沁水盆地石炭—二疊紀(jì)海陸過渡相含煤巖系頁巖氣地質(zhì)條件及勘探潛力

邵龍義，楊致宇,2，房 超，王 帥，顧嬌楊，張文龍,4，魯 靜

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院，北京 100083；2.重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院，重慶 401120；3.中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司，北京 100015；4.青海煤炭地質(zhì)局，西寧 810007)

0 引言

頁巖氣是目前能源礦產(chǎn)研究的熱點(diǎn)[1-4]。我國(guó)南方早古生代海相頁巖氣勘探已經(jīng)取得了重要突破[2,5-9]，已在四川盆地及其周緣建成了涪陵、長(zhǎng)寧、威遠(yuǎn)和昭通4個(gè)國(guó)家級(jí)海相頁巖氣開發(fā)示范區(qū)，2018年頁巖氣產(chǎn)量達(dá)到108×108m3[10]。隨著研究程度不斷深入，陸相和海陸過渡相盆地頁巖氣因其累計(jì)厚度較大、有機(jī)質(zhì)類型多樣、儲(chǔ)集空間豐富、保存條件好、資源豐度高、地表?xiàng)l件好等特征，逐漸受到人們關(guān)注[11-17]。然而，海陸過渡相盆地沉積具有多物源、相變快等特點(diǎn)，有效頁巖的賦存層位及分布是制約其頁巖氣勘探的主要因素，因此從巖石學(xué)、沉積學(xué)、有機(jī)地球化學(xué)和構(gòu)造動(dòng)力學(xué)等角度，理清頁巖發(fā)育的層位和分布、巖相類型及有機(jī)地化特征成為海陸過渡相盆地頁巖氣勘探的重要工作[5,13,18-21]。

雖然海陸過渡相頁巖的單層厚度不如海相地層厚，但累計(jì)厚度較為可觀，所以海陸過渡相含煤巖系也是我國(guó)頁巖氣勘探的重點(diǎn)領(lǐng)域之一。國(guó)土資源部頁巖氣資源評(píng)價(jià)(2011)、中國(guó)工程院重大咨詢項(xiàng)目“我國(guó)非常規(guī)天然氣開發(fā)利用戰(zhàn)略研究項(xiàng)目”(2012)等均將我國(guó)含煤巖系的頁巖氣資源作為一種頁巖氣資源類型，然而海陸過渡相的頁巖氣勘探、評(píng)價(jià)及開發(fā)仍處于探索、起步階段，整體研究程度較低。與海相頁巖相比，中國(guó)海陸過渡相頁巖成藏條件和潛力相對(duì)較差，縱向上常與砂巖和煤層互層分布，橫向上厚度變化較大，有機(jī)質(zhì)孔發(fā)育程度較低，這些因素限制了海陸過渡相頁巖氣的成藏和勘探開發(fā)[10]，這可能是目前海陸過渡相頁巖氣沒有取得重大突破的原因。近期在鄂爾多斯盆地大寧-吉縣區(qū)塊部分探井發(fā)現(xiàn)了工業(yè)氣流，四川盆地川東地區(qū)東頁深1井龍?zhí)督M頁巖測(cè)試總含氣量最大可達(dá)8.78m3/t，顯示出海陸過渡相含煤巖系頁巖氣良好的勘探開發(fā)潛力[10,22]。在海相頁巖氣取得成功的同時(shí)，海陸過渡相含煤巖系頁巖層段頁巖氣的勘探開發(fā)還需要進(jìn)一步加強(qiáng)地質(zhì)綜合評(píng)價(jià)技術(shù)的研究。

沁水盆地石炭-二疊紀(jì)含煤巖系是典型的海陸過渡相含煤巖系[23]，發(fā)育多個(gè)富有機(jī)質(zhì)頁巖層段，前期初步研究揭示出沁水盆地海陸過渡相頁巖氣具有較好的勘探前景[24-27]。

基于沁水盆地33口煤層氣鉆孔或煤炭孔及3口頁巖氣參數(shù)井資料，本文對(duì)太原組和山西組的地質(zhì)條件、地化特征、儲(chǔ)層物性等多方面進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)研究，對(duì)沁水盆地海陸過渡相含煤巖系頁巖氣地質(zhì)特征及勘探前景進(jìn)行了分析。

