河南温县区块太原组—山西组页岩气成藏条件及勘探方向研究

邱庆伦，李中明，刘　冲，刘艳杰，朱德胜，张　栋，瓮纪昌.

(1.河南省地质调查院，河南郑州　450001；2.河南豫矿地质勘查投资有限公司，河南郑州　450012； 3.地下清洁能源勘查开发产业技术创新战略联盟，河南郑州　450001)

自2011年设立页岩气独立矿种以来，在重庆涪陵焦石坝、四川长宁—威远等地相继取得页岩气开发重大突破[1-2]，其中焦石坝地区探明地质储量1067.5×108m3，2015年页岩气年产已达50×108m3，由此，我国与美国及加拿大成为仅有的3个页岩气商业性开发的国家。

为顺应国际、国内清洁能源勘查大趋势，河南豫矿地质勘查投资有限公司在2012年国土资源部举行的第二轮页岩气探矿权招标中获得了河南温县和河南中牟两个页岩气勘查区块(图1)，河南省地质调查院作为这两个页岩气区块的勘查实施单位，在河南省主要针对石炭-二叠系海陆过渡相页岩气层系进行勘探，在中牟区块组织实施了河南省内第一口页岩气探井(牟页1井)，对该井太原组、山西组143 m厚的含气层段分三段进行分压合试，获得了日产1256 m3天然气的较稳定气流，实现了我国北方海陆过渡相地区页岩气勘探的重大发现[3]；在此基础上，在河南温县区块组织实施了郑西页1井、中牟区块实施了郑东页2井。同时，中国地质调查局油气调查中心组织实施的尉参1井及华北地区河南等省页岩气资源潜力评价项目，主要目的层也是海陆过渡相层系页岩气，均显示该区石炭二叠系海陆过渡相层系页岩气具有良好的勘探前景[4-6]。本文重点分析河南温县区块太原组、山西组页岩气成藏条件，并就页岩气勘探潜力进行阐述，从而为下一步勘探投资方向提供依据。

图1　河南温县页岩气区块构造背景及地理位置Fig.1　Formation background and location of Henan Wenxian shale gas block

1　地质背景

河南温县区块位于济源凹陷的中东部，南邻通许隆起，北临山西隆起，走向近东西，是受不同构造体系影响形成的中、新生代断陷式沉积凹陷。温县勘查区块涉及5个构造单元，从北向南依次为武陟凸起、沁阳—金城次凹、崇武中央凸起、温县次凹和通许隆起。地貌为平原覆盖区，断裂发育，构造负责，太原组、山西组页岩气层系整体南高北低、东高西低。从早至晚，经历了寒武纪-中奥陶世滨浅海相沉降盆地发育时期、晚奥陶世-泥盆纪克拉通古陆隆起剥蚀期、石炭纪-二叠纪海陆过渡相沉降盆地发育时期和三叠纪-第四纪陆相盆地发育时期4个构造演化阶段。其中，下二叠统太原组总为三套灰岩夹二套黑色泥岩及煤层沉积组合，总体表现为海进退积序列，其中泥页岩段为潟湖相，灰岩段为局限台地相；而山西组下部主要为砂岩，上部总体为黑色泥岩与煤层，总体表现为海退进积序列，逐渐由前三角洲向三角洲前缘，最后演化为三角洲平原(图2)。

图2　郑西页1井综合剖面Fig.2　The synthetical section of well Zhenxiye-1

2　地质特征

2.1　页岩地球化学特征

2.1.1有机质类型

对河南温县区块内郑西页1井太原组、山西组页岩气层段采取25个干酪根样品，干酪根镜检结果显示，郑西页1井目的层段泥页岩干酪根显微组分壳质组含量为59%，镜质组含量为25%，惰质组含量为16%，有机质类型多为Ⅲ型，太原组个别为Ⅱ2型干酪根(图3)。

