阜新盆地低演化陆相页岩气勘探开发潜力

康永尚 饶 权 赵 群 王红岩

1.中国石油大学（北京）地球科学学院 2.油气资源与探测国家重点实验室 3.中国石油勘探开发研究院

0 引言

借鉴北美页岩气勘探开发经验，我国在不同地区开展了大量页岩气选区评价及开发试验工作，在四川盆地实现了海相页岩气工业化开采，在陆相页岩气勘探开发中也取得了一定的突破[1-2]。例如，鄂尔多斯盆地第一口页岩气井——LP177井上三叠统延长组7段页岩气于2011年点火成功，初始测试日产气量为2 350 m3[3]；渤海湾盆地歧口凹陷XG57井古近系始新统沙河街组三段页岩气测试获日产气量13.7×104m3的工业气流[4]。我国沉积盆地广泛发育陆相富有机质页岩，陆相页岩气可采资源量占我国页岩气总资源量超过30%[5]，勘探开发实践已证实我国陆相页岩气具有可观的资源远景。

阜新盆地是我国东北地区典型的陆相断陷盆地。早在20世纪90年代，东梁构造带所钻探井FC2井、FQ1井和L4井均在下白垩统沙海组中获得油气显示[6]，但近年来该区油气勘探研究相对滞后。为此，笔者在系统总结了鄂尔多斯盆地、四川盆地、渤海湾盆地等典型陆相页岩地质特征的基础上，根据阜新盆地沙海组页岩气评价的需要，开展了岩石总有机碳含量（TOC）、岩石比表面和孔径分布以及全岩X射线衍射分析，对沙海组页岩地质特征进行了深入分析，并与典型海/陆相页岩地质特征进行对比研究，评价沙海组页岩气储层与资源潜力，以期为阜新盆地页岩气勘探开发提供参考。

1 陆相盆地页岩地质特征

中国陆相富有机质页岩多分布于中、新生代盆地，主要由黏土矿物和粉砂级陆源碎屑组成，如鄂尔多斯盆地三叠系、四川盆地侏罗系、渤海湾盆地古近系和松辽盆地白垩系等[7]。陆相页岩只要具备一定的资源潜力和良好的开发条件，也能够实现商业化开采。

鄂尔多斯盆地是我国第二大沉积盆地，其延长组广泛发育半深湖—深湖泥页岩，在盆地内稳定分布，是页岩气勘探开发的重要层系[8]。延长组页岩厚度介于50～120 m；TOC变化范围大，介于1.95%～16.13%，平均值为6.46%，其中长7段页岩TOC最高；矿物成分以石英和黏土矿物为主，石英含量平均值为33.15%，最高值为44.07%，黏土矿物含量平均值为34.08%，长石含量平均值为9.57%，可见黄铁矿，碳酸盐矿物含量相对较少[5,9]。有机质类型多样，有机质显微组分主要为腐泥组和镜质组，干酪根类型以混合型为主[10]。延长组页岩镜质体反射率（Ro）多超过1.0%，平均值为1.3%[11]，处于热成熟阶段，能够大量生气，有利于页岩气藏的形成。

渤海湾盆地沙河街组发育湖相页岩，以钙质页岩、黑色页岩为主，赋存于沙河街组一段、三段、四段[12]。前人[4,13]对济阳凹陷和黄骅凹陷沙河街组的研究表明，沙河街组页岩厚度介于40～200 m，钙质纹层、泥质纹层及有机质纹层发育，其中沙三段分布范围广，厚度最大；沙河街组有机质丰度高，TOC主要介于0.5%～10.0%，有机质类型为腐泥型—偏腐泥混合型；石英含量平均值为25%，碳酸盐含量相对较高，平均值为30%，最高值为45%，与海相页岩及鄂尔多斯盆地陆相页岩存在明显不同；纵向上，相比沙一、沙二段，沙三段Ro最高，多超过0.9%，属于成熟烃源岩，页岩处于生气阶段。

