胶莱盆地水南组页岩气成藏条件与勘探方向

刘鹏，朱炎铭，王怀勐，王毅，谢康珍（1.中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏 徐州 221116；2.中国矿业大学煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室，江苏 徐州 221116；.山东泰山地质勘查公司，山东 泰安 271000）



地质勘探

胶莱盆地水南组页岩气成藏条件与勘探方向

刘鹏1，2，朱炎铭1，2，王怀勐3，王毅1，2，谢康珍1，2
（1.中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏 徐州 221116；2.中国矿业大学煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室，江苏 徐州 221116；
3.山东泰山地质勘查公司，山东 泰安 271000）

胶莱盆地是中国东部典型的中生代断陷盆地，陆相湖盆背景下沉积的水南组发育较厚的富有机质泥页岩，是页岩气成藏的有利区，分析其成藏条件对于明确该区页岩气下一步勘探方向具有重要意义。鉴于此，文中依据页岩气成藏的重要参数，以野外调查资料为基础，结合室内多种测试手段，从沉积环境、泥页岩分布、有机质丰度及类型、有机质成熟度、孔裂隙特征、矿物组分以及含气性等7个方面与鄂尔多斯盆地延长组7段泥页岩进行页岩气成藏地质条件对比，并采用综合信息叠加法进行勘探目标区预测。结果表明，研究区莱阳凹陷西南部、夏格庄洼陷中部和诸城凹陷北部具备页岩气富集成藏的条件，可作为下一步页岩气有利勘探目标。

陆相页岩气；成藏条件；勘探方向；水南组；胶莱盆地

页岩气是指赋存于泥页岩中、主要以吸附和游离状态存在的非常规天然气［1-3］。我国页岩气资源丰富，海相、陆相以及海陆过渡相资源皆有分布，但成藏地质条件复杂，目前国内外学者对此已经进行了许多卓有成效的研究［4-9］。

四川盆地［10］、鄂尔多斯盆地［11］及南襄盆地［12］页岩气已获工业气流，证实了我国陆相页岩气资源的巨大潜力。本文认为，在陆相盆地的页岩气勘探开发过程中，除利用传统海相页岩评价方法以外，同时也应注重与陆相页岩气开发成功的地区对比。中国东部的胶莱盆地水南组发育一套湖相早白垩世富有机质泥页岩，自20世纪五、六十年代以来，胜利油田针对该套地层做了大量工作，但未取得突破性成果。在此基础上，笔者通过野外地质调查、实验测试等手段，综合分析了该区水南组泥页岩发育的地质背景和页岩气成藏地质条件，并与鄂尔多斯盆地晚三叠世延长组7段进行对比，提出了该区的勘探方向，以期对胶莱盆地今后的页岩气勘探开发具有指导作用。

1　地质背景

胶莱盆地位于山东省东部，是中国东部典型的中生代陆相断陷盆地［13］。该盆地南部以五荣断裂为界，西与郯庐断裂带相邻，北接胶北隆起，呈NE向展布，面积约11 519 km2。

根据断块构造特征、基底起伏等情况，可将胶莱盆地划分为莱阳凹陷、大野头凸起、海阳凹陷、高密凹陷、柴沟地垒、诸城凹陷和牟平—即墨断裂带7个构造单元，其中高密凹陷又分为平度洼陷、夏格庄洼陷、李党家—马山凸起和高密洼陷等次级构造单元（见图1）。

图1　胶莱盆地构造概况

陆相页岩气目的层发育于莱阳群中段水南组，由于郯庐断裂和牟平—即墨断裂的走滑运动以及新生代的构造抬升作用［14］，导致水南组页岩主要分布在莱阳凹陷、夏格庄洼陷、平度洼陷、诸城凹陷以及海阳凹陷。

2　泥页岩地质特征

2.1泥页岩分布

相对海相页岩而言，我国陆相泥页岩，尤其是断陷湖盆中的富有机质泥页岩，具有沉积速度快，累计厚度大，区域性差异大等特征，且常夹有砂岩、煤层等其他薄层岩性组合［15-19］。本文将水南组一套灰黑色以泥页岩为主的泥页岩、泥质粉砂岩、粉砂岩湖相岩性组合作为富有机质泥页岩。受该区构造活动的影响，水南组泥页岩空间展布特征呈现明显的差异性，如莱阳凹陷泥页岩厚度60～160 m，埋深500～3 000 m；诸城凹陷泥页岩厚度40～120 m，埋深2 000～3 500 m；夏格庄洼陷泥页厚度80～200 m，埋深500～2 500 m；平度洼陷泥页岩厚度小于40 m，埋深在1 500～2 500 m。与鄂尔多斯盆地分布面积较大的延长组7段泥页岩 （夹砂岩、粉砂岩，厚度为30～120 m，埋深在700～2 600 m［20］）对比发现，水南组泥页岩在盆地内部的分布较为局限，埋深整体较为接近，但其累计厚度较延长组7段大，为页岩气的生成与储存奠定了良好的物质基础。

