沁水盆地山西组页岩气勘探前景

王莉萍

（山西高碳能源低碳化利用研究设计院，山西太原 030006）

页岩气是指赋存于富有机质泥页岩及其夹层中，以吸附或游离状态为主要存在方式的非常规天然气，成分以甲烷为主，是一种清洁、高效的能源资源。中国页岩气地质资源潜力为134.42万亿立方米（不含青藏区），可采资源潜力为25.08万亿立方米 （不含青藏区）[1]。国家已颁布页岩气“十二五”发展规划，选取了19个有利开发区[2]，其中有山西寿阳和沁源两个重点勘探开发区。为了论证山西沁水盆地页岩气资源情况，作者通过野外地质调查、岩心观察、老井复查、分析测试等方法手段，对沁水盆地山西组泥页岩的有机地球化学特征、储层特征等开展初步研究，并探讨其页岩气勘探前景。

1 区域地质

1.1 构造演化

沁水盆地位于山西省东南部,北纬 35°15′至38°18′，东经 111°45′至 113°45′之间，盆地长轴总体呈NNE向延伸，南北长约320 km，东西宽约120 km，总面积约为30 000 km2。沁水盆地是一个残留型的构造盆地，自三叠纪末期以来，在华北地台构造演化背景下经历了多期次的构造运动[3]。但盆地内总体构造比较简单，以内部次级褶皱发育为特征，构造线呈北北东向展布，南、北端受边界构造影响，构造线方向偏转为北东东向或近东西向。沁水煤田介于太行和吕梁隆起带之间，复向斜轴线大致位于榆社—沁县—沁水一线。南北翘起端呈箕状斜坡，东西两翼基本对称，边侧下古生界出露区，倾角较大，向内变平缓，古生界和中生界背斜、向斜和褶曲比较发育，但幅度不大，面积较小。不同地区构造特点不同，总体来看，西部以中生代褶皱和新生代正断层相叠加为特征，东北部和南部以中生代东西向、北东向褶皱为主，盆地中部北北东—北东向褶皱发育。断层主要发育于东西边部，在盆地中部有一组近东西向正断层，即双头—襄垣断裂构造带。根据盆地内不同地区构造式样的差异，划分为12个构造区带。

1.2 地层与沉积

沁水盆地是中生代形成的走向近南北向展布的大型复式向斜盆地，位于华北克拉通西部，盆地没有形成明显的断裂和褶曲，沉积了石炭一二叠纪海陆交互相含煤地层，形成了早、晚古生代两套烃源岩[4]。盆地内地层自下（老）而上（新）主要有下古生界中奥陶统峰峰组（O2f）、上古生界中石炭统本溪组（C2b）上石炭统太原组（C3t）、下二叠统山西组（P1s）和下石盒子组（P1x）、中二叠统上石盒子组（P2s）和石千峰组（P2sh）、中生界三叠系（T）、新生界第四系，其中目的层为山西组和太原组的暗色泥岩、粉砂质泥岩及炭质泥岩，在本区广泛分布，保存完整，是进行页岩气资源战略调查的主要层系。

1.3 沁水盆地山西组泥页岩分布

根据山西省内野外地质露头资料证实，泥页岩在多个地区、多套层系中发育，山西组岩性以暗色泥岩、粉砂质泥岩、粉砂岩、煤层为主。如乡宁台头地质剖面山西组发育页岩约55 m[5]，沁水盆地山西组泥质岩总厚度多在27.62～71.36 m[6]，山西组泥岩累计最大厚度超过100 m，沿盆地长轴方向分布，最厚处也位于沁源一带。图1为沁水盆地山西组泥页岩取样位置及样品。

2 泥页岩有机地球化学特征

2.1 有机质丰度

鄂尔多斯盆地二叠系山西组平均有机碳含量为1.37%[7]，高于俄罗斯典型的煤系盆地-西伯利亚盆地，该盆地的平均有机碳为1.31%，因此该区的有机质丰度高。本次试验通过对17个山西组样品有机碳含量测试数据的统计分析，由于沁水盆地山西组泥页部分样品采自于该地区野外露头，有机碳的质量分数TOC最小值为0.32%，最大值为8.87%，平均值为3.11%，有机碳质量分数1.0%以上的样品比例达59%，（见图2）。

2.2 有机质成熟度

热演化程度是衡量源岩是否处于生气阶段以及是否大量生气的一项重要指标。沁水盆地东部山西组主要为三角洲平原分流间湾环境，在盆地东西两侧镜质体反射率值较低，向盆地内部反射率值增高。盆地南部反射率值高，在盆地南端阳城、晋城一带，反射率可达4.5%。

