阿尔金山前下—中侏罗统页岩气成藏地质条件分析

2019-08-30陈夷杜治利康志宏田亚

中国地质调查 2019年4期

陈夷，杜治利，康志宏, 田亚

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

0 引言

页岩气主要位于暗色泥页岩或碳质泥页岩中，是具有典型“自生自储”特点的连续型天然气藏，其主要以吸附态和游离态形式存在，吸附于黏土颗粒和干酪根表面，或游离在天然裂缝和微孔隙中[1-5]。全球页岩气资源量约为456×1012m3，相当于煤层气与致密气资源量的总和[6]，作为一种非常规天然气，在世界上已经引起了广泛关注，是未来能源不可或缺的组成部分。中国页岩气勘探开发正处于快速发展阶段，但前人对于柴达木盆地页岩气成藏地质条件研究主要集中在柴北缘地区[7-9]。阿尔金山前地区尚未开展页岩气基础性研究，早期对研究区的工作主要集中在构造及石油地质的分析上[10-14]，受到阿尔金山走滑断裂带的影响，该区构造极其复杂，变形严重，对页岩气的富集与成藏有较大的影响。阿尔金山前下—中侏罗统出露大套厚层的泥页岩，其沉积厚度大，有机质丰度高，热演化程度较高，生烃潜力优越[15-16]。本研究对于开展页岩气的成藏地质条件研究具有理论和实际工作意义，为柴达木盆地整体页岩气资源评价提供科学依据。

1 区域地质概况

本次研究区阿尔金山前西起茫崖镇，东到煤窑沟地区，发育了小梁山凹陷、红狮凹陷与英雄岭凹陷3个一级构造单元和七个泉背斜带、狮子沟背斜带、干柴沟—红沟子断鼻带、油泉子背斜带等10个二级构造单元(图1)，有利勘探面积为3 200 km2。区内发育的下—中侏罗统泥页岩主要出露于清水河、柴水沟、黑石山、月牙山和茫崖沟等地区。下侏罗统小煤沟组主要是一套砂岩、砂砾岩，夹灰黑色碳质泥页岩，有丰富的植物化石，发育多套煤层；中侏罗统大煤沟组主要发育碳质泥页岩，中间夹有一套厚层的砂砾岩。

Ⅰ-1.红狮凹陷； Ⅰ-2.英雄岭凹陷； Ⅰ-3.小梁山凹陷； Ⅱ-1.阿拉尔背斜带； Ⅱ-2.七个泉背斜带； Ⅱ-3.狮子沟背斜带； Ⅱ-4.干柴沟—红沟子断鼻带； Ⅱ-5.油泉子背斜带； Ⅱ-6.油墩子背斜带； Ⅱ-7.南翼山背斜带； Ⅱ-8.大风山背斜带； Ⅱ-9.尖顶山背斜带； Ⅱ-10.碱山背斜带

图1 阿尔金山前地区构造单元

Fig.1 Tectonic unit of Southern Altyn Tagh

1.1 沉积特征

三叠纪以后，阿尔金山前地区从早期的海相沉积，经过海退作用转变为广泛分布的陆相沉积。从早中生代印支运动冈底斯地块向欧亚大陆板块俯冲、碰撞，研究区主要处于挤压作用阶段，到晚中生代早—中侏罗世，盆地构造演化进入裂陷作用阶段。从现今的地震剖面上可以看到早侏罗世断陷主要发育在阿拉尔背斜带、七个泉背斜带等构造带内，沉积地层厚度向山前断裂带方向逐渐增大。阿尔金走滑断裂带对下—中侏罗统的沉积展布具有控制作用。

沉积相主要以湖泊相(滨浅湖亚相、半深湖亚相)、河流相、三角洲相及扇三角洲相为主[17-19]，物源主要来自阿尔金山前构造带的东南、西南和北部(图2)。断陷湖盆的长轴方向为NE向，短轴方向为NW向。茫崖坳陷发育辫状河流-三角洲相沉积体系，干柴沟—红沟子断鼻带南部和北部发育扇三角洲相沉积，而小梁山凹陷和七个泉背斜带发育湖泊相沉积体系(图2)。沉降中心分别位于长轴方向的黑石山、清水河、茫崖镇西北及月牙山地区。总体看来，研究区早—中侏罗世，湖泊中心或近中心的半深湖沉积在黑石山、清水河、茫崖镇西北及月牙山地区，湖盆边界位于茫崖沟—清水河—黑石山—月牙山一线，沉积区域主要位于靠近山前的广阔地区，清水河、茫崖沟和月牙山地区是3个主要沉积中心。西南方向为主物源区，在茫崖凹陷形成河流-三角洲相沉积体系；北部和东南部为次物源区，在湖盆的短轴方向形成2个扇三角洲(水下扇)沉积。

