河北省任縣-南和縣地區(qū)煤系非常規(guī)天然氣源-儲特征分析

張啟賢，牛 飛，張宏亮，李學(xué)文，楊 彪，牛小軍，閆海渠，張新生

(1.河北省煤田地質(zhì)局，石家莊 050085； 2.河北省煤田地質(zhì)局水文地質(zhì)隊，河北 邯鄲 056000；3.河北省煤田地質(zhì)局第四地質(zhì)隊，河北 張家口 075100)

煤系非常規(guī)天然氣是指賦存在煤系地層中的煤層氣、頁巖氣和致密砂巖氣等各類非常規(guī)天然氣資源的總稱，其成因上具有同源共生的特點[1-2]。河北省任縣-南和縣地區(qū)煤系地層中煤、泥炭、炭質(zhì)泥巖或暗色泥頁巖和致密砂巖互層發(fā)育，以石炭-二疊系太原-山西組海陸交互相地層為主。煤層和泥頁巖層具有“自生自儲”的特征，同時作為致密砂巖層的氣源，三者具有很強的“互層共生”特點。本文通過樣品分析煤、泥頁巖和致密砂巖的巖石學(xué)特征、物性特征和地球化學(xué)特征，從微觀上進一步認識研究區(qū)煤系地層的源儲特征。

1 地質(zhì)概況

研究區(qū)位于中朝準(zhǔn)地臺(Ⅰ級)、華北斷坳(Ⅱ級)、臨清臺陷(Ⅲ級)、南和斷凸(Ⅳ級)構(gòu)造單元內(nèi)，西部為武安凹陷，東部為巨鹿斷凹，南部為邯鄲斷凹，北部為寧晉斷凸，區(qū)內(nèi)主要發(fā)育晏家屯斷層、河郭鎮(zhèn)斷層和任縣背斜等構(gòu)造[3-5](圖1)。

本區(qū)為新生界所覆蓋的隱蔽型含煤區(qū)，基巖地層僅在零星地帶出露，地層由老到新發(fā)育有奧陶系中統(tǒng)峰峰組，石炭系中統(tǒng)本溪組、上統(tǒng)太原組，二疊系下統(tǒng)山西組、下石盒子組、上統(tǒng)上石盒子組、石千峰組，三疊系下統(tǒng)劉家溝組、和尚溝組、中統(tǒng)二馬營組，新生界古近系、新近系及第四系。

太原組巖性主要由灰黑色泥巖、灰色泥晶生物碎屑灰?guī)r，石英砂巖及煤層組成，含豐富的動、植物化石，與下伏本溪組連續(xù)沉積。山西組巖性以深灰、灰黑色泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉細砂巖為主，夾砂巖及煤層，含有較多的菱鐵質(zhì)結(jié)核，富含炭化植物化石，與下伏太原組整合接觸。

2 實驗方法及條件

本次實驗樣品全部來自研究區(qū)山西組和太原組地層，嚴(yán)格依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)進行實驗。其中，X衍射分析依據(jù)SY/T 5163-2010標(biāo)準(zhǔn)，檢測環(huán)境溫度為24℃，濕度為35%，儀器為D8 DISCOVER型X射線衍射儀；掃描電鏡分析依據(jù)SY/T 5162-2014標(biāo)準(zhǔn)，儀器為TESCAN VEGAⅡ型掃描電子顯微鏡；巖石薄片鑒定依據(jù)SY/T 5368─2000《巖石薄片鑒定》，儀器為OLYMPUS BA-2；巖石常規(guī)物性分析依據(jù)《巖心分析方法》SY/T5336-2006，室溫為18℃，濕度為38%，大氣壓力為1 029 hPa，設(shè)備為Ultrapore-200A氦孔隙儀(KFSY/J96-036)和ULTRA-PERMTM200滲透率儀(KFSY/J96-031)；壓汞實驗使用AUTO PORE IV 9520壓汞儀，依據(jù)GB/T21650.1-2008標(biāo)準(zhǔn)，壓汞測定最高壓力為414MPa，檢測溫度為24℃，濕度為31%，大氣壓力為998hPa；有機碳測試依據(jù)GB/T 19145-2003標(biāo)準(zhǔn)，采用Leco碳硫測定儀；鏡質(zhì)體反射率測試依據(jù)《沉積巖中鏡質(zhì)組反射率測定方法》SY/T5124-1995，設(shè)備為顯微光度計(MPV-SP)，電源電壓220V±10%，50/60Hz，環(huán)境溫度為23±3℃，相對濕度<70%，測定波長546nm，顯微鏡放大倍數(shù)125倍，反射率量程為0.1%～10.0%，分辨率為0.01%。

