太康隆起上古生界海陸交互相頁巖氣地質條件分析

曾秋楠，張交東，于炳松，劉旭鋒，周新桂

(1.中國地質大學(北京)，北京 100083；2.中國地質調查局油氣資源調查中心，北京 100083)

0 引 言

中國富有機質泥頁巖發育層系多，根據頁巖發育沉積環境，主要可分為海相、海陸交互相與陸相(湖沼相)3類富有機質泥頁巖[1]。其中，海相頁巖以南方重慶涪陵焦石壩及四川長寧—威遠為代表，已進入商業性開發階段。陸相頁巖地層以鄂爾多斯盆地為代表，也有較好的勘探成果[2-8]。海陸交互相泥頁巖主要分布在鄂爾多斯盆地、沁水盆地及南華北盆地的上古生界和揚子地區二疊系；受沉積環境影響，海陸交互相地層巖性復雜，砂泥互層頻繁，縱向變化快，非均質性強，海陸交互相頁巖氣成藏條件相關研究程度較低，勘探尚未獲得突破。南華北盆地太康隆起西部尉參1井太原組壓裂試氣點火成功，牟頁1井獲得1 256 m3/d穩定氣流[9]，證實太康隆起西部上古生界頁巖氣成藏的可能性。通過對尉參1井太原組和山西組取心段的巖礦特征、地球化學特征、物性及含氣性等綜合分析，確定區域沉積環境特征，研究太原組和山西組頁巖儲層特征和頁巖氣成藏地質條件，進一步明確太康隆起上古生界頁巖氣勘探潛力，對指導研究區海陸交互相頁巖氣勘探有重要意義。

1 區域地質概況

南華北盆地位于華北板塊東南部，南接秦嶺—大別造山帶，東至郯廬斷裂帶，西接豫西隆起區，北與渤海灣盆地相鄰。晚古生代華北古陸在晚石炭世開始海水由南向北和由東北向西南侵進，形成華北盆地，發育以晚石炭世—二疊紀海陸交互相和三疊紀陸相為主的具陸源碎屑含煤建造特征的內陸盆地沉積[10-12]。

1.1 區域沉積背景

太康隆起地區沉積環境受盆地沉積背景控制，晚石炭世本溪期—早二疊世太原期，形成了濱岸—沼澤環境，發育由砂巖、泥巖煤層、炭質泥巖、局部發育鋁土礦和灰巖等組成的沉積組合。早二疊世山西期，研究區早期先發生海退，晚期又再次海進，整體形成了淺海—三角洲環境，發育由砂巖、泥巖、黏土巖和煤層組成的沉積組合。中晚二疊世石盒子期，華北盆地整體北隆南降，南部的南華北盆地仍為海水進退頻繁的濱淺海域[13]，太康隆起—開封坳陷一帶南低北高，沉積中心向南遷移，砂體呈北北東向展布(圖1)。

通過對太康隆起上古生界泥頁巖進行薄片鑒定，可在鏡下發現大量海陸交互相沉積指示標識(圖2)，如太原組生屑灰巖中發育大量生物碎屑，主要為有孔蟲、藻類、介行蟲、腹足類，少數的棘皮類和腕足類；山西組極細砂質細粒巖屑砂巖中顆粒呈輕微定向排列，部分碎屑顆粒具黏土礦物化，少數石英見次生加大，巖屑主要為酸性噴出巖、凝灰巖，云母主要為黑云母，鐵質局部集中分布；下石盒子組發育含菱鐵礦泥巖，巖石中分布了大量鮞粒，鮞粒呈放射狀，主要成分為菱鐵礦，指示沉積環境是具有充足的鐵來源和二氧化碳，貧氧，水動力條件動蕩的還原或弱還原沉積環境，如與河流相連的河漫灘等[14]。

1.2 地球化學指標及其沉積環境指示意義

在垂向上，與南方海相沉積體系相比，海陸交互相沉積環境水深變化頻繁，沉積地層在縱向上巖性變化大，非均質性強。由于黏土礦物的吸附能力較強，在沉積過程中極易從水介質中吸附大量的離子，并在成巖過程中黏土礦物所吸附的組分可保持其相對穩定，因此，可作為指示沉積環境的標志。尉參1井上古生界Rb與K的比值(銣鉀比)、碳酸鹽和氯元素含量在垂向上的變化規律，可以較好地反映沉積環境由海相向陸相連續轉變的特征[15-18]。

1.2.1 銣與鉀的含量及銣鉀比

泥頁巖中，不同黏土礦物的選擇吸附性能不同。

圖1 太康隆起區域概況示意圖

圖2 尉參1井上古生界巖石薄片鏡下特征

如海相沉積環境中較為發育的伊利石會吸附大量鉀(K)，以及銣(Rb)、銫(Cs)、鋰(Li)等堿金屬離子，而陸相地層的黏土礦物以高嶺石為主，吸附鉀最少，其他堿金屬離子也相應減少。因此，鉀、銣等元素含量可作為推斷古鹽度的標志之一，銣與鉀的比值隨鹽度而變，一般正常的海相頁巖中銣鉀比大于0.006，而微咸水的頁巖中銣鉀比大于0.004[19]。

