鄂爾多斯中部長7段中等熱演化程度頁巖氣地球化學特征

霍萍萍，范柏江，王妍妍，梁全勝，李亞婷，王 霞，師 良

(1.延安大學，陜西 延安 716000；2.陜西延長石油(集團)有限責任公司，陜西 西安 710000)

0 引 言

鄂爾多斯盆地三疊系延長組長7段頁巖具有形成頁巖氣資源的地質條件。姜呈馥等[1]研究認為，長7段頁巖分布廣、埋深和厚度適中、孔隙較發(fā)育、含氣量較大，非常有利于頁巖氣的形成和富集；劉巖等[2]發(fā)現(xiàn)，長7頁巖的整體含氣量較高，納米級微孔的發(fā)育為頁巖氣提供了大量的賦存空間；楊樹林等[3]認為，長7段泥頁巖納米級孔喉與常規(guī)儲層相比更利于頁巖氣的滲流和儲集，并為后期有利區(qū)的判定提供了重要的幫助。

與已實現(xiàn)商業(yè)化開采的國內外海相頁巖相比，當前的研究還不足以全面揭示頁巖氣的地質特征，勘探開發(fā)面臨著一系列的地質難題。具體表現(xiàn)在：①對頁巖儲層結構特征認識不清，薄互層型儲層油藏識別難度特別大[4]；②3種相態(tài)的含氣量影響地區(qū)資源評價預測和勘探開發(fā)，每個相態(tài)的含氣量都是不可忽略的，然而大多數(shù)學者在對頁巖氣含氣量進行研究時，只對吸附氣和游離氣含量進行討論，對溶解氣含量的研究甚少[5]；③對吸附態(tài)頁巖氣的測定是基于沿用煤層氣的實驗儀器、測試方法和理論模型巖心的等溫吸附實驗[6]?；谏鲜龃嬖诘膯栴}，以前人研究為基礎，在考慮溶解氣含量的前提下，進一步深入研究鄂爾多斯盆地中部地區(qū)長7段頁巖氣的地球化學特征。

1 實驗測試與實驗結果

1.1 樣品選取

鄂爾多斯盆地中部地區(qū)長7段頁巖處于中等熱演化程度，油氣水在頁巖儲層中相互共存，多數(shù)頁巖油在外滲過程中可見氣泡，表明氣油比高、油氣同出，油氣水的賦存關系復雜多變。選取鄂爾多斯盆地中部地區(qū)頁巖樣品開展基本地球化學測試和氣體解析實驗。

1.2 頁巖基本地球化學特征

研究區(qū)頁巖有機碳(TOC)為1.10%～13.81%，平均為4.52%(表1)。由表1可知，TOC為1.00%～2.00%的樣品有7個，占總樣品數(shù)的22.58%；TOC為2.00%～3.00%的樣品有2個，占總樣品數(shù)的6.45%；TOC為3.00%～4.00%的樣品有7個，占總樣品數(shù)的22.58 %；TOC大于4.00%的樣品有15個，占總樣品數(shù)的48.39 %，占比最多。因此，研究區(qū)頁巖樣品有機質豐富，TOC較高。

表1 研究區(qū)頁巖樣品基本地球化學特征Table 1 The basic geochemical characteristicsof shale samples in the study area

根據(jù)研究區(qū)頁巖樣品氫指數(shù)(HI)與最高熱解峰溫(Tmax)關系，研究區(qū)頁巖樣品的有機質類型主要劃分為Ⅰ型和Ⅱ1(圖1)。研究區(qū)頁巖樣品的Tmax為436～462 ℃，全部處于成熟的熱演化階段；HI為48.32～623.93 mg/g。

圖1 氫指數(shù)與最高峰溫關系Fig.1 The relationship between the hydrogen indexand the highest temperature at peak

1.3 頁巖恒溫解析實驗及解析氣碳同位素測定

對研究區(qū)Q262、Q312、Q45井的4個頁巖樣品(A、B、C、D)進行了恒溫解析，解析溫度為35 ℃。其中，樣品A取自于Q262井，樣品B、C取自于Q312井，樣品D取自于Q45井，測定結果見表2。由表2可知，在不同的解析時間下，各氣體組分的相對含量會發(fā)生動態(tài)變化：在解析初期甲烷氣體的相對含量較高，乙烷等重烴氣體的相對含量較低，隨著解析時間的增長甲烷氣體的相對含量降低，而乙烷等重烴氣體的相對含量逐漸升高。這說明甲烷氣體相較乙烷等重烴氣體更容易從頁巖中解析出來。

