山東省上古生界頁巖氣資源潛力評價

張春池，彭文泉，鞏固，張暉，王琳琳，曾愛平

(1.山東省地質(zhì)調(diào)查院，山東 濟南 250013；2.山東省第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 濟南 250014；3.山東省煤田地質(zhì)規(guī)劃勘察研究院，山東 濟南 250104；4.山東省煤田地質(zhì)局物探測量隊，山東 濟南 250104)

0 引言

美國頁巖氣勘探開發(fā)近年來取得重大突破，對世界天然氣市場供應(yīng)及能源格局產(chǎn)生巨大影響，引起各國的廣泛關(guān)注[1]。中國在海相頁巖和陸相頁巖地層頁巖氣勘探中均取得重要突破，并且在海相頁巖地層發(fā)現(xiàn)焦石壩優(yōu)質(zhì)大型頁巖氣田[2]。但海陸過渡相頁巖氣的研究和勘探尚處在起步階段，海陸過渡相頁巖在沉積、構(gòu)造、巖性、儲層特征、含氣量等方面與海相、陸相頁巖差別較大，有其特殊性[3]。我國海陸過渡相頁巖主要發(fā)育在石炭-二疊系，分布在西北、華北和華南等地。中國地質(zhì)調(diào)查局油氣資源調(diào)查中心在太康隆起西部新區(qū)鉆探中，發(fā)現(xiàn)了豐富的頁巖氣和致密氣顯示，揭示了南華北盆地上古生界頁巖氣資源潛力[4]。

該文以山東省上古生界海陸過渡相泥頁巖為例，通過實施參數(shù)井鉆探、巖心觀察、樣品采集、測試分析等手段，主要對該類頁巖氣的沉積環(huán)境、有機質(zhì)類型、有機質(zhì)演化程度等頁巖氣成藏條件開展研究，建立評價參數(shù)模型，制定選區(qū)評價指標(biāo)和氣評價方法，評價頁巖氣資源潛力。

1 地質(zhì)特征

山東省上古生界海陸過渡相泥頁巖主要分布于魯西地區(qū)(圖1)，在臨清坳陷等覆蓋區(qū)也有分布[5]。大地構(gòu)造位置屬于華北板塊(Ⅰ)魯西隆起區(qū)(Ⅱ)的魯西南潛隆(Ⅲ)、魯中隆起西部(Ⅲ)及華北坳陷區(qū)(Ⅱ)的臨清坳陷(Ⅲ)等。

1—新生界；2—古生界圖1 山東省上古生界富有機質(zhì)泥頁巖分布示意圖

研究區(qū)位于沂沭斷裂帶以西，以聊(城)-蘭(考)斷裂和齊(河)-廣(饒)斷裂為華北坳陷與魯西隆起區(qū)分界。區(qū)內(nèi)構(gòu)造特征為區(qū)域性隱伏斷裂切割成不同級別的構(gòu)造單元。斷裂性質(zhì)多為繼承性斷裂，在印支期、燕山期及喜馬拉雅期隨著太平洋板塊的活動，均經(jīng)歷了多次應(yīng)力轉(zhuǎn)換，因而力學(xué)性質(zhì)及構(gòu)造演化均非常復(fù)雜，但表現(xiàn)形式主要以正斷層性質(zhì)為主。

區(qū)內(nèi)各時代地層發(fā)育比較齊全，從新太古代至第四紀(jì)地層皆有分布，以古生代地層發(fā)育保存較好為特征。前寒武紀(jì)變質(zhì)巖系構(gòu)成了區(qū)內(nèi)的剛性結(jié)晶基底巖石；早古生代寒武-奧陶系為一套海相碳酸鹽巖為主的巖石組合，是盆地內(nèi)的底層沉積巖石，構(gòu)成晚古生代石炭-二疊紀(jì)含煤地層的直接基底；新生代古近系、新近系、第四系是石炭-二疊紀(jì)含煤地層的主要蓋層；中生代侏羅-白堊系在局部斷塊凹陷區(qū)有所發(fā)育并覆蓋于石炭-二疊紀(jì)含煤地層之上，隱伏于新生代各時期地層之下。

石炭-二疊紀(jì)月門溝群本溪組、太原組、山西組和石盒子群發(fā)育一系列富含有機質(zhì)泥頁巖，是區(qū)內(nèi)頁巖氣資源的重要烴源巖[6-9]。

(1)本溪組。為一套紫紅色、雜色鐵鋁質(zhì)泥巖、鋁土巖及紫紅色、黃灰色泥巖、細砂巖組合。是海侵早期的沉積產(chǎn)物，主要為濱淺海砂泥巖相，局部夾瀉湖沼澤相。受古地形影響，各地厚度變化較大，總厚度2～60m不等。

