鄂尔多斯盆地吴起—志丹地区页岩气源储特征分析

葛云锦，张 锐，李红进，袁 媛，杜克锋.

(陕西延长石油(集团)有限责任公司研究院,陕西西安 710075)

鄂尔多斯盆地吴起—志丹地区页岩气源储特征分析

葛云锦，张 锐，李红进，袁 媛，杜克锋.*

(陕西延长石油(集团)有限责任公司研究院,陕西西安 710075)

鄂尔多斯盆地为大型富含油气盆地，发育延长组长7段、长9段等多套页岩层系，具备页岩气形成的基本地质条件。为查明鄂尔多斯盆地中部吴起—志丹地区延长组长7段页岩气的勘探潜力，利用有机地球化学和岩石学分析、场发射扫描电镜等多种手段分析了延长组长7段页岩的基本地质、地化条件，对长7段页岩气勘探前景进行了初步评价。结果表明，研究区延长组长7段烃源岩总有机碳含量为2.01%～12.03%，暗色泥岩厚度普遍大于50 m，有机质类型以Ⅱ1和Ⅱ2型为主，镜质组反射率在0.8%～1.3%之间，处于成熟—高成熟阶段；具有有机质丰度高、生烃潜力大、类型好、成熟度适中的特点。泥页岩储层伊利石和伊/蒙混层较多，利于页岩气的吸收；脆性矿物含量较高，有利于后期压裂生产。虽然储层物性较差，但孔喉比较小，利于气体渗流。分析认为，研究区具备良好的烃源岩条件和储集条件，长7段页岩气具有良好的勘探开发前景。

页岩气；地化特征；微观孔隙结构；纳米孔隙；鄂尔多斯盆地

我国页岩气资源潜力大，分布面积广，发育层系多，具有实现页岩气跨越式发展的有利条件。根据初步完成的资源潜力预测结果，我国上扬子及滇黔桂区、中下扬子及东南区、华北及东北区、西北区的页岩气资源潜力有25×1012m3，与美国页岩气资源潜力24×1012m3大体相当[1-10]。经过多年的研究实践，目前国内已初步掌握了页岩气资源评价、水平井工程施工、压裂技术、页岩含气量测试、等温吸附模拟、致密岩石分析测试和地球化学常规分析等技术，页岩气勘查开发技术水平不断提高，支撑能力不断增强。页岩气勘探开发获得长足进展[11-18]。

鄂尔多斯盆地三叠系延长组长7段广泛分布富含有机质的泥页岩，这些泥页岩厚度巨大、有机质丰度高、深度和演化程度适中，具有很强的生烃能力，是有效或高效的烃源岩。同时，由于泥页岩地层具有吸附性和低渗透性，生成的天然气有很大一部分滞留在泥页岩地层中，因此盆地三叠系延长组钻井过程中泥页岩段也常出现气测异常，电阻率曲线表现为高值，显示出泥页岩段具有一定的页岩气资源潜力。延长石油集团在鄂尔多斯盆地东南部钻探的柳评177井成功获页岩气流，说明长7段页岩在目前成熟度条件下可以产气。但是目前针对鄂尔多斯盆地页岩气的勘探实践及研究主要围绕东南部富县、甘泉等地展开[19-28]，对盆地中部吴起、志丹等地长7段的泥页岩没有开展勘探实践，尚无该区关于页岩气成藏的烃源岩、储层特征研究的报道。钻井发现，志丹、吴起地区长7段泥页岩的厚度最高可达90 m，且埋藏深度比甘泉—富县更大，具备良好的页岩气发育基础。本文首次对鄂尔多斯盆地中部吴起—志丹地区的长7段泥页岩开展研究，根据薄片鉴定、地球化学测试资料，结合场发射扫描电镜等先进技术手段，对研究区页岩气烃源岩、储层地质特征进行了分析，以期为该区长7段页岩气勘探提供参考。

