河北省北部富有機質頁巖的頁巖氣潛力研究

封宇博，劉友南，鄧春濤，梁 博

（1.西安石油大學地球科學與工程學院，陜西西安 710065；2.西安石油大學陜西省油氣成藏地質學重點實驗室，陜西西安 710065）

得益于美國頁巖氣革命的成功，世界油氣能源格局產生了重大改變，為積極參與油氣能源重構，國內頁巖氣的勘探開發步入了快車道[1]。目前國內針對頁巖氣的勘探開發主要集中在三大領域，即海相、陸相及海陸過渡相[2]，海相沉積發育時間為早古生代寒武、奧陶時期，陸相主要發育在中生代時期，海陸過渡相發生在三大板塊拼合時期（晚古生代）[3]。國內四川盆地的古生界海相頁巖、鄂爾多斯盆地的中新生界陸相泥頁巖均蘊藏大量非常規油氣資源[2]，除此以外，在河北省北部地區也探明含有一套富有機質海相頁巖。

近年來，隨著頁巖油氣理論與技術的重大突破，遠古地層頁巖油氣的勘探開發引起業內學者的關注。張金川等[4]研究發現，國內有機質頁巖主要受到華北板塊、華南板塊、塔里木板塊三大板塊的共同作用，但在中元古代時期各板塊獨立發育，在中-上元古界，華北板塊是唯一含有頁巖這一沉積層，實地勘探河北省北部地區地表發現有大量油苗[5-6]，證實該地區中-上元古代發育了這套古老的富有機質頁巖。這套富有機質頁巖有著良好的生成和發育條件，主要集中于上元古界的青白口系下馬嶺組和中元古界薊縣系洪水莊組，TOC（總有機碳）含量分別約為1.80%和2.20%。筆者結合研究區頁巖Ro（鏡質體反射率）、TOC 含量、熱解等一系列地球化學特征參數查明該區古老地層中頁巖氣潛力，為研究區頁巖氣的勘探開發提供理論支撐。

1 地質背景

河北省北部地區隸屬于華北地臺，中-新元古代（晉寧期）為裂谷型克拉通盆地，另外，期間多次冰期的旋回使得部分抬升地層受到風化腐蝕，形成良好的儲集特性[7-8]。中元古代河北省北部地區頁巖主要發育在薊縣系的洪水莊組，為碳酸鹽巖潮坪相-淺海陸棚沉積，其主要分布在洪水莊組中部，可代表該時期水深的程度[9]。青白口系下馬嶺組沉積了一套以灰黑、深灰色為主，僅中部和底部夾雜部分砂巖的頁巖[10]。

2 樣品采集與實驗

下馬嶺組和洪水莊組為寬城-興隆地區中-上元古界富有機質頁巖主要發育層位，也是此次頁巖氣評價的重點對象，為了對該層位頁巖進行系統科學研究特制定相應取樣設計?？紤]到洪水莊組和下馬嶺組富有機質頁巖厚度及鉆井深度，故設計取樣間隔為0.8 m；非頁巖段設計取樣間隔為2～3 m。為研究河北省北部地區的洪水莊組和下馬嶺組暗色頁巖中頁巖氣的有機地球化學特征、儲集特征和賦存機理等問題，將部分樣品按相關規格進行研磨處理，完成地球化學、儲集物性、礦物組成及含氣性等實驗測試。

3 實驗結果

3.1 有機地化

在河北省北部地區下馬嶺組和洪水莊組鉆取頁巖樣品共49 塊，其中，洪水莊組頁巖TOC 含量平均為3.44%，且TOC 含量多數大于3.00%；下馬嶺組頁巖TOC 含量平均為2.51%，且TOC 含量多數大于2.00%[11]。經過熱解實驗，發現下馬嶺組頁巖有機質游離烴含量S1在0.56～2.52 mg/g，平均為1.56 mg/g；熱解烴含量S2在0.86～13.31 mg/g，平均為9.78 mg/g。熱解峰溫Tmax在428.70～446.60 ℃，平均為434.64 ℃。洪水莊組頁巖有機質游離烴含量S1在0.16～1.31 mg/g，平均為0.64 mg/g；熱解烴含量S2在0.68～3.98 mg/g，平均為2.03 mg/g。

根據類型指數和顯微組分顏色將這兩組干酪根判定為Ⅲ和Ⅰ干酪根，熱解峰溫Tmax在409.10～443.70 ℃，平均為422.44 ℃。所有樣品的熱解峰溫Tmax主要分布在410.00～430.00 ℃，屬于成熟油階段（圖1），生烴潛力很大且干酪根分子結構復雜[12]。與氫指數建立關系后發現采集過程中樣品可能由于地質構造運動埋藏較淺，受到風化作用等影響，干酪根類型判定會出現一定偏差。

圖1 頁巖樣品干酪根類型圖

3.2 黏土礦物

下馬嶺組和洪水莊組黏土礦物含量分別平均為31.78%、22.03%，以高嶺石為主，其次為伊/蒙混層。洪水莊組中伊利石含量為10.80%～32.30%，平均為24.04%；下馬嶺組中伊利石含量為7.60%～15.60%，平均為11.52%。洪水莊組伊/蒙混層含量為2.50%～32.70%，平均為14.14%；下馬嶺組伊/蒙混層含量為8.80%～16.30%，平均為14.08%。洪水莊組中高嶺石含量為40.06%～62.20%，平均為51.25%；下馬嶺組中高嶺石含量為59.20%～69.10%，平均為63.67%。洪水莊組中綠泥石含量為0～21.30%，平均為10.61%；下馬嶺組中綠泥石含量為10.00%～20.00%，平均為16.00%（圖2）。

