鄂尔多斯盆地东部上古生界煤系页岩气藏特征及勘探方向_张培河.pdf

第 44 卷 第 4 期 煤田地质与勘探 Vol. 44 No.4 2016 年 8 月 COAL GEOLOGY EXPLORATION Aug. 2016 收稿日期 2015-11-20 基金项目 陕西省工业科技攻关项目（2015GY112）；中煤科工集团西安研究院有限公司科技创新基金项目（2013ZD008） Foundation itemScientific and Technology Project of Shaanxi Industry （2015GY112）；Science and Technology Innovation Fund of Xian Re- search Institute of CCTEG（2013ZD008） 作者简介 张培河（1969），男，山东胶南人，研究员，从事矿井地质和煤层气地质工作. E-mailzhangpeihe 引用格式 张培河，刘云亮，贾立龙. 鄂尔多斯盆地东部上古生界煤系页岩气藏特征及勘探方向［J］. 煤田地质与勘探，2016，44（4）54-58. ZHANG Peihe，LIU Yunliang，JIA Lilong. Shale gas reservior characteristics of the Upper Paleozoic coal measures and exploration direction in eastern Ordos basin ［J］. Coal Geology Exploration，2016，44（4）54-58. 文章编号 1001-1986（2016）04-0054-05 鄂尔多斯盆地东部上古生界煤系页岩气藏 特征及勘探方向 张培河，刘云亮，贾立龙 （中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077） 摘要 煤系页岩气是未来非常规天然气的勘探方向。以鄂尔多斯盆地东部为例，对区内上古生界 煤系太原组和山西组页岩气成藏的构造条件、储层特征和资源潜力进行了分析。研究认为，区内 构造简单，泥页岩储层埋藏浅，厚度大，泥页岩有机质演化程度较高，有机碳含量较高，页岩气 含量较高，页岩气成藏条件较优越，页岩气勘探开发的有利区位于府谷-神木-临县一带。鄂尔多 斯盆地东部上古生界煤层发育，煤层气含量较高，局部层段存在砂岩气，页岩气可与煤层气、煤 系砂岩气等综合勘查、共同开发。 关 键 词煤系页岩气；气藏特征；综合勘查；鄂尔多斯盆地东部 中图分类号P618.12 文献标识码A DOI 10.3969/j.issn.1001-1986.2016.04.010 Shale gas reservior characteristics of the Upper Paleozoic coal measures and exploration direction in eastern Ordos basin ZHANG Peihe， LIU Yunliang， JIA Lilong （Xi′an Research Institute， China Coal Technology and Engineering Group Crop.， Xi′an 710077， China） Abstract Shale gas in coal measures is exploration direction of unconventional gas in the future.The tectonic con- ditions and reservoir characteristics of shale gas of Taiyuan and Shanxi ation of the Upper Paleozoic in the eastern Ordos basin are analyzed. Studies have shown that the structure in this area is simple， the burial depth of the shale resrvoir is shallow，the thickness is large， organic carbon content， evoluation degree of organic matter and gas content of the shale are higher， shale gas accumulation conditions are favorable. The