顾娇杨1 叶建平1 房超1 邵龙义2
(1.中联煤层气有限责任公司 北京 100011 2.中国矿业大学(北京) 北京 100083)
摘要:沁水盆地是我国的主要含煤盆地，山西组3#煤层和太原组15#煤层的顶底板广泛发育暗色碳质泥页岩。本文通过对沁水盆地古生界暗色泥页岩的空间分布、地球化学特征、储层特征等方面的分析，对沁水盆地页岩气资源前景进行了展望并初步提出沁水盆地页岩气远景目标区。
关键词:页岩气 沁水盆地
Prospects of Shale Gas Resources in Qinshui Basin
GU Jiaoyang Ye Jianping FANG Chao SHAO Longyi
( China United Coalbed Methane Co. ，Ltd. ，Beijing 100083，China China University of Mining and Technology，Beijing 100083，China)
Abstract: Qinshui Basin is the main coal basin in China，and dark carbonaceous shale spreads widely in the roof and floor of the 3#coal seam in Shanxi group and the 15#coal seam in Taiyuan group. According to the detailed analysis of the characteristics such as the spatial distribution，the geochemical feature and the reservoir condition， the prospect of the shale gas potential in Qinshui Basin is analysed，and the perspective shale gas target zone is in- itially proposed
Keywords: Shale Gas; Qinshui Basin
基金项目: 国土资源部油气资源战略研究中心项目 《中国重点地区页岩气资源潜力与有利目标区优选》子项目 《北方地区页岩气资源战略调查与选区》下设课题 “沁水盆地页岩气资源战略调查与选区” ( 项目编码:2009GYXQ15 － 07 － 03) 资助。
作者简介: 顾娇杨，女，煤田地质高级工程师，多年从事煤田地质勘探设计、科研工作，现在中联煤层气有限责任公司工作。
引言
页岩气是一种新型能源资源，存在于几乎所有的盆地中。页岩气主体上以吸附和游离状态同时赋存于暗色泥/页岩、高碳泥/页岩及其间夹层状发育的粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、粉砂岩、甚至砂岩中，以自生自储为成藏特点 ( 张金川等，2008) 。
我国的页岩气资源广泛分布于海相、陆相盆地，在领土范围内各地质历史时期都存在页岩气资源，页岩气发育区划分为大致与板块对应的四大区域，即南方、华北、东北、西北及青藏等四大地区，在我国广泛分布的海相页岩地层、海陆交互相页岩地层及陆相地层中都有分布 ( 张大伟，2011) ，见图 1。由图 1 中可看出，位于华北地台区的沁水盆地亦属于中国页岩气有利区域。
图1 中国页岩气有利勘探领域示意图( 据张大伟，2011)
1 沁水盆地页岩气发育地质背景
1.1 沁水盆地概况
沁水盆地位于山西省东南部，北纬35°15'至38°10'，东经111°45'至113°45'之间，盆地长轴总体呈NNE向延伸，南北长约320km，东西宽约120km，总面积约为3万km2(见图2)。
图2 交通位置图
