海陸過渡相泥頁巖含氣性主控因素分析
——以鄂爾多斯盆地臨興中區太原組為例

孔 為

（中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，天津 300457）

頁巖氣是指賦存于富含有機質的泥頁巖及其夾層狀的泥質粉砂巖、粉砂質泥巖、粉砂巖中的天然氣，其主要的聚集方式為吸附狀態和游離態。頁巖氣是自生自儲、原地成藏模式的連續性氣藏；具有短距離運移，大面積連續分布，且突破了對圈閉的要求等特點。我國頁巖氣資源量約為134.42×1012m3，勘探潛力巨大。國土資源部組織完成的全國頁巖氣資源潛力評價，初步評價我國陸域可采頁巖氣資源潛力為25.08×1012m3。目前，海相頁巖氣生成已初步形成了工業化生產，而陸相和海陸過渡相雖進行了較多的研究，但產量高低懸殊，并未實現工業產能突破，勘探開發前景并不明確[1，2]。泥頁巖含氣性是頁巖氣勘探潛力評價、勘探有利區優選、資源量計算的重要指標，也是后期進行開發規劃、氣藏描述、儲量計算的關鍵參數，其可靠性、準確性，對頁巖氣資源評價和儲量預測具有重要的意義。本文結合我國頁巖氣勘探的實際，通過對鄂爾多斯盆地臨興中區大量實驗數據及相關勘探開發資料的分析，總結了影響臨興中區泥頁巖含氣量的地質因素，寄希望于對該區的泥頁巖的區帶優選及勘探開發具有指導意義。

1 研究區概況

鄂爾多斯盆地現在為北東較寬并且坡度小，而南西較窄并且坡度大，總體上表現為南北不對稱的盆地。盆地周邊斷裂和褶皺發育多，內部較平緩構造也簡單。根據盆地現今構造等情況，將盆地劃分成了五個一級構造單元，分別是：伊盟隆起、渭北隆起、晉西撓褶帶、陜北斜坡、天環坳陷。臨興區塊構造上位于鄂爾多斯盆地東緣晉西撓褶帶，構造較為簡單，地層整體單斜西傾，出露地層由東向西漸新。

2 泥頁巖含氣性影響因素

頁巖氣是儲集于天然裂縫和巖石粒間孔隙中的游離氣，或吸附于有機質和黏土礦物顆粒表面的吸附氣，或溶解于干酪根和瀝青中的溶解氣。具有典型的原地成藏的特點，影響含氣性的因素較復雜[3，4]。結合對鄂爾多斯盆地臨興中區含氣性的研究，認為該區含氣性主要受含氣泥頁巖厚度、有機質豐度、儲層物性條件、巖石組合類型等多因素控制[5-9]。

2.1 含氣泥頁巖厚度對含氣性的影響

頁巖氣要形成有工業價值的頁巖氣藏，含氣泥頁巖儲層需要達到一定的厚度。泥頁巖的有效厚度是指在含氣泥頁巖中具有符合儲備標準的天然氣生產能力的儲層部分的厚度。本文中含氣泥頁巖厚度主體為泥頁巖厚度，其間夾有泥質粉砂巖條帶、粉砂質泥巖條帶、碳質泥巖條帶、粉砂巖條帶、極薄煤層等。影響泥頁巖層段產氣能力的因素有有機碳、儲層物性等，只有含氣泥頁巖達到一定厚度，才能保證充足的有機質和儲存空間。一般認為含氣泥頁巖的厚度不得低于30 m。臨興中區太原組含氣泥頁巖厚度在21.6～70.5 m，平均46.6 m。從平面上來看（見圖1），太原組含氣泥頁巖累計厚度大，全區分布廣泛，有利于提供頁巖氣生成的物質基礎。

圖1 臨興中區太原組含氣泥頁巖厚度圖Fig.1 Thickness map of Taiyuan formation gas shale in Linxingzhong area

2.2 有機碳含量對含氣性的影響

有機碳含量是影響泥頁巖儲層含氣量最為重要的指標，對泥頁巖的含氣量有雙重意義。一方面它是烴源巖生烴的物質基礎，另一方面它也是甲烷氣體重要的儲集空間，前人研究證實，在相同壓力條件下，頁巖氣含量的多少直接受有機碳含量的影響，并且頁巖氣含量和有機碳含量成正比。研究區頁巖巖心樣品實測有機碳含量太原組（太1 段、太2 段）的頁巖TOC 以大于1.5%為主（見表1），太原組TOC 含量最大可達2%～5%；垂向上有機碳含量具有一定的韻律性。此外，有機質表面的顆粒具有很好的吸附性，有機質含量越多，可供甲烷吸附的載體越多[10]。并且有機質在生烴作用后，產生有機質孔，增大了孔隙的比表面積，為甲烷氣體提供更多的有利場所，泥頁巖吸附氣含量隨之增加（見圖2）。

圖2 臨興中區太原組有機碳含量與含氣量關系圖Fig.2 Relationship between organic carbon content and gas content of Taiyuan formation in Linxingzhong area

表1 臨興中區太原組泥頁巖有機地化參數統計表Tab.1 Statistical table of organic geochemical parameters of mud shale in Taiyuan formation，Linxingzhong area