根據尉參1井元素掃描分析結果可知，研究區太原組和山西組下部的銣鉀比最高值可達0.150，明顯大于0.006，為典型的海相沉積環境；山西組中部及上部銣鉀比顯著減小，古鹽度相當于微咸水或半咸水沉積，指示沉積環境整體由海相向陸相過渡，表現出海陸交互相性質；下石盒子組和上石盒子組銣鉀比明顯小于0.004，為淡水沉積環境(圖3a)。

1.2.2 氯元素含量

地下水廣泛存在于各種地理環境中，其化學成分中占主要地位的只有Cl-、SO42-、HCO3-、Na+、K+、Ca2+、Ma2+等7種離子，而Cl-幾乎存在于所有地下水中，因此，Cl-可以作為判斷沉積環境中水體含鹽量多少的重要標志。尉參1井上古生界地層元素掃描測試結果顯示，太原組 Cl-含量高，最高可達1.0%以上，隨地層變新，Cl-含量明顯降低，山西組Cl-含量基本在0.4%以下，下石盒子組Cl-含量低于0.2%，上石盒子組Cl-含量低于0.1%，這種變化趨勢十分明顯，指示環境水體含鹽量降低(圖3b)。

圖3 尉參1井上古生界地球化學標志隨地層變化特征

1.2.3 碳酸鹽含量

碳酸鹽含量的變化也可以體現相應的氣候和環境變化特征。尉參1井上古生界泥巖中碳酸鹽含量也隨地層變新顯著降低:太原組、山西組的灰黃色、深灰色灰巖發育層段，碳酸鹽含量可達到90%以上；向上進入下石盒子組和上石盒子組后，碳酸鹽含量迅速減少至10%以下。除反映水體鹽度下降外，也與氣候逐漸向干冷氣候轉變，水體蒸發速度減弱，導致碳酸鹽沉淀減少有關(圖3c)。

2 頁巖氣地質特征

2.1 泥頁巖展布特征

南華北盆地上古生界沉積于海陸交互相沉積環境，巖性組合復雜，縱向上巖性變化頻繁，砂泥巖互層頻繁，兼發育有石灰巖類和煤巖類(圖1c)。太康隆起地區上古生界平面展布范圍大，厚度穩定，厚度多為400～800 m，烴源巖可細分為暗色泥巖和煤層，暗色泥巖厚度為 200～500 m，煤層厚度為10～40 m[20]。太原組和山西組橫向展布穩定，地層厚度分別為70～90 m和50～95 m[21-22]。富有機質泥頁巖受沉積相帶控制，在太康隆起西部呈北西向展布，山西組在洛陽—鄭州—開封—太康一帶厚度普遍大于30 m，局部大于60 m，主要分布于泥炭沼澤相帶，整體往西北方向增厚(圖4a)[21-22]。太原組富有機質泥頁巖在鄭州—開封一帶厚度大于60 m(圖4b)[21-22]。

2.2 地球化學特征

太康隆起上古生界富有機質泥頁巖具有較高的有機碳含量和熱演化程度。尉參1井山西組和太原組取心樣品測試結果顯示，太原組共測試31塊泥頁巖樣品，TOC為0.09%～5.93%，平均為1.39%，；山西組測試31塊泥頁巖樣品，TOC為0.09%～3.25%，平均為1.01%。鏡質體反射率測試結果表明，樣品有機質成熟度較高，太原組Ro為2.62%～3.02%，平均為2.92%；山西組Ro為2.97%～3.05%，平均為3.02%。降解率和氫指數分析表明，太原組和山西組泥頁巖有機質類型均為Ⅲ型，為陸源高等植物成因，降解率為分別為0.16%～1.92%和0.28%～2.02%，氫指數分別為1.92～21.15 mg/g和3.42～22.22 mg/g。

圖4 太康隆起上古生界富有機質泥頁巖厚度等值線

2.3 物性特征

氬離子拋光掃描電鏡觀察結果表明，上古生界太原組和山西組泥頁巖儲層的儲集空間以納米孔隙為主，主要為無機孔隙，粒間孔、粒內孔均有發育，但以粒間殘余孔隙為主；有機質孔隙發育有限，主要控制納米級裂縫的發育。鏡下可見納米級裂縫發育，可作為較好的非常規油氣儲集層。

儲層物性分析結果表明，太康隆起太原組和山西組泥頁巖儲層物性整體為高孔隙度和低滲透率的特征。頁巖儲層孔隙度為1.42%～5.42%，平均為4.05%；滲透率為0.027～0.983 mD，平均為0.598 mD。砂巖儲層屬特低孔、低滲致密儲層，裂縫發育，多數未填充；孔隙度為4.03%～4.84%，滲透率為0.100～0.516 mD。測井解釋儲層整體孔隙度為6.80%～13.90%，平均為10.90%；滲透率為0.160～0.650 mD，平均為0.580 mD。