1 地質(zhì)背景

沁水盆地位于山西省東南部，總體呈北北東向延伸，盆地東西寬約120km，南北長(zhǎng)約330km，總面積約為3×104km2，包括壽陽、陽泉、和順—左權(quán)、屯留—長(zhǎng)子、高平—樊莊、晉城、沁北—霍東、沁源等礦區(qū)及勘探區(qū)(圖1)。沁水盆地是華北克拉通的組成部分之一，是在后期構(gòu)造變形基礎(chǔ)上形成的含煤巖系沉積盆地[28]。在早古生代，沁水盆地寒武紀(jì)-奧陶紀(jì)為海相地層沉積。中奧陶世，由于華北地臺(tái)大部分隆升成陸，沁水盆地整體上缺失了從中奧陶世到石炭世之間的沉積地層。在晚古生代，從晚石炭世-早二疊世，沁水盆地形成了海陸過渡相含煤巖系沉積，以砂、頁巖及煤層互層為特征，自下而上包括本溪組、太原組、山西組、下石盒子組、上石盒子組及石千峰組，其中太原組、山西組為主要含煤巖系，因此形成了煤層、頁巖等多套烴源巖。本溪組和太原組沉積環(huán)境以碳酸鹽臺(tái)地-障壁島-潟湖為主，山西組和下石盒子組沉積環(huán)境以三角洲平原為主(圖2)[29-30]。從中生代開始，華北地臺(tái)構(gòu)造演化發(fā)生分異，華北克拉通盆地發(fā)育階段結(jié)束，沁水盆地開始了獨(dú)立的構(gòu)造演化階段。在三疊紀(jì)，沁水盆地整體處于構(gòu)造穩(wěn)定發(fā)展演化階段，沉積了一套砂巖、粉砂巖及頁巖等砂頁巖互層地層，地層厚度較大，在800～2 000m。三疊系發(fā)育的頁巖層段為石炭-二疊系含煤巖系潛在的頁巖氣層段形成了良好的蓋層。侏羅紀(jì)以后，沁水盆地經(jīng)歷了抬升、剝蝕、巖漿巖侵入及構(gòu)造活動(dòng)等多種因素的影響，最終形成了一系列雁行狀的復(fù)背斜、復(fù)向斜構(gòu)造及較強(qiáng)的逆沖推覆作用(圖1)?？偟膩碚f，沁水盆地的構(gòu)造變形條件較弱，對(duì)頁巖氣的保存條件相對(duì)有利。

圖1 沁水盆地構(gòu)造綱要圖[31]Figure 1 Structural outline map of Qinshui Basin (after reference [31])

圖2 沁水盆地壽陽地區(qū)石炭-二疊系沉積相與層序地層柱狀圖Figure 2 Permo-Carboniferous sedimentary facies and sequence stratigraphic column in Shouyang area,Qinshui Basin

2 頁巖的空間展布特征

沁水盆地頁巖氣目的層段太原組、山西組巖性主要為砂巖、頁巖及煤層互層，很少發(fā)育像上揚(yáng)子區(qū)筇竹寺組、龍馬溪組那樣縱向上厚度較大且橫向上分布比較連續(xù)的暗色頁巖層段。沁水盆地太原組和山西組中共劃分出4段縱向上厚度較大且橫向上分布較廣泛的頁巖層段，依據(jù)賦存的層位及段數(shù)，從上到下依次命名為山1段、山2段、太1段及太2段(圖2，圖3)。山1段為山西組3#煤層頂部頁巖段，為從山西組頂開始向下延續(xù)到到非頁巖層段總厚大于3m處為止，頁巖厚度在5～30m，在壽陽西側(cè)一帶相對(duì)比較穩(wěn)定、連續(xù)，從平面上來看，總體呈現(xiàn)出沁水盆地中間和東側(cè)頁巖厚度較大的趨勢(shì)。山2段為山西組3#煤層底頁巖層段，為從山西組3#煤層底板開始向下延續(xù)到非頁巖層段總厚大于3m處為止，山2段頁巖厚度比較連續(xù)但不穩(wěn)定，頁巖厚度為2～25m，平均厚度為10m。太1段為太原組15#煤層頂部頁巖層段，其開始于太原組第一層灰?guī)r上部最厚頁巖處，到15#煤上部且非頁巖層段厚度大于3m處為止，太1段頁巖段厚度連續(xù)且較穩(wěn)定，厚度在6～52m。太2段為太原組15#煤層底部頁巖段，其開始于15#煤層底板下，止于非頁巖層段厚度大于3m處，在全盆地范圍內(nèi)分布較連續(xù)但不穩(wěn)定，頁巖厚度為2～29m，厚度最大值出現(xiàn)在盆地北部壽陽地區(qū)。