四川盆地下侏罗统自流井组沉积环境以滨浅湖—半深湖为主，发育一套湖相泥岩与介壳灰岩互层沉积，页岩气主要赋存于自流井组大安寨段、东岳庙段及珍珠冲段。大安寨段沉积时期为最大水进期，水体较深，黑色页岩发育，厚度介于30～50 m，半深湖—深湖区页岩TOC最大，一般大于2%，滨湖—浅湖相对较小；大安寨段TOC最高接近3%，局部地区不到1%；干酪根类型为混合型—腐殖型，以混合型为主，混合型多分布于盆地中心较深水区，腐殖型多见于盆地边缘较浅水区；Ro介于1.05%～1.82%，处于生气窗内，具有良好的生气潜力[14]。涪陵地区XL101井自流井组矿物成分以石英和黏土矿物为主，石英含量介于22.0%～29.5%，黏土矿物含量介于51.2%～62.3%，其中大安寨段泥页岩中由于夹有薄层碳酸盐岩而使整体脆性增加，有利于后期压裂改造[15]。

与海相页岩相比，陆相页岩一般形成于深湖—半深湖相带，形成时代晚，TOC差异大，有机质类型多样，Ro较低，石英含量相对较低，黏土矿物及碳酸盐矿物含量相对较高，仅总脆性矿物（石英＋长石＋碳酸盐）含量与海相页岩相当。

2 阜新盆地沙海组页岩气储层特征及可压裂性

研究的样品采自阜新盆地生产试验井FY-1井及参数井DY-1沙海组（其中FY-1井样品2个、DY-1井样品20个），对样品进行了全岩矿物X射线衍射、岩石比表面和孔径分布及岩石总有机碳含量分析。全岩矿物X射线衍射分析采用RINT-TTR3型X射线衍射仪，检测标准依据《SY/T 5163—2010 沉积岩中黏土矿物和常见非黏土矿物X射线衍射分析方法》，检测样品22个，实验温度为24 ℃，湿度为35%。岩石总有机碳含量采用Leco碳硫测定仪，检测标准依据《GB/T 19145—2003 沉积岩中总有机碳的测定》，检测样品19个，实验条件为1 000 ℃，恒温时间为2 h，载气为氧气（99.99%）。岩石比表面和孔径分布采用Micromeritics ASAP 2420比表面测定仪，检测标准依据《SY/T 6154—1995 岩石比表面和孔径分布测定静态氮吸附容量法》，检测样品27个，实验温度为120℃，抽真空3 h，真空度为1.0×10-3Pa。

2.1 沙海组页岩储层特征

2.1.1 岩石矿物学特征

岩样X射线衍射结果表明，阜新盆地沙海组泥页岩矿物成分主要包括黏土矿物、石英、长石、碳酸盐矿物、黄铁矿等，在垂向上分布较为稳定（图1）。黏土矿物含量介于16.7%～48.6%，平均值为35.6%；以伊蒙混层为主（平均值为62.9%），含伊利石和绿泥石，蒙皂石和高岭石少见。石英含量介于12.9%～34.9%，平均值为22.7%。长石含量介于12.2%～31.6%，平均值为17.8%，其中钾长石含量介于0～5.50%，平均值为2.7%，斜长石含量介于9.7%～31.6%，平均值为15.2%。碳酸盐矿物含量介于9.8%～37.3%，平均值为22.1%，其中方解石含量介于0～19.8%，平均值为6.5%，白云石含量介于6.5%～35.6%，平均值为15.6%。黄铁矿含量较少，介于0～4.5%，平均值为1.8%（图2）。

