延安地区山西组陆相泥页岩岩相类型及储层特征＊

谈 泽，王梓艺，尚松雨，王楚欣

（西安石油大学地球科学与工程学院，陕西 西安 710300）

中国页岩气资源丰富，勘探潜力巨大。已经成功突破页岩气勘探的区域主要包括渤海湾盆地、松辽盆地白垩系、鄂尔多斯盆地三叠系、准噶尔盆地二叠系和侏罗系、吐哈盆地和四川盆地三叠系-侏罗系、华北地区下古生界、塔里木盆地寒武系-奥陶系[1-7]。中国的鄂尔多斯地区在2012年被批准成为第一个国家陆相页岩气产业示范区，拥有着两套主要的页岩气大陆目标层，一套是湖相的中生代延长组长7段深湖-半深湖相富有机质黑色页岩气系统[8-9]，它的页岩含有大量的有机质，并且成功完成了水力压裂；而另一套是上古生界的海陆过渡相页岩地层，为本溪组、太原组和山西组[10]。位于陕西省延安地区的山西组页岩厚度一般不应超过50 m，当地页岩厚度最高可达100 m，山西组页岩已逐渐发展成为含气地层的重要组成部分。通过前人对鄂尔多斯盆地山西组泥页岩气的研究与科学技术的开发和勘探，了解到山西组泥页岩气的生态环境条件、储量，说明鄂尔多斯盆地的山西组泥页岩气具有巨大的开发潜力、勘探前景[11]。能够准确识别与划分泥页岩岩相类型是页岩气勘探开发潜力评估必不可少的条件。然而，以往对延安地区陆相页岩岩相类型及特征的研究较少。因此，笔者们以延安地区山西组陆相页岩为例进行了研究，在综合分析泥页岩矿物组成、扫描电镜、总有机碳含量等数据的基础上，结合不同页岩的矿物组成和三元端分析方法，对研究区泥页岩岩相类型进行了严密的识别和划分，这对中国页岩气的勘探开发具有深远的意义。

1 研究区概况

研究区位于鄂尔多斯盆地延安地区山西组。鄂尔多斯盆地是中国第二大沉积盆地，盆地内的页岩分布广，有机物含量高，热演化程度适中，是为数不多的大陆页岩气勘探区域之一[12]。鄂尔多斯盆地构造区与研究区勘探位置图如图1所示。

图1 鄂尔多斯盆地构造区与研究区勘探位置图

在中生代以前，其地质发展与华北地台同升降共沉浮。古生代时台地长期处于海侵期。中奥陶世以来，鄂尔多斯地台开始抬升，逐渐成为陆地。经过长期剥蚀，石炭系地台下沉，海水侵蚀延安周边边缘地带。晚古生代的造山运动——海西运动期间，山西地台、六盘水地区和秦岭地区出现了3个抬升隆起，在鄂尔多斯地台地区形成了一个独立的内陆盆地沉积单元。在这个台地内部，存在大量大陆振荡构造运动，地壳相对稳定。因为中生代的沉降，经过一段时间后，内陆盆地形成一套厚的陆相沉积物[13]。鄂尔多斯盆地作为中国最具代表性的陆相沉积盆地，在湖盆稳定沉降和扩张的不同时期沉积了多套较厚的湖相页岩，如图2所示，具有形成良好的页岩气综合储层的基础地质环境条件和巨大的开发潜力。

图2 延安地区山西组山1段沉积相图

山西组泥页岩储集层以浅湖环境下的河流-三角洲相沉积为主[14]，泥页岩累积厚度为40～85 m，岩性主要为深灰色-灰黑色泥页岩、深灰色粉砂质泥岩（或夹细砂岩）、灰黑色碳质泥岩和灰色细粒砂岩夹泥质条带[13]，如图3所示。山西组沉积相带呈北东向条带状分布，沉积微相对页岩储层的控制起着重要作用，页岩储层与分流河道之间的沼泽微相分布密切相关。

