陆相页岩气的泥页岩评价——以延长下寺湾区上三叠统延长组长7段为例

杨镱婷，张金川，王香增，曹金舟，唐 玄，王 龙，杨升宇

（1.中国地质大学（北京）能源学院，北京 100083； 2.延长石油集团有限责任公司，陕西 西安 710075）

陆相页岩气的泥页岩评价
——以延长下寺湾区上三叠统延长组长7段为例

杨镱婷1，张金川1，王香增2，曹金舟2，唐 玄1，王 龙1，杨升宇1

（1.中国地质大学（北京）能源学院，北京 100083； 2.延长石油集团有限责任公司，陕西 西安 710075）

以鄂尔多斯盆地的延长下寺湾区中生界延长组长7段陆相泥页岩为研究对象，在样品实验数据分析和单井岩心观察的基础上，根据泥页岩的发育与分布特点和有机地球化学特征对陆相页岩气的泥页岩进行评价.结果表明：延长下寺湾区延长组长7段泥页岩主要为浅湖—深湖相沉积，泥页岩累计厚度适宜，有机质类型以Ⅱ1为主，有机质丰度较高，具备页岩气生成的物质基础，有机质演化主要处于成熟阶段.分析美国海相产气页岩与中国陆相产气页岩的综合特征，长7段泥页岩脆性矿物质量分数大于25%，有利于储层的后期改造.相对美国储层物性较好的页岩，根据现场解析法测得的长7段泥页岩含气量较高（平均为4.5 m3/t），埋深适中，分布稳定，具有勘探潜力和开发前景.

陆相；泥页岩；页岩气评价；有机质丰度；有机质成熟度；有机质类型；鄂尔多斯盆地；下寺湾区；延长组

0 引言

页岩气是美国目前已投入工业性勘探开发的主要非常规天然气聚集类型之一，其年产量和经济、技术可采储量迅速攀升[1-2].根据高级资源国际（ARI）的预测，美国页岩气产量预计到2020年将达到2 066×108m3[3].随着人们对页岩气研究的高度重视，中国也加强了对页岩气的形成条件和成藏机理的研究[4-11]，并已取得成果，初步展示中国页岩油气勘探的巨大资源潜力[12-14].张金川等[15]对页岩气的富集类型、形成机理、地质特征与资源潜力进行研究，认为中国陆上广泛发育海相、海陆过渡相、陆相三大套富有机质黑色泥页岩，具备形成页岩气的基本地质条件，平面上以中国南方和西北地区最为有利（包括鄂尔多斯盆地及其周缘），剖面上以古生界资源量为最大，其次为中生界.徐士林等[16]对鄂尔多斯盆地相关页岩气进行研究，认为三叠系延长组泥页岩分布广泛，并且泥页岩厚度较大、有机碳质量分数较高、热演化适中、气测显示活跃、页岩中裂缝发育，页岩气资源潜力较大，确定鄂尔多斯盆地南部地区为三叠系延长组页岩气发育的有利区域.延长油田股份有限公司成功地探索了中国第一个陆相页岩气勘探井 ，由于目前对于海相页岩的相关研究较多[17-23]，如美国阿拉巴契亚盆地的上泥盆统Ohio页岩、福特沃斯盆地的下石炭统Barnett页岩、密执安盆地的Antrim页岩及伊利诺斯盆地的New Albany页岩，而海外及中国南方海相已取得的页岩气研究成果难以直接借鉴.中国在陆相页岩气勘探生产过程中积累的油气分布地质规律和认识仍然较少，因此，以延长探区的典型地区和层位作为研究对象，探讨陆相页岩气的泥页岩评价，将有助于掌握中国陆相页岩气的分布特点和规律，以及陆相页岩气资源潜力，推动页岩气勘探开发进程.

