我国几个典型地区页岩气页岩地质特征

赵丁名（吉林大学地球科学学院，吉林 长春 130061）

我国几个典型地区页岩气页岩地质特征

赵丁名（吉林大学地球科学学院，吉林 长春 130061）

随着美国在页岩气技术方面取得巨大成功，页岩气成为我国相关专家研究的焦点。本文通过搜集国内外现有的典型盆地页岩气资料，从众多区域中和不同时代层位中选取了五组代表性地层，分别为：北京地区下马岭组、上扬子地区下寒武统牛蹄塘组、鄂尔多斯盆地东部二叠系山西组、鄂尔多斯盆地南部三叠系延长组7段和柴北缘中侏罗统大煤沟组7段。从页岩的岩矿特征、有机质丰度（TOC）、有机质成熟度和有机质类型等四个方面，并结合沉积环境特征与美国相关层位页岩气进行对比，归纳总结出中国页岩气资源与美国页岩气资源的共同点和差异性。

页岩；页岩气；岩矿特征；有机地球化学特征

页岩气是指主体上以吸附和游离状态赋存于泥页岩地层中聚集的非常规天然气［1］。据有关专家预测，到2035年，美国页岩气产量的比重将会占到天然气总产量的49%［2］。我国广泛地区发育丰富页岩气资源，经过系统的调查和技术的革新后开发潜力不可限量［3］。本文通过搜集国内外页岩气相关文献，结合地学知识制作相关参数的对比图表等，总结和归纳中国部分页岩气特点［4，5］。

图2.1 下马岭组岩矿分析图［8，15-20］

1 相关地层页岩气简述

1.1 中元古界——北京地区下马岭组

下马岭组原意是指在硅质岩之上、砂砾岩之下的一套粉砂岩、页岩夹白云岩的沉积地层［6］。传统地质学将下马岭归属于新元古界青白口系，最新研究将其归属于中元古界［7］。中元古代的末期，北京地区曾经发生过著名的“芹峪运动”，使得北京地区的地台不断上升成为陆直到新元古代，海水从北东方向进入北华北地区，使得北京地区形成内陆海湾。北京地区在下马岭早中期处于海洋中，海水深度越来越大，海底环境由弱还原或弱氧化条件逐步地转变为还原条件，下马岭中后期的沉积物发生改变，主要是富含有机质的深色页岩。

1.2 下古生界——上扬子地区下寒武统牛蹄塘组

扬子区东起神农架，北抵汉南，西达龙门山一线，南至滇黔。牛蹄塘组是指在灯影组与明心寺组之间，下部黑色磷块岩、白云岩或硅质岩及黑色高碳质页岩，中部为夹些许砂质页岩的黑色碳质页岩，上部深色的碳质页岩［9］。

1.3 上古生界——鄂尔多斯盆地东部二叠系山西组

伊陕斜坡之上的二叠系山西组，向下其底部与下古生界呈平行不整合的接触关系，向上顶部与中生界呈整合接触。上古生界的地层一直处于连续沉积的状态，未发生间断现象。在此期间内，上古生界经历了由海变为陆地的环境变化和由河流到湖泊沉积的转变。山西组在整个盆地广泛发育了以深灰色、黑色为主并且含有丰富有机质的泥页岩，厚度较大且横向分布连续性好。

图2.2 牛蹄塘组岩矿分析图［11，15-20］

1.4 中生界——鄂尔多斯盆地南部三叠系延长组7段

鄂尔多斯盆地三叠世至晚白垩世之间发生的构造运动，深刻地影响着鄂尔多斯盆地的油气生成和聚集作用。晚三叠世，扬子板块与华北地台由于板块活动发生了碰撞和拼合作用，使得秦岭海槽和北祁连海向西南不断地退缩。北部地区秦岭山脉产生崛起，在广袤的鄂尔多斯盆地内部，形成了一个巨大的淡水湖泊，从而沉积了延长组长10至长1段的地层［2］。

图2.3 山西组岩矿分析图［13，15-20］

图2.4 延长组7段岩矿分析图［2，15-20］

图2.5 大煤沟组7段岩矿分析图［14，15-20］

图2.6 各组岩矿分析图［2，8，11，13，14］

1.5 中生界——柴北缘中侏罗统大煤沟组7段

柴达木盆地地处青藏高原东北部，属于塔里木——中朝板块的南部地块，北侧为宗务隆山——青海南山断裂，南侧为祁连褶皱系，西侧为阿尔金山，东侧为鄂拉山断裂［14］。柴达木盆地侏罗系主要是在柴达木盆地北缘和阿尔金山前地带。侏罗统内部为连续沉积，下侏罗统包含湖西山组、小煤沟组，中侏罗世沉积发育了大煤沟组和石门沟组。早中侏罗世沉积的泥岩颜色整体为深灰色和灰黑色等深色［14］。

2 相关数据的对比

2.1 岩矿特征对比

页岩气具有自生自储的特性。页岩气的产出需要裂缝存在，大多数情况下需要人为制造微裂缝。含硅质多的泥页岩比含粘土质多的泥页岩更容易压裂，从而更利于页岩气的开采。泥页岩中硅质矿物的含量会决定岩石的脆性以及在外力挤压下岩石裂缝发育情况。加拿大商业开采的项目中硅含量达到40%，一般认为能达到商业开发的下限值是25%。