表2 頁巖樣品在35℃恒定溫度下各氣體組分含量等溫解析結果Table 2 The isothermal analysis results of the contents of various gas components in shale samples at the constant temperature of 35℃

對研究區(qū)Y144、Y145井的8個頁巖樣品進行解析氣(樣品進行完全解析后的氣體)碳同位素組成測試，測定結果見表3。由表3可知，不同頁巖井頁巖氣的碳同位素組成不同，同一頁巖井不同深度頁巖氣的碳同位素組成也不同。整體而言，甲烷碳同位素值較乙烷、丙烷、丁烷碳同位素值相對偏輕。

表3 解析氣碳同位素組成Table 3 The analysis of isotope composition of gas carbon

2 頁巖氣地球化學特征

2.1 頁巖氣的成因和類型

碳氫化合物氣體成分R(R=C1/(C2+C3))和甲烷碳同位素是判斷氣體成因的最常用參數(shù)[7]。一般來講，熱解成因的氣體其R數(shù)值小于100，甲烷碳同位素值數(shù)值大于-55.0 ‰。研究區(qū)樣品的R值均小于100，甲烷碳同位素值大于-52.3 ‰。因此，可以判定研究區(qū)頁巖氣為熱解成因氣(表2、3)。其次，在地質演化條件下，動力學分餾效應控制了烴類氣體的碳同位素組成。同源同期、有機成因形成的烷烴的δ13C值隨烷烴碳數(shù)的增加而增加，往往形成正常的碳同位素序列，即δ13C1<δ13C2<δ13C3<δ13C4[8]。因此，可以根據(jù)碳同位素序列判斷有無后生改造作用及混源作用。研究區(qū)樣品的甲烷、乙烷、丙烷以及丁烷的δ13C值呈現(xiàn)正常的碳同位素序列(表3)。由此可以判定研究區(qū)頁巖氣無生物氣或煤型氣混入。

由于頁巖氣氣體生成后優(yōu)先儲存在頁巖系統(tǒng)中，其他外來源的氣體難以進入該系統(tǒng)內部，導致頁巖氣的氣源大多相對單一，因此，可利用氣體組分來對其性質進行識別。一般而言，甲烷碳同位素值是確定天然氣成熟度的優(yōu)選指標，乙烷、丙烷碳同位素數(shù)值是推斷氣源巖類型、判識天然氣成因的優(yōu)選指標[9]。將研究區(qū)所有樣品的烷烴碳同位素值在天然氣成因類型判別圖版上進行分析可見，研究區(qū)樣品的所有實驗結果均落在Ⅱ區(qū)范圍，即油型氣區(qū)的范圍，由此可以判斷出研究區(qū)頁巖氣為典型的油型氣類型(圖2)。圖2中：Ⅰ區(qū)為煤型氣，Ⅱ區(qū)為油型氣，Ⅲ區(qū)為碳同位素倒轉氣，Ⅳ區(qū)為腐殖型和腐泥型氣，Ⅴ區(qū)為煤型、油型與混合氣，Ⅵ區(qū)為生物氣、亞生物氣。

圖2 天然氣成因類型判別圖版Fig.2 The discrimination chart of genetic type of natural gas

乙烷碳同位素對生氣母巖具有極強的繼承性，對天然氣母質類型反應靈敏，因此，可以通過乙烷碳同位素判別氣體類型。一般而言，乙烷碳同位素小于-29.0‰為腐泥型天然氣，大于-29.0‰為腐殖型天然氣[10]。研究區(qū)樣品的乙烷碳同位素均小于-29.0‰(表3)，表明研究區(qū)屬于腐泥型母質形成的天然氣類型。以上判識指標綜合表明，研究區(qū)頁巖氣為腐泥型母質形成的油型熱解氣。

2.2 氣體的賦存相態(tài)

頁巖氣的賦存相態(tài)包括吸附相態(tài)、游離相態(tài)和溶解相態(tài)3類。針對不同賦存氣體的定量表征是當前研究的難點，但仍可以依據(jù)經(jīng)驗公式進行量化參考。3類賦存相態(tài)的頁巖氣需要采用3種不同計算方法進行。與常規(guī)天然氣的計算方法一致，基于巖石總孔隙度和含氣飽和度即可確定游離氣的含量；吸附氣量的計算則可以基于頁巖的等溫吸附實驗獲得；油溶氣的計算可參照Donson和Standing建立的油溶氣(溶解度)圖版法，該圖版綜合考慮了溫度、壓力、氣體密度和原油密度的影響，是當前最為合理的方法之一[11]。

