延安地區山西組陸相泥頁巖巖相類型及儲層特征＊

談 澤，王梓藝，尚松雨，王楚欣

（西安石油大學地球科學與工程學院，陜西 西安 710300）

中國頁巖氣資源豐富，勘探潛力巨大。已經成功突破頁巖氣勘探的區域主要包括渤海灣盆地、松遼盆地白堊系、鄂爾多斯盆地三疊系、準噶爾盆地二疊系和侏羅系、吐哈盆地和四川盆地三疊系-侏羅系、華北地區下古生界、塔里木盆地寒武系-奧陶系[1-7]。中國的鄂爾多斯地區在2012年被批準成為第一個國家陸相頁巖氣產業示范區，擁有著兩套主要的頁巖氣大陸目標層，一套是湖相的中生代延長組長7段深湖-半深湖相富有機質黑色頁巖氣系統[8-9]，它的頁巖含有大量的有機質，并且成功完成了水力壓裂；而另一套是上古生界的海陸過渡相頁巖地層，為本溪組、太原組和山西組[10]。位于陜西省延安地區的山西組頁巖厚度一般不應超過50 m，當地頁巖厚度最高可達100 m，山西組頁巖已逐漸發展成為含氣地層的重要組成部分。通過前人對鄂爾多斯盆地山西組泥頁巖氣的研究與科學技術的開發和勘探，了解到山西組泥頁巖氣的生態環境條件、儲量，說明鄂爾多斯盆地的山西組泥頁巖氣具有巨大的開發潛力、勘探前景[11]。能夠準確識別與劃分泥頁巖巖相類型是頁巖氣勘探開發潛力評估必不可少的條件。然而，以往對延安地區陸相頁巖巖相類型及特征的研究較少。因此，筆者們以延安地區山西組陸相頁巖為例進行了研究，在綜合分析泥頁巖礦物組成、掃描電鏡、總有機碳含量等數據的基礎上，結合不同頁巖的礦物組成和三元端分析方法，對研究區泥頁巖巖相類型進行了嚴密的識別和劃分，這對中國頁巖氣的勘探開發具有深遠的意義。

1 研究區概況

研究區位于鄂爾多斯盆地延安地區山西組。鄂爾多斯盆地是中國第二大沉積盆地，盆地內的頁巖分布廣，有機物含量高，熱演化程度適中，是為數不多的大陸頁巖氣勘探區域之一[12]。鄂爾多斯盆地構造區與研究區勘探位置圖如圖1所示。

圖1 鄂爾多斯盆地構造區與研究區勘探位置圖

在中生代以前，其地質發展與華北地臺同升降共沉浮。古生代時臺地長期處于海侵期。中奧陶世以來，鄂爾多斯地臺開始抬升，逐漸成為陸地。經過長期剝蝕，石炭系地臺下沉，海水侵蝕延安周邊邊緣地帶。晚古生代的造山運動——海西運動期間，山西地臺、六盤水地區和秦嶺地區出現了3個抬升隆起，在鄂爾多斯地臺地區形成了一個獨立的內陸盆地沉積單元。在這個臺地內部，存在大量大陸振蕩構造運動，地殼相對穩定。因為中生代的沉降，經過一段時間后，內陸盆地形成一套厚的陸相沉積物[13]。鄂爾多斯盆地作為中國最具代表性的陸相沉積盆地，在湖盆穩定沉降和擴張的不同時期沉積了多套較厚的湖相頁巖，如圖2所示，具有形成良好的頁巖氣綜合儲層的基礎地質環境條件和巨大的開發潛力。

圖2 延安地區山西組山1段沉積相圖

山西組泥頁巖儲集層以淺湖環境下的河流-三角洲相沉積為主[14]，泥頁巖累積厚度為40～85 m，巖性主要為深灰色-灰黑色泥頁巖、深灰色粉砂質泥巖（或夾細砂巖）、灰黑色碳質泥巖和灰色細粒砂巖夾泥質條帶[13]，如圖3所示。山西組沉積相帶呈北東向條帶狀分布，沉積微相對頁巖儲層的控制起著重要作用，頁巖儲層與分流河道之間的沼澤微相分布密切相關。