favorable area for shale gas exploration and development is located in the northeast of Ordos basin. In addition Upper Palaeozoic coal seams are developed， CBM content is high， there exists sandstone gas in local interval. Shale gas， coal-bed methane and sandstone gas in coal measures can be integrally developed. In China， coal-bearing strata and shale are widely dis- tributed， there are prospects for exploration and development of shale gas of coal measures. Key words coal measures shale gas； reservoirs characteristics； comprehensive exploration； eastern Ordos basin 页岩气是指赋存于暗色泥页岩或高炭泥页岩及 夹层中的气体，成分以甲烷为主，以吸附态和游离 态为主要赋存方式，极少量以溶解状态存在，是一 种非常规天然气。煤系页岩气是指富有机质的煤系 泥页岩经过生、排烃作用后残留在泥页岩层段（包含 砂岩薄层）内的天然气［1］。 据相关资料，全世界页岩气资源量约456万亿 m3， 技术可采资源量178万亿 m3；我国页岩气资源量 134.42 万亿 m3，技术可采资源量 25.08 万亿 m3［2］。美 国是世界上首个页岩气勘探开发成功的国家，页岩气 已成为重要的替代能源，美国于 1821 年发现页岩气， 20 世纪 20 年代开始工业生产，70 年代中期步入规模 化发展，70 年代末产量约 19.6 亿 m3，至 2012 年产量 已超过 2 600 亿 m3［3］，占全美天然气产量的 37％。近 年来，我国页岩气的勘探开发速度较快，据不完全统 计，截至 2014 年底，我国已完成页岩气钻井 780 口， ChaoXing 第 4 期 张培河等 鄂尔多斯盆地东部上古生界煤系页岩气藏特征及勘探方向 55 页岩气产量约 13 亿 m3。 鄂尔多斯盆地是我国重要的含油气盆地，盆地 面积约 25 万 km2， 盆地内蕴藏有丰富的煤炭、 石油、 天然气资源，其中致密砂岩气、煤层气、页岩气等 非常规天然气资源也非常丰富。鄂尔多斯盆地古生 界和中生界发育多套页岩，盆地及外围页岩气资源 量 11.81 万亿 m3，可采资源量 2.71 万亿 m3［2］，石炭 -二叠系为广泛分布的一套海陆交互相-陆相含煤建 造，油气勘查及综合研究表明，盆地东部上古生界 页岩气具有良好勘探前景［4-6］，鄂页 1 井太原组页岩 气勘探获得 1.95 万 m3/d 的稳定产气量［7］。 鄂尔多斯盆地上古生界太原组和山西组是煤系 主要发育地层，煤层气含量高，煤层气资源非常丰 富，对其进行煤炭、煤层气、页岩气等资源的综合 勘探开发，不仅可节约成本，提高资源的勘探开发 效率和资源利用率，而且对未来煤矿安全生产也具 有重要的意义。据此，本文以鄂尔多斯盆地东部上 古生界太原组和山西组为研究对象，开展页岩气藏 特征及勘探方向分析。 1 构造发育及分布 鄂尔多斯盆地是华北板块西部典型的克拉通边 缘叠合盆地，根据现今的构造形态，盆地划分为 伊盟隆起、西缘冲断带、天环凹陷、陕北斜坡、晋 西挠褶带、渭北隆起等六个构造单元。其中陕北斜 坡东部和晋西挠褶带位于鄂尔多斯盆地东缘，该区 煤炭及油气勘查程度较高。 鄂尔多斯盆地东缘整体为一走向近南北、倾向 西的单斜构造，构造变形表现为南强北弱，东强西 弱的特点，主要断裂构造发育于盆地边缘地带，向 盆地内部构造逐渐简单。 区内石炭-二叠系太原组和 山西组泥页岩发育。 2 页岩储层特征 2.1 页岩发育及分布 鄂尔多斯盆地石炭系上统太原组和二叠系下统 山西组都是主要的含煤地层，含煤地层内泥页岩广 泛发育［3］，在平面上呈现“广覆型”分布，沉积层位 稳定、厚度大、分布面积广［8］。太原组泥页岩主要 分布在上部和下部层位， 下部主要以深灰-黑色泥岩 为主，夹铝土岩、粉砂质泥岩和薄层砂岩；上部以 灰黑色泥岩及粉砂质泥岩为主， 局部夹泥质粉砂岩。 