3 烴源巖有機地化特征

有機地化指標(biāo)是確定烴源巖生烴強度和生烴能力的重要依據(jù)[6-10]。通過對研究區(qū)山西組和太原組地層采集18個煤樣品和32個泥頁巖樣品進行全巖分析和有機地化分析，確定其有機質(zhì)類型、有機質(zhì)豐度和有機質(zhì)成熟度，從而判斷該區(qū)煤和泥頁巖的生烴能力和生烴強度。

3.1 有機質(zhì)類型

通過干酪根鏡檢結(jié)果顯示，煤樣中有機顯微組分以鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組為主，鏡質(zhì)組含量最高為61.5%～90.5%，平均值為75.95%；惰質(zhì)組次之為7.1%～38.5%，平均值為22.43%；殼質(zhì)組含量最少為2.4%～5.6%，平均值為3.83%，有機質(zhì)類型主要為Ⅲ型，以產(chǎn)氣為主(表1)。

圖1 區(qū)域構(gòu)造位置和典型地層柱狀圖Figure 1 Regional tectonic setting and typical stratigraphic column

泥頁巖中鏡質(zhì)組含量最高為30.8%～82.4%，平均為62.2%；惰質(zhì)組含量次之為14%～69.2%，平均為34%；殼質(zhì)組最不發(fā)育，含量為0～18.2%，平均為3.2%。

表1 研究區(qū)煤樣有機地球化學(xué)參數(shù)

綜上，研究區(qū)煤和泥頁巖樣品的顯微組分以鏡質(zhì)組為主，惰質(zhì)組次之，殼質(zhì)組組含量較低。有機質(zhì)主要來源于高等植物的木質(zhì)素、纖維組織等經(jīng)凝膠化作用而成(圖2)，有機質(zhì)類型以Ⅲ型為主，屬于較好產(chǎn)氣有機質(zhì)類型。

3.2 有機質(zhì)豐度

有機質(zhì)豐度取決于總有機碳(TOC)的含量，有機碳的含量與烴源巖生氣能力存在正相關(guān)關(guān)系，Schmoker、陳晶等認為泥頁巖生氣下限的有機碳含量約為2%[11-14]。研究區(qū)泥巖有機碳含量分布在0.11%～22.24%，平均值為6.63%，其中TOC大于1%的約占75%，泥巖有機碳(TOC)含量多大于5%，有機質(zhì)豐度以中-高為主。研究區(qū)上古生界煤層煤質(zhì)類型以氣-肥煤為主，煤變質(zhì)程度較高，總有機質(zhì)含量(TOC)為89.7%～92.6%，平均含量為91.2%。研究區(qū)煤和泥頁巖有機碳含量均顯示其是很好的烴源巖，具有較強的生氣能力。

A:ZK-1井，1885m，太原組，均質(zhì)鏡質(zhì)體(TC)與基質(zhì)鏡質(zhì)體(DC)相間排列，后者中見半絲質(zhì)體(Sf)呈透鏡體狀、碎塊狀；碎屑惰質(zhì)體(ID)密集成堆分布。黃鐵礦(Py)微粒及粘土礦物(Cl)易見。光片，油浸，反射單偏光。B:XDK-1井，1100m，太原組，角質(zhì)體(Cu)呈細條帶狀大致平行層面排列，略微彎曲；小孢子體(MiS)呈蠕蟲狀； 樹脂體(Re)呈橢球狀顯亮黃色熒光； 碎屑殼質(zhì)體(Ed)分散分布。 光片，反射熒光(藍光激發(fā))。圖2 研究區(qū)煤樣顯微組分Figure 2 Study area coal sample macerals

3.3 有機質(zhì)成熟度

研究表明，成熟度直接反映了有機質(zhì)的生烴情況，同時影響有機質(zhì)孔隙結(jié)構(gòu)的發(fā)育，鏡質(zhì)體反射率(Ro)是反映有機質(zhì)成熟度的重要指標(biāo)，有機質(zhì)的生烴能力隨著成熟度的增加而逐漸增強，達到峰值后逐漸減弱[15-18]。研究區(qū)煤的鏡質(zhì)組反射率在0.70%～2.50%，平均值為1.7%；泥巖鏡質(zhì)體反射率分布在0.71%～1.71%，平均值為1.08%，其中Ro大于1%的約占94%，煤和泥頁巖均處在成熟-高成熟生氣階段，為優(yōu)質(zhì)烴源巖。

