沁水盆地石炭-二叠系煤系页岩气储层特征及生烃潜力分析——以山西省临汾市Y1井为例

贾腾飞, 王 猛,2*, 赵健光

(1.新疆大学地质与矿业工程学院，乌鲁木齐 830001；2.中国矿业大学煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室，徐州 221116)

19世纪初期，人类对于能源的依赖主要以煤炭为主，到20世纪中期以石油为主，化石能源的大规模开发已经持续了200年之久，寻找新能源来取代煤、石油等化石能源逐渐成为研究者的时代课题[1]。在当前国际能源供需关系极度矛盾的形势下，非常规能源的勘探备受关注。页岩气的开发在国家战略中已经处于十分重要的地位[2]。近年来，页岩气在中国的发展不断深入，但仍有不足。纵观页岩气的发展历史，其主要研究对象为海相泥页岩，而对煤系泥页岩的研究进展缓慢[3]。沁水盆地是中国重要的含煤盆地之一，随着对煤炭和页岩气资源的不断深入研究，发现沁水盆地在石炭、二叠系地层中还存在大量的煤系页岩储层[4]，其中对沁水煤田中部榆社县和武乡县境内山西组和太原组的泥页岩测试井[5]、沁水盆地南部晋城斜坡带的太原组泥页岩测试井[6]和沁水盆地中部及南部的煤系地层的泥页岩井[7]均发现了页岩段的气测异常，并进行测试表明具有较高的开采潜力。研究表明沁水盆地石炭、二叠系煤系页岩相比于不同地区同一时期形成的页岩，在其生产中产气量的提高和日后的科研研究价值具有一定优势，为煤系页岩气的勘探和开发提供了有利条件。但目前针对该盆地页岩气资源勘探目标评价的研究还远远不够，现有的研究对其成藏模式和类型只进行了简单的划分[8-10]，对页岩气的有利勘探方向、孔隙结构特征、储层特征等问题的精细认识还待继续进一步的工作研究。为此，以沁水盆地二叠系和石炭系地层作为研究对象，采集临汾地区Y1井岩芯，通过对岩芯样品的有机地化特征、储层特征和含气性特征进行研究和分析，以期为沁水盆地煤系泥页岩资源气的勘探提供指导、依据，同时对减少煤炭和石油等传统能源的依赖做出贡献。

1 样品试验和方法

1.1 样品采集

1.1.1 地质背景

沁水盆地西部起源黄河，东部抵达吕梁山脉，位于华北地台中部，属于晋西挠折带的向西倾斜的单斜构造[11]。先后经历了印支运动、燕山运动和喜山运动大型构造活动的改造，以太原组发育的一组海陆交互相沉积的砂岩、泥质砂岩、泥岩、石灰岩及煤层和山西组发育的一组三角洲沉积的砂岩、泥质砂岩、泥岩及煤层为特征，为页岩气的富集奠定了良好的基础[11-12]。研究区位于临汾市隰县境内Y1钻井(图1)。

1.1.2 样品采集

研究区石炭系和二叠系泥页岩较为发育，以石盒子组、山西组和太原组为主，下石盒子组累计厚94.18 m、山西组累计厚51.21 m、太原组累计厚101.47 m。

图1 研究区构造示意图

系统采集沁水盆地临汾地区Y1井岩芯共计56块(表1、图2)，样品编号有序，自上而下为新地层到老底层(图2)，并进行相关试验测试，由此获得样品地球化学参数、岩石学参数以及储层的物性参数，进而优选、预测勘探潜力和商业价值。

表1 样品基本信息

图2 岩芯柱状图

1.2 试验方案

对所采集的56块岩芯样品随机进行X射线衍射(XRD)、有机碳含量、扫描电镜(SEM)、含气量等测试。总有机碳(TOC)测试依据《沉积岩中总有机碳的测定》(GB/T 19145—2003)，采用CS-800型分析仪；岩石热解检测依据《岩石热解分析》(GB/T 18602—2012)，采用OG-2000V仪器；XRD分析测试依据《沉积岩中黏土矿物和常见非黏土矿物X射线衍射分析方法》(SY/T 5163—2010)，采用理学SmartLab仪器；SEM测试依据《岩石样品扫描电子显微镜分析方法》(SY/T 5162—1997)和《岩石矿物能谱定量分析方法》(SY/T 6189—1996)，采用Tescan/OXFORD仪器，测试样品可见多种孔隙类型；高压压汞试验依据《压汞法和气体吸附法测定固体材料孔径分布和孔隙度》(GB/T 21650.1—2008)，采用QUANTACHROME POREMASTER仪器；含气量检测依据《煤层气含量测定方法》(GB/T 19559—2008)，采用HT-WB12恒温水浴解析箱和解析罐，测试结果表明样品含气量丰富，以甲烷为主体；天然气组分检测依据《天然气的组成分析气相色谱法》(GB/T 13610—2003)，采用ARNELGC580型气相色谱仪，测试结果表明气体主要以甲烷为主；等温吸附依据《煤的高压等温吸附试验方法》(GB/T 19560—2008)，采用TerraTek-300等温吸附仪，以上试验在山西省煤炭地质勘查研究院进行。

