河北省任县-南和县地区煤系非常规天然气源-储特征分析

张启贤，牛 飞，张宏亮，李学文，杨 彪，牛小军，闫海渠，张新生

(1.河北省煤田地质局，石家庄 050085； 2.河北省煤田地质局水文地质队，河北 邯郸 056000；3.河北省煤田地质局第四地质队，河北 张家口 075100)

煤系非常规天然气是指赋存在煤系地层中的煤层气、页岩气和致密砂岩气等各类非常规天然气资源的总称，其成因上具有同源共生的特点[1-2]。河北省任县-南和县地区煤系地层中煤、泥炭、炭质泥岩或暗色泥页岩和致密砂岩互层发育，以石炭-二叠系太原-山西组海陆交互相地层为主。煤层和泥页岩层具有“自生自储”的特征，同时作为致密砂岩层的气源，三者具有很强的“互层共生”特点。本文通过样品分析煤、泥页岩和致密砂岩的岩石学特征、物性特征和地球化学特征，从微观上进一步认识研究区煤系地层的源储特征。

1 地质概况

研究区位于中朝准地台(Ⅰ级)、华北断坳(Ⅱ级)、临清台陷(Ⅲ级)、南和断凸(Ⅳ级)构造单元内，西部为武安凹陷，东部为巨鹿断凹，南部为邯郸断凹，北部为宁晋断凸，区内主要发育晏家屯断层、河郭镇断层和任县背斜等构造[3-5](图1)。

本区为新生界所覆盖的隐蔽型含煤区，基岩地层仅在零星地带出露，地层由老到新发育有奥陶系中统峰峰组，石炭系中统本溪组、上统太原组，二叠系下统山西组、下石盒子组、上统上石盒子组、石千峰组，三叠系下统刘家沟组、和尚沟组、中统二马营组，新生界古近系、新近系及第四系。

太原组岩性主要由灰黑色泥岩、灰色泥晶生物碎屑灰岩，石英砂岩及煤层组成，含丰富的动、植物化石，与下伏本溪组连续沉积。山西组岩性以深灰、灰黑色泥岩、砂质泥岩、粉细砂岩为主，夹砂岩及煤层，含有较多的菱铁质结核，富含炭化植物化石，与下伏太原组整合接触。

2 实验方法及条件

本次实验样品全部来自研究区山西组和太原组地层，严格依据国家标准进行实验。其中，X衍射分析依据SY/T 5163-2010标准，检测环境温度为24℃，湿度为35%，仪器为D8 DISCOVER型X射线衍射仪；扫描电镜分析依据SY/T 5162-2014标准，仪器为TESCAN VEGAⅡ型扫描电子显微镜；岩石薄片鉴定依据SY/T 5368─2000《岩石薄片鉴定》，仪器为OLYMPUS BA-2；岩石常规物性分析依据《岩心分析方法》SY/T5336-2006，室温为18℃，湿度为38%，大气压力为1 029 hPa，设备为Ultrapore-200A氦孔隙仪(KFSY/J96-036)和ULTRA-PERMTM200渗透率仪(KFSY/J96-031)；压汞实验使用AUTO PORE IV 9520压汞仪，依据GB/T21650.1-2008标准，压汞测定最高压力为414MPa，检测温度为24℃，湿度为31%，大气压力为998hPa；有机碳测试依据GB/T 19145-2003标准，采用Leco碳硫测定仪；镜质体反射率测试依据《沉积岩中镜质组反射率测定方法》SY/T5124-1995，设备为显微光度计(MPV-SP)，电源电压220V±10%，50/60Hz，环境温度为23±3℃，相对湿度<70%，测定波长546nm，显微镜放大倍数125倍，反射率量程为0.1%～10.0%，分辨率为0.01%。

3 烃源岩有机地化特征

有机地化指标是确定烃源岩生烃强度和生烃能力的重要依据[6-10]。通过对研究区山西组和太原组地层采集18个煤样品和32个泥页岩样品进行全岩分析和有机地化分析，确定其有机质类型、有机质丰度和有机质成熟度，从而判断该区煤和泥页岩的生烃能力和生烃强度。

3.1 有机质类型

通过干酪根镜检结果显示，煤样中有机显微组分以镜质组和惰质组为主，镜质组含量最高为61.5%～90.5%，平均值为75.95%；惰质组次之为7.1%～38.5%，平均值为22.43%；壳质组含量最少为2.4%～5.6%，平均值为3.83%，有机质类型主要为Ⅲ型，以产气为主(表1)。

图1 区域构造位置和典型地层柱状图Figure 1 Regional tectonic setting and typical stratigraphic column

泥页岩中镜质组含量最高为30.8%～82.4%，平均为62.2%；惰质组含量次之为14%～69.2%，平均为34%；壳质组最不发育，含量为0～18.2%，平均为3.2%。