沁水盆地是中生代形成的走向近南北向展布的大型复式向斜盆地，位于华北克拉通西部，与广大华北地区一样，在寒武纪至中奥陶世时，地壳稳定沉降，在古老结晶基底上形成了浅海相碳酸盐为主的沉积。中奥陶世以后，由于加里东地壳运动，使华北地台整体隆起，致使盆地内缺失了晚奥陶世至早石炭世的沉积。到中石炭世，海西运动使本区地壳再次持续沉降接受沉积，表现为地壳呈整体缓慢沉降运动，盆地没有形成明显的断裂和褶曲，沉积了石炭－二叠纪海陆交互相含煤地层，形成了早、晚古生代两套烃源岩。盆地内总体构造比较简单，以内部次级褶皱发育为特征，构造线呈北北东向展布，南、北端受边界构造影响，构造线方向偏转为北东东向或近东西向。
1.2 泥页岩地层发育、分布情况
石炭二叠系地层在盆地内广泛分布，保存完整，厚度较稳定，根据盆地内八个矿区85个煤田钻孔资料，石炭系太原组总厚度在84.27～125.33m之间变化，平均105.02m，最大厚度位于寿阳、阳泉、和顺左权一带(表1)。其中，泥质岩总厚度在46.61～64.15m，最大厚度位于寿阳、阳泉、和顺左权一带，其百分含量在50.56%～57.18%，以沁源、高平樊庄一带偏高。
表1 沁水盆地太原组泥页岩厚度及百分比变化表
根据盆地内八个矿区88个煤田钻孔资料，二叠系下统山西组总厚度在43.63～102.43m变化，平均60.12m(表2)，其中最厚处位于沁源一带。泥质岩总厚度多在27.62～71.36m，最厚处也位于沁源一带，其百分含量在56.69%～72.22%之间，以和顺―左权、沁源一带最高。
表2 沁水盆地山西组泥页岩厚度及百分比变化表
二叠系下统下石盒子组在盆地内厚度60～90m，一般70m左右，该组主要由砂岩、粉砂岩、泥质岩组成。
二叠系上统上石盒子组在盆地内厚度380～580m，由杂色砂、泥岩组成。
这两组地层基本上全盆地发育，在盆地北部寿阳以往施工的参数井P5，P6，南部TL006井中，气测曲线均显示这两组地层有气显示。
山西组和太原组的埋深由盆地边缘向盆地中心逐渐加深，最深处均超过1000m(见图3，图4)。
图3 山西组暗色泥岩埋深等值线图
图4 太原组暗色泥岩埋深等值线图
1.3 泥页岩地层地球化学特征
1.3.1 TOC(总有机碳)含量
TOC(总有机碳)含量是评价页岩气的重要标准，斯伦贝谢公司根据北美页岩气含气盆地统计，提出了页岩气资源的总有机碳含量最低标准原则上应超过2%(表3)。
表3 页岩气源岩总有机碳含量评价标准
(据斯伦贝谢)，2006
通过对沁水盆地太原组和山西组泥页岩进行采样、测定TOC(总有机碳)含量(见表4)，在盆地北部阳泉地区山西组泥页岩TOC值为7.33%～8.64%，太原组泥页岩TOC值为0.96%～1.54%，盆地南部山西组泥页岩TOC值为1.77%～8.40%。根据以上标准，沁水盆地泥页岩干酪根质量多为好很好。
1.3.2 有机质成熟度(Ro)
在沁水盆地北部、中部、南部分别采样进行了有机质成熟度(Ro)的测试，统计结果见表5，整个盆地Ro值在2.24%～2.95%之间，依据北美开采页岩气的经验，页岩气形成的最低Ro值为0.4%，沁水盆地泥页岩的有机质成熟度也达到了页岩气形成的条件。
表4 沁水盆地泥页岩TOC(总有机碳)分析测试数据一览表
总之，沁水盆地石炭二叠系泥页岩地层在空间分布、厚度及地化指标上均有利于页岩气的发育和勘探研究。
表5 沁水盆地泥页岩(Ro)测试统计表
2 沁水盆地页岩气储层特征及含气性
2.1 岩矿特征
一般的页岩主要由黏土质矿物组成，可以作为烃源岩的页岩，则由黏土矿物及有机质组成。
对盆地内的样品进行了薄片鉴定，泥页岩岩性组合主要有7种:黑色泥岩、炭质泥岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩、泥质云岩、云质泥岩、生屑灰岩。说明本区泥页岩的矿物组成主要为黏土矿物，碎屑矿物有石英、长石颗粒、云母、粒状黄铁矿等，并有少量有机质，符合含气页岩矿物组成基本特点。
