太康隆起上古生界海陆交互相页岩气地质条件分析

2019-07-26曾秋楠张交东于炳松刘旭锋周新桂

特种油气藏 2019年3期

曾秋楠，张交东，于炳松，刘旭锋，周新桂

(1.中国地质大学(北京)，北京 100083；2.中国地质调查局油气资源调查中心，北京 100083)

0 引言

中国富有机质泥页岩发育层系多，根据页岩发育沉积环境，主要可分为海相、海陆交互相与陆相(湖沼相)3类富有机质泥页岩[1]。其中，海相页岩以南方重庆涪陵焦石坝及四川长宁—威远为代表，已进入商业性开发阶段。陆相页岩地层以鄂尔多斯盆地为代表，也有较好的勘探成果[2-8]。海陆交互相泥页岩主要分布在鄂尔多斯盆地、沁水盆地及南华北盆地的上古生界和扬子地区二叠系；受沉积环境影响，海陆交互相地层岩性复杂，砂泥互层频繁，纵向变化快，非均质性强，海陆交互相页岩气成藏条件相关研究程度较低，勘探尚未获得突破。南华北盆地太康隆起西部尉参1井太原组压裂试气点火成功，牟页1井获得1 256 m3/d稳定气流[9]，证实太康隆起西部上古生界页岩气成藏的可能性。通过对尉参1井太原组和山西组取心段的岩矿特征、地球化学特征、物性及含气性等综合分析，确定区域沉积环境特征，研究太原组和山西组页岩储层特征和页岩气成藏地质条件，进一步明确太康隆起上古生界页岩气勘探潜力，对指导研究区海陆交互相页岩气勘探有重要意义。

1 区域地质概况

南华北盆地位于华北板块东南部，南接秦岭—大别造山带，东至郯庐断裂带，西接豫西隆起区，北与渤海湾盆地相邻。晚古生代华北古陆在晚石炭世开始海水由南向北和由东北向西南侵进，形成华北盆地，发育以晚石炭世—二叠纪海陆交互相和三叠纪陆相为主的具陆源碎屑含煤建造特征的内陆盆地沉积[10-12]。

1.1 区域沉积背景

太康隆起地区沉积环境受盆地沉积背景控制，晚石炭世本溪期—早二叠世太原期，形成了滨岸—沼泽环境，发育由砂岩、泥岩煤层、炭质泥岩、局部发育铝土矿和灰岩等组成的沉积组合。早二叠世山西期，研究区早期先发生海退，晚期又再次海进，整体形成了浅海—三角洲环境，发育由砂岩、泥岩、黏土岩和煤层组成的沉积组合。中晚二叠世石盒子期，华北盆地整体北隆南降，南部的南华北盆地仍为海水进退频繁的滨浅海域[13]，太康隆起—开封坳陷一带南低北高，沉积中心向南迁移，砂体呈北北东向展布(图1)。

通过对太康隆起上古生界泥页岩进行薄片鉴定，可在镜下发现大量海陆交互相沉积指示标识(图2)，如太原组生屑灰岩中发育大量生物碎屑，主要为有孔虫、藻类、介行虫、腹足类，少数的棘皮类和腕足类；山西组极细砂质细粒岩屑砂岩中颗粒呈轻微定向排列，部分碎屑颗粒具黏土矿物化，少数石英见次生加大，岩屑主要为酸性喷出岩、凝灰岩，云母主要为黑云母，铁质局部集中分布；下石盒子组发育含菱铁矿泥岩，岩石中分布了大量鲕粒，鲕粒呈放射状，主要成分为菱铁矿，指示沉积环境是具有充足的铁来源和二氧化碳，贫氧，水动力条件动荡的还原或弱还原沉积环境，如与河流相连的河漫滩等[14]。

1.2 地球化学指标及其沉积环境指示意义

在垂向上，与南方海相沉积体系相比，海陆交互相沉积环境水深变化频繁，沉积地层在纵向上岩性变化大，非均质性强。由于黏土矿物的吸附能力较强，在沉积过程中极易从水介质中吸附大量的离子，并在成岩过程中黏土矿物所吸附的组分可保持其相对稳定，因此，可作为指示沉积环境的标志。尉参1井上古生界Rb与K的比值(铷钾比)、碳酸盐和氯元素含量在垂向上的变化规律，可以较好地反映沉积环境由海相向陆相连续转变的特征[15-18]。