1 研究区地质概况

鄂尔多斯盆地地跨陕、甘、宁、晋、蒙5省区，是我国第二大沉积盆地，面积约25×104km2，可供勘探的面积达到10×104km2以上，是一个稳定沉降、坳陷迁移、扭动明显的多旋回内陆克拉通含油气盆地。根据现今的构造形态、基底性质及构造特征，结合盆地的演化历史，鄂尔多斯盆地可划分为6个一级构造单元，即北部伊盟隆起、西缘逆冲带、西部天环坳陷、中部伊陕斜坡、南部渭北隆起和东部晋西挠褶带。盆地中蕴藏着油、气、煤、铀等丰富的矿产资源，其中三叠系延长组是盆地重要的含油层系，主要油藏类型为岩性油藏[29-31]。本次研究区为鄂尔多斯盆地伊陕斜坡中西部吴起—志丹地区，目的层位及岩性是长7段泥页岩(图1)。

图1 研究区位置Fig.1 Location of research area

2 烃源岩地球化学特征

2.1 有机质丰度

据前人研究，鄂尔多斯盆地延长组长7段泥页岩总有机碳(TOC)含量分布在0.51%～22.60%之间，平均为2.56%[32-34]，其中盆地中南部长7段含气页岩TOC为3.00%～8.00%。研究区长7段暗色泥页岩颜色多为深灰色、黑灰色、黑褐色及黑色，致密，含化石，且所含化石的种类及数量变化较大。岩性以泥岩、页岩和泥质粉砂岩为主。研究区长7段泥页岩实测TOC含量变化较大，数值为2.01%～12.03%，主要的TOC含量分布区间为2.00%～4.00%。绝大部分样品的TOC含量超过2.00%，说明该区长7段泥页岩有机质含量高(图2)。

图2 研究区长7泥页岩TOC含量频率分布直方图Fig.2 Histogram of frequency distribution of TOC in Chang-7 shale

纵向上，鄂尔多斯盆地延长组长7段TOC含量差异较大，长73段的TOC含量最高，其次是长72段，长71段TOC含量最小。200余块岩心样品统计表明，长71泥页岩TOC含量平均为3.63%，长72泥页岩TOC含量平均为4.00%，长73泥页岩TOC含量平均为8.77%。本文主要研究了质量较好、生烃能力较强的长73泥页岩的TOC含量分布(图3)。由图3可见，有机质丰度高的地方主要集中在吴起的西南部，该处的TOC含量平均在7.00%左右，研究区的东部和东北方向TOC含量逐渐下降，湖盆边缘部分TOC含量降到2.00%以下。

研究区长7段泥页岩热解生烃潜量(S1+S2)介于(1.49～22.00) mg/g之间，最高达48.76 mg/g。根据陆相烃源岩有机质丰度的评价标准，(S1+S2)<0.5 mg/g的烃源岩为非生油岩，(S1+S2)处于(0.5～2.0) mg/g之间的烃源岩为差生油岩，(S1+S2)处于(2.0～6.0) mg/g之间的烃源岩为中等烃源岩，(S1+S2)处于(6.0～20.0) mg/g之间的为好烃源岩，(S1+S2)>20 mg/g的烃源岩为最好烃源岩。由分析测试可知，研究区最好烃源岩约为60%，好烃源岩约为20%，中等和差烃源岩各约为10%，说明该区烃源岩整体质量好(图4)。

图3 研究区长73泥页岩TOC等值线平面分布Fig.3 TOC contour of Chang-73 shale

2.2 有机质类型

(1)烃源岩显微组分特征。

通过对干酪根显微组分的分析，将研究区长7段泥页岩的干酪根组分分为腐泥组、镜质组、壳质组、惰质组，其中腐泥组含量较多。腐泥组主要是藻类和腐泥化作用形成的无定型体，生烃能力好(图5、表1)。

图4 研究区长7段泥页岩有机质热解(S1+S2)频率分布直方图Fig.4 Histogram of frequency distribution of (S1+S2) in Chang-7 shale

图5 烃源岩干酪根组分特征Fig.5 Component characteristics of kerogena.均质镜质体及矿物沥青质体，w134-3井，长7，腐泥组；b.含莓状黄铁矿，均质镜质体和矿物沥青质体，s1井，长7，腐泥组；c.均质镜质体和角质体，st1091-3井，长7，腐殖组；d.均质镜质体及矿物沥青质体，pc14-2-2井，长7，腐泥组