图3　太原组、山西组干酪根类型划分Fig.3　Kerogen classification of Taiyuan and Shanxi formations

2.1.2有机质丰度

郑西页1井二叠系太原组地层总厚度为53.5 m，岩性复杂，砂岩、泥岩、煤层和灰岩互层，暗色泥岩累计厚度为21 m，煤层厚度为1.5 m。55个有机碳含量(TOC)样品测试结果显示，太原组有机碳含量介于0.41%～13.22%之间，平均含量为1.79%，其中约25%的总有机碳含量超过2.0%(图4)。山西组地层总厚度为62.5 m，岩性复杂，砂岩、泥岩互层，暗色泥岩累计厚度为22 m，煤层厚度为0.8 m。77个有机碳含量(TOC)测试结果显示，山西组有机碳含量介于0.07%～13.51%之间，平均含量为1.70%(图5)。总体上，太原组、山西组均属于好的烃源岩，有机质丰度满足页岩气成藏条件；相对而言，太原组烃源岩条件要略好于山西组。

图4　郑西页1井太原组样品TOCFig.4　The TOC of Taiyuan formation in well Zhenxiye-1

图5　郑西页1井太原组样品TOCFig.5　The TOC of Shanxi formation in well Zhenxiye-1

在郑西页1井中，在泥岩和砂岩中两者的R2分别达到了0.6005和0.5983(图6)，均具有较好的相关性，表明有机质丰度是页岩气富集的主控因素。

图6　郑西页1井TOC和岩芯解吸含气量相关性Fig.6　The correlation betweenTOC and core analytic volume of well Zhenxiye-1

2.1.3有机质成熟度

本文通过采集二叠系太原组、山西组样品镜质体反射率(Ro)来评价成熟度。郑西页1井太原组和山西组泥页岩成熟度全部超过4.0%，介于4.1%～4.5%之间，平均为4.2%，均处于过成熟晚期干气阶段(图7)。太原组烃源岩在中三叠世末达到低成熟—成熟早期；早白垩世末，大部分地区达到高成熟，以干气为主；渐新世末仍处于干气阶段。

2.2　埋深特征

根据以往地震资料，温县区块太原组、山西组页岩气层系现今埋深多在3500～5000 m之间，勘查区东南部稍浅，约在3000～4000 m之间，而北部沁阳—金城次凹和南部的温县次凹区埋深大于6000 m。

图7　郑西页1井太原组、山西组Ro分布Fig.7　The Ro distribution of Taiyuan and Shanxi formations in well Zhenxiye-1

2.3　储集特征

2.3.1岩石特征

全岩分析表明，太原组、山西组砂岩储层和泥岩储层矿物含量均以石英和黏土为主，另外含有少量的长石、碳酸盐岩矿物和铁矿(图8)。其中，泥岩储层石英含量较低，为26%～57%，平均值为38.9%；砂岩储层石英含量较高，为34%～88%，平均值为56.3%。充分表明岩石脆性与造缝能力较强，较适宜进行压裂改造。

黏土分析表明(图9)，砂岩储层和泥岩储层黏土矿物含量均以伊蒙混层为主，其次为伊利石，另外含有少量绿泥石和高岭石。砂岩储层伊蒙混层含量为53%～71%，平均值为61.7%；泥岩储层伊蒙混层含量为48%～75%，平均含量为63.2%。另外，伊蒙混层中蒙脱石含量小于20%，气体吸附能力较差。

图8　砂岩储层(左)和泥岩储层(右)全岩矿物含量分布Fig.8　The distribution of whole mineral content on sandstone (left) and mud rock (right)

图9　砂岩储层(左)和泥岩储层(右)黏土矿物含量分布Fig.9　The distribution of clay mineral content on sandstone (left) and mud rock (right)

2.3.2物性特征

郑西页1井录井过程中进行的孔隙度与渗透率岩矿测试结果均表明，该区太原组含气页岩层段的孔隙度分布范围在0.4%～2.1%，平均为1.2%(图10)；平均渗透率为2.75×10-3mD。山西组含气页岩层段的孔隙度分布范围在1.8%～2.9%，平均为2.3%；平均渗透率为7.96×10-3mD(图11)。总体上山西组孔隙度及渗透率均高于太原组，与涪陵焦石坝五峰组—龙马溪组相比，约有1倍多的差距。根据特殊测井解释泥岩发育水平层理，砂岩主要发育低角度层理，局部发育交错层理。太原组灰岩中缝合线和高导缝较发育，说明储层连通性较好。从渗透率来看都小于0.1 mD，属于特低渗类型。总体孔隙度与渗透率均较低，其泥页岩储层均为低孔低渗储层。

