新疆阜康地区八道湾组页岩气成藏条件_张敏.pdf

第 47 卷 第 2 期 煤田地质与勘探 Vol. 47 No.2 2019 年 4 月 COAL GEOLOGY 2. College of Geosciences and Surveying Engineering, China University of Mining and Technology, Beijing 100083, China; 3. Geological Exploration and Research Institute, CNAGG, Beijing 100038, China Abstract In order to uate the potential of shale gas of coal measures in Fukang area, Xinjiang, taking the shale of Jurassic coal measures in Badaowan ation as an example, the study was carried out and the favorable accumula- tion area for shale gas was preliminarily put forward according to the drilling, core data and sample analysis results in this paper. The result shows that the accumulative thickness of Jurassic Badaowan ation shale is big200-400 m, the buried depth is shallow2.0, mainly of type III and II2, thermal evolution level is moderateRran is 0.8-1.1, mature, physical property of reservoir are relatively good, micro-nanoscale pores are relatively developed, clay mineral content is high, brittleness index is low and the gas con- tent is lowaverage 1.4 m3/t. After comprehensive analysis, it is concluded that Badaowan ation in Fukang area has good reservoir-ing conditions for shale gas. On the basis of above studies, it is proposed that Fukang-Mu 7 well-Miquan-Changji area is a favorable accumulation area for shale gas in coal measures in this area. Keywords shale gas in coal measures; reservoir-ing condition; Jurassic Badaowan ation; favorable res- ervoir-ing area; Fukang area, Xinjiang 煤系页岩气是指富含有机质的煤系泥页岩经过 生、排烃作用后残留在泥页岩层段内的非常规天然 气，其赋存方式通常为游离态和吸附态，属自生自 储、原位饱和成藏[1-4]。新疆是我国常规能源生产大 ChaoXing 104 煤田地质与勘探 第 47 卷 区，同时也是页岩气、煤层气等非常规资源蕴藏量巨 大的地区， 初步评价其页岩气资源量可达 26 万亿 m3， 煤层气资源量为 9.5 万亿 m3[5]。目前，准噶尔盆地 在非常规天然气地质研究方面取得了长足进展，煤 层气和煤系致密砂岩气勘查开发已经成熟，但煤系 页岩气尚处在发展阶段[6-8]。