鄂尔多斯盆地石炭-二叠纪海陆过渡相页岩气成藏条件及勘探潜力

刘 亢

(中国煤炭地质总局勘查研究总院，北京 100039)

进入21世纪以来，页岩气的勘探开发的国际战略地位越来越重要。美国和加拿大是最早进行页岩气勘探开发的国家，据美国能源信息署预测，到2050年，美国陆上除页岩油气区外其他领域天然气产量持续下降，海上天然气产量基本保持平稳，天然气产量增长几乎全部依赖页岩气[1-3]。我国页岩气储层类型多样，分为海相、海陆过渡相和陆相储层，通过多年的攻关和探索，我国南方海相页岩气勘探开发取得了重大突破。然而，我国海陆过渡相地层中也发育多套有机质含量较高的泥页岩。据《页岩气发展规划(2016—2020年)》，2015年国土资源部评价全国页岩气技术可采资源量21.8×1012m3，其中海陆过渡相5.1×1012m3。华北地区C—P海陆过渡相富有机质泥页岩分布面积达15×104km2，以煤系页岩气为主要类型，具备良好的聚集成藏潜力，逐步受到重视。2014年，河南豫矿地质勘查投资有限公司在我国南华北盆地实施钻探首口海陆过渡相页岩气井——牟页1井，明确了页岩气主要目的层为石炭-二叠系太原组、山西组和下石盒子组含煤岩系，获得日产1 256 m3的稳定气流[4-6]，这是国内首次取得的海陆过渡相页岩气勘查的重大发现。海陆过渡相的煤系页岩气为煤层、泥页岩与致密砂岩叠置成藏，其成藏条件和开采过程更为复杂，与海相、陆相页岩气存在较大差异，因此对其基础研究及勘探开发工作尚待深入推进[7-11]。

鄂尔多斯盆地是我国重要的煤炭资源战略基地，盆地西缘本溪组泥页岩有机质丰度高，有效泥页岩最厚处位于银川东南地区附近，厚度大于40m[12]；盆地北部太原组发育泥页岩层段，平均泥地比大于40%，TOC含量位于2.0%～2.5%[13]，有机质成熟度适中，具有较强的生烃能力；盆地东缘山西组TOC含量较高，山西组上段平均5.28%，山西组下段平均3.02%，Ro平均1.89%，生气条件优越[14]。鄂尔多斯盆地煤系页岩气潜力不容忽视，是我国页岩气的战略准备区[15]。然而，前人对鄂尔多斯盆地页岩气的研究多集中于盆地东缘和南北部，对盆地西缘的研究较少，且对整个盆地的石炭-二叠系页岩气的勘探潜力区筛选尚未进行系统研究。因此，本文以鄂尔多斯盆地石炭-二叠纪煤系为研究对象，分析泥页岩的分布、埋深、地化、矿物、孔渗特征，为海陆过渡相页岩气的勘探开发提供一定科学依据。

1 地质背景

鄂尔多斯盆地位于华北陆块西部，受印支运动和燕山运动的影响，盆地东部边界退至吕梁山以西。晚侏罗世到早白垩世，吕梁山隆起之后，盆地开始独立发展，其主体部位与晚古生代克拉通盆地继承性发育，具有稳定的基底，仅在盆缘发育断裂和褶皱，因此被称为残延内克拉通盆地[16-18]。鄂尔多斯盆地内部构造简单、地层平缓、活动微弱，主要表现为隆起、拗陷、宽缓褶皱等构造形式，而盆地边缘表现为断裂、褶皱密集发育，岩浆活动发育，活动性较强，为活动的褶皱山系和地堑系，总体构成稳定地块被活动构造带所环绕的构造格局(图1)。

区域构造格局控制了盆地泥页岩沉积环境和沉积分布情况，进一步控制着页岩气生成、形成、富集及分布，尤其影响着页岩气形成母质类型和保存条件。整体上，鄂尔多斯盆地晚古生代沉积时期，受控于华北地台，区域构造特征相对稳定、断裂系统不发育、保存条件较好，沉积环境以海陆过渡相沉积为主。晚石炭世，盆地由海相逐渐过渡为海陆过渡相，包括沼泽相、三角洲相、障壁岛相、潟湖相、潮坪相和河口湾相，沉积了本溪组、太原组和山西组煤系富有机质泥页岩。