表1 研究区长7段泥页岩干酪根显微组分分类及类型统计Table 1 Microscopic component classification of kerogen in Chang-7 shale

(2)干酪根元素分析。

研究区长7段泥页岩干酪根元素分析H/C原子比一般较低，分布范围较大，比值为0.47～1.07，平均值为0.88；O/C原子比分布范围较窄，比值为0.03～0.09，平均值为0.04。干酪根类型以Ⅱ1和Ⅱ2型为主，Ⅰ型次之，只有极少量Ⅲ型(图6)。

总体来看，研究区长7段泥页岩以混合型为主，腐殖型次之。受沉积环境的影响，不同地区有机质的类型有一定差别。

2.3 有机质成熟度

吴起、志丹到直罗一带1000 m左右深度，长7泥页岩有机质便出现Ro在1.2%左右的成熟现象。实测的反映有机质成熟度的镜质组反射率(Ro)在0.8%～1.3%之间，平均值为1.12%，处于成熟生油阶段，局部地区达到高成熟度生气阶段(图7)。

图6 研究区长7段泥页岩干酪根分类Fig.6 Component classification of kerogen in Chang-7 shale

图7 研究区长7段泥页岩Ro频率分布Fig.7 Histogram of frequency distribution of Ro in Chang-7 shale

研究区泥页岩最大热解峰温在441～465 ℃之间，平均值为453.2 ℃，有机质处于成熟生油阶段(表2)。

实测镜质组反射率、最大热解峰温均显示研究区延长组长7段泥页岩处于成熟生油阶段，以生油为主，局部地区成熟度较高，可生成湿气。

表2 研究区长7段泥页岩最大热解峰温Tmax统计Table 2 Maximum pyrolysis temperature of Chang-7 shale

3 泥页岩储层特征

3.1 岩石学特征

研究区泥页岩储层含有大量的微米—纳米级孔隙，气体呈游离状态或吸附状态存储于泥页岩储层中。长7段泥页岩类型较丰富，有纹层状页岩、纹层状粉砂质页岩、粉砂质泥岩、灰黑色页岩、灰黑色粉砂质页岩、褐黄色页岩等，但以纹层状页岩、纹层状粉砂质页岩、粉砂质泥岩等为主。泥页岩中分布最多的是黏土矿物。黏土矿物的表面积大，易于吸附页岩气其种类主要有伊利石、绿泥石和伊/蒙混层等。伊利石在常规储层中常常堵塞孔隙，造成孔隙度减小、渗透率下降，使储层变致密；但其在泥页岩储层中能够吸附大量的页岩气。研究表明，蒙皂石的表面积相比于伊利石要大，蒙皂石层间常夹杂伊利石，伊/蒙混层的出现不仅能减缓压实作用，而且其表面积很大，对于页岩气吸附有很大的帮助。

长7段泥页岩脆性矿物的质量分数为64.475%，黏土矿物的质量分数为25.65%(图8)，岩性组合为：石英+长石+伊利石+绿泥石+伊/蒙混层。

图8 研究区泥页岩岩石组分特征Fig.8 Component characteristics of shale in study area

泥页岩储层中含有较多的石英、长石及碳酸盐岩等脆性矿物，石英含量为28.3%～36.7%，平均为33.575%，其高含量对于后期的压裂和开发有利。黏土矿物含量与石英含量相当，为18.2%～31.3%，平均为25.65%。长7段泥页岩分布稳定、可对比性强，岩心样品X射线衍射黏土矿物分析结果显示：伊利石含量为29%～40%，伊/蒙混层含量为32%～39%，绿泥石含量为28%～33%(表3)。碳酸盐胶结物主要为白云石(含少量铁白云石)、菱铁矿、少量黄铁矿，白云石的含量为0～5.4%，平均为3.05%；菱铁矿含量为0～2.6%，平均为1.15%；还黄铁矿的含量介于1.1%～27.6%之间，平均为8.725%。