3 泥页岩储层特征及含气性

本次研究主要采集沁水盆地山西组露头岩心，并进行了岩心组成成分和力学性质试验分析，分析结果如下。

3.1 矿物特征

矿物分析分别从山西组1和山西组2岩样中分别选择3组进行试验，试验结果（见表1）。

表1 岩样的矿物学特征

表1全岩矿物组成定量分析表明，山西组页岩碳酸盐岩的成分最多，矿物成分以黏土和石英为主，含有少量钾长石、方解石等，其中石英的质量分数为24.3%，黏土的质量分数为32.0%，可以初步推断沁水盆地山西组页岩的力学性质是比较适合开发的。

3.2 储层特征

本次试验样品取自沁水盆地长治地区2501号钻孔，780 m处泥岩。在6 000倍电镜下，可以明显看到泥岩内部发育有大量长条状裂隙（见图3）。

6 000倍电镜扫描结果显示，页岩具有良好的储层特征，20 000倍放大形态可以看出，此类裂隙在泥岩中不连续，中间有微小间断，故认为此裂隙是泥岩中碎屑颗粒之间的间隙，具备较好的页岩气储集及开采潜力。

3.3 页岩力学特征

此次取样做试验的露头岩石样本经过挑选后，选择了2组样本进行试验，在下面的试验结果记录中的标号分别对应为SX1_01和SX2_01。每一个样本在加工后圆柱状岩样的水平方向0度，45度，90度，以及垂直方向（以V代表）取心。分别从弹性模量、泊松比、抗压强度、脆度四个方面进行比较，结果（见表2）。

表2 露头岩心样本的力学参数表

从表2可以看出，所有岩样的平均弹性模量是18.6 GPa，平均抗压强度是81.16 MPa。这些值相对于砂岩的典型弹性模量25～50 GPa和典型抗压强度100～200 MPa要偏小，符合正常页岩的情况。这说明本次取样的岩心品质是典型的页岩。此外，此次试验岩心样本的平均脆度是36.25。脆性越高意味着弹性模量越大而泊松比越小，这种情况表明岩石在压力作用下轴向和侧向的变形较小，因此压裂效果越明显。与美国Barnett页岩的脆度相比，山西组的页岩脆度要稍差一些，这表示常规压裂效果会比后者差，因此开发时不能照搬国外经验，而应因地制宜，采用适合的压裂技术。

4 沁水盆地储量估算

本次储量采用概率体积法进行估算[8,9]。依据概率体积法基本原理，页岩气资源量为泥页岩质量与单位质量泥页岩所含天然气（含气量）之概率乘积。

假设Qt为页岩气资源量（108m3），A为含气泥页岩面积（km2），h为有效页岩厚度（m），ρ为泥页岩密度（t/m3），q 为含气量（m3/t），则：

根据研究分析表明，沁水盆地含气泥页岩面积为5 000 km2左右，页岩有效厚度平均值为50 m，泥页岩密度为2.6 t/m3，含气量为1 m3/t。则估算出沁水盆地页岩气资源量大致为0.65×1012m3，约为全国总储量的2%，具有一定的开采价值。

5 结语

综合上面的结果表明，矿物成分中石英的含量较高，表明页岩硬脆性较好；大部分样本的有机碳含量也达到了较好的指标，储量也较丰富。因此，可以得出初步结果：山西省境内的页岩有机质丰度较高、岩石力学性质有利于开发。但与美国Barnett页岩的脆度相比，山西组的页岩脆度要稍差一些，这表示常规压裂效果会比后者差，因此开发时不能照搬国外经验，而应因地制宜，采用适合的压裂技术。

［1］张大伟.2011加快中国页岩气勘探开发和利用的主要途径［J］，天然气工业，2011，31（5）:1-5.

［2］页岩气十二五发展规划（2011-2015年）［G］.国家发改委，2012.

［3］李月，林玉祥，于腾飞.沁水盆地构造演化及其对游离气藏的控制作用［J］.桂林理工大学学报，2011，31（4）：481-487.

［4］肖晖，任战利，崔军平.沁水盆地石炭二叠系煤层气成藏期研究［J］.中国地质，2007，34（3）:490－496.

［5］门相勇.鄂尔多斯盆地东南缘页岩气勘探前景与发展建议［G］.会议论文集，2011.

［6］顾娇杨.沁水盆地页岩气资源前景展望［G］.2011年煤层气学术研讨会论文集.

［7］王社教，李登华，李建忠，等.鄂尔多斯盆地页岩气勘探潜力分析［J］.地质勘探，2011，32（12）：1-7.

［8］张金华，魏伟，钟太贤.国外页岩气资源储量评价方法分析［J］.中外能源，2011，16（9）：38-42.

［9］HARTMAN C.Shale gas core analyses required for gas reserve estimates［R］.2009.