图3 延安区山西组页岩剖面图

2 实验方法和结果

本文研究采集的样本来自陕西省延安地区最具代表性的陆相页岩YY501和YY503，如图4、图5所示。其中YY501段岩心37块，YY503段岩心55块。对其进行钻井岩心观察与描述、薄片鉴定、全岩矿物X射线衍射分析、扫描电镜及测井资料的综合分析。其中岩石的物理性质是在ultrapore-00a氦孔kfsy/j95-036和ultra-permtm 00渗透率仪kfsy/j95-031上完成的，矿物晶体具有特定的X射线衍射图案。

图4 YY501单井剖面图

图5 YY503单井剖面图

2.1 地球化学特征

根据山西组YY501和YY503号井在山1段取心结果，山西组泥页岩以灰黑色、黑色为主，富含有机质，偶见植物化石和植物碎片，且含有较多的砂岩层，但随深度变化无明显特征。延安地区山西组页岩厚度一般大于50 m，局部地区厚度可达100 m，山西组页岩已成为重要的含气层系[15]。山西组山1段泥页岩有机碳质量分数为0.08%～2.78%，平均为0.598%，有机碳质量分数在纵向分布具有强非均质性；有机质演化程度相对较高，Ro值为2.53%～2.81%，平均为2.66%，最高峰温值（Tmax）为316～573℃，平均为388.1℃，有机质热演化程度处于过成熟阶段。

山西组山1段泥页岩干酪根显微组分以镜质组、惰质组、壳质组为主，不含腐泥组，其中壳质组分（均为腐殖无定形体）平均质量分数为37%，镜质体平均质量分数为48%，惰质组平均质量分数为15%，根据有机质类型系数并结合岩石热解参数分析，山西组山1段泥页岩有机质类型均为Ⅲ型，有机质类型为腐殖型干酪根[16]。

2.2 矿物组成特征

山西组泥页岩的地质矿物构成以石英和黏土类矿物最多，其中黏土类地质矿物质量分数最高，为25%～78%，平均分布率为61%；石英的平均质量分数大约为32%，长石的平均质量分数大约为2%，方解石的平均质量分数大约为3%，菱铁矿的平均质量分数大约为5%，未见过黄铁矿的分布。

3 页岩岩相类型

3.1 页岩岩相类型划分

页岩岩相的直接反应有以下3类，一是页岩的颜色，二是矿物组成，三是有机碳含量[17]。此篇文章依据山西组的陆相页岩基本的地质特征，并参照了前人陆相页岩岩相划分方案[16，18-20]，以矿物颜色和矿物组为参数进行了页岩岩相划分。由岩石学特征中矿物的组成可知，矿物可以按照不同的矿物组分分为3类，分别是硅质矿物（石英+长石）类、碳酸盐矿物（方解石+白云石类）、黏土矿物类。所以采用以上3种矿物的分类方法来作为末端元法绘制三角图，可以将页岩岩相大致划分为3种不同的类型，即一类是钙质页岩、一类是硅质页岩，最后一类为黏土质页岩。因为油气生成的基础皆为有机质，但陆相页岩有机质丰度较低。参考相邻岩层中TOC的变化，此次研究分别选取1.00%和2.00%作为分界，TOC质量分数小于1.00%为贫有机质，TOC质量分数大于等于1.00%且小于2.00%为含有机质，TOC质量分数大于等于2.00%为富有机质[21-23]。

3.2 页岩岩相类型

岩相是指在一定沉积环境中形成的岩石类型及其组合[16，18，20]，根据以上述划分方案，以YY503和YY501为研究对象，以钙质页岩、硅质页岩和黏土质页岩为主要类型划分，分别进行讨论，如图6所示。

图6 延安地区山西组陆相泥页岩的矿物组分三角图

3.2.1 钙质页岩

岩相岩性以灰黑色-黑色页岩为主，多呈块状结构，颜色均匀，坚硬、脆性、致密。岩石易碎，含有植物碎屑和发育的页理，如图7所示。硅质矿物的质量分数平均为3.31%，黏土矿物的质量分数平均为3.21%，而碳酸盐矿物的平均质量分数约为93.48%。钙质页岩TOC质量分数为0.051 6%～11.5%，平均为1.81%。钙质页岩碎屑孔较为发育，但整体储集性较差，是页岩气开采中典型的非优势岩相[24]。