山西组泥页岩全组发育， 下部由中-细砂岩夹黑色泥 岩、砂质泥岩、泥岩和煤层构成；上部岩性主要为 砂岩、泥岩，顶部见杂色泥岩。太原组和山西组泥 页岩在全区广泛分布，具有北厚南薄的特点，泥页 岩厚度一般在 50～70 m，最大可超过 80 m（图 1）。 上古生界泥页岩储层埋藏浅，多在1 000～3 000 m （图 2），页岩气勘探开发中的钻探、压裂及排采等工 程费用低，综合投资低。 2.2 岩石矿物组成 该区泥页岩全岩定量分析（表 1）， 泥页岩中黏土 矿物和石英含量较高，黏土矿物质量分数一般为 26％～65％，平均 46.3％；石英为 21％～64％，平均 43.8％。次外，含部分斜长石、菱铁矿、方解石。黏 土矿物主要为高岭石，质量分数为 37％～60％，次为 伊利石和绿泥石，质量分数分别为 13％～22％和 8％～14％，伊/蒙间层相对质量分数 14％～32％（表 2）。 矿物组成是页岩储层发育及可压裂性的重要因 素之一，页岩中脆性矿物含量高，则页岩储层的脆 性指数高，页岩气勘探开发有利于压裂增产措施实 施，美国 Barnett 页岩气开发成功，主要是由于其页 岩的脆性达到了有效水力压裂程度［9-10］。 2.3 有机质丰度 有机质丰度是页岩气资源评价的关键性指标， 代表岩石中有机质的相对含量，衡量和评价岩石生 烃潜力，可用总有机碳含量（TOC）来表达。 表 1 页岩全岩定量分析结果 Table 1 Quantitative analysis result of shale ％ 样品编号 黏土 总量 石英 钾长 石 斜长 石 方解 石 白云 石 黄铁 矿 菱铁 矿 gqyy3-5 5642 2 gqyy3-254254 1 2 1 wbyy-1-34739 3 5 6 wby1-1-35038 1 11 wby1-3-104052 5 3 wby1-3-174048 5 7 wby1-3-204349 6 2 wby1-6 2664 5 5 wby4-yy154311 1 3 10 wby4-y1 6521 14 表 2 X-射线衍射黏土矿物分析实验结果 Table 2 Analysis and experimental result of clay minerals by X-ray diffraction 黏土矿物相对质量分数/％ 样品编号 KCI S I/S 间层比 C/S Wby4-43714221 26 15 Wby4-23601313 14 15 wby-2 438 17 32 15 注K-高岭石；C-绿泥石；I-伊利石；S-蒙皂石；I/S-伊/蒙 间层；C/S-绿/蒙间层 ChaoXing 56 煤田地质与勘探 第 44 卷 有机碳含量是影响页岩生烃强度和吸附能力的 主要因素，采用钻探取心样品对上古生界泥页岩有机 碳 含 量 测 试 ， 结 果 显 示 有 机 碳 质 量 分 数 0.08％～7.33％，平均 2.13％（表 3）。据付金华等［6］，该 区不同位置以及不同层位的泥页岩有机碳含量差别较 大，山西组泥页岩有机碳质量分数多超过 2％，一般 在 2.5％～5％，具有自西南向东北增大的变化趋势，有 机碳质量分数最大值位于吴堡-府谷-神木一带，多在 5％以上。 在垂向上， 靠近煤层的页岩有机碳含量较高。 表 3 页岩有机碳测试结果 Table 3 TOC test results 有机碳质量分数/％ 样品编号 最小值 最大值 平均值 wby4-1 5.72 7.33 6.53 wby4-2 0.67 4.83 2.60 wby1-1 0.10 2.33 0.96 gqyy-1 0.08 4.71 1.24 gqyy-2 0.20 5.80 1.47 图1 太原组和山西组泥页岩总厚度图 Fig.1 Isoline map of shale thickness of Shanxi and Taiyuan ation 图 2 太原组底界深度等值线图 Fig.2 Isoline map of depth of the bottom of Taiyuan ation 图 3 太原组主煤层 Rmax等值线图 Fig.3 Isoline map of vitrinite reflectanc of the major seams of Taiyuan ation 2.4 有机质类型及成熟度 有机质类型的确定方法较多，包括干酪根氢碳 原子比、岩石热解参数、干酪根类型指数及干酪根 碳同位素 δ13Ｃ指标等。根据岩石热解分析，该区泥 页岩有机质类型主要为Ⅱ型、Ⅲ型。 岩心样品分析表明，区内太原组和山西组泥页 岩镜质体反射率为 0.6％～3.16％，多处于成熟-过成 熟阶段。