莱阳盆地水南组含气性研究

彭文泉，张春池，高兵艳，李政，梁云汉，曾爱平

(1.山东省第一地质矿产勘查院，山东 济南 250014；2.山东省地质调查院，山东 济南 250014；3.中国石化胜利油田分公司勘探开发研究院，山东 东营 257015；4.山东省煤田地质局物探测量队，山东 济南 250104)

0 引言

我国成为继美国、加拿大之后第三个实现页岩气商业化开发的国家，在四川、重庆等地的页岩气勘探开发初具规模[1-2]。全国各地页岩气勘查项目纷纷展开，以实现当地页岩气勘查的突破。

莱阳盆地位于莱阳市境内，是山东省中生界白垩系泥页岩沉积最好的盆地，水南组以半深湖--深湖相沉积为主，泥页岩发育厚度为200～443m。以往研究以构造演化和原型盆地恢复[3-6]、探讨常规油气生储条件为主[7-8]，未对页岩气地质特征进行深入研究。该文通过对水南组泥页岩有机地化分析研究，指出其具备页岩气形成的物质基础和地质条件；进而利用等温吸附、泥页岩孔隙度、流体饱和度等试验数据，求取水南组泥页岩总含气量，探讨水南组泥页岩的游离气含量、吸附气含量和溶解气含量特征及变化规律，揭示莱阳盆地水南组页岩气的勘查潜力。

1 地质背景特征

1.1 地质特征

山东省中生界地层分布范围相对有限，中生界莱阳群发育以胶莱坳陷为代表，其中暗色泥页岩主要发育在莱阳群水南组内[9]，且在胶莱坳陷莱阳盆地发育最厚。

水南组岩性主要为粉砂岩和泥页岩组合，根据岩性发育特征可大致分为上中下3段：下段整体岩性为深灰色、浅灰色泥页岩，夹粉砂岩、细砂岩，局部为泥页岩与粉细砂岩不等厚互层。中段岩性整体为薄层的灰黑色、深灰色泥页岩，夹有少量的粉砂质页岩、粉砂岩。上段岩性为深灰色、灰黑色薄层页岩、粉砂质页岩，夹薄层粉砂岩、中--薄层细砂岩。

1.2 构造特征

莱阳盆地位于胶东隆起的中部，面积约850km2，为陆相沉积为主的中生代残留盆地。莱阳盆地形状不规则，为一南断北超的敞口箕状盆地，南侧边界为五龙村断裂，与大野头凸起相接，北侧超伏于胶北凸起之上，东西分别以桃村-东陡山断裂、莱西断裂为界，东临牟平-即墨断裂带(图1)。

1—构造界线；2—断裂；3—钻孔及名称图1 莱阳凹陷构造示意图

1.3 沉积特征

水南组具有明显的湖相沉积特征，岩石的颜色以浅灰、深灰、灰黑等还原条件下沉积的暗色色调为主；发育有平行微层理和微波状纹层理，产丰富的动、植物化石(图2)。水南组代表了盆地湖泊发育鼎盛时期的沉积产物。

图2 水南组泥页岩中植物化石照片

水南组沉积岩石的变化特征可以反映当时沉积环境的变化，水南组下段以深灰色、浅灰色为主，自底部向顶部砂岩夹层粒度逐渐由细砂岩变为粉砂岩、粉砂质泥页岩，且砂质含量逐渐减少，显示水体由浅逐渐变深，沉积环境由滨浅湖向半深湖转换。中段以灰黑色、深灰色为主，沉积粒度最细，反映水体较深的半深湖沉积环境。上段以深灰色、灰黑色为主，整体较中、下段砂岩含量大，局部泥页岩与粉砂岩砂岩互层，反映该时期沉积环境由半深湖向滨浅湖的转换。

2 有机地球化学特征

2.1 有机碳含量

地表暗色泥页岩采样有机碳含量水南村附近3个样平均0.85%，最高达1.45%，北泊子1个样品为1.32%。水南组钻孔样品有机碳含量相对高于地表数值，莱参1孔8件样品有机碳含量0.62%～1.32%，平均0.90%，莱孔2井灰色、深灰色泥页岩有机碳含量相对较高为0.82%～23.00%。说明暗色泥岩沉积有利地段有机碳含量相对较高，具备页岩气生成的物质基础。

2.2 镜质体反射率

地表暗色泥页岩采样镜质体反射率0.62%～0.92%，平均达0.77%；水南组钻孔样品镜质体反射率相对高于地表数值，莱参1孔12件样品镜质体反射率0.54%～1.34%，平均1.01%，莱浅2孔28件样品镜质体反射率1.05%～2.14%，平均1.42%，相对较高，说明水南组已进入生烃阶段，部分地段可能已进入大量生气阶段。