(2)太原組。為灰—灰黑色泥巖、粉砂巖、砂巖夾多層灰?guī)r和煤層組成的韻律層，屬于典型的海陸交互相沉積[10]，厚度130～230m，平均170m左右。太原組巖性組合橫向變化不大，在各地區(qū)發(fā)育程度有所差異，沉積厚度由北而南逐漸增大，灰?guī)r與煤層夾層逐漸增多。

(3)山西組。為砂巖、灰黑色泥巖和煤層，整體色調(diào)呈灰—深灰色，為海灣—潮坪相、三角洲相及沼澤相交替沉積，厚度73～164m，一般厚100m左右；從地層厚度、巖性、含煤層等方面，在各地差異較大，厚度整體顯示北東厚、南西薄之特點。

(4)石盒子群。主要以黃綠色、灰綠色砂巖，紫紅、灰紫色泥巖夾鋁土巖，灰黑色頁巖，偶見有煤線，以陸相河湖相沉積為主[11]，地層厚度401～518m。暗色泥巖分布范圍小，沉積厚度不穩(wěn)定。

2 泥頁巖有機地化特征

山東省在石炭-二疊紀(jì)地層中施工了4口頁巖氣參數(shù)井，通過采樣、地化參數(shù)和物性參數(shù)等測試分析，結(jié)合收集部分鉆孔有機碳資料進行分析，石炭-二疊系有機質(zhì)類型以Ⅲ型為主，占62%；其次為Ⅱ2和Ⅱ1型，共占35%，極少出現(xiàn)I型。

鏡質(zhì)體反射率一般在0.7%～1.7%之間，泥頁巖熱演化程度分類為低—中，也就是烴源巖有機質(zhì)成熟度以低成熟—成熟為主。

本溪組有機碳含量一般小于0.6%(圖2)，以非烴源巖為主；太原組有機碳含量一般在1.5%～9.0%之間，為中-好烴源巖；山西組灰黑色泥頁巖有機碳含量一般在1.5%～9.0%之間，為中-好烴源巖；石盒子群暗色泥巖有機碳含量一般小于3.5%，以中-差烴源巖為主。

1—石盒子群；2—山西組；3—太原組；4—本溪組圖2 石炭-二疊系有機碳含量分布圖

本溪組和石盒子群暗色泥巖分布不均，厚度變化大，泥巖占比一般小于50%，不宜作為頁巖氣有效生儲層。山西組和太原組泥巖分布范圍廣、發(fā)育厚度相對穩(wěn)定，可連續(xù)追蹤。埋藏深度從300～8000m不等，有機質(zhì)演化程度一般在0.7%～1.7%，局部受巖漿巖烘烤或埋深較大地段鏡質(zhì)體反射率超過4%。在埋藏深度適中、演化程度適中(0.5%

3 評價依據(jù)及評價方法的選取

根據(jù)控制程度的差異，頁巖氣資源評價選取不同的方法，主要有類比法、體積法、物質(zhì)平衡法、遞減曲線法[12]。山東省針對上古生界海陸過渡相主要富有機質(zhì)泥頁巖發(fā)育層系施工了4口頁巖氣參數(shù)井，重新解釋660口單井測井曲線，資源潛力評價方法采用體積法最為適合。

3.1 體積法

體積法是國內(nèi)外頁巖氣資源評價最常用方法[13]，是利用泥頁巖的含氣特征進行頁巖氣資源量評價。泥頁巖總含氣量為吸附氣含量、游離氣含量和溶解氣含量之和，但泥頁巖一般含溶解氣含量極低，故此泥頁巖總含氣量可取值吸附氣含量與游離氣含量之和。體積法主要應(yīng)用于頁巖氣勘查開發(fā)前期、初期的資源評價。主要評價參數(shù)有：面積、厚度、巖石密度、含氣量，公式下：

GZ=0.01×A×h×ρy×CZ

式中：GZ—頁巖氣總資源量，108m3；A—含氣面積，km2；h—有效厚度，m；ρy—泥頁巖密度，t/m3；CZ—泥頁巖含氣量，m3/t。

3.2 評價依據(jù)

山東省以往施工了大量鉆孔，開展了大量地球物理工作，基本能夠控制富有機質(zhì)泥頁巖發(fā)育特征和分布規(guī)律，根據(jù)2013年以來實施的魚頁參1井等4口頁巖氣參數(shù)井獲取的評價參數(shù)，滿足求取單位體積內(nèi)頁巖氣資源量的要求，因此選用靜態(tài)法中的體積法進行估算。依據(jù)《全國頁巖氣資源潛力調(diào)查評價》[14]對頁巖氣有利區(qū)參數(shù)優(yōu)選條件和《頁巖氣資源/儲量計算與評價技術(shù)規(guī)范》(GB/T0254-2014)中儲量起算標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合山東省實際情況，確定上古生界頁巖氣資源量評價參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)(表1)。

