沁水盆地中段煤系頁巖氣地球化學特征研究

曾 玲

(山西省煤炭地質勘查研究院，太原 030006)

0 引言

在“碳中和”成為國家的重大部署的背景下，“降煤増氣”成為能源革命的一大趨勢，山西省煤炭資源豐富，同時蘊含著豐富的煤非常規(guī)天然氣，目前，山西省內的天然氣產量絕大部分為煤層氣的產量，頁巖氣、致密氣尚未大規(guī)模開采。因此，加強頁巖氣的勘探開發(fā)研究尤為重要。近年來，國內外頁巖氣研究較多，主要集中在海相頁巖氣儲層特征和有機地球化學特征等方面。王淑芳等通過對我國海相頁巖氣與美國進行對比，我國海相頁巖具有成熟度過高、盆地內外差異大的特征[1]。魏祥峰等、陳磊等對海相和陸相頁巖氣儲層孔隙結構和特征進行了對比研究[2-3]。鄒才能[4-5]等通過對我國頁巖氣勘探開發(fā)成果的分析，發(fā)現(xiàn)我國實現(xiàn)頁巖氣規(guī)模開發(fā)的區(qū)域主要集中在海相頁巖氣。目前，對海相頁巖氣的研究比較成熟，而海陸過度相頁巖氣的研究較少，勘探程度也較低，本文通過采樣測試，分析整理對沁水盆地中段頁巖氣的有機地球化學特征進行了研究，為沁水盆地頁巖氣勘探提供一個可參考的指導方向和基礎數(shù)據(jù)。

1 頁巖層段的劃分及相關樣品選擇

1.1 頁巖層段的劃分

本區(qū)含氣頁巖主要賦存層位是山西組、太原組和本溪組上段。由于本區(qū)面積較大，頁巖氣勘查程度低；加之煤系地層為海陸過渡相沉積環(huán)境，橫向上巖性變化頻繁，不利于含氣頁巖段的對比。本次頁巖層段的對比選取了煤系地層中發(fā)育穩(wěn)定的標志層進行[6]，包括：下石盒子組底界K8砂巖、3號煤層、K4石灰?guī)r、K2石灰?guī)r、15號煤層、鐵鋁巖段，將頁巖層系劃分為四個目標層段[7]，分別為：

Y1層段：K8砂巖底至3號煤層頂；該頁巖層段夾1號、2上號、2號、3上號等薄煤層，是3號煤層頂板所在層段，含砂巖夾層一般1～2層；層段頂3號煤層、底K8砂巖全區(qū)可對比，其間發(fā)育多層泥頁巖。

Y2層段：3號煤層底至K4石灰?guī)r頂；該頁巖層段夾3下號、4號、5號、6號、7號、8-1號、8-2號、9號、10號等薄煤層，太原組上部K5石灰?guī)r偶有發(fā)育，含砂巖夾層2～4層，其中K7全區(qū)可對比；層段頂3號煤層、底K4石灰?guī)r全區(qū)可對比，其間發(fā)育多層泥頁巖。

Y3層段：K4石灰?guī)r底至K2石灰?guī)r頂；該頁巖層段夾11號、12號、13號薄煤層，層段中部K3石灰?guī)r全區(qū)可對比，含砂巖夾層一般1～2層；層段頂K4石灰?guī)r、底K2石灰?guī)r均全區(qū)可對比。

Y4層段：K2石灰?guī)r底至15號煤層頂+15號煤層底至鐵鋁巖段頂；該頁巖層段夾14號、16號薄煤層，是15號煤層頂?shù)装逅趯佣?，含砂巖夾層一般1～3層，其中K1全區(qū)可對比，層段下部偶有石灰?guī)r或鋁質泥巖夾層發(fā)育；其間發(fā)育多層泥質巖。

1.2 頁巖相關樣品選擇

本次頁巖采樣目標層位為下石盒子組底部K8砂巖以下至本溪組鐵鋁巖段，頁巖采樣以泥巖、頁巖、砂質泥巖、粉砂巖為主，當其他層位或其他巖性有明顯的氣測異常時，適當采取代表性樣品。在氣測異常段以2～3m間隔進行采樣，一般樣品長度為0.20～0.40m，共采樣測試244個。

1)頁巖含氣量及氣組分樣。頁巖含氣量測試暫無標準可循，本次仍參考《煤層氣含量測定方法》(GB/T 19559—2008)進行采樣測試，采樣方法同上。采樣和測試過程符合規(guī)范要求。

含氣量測試結束后，將解吸的氣體進行氣體組分分析，按《天然氣的組成分析氣相色譜法》(GB/T 13610—2003)標準執(zhí)行。

2)總有機碳(TOC)樣。頁巖含氣量樣在測試結束后，進行總有機碳測試。

3)巖石熱解、干酪根類型測試等。該類樣品不單獨另采，待頁巖含氣量測試結束后，在含氣量樣中按一定的間隔選取滿足測試要求所需樣品(包括質量、形態(tài)等要求)進行測試。

