沁水盆地石炭—二叠纪海陆过渡相含煤岩系页岩气地质条件及勘探潜力

2021-11-02邵龙义杨致宇顾娇杨张文龙

中国煤炭地质 2021年10期

邵龙义，杨致宇,2，房超，王帅，顾娇杨，张文龙,4，鲁静

(1.中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院，北京 100083；2.重庆地质矿产研究院，重庆 401120；3.中联煤层气有限责任公司，北京 100015；4.青海煤炭地质局，西宁 810007)

0 引言

页岩气是目前能源矿产研究的热点[1-4]。我国南方早古生代海相页岩气勘探已经取得了重要突破[2,5-9]，已在四川盆地及其周缘建成了涪陵、长宁、威远和昭通4个国家级海相页岩气开发示范区，2018年页岩气产量达到108×108m3[10]。随着研究程度不断深入，陆相和海陆过渡相盆地页岩气因其累计厚度较大、有机质类型多样、储集空间丰富、保存条件好、资源丰度高、地表条件好等特征，逐渐受到人们关注[11-17]。然而，海陆过渡相盆地沉积具有多物源、相变快等特点，有效页岩的赋存层位及分布是制约其页岩气勘探的主要因素，因此从岩石学、沉积学、有机地球化学和构造动力学等角度，理清页岩发育的层位和分布、岩相类型及有机地化特征成为海陆过渡相盆地页岩气勘探的重要工作[5,13,18-21]。

虽然海陆过渡相页岩的单层厚度不如海相地层厚，但累计厚度较为可观，所以海陆过渡相含煤岩系也是我国页岩气勘探的重点领域之一。国土资源部页岩气资源评价(2011)、中国工程院重大咨询项目“我国非常规天然气开发利用战略研究项目”(2012)等均将我国含煤岩系的页岩气资源作为一种页岩气资源类型，然而海陆过渡相的页岩气勘探、评价及开发仍处于探索、起步阶段，整体研究程度较低。与海相页岩相比，中国海陆过渡相页岩成藏条件和潜力相对较差，纵向上常与砂岩和煤层互层分布，横向上厚度变化较大，有机质孔发育程度较低，这些因素限制了海陆过渡相页岩气的成藏和勘探开发[10]，这可能是目前海陆过渡相页岩气没有取得重大突破的原因。近期在鄂尔多斯盆地大宁-吉县区块部分探井发现了工业气流，四川盆地川东地区东页深1井龙潭组页岩测试总含气量最大可达8.78m3/t，显示出海陆过渡相含煤岩系页岩气良好的勘探开发潜力[10,22]。在海相页岩气取得成功的同时，海陆过渡相含煤岩系页岩层段页岩气的勘探开发还需要进一步加强地质综合评价技术的研究。

沁水盆地石炭-二叠纪含煤岩系是典型的海陆过渡相含煤岩系[23]，发育多个富有机质页岩层段，前期初步研究揭示出沁水盆地海陆过渡相页岩气具有较好的勘探前景[24-27]。

基于沁水盆地33口煤层气钻孔或煤炭孔及3口页岩气参数井资料，本文对太原组和山西组的地质条件、地化特征、储层物性等多方面进行了综合评价研究，对沁水盆地海陆过渡相含煤岩系页岩气地质特征及勘探前景进行了分析。

1 地质背景

沁水盆地位于山西省东南部，总体呈北北东向延伸，盆地东西宽约120km，南北长约330km，总面积约为3×104km2，包括寿阳、阳泉、和顺—左权、屯留—长子、高平—樊庄、晋城、沁北—霍东、沁源等矿区及勘探区(图1)。沁水盆地是华北克拉通的组成部分之一，是在后期构造变形基础上形成的含煤岩系沉积盆地[28]。在早古生代，沁水盆地寒武纪-奥陶纪为海相地层沉积。中奥陶世，由于华北地台大部分隆升成陆，沁水盆地整体上缺失了从中奥陶世到石炭世之间的沉积地层。在晚古生代，从晚石炭世-早二叠世，沁水盆地形成了海陆过渡相含煤岩系沉积，以砂、页岩及煤层互层为特征，自下而上包括本溪组、太原组、山西组、下石盒子组、上石盒子组及石千峰组，其中太原组、山西组为主要含煤岩系，因此形成了煤层、页岩等多套烃源岩。本溪组和太原组沉积环境以碳酸盐台地-障壁岛-潟湖为主，山西组和下石盒子组沉积环境以三角洲平原为主(图2)[29-30]。从中生代开始，华北地台构造演化发生分异，华北克拉通盆地发育阶段结束，沁水盆地开始了独立的构造演化阶段。在三叠纪，沁水盆地整体处于构造稳定发展演化阶段，沉积了一套砂岩、粉砂岩及页岩等砂页岩互层地层，地层厚度较大，在800～2 000m。三叠系发育的页岩层段为石炭-二叠系含煤岩系潜在的页岩气层段形成了良好的盖层。侏罗纪以后，沁水盆地经历了抬升、剥蚀、岩浆岩侵入及构造活动等多种因素的影响，最终形成了一系列雁行状的复背斜、复向斜构造及较强的逆冲推覆作用(图1)。总的来说，沁水盆地的构造变形条件较弱，对页岩气的保存条件相对有利。