王怡然等[9]从页岩分布 情况、厚度、面积、总有机碳含量、热演化程度、 有机质类型等方面入手，探讨了准噶尔盆地南缘侏 罗系、二叠系以及石炭系页岩气发育的有利层位。 高劲等[10]通过地质条件和地球化学分析，对准噶尔 盆地下侏罗统页岩气的形成条件进行了研究。郑金 海等[11]通过分析阜康凹陷侏罗系烃源岩的特征，评 价了准噶尔盆地页岩油气的勘探潜力。 新疆阜康地区侏罗系八道湾组页岩是一套湖沼 相煤系页岩， 近几年来前人对准噶尔盆地侏罗系页岩 的分布特征、沉积环境、有机地球化学特征、储层物 性和页岩气资源潜力评价已做过一些研究工作[9-11]， 但其研究程度较低，目前对阜康地区八道湾组页岩 气成藏条件和有利区评价方面亟待深入研究。笔者 基于钻井岩心样品的地球化学实验分析结果，从页 岩厚度及埋深、有机质特征、矿物组成、储层物性、 含气性等方面对新疆阜康地区煤系页岩气成藏条件 进行研究，并分析其页岩气成藏有利区，以期为阜 康地区乃至准噶尔盆地煤系页岩气的资源评价和勘 探开发提供基础资料和科学依据。 1 地质概况 准噶尔盆地位于中国新疆维吾尔自治区北部， 处于亚洲大陆的中心地带，面积约 13104 km2，根 据各区构造演化特征和含油气性不同，准噶尔盆地 可划分为 6 个一级构造单元。阜康凹陷位于准噶尔 盆地一级构造单元中央坳陷，是准噶尔盆地最大的 生烃凹陷图 1[11-12]。准噶尔盆地南缘简称“准南” 阜康地区经历了晚海西期、印支期、燕山期、喜马 拉雅期等 4 期构造运动。同构造期次相对应，构造 格局的形成也经历了 4 个阶段，即晚石炭世早二 叠世的海相阶段和残留海相前陆盆地阶段、中晚二 叠世陆相前陆盆地阶段、中生代震荡型陆内坳陷盆 地阶段和新生代再生前陆盆地阶段，研究区具有东 西分段、南北分带的特点[13-14]。 准噶尔盆地侏罗系是一套分布广、厚度大的沉积 地层，主要为湖沼相含煤沉积建造，其煤层主要发育 在中下侏罗统八道湾组、三工河组和西山窑组[9,14-15]。 阜康地区八道湾组由下而上沉积环境呈现出不同的 相变模式，底部主要为湖沼相沉积，向上逐渐伴有 河流相的含煤粗粒碎屑岩建造，岩性主要以灰黑色 泥岩、泥质粉砂岩、细砂岩和煤层组成，夹少量厚 层状中、粗砂岩。根据岩心观察和实测资料，八道 湾组岩性组合一般是下段为灰黑色泥岩、 炭质泥岩、 粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、细砂岩夹煤层，中段为 灰白–深灰色泥岩、细砂岩、粗砂岩夹煤层，上段为 灰–深灰色粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、细砂岩和炭质 泥岩。 2 页岩气成藏条件 页岩气藏的形成主要受页岩分布特征、有机质 图 1 新疆阜康地区构造特征及侏罗系八道湾组地层柱状图 Fig.1 Structural characteristics and stratigraphic column of Jurassic Badaowan ation in Fukang area, Xinjiang ChaoXing 第 2 期 张敏等 新疆阜康地区八道湾组页岩气成藏条件 105 丰度及类型、热演化程度、脆性矿物含量、储集层 特征、含气性等因素控制[16-18]。笔者利用钻井、岩 心资料及样品分析结果对新疆阜康地区下侏罗统八 道湾组页岩气成藏条件进行论述。 2.1 页岩分布 形成工业性的页岩气藏，页岩必须达到一定的厚 度，才能确保足够的有机质及充足的储集空间[19]。阜 康地区八道湾组总体上以发育滨浅湖–半深湖相沉积 为主以及部分扇三角洲沉积，形成的含煤碎屑沉积， 普遍以明显的角度不整合覆于下伏地层之上。区内八 道湾组页岩埋深较浅，一般小于 1 500 m，具有由南 向北呈逐渐变浅的趋势，在阜康–牧 7 井–米泉一带埋 深 8001 400 m，董 1 井–董 3 井一带埋深约 600 m。 