图10　郑西页1井山西组、太原组孔隙度分布Fig.10　The porosity distribution of Taiyuan and Shanxi formations in well Zhenxiye-1

图11　郑西页1井山西组、太原组渗透率分布Fig.11　The pervasion distribution of Taiyuan and Shanxi formations in well Zhenxiye-1

2.4　岩石力学性质

综合杨氏模量、泊松比、破裂压力和脆性指数几项分析岩石的可压性。一般情况下，杨氏模量大、泊松比小、脆性指数大、破裂压力小的地层性脆，易于压裂。根据测井成果，太原组、山西组主要含气层段岩石的杨氏模量在37～58 GPa之间，泊松比在0.22～0.27之间；根据岩芯单轴压缩试验测试结果，储层弹性模量为31～48 GPa，泊松比为0.15～0.21，脆性指数为39%～71%，与测井解释结果较接近。表明储层脆性指数大，地层易于压裂。

本井计算的最小水平主应力在54～61 MPa之间，平均值为58 MPa；最大水平主应力在74～82 MPa之间，平均值为78 MPa，水平两向主应力差异相对较小，差异系数低于35%，易于形成体积缝网。根据各向异性提供的快横波方位及钻井诱导缝，确定最大水平主应力方向为北东东60°左右。

岩芯照片(图12)及FMI测量处理解释均显示，太原组、山西组含气页岩层段发育水平层理，砂岩发育低角度层理，局部见交错层理。另外，高导缝发育，见到大量的钻井诱导缝与井壁崩落，有利于多裂缝的产生。

2.5　页岩含气特征

温县区块郑西页1井下二叠统太原组、山西组钻进中发现多次气测异常，现场解吸及等温吸附测试均显示具有普遍含气的特征(图2、图13)。可以看出，不同岩性的等温吸附气量和现场解吸含气量的相对大小不同，即砂岩和灰岩样品的等温吸附气量一般大于现场解吸气量，而泥岩的等温吸附气量有多个样品要小于现场解吸气量，这可能与不同岩性初始含气结构、含气饱和度、吸附能力大小以及孔隙分布特征有关。总体上，太原组含气量介于0.59～3.19 m3/t之间，平均含气量为1.39 m3/t；山西组含气量介于0.47～2.96 m3/t之间，平均含气量为1.32 m3/t；总含气量由上到下呈现出逐渐升高的趋势。现场解吸的气体成分主要包括甲烷、二氧化碳、氮气以及少量的乙烷和丙烷，其中甲烷含量为61%～93%，平均含量为87%。

图12　郑西页1井太原组、山西组岩芯照片Fig.12　The drilling core photographs of Taiyuan and Shanxi formations of well Zhenxiye-1a.郑西页1井3303 m处山西组粉砂岩逆粒序; b.3352 m处太原组黑色泥岩;c.3363 m处太原组具水平层理灰黑色泥岩

图13　郑西页1井太原组、山西组等温吸附与现场解吸对比Fig.13　The contrastive of adsorption and locale resolution on Taiyuan and Shanxi formations in well Zhenxiye-1