1 区域地质背景

鄂尔多斯盆地地处华北克拉通西部，由于受滨太平洋构造域和特提斯—喜马拉雅构造域地壳运动的影响，成为一个古生代稳定沉降，中生代拗陷迁移，新生代周边扭动、断陷的多旋回克拉通盆地，现今盆地的构造形态总体为一东翼宽缓、西翼陡窄的不对称大向斜的南北向矩形盆地[24-25].盆地内地层分布较为广泛，太古界、元古界、古生界、中生界和新生界地层均有出露，古生界缺失泥盆纪、石炭纪地层.延长探区位于鄂尔多斯盆地陕北斜坡东部，区域构造为一平缓的西倾单斜，地层倾角小于1°，千米坡降为7～10 m，内部构造简单，局部具有差异压实形成的低幅度鼻状隆起，横跨延安市的甘泉、宝塔、安塞、延长、延川、子长、宜川七县区和榆林市的横山、子洲两县，下寺湾区位于鄂尔多斯盆地陕北斜坡中南部延长探区内，位置见图1.

图1 延长下寺湾区位置

2 泥页岩发育与分布

晚三叠世属亚热带—温带过渡型气候，鄂尔多斯盆地进入大型内陆差异盆地的形成和发展时期[26].通过岩性、沉积构造、沉积序列、电性组合特征、野外露头和粒度特征等方法，结合区域沉积背景、垂向沉积序列和沉积相共生组合关系，认为上三叠统延长组为一套陆相沉积，因湖盆四周发育有伊盟隆起、晋西挠褶带、渭北隆起和西缘冲断带等古陆使得物源补给充足，上三叠统延长组发育以河流和湖泊相为主的陆缘碎屑岩沉积，构成一个河流—湖泊三角洲—湖沼相的沉积演化旋回[27-28].延长期沉降中心分布于盆地东部的子长—吴旗—富县一带，地层厚度超过1 000 m，湖盆水体经历由浅变深再变浅的过程，因而延长组沉积经历完整的湖进—湖退过程，其中长10段至长7段沉积期为湖进期，而长7段沉积期是最大湖进期，发育以暗色泥岩、炭质泥岩及油页岩为主的稳定湖相泥岩，成为延长组最重要的生油层系，研究区所在位置长7段主要为湖泊相沉积.

延长下寺湾区的延长组长7段沉积期，属浅湖—深湖相沉积环境，受区域构造背景影响，盆地基底整体下沉剧烈，湖盆发育达到鼎盛期，湖盆范围明显扩大，并且繁殖大量的水生生物和浮游生物，发育巨厚的泥岩.研究区内的长7段（俗称“张家滩页岩”）以大套灰黑色泥页岩、油页岩为主，间夹薄层粉—细粒砂岩，通过单井岩心观察也显示动植物化石非常丰富（见图2），厚度主要在70～120 m之间，累计泥岩厚度约为40 m，其单层泥岩厚度在3～25 m之间.由于湖盆沉降中心主要在研究区西南部，长7段地层厚度呈由西南至东北方向减薄的趋势（见图3）.美国页岩气勘探开发研究表明，页岩气富集的首要条件是具备足够厚度的产气泥页岩，结合良好的有机地球化学、孔渗物性、裂缝发育程度和矿物组成等条件，共同控制泥页岩的生气量、储集性能、含气量和产率[29-30].

图2 下寺湾区延长组长7段泥页岩植物碳屑与动物化石

图3 下寺湾区延长组长7段厚度等值线

3 泥页岩有机地球化学特征与分析

3.1 有机质丰度

评价有机质丰度的指标为有机碳质量分数w（TOC）、氯仿沥青“A”质量分数w（氯仿沥青“A”）和岩石热解生烃潜量S1＋S2等.有机碳质量分数是页岩气聚集最重要的控制因素之一，它控制着页岩的物理化学性质，包括颜色、密度、抗风化能力和硫质量分数等，并在一定程度上控制着页岩弹性、裂缝发育程度和页岩含气量.