根据区内井位统计，八道湾组页岩累计厚度变化 较大图 2a，平面上沿近东西向呈带状分布，自东向 西呈逐渐增厚趋势，沉积中心在阜康–牧 7 井–米泉一 带，平均厚度为 200300 m，最大厚度可达 450 m 以 上，一般厚度都在 50 m 以上，仅盆地东部页岩厚度 低于 20 m。TOC2的页岩厚度分布自东向西呈逐渐 增厚的趋势图 2b，平均厚度一般为 60120 m，最大 厚度超过 180 m， 其中阜 5 井–阜东 2 井一带 TOC2 的页岩厚度约15 m， 东道2井–昌吉–昌1井一带TOC 2的页岩厚度约 190 m， 董 2井–董4 井一带 TOC2 的页岩厚度约 65 m。 图 2 新疆阜康地区八道湾组页岩厚度分布图 Fig.2 Distribution of shale thickness of Badaowan ation in Fukang area, Xinjiang 2.2 有机质丰度 有机质丰度是页岩气资源评价的一个重要指 标，反映了岩石中有机质的相对含量，用于衡量和 评价岩石生烃潜力[20]。其中总有机碳含量TOC是 影响页岩生烃量、吸附气量的重要因素，是评价页 岩有机质丰度的关键指标，目前商业性页岩气藏开 发 TOC 下限值确定为 2[1-2,19]。研究区内 4 口钻井 21 块岩心页岩样品的有机碳实验结果图 3表明， 八道湾组页岩具有较高的有机质丰度，TOC 质量分 数为 0.2438.76，平均 5.49，总体超过工业开 图 3 新疆阜康地区八道湾组页岩 TOC 含量频率分布 Fig.3 Frequency distribution of TOC content of Badaowan ation shale in Fukang area, Xinjiang 发下限，其中 TOC 值小于 1的样品占 29，TOC 值为 12的样品占 29，TOC 值大于 2的样品 占 43。八道湾组页岩 TOC 值主要在 2.0以上， 围绕生烃凹陷呈环带状分布，并向凹陷的边缘地带 逐渐降低图 4， 在东道 2 井–昌吉–昌 1 井一带 TOC 值达到 4.0以上。 2.3 有机质类型 有机质类型是页岩气富集的重要影响因素之 一，不仅影响页岩生烃能力，还控制着页岩的含气 图 4 新疆阜康地区八道湾组页岩 TOC 含量分布图 Fig.4 Distribution map of TOC content in Badaowan ation shale in Fukang area, Xinjiang ChaoXing 106 煤田地质与勘探 第 47 卷 量[1,13,16-17,21]。有机岩石学实验分析表明，新疆阜康 地区八道湾组页岩显微组分以镜质组为主，体积分 数高达 70，壳质组体积分数平均为 24.2，贫腐 泥组，以陆源高等植物占优势，极少见到藻类体和 沥青质体，为典型的腐植型母质。 区内 21 块钻井岩心页岩样品的热解实验结果表 明，八道湾组页岩的生烃潜量S1S2较高，为 0.2452.23 mg/g，平均 9.61 mg/g，热解氢指数IH为 54281.4 mg/g，平均 116.9 mg/g，最高热解峰温Tmax 较高，介于 444473℃，平均 455℃图 5a。据此可判 定样品的干酪根类型以Ⅲ型及Ⅱ2型为主。干酪根的稳 定碳同位素组成δ13C受热演化程度影响较小，可以更 准确地反映原始有机质的类型。根据前人经验，以 δ13C–26.0‰和–29.0‰作为区分Ⅲ、 Ⅱ和Ⅰ型干酪根的 2 个指标界线值[7,22]。八道湾组页岩样品干酪根碳同位 素 比 值 大 部 分 高 于 –28.0‰ ， 集 中 分 布 在 –27.0‰–23.0‰图 5b， 也可以反映出有机质类型以Ⅲ 型及Ⅱ型为主。总体而言，新疆阜康地区八道湾组页 岩有机质类型与目前研究程度较高的鄂尔多斯盆地、 四川盆地煤系页岩较为接近，鄂尔多斯盆地东部上古 生界煤系页岩有机质类型以Ⅲ型及Ⅱ型为主，四川盆 地南部龙潭组煤系页岩有机质类型以Ⅲ型为主[7,19]。 