鲁西地区山西—太原组泥页岩可压性分析

彭文泉，张春池，吕小红，梁云汉，高兵艳 .

(1.山东省第一地质矿产勘查院，山东济南 250109；2.山东省地质调查院，山东济南 250014；3.山东省土地质量地球化学与污染防治工程技术研究中心，山东济南 250014)

中国四川盆地等地区页岩气已实现规模性商业开发[1-4]。山东省在页岩气勘查领域也投入大量工作，在鲁西地区先后施工了LYC1井、CYC1井、LY1井、YYC1井等多口页岩气参数井(图1)，山东省地质调查院利用煤炭勘查钻孔(ZKLP4-1、ZK13-3S等)采集了大量样品，为页岩气生储条件和潜力评价工作提供了翔实资料。以往研究明确了鲁西地区山西—太原组为页岩气有利勘探层系，优选了页岩气有利区[5-6]，并针对页岩气生储条件开展了大量研究工作[7-10]，未对页岩气储层改造性能进行探讨。本次研究工作在分析利用以往获取的地质资料和分析测试数据基础上，对山西—太原组泥页岩脆性和可压性进行分析研究，结果表明鲁西地区山西—太原组泥页岩微裂隙发育、脆性矿物含量高、岩石脆性很强，具有较好的可压性，有利于后期人工压裂改造。

1 地质背景

鲁西地区山西—太原组主要分布在鲁西南含煤区、阳谷—茌平含煤区和黄河北含煤区。研究区位于鲁中隆起西缘，北以齐(河)—广(饶)断裂为界与济阳坳陷相接，西以聊(城)—(兰)考断裂为界与临清坳陷相连(图1)，东、南一般接于鲁中隆起之上。

区域上地层一般发育有新太古代泰山岩群，古生代寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系，中生代侏罗系、白垩系，新生代古近系、新近系和第四系[11-12]。

新太古代泰山岩群：岩性以黑云变粒岩、斜长角闪岩为主。

下古生界：发育有寒武系和奥陶系，岩性主要以海相沉积的灰岩、白云岩、泥岩、白云质灰岩、灰质白云岩为主。

上古生界：发育有石炭系和二叠系，岩性为泥页岩、砂岩夹灰岩、煤层。

中生界：发育有侏罗系和白垩系，岩性以砂岩、泥岩、凝灰岩等为主。

新生界：发育有古近系、新近系和第四系，岩性为泥岩、粉砂岩、砂岩、含砾砂岩等不等厚互层，第四系以黏土和粉砂为主。

2 页岩气储层特征

2.1 岩性特征

太原组发育岩性为砂岩、粉砂岩、粉砂泥岩、泥岩、炭质泥岩、灰岩、煤层，整体色调呈灰—深灰色，为海陆交互相含煤沉积。山西组岩性以砂岩、粉砂泥岩、泥岩夹煤层为主，整体为一套灰色调陆相沉积为主的含煤地层。山西—太原组泥页岩一般发育厚度为80～120 m，泥地比为60%～70%。

2.2 有机地化特征

鲁西地区山西—太原组泥页岩有机碳含量主要集中在1.0%～6.0%，平均为3.1%，其中太原组369件样品中311件有机碳含量在1.0%～6.0%，占84.3%，整体以中等烃源岩为主；山西组52件样品中32件有机碳含量在1.0%～6.0%，占61.5%，整体以中—好烃源岩为主(表1)。

表1 山西组、太原组泥页岩有机碳含量统计Table 1 Statistical of organic carbon content of mud shale in Shanxi group and Taiyuan group

山西—太原组115件样品中，Ⅲ型干酪根占61.7%，Ⅱ2型干酪根占29.6%，干酪根以Ⅲ型为主；大部分样品的镜质体反射率为0.8%～1.4%，已进入生气阶段。

2.3 微裂隙发育特征

裂隙发育强弱一方面影响泥页岩的含气量，另一方面影响着泥页岩的改造性能。微裂隙发育程度直接影响了游离气储存空间的大小，一般游离气量随微裂隙的发育密度和规模的增加而增大。微裂隙的发育程度还影响着甲烷与有机质的接触面积，相同有机碳含量的泥页岩随微裂隙的发育吸附气量具有增加的趋势[13-14]。

微裂隙发育程度对后期改造和产能具有重要作用[15-17]，通过对山西—太原组泥页岩自然断面扫描电镜研究，泥页岩中主要发育有微裂隙、矿物间隙、矿物颗粒内部溶蚀孔、碎屑表面溶蚀孔、泥粒孔等。微裂隙发育宽度一般小于5 μm，发育长度从几十微米到几百微米不等(图2a、2b)，部分微裂隙之间具有一定的联通性和相接性；另外一些微裂隙沿矿物间隙发育(图2c、2d)，改造时压裂液易于沿这些微裂隙形成人工改造缝。

3 矿物成分

3.1 脆性矿物

页岩气储层的改造、压裂难易程度受脆性矿物含量的直接影响，因此，一般将脆性矿物含量作为评价储层物理性能的重要参数之一。《页岩气资源储量计算与评价技术规范》(DZ/T 0254-2014)要求页岩气储层中脆性矿物不低于30%[18-20]。

依据钻孔获取的X-衍射全岩矿物成分分析结果，山西—太原组泥页岩中脆性矿物以石英为主，另外还含有钾长石、斜长石、方解石、白云石、黄铁矿、菱铁矿等(表2)。

表2 山西组、太原组泥页岩全岩矿物含量Table 2 Mineral content of total shale in Shanxi and Taiyuan formations