1.2.1 铷与钾的含量及铷钾比

泥页岩中，不同黏土矿物的选择吸附性能不同。

图1 太康隆起区域概况示意图

图2 尉参1井上古生界岩石薄片镜下特征

如海相沉积环境中较为发育的伊利石会吸附大量钾(K)，以及铷(Rb)、铯(Cs)、锂(Li)等碱金属离子，而陆相地层的黏土矿物以高岭石为主，吸附钾最少，其他碱金属离子也相应减少。因此，钾、铷等元素含量可作为推断古盐度的标志之一，铷与钾的比值随盐度而变，一般正常的海相页岩中铷钾比大于0.006，而微咸水的页岩中铷钾比大于0.004[19]。

根据尉参1井元素扫描分析结果可知，研究区太原组和山西组下部的铷钾比最高值可达0.150，明显大于0.006，为典型的海相沉积环境；山西组中部及上部铷钾比显著减小，古盐度相当于微咸水或半咸水沉积，指示沉积环境整体由海相向陆相过渡，表现出海陆交互相性质；下石盒子组和上石盒子组铷钾比明显小于0.004，为淡水沉积环境(图3a)。

1.2.2 氯元素含量

地下水广泛存在于各种地理环境中，其化学成分中占主要地位的只有Cl-、SO42-、HCO3-、Na+、K+、Ca2+、Ma2+等7种离子，而Cl-几乎存在于所有地下水中，因此，Cl-可以作为判断沉积环境中水体含盐量多少的重要标志。尉参1井上古生界地层元素扫描测试结果显示，太原组 Cl-含量高，最高可达1.0%以上，随地层变新，Cl-含量明显降低，山西组Cl-含量基本在0.4%以下，下石盒子组Cl-含量低于0.2%，上石盒子组Cl-含量低于0.1%，这种变化趋势十分明显，指示环境水体含盐量降低(图3b)。

图3 尉参1井上古生界地球化学标志随地层变化特征

1.2.3 碳酸盐含量

碳酸盐含量的变化也可以体现相应的气候和环境变化特征。尉参1井上古生界泥岩中碳酸盐含量也随地层变新显著降低:太原组、山西组的灰黄色、深灰色灰岩发育层段，碳酸盐含量可达到90%以上；向上进入下石盒子组和上石盒子组后，碳酸盐含量迅速减少至10%以下。除反映水体盐度下降外，也与气候逐渐向干冷气候转变，水体蒸发速度减弱，导致碳酸盐沉淀减少有关(图3c)。

2 页岩气地质特征

2.1 泥页岩展布特征

南华北盆地上古生界沉积于海陆交互相沉积环境，岩性组合复杂，纵向上岩性变化频繁，砂泥岩互层频繁，兼发育有石灰岩类和煤岩类(图1c)。太康隆起地区上古生界平面展布范围大，厚度稳定，厚度多为400～800 m，烃源岩可细分为暗色泥岩和煤层，暗色泥岩厚度为 200～500 m，煤层厚度为10～40 m[20]。太原组和山西组横向展布稳定，地层厚度分别为70～90 m和50～95 m[21-22]。富有机质泥页岩受沉积相带控制，在太康隆起西部呈北西向展布，山西组在洛阳—郑州—开封—太康一带厚度普遍大于30 m，局部大于60 m，主要分布于泥炭沼泽相带，整体往西北方向增厚(图4a)[21-22]。太原组富有机质泥页岩在郑州—开封一带厚度大于60 m(图4b)[21-22]。

2.2 地球化学特征

太康隆起上古生界富有机质泥页岩具有较高的有机碳含量和热演化程度。尉参1井山西组和太原组取心样品测试结果显示，太原组共测试31块泥页岩样品，TOC为0.09%～5.93%，平均为1.39%，；山西组测试31块泥页岩样品，TOC为0.09%～3.25%，平均为1.01%。镜质体反射率测试结果表明，样品有机质成熟度较高，太原组Ro为2.62%～3.02%，平均为2.92%；山西组Ro为2.97%～3.05%，平均为3.02%。降解率和氢指数分析表明，太原组和山西组泥页岩有机质类型均为Ⅲ型，为陆源高等植物成因，降解率为分别为0.16%～1.92%和0.28%～2.02%，氢指数分别为1.92～21.15 mg/g和3.42～22.22 mg/g。

图4 太康隆起上古生界富有机质泥页岩厚度等值线

2.3 物性特征

氩离子抛光扫描电镜观察结果表明，上古生界太原组和山西组泥页岩储层的储集空间以纳米孔隙为主，主要为无机孔隙，粒间孔、粒内孔均有发育，但以粒间残余孔隙为主；有机质孔隙发育有限，主要控制纳米级裂缝的发育。镜下可见纳米级裂缝发育，可作为较好的非常规油气储集层。