4 儲層巖石學(xué)特征

研究區(qū)煤和泥頁巖作為煤系烴源巖，同時也是煤系非常規(guī)天然氣的儲集層，其儲存方式以吸附態(tài)和游離態(tài)為主，部分游離態(tài)氣體運移至上部致密砂巖儲層。因此，研究區(qū)的煤系氣儲層有煤、泥頁巖和致密砂巖三種類型。

通過對本區(qū)18個煤樣品、32個泥頁巖樣品和25個致密砂巖樣品的分析。

泥頁巖中以黏土礦物和石英為主要礦物成分，黏土含量最大，石英含量次之。其中黏土礦物以高嶺石、伊/蒙混層為主，前者占14%～99%，平均為63.82%，后者占4%～65%，平均為27.14%；其次為伊利石，含量為1%～10%，平均為5.42%，綠泥石含量僅為0～15%，平均為7.25%，石英含量為1%～59%，平均值為40.71%(圖3)。高含量的黏土礦物增加了泥頁巖的對甲烷氣體的吸附能力，而脆性礦物增強了后期對泥頁巖儲層的改造能力。

圖3 泥頁巖礦物組成比例分布圖Figure 3 Argillutite mineral composition proportions distribution

煤巖中無機組分常見的礦物有黏土礦物、黃鐵礦、方解石、 石英等。黏土礦物是煤灰分的來源，多呈層狀、分散狀，黃鐵礦含量為0.1%～0.2%，平均值為0.15%，其他礦物含量分布范圍為7.2%～10.2%，平均值為8.65%，多為裂隙充填、球狀、分散狀(圖2A)。

致密砂巖組分主要為石英、長石、巖屑。其中石英含量為8%～49%，平均為27.75%，堿性長石含量為4%～24%，平均為11.75，斜長石含量為2%～9%，平均為5.52%，長石類總含量約為6%～32%，平均為17%，巖屑含量為17%～54%，平均含量約為34.5%，巖屑中以沉積巖原巖為主。填隙物中雜基包括泥質(zhì)雜基、炭質(zhì)雜基、方解石雜基，其中泥質(zhì)雜基含量為3%～30%，均值為11.25%，炭質(zhì)雜基含量為1%～2%，均值為1.5%(圖4)。

A:XD-3井，1 580m，山西組，中粗粒巖屑砂巖；少量細砂、巨砂，個別礫；巖屑含量高，主要為硅質(zhì)巖及中基性噴出巖，部分凝灰?guī)r、酸性噴出巖和變質(zhì)巖、碳酸鹽巖等；泥質(zhì)填隙式粒間分布欠均勻，綠泥石多呈薄膜狀繞顆粒邊緣分布；方解石斑狀分布，常見交代碎屑顆粒；粉晶菱鐵礦斑點狀或零星分布；少量鐵質(zhì)浸染狀不均勻分布。 B:XD-2井，1 607m，山西組，灰質(zhì)中細粒巖屑長石砂巖；中砂質(zhì)細粒結(jié)構(gòu)，部分極細砂。長石含量較多；巖屑主要為酸性噴出巖、 凝灰?guī)r及沉積巖、變質(zhì)巖等。泥粉晶方解石粒間分布較均勻，見交代碎屑顆粒；泥晶菱鐵礦斑狀、斑塊狀分布，表面多析出鐵質(zhì)；少量炭質(zhì)碎屑零星分布，見少量石榴石、鐵礦、綠泥石等。圖4 致密砂巖組分特征Figure 4 Compact sandstone component features

5 儲層物性特征

5.1 孔滲特征

通過對研究區(qū)18個煤樣、32個泥頁巖樣品和25個致密砂巖樣品的物性分析。泥頁巖孔隙度為1.37%～8.44%，平均值為3.91%，屬于微-小孔隙，總孔隙面積為0.76 ～12.98m2/g，平均值為5.07m2/g。泥頁巖氣儲層滲透率為0.002 1×10-3～0.005 6×10-3μm2,平均為0.003 6×10-3μm2，滲透率極低。