圖3 延安區山西組頁巖剖面圖

2 實驗方法和結果

本文研究采集的樣本來自陜西省延安地區最具代表性的陸相頁巖YY501和YY503，如圖4、圖5所示。其中YY501段巖心37塊，YY503段巖心55塊。對其進行鉆井巖心觀察與描述、薄片鑒定、全巖礦物X射線衍射分析、掃描電鏡及測井資料的綜合分析。其中巖石的物理性質是在ultrapore-00a氦孔kfsy/j95-036和ultra-permtm 00滲透率儀kfsy/j95-031上完成的，礦物晶體具有特定的X射線衍射圖案。

圖4 YY501單井剖面圖

圖5 YY503單井剖面圖

2.1 地球化學特征

根據山西組YY501和YY503號井在山1段取心結果，山西組泥頁巖以灰黑色、黑色為主，富含有機質，偶見植物化石和植物碎片，且含有較多的砂巖層，但隨深度變化無明顯特征。延安地區山西組頁巖厚度一般大于50 m，局部地區厚度可達100 m，山西組頁巖已成為重要的含氣層系[15]。山西組山1段泥頁巖有機碳質量分數為0.08%～2.78%，平均為0.598%，有機碳質量分數在縱向分布具有強非均質性；有機質演化程度相對較高，Ro值為2.53%～2.81%，平均為2.66%，最高峰溫值（Tmax）為316～573℃，平均為388.1℃，有機質熱演化程度處于過成熟階段。

山西組山1段泥頁巖干酪根顯微組分以鏡質組、惰質組、殼質組為主，不含腐泥組，其中殼質組分（均為腐殖無定形體）平均質量分數為37%，鏡質體平均質量分數為48%，惰質組平均質量分數為15%，根據有機質類型系數并結合巖石熱解參數分析，山西組山1段泥頁巖有機質類型均為Ⅲ型，有機質類型為腐殖型干酪根[16]。

2.2 礦物組成特征

山西組泥頁巖的地質礦物構成以石英和黏土類礦物最多，其中黏土類地質礦物質量分數最高，為25%～78%，平均分布率為61%；石英的平均質量分數大約為32%，長石的平均質量分數大約為2%，方解石的平均質量分數大約為3%，菱鐵礦的平均質量分數大約為5%，未見過黃鐵礦的分布。

3 頁巖巖相類型

3.1 頁巖巖相類型劃分

頁巖巖相的直接反應有以下3類，一是頁巖的顏色，二是礦物組成，三是有機碳含量[17]。此篇文章依據山西組的陸相頁巖基本的地質特征，并參照了前人陸相頁巖巖相劃分方案[16，18-20]，以礦物顏色和礦物組為參數進行了頁巖巖相劃分。由巖石學特征中礦物的組成可知，礦物可以按照不同的礦物組分分為3類，分別是硅質礦物（石英+長石）類、碳酸鹽礦物（方解石+白云石類）、黏土礦物類。所以采用以上3種礦物的分類方法來作為末端元法繪制三角圖，可以將頁巖巖相大致劃分為3種不同的類型，即一類是鈣質頁巖、一類是硅質頁巖，最后一類為黏土質頁巖。因為油氣生成的基礎皆為有機質，但陸相頁巖有機質豐度較低。參考相鄰巖層中TOC的變化，此次研究分別選取1.00%和2.00%作為分界，TOC質量分數小于1.00%為貧有機質，TOC質量分數大于等于1.00%且小于2.00%為含有機質，TOC質量分數大于等于2.00%為富有機質[21-23]。

3.2 頁巖巖相類型

巖相是指在一定沉積環境中形成的巖石類型及其組合[16，18，20]，根據以上述劃分方案，以YY503和YY501為研究對象，以鈣質頁巖、硅質頁巖和黏土質頁巖為主要類型劃分，分別進行討論，如圖6所示。

圖6 延安地區山西組陸相泥頁巖的礦物組分三角圖

3.2.1 鈣質頁巖

巖相巖性以灰黑色-黑色頁巖為主，多呈塊狀結構，顏色均勻，堅硬、脆性、致密。巖石易碎，含有植物碎屑和發育的頁理，如圖7所示。硅質礦物的質量分數平均為3.31%，黏土礦物的質量分數平均為3.21%，而碳酸鹽礦物的平均質量分數約為93.48%。鈣質頁巖TOC質量分數為0.051 6%～11.5%，平均為1.81%。鈣質頁巖碎屑孔較為發育，但整體儲集性較差，是頁巖氣開采中典型的非優勢巖相[24]。