2.3 干酪根类型

莱阳盆地水南组有机质干酪根类型多样，Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ型均有发育。7件地表样品中Ⅰ型3件、Ⅱ型2件、Ⅲ型2件。钻孔样品中莱孔2中3件全为Ⅰ型干酪根；莱浅1孔样品中Ⅱ型干酪根占47%，Ⅰ，Ⅲ型干酪根所占比例一致；莱浅2孔样品中Ⅱ型干酪根占48%，其次是Ⅰ型干酪根占31%。从有机质类型来看，水南组有机质类型以Ⅱ，Ⅰ型为主，具有较强的生烃能力。

3 泥页岩物性特征

3.1 孔隙度

莱阳群水南组浅井(ZK8-ZK10井深小于50m)样品孔隙度1.85%～4.39%，平均为3.00%；钻孔样品的孔隙度值变化较大，旺平1井水南组孔隙度值主要集中在2%～10%之间(图3)。

在纵向上，孔隙度随深度增加而变小的趋势明显(图4a)，说明随地层的增厚地层压力增加，孔隙收缩变小[10-11]。

图3 水南组泥页岩孔隙度统计图

3.2 流体饱和度

流体饱和度为含水饱和度、含油饱和度之和。

水南组泥页岩流体饱和度为2.37%～53.21%，平均值为18.60%。

纵向上水南组泥页岩流体饱和度具有随深度增加而增大的趋势(图4b)，推测受压力影响，孔隙度变小，流体具有集中的趋势。

3.3 渗透率

莱阳群水南组泥页岩渗透率较低，水南组样品渗透率最大值为1.58mD，其中渗透率小于0.01mD的样品数量占72.00%，0.1mD～0.01mD的样品数量占22.00%，大于0.1mD的样品数量占2.00%(图5)。

图4 水南组泥页岩孔隙度、流体饱和度随深度变化关系图

图5 水南组泥页岩渗透率统计图

4 含气性特征

4.1 游离气含量

游离气是以游离态赋存于岩石基质孔、裂隙和夹层孔隙中的气体。游离气含量受有效孔隙度和含气饱和度控制，另外受地层压力和温度等诸多影响因素。含气饱和度与流体饱和度之和为1。利用孔隙度和计算的含气饱和度，求取水南组泥页岩游离气含量，计算公式如下：

Sgi=1-Sw

V游—游离气含量，m3/t；Sgi—含气饱和度，%；Sw—流体饱和度，%；ρ—泥页岩密度，t/m3；Bg—体积系数，无量纲；Psc—地面标准压力，MPa；Zi—原始气体偏离系数，无量纲；T—地层温度，K；Pi—原始地层压力，MPa；Tsc—地面标准温度，K。

游离气是在有效孔隙内储存的气体，闭合、封闭孔隙内游离气不被计算在内，从公式可以看出，游离气含量受地层温度、压力、流体饱和度影响，与地层压力呈正比，随温度的增加而减少，随流体饱和度减小而增加，游离气含量与孔隙度值拟合度较高(图6a)。

图6 水南组泥页岩游离气含量与孔隙度、深度变化关系图

通过计算求得游离气含量值变化较大，最小值0.044m3/t，最大值3.067m3/t，平均值为0.870m3/t。

在纵向上随深度的增加，游离气含量减小的趋势明显(图6b)。

4.2 吸附气含量

等温吸附试验是将泥岩粉碎成60～80目颗粒，质量不小于35g，测量其在某一温度，不同压力环境下的饱和吸附气含量，亦为该温度下最大吸附气含量[12]。利用2件等温吸附样品，试验甲烷浓度为99.999%，实验压力范围1～12MPa，模拟储层温度。

该次试验采用恒温30℃测定，借鉴李武广等[13]不同温度下等温吸附实验测试结果，选取有机碳含量、镜质体反射率相近的样品拟合Langmuir体积(VL)和Langmuir压力(PL)随温度的变化趋势(表1)。

表1 不同温度条件下等温吸附数据

依据表1数值进行拟合，获得Langmuir体积(VL)、Langmuir压力(PL)与温度指数关系式：

VL=2.99e-0.002124t

(R2=0.985)

PL=2.77e-0.004111t

(R2=0.995)

类比得到水南组Langmuir体积(VL)、Langmuir压力(PL)与温度关系式为：

VL=ae-0.002124t

PL=be-0.004111t

根据实测数据计算出上式中的常数a、b，从而获取水南组泥页岩在不同温度、不同压力下的Langmuir体积(VL)和Langmuir压力(PL)。利用兰格缪尔(langmuir)方程中，求取不同深度下的泥页岩吸附气量。兰格缪尔(langmuir)方程为：