图 5 新疆阜康地区八道湾组页岩有机质类型分布 Fig.5 Distribution of organic matter types in the Badaowan ation shale in Fukang area, Xinjiang 2.4 热演化程度 热演化程度通常用有机质成熟度 Rran表示 是有机质向烃类转化的直接指标，成熟度的高低 直接影响页岩的生烃量[18-19,23]。21 块钻井岩心页 岩样品的镜质体随机反射率 Rran实验分析结果 图 6表明，研究区八道湾组页岩样品的热演化程 度适中，Rran为 0.81.1，平均 0.9，其中 Rran 介于 0.80.9的样品占 49，介于 0.91.0 的样品占 33，介于 1.01.1的样品占 19， 整体进入成熟阶段。 图 6 新疆阜康地区八道湾组页岩样品 Rran频率分布 Fig.6 Frequency distribution of Rran of Badaowan ation shale in Fukang area, Xinjiang 从页岩 Rran的平面分布图图 7来看，新疆阜康 地区八道湾组页岩的镜质体随机反射率 Rran总体在 0.91.2，处于成熟阶段，有机质成熟度分布不 均匀，具有自东向西逐级递增的趋势，在昌吉–米泉– 昌 1 井一带 Rran超过 1.3，阜康–牧 7 井–长山 1 井一 带 Rran为 1.11.2。与鄂尔多斯盆地、四川盆地煤 系页岩相比，新疆阜康地区八道湾组页岩 Rran较低， 鄂尔多斯盆地东部上古生界煤系页岩的 Rran为 1.62.4，四川盆地南部龙潭组煤系页岩的 Rran为 2.02.4，二者的热演化程度处于高成熟至过成熟 图 7 新疆阜康地区八道湾组页岩 Rran分布图 Fig.7 Rran distribution of the Badaowan ation shale in Fukang area, Xinjiang ChaoXing 第 2 期 张敏等 新疆阜康地区八道湾组页岩气成藏条件 107 阶段， 均处于主要产气的范围之内[7,20,22]。 总的来说， 新疆阜康地区八道湾组页岩热演化程度总体达到生 气阶段。 2.5 页岩矿物组成 矿物组成是页岩储层发育及可压裂性的关键因 素之一，页岩中脆性矿物含量高，则页岩储层的脆 性指数高，从而有利于页岩气勘探开发中压裂增产 措施的实施[24]。具备商业开发条件的页岩，其石英 等脆性矿物质量分数一般高于 40，黏土矿物质量 分数小于 30[17,25-27]。 钻井岩心页岩样品的 X 射线衍射测试XRD实 验结果图 8表明， 研究区八道湾组页岩中主要矿物 成分为石英、 伊/蒙混层和高岭石， 还有少量的长石、 方解石、白云石、黄铁矿、石膏、硬石膏等矿物。 其中黏土矿物质量分数最高23.965.7，平均 46.8，石英质量分数次之10.655.9，平均 37.9，碳酸盐矿物质量分数较低0.724.9，平 均 5.7，长石矿物质量分数为 0.221.3，平均 4.8。黏土矿物成分主要为伊/蒙混层、高岭石和伊 利石，其中伊/蒙混层质量分数最高，为 8.47 43.35，平均 27.01，其次为高岭石，为 2.36 29.08，平均 10.71，伊利石质量分数为 1.45 28.79，平均 10.24，部分样品中含有少量的绿泥 石。在研究样品中均未检测到蒙脱石，表明其含量 很低，可能大部分已转化为伊/蒙混层和伊利石。总 体而言，与四川盆地南部龙潭组煤系页岩[7]相比， 新疆阜康地区八道湾组页岩的矿物组成中，黏土矿 物含量较低，而脆性矿物含量较高；与鄂尔多斯盆 地东部上古生界煤系页岩[20,22]相比，页岩样品的脆 性矿物含量与黏土矿物含量都比较接近，与北美 Barnett 页岩[23]相比差异较大，页岩样品的黏土矿物 含量较高，而脆性矿物含量相对较低图 9。页岩中 最重要的脆性矿物为石英、长石和方解石，其含量 往往决定页岩气储层的脆性和可压裂性，脆性指数 则是页岩气储层评价中的关键参数[28]。鉴于八道湾 组页岩矿物组成较为复杂，本次采用式1计算脆性 指数。 脆性指数石英长石方解石白云石/石英 长石方解石白云石黏土矿物100 1 此次研究结果表明，八道湾组页岩脆性指数为 24.0572.40，平均 50.04，主要分布在 30 70图 10。