图2 阿尔金山前下—中侏罗统沉积相带展布Fig.2 Sedimentary facies distribution of Lower-Middle Jurassic on Southern Altyn Tagh

为了更加准确地判断沉积环境，在野外直接用NITON系列XRF元素分析仪和RSI厂家的RS-125型伽马能谱仪对实测剖面进行微量元素测量，根据微量元素迁移能力来分析沉积环境，证实了阿尔金山前泥页岩层段主要发育于湖泊相的沉积环境，并且划分了沉积亚相。选定研究区月牙山剖面来划分沉积相，根据对月牙山剖面的氧化-还原条件及元素迁移能力分析，初步划分月牙山剖面的沉积相(图3)。

元素含量中Ca、Mn、Mg、Fe、K单位为%，Sr、Zn、U单位为10-6

图3 月牙山剖面沉积相划分

Fig.3 Sedimentary facies classification of Yueyashan section

1.2 泥页岩厚度与分布

页岩气藏是典型的自生自储式气藏，泥页岩的厚度一定程度上控制着页岩气藏规模大小及经济效益[20-23]。区内侏罗系泥页岩沿着阿尔金山断裂带连续分布，且厚度大。通过野外多条剖面的观察和实测发现，泥页岩总体上呈富含有机质的灰黑、黑色，页理十分发育，由于受到强烈的构造作用和风化作用的影响，野外露头泥页岩大多呈现破碎的薄片状。在柴水沟、黑石山和月牙山地区侏罗系底部小煤沟组含有灰绿色的泥质粉砂岩、粉砂质泥页岩。处于沉积中心的清水河、月牙山和茫崖沟地区泥页岩单层厚度和累计厚度均较大，累计厚度分别可达242 m、268 m和210 m(图4)。黑石山地区靠近沉积中心，累计厚度可达82 m。由于不发育大煤沟组底部的砂砾岩，月牙山地区单层泥页岩厚度最大，可达90 m。总体上，由北向南、向盆地内部，清水河、茫崖沟和月牙山地区下—中侏罗统泥页岩厚度最大，到黑石山和柴水沟地区逐渐变薄。总的来说，三角洲相泥页岩和滨浅湖相泥页岩厚度较小，主要分布在柴水沟和黑石山等地区，半深湖相泥页岩沉积厚度较大，主要分布月牙山、茫崖沟及清水河地区。

图4 阿尔金山前下—中侏罗统泥页岩厚度分布

Fig.4 Thickness distribution of Lower-Middle Jurassic shale on Southern Altyn Tagh

2 有机地球化学特征

2.1 有机质类型

通过对阿尔金山前5个野外剖面开展地质调查，选取20个湖相泥岩样品进行干酪根显微组分分析。下—中侏罗统的显微组分主要以腐泥组、镜质组为主，惰性组较少，壳质组不发育(图5)。腐泥组含量比例最大，平均含量达60.7%(43.0%～77.7%)；镜质组含量也较高，平均含量达33.1%(22.3%～44.3%)；惰性体含量较低，平均含量为7.0%(0%～12.7%)；壳质组不发育。此外，从研究区下—中侏罗统湖相泥页岩中选取61个样品进行岩石热解分析，编制IH-Tmax图解(图6)。氢指数(IH)聚集在120 mg/g以下，热解峰温(Tmax)分布在500～600 ℃之间，泥页岩有机质类型以Ⅱ1型、Ⅱ2型干酪根为主，少数为Ⅲ型干酪根，不发育Ⅰ型干酪根，可作为良好的页岩气源岩。滨浅湖相泥页岩主要是Ⅱ1型、Ⅱ2型干酪根，半深湖相泥页岩中Ⅱ1型、Ⅱ2型、Ⅲ型干酪根都存在，均为页岩气形成提供了良好的生烃条件。

图5 干酪根显微组分三角图Fig.5 Kerogen maceral triangular diagram

图6 下—中侏罗统泥页岩IH-Tmax划分类型Fig.6 IH-Tmax partition type of Lower-Middle Jurassic shale