2.2 渗透率及孔隙度特征
页岩气是一种典型的“自生自储”天然气藏类型，气源来自于具有生气能力的泥页岩本身，作为页岩气储层，泥页岩地层的孔隙度非常低，据统计，作为油气源岩，页岩地层在进入生烃门限之后，其基质孔隙度一般低于10%。大多数页岩的渗透能力也非常差，渗透率通常小于1mD，美国阿科马盆地伍德福德页岩中被油、气和水占据的总基质孔隙度平均只有6.515%，而其中有效孔隙度仅4.22%，密歇根盆地的Antrim页岩孔隙度平均在5%～6%，在这种孔隙条件下，页岩的渗透率甚至比含气致密砂岩还要低很多(小于0.001mD)。经测试，沁水盆地北部山西组泥页岩的渗透率为0.895mD，孔隙度为6.7%;沁水盆地南部山西组泥页岩的渗透率为0.545mD，孔隙度为3.3%(见表6)。
表6 沁水盆地页岩渗透率及孔隙度分析表
2.3 含气性在沁水盆地北部寿阳及南部晋城分别取样进行了页岩气含量测试(见表7)。
表7 沁水盆地页岩气含量测试统计表
寿阳地区山西组的含量较高，可以和美国已经工业开采的上侏罗统Haynesville页岩，上泥盆统Woodford页岩以及Fayetteville页岩类比，晋城地区山西组和寿阳地区太原组虽然测试数据不高，但也基本达到了工业开采的下线，可以和美国上泥盆统NewAlbany页岩类比(据李玉喜，2010)。
3 沁水盆地页岩气前景
沁水盆地石炭二叠系泥页岩地层不仅分布广泛，厚度大，有机碳含量高，成熟度适中，而且出露面积较大，埋藏浅，是页岩气发育有利层位(见表8)。石炭系太原组暗色泥页岩厚度为84.27～125.33m，平均105.02m，总有机碳含量为0.96%～1.54%，Ro为2.35%～2.77%，二叠系山西组暗色页岩厚度为43.63～102.43m，平均60.12m，总有机碳含量(TOC)为1.77%～8.64%，成熟度(Ro)一般在2.24%～2.95%;二叠系上、下石盒子组泥页岩累计厚度达到200m以上。
表8 沁水盆地有利页岩气层位参数表
根据只有总有机碳含量(TOC)大于2%，热成熟度(Ro)大于0.4%的泥岩或页岩才具备形成工业价值页岩气的基础条件，以及厚度较大、埋深适中及在暗色泥页岩中有气显示等条件，另外，盆地内页岩的矿物组成、渗透率、孔隙度也都达到了页岩气储层的条件，说明沁水盆地的页岩气前景是值得期待的。
4 结语
沁水盆地是我国(石炭二叠纪)的主要含煤盆地，整个盆地的煤田地质勘探程度较高，特别是煤层气勘探开发程度是目前国内最高的盆地，煤系地层是含有煤层、暗色泥页岩、砂岩、有时还有碳酸盐岩的复杂地层组合。其中，煤层、暗色泥页岩和泥灰岩等都可以生烃，砂岩和碳酸盐岩可以成为常规和/或非常规储层。部分烃排出运移后仍残留在生烃层内者分别被称为煤层气、页岩气/油。当煤系中的砂岩、碳酸盐岩的孔渗性较好时可以形成常规油藏(特别是气藏)，当其孔渗性很差时也有赋存非常规致密气藏的可能性。显然，在海陆过渡(交互)相煤系中，煤层气和页岩气/油伴生就应是更常见的现象。
页岩气和煤层气的赋存机理有共同之处，它们都有相当部分的气以吸附状态存在。在未开发前煤层气绝大部分被吸附于煤颗粒表面及内部，而按美国已开发页岩气田的测试值，吸附气占的比例可以为20%～80%。另一部分气以游离态存在于页岩的微裂隙和煤层的割理中。他们开发的主要手段都是水平井和压裂，都有较长的有效生产期。其不同之处主要在于煤层气开发中以排水降压解吸，而页岩气的分段压裂有更强的造缝能力，开发井处的采出降压可以使吸附气逐渐产出。
在沁水盆地如果页岩气、煤层气、致密砂岩气在空间上有较密切的共/伴生关系，那么，下一步将研究其综合勘探、综合开发的可行性。
参考文献
张大伟.2011.加快中国页岩气勘探开发和利用的主要途径.天然气工业，31(5);1～5
张金川，徐波，聂海宽等.2008.中国页岩气资源勘探潜力［J］.天然气工业，28(6);136～141