河南省太原组–山西组页岩气成藏主控因素与勘探方向

2018-03-26邱庆伦李中明刘永春董果果

石油地质与工程 2018年1期

邱庆伦，李中明，刘永春，张栋，董果果，刘冲

（1．河南省地质调查院，河南郑州 450001； 2．河南豫矿地质勘查投资有限公司；3．地下清洁能源勘查开发产业技术创新战略联盟）

重庆涪陵焦石坝、四川长宁–威远等地取得页岩气勘探开发重大突破后，南方龙马溪组海相页岩气已经进入大规模商业开发模式。北方河南省牟页1井太原组、山西组143 m厚的含气层段分三段进行分压合试，获得了日产1 256 m3天然气的较稳定气流，实现了我国北方海陆过渡相页岩气勘探的重大发现；此外，中国地质调查局组织实施的蔚参1井、华北石油局实施的通许1井、通许2井等均显示太原组、山西组具有较好的勘探前景[1-2]。本文在对太原组、山西组页岩气成藏主控因素分析的基础上，在河南省中东部平原覆盖区优选出太原组和山西组页岩气勘探有利区，为二叠系页岩气勘探部署提供依据。

1 页岩气形成地质背景

1.1 富气页岩沉积环境

无论常规油气还是非常规油气，成藏主要受控于“烃源岩”及“保存”两大要素，已在中国南方五峰组龙马–溪组页岩气成藏勘探实践中已经得到了验证，即原始的沉积条件和后期的保存条件是气田成藏的关键[3–4]。

研究区河南中东部平原从北向南依次横跨内黄隆起、开封–临清坳陷、通许隆起、周口坳陷和长山隆起3隆夹2坳的构造格局（图1）。构造相对稳定，地层产状相对平缓。构造演化大体上经历了寒武纪–中奥陶世滨浅海相沉降盆地发育时期、晚奥陶世–泥盆纪克拉通古陆隆起剥蚀期、石炭纪–二叠纪海陆过渡相沉降盆地发育时期和三叠纪–第四纪陆相盆地发育时期5个演化阶段。其中，下二叠统太原组为三套灰岩夹两套黑色泥岩及煤层的沉积组合，总体表现为海进退积序列，其中泥页岩段为泻湖相、灰岩段为局限台地相；而山西组下部主要为砂岩、上部总体为黑色泥岩与煤层，总体表现为海退进积序列，逐渐由前三角洲向三角洲前缘过渡，最后发展为三角洲平原（图2）。

1.2 富气页岩厚度及分布

图1 研究区构造位置

图2 郑西页1井（左）及牟页1井（右）综合剖面

（1）太原组：河南省中东部地区太原组厚度主要为50~130 m，最大厚度约153 m，最小厚度约32 m。豫北和豫东地区厚度较大，为110~130 m；在济源下冶—洛阳—汝州一线以西及汝州—鲁山—确山一线以西地区厚度变小，大多在50 m以下直至尖灭，反映了当时沉积基底地形有明显差异，地层厚度变化总体表现为由北向南、由东向西变薄的趋势，也说明在这两条线以西地区近乎到古陆边缘。在豫东柘城至永城一带沉积厚度均大于130 m，是太原组沉积厚度最大的地区（图3）。

图3 研究区太原组地层等厚图（据胡斌等[5]，2015，略改）

（2）山西组：分布在河南省内三门峡—确山—固始一线以北的广大地区，区域上较稳定，厚度主要为60~105 m，最大厚度127 m，最小厚度约50 m，整体上厚度差别不太大，说明当时沉积基底地势差异也不大。豫东北地区厚度较大，为100~127 m；在陕县—宝丰—确山一线以西地区厚度较小，一般小于60 m，反映了当时沉积基底靠近西部伏牛古陆地势较高。在开封—杞县一带地层厚度也不足 60 m，很可能存在一个水下隆起（图4）。

2 页岩气成藏主控因素

2.1 富有机质烃源岩是页岩气富集的物质基础

河南省页岩气主要目的层是下二叠统海陆过渡相的太原组和山西组，岩性主要为灰色–黑色页岩夹灰岩及细砂岩，具有普遍含气的地质特征，太原–山西期泥炭沼泽亚相和泻湖亚相为海陆过渡相页岩气发育最有利相带（图2）。太原组–山西组优质页岩总含气量0.42～4.44 m³/t，平均为1.93 m³/t；有机质类型均为 III型；平均有机碳含量太原组为2.20%，山西组为1.90%；成熟度3.0%～4.5%，处于过成熟晚期干气阶段。对牟页1井山西组、太原组两套页岩气层、一套砂岩气层段压裂试气，其中太原组试气井段厚度77.14 m，山西组下部试气层段厚20.0 m，山西组上部试气层段厚46.5 m。三层合采产气1 256 m3/d，取得了南华北盆地海陆过渡相页岩气勘探的重大发现[6]。