圖3 沁水盆地石炭-二疊系南北向頁巖展布Figure 3 Permo-Carboniferous shale NS extending in Qinshui Basin

由于沁水盆地太原組、山西組頁巖的空間展布情況明顯受古地理和古構(gòu)造的控制，尤其是古地理，決定了沁水盆地整體上一般都是砂巖、頁巖互層格局，并夾有薄厚不均的煤層，很難形成厚度上大且橫向上連續(xù)的頁巖層段?？傮w來看，通過對(duì)沁水盆地的太原組、山西組頁巖層段的劃分對(duì)比可知(圖3)，雖然沁水盆地頁巖層段單層厚度較小，但整體厚度較大，頁巖層段發(fā)育較為可觀。

3 研究區(qū)頁巖巖石類型

頁巖氣是一種以游離和吸附態(tài)為主體形式，賦存于富有機(jī)質(zhì)暗色頁巖中的非常規(guī)清潔能源。同時(shí)頁巖氣亦可以賦存于粒度較細(xì)的砂質(zhì)頁巖、粉砂巖及炭質(zhì)頁巖等高炭含量巖性中[32]。沁水盆地含煤巖系為海陸過渡相沉積，頁巖巖相類型豐富。本文通過對(duì)鉆孔巖心、野外露頭的詳細(xì)觀察，根據(jù)頁巖的顏色、結(jié)構(gòu)及沉積構(gòu)造特征，共識(shí)別出4種頁巖類型，分別為灰黑色頁巖、灰色頁巖、炭質(zhì)頁巖及灰黑色粉砂巖(圖4)。

1)灰黑色頁巖。灰黑色，發(fā)育塊狀構(gòu)造及水平層理，局部地區(qū)頁理較發(fā)育，含有植物根、葉化石，巖石較致密，不污手，薄層-中厚層狀。主要形成于三角洲平原、三角洲前緣及澙湖環(huán)境。

2)灰色頁巖?；疑?，發(fā)育水平層理及塊狀構(gòu)造，巖石較致密，含有一定量的砂質(zhì)成分，部分含有菱鐵礦結(jié)核，分布廣泛，可形成于各種環(huán)境之中。

(a)3#煤層底頁巖，山西組，SX306鉆孔；(b)15#煤層頂頁巖，太原組，SX306鉆孔；(c)3#煤層底頁巖，山西組，SY-Y-01鉆孔；(d)15#煤層頂頁巖，太原組，SY-Y-01鉆孔圖4 沁水盆地石炭—二疊紀(jì)含煤巖系頁巖特征 Figure 4 Permo-Carboniferous coal measures shale features

3)炭質(zhì)頁巖。黑色，塊狀-碎塊狀，污手，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，富含植物化石，一般發(fā)育在煤層的底板處，厚度一般為薄層。主要形成于三角洲平原及澙湖、潮坪的泥炭沼澤環(huán)境之中。

4)灰黑色粉砂巖?；液谏?，粉砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，一般含有一定量的植物葉片化石，通常呈現(xiàn)為薄層狀，發(fā)育有水平層理、波狀層理及生物擾動(dòng)構(gòu)造，主要形成于三角洲平原、潮坪環(huán)境中。

4 頁巖有機(jī)地球化學(xué)特征

在頁巖氣的資源潛力評(píng)價(jià)體系中，有機(jī)地球化學(xué)特征方面的各項(xiàng)參數(shù)是評(píng)價(jià)體系中重要的一部分。根據(jù)美國(guó)主要頁巖氣盆地的勘探理論和評(píng)價(jià)方法，本文主要選取的有機(jī)地化參數(shù)包括總有機(jī)碳含量(TOC)、有機(jī)質(zhì)成熟度(Ro)及干酪根類型等，通過對(duì)這些參數(shù)的綜合評(píng)價(jià)，來全面了解頁巖層段的生烴潛力。