巖石熱解測試：按照每50m左右的間隔選取樣品。測試按《巖石熱解分析》(GB/T 18602—2012)標準執(zhí)行。

干酪根類型及鏡質組隨機反射率測試：按照每層段3個均勻分布采取樣品。碳酸鹽含量測試：按照每層段3個均勻分布采取樣品。真/視密度測試：按照每層段3個均勻分布采取樣品。

巖石薄片鑒定：按照每層段5個均勻分布采取樣品。磨片制成薄片，進行巖石薄片鑒定。測試按《巖礦鑒定技術規(guī)范 第4部分：巖石薄片鑒定》(DZ/T 0275.4—2015)標準執(zhí)行。

全巖及黏土礦物X射線衍射試驗：按照每層段3個均勻分布采取樣品。測試按《沉積巖粘土礦物相對含量X射線衍射分析方法》(SY/T 5163—2010)標準執(zhí)行。

掃描電鏡分析：按照每層段3個均勻分布采取樣品。測試按《巖石樣品掃描電子顯微鏡分析方法》(SY/T 5162—1997)、《巖石礦物能譜定量分析方法》(SY/T 6189—1996)標準執(zhí)行。

2 泥頁巖有機地化特征

2.1 有機質類型

烴源巖有機質干酪根類型按三類四分法可分為：I型-腐泥型、II型(IIl-腐殖腐泥型II2-腐泥腐殖型)和III型-腐殖型。一般的，I型干酪根生油量最大，而III型干酪根則以生氣為主。

目前烴源巖有機質類型主要從不溶有機質(干酪根)和可溶有機質(瀝青)的性質和組成進行評價。方法主要有干酪根元素分析法、干酪根顯微組分分析法、巖石熱解參數(shù)評價法等。

首先采用顯微組分分析法，即根據(jù)干酪根在顯微鏡下的特征，統(tǒng)計類脂組、殼質組、鏡質組、惰質組的含量，計算干酪根顯微組分類型指數(shù)(TI)。根據(jù)測試結果，類型指數(shù)在-61～-80，均屬于Ⅲ型干酪根(表1)。

表1 各層段干酪根類型劃分參數(shù)統(tǒng)計Table 1 Statistics of shale sets kerogen type division parameters

用氫指數(shù)IH對干酪根進行劃分，IH<150為III型干酪跟。研究區(qū)IH為6.67～133.38mg/g，平均28.53mg/g，為III型干酪根。另外從Tmax與IH關系圖中也可看出本區(qū)泥頁巖有機質干酪根類型以Ⅲ型為主(圖1)。

圖1 IH與Tmax對干酪根分類Figure 1 IH and Tmax on kerogen type division diagram

此外，根據(jù)頁巖氣組分穩(wěn)定碳同位素分析測試結果，氣組分中僅有甲烷測得δ13C，其他組分均未測得。甲烷δ13C平均為-32.78‰，均屬于Ⅲ型干酪根。

2.2 有機質豐度

頁巖中的有機碳(TOC)是單位質量巖石中有機質的含量，是評價烴源巖生烴能力的重要參數(shù)(表2)。在其他條件相近的前提下，TOC含量越高，生烴潛力越大，且氣體儲集能力越大，越有利于頁巖氣富集。

表2 總有機碳劃分標準Table 2 Total organic carbon division criterion

TOC測試分析表明：從頻率分布上來看，富有機質泥頁巖有機碳含量頻率呈單峰狀分布，主峰位于1%～2%，其中TOC<0.5%的占11%，介于0.5%～1%的占16%，介于1%～2%的占39%，介于2%～4%的占23%，介于4%～12%的占7%，TOC>12%的占5%(圖2)。整體上來看，大部分泥頁巖TOC>1.0%(占73%)，即有機碳大部分介于一般到極好之間，具有較好的生烴潛力。

TOC百分含量/%圖2 TOC分布頻率Figure 2 TOC distribution frequencies

按層段統(tǒng)計TOC測試結果，統(tǒng)計各數(shù)值區(qū)間內的數(shù)據(jù)量，做各層段TOC測試結果的區(qū)間分布圖(圖3)。為反映層段整體情況，在計算各層段的平均TOC含量時，先剔除了層段中TOC>12%的值，然后做算術平均(表3)。

表3 各層段TOC平均值統(tǒng)計Table 3 Statistics of shale sets TOC averages /%

TOC百分含量/%圖3 各層段TOC數(shù)據(jù)分布Figure 3 Shale sets TOC data distribution

各層段TOC含量均呈單峰分布，Y1層段TOC以0.5%～4%為主，0.5%～2%區(qū)間樣品最多；Y2層段TOC以0.4%～4%為主，1%～4%區(qū)間樣品最多；Y3層段TOC分布在1%～4%樣品最多；Y4層段TOC分布在1%～2%樣品最多；整體Y2層段厚度大，TOC含量高，為較有利的頁巖生氣儲層。

2.3 有機質成熟度

烴源巖有機質成熟度是衡量烴源巖實際生烴能力的重要指標之一，是評價烴源巖生烴量及資源前景的主要依據(jù)。鏡質體反射率(Ro)、熱解峰頂溫度(Tmax)是常用的表征烴源巖成熟度的指標。