研究区内长7段泥页岩样品实验测试结果显示，下寺湾区长7段泥页岩的有机碳质量分数分布范围为0.49%～6.08%（见图4），平均为2.74%，大部分样品有机碳质量分数超过2%（见图5）.美国页岩气开采经验表明要获得工业价值的页岩气藏，w（TOC）平均值应大于2.00%～2.50%，可见延长油气区延长组页岩具备页岩气生成的物质基础.w（TOC）不仅是衡量烃源岩生烃潜力的重要参数，而且有机质可以作为吸附气的核心载体，其大小直接影响吸附气数量的变化[29]，且w（TOC）越高，其产气能力越强.因此，下寺湾区延长组长7段泥页岩的吸附气含气量是比较高的，且具备一定的产气能力.w（氯仿沥青“A”）是指用氯仿从沉积岩（物）中溶解（抽提）出来的有机质[31]，它能够反映沉积岩中可溶有机质的质量分数.根据测试结果，长7段泥页岩的w（氯仿沥青“A”）为0.03%～2.49%，平均为0.66%，超过50%的样品w（氯仿沥青“A”）大于0.50%（见图5）；S1＋S2包括烃源岩中已经生产的和潜在能生成的烃量之和，长7段泥页岩的生烃潜量为0.26～14.02 mg/g，平均为7.14 mg/g（见图5）.其中，Ro为镜质组反射率，tmax为热解峰温.

图4 下寺湾区延长组长7段泥页岩有机质丰度与成熟度指标综合剖面

图5 下寺湾区延长组长7段泥页岩有机质丰度指标分布频率

黄第藩对我国主要陆相含油气盆地的有机质丰度进行总结[32]，在陆相淡水—半咸水沉积中，主力油源层的w（TOC）在1.0%以上，平均在1.2%～2.3%之间变化，w（氯仿沥青“A”）在0.1%以上，平均在0.1%～0.3%之间变化.由图4可以看出，研究区长7段泥页岩的w（TOC）与w（氯仿沥青“A”）大部分要高于陆相含油气盆地的有机质丰度的标准值，根据陆相烃源岩丰度评价指标[33]，延长组长7段为较好的源岩，可以为油气的生成提供丰富的物质基础.

3.2 有机质类型

烃源岩的优劣与有机质丰度和类型有关，决定有机质类型的关键因素是其母质来源，文中采用三类四分法，将其分为腐泥型（Ⅰ）、腐植—腐泥型（Ⅱ1）、腐泥—腐植型（Ⅱ2）和腐植型（Ⅲ）.腐泥型干酪根主要来自低等水生生物、浮游生物和藻类，富氢贫氧，生烃潜能高.腐植型干酪根主要来自高等植物，富含芳基结构的木质素、纤维素和丹宁，生烃潜能低，中间型干酪根是腐泥型和腐植型干酪根不同比例的混合[34].判别有机质类型的依据主要有干酪根镜鉴、干酪根碳同位素组成及干酪根元素组成等.干酪根类型可以影响气体含量、赋存方式及气体成分.

不同类型的干酪根的显微组分不同.腐泥组代表低等生物生源物质，以藻类体占优势；镜质组、壳质组和惰性组是高等植物生源物质，常见无结构镜质体、镜屑体、孢子体和壳屑体.烃源岩显微组分中，壳质组和腐泥组是有利于生烃的富氢组分，其数量和质量对烃源岩的生烃潜力影响极大.通过干酪根镜下鉴定，长7段泥页岩显微组分以腐泥组与壳质组为主，部分样品缺乏惰质组（见图6）.由图6可以看出，利于生烃的富氢组分较为丰富，为油气的生成提供主要的物质基础，有机质类型为腐泥型—混合型.通过干酪根元素鉴定，由范氏图同样可以看出长7段泥页岩具有以Ⅱ1型干酪根为主的特点（见图7）.

图6 下寺湾区延长组长7段泥页岩显微组分三角图

图7 下寺湾区延长组长7段泥页岩干酪根H/C-O/C关系

3.3 有机质成熟度

油气的生成经过一系列的变化，需要依靠成熟度指标对其进行衡量，只要是在演化过程中能够体现出规律性变化的参数都可以成为成熟度指标.镜质组反射率（Ro）具有随着热演化程度的升高而稳定增大的特点，且具有相对广泛与稳定的可比性，因此成为最为广泛的成熟度指标.由图4可以看出，下寺湾区延长组长7段泥页岩的Ro主要分布在0.50%～1.50%之间，且随着深度的增加镜质组反射率增大，根据有机质成熟度划分标准，长7段泥页岩的Ro处于成熟阶段.热解峰温（tmax）也是反映有机质成熟度的主要参数之一，随着有机质成熟度的增高，热解峰温逐渐增大.一般情况下，热解峰温达到435℃，有机质进入生烃门限.延长油气区的延长组长7段源岩热解峰温除个别样品，多数介于440～480℃之间，表明已进入生烃门限，且处于成熟阶段（见图4）.由于范式图显示不同类型的干酪根有不同的热演化轨迹，因此由图7可以看出，延长组长7段泥页岩的Ro主要分布在0.45%～1.50%之间.