2.2 孔隙、裂缝是页岩气主要储集空间

牟页1井及郑西页1井太原组含气页岩层段的孔隙度0.4%～4.5%，平均为2.1%；渗透率1.21×10-6～0.11×10-3μm2，平均7.48×10-6μm2。山西组含气页岩层段的孔隙度0.3%～8.8%，平均2.3%；渗透率0.023×10-3～0.92×10-3μm2，平均0.045×10-3μm2。

牟页1井、郑西页1井太原组和山西组泥页岩中微孔隙类型主要包括无机孔、有机质孔及各类裂缝，既为页岩气的储存提供空间，又是气体重要的渗流通道。此外，太原组和山西组含气层段层理非常发育，由一系列薄层页岩及细砂岩互层组成，层理面构造不稳定，极易形成水平层理缝，这为页岩气提供了良好的储存空间及渗流通道，有助于增加页岩层中游离态天然气体积和改善页岩的渗流能力，从而获得较高的产能。

图4 研究区山西组地层等厚图（据胡斌等[5]，2015，略改）

2.3 页岩储层具有良好的可压性

牟页1井、郑西页1井太原组、山西组页岩储层矿物以黏土矿物和石英为主，石英平均含量36%，黏土矿物平均含量35%，其次为长石，还有部分碳酸盐岩和少量黄铁矿；山西组的石英平均含量45%，黏土矿物平均含量46%，黏土矿物主要由伊利石、伊–蒙混层和绿泥石组成，底部、顶部伊利石较少，向中部增加。从太原组到山西组，总体上，石英含量高，具有向上逐渐增加的趋势，显示了较好的可压裂性。太原组、山西组主要含气层段岩石杨氏模量20～45 GPa，泊松比0.20～0.35，脆性指数为39%～71%，平均脆性指数接近于50%，适宜压裂施工。

2.4 保存条件是页岩气富集及产能的关键因素

优质盖层及稳定的构造是页岩气富集及产能影响的关键因素[7–9]，前人研究认为[10]，河南省中东部中侏罗世为海陆过渡相地层的烃源岩生气高峰，三叠纪和白垩纪次之，生气高峰时间越早，越不利于页岩气的保存。同时北方海陆过渡相页岩气层系经历了多期油气成藏过程，而多期成藏对气田形成和保存通常具有负面作用，对于河南北部温县区块郑西页1井、中牟区块牟页1井而言，井区3 km以内均有数条“通天”断层，非常不利于页岩气的保存。而河南省中东部地区太原组和山西组盖层为石盒子组泥岩，横向分布稳定，突破压力达14.1 MPa，显示了较高的封闭能力，是区域性盖层，保存条件较好，故在构造相对稳定的鄂尔多斯发现了大牛地致密砂岩气田[11]。美国及我国南方海相页岩气的勘探开发均表明，压力系数较高的页岩气井一般具有较好的产能，但以海陆过渡相太原组、山西组为勘探目的层的郑西页1井、牟页1井、尉参1井及郑东页2井四口页岩气井均显示常压，地层压力均为1.0 MPa左右，压裂试气效果也显著差于南方海相页岩气田，一定程度上说明了保存条件较差，导致地层压力较低，从而决定了页岩气产能的巨大差异。因此，对于河南省海陆过渡相页岩气层系而言，在页岩气层系厚度、埋深及盖层条件相似的情况下，寻找构造相对稳定的区域，是下一步进行页岩气、致密砂岩气勘探选区的关键。

3 页岩气勘探方向

综上所述，河南省二叠系太原组和山西组是较好的页岩气勘探层系，具有普遍含气的地质特征。对于河南省平原覆盖区而言，通许隆起东缘的永城及柘城一带，太原组底界埋深为600～4 000 m，太原组和山西组厚度也是全省最大的区域，分别大于130 m和100 m；且永城一带有煤田区，煤层厚度5～13 m，生烃条件较好，构造相对较为稳定，是较为理想的页岩气勘探有利区，具有较好的页岩气勘探前景。