鄂尔多斯盆地平凉组页岩气富集地质条件

邓 昆，周 文，邓虎成，陈文玲

（油气藏地质及开发工程国家重点实验（成都理工大学），成都610059）

鄂尔多斯盆地西南缘分布着厚度巨大的中奥陶世平凉期沉积地层，发育的笔石页岩为中国北方海相页岩气勘探开发的主要层系［1－3］，近年来相关的研究工作较少。而四川盆地及周缘地区下寒武统牛蹄塘组页岩、下志留统龙马溪组页岩气方面已取得了突破性进展［4－9］。平凉期笔石页岩沉积环境与美国沃斯堡盆地Barnett页岩具有一定的相似性，主要形成于深水斜坡－盆地环境。通过多年对鄂尔多斯盆地中奥陶统平凉组的研究，依托国土资源部油气中心 “华北及东北区页岩气资源调查评价与选区”项目，对平凉组页岩气富集地质条件，包括页岩的岩矿特征、发育规模、埋深、地球化学指标和含气量等参数进行了初步分析，以期推进鄂尔多斯盆地下古生界海相页岩气的勘探与地质研究持续深入。

1 平凉组岩矿特征

中奥陶世平凉期沉积体系分为深水斜坡、盆地平原和碳酸盐台地，不同分区沉积组合类型有一定差异。笔石页岩沉积主要发育于盆地西缘，岩石地层在西缘中段、北段又称为拉什仲组（上平凉期）和乌拉力克组（下平凉期）。其中乌拉力克组以黑色页岩为主，以含丰富笔石为特征（图1－A）；而拉什仲组为黄绿色页岩、砂质页岩、泥质粉砂岩以及火山碎屑岩呈不等厚互层（图1－B，C）。平凉组笔石页岩在平凉－陇县一带发育甚好（图1－D），称为平凉组，下段和上段各夹数层薄层灰岩或灰岩透镜体。纵向上平凉组页岩自下而上颜色由深变浅，笔石含量变少，有机质含量越来越低。

平凉组页岩野外样品全岩X射线衍射分析结果：脆性矿物含量高，石英的质量分数为22%～72%，平均为52%；长石的质量分数为0%～5%，乌海老石旦剖面笔石页岩不含长石；方解石的质量分数为1%～26%。环县石板沟方解石的质量分数高达26%，为钙质页岩。黏土矿物的质量分数为19%～72%，平均为35%左右，以伊利石和绿泥石为主；部分样品含少量高岭石和蒙脱石，质量分数不超过10%。粉砂质页岩中伊利石、绿泥石含量较高，石英含量较低。笔石页岩见微裂缝发育，有机质不均匀分布，笔石化石方解石化及黄铁矿、针铁矿充填微孔等（图1－E，F，G，H）。图2显示可以根据矿物组合分为2类：石英＋方解石＋伊利石组合，石英＋方解石＋伊利石＋绿泥石组合。

图1 平凉组岩石学及矿物学特征Fig.1 Petrological and mineralogical characteristics of images of Pingliang Formation

2 含气页岩分布

2.1 平面分布

平凉组含气页岩层系主要分布于盆地西缘和西南缘的台地前缘碎屑岩斜坡相带和深水盆地相带内，横向变化较大，沿鄂7井－李华1井－环县－龙2井以西至青铜峡－固原断裂含气页岩层系逐渐增厚，最厚处可达70m，乌海桌子山－老石旦－任3井－惠探1井－平凉太统山一线及其以西地区为页岩气层系主要发育区（图3）。盆地南缘沉积相带主要为开阔台地相带、台地边缘生物礁和台地前缘碳酸盐岩斜坡相带，页岩少量发育于碳酸盐岩地层夹层内，有机质含量低，一般在起算厚度之下。

2.2 埋藏深度

图2 平凉组页岩全岩矿物分析雷达图Fig.2 Radar map showing the bulk－rock analysis of the shale rock from Pingliang Formation

结合盆地西缘地震剖面、野外剖面调查、钻井资料，平凉组含气页岩层系受沉积相和后期构造运动的控制，在惠探1井和芦参1井一线埋深达到最大，超过了4.5km，以惠探1井和芦参1井为中心，向南北方向埋藏变浅；北部至乌海老石旦、南至平凉银洞官庄（太统山）一带平凉组逐渐出露地表（图4）。过石沟驿地区02XY01地震地质解释剖面图表明在平凉断裂以西寒武系和奥陶系出露地表，即平凉组在青龙山一线出露；而平凉断裂以东，平凉组埋深＞4km，如惠探1井和芦参1井分别在4 124m和4 608m钻遇平凉组（图5）。

图3 鄂尔多斯盆地平凉组泥页岩层系等厚图Fig.3 Mud shale thickness distribution of Pingliang Formation in Ordos Basin

图4 鄂尔多斯盆地平凉组泥页岩层系埋深图Fig.4 Buried depth of the mud shale layer system of Pingliang Formation in Ordos Basin