圖2 頁巖樣品黏土礦物含量三元相圖

3.3 孔縫結構

基于掃描電鏡技術的發展，業內人員對于頁巖儲層微觀孔隙結構有了更清楚的認知：頁巖主要發育有有機質納米孔、黏土礦物粒間孔、巖石骨架礦物孔、古生物化石孔和微裂縫等[13]。在下馬嶺組和洪水莊組頁巖儲層主要發育溶蝕孔（圖3a、c、d、e）、裂隙（圖3b、f、g），且裂隙普遍被有機質、黏土礦物以及副礦物填充（圖3h、i）。

圖3 頁巖樣品孔隙發育類型

DFT 孔徑模型（圖4）反映出洪水莊組塊狀頁巖孔隙孔徑分布在2～10 nm，下馬嶺組層狀頁巖孔隙孔徑分布在2～5 nm。

圖4 頁巖樣品孔徑分布圖

3.4 儲集物性

頁巖的孔隙度、滲透率等參數是評估頁巖儲層的油氣儲集、運移能力的重要指標，洪水莊組樣品孔隙度和滲透率測試結果顯示，孔隙度平均為1.3%，滲透率平均為7.9×10-3mD，為特低孔滲物性頁巖儲層。下馬嶺組樣品孔隙度和滲透率測試結果顯示，孔隙度平均為3.7%，滲透率平均為6.0×10-3mD，孔隙度好于洪水莊組，為低孔特低滲儲層。

3.5 吸附氣量

鑒于吸附態是頁巖氣在頁巖中主要存在形式，明確頁巖吸附特性是預測頁巖氣含氣量的重要步驟。研究區頁巖吸附實驗表明（圖5）：在一定條件下頁巖氣吸附氣量隨壓力的增加而增大，在實驗最大壓力下，下馬嶺組實測吸附量為1.176～4.804 m3/t，平均為1.823 m3/t，洪水莊組實測吸附量為0.876～6.836 m3/t，平均為2.515 m3/t。

圖5 頁巖甲烷等溫吸附擬合曲線圖

4 討論

4.1 頁巖氣生成潛力

頁巖中有效烴源巖指的是可以生成且排出油氣的烴源巖，其中有機質豐度、含氫指數和干酪根類型都對烴源巖生烴排烴有著重要影響[14]。其中頁巖中有機質豐度的多少還對甲烷氣體的吸附能力和產出效率都有著非常明顯的作用。河北省北部地區中元古界洪水莊組有機質豐度在0.91～1.77，下馬嶺組有機質豐度在0.37～0.83。生烴潛力（S1+S2）隨著TOC 含量的增大而增大，呈明顯正相關關系（圖6），而且洪水莊組生烴潛力遠大于下馬嶺組。因此，TOC 含量可作為判定研究區頁巖生烴潛力的關鍵參數之一。

圖6 頁巖樣品有機質豐度TOC 與生烴潛力（S1+S2）關系圖

S2與TOC 含量的相關性可判斷干酪根優劣，因此，也用來衡量烴源巖的生烴能力。河北省北部地區中元古界地層干酪根總體處于中好區間（圖7），洪水莊組干酪根發育整體好于下馬嶺組。

圖7 頁巖樣品干酪根優劣圖

前人研究表明，在滿足一定有機質豐度的條件下，熱成熟度Ro 也是預測頁巖生烴潛力的重要指標，烴源巖必須滿足一定成熟度后才能進行生烴排烴[15]。頁巖生烴潛力所劃分的熱演化程度條件范圍為0.6%～2.0%，臨界值為0.4%～0.6%[16]，而研究區熱演化成熟度范圍在0.5%～1.3%，即研究區頁巖儲層滿足生烴條件，所以研究區頁巖有較好的生烴排烴潛力。

4.2 巖相與含氣性關系

頁巖含氣性與諸多因素有關，筆者主要針對巖相與含氣性關系進行研究。研究結果表明：層狀頁巖吸附氣體能力比塊狀頁巖吸附能力強，層狀頁巖吸附氣平均氣量為3.03 cm3/g，塊狀頁巖吸附氣平均氣量為2.93 cm3/g，層狀頁巖孔隙度（平均為6.83%）大于塊狀頁巖的平均孔隙度（1.23%），層狀頁巖有著明顯的孔隙度優勢。

另外，層狀頁巖黏土含量中高嶺石含量占比明顯較大，比表面積平均值為11.21 m2/g，較塊狀頁巖比表面積平均值（1.56 m2/g）有著非常大的差距。裂隙的普遍發育使得層狀頁巖孔隙平均體積為0.02 cm3/g，大于塊狀頁巖孔隙平均體積0.01 cm3/g。較大的比表面積和孔隙體積會使層狀頁巖有著良好的頁巖氣儲集賦存空間（圖8），物性較好也是促進層狀頁巖中頁巖氣擴散和采集的必備條件之一。

圖8 頁巖樣品孔隙體積與比表面積相對含量

5 結論

（1）研究區下馬嶺組和洪水莊組烴源巖發育較好，生烴潛力（S1+S2）與TOC 含量呈明顯正相關關系，有較好的生排烴潛力。

（2）研究區頁巖孔隙特征整體復雜，孔隙大小以介孔以下為主，儲層物性為低孔低滲，富集儲存條件較好。

（3）研究表明頁巖含氣性與巖相類型關系密切：層狀頁巖含氣性優于塊狀頁巖。