总的来说，新疆阜康地区八道湾组页 岩脆性指数较北美 Barnett 页岩低，可压裂性较差， 黏土矿物含量较高不利于后期压裂改造，但由于黏 土矿物具有较大的比表面积，故页岩中较高的黏土 图 8 新疆阜康地区八道湾组页岩矿物组成 Fig.8 Shale mineral composition and content of the Badaowan ation shale in Fukang area, Xinjiang 图 9 新疆阜康地区八道湾组页岩与其他地区页岩样品 矿物组成对比单位 Fig.9 Comparison of mineral compositions between shale samples from Badaowan ation shale in Fukang area, Xinjiang and those in other areas 图 10 新疆阜康地区八道湾组页岩脆性指数频率分布 Fig.10 Frequency distribution of brittleness index of shale samples from Badaowan ation in Fukang area, Xinjiang 矿物含量可能有助于孔隙内表面吸附更多的天然气。 2.6 页岩储集层特征 新疆阜康地区侏罗系八道湾组页岩样品压汞 实验表明，区内页岩样品孔隙度为 1.9310.26， 平均 5.13；脉冲实验测得的渗透率为0.004 8 ChaoXing 108 煤田地质与勘探 第 47 卷 0.033 510-3 μm2，平均 0.018 510−3 μm2。鄂尔多 斯盆地东部上古生界煤系页岩样品压汞孔隙度为 1.161.66，平均 1.44，脉冲渗透率为0.004 4 0.026 210-3 μm2，平均 0.01310-3 μm2[20,22]；四川 盆地南部二叠系龙潭组煤系页岩样品压汞孔隙度为 0.5616.5，平均 5.41，脉冲渗透率为0.000 8 0.047 010-3 μm2，平均 0.00910-3 μm2[7]。与前两者 相比，新疆阜康地区八道湾组页岩储层具有更好的 孔渗特征。页岩样品 N2吸附实验结果图 11表明 页岩比表面积为 1.4311.72 m2/g，平均 7.56 m2/g， 孔容为 0.004 50.023 7 mL/g，平均 0.014 2 mL/g； CO2吸附实验测得的页岩样品比表面积为 2.81 39.49 m2/g， 平均13.30 m2/g， 孔容为0.000 80.012 2 mL/g， 平均 0.004 0 mL/g，其中介孔与微孔贡献了主要的 孔容与比表面积。反映出新疆阜康地区八道湾组页 岩具有较好的吸附性。 页岩中微裂缝和微孔隙的发育，不仅可以为页 岩气提供聚集空间，而且为页岩气产出提供运移通 道，有利于页岩气的解吸[13,22,28]。扫描电镜实验分 析表明新疆阜康地区八道湾组页岩含有大量的微 米–纳米级孔隙和微裂缝， 页岩样品微裂缝发育程度 较高，主要以矿物颗粒间的收缩缝为主，规模不等， 在样品中普遍可见。页岩微观孔隙类型主要包括粒 间孔、溶蚀孔、粒内孔、晶间孔和有机质孔，以有 机质孔、粒间孔、粒内孔较为常见。其中，页岩样 品有机质孔比较发育，在多数样品中观察到由于有 机质热演化排烃后形成的孔隙，多以圆形、椭圆形 及不规则状为主，且具有一定的连通性，部分样品 有机质内未见孔隙发育，但在有机质与矿物颗粒间 可见微裂缝。通过高压压汞法、N2和 CO2气体吸附 法相结合，分析不同尺度孔隙孔径分布情况。实验 结果表明，八道湾组页岩样品中孔隙结构不规则，以 平板狭缝型孔为主。 微孔孔径主要分布在 0.40.9 nm 和 1.11.3 nm，介孔孔径主要分布在 330 nm，宏 孔孔径主要分布在 50200 nm。微孔、介孔较为发 育，宏孔相对不发育。这些孔隙作为页岩气赋存的 载体，为页岩气赋存特别是吸附气的赋存提供了较 好的储集空间。 