鄂尔多斯盆地黄陵北部延安组页岩气勘探潜力分析_李智学.pdf

第42卷第4期 2014年8月 文章编号I001-198620 l 404-0031-05 煤田地质与勘探 COALGEOLOGY 2.陕西能源集团有限公司， 陕西西安710061; 3.陕西煤田地质局勘察院，陕西西安710054 摘要鄂尔多新盆地中南部发育有你罗系延安组第二段和第二段陆相暗色犀层泥岩层系，矿物成 分以石英、和土为主，石英43～56，和土矿物29～33。总有机破（TOCl.63～3.89，有机 质成熟度R。为0.59～0.60，含气量（CH40.25-0.85 m3/t，等i孟吸附实验表明延安纽泥岩的甲炕 吸附能力与总有机碳含量呈正相关关系。泥岩处于生物成因气阶段，具备页岩气形成的基本地质 条件，并可对比美国密歇根盆地Antrim页岩和伊利诺斯盆地的NewAlbany页岩的地质条件。为 查清黄陵北部你罗系延安纽页岩气的勘探潜力，通过分析勘查和化验测试资料，对其页岩气勘探 潜力进一步评价认为黄陵北部延安组泥岩分布范围和厚度较大，已进入生物成因气和热催化生 气的中间阶段，有机质丰度较高，具备形成页岩气的成藏条件，页岩气潜力巨大。 关键词脆性矿物；有机破；成熟度；页岩气；陆相地层；鄂尔多斯盆地 中图分类号TE132.2;P618.13 文献标识码ADOI I 0.3969/j.issn.l001-1986.2014.04.007 Analysis of shale gas resource exploration potential of Yan an ation in northern Huangling mining area of Ordos basin I 3 I LI Zhixue’ ,SHAO Longy1 , LI Mingpei“, CHEN Fei』 I. School of Geoscience and Survey Engineering, China University of Mining and Technology, Beijing I 00083, China; 2. Shaanxi Energy Group Co., Ltd, Xian 710061, China; 3. Investigation Research Institute ofShaanxi Coal Geology Bureau, Xian 710054, China Abstract Ordos basin is one of the important energy resource basins in China. The second and third members of Jurassic Yanan ation in northern Huangling mining area of the south-central Ordos basin contain a thick succession of continental dark mudstone. The minerals of the mudstone are dominated by quartz and clay minerals, with quartz content 4356, clay content ranging 2933. The total organic carbon TOC content of the mudstone is 1.633.89, the organic maturity is characterized by R。of0.590.60, and gas CH4 content is 0.250.85 rri3/t. The isothermal adsorption test showed that gas adsorption capacity of the mudstones in Yanan ation had a positive correlation with TOC. The gas is biogenic and possessed the basic geological conditions of shale gas ation. The characteristics