图1 阜新盆地沙海组页岩矿物垂向分布图

图2 阜新盆地沙海组页岩矿物组分图

图3 沙海组页岩孔隙直径与BET比表面积、BJH总孔体积关系图

2.1.2 储层物性与储集空间特征

页岩气属于自生自储式天然气藏，储层物性与储集空间直接决定了页岩的储气能力，影响页岩气赋存形式及含气量大小。据国际纯粹与应用化学联合会，大孔隙的孔隙直径大于50 nm，介孔隙的孔隙直径介于2～50 nm，微孔隙的孔隙直径小于2 nm[16]。岩石比表面和孔径分布实验结果表明，沙海组页岩BET比表面积介于4.46～27.27 m2/g，平均值为13.51 m2/g；BJH总孔体积介于0.02～0.05 mL/g，平均值为0.03 mL/g，孔隙直径介于7.93～19.54 nm，平均值为12.20 nm，孔隙大小以介孔为主。沙海组页岩孔隙直径与BET比表面积、BJH总孔体积均表现出较好的负相关性，说明页岩内部直径小的微纳米孔对页岩BET比表面积及BJH总孔体积贡献较大（图3）。对比典型陆相页岩储层孔渗特征发现[4,17-18]，陆相页岩孔隙度变化范围大，均值一般不超过10%，渗透率极低，且页岩孔隙度与渗透率表现出一定正相关性（图4，该图延长组7段资料来自本文参考文献[17]，自流井组大安寨段资料来自本文参考文献[18]，沙河街组资料来自本文参考文献[4]）。页岩储层只有具备一定的孔隙度，才能聚集大量气体而形成经济产能，多数学者将陆相页岩孔隙度下限标准定为2%[19-20]。阜新盆地沙海组页岩孔隙度介于2.84%～4.10%，平均值为3.47%，高于陆相页岩孔隙度下限值，有利于气体赋存；储集空间类型包括有机质纳米孔、黏土矿物粒间孔、岩石骨架矿物孔、古生物化石孔以及微裂缝等[21]。页岩储层有机质孔与黏土矿物粒间孔往往具备较大的比表面积，有利于吸附态气体聚集，而骨架颗粒间孔、古生物化石孔与微裂缝等能够为游离态天然气提供大量的储集空间及渗流通道，页岩游离气占比越大，越易在开发早期获得高产。

图4 典型陆相页岩储层物性特征图

2.2 沙海组有机地球化学特征

2.2.1 天然气组成

阜新盆地沙海组页岩气CH4含量介于91.83%～94.42%，含少量 C2H6、C3H8、CO2及 N2（表 1）。

与四川盆地龙马溪组海相页岩气组成相比，沙海组页岩气CH4含量相对较低（小于95%），重烃气（C2）含量相对较高，属典型的湿气，而龙马溪组页岩气为典型的干气（CH4含量大于95%）。这种差异可能与页岩有机质热演化程度有关，随着热演化程度增高，重烃气逐步裂解为稳定的CH4，龙马溪组页岩热演化程度较沙海组页岩高而表现出高CH4含量；沙海组页岩气非烃气体组分CO2和N2含量较龙马溪组页岩气高，可能与页岩有机质类型有关，沙海组页岩有机质类型以混合型—腐殖型为主[6]，而龙马溪组页岩有机质类型以腐泥型—混合型为主。

表1 阜新盆地沙海组页岩气组分与典型海相页岩气组分对比分析表

2.2.2 总有机碳含量

阜新盆地沙海组页岩总有机碳含量变化范围较大，介于0.6%～9.5%，平均值为4.0%，主要介于2%～6%，占总样品数的比例为79%，大部分样品TOC超过2%（图5）。纵向上，浅层TOC＞2%，深层TOC＜1%（图6）。井段1 150～1 250 m的TOC波动幅度大，介于2%～10%，表现出较明显的非均质性；井段770～1 150 m的TOC相对稳定（约4%）。