4.1 總有機(jī)碳含量

TOC含量越高，表明其往往具有較強(qiáng)的生烴能力；同時(shí)由于有機(jī)質(zhì)組分對(duì)甲烷等烴類氣體具有較強(qiáng)的吸附作用，TOC含量一般和吸附含氣量呈正相關(guān)性，所以高的TOC含量一般就意味著高的生氣量和吸附含氣量。

太2頁巖段TOC含量為0.03%～3.44%，平均含量為1.07%，其中TOC含量大于0.5%的比例約為83.33%，TOC含量在1.5%以上的約占25%；太1頁巖段共進(jìn)行258項(xiàng)次，TOC含量為0.04%～24.7%，平均含量為3.2%，其中TOC含量大于0.5%的比例約占94.2%，TOC含量在1.5%以上的約占64.3%；山2頁巖段TOC含量為0.02%～18.42%，平均含量為3.08%，其中TOC含量大于0.5%的比例約占92.4%，TOC含量在1.5%以上的約占66.67%；山1段TOC含量為0.045%～24.12%，平均含量約為2.95%，其中TOC含量大于0.5%的比例約占83.5%，TOC含量在1.5%以上的比例約占50.5%(圖5)。

圖5 沁水盆地含煤巖系各頁巖段TOC含量分布Figure 5 Coal measures shale segments TOC contents distribution in Qinshui Basin

通過對(duì)劃分出的4個(gè)頁巖層段的TOC分布范圍、平均含量及所占比例的比較，整體認(rèn)為，4個(gè)主力頁巖層段的TOC含量較高，平均含量均在1.0%以上，且除了太2頁巖段外，其它3個(gè)頁巖層段TOC含量在1.5%以上的均超過了50%。同時(shí)，太1和山2頁巖段的TOC含量明顯高于太2和山1頁巖段。

因此，沁水盆地含煤巖系目的層段頁巖整體上為有效烴源巖，且含量大于1.5%以上的測(cè)試樣品比例約占60%左右，整體TOC含量較高，具有較高的生烴能力。但與美國(guó)海相頁巖高TOC含量(一般大于4%)[33]相比，沁水盆地頁巖TOC含量相對(duì)較低。

4.2 有機(jī)質(zhì)成熟度

有機(jī)質(zhì)成熟度是評(píng)價(jià)頁巖生烴潛力的又一個(gè)重要地化參數(shù)，當(dāng)TOC含量達(dá)到較高的生烴指標(biāo)時(shí)，還要達(dá)到合適的有機(jī)質(zhì)生氣窗時(shí)，才最有利于烴類氣體等的生成，過高或過低的有機(jī)質(zhì)成熟度均不利于烴類氣體等的生成。成熟度可以通過鏡質(zhì)組反射率Ro或是干酪根最大裂解溫度Tmax等參數(shù)來反映。本文中選擇了用鏡質(zhì)組反射率Ro來評(píng)價(jià)頁巖中有機(jī)質(zhì)的成熟度。

太2頁巖段有機(jī)質(zhì)成熟度為1.89%～2.96%，平均約2.55%，整體處于成熟—高成熟階段；太1頁巖段有機(jī)質(zhì)成熟度為0.61%～3.69%，平均約2.20%，從未成熟—成熟—高成熟均有分布，整體處于成熟—高成熟階段；山2頁巖段有機(jī)質(zhì)成熟度為1.22%～3.62%，平均約2.37%，整體處于成熟—高成熟階段；山1頁巖段有機(jī)質(zhì)成熟度為1.2%～3.12%，平均約2.29%，整體處于成熟—高成熟階段(圖6)。4個(gè)頁巖段的有機(jī)質(zhì)成熟度較為接近，整體均處于成熟-高成熟階段。沁水盆地含煤巖系頁巖層段有機(jī)質(zhì)成熟度整體處于生氣窗范圍內(nèi)，有利于頁巖氣的生成。同時(shí)，中部及南部評(píng)價(jià)區(qū)的有機(jī)質(zhì)成熟度明顯高于北部評(píng)價(jià)區(qū)。與美國(guó)海相頁巖有機(jī)質(zhì)成熟度(1.1%～2.0%)[33]相比，沁水盆地頁巖有機(jī)質(zhì)成熟度更高，生氣潛力與美國(guó)海相頁巖存在明顯差距。