2.2有机质丰度及类型

天然气可以吸附在页岩的矿物颗粒及有机质表面，因此有机质丰度不仅决定页岩的生气量，也直接影响了页岩的含气量，通常用有机碳质量分数（TOC）来评价有机质丰度［21-24］。美国五大页岩中的有机质丰度一般在1.50%～20.00%，通常认为TOC大于0.5%的页岩是有潜力的源岩［25］。

鄂尔多斯盆地延长组7段钻井岩心的TOC一般为2.54%～6.16%，平均为3.74%，干酪根类型为Ⅰ1—Ⅱ2，偏向腐泥型、混合型［26］。水南组泥页岩露头多表现为深灰—灰黑色，风化剥蚀严重的地区为灰绿色。在漫长的地质历史变迁中，水南组页岩虽然经历了多期构造运动和风化淋滤的破坏作用，但野外剖面样品仍显示良好的有机质丰度。地化测试分析结果显示，水南组泥页岩有机质丰度主体在1.50%以上，虽不如延长组7段的高，但仍是具有潜力的烃源岩。干酪根类型以Ⅱ1，Ⅱ2型为主，且与延长组7段同样具有混合型特点（见表1）。因此，作为源岩，水南组泥页岩显示了良好的生油气潜力。

表1　胶莱盆地水南组泥页岩有机质类型及丰度

2.3有机质成熟度

水南组泥页岩样品镜质体反射率Ro分布在0.80%～1.42%（见表2），说明研究区页岩有机质热演化均已进入成熟阶段，并已经生成少量的天然气。在诸城皇华店地区，Ro呈现高值，分析认为，该地区受南部岩浆活动影响，加快了有机质的演化速度。

鄂尔多斯盆地延长组7段有机质的成熟度与水南组页岩类似，其Ro值主要分布在0.65%～1.09%［27］，这一点也证实了水南组的生烃潜力。

表2　胶莱盆地水南组泥页岩有机质成熟度

2.4孔裂隙特征

页岩气赋存方式表现为多样性，但主要以游离气和吸附气的形式存在，且以基质孔隙和次生裂缝为主要存储空间［28］。泥页岩剖面样品扫描电镜照片（见图2）显示，水南组泥页岩主要发育有机质孔、粒内孔、粒间孔等基质孔隙，且页岩中发育较多的张性微裂缝，裂缝宽度主要分布范围为0.3～0.9 μm，裂缝长度从几微米到几百微米不等。各种孔裂隙为页岩气运移和储集提供了良好的空间。

图2　胶莱盆地水南组泥页岩孔缝特征

水南组泥页岩主要发育介孔，孔径分布在8.0～18.0 nm，平均为13.3 nm，发育一定的微孔（小于2 nm）和宏孔（大于50 nm）。其中介孔体积占总孔体积的75.70%，宏孔及微孔体积分别占14.95%和9.40%，总孔体积（介孔、微孔和宏孔体积之和）为28.4～59.1 μL/ g，平均为40.6 μL/g。联合对比介孔、微孔以及宏孔的总比表面积（见图3）表明，微孔和介孔提供主要的比表面积，微孔总比表面积在5.035～20.150 m2/g，平均为13.959 m2/g，介孔总比表面积介于1.300～15.845 m2/g，平均为8.895 m2/g，宏孔仅提供少量的比表面积。

图3　胶莱盆地水南组页岩孔隙比表面积分布

2.5矿物组分特征

一般认为，理想的含气页岩矿物组分富含石英、碳酸盐岩等脆性矿物，且黏土质量分数小于30.00%［29］。研究区样品X射线衍射实验结果显示：水南组页岩黏土矿物质量分数在21.60%～42.90%，平均为32.23%，主要由伊蒙混层、高岭石、伊利石、绿泥石及绿蒙混层构成；长石、石英等脆性矿物质量分数在49.10%～53.60%，平均为51.10%；方解石、黄铁矿等其他矿物质量分数分布在9.00%～28.10%，平均为16.93%。

王永炜等［29］研究发现，鄂尔多斯盆地延长组7段富有机质页岩石英等脆性矿物质量分数在15.00%～56.00%，平均为31.10%，黏土矿物质量分数在20.00%～77.00%，平均为44.50%。对比发现，胶莱盆地水南组富有机质页岩脆性矿物更发育，更易在外力作用下形成诱导裂缝，从而增强页岩气的渗流能力。

2.6吸附性特征与含气性分析

吸附态天然气占比变化较大，为20%～85%［30］。但随着国内学者研究的不断深入，普遍认为20%明显偏低，其占例应在40%以上［31］。实验表明，水南组富有机质泥页岩吸附含气量在0.63～0.95 cm3/g，平均为0.82 cm3/g，显示了较强的吸附能力（见图4）。

若吸附态天然气能占天然气赋存总量的50%，则页岩含气量可达1.64 cm3/g，说明目标层位具有较高的含气量。鄂尔多斯盆地延长组7段页岩吸附气量为0.34～1.35 cm3/g，平均为0.75 cm3/g。周文等［32］假设吸附气占总含气量的50%，估算的延长组7段页岩含气量可达1.50 cm3/g。对比认为，本文对水南组泥页岩含气量的估算具有较高的参考价值，表明该区页岩具有良好的天然气资源基础。

