彭文泉，廉永彪

(山東省第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 濟(jì)南 250014)

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陸相沉積盆地泥頁(yè)巖含氣量影響因素探討
——以濰北凹陷為例

彭文泉，廉永彪

(山東省第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 濟(jì)南 250014)

頁(yè)巖氣以游離態(tài)和吸附態(tài)賦存于泥頁(yè)巖中，泥頁(yè)巖含氣量的多少是頁(yè)巖氣資源潛力評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)，也是勘查開(kāi)發(fā)過(guò)程中最重要的制約因素。該文利用濰北凹陷大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，分別建立泥頁(yè)巖含氣量與有機(jī)地化參數(shù)、儲(chǔ)集物性參數(shù)、礦物成分等相關(guān)關(guān)系圖，探討各參數(shù)與泥頁(yè)巖含氣量的相關(guān)性和影響因素。研究表明：含氣量與有機(jī)碳含量相關(guān)性最好，相關(guān)強(qiáng)度達(dá)到中等正相關(guān)；孔隙度與含氣量無(wú)相關(guān)關(guān)系；巖石密度與含氣量、有機(jī)碳含量均具有中等程度的負(fù)相關(guān)。提出了間接獲取泥頁(yè)巖含氣量的方法和手段，為準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)頁(yè)巖氣資源潛力提供依據(jù)。

陸相盆地；頁(yè)巖氣；泥頁(yè)巖；含氣量；濰北凹陷

0 引言

頁(yè)巖氣作為清潔新能源，在北美已實(shí)現(xiàn)規(guī)?；虡I(yè)化開(kāi)發(fā)，使美國(guó)從能源主要進(jìn)口國(guó)變成能源出口國(guó)，我國(guó)在南方涪陵焦石壩、長(zhǎng)寧、威遠(yuǎn)等地已實(shí)現(xiàn)頁(yè)巖氣商業(yè)化勘探開(kāi)發(fā)[1-4]。隨著我國(guó)能源進(jìn)口依存度的不斷增高[5]，對(duì)頁(yè)巖氣勘查開(kāi)發(fā)的重視程度與日俱增。

美國(guó)頁(yè)巖氣勘查、開(kāi)發(fā)起步于上世紀(jì)80年代，美國(guó)開(kāi)發(fā)的Lewis、Ohio、Antrim、New Albany、Barnett[6-9]為白堊紀(jì)—泥盆紀(jì)地層，我國(guó)南方頁(yè)巖氣富集地層為寒武系-志留系，與美國(guó)一致為海相沉積地層[10-11]。其特點(diǎn)是地層分布范圍廣，巖性橫向變化慢。山東省頁(yè)巖氣主要賦存于陸相沉積盆地內(nèi)，陸相沉積地層非均質(zhì)性強(qiáng)，縱橫相變化大，確定含氣量的主要影響因素，可以提高頁(yè)巖氣資源潛力評(píng)價(jià)精度，同時(shí)提供便捷的參數(shù)獲取方法。

濰北凹陷為山東省新生代陸相沉積的代表性盆地，利用濰北凹陷大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分別建立含氣量與有機(jī)地化參數(shù)、儲(chǔ)集物性參數(shù)、礦物成分之間的相關(guān)關(guān)系圖，探討各參數(shù)與含氣量的相關(guān)性和影響因素，明確泥頁(yè)巖含氣量的主要影響因素，為頁(yè)巖氣資源潛力估算提供依據(jù)。

1 含氣量的獲取方法

1.1 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)獲取

解析法是測(cè)量泥頁(yè)巖含氣量的最直接方法[12]，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)獲取的泥頁(yè)巖含氣量為解析氣量、損失氣量和殘余氣量之和[13-15]。其中，解析氣量是從鉆井取出巖心后，短時(shí)間內(nèi)封入解析罐內(nèi)，測(cè)量在地層溫度下從巖心中釋放的氣量；損失氣量是利用解析前期數(shù)據(jù)，采用回歸方程計(jì)算出已損失或散逸的氣量；殘余氣量是解析完畢的巖心粉碎后所釋放的氣量。將解析氣量、損失氣量、殘余氣量之和折算到溫度20℃、壓力101.325kPa下單位質(zhì)量巖石中的含氣量，即為解析法獲取的泥頁(yè)巖含氣量。

1.2 實(shí)驗(yàn)室獲取

實(shí)驗(yàn)室通過(guò)獲取泥頁(yè)巖最大吸附氣量和游離氣量之和來(lái)求取含氣量。

(1)游離氣量：通過(guò)試驗(yàn)獲取樣品的孔隙度、含水飽和度和含油飽和度，孔隙中除去含水飽和度、含油飽和度為含氣飽和度，利用公式(1)(2)求取樣品原溫壓下的游離氣量。

(1)

(2)