圖6 沁水盆地含煤巖系各頁巖段成熟度分布Figure 6 Coal measures shale segments maturity distributions in Qinshui Basin

4.3 有機(jī)質(zhì)類型

有機(jī)質(zhì)類型不同，其性質(zhì)也不同，生烴潛力、產(chǎn)烴類型及生氣窗都具有一定的差異性。因此對(duì)有機(jī)質(zhì)類型的評(píng)價(jià)就成為評(píng)價(jià)頁巖層段的重要內(nèi)容之一，是評(píng)價(jià)有機(jī)質(zhì)生烴能力的重要參數(shù)之一。

本文主要根據(jù)巖石熱解參數(shù)測(cè)出的熱解烴(S2)和其對(duì)應(yīng)的TOC含量之比(相當(dāng)于氫指數(shù)IH)，來最終確定沁水盆地頁巖的有機(jī)質(zhì)類型，通過129個(gè)測(cè)試結(jié)果顯示分析，其中128個(gè)樣品氫指數(shù)值小于120mg/g，僅有1個(gè)樣品氫指數(shù)值為120～250mg/g，所以沁水盆地含煤巖系頁巖層段中有機(jī)質(zhì)類型大部分以III型為主。III型干酪根來源于陸上高等植物，不利于生油，同時(shí)其生氣量也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于I型和II型干酪根。而美國(guó)海相頁巖有機(jī)質(zhì)以I型和II1型為主[33]，具有較高的生氣能力。

5 頁巖氣儲(chǔ)層物性特征

5.1 頁巖層段巖礦特征

頁巖氣的頁巖儲(chǔ)集層段一般具有低孔、超低滲特性，不利于后期的工業(yè)性直接開采，須對(duì)頁巖氣儲(chǔ)層進(jìn)行水力壓裂改造，所以頁巖層段的脆性礦物含量評(píng)價(jià)同樣是頁巖氣勘探評(píng)價(jià)中的又一重要參數(shù)，脆性礦物含量越高，越有利于后期的儲(chǔ)層改造，而形成裂縫，從而形成良好的氣體滲流通道。脆性礦物包括石英、長(zhǎng)石、方解石和白云石。

太2頁巖段脆性礦物含量為32%～60%，平均46%。太1頁巖段脆性礦物含量為17%～89%，平均39.9%，且脆性礦物含量在30%以上的樣品占81.0%。山2頁巖段脆性礦物含量為21%～52%，平均34.3%，且脆性礦物含量在30%以上的樣品約占75.6%。山1頁巖段脆性礦物含量為21%～52%，平均40.78%，且脆性礦物含量在30%以上的樣品約占94.4%。

通過對(duì)4個(gè)頁巖層段脆性礦物含量分布范圍及平均值的比較可知，4個(gè)頁巖段的脆性礦物含量整體較高，平均含量均在30%以上，且脆性礦物含量在30%以上的樣品比例較高；同時(shí)認(rèn)為山1頁巖脆性礦物含量最高，太1及太2頁巖段次之，山2頁巖段脆性礦物在4個(gè)頁巖段中最低，但平均脆性礦物含量仍在30%以上(圖7)。上揚(yáng)子區(qū)頁巖層段脆性礦物含量一般在22.5%～84.7%，平均脆性礦物含量在38.94%[32,34]，與之相比，沁水盆地含煤巖系頁巖層段的脆性礦物含量偏高。

圖7 沁水盆地含煤巖系頁巖層段礦物含量對(duì)比Figure 7 Coal measures shale segment mineral contents comparison in Qinshui Basin

5.2 微孔隙和微裂縫特征

頁巖氣主要以游離態(tài)和吸附態(tài)兩種主要方式存在，二者比例接近1:1，其中游離態(tài)的頁巖氣主要賦存在頁巖的微孔隙和微裂縫的空間中，而且其亦能為頁巖氣提供運(yùn)移通道，根據(jù)美國(guó)主要頁巖氣盆地勘探理論和經(jīng)驗(yàn)，微孔隙和微裂縫一定程度上影響著頁巖氣產(chǎn)量的高低[35]，所以對(duì)微孔隙及微裂縫發(fā)育情況的評(píng)價(jià)，是頁巖氣勘探評(píng)價(jià)參數(shù)中不可缺少的一方面。