图1 鄂尔多斯盆地构造简图Figure 1 Tectonic sketch of Ordos Basin

2 研究方法

本文在鄂尔多斯盆缘桌子山、贺兰山、准格尔、河东和渭北5个煤田中，选取了11 个钻孔共337个暗色煤系泥页岩样品，进行了地化特征和储层特征测试。

依据《沉积岩中总有机碳的测定》(GB/T19145—2003)中的测定标准，利用CS230型碳硫分析仪，进行了TOC含量测试，分析了有机质含量。依据《岩石热解分析》(GB/T18602—2012)中的测试标准，利用OGE-VI岩石热解仪进行岩石热解实验测试，获得了热解峰温Tmax、氢指数HI等一系列热解参数，分析了有机质类型。利用岩石热解实验获得的Tmax值，通过Jarvie等(2001)确定的公式计算：

Ro= 0.018×Tmax-7.16

(1)

式中：Ro为镜质体反射率，%；Tmax为热解峰温，℃。 (当S2<0.2mg/g时，Tmax不可靠)，估算了研究区富有机质页岩的镜质体反射率Ro值，分析了有机质成熟度。

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)，利用日本理学TTRIII 多功能X射线衍射仪，分析了储层矿物成分。通过常规压汞测试、高压压汞测试等测试，分析了储层孔隙度和渗透率。借助氩离子抛光-扫描电镜技术，对鄂尔多斯煤系页岩微观储集空间进行观察，分析了页岩储层孔缝特征。

综合鄂尔多斯盆地地质背景、泥页岩发育特征、有机地化及储层物性数据分析，研究鄂尔多斯盆地石炭-二叠纪海陆过渡相页岩气的成藏条件及勘探潜力。

3 泥页岩地层特征

鄂尔多斯盆地本溪组以障壁岛-潮坪-潟湖沉积体系为主，主要为灰黑色—灰色泥岩与粉砂岩、细砂岩，不稳定的薄煤层或煤线互层，泥页岩厚度5～100m，平均厚度30m，埋深一般在1 000～3 500 m。太原组在盆地北部为辫状河至三角洲相带，南部广大区域为潟湖—潮坪—障壁岛，东部为浅海陆棚碳酸盐岩沉积体系[18-21]，主要为暗色泥页岩与薄层粉砂岩、细砂岩、碳酸岩及煤层互层，泥页岩厚度5～100m，平均厚度40m。山西组以三角洲碎屑岩沉积和潮坪沉积为主[18-20]，全区分布，主要为暗色泥页岩与薄层粉砂岩、细砂岩及煤层互层，泥页岩厚度10～170m，平均厚度60m(表1)。

表1 鄂尔多斯盆地煤系泥页岩地层特征Table 1 Coal measures argillutite stratigraphic features in Ordos Basin

4 地球化学特征

4.1 有机质丰度

有机质丰度代表岩石中有机质的相对含量，衡量和评价岩石生烃潜力，可用TOC含量来表达。TOC含量0.5%是泥页岩产气的下限，而较为有利的产气页岩TOC含量应大于2%[22]。煤系泥页岩在垂向上与砂岩和煤层互层，有机质丰度较高，烃源岩TOC含量大于3.0%为较好的烃源岩，1.5%～3.0%为中等烃源岩，0.75～1.5%为较差烃源岩。

鄂尔多斯盆地石炭-二叠纪海陆过渡相暗色泥页岩TOC含量普遍较高，大部分地区大于2%，煤层附近的炭质泥岩最高可达28%，尤其是河东煤田和准格尔煤田，TOC含量甚至大于3%(表2)。这是由于鄂尔多斯盆地海陆过渡相暗色泥岩在垂向上与薄煤层、粉砂岩、细砂岩频繁互层，岩性变化快，TOC含量不稳定，旋回性明显，平均值较高。海陆过渡相煤系泥页岩有机质丰度往往高于海相页岩，其丰富的有机质在一定程度弥补了生烃潜力相对较低的不足。页岩气开发的实践表明，TOC含量与页岩含气量为正相关关系，TOC含量越大，其容纳及吸附能力就越强。因此，鄂尔多斯盆地海陆过渡相煤系泥页岩的高TOC含量决定了其较高的页岩气聚集能力。

表2 鄂尔多斯盆地海陆过渡相暗色泥页岩TOC含量Table 2 TOC content percentages of marine-terrestrialtransitional facies dark argillutite in Ordos Basin %