储层物性分析结果表明，太康隆起太原组和山西组泥页岩储层物性整体为高孔隙度和低渗透率的特征。页岩储层孔隙度为1.42%～5.42%，平均为4.05%；渗透率为0.027～0.983 mD，平均为0.598 mD。砂岩储层属特低孔、低渗致密储层，裂缝发育，多数未填充；孔隙度为4.03%～4.84%，渗透率为0.100～0.516 mD。测井解释储层整体孔隙度为6.80%～13.90%，平均为10.90%；渗透率为0.160～0.650 mD，平均为0.580 mD。

2.4 岩石矿物学特征

尉参1井取心段泥页岩样品的X射线衍射分析结果表明，南华北盆地太原组和山西组泥页岩矿物学特征相近，整体具有黏土矿物含量相对较低，脆性矿物含量高，并以低碳酸盐含量区别于北美Barnett等海相页岩(图5)[23]。其中，太原组石英含量为46.0%～60.0%，平均为53.8%；黏土矿物含量为32.0%～49.0%，平均为39.6%；碳酸盐矿物含量为0.0～9.0%，平均为2.3%。山西组石英含量为32.0%～68.0%，平均为51.4%；黏土矿物含量为22.0%～58.0%，平均为41.3%；碳酸盐矿物含量为0.0～12.0%，平均为2.1%。石英、长石、碳酸盐矿物等脆性矿物的高含量，对页岩孔隙裂缝的发育和后续储层改造有积极影响。

图5 海陆交互相泥页岩矿物组成

2.5 含气性特征

尉参1井上古生界泥页岩样品现场含气量测试28个，其中太原组测试样品18个，解吸气含量为0.185～11.977 m3/t(泥岩解吸气量最大值4.506 m3/t)，平均为2.218 m3/t，解吸气含量高值出现在煤层附近；山西组测试样品10个，解吸气含量为0.292～2.858 m3/t，平均为0.662 m3/t；炭质泥岩的解吸气含量总体较粉砂质泥岩解吸气含量高，显示太原组和山西组均具有较好的含气性的同时，太原组泥页岩含气性能优于山西组。太康隆起西部新部署的牟页1井和郑东页2井太原组和山西组储层改造均试气成功，获得气流，揭示了上古生界泥页岩良好的含气性。

3 讨论

3.1 有机质含量和成熟度对尉参1井揭示的海陆交互相泥页岩含气性能影响

尉参1井揭示，南华北盆地上古生界太原组和山西组泥页岩TOC为0.09%～5.93%，有机质成熟度处于高成熟—过成熟阶段(Ro为2.62%～3.05%)。Ro与解析气含量整体无明显相关性；TOC>2.00%时，Ro与解析气含量表现出一定的正相关性，TOC<2.00%时则无明显相关性；太原组含气量明显高于山西组(图6)。由于有机质丰度与水体盐度正相关[24]，南华北盆地上古生界太原组和山西组沉积环境由海相向陆相转变，水体含盐量逐渐降低，沉积环境砂质含量逐渐增加，TOC含量逐渐降低[25]，低盐度的沉积环境可能是造成泥页岩中TOC含量降低，并与含气量相关性不明显的主要原因。

图6 有机质与含气量关系

3.2 上覆三叠系残余厚度是影响太康隆起上古生界页岩气成藏的重要因素

太康隆起西部地区是三叠系残余厚度最大的地区，三叠系厚度为1 000.00～2 500.00 m，其对下伏古生界造成的围压大，从而阻止天然气向外逸散的能力优于太康隆起的其他地区。另外，由于研究区上古生界的主要盖层岩类(下石盒子组—本溪组)在三叠纪沉积末期处于最大埋深阶段，侏罗纪—早第三纪经历了强烈剥蚀和一定的断裂活动，因此，现残余厚度较小部位处及深埋藏期形成的层间缝、微裂缝及后期的构造缝可能大都处于开启状态，其保存条件较差。

太康隆起已钻探井揭示层位油气显示关系分析表明，隆起东部的太4井上古生界石盒子组及其以上层位地层被剥蚀，全井未见油气显示；华5井保存有石千峰组，于二叠系见到荧光砂岩；向西至南3井仅保存74 m下三叠统，在下古生界见到高于背景值10～100倍的气测异常。隆起西部尉参1井揭示三叠系残余厚度为504.42 m，上古生界发现气测显示69层，最大全烃值为24.118 3%，压裂试气点火可燃；牟页1井揭示三叠系残余厚度为363.00 m，太原组和山西组压裂合采获稳定天然气流为1 256 m3/d；郑东页2井揭示三叠系残余厚度为445.00 m，气产量可达3 614 m3/d。可以认为三叠系残余厚度是影响上古生界页岩气成藏的重要因素，太康隆起西部保存条件较好。