基于上述計算原理，針對CYV1112井的6個頁巖樣品開展了不同賦存相態(tài)的定量分析(表4)。研究區(qū)的頁巖氣不同賦存狀態(tài)測定結果表明：游離氣的平均含量為1.00 m3/t，溶解氣的平均含量為0.58 m3/t，吸附氣的平均含量為0.58 m3/t。游離氣占頁巖氣的21.8%～78.0%，平均為45.6 %；溶解氣占頁巖氣的12.8%～40.0%，平均為28.1%；吸附氣占頁巖氣的9.2%～38.2%，平均為26.2%。整體而言，研究區(qū)吸附氣含量和溶解氣含量之和要大于游離氣含量。

表4 CYV1112井頁巖樣品的賦存相態(tài)對比Table 4 The comparison of occurrence state of shale samples from Well CYV1112

2.3 氣體的吸附能力

范德華力強弱的差異使得頁巖有機質或干酪根對不同氣體組分的吸附能力也不相同[12]。由于吸附能力的強弱與解析過程的難易為相反的過程，吸附能力越強則其解析越困難，故可以根據(jù)氣體解析的難易程度判別頁巖對氣體的吸附能力。隨著頁巖解析時間的增長，研究區(qū)A、B、C、D 4個樣品解析出的甲烷所占比例逐漸降低，在較短的解析時間即可被大量解析，吸附能力較弱；氮氣所占比例隨著解析時間增長整體上呈明顯下降趨勢，而二氧化碳所占比例與解析時間則無明顯的關系(圖3)。綜合認為，研究區(qū)頁巖樣品對氮氣的吸附能力最弱，對甲烷氣體的吸附能力次之。

圖3 甲烷、二氧化碳和氮氣的解析比例與解析時長關系Fig.3 The relationship between analysis ratio of methane, carbon dioxide and nitrogen and analysis duration

2.4 氣體的運移能力

C3/nC4值與C2/C3值是常用的烴源巖排烴標志，可以有效判斷油氣的初次運移能力[13]。根據(jù)樣品的解析結果，C3/nC4值與C2/C3值整體呈線性負相關關系(圖4a)。其中，隨著C3/nC4值的增大，樣品A的C2/C3值由1.80下降到1.56，樣品B的C2/C3值由1.77下降到1.26，樣品C的C2/C3值由1.91下降到1.11，樣品D的C2/C3值由1.99下降到1.60。同時，C3+nC4值與C1+C2值也整體呈線性負相關關系(圖4b)。由此可以認為，隨著解析時間增長，甲烷和乙烷等輕質組分的含量減少，丙烷等重質組分的含量增加。隨著C3+nC4值的增大：樣品A的C1+C2值由79.45%下降到71.88%，樣品B的C1+C2值由79.66%下降到64.84%，樣品C的C1+C2值由76.96%下降到71.49%，樣品D的C1+C2值由79.87%下降到73.04%。綜合認為，小分子的初次運移能力強于大分子。

圖4 C2/C3值和C3/nC4值、C1+C2值與C3+nC4值關系Fig.4 The relationship between C2/C3 value and C3/nC4 value, and C1+C2 value and C3+nC4 value

2.5 氣體的運移過程

排烴門限理論認為，油氣在烴源巖內部的生成與排出存在臨界門限，只有烴源巖內部的油氣達到飽和才可能發(fā)生排運過程[14]。

由氣體的微觀賦存作用分析可知，頁巖達到生烴門限前，烴源巖生成的少許液態(tài)烴分布在有機質及其周圍的孔隙中，少量的重烴氣體在此階段極易吸附在有機質表面。當烴源巖生成氣體量不斷增大并超過有機質的吸附極限時，生成的甲烷和重烴氣體會發(fā)生近距離運移并被吸附在黏土礦物顆粒的表面(圖5a)；當烴源巖生成氣體量繼續(xù)增大并超過有機質和黏土礦物顆粒的最大吸附極限時，生成的甲烷和重烴氣體可以溶解在液態(tài)烴與水中(圖5b)；當超過液態(tài)烴與水的溶解能力時，生成的甲烷和重烴氣體可以游離態(tài)分布在頁巖的孔縫中(圖5c)。盡管頁巖氣的賦存過程、運移過程與頁巖的油氣是否達到飽和關系較大，但值得注意的是，3種相態(tài)在各個排運過程中都存在，只是在量上存在差別。