of the mudstone can be compared with New Albany Shale in Michigan basin and Antrim Shale in Illinois basin of America. In order to assess the shale gas resource potential of Yanan ation in northern Huangling mining area, the exploration data and laboratory experiment data were analyzed. A preliminary assessment of gas resources demonstrated that the mudstone in Yanan ation in northern Huangling mining area has broad distribution and big thickness, and is characterizeJ by high TOC content and high gas production potential. On the whole, the shale gas potential is very good. Key words brittle minerals; TOC; R0; shale gas; continental strata; Ordos basin 全球页岩气资源总量约456102m3，相当于煤 层气和致密砂岩气资源量的总和［I升。201l年，美国 能源信息署（EIA）论证估算全球页岩气技术可采资 源量为l82.81012m3，其中美国24.39x1012 m3，中 国36.081012旷，加拿大页岩气资源量［4］超过了 28.3l012m3。欧洲的荷兰、瑞典、波兰、英国、乌 收稿日期2014-01-23 克兰等国家也已经对页岩气展开了研究工作［匀，初 步计算页岩气资源总量达到了14.41012旷。 中国页岩气研究工作起步较晚，2004年在湖 南、四川、重庆开始f页岩气资源的研究工作，认 为重庆市渝南和东南地区分布下寒武统、下志留统、 中二叠统三套地层，有形成大规模页岩气的可能［6］。 作者简介李智学（1963一），男，陕西乾县人，教授级高级工程师，博士研究生，从事煤田地质技术管理工作． ChaoXing 32 煤田地质与勘探第42卷 研究与实践表明，中国的页岩气资源量逐步提升， 在国际页岩气可采资源量中占据着举足轻重的地 位。但是目前中国页岩气研究及勘探开发主要集中 在海相地层，陆相地层涉及较少。有学者针对鄂尔 多斯盆地，开展了三叠系延长组页岩气潜力分析[71, 但尚未对延安组陆相地层页岩气开展分析评价工作。 本文对鄂尔多斯盆地中南部黄陵矿区北部延安 组泥岩的沉积环境、空间展布、矿物组成、有机地 球化学等特征进行研究，并与美国成功的页岩气盆 地进行比较，对黄陵北部延安组页岩气勘探开发潜 力进行初步评价。 1 页岩气形成的区域地质条件 1.1 区域沉积背景 鄂尔多斯盆地位于华北地台的西部，盆地内部 沉积厚度达5000 m以上，是典型的叠合盆地，其 结晶基底主要由角闪岩相－绿片岩相变质岩和岩浆 岩组成，并且在180Ma前固结成为统一的结晶基 底。盆地经历了中晚元古代拗拉谷、早古生代浅海 台地、晚古生代陆表海、中生代内陆湖盆和新生代 边缘断陷等5个i寅化阶段［1.8] 鄂尔多斯盆地晚古生代－中生代经历了三次大 规模的聚煤作用，晚石炭世到早二叠世陆表海广泛 沉积过渡相含煤地层。早三叠世末至晚三叠世末， 印支运动对鄂尔多斯盆地最终形态起到了至关重要 的作用．并在晚三叠世瓦窑堡期和中保罗世延安期 沉积了两套陆相含煤地层。其中延安组含煤岩系形 成了厚度较大、分布面积较广的暗色泥岩。 1.2 泥岩地层分布 延安组是鄂尔多斯盆地重要的含煤地层，煤炭 资源丰富，同时也蕴藏着丰富的页岩气资源。该含 煤地层由灰、灰白色中细粒砂岩及深灰色粉砂岩、暗 色泥岩、黑色泥岩及煤层组成。盆地中部大理河以南、 吴旗以东、葫芦河以北为无煤区（图I），其他广大地区 发育河流斗胡泊沼泽相含煤砂、泥岩互层建造。 