河南省太原組–山西組頁巖氣成藏主控因素與勘探方向

邱慶倫 ， 李中明 ，劉永春 ，張 棟 ，董果果 ，劉 沖

（1．河南省地質調查院，河南鄭州 450001； 2．河南豫礦地質勘查投資有限公司；3．地下清潔能源勘查開發產業技術創新戰略聯盟）

重慶涪陵焦石壩、四川長寧–威遠等地取得頁巖氣勘探開發重大突破后，南方龍馬溪組海相頁巖氣已經進入大規模商業開發模式。北方河南省牟頁1井太原組、山西組143 m厚的含氣層段分三段進行分壓合試，獲得了日產1 256 m3天然氣的較穩定氣流，實現了我國北方海陸過渡相頁巖氣勘探的重大發現；此外，中國地質調查局組織實施的蔚參1井、華北石油局實施的通許1井、通許2井等均顯示太原組、山西組具有較好的勘探前景[1-2]。本文在對太原組、山西組頁巖氣成藏主控因素分析的基礎上，在河南省中東部平原覆蓋區優選出太原組和山西組頁巖氣勘探有利區，為二疊系頁巖氣勘探部署提供依據。

1 頁巖氣形成地質背景

1.1 富氣頁巖沉積環境

無論常規油氣還是非常規油氣，成藏主要受控于“烴源巖”及“保存”兩大要素，已在中國南方五峰組龍馬–溪組頁巖氣成藏勘探實踐中已經得到了驗證，即原始的沉積條件和后期的保存條件是氣田成藏的關鍵[3–4]。

研究區河南中東部平原從北向南依次橫跨內黃隆起、開封–臨清坳陷、通許隆起、周口坳陷和長山隆起3隆夾2坳的構造格局（圖1）。構造相對穩定，地層產狀相對平緩。構造演化大體上經歷了寒武紀–中奧陶世濱淺海相沉降盆地發育時期、晚奧陶世–泥盆紀克拉通古陸隆起剝蝕期、石炭紀–二疊紀海陸過渡相沉降盆地發育時期和三疊紀–第四紀陸相盆地發育時期5個演化階段。其中，下二疊統太原組為三套灰巖夾兩套黑色泥巖及煤層的沉積組合，總體表現為海進退積序列，其中泥頁巖段為瀉湖相、灰巖段為局限臺地相；而山西組下部主要為砂巖、上部總體為黑色泥巖與煤層，總體表現為海退進積序列，逐漸由前三角洲向三角洲前緣過渡，最后發展為三角洲平原（圖2）。

1.2 富氣頁巖厚度及分布

圖1 研究區構造位置

圖2 鄭西頁1井（左）及牟頁1井（右）綜合剖面

（1）太原組：河南省中東部地區太原組厚度主要為50~130 m，最大厚度約153 m，最小厚度約32 m。豫北和豫東地區厚度較大，為110~130 m；在濟源下冶—洛陽—汝州一線以西及汝州—魯山—確山一線以西地區厚度變小，大多在50 m以下直至尖滅，反映了當時沉積基底地形有明顯差異，地層厚度變化總體表現為由北向南、由東向西變薄的趨勢，也說明在這兩條線以西地區近乎到古陸邊緣。在豫東柘城至永城一帶沉積厚度均大于130 m，是太原組沉積厚度最大的地區（圖3）。

圖3 研究區太原組地層等厚圖（據胡斌等[5]，2015，略改）

（2）山西組：分布在河南省內三門峽—確山—固始一線以北的廣大地區，區域上較穩定，厚度主要為60~105 m，最大厚度127 m，最小厚度約50 m，整體上厚度差別不太大，說明當時沉積基底地勢差異也不大。豫東北地區厚度較大，為100~127 m；在陜縣—寶豐—確山一線以西地區厚度較小，一般小于60 m，反映了當時沉積基底靠近西部伏牛古陸地勢較高。在開封—杞縣一帶地層厚度也不足 60 m，很可能存在一個水下隆起（圖4）。

2 頁巖氣成藏主控因素

2.1 富有機質烴源巖是頁巖氣富集的物質基礎

河南省頁巖氣主要目的層是下二疊統海陸過渡相的太原組和山西組，巖性主要為灰色–黑色頁巖夾灰巖及細砂巖，具有普遍含氣的地質特征，太原–山西期泥炭沼澤亞相和瀉湖亞相為海陸過渡相頁巖氣發育最有利相帶（圖2）。太原組–山西組優質頁巖總含氣量0.42～4.44 m3/t，平均為1.93 m3/t；有機質類型均為 III型；平均有機碳含量太原組為2.20%，山西組為1.90%；成熟度3.0%～4.5%，處于過成熟晚期干氣階段。對牟頁1井山西組、太原組兩套頁巖氣層、一套砂巖氣層段壓裂試氣，其中太原組試氣井段厚度77.14 m，山西組下部試氣層段厚20.0 m，山西組上部試氣層段厚46.5 m。三層合采產氣1 256 m3/d，取得了南華北盆地海陸過渡相頁巖氣勘探的重大發現[6]。