2.2 有机质丰度

在阿尔金山前地区3个野外露头剖面中选取49个泥页岩样品进行有机碳(Total Organic Carbon,TOC)含量测试，下—中侏罗统泥页岩TOC含量为0.55%～10%，平均为2.28%，其中92%的样品含量>1%(表1)。研究区下—中侏罗统泥页岩有机质丰度与美国5大页岩气盆地TOC含量(0.5%～4%)相当，为较好的页岩气源岩。平面上，月牙山地区泥页岩TOC含量最高，绝大多数样品>2%，最高可达10%，平均为2.96%。黑石山地区次之，平均为1.60%，柴水沟地区最少，但平均含量也达到了1.49%。总体上，研究区泥页岩TOC含量高，达到了中等—好烃源岩的级别。其中，三角洲相泥页岩主要分布在黑石山及柴水沟地区，TOC含量平均为0.75%；滨浅湖相泥页岩各个剖面均有存在，TOC含量平均为1.70%；半深湖相泥页岩主要在月牙山地区，TOC含量平均为2.51%，含量最高。此外，TOC含量越高，生烃过程中越易形成微裂缝、微孔隙，这是由于干酪根热解转化成烃类流体而形成有机孔隙，有利于页岩气的富集与储存[24-26]。

表1 阿尔金山前下—中侏罗统暗色泥页岩有机碳含量综合统计Tab.1 Comprehensive statistical table of organic carbon content of Lower-Middle Jurassic shale on Southern Altyn Tagh

2.3 有机成熟度

阿尔金山前下—中侏罗统暗色泥页岩现今热演化特征主要通过干酪根和全岩镜质体反射率值(Ro)来分析。泥页岩的有机质热演化程度在总体上比较集中。样品的Ro为1.0%～1.6%，平均为1.269%，有机质Ro均大于1.0%(图7)，烃源岩正处于成熟—高成熟阶段，有利于页岩气的生成。三角洲相、滨浅湖相和半深湖相3种沉积类型的泥页岩有机质成熟度均大于1.0%，已达到生烃条件。

图7 阿尔金山前下—中侏罗统泥页岩Ro分布Fig.7 Ro distribution of Lower-Middle Jurassic shale on Southern Altyn Tagh

3 储层特征

3.1 矿物特征

阿尔金山前侏罗系泥页岩的矿物成分多样，除含伊利石、高岭石、绿泥石等黏土矿物以外，还含有石英、方解石、长石、黄铁矿、菱铁矿、石盐和石膏等脆性矿物，其成分的变化不仅影响了页岩对气体的吸附能力，而且在很大程度上影响着页岩的孔隙度和裂缝发育程度。经矿物X-射线衍射分析，阿尔金山前侏罗系泥页岩黏土矿物平均含量为43.85 %(18.70 %～65.30 %)，硅质矿物等(石英+长石+黄铁矿)平均含量为51.09 %(30.90 %～68.00 %)，碳酸盐矿物(方解石+石膏+石盐+菱铁矿)平均含量为5.06%(0.00 %～33.10%)(图8)。脆性矿物的含量大于51%，有利于后期的水力压裂改造形成裂缝，增加游离气含量，有助于页岩气的开采。

图8 下—中侏罗统泥页岩储层矿物成分条形图和三角图Fig.8 Mineralogic composition bar chart and triangular chart of Lower-Middle Jurassic shale

黏土矿物能够增加泥页岩储集层中吸附气的含量。区内泥页岩的黏土矿物中以伊利石、高岭石和绿泥石为主，其次为伊蒙混层，少部分为绿蒙混层，其矿物组分变化较大。伊利石在黏土矿物中相对平均含量为50.40%(10%～79%)，伊蒙混层相对平均含量为9.26%(3%～39%)，高岭石相对平均含量为20.06%(9%～52%)，绿泥石相对平均含量为23.15%(6%～41%)，绿蒙混层为12%。总体来说，阿尔金山前下—中侏罗统暗色泥页岩脆性矿物含量较高，与黏土矿物含量相差不多，有利于该区页岩气富集成藏与压裂开采。其中，三角洲相泥页岩与滨浅湖相泥页岩的脆性矿物含量较高，普遍在65%以上，半深湖相泥页岩脆性矿物与黏土矿物含量相近，均是有利的页岩气成藏矿物组合。