表1 山東省上古生界頁巖氣資源量評價參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)

4 評價參數(shù)的確定

通過系統(tǒng)收集整理和分析研究已有的地震、鉆井、測井資料，結(jié)合實施地震剖面測量和參數(shù)井試驗數(shù)據(jù)，重新處理解譯舊井、二維地震剖面，繪制山東上古生界海陸過渡相富有機質(zhì)泥頁巖發(fā)育有效厚度等值線、深度等值線、有機碳含量(TOC)等值線、鏡質(zhì)體反射率(Ro)等值線等系列圖件，為確定含氣面積、有效厚度、巖石密度、含氣量等評參數(shù)和資源潛力評價提供依據(jù)。

4.1 含氣面積

根據(jù)評價參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，TOC，Ro，厚度等值線采用參數(shù)疊加法圈定邊界；將估算范圍內(nèi)的面積切割成若干塊段，利用計算機軟件讀取各塊段面積作為該塊段的估算面積，各塊段面積之和即為該估算區(qū)總面積。

4.2 有效厚度

依據(jù)TOC，Ro，厚度(或TOC，厚度)切割成若干估算塊段；在2條有效厚度等值線之間的區(qū)域，估算厚度采用2條等值線的平均值，最高等值線內(nèi)所圈定的區(qū)域，估算厚度采用等值線的值[15-20]。

4.3 巖石密度

魚頁參1井采集11個巖石密度樣品(表2)，其中密度值在2.55～2.74m3/t，平均值為2.68m3/t。從巖石密度與深度關(guān)系來看，巖石密度隨深度的增加而增加的趨勢明顯(圖3)。

表2 魚頁參1井泥頁巖密度

4.4 含氣量模型的建立

山東省上古生界海陸過渡相山西-太原組有機質(zhì)以Ⅲ型干酪根為主，且已進入大量生烴演化階段。利用魚頁參1井、聊頁參1井等獲取泥頁巖總含氣量及其對應(yīng)有機碳含量數(shù)據(jù)(表3)，建立泥頁巖含氣量與有機碳含量的關(guān)系模型(圖4)。求取不同有機碳含量等值線所圈定塊段的泥頁巖含氣量值。

表3 山東省上古生界海陸過渡相泥頁巖總含氣量及其對應(yīng)有機碳含量

圖3 山東省石炭-二疊系泥頁巖密度與深度關(guān)系圖

圖4 山東省石炭-二疊系有機碳含量與含氣量關(guān)系圖

5 資源潛力

根據(jù)頁巖氣資源評價參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，對山東省上古生界海陸過渡相富有機質(zhì)泥頁巖分布盆地進行圈定，共圈定8處頁巖氣資源潛力有利區(qū)，主要分布在魯西南含煤區(qū)、黃河北含煤區(qū)、陽谷-茌平含煤區(qū)和臨清坳陷(表4)。

表4 山東省上古生界海陸過渡相頁巖氣資源分布

山東上古生界石炭-二疊系頁巖氣潛在資源總量為5736.75×108m3(表4)，以魯西南含煤區(qū)最多，估算的潛在地質(zhì)資源總量為3263.98×108m3。

6 結(jié)論

(1)確定了山東省上古生界海陸過渡相含氣頁巖層段。以山西-太原組泥巖分布范圍廣、厚度相對穩(wěn)定、熱演化程度適中，為主要的含氣頁巖層段。

(2)獲取了山東省首批上古生界海陸過渡相頁巖氣評價參數(shù)，明確了頁巖層段有機地化、含氣性特征。

(3)針對山東省不同沉積環(huán)境泥頁巖含氣量的關(guān)鍵影響因素，通過實驗測試、現(xiàn)場解析，對上古生界Ⅲ型干酪根、成熟階段為主的有機質(zhì)富集層位，建立了適合在魯西南等含煤區(qū)石炭-二疊系“有機碳-含氣量”模型估算海陸交互相頁巖氣資源量方法。

(4)估算了山東上古生界石炭-二疊系頁巖氣潛在資源總量為5736.75×108m3，具有勘查價值的地區(qū)主要分布在魯西南含煤區(qū)、黃河北含煤區(qū)、陽谷-茌平含煤區(qū)和臨清坳陷，為山東省進一步實施頁巖氣勘查開發(fā)提供了依據(jù)。