阳谷-茌平煤田上古生界生烃潜力研究——以聊页参1井为例

孙伟清，张春池，彭文泉，鲍怀伟，郝兴中，吕小红

(1.山东省地质科学研究院，国土资源部金矿成矿过程与资源利用重点实验室，山东省金属矿产成矿地质过程与资源利用重点实验室，山东 济南 250013；2.山东省地质调查院，山东 济南 250014；3.山东省土地质量地球化学与污染防治工程技术研究中心，山东 济南 250014；4.山东省第一地质矿产勘查院，山东 济南 250109；5.山东省煤田地质局物探测量队，山东 济南 250104)

阳谷-茌平煤田位于鲁西中部，是山东省尚未开采利用的煤田勘查区[1]，山东省第一地质矿产勘查院、山东省地质科学研究院等单位先后进行过煤炭勘查工作[2-3]，揭露煤层的同时钻遇了厚层暗色泥页岩，但未对钻遇的暗色泥页岩生烃情况进行深入研究。为了了解阳谷-茌平煤田暗色泥页岩生烃条件和生烃潜力，该文利用聊页参1井获取的相关数据，对区内暗色泥页岩沉积发育特征、有机质丰度、有机质类型、有机质演化程度等进行分析研究，明确了生烃泥页岩层位和生烃条件，指明该区页岩气勘探目标和方向，为下一步页岩气勘查工作提供依据。

1 地质背景

1.1 区域构造位置

阳谷-茌平煤田位于齐(河)-广(饶)断裂以南，聊(城)-(兰)考断裂以东的鲁中隆起西北缘。北隔齐(河)-广(饶)断裂与济阳坳陷相连，西以聊(城)-(兰)考断裂为界，与临清坳陷相接，东侧以东阿断裂为界，南侧向南延伸至河南境内，为上古生界保存相对较好的地区[4-6]。

1.2 区域地层

区域发育有新太古代泰山岩群，古生代寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系、新生代古近系、新近系和第四系[7]。

据钻孔揭露，新太古代泰山岩群岩性为黑云变粒岩、斜长角闪岩等。

早古生代发育有寒武系和奥陶系。寒武纪地层中富含三叶虫等浅海相动物化石，主要岩性有灰岩、白云岩、紫红色泥页岩等；奥陶系岩性为灰岩、白云质灰岩、白云岩、灰质白云岩等，含有燧石结核。

晚古生代发育有石炭系和二叠系。石炭系以杂色、暗色泥页岩为主，夹灰岩和煤层；二叠系以砂岩、泥岩为主，夹煤层。

新生代发育有古近系、新近系和第四系。古近系以灰绿色、灰色泥岩为主，泥岩与砂岩、含砾砂岩不等厚互层；新近系下部为泥岩、粉砂质泥岩夹中细砂、中粗砂和含砾砂层；上部为砂质粘土、粘质沙土夹砂岩，局部夹粘土岩；第四系以粘质砂土为主，夹粉砂、粉细砂层，局部为砂质粘土夹细砂、中砂层。

2 泥页岩沉积发育特征

页岩层段是指富含有机质的烃源岩系，以页岩、泥岩和粉砂质泥岩为主，含少量砂岩、碳酸盐岩或硅质岩等夹层，明确了页岩层段是以泥页岩为主的岩性段[8]。

2.1 泥页岩沉积特征

海西期初，阳谷-茌平煤田所处的华北板块整体沉降，演化为大型陆表海盆地，海西运动在早二叠世末期开始表现得极其强烈，使华北基本上结束了长期的古生代海侵历史，演化为近海内陆盆地，形成以陆相及过渡相沉积为主的沉积体系，海西运动在二叠纪末期，结束了华北晚古生代的沉积历史。太原组属典型的海陆交互相沉积，曾多次发生大规模海侵，沉积了多套砂岩-泥岩-灰岩-煤层组合，形成了厚层的暗色泥页岩(页岩层段)[9-10]。

