海陆过渡相泥页岩可压地质特征研究—临兴中区石炭-二叠系泥页岩为例

韩 冬 吴 鹏 孔 为

（1.中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300452；2.中联煤层气股份有限公司，北京 100011）

我国页岩气勘探技术程度较低，地质条件复杂，工程技术不完善，严重制约我国页岩气勘探开发。特别是我国海陆过渡相页岩气勘探开发技术及经验比较匮乏，鉴于目前我国90%以上的页岩气钻井需要经过储层压裂改造后才可能有较好的产量，因此评价海陆过渡相页岩气储层可压性是判断海陆过渡相页岩区块勘探开发能否取得重要突破的关键之一[1-4]。鉴于此，本文基于鄂尔多斯东缘临兴区块近三年页岩气探井资料，综合分析岩性、孔裂隙、矿物含量及脆性指数等可压地质参数，探讨了该区石炭-二叠系海陆过渡相页岩层系可压潜力，为该区海陆过渡相页岩气储层压裂改造提供科学依据。

1 地质背景

鄂尔多斯盆地位于中国大陆中部，是一个多旋回演化、多沉积类型的大型沉积盆地。鄂尔多斯盆地构造上隶属华北地台西部，现今构造面貌为一南北翘起、东翼缓而长、西翼短而陡的不对称向斜[5-6]。盆地内划分为六个二级构造单元：伊盟隆起、渭北隆起、天环坳陷、伊陕斜坡、西缘冲断带、晋西挠褶带（图1）。

图1 鄂尔多斯盆地构造区划图

临兴中气田归属于鄂尔多斯盆地晋西挠褶带。上古生界地层以海陆过渡相－陆相碎屑岩沉积为主，地层自下而上发育石炭系本溪组、二叠系太原组、山西组、下石盒子组、上石盒子组和石千峰组[7]。其中石炭系-二叠系山西组下段发育大套海陆过渡相泥页岩层段，气测显示明显的页岩层段累计可达10～100 m，其中山2 段为1.7～32.6 m，太1 段为1.4～29.1 m，太2 段为5～25 m，本1 为2.2～21 m，本2 段为1～7 m，为该区海陆过渡相页岩气勘探提供了物质基础。

2 页岩气储层特征

2.1 岩性特征

临兴中区块海陆过渡相泥页岩层段发育泥岩、碳质泥岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、粉细砂岩、薄煤层等多种细粒岩性，进一步细分为黏土质泥页岩、碎屑质泥页岩、含灰质泥页岩、碳质泥岩四大类型。黏土质泥页岩整体均发育，灰色呈块状，层理不发育；碎屑质泥页岩多发育于山西组山2 段，偶见平行层理，多夹砂质条带；碳质泥岩多发育太原组含煤层系，层理相对发育，局部见植物碎屑和薄煤线；灰质泥页岩多发育本溪组和太原组下部太2 段，其层理不发育，以块状-层状结构为主，见黄铁矿和贝壳类化石。

2.2 孔裂隙发育特征

氩离子抛光-场发射扫描电镜表明海陆过渡相页岩中无机孔、有机质均有发育，裂缝形态多样，且多在有机质内部见微裂隙，呈锯齿状、片状、弯曲状、X 型、Y 型，宽度主要介于10～500 nm 之间，长度为微米级（图2）。利用CT 扫描刻画不同类型泥页岩裂缝特征，结果显示碎屑质页岩微裂缝裂缝最发育，裂缝宽度较宽及延伸较长，灰质泥页岩次之（表1）。

表1 不同泥页岩样品CT 扫描裂缝参数

图2 太原组泥页岩孔隙发育特征

3 矿物成分

页岩的矿物成分主要组成为脆性矿物和黏土矿物，它们是影响其力学性质、基质孔隙和裂缝发育以及压裂改造方式等的重要因素，因此，常将脆性矿物含量作为泥页岩储层可压性评价的重要参数之一[8]。

