沁水盆地中段煤系页岩气地球化学特征研究

曾 玲

(山西省煤炭地质勘查研究院，太原 030006)

0 引言

在“碳中和”成为国家的重大部署的背景下，“降煤増气”成为能源革命的一大趋势，山西省煤炭资源丰富，同时蕴含着丰富的煤非常规天然气，目前，山西省内的天然气产量绝大部分为煤层气的产量，页岩气、致密气尚未大规模开采。因此，加强页岩气的勘探开发研究尤为重要。近年来，国内外页岩气研究较多，主要集中在海相页岩气储层特征和有机地球化学特征等方面。王淑芳等通过对我国海相页岩气与美国进行对比，我国海相页岩具有成熟度过高、盆地内外差异大的特征[1]。魏祥峰等、陈磊等对海相和陆相页岩气储层孔隙结构和特征进行了对比研究[2-3]。邹才能[4-5]等通过对我国页岩气勘探开发成果的分析，发现我国实现页岩气规模开发的区域主要集中在海相页岩气。目前，对海相页岩气的研究比较成熟，而海陆过度相页岩气的研究较少，勘探程度也较低，本文通过采样测试，分析整理对沁水盆地中段页岩气的有机地球化学特征进行了研究，为沁水盆地页岩气勘探提供一个可参考的指导方向和基础数据。

1 页岩层段的划分及相关样品选择

1.1 页岩层段的划分

本区含气页岩主要赋存层位是山西组、太原组和本溪组上段。由于本区面积较大，页岩气勘查程度低；加之煤系地层为海陆过渡相沉积环境，横向上岩性变化频繁，不利于含气页岩段的对比。本次页岩层段的对比选取了煤系地层中发育稳定的标志层进行[6]，包括：下石盒子组底界K8砂岩、3号煤层、K4石灰岩、K2石灰岩、15号煤层、铁铝岩段，将页岩层系划分为四个目标层段[7]，分别为：

Y1层段：K8砂岩底至3号煤层顶；该页岩层段夹1号、2上号、2号、3上号等薄煤层，是3号煤层顶板所在层段，含砂岩夹层一般1～2层；层段顶3号煤层、底K8砂岩全区可对比，其间发育多层泥页岩。

Y2层段：3号煤层底至K4石灰岩顶；该页岩层段夹3下号、4号、5号、6号、7号、8-1号、8-2号、9号、10号等薄煤层，太原组上部K5石灰岩偶有发育，含砂岩夹层2～4层，其中K7全区可对比；层段顶3号煤层、底K4石灰岩全区可对比，其间发育多层泥页岩。

Y3层段：K4石灰岩底至K2石灰岩顶；该页岩层段夹11号、12号、13号薄煤层，层段中部K3石灰岩全区可对比，含砂岩夹层一般1～2层；层段顶K4石灰岩、底K2石灰岩均全区可对比。

Y4层段：K2石灰岩底至15号煤层顶+15号煤层底至铁铝岩段顶；该页岩层段夹14号、16号薄煤层，是15号煤层顶底板所在层段，含砂岩夹层一般1～3层，其中K1全区可对比，层段下部偶有石灰岩或铝质泥岩夹层发育；其间发育多层泥质岩。

1.2 页岩相关样品选择

本次页岩采样目标层位为下石盒子组底部K8砂岩以下至本溪组铁铝岩段，页岩采样以泥岩、页岩、砂质泥岩、粉砂岩为主，当其他层位或其他岩性有明显的气测异常时，适当采取代表性样品。在气测异常段以2～3m间隔进行采样，一般样品长度为0.20～0.40m，共采样测试244个。

1)页岩含气量及气组分样。页岩含气量测试暂无标准可循，本次仍参考《煤层气含量测定方法》(GB/T 19559—2008)进行采样测试，采样方法同上。采样和测试过程符合规范要求。

含气量测试结束后，将解吸的气体进行气体组分分析，按《天然气的组成分析气相色谱法》(GB/T 13610—2003)标准执行。

2)总有机碳(TOC)样。页岩含气量样在测试结束后，进行总有机碳测试。

3)岩石热解、干酪根类型测试等。该类样品不单独另采，待页岩含气量测试结束后，在含气量样中按一定的间隔选取满足测试要求所需样品(包括质量、形态等要求)进行测试。

岩石热解测试：按照每50m左右的间隔选取样品。测试按《岩石热解分析》(GB/T 18602—2012)标准执行。

干酪根类型及镜质组随机反射率测试：按照每层段3个均匀分布采取样品。碳酸盐含量测试：按照每层段3个均匀分布采取样品。真/视密度测试：按照每层段3个均匀分布采取样品。