山西组沉积早期，海水逐渐退去，山西组发育了以三角洲体系为主体间夹河流体系的沉积组合。阳谷-茌平煤田主要发育了三角洲平原相中的分流河道、分流河道-分流间湾、分流河道-河漫滩、泥炭沼泽的共生组合；发育的分流间湾-泛滥平原沉积，为泥页岩的有利发育层段。

2.2 泥页岩发育特征

阳谷-茌平煤田暗色泥页岩(页岩层段)主要发育在石炭—二叠纪的山西组和太原组内，聊页参1井揭露山西组顶板埋深1563.79m，厚73.31m，岩性以砂岩、粉砂岩为主，夹泥岩、灰岩和煤层。其中砂岩累计厚度为30.55m，占该组总厚度的41.67%，粉砂岩16.22m，占该组总厚度22.13%，整体分析泥地比不足50%，且泥页岩主要发育在煤3以下，即1620.59～1637.10m(图1)，因此山西组泥页岩相对不发育，单独分析研究意义不大，可将煤3以下泥页岩与太原组泥页岩整合考虑。

聊页参1井揭露太原组顶板埋深1637.10m，揭露厚度202.00m，其中砂岩单层厚度0.30～7.90m，累计27.40m，占该组总厚度的13.56%；粉砂岩单层厚度0.70～14.66m，累计35.60m，占该组总厚度的17.62%；页岩层段(泥岩、粉砂质泥岩、夹煤、灰岩)中泥岩单层最大厚度为19.30m，累计139.00m，占该组总厚度的68.82%，认为太原组是页岩气生储的有利层段。

3 有机质丰度

有机质丰度是页岩气储层评价的重要参数之一，针对阳谷-茌平煤田泥页岩沉积特点，选用黄第藩[11]含煤地层烃源岩有机质丰度评价标准进行评价(表1)，采用有机碳含量、氯仿沥青“A”、生烃潜量(S1+S2)等指标评价烃源岩的优劣，被国内外学者广泛接受[12-13]。

3.1 有机碳含量

有机碳含量(TOC)是烃类物质生成的基础，也是反映泥页岩有机质丰度的重要参数之一[14]，同时是评价烃源岩生气能力和生气量的关键参数[15-16]。有机碳含量高，泥页岩生烃能力强，意味着有足够的母质来生成烃类物质；泥页岩中含气量与有机碳含量具有正相关关系[17-19]，随泥页岩中有机碳含量增高而增大，生烃母质增加的同时，也增加了吸附表面积，进而增加了吸附气含量。

聊页参1井共采集89件泥页岩TOC样品，其中山西组10件，有机碳含量在0.57%～26.65%，好—极好烃源岩样品占70%。太原组76件，有机碳含量在0.23%～31.45%，中等烃源岩占60.53%(图2)，本溪组3件，有机碳含量在0.20%～0.35%，均为非烃源岩。

山西组泥页岩发育厚度相对较薄，且主要集中发育在煤3以下，样品数量少，但有机碳含量值比较高，平均值为9.50%。太原组暗色泥页岩发育层数多，厚度占比大，以中等烃源岩为主，具备页岩气生成的物质基础，为页岩气生成有利层段。

1—中砂岩；2—细砂岩；3—粉砂岩；4—砂质泥岩；5—粉砂质泥岩；6—泥岩；7—灰岩；8—煤图1 聊页参1井山西组和太原组综合柱状图

烃源岩类型评价参数烃源岩级别极好好中等差非泥岩、碳质泥岩有机碳(%)9.0～403.0～9.01.5～3.00.6～1.5<0.6氯仿沥青“A”(%)0.280～2.000.080～0.2800.040～0.0800.015～0.040<0.015S1+S2(mg/g)20～2006.0～202.0～6.00.5～2.0<0.5

据黄第藩等，1996年。

1—极好烃源岩；2—好烃源岩；3—中等烃源岩；4—差烃源岩；5—非烃源岩图2 聊页参1井样品烃源岩评价图

3.2 氯仿沥青“A”

聊页参1井获取氯仿沥青“A”样品36件全部来自太原组，氯仿沥青“A”值在0.006%～0.037%，其中26件小于0.015%，占样品总数的72.22%，为非烃源岩，仅10件样品值在0.015%～0.040%之间，占样品总数的27.78%，为差烃源岩。仅从氯仿沥青“A”分析结果来看，太原组暗色泥页岩以非烃源岩为主。