沁水盆地含煤巖系頁巖層段同樣發(fā)育有多種微孔隙及微裂縫類型，通過對(duì)目的層段頁巖樣品進(jìn)行掃描電鏡觀察，發(fā)現(xiàn)了目的層段頁巖發(fā)育有粒內(nèi)孔隙、構(gòu)造縫、層間孔隙及溶蝕孔等多種類型(圖8)。

5.3 孔隙度及滲透率情況

頁巖既是頁巖氣的烴源巖，也是其儲(chǔ)集層，具有超低孔超低滲的特性，因此頁巖氣最初開發(fā)時(shí)自然產(chǎn)能較低，需要對(duì)儲(chǔ)層進(jìn)行后期的增產(chǎn)改造。

由于沁水盆地有關(guān)孔隙度及滲透率的測(cè)試項(xiàng)次較少，所以此次本文目的層段孔滲性的評(píng)價(jià)沒有按前文已劃分好的4個(gè)主力頁巖層段為基礎(chǔ)，而是以太原組和山西組為評(píng)價(jià)單元。通過測(cè)試分析可知，沁水盆地太原組頁巖孔隙度范圍在0.35%～8.53%，平均值可達(dá)4.16%(圖9)；山西組頁巖孔隙度在0.65%～6.7%，平均值約為2.40%(圖10)。兩組頁巖滲透率分布在0.000 21～0.089 5mD，且約70.37%的頁巖樣品的滲透率小于0.01mD(圖9，圖10)。與美國(guó)、上揚(yáng)子區(qū)的重慶等成功進(jìn)行頁巖氣勘探評(píng)價(jià)的盆地相比[32,34-36]，沁水盆地頁巖層段的孔滲性屬于頁巖氣層段典型的低孔低滲特性，需要后期的增產(chǎn)改造，提高其孔滲性。

A：粘土礦物層間縫；B：粘土礦物粒間孔；C：溶蝕孔；D：粒間孔及層間縫；E：粒間縫及方解石充填；F：應(yīng)力縫；G：粒內(nèi)孔；H：有機(jī)縫及有機(jī)孔；I：層間縫圖8 沁水盆地含煤巖系頁巖微孔隙/裂縫Figure 8 Coal measures shale micropore/fissure in Qinshui Basin

圖9 沁水盆地太原組頁巖孔滲性分布Figure 9 Taiyuan Formation shale pore permeability distributions in Qinshui Basin

圖10 沁水盆地山西組頁巖孔滲性分布Figure 10 Shanxi Formation shale pore permeability distributions in Qinshui Basin

6 目的層段含氣性特征

頁巖的含氣性特征是衡量頁巖氣是否能達(dá)到工業(yè)性氣流的一個(gè)重要參數(shù)，目前條件下主要通過現(xiàn)場(chǎng)解析方法獲得頁巖的總含氣量，或者通過吸附模擬實(shí)驗(yàn)獲得頁巖的吸附含氣量，一般情況下，吸附含氣量平均約占總含氣量的50%左右[37]。

本文通過對(duì)目的層段4個(gè)主力頁巖層段樣品進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)解析和等溫吸附實(shí)驗(yàn)分析可知，沁水盆地太2頁巖層段共進(jìn)行相關(guān)測(cè)試14項(xiàng)次，含氣量為0.64～2.53 m3/t，平均1.26m3/t，且含氣量在1.0m3/t以上頁巖樣品約占57.14%；太1頁巖層段共進(jìn)行相關(guān)測(cè)試20項(xiàng)次，含氣量為0.61～2.5m3/t，平均含氣量約為1.2m3/t，且含氣量在1.0m3/t以上的頁巖樣品約占60%；山2頁巖層段進(jìn)行相關(guān)測(cè)試17項(xiàng)次，含氣量為0.52-6.43m3/t，平均1.87m3/t，且含氣量在1.0 m3/t以上頁巖樣品約占76.5%；山1頁巖層段共進(jìn)行相關(guān)測(cè)試13項(xiàng)次，含氣量為0.52～4.47m3/t，平均2.5m3/t，且含氣量在1.0m3/t以上的樣品約占92.3%(圖11，圖12)。與美國(guó)海相頁巖含氣量(1.7～9.9m3/t)[33]相比，沁水盆地含煤巖系頁巖含氣量相對(duì)較低。在目前的勘探開發(fā)條件下，當(dāng)頁巖的總含氣量1.0m3/t時(shí)，為商業(yè)開發(fā)含氣量的下限[5]。因此，沁水盆地含煤巖系4個(gè)主力頁巖層段的頁巖氣勘探前景值得期待，且山2和山1頁巖層段的含氣量要明顯高于太2和太1頁巖層段的。