式中：V吸—吸附气含量，m3/t；VL—Langmuir体积，cm3/g；PL—Langmuir压力，MPa；P—地层实际压力，MPa。

经计算，水南组暗色泥页埋深500m吸附气含量介于0.412～0.474m3/t之间，平均为0.443m3/t；埋深1000m吸附气含量介于0.485～0.573m3/t之间，平均为0.529m3/t；埋深2000m吸附气含量介于0.512～0.616m3/t之间，平均为0.564m3/t(表2)。

等温吸附试验是模拟理想状态下，泥页岩粉碎后对纯甲烷的最大吸附能力，实际条件下受甲烷纯度、吸附面积等影响，该次获得的水南组泥页岩吸附气含量要大于实际值[14-21]。

4.3 溶解气含量

莱阳盆地水南组没有含油饱和度数据，因此无法准确计算泥页岩含油量，进而无法准确计算溶解气含量。若将流体饱和度作为含油饱和度进行大致推导，可以获取理论状态下(泥页岩内流体全部为石油)计算的最大溶解气含量数据。依据孔隙度、流体饱和度数据，参考济阳坳陷气油比(46～60m3/m3)取值50m3/m3，泥页岩密度取2.61t/m3，利用公式：

式中：V溶—溶解气含量，m3/t；Φ—孔隙度，%；ω—流体饱和度，%；ρ岩—泥页岩密度，t/m3；b—气油比，m3/m3。

表2 莱阳凹陷水南组泥页岩吸附气含量

通过上式求得页岩气最大溶解气含量为0.005～1.023m3/t，平均值为0.145m3/t，其中78%的样品小于0.200m3/t，实际值可能远小于该数值。说明水南组泥页岩中溶解气赋存很少，不占主导地位；另外溶解气含量总体上具有随深度增加而减小的趋势(图7)。

图7 溶解气含量随深度变化图

4.4 泥页岩总含气量及可靠性

莱阳群水南组泥页岩总含气量由游离气含量、吸附气含量和溶解气含量三部分组成，游离气含量0.044～3.067m3/t，平均值为0.870m3/t；埋深500～2000m理论吸附气含量0.412～0.616m3/t，平均值为0.523m3/t；溶解气含量为0.005～1.023m3/t，平均值为0.145m3/t；水南组泥页岩总含气量平均值为1.538m3/t，大于1m3/t的含气量下限标准[22]。游离气含量是吸附气含量的1.66倍，低于焦石坝龙马溪组下部——五峰组的2.4～2.7倍[23]。

对泥页岩中赋存的三种形态的页岩气计算值的可靠性进行分析，游离气含量计算时考虑了温度、压力的影响，计算值接近实际值，游离气含量平均值占泥页岩总含气量的57%。吸附气含量求取时考虑了压力、温度变化的影响，但该值为理论最大吸附量，计算值仍大于实际值，吸附气含量平均值占泥页岩总含气量的34%。溶解气含量计算时将泥页岩中流体全部视为油，计算值也高于实际值，溶解气含量平均值仅占泥页岩总含气量的9%。

从莱阳盆地水南组泥页岩中赋存的游离气含量、吸附气含量和溶解气含量可靠性和所占比例说明，游离气含量占主导地位，吸附气含量次之，溶解气含量最少。

室内试验获取的泥页岩总含气量为理想状态下的理论最大含气量，一般要大于实际泥页岩总含气量。在没有实测数据的区域，室内试验是获取泥页岩总含气量的主要途径。

5 结论

(1)分析认为莱阳群水南组沉积环境和岩性有利于页岩气赋存。水南组泥页岩有机碳含量在0.62%～23.00%，干酪根类型以Ⅰ，Ⅱ型为主；具备页岩气生成的物质基础和能力；镜质反射率0.62%～2.14%，莱浅2井样品平均值为1.42%，说明莱阳盆地部分地区已进入页岩气大量生成阶段。

(2)水南组泥页岩孔隙度2%～10%，流体饱和度平均值为18.60%，有利于游离气的赋存；渗透率较低，一般小于0.01mD，不利于页岩气的运移。

(3)对水南组泥页岩中游离、吸附、溶解三种状态含气量的计算和分析，认为莱阳盆地水南组页岩气以游离气含量(占57%)为主，吸附气含量(占34%)次之，溶解气含量所占比例最小。泥页岩总含气量理论值高达1.538m3/t，具备较好页岩气勘查的潜力，建议在莱阳盆地进一步开展页岩气资源勘查工作。