圖5 頁巖氣賦存狀態(tài)模型Fig.5 The occurrence state model of shale gas

2.6 頁巖氣勘探潛力分析及對比

研究區(qū)頁巖處于大量生油氣的熱演化階段，存在大量水膜和油膜。頁巖油會吸附在親油礦物組分上，頁巖氣游離氣賦存在孔縫中，溶解氣溶解在油膜和水膜中，吸附氣則吸附于有機組分表面(圖6)。盡管鄂爾多斯盆地在三疊紀以來發(fā)生過多次強烈構造活動，但由于復雜的油氣水共存狀態(tài)，在發(fā)生地質構造運動時大量的頁巖氣被保護，抑制了油氣逸散。但液態(tài)油的存在大大降低了頁巖的整體含氣性。在勘探開發(fā)過程中，超過半數(shù)的頁巖氣井發(fā)現(xiàn)了頁巖油，表明了頁巖油氣并存的情況。

圖6 油氣水在頁巖中的賦存模型Fig.6 The occurrence model of oil, gas and water in shale

但需要注意的是，頁巖含氣性是制約其勘探潛力的核心要素，而含氣性受到熱演化程度的嚴格控制。研究區(qū)頁巖處于大量生油氣的熱演化階段，生成了液態(tài)油、液態(tài)水和頁巖氣，但頁巖的含氣性不高。對比典型地區(qū)，如四川盆地長寧、威遠、涪陵礁石壩、昭通等擁有較大勘探潛力的地區(qū)，有機質類型主要為Ⅰ型干酪根，昭通地區(qū)為Ⅱ1型干酪根，其頁巖的熱演化程度均較高，普遍進入高熱演化階段(Ro大于1.2%)，含氣量大于2.30 m3/t[15-23]；而松遼盆地南部青一段有機質類型主要為Ⅰ型和Ⅲ型干酪根，頁巖的熱演化程度均較低(Ro平均為0.4%～1.5%)，含氣量僅為0.41～1.50 m3/t[24]。研究區(qū)頁巖有機質類型主要為Ⅰ型和Ⅱ1型干酪根，處于熱解生油氣的中等熱演化階段(Ro平均為0.5%～1.2%)，由于大量液態(tài)油還未向氣體轉化，導致其整體含氣性不高。

3 頁巖氣開采建議

通過開展基本地球化學測試、氣體解析實驗、成因、類型、賦存相態(tài)、吸附能力、運移能力等研究，確定了鄂爾多斯盆地中部地區(qū)延長組長7段頁巖的地球化學特征。研究區(qū)有機質含量豐富、成熟度一般，Ⅰ型和Ⅱ1型母質是頁巖氣形成的物質基礎，吸附氣和溶解氣是主要的賦存相態(tài)，頁巖油氣共存。在已有的勘探開發(fā)井中，超過半數(shù)的直井發(fā)現(xiàn)頁巖油氣共存。因此，對于該區(qū)的頁巖氣需要考慮油氣同采。以YWY1、YFY2頁巖氣井為例，YWY1井的壓裂段長度僅有9 m，其平均日產(chǎn)氣量達到459 m3/d，平均日產(chǎn)油量達到2.6 t/d；YFY2井的壓裂段長度達到了16 m，平均日產(chǎn)氣量只有602 m3/d。研究區(qū)頁巖氣井的產(chǎn)氣量與壓裂段長度不成正比，這主要是油氣共存導致的。因此，在開發(fā)過程中，進行頁巖油氣的共同開采最具有經(jīng)濟意義和實際開采價值。

4 結 論

(1) 鄂爾多斯盆地中部地區(qū)長7段頁巖的有機質類型主要為Ⅰ型和Ⅱ1型，處于中等熱演化階段，有機碳平均含量為4.52 %，游離烴含量為4.09 mg/g，熱解烴含量為8.70 mg/g。

(2) 鄂爾多斯盆地中部地區(qū)頁巖氣屬于油型氣，其地質成因為熱解成因；研究區(qū)頁巖的賦存相態(tài)為游離氣、溶解氣和吸附氣共存，且吸附氣含量和溶解氣含量之和大于游離氣含量。

(3) 頁巖對不同氣體的吸附性能具有較大差異，對氮氣的吸附性最弱；在烴類氣體中，小分子氣體的初次運移能力強于大分子氣體；鄂爾多斯盆地中部地區(qū)頁巖的整體含氣性不高，進行頁巖油氣的共同開采最具有經(jīng)濟意義和實際開采價值。