鄂尔多斯盆地东缘上古生界页岩特征及含气量

郭少斌，赵可英

鄂尔多斯盆地东缘上古生界页岩特征及含气量

郭少斌1，赵可英2*

1.中国地质大学（北京）能源学院，北京海淀100083
2.山西能源学院基础部，山西晋中030600

鄂尔多斯盆地上古生界石炭二叠系海陆过渡相泥页岩发育，前人对盆地内上古生界泥页岩已做了多项研究，而盆地东缘钻井资料较少，研究程度较低。为了弄清盆地东缘泥页岩的特征及含气性，通过野外实测剖面台头剖面的沉积、地化、岩性、物性等参数并结合等温吸附、核磁共振实验结果，对盆地东缘泥页岩进行分析。研究认为：盆地东缘上古生界以太原组发育的泥页岩最佳，厚度25 m左右，有机质丰度较高，处于产气态烃阶段，泥页岩中非膨胀性黏土含量较高，裂缝/微裂缝发育程度较均匀；同时提出了应用深度和有机碳含量计算吸附气量的公式并通过计算有效孔隙度提高了计算游离气量的精度。经鄂尔多斯盆内钻井榆88井的相关数据验证，文中方法所计算的含气量更符合实际情况，且简单实用。

泥页岩；吸附气量；游离气量；上古生界；鄂尔多斯盆地东缘

引言

鄂尔多斯盆地是中国重要的含油气盆地之一，盆地面积达20余万平方千米［1-3］。前人对鄂尔多斯盆地本部上古生界的泥页岩特征做了很多研究，认为上古生界的泥页岩具有形成页岩气的有利条件［2，4-5］，但盆地东缘黄河以东晋西挠褶带钻井资料很少。目前该地区的泥页岩研究资料很少，本文挑选了晋西挠褶带南部黄河以东台头镇内的台头剖面进行了大量分析化验对其泥页岩特征进行分析，以了解晋西挠褶带地区页岩的特征；同时，应用台头剖面已有的分析测试数据提出了鄂尔多斯盆地游离气和吸附气的求解方法。

1 台头剖面泥页岩特征

1.1 剖面特征

沉积环境既控制着泥页岩的发育、分布面积等基本特征，对沉积岩的类型以及矿物组成都有重要影响，而不同的岩石及其矿物组成特征又决定着储层的物性特征，进而影响页岩气的成藏［6-8］。

综合前人研究资料［9-12］和野外露头（图1b）观察实测资料，认为台头镇剖面本溪组沉积环境为浅海陆棚相，太原组为滨浅海相，山西组则过渡为滨浅湖相。不同的沉积环境使不同时期发育的岩相也不同，野外观察及剖面实测显示，台头剖面本溪组以黑色泥岩、灰色粉砂岩和深灰色灰岩为主，夹薄煤层，泥岩厚度为9.4 m；太原组以深灰色碎屑灰岩、黑色泥岩和煤层为主，泥岩厚度在25.0 m左右；山西组以浅灰色石英砂岩、黑色泥岩为主，夹煤层，泥岩厚度达26.1 m。从泥页岩的发育特征来看，山西组和太原组的泥页岩较发育。

1.2 有机地化特征

页岩的含气量与页岩中有机质含量密切相关，国外学者对页岩样品所做的吸附实验结果也表明，页岩中有机碳含量（ITOC）越高，其含气量也越高，有机碳与含气量具有较好的正相关性［13-14］，因此，本文将有机碳含量作为评价页岩储层含气性的主要指标。

图1 鄂尔多斯盆地东缘台头镇剖面及位置Fig.1 Profile position and profile of Taitou in east margin of Ordos Basin

台头剖面上古生界泥页岩有机碳含量太原组最高，本溪组、太原组和山西组泥岩有机碳分别为0.07%～5.53%、0.06%～7.45%、0.03%～6.48%（图2），平均值分别为1.41%、1.71%、0.71%。

图2 台头镇剖面上古生界泥岩ITOC分布图Fig.2 Toc distribution of mudstone in upper Paleozoic of Taitou

泥岩显微组分没有检测到腐泥组，壳质组平均含量为36.3%，其中以腐殖无定形体为主，镜质组和惰质组分别为38.6%、32.4%，类型指数为−46.8，为III型干酪根的典型特征（表1），是良好的生气母岩。