表1 研究区煤样有机地球化学参数

综上，研究区煤和泥页岩样品的显微组分以镜质组为主，惰质组次之，壳质组组含量较低。有机质主要来源于高等植物的木质素、纤维组织等经凝胶化作用而成(图2)，有机质类型以Ⅲ型为主，属于较好产气有机质类型。

3.2 有机质丰度

有机质丰度取决于总有机碳(TOC)的含量，有机碳的含量与烃源岩生气能力存在正相关关系，Schmoker、陈晶等认为泥页岩生气下限的有机碳含量约为2%[11-14]。研究区泥岩有机碳含量分布在0.11%～22.24%，平均值为6.63%，其中TOC大于1%的约占75%，泥岩有机碳(TOC)含量多大于5%，有机质丰度以中-高为主。研究区上古生界煤层煤质类型以气-肥煤为主，煤变质程度较高，总有机质含量(TOC)为89.7%～92.6%，平均含量为91.2%。研究区煤和泥页岩有机碳含量均显示其是很好的烃源岩，具有较强的生气能力。

A:ZK-1井，1885m，太原组，均质镜质体(TC)与基质镜质体(DC)相间排列，后者中见半丝质体(Sf)呈透镜体状、碎块状；碎屑惰质体(ID)密集成堆分布。黄铁矿(Py)微粒及粘土矿物(Cl)易见。光片，油浸，反射单偏光。B:XDK-1井，1100m，太原组，角质体(Cu)呈细条带状大致平行层面排列，略微弯曲；小孢子体(MiS)呈蠕虫状； 树脂体(Re)呈椭球状显亮黄色荧光； 碎屑壳质体(Ed)分散分布。 光片，反射荧光(蓝光激发)。图2 研究区煤样显微组分Figure 2 Study area coal sample macerals

3.3 有机质成熟度

研究表明，成熟度直接反映了有机质的生烃情况，同时影响有机质孔隙结构的发育，镜质体反射率(Ro)是反映有机质成熟度的重要指标，有机质的生烃能力随着成熟度的增加而逐渐增强，达到峰值后逐渐减弱[15-18]。研究区煤的镜质组反射率在0.70%～2.50%，平均值为1.7%；泥岩镜质体反射率分布在0.71%～1.71%，平均值为1.08%，其中Ro大于1%的约占94%，煤和泥页岩均处在成熟-高成熟生气阶段，为优质烃源岩。

4 储层岩石学特征

研究区煤和泥页岩作为煤系烃源岩，同时也是煤系非常规天然气的储集层，其储存方式以吸附态和游离态为主，部分游离态气体运移至上部致密砂岩储层。因此，研究区的煤系气储层有煤、泥页岩和致密砂岩三种类型。

通过对本区18个煤样品、32个泥页岩样品和25个致密砂岩样品的分析。

泥页岩中以黏土矿物和石英为主要矿物成分，黏土含量最大，石英含量次之。其中黏土矿物以高岭石、伊/蒙混层为主，前者占14%～99%，平均为63.82%，后者占4%～65%，平均为27.14%；其次为伊利石，含量为1%～10%，平均为5.42%，绿泥石含量仅为0～15%，平均为7.25%，石英含量为1%～59%，平均值为40.71%(图3)。高含量的黏土矿物增加了泥页岩的对甲烷气体的吸附能力，而脆性矿物增强了后期对泥页岩储层的改造能力。

图3 泥页岩矿物组成比例分布图Figure 3 Argillutite mineral composition proportions distribution

煤岩中无机组分常见的矿物有黏土矿物、黄铁矿、方解石、 石英等。黏土矿物是煤灰分的来源，多呈层状、分散状，黄铁矿含量为0.1%～0.2%，平均值为0.15%，其他矿物含量分布范围为7.2%～10.2%，平均值为8.65%，多为裂隙充填、球状、分散状(图2A)。

致密砂岩组分主要为石英、长石、岩屑。其中石英含量为8%～49%，平均为27.75%，碱性长石含量为4%～24%，平均为11.75，斜长石含量为2%～9%，平均为5.52%，长石类总含量约为6%～32%，平均为17%，岩屑含量为17%～54%，平均含量约为34.5%，岩屑中以沉积岩原岩为主。填隙物中杂基包括泥质杂基、炭质杂基、方解石杂基，其中泥质杂基含量为3%～30%，均值为11.25%，炭质杂基含量为1%～2%，均值为1.5%(图4)。