3.2 储层空间类型

页岩气储层储集空间以微观孔隙与构造变形产生的构造裂缝、微裂缝为主[27-29]。在北美地区，利用扫描电镜观察可得，主要产气泥页岩中存在大量纳米—微米级有机质孔隙、无机孔隙、裂隙和裂缝等储集空间。阿尔金山前侏罗系泥页岩与美国主要产气泥页岩的储层特征类似。依据野外地质调查、扫描电镜分析，5个野外剖面采集的泥页岩样品储集特征相似，将泥页岩储层空间类型划分为微观孔隙和裂缝2种储层空间类型。

3.2.1 微观孔隙

阿尔金山前泥页岩中发育有微观孔隙，为游离态及吸附态页岩气的储存创造了有利条件。根据扫描电镜观察，各野外剖面中侏罗系泥页岩均发育多种微观孔隙：溶蚀微孔隙、晶间孔隙和铸模微孔隙。孔隙直径大小不一，在0.2～35 μm之间。矿物溶蚀微孔隙的直径可达35 μm(图9(a))；干酪根等有机质热降解及黏土矿物脱水形成的孔隙空间，孔隙直径大于1 μm，局部被立方体石盐晶体、方解石、黄铁矿等矿物所充填(图9(b)，(c)，(d))；部分方解石、石英见解理发育，发育晶间孔隙(图9(e))；局部矿物颗粒还发现有铸模微孔隙(图9(f))。综上所述，阿尔金山前下—中侏罗统泥页岩层段发育大量微米级和纳米级孔隙，为良好的泥页岩储层。

(a) 溶蚀微孔隙 (b) 溶蚀孔隙被立方体石盐晶体充填 (c) 溶蚀孔隙被方解石晶体充填

(d) 溶蚀孔隙被方解石晶体充填 (e) 晶间孔隙 (f) 铸模微孔隙

样品所属地层及采样位置分别为： (a)大煤沟组，月牙山； (b)大煤沟组，柴水沟； (c)小煤沟组，黑石山； (d)小煤沟组，月牙山； (e)大煤沟组，月牙山； (f)大煤沟组，月牙山

图9 阿尔金山前下—中侏罗统泥页岩微孔隙扫描电镜(SEM)特征

Fig.9 Micropores SEM of Lower-Middle Jurassic shale on Southern Altyn Tagh

3.2.2 裂缝

裂缝可为页岩气的形成和开发提供储集空间和运移通道[30-33]。页岩气的生产与裂缝密切相关，天然裂缝能够增加页岩气储层的产量。阿尔金山前野外样品的扫描电镜分析显示，该区侏罗系泥页岩中裂缝发育特征相似，主要是缝宽为微米级的微裂缝。微裂缝依据发育特征均可分为层间微裂缝、顺层微裂缝和层理间微裂缝(图10(a)，(b)，(c))。此外，构造应力的作用还造就了共轭裂缝、破碎带裂缝和片状黏土矿物层间微缝等构造裂缝(图10(d)，(e)，(f))的形成。微裂缝缝宽大小不一，主要处于0.2～25 μm之间。总的来说，泥页岩储层中微裂缝类型多样、分布范围广，极大提高其储集性能，也为后期的压裂改造提供了有利条件。

(a) 层间微裂缝 (b) 顺层微裂缝 (c) 层理间微裂缝

(d) 共轭裂缝 (e) 破碎带裂缝 (f) 片状黏土矿物层间微缝

样品所属地层及采样位置分别为： (a)小煤沟组，黑石山； (b)大煤沟组，月牙山； (c)大煤沟组，月牙山； (d)小煤沟组，黑石山； (e)大煤沟组，月牙山； (f)小煤沟组，柴水沟

图10 阿尔金山前下—中侏罗统泥页岩微裂缝扫描电镜(SEM)特征

Fig.10 Microfractures SEM of Lower-Middle Jurassic shale on Southern Altyn Tagh

三角洲相泥页岩与滨浅湖相泥页岩中裂缝较为发育，微孔隙较少。半深湖相泥页岩中微裂缝与微孔隙均有发育，且溶蚀微孔隙孔径较大，为页岩气提供了良好的储集空间，有助于页岩气的勘探开发。