表1 台头镇剖面上古生界有机质显微组分和Ro数据表Tab.1 Data of organic maceral and Roin upper Paleozoic at Taitou

台头剖面的成熟度在1.3%～1.7%，Ro均大于1.1%，处在液态烃产率随Ro增大缓慢下降，而气态烃产率随Ro增大迅速增大的阶段［2］，有利于页岩气的生成。

1.3 矿物组成特征

页岩中的黏土矿物会影响页岩的脆性，因此黏土含量越低，页岩储层就越好，大部分学者认为黏土矿物的含量应低于40.0%［2，15-16］，而盆地东缘南部台头剖面上古生界泥岩中黏土矿物含量平均在42.0%～79.0%（表1）。虽然黏土矿物含量高，但黏土中非膨胀性黏土矿物含量高，本溪组、太原组和山西组黏土矿物中的非膨胀性黏土矿物（包括高岭石、绿泥石和伊利石）含量分别为70.5%、89.9%、65.1%，且不含膨胀性黏土矿物蒙皂石（表2）。

1.4 物性特征

台头剖面上古生界泥岩孔隙度较低，本溪组、太原组和山西组泥岩孔隙度分别在1.06%～ 3.37%、1.95%～2.30%、1.51%～3.91%，渗透率均小于0.01 mD（表3）。台头剖面上古生界泥页岩物性特征相近，平均孔隙度为2.45%，但从核磁共振提供的裂缝/微裂缝百分数可以看出，山西组泥页岩中的裂缝更发育，裂缝发育程度比较均匀，裂缝/微裂缝百分数普遍在1.11%～2.37%；太原组裂缝/微裂缝百分数在1.11%～1.49%，裂缝发育均匀；本溪组不同泥页岩中裂缝/微裂缝发育程度差距较大（表3）。

页岩中天然气的赋存状态多样，形式上主要是游离气和吸附气并存，这些气体主要存储在泥页岩中的孔隙和裂缝中。台头剖面泥页岩样品中普遍发育有机质内孔隙、黏土矿物微孔隙，有机质孔径普遍10～100 nm，个别的孔径可达几百纳米；黏土矿物微孔隙稍大，一般在1～10µm，个别孔径十几微米，但是都不超过20µm。台头剖面微裂缝不发育，多发育解理缝，因此泥页岩的页理更为发育（图3）。

表2 台头镇剖面上古生界页岩X衍射黏土矿物和全岩分析统计表Tab.2 X-ray diffraction analysis for clay rock and whole rock in upper Paleozoic at Taitou

表3 台头镇剖面上古生界泥页岩物性及核磁共振数据表Tab.3 Data of Physical properties and NMR of mudstone in upper Paleozoic at Taitou

从台头剖面泥页岩的特征来看，上古生界太原组的泥页岩最有利于页岩气的形成，泥岩厚度在25 m左右，有机质丰度较高，Ro在1.5%左右，处于产气态烃阶段，泥页岩中非膨胀性黏土含量达89.9%，裂缝/微裂缝发育程度较均匀，在2.12%左右，且页岩的页理非常发育。

2 含气量的求取方法

图3 台头镇剖面上古生界泥页岩氩离子抛光及扫瞄电镜照片Fig.3 Ar-ion milled and SEM photoes of mudstone in Upper Paleozoic at Taitou

页岩中的气体主要包括游离气和吸附气，由于本次所用样品都是台头剖面样品，样品没有埋深、地层温度和压力等信息，为了将台头剖面的分析化验相关数据应用到钻井上，本文利用等温吸附手段来模拟样品在不同温压下的吸附能力，以此来建立应用有机碳含量和深度来求取吸附气量的方法，同时，核磁共振提供了有效孔隙度的相关信息，有效孔隙是页岩中游离气的聚集场所，应用有效孔隙度计算游离气量使其值更为准确。

2.1 吸附气含量模型的建立

Langmuir公式

式中：Q吸吸附气含量，m3/t；VLLangmuir体积，m3；p-地层压力，MPa；pLLangmuir压力，MPa。

将同一样品在不同温度（60，70，80，90◦C）下做等温吸附实验，利用式（1）可计算出该样品在不同温度条件下任意压力所对应的吸附气含量［17］。

由于野外剖面样品没有埋深信息，本文根据鄂尔多斯盆地的温度梯度（平均2.5◦C（/100 m））和压力梯度（0.69 MPa（/100 m）），可将深度和压力反算出来，最终得到不同温度对应的吸附气含量（表4）。