图5 沙海组页岩TOC分布直方图

2.2.3 有机质类型与成熟度

阜新盆地沙海组页岩有机质类型主要为混合型和腐殖型，以生气为主[6]。阜新盆地白垩系页岩热演化过程分为3个阶段：①未成熟阶段，埋深小于600 m，Ro＜0.5%；②成熟阶段，埋深介于600～1 200 m，Ro介于0.5%～1.3%；③高成熟阶段，埋深大于1 200 m，Ro＞1.3%[6]。对阜新盆地沙海组页岩不同深度样品的Ro分析结果（表2）显示，沙海组页岩Ro介于1.45%～1.86%，平均值为1.66%，表明沙海组页岩进入了高成熟演化阶段，以热裂解生湿气为主。其中，埋深1 117.2 m的页岩样品Ro平均值为1.57%；埋深1 248.31 m的页岩Ro平均值为1.68%；埋深为2 057.1 m的样品Ro平均值为1.77%，可见沙海组页岩Ro随埋深表现出一定的正相关。页岩中混合型和腐殖型有机质在Ro＞0.9%时就已达到成熟阶段，开始大量生气[20]；沙海组页岩Ro适中，整体处在生气阶段，该阶段页岩内部往往因生烃膨胀而产生大量微裂缝，有利于页岩气聚集成藏。

图6 沙海组页岩TOC与埋藏深度关系图

表2 阜新盆地沙海组页岩样品镜质体反射率测定统计表

2.2.4 含气量

含气量是页岩气储层评价与资源潜力评估的关键性地质参数，对有利区优选及页岩气产量预测有着重要意义。前人研究表明页岩含气量与TOC之间为正相关关系[23]。一方面，页岩TOC高，生气潜力大，单位体积内含气量高；另一方面，页岩有机质比表面积较大，具有很强的吸附性，能够大量吸附保存天然气，减少气体逸散损失而使含气量增高。四川盆地下侏罗统千佛崖组、自流井组及鄂尔多斯盆地延长组页岩基本地质资料对比发现（表3）[10,15,24-25]，各盆地内部页岩TOC差异较小，含气量与TOC之间关系不明显；不同盆地之间页岩TOC差异较大，与四川盆地相比，鄂尔多斯盆地Ro低、TOC较高，页岩表现出明显的高含气量。典型陆相页岩含气量与TOC表现出明显的正相关性，拟合优度为0.876（图7），与前人研究成果一致。由此可见，陆相页岩含气量受TOC影响大而受Ro影响相对较小。

阜新盆地页岩气勘探开发尚处于起步阶段，相关含气量数据缺乏，利用陆相页岩含气量与TOC的关系，对沙海组页岩的含气量进行了初步预测。陆相页岩含气量与TOC关系式为：

式中V表示含气量，m3/t。

结合沙海组页岩TOC分布范围介于0.6%～9.5%、平均值为4.0%，预测沙海组页岩含气量介于0.90～7.20 m3/t、平均值为3.3 m3/t。

2.3 沙海组页岩可压裂性

页岩储层具有低孔低渗的特性，需要运用水力压裂技术才能实现经济开采。页岩脆性是评价页岩可压裂性的重要参数，与页岩中总脆性矿物含量有关。石英、长石、碳酸盐矿物是页岩储层中的易脆成分，容易在外部应力作用下产生复杂网缝[26]，决定了页岩脆性大小，影响储层压裂效果。美国高产海相页岩石英含量介于28%～52%，碳酸盐矿物含量介于4%～16%，石英等脆性矿物总含量超过40%，压裂品质较好[7]。中国陆相页岩石英含量一般相对较低，但长石、碳酸盐矿物含量较高[11,15,27-29]。陆相页岩石英含量虽然较海相页岩低，但总脆性矿物含量一般超过40%，同样可通过压裂改造实现高产（表4），这说明除石英外，长石、碳酸盐矿物含量对页岩脆性的贡献不容忽略。四川盆地涪陵地区自流井组是南方陆相页岩勘探开发的有利层位，岩性为泥页岩夹薄层介壳灰岩；涪陵XL101井、FS1井自流井组大安寨石灰岩段测试日产气量均超过10×104m3，可见碳酸盐矿物对产能起到了积极作用。一方面，石灰岩夹层作为裂缝型储集层，有利于页岩气聚集[14]；另一方面，石灰岩层与泥页岩围岩接触界面处不存在碳酸盐结晶体而使抗拉强度低[26]，在压裂时更易沿脆弱面产生大量裂缝，有利于页岩气开采。高碳酸盐矿物含量的页岩层段一般有两种表现形式，其一为页岩层系内部夹石灰岩层，如四川盆地自流井组，其二为纯页岩（夹层少）组分中碳酸盐矿物占比高，如渤海湾盆地沙河街组，二者都能够提高页岩储层脆性，有助于压裂改造。但陆相页岩碳酸盐矿物过高可能导致黏土矿物低，从而使有机质含量降低，不利于获得高产，如渤海湾盆地沙河街组H54井、L42井页岩碳酸盐矿物含量可达58.1%，测试产气量并不高。

阜新盆地沙海组页岩组分除石英外，还包括较多长石、碳酸盐矿物，总脆性矿物（石英＋长石＋碳酸盐）含量平均值为60.5%，达到了北美商业性开发页岩总脆性矿物含量下限值，碳酸盐矿物含量与四川盆地自流井组高产页岩相当（表4），具备良好的可压裂性。

表3 典型陆相盆地页岩基本地质特征参数对比表

图7 典型陆相页岩总含气量与TOC相关性图

3 阜新盆地沙海组页岩气储层评价与资源潜力

3.1 储层评价标准

陆相页岩石英含量较低，黏土矿物含量相对较高[17,30-33]。元坝、涪陵地区自流井组大安寨段陆相富有机质页岩TOC与石英含量为负相关，与黏土矿物含量为正相关，拟合优度R2为0.541，其相关性与四川盆地大面积分布的海相页岩恰好相反，海相页岩TOC与石英含量多为正相关，与黏土矿物含量为负相关[34]。鄂尔多斯盆地发育良好的陆相富有机质泥页岩，其延长组页岩TOC与石英含量均有负相关的趋势，与黏土矿物含量呈正相关性，拟合优度R2大部分超过0.50（图8）。

表4 典型陆相盆地页岩主要脆性矿物与页岩气测试结果统计表

图8 陆相页岩TOC与石英、黏土矿物含量的关系图

陆相富有机质页岩矿物组成中石英以碎屑成因为主，且多与黏土矿物呈现此消彼长的关系，黏土矿物能大量吸附有机质而形成稳定的有机—黏土复合体[35]，有利于有机质的聚集和保存，对有机质富集起决定作用，而使页岩TOC与石英含量一般为负相关，而与黏土矿物含量为良好正相关。

阜新盆地沙海组陆相页岩埋藏深度浅，TOC均值较高，Ro适中，总脆性矿物含量高，整体兼备地质上的资源潜力与工程上的可压裂性，具有良好的勘探开发前景。陆相页岩TOC与石英含量一般为负相关，与黏土矿物为正相关，恰好与海相页岩相反，决定了陆相页岩储层评价不能完全借鉴海相页岩储层评价标准。参考前人对陆相页岩有利区评价的相关标准[1,19,20,25,36]（表5），综合阜新盆地已有的地质资料，从TOC、Ro、孔隙度、含气量及总脆性矿物含量等角度，提出沙海组页岩储层评价标准（表6），并将沙海组页岩储层分为3类。

表5 不同学者的陆相页岩有利区评价标准统计表

沙海组页岩TOC介于0～2%、2%～4%及大于4%等3个区间，且页岩TOC下限值一般为2%，故取2%及4%作为3类储层TOC划分界限值。多数学者将陆相页岩Ro评价标准定于大于0.9%或大于1.1%，而将含气量评价标准定为1 m3/t或2 m3/t，故取Ro值0.9%与1.1%以及含气量值1 m3/t与2 m3/t作为3类储层划分界限值。多数学者认为页岩孔隙度小于2%就不具备经济开采价值，而将2%作为页岩孔隙度下限值（表5）；研究表明孔隙度从0.5%增大到4.2%时，页岩游离态气体含量能从原来的5%增加到50%[37]，故选取孔隙度2%及4%作为3类储层划分的界限。陆相页岩TOC与石英、黏土矿物含量相关性表明陆相页岩石英等脆性矿物含量过高会导致TOC变小，而石英含量过低则不利于压裂改造；根据典型陆相盆地脆性矿物含量与页岩气测试结果资料（表4），页岩脆性矿物含量大于70%，测试日产气量一般较低，而脆性矿物含量介于40%～50%，测试日产气量则较高，故将70%作为页岩总脆性矿物含量上限，下限取多数学者所定值40%。Ⅰ类储层兼备良好的资源潜力和可压裂性，最具勘探开发价值，为目标储层；Ⅱ类储层次之，为有利储层；Ⅲ类储层地质条件相对较差，勘探开发潜力小，为无效储层。