式中：V游—游離氣量(m3/t)；φ—孔隙度(%)；Sgi—含氣飽和度(%)；ρ—巖石密度(t/m3)；Bg—體積系數(shù)(無(wú)量綱)；Psc—地面標(biāo)準(zhǔn)壓力(MPa)；Zi—原始?xì)怏w偏離系數(shù)(無(wú)量綱)；T—地層溫度(K)；Pi—原始地層壓力(MPa)；Tsc—地面標(biāo)準(zhǔn)溫度(K)。

(2)吸附氣量：將泥頁(yè)巖粉碎成60～80目顆粒，測(cè)量地層溫度、不同壓力下吸附氣量數(shù)據(jù)，獲取Langmuir體積VL和Langmuir壓力PL，根據(jù)蘭格繆爾(langmuir)方程(3)，求取樣品所在地層溫壓條件下的飽和吸附氣量，該值為理論最大值[16]。

(3)

式中：V吸—吸附氣量(m3/t)；VL—Langmuir體積(cm3/g)；PL—Langmuir壓力(MPa)；P—地層實(shí)際壓力(MPa)。

1.3 含氣量的可靠性分析

現(xiàn)場(chǎng)解析實(shí)驗(yàn)獲取含氣量的準(zhǔn)確性取決于設(shè)備的精度和操作的規(guī)范程度，在設(shè)備和操作人員達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求的前提下，認(rèn)為獲取的含氣量值為真實(shí)值。實(shí)驗(yàn)室獲取的含氣量值由兩部分組成，其中游離氣的獲取是大家認(rèn)可的。通過(guò)等溫吸附試驗(yàn)獲取的吸附氣量是樣品在理想狀態(tài)下的最大吸附氣量[17]，獲取的吸附氣量一般是解析法獲得含氣量的2～3倍，進(jìn)一步印證了在天然條件下很難達(dá)到理想純度的氣體，巖石并非達(dá)到飽和吸附狀態(tài)。相對(duì)實(shí)驗(yàn)室獲取的含氣量，現(xiàn)場(chǎng)解析獲取的值更加可靠，因而利用解析法獲取的含氣量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。

2 有機(jī)地化

2.1 有機(jī)碳含量

根據(jù)北美頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)成功經(jīng)驗(yàn)，不同類型的有機(jī)質(zhì)生烴潛量不同，Ⅰ型、Ⅱ型干酪根生烴潛量大；相同有機(jī)碳含量和干酪根類型，不同演化階段生油氣量不同。濰北凹陷以Ⅱ型干酪根為主，選取埋深3000～3095m，鏡質(zhì)體反射率在1.25%～1.40%之間的含氣量與有機(jī)碳含量相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)。

有機(jī)碳含量的多少直接影響了巖石的吸附能力，從圖1-a有機(jī)碳含量與含氣量關(guān)系來(lái)看，有機(jī)碳含量與含氣量正相關(guān)，相關(guān)性為中等相關(guān)。與北美頁(yè)巖中有機(jī)碳含量和頁(yè)巖含氣量具有較好的正相關(guān)是一致的[7-8]。

2.2 鏡質(zhì)體反射率

鏡質(zhì)體反射率是表征有機(jī)質(zhì)成熟度的良好指標(biāo)，鏡質(zhì)體反射率的大小直接反映了有機(jī)質(zhì)演化成熟的階段。通過(guò)建立鏡質(zhì)體反射率與含氣量的關(guān)系圖1-b可看出，成熟度與含氣量相關(guān)性極差，不能通過(guò)有機(jī)質(zhì)成熟度來(lái)推斷巖石含氣量的多少，但不相同演化階段的相同有機(jī)質(zhì)，在生氣量上存在差別。

2.3 生烴潛量

生烴潛量是指有機(jī)質(zhì)已生成烴和剩余能生成烴的總量。S1+S2認(rèn)為是已生成液態(tài)烴和剩余有機(jī)質(zhì)還能生成的最大烴量。其代表有機(jī)質(zhì)生成烴的能力，與含氣量建立關(guān)系圖1-c顯示無(wú)相關(guān)性。

2.4 氯仿瀝青“A”

氯仿瀝青“A”是有機(jī)質(zhì)生成液態(tài)烴的量，是表征生烴量的一項(xiàng)重要指標(biāo)，其與含氣量無(wú)相關(guān)性(圖1-d)。

3 儲(chǔ)集物性

3.1 孔隙度

孔隙度是影響游離氣量的關(guān)鍵因素，泥巖孔隙越發(fā)育，頁(yè)巖氣富集程度越高[18]。在含氣飽和度一定的情況下，游離氣量隨孔隙度的增高而增大。隨著孔隙度的增加，頁(yè)巖氣與有機(jī)質(zhì)或粘土礦物接觸的表面積也隨之增大，有利于氣體的吸附。濰北凹陷測(cè)試孔隙度為4.27%～8.67%，圖2-a顯示孔隙度與含氣量無(wú)相關(guān)性，說(shuō)明孔隙中賦存的游離氣不占主導(dǎo)地位。

3.2 滲透率

泥頁(yè)巖的滲透率一般極低，濰北凹陷測(cè)試滲透率為0.008～0.0966mD。從建立的滲透率與含氣量相關(guān)來(lái)看(圖2-b)，二者不存在相關(guān)性。