表4 台头镇剖面上古生界泥页岩等温吸附数据表Tab.4 Isotherm adsorption data of mudstone in Upper Paleozoic at Taitou

压力与深度的关系为

温度与深度的关系为

式中：H——深度，m。

将每个样品的4个温度下的深度-吸附气量拟合成一条直线，可见吸附气量随着深度的增加逐渐减小，同时，同样的深度下吸附气量随着有机碳含量的增加而增加（其中，TT-22、TT-29、TT-20的有机碳值分别为5.53%、0.16%、0.33%）（图4），因此可以拟合出吸附气量与ITOC、深度之间的关系式

图4 不同样品吸附气量-深度之间的关系Fig.4 Adsorption volume-depth diagram of different samples

公式推导过程中应用到了鄂尔多斯盆地的温度梯度和压力梯度，说明该公式只适合用在温压梯度一致的地方，为了验证该公式的正确性，选择鄂尔多斯盆地内台头镇剖面西北部130 km处的榆88井的相关数据进行验证。根据地层温度数据（表5），鄂尔多斯盆地埋深在2500m时，地层温度为80◦C，榆88井所取样品主要来自2 500 m左右，因此，榆88井用80◦C的等温吸附数据。通过计算，实验所获得的吸附气量与公式计算的吸附气量两者的拟合程度非常高（图5），由于等温吸附实验所获得的吸附气量是岩样在该温度下的最大吸附气量，所以实验所得吸附气量偏高，公式计算的吸附气量更贴近实际情况，且公式只用到ITOC和埋深两个参数，大大减少了计算吸附气量的工作量。

表5 榆88井实验吸附气量与计算吸附气量对比表Tab.5 Comparison of adsorbed gas of experiment and that of calculation from Well Y88

2.2 游离气量的求取方法

游离气计算公式为

Q游=ϕ有效Sg/ρZ

式中：Q游——游离气含量，cm3/g；ϕ有效——有效孔隙度，无因次；Sg——含气饱和度，无因次；ρ——岩石密度，g/cm3；Z-气体体积压缩因子，无因次。

岩石密度可通过实验检测获得，气体体积压缩因子可根据天然气双参数压缩因子图版获得。页岩中的游离气量受泥页岩有效孔隙度和含气饱和度控制［19］，研究资料显示，页岩孔隙度达到2.5%时，含气饱和度在50%～60%［20］，因此，有效孔隙度的取值直接影响游离气量的求取。

图5 榆88井计算吸附气量与实验吸附气量关系图Fig.5 Relation between adsorbed gas of experimental and that of calculation from Well Y88

目前测量岩石总孔隙度的方法很多也比较精确，但存在一个共同的局限性，即很难测得岩石的有效孔隙度。研究发现，低场核磁共振T2谱分析技术可获得有效孔隙的百分数，因此，将常规方法与低场核磁共振方法结合可获得有效孔隙度［21］。

同一块样品在离心前、后分别测定T2谱。离心前，在岩石饱含水的情况下，可获得一条弛豫幅度随弛豫时间变化的T2谱；将这些不同时间点上的弛豫幅度归一化处理后进行累加，可获得一条累计的T2谱。离心后的T2谱做与离心前相同的处理，又可获得弛豫幅度、累计弛豫幅度随弛豫时间变化的T2谱。离心后T2谱的最高幅度值标定为残余水孔隙度所占总孔隙度的百分比，离心前后T2谱的最高幅度值之差即为有效孔隙度所占总孔隙度的百分比（图6）。

图6 残余、有效孔隙度及阀点值的分布Fig.6 The distribution of residual porosity，effective porosity and the valve point

根据以上方法，在已知台头剖面的泥岩孔隙度在1.06%～3.91%、平均2.52%的情况下，结合核磁共振求得的每个样品的有效孔隙所占的比值，相乘就可以求得页岩的有效孔隙度，计算获得的有效孔隙度在0.25%～1.33%，平均0.72%，占总孔隙度的0.16%～0.46%（表6），泥页岩中的平均有效孔隙度仅占总孔隙度的29%；弛豫时间阀值是有效孔隙度与残余孔隙度的分界点，在孔隙度一定的情况下，阀值越小，有效孔隙度越大，孔隙间的连通性越好。