延安组第一段中期到第四段晚期广泛发育湖泊 相沉积，主要分布在安塞－志丹一甘泉－葫芦河一带， 即陕北保罗纪煤田和黄陇保罗纪煤田之间地带。 延安组第四段之后，因构造抬升，湖泊逐渐萎缩 直至消亡。根据泥质岩等细粒沉积岩形成时水深、岩 层厚度、分布范围及沉积相组合进一步将湖泊沉积相 划分为滨湖、浅湖、半深湖和湖湾等沉积亚相（图2）。 黄陵北部主要为浅湖和半深湖发育区，葫芦河 一带延安组第二段至第四段发育厚层灰黑色为主的 浅湖泥岩，偶夹薄层粉砂岩，发育季节性水平纹层、 纠问 凶 陕 甘肃省 ， 1 - F28 。。 6s - J ] 62 2创阳 －u－uu ι ’ 、－ － 3 - - 2 7 1 - F5 6. JL - 4 2 啕‘d pAdD - ny , 4 ，、“ d『， 站 中TJ H d 山 高 佟l例 ［］钻.fl 剖而点 D省界 BM流 店头 R59 . 图l研究区位置与部分页岩气井分布图 Fig. I The location of study area and some shale gas wells 近水平层理，含较多双壳类化石，保存较好的植物 化石，井有生物潜穴及生物扰动构造，均反映较为 安静的浅水环境（图2）。浅湖相沉积物中Ca、Na含 量一般大于IO000 ppm , Sr/Ba比值0.3左右，Sr/Ca 比值0.014；半深湖主要分布于延安组第二、三段， 以泥岩、粉砂质泥岩为主，夹油页岩和薄层粉砂岩． 显示覆水较深的还原环境下的沉积。沉积构造以水平 层理为主，局部可见黄铁矿结核。黄陵北部葫芦河一带 半深湖相沉积较为典型，沉积物中B含量118ppm, Ba 含量790ppm,Sr含量达230ppm,Ga含量9250 ppm, Na含达10000 ppm , Sr1Ba比值0.31,Sr/Ca比值〈 0.03, B/Ga比值3.69。 据黄陵北部葫芦河剖面和西否子河实测剖面统 计（表1），延安组第一至第四段泥岩总厚度 101.86105.83 m，占延安组地层总厚度的3 8.4～ 58.3；其中第二段泥岩总厚度39.49～42.46m，单 层泥岩厚度最大34.77m；第三段泥岩总厚度27.95～ 45.54 m，单层泥岩厚度最大23.91m。另外根据黄陵 矿区北部页岩气钻井的泥岩厚度（图3），延安组第二 段单层泥岩厚度最大的为Sk6井，达到18.61m，最 薄的为Sk36井，但也达到了9.10m；延安组第三段 单层泥岩厚度最大的为Sk36井，达到23.4m，最薄 的为Sk6，仅为3.95m。 2 泥岩岩石学特征 鄂尔多斯盆地黄陵北部延安组岩石类型中砂岩 居首位（46.5），其次为泥岩（3川），粉砂岩含量较 少（17.1），可燃有机岩4.5，其他岩性0.8。泥 岩广泛发育，厚度较大，层位稳定，为生成页岩气 提供了很好的短源岩。 ChaoXing 33 州市『 李智学等．鄂尔多斯盆地黄陵北部延安组页岩气勘探潜力分析 洗朔 illi.轩1 滨湖 i]Ji相 半以湖币相 族湖1尼 滨湖砂坝 浅湖泥 浅湖砂坝 半湖泥 第4期 主四、坝 a）剖而垂相序列b）暗色泥－＇.／与板状交错后理砂;J; 图2黄陵矿区葫芦河剖面延安组第二段和第三段沉积相特征 Sedimentary facies of the second and the third members of Yan’an ation of Huluhe sect10n Fig.2 表1葫芦河剖面与西杏子河剖面各段岩性厚度统计 Table 1 Statistics of the lithology thickness of each member in Hulube and Xhingzihe sections 泥岩 l事层泥岩总厚Im（占该段百分比／） 砂岩Im粉砂岩Im煤Im厚度Im 23.91 m和13.55m A标志层34.77m 2.007.4 45.5475.6 39.4962.5 14.8361.5 18.76 I 1.76 12.68 11.01 0.02 63.20 4.13 4.93 0.24 24.13 72.23 m 巧克力页岩10m 5.24 m和10.95m A标志层18.55m和l1.62 m 24.16 15.8 82.42 地层 Ji/ 1iy3 J2/ J2y 合计 Jiy Jiyl Ji/ ]iy 合计 剖而 6.42 2.97 27.18 60.27 葫芦河剖面 101.8658.3 16.5236.5 27.9549.5 42.4651 .5 47.33 14.12 6.25 25.33 14.57 22.23 。