圖1 含氣量與有機(jī)地化參數(shù)關(guān)系圖

圖2 含氣量與孔隙度、滲透率關(guān)系圖

3.3 巖石密度

濰北凹陷測(cè)試獲取泥頁(yè)巖密度在2.60～2.75m3/t，建立泥頁(yè)巖密度與對(duì)應(yīng)的含氣量關(guān)系圖，從圖3-a可以看出巖石密度與含氣呈中等負(fù)相關(guān)，即隨著巖石密度的增加，泥頁(yè)巖含氣量降低。圖3-b顯示泥頁(yè)巖密度隨有機(jī)碳含量的減小而增大。巖石密度增大時(shí)，有機(jī)碳含量減少，吸附氣量隨之減小，導(dǎo)致含氣量的減小，說(shuō)明該區(qū)頁(yè)巖氣以吸附態(tài)為主。

圖3 巖石密度與含氣量、有機(jī)碳含量關(guān)系圖

4 礦物成分

4.1 脆性礦物

脆性礦物為天然孔隙、裂縫提供有效支撐，同時(shí)隨著脆性礦物含量的增加，有利于在外力作用下形成誘導(dǎo)裂縫。

濰北凹陷泥頁(yè)巖中脆性礦物以石英、長(zhǎng)石、方解石、白云石、黃鐵礦、菱鐵礦為主。脆性礦物總含量在33.6%～65.2%之間，建立主要脆性礦物與含氣關(guān)系圖顯示(圖4)，脆性礦物與含氣量無(wú)相關(guān)性。

圖4 含氣量與脆性礦物關(guān)系圖

4.2 粘土礦物

泥頁(yè)巖中不僅有機(jī)質(zhì)具有吸附甲烷的能力，粘土礦物亦具有對(duì)甲烷的一定吸附能力。

濰北凹陷x射線衍射測(cè)試粘土礦物含量為34.8%～66.4%，粘土礦物以伊蒙混層、伊利石、高嶺石、綠泥石為主。分別建立伊蒙混層、高嶺石、伊利石、綠泥石與含氣關(guān)系圖(圖5-a、圖5-b、圖5-d)，可以看出，伊蒙混層、高嶺石、綠泥石與含氣量相關(guān)性極差；伊利石與含氣量呈負(fù)弱相關(guān)關(guān)系(圖5-c)。因蒙脫石對(duì)甲烷的吸附能力最大[19-20]，推測(cè)與特定條件下蒙脫石向伊利石轉(zhuǎn)化有關(guān)。

、

5 結(jié)論

通過(guò)將含氣量與有機(jī)地化參數(shù)、儲(chǔ)集物性參數(shù)、礦物成分等分別建立關(guān)系圖，綜合分析后認(rèn)為：

(1)含氣量與有機(jī)碳含量相關(guān)性最好，相關(guān)強(qiáng)度達(dá)到中等正相關(guān)，有機(jī)碳吸附氣量是影響有機(jī)碳含量與含氣量相關(guān)性的關(guān)鍵因素。說(shuō)明吸附氣量在泥頁(yè)巖含氣量中占主導(dǎo)地位。

(2)孔隙度與含氣量無(wú)相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明孔隙中賦存的游離氣在泥頁(yè)巖含氣量中不占主導(dǎo)地位。

(3)巖石密度與含氣量、有機(jī)碳含量均具有中等程度的負(fù)相關(guān)，說(shuō)明巖石密度與含氣量相關(guān)的關(guān)聯(lián)因素為有機(jī)碳含量。

圖5 含氣量與粘土礦物關(guān)系圖

(4)將來(lái)在濰北凹陷頁(yè)巖氣勘查工作中，以密度與有機(jī)碳含量、含氣量的相關(guān)關(guān)系為基礎(chǔ)，通過(guò)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)建立巖電關(guān)系，獲取連續(xù)、準(zhǔn)確的頁(yè)巖氣評(píng)價(jià)參數(shù)數(shù)據(jù)，提高頁(yè)巖氣資源量潛力評(píng)價(jià)精度。

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Study on Influential Factors of Shale Gas Content in Non-marine Sedimentary Basins——Setting Weibei Sag as an Example

PENG Wenquan, LIAN Yongbiao

(No.1 Exploration Institute of Geology and Mineral Resources, Shandong Jinan 250014, China)

Shale gas occurred in shale with the form of free and adsorb. Gas content is not only an important index for shale gas resource potential evaluation, but also a restriction factor in the process of shale gas exploration and development. In this paper, correlation diagram of shale gas content and organic geochemical parameters, reservoir physical parameters, mineral composition has been set up by using a large number of measured data of Weibei sag. According to the above curves or number, the relationship and influencing factors between various parameters and shale gas content have been discussed. It is showed that the correlation between gas content and organic carbon content is the best, and the correlation intensity is moderately positive. Porosity and gas content are not related; rock density is negatively correlated with gas content and organic carbon content. Indirect ways and means for acquiring the gas content of the shale has been put forