海陸過渡相煤系頁巖氣成藏條件及儲層特征
——以通許地區石炭–二疊系為例

蘭 俊

（中國石化華北油氣分公司勘探開發研究院，河南鄭州 450006）

頁巖氣是指主體以吸附、游離等方式存在于暗色泥頁巖及其間所夾砂質、粉砂質泥巖地層中的一種非常規天然氣資源[1–4]。我國富含有機質泥頁巖分布廣泛，具備頁巖氣成藏條件，頁巖氣資源潛力巨大[5–6]。南華北盆地自20世紀50年代開展油氣勘探以來，積累了大量研究成果。前人研究證實南華北盆地石炭–二疊系發育一套海陸交互相沉積，暗色泥頁巖分布廣泛，沉積厚度大[7–9]。勘探也證實，通許地區上古生界海陸過渡相泥頁巖累計厚度大且有機質豐度較高，具有較好的頁巖氣成藏潛力。目前國內頁巖氣勘探開發和研究多圍繞南方海相地層開展，并初步形成了“深水陸棚相帶是基礎，良好保存條件是關鍵”的海相泥頁巖氣富集模式。與此對比，國內對海陸過渡相泥頁巖氣的研究相對較少[10]。

通許地區海陸過渡相煤系頁巖分布廣泛，具有可觀的天然氣資源潛力[11]。河南豫礦地質勘查投資有限公司于2014年在南華北地區實施的牟頁1井與鄭東頁2井，明確了頁巖氣主要目的層組為石炭–二疊系太原組、山西組，其中牟頁1井在泥頁巖層段獲得最高4.44 m3/t的總含氣量，經壓裂排采獲得日產1 300 m3的穩產氣流；鄭東頁2井測試日產氣超過3 000 m3，累計產氣量8×104m3。顯示該區具有較好的頁巖氣成藏潛力[12]。

1 煤系頁巖分布特征

通許地區主體位于通許隆起，自西向東可劃分為尉氏斷階、莊頭斜坡、尉北凸起、杞縣凹陷，以古生界天然氣勘探為主。通許地區古生界構造復雜，構造單元邊界以斷裂和地層殘存邊界為界。區內斷裂發育，主要發育北西和北東向兩組斷裂。石炭–二疊紀，南華北盆地處于持續抬升狀態，華北地臺主體向南傾斜，海水逐漸由東南退出。通許地區石炭紀太原期遭遇陸表海侵，區內以潮坪、瀉湖和泥炭沼澤相沉積為主；山西期，海水逐漸退出，區內發育一套以含煤泥頁巖夾薄層碎屑巖沉積為主的三角洲沉積體系；至晚二疊世石盒子期及石千峰期，海水完全退出，通許地區進入以陸相三角洲、湖相沉積為主的陸相沉積階段。

根據郭少斌[10]等研究，南華北盆地太原組、山西組和下石盒子組泥頁巖干酪根類型一般以Ⅱ–Ⅲ型為主，泥頁巖累計厚度集中于20～57 m。鉆井揭示通許地區山西組、太原組泥頁巖都呈北西向條帶狀分布，發育地區也具有一致性。其中，莊頭斜坡、杞縣凹陷厚度較大，山西組泥頁巖（TOC＞ 0.5%）厚度最大可達60 m以上（圖1a），太原組泥頁巖厚度最大可達40 m以上（圖1b）。通許4井鉆遇山西組地層厚度105 m，太原組地層厚度75 m，其中泥頁巖地層厚度分別為65 m和46 m，證實通許地區海陸相泥頁巖累計厚度較大，具有較好的資源潛力。