煤孔隙度范圍為4.18%～11.12%，平均值為5.55%；滲透率(0.025 2～0.038 1)×10-3μm2。致密砂巖有效孔隙度為1.5%～9.4%，平均為4.64%，砂巖滲透率為(0.003 8～0.413 4)×10-3μm2。

研究區(qū)內(nèi)煤、泥頁巖和致密砂巖孔隙度和滲透率均很低，是典型的特低孔、超低滲類型。

5.2 孔隙結(jié)構(gòu)特征

研究區(qū)內(nèi)煤儲層壓汞曲線具有一定的進汞、退汞體積差，滯后環(huán)窄小，孔隙多以開放孔(Ⅰ類孔)為主，但退汞曲線均呈下凹狀，表明其中也包括相當(dāng)數(shù)量的半封閉孔(Ⅱ類孔)，孔隙的整體連通性較差。煤巖孔徑分布顯示出兩極分布，即以微、小孔占絕對優(yōu)勢，平均約占總孔隙含量的52.70%；大孔次之，中孔的含量最少(圖5)。

掃描電鏡顯示，研究區(qū)泥頁巖中主要發(fā)育晶間孔隙、有機質(zhì)孔隙、微裂縫、粒間溶孔四種孔隙類型(圖6)。有機質(zhì)在沉積演化的過程中發(fā)生裂解，產(chǎn)生尺寸較小的有機孔，多為中孔甚至微孔，有機孔受到有機質(zhì)含量以及有機質(zhì)演化程度的影響，有機質(zhì)含量越高，演化程度越高，有機孔越多(圖6A)。

圖5 研究區(qū)煤巖進退汞曲線圖Figure 5 Study area coal and rock mercury intrusion and withdrawal curves

圖6 泥頁巖孔隙特征Figure 6 Argillutite pore features

泥頁巖存在溝通微孔和中孔的微裂隙(圖6B)，形成大量表面積，提供潛在吸附位置，供氣體賦存，孔隙間連通性好，為泥頁巖儲集提供了大量的儲集空間，也為頁巖氣滲流提供了有利的條件。

通過鏡下觀察和統(tǒng)計，可發(fā)現(xiàn)致密砂巖儲層發(fā)育多種孔隙類型，主要包括殘余原生孔隙和次生溶蝕孔。研究區(qū)砂巖壓實作用較弱，碎屑顆粒之間接觸較疏松，殘余粒間孔較為發(fā)育，以點和點-線接觸為主(圖7A)；粒內(nèi)溶孔主要是為巖屑顆粒不穩(wěn)定成分溶蝕而成，粒間溶孔主要是有碎屑顆粒邊緣部分溶蝕或粒間早期碳酸鹽膠結(jié)物及雜基選擇性溶蝕形成的孔隙(圖7B)。微裂縫為穿切巖石碎屑顆粒、雜基及膠結(jié)物的縫隙，區(qū)內(nèi)砂巖儲層可見因構(gòu)造應(yīng)力或機械壓實而形成的裂縫，這些裂縫對儲層的儲滲性能有巨大的作用。

圖7 致密砂巖孔隙特征Figure 7 Compact sandstone pore features

6 結(jié)論

(1)煤和泥頁巖作為本區(qū)的烴源巖，顯微組分中鏡質(zhì)組含量最高，惰質(zhì)組次之，殼質(zhì)組含量最少，有機質(zhì)類型以Ⅲ型為主，有機質(zhì)豐度較高，成熟度較好，處于生氣階段。

(2)煤、泥頁巖和致密砂巖為本區(qū)三種儲集層類型。煤中無機組分常見的礦物有黏土礦物、黃鐵礦、方解石、石英等；泥頁巖中以黏土礦物和石英為主要礦物成分，黏土含量最大，石英含量次之；致密砂巖組分主要為石英、長石、巖屑。

(3)研究區(qū)內(nèi)煤、泥頁巖和致密砂巖孔隙度和滲透率均很低，是典型的特低孔、超低滲類型。

(4)煤巖孔徑分布顯示出兩極分布，即以微、小孔占絕對優(yōu)勢，大孔次之，中孔的含量最少；泥頁巖中主要發(fā)育晶間孔隙、有機質(zhì)孔隙、微裂縫、粒間溶孔四種孔隙類型；密砂巖儲層主要發(fā)育殘余原生孔隙和次生溶蝕孔等多種類型。