岩石薄片鉴定：按照每层段5个均匀分布采取样品。磨片制成薄片，进行岩石薄片鉴定。测试按《岩矿鉴定技术规范 第4部分：岩石薄片鉴定》(DZ/T 0275.4—2015)标准执行。

全岩及黏土矿物X射线衍射试验：按照每层段3个均匀分布采取样品。测试按《沉积岩粘土矿物相对含量X射线衍射分析方法》(SY/T 5163—2010)标准执行。

扫描电镜分析：按照每层段3个均匀分布采取样品。测试按《岩石样品扫描电子显微镜分析方法》(SY/T 5162—1997)、《岩石矿物能谱定量分析方法》(SY/T 6189—1996)标准执行。

2 泥页岩有机地化特征

2.1 有机质类型

烃源岩有机质干酪根类型按三类四分法可分为：I型-腐泥型、II型(IIl-腐殖腐泥型II2-腐泥腐殖型)和III型-腐殖型。一般的，I型干酪根生油量最大，而III型干酪根则以生气为主。

目前烃源岩有机质类型主要从不溶有机质(干酪根)和可溶有机质(沥青)的性质和组成进行评价。方法主要有干酪根元素分析法、干酪根显微组分分析法、岩石热解参数评价法等。

首先采用显微组分分析法，即根据干酪根在显微镜下的特征，统计类脂组、壳质组、镜质组、惰质组的含量，计算干酪根显微组分类型指数(TI)。根据测试结果，类型指数在-61～-80，均属于Ⅲ型干酪根(表1)。

表1 各层段干酪根类型划分参数统计Table 1 Statistics of shale sets kerogen type division parameters

用氢指数IH对干酪根进行划分，IH<150为III型干酪跟。研究区IH为6.67～133.38mg/g，平均28.53mg/g，为III型干酪根。另外从Tmax与IH关系图中也可看出本区泥页岩有机质干酪根类型以Ⅲ型为主(图1)。

图1 IH与Tmax对干酪根分类Figure 1 IH and Tmax on kerogen type division diagram

此外，根据页岩气组分稳定碳同位素分析测试结果，气组分中仅有甲烷测得δ13C，其他组分均未测得。甲烷δ13C平均为-32.78‰，均属于Ⅲ型干酪根。

2.2 有机质丰度

页岩中的有机碳(TOC)是单位质量岩石中有机质的含量，是评价烃源岩生烃能力的重要参数(表2)。在其他条件相近的前提下，TOC含量越高，生烃潜力越大，且气体储集能力越大，越有利于页岩气富集。

表2 总有机碳划分标准Table 2 Total organic carbon division criterion

TOC测试分析表明：从频率分布上来看，富有机质泥页岩有机碳含量频率呈单峰状分布，主峰位于1%～2%，其中TOC<0.5%的占11%，介于0.5%～1%的占16%，介于1%～2%的占39%，介于2%～4%的占23%，介于4%～12%的占7%，TOC>12%的占5%(图2)。整体上来看，大部分泥页岩TOC>1.0%(占73%)，即有机碳大部分介于一般到极好之间，具有较好的生烃潜力。

TOC百分含量/%图2 TOC分布频率Figure 2 TOC distribution frequencies

按层段统计TOC测试结果，统计各数值区间内的数据量，做各层段TOC测试结果的区间分布图(图3)。为反映层段整体情况，在计算各层段的平均TOC含量时，先剔除了层段中TOC>12%的值，然后做算术平均(表3)。

表3 各层段TOC平均值统计Table 3 Statistics of shale sets TOC averages /%

TOC百分含量/%图3 各层段TOC数据分布Figure 3 Shale sets TOC data distribution

各层段TOC含量均呈单峰分布，Y1层段TOC以0.5%～4%为主，0.5%～2%区间样品最多；Y2层段TOC以0.4%～4%为主，1%～4%区间样品最多；Y3层段TOC分布在1%～4%样品最多；Y4层段TOC分布在1%～2%样品最多；整体Y2层段厚度大，TOC含量高，为较有利的页岩生气储层。

2.3 有机质成熟度

烃源岩有机质成熟度是衡量烃源岩实际生烃能力的重要指标之一，是评价烃源岩生烃量及资源前景的主要依据。镜质体反射率(Ro)、热解峰顶温度(Tmax)是常用的表征烃源岩成熟度的指标。