山西—太原组泥页岩中脆性矿物总含量为6%～98%，各孔平均含量为38%～63%。其中，石英平均含量为25%～47%，山西组石英平均含量为30%～47%，太原组石英平均含量为25%～40%，山西组石英平均含量略高于太原组；钾长石平均含量为0～6%；斜长石平均含量为1%～7%；方解石平均含量为0～6%，太原组方解石平均含量高于山西组；白云石平均含量为0～6%；黄铁矿检出样品平均含量为0～15%，太原组黄铁矿平均含量大于山西组。

222件样品中脆性矿物含量小于30%的样品共12件(ZKLP4-1井3件、ZK13-3S井3件、YYC1井4件、LYC1井2件)，占样品总数的5.41%，说明研究区山西—太原组泥页岩脆性矿物含量较高，从脆性矿物含量分析有利于压裂改造。

3.2 黏土矿物

泥页岩中除有机质吸附甲烷之外，黏土矿物也是甲烷吸附的另一重要载体[21-24]。同时黏土矿物对当时的沉积环境具有较强的敏感性。

鲁西地区山西—太原组泥页岩中黏土矿物含量为1%～87%，各钻孔平均含量为37%～62%；ZKLP4-1、ZK13-3S、YYC1井中太原组黏土含量高于山西组。黏土矿物成分主要由伊/蒙混层、伊利石、蒙脱石、高岭石、绿泥石组成。伊/蒙混层含量为0～87%，各钻孔平均含量为16%～52%；伊利石平均含量为11%～43%；高岭石平均含量为21%～33%；绿泥石平均含量为6%～15%；太原组伊/蒙混层和伊利石含量高于山西组，太原组和山西组高岭石含量相近，山西组高岭石含量一般略高于太原组(表3)。样品中未检出水敏性最强的蒙脱石[25-26]，说明泥页岩有利于人工压裂改造。

表3 山西组、太原组泥页岩黏土矿物含量Table 3 Clay mineral content of shale in Shanxi and Taiyuan formations

3.3 脆性指数

岩石的脆性特征一般用脆性指数来表征，以往评价中脆性矿物以石英为主[27-28]，因此传统的脆性指数(BI1法)计算公式为：

(1)

式中BI1——岩石脆性指数(以石英含量计)，%；

V石英——石英含量，%；

V碳酸盐矿物——碳酸盐矿物含量，%；

V黏土——黏土矿物含量，%。

海陆交互相沉积的山西—太原组泥页岩中石英的平均含量为25%～47%，泥页岩中长石、岩屑矿物等对岩石脆性也有贡献作用，因此将岩石脆性指数求取公式改进为(BI2法)：

(2)

式中BI2——岩石脆性指数(以石英+长石+黄铁矿含量计)，%；

V石英+长石+黄铁矿——石英+长石+黄铁矿含量，%。

利用改进的(2)脆性指数法计算山西—太原组脆性指数(表4)，该方法能够较全面地体现泥页岩脆性，并在我国南方勘查实践中得到了应用，被学者们所认可[29-33]。

表4 山西组、太原组脆性指数统计Table 4 Statistical of brittleness index of Shanxi group and Taiyuan group

一般认为脆性指数大于25%为脆性很强，15%～25%为脆性中等，10%～15%为脆性较弱，小于10%为塑性。山西—太原组222件样品中208件样品脆性指数大于25%，占样品总数的94%，说明山西—太原组泥页岩脆性很强。

从山西组和太原组脆性指数分布区间(图3)来看，山西组59%的样品脆性指数集中在50%～70%，太原组70%的样品脆性指数集中在40%～60%，钻孔脆性指数均值显示山西组泥页岩脆性一般强于太原组泥页岩。

4 可压性探讨

山西—太原组岩性多以砂岩、粉砂岩、粉砂质泥岩、泥岩、炭质泥岩、灰岩和煤层组成，发育泥页岩厚度为80～120 m，泥地比为60%～70%；泥页岩中微裂隙发育，发育方向不规则，分布无规律，易于形成诱导网状体积裂缝；山西—太原组中发育的暗色泥页岩脆性矿物含量最小为6%，最大为98%，统计钻孔脆性矿物平均含量为38%～63%，脆性矿物含量较高，黏土矿物含量低，且不含水敏性最强的蒙脱石，易于压裂改造。

利用石英、长石和黄铁矿含量评价泥页岩脆性指数，获取的脆性指数较高，94%样品为脆性很强，利于人工造缝。

综上所述，山西—太原组泥页岩微裂隙发育、脆性矿物含量高、脆性指数显示岩石脆性很强，因此认为山西—太原组泥页岩可压性较好，利于人工压裂改造。

5 结论

(1)山西—太原组发育较厚的泥页岩，其有机碳含量平均为3.1%，镜质体反射率为0.8%～1.4%，干酪根以Ⅲ型为主，具备页岩气生成的物质基础和演化条件。

(2)岩石中微裂隙发育，微裂隙之间具有一定的联通性和相接性，改造时易于压裂和形成诱导网状体积裂缝，提高改造效果。

(3)各钻孔脆性矿物含量为38%～63%，脆性矿物含量较高；山西组59%的样品脆性指数主要集中在50%～70%，太原组70%的样品脆性指数主要集中在40%～60%；山西—太原组94%样品脆性指数大于25%，脆性很强，说明山西—太原组泥页岩具有较高的脆性和较好的可压性，利于人工压裂改造，为鲁西地区山西—太原组页岩气储层改造提供了借鉴。