A:XD-3井，1 580m，山西组，中粗粒岩屑砂岩；少量细砂、巨砂，个别砾；岩屑含量高，主要为硅质岩及中基性喷出岩，部分凝灰岩、酸性喷出岩和变质岩、碳酸盐岩等；泥质填隙式粒间分布欠均匀，绿泥石多呈薄膜状绕颗粒边缘分布；方解石斑状分布，常见交代碎屑颗粒；粉晶菱铁矿斑点状或零星分布；少量铁质浸染状不均匀分布。 B:XD-2井，1 607m，山西组，灰质中细粒岩屑长石砂岩；中砂质细粒结构，部分极细砂。长石含量较多；岩屑主要为酸性喷出岩、 凝灰岩及沉积岩、变质岩等。泥粉晶方解石粒间分布较均匀，见交代碎屑颗粒；泥晶菱铁矿斑状、斑块状分布，表面多析出铁质；少量炭质碎屑零星分布，见少量石榴石、铁矿、绿泥石等。图4 致密砂岩组分特征Figure 4 Compact sandstone component features

5 储层物性特征

5.1 孔渗特征

通过对研究区18个煤样、32个泥页岩样品和25个致密砂岩样品的物性分析。泥页岩孔隙度为1.37%～8.44%，平均值为3.91%，属于微-小孔隙，总孔隙面积为0.76 ～12.98m2/g，平均值为5.07m2/g。泥页岩气储层渗透率为0.002 1×10-3～0.005 6×10-3μm2,平均为0.003 6×10-3μm2，渗透率极低。

煤孔隙度范围为4.18%～11.12%，平均值为5.55%；渗透率(0.025 2～0.038 1)×10-3μm2。致密砂岩有效孔隙度为1.5%～9.4%，平均为4.64%，砂岩渗透率为(0.003 8～0.413 4)×10-3μm2。

研究区内煤、泥页岩和致密砂岩孔隙度和渗透率均很低，是典型的特低孔、超低渗类型。

5.2 孔隙结构特征

研究区内煤储层压汞曲线具有一定的进汞、退汞体积差，滞后环窄小，孔隙多以开放孔(Ⅰ类孔)为主，但退汞曲线均呈下凹状，表明其中也包括相当数量的半封闭孔(Ⅱ类孔)，孔隙的整体连通性较差。煤岩孔径分布显示出两极分布，即以微、小孔占绝对优势，平均约占总孔隙含量的52.70%；大孔次之，中孔的含量最少(图5)。

扫描电镜显示，研究区泥页岩中主要发育晶间孔隙、有机质孔隙、微裂缝、粒间溶孔四种孔隙类型(图6)。有机质在沉积演化的过程中发生裂解，产生尺寸较小的有机孔，多为中孔甚至微孔，有机孔受到有机质含量以及有机质演化程度的影响，有机质含量越高，演化程度越高，有机孔越多(图6A)。

图5 研究区煤岩进退汞曲线图Figure 5 Study area coal and rock mercury intrusion and withdrawal curves

图6 泥页岩孔隙特征Figure 6 Argillutite pore features

泥页岩存在沟通微孔和中孔的微裂隙(图6B)，形成大量表面积，提供潜在吸附位置，供气体赋存，孔隙间连通性好，为泥页岩储集提供了大量的储集空间，也为页岩气渗流提供了有利的条件。

通过镜下观察和统计，可发现致密砂岩储层发育多种孔隙类型，主要包括残余原生孔隙和次生溶蚀孔。研究区砂岩压实作用较弱，碎屑颗粒之间接触较疏松，残余粒间孔较为发育，以点和点-线接触为主(图7A)；粒内溶孔主要是为岩屑颗粒不稳定成分溶蚀而成，粒间溶孔主要是有碎屑颗粒边缘部分溶蚀或粒间早期碳酸盐胶结物及杂基选择性溶蚀形成的孔隙(图7B)。微裂缝为穿切岩石碎屑颗粒、杂基及胶结物的缝隙，区内砂岩储层可见因构造应力或机械压实而形成的裂缝，这些裂缝对储层的储渗性能有巨大的作用。

图7 致密砂岩孔隙特征Figure 7 Compact sandstone pore features

6 结论

(1)煤和泥页岩作为本区的烃源岩，显微组分中镜质组含量最高，惰质组次之，壳质组含量最少，有机质类型以Ⅲ型为主，有机质丰度较高，成熟度较好，处于生气阶段。

(2)煤、泥页岩和致密砂岩为本区三种储集层类型。煤中无机组分常见的矿物有黏土矿物、黄铁矿、方解石、石英等；泥页岩中以黏土矿物和石英为主要矿物成分，黏土含量最大，石英含量次之；致密砂岩组分主要为石英、长石、岩屑。

(3)研究区内煤、泥页岩和致密砂岩孔隙度和渗透率均很低，是典型的特低孔、超低渗类型。

(4)煤岩孔径分布显示出两极分布，即以微、小孔占绝对优势，大孔次之，中孔的含量最少；泥页岩中主要发育晶间孔隙、有机质孔隙、微裂缝、粒间溶孔四种孔隙类型；密砂岩储层主要发育残余原生孔隙和次生溶蚀孔等多种类型。