26174.78 45.21 56.43 西杏子河剖面 18.920.66 62.33 10.26 91.49 56.36 m 延安组泥岩中石英、长石等脆性矿物含量最多， 黠土矿物含量次之，有利于产生天然裂缝或诱导微 裂缝，作为页岩气的储集空间。 有机质丰度及干酷根类型 有机质含量是衡量怪源岩生怪潜力最重要的参 数，其作为有机质的核心载体，影响着吸附气数量 的大小［9-12］。依据美国页岩气开采的经验，TOC含 量与页岩气产率有着良好的线性关系，TOC越高， 生蛙潜力越大，单位面积的含气率越高。美同Barnett 页岩有机碳含量（x）与气体含量y）的关系为 y0.780 9xl.908 7, R20.680 8。延安组暗色泥岩有 机碳（TOCl.63～3.89，炬。.01970 03，氯仿 沥青“A”0.06240.167 1，饱和；怪9.13～川.71。 黄陵以北延安组砂质泥岩、泥岩的显微组分中壳 质组最高，达到43～56，壳质碎屑体6～l 1，腐 殖无定形体34～42，菌抱体和树脂体各1；镜质 组和惰质组含量较低，镜质组16～29，为结构镜质 l 05.8338.4 泥岩有机地球化学特征3 3.1 106.86 i尼是fl早度Im 钻孔－－－－－－－－－ 第段第＝段 Ys7 13.30 1 4.50 Y s43 16.4’ 16.20 YsJ6 1 4.57 IK.KO Ys24 10.40 12.20 YslJ 9.70 10.70 Sk6 1 8.61 3.95 Sk36 9.1 O 23.40 Sk20 16.60 13.20 512 1 6.90 6.20 5118 17.67 19.20 R27 16.30 23.20 L 21 10.00 9.04 25 62.86 275.55 Ys7 Ys43 Ys36 Ys24 Ys13 Jp Sk6 _, 主Sk36 Sk20 S12 Sil R。为0.7～ 1.3时源岩处于深成热作用阶段，开始进入大量生油 气阶段。一般情况下，相同母质的热演化程度越高， 生成页岩气的产量越大。但当R。大于3.0时，过高 成熟度标志着；怪源岩生怪潜力枯竭。据黄陵二号井煤 矿Ys7、Ys43孔延安组第二段顶部黑色粉砂质泥岩、 泥岩成熟度测试，R。为0.59～0.60，为低成熟度源 岩，页岩气以生物成因气为主，通常埋深小于1000 m。 4 泥岩含气性 4.1 含气量 该区域曾做过大量的寻找油气和煤工作，均显 示良好的含气性。研究区内钻孔中，延安组有油气 显示7 9个钻孔，其中含气或气喷钻孔13个，气喷 孔的气压0.4-2.0MPa，含气钻孔分布特点为深部多 于浅部 ，北部多于南部。其中富2井气层在延安组 第＝段暗色泥岩中，气l质井气压0.3-0.5MPa，气喷 高度达到m之多，产气量为388-400旷／d，产量虽 不大，但是页岩气持续喷出时间长。 本次在黄陵二号井煤矿Ys7、Ys43孔采集了延 安组第二段顶部黑色泥岩、粉砂质泥岩并进行甲皖 含量测试（表2,Ys7孔空气干燥基甲皖含量为0.85m3/t, Ys43孔为0.25m3/t。 表2YS7与YS43孔延安组第二段泥岩测试成果 Table 2 The test results of the second member of dark mudstone of Yan’an ation in wells YS7 and YS43 钻孔岩性深度ImTOC/ RJ甲烧含量／（m3C1 Ys7 黑色泥岩466.10 1.63 0.60 0.85 Ys43粉砂质泥岩644.842.56 0.59 0.25 4.2 等温眼附曲线 等温吸附曲线显示页岩的最大吸附气含量与压 力的关系，是衡量页岩吸附甲皖能力的重要参数［6.1ι18］。 Ys43和Ys7孔的等温吸附曲线（图4）表明，一般同 种岩性，TOC与甲皖吸附能力成正比［1 ,18］。Ys43孔的 样品TOC为2.56，当压力为2.2509MPa时，甲皖 吸附能力为0.3273 m3/t，在压力增加到6.595945 MPa 时，甲皖吸附能力为0.7456 m3/t，而Ys7矿样品的 TOC为1.63，其随压力的增大，甲皖的吸附能力变 化较慢，且吸附量明显差于Ys43孔的样品。 