2.2 孔隙、裂縫是頁巖氣主要儲集空間

牟頁1井及鄭西頁1井太原組含氣頁巖層段的孔隙度0.4%～4.5%，平均為2.1%；滲透率1.21×10-6～0.11×10-3μm2，平均7.48×10-6μm2。山西組含氣頁巖層段的孔隙度0.3%～8.8%，平均2.3%；滲透率0.023×10-3～0.92×10-3μm2，平均0.045×10-3μm2。

牟頁1井、鄭西頁1井太原組和山西組泥頁巖中微孔隙類型主要包括無機孔、有機質孔及各類裂縫，既為頁巖氣的儲存提供空間，又是氣體重要的滲流通道。此外，太原組和山西組含氣層段層理非常發育，由一系列薄層頁巖及細砂巖互層組成，層理面構造不穩定，極易形成水平層理縫，這為頁巖氣提供了良好的儲存空間及滲流通道，有助于增加頁巖層中游離態天然氣體積和改善頁巖的滲流能力，從而獲得較高的產能。

圖4 研究區山西組地層等厚圖（據胡斌等[5]，2015，略改）

2.3 頁巖儲層具有良好的可壓性

牟頁1井、鄭西頁1井太原組、山西組頁巖儲層礦物以黏土礦物和石英為主，石英平均含量36%，黏土礦物平均含量35%，其次為長石，還有部分碳酸鹽巖和少量黃鐵礦；山西組的石英平均含量45%，黏土礦物平均含量46%，黏土礦物主要由伊利石、伊–蒙混層和綠泥石組成，底部、頂部伊利石較少，向中部增加。從太原組到山西組，總體上，石英含量高，具有向上逐漸增加的趨勢，顯示了較好的可壓裂性。太原組、山西組主要含氣層段巖石楊氏模量20～45 GPa，泊松比0.20～0.35，脆性指數為39%～71%，平均脆性指數接近于50%，適宜壓裂施工。

2.4 保存條件是頁巖氣富集及產能的關鍵因素

優質蓋層及穩定的構造是頁巖氣富集及產能影響的關鍵因素[7–9]，前人研究認為[10]，河南省中東部中侏羅世為海陸過渡相地層的烴源巖生氣高峰，三疊紀和白堊紀次之，生氣高峰時間越早，越不利于頁巖氣的保存。同時北方海陸過渡相頁巖氣層系經歷了多期油氣成藏過程，而多期成藏對氣田形成和保存通常具有負面作用，對于河南北部溫縣區塊鄭西頁1井、中牟區塊牟頁1井而言，井區3 km以內均有數條“通天”斷層，非常不利于頁巖氣的保存。而河南省中東部地區太原組和山西組蓋層為石盒子組泥巖，橫向分布穩定，突破壓力達14.1 MPa，顯示了較高的封閉能力，是區域性蓋層，保存條件較好，故在構造相對穩定的鄂爾多斯發現了大牛地致密砂巖氣田[11]。美國及我國南方海相頁巖氣的勘探開發均表明，壓力系數較高的頁巖氣井一般具有較好的產能，但以海陸過渡相太原組、山西組為勘探目的層的鄭西頁1井、牟頁1井、尉參1井及鄭東頁2井四口頁巖氣井均顯示常壓，地層壓力均為1.0 MPa左右，壓裂試氣效果也顯著差于南方海相頁巖氣田，一定程度上說明了保存條件較差，導致地層壓力較低，從而決定了頁巖氣產能的巨大差異。因此，對于河南省海陸過渡相頁巖氣層系而言，在頁巖氣層系厚度、埋深及蓋層條件相似的情況下，尋找構造相對穩定的區域，是下一步進行頁巖氣、致密砂巖氣勘探選區的關鍵。

3 頁巖氣勘探方向

綜上所述，河南省二疊系太原組和山西組是較好的頁巖氣勘探層系，具有普遍含氣的地質特征。對于河南省平原覆蓋區而言，通許隆起東緣的永城及柘城一帶，太原組底界埋深為600～4 000 m，太原組和山西組厚度也是全省最大的區域，分別大于130 m和100 m；且永城一帶有煤田區，煤層厚度5～13 m，生烴條件較好，構造相對較為穩定，是較為理想的頁巖氣勘探有利區，具有較好的頁巖氣勘探前景。

4 結論

（1）河南省下二疊統海陸過渡相的太原組和山西組頁巖氣層系，為黑色頁巖夾灰巖及細砂巖，具有普遍含氣的地質特征，有機質類型為Ⅲ型，處于過成熟晚期，孔隙、裂縫是頁巖氣的主要儲存空間；脆性礦物含量高，顯示了較好的可壓性；河南北部地區頁巖氣保存條件差，而中東部地區區域泥巖蓋層穩定、保存條件較好。

（2）河南省平原覆蓋區通許隆起東緣的永城及柘城一帶，太原組和山西組厚度埋深適中、生烴條件好、厚度最大、構造相對穩定，是較為理想的頁巖氣勘探有利區。

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