2.1.1 下马岭组和牛蹄塘组分析

下马岭组页岩主要由石英和黏土矿物组成，也含有少量长石和碳酸盐矿物。（见图2.1-图2.2）

石英的质量分数是最高的，黏土矿物次之，长石质量分数为2%～16%，碳酸盐质量分数最少，甚至有多件样品不含碳酸盐，平均为2.6%［8］。同美国的Fort worth盆的地Barnett页岩相比，岩石矿物与黏土矿物组成这两个方面具有相似之处，二者均呈现出高脆性矿物以及高吸附黏土矿物的特点。牛蹄塘组矿物组成主要以碎屑矿物和粘土矿物为主，其中还含有一定量的碳酸盐岩、黄铁矿和重晶石。其中碎屑矿物含量平均值为61.3%，碎屑矿物的成分主要为石英和长石，粘土矿物主要为伊利石和伊蒙混层矿物［11］。从粘土矿物成分来看，黔北地区下寒武统牛蹄塘组石英和粘土矿物为黑色泥页岩的主要组成部分，它对页岩吸附气含量会有很大的影响。（见图2.3-图2.4）

2.1.2 山西组、延长组7段和大煤沟组7段分析

山西组页岩中的脆性矿物矿物以石英和长石为主构成，黏土矿物的质量分数为57.5%，其他矿物平均质量分数为2.97%。黏土矿物以伊利石和高岭石为主，绿泥石和伊蒙混层质量分数较低［13］。山西组主要为深黑色的泥页岩，经分析发现其中含有大量的有机质。黏土矿物以高岭石和伊利石为主，与美国Bossier页岩相似，矿物组成中石英等脆性矿物含量较高，有利于通过压裂等方法改造泥页岩储层渗透性。延长组7段多为黑色和深色泥岩。页岩中矿物成分或者碎屑的成分主要为石英、长石、云母，而酸性喷出岩或者变质岩等碎屑物质含量则较少［2］。延长组7段与北美地区页岩相比，长7段页岩石英含量偏低，含量为27.75%，长石的含量偏高，达到26.28%，粘土矿物的含量也偏高42.11%。脆性矿物总量在36%～77%，平均57.2%［2］。大煤沟组7段主要为深黑色或者深色的页岩，页岩中富有机质。根据三角图的表征，发现大煤沟组7段页岩出现含量两大一小的现象，分别是硅质矿物和粘土矿物的质量分数比较大而碳酸盐矿物含的质量分数小。当泥页岩中的粘土矿物含量大的时候，页岩中的相关粘土矿物对页岩气的吸附能力就越强，而当页岩中的脆性矿物含量大的时候，页岩在后期当中的页岩气的开采过程中更容易将页岩压裂。（见图2.5-图2.6）

2.1.3 小结

五组研究目标中均符合高脆性矿物和高粘土矿物的特点，下马岭组页岩易于压裂开采，山西组难于压裂难于开采。由于粘土矿物具有较强的吸附能力，综合考虑来看，牛蹄塘组、延长组7段和大煤沟组7段为代表的湖湘沉积和浅海相沉积在利于页岩气的压裂开采基础上，具有更大的效益。

2.2 有机质丰度

足够的有机质是形成油气的物质基础并决定生烃能力的主要因素。总有机碳含量（TOC）是国内外普遍采用的有机质丰度指标［21］。

根据美国页岩气开采经验，含气页岩的总有机碳质量分数下限定在0.5%。根据“各组有机质丰度（TOC）对比图”来看，各组的有机质丰度平均值均远大于下限值，所以单纯从有机质丰度角度来看，五组研究目标均具有良好的页岩气开采价值。

图3.7 各组有机质丰度（TOC）对比图［2，8，11，13，14］

2.3 有机质成熟度

目前镜质反射率通常表征有机质成熟度。根据镜质体反射率的大小，可将有机质的演化程度分为四个阶段：未成熟阶段，成熟阶段，高成熟阶段和过成熟阶段。不同阶段的生烃机理和主要产物等会有所不同［21］。有机质成熟度过低，有机质未进入生烃阶段；成熟度过高，有机质已过生烃阶段，油气经长期运移导致未能成藏。

图2.8 各组有机质成熟度（Ro）对比图［2，8，11，13，14］

下马岭组和牛蹄塘组Ro＞2.0%，有机质演化处于过成熟阶段，生烃机理为热裂解干气作用。山西组2.0%＞Ro＞1.2%，有机质演化处于高成熟阶段，生烃机理为热裂解湿气作用，在该阶段的主要产物都是都是甲烷及气态同系物。延长组7段和大煤沟组7段的1.2%＞Ro＞0.5%，生烃机理为热催化作用，有机质演化处于成熟阶段。