2 结果与分析

2.1 有机地球化学特征

2.1.1 有机质类型

有机质类型是烃源岩生烃潜力评价的一项基本参数，反映了烃源岩中干酪根的物质来源，是决定油气产出的重要参数。根据岩石热解参数分析，样品中的氢指数(HI)为28.08～53.24 mg/g，平均值36.45 mg/g，岩石热解S2的峰值温度Tmax均大于460 ℃(图3)，表明烃源岩中的暗色页岩大多具有腐殖型有机质，与样品中测定的Ⅱ～Ⅲ型干酪根相对应，具有混源的特征[13]。中国页岩气烃源岩类型丰富，但是海相页岩主要以Ⅰ、Ⅱ型干酪根为主，海陆交互相主要以Ⅱ、Ⅲ型干酪根为主[14]，表明该区是一个具有良好生烃条件的海陆交互相沉积。

图3 有机质类型分布

2.1.2 有机质丰度

页岩样品的有机地球化学测试结果如图2所示。有机碳的测试结果表明，样品中TOC含量为0.28%～16.87%，平均2.15%，有机质丰度高，大多数样品中的有机碳含量大于1%[图4(a)]。由于有机质的多微孔性，随着有机碳含量的增高，样品中各种微孔的孔隙率和类型增加，从而提高吸附的比表面积[15-16]，故该区属于品质较好-非常好的范围；岩石热解样品中[图4(b)]，样品中有机碳含量整体较好，属于较好的烃源岩。该区的生烃潜力值(S1+S2)[17-18]相对较低[图4(c)]。通过资料调查显示山西组与太原组暗色泥岩的生烃潜量都很低，成熟度相对较高，造成这种现象的原因是有机质成熟度过高导致生烃潜量的降低[19]。样品生烃潜力为0.022～1.02 mg/g，平均0.55 mg/g，通过与有机碳含量的关系[图4(d)][20]，样品的有机质丰度较好，属于一般-优质一类烃源岩。综合以上几点，该区具有良好的生油气条件。

图4 样品对比

2.1.3 有机质成熟度

有机质的热演化程度可以反映烃源岩中有机质的油气转化程度，在一定程度成熟度越高对其成藏越有利[21]。根据烃源岩有机质演化阶段的Tmax划分，样品Tmax为469.34～490.17 ℃，整体位于470 ℃左右；样品的镜质组反射率(RO)为1.71%～2.10%，页岩处于高成熟至过成熟阶段。在页岩达到过成熟度之前，随着成熟度的增高，含气量逐渐增加，对气体聚集成藏越有利、对页岩体积压缩产生微孔隙越有利；研究表明RO>3%时，会使有机质过成熟，导致生气量显著减少，综合以上两点该区是寻找页岩油气的目标区，具备良好的生油气基础[22]。

2.2 储层特征

2.2.1 无机矿物特征

通过Y1井8个样品X-衍射全岩分析，页岩样品的矿物成分测试(表2)，矿物成分以石英和黏土矿物为主，石英质量分数为23.3%～64.1%，平均41.57%；黏土总量为32.8%～76.7%，平均56.79%。黏土矿物以高岭石为主，高岭石的质量分数为16.2%～100%，平均63.13%；伊利石质量分数为20.7%～70%，平均36.57%。此外样品中发育有一定量的长石、石膏、白云母等含量普遍小于5%。蒙脱石逐渐转变为伊利石和高岭石，高岭石已经少量转化为绿泥石和伊利石[23]。

表2 矿物成分测试分布

黏土矿物具有较大的孔容比和比表面积，有利于吸附页岩气[24]，在一定程度上高岭石与地层含油气级别成正比[25]；脆性矿物易在外力下产生裂隙[26]，成为重要的页岩气渗流通道，故石英等脆性矿物质量分数越高，越容易形成网状结构裂隙。结合脆性矿物和黏土矿物特征，该区是寻找页岩油气的目标区，具有良好的生油气条件。