表6 阜新盆地沙海组页岩储层评价表

3.2 资源潜力评价

页岩TOC是生烃的物质基础，是页岩气藏资源潜力评价的重要因素。阜新盆地沙海组页岩总有机碳含量变化范围大，但其平均值4%远超过北美商业性页岩气藏下限值2%，具有良好的生烃基础，且Ro平均值为1.66%，处于生气阶段，资源潜力可观。美国Fort Worth 盆地Barnett页岩厚度只有30 m就足以获得商业开采[38]，而阜新盆地沙海组页岩有效厚度介于60～100 m[21]，平均值为80 m，页岩分布面积介于500～1 000 km2[39]，平均值为750 km2，为天然气提供了充足的储集空间，且厚度大不利于页岩中部烃类排出，从而有利于烃类保存。根据页岩气资源量容积法计算公式：

式中Q表示页岩气资源量，108m3；S表示页岩分布面积，km2；h表示页岩厚度，m；ρ表示页岩密度，g/cm3；V表示页岩含气量，m3/t。

据梁冰等[21]实验测定数据，阜新盆地沙海组页岩密度取2.70 g/cm3。由于沙海组页岩气勘探处于早期，页岩平面展布及井剖面资料不足，难以准确圈定各类储层分布面积及厚度，现假定沙海组3类页岩储层分布面积及有效厚度相等（各占总面积的1/3），对沙海组页岩气资源量进行了初步估算。Ⅰ类储层含气量取本文的预测平均值3.3 m3/t，初步估算Ⅰ类储层页岩气资源量为1 782×108m3。Ⅱ类储层含气量取1～2 m3/t，同样可估算Ⅱ类储层页岩气资源量介于540×108～1 080×108m3。Ⅲ类储层地质条件差，页岩气资源量不计。综合Ⅰ类、Ⅱ类储层页岩气资源量估算阜新盆地沙海组页岩气总资源量介于2 322×108～ 2 862×108m3。

4 结论

1）与海相页岩相比，陆相页岩形成时代较晚，TOC变化范围大，有机质类型以混合型、腐殖型为主，热演化程度低，总脆性矿物含量与海相页岩相当。在有机质丰度高、热演化程度适中、总脆性矿物含量高、埋藏深度浅区域同样具有较大的商业化开发潜力。

2）阜新盆地沙海组页岩埋藏深度浅，矿物成分以石英、黏土矿物、长石及碳酸盐矿物为主；BET比表面积平均值为13.51 m2/g，BJH总孔体积平均值为0.03 mL/g，孔隙直径平均值为12.20 nm，以介孔隙为主，孔隙度大，储集空间类型多样，有利于游离态及吸附态气体聚集。TOC变化范围大，介于0.6%～9.5%，平均值为4.0%；有机质类型以混合型和腐殖型为主，Ro介于0.8%～2.0%，处于中—高成熟度；利用四川盆地及鄂尔多斯盆地页岩TOC与含气量相关性，结合沙海组页岩TOC，预测其含气量介于0.90～7.20 m3/t，平均值为3.3 m3/t。沙海组页岩总脆性矿物含量平均值为60.5%，具备良好的可压裂性。

3）陆相页岩TOC与石英含量一般为负相关，而与黏土矿物含量为正相关，与海相页岩相反。沙海组页岩储层可分为3类，Ⅰ类储层地质条件匹配最优，是勘探开发目标储层；Ⅱ类储层次之，为有利储层；Ⅲ类储层勘探开发潜力小，为无效储层。沙海组页岩累积厚度大，分布面积广，初步估算沙海组页岩气资源量介于2 322×108～2 862×108m3。