图8 下寺湾地区LP-X井延长组长7段ln（C1/C2）与ln（C2/C3）交会图

美国页岩气勘探实践表明，美国页岩气产区的海相页岩成熟度普遍大于1.30%，而鄂尔多斯盆地延长下寺湾区的陆相泥页岩成熟度相对较低，平均为0.92%.根据对研究区现场解析的目的层页岩气组分碳同位素分析，其为原油伴生气（见图8），与源岩的演化程度也是相匹配的.由于干酪根类型并不影响源岩层的产气数量，有机质丰度和热成熟度才是决定源岩产气能力的重要变量，若适当的热成熟度匹配适宜的有机质丰度使生气作用处于最佳状态，外加泥页岩具有足够的厚度和裂缝孔隙度，这些地区将成为勘探和开采页岩气的有利远景区.与海相地层相比，陆相页岩在面积上规模相对较小，但研究区目的层的有机质丰度与海相页岩的相当；由于研究区的陆相页岩在构造上后期改造弱，因此对于陆相页岩气的保存是一个有利条件；由于有机质热演化程度整体较海相低，主要处于生油窗内，所以研究区页岩中常出现油气共存的现象，页岩气主要为热解气，多与石油伴生；加之研究区长7段泥页岩具有较高的有机质丰度，这为吸附气含量提供可靠的保证，根据等温吸附实验测得的泥页岩最大含气量结果显示，最小的为1.62 m3/t，最大的为5.46 m3/t（见表1）.下寺湾区页岩气井压裂后成功点火的事实证明该区具备页岩气的富集条件.

表1 下寺湾区延长组长7段泥页岩样品含气量统计

4 陆相泥页岩评价

页岩气在页岩孔隙和天然裂缝中以游离方式存在，在干酪根和黏土颗粒表面上以吸附状态存在，在干酪根和沥青质中甚至还可能以溶解状态存在[35].页岩气做为一种自生自储、以吸附作用为主的非常规天然气，泥页岩的源岩特征与储层特征对页岩气的富集产生影响，而储层特征中较高的脆性矿物质量分数与能够成为有效储集空间的裂缝发育程度是重要的影响因素.因此，也是Jarvie D等将石英质量分数定义为确定页岩脆性系数的主要因素[36]的重要原因.

美国海相产气页岩主要发育于前陆盆地（福特沃斯盆地与阿巴拉契亚盆地）和部分克拉通盆地（伊利诺斯盆地和密执安盆地）的海相地层中，多为海相深水沉积与近海陆棚沉积，有机质类型以Ⅰ、Ⅱ为主，泥岩单层厚度大、分布范围广，有机碳质量分数和热演化程度较高，泥页岩储集物性较好、含气量大，脆性矿物质量分数高（见图9）.鄂尔多斯盆地下寺湾区的延长组长7段泥页岩与美国海相产气页岩相比，主要为浅湖—深湖沉积，有机质类型以Ⅱ1为主，有机碳质量分数和泥岩累计厚度适宜，热演化程度适中，分布稳定（见图8）.Wang F P筛选了含气页岩系统的关键参数，认为页岩储层最小石英质量分数为25%，最优为35%[37]，延长组长7段泥页岩储集物性比美国海相页岩稍差，但石英质量分数约为35%，脆性矿物质量分数较高，有利于储层的后期改造.相对美国储层物性较好的页岩，延长组长7段泥页岩含气量较高，根据现场解析法实验测得的含气量平均为4.5 m3/t，超过1.0 m3/t工业开采界限值.在气测录井过程中，下寺湾区单井的延长组长7段泥页岩段的气测全烃曲线迅速上升，出现高值，平均约为3%（见图10），说明地层中所含烷烃组分含量较高.此外，研究区发育的延长组长7段的泥页岩相比美国海相产气页岩（见图7），埋藏深度较为适中，通常随着深度的增加，压力与温度的增大导致区域裂缝发育程度减弱，因此埋藏深度过深，在一定程度上不利于页岩气的开采.