圖7 延安地區山西組頁巖不同巖相巖芯照片

3.2.2 硅質頁巖

該巖相巖性主要以黑色頁巖為主，偶見含粉砂質夾層，巖石疏松且質純，偶見植物碎屑，分選中等，泥質膠結，可見褐鐵礦化和化石，致密。巖心的截面處見少量碳屑呈不均勻狀分布。本塊巖心不顯層理。硅質礦物質量分數為48.32%～52.01%，平均為50.17%，黏土礦物質量分數為45.22%～51.67%，平均為48.45%，碳酸鹽礦物質量分數為0～5.93%，平均為2.97%。硅質頁巖TOC質量分數為0.066 5%～7.21%，平均為1.47%。其孔隙根據壓汞毛管壓力測定得知其孔喉90%以上在0～0.1 μm之間；喉道直徑均值為0.05 μm；分選系數為0.06～0.1，說明其孔隙的分選程度較好，但不如黏土質頁巖；均質系數為0.45左右，說明其孔喉分布不如黏土質均勻；結構系數為0.02～0.03，孔隙度為0.4%～0.5%，如圖8、圖9所示。綜上可知，硅質頁巖的孔隙次于黏土質頁巖，但孔隙的結構等性質較好。

圖8 硅質頁巖孔隙度分布

圖9 山1段孔隙度分布

3.2.3 黏土質頁巖

該巖相巖性主要為碳質泥巖，顏色多為灰色到黑色，致密，斷面光滑，砂礫為細砂、粉砂，斷面含泥礫，可見微小的云母碎屑和碳化的植物碎屑，可見泥質膠結，可見植物化石，斷面可見微小云母碎片，含煤。巖心表面見數條砂質條帶，呈條紋狀或條帶狀分布。本段巖心具波狀層理。硅質礦物質量分數為2.01%～42.4%，平均為22.21%，黏土礦物質量分數為57.58%～98%，平均為77.79%，而碳酸鹽礦物質量分數為0～5.00%，平均為2.50%。黏土質頁巖TOC質量分數為0.11%～3.62%，平均為1.05%。孔隙根據壓汞毛管壓力測定得知其孔喉90%以上在0～0.1 μm；喉道直徑均值在0.05 μm左右；分選系數為0.06～0.16，90%以上分布在0.06和0.07，說明其孔隙的分選程度最好；均質系數為0.43～0.51，平均值為0.48，說明其分布稍有不規律，但總體是樣本中分布最均勻的；結構系數為0～0.09，孔隙度為0.4%～1.50%，平均為0.85%，如圖9、圖10所示。綜上可知，黏土質頁巖的孔隙結構較好，分選性較好，孔隙度最大。

圖10 黏土頁巖孔隙度分布

4 結論

通過對實測地的鉆井巖心觀察與描述、薄片鑒定、全巖礦物X射線衍射分析等資料的分析，按照礦物組分進行劃分。陜西省延安地區的山西組泥頁巖巖相可以分為以下3大類：鈣質頁巖、硅質頁巖、黏土質頁巖。對比分析與國內和國外的具有代表性的頁巖氣產區產出的頁巖礦物組成，延安地區泥頁巖具有黏土礦物含量高的特點。

延安地區山西組礦物含量的特征：延安地區山西組鈣質頁巖碳酸鹽礦物含量高，硅質礦物和黏土礦物含量少；混合質頁巖硅質礦物和黏土礦物含量較高，碳酸鹽礦物含量低；黏土質頁巖黏土礦物含量高，硅質礦物和碳酸鹽礦物含量低。該地區巖石TOC平均質量分數1%～2%，含較多含有機質頁巖，少量巖石TOC質量分數大于2%，因此該地區多為含有機質頁巖。

不同泥頁巖在不同的沉積物和地質背景下存在著差異，因此泥頁巖存放的品質也會有著很大的差異。由于各巖相孔隙的物性不同，其結構也存在著差異，巖相與黏土質頁巖氣儲層之間含氣性關系的表征：黏土質頁巖＞硅質頁巖＞鈣質頁巖。