3.3 生烃潜量(S1+S2)

生烃潜量是指单位烃源岩中的有机质在自然地质条件下能够转化成烃类物质的最大数量，通常采用S1+S2表示。S1表示岩石中已生成但未排出的烃类物质，也被称为残留烃，S2表示岩石中能够生成但尚未生成烃类的有机质[20]。

聊页参1井采集生烃潜量(S1+S2)样品83件，山西组10件样品中S1+S2值为大于20mg/g的样品仅1件，6.0～20.0mg/g之间的样品4件，2.0～6.0mg/g之间的样品3件，即中等以上烃源岩占样品总数的80%。太原组71件生烃潜量样品中，0.5～2.0mg/g之间的样品52件(图3)，2.0～6.0mg/g之间的样品16件，即差烃源岩占73%，中等烃源岩占23%，从生烃潜量分析，太原组以占96%的差—中等烃源岩为主。

1—山西组；2—太原组；3—本溪组图3 聊页参1井样品生烃潜量统计图

4 有机质类型

干酪根是指动植物遗骸在地下深部被细菌分解，除去糖类、脂肪酸及氨基酸之后残留下的不溶于有机溶剂的高分子聚合物。根据《透射光-荧光干酪根显微组分鉴定》标准[21]，可以采用干酪根显微组分类型指数(TI)法来确定有机质类型。

对聊页参1井烃源岩干酪根类型指数统计(表2、图4)，可以得出，暗色泥页岩镜质组的含量分布较为分散，在42%～85%之间都有分布，但大部分在60%～80%之间。惰质组含量分布在3%～22%之间，一般小于20%，腐泥组+壳质组的含量小于48%，分布较为分散。33件样品全部为Ⅲ型干酪根，Ⅲ型干酪根以生气为主[22-23]，说明太原组暗色泥页岩具备生气的基础条件。

表2 聊页参井烃源岩干酪根类型指数统计

5 有机质热演化程度

镜质体反射率是判别有机质热演化程度的重要参数之一，有机质进入成熟阶段为有机质大量生烃的标志。

聊页参1井太原组32件镜质体反射率样品全部进入生烃门限(Ro≥0.5%)(图4)，其中8件样品处于低成熟阶段(0.5%≤Ro<0.7%)，占样品总数的25%；19件样品处于成熟阶段(0.7%≤Ro<1.3%)，占样品总数的59%；3件样品处于高成熟阶段(1.3%≤Ro<2.0%)，占样品总数的9%；2件样品处于过成熟阶段(Ro>2.0%)，占样品总数的6%；大多数样品热演化程度处于成熟及以上热演化阶段，说明太原组已进入大量生烃阶段。

图4 干酪根显微组分含量三角图

聊页参1井镜质体反射率样品采自1685～1805m，88%的样品镜质体反射率值在0.6%～1.5%之间，有机质热演化程度分类为中低[8]。因采样深度变化不大，镜质体反射率随深度而增高趋势不明显(图5)，2件样品镜质体反射率值突然增大，推测与岩浆岩活动有关。

图5 聊页参1井不同深度镜质体反射率

6 结论

(1)通过分析上古生界发育特征，认为石炭-二叠系山西组和太原组暗色泥页岩最为发育。利用聊页参1井揭露地层资料分析研究表明，暗色泥页岩主要发育在山西组煤3以下和太原组，结合沉积环境分析认为，山西组下部和太原组具备页岩气形成的沉积环境和岩性条件。

(2)利用有机地化数据对山西组和太原组暗色泥页岩进行分析，其有机碳含量一般大于1.5%，以中等—极好烃源岩为主，具备页岩气形成的物质基础；有机质类型全部为生气为主的Ⅲ型干酪根，镜质体反射率一般在0.6%～1.5%之间，认为其具有页岩气生成的有机质类型和演化条件。

(3)由于该区山西组泥页岩主要发育在煤3以下，建议进一步勘查时将山西组下部泥页岩和太原组泥页岩作为整体进行勘查研究。