图1 沁水盆地构造纲要图[31]Figure 1 Structural outline map of Qinshui Basin (after reference [31])

图2 沁水盆地寿阳地区石炭-二叠系沉积相与层序地层柱状图Figure 2 Permo-Carboniferous sedimentary facies and sequence stratigraphic column in Shouyang area,Qinshui Basin

2 页岩的空间展布特征

沁水盆地页岩气目的层段太原组、山西组岩性主要为砂岩、页岩及煤层互层，很少发育像上扬子区筇竹寺组、龙马溪组那样纵向上厚度较大且横向上分布比较连续的暗色页岩层段。沁水盆地太原组和山西组中共划分出4段纵向上厚度较大且横向上分布较广泛的页岩层段，依据赋存的层位及段数，从上到下依次命名为山1段、山2段、太1段及太2段(图2，图3)。山1段为山西组3#煤层顶部页岩段，为从山西组顶开始向下延续到到非页岩层段总厚大于3m处为止，页岩厚度在5～30m，在寿阳西侧一带相对比较稳定、连续，从平面上来看，总体呈现出沁水盆地中间和东侧页岩厚度较大的趋势。山2段为山西组3#煤层底页岩层段，为从山西组3#煤层底板开始向下延续到非页岩层段总厚大于3m处为止，山2段页岩厚度比较连续但不稳定，页岩厚度为2～25m，平均厚度为10m。太1段为太原组15#煤层顶部页岩层段，其开始于太原组第一层灰岩上部最厚页岩处，到15#煤上部且非页岩层段厚度大于3m处为止，太1段页岩段厚度连续且较稳定，厚度在6～52m。太2段为太原组15#煤层底部页岩段，其开始于15#煤层底板下，止于非页岩层段厚度大于3m处，在全盆地范围内分布较连续但不稳定，页岩厚度为2～29m，厚度最大值出现在盆地北部寿阳地区。

图3 沁水盆地石炭-二叠系南北向页岩展布Figure 3 Permo-Carboniferous shale NS extending in Qinshui Basin

由于沁水盆地太原组、山西组页岩的空间展布情况明显受古地理和古构造的控制，尤其是古地理，决定了沁水盆地整体上一般都是砂岩、页岩互层格局，并夹有薄厚不均的煤层，很难形成厚度上大且横向上连续的页岩层段。总体来看，通过对沁水盆地的太原组、山西组页岩层段的划分对比可知(图3)，虽然沁水盆地页岩层段单层厚度较小，但整体厚度较大，页岩层段发育较为可观。

3 研究区页岩岩石类型

页岩气是一种以游离和吸附态为主体形式，赋存于富有机质暗色页岩中的非常规清洁能源。同时页岩气亦可以赋存于粒度较细的砂质页岩、粉砂岩及炭质页岩等高炭含量岩性中[32]。沁水盆地含煤岩系为海陆过渡相沉积，页岩岩相类型丰富。本文通过对钻孔岩心、野外露头的详细观察，根据页岩的颜色、结构及沉积构造特征，共识别出4种页岩类型，分别为灰黑色页岩、灰色页岩、炭质页岩及灰黑色粉砂岩(图4)。

1)灰黑色页岩。灰黑色，发育块状构造及水平层理，局部地区页理较发育，含有植物根、叶化石，岩石较致密，不污手，薄层-中厚层状。主要形成于三角洲平原、三角洲前缘及澙湖环境。