处于同一地层单元的泥页岩和煤的演化程 度应具有一致性，区内测试资料较少，根据上古生 界太原组煤变质演化情况（图 3）分析， 区内同一地层 单元的泥页岩有机质演化表现为南高北低、西高东 低的变化特征。在南部的韩城一带，泥页岩有机质 演化程度高，镜质体反射率多在 2.0％以上；东北部 的府谷、神木一带，泥页岩有机质演化程度低，镜 质体反射率在 1.0％左右。 2.5 页岩吸附性及含气性 2.5.1 吸附性 页岩气主要以吸附态和游离态储集于页岩储层 中，吸附态页岩气约占 50％左右。因此，页岩的吸 附性对其成藏具有重要作用。受泥页岩中有机质含 量的影响，页岩的吸附能力一般都比较弱。区内太 原组和山西组泥页岩岩心样品等温吸附试验，空气 干燥基Langmuir体积1.06～4.78 m3/t， 平均2.42 m3/t； Langmuir 压力 1.24～4.41 MPa，平均 2.31 MPa。 2.5.2 含气性 在钻探过程中，采取泥页岩岩心进行页岩气含量 测试，页岩全气含量为 0.62～3.06 m3/t；平均 1.81 m3/t。 甲烷含量 0.35～2.42 m3/t，平均 1.13 m3/t。目前页岩气 含量测试没有相关标准和有效测试手段，多参照煤 层气含量的测试方法，采样及测试过程中会导致损 ChaoXing 第 4 期 张培河等 鄂尔多斯盆地东部上古生界煤系页岩气藏特征及勘探方向 57 失气测试不准等问题，据此分析上述测试结果可能 偏低。 有机质含量是影响页岩气富集的一个根本性因 素，它不仅决定页岩的生气量，且直接影响页岩吸 附性。因此，有机质含量高则意味着其有较好的生 气及储气潜力。研究表明，页岩气的赋存与有机质 含量密切相关，具有良好的线性关系［11］。煤系泥页 岩较高的 TOC 值除了有利于烃源岩生烃外， 对保存 能力也有重要的影响。 较高的 TOC 值使煤系泥页岩 的吸附能力显著增强，另外，煤系黏土矿物的大量 存在也提高了其对页岩的吸附能力，这些都是煤系 页岩气具有较强抗构造破坏能力的原因［12］。 与常规油气藏不同，页岩气具、、自生自储自 封盖的特点，而煤系泥页岩本身特点和盖层岩性显 得更为突出，煤系泥页岩本身就是页岩气保存的第 一道屏障［13］。区内上古生界煤系泥页岩发育，页岩 气具有较好的保存条件，使得页岩含气量较高。 该区目前页岩气勘探程度低，资料少，对页岩 含气量的预测难度大。但根据区内煤系泥页岩有机 碳含量情况，预测该区页岩吸附气含量较高；该区 煤系泥页岩保存条件好，推测游离气含量也较高。 因此，综合分析认为该区上古生界山西组和太原组 煤系泥页岩含气量较高。 2.6 孔渗特征 泥页岩的孔隙、 裂隙是页岩气运移的主要通道， 页岩的孔渗性决定页岩储层中气体运移的难易程 度，是评价页岩气产出能力的关键参数。 区内上古生界泥页岩比表面孔径分布检测结 果（表 4）表明， BET 比表面积为 10.208～14.117 m2/g， 平均 12.22 m2/g；BJH 总孔体积 0.034～0.045 cm3/g， 平均 0.039 cm3/g，孔直径 8.402～17.011 nm，平均 12.06 nm。 表 4 页岩比表面孔径分布检测结果 Table 4 Test result of specific surface-pore size distribution of shale 样品编号 BET 比表面 /（m2g-1） BJH 总孔体 积/（cm3g-1） 平均孔直径 /nm gqyy3-5 14.117 0.044 17.011 gqyy3-25 10.208 0.034 10.685 wby1-9 12.342 0.035 8.402 wby4-yy1 10.613 0.036 14.479 wby4-yy2 13.804 0.045 9.706 泥页岩样品测试， 泥页岩孔隙度为 1.16％～1.66％， 平均 1.44％，孔隙相对较为发育；渗透率为（0.004 3～0.026 2）10-3 μm2，平均 0.01310-3 μm2（表 5）。 表 5 页岩岩石物性检测结果统计表 Table 5 Statistics of physical properties of shale 样品编号密度/（gcm-3）有效孔隙度/％ 渗透率/（10-3 μm2） gqyy3-252.57 1.50 0.004 3 gqyy1-9 3.15 1.30 0.006 2 wby1-1 2.67 1.66 0.026 2 wby4-YY22.65 1.16 0.010 8 wby4-YY12.56 1.60 0.017 2 背散射扫描电镜鉴定表明，区内大多泥页岩致 密，孔隙发育差，主要发育残留粒间孔隙和微裂缝， 以微裂缝为主。