圖1 通許地區石炭–二疊系泥頁巖厚度等值線圖

2 煤系頁巖有機質特征

為探究通許地區海陸過渡相煤系頁巖有機質特征，選取處于構造單元穩定區、保存及儲存條件均較好的尉參1井、通許3井、通許4井等6口探井，對石炭–二疊系山西組、太原組共54塊泥頁巖樣品進行有機碳含量（TOC）、巖石熱解、顯微組分鑒定等分析化驗。其中有機碳含量依據GB/T 19145—2003[13]，采用總有機碳測定儀在室溫條件測定。其方法是用稀鹽酸去除樣品中的無機碳后，在高溫氧氣流中燃燒，使總有機碳轉化為二氧化碳，經測定儀監測并給出總有機碳的含量；顯微組分鑒定依據SY/T 5124—1995[14]，采用顯微光度計在室溫條件測定，顯微鏡放大200倍；巖石熱解依據GB/T 18602—2012[15]，采用巖石熱解儀在室溫條件測定。

由總有機碳測定儀測定結果可得，通許地區石炭–二疊系海陸過渡相煤系泥頁巖TOC為0.13%～9.84%，平均1.60%，屬于較優質的烴源巖；其中山西組泥頁巖TOC為0.08%～4.19%，平均1.12%，有機質豐度較高的烴源巖主要分布在牟頁1井–太參3井一線，位于通許地區中北部地區（圖2a）；太原組泥頁巖TOC為0.50%～9.84%，平均2.32%，有機質豐度較高的烴源巖也主要分布在牟頁1井–太參3井一線（圖2b）。

圖2 通許地區石炭–二疊系TOC等值線圖

由巖石熱解儀在室溫條件下測定所得的巖石熱解峰溫Tmax參數表明，山西組泥巖Ro為2.19%～3.32%，平均2.69%；太原組泥巖Ro為2.46%～3.38%，平均2.77%；根據熱演化程度（Ro）分析認為，通許地區山西組和太原組頁巖已達到過成熟階段，屬于煤型裂解氣。

通過對干酪根樣品進行顯微組分鑒定，太原組–山西組泥巖顯微組分分別以鏡質組和腐泥組為主，有機質類型屬于Ⅲ型干酪根。

采用巖石熱解儀在室溫條件測得的泥頁巖生烴潛力（S1+S2）為0.05～0.75mg/g，平均為0.21mg/g；氫指數為2～114 mg/g，平均為19 mg/g。

根據上述各項測試分析，以尉參1井為例建立頁巖有機地球化學剖面。由于海陸交互相泥頁巖地層巖相變化快，單層厚度薄，山西組和太原組泥頁巖有機質豐度、含氣量等各項參數縱向非均質性均較強。其中煤層TOC含量最高，隨著埋深增加，山西組底部和太原組泥頁巖TOC逐漸增大，與生烴潛力S1+S2及Ro成正比，表明通許地區太原組、山西組的殘余生烴潛力較好，由于太原組的有機質成熟度相對較高，太原組頁巖TOC含量較山西組更高（圖3）。

圖3 尉參1井石炭–二疊系有機地球化學剖面

有機質在熱演化過程中形成的有機孔隙，是頁巖游離氣的主要儲集空間[16]。大量研究表明[17–20]，脆性礦物主要與頁巖的造縫能力有關，可以形成微裂縫以及次生溶蝕孔，改善儲集條件。

通過X射線衍射分析頁巖的礦物組分，通許地區太原組和山西組頁巖脆性礦物（石英+方解石+長石+黃鐵礦+菱鐵礦）質量分數為47.1%～63.4%，其中石英質量分數最高，為29.9%～39.9%；黃鐵礦+菱鐵礦質量分數為3.4%～5.5%；長石質量分數較低，為1.2%～3.1%（圖4）。黏土礦物質量分數為31.6%～52.9%，白云石礦物質量分數為0.3%～6.0%。由此可知通許地區頁巖脆性礦物質量分數高，黏土礦物和白云石質量分數適中，相對有利于儲集空間的發育以及后期壓裂作業改造。