2)灰色页岩。灰色，发育水平层理及块状构造，岩石较致密，含有一定量的砂质成分，部分含有菱铁矿结核，分布广泛，可形成于各种环境之中。

(a)3#煤层底页岩，山西组，SX306钻孔；(b)15#煤层顶页岩，太原组，SX306钻孔；(c)3#煤层底页岩，山西组，SY-Y-01钻孔；(d)15#煤层顶页岩，太原组，SY-Y-01钻孔图4 沁水盆地石炭—二叠纪含煤岩系页岩特征 Figure 4 Permo-Carboniferous coal measures shale features

3)炭质页岩。黑色，块状-碎块状，污手，泥质结构，富含植物化石，一般发育在煤层的底板处，厚度一般为薄层。主要形成于三角洲平原及澙湖、潮坪的泥炭沼泽环境之中。

4)灰黑色粉砂岩。灰黑色，粉砂质结构，一般含有一定量的植物叶片化石，通常呈现为薄层状，发育有水平层理、波状层理及生物扰动构造，主要形成于三角洲平原、潮坪环境中。

4 页岩有机地球化学特征

在页岩气的资源潜力评价体系中，有机地球化学特征方面的各项参数是评价体系中重要的一部分。根据美国主要页岩气盆地的勘探理论和评价方法，本文主要选取的有机地化参数包括总有机碳含量(TOC)、有机质成熟度(Ro)及干酪根类型等，通过对这些参数的综合评价，来全面了解页岩层段的生烃潜力。

4.1 总有机碳含量

TOC含量越高，表明其往往具有较强的生烃能力；同时由于有机质组分对甲烷等烃类气体具有较强的吸附作用，TOC含量一般和吸附含气量呈正相关性，所以高的TOC含量一般就意味着高的生气量和吸附含气量。

太2页岩段TOC含量为0.03%～3.44%，平均含量为1.07%，其中TOC含量大于0.5%的比例约为83.33%，TOC含量在1.5%以上的约占25%；太1页岩段共进行258项次，TOC含量为0.04%～24.7%，平均含量为3.2%，其中TOC含量大于0.5%的比例约占94.2%，TOC含量在1.5%以上的约占64.3%；山2页岩段TOC含量为0.02%～18.42%，平均含量为3.08%，其中TOC含量大于0.5%的比例约占92.4%，TOC含量在1.5%以上的约占66.67%；山1段TOC含量为0.045%～24.12%，平均含量约为2.95%，其中TOC含量大于0.5%的比例约占83.5%，TOC含量在1.5%以上的比例约占50.5%(图5)。

图5 沁水盆地含煤岩系各页岩段TOC含量分布Figure 5 Coal measures shale segments TOC contents distribution in Qinshui Basin

通过对划分出的4个页岩层段的TOC分布范围、平均含量及所占比例的比较，整体认为，4个主力页岩层段的TOC含量较高，平均含量均在1.0%以上，且除了太2页岩段外，其它3个页岩层段TOC含量在1.5%以上的均超过了50%。同时，太1和山2页岩段的TOC含量明显高于太2和山1页岩段。

因此，沁水盆地含煤岩系目的层段页岩整体上为有效烃源岩，且含量大于1.5%以上的测试样品比例约占60%左右，整体TOC含量较高，具有较高的生烃能力。但与美国海相页岩高TOC含量(一般大于4%)[33]相比，沁水盆地页岩TOC含量相对较低。

4.2 有机质成熟度

有机质成熟度是评价页岩生烃潜力的又一个重要地化参数，当TOC含量达到较高的生烃指标时，还要达到合适的有机质生气窗时，才最有利于烃类气体等的生成，过高或过低的有机质成熟度均不利于烃类气体等的生成。成熟度可以通过镜质组反射率Ro或是干酪根最大裂解温度Tmax等参数来反映。本文中选择了用镜质组反射率Ro来评价页岩中有机质的成熟度。

太2页岩段有机质成熟度为1.89%～2.96%，平均约2.55%，整体处于成熟—高成熟阶段；太1页岩段有机质成熟度为0.61%～3.69%，平均约2.20%，从未成熟—成熟—高成熟均有分布，整体处于成熟—高成熟阶段；山2页岩段有机质成熟度为1.22%～3.62%，平均约2.37%，整体处于成熟—高成熟阶段；山1页岩段有机质成熟度为1.2%～3.12%，平均约2.29%，整体处于成熟—高成熟阶段(图6)。4个页岩段的有机质成熟度较为接近，整体均处于成熟-高成熟阶段。沁水盆地含煤岩系页岩层段有机质成熟度整体处于生气窗范围内，有利于页岩气的生成。同时，中部及南部评价区的有机质成熟度明显高于北部评价区。与美国海相页岩有机质成熟度(1.1%～2.0%)[33]相比，沁水盆地页岩有机质成熟度更高，生气潜力与美国海相页岩存在明显差距。

