海陸過渡相泥頁巖可壓地質特征研究—臨興中區石炭-二疊系泥頁巖為例

韓 冬 吳 鵬 孔 為

（1.中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，天津 300452；2.中聯煤層氣股份有限公司，北京 100011）

我國頁巖氣勘探技術程度較低，地質條件復雜，工程技術不完善，嚴重制約我國頁巖氣勘探開發。特別是我國海陸過渡相頁巖氣勘探開發技術及經驗比較匱乏，鑒于目前我國90%以上的頁巖氣鉆井需要經過儲層壓裂改造后才可能有較好的產量，因此評價海陸過渡相頁巖氣儲層可壓性是判斷海陸過渡相頁巖區塊勘探開發能否取得重要突破的關鍵之一[1-4]。鑒于此，本文基于鄂爾多斯東緣臨興區塊近三年頁巖氣探井資料，綜合分析巖性、孔裂隙、礦物含量及脆性指數等可壓地質參數，探討了該區石炭-二疊系海陸過渡相頁巖層系可壓潛力，為該區海陸過渡相頁巖氣儲層壓裂改造提供科學依據。

1 地質背景

鄂爾多斯盆地位于中國大陸中部，是一個多旋回演化、多沉積類型的大型沉積盆地。鄂爾多斯盆地構造上隸屬華北地臺西部，現今構造面貌為一南北翹起、東翼緩而長、西翼短而陡的不對稱向斜[5-6]。盆地內劃分為六個二級構造單元：伊盟隆起、渭北隆起、天環坳陷、伊陜斜坡、西緣沖斷帶、晉西撓褶帶（圖1）。

圖1 鄂爾多斯盆地構造區劃圖

臨興中氣田歸屬于鄂爾多斯盆地晉西撓褶帶。上古生界地層以海陸過渡相－陸相碎屑巖沉積為主，地層自下而上發育石炭系本溪組、二疊系太原組、山西組、下石盒子組、上石盒子組和石千峰組[7]。其中石炭系-二疊系山西組下段發育大套海陸過渡相泥頁巖層段，氣測顯示明顯的頁巖層段累計可達10～100 m，其中山2 段為1.7～32.6 m，太1 段為1.4～29.1 m，太2 段為5～25 m，本1 為2.2～21 m，本2 段為1～7 m，為該區海陸過渡相頁巖氣勘探提供了物質基礎。

2 頁巖氣儲層特征

2.1 巖性特征

臨興中區塊海陸過渡相泥頁巖層段發育泥巖、碳質泥巖、粉砂質泥巖、泥質粉砂巖、粉細砂巖、薄煤層等多種細粒巖性，進一步細分為黏土質泥頁巖、碎屑質泥頁巖、含灰質泥頁巖、碳質泥巖四大類型。黏土質泥頁巖整體均發育，灰色呈塊狀，層理不發育；碎屑質泥頁巖多發育于山西組山2 段，偶見平行層理，多夾砂質條帶；碳質泥巖多發育太原組含煤層系，層理相對發育，局部見植物碎屑和薄煤線；灰質泥頁巖多發育本溪組和太原組下部太2 段，其層理不發育，以塊狀-層狀結構為主，見黃鐵礦和貝殼類化石。

2.2 孔裂隙發育特征

氬離子拋光-場發射掃描電鏡表明海陸過渡相頁巖中無機孔、有機質均有發育，裂縫形態多樣，且多在有機質內部見微裂隙，呈鋸齒狀、片狀、彎曲狀、X 型、Y 型，寬度主要介于10～500 nm 之間，長度為微米級（圖2）。利用CT 掃描刻畫不同類型泥頁巖裂縫特征，結果顯示碎屑質頁巖微裂縫裂縫最發育，裂縫寬度較寬及延伸較長，灰質泥頁巖次之（表1）。

表1 不同泥頁巖樣品CT 掃描裂縫參數

圖2 太原組泥頁巖孔隙發育特征

3 礦物成分

頁巖的礦物成分主要組成為脆性礦物和黏土礦物，它們是影響其力學性質、基質孔隙和裂縫發育以及壓裂改造方式等的重要因素，因此，常將脆性礦物含量作為泥頁巖儲層可壓性評價的重要參數之一[8]。