由于所做的核磁共振实验数量有限，因此，文中应用有效孔隙度的平均比例来获得有效孔隙度，可将游离气计算公式变为

式中：a-研究区内泥页岩中有效孔隙度所占的比例，无因次；ϕ孔隙度，无因次。

根据游离气求解公式计算台头剖面样品游离气含量，由于样品都来自地表，气体体积压缩因子取1；含气饱和度取60%；页岩密度取平均值2.7 g/cm3。台头剖面的游离气含量在0.1～0.3 m3/t（表6）。

表6 乡宁台头镇剖面核磁共振相关数据表Tab.6 Nuclear magnetic resonance of Taitou

3 结论

（1）台头剖面上古生界以太原组的泥页岩最有利于页岩气的形成，泥岩厚度在25 m左右，有机质丰度较高，Ro在1.5%左右，处于产气态烃阶段，泥页岩中非膨胀性黏土含量达89.9%，裂缝/微裂缝发育程度较均匀。

（2）提出了在温压梯度一样的情况下应用有机碳含量与深度求取吸附气量的简便方法，并将该方法应用于同盆地的榆88井数据进行验证，所求的吸附气含量更接近实际情况。

（3）核磁共振提供了一种较为准确的有效孔隙度计算方法，弥补了常规手段不法获得有效孔隙度的不足，并应用有效孔隙度所占的比例对游离气量求解公式进行了改进。

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编辑：杜增利

编辑部网址：http：//zk.swpuxb.com

Characteristics and Calculation Method for Gas Content of Upper Paleozoic Shales in the Eastern Margin of Ordos Basin

GUO Shaobin1，ZHAO Keying2*

1.School of Energy Resources，China University of Geosciences（Beijing），Haidian，Beijing 100083，China；
2.Department of Basic Subjects，Shanxi College of Energy Resources，Jinzhong，Shanxi 030600，China

Shale sequences are well developed in the Carboniferous–Permian transition facies，Ordos Basin.Researchers have done many studies on shales in upper Paleozoic of the Ordos Basin.With few drilling data，however，not enough researches have been carried out on the eastern margin of the basin.In order to clarify the characteristic and gas bearing of shales in the eastern margin of the basin，according to the characteristic of sedimentary，geochemistry，lithology，physical property and the experiments of isothermal adsorption and nuclear magnetic resonance of samples from Taitou，the shales were analyzed.It is found that Taiyuan formation has the best condition for shale gas formation which is 25 meters thick，abundant in organic matter，and is in the stage of producing gaseous hydrocarbon，the shale is of high content of non swellable clay minerals and equally distributed crack/micro fractures.We also offer the calculation formula of gas adsorption using parameters of depth and content of organic carbon and improve the calculation accuracy of free volume through calculating effective porosity.It has been verified that the calculation of air content conforms to the actual situation，and the method is simple and practical by relevant data from Well Y88 in Ordos Basin.

shale；adsorpted gas content；free gas content；upper Paleozoic；east margin of Ordos Basin

郭少斌，1962年生，男，汉族，山东福山人，教授，博士生导师，博士后，主要从事储层和非常规油气的研究工作。E-mail：guosb58@126.com

赵可英，1984年生，女，汉族，浙江东阳人，博士研究生，主要从事石油地质综合研究工作。E-mail：zhaokeyingdy@163.com

10.11885/j.issn.1674-5086.2014.02.15.01

1674-5086（2016）01-0001-09

TE132

A

http：//www.cnki.net/kcms/detail/51.1718.TE.20160104.1642.004.html

郭少斌，赵可英．鄂尔多斯盆地东缘上古生界页岩特征及含气量［J］．西南石油大学学报（自然科学版），2016，38（1）：1-9．

GUO Shaobin，ZHAO Keying．Characteristics and Calculation Method for Gas Content of Upper Paleozoic Shales in the Eastern Margin of Ordos Basin［J］．Journal of Southwest Petroleum University（Science&Technology Edition），2016，38（1）：1-9．

2014-02-15网络出版时间：2016-01-04

赵可英，E-mail：zhaokeyingdey@163.com

国土资源部“全国油气资源战略选区调查与评价”专项（2009QYXQ15-07-05）。