图6 沁水盆地含煤岩系各页岩段成熟度分布Figure 6 Coal measures shale segments maturity distributions in Qinshui Basin

4.3 有机质类型

有机质类型不同，其性质也不同，生烃潜力、产烃类型及生气窗都具有一定的差异性。因此对有机质类型的评价就成为评价页岩层段的重要内容之一，是评价有机质生烃能力的重要参数之一。

本文主要根据岩石热解参数测出的热解烃(S2)和其对应的TOC含量之比(相当于氢指数IH)，来最终确定沁水盆地页岩的有机质类型，通过129个测试结果显示分析，其中128个样品氢指数值小于120mg/g，仅有1个样品氢指数值为120～250mg/g，所以沁水盆地含煤岩系页岩层段中有机质类型大部分以III型为主。III型干酪根来源于陆上高等植物，不利于生油，同时其生气量也远远小于I型和II型干酪根。而美国海相页岩有机质以I型和II1型为主[33]，具有较高的生气能力。

5 页岩气储层物性特征

5.1 页岩层段岩矿特征

页岩气的页岩储集层段一般具有低孔、超低渗特性，不利于后期的工业性直接开采，须对页岩气储层进行水力压裂改造，所以页岩层段的脆性矿物含量评价同样是页岩气勘探评价中的又一重要参数，脆性矿物含量越高，越有利于后期的储层改造，而形成裂缝，从而形成良好的气体渗流通道。脆性矿物包括石英、长石、方解石和白云石。

太2页岩段脆性矿物含量为32%～60%，平均46%。太1页岩段脆性矿物含量为17%～89%，平均39.9%，且脆性矿物含量在30%以上的样品占81.0%。山2页岩段脆性矿物含量为21%～52%，平均34.3%，且脆性矿物含量在30%以上的样品约占75.6%。山1页岩段脆性矿物含量为21%～52%，平均40.78%，且脆性矿物含量在30%以上的样品约占94.4%。

通过对4个页岩层段脆性矿物含量分布范围及平均值的比较可知，4个页岩段的脆性矿物含量整体较高，平均含量均在30%以上，且脆性矿物含量在30%以上的样品比例较高；同时认为山1页岩脆性矿物含量最高，太1及太2页岩段次之，山2页岩段脆性矿物在4个页岩段中最低，但平均脆性矿物含量仍在30%以上(图7)。上扬子区页岩层段脆性矿物含量一般在22.5%～84.7%，平均脆性矿物含量在38.94%[32,34]，与之相比，沁水盆地含煤岩系页岩层段的脆性矿物含量偏高。

图7 沁水盆地含煤岩系页岩层段矿物含量对比Figure 7 Coal measures shale segment mineral contents comparison in Qinshui Basin

5.2 微孔隙和微裂缝特征

页岩气主要以游离态和吸附态两种主要方式存在，二者比例接近1:1，其中游离态的页岩气主要赋存在页岩的微孔隙和微裂缝的空间中，而且其亦能为页岩气提供运移通道，根据美国主要页岩气盆地勘探理论和经验，微孔隙和微裂缝一定程度上影响着页岩气产量的高低[35]，所以对微孔隙及微裂缝发育情况的评价，是页岩气勘探评价参数中不可缺少的一方面。

沁水盆地含煤岩系页岩层段同样发育有多种微孔隙及微裂缝类型，通过对目的层段页岩样品进行扫描电镜观察，发现了目的层段页岩发育有粒内孔隙、构造缝、层间孔隙及溶蚀孔等多种类型(图8)。

