山东省上古生界页岩气资源潜力评价

张春池，彭文泉，巩固，张晖，王琳琳，曾爱平

(1.山东省地质调查院，山东 济南 250013；2.山东省第一地质矿产勘查院，山东 济南 250014；3.山东省煤田地质规划勘察研究院，山东 济南 250104；4.山东省煤田地质局物探测量队，山东 济南 250104)

0 引言

美国页岩气勘探开发近年来取得重大突破，对世界天然气市场供应及能源格局产生巨大影响，引起各国的广泛关注[1]。中国在海相页岩和陆相页岩地层页岩气勘探中均取得重要突破，并且在海相页岩地层发现焦石坝优质大型页岩气田[2]。但海陆过渡相页岩气的研究和勘探尚处在起步阶段，海陆过渡相页岩在沉积、构造、岩性、储层特征、含气量等方面与海相、陆相页岩差别较大，有其特殊性[3]。我国海陆过渡相页岩主要发育在石炭-二叠系，分布在西北、华北和华南等地。中国地质调查局油气资源调查中心在太康隆起西部新区钻探中，发现了丰富的页岩气和致密气显示，揭示了南华北盆地上古生界页岩气资源潜力[4]。

该文以山东省上古生界海陆过渡相泥页岩为例，通过实施参数井钻探、岩心观察、样品采集、测试分析等手段，主要对该类页岩气的沉积环境、有机质类型、有机质演化程度等页岩气成藏条件开展研究，建立评价参数模型，制定选区评价指标和气评价方法，评价页岩气资源潜力。

1 地质特征

山东省上古生界海陆过渡相泥页岩主要分布于鲁西地区(图1)，在临清坳陷等覆盖区也有分布[5]。大地构造位置属于华北板块(Ⅰ)鲁西隆起区(Ⅱ)的鲁西南潜隆(Ⅲ)、鲁中隆起西部(Ⅲ)及华北坳陷区(Ⅱ)的临清坳陷(Ⅲ)等。

1—新生界；2—古生界图1 山东省上古生界富有机质泥页岩分布示意图

研究区位于沂沭断裂带以西，以聊(城)-兰(考)断裂和齐(河)-广(饶)断裂为华北坳陷与鲁西隆起区分界。区内构造特征为区域性隐伏断裂切割成不同级别的构造单元。断裂性质多为继承性断裂，在印支期、燕山期及喜马拉雅期随着太平洋板块的活动，均经历了多次应力转换，因而力学性质及构造演化均非常复杂，但表现形式主要以正断层性质为主。

区内各时代地层发育比较齐全，从新太古代至第四纪地层皆有分布，以古生代地层发育保存较好为特征。前寒武纪变质岩系构成了区内的刚性结晶基底岩石；早古生代寒武-奥陶系为一套海相碳酸盐岩为主的岩石组合，是盆地内的底层沉积岩石，构成晚古生代石炭-二叠纪含煤地层的直接基底；新生代古近系、新近系、第四系是石炭-二叠纪含煤地层的主要盖层；中生代侏罗-白垩系在局部断块凹陷区有所发育并覆盖于石炭-二叠纪含煤地层之上，隐伏于新生代各时期地层之下。

石炭-二叠纪月门沟群本溪组、太原组、山西组和石盒子群发育一系列富含有机质泥页岩，是区内页岩气资源的重要烃源岩[6-9]。

(1)本溪组。为一套紫红色、杂色铁铝质泥岩、铝土岩及紫红色、黄灰色泥岩、细砂岩组合。是海侵早期的沉积产物，主要为滨浅海砂泥岩相，局部夹泻湖沼泽相。受古地形影响，各地厚度变化较大，总厚度2～60m不等。

(2)太原组。为灰—灰黑色泥岩、粉砂岩、砂岩夹多层灰岩和煤层组成的韵律层，属于典型的海陆交互相沉积[10]，厚度130～230m，平均170m左右。太原组岩性组合横向变化不大，在各地区发育程度有所差异，沉积厚度由北而南逐渐增大，灰岩与煤层夹层逐渐增多。

(3)山西组。为砂岩、灰黑色泥岩和煤层，整体色调呈灰—深灰色，为海湾—潮坪相、三角洲相及沼泽相交替沉积，厚度73～164m，一般厚100m左右；从地层厚度、岩性、含煤层等方面，在各地差异较大，厚度整体显示北东厚、南西薄之特点。

(4)石盒子群。主要以黄绿色、灰绿色砂岩，紫红、灰紫色泥岩夹铝土岩，灰黑色页岩，偶见有煤线，以陆相河湖相沉积为主[11]，地层厚度401～518m。暗色泥岩分布范围小，沉积厚度不稳定。

2 泥页岩有机地化特征

山东省在石炭-二叠纪地层中施工了4口页岩气参数井，通过采样、地化参数和物性参数等测试分析，结合收集部分钻孔有机碳资料进行分析，石炭-二叠系有机质类型以Ⅲ型为主，占62%；其次为Ⅱ2和Ⅱ1型，共占35%，极少出现I型。

镜质体反射率一般在0.7%～1.7%之间，泥页岩热演化程度分类为低—中，也就是烃源岩有机质成熟度以低成熟—成熟为主。

本溪组有机碳含量一般小于0.6%(图2)，以非烃源岩为主；太原组有机碳含量一般在1.5%～9.0%之间，为中-好烃源岩；山西组灰黑色泥页岩有机碳含量一般在1.5%～9.0%之间，为中-好烃源岩；石盒子群暗色泥岩有机碳含量一般小于3.5%，以中-差烃源岩为主。