2.2.2 微观孔隙特征

图5 孔隙特征

近年来，有学者基于孔隙的研究，将孔隙划分出多种类型[27]。其中具有代表性的有:Slatt等[28]基于Burnett的孔隙类型的研究，将孔隙类型分为有机孔隙、微裂缝、黏土粒间孔、粪球粒内孔、碎屑内孔隙和颗粒内孔隙；Loucks等[29]将基质孔隙划分为有机孔隙、粒间孔和粒内孔。Y1井岩芯样品SEM照片主要观察到的孔隙有粒内孔隙、粒间孔隙、裂缝和有机质孔隙四种类型(图5)。为便于描述孔隙类型，基于国际理论和应用化学协会的标准[30]，将孔隙分为微孔(<2 nm)、介孔(2～50 nm)、宏孔(>50 nm)。

(1)裂缝：样品中发育大量的微裂隙、裂缝，多存在于黏土[图5(j)～图5(k)]、有机质以及颗粒碎屑周边及内部，其中，黏土矿物的裂缝主要是由成岩作用下的脱水收缩引起的；有机质以及石英等碎屑矿物则是与矿物的硬度有关。裂缝的形态具有多样性，具有狭长型、锯齿形等，长度一般都是微米级，宽度一般纳米级[图5(l)]，样品宽度在10～200 nm，延伸方向各异具有良好的延伸性，少见贯穿的裂缝。针对页岩的储层而言，裂隙多且有良好的延伸性会导致气体的运移和逸散，与宏观裂缝不一样，页岩的微裂缝发育位置多样，长度一般微米级，几乎不见贯穿，可以使得页岩的压裂性好，容易形成微裂缝网络，有利于成为与宏观裂隙沟通的通道，能够提高储层的渗透性。

(2)有机质孔：页岩中有机质孔是发育最多的一类孔隙，在高产页岩气井中有机质孔隙均特别发育，多数情况下，它们是纳米级孔隙并具有多样的孔隙形态，主要发育在有机质内、有机质间，呈现出凹坑状[图5(s)]、椭圆形[图5(m)]、蠕虫状[图5(p)]、圆形[图5(n)～图5(o)]、气泡[图5(t)]等形式，孔隙大小多位于4～800 nm。少见没有孔隙发育的有机质[图5(q)]。此外，有机质纳米孔隙使整体连接性好容易形成孔隙网络。

(3)粒内孔：矿物内部形成的孔隙，主要包括黏土矿物层间粒内孔隙，石英和黄铁矿颗粒的内部[图5(b)～图5(d)]，分布不具有规律性，孔径大小变化大，由几百纳米到几十微米，且连通性较差。同时黄铁矿集合体常常与有机质相伴生，故可以将黄铁矿粒内孔作为良好的储集空间。倘若在埋藏条件不好的情况下，部分矿物例如碳酸盐、长石等会遇到酸性流体，发生溶蚀作用形成溶蚀孔[图5(a)]。

(4)粒间孔：通常发育在矿物碎屑颗粒、基质。在黏土矿物中，粒间孔常呈现拉长型，孔径一般为微米级[图5(g)]；在黄铁矿颗粒中粒间孔隙主要为相互支撑，孔径微米级[图5(h)]。此外由于矿物性质的转变(方解石-白云石)，矿物体积发生形变形成晶间孔[图5(e)]，形状不规则。颗粒间孔隙彼此具有一定的连通性，可以增加气体的渗透性。

I为进汞曲线；E为退汞曲线

2.2.3 孔径分布定量表征

高压压汞试验是常用表征煤层孔隙连通性、结构复杂度以及孔隙的发育情况的一种手段[31]，共选取了7块岩芯样品其中包括一块煤样分别测试，所有样品深度均超过1 000 m，属于深部地层。除煤样外，样品的比孔容为0.005 3～0.016 2 cm3/g，平均0.008 5 cm3/g，比表面积为0.002 1～2.805 8 m2/g，平均0.856 1 m2/g，孔隙度为0.974%～3.998%，平均2.161%；煤样的比孔容为0.062 cm3/g，比表面积为5.955 m2/g，孔隙度为8.002%。对比研究区的压汞参数，煤样的比孔容和比表面积都相对较高，但总体还是相对较小，可为页岩气的吸附赋存提供基本的地质条件[32]。根据前人研究，孔隙度小于10%为油气运移较困难，但利于储集。故研究区虽然属于成熟度高、利于页岩气储集的地区[33]，但是孔隙度较低在日后的开发始终是其固有的缺陷[34]。