4 埋藏深度

泥页岩的埋藏深度对页岩气的保存和勘探开发有极大的影响，直接控制着页岩气藏的经济价值与经济效益。埋藏太浅，页岩气的保存条件可能遭到破坏，而埋藏太深又给勘探和经济开发带来难度[34]。美国商业规模开发的5大含气页岩系统埋藏深度通常分布在183～3 658 m，页岩气50 000余口开发井井深大部分为2 500～4 500 m[34]，笔者根据现今的水力压裂开采技术和国外页岩气开采的现状，确定有利埋藏深度<4 500 m时有利于页岩气的勘探和开发。以阿尔金山前地震测线解释的地质结构剖面及地层反射界面埋深分布图为基础，结合已有的钻井和野外的露头，勾画出了下—中侏罗统泥页岩现今的埋深分布图(图11)。在柴水沟、月牙山及清水河等大部分地区埋深都在4 500 m以浅，是页岩气的有利勘探区。黑石山地区埋藏深度>4 500 m，不利于开采。往南、向柴达木盆地内部，埋深逐渐增加，部分地区埋深超过10 000 m，超过目前页岩气勘探开发的下限深度。半深湖相泥页岩埋藏深度主要分布在2 000～4 500 m，有利于页岩气的商业开采。

图11 阿尔金山前侏罗系泥页岩埋藏深度图Fig.11 Burial depth of Jurassic shale on Southern Altyn Tagh

5 勘探潜力探讨

对阿尔金山前下—中侏罗统泥页岩进行勘探潜力评价，主要从富有机质泥页岩的沉积环境、空间展布、地化特征、储集特征及埋藏条件等方面进行综合分析[34-37]。

(1)有利的沉积环境和分布广泛、厚度大的泥页岩。沉积环境对页岩气的分布和储层特征都有很强的控制作用，不仅控制了泥页岩的厚度、分布面积、有机碳含量等，沉积相还严重影响沉积岩石类型以及岩石的矿物组成。阿尔金山前主要处于滨浅湖—半深湖相、沼泽相沉积环境中，其中半深湖相沉积分布最广。根据沉积环境，把富有机质泥页岩划分为半深湖相泥页岩、滨浅湖相泥页岩和三角洲相泥页岩3种类型。通过对泥页岩的成藏地质条件综合分析，确定分布范围广、沉积厚度大、有机质丰度高、储层条件好的半深湖相泥页岩勘探潜力最高。

(2)良好的地化条件。有机质类型及丰度、有机质成熟度等地化条件决定了富有机质泥页岩的生烃条件。有机质丰度是页岩气生成的物质基础，不但控制着页岩气的生成量，而且影响页岩气的赋存和聚集，进而控制着页岩气的资源量。有机质成熟虽然不是含气量的控制因素，但是成熟度超过一定界限以后，单井产量下降。阿尔金山前侏罗系泥页岩有机碳含量较高，主要分布在0.55%～10%之间，平均为2.28%，提供了生成页岩气有利的物质基础；镜质体反射率Ro分布在1.0%～1.6%之间，平均为1.269%，达到成熟—高成熟阶段，处在生成页岩气的成熟范围内；有机质类型主要为Ⅱ1型和Ⅱ2型，少数为Ⅲ型干酪根，对页岩气的形成和富集有利。

(3)优越的储集条件。泥页岩的储层条件控制着页岩气的资源量。泥页岩的储集性能越好，页岩气的资源量越大。阿尔金山前泥页岩脆性矿物含量高，易于产生裂缝，有利于后期的压裂改造，是有利的页岩气成藏矿物组成。区内泥页岩发育微米级—纳米级孔隙及微裂缝，为页岩气的富集提供了良好的储集空间和运移通道。

根据页岩气有利勘探选区划分条件，基于阿尔金山前下—中侏罗统富含有机质泥页岩的厚度、TOC含量、Ro及埋藏深度等要素的分布特征，采用地质类比法、多因素叠加及综合地质分析[37]，来划分阿尔金山前页岩气的有利勘探区。根据国内外页岩气研究、开采的现状，确定的各项参数标准为：泥页岩段厚度>30 m，TOC含量>1%，Ro>1%，脆性矿物含量>40%，埋藏深度为300～4 500 m。结合前文的各个地区的成藏地质条件分析结果，月牙山地区主要处于半深湖相沉积，发育厚层的半深湖相泥页岩，泥页岩厚度高达268 m，有机质丰度高，主要为1.27%～4.41%，Ro为1.105%～1.228%，处于生烃的有利阶段，埋深适中(1 000～4 000 m)，因此认为后期改造相对较弱的月牙山地区为页岩气的勘探有利目标区。