图4　胶莱盆地水南组泥页岩等温吸附曲线

2.7成藏条件对比

从基础地质条件、页岩生烃条件以及储层条件3个方面对比了胶莱盆地水南组和鄂尔多斯盆地延长组7段页岩气的成藏条件（见表3）。两者均发育半深湖—深湖相富有机质泥岩，埋深接近且适中，具有相似的基础地质条件。两者生烃条件的差异性主要体现在源岩厚度和有机质丰度2个方面，鄂尔多斯盆地延长组7段有机质丰度明显高于胶莱盆地水南组，但水南组富有机质泥页岩厚度优于延长组7段，在一定程度上弥补了有机质丰度上的不足。延长组7段页岩孔径比水南组页岩好，但其总的孔隙体积明显弱于后者，且水南组页岩脆性矿物质量分数高于前者，在资源开发过程中具有更好的可改造性，能更好地改善泥页岩的渗流能力，形成高产。

表3　延长组7段与水南组页岩气成藏地质条件对比

3　勘探方向分析

胶莱盆地水南组泥页岩厚度大，埋深适中，有机质丰度、成熟度中等，含气量高，储层孔裂隙发育，可改造性好。综合分析认为，该区具有页岩气成藏的良好地质条件。参考国内学者对陆相页岩气评价参数的分析［33］，结合胶莱盆地已有资料，将勘探方向优选指标定为：泥页岩厚度大于60 m，成熟度Ro＞0.90%，脆性矿物质量分数大于40.00%，含气量大于1 cm3/g，埋深大于500 m。鉴于剖面样品显示TOC较低，推测深部TOC较高，暂且将TOC＞1.5%作为划分指标。采用综合信息叠加法分析认为，该区页岩气主要勘探方向为莱阳凹陷西南部、夏格庄洼陷中部和诸城凹陷北部（见图5）。

图5　胶莱盆地页岩气资源勘探目标分布

4　结论

1）胶莱盆地早白垩世水南组富有机质泥页岩是一套半深湖—深湖相沉积，泥页岩厚度、有机质丰度、热演化程度、含气量以及有机质类型等均显示了较好的生烃条件。

2）水南组泥页岩埋深分布在500～3 000 m，发育有机质孔、粒内孔、粒间孔等基质孔隙，孔径主要分布在8.0～18.0 nm，且页岩中发育较多张性微裂缝，裂缝宽度主要分布在0.30～0.90 μm，脆性矿物质量分数平均超过50.00%。良好的储层条件，不仅为页岩气提供了更好的赋存空间，也为资源开采创造了有利条件。

3）在综合分析胶莱盆地水南组页岩气成藏地质条件的基础上，选定了莱阳凹陷西南部、夏格庄洼陷中部和诸城凹陷北部作为勘探首选区。

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（编辑高学民）

Shale gas pooling conditions and exploration targets of Shuinan Formation in Jiaolai Basin

Liu Peng1，2，Zhu Yanming1，2，Wang Huaimeng3，Wang Yi1，2，Xie Kangzhen1，2
（1.School of Resources and Geosciences，China University of Mining and Technology，Xuzhou 221116，China；2.MOE Key Laboratory of Coalbed Methane Resources and Reservoir Formation Process，China University of Mining and Technology，Xuzhou 221116，China；3.Taishan Geological Survey Company，Tai′an 271000，China）

Jiaolai Basin is typical of the Mesozoic fault basin in eastern China，where a set of thick black shale is developed in Shuinan formation and favorable conditions exist for shale gas accumulation.It is very important to analyze its shale gas accumulation conditions and recognize future exploration targets.According to the types of shale gas reservoirs and gas pooling elements，combining the field survey data with indoor variety of testing methods，this paper analyzes various conditions，such as the sedimentary environment，shale distribution，abundance and type of organic matter，organic matter maturity，holes and cracks，mineral components，adsorption isotherm，as well as gas content.Favorable areas are forcasted by comparing the geological characteristics with the Chang 7 layer′s shale and using overlapping of available data，the conclusion is that the study area southwest of Laiyang Depression，Xiagezhuang Sag and Zhucheng Depression can be selected as the next exploration targets.

continental shale gas；accumulation condition；exploration target；Shuinan Formation；Jiaolai Basin

国家自然科学基金项目“中上扬子地区龙马溪组页岩微孔结构演变与页岩气成藏效应”（41272155）

TE122.2

A

10.6056/dkyqt201601001

2015-07-25；改回日期：2015-10-27。

刘鹏，男，1990年生，在读硕士研究生，主要研究方向为构造地质学。E-mail：scdzlp@163.com。

引用格式：刘鹏，朱炎铭，王怀勐，等.胶莱盆地水南组页岩气成藏条件与勘探方向［J］.断块油气田，2016，23（1）：1-5.

Liu Peng，Zhu Yanming，Wang Huaimeng，et al.Shale gas pooling conditions and exploration targets of Shuinan Formation in Jiaolai Basin ［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2016，23（1）：1-5.