1.0 →－空气干燥基 0.8 卡→－空气干燥基 」 毛0.6 1司 董0.4 部 0.2 I Ys43 123456789 ｝长）J/MPa 图4典型钻孔延安组第二段顶部泥岩等温吸附曲线 Fig.4 The isothermal adsorption curves of mudstone at top of the second member ofYanan ation in typical well 5 页岩气勘探潜力分析 5.1 美国页岩气的勘探经验 美国的页岩气开发比较早，至2007年美国本土 的页岩气探明可采储量为6151108 m3, 2008年急 增至9290108 m3，增加了51。目前投入开发的 页岩主要有Antrim、Ohio、NewAlbany、Barnett、 Lewis、Woodford等，其页岩气系统主要的地质参 数、地球化学参数（5-6,9,19］见表3。 美国页岩气的总TOC为1.5～20，平均3; R。为0.4～4.0，变化范围较大；页岩单层最小厚度 超过15m，脆性矿物（石英、斜长石等）一般为 20～75，如土小于401.8-9］；干酷根类型以I和II 型为主，III型干酷根较少，石英含量普遍较高，为 20～75，为页岩储层中裂隙的形成提供了天然条件。 通过对比美国各盆地的页岩气储层，可知密歇 根盆地Antrim页岩是典型的生物成因气，伊利诺斯 盆地的NewAlbany页岩是生物成因与热成因昆合 气（16］，其他几类页岩主要以热成因气（19］为主。 5.2 黄陵北部页岩气潜力分析 美国五套典型页岩主要赋存于泥盆系、石炭系 和上自主统，形成于克拉通盆地和克拉通盆地与造 山带前缘之间的前陆盆地海相沉积环境，水动力条 件微弱，处于还原环境中。黄陵北部中保罗统延安 组厚层泥岩形成于湖泊沉积环境，有机质丰富，横 向稳定，其虽然与美国页岩气地层的时代和形成环境有 很大差异，但从地质和地球化学参数比较来看（5-6.9.181, 其与Antrim和NewAlbany页岩的指标相近，特别是 New Albany页岩。黄陵北部延安组泥岩埋深较浅，为 300700 m，厚度24～34m，有机碳（TOC1.63 3.89，石英49.3～53.2，脆性矿物较多；R。为 0.59～0.60，成熟度较低，处于生物成因气和热 ChaoXing 第4期李智学等鄂尔多斯盆地黄陵北部延安组页岩气勘探潜力分析 35 表3美国典型页岩气系统与黄陵北部延安组泥岩的地质、地球化学参数［5-6.9,19] Table 3 The geological and geochemical parameters of American typical shale gas system and Yan’an mudstone 地层埋深Im总厚度ImTOC/ R.,1 Antrim 183730 49 0.324 0.40.6 New Albany 183I 494 31 ]22 l25 0.41.0 Barnett I 9812 591 6191 4.5 1.02.1 Ohio 610I 524 91305 。～4.70.44.0 Lewis 914I 829 152579 0.452.5 1.61.88 延安组300700 2434 1.633.89 0.590.60 催化生气的中间阶段，尚未达到大规模生气阶段（图匀， 页岩气以生物成因气为主，热成因气为辅。但是怪源岩 的分布面积和厚度较大，依然可以作为良好的生气层进 行开发和利用，该地区页岩气潜力巨大。 Rj 知类生成强度fl-t线 。.5二h 飞达 LO I 5 2.0 2.5 生物化学 生气阶段 热催化生 itll气阶段 热裂解生 凝析气阶段 w部高温 生气阶段 图5泥岩成熟度与生气阶段的划分 Fig.5 Division ofmudstone maturity and gas generation stage 6结论 黄陵北部延安组第二段和第三段富含有机质的 黑色、暗色泥岩形成于滨浅湖、半深湖环境，厚度较 大，为24～34m，分布面积较广。 泥岩的矿物组成以石英为主、其次为黠土矿物 （伊利石、高岭石和绿泥石为主）。