4.2 有机质类型

本次研究采用岩石热解方法进行有机质类型的判断。岩石热解参数S1+S2> 20为I型，6～20为II1型，2～6为II2型，< 2为Ⅲ型；TYC> 20为I型，10～20为II1型，5～10为II2型，< 5为Ⅲ型[23-25]。

据岩石热解实验，从生烃潜量S1+S2以及热解类型指数TYC均值，鄂尔多斯盆地石炭-二叠系暗色泥页岩干酪根类型以Ⅲ型为主，仅在河东煤田和准格尔煤田有少量Ⅰ型和Ⅱ型(表3)。这是由于鄂尔多斯盆地海陆过渡相煤系泥页岩多形成于水动力条件相对较强的浅水环境，有机质主要来源于陆生高等植物，以及藻类等低等植物或水生动物。煤系泥页岩的Ⅲ型干酪根与海相页岩Ⅰ、Ⅱ型干酪根生烃模式不同，它没有明显的生气高峰，而是缓慢、连续、长期的生成气态烃。煤系页岩气比海相页岩气更早地进入富集页岩气窗，随着有机质演化程度越来越高，生气量越来越大，页岩气富集窗范围显然更大。并且，Ⅲ型干酪根生烃后形成的孔隙为页岩气提供了有效的储集空间，不会出现Ⅰ、Ⅱ型干酪根液态烃类堵塞孔喉，阻碍气态烃类运移的不利情况。

表3 鄂尔多斯盆地海陆过渡相暗色泥页岩干酪根类型Table 3 Kerogentypes of marine-terrestrial transitionalfacies dark argillutite in Ordos Basin

4.3 有机质成熟度

成熟度控制有机质生烃、有机质孔隙发育和甲烷稳定性，随着成熟度增加，页岩气生成量增加，页岩微孔隙增多，吸附能力增强，页岩含气量相应增加。镜质组反射率Ro可作为有机质成熟度的指标，当Ro<0.5%时，干酪根处于未成熟阶段；当0.5%2.0%时，为干气带，过成熟阶段。

鄂尔多斯盆地石炭-二叠纪暗色泥页岩有机质成熟度平均1.35%，一般在1.0%～1.5%，处于成熟—高成熟阶段，仅贺兰山煤田为2.97%～3.48%，为过成熟阶段(表4)。这是由于鄂尔多斯盆地石炭二叠纪泥页岩埋深较浅，地层压力较小，热演化程度较低，但贺兰山地区由于岩浆热事件的叠加影响，热演化程度过高。泥页岩的吸附能力也受有机质成熟度的影响，随着热演化程度的不断加深，大量生成的烃类物质会产生地层压力，使吸附气含量不断增大。但当泥页岩有机质成熟度加深到一定程度后，会导致有机质生烃衰竭，而且岩层中有机碳会呈现石墨化趋势。因此，适中的热演化程度是页岩气成藏的必要条件。

表4 鄂尔多斯盆地海陆过渡相暗色泥页岩有机质成熟度RoTable 4 Organic matter maturity (Ro) percentages ofmarine-terrestrial transitional facies dark argillutite in Ordos Basin %

5 储层特征

5.1 矿物组成

脆性矿物含量是评价页岩可改造性的重要指标，是影响页岩基质孔隙和微裂缝发育程度、含气性及压裂改造方式等的重要因素。脆性矿物含量越高，越有利于储层压裂，泥页岩中脆性矿物含量可分为三个等级：40%～50%，为高等含量；30%～40%，为中等含量；<30%，为低含量。

鄂尔多斯盆地太原组泥页岩石英含量在盆地东缘和盆地南部分别为45.2%和46.0%，山西组泥页岩石英含量在盆地北部和盆地南部分别为44.0%和41.4%，脆性矿物含量达40%以上，为高等含量，易于泥页岩后期的压裂开发(表5)。盆地西缘脆性矿物含量普遍较低。

与海相页岩相比，鄂尔多斯盆地海陆过渡相泥页岩黏土矿物较为富集，而脆性矿物较为贫乏。鄂尔多斯盆地海陆过渡相泥页岩黏土矿物集中于 50%～65% ，且黏土矿物中伊蒙混层和高岭石水敏矿物含量较高。这是由于海陆过渡环境的近岸酸性介质有利于高岭石的形成和保存，海相环境或者远岸环境介质偏碱性，有利于蒙脱石和伊利石形成和保存。