圖11 沁水盆地太原組含氣量分布Figure 11 Taiyuan Formation gas content distributions in Qinshui Basin

圖12 沁水盆地山西組含氣量統(tǒng)計(jì)Figure 12 Statistics of Shanxi Formation gas contents in Qinshui Basin

7 勘探潛力

本文通過對(duì)沁水盆地含煤巖系4個(gè)主力頁巖層段樣品的地化測(cè)試結(jié)果、儲(chǔ)層評(píng)價(jià)及含氣性特征等多方面的綜合評(píng)價(jià)分析，并與美國(guó)海相頁巖各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比(表1)，認(rèn)為雖然沁水盆地頁巖層段的干酪根類型主要為III型，不利于生烴，且生氣量明顯低于I型和II型干酪根，但其TOC含量中等，有機(jī)質(zhì)成熟度高，脆性礦物含量較高，且處于一定的生氣窗范圍內(nèi)，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)解吸的總含氣量及等溫吸附含量值大部分都高于頁巖氣工業(yè)開采的下限值。所以，沁水盆地海陸過渡相含煤巖系頁巖氣具有一定的勘探前景，其中山西組頁巖氣勘探潛力較好。同時(shí)沁水盆地含煤巖系受后期構(gòu)造變形程度影響較小，且地形多以丘陵、低山為主，為沁水盆地含煤巖系頁巖氣的保存及后期的增產(chǎn)改造及開發(fā)創(chuàng)造了較為有利的條件。

表1 沁水盆地與美國(guó)主要海相頁巖氣盆地頁巖各項(xiàng)參數(shù)對(duì)比[22,38]Table 1 Shale parameters comparison between Qinshui Basin and US main marine facies shale gas basins (after reference [22] and [38])

8 結(jié)論

1)在沁水盆地石炭-二疊紀(jì)含煤巖系共識(shí)別出4種頁巖氣儲(chǔ)層巖石類型，分別是灰黑色頁巖、炭質(zhì)頁巖、灰色頁巖及灰黑色粉砂巖，其形成的沉積環(huán)境主要為三角洲平原分流間灣、澙湖等。

2)沁水盆地石炭-二疊紀(jì)含煤巖系主要發(fā)育4套頁巖層段，自下而上依次為太2頁巖段、太1頁巖段、山2頁巖段及山1頁巖段。4套頁巖層段縱向上厚度較穩(wěn)定，橫向上連續(xù)性較好，是沁水盆地頁巖氣勘探的重點(diǎn)層段。

3)沁水盆地含煤巖系頁巖的TOC含量較高，含量在1.5%以上的樣品比例在60%左右，且有機(jī)質(zhì)成熟度處于生氣窗范圍內(nèi)，有利于頁巖氣的生成。

4)沁水盆地目的層段頁巖具有低孔超低滲特性，但其脆性礦物含量較高，平均脆性礦物含量在35%以上，有利于后期儲(chǔ)層的增產(chǎn)改造。

5)與美國(guó)海相頁巖氣特征相比，沁水盆地海陸過渡相頁巖層段沉積相類型垂向更替頻繁、旋回發(fā)育，常與煤層互層，有機(jī)質(zhì)豐度高、但以III型為主，熱演化程度高、以生氣為主，脆性礦物含量較高，總含氣量相對(duì)較低。綜合認(rèn)為沁水盆地含煤巖系具有一定的頁巖氣勘探前景，其中山西組頁巖段頁巖氣勘探潛力較好。