3 含氣性評價

頁巖氣評價方法中的一個重要參數是含氣性，即計算每噸頁巖中所含天然氣的體積。據李郭琴等研究[17]，以及頁巖氣儲量計算規范細則[18]，頁巖氣評價可分為直接法和間接法兩種，直接法是計算頁巖氣的損失氣量、解析氣量以及殘余氣量三者之和。具體方法是通過現場取心，模擬實際地層條件，對巖心進行解析實驗，從而獲取解析氣量和損失氣量，再將解析后的巖心放入密閉容器中再次解析，獲得殘余氣量，最終將三者相加獲得含氣量。間接法是利用等溫吸附實驗所獲取的最大吸附氣量進行含氣量推算。由于解析法測量的是釋放出來的總含氣量，不能確定吸附氣及游離氣所占比例，因而還要采用間接法測量吸附氣含量和游離氣含量；等溫吸附法用于測定頁巖的吸附氣含量，測井解釋方法確定游離氣含量，頁巖含氣量即為吸附氣含量和游離氣含量之和。

目前直接測試含氣量是國內頁巖氣含氣量測量的主要方法，又稱解析氣法。現場共取泥頁巖解析樣品71塊，其中山西組15塊、太原組56塊。從尉參1井、通許3井、通許4井等現場氣體解析測試結果可以看出：①山西組解析氣含量為0.292～2.858 m3/t，平均為0.662 m3/t，太原組解析氣含量為0.664～4.506 m3/t，平均為1.644 m3/t?？傮w分析表明，解析氣含量太原組相對優于山西組（圖5），太原組泥頁巖含氣量也高于美國泥頁巖含氣量開采底限（0.5～1.0 m3/t）[21–23]，說明通許地區頁巖氣有著良好的開發前景；②含氣量統計表明，位于莊頭斜坡帶的尉參1井和牟頁1井的太原組含氣量明顯高于處在尉北凸起的通許4井以及杞縣凹陷的通許3井，這可能與莊頭斜坡上古生界地層齊全，中生界殘留厚度較大，保存條件較好，并處在構造高點的空間配置特征有關。因此莊頭斜坡帶應為下步頁巖氣勘探的重點區帶。

圖5 通許地區石炭–二疊系含氣量統計直方圖

頁巖氣主要以吸附或游離狀態賦存在泥頁巖中，影響頁巖含氣性的因素很多，有機質類型、孔隙類型及礦物含量都會對含氣結構產生影響。TOC含量的高低很大程度上決定了頁巖的含氣量[16]，前人研究成果表明，TOC含量越高，生烴潛力越大[17]，含氣量越高。尉參1井山西組和太原組共14個巖心樣品含氣量測試結果表明，尉參1井泥頁巖含氣量與TOC呈明顯正相關，相關系數達0.907 1（圖6）。

圖6 尉參1井山西組和太原組TOC與泥頁巖含氣量關系

4 結論

（1）通許地區石炭–二疊系海陸過渡相煤系富有機質泥頁巖單層厚度不大，相對海相頁巖較薄，單層平均厚度山西組為50～65 m，太原組為35～45 m；常與煤層和致密砂巖甚至灰巖互層，在適宜地質條件下可以形成頁巖氣藏或與煤層氣、致密砂巖氣形成疊置型氣藏。

（2）通許地區石炭系煤系頁巖有機碳含量較高，山西組有機碳含量最大值為4.19%，最小值為0.08%，平均值為1.12%；太原組有機碳含量最大值為9.84%，最小值為0.50%，平均值為2.32%，鏡質體反射率實測為2.19%～3.38%，平均值為2.72%，烴源巖進入過成熟階段，處于主生氣窗范圍，利于干氣大量生成。

（3）通許地區煤系頁巖山西組含氣量為0.292～2.858 m3/t，平均值為0.662 m3/t；太原組含氣量為0.664～4.506 m3/t，平均值為1.644 m3/t，太原組解析氣含氣量較高，區內頁巖氣具有良好的開發前景，其中莊頭斜坡帶是下步頁巖氣勘探的重點區帶。