由測試結果可見(表4)，鏡質組反射率一般為2.01%～2.77%，平均為2.47%。根據(jù)晚期生油理論，當Ro>2.0%時為生干氣階段，以大量生成甲烷為主?？梢姳緟^(qū)各烴源巖均處于生干氣階段。Tmax為411.6～577.00℃，平均524℃。根據(jù)我國陸相烴源巖Tmax劃分成熟度標準，Tmax(℃)在435～440℃為低成熟階段，在440～450℃為成熟階段，在450～880℃為高成熟階段，可見本區(qū)烴源巖一般處于高成熟階段。

表4 泥頁巖有機質成熟度參數(shù)統(tǒng)計Table 4 Statistics of argillutite maturity parameters

兩種有機質成熟度參數(shù)都表明，泥頁巖儲層主體位于甲烷大量生成階段，有利于形成頁巖氣藏。

3 泥頁巖礦物組成特征

頁巖氣的生產速度依賴于裂縫的發(fā)育程度，而裂縫發(fā)育程度取決于頁巖的礦物組成，故頁巖的礦物組成在很大程度上影響頁巖氣的產能。脆性礦物含量是影響頁巖基質孔隙和微裂縫發(fā)育程度、壓裂改造方式的重要因素。X射線衍射(XRD)測試是常用的泥頁巖礦物組成特征分析方法。

由X衍射測試數(shù)據(jù)可見，本區(qū)泥頁巖中常見的礦物包括：石英、鉀長石、斜長石、方解石、白云石、菱鐵礦、黃鐵礦、赤鐵礦、重晶石、鈣芒硝、硬石膏、鱗石英、非晶體、銳鈦礦、鐵白云石、黏土礦物(圖4)，黏土礦物含量為2.4%～63%，平均為45.1%；其次為石英含量為8.7%～62.2%，平均為40.2%；其他礦物僅少數(shù)樣品測得，所占比重不大，一般在10%以下(表5)。

表5 泥頁巖主要礦物成分統(tǒng)計Table 5 Statistics of argillutite main mineral components /%

從剖面上分層段的統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看：

Y1層段泥頁巖中黏土礦物平均含量49.0%，石英平均含量43.4%；Y2層段泥頁巖中黏土礦物平均含量46.7%，石英平均含量40.9%；Y3層段泥頁巖中黏土礦物平均含量43.8%，石英平均含量35.7%；Y4層段泥頁巖中黏土礦物平均含量40.4%，石英平均含量40.3%?？傮w來看，各層段黏土總量、石英的含量平均值相差不大。

脆性是頁巖氣評價中的重要指標之一，是儲層造縫難易程度的主要因素，極大地影響著頁巖氣開發(fā)的產能和實效[8-9]。國內外主要采用測井分析和礦物成分分析兩種方法[10]，本次采用礦物成分簡易計算方法進行評價，即：

脆性指數(shù)=石英含量/(石英含量+黏土礦物含量+碳酸鹽礦物含量)

本區(qū)各層段泥頁巖脆性指數(shù)大部分為30%～60%，脆性指數(shù)平均值均>30%(圖5)?？傮w看來，頁巖脆性指數(shù)尚可，具有良好的可壓裂性和開采潛力。

樣品編號 樣品編號圖4 泥頁巖X衍射(全巖、黏土)測試成果Figure 4 Argillutite X-ray diffraction(total rock,clay)tested results

樣品編號圖5 泥頁巖脆性指數(shù)分布Figure 5 Argillutite brittle indices distribution

泥頁巖中碳酸鹽礦物主要為方解石，碎屑成因的方解石可作為脆性礦物，根據(jù)頁巖碳酸鹽含量測試成果(表6)，Y1層段碳酸鹽含量平均2.0%，Y2層段碳酸鹽含量平均5.4%，Y3層段碳酸鹽含量平均4.5%，Y4層段碳酸鹽含量平均4.8%。太原組頁巖碳酸鹽含量明顯高于山西組頁巖，以Y4層段碳酸鹽含量最高，海相沉積環(huán)境下頁巖碳酸鹽含量更高。

表6 頁巖碳酸鹽含量Table 6 carbonate content of Shale %

4 結論

1)根據(jù)富氣泥頁巖的發(fā)育層位、分布范圍和埋藏深度劃分了四套頁巖層Y1、Y2、Y3、Y4。

2)通過對樣品的分析，得出頁巖有機地化特征，頁巖干酪根為Ⅲ型腐殖型，有機質含量平均為1.90%，鏡質組反射率平均為2.47%，干酪根處于高成熟階段，具有較好的生烴潛力。

3)泥頁巖黏土礦物含量為2.4%～63%，平均為45.1%；其次為石英含量為8.7%～62.2%，平均為40.2%；其他礦物僅少數(shù)樣品測得，所占比重不大，一般在10%以下。頁巖脆性指數(shù)平均值>30%。

4)綜合評價后四套頁巖層Y1、Y2、Y3、Y4中，整體Y2層段厚度大，TOC含量高，為較有利的頁巖生氣儲層。