2.6　页岩气保存条件

是否具有优质盖层及稳定的构造是页岩气富集及产能影响的关键因素[1,2,7-12]。前人研究认为[13]，对于河南温县区块一带常规油气藏而言，烃源岩生气高峰的时代以中侏罗世为主，三叠纪和白垩纪次之，明显早于南方龙马溪组海相页岩气的生气高峰古近纪。相对而言，生气高峰时间越早，越不利于页岩气的保存。北方海陆过渡相页岩气层系经历了多期油气成藏过程，而多期成藏对气田形成和保存通常具有负面作用。对于河南温县区块郑西页1井一带而言，二维地震资料显示，上古生界和新近系明显为两个构造变形层，上古生界断裂较多，多数贯穿上古生界顶部平顶山组；而新近系以来则断层构造活动较弱。距离郑西页1井3 km以内就有7条断层贯穿了古近纪的松散地层(图14)，其中距离该井最近的断层仅100 m，这是该区页岩气保存至关重要、甚至是决定性的因素；相对而言，焦石坝地区在长约20 km、宽约10 km、面积约200 km2范围内非常稳定，基本没有断层活动，保存条件较好。另外，优质盖层、特别是膏盐岩盖层是海相层系形成大中型油气田的关键[1]，焦石坝页岩气气田盖层即以膏盐岩为主。对研究区太原组和山西组页岩来说，主要盖层为石盒子组泥岩，横向分布稳定，突破压力达14.1 MPa，显示了较高的封闭能力，是区域性盖层。美国及我国南方海相页岩气的勘探开发均表明，压力系数较高的页岩气井一般具有较好的产能，但以海陆过渡相太原组、山西组为勘探目的层的郑西页1井、牟页1井、尉参1井及郑东页2井4口页岩气井均显示常压，地层压力均为1.0 MPa左右，压裂试气效果也显著差于南方海相页岩气，这也从一定程度上说明了保存条件较差导致地层压力较低，从而决定了页岩气产能的巨大差异。尽管如此，在华北地区广泛分布的太原组和山西组页岩气层系，在构造相对稳定的鄂尔多斯就建成了大牛地致密砂岩气气田[14]。因此，对于河南省海陆过渡相页岩气层系而言，在页岩气层系厚度、埋深及盖层条件相似的情况下，寻找构造相对稳定的区域，进行页岩气、致密砂岩气兼探是下一步勘探选区的关键。

图14　郑西页1井周缘地震构造特征Fig.14　Structure characteristics indicated by earthquake section in well Zhengxiye-1

3　页岩气勘探方向

根据研究区块太原组、山西组页岩气地质特征，确定出页岩厚度、含气量、有机质丰度、有机质热演化程度、构造复杂性和页岩埋深等地质因素作为评价标准，相对而言目的层系埋深变化最大，其他指标变化相对较小。本次重点以埋深为重要参考依据，即以3500 m、4500 m分别作为划分界线，将埋深介于2500～3500 m之间的区域归为一类有利目标区，而埋深介于3500～4500 m之间的区域为二类有利目标区。据此，将温县区块划分出一类有利目标区和二类有利目标区各1个(图15)。

一类有利目标区位于郑西页1井及周边，太原组底板埋深2500～3500 m之间，面积为15 km2；二类有利目标区位于勘查区东南部一带，面积为40 km2。这两个区页岩气目的层系均为二叠系太原组、山西组，总厚度约118 m，具有普遍含气的特征。总体上太原组TOC、含气量稍高于山西组，从太原组底部向上部山西组顶部具有含气量逐渐增加的趋势，但现有可供勘探面积相对较小，该区是该区块页岩气勘查开发的最有利区域。

4　结论

(1)太原组、山西组富有机质黑色页岩层系是河南温县区块的主要勘探目的层，具有沉积稳定、厚度大、高脆性矿物、低黏土矿物，以及高TOC、较高含气量的特征，具备页岩气形成、储集、保存的基本条件。对于河南省海陆过渡相页岩气层系而言，在页岩气层系厚度、埋深及盖层条件相似的情况下，寻找构造相对稳定、保存条件较好的地区进行页岩气、致密砂岩气兼探，是下一步勘探选区的关键。

图15　河南温县区块页岩气有利区预测Fig.15　The predicted diagram of favorable areas of shale gas in Henan Wenxian block

(2)太原组—山西组地层具有“区域叠合连片，普遍含气”的特征。在南华北盆地通许隆起一带施钻的牟页1井、柴1井、尉参1井、通许1井也证实了河南省下二叠统太原组、山西组页岩气层系展现了多种岩性、物性、含气性及可压裂性组合的页岩气勘查良好前景，但相对而言，河南温县区块页岩气层系构造相对复杂，埋藏深度大，可勘探面积小，勘探风险相对较大。

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