3 含气页岩有机地球化学

3.1 有机质类型

有机质类型可以决定页岩生烃初期所生成油气的类型。陈孟晋（2007）对鄂尔多斯盆地西部平凉组67个样品（灰岩和泥灰岩16个，泥岩51个）进行了有机组分显微定量分析，腐泥组质量分数最高，平均40%以上；动物有机组次之，平均30%～35%；壳质组相对较少，平均20%～30%［10］。平凉组烃源岩有机质类型除少数层段为Ⅱ1型以外，其余绝大部分为Ⅰ型。本次研究对平凉组野外页岩样品的热解分析也表明了平凉组富有机质页岩有机质类型除太统山剖面以Ⅱ2型为主，其他均为I型干酪根（表1）。因此，综合前人分析及本次测试结果，确定平凉组含气页岩有机质类型主要为I型，个别为Ⅱ1型和Ⅱ2型。

图5 鄂尔多斯西缘02XY01地震地质解释剖面图Fig.5 Profile of seismic－geological interpretation（02XY01）of the west margin on Ordos Basin

3.2 有机质丰度

根据前人对平凉组地表剖面和环14井、任3井等共计56件样品有机碳分析数据［10，11］及本次钻井、野外采样完成的45件分析数据，平凉组含气页岩平均有机碳的质量分数为0.38%。纵向上下段有机质较富，上段有机质较贫。惠探1井乌拉力克组泥页岩TOC的质量分数（wTOC）平均值为0.63%，拉什仲组泥页岩wTOC平均值为0.17%（图6）；老石旦剖面乌拉力克组wTOC在1.5%～2%之间；西南缘银洞官庄剖面平凉组wTOC在0.5%～1.0%之间。平凉组有机碳含量的平面分布总体表现为北高南低的特征，北部布1井和天深1井有机碳的质量分数一般为0.6%～1.4%，盆地西缘往南有机碳的质量分数逐渐降低至0.2%以下（图7）。

3.3 有机质成熟度

平凉组含气页岩沥青Ro分析测试结果及平面分布特征表明：整个盆地平凉组含气页岩发育区有机质成熟度总体上达到成熟—过成熟阶段，棋探1井至惠探1井、马家滩一带Ro达1.9%～2.1%，在盆地西缘南段平凉地区Ro为1.5%～1.7%（图8）。平凉组页岩热演化程度整体偏高，不同地区有一定差异性，即热演化程度既有属于高－过成熟阶段的，还有仍为低熟阶段者（余探1井－任3井以西）。

表1 平凉组含气页岩野外样品热解测试结果Table 1 Pyrolysis test results of the gas－bearing shale field samples from Pingliang Formation

图6 惠探1井乌拉力克组、拉什仲组综合剖面图Fig.6 The columnar section of the Ula Lectra Formation and Rush Formation of Well Huitan 1

4 平凉组页岩含气性分析

图7 鄂尔多斯盆地平凉组泥页岩TOC等值线图Fig.7 Mud shale TOC isopach map of Pingliang Formation in Ordos Basin

含气页岩中天然气主要以2种状态形式存在，一种是吸附态，吸附在有机质及岩矿固体物质表面；另一种是游离态存在于微孔隙系统及天然裂缝中［12－17］。等温吸附模拟是解吸的逆过程，在30℃高压条件下，运用Boyles定律气体装置测量甲烷的等温线，获得吸附气含量参数。选取老石旦剖面2组样品进行等温吸附试验，测得Langmuir质量体积分别为1.77m3／t和1.79m3／t，Langmuir压力分别为0.65MPa和1.56MPa。获得理论吸附气量为0.65m3／t和1.56m3／t，平均吸附气含量为1.105m3／t（图9）。试验数据可以反映平凉组页岩具有良好的吸附能力。

图8 鄂尔多斯盆地平凉组泥页岩Ro等值线图Fig.8 Mud shale Roisopach map of Pingliang Formation in Ordos Basin

5 结论

图9 乌拉力克组页岩等温吸附曲线Fig.9 Isothermal adsorption curve of the Ula Lectra Formation shale

a.鄂尔多斯盆地西南缘发育一定规模的海相笔石页岩，其中平凉组下段（乌拉力克组）以黑色页岩为主，以含丰富笔石为特征，其中脆性矿物石英含量较高；而平凉组上段（拉什仲组）为黄绿色页岩、砂质页岩为主，黏土矿物相对含量较高。据矿物组合分为2类：石英＋方解石＋伊利石组合，石英＋方解石＋伊利石＋绿泥石组合。

b.鄂尔多斯盆地西南缘平凉组海相笔石页岩自东向西逐渐变厚；西缘中段埋深较大，超过4.5km，向南北逐渐变浅，在北段、西部和南部部分区域出露地表。有机质类型主要为I型，个别为Ⅱ1型和Ⅱ2型。平凉组有机碳含量的平面分布总体表现为北高南低的特征，有机碳的质量分数主要在0.2%～1.4%之间，大部分区域达到0.5%页岩气选区下限。平凉组页岩热演化程度整体偏高，多在高－过成熟阶段，Ro值主体在0.9%～2.1%范围，不同地区有一定差异性。

c.通过等温吸附模拟实验进行含气性分析，获得理论吸附气量为1.105m3／t，反映平凉组页岩具有良好的吸附能力。依据平凉组海相页岩发育规模、埋深、地球化学指标分析和含气量等参数，认为鄂尔多斯盆地西南缘中奥陶统平凉组为页岩气勘探开发的潜力层系。

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