图 11 新疆阜康地区八道湾组页岩样品孔容与比表面积 Fig.11 Pore volume and specific surface area of shale samples from Badaowan ation in Fukang area, Xinjiang 2.7 页岩含气性 页岩含气量是衡量页岩气储层是否具备开采价值 和进行资源潜力评价的一项重要指标[26-28]。 为获得有经 济价值的页岩气藏，必须有足够的储层含气量，一般 认为商业性页岩气开发的含气量下限为 1.1 m3/t[1,19]。 高劲等[10]通过对准噶尔盆地下侏罗统八道湾组页岩 现场取心测试，对页岩中赋存的气含量进行测定， 结果显示页岩含气量为 0.57 m3/t，表明含气量相对 较低。等温吸附实验结果表明，新疆阜康地区侏罗 系八道湾组页岩吸附气量为 0.92.4 m3/t，平均吸附 气量为 1.4 m3/t， 基本达到页岩气开发的含气量下限 值，与鄂尔多斯盆地东部上古生界煤系页岩含气量 0.63.1 m3/t、四川盆地南部龙潭组煤系页岩含气 量 1.03.0 m3/t[7,20,22]相比基本接近。总体来看，新 疆阜康地区侏罗系八道湾组页岩含气性相对较差。 3 页岩气成藏有利区 新疆阜康地区八道湾组页岩累计厚度主要分布 在 200400 m，有机质丰度较高平均 TOC2.0， 有机质类型以Ⅲ型和Ⅱ2型为主， 热演化程度处于成 熟阶段Rran0.8，一定程度上满足了页岩气的成 藏条件。通过上述分析，并与目前研究程度较高的 鄂尔多斯盆地、 四川盆地煤系页岩的成藏条件相比， 研究认为，新疆阜康地区侏罗系八道湾组煤系页岩 具有较好的页岩气成藏条件。同时，该区也存在相 对不利的页岩气成藏条件，主要为页岩黏土矿物较 为发育23.965.7，脆性指数相对较低24.05 72.40， 含气性较差0.92.4 m3/t。从页岩的厚度、 埋深、有机质、储集层特征、含气性、地面条件、 工程及经济等多方面综合考虑，笔者初步指出新 ChaoXing 第 2 期 张敏等 新疆阜康地区八道湾组页岩气成藏条件 109 疆阜康地区八道湾组页岩气成藏有利区为阜康–牧7 井–米泉–昌吉一带图 12。其页岩累计厚度较大 300500 m，TOC2的页岩厚度为 150180 m，埋 深较浅8001 400 m，有机碳质量分数较高2.8 3.9，Rran为 0.81.1；储集层物性良好，孔隙 度为 1.9310.26平均 5.13，渗透率小于 0.003 10-3 μm2，有机质纳米孔隙较为发育，这些均为页岩 气成藏有利因素。 图 12 新疆阜康地区八道湾组页岩气成藏有利区 Fig.12 Favorable area for shale gas accumulation in Badaowan ation 4 结 论 a. 新疆阜康地区侏罗系八道湾组煤系页岩累 计厚度较大，主要分布在 200400 m，页岩自东向西 呈逐渐增厚趋势， 在东道 2 井–昌吉–昌 1 井一带达到 最大，TOC2的页岩平均厚度为 60120 m。页岩 埋深较浅，一般小于 1 500 m，具有由南向北呈逐渐 变浅的趋势。 b. 研究区煤系页岩富含有机质平均 TOC 2.0，有机质类型以Ⅲ型和Ⅱ2型为主，热演化程 度处于成熟阶段Rran0.8，页岩孔隙度较高，含 有大量微米–纳米级孔隙微孔、介孔最为发育，有 利于页岩气的形成与赋存。 c. 新疆阜康地区侏罗系八道湾组煤系页岩具 有较好的页岩气成藏条件，初步提出八道湾组页岩 气成藏有利区为阜康–牧 7 井–米泉–昌吉一带。 该区 页岩累计厚度为 300500 m、TOC2的页岩厚度 较大150180 m、埋深较浅8001 400 m、有机碳 质量分数 TOC 较高2.83.9、热演化程度适中 Rran为 0.81.1、孔隙度较大1.9310.26、 有机质纳米孔隙较为发育。同时，研究区页岩气藏 的不利因素是黏土矿物含量较高平均 46.8， 脆性 指数相对较低平均 50.04，页岩吸附气量较低平 均 1.4 m3/t。 参考文献 [1] CURTIS J B. 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