3.2 物性特征

长7段泥页岩的孔隙度平均为1.82%，其中孔隙度值在1.0%～1.5%之间的泥页岩所占比例最高，为33.1%(图9)，孔隙度值在1.5%～2.0%之间的泥页岩所占的比例为24.2%，孔隙度值在2.0%～2.5%之间的泥页岩所占的比例为21%。泥页岩渗透率主峰值小于0.01 mD(图10)。研究区长7段泥页岩储层孔隙度与渗透率的关系不明显，总体上渗透率随着孔隙度的增大而增大。相对来说，点较为分散、孔喉连通性不好、孔喉配置较差等因素都会影响储层孔渗的相关性。

表3 研究区长7段泥页岩储层黏土矿物X衍射数据Table 3 Data of clay mineral X-ray diffraction of Chang-7 shale

图9 研究区长7泥页岩储层孔隙度分布直方图Fig.9 Histogram of porosity distribution of Chang-7 shale

图10 研究区长7泥页岩储层渗透率分布直方图Fig.10 Histogram of permeability distribution of Chang-7 shale

3.3 微观结构特征

据薄片观察、场发射扫描电镜等分析，长7段泥页岩分布最多的孔隙空间类型是粒间微孔和晶间微孔，所占比例相当，均约为27.4%；其次是粒内微孔和粒缘微裂缝，各约占13.3%；再次是粒内微裂缝，约占11.5%；含有少量的层间缝，所占比例约为5.3%；由于长7“张家滩”油页岩段普遍发育有机质气孔，因此有机质气孔也是长7段的主要孔隙类型，约占1.8%。

根据场发射扫描电镜测得的喉道大小，研究区页岩喉道半径分布在10.79～190.00 nm之间，主要分布区间为15～30 nm。与常规储层相比，页岩储层孔隙和喉道分布不均匀、孔喉比小，易于渗流。

4 分析与讨论

4.1 烃源岩条件分析

在晚三叠世早期，强烈的构造活动使得湖盆快速扩张，形成大范围的深水沉积，为优质烃源岩的大规模发育提供了基本地质条件。岩芯观察表明，长7油页岩段外观呈黑色，偶见介形虫及植物化石、星点状黄铁矿，并可见泥包砂等深水沉积构造，深湖—半深湖相沉积特征明显。同时，泥页岩段中普遍夹有薄层凝灰岩和砂质泥岩，反映了湖盆的轻微震荡和古气候环境的变化[22-26]。

据前文分析，研究区长7段主要发育Ⅱ1型和Ⅱ2型干酪根，含少量Ⅲ型干酪根，主要的母质类型为腐泥无定型体，即藻类和微生物，TOC含量在2.00%～12.03%之间，部分井区TOC含量大于8.00%。Ro分布在0.89%～1.30%之间，属成熟期至高成熟阶段，具有有机质丰度高、生烃潜力大、类型好、成熟度适中的特点。

4.2 储集条件

页岩气的储集特征与常规油气不同，一般原地储集，既可存在于颗粒粒间孔或裂缝中，也可以吸附状态存在于黏土矿物表面。

泥页岩中孔隙类型主要为晶间孔、粒间孔，见少量碎屑颗粒的溶蚀孔、有机孔。孔隙度主要分布在0.5%～3.5%之间，渗透率主峰值小于0.01 mD。孔径主要分布于30～300 nm之间，属中孔—宏孔，以宏孔为主。页岩喉道半径分布在10.79～190 nm之间，为纳米级孔喉。孔渗条件较差。但在研究区泥页岩层中常夹杂少量的粉砂，这些粉砂质页岩为页岩气的储集提供了有利的空间。

前人研究有机质在黏土矿物中的赋存情况时认为页岩气赋存与伊利石和蒙皂石有很大关系，相比于伊利石而言，蒙皂石有更大的比表面积和储集空间。蒙皂石层间夹杂有机质减缓了其微孔的减小，成岩时，蒙皂石从无序变为有序的伊/蒙混层过程，对应着页岩气的有利富集时期[15-19]。

X衍射分析结果显示，研究区黏土矿物中伊/蒙混层平均含量为33.8%，有利于吸附页岩气，而较多的脆性矿物(平均为64.475%)有利于后期的压裂及开发利用。

综上所述，研究区具备良好的烃源岩条件和泥页岩储集条件，成藏要素匹配有利，长7段页岩气勘探开发具有一定前景。

[1] 张金川,姜生玲,唐玄,等.我国页岩气富集类型及资源特点[J].天然气工业,2009,29(12):109-114.