表5 鄂尔多斯盆地海陆过渡相泥页岩矿物组成及含量均值Table 5 Mineral components and content averages of marine-terrestrial transitional facies argillutite in Ordos Basin %

5.2 孔隙度和渗透率

孔隙度和渗透率是判断页岩气成藏的重要参数，泥岩一般低孔隙度、特低渗透率，在断裂带、裂缝较发育的地区，泥页岩孔、渗条件有一定程度的提高。一般情况下，泥页岩的孔隙度在2%～12%，渗透率不超过0.1mD，实际开发过程中需利用压裂技术来改造储层，提高页岩气的产量。

鄂尔多斯盆地石炭-二叠纪泥页岩孔隙度在1.07%～10.08%，属于低孔隙度；渗透率除了在河东煤田本溪组和渭北煤田太原组大于0.1mD之外，其它地区均属于低渗透率(表6)。

与海相页岩相比，鄂尔多斯盆地海陆过渡相泥页岩属低孔、低渗，对其开采需依赖有效的人工压裂措施。

表6 鄂尔多斯盆地海陆过渡相煤系泥页岩孔隙度-渗透率Table 6 Porosities-permeabilities of marine-terrestrial transitional facies coal measures argillutite in Ordos Basin

5.3 孔缝特征

微孔隙和裂缝既为页岩气提供聚集空间，也为页岩气产出提供运移通道。页岩气产量与页岩内部微孔隙和裂缝发育程度有关，说明微孔隙和裂缝的存在极大地改善了页岩的渗流能力。因此，页岩气勘探目标应选拥有较高渗透能力或具备可改造条件的泥页岩微孔隙和裂缝发育带。

鄂尔多斯盆地石炭-二叠纪海陆过渡相泥页岩孔缝类型初步划分为有机孔、无机孔和微裂缝三大类。其中，无机孔分为层间孔、粒间孔、粒内孔和晶间孔；微裂缝分为溶蚀缝和成岩缝[30]。海陆过渡相泥页岩发育微孔隙和微裂缝的主要地质因素包括沉积作用、成岩作用、有机质变质作用、溶蚀作用以及构造应力作用等。微孔隙和微裂缝为煤系泥页岩气提供了良好的储集空间和渗流、运移通道，有利于煤系泥页岩气的成藏，同时也为煤系泥页岩气的压裂开采提供了有利条件。

与海相页岩相比，鄂尔多斯盆地海陆过渡相煤系泥页岩的埋深更小，压实相对较弱，物源多样性强，孔隙类型和孔隙形态更为丰富。煤系泥页岩孔隙多为大小不一的粒间孔，由有机质与其中的黏土颗粒直接接触或黏土收缩而形成，常呈狭缝状。煤系泥页岩的微裂缝总体走向近似水平，局部延伸方向在一定程度上受控于石英碎屑颗粒和有机质颗粒的形状，特别是在石英等刚性颗粒棱角支撑下，微裂缝易发生明显弯曲。透射光下，大多数微裂缝平行于层理方向延伸，在缺乏层理结构的泥页岩中依然如此。

6 海陆过渡相煤系泥页岩独特性

鄂尔多斯盆地石炭-二叠纪煤系泥页岩与海相页岩相比，在成藏方面存在一定相似之处，但也存在一定的独特性，主要表现在以下几个方面。

6.1 沉积相类型多、更替速度快

鄂尔多斯盆地石炭-二叠纪泥页岩在沼泽相、三角洲相、障壁岛相、潟湖相、潮坪相和河口湾相等海陆过渡相中皆有分布，单井剖面上对应的沉积相类型较多，且变化频率较高。沉积环境的改变，使煤系出现不同的沉积组合特征，对煤系页岩气的聚集产生多方面的影响。

6.2 岩性多旋回发育、与薄煤层互层、有机质丰度高

鄂尔多斯盆地石炭-二叠纪泥页岩岩性多样，砂岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩和泥岩交替发育，部分地区还发育碳酸盐岩。沉积环境的快速更替造成岩性的快速变化，与薄煤层的多旋回互层，导致海陆过渡相泥页岩TOC含量普遍较高。较高的 TOC 值使煤系泥页岩的吸附能力显著增强。

6.3 有机质来源主要为高等植物

与海相和湖相泥页岩不同，海陆过渡相泥页岩中有机质主要来源于陆地高等植物，干酪根显微组分以镜质组及惰质组中的丝质体为主，有机质类型以Ⅲ型为主。Ⅲ型干酪根在有机质成熟度较低时便开始生气，因此海陆过渡相页岩含气量较高。