图9 美国海相产气页岩与中国陆相产气页岩综合特征对比

图10 下寺湾区LP-Y井的延长组长7段气测全烃曲线

5 结论

（1）鄂尔多斯盆地下寺湾区延长组长7段沉积期，属浅湖—深湖相沉积环境；岩性以大套灰黑色泥页岩和油页岩为主，间夹薄层粉—细粒砂岩，厚度主要在70～120 m之间，累计泥岩厚度约为60 m，其单层泥岩厚度主要在5～15 m之间；由于湖盆沉降中心主要在研究区西南部，长7段地层厚度呈由西南至东北方向减薄的趋势.

（2）鄂尔多斯盆地下寺湾区延长组长7段泥页岩的有机质类型以Ⅱ1为主，平均有机碳质量分数为2.74%，平均氯仿沥青“A”质量分数为0.66%；平均生烃潜量为7.14 mg/g，综合各项指标其有机质丰度较高，有机质演化阶段主要处于成熟阶段，具备页岩气生成的物质基础.

（3）鄂尔多斯盆地下寺湾区延长组长7段泥页岩与美国海相产气页岩相比，有机碳质量分数和泥岩累计厚度适宜，热演化程度适中，脆性矿物质量分数大于25%，有利于储层的后期改造，现场解析法测得的含气量较高（平均为4.5 m3/t）.此外，由于埋深适中，分布稳定，具有勘探潜力和开发前景.

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Source rock evaluation of continental shale gas：A case study of Chang 7 of Mesozoic Yanchang Formation in Xia Siwan area of Yanchang/2012，36（4）：10-17

YANG Yi-ting1，ZHANG Jin-chuan1，WANG Xiang-zeng2，CAO Jin-zhou2，TANG Xuan1，WANG Long1，YANG Sheng-yu1
（1.School of Energy Resources，China University of Geosciences（Beijing），Beijing 100083，China；2.Yanchang Petroleum （Group）CO.，LTD，Xi＇an，Shanxi 710075，China）

Based on a large number of samples experimental data analysis and core observation，the systemic evaluation of continental mudstone takes the Mesozoic continental mudstone of the Seven Member of Yanchang Formation in Xia Si-wan area of the Ordos Basin as the research object.And its research of development，distribution and organic geochemical characteristics are carried out.The mudstone of the Seven Member of Yanchang Formation organic material is mainly made up of shallow-deep lake sediments，its cumulative thickness of shale is suitable and organic matter is mainly type II 1.It possesses the material basis of shale gas generation，with higher organic matter abundance in addition to in the mature stage of organic matter evolution.According to the comprehensive correlation of characteristics between continental shale in China and marine shale in America，the mudstone of the Seven Member of Yanchang Formation is conducive to latter reconstruction of the reservoirs for the large quantities of brittle mineral content（more than 25%）.Compared with the layers with impressive reservoir properties in America，the mudstone of the Seven Member of Yanchang Formation has higher gas content（average value is 4.5 m3/t）.Moreover，appropriately buried depth and steady distribution contribute to exploration and development of shale gas.Consequently，the continental shale gas of the Seven Member of Yanchang Formation in Xia Si-wan area of the Ordos Basin possesses large exploration potential and broad prospects of development.

continental；mudstone；shale gas evaluation；richness of organic matter；maturity of organic matter；organic matter type；Ordos basin；Xia Si-wan area；Yanchang Formation

TE121.2

A

2095-4107（2012）04-0010-08

DOI 10.3969/j.issn.2095-4107.2012.04.002

2012-05-30；编辑：陆雅玲

国家自然科学基金项目（41102088）

杨镱婷（1988-），女，硕士研究生，主要从事非常规油气成藏与分布规律方面的研究.