[2] 王香增,张金川,曹金舟,等.陆相页岩气资源评价初探:以延长直罗—下寺湾区中生界长7段为例[J].地学前缘,2012,19(2):192-197.

[3] 杨华,窦伟坦,刘显阳,等.鄂尔多斯盆地三叠系延长组长7沉积相分析[J].沉积学报,2010(2):254-263.

[4] 张金川,薛会,卞昌蓉,等.中国非常规天然气勘探雏议[J].天然气工业,2006,26(12):53-56.

[5] 吉利明,吴涛,李林涛.鄂尔多斯盆地西峰地区延长组烃源岩干酪根地球化学特征[J].石油勘探与开发,2007,34(4):424-428.

[6] JARVIE D M, RONALD J H, TIM E R, et al. Unconventional shale gas systems: The Mississippian barnett shale of north central Texas as one model for thermogenic shale gas assessment [J]. AAPG Bulletin,2007,91(4):475-500.

[7] 董大忠,邹才能,李建忠,等.页岩气资源潜力与勘探开发前景[J].地质通报,2011,30(2/3):324-336.

[8] 白云来,马龙,吴武军,等.鄂尔多斯盆地油页岩的主要地质特征及资源潜力[J].中国地质,2009,36(5):1123-1137.

[9] 戴金星,于聪,黄士鹏,等.中国大气田的地质和地球化学若干特征[J].石油勘探与开发,2014,41(1):1-13.

[10] 徐士林,包书景.鄂尔多斯盆地三叠系延长组页岩气形成条件及有利发育区预测[J].天然气地球科学,2009,20(3):460-465.

[11] ROBERT G L, ROBERT M R, STEPHEN C R, et al. Morphology, genesis, and distribution of nanometer-scale pores in siliceous mudstones of the Mississippian Barnett shale[J]. Journal of Sedimentary Research,2009,79(12):848-861.

[12] ROSS D J K,BUSTIN R M. The importance of shale composition and pore structure upon gas storage potential of shale gas reservoirs[J]. Marine and Petroleum Geology,2009,26(6):916-927.

[13] SLATT R M, O’BRIEN N R. Pore types in the Barnett and Woodford gas shales: Contribution to understanding gas storage and migration pathways in fine-grained rocks[J]. AAPG Bulletin,2011,95(12):2017-2030.

[14] 邹才能,董大忠,王社教,等.中国页岩气形成机理、地质特征及资源潜力[J].石油勘探与开发,2010,37(6):641-653.

[15] 郭彤楼,张汉荣.四川盆地焦石坝页岩气田形成与富集高产模式[J].石油勘探与开发,2014,41(1):28-36.

[16] 周文,苏瑗,王付斌,等.鄂尔多斯盆地富县区块中生界页岩气成藏条件与勘探方向[J].天然气工业,2011,31(2):29-34.

[17] 李玉喜,乔德武,姜文利,等.页岩气含气量和页岩气地质评价综述[J].地质通报,2011,30(2/3):308-317.

[18] 雷宇,王凤琴,刘红军,等.鄂尔多斯盆地中生界页岩气成藏地质条件[J].油气田开发,2011,29(6):49-54.

[19] 王社教,李登华,李建忠,等.鄂尔多斯盆地页岩气勘探潜力分析[J].地质勘探,2011,31(12):1-7.

[20] 张晓宝,徐永昌,沈平,等.我国不同赋存状态烃类气体的研究现状与展望[J].地球科学进展,1997,12(3):230-235.

[21] 王飞宇,贺志勇,孟晓辉,等.页岩气赋存形式和初始原地气量(OGIP)预测技术[J].天然气地球科学,2011,22(3):501-509.

