陽谷-茌平煤田上古生界生烴潛力研究
——以聊頁參1井為例

孫偉清，張春池，彭文泉，鮑懷偉，郝興中，呂小紅

(1.山東省地質科學研究院，國土資源部金礦成礦過程與資源利用重點實驗室，山東省金屬礦產成礦地質過程與資源利用重點實驗室，山東 濟南 250013；2.山東省地質調查院，山東 濟南 250014；3.山東省土地質量地球化學與污染防治工程技術研究中心，山東 濟南 250014；4.山東省第一地質礦產勘查院，山東 濟南 250109；5.山東省煤田地質局物探測量隊，山東 濟南 250104)

陽谷-茌平煤田位于魯西中部，是山東省尚未開采利用的煤田勘查區[1]，山東省第一地質礦產勘查院、山東省地質科學研究院等單位先后進行過煤炭勘查工作[2-3]，揭露煤層的同時鉆遇了厚層暗色泥頁巖，但未對鉆遇的暗色泥頁巖生烴情況進行深入研究。為了了解陽谷-茌平煤田暗色泥頁巖生烴條件和生烴潛力，該文利用聊頁參1井獲取的相關數據，對區內暗色泥頁巖沉積發育特征、有機質豐度、有機質類型、有機質演化程度等進行分析研究，明確了生烴泥頁巖層位和生烴條件，指明該區頁巖氣勘探目標和方向，為下一步頁巖氣勘查工作提供依據。

1 地質背景

1.1 區域構造位置

陽谷-茌平煤田位于齊(河)-廣(饒)斷裂以南，聊(城)-(蘭)考斷裂以東的魯中隆起西北緣。北隔齊(河)-廣(饒)斷裂與濟陽坳陷相連，西以聊(城)-(蘭)考斷裂為界，與臨清坳陷相接，東側以東阿斷裂為界，南側向南延伸至河南境內，為上古生界保存相對較好的地區[4-6]。

1.2 區域地層

區域發育有新太古代泰山巖群，古生代寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系、新生代古近系、新近系和第四系[7]。

據鉆孔揭露，新太古代泰山巖群巖性為黑云變粒巖、斜長角閃巖等。

早古生代發育有寒武系和奧陶系。寒武紀地層中富含三葉蟲等淺海相動物化石，主要巖性有灰巖、白云巖、紫紅色泥頁巖等；奧陶系巖性為灰巖、白云質灰巖、白云巖、灰質白云巖等，含有燧石結核。

晚古生代發育有石炭系和二疊系。石炭系以雜色、暗色泥頁巖為主，夾灰巖和煤層；二疊系以砂巖、泥巖為主，夾煤層。

新生代發育有古近系、新近系和第四系。古近系以灰綠色、灰色泥巖為主，泥巖與砂巖、含礫砂巖不等厚互層；新近系下部為泥巖、粉砂質泥巖夾中細砂、中粗砂和含礫砂層；上部為砂質粘土、粘質沙土夾砂巖，局部夾粘土巖；第四系以粘質砂土為主，夾粉砂、粉細砂層，局部為砂質粘土夾細砂、中砂層。

2 泥頁巖沉積發育特征

頁巖層段是指富含有機質的烴源巖系，以頁巖、泥巖和粉砂質泥巖為主，含少量砂巖、碳酸鹽巖或硅質巖等夾層，明確了頁巖層段是以泥頁巖為主的巖性段[8]。

2.1 泥頁巖沉積特征

海西期初，陽谷-茌平煤田所處的華北板塊整體沉降，演化為大型陸表海盆地，海西運動在早二疊世末期開始表現得極其強烈，使華北基本上結束了長期的古生代海侵歷史，演化為近海內陸盆地，形成以陸相及過渡相沉積為主的沉積體系，海西運動在二疊紀末期，結束了華北晚古生代的沉積歷史。太原組屬典型的海陸交互相沉積，曾多次發生大規模海侵，沉積了多套砂巖-泥巖-灰巖-煤層組合，形成了厚層的暗色泥頁巖(頁巖層段)[9-10]。

山西組沉積早期，海水逐漸退去，山西組發育了以三角洲體系為主體間夾河流體系的沉積組合。陽谷-茌平煤田主要發育了三角洲平原相中的分流河道、分流河道-分流間灣、分流河道-河漫灘、泥炭沼澤的共生組合；發育的分流間灣-泛濫平原沉積，為泥頁巖的有利發育層段。