图7 延安地区山西组页岩不同岩相岩芯照片

3.2.2 硅质页岩

该岩相岩性主要以黑色页岩为主，偶见含粉砂质夹层，岩石疏松且质纯，偶见植物碎屑，分选中等，泥质胶结，可见褐铁矿化和化石，致密。岩心的截面处见少量碳屑呈不均匀状分布。本块岩心不显层理。硅质矿物质量分数为48.32%～52.01%，平均为50.17%，黏土矿物质量分数为45.22%～51.67%，平均为48.45%，碳酸盐矿物质量分数为0～5.93%，平均为2.97%。硅质页岩TOC质量分数为0.066 5%～7.21%，平均为1.47%。其孔隙根据压汞毛管压力测定得知其孔喉90%以上在0～0.1 μm之间；喉道直径均值为0.05 μm；分选系数为0.06～0.1，说明其孔隙的分选程度较好，但不如黏土质页岩；均质系数为0.45左右，说明其孔喉分布不如黏土质均匀；结构系数为0.02～0.03，孔隙度为0.4%～0.5%，如图8、图9所示。综上可知，硅质页岩的孔隙次于黏土质页岩，但孔隙的结构等性质较好。

图8 硅质页岩孔隙度分布

图9 山1段孔隙度分布

3.2.3 黏土质页岩

该岩相岩性主要为碳质泥岩，颜色多为灰色到黑色，致密，断面光滑，砂砾为细砂、粉砂，断面含泥砾，可见微小的云母碎屑和碳化的植物碎屑，可见泥质胶结，可见植物化石，断面可见微小云母碎片，含煤。岩心表面见数条砂质条带，呈条纹状或条带状分布。本段岩心具波状层理。硅质矿物质量分数为2.01%～42.4%，平均为22.21%，黏土矿物质量分数为57.58%～98%，平均为77.79%，而碳酸盐矿物质量分数为0～5.00%，平均为2.50%。黏土质页岩TOC质量分数为0.11%～3.62%，平均为1.05%。孔隙根据压汞毛管压力测定得知其孔喉90%以上在0～0.1 μm；喉道直径均值在0.05 μm左右；分选系数为0.06～0.16，90%以上分布在0.06和0.07，说明其孔隙的分选程度最好；均质系数为0.43～0.51，平均值为0.48，说明其分布稍有不规律，但总体是样本中分布最均匀的；结构系数为0～0.09，孔隙度为0.4%～1.50%，平均为0.85%，如图9、图10所示。综上可知，黏土质页岩的孔隙结构较好，分选性较好，孔隙度最大。

图10 黏土页岩孔隙度分布

4 结论

通过对实测地的钻井岩心观察与描述、薄片鉴定、全岩矿物X射线衍射分析等资料的分析，按照矿物组分进行划分。陕西省延安地区的山西组泥页岩岩相可以分为以下3大类：钙质页岩、硅质页岩、黏土质页岩。对比分析与国内和国外的具有代表性的页岩气产区产出的页岩矿物组成，延安地区泥页岩具有黏土矿物含量高的特点。

延安地区山西组矿物含量的特征：延安地区山西组钙质页岩碳酸盐矿物含量高，硅质矿物和黏土矿物含量少；混合质页岩硅质矿物和黏土矿物含量较高，碳酸盐矿物含量低；黏土质页岩黏土矿物含量高，硅质矿物和碳酸盐矿物含量低。该地区岩石TOC平均质量分数1%～2%，含较多含有机质页岩，少量岩石TOC质量分数大于2%，因此该地区多为含有机质页岩。

不同泥页岩在不同的沉积物和地质背景下存在着差异，因此泥页岩存放的品质也会有着很大的差异。由于各岩相孔隙的物性不同，其结构也存在着差异，岩相与黏土质页岩气储层之间含气性关系的表征：黏土质页岩＞硅质页岩＞钙质页岩。