2.4 巖石礦物學特征

尉參1井取心段泥頁巖樣品的X射線衍射分析結果表明，南華北盆地太原組和山西組泥頁巖礦物學特征相近，整體具有黏土礦物含量相對較低，脆性礦物含量高，并以低碳酸鹽含量區別于北美Barnett等海相頁巖(圖5)[23]。其中，太原組石英含量為46.0%～60.0%，平均為53.8%；黏土礦物含量為32.0%～49.0%，平均為39.6%；碳酸鹽礦物含量為0.0～9.0%，平均為2.3%。山西組石英含量為32.0%～68.0%，平均為51.4%；黏土礦物含量為22.0%～58.0%，平均為41.3%；碳酸鹽礦物含量為0.0～12.0%，平均為2.1%。石英、長石、碳酸鹽礦物等脆性礦物的高含量，對頁巖孔隙裂縫的發育和后續儲層改造有積極影響。

圖5 海陸交互相泥頁巖礦物組成

2.5 含氣性特征

尉參1井上古生界泥頁巖樣品現場含氣量測試28個，其中太原組測試樣品18個，解吸氣含量為0.185～11.977 m3/t(泥巖解吸氣量最大值4.506 m3/t)，平均為2.218 m3/t，解吸氣含量高值出現在煤層附近；山西組測試樣品10個，解吸氣含量為0.292～2.858 m3/t，平均為0.662 m3/t；炭質泥巖的解吸氣含量總體較粉砂質泥巖解吸氣含量高，顯示太原組和山西組均具有較好的含氣性的同時，太原組泥頁巖含氣性能優于山西組。太康隆起西部新部署的牟頁1井和鄭東頁2井太原組和山西組儲層改造均試氣成功，獲得氣流，揭示了上古生界泥頁巖良好的含氣性。

3 討 論

3.1 有機質含量和成熟度對尉參1井揭示的海陸交互相泥頁巖含氣性能影響

尉參1井揭示，南華北盆地上古生界太原組和山西組泥頁巖TOC為0.09%～5.93%，有機質成熟度處于高成熟—過成熟階段(Ro為2.62%～3.05%)。Ro與解析氣含量整體無明顯相關性；TOC>2.00%時，Ro與解析氣含量表現出一定的正相關性，TOC<2.00%時則無明顯相關性；太原組含氣量明顯高于山西組(圖6)。由于有機質豐度與水體鹽度正相關[24]，南華北盆地上古生界太原組和山西組沉積環境由海相向陸相轉變，水體含鹽量逐漸降低，沉積環境砂質含量逐漸增加，TOC含量逐漸降低[25]，低鹽度的沉積環境可能是造成泥頁巖中TOC含量降低，并與含氣量相關性不明顯的主要原因。

圖6 有機質與含氣量關系

3.2 上覆三疊系殘余厚度是影響太康隆起上古生界頁巖氣成藏的重要因素

太康隆起西部地區是三疊系殘余厚度最大的地區，三疊系厚度為1 000.00～2 500.00 m，其對下伏古生界造成的圍壓大，從而阻止天然氣向外逸散的能力優于太康隆起的其他地區。另外，由于研究區上古生界的主要蓋層巖類(下石盒子組—本溪組)在三疊紀沉積末期處于最大埋深階段，侏羅紀—早第三紀經歷了強烈剝蝕和一定的斷裂活動，因此，現殘余厚度較小部位處及深埋藏期形成的層間縫、微裂縫及后期的構造縫可能大都處于開啟狀態，其保存條件較差。

太康隆起已鉆探井揭示層位油氣顯示關系分析表明，隆起東部的太4井上古生界石盒子組及其以上層位地層被剝蝕，全井未見油氣顯示；華5井保存有石千峰組，于二疊系見到熒光砂巖；向西至南3井僅保存74 m下三疊統，在下古生界見到高于背景值10～100倍的氣測異常。隆起西部尉參1井揭示三疊系殘余厚度為504.42 m，上古生界發現氣測顯示69層，最大全烴值為24.118 3%，壓裂試氣點火可燃；牟頁1井揭示三疊系殘余厚度為363.00 m，太原組和山西組壓裂合采獲穩定天然氣流為1 256 m3/d；鄭東頁2井揭示三疊系殘余厚度為445.00 m，氣產量可達3 614 m3/d。可以認為三疊系殘余厚度是影響上古生界頁巖氣成藏的重要因素，太康隆起西部保存條件較好。

4 結 論

(1) 南華北盆地上古生界整體為海退背景下形成的海陸交互相—陸相含煤碎屑巖沉積，太原組和山西組海陸交互相泥頁巖發育厚度大，具有高TOC、高孔隙度、高含氣量的特征。

(2) 上古生界太原組和山西組泥頁巖儲層的儲集空間以納米級孔隙和裂縫為主，有機質孔隙受有機質類型和沉積環境的影響相對不發育。

(3) 上覆三疊系殘余厚度是影響南華北盆地上古生界頁巖氣成藏的重要因素，太康隆起西部三疊系厚度向西逐漸增大，泥頁巖發育且連續厚度大，埋深適中，是研究區下一步海陸交互相頁巖氣勘探的有利區帶。