对研究区岩芯样的进退汞曲线及孔径分布进行分析，研究区压汞曲线分为Ⅲ类[35-38]，Ⅰ 类如图6(a)所示，在压力较低的时候进汞量多，随着压力的不断增加，进汞量最终达到饱和，对应的孔径分布是孔径分布广泛，以介孔为主，优势孔径峰值在7 nm左右，退汞曲线滞后，开口大，主要以开放孔为主，孔隙连通性较好；Ⅱ类如图6(c)所示，在压力较低的时候进汞量大，随着压力的增加，进汞量基本不发生变化，以墨水瓶孔为主，样品的孔隙连通性差，孔径主要以宏孔发育，优势孔径峰值在10×103nm左右；Ⅲ 类如图6(e)所示，进退汞曲线斜率基本不变化，表明孔隙配置合理，以半开放孔为主，连通性一般，优势孔径峰值在8 nm及10×104nm左右。

2.3 含气性特征

页岩资源潜力评价的重要参数之一就是含气性特征。目前中国学者多采用直接法和间接法测定页岩的含气量，直接法为现场解析法，指将钻井所取的岩芯样密闭封存运送至实验室，用科学技术手段模拟地层环境对岩芯进行测试；间接法指在室内条件下，对岩芯进行等温度不同压力下的等温吸附试验测定含气量[39-40]。

2.3.1 现场解析法

现场解析法主要测量页岩的解析气量体积、损失气量体积和残余气量体积(图2)，Y1井岩芯样品的总气量为0.71～4.41 m3/t；解析气量为0.559～3.982 m3/t，平均1.172 m3/t，解析气量相当可观；损失气量和残余气量之和比解析气量平均为9%(图7)，表明样品的析出量可观。通过扣除样品中的空气，得到甲烷平均占总气量的76%，与样品天气然检测中扣除空气以后甲烷平均含量相对应。该区页岩总体含气量丰富，是勘探的有利区。

2.3.2 等温吸附法

通过砂岩、砂质泥岩和煤层对气体的吸附，由Langmuir方程求兰氏体积[41](图8)，可以得出砂岩对气体的吸附量最低，吸附气量为0.31～0.44 m3/t，平均值为0.42 m3/t，吸附能力较差；砂质泥岩对气体的吸附量优于砂岩，吸附气量在0.36～0.68 m3/t，平均值0.62 m3/t；煤层对气体的吸附最强，吸附气量在2.28～6.02 m3/t，平均值4.85 m3/t。

图7 解吸量比重

图8 等温吸附曲线

3 勘探潜力综合评价

将临汾地区Y1井的各项参数指标与评价页岩的标准和国内外页岩气商业开发案例进行对比(表3)[42-44]，就Y1井单独分析，从表3中各项参数可以看出有机质丰度高，热演化程度高，有优质的页岩气成藏的物质基础；对比页岩气商业开发的案例来看，临汾区Y1井页岩在各项指标上均与其相差不多，甚至有所超越，但孔隙度不高，故在以后的开发中始终存在缺陷。在整体的综合评价上临汾区Y1井页岩具有较好的勘探潜力。

表3 页岩气潜力对比

综上所述，本区暗色泥页岩的优点在于：①有机质成熟度较高，处于高成熟～过成熟阶段，有机质类型主要以Ⅱ、Ⅲ型干酪根为主，富含较多偏腐殖质有机质，有利于页岩气的生成；②有机质丰富，尤其是在煤层附近；③脆性矿物质量分数相对较高，对后期开采形成裂隙有利。地层累计厚度厚，均>50 m，分布面积广；④埋藏深度适中，有利于页岩气的开发和勘探。

4 结论

沁水盆地沉积了许多暗色煤系页岩，分布范围广，选择了山西省临汾地区Y1井岩芯钻孔作为研究对象，通过岩芯选取、岩石学特征分析、有机地球化学特征分析、扫面电镜等方法为手段，对研究区内山西组、太原组地层的烃源岩性能和潜力分析进行研究，得到如下结论。

(1)研究区石炭系、二叠系暗色岩系主要岩性为泥岩、砂岩、砂质泥岩和煤层，少量泥质灰岩和石灰岩，微量铝质泥岩和含铝泥岩，部分地层可见黄铁矿。

(2)Y1井岩芯样品总体有机质丰度高，大部分样品中的有机碳含量均大于1%；有机质热演化程度相对较高，达到高成熟阶段；有机质类型反映了混源的特征，是良好的气源型干酪根组合。

(3)Y1井矿物成分主要为石英和高岭石，脆性矿物含量高。研究区孔隙具有良好的连通性且孔径以介孔和宏孔为主，易形成孔隙网络结构，具有良好的页岩气开采条件。

(4)临汾地区Y1井地区石炭、二叠系具有较好的页岩资源潜量，有良好的页岩气勘探开发基础，具有商业价值。