6.4 热演化程度适中，以生气为主

鄂尔多斯盆地石炭-二叠纪泥页岩的有机质成熟度变化不大，集中在1.0%～1.5%，处于成熟—高成熟演化阶段。煤系页岩气比海相页岩气更早进入富集页岩气窗，随着有机质演化程度的提高，不断有气体生成，其富集窗范围更大。

6.5 富黏土矿物、贫脆性矿物

鄂尔多斯盆地石炭-二叠纪泥页岩中黏土矿物含量较高，集中于50%～65% ，煤系黏土矿物的大量存在提高了其对页岩气的吸附能力。同时，黏土颗粒多与有机质形成大小不一的粒间孔，为煤系页岩气提供了良好的储集空间。部分地区脆性矿物含量超过40%，利于页岩的成功压裂。

6.6 多种天然气藏同时发育

鄂尔多斯盆地石炭-二叠纪沉积环境变化快、岩性多样，致使以煤层、泥页岩为源岩的多种天然气同时发育，烃源岩与储集层空间距离相对较小，一般为同层或互层，具有煤层气、煤系页岩气、煤系致密砂岩气和常规储层气连续过渡序列[7，31-32]。

7 勘探潜力分析

鄂尔多斯盆地石炭-二叠系页岩气藏最有勘探潜力的区域位于盆地东部河东煤田山西组和太原组、盆地南部渭北煤田太原组，以及盆地西部桌子山煤田和北部准格尔煤田本溪组(图2)。

7.1 本溪组勘探潜力区

本溪组盆地沉积面貌由西向东以潮坪-潟湖-障壁岛-浅水陆棚环境为特征。泥岩厚度较大的区域主要位于天环凹陷西北部、陕北斜坡带乌审旗以东、靖边以东及志丹以东地区，泥岩厚度一般大于30m。最厚处位于中央隆起带以西的银川东南地区附近，厚度大于40m。桌子山煤田TOC均值为3.0%，Ⅲ型干酪根，Ro均值为1.0%，处于成熟阶段。准格尔煤田TOC均值为4.0%，Ⅲ型干酪根，Ro均值为1.1%，处于成熟阶段，是有利的页岩气勘探潜力区。

图2 鄂尔多斯盆地石炭-二叠纪海陆过渡相页岩气有利区Figure 2 Shale gas favorable areas in Ordos Basin Permo-Carboniferous marine-terrestrial transitional facies argillutite

7.2 太原组勘探潜力区

河东煤田TOC含量均值为5.79%，局部区域TOC高达10%以上，I型干酪根，Ro均值为1.58%，处于高成熟阶段。石英含量均值为44.1%，孔隙度均值1.99%，渗透率均值0.044mD。渭北石炭-二叠纪煤田TOC含量均值为3.82%，局部区域TOC高达6.0%以上，Ⅲ型干酪根，Ro均值为1.02%，处于成熟阶段。石英含量均值47.8%，孔隙度均值4.8%，渗透率均值0.133mD，是有利的页岩气勘探潜力区。

7.3 山西组勘探潜力区

河东煤田TOC含量均值为4.6%，局部区域TOC含量高达5.9%，Ⅲ型干酪根，Ro均值为1.69%，处于高成熟阶段。石英含量均值37.9%，孔隙度均值1.00%，渗透率均值0.007mD，是有利的页岩气勘探潜力区。

8 结论

1)鄂尔多斯盆地石炭-二叠纪煤系页岩平均厚度30～60m，埋深1 000～3 500m；TOC含量1.0%～6.8%，有机质成熟度0.54%～2.97%，干酪根类型以Ⅲ型为主；石英含量4.0%～67.5%，孔隙度在1.07%～10.08%，渗透率0.001～0.452mD，具备良好的页岩气成藏条件。

2)与海相页岩相比，鄂尔多斯盆地海陆过渡相泥页岩存在一定的独特性，即沉积相类型多、更替快速，岩性多旋回发育、与薄煤层互层、有机质丰度含量高，有机质来源主要为高等植物，热演化程度适中，以生气为主，矿物组成富黏土矿物、贫脆性矿物，多种天然气藏同时发育。

3)页岩气勘探潜力区位于盆地东部河东煤田山西组和太原组、盆地南部渭北煤田太原组，以及盆地西部桌子山煤田和北部准格尔煤田本溪组。