2.2 泥頁巖發育特征

陽谷-茌平煤田暗色泥頁巖(頁巖層段)主要發育在石炭—二疊紀的山西組和太原組內，聊頁參1井揭露山西組頂板埋深1563.79m，厚73.31m，巖性以砂巖、粉砂巖為主，夾泥巖、灰巖和煤層。其中砂巖累計厚度為30.55m，占該組總厚度的41.67%，粉砂巖16.22m，占該組總厚度22.13%，整體分析泥地比不足50%，且泥頁巖主要發育在煤3以下，即1620.59～1637.10m(圖1)，因此山西組泥頁巖相對不發育，單獨分析研究意義不大，可將煤3以下泥頁巖與太原組泥頁巖整合考慮。

聊頁參1井揭露太原組頂板埋深1637.10m，揭露厚度202.00m，其中砂巖單層厚度0.30～7.90m，累計27.40m，占該組總厚度的13.56%；粉砂巖單層厚度0.70～14.66m，累計35.60m，占該組總厚度的17.62%；頁巖層段(泥巖、粉砂質泥巖、夾煤、灰巖)中泥巖單層最大厚度為19.30m，累計139.00m，占該組總厚度的68.82%，認為太原組是頁巖氣生儲的有利層段。

3 有機質豐度

有機質豐度是頁巖氣儲層評價的重要參數之一，針對陽谷-茌平煤田泥頁巖沉積特點，選用黃第藩[11]含煤地層烴源巖有機質豐度評價標準進行評價(表1)，采用有機碳含量、氯仿瀝青“A”、生烴潛量(S1+S2)等指標評價烴源巖的優劣，被國內外學者廣泛接受[12-13]。

3.1 有機碳含量

有機碳含量(TOC)是烴類物質生成的基礎，也是反映泥頁巖有機質豐度的重要參數之一[14]，同時是評價烴源巖生氣能力和生氣量的關鍵參數[15-16]。有機碳含量高，泥頁巖生烴能力強，意味著有足夠的母質來生成烴類物質；泥頁巖中含氣量與有機碳含量具有正相關關系[17-19]，隨泥頁巖中有機碳含量增高而增大，生烴母質增加的同時，也增加了吸附表面積，進而增加了吸附氣含量。

聊頁參1井共采集89件泥頁巖TOC樣品，其中山西組10件，有機碳含量在0.57%～26.65%，好—極好烴源巖樣品占70%。太原組76件，有機碳含量在0.23%～31.45%，中等烴源巖占60.53%(圖2)，本溪組3件，有機碳含量在0.20%～0.35%，均為非烴源巖。

山西組泥頁巖發育厚度相對較薄，且主要集中發育在煤3以下，樣品數量少，但有機碳含量值比較高，平均值為9.50%。太原組暗色泥頁巖發育層數多，厚度占比大，以中等烴源巖為主，具備頁巖氣生成的物質基礎，為頁巖氣生成有利層段。

1—中砂巖；2—細砂巖；3—粉砂巖；4—砂質泥巖；5—粉砂質泥巖；6—泥巖；7—灰巖；8—煤圖1 聊頁參1井山西組和太原組綜合柱狀圖

烴源巖類型評價參數烴源巖級別極好好中等差非泥巖、碳質泥巖有機碳(%)9.0～403.0～9.01.5～3.00.6～1.5<0.6氯仿瀝青“A”(%)0.280～2.000.080～0.2800.040～0.0800.015～0.040<0.015S1+S2(mg/g)20～2006.0～202.0～6.00.5～2.0<0.5

據黃第藩等，1996年。

1—極好烴源巖；2—好烴源巖；3—中等烴源巖；4—差烴源巖；5—非烴源巖圖2 聊頁參1井樣品烴源巖評價圖

3.2 氯仿瀝青“A”

聊頁參1井獲取氯仿瀝青“A”樣品36件全部來自太原組，氯仿瀝青“A”值在0.006%～0.037%，其中26件小于0.015%，占樣品總數的72.22%，為非烴源巖，僅10件樣品值在0.015%～0.040%之間，占樣品總數的27.78%，為差烴源巖。僅從氯仿瀝青“A”分析結果來看，太原組暗色泥頁巖以非烴源巖為主。

