鲁西地区上古生界页岩气成藏条件研究

巩 固， 张春池， 高兵艳， 彭文泉， 黄兴龙， 张 晖， 高华丽

(1.山东省煤田地质规划勘察研究院， 济南 250104； 2.山东省非常规能源勘查技术创新平台， 济南 250104；3.山东省地质调查院， 济南 250014； 4.山东省第一地质矿产勘查院， 济南 250014 )

0 引言

页岩气是指以吸附态、游离态等方式为主体，赋存在泥页岩中的一种非常规天然气，为典型的“自生自储、原地成藏”模式[1]。近年来，在日益剧增的能源需求与国内外页岩气成功勘查开发的推动下，我国在页岩气富集成藏机理及评价方法等方面进行了大量的研究，并取得了丰富的成果[2-3]。

2013年，山东省对全省的页岩气资源开展了系统的调查评价，在鲁西地区上古生界分布区开展了二维地震测量、页岩气参数井钻探，进行了一系列气体测量、录井、样品化验、测井等与页岩气参数有关的工作，首次获取山东省古生代含煤地层的页岩气参数，分析研究了页岩气成藏条件，为鲁西地区上古生界页岩气勘探指明了方向。

1 地质背景

1.1 构造背景

鲁西地区大地构造位置属于华北板块(Ⅰ)东南缘的鲁西地块(Ⅱ)西部，跨整个鲁西南潜隆(Ⅲ)和鲁中隆起西部(Ⅲ)；其西、北以聊(城)—兰(考)断裂和齐(河)-广(饶)断裂与华北坳陷分界，东以鲁中隆起区与沂沭断裂带(Ⅱ)比邻。

鲁西地区的构造演化可划分为太古代-元古代基底形成期、古生代盖层发展期、中生代活化期、新生代差异活动期四个阶段。研究区于太古代-元古代华北地台的基础上形成稳定的盆地结晶基底，在奥陶纪接受了巨厚的海相碳酸盐岩沉积之后，加里东运动使得华北板块整体抬升，遭受剥蚀，造成鲁西地区缺失了上奥陶统、志留系、泥盆系及下石炭统。海西期初，华北板块整体沉降，研究区演化为大型陆表海盆地，呈现出向北东、南东倾斜的箕状陆表海盆地的古地理格局。海西运动在早二叠世末期开始表现得极其强烈，在华北基本上结束了长期的古生代海侵历史，海水开始向南退缩，研究区演变为陆相及交互相沉积。至三叠纪，几乎全部进入抬升剥蚀阶段，仅在小范围的湖相沉积，中三叠世以后，全区进入了抬升剥蚀阶段。古新世早期，由于喜马拉雅运动的影响，各断陷盆地的边缘断裂再次活动，形成了现今的构造格局。

1.2 沉积环境

鲁西地区晚古生代是一个大型陆表海盆地，沉积体系类型主要包括潮坪沉积体系，障壁-潟湖沉积体系和大型河控浅水三角洲沉积体系[4]。沉积环境由海相-海陆交互相向陆相演化，其中石炭纪以海相沉积环境为主，末期顶部有海陆过渡环境的三角洲相沉积[5-6]。早二叠世早期发展为三角洲沉积体系，到早二叠世晚期及晚二叠世早期，基本为一套陆相冲积沉积体系，到晚二叠世晚期，发育一套陆相河流-湖泊沉积。

2 暗色泥页岩生烃条件

2.1 发育特征及分布

鲁西地区的石炭-二叠系主要分布于鲁西南的兖州、济宁、滕县、陶枣、巨野及阳谷-茌平、黄河北等地。富有机质泥页岩主要发育在太原组和山西组，具有形成页岩气藏的潜力。其中太原组在各地区发育程度有所差异，沉积厚度由北而南逐渐增厚，灰岩与煤层夹层逐渐增多，物质成分从结构上看砂、泥岩之比自北而南有渐增大之势。山西组厚度、岩性、含煤层等方面，在各地差异比较大，厚度整体显示北东厚、南西薄之特点，从岩性上看，济宁、枣庄一带砂岩比例较大，自南西向北东有增厚变粗之势。

从山西-太原组暗色泥页岩累计厚度统计来看，临清坳陷暗色泥页岩累计厚度60～160m，黄河北含煤区暗色泥页岩累计厚度60～100m，阳谷-茌平含煤区暗色泥页岩累计厚度80～180m，鲁西南含煤区暗色泥页岩累计厚度100～200m，总体上存在由黄河北含煤区向西、向南增厚的趋势。临清坳陷的桑阿镇-康庄镇、黄河北含煤区的焦庙镇-表白寺镇、阳谷-茌平含煤区的乐平铺镇、鲁西南含煤区的济宁-鱼台及成武-单县等地区为各坳陷盆地暗色泥页岩发育最厚的区域。

2.2 有机碳含量

有机碳含量(TOC)是反应泥页岩有机质丰度的重要指标，是衡量暗色泥页岩生气强度和生气量的关键参数[7]，也是页岩气聚集的主要物质基础。有机碳含量的贫、富直接影响了泥页岩生烃能力，含量高意味着有充足的母质来生烃；因含气量与有机碳含量呈正相关关系[8-10]，泥页岩中有机碳含量高增大了吸附面积的同时也增加了吸附气含量。

鲁页参1井揭露石炭-二叠系有机碳含量在纵向上变化较大，从鲁页参1井33件泥岩TOC样品分析，石盒子群TOC全部小于1.5%，烃源岩级别为非烃源岩或较差烃源岩。山西组和太原组有机质含量相对较高，山西组以中等、好烃源岩为主；太原组TOC平均值为2.12%，21件样品中非烃源岩1件，差烃源岩6件，中等烃源岩8件，好烃源岩6件，中等烃源岩所占比例最多，较差和好烃源岩次之。(图1)。

1—石盒子群；2—山西组；3—太原组图1 鲁页参1井石炭-二叠系泥岩TOC含量直方图Figure 1 Histogram of well LYC No.1 Permo-Carboniferous argillutite TOC content

暗色泥页岩有机碳含量高值区在平面上的分布与暗色泥页岩厚度高值区的分布基本一致。

2.3 干酪根类型

有机质类型在一定程度上可以用来衡量有机质产烃能力，不同的沉积环境代表有机质母质来源不同，岩石有机质显微组分不同，干酪根类型也有差异。山西组样品中腐泥组成分百分含量一般小于35%，壳质组成分一般小于25%，镜质组成分一般大于50%，惰质组成分一般小于10%；太原组样品中腐泥组成分一般小于30%，极少部分值较高，壳质组成分一般小于20%，镜质组成分一般大于40%，惰质组成分百分含量一般小于10%。显微组分分析表明：山西组与太原组有机质类型以镜质组为主(表1)。

依据159件石炭-二叠系干酪根样品分析，有机质类型以Ⅲ型为主，Ⅲ型占62%。其次为Ⅱ2和Ⅱ1型，共占35%，I型极少。

2.4 镜质体反射率

反映有机质成熟度的指标有很多，最常用的是镜质组反射率(Ro)，有机质的成熟度决定生气方式和成因类型。只有达到一定的成熟度，有机质才能进入生气窗，并且大量生气[11]。

Ⅰ型和Ⅱ型干酪根主要以生油为主， Ⅲ型干酪根主要以生气为主[12-13]。实验条件下，不同类型干酪根主生气期对应的镜质组反射率不同， Ⅰ型干酪根镜质组反射率为1.2%～2.3%， Ⅱ型干酪根为1.1%～2.6%，Ⅲ型干酪根为0.7%～2.0%[14]。石炭-二叠系镜质体反射率一般在0.7%～1.7%，泥页岩热演化程度分类为低-中，也就是烃源岩有机质成熟度以低成熟-成熟为主。

表1 部分钻孔干酪根显微组分统计表

2.5 生烃潜量及氯仿沥青“A”

(1)生烃潜量。指某一体积或某一重量烃源岩中有机质在自然地质条件下可以生成烃类物质的最大数量。它包括至今已生成的烃量和尚未转化的剩余生烃潜量两部分。鲁西地区石炭-二叠系泥页岩S1+S2值在0.5～6.0mg/g，S1+S2值一般在0.5～2.0mg/g，其次为2.0～6.0mg/g，从生烃潜量分析烃源岩级别以差-中等为主。

从纵向上看，太原组生烃潜量一般高于石炭-二叠系其它组段，山西组个别样品生烃潜量值也很高。

(2)氯仿沥青“A”。数据显示，随着变质程度的增高，氯仿沥青“A”含量有从低变高再变低的趋势。鲁西地区石炭-二叠系总体来说除非烃源岩样品之外，按氯仿沥青“A”分级划分为好和中等的样品占大多数。鲁页参1井，以好烃源岩为主(图2)，次之为差烃源岩。

图2 鲁页参1井氯仿沥青“A”含量直方图Figure 2 Histogram of well LYC No.1 chloroform bitumen A content

3 暗色泥页岩物性特征

3.1 矿物特征

3.1.1 脆性矿物

《页岩气资源/储量计算与评价技术规范》[15]要求脆性矿物含量不低30%，脆性矿物含量的多少直接影响页岩气储层的压裂效果，高脆性矿物含量易产生诱导缝，并为其提供有效支撑，利于后期的增产、稳产。

脆性矿物主要由石英、长石和碳酸盐矿物组成。鲁西地区泥页岩中脆性矿物主要为：石英、长石、方解石和白云石，另外还含有铁白云石、菱铁矿、黄铁矿等。脆性矿物一般在30%～60%，平均为55.70%，其中石英质量分数3.48%～74.12%，平均38.57%(图3)，长石质量分数0～83.16%，平均4.03%，碳酸盐矿物质量分数0～29.53%，平均7.93%，石炭-二叠系岩石从脆性矿物含量分析，利于后期改造[16]。

1—石英；2—方解石；3—白云石；4—菱铁矿；5—黄铁矿；6—斜长石；7—钾长石(正长石)；8—黏土矿物总量图3 鲁西南含煤区泥页岩全岩矿物质量分数图Figure 3 Mass fractions diagram of argillutite whole rock minerals in southwestern Shandong coal-bearing area