根据美国页岩气经验，页岩气产地页岩的有机成熟度大多数大于1.3%，在阿巴拉起亚盆地的西弗吉尼亚州南部最高可达4.0%，还有有页岩气的产出的地区页岩的有机成熟度都比较高。下马岭组、牛蹄塘组、山西组、延长组7段和大煤沟组7段的有机质成熟度依次降低，说明其生烃潜力依次下降。

2.4 有机质类型

有机质类型可以表征生成烃类的数量、烃类的类型、成油或成气的门限值和烃类的形态（如油、凝析油或气），不同类型的有机质具有不同的生烃潜力。不同来源的有机质会形成不同类型的干酪根，干酪根主要划分为三个类型［21］。下马岭组和牛蹄塘组均以II型为主；山西组以III型为主；延长组7段以II型为主；

图3.9 各组有机质类型对比图［2，8，11，13，14］

大煤沟组以I为主，II型和III为辅。I型和II型干酪根为美国页岩气生成的主要有机质类型。下马岭组、牛蹄塘组、延长组7段和大煤沟组7段的页岩的有机质类型同美国生成页岩气的有机质类型非常相似，有利于页岩气的形成。

3 结语

从陆相到浅海相到深海相环境，随着水深不断增大，脆性矿物含量越来越多，压裂越来越容易。粘土矿物具有吸附游离页岩气的能力，页岩气的综合效益并非脆性矿物越多越好，适当的脆性矿物与粘土矿物比例，更利于页岩气的形成和聚集。各个地质时期地层普遍发育页岩气的干酪根类型与美国的干酪根类型吻合，多数为I型和II型。

加强页岩气相关技术研发和提升管理水平，我国页岩气会快速发展。

［1］张金川，金之钧，袁明生.页岩气成藏机理和分布［J］.天然气工业，2004，24（7）：15-18.

［2］姜呈馥，王香增，张丽霞等.鄂尔多斯盆地东南部延长组长7段陆相页岩气地质特征

及勘探潜力评价［J］.中国地质，2013，40（6）：1180-1188.

［3］曾少军，杨来，曾凯超等.中国页岩气开发现状、问题及对策［J］.中国人口·资源与环境，2013，23（3）：33-38.

［4］董大忠，程克明，王世谦等.页岩气资源评价方法及其在四川盆地的应用［J］.天然气工业，2009，（5）：33-39.

［5］秦佳，张威，刘晶等.美国页岩气开发状况分析［J］.大庆石油地质与开发，2014，33（4）：171-174.

［6］叶良辅.北京西山地质志：地质专报甲种第1号［M］.南京：前农商部地质调查所，1920.

［7］王杰，陈践发.华北中上元古界烃源岩沉积环境及生烃潜力研究［J］.天然气地球科学，2001，12（3）：27-33.

［8］刘清俊，柯柏林，林海亮等.北京地区中元古界下马岭组页岩气形成条件［J］.地质科技情报，2014，33（2）：92-97.

［9］王佳.湘鄂西、渝东地区下古生界页岩气勘探前景分析［D］.成都理工大学，2012.

［10］黄文明，刘树根，马文辛等.川东南—鄂西渝东地区下古生界页岩气勘探前景［J］.地质通报，2011，30（2～3）：364-371.

［11］王丽波，久凯，曾维特等.上扬子黔北地区下寒武统海相黑色泥页岩特征及页岩气远景区评价［J］.岩石学报，2013，029 （09）：3263-3278.

［12］张洁.鄂尔多斯盆地东部上古生界烃源岩评价［D］.西安石油大学，2012.

［13］付金华，郭少斌，刘新社等.鄂尔多斯盆地上古生界山西组页岩气成藏条件及勘探潜力［J］.吉林大学学报（地球科学版），2013，43（2）：382-389.

［14］周磊，志宏，陈夷等.柴北缘中侏罗统大煤沟组七段页岩储层特征［A］.中国地质学会2013年学术年会论文摘要汇编［C］.2013.

［15］Curtis J B.Fractured shale gas systems［J］.AAPG Bulletin，2002，86（11）：1921-1938.

［16］Martineau D F.History of the newark east field and the Barnett shale as a gas reservoir［J］.AAPG Bulletin，2007，91（4）：399-403.

［17］Jarvie M，RonaldJ H，Tim E R，et al.Unconventional shale gas systems：The Mississippian barnett shale of north central Texas as one model for thermogenic shale gas assessment［J］.AAPG Bulle⁃tin，2007，91（4）：475-500.

［18］Ursula H，Scott H，Thomas E E.Geologic analysis of the Upper Jurassic Haynesville Shale in east Texas and west Louisiana ［J］.AAPG Bulletin，2011，95（10）：1643-1666.

［19］Broadhead R F，Kepferle R C，Potter P E.Stratigraphic and sedimentologic controls of gas in shale：Examples from Upper Devonian of northern Ohio［J］.AAPG Bulletin，1982，66（1）：10-27.

［20］Wenlong Ding.Fracture development in shale and its rela⁃tionship to gas accumulation［J］.Geoscience Frontiers，2012，3（1）：97-105.

［21］柳广弟等.石油地质学［M］.北京：石油工业出版社，2009：115-214.

赵丁名（1991-），男，研究生在读，主要从事沉积学及油气勘探研究。