3.1 脆性矿物

根据X-衍射全岩矿物成分分析结果，石炭-二叠系泥页岩储层脆性矿物以石英为主，另外还含有钾长石、斜长石、方解石、白云石、黄铁矿、菱铁矿、铁白去石等。通过对临兴中区182 件样品实验分析，山西组-太原组-本溪组泥页岩中脆性矿物总含量为8%～91%，其中石英平均含量为34.9%，长石平均含量为4.0%，黄铁矿平均含量为0.8%，碳酸盐平均含量为7.3%（图3）。

3.2 黏土矿物

黏土矿物是泥页岩的重要组成部分，也是泥页岩储层压裂改造的不利因素。黏土特征含量越高，储层的塑性越强，越难压裂[9]。黏土矿物主要包括蒙脱石、伊利石、绿泥石、高岭石等。

临兴中泥页岩储层中黏土矿物含量在3.4%～92%，其中山2 段黏土矿物平均含量为42.7%，太1 段黏土矿物平均含量为49.4%，太2段黏土矿物平均含量为37.6%，本1 段黏土矿物平均含量为50.1%，本2 段黏土矿物平均含量为59.7%。样品中未检出水敏性最强的蒙脱石，说明临兴中泥页岩储层有利于人工压裂改造。

3.3 脆性指数

选取石英、长石、方解石作为海陆过渡相页岩脆性主要矿物成分，利用矿物组分计算脆性指数探讨页岩可压性。其中：脆性指数＞40%，脆性很强；20%～40%为脆性中等，10%～20%为脆性较弱，小于10%为塑性。

脆性指数（BI）计算公式：

式中：BI为岩石脆性指数（以石英+长石+碳酸盐矿物+黄铁矿含量计），%。

182 件样品脆性指数结果显示，区内海陆过渡相样品脆性指数差异较大，总体样品的脆性系统介于40%～60%，其中碎屑质泥页岩脆性指数最大可达60%以上，脆性很强；碳质泥页岩、灰质泥页岩样品脆性指数在20%～40%，黏土质泥岩样品脆性指数在0～20%。

4 可压性探讨

海陆过渡相泥页岩层段岩性复杂，夹杂碳质泥岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、粉细砂岩、薄煤层等，气测显示较好的页岩层段具有“平面累计厚度大、纵向薄层多叠置”的特征，平面资源潜力有保障，但后期纵向优势层段选取是勘探开发的基础；可压性方面，页岩中具有“孔裂隙组合、脆性指数差异大”的特点，其中孔隙类型中无机孔、有机孔均有发育，但不同类型的泥页岩孔裂隙发育有差异，呈现出多种孔隙类型组合的特征；利用石英、长石、碳酸盐矿物评价泥页岩脆性指数显示，总体以中等脆性为主，其中碎屑质泥页岩脆性最高，其次为灰质泥页岩和碳质泥页岩；黏土矿物中不发育水敏性最强的蒙脱石是有利可压的条件。综上所述，该区海陆过渡相泥页岩具有一定的资源潜力，且碎屑质泥页岩、灰质泥页岩、碳质泥页岩孔隙-裂隙发育且脆性矿物含量高，脆性较强，具有一定的可压潜力，后期优选上述泥页岩层段进行压裂测试。

5 结论

1）海陆过渡相页岩可分为黏土质泥页岩、碎屑质泥页岩、含灰质泥页岩四大类，涉及的岩性包括泥碳质泥岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、粉细砂岩、薄煤层等。

2）海陆过渡相页岩孔裂隙发育，但类型多样，不同泥页岩孔裂隙连通性不同。其碎屑质页岩微裂缝裂缝最发育，裂缝宽度较宽及延伸较长，连通性较好；灰质泥页岩次之。

3）海陆过渡相页岩脆性矿物以石英为主，平均含量为34.9%。脆性指数差异较大，样品的脆性指数介于40%～60%，碎屑质泥页岩脆性指数最大可达60%以上，脆性最强。

4）海陆过渡相有利页岩层段具有“平面累计厚度大、纵向薄层多叠置”的特征，资源有保障；碎屑质泥页岩、灰质泥页岩、碳质泥页岩孔隙-裂隙发育、脆性指数适中，为具有可压潜力的优质页岩层段。