3.1.2 黏土矿物

泥页岩中不仅有机质能够吸附甲烷，黏土矿物也对甲烷具有一定的吸附能力[17-18]，蒙脱石是黏土矿物中对甲烷吸附能力最大者[19]。

石炭-二叠纪泥页岩中黏土矿物主要为：高岭石、伊/蒙混层、伊利石等(图4)。其中，高岭石占5%～68%，平均30.77%，伊/蒙混层占0～81%，平均30.25%，伊利石占0～94%，平均24.82%，绿泥石占0～37%，平均12.77%。

1—高岭石；2—绿泥石；3—伊利石；4—伊/蒙间层矿物；5—绿/蒙间层矿物图4 鲁西南含煤区黏土矿物质量分数图Figure 4 Mass fractions diagram of clay minerals in southwestern Shandong coal-bearing area

3.2 扫描电镜

通过对石炭-二叠系泥页岩进行自然断面电镜扫描研究，泥页岩储层主要发育有矿物质孔隙、矿物颗粒内部溶蚀孔、碎屑表面溶蚀孔、泥粒孔和微裂隙等。发育大小从几十纳米到几百纳米(图5)。

3.3 孔渗特征

孔隙度和渗透率是判断页岩气藏优劣的重要参数之一，较低的孔隙度，渗透率将会影响商业产值[20-21]。石炭-二叠系泥页岩储层的孔隙度和渗透率一般比较小，其渗透率均小于1mD，孔隙度大都在2%～5%，总体属于低渗、低孔隙度储层。

横向上，山西组、太原组泥岩孔隙度、渗透率区域上变化规律相同，以鲁西南含煤区最高，黄河北含煤区次之，阳谷-茌平含煤区最小。纵向上，鲁西南含煤区样品分析显示，山西组泥岩平均孔隙度和渗透率均高于太原组。

3.4 岩石密度

鲁页参1井采集11个石炭-二叠系泥页岩岩石密度样品，岩石密度值般在2.55～2.74m3/t(表2)，平均值为2.68m3/t。受地层压实作用，岩石密度随深度的增加而增加[22-23]。

表2 鲁页参1井岩石密度统计表

4 保存条件

页岩气具有自生、自储特征，暗色泥岩自身为页岩气储层也是盖层，但其上覆盖层的厚度、岩性对页岩气储层的保护和甜点的形成亦起到了决定性作用，盖层对页岩气形成和后期保存起到了较大的影响。鲁西地区石炭-二叠系富含有机质页岩主要发育在山西组和太原组，其上覆盖层不同沉积时代，受沉积环境变化，岩性差异性较大。

根据盖层沉积时代可分为同期连续沉积盖层，剥蚀后沉积盖层。石盒子群的黑山组、万山组、奎山组、孝妇河组是石炭-二叠纪沉积的最高层位，总体上由紫黄相间的杂色碎屑岩组成，属河湖相沉积。沉积的泥岩和粉砂岩经后期的压实成岩作用，孔隙度和渗透率都大大降低，其上还沉积了中生代或新生代，后期改造活动弱，或未被后期改造，对山西组、太原组页岩气富集起到了很好的覆盖、保存作用，为页岩气保存条件较好的区域，这些区域多于暗色泥页岩有机碳含量高值区和厚度高值区重叠。

但在凹陷盆地的边部或凸起地区，石盒子群剥蚀完毕，甚至进一步对山西组和太原组进行剥蚀，在后期沉降运动中，山西组、太原组被随后沉积的中生界或新生界所直接覆盖。中、新生代以陆相碎屑沉积为主，岩性以砂岩、泥岩互层为特征，如阳谷-茌平含煤区西缘、黄河北含煤区南缘、鲁西南含煤区郓城一带等。这些地区在山西组和太原组生烃演化后遭到剥蚀，生成的烃类大部分散逸殆尽，后期新地层覆盖其上，上覆地层以中、新生代砂岩沉积为主，之后并未进入二次生烃演化，上覆地层未起到对油气富集区的封隔和保存作用，为页岩气保存条件最差的区域。

5 结论

鲁西地区上古生界沉积了一套富有机质黑色页岩，分布范围广，厚度大，有机碳含量较高，有机质类型以Ⅲ型为主，成熟度适中，为页岩气有利的生储层位。

泥页岩中矿物组成以石英和黏土矿物为主，脆性矿物中石英质量分数平均38.57%，岩石性脆、造缝能力强，泥页岩中发育大量的微米-纳米级孔裂隙，有利区后期压裂集气，孔隙度和渗透率值相对较低，是页岩气开采的不利因素。

临清坳陷的桑阿镇-康庄镇、黄河北含煤区的焦庙镇-表白寺镇、阳谷-茌平含煤区的乐平铺镇、鲁西南含煤区的济宁-鱼台及成武-单县等地区山西-太原组暗色泥页岩发育厚度大，有机碳含量高，保存条件好，为页岩气进一步勘查的潜力区。