2.3 儲層特征對含氣性的影響

2.3.1 儲層物性特征對含氣性的影響 對研究區頁巖層段進行了巖心孔隙度、滲透率等物性測試（見表2），分析認為研究區頁巖總體儲滲條件一般，太原組頁巖孔隙度0.79%～1.90%，平均1.56%；太原組頁巖滲透率0.003～0.013 mD，平均0.007 mD。從實驗結果分析得知，太原組純泥頁巖儲集空間及滲透能力一般，孔隙度與含氣量有一定的正相關性。

表2 太原組典型單井孔滲測試統計表Tab.2 Statistical table of typical single well porosity and permeability tests in Taiyuan formation

2.3.2 孔隙特征對含氣性的影響 泥頁巖的孔隙結構特征對其儲集性能具有直接影響，進而影響泥頁巖的含氣量多少。根據國際理論和應用化學協會（IUPAC）的孔隙分類，將孔隙直徑＜2 nm 的稱為微孔（micro pore），2～50 nm 的為中孔（mesopore），＞50 nm 的為宏孔（macro pore）。前人研究表明，微孔因含有龐大的比表面積，能容納更多的CH4分子吸附在上面，從而對頁巖的吸附量具有決定性的控制作用。不同尺度下的孔隙對比表面積的貢獻存在著差異性，從而在不同程度上影響著泥頁巖的吸附能力。

據BJH 法計算孔徑，太原組平均孔徑9.4～16.7 nm，平均為13.6 nm。據BET 法計算比表面積，太原組頁巖比表面積為0.93～2.93 m2/g，平均為2.16 m2/g。本區太原組頁巖以中孔（2～50 nm）為主。由實驗數據建立平均孔徑與孔體積、平均孔徑與孔面積關系，得知太原組的孔徑分布以單峰型為主，主峰孔徑在45 nm 左右。從三種孔隙類型來看，太原組的微孔、2～10 nm 的中孔對孔面積貢獻較大，中孔對孔體積的貢獻均較大（見圖3）。從分析結果來看，微孔、中孔的占比較高，是太原組頁巖氣賦存的主要場所。

圖3 太原組頁巖孔徑分布特征圖Fig.3 Pore size distribution of shale in Taiyuan formation

2.4 巖石組合類型對含氣性的影響

巖石組合類型在一定程度上控制著泥頁巖的含氣性、儲集性能。根據國內外研究經驗以有機質豐度2%為界限，將TOC 大于等于2%和小于2%劃分為富有機質和含有機質兩大類，通過對研究區實驗數據的統計分析得知，太原組TOC 絕大部分大于2%，屬于富有機質；層理構造方面主要從塊狀、夾層狀、裂縫型三點考慮，對研究區巖心觀察、實驗樣品薄片鑒定得知泥頁巖以夾層狀和裂縫型存在居多[13-16]；從礦物成分角度出發，本研究區不同類型泥頁巖的礦物整體以石英和黏土礦物為主，主要巖性類型是泥質粉砂巖條帶、粉砂質泥巖條帶、碳質泥巖條帶、粉砂巖條帶等。從上述巖石類型分類（見表3），研究區主要的巖石類型為富有機質夾層狀泥質粉砂巖、富有機質夾層狀灰質泥巖、富有機質夾層狀灰巖、富有機質塊狀泥巖、富有機質裂縫型泥巖、富有機質裂縫型粉砂質泥巖。其中夾層狀和裂縫型泥頁巖的含氣量要比塊狀泥頁巖的高，并且含氣量高的泥頁巖都有以下共性：有機質多呈順層狀分布，甚至串珠狀分布，這種分布方式易形成連續的有機質網絡，為頁巖氣運聚提供條件；微裂縫較發育，大大增加了天然氣的儲集空間，有利于頁巖氣的富集[17-20]。

表3 臨興中區太原組泥頁巖主要組合類型Tab.3 Main assemblage types of mud shale in Taiyuan formation，Linxingzhong area

3 頁巖含氣量評價

頁巖氣含氣量評價可促進頁巖氣成藏機理的研究，提高頁巖氣資源量評價的精度，指導頁巖氣有利區的確定。目前測試頁巖氣含氣量的方法主要是現場解析法、等溫吸附實驗法和測井解釋法，其中最直接，也是最常用的是現場解析法[21-26]。

通過對泥頁巖含氣性影響因素的分析，得知泥頁巖的含氣性受含氣泥頁巖厚度、有機質豐度、成熟度、儲層物性條件、巖石組合類型等多因素控制。這些因素不同程度控制著泥頁巖對甲烷的吸附能力[27-30]，主要表現在兩個方面：一方面有機質本身具有較強的親油性，對于甲烷分子有較強的吸附能力；另一方面，無論是有機質內部發育的有機孔隙、無機礦物間的無機孔，還是原生裂隙、次生裂隙，都大大的提高了巖石的比表面積，為甲烷氣體的吸附提供了更多空間。以上表明，有機質對泥頁巖的含氣性起到主導作用。綜合分析認為臨興中區太原組泥頁巖含氣量的最主要因素是有機碳含量、巖石組合類型。

4 結論

（1）與海相泥頁巖儲層相比，海陸過渡相泥頁巖儲層具有橫向相變快、非均質性強的特點。

（2）影響泥頁巖含氣量的主控因素包括含氣泥頁巖厚度、有機碳含量、儲層物性條件、巖石組合類型等。其中有機碳含量和巖石組合類型對泥頁巖含氣性影響更大。