(qū)是該區(qū)塊頁巖氣勘查開發(fā)的最有利區(qū)域。

4　結(jié)論

(1)太原組、山西組富有機質(zhì)黑色頁巖層系是河南溫縣區(qū)塊的主要勘探目的層，具有沉積穩(wěn)定、厚度大、高脆性礦物、低黏土礦物，以及高TOC、較高含氣量的特征，具備頁巖氣形成、儲集、保存的基本條件。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、保存條件較好的地區(qū)進行頁巖氣、致密砂巖氣兼探，是下一步勘探選區(qū)的關(guān)鍵。

圖15　河南溫縣區(qū)塊頁巖氣有利區(qū)預測Fig.15　The predicted diagram of favorable areas of shale gas in Henan Wenxian block

(2)太原組—山西組地層具有“區(qū)域疊合連片，普遍含氣”的特征。在南華北盆地通許隆起一帶施鉆的牟頁1井、柴1井、尉參1井、通許1井也證實了河南省下二疊統(tǒng)太原組、山西組頁巖氣層系展現(xiàn)了多種巖性、物性、含氣性及可壓裂性組合的頁巖氣勘查良好前景，但相對而言，河南溫縣區(qū)塊頁巖氣層系構(gòu)造相對復雜，埋藏深度大，可勘探面積小，勘探風險相對較大。

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