3.1 脆性礦物

根據X-衍射全巖礦物成分分析結果，石炭-二疊系泥頁巖儲層脆性礦物以石英為主，另外還含有鉀長石、斜長石、方解石、白云石、黃鐵礦、菱鐵礦、鐵白去石等。通過對臨興中區182 件樣品實驗分析，山西組-太原組-本溪組泥頁巖中脆性礦物總含量為8%～91%，其中石英平均含量為34.9%，長石平均含量為4.0%，黃鐵礦平均含量為0.8%，碳酸鹽平均含量為7.3%（圖3）。

3.2 黏土礦物

黏土礦物是泥頁巖的重要組成部分，也是泥頁巖儲層壓裂改造的不利因素。黏土特征含量越高，儲層的塑性越強，越難壓裂[9]。黏土礦物主要包括蒙脫石、伊利石、綠泥石、高嶺石等。

臨興中泥頁巖儲層中黏土礦物含量在3.4%～92%，其中山2 段黏土礦物平均含量為42.7%，太1 段黏土礦物平均含量為49.4%，太2段黏土礦物平均含量為37.6%，本1 段黏土礦物平均含量為50.1%，本2 段黏土礦物平均含量為59.7%。樣品中未檢出水敏性最強的蒙脫石，說明臨興中泥頁巖儲層有利于人工壓裂改造。

3.3 脆性指數

選取石英、長石、方解石作為海陸過渡相頁巖脆性主要礦物成分，利用礦物組分計算脆性指數探討頁巖可壓性。其中：脆性指數＞40%，脆性很強；20%～40%為脆性中等，10%～20%為脆性較弱，小于10%為塑性。

脆性指數（BI）計算公式：

式中：BI為巖石脆性指數（以石英+長石+碳酸鹽礦物+黃鐵礦含量計），%。

182 件樣品脆性指數結果顯示，區內海陸過渡相樣品脆性指數差異較大，總體樣品的脆性系統介于40%～60%，其中碎屑質泥頁巖脆性指數最大可達60%以上，脆性很強；碳質泥頁巖、灰質泥頁巖樣品脆性指數在20%～40%，黏土質泥巖樣品脆性指數在0～20%。

4 可壓性探討

海陸過渡相泥頁巖層段巖性復雜，夾雜碳質泥巖、粉砂質泥巖、泥質粉砂巖、粉細砂巖、薄煤層等，氣測顯示較好的頁巖層段具有“平面累計厚度大、縱向薄層多疊置”的特征，平面資源潛力有保障，但后期縱向優勢層段選取是勘探開發的基礎；可壓性方面，頁巖中具有“孔裂隙組合、脆性指數差異大”的特點，其中孔隙類型中無機孔、有機孔均有發育，但不同類型的泥頁巖孔裂隙發育有差異，呈現出多種孔隙類型組合的特征；利用石英、長石、碳酸鹽礦物評價泥頁巖脆性指數顯示，總體以中等脆性為主，其中碎屑質泥頁巖脆性最高，其次為灰質泥頁巖和碳質泥頁巖；黏土礦物中不發育水敏性最強的蒙脫石是有利可壓的條件。綜上所述，該區海陸過渡相泥頁巖具有一定的資源潛力，且碎屑質泥頁巖、灰質泥頁巖、碳質泥頁巖孔隙-裂隙發育且脆性礦物含量高，脆性較強，具有一定的可壓潛力，后期優選上述泥頁巖層段進行壓裂測試。

5 結論

1）海陸過渡相頁巖可分為黏土質泥頁巖、碎屑質泥頁巖、含灰質泥頁巖四大類，涉及的巖性包括泥碳質泥巖、粉砂質泥巖、泥質粉砂巖、粉細砂巖、薄煤層等。

2）海陸過渡相頁巖孔裂隙發育，但類型多樣，不同泥頁巖孔裂隙連通性不同。其碎屑質頁巖微裂縫裂縫最發育，裂縫寬度較寬及延伸較長，連通性較好；灰質泥頁巖次之。

3）海陸過渡相頁巖脆性礦物以石英為主，平均含量為34.9%。脆性指數差異較大，樣品的脆性指數介于40%～60%，碎屑質泥頁巖脆性指數最大可達60%以上，脆性最強。

4）海陸過渡相有利頁巖層段具有“平面累計厚度大、縱向薄層多疊置”的特征，資源有保障；碎屑質泥頁巖、灰質泥頁巖、碳質泥頁巖孔隙-裂隙發育、脆性指數適中，為具有可壓潛力的優質頁巖層段。