1—石盒子群；2—山西组；3—太原组；4—本溪组图2 石炭-二叠系有机碳含量分布图

本溪组和石盒子群暗色泥岩分布不均，厚度变化大，泥岩占比一般小于50%，不宜作为页岩气有效生储层。山西组和太原组泥岩分布范围广、发育厚度相对稳定，可连续追踪。埋藏深度从300～8000m不等，有机质演化程度一般在0.7%～1.7%，局部受岩浆岩烘烤或埋深较大地段镜质体反射率超过4%。在埋藏深度适中、演化程度适中(0.5%

3 评价依据及评价方法的选取

根据控制程度的差异，页岩气资源评价选取不同的方法，主要有类比法、体积法、物质平衡法、递减曲线法[12]。山东省针对上古生界海陆过渡相主要富有机质泥页岩发育层系施工了4口页岩气参数井，重新解释660口单井测井曲线，资源潜力评价方法采用体积法最为适合。

3.1 体积法

体积法是国内外页岩气资源评价最常用方法[13]，是利用泥页岩的含气特征进行页岩气资源量评价。泥页岩总含气量为吸附气含量、游离气含量和溶解气含量之和，但泥页岩一般含溶解气含量极低，故此泥页岩总含气量可取值吸附气含量与游离气含量之和。体积法主要应用于页岩气勘查开发前期、初期的资源评价。主要评价参数有：面积、厚度、岩石密度、含气量，公式下：

GZ=0.01×A×h×ρy×CZ

式中：GZ—页岩气总资源量，108m3；A—含气面积，km2；h—有效厚度，m；ρy—泥页岩密度，t/m3；CZ—泥页岩含气量，m3/t。

3.2 评价依据

山东省以往施工了大量钻孔，开展了大量地球物理工作，基本能够控制富有机质泥页岩发育特征和分布规律，根据2013年以来实施的鱼页参1井等4口页岩气参数井获取的评价参数，满足求取单位体积内页岩气资源量的要求，因此选用静态法中的体积法进行估算。依据《全国页岩气资源潜力调查评价》[14]对页岩气有利区参数优选条件和《页岩气资源/储量计算与评价技术规范》(GB/T0254-2014)中储量起算标准，结合山东省实际情况，确定上古生界页岩气资源量评价参数的标准(表1)。

表1 山东省上古生界页岩气资源量评价参数标准

4 评价参数的确定

通过系统收集整理和分析研究已有的地震、钻井、测井资料，结合实施地震剖面测量和参数井试验数据，重新处理解译旧井、二维地震剖面，绘制山东上古生界海陆过渡相富有机质泥页岩发育有效厚度等值线、深度等值线、有机碳含量(TOC)等值线、镜质体反射率(Ro)等值线等系列图件，为确定含气面积、有效厚度、岩石密度、含气量等评参数和资源潜力评价提供依据。

4.1 含气面积

根据评价参数标准，TOC，Ro，厚度等值线采用参数叠加法圈定边界；将估算范围内的面积切割成若干块段，利用计算机软件读取各块段面积作为该块段的估算面积，各块段面积之和即为该估算区总面积。

4.2 有效厚度

依据TOC，Ro，厚度(或TOC，厚度)切割成若干估算块段；在2条有效厚度等值线之间的区域，估算厚度采用2条等值线的平均值，最高等值线内所圈定的区域，估算厚度采用等值线的值[15-20]。

4.3 岩石密度

鱼页参1井采集11个岩石密度样品(表2)，其中密度值在2.55～2.74m3/t，平均值为2.68m3/t。从岩石密度与深度关系来看，岩石密度随深度的增加而增加的趋势明显(图3)。

表2 鱼页参1井泥页岩密度

4.4 含气量模型的建立

山东省上古生界海陆过渡相山西-太原组有机质以Ⅲ型干酪根为主，且已进入大量生烃演化阶段。利用鱼页参1井、聊页参1井等获取泥页岩总含气量及其对应有机碳含量数据(表3)，建立泥页岩含气量与有机碳含量的关系模型(图4)。求取不同有机碳含量等值线所圈定块段的泥页岩含气量值。

表3 山东省上古生界海陆过渡相泥页岩总含气量及其对应有机碳含量

图3 山东省石炭-二叠系泥页岩密度与深度关系图

图4 山东省石炭-二叠系有机碳含量与含气量关系图

5 资源潜力

根据页岩气资源评价参数标准，对山东省上古生界海陆过渡相富有机质泥页岩分布盆地进行圈定，共圈定8处页岩气资源潜力有利区，主要分布在鲁西南含煤区、黄河北含煤区、阳谷-茌平含煤区和临清坳陷(表4)。

表4 山东省上古生界海陆过渡相页岩气资源分布

山东上古生界石炭-二叠系页岩气潜在资源总量为5736.75×108m3(表4)，以鲁西南含煤区最多，估算的潜在地质资源总量为3263.98×108m3。

6 结论

(1)确定了山东省上古生界海陆过渡相含气页岩层段。以山西-太原组泥岩分布范围广、厚度相对稳定、热演化程度适中，为主要的含气页岩层段。

(2)获取了山东省首批上古生界海陆过渡相页岩气评价参数，明确了页岩层段有机地化、含气性特征。

(3)针对山东省不同沉积环境泥页岩含气量的关键影响因素，通过实验测试、现场解析，对上古生界Ⅲ型干酪根、成熟阶段为主的有机质富集层位，建立了适合在鲁西南等含煤区石炭-二叠系“有机碳-含气量”模型估算海陆交互相页岩气资源量方法。

(4)估算了山东上古生界石炭-二叠系页岩气潜在资源总量为5736.75×108m3，具有勘查价值的地区主要分布在鲁西南含煤区、黄河北含煤区、阳谷-茌平含煤区和临清坳陷，为山东省进一步实施页岩气勘查开发提供了依据。