残留粒间孔隙以黏土颗粒晶间残留 孔隙为主，部分孔隙被黏土矿物充填，孔径一般为 几微米。微裂缝主要发育在刚性颗粒内部和边缘、 黏土矿物颗粒内部， 以黏土矿物颗粒内部裂缝为主， 裂缝未被充填，宽度一般为数百纳米，长度一般为 几至十几微米。 岩石样品扫描电子显微镜分析，该区泥页岩结构 大多都较致密， 常见微孔缝宽多＜1 μm， 少量 1～2 μm， 偶见 1～5 μm，长几到几十 μm。 2.7 岩石力学性质 区内泥页岩力学性质试验，干燥状态下抗压强度 为 23.38～26.58 MPa，平均 25.69 MPa；饱和状态下抗 压强度为 13.45～16.71 MPa，平均 15.12 MPa（表 6）。抗 拉强度 1.05 MPa，泊松比 0.29。 表 6 页岩力学性质试验成果 Table 6 Test result of mechanics properties of shale 抗压强度/MPa 样品编号 岩性 干燥（Rd） 饱和（Rw） 软化 系数 gqyy1-18 泥岩 26.50 16.32 0.62 gqyy3-27 泥岩 26.58 16.71 0.63 wby1-24 泥岩 25.92 14.54 0.56 wby1-25 泥岩 26.05 14.60 0.56 wby3-13 粉砂质泥岩23.38 13.45 0.58 3 资源潜力及勘探方向 区内上古生界泥页岩厚度较大，有机碳含量较 高，页岩储层埋藏浅，有机质演化程度较高；页岩 比表面积较大，吸附能力较强，含气性较好，地质 及储层条件较优越。 鄂尔多斯盆地古生界天然气资源非常丰富，区内 钻探的百余口天然气井显示，山西组、太原组含气性 较好。 石炭-二叠系砂岩气藏已成为主要勘探对象， 目 前已在盆地中北部发现了靖边、榆林和苏里格等大气 田［14］。区内浅部区煤炭及煤层气勘查程度高，测试数 据多， 测试结果显示 煤层含气量高， 一般 8～15 m3/t， ChaoXing 58 煤田地质与勘探 第 44 卷 煤储层压力梯度，一般为 0.8～1.0 MPa/hm。 煤系页岩气勘探开发的有利区位于东北部的府 谷-神木-临县一带，该区域构造简单，页岩储层厚度 较大，一般在 50 m 以上，埋深浅，为 1 000～2 000 m， 有机质丰度高，热演化成熟度较高。该区煤系页岩气 勘探程度低，建议按照滚动勘探的原则进行煤系页岩 气的勘探，首先部署试验井开展参数测试等工作，然 后根据资源潜力评价情况，开展更深入的工作。在常 规油气、煤炭、致密砂岩气等勘查过程中，也可同时 开展页岩气的勘查工作。 我国具有丰富的页岩气资源，加之经济发展对 能源的需求，目前我国已成为除美国之外页岩气勘 探开发最快的国家。但页岩气的勘探开发投资高、 风险大、工艺复杂，因此往往面临很多困难。我国 含煤地层多、分布广，煤炭资源丰富，在多种沉积 体系的页岩中，煤系页岩具有层数多，沉积稳定， 有机质丰度高，含气性好等特点，而且煤系中的煤 层气和砂岩气多比较富集，煤系非常规气的勘探开 发是天然气资源勘查的方向之一。煤系页岩气不仅 勘探开发潜力大，而且可同时与煤层气、煤系砂岩 气等共同开发。煤系页岩气的开发不仅有利于资源 利用， 而且可有效降低煤层及附近岩层的瓦斯含量， 有利于未来煤矿安全生产。因此，煤系页岩气是我 国页岩气勘探开发的重要发展方向。 4 结 论 a. 鄂尔多斯盆地东部构造简单，上古生界山西 组和太原组泥页岩储层稳定， 埋藏较浅， 多在 1 000～ 3 000 m；泥页岩累计厚度大，多为 50～70 m；有机 碳含量较高，质量分数多超过 2.5％，有机质类型为 Ⅱ型、Ⅲ型；泥页岩气含量较高，质量分数平均为 1.81 m3/t；有机质演化程度较高，镜质组反射率多 超过 1.0％；孔隙度平均 1.44％，渗透率为（0.004 3～ 0.026 2）10-3 μm2；石英含量较高。 b. 上古生界山西组和太原组泥页岩勘探开发 的有利区位于府谷-神木-临县一带，该区泥页岩埋 藏浅、厚度大、有机碳含量高，演化程度适中，可 在该区部署试验井进行煤系页岩气勘探试验。 c. 上古生界煤系泥页岩气可与煤层气、煤系砂 岩气等协同开发，这不仅有利于资源的开发利用， 也可有效解决煤矿安全生产的瓦斯问题。 参考文献 ［1］ 苏现波，吴昱，夏大平，等. 温度对低煤阶煤生物甲烷生成的 影响［J］. 煤田地质与勘探，2012，40（5）24-26. 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