脆性矿物中石英、 长石总含量较高，为泥岩中裂隙的形成以及压裂提供 了物质基础。 泥岩显微组分中壳质组含量最高，达43～56, 干酷根类型以腐泥腐植型干酷根（112型）为主；总有机 碳（TOC为1.63～3.89，有机质成熟度R。为 0.59-0.60，甲炕0.25-0.85旷／t，等温吸附实验表明 延安组泥岩的甲皖吸附能力与总有机碳含量呈正相关 关系。该泥岩成熟度低，处于生物成因气和热催化生气 的中间阶段，但是；怪源岩分布面积和厚度较大，具备形 成页岩气的成藏条件，页岩气潜力巨大。 参考文献 [I）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］.天然气工业，2011,1312 40---46 干酷根类型总孔隙度／含气量／（m3t1 吸附气／石英／ 9 I 132.83 70 2041 u 1014 1.132.26 4060 50 I[ 45 8.509.91 20 3550 II 4.7 1.692.83 50 4560 Il1为主353.5 0.421.27 6085 5075 11 2 0.250.85 7075 4953 [2）云箭．钟宁宁，王嘉麟，等低碳背景下促进我国页岩气产业 化的对策研究[J）.西南石油大学学报自然科学版，2012. 341 64-70. [3 ROGNER H H. An assessment of world hydrocarbon resourc.s[J. Annual Review of Energy and the Environment, 1997, 22 217- 262 [4）赵靖舟．方朝强．张i吉．等．由北美页岩气勘探开发看我国页 岩气选区评价［J］.西安石油大学学报自然科学版.20门． 262 1- 7. [5］肖钢、唐颖．页岩气及其勘探开发［M］.北京高等教育出版社． 2012 [6）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，2011,302/3 324-336 [7）张大伟，李玉喜．张金JII，等全同页岩气资源潜力调查评价［M]. 北京地质出版社，2012 32-53. [8）鲁静．邵龙义．李文如11.等层序格架内障壁海岸沉积体系r11 地理背景下聚煤作用［J）.煤炭学报，2012,37 I 78 85 [9］张金JI I，金之钧，袁明生，页岩气成藏机理和l分布[JJ.天然气 工业，2004247 15- 18. [10）张金JI I.徐波，聂海宽，等中同页岩气资源勘探潜力［J）.天 然气工业，2008,28 6 136一140. [11］韩来聚，周延军，唐志军．胜利油田非常规汕气优快钻井技术［J. 石油钻采工艺，2012,343 11-15. [12］谢小国，杨彼．页岩气储层特征及测井评价方法川煤HI地质 与勘探，2013, 416 27-30. [13）张功成．朱伟林，米立军．等源热共控论”来自南海海域 油气田“外油内气”环带有序分布的新认识［月沉积学报，2010, 285 987- 1005. [14）曹庆英．涂建琪，x,J庆，等.SY汀5125一1996透射光荧光干 酷根显微组分鉴定及类型划分方法［SJ.北京中间标准出版 社，1996. [15）李艳缸，金奎励短源岩成熟度评价指标及选取[JJ.地质地球 化学，2000 , 282 94-96 [16] CURTlS J B. Fractured shale gas systems[J]. AAPG Bulletin, 2002 , 8611 1921-1938. [17）邹才能，重大忠，二F计数．等中同页岩气形成机熙、地质特 征及资源潜力［J）.石油陀球与开发.2010. 376 641-653. [ 18 BOWKER K A. Rectnt development of Bamett Shale play, Fort Worth Basin[J]. West Texas Geological Society Bulletin. 2003. 426 4一lI. [19］蒲泊伶．包书景，王毅．等页岩气成藏条件分析一一以美国 页岩气盆地为例[JJ.石油地质与下．程，2008.223 3339. ChaoXing