[22] 任战利,赵重远,张军,等.鄂尔多斯盆地古地温研究[J].沉积学报,1994,12(1):56-65.

[23] 任战利,张盛,高胜利,等.鄂尔多斯盆地构造热演化史及其成藏成矿意义[J].中国科学D辑地球科学,2007,37(增刊I):23-32.

[24] 任战利,张盛,高胜利,等.鄂尔多斯盆地热演化程度分布区及形成时期[J].地质学报,2006,80(5),674-684.

[25] 任战利.鄂尔多斯盆地热演化史与油气关系的研究[J].石油学报,1996,17(1):17-24.

[26] 王香增,高潮.鄂尔多斯盆地南部长7陆相泥页岩生烃过程研究[J].非常规油气,2014,1(1):2-10.

[27] 吴春燕,程玉群,沈英,等.延长陆相页岩微观孔隙结构分析[J].非常规油气,2016,3(3):21-26.

[28] 高静,丁昊明.页岩气勘探开发中的认识与哲学思辨[J].非常规油气,2015,2(2):73-78.

[29] 任战利.利用磷灰石裂变径迹法研究鄂尔多斯盆地地热史[J].地球物理学报,1995,38(37):339-349.

[30] 高振东,赵靖舟,曹青,等.鄂尔多斯盆地三叠系延长组油藏成藏年代分析[J].西北地质,2008,41(3):92-98.

[31] 李玉喜,乔德武,姜文利,等.页岩气含气量和页岩气地质评价综述[J].地质通报,2011,30(2/3):308-317.

[32] 李艳霞,刘洪军,袁东山,等.石油充注对储层成岩矿物演化的影响[J].石油与天然气地质,2003,24(3):274-280.

[33] 李武广,杨胜来.页岩气开发目标区优选体系与评价方法[J].天然气工业,2011,31(4):57-62.

[34] 蒋裕强,董大忠,漆麟,等.页岩气储层的基本特征及其评价[J].天然气工业,2010,30(10):7-12.

AnalysisonSourceRockandReservoirofShaleGasinWuqiandZhidanArea，OrdosBasin

Ge Yunjin, Zhang Rui, Li Hongjin, Yuan Yuan, Du Kefeng

(ResearchInstituteofYanchangPetroleum(Group)Co.,Ltd.,Xi＇an,Shaanxi710075,China)

Ordos basin is a large-scale oil and gas basin where a multiple of sets of shale stratum series were developed, such as Chang-7 and Chang-9 segments of Yanchang formation. The basin has the basic geological conditions for shale gas accumulation. To identify the exploration potential of Chang-7 segment of Yanchang formation in Wuqi -Zhidan area in the central part of Ordos basin, a variety of methods including organic geochemical and petrographic analysis and FESEM were used to analyze the basic geological and geochemical conditions of Chang-7 shale from Yanchang formation. Meanwhile, the exploration prospect for Chang-7 shale gas was also brought under preliminary evaluation. The results indicated that theTOCcontent of source rock from Chang-7 segment of Yanchang formation in the study zone ranges from 2.01% to 12.03% while the thickness of dark mudstone is generally higher than 50 m. The types of organic matter are mainly of II1and II2while theRois between 0.8% and 1.3% in the mature-high mature stage. The source rock is characterized for its high organic matter abundance, large hydrocarbon sourcing potential, good types and suitable maturity. The mudstone reservoir has a lot of illite and illite-montmorillonite inter-layers, favorable for adsorption of shale gas. The content of brittle minerals is high, favorable for production by fracturing in the later sage. The throats are relatively slim, favorable for filtration of gas flow, though the reservoir is poor in physical properties. Based on the analysis, Chang-7 shale in the study zone has a promising prospect for exploration and development owing to its good conditions for hydrocarbon source rock and reservoir.

shale gas; geochemical characteristics; micro-pore configuration; nano-pore; Ordos basin

陕西省科技统筹创新工程计划项目“陆相页岩气资源地质研究与勘探开发关键技术攻关”(2012KTZB03-03)资助。

葛云锦(1981—)，男，博士，高级工程师，主要从事石油勘探研究工作。邮箱：121853731@qq.com.

TE122.1

A