由测试结果可见(表4)，镜质组反射率一般为2.01%～2.77%，平均为2.47%。根据晚期生油理论，当Ro>2.0%时为生干气阶段，以大量生成甲烷为主。可见本区各烃源岩均处于生干气阶段。Tmax为411.6～577.00℃，平均524℃。根据我国陆相烃源岩Tmax划分成熟度标准，Tmax(℃)在435～440℃为低成熟阶段，在440～450℃为成熟阶段，在450～880℃为高成熟阶段，可见本区烃源岩一般处于高成熟阶段。

表4 泥页岩有机质成熟度参数统计Table 4 Statistics of argillutite maturity parameters

两种有机质成熟度参数都表明，泥页岩储层主体位于甲烷大量生成阶段，有利于形成页岩气藏。

3 泥页岩矿物组成特征

页岩气的生产速度依赖于裂缝的发育程度，而裂缝发育程度取决于页岩的矿物组成，故页岩的矿物组成在很大程度上影响页岩气的产能。脆性矿物含量是影响页岩基质孔隙和微裂缝发育程度、压裂改造方式的重要因素。X射线衍射(XRD)测试是常用的泥页岩矿物组成特征分析方法。

由X衍射测试数据可见，本区泥页岩中常见的矿物包括：石英、钾长石、斜长石、方解石、白云石、菱铁矿、黄铁矿、赤铁矿、重晶石、钙芒硝、硬石膏、鳞石英、非晶体、锐钛矿、铁白云石、黏土矿物(图4)，黏土矿物含量为2.4%～63%，平均为45.1%；其次为石英含量为8.7%～62.2%，平均为40.2%；其他矿物仅少数样品测得，所占比重不大，一般在10%以下(表5)。

表5 泥页岩主要矿物成分统计Table 5 Statistics of argillutite main mineral components /%

从剖面上分层段的统计数据来看：

Y1层段泥页岩中黏土矿物平均含量49.0%，石英平均含量43.4%；Y2层段泥页岩中黏土矿物平均含量46.7%，石英平均含量40.9%；Y3层段泥页岩中黏土矿物平均含量43.8%，石英平均含量35.7%；Y4层段泥页岩中黏土矿物平均含量40.4%，石英平均含量40.3%。总体来看，各层段黏土总量、石英的含量平均值相差不大。

脆性是页岩气评价中的重要指标之一，是储层造缝难易程度的主要因素，极大地影响着页岩气开发的产能和实效[8-9]。国内外主要采用测井分析和矿物成分分析两种方法[10]，本次采用矿物成分简易计算方法进行评价，即：

脆性指数=石英含量/(石英含量+黏土矿物含量+碳酸盐矿物含量)

本区各层段泥页岩脆性指数大部分为30%～60%，脆性指数平均值均>30%(图5)。总体看来，页岩脆性指数尚可，具有良好的可压裂性和开采潜力。

样品编号 样品编号图4 泥页岩X衍射(全岩、黏土)测试成果Figure 4 Argillutite X-ray diffraction(total rock,clay)tested results

样品编号图5 泥页岩脆性指数分布Figure 5 Argillutite brittle indices distribution

泥页岩中碳酸盐矿物主要为方解石，碎屑成因的方解石可作为脆性矿物，根据页岩碳酸盐含量测试成果(表6)，Y1层段碳酸盐含量平均2.0%，Y2层段碳酸盐含量平均5.4%，Y3层段碳酸盐含量平均4.5%，Y4层段碳酸盐含量平均4.8%。太原组页岩碳酸盐含量明显高于山西组页岩，以Y4层段碳酸盐含量最高，海相沉积环境下页岩碳酸盐含量更高。

表6 页岩碳酸盐含量Table 6 carbonate content of Shale %

4 结论

1)根据富气泥页岩的发育层位、分布范围和埋藏深度划分了四套页岩层Y1、Y2、Y3、Y4。

2)通过对样品的分析，得出页岩有机地化特征，页岩干酪根为Ⅲ型腐殖型，有机质含量平均为1.90%，镜质组反射率平均为2.47%，干酪根处于高成熟阶段，具有较好的生烃潜力。

3)泥页岩黏土矿物含量为2.4%～63%，平均为45.1%；其次为石英含量为8.7%～62.2%，平均为40.2%；其他矿物仅少数样品测得，所占比重不大，一般在10%以下。页岩脆性指数平均值>30%。

4)综合评价后四套页岩层Y1、Y2、Y3、Y4中，整体Y2层段厚度大，TOC含量高，为较有利的页岩生气储层。