3.3 生烴潛量(S1+S2)

生烴潛量是指單位烴源巖中的有機質在自然地質條件下能夠轉化成烴類物質的最大數量，通常采用S1+S2表示。S1表示巖石中已生成但未排出的烴類物質，也被稱為殘留烴，S2表示巖石中能夠生成但尚未生成烴類的有機質[20]。

聊頁參1井采集生烴潛量(S1+S2)樣品83件，山西組10件樣品中S1+S2值為大于20mg/g的樣品僅1件，6.0～20.0mg/g之間的樣品4件，2.0～6.0mg/g之間的樣品3件，即中等以上烴源巖占樣品總數的80%。太原組71件生烴潛量樣品中，0.5～2.0mg/g之間的樣品52件(圖3)，2.0～6.0mg/g之間的樣品16件，即差烴源巖占73%，中等烴源巖占23%，從生烴潛量分析，太原組以占96%的差—中等烴源巖為主。

1—山西組；2—太原組；3—本溪組圖3 聊頁參1井樣品生烴潛量統計圖

4 有機質類型

干酪根是指動植物遺骸在地下深部被細菌分解，除去糖類、脂肪酸及氨基酸之后殘留下的不溶于有機溶劑的高分子聚合物。根據《透射光-熒光干酪根顯微組分鑒定》標準[21]，可以采用干酪根顯微組分類型指數(TI)法來確定有機質類型。

對聊頁參1井烴源巖干酪根類型指數統計(表2、圖4)，可以得出，暗色泥頁巖鏡質組的含量分布較為分散，在42%～85%之間都有分布，但大部分在60%～80%之間。惰質組含量分布在3%～22%之間，一般小于20%，腐泥組+殼質組的含量小于48%，分布較為分散。33件樣品全部為Ⅲ型干酪根，Ⅲ型干酪根以生氣為主[22-23]，說明太原組暗色泥頁巖具備生氣的基礎條件。

表2 聊頁參井烴源巖干酪根類型指數統計

5 有機質熱演化程度

鏡質體反射率是判別有機質熱演化程度的重要參數之一，有機質進入成熟階段為有機質大量生烴的標志。

聊頁參1井太原組32件鏡質體反射率樣品全部進入生烴門限(Ro≥0.5%)(圖4)，其中8件樣品處于低成熟階段(0.5%≤Ro<0.7%)，占樣品總數的25%；19件樣品處于成熟階段(0.7%≤Ro<1.3%)，占樣品總數的59%；3件樣品處于高成熟階段(1.3%≤Ro<2.0%)，占樣品總數的9%；2件樣品處于過成熟階段(Ro>2.0%)，占樣品總數的6%；大多數樣品熱演化程度處于成熟及以上熱演化階段，說明太原組已進入大量生烴階段。

圖4 干酪根顯微組分含量三角圖

聊頁參1井鏡質體反射率樣品采自1685～1805m，88%的樣品鏡質體反射率值在0.6%～1.5%之間，有機質熱演化程度分類為中低[8]。因采樣深度變化不大，鏡質體反射率隨深度而增高趨勢不明顯(圖5)，2件樣品鏡質體反射率值突然增大，推測與巖漿巖活動有關。

圖5 聊頁參1井不同深度鏡質體反射率

6 結論

(1)通過分析上古生界發育特征，認為石炭-二疊系山西組和太原組暗色泥頁巖最為發育。利用聊頁參1井揭露地層資料分析研究表明，暗色泥頁巖主要發育在山西組煤3以下和太原組，結合沉積環境分析認為，山西組下部和太原組具備頁巖氣形成的沉積環境和巖性條件。

(2)利用有機地化數據對山西組和太原組暗色泥頁巖進行分析，其有機碳含量一般大于1.5%，以中等—極好烴源巖為主，具備頁巖氣形成的物質基礎；有機質類型全部為生氣為主的Ⅲ型干酪根，鏡質體反射率一般在0.6%～1.5%之間，認為其具有頁巖氣生成的有機質類型和演化條件。

(3)由于該區山西組泥頁巖主要發育在煤3以下，建議進一步勘查時將山西組下部泥頁巖和太原組泥頁巖作為整體進行勘查研究。