5.3 孔隙度及渗透率情况

页岩既是页岩气的烃源岩，也是其储集层，具有超低孔超低渗的特性，因此页岩气最初开发时自然产能较低，需要对储层进行后期的增产改造。

由于沁水盆地有关孔隙度及渗透率的测试项次较少，所以此次本文目的层段孔渗性的评价没有按前文已划分好的4个主力页岩层段为基础，而是以太原组和山西组为评价单元。通过测试分析可知，沁水盆地太原组页岩孔隙度范围在0.35%～8.53%，平均值可达4.16%(图9)；山西组页岩孔隙度在0.65%～6.7%，平均值约为2.40%(图10)。两组页岩渗透率分布在0.000 21～0.089 5mD，且约70.37%的页岩样品的渗透率小于0.01mD(图9，图10)。与美国、上扬子区的重庆等成功进行页岩气勘探评价的盆地相比[32,34-36]，沁水盆地页岩层段的孔渗性属于页岩气层段典型的低孔低渗特性，需要后期的增产改造，提高其孔渗性。

A：粘土矿物层间缝；B：粘土矿物粒间孔；C：溶蚀孔；D：粒间孔及层间缝；E：粒间缝及方解石充填；F：应力缝；G：粒内孔；H：有机缝及有机孔；I：层间缝图8 沁水盆地含煤岩系页岩微孔隙/裂缝Figure 8 Coal measures shale micropore/fissure in Qinshui Basin

图9 沁水盆地太原组页岩孔渗性分布Figure 9 Taiyuan Formation shale pore permeability distributions in Qinshui Basin

图10 沁水盆地山西组页岩孔渗性分布Figure 10 Shanxi Formation shale pore permeability distributions in Qinshui Basin

6 目的层段含气性特征

页岩的含气性特征是衡量页岩气是否能达到工业性气流的一个重要参数，目前条件下主要通过现场解析方法获得页岩的总含气量，或者通过吸附模拟实验获得页岩的吸附含气量，一般情况下，吸附含气量平均约占总含气量的50%左右[37]。

本文通过对目的层段4个主力页岩层段样品进行现场解析和等温吸附实验分析可知，沁水盆地太2页岩层段共进行相关测试14项次，含气量为0.64～2.53 m3/t，平均1.26m3/t，且含气量在1.0m3/t以上页岩样品约占57.14%；太1页岩层段共进行相关测试20项次，含气量为0.61～2.5m3/t，平均含气量约为1.2m3/t，且含气量在1.0m3/t以上的页岩样品约占60%；山2页岩层段进行相关测试17项次，含气量为0.52-6.43m3/t，平均1.87m3/t，且含气量在1.0 m3/t以上页岩样品约占76.5%；山1页岩层段共进行相关测试13项次，含气量为0.52～4.47m3/t，平均2.5m3/t，且含气量在1.0m3/t以上的样品约占92.3%(图11，图12)。与美国海相页岩含气量(1.7～9.9m3/t)[33]相比，沁水盆地含煤岩系页岩含气量相对较低。在目前的勘探开发条件下，当页岩的总含气量1.0m3/t时，为商业开发含气量的下限[5]。因此，沁水盆地含煤岩系4个主力页岩层段的页岩气勘探前景值得期待，且山2和山1页岩层段的含气量要明显高于太2和太1页岩层段的。

图11 沁水盆地太原组含气量分布Figure 11 Taiyuan Formation gas content distributions in Qinshui Basin

图12 沁水盆地山西组含气量统计Figure 12 Statistics of Shanxi Formation gas contents in Qinshui Basin

7 勘探潜力

本文通过对沁水盆地含煤岩系4个主力页岩层段样品的地化测试结果、储层评价及含气性特征等多方面的综合评价分析，并与美国海相页岩各项参数进行对比(表1)，认为虽然沁水盆地页岩层段的干酪根类型主要为III型，不利于生烃，且生气量明显低于I型和II型干酪根，但其TOC含量中等，有机质成熟度高，脆性矿物含量较高，且处于一定的生气窗范围内，同时现场解吸的总含气量及等温吸附含量值大部分都高于页岩气工业开采的下限值。所以，沁水盆地海陆过渡相含煤岩系页岩气具有一定的勘探前景，其中山西组页岩气勘探潜力较好。同时沁水盆地含煤岩系受后期构造变形程度影响较小，且地形多以丘陵、低山为主，为沁水盆地含煤岩系页岩气的保存及后期的增产改造及开发创造了较为有利的条件。

表1 沁水盆地与美国主要海相页岩气盆地页岩各项参数对比[22,38]Table 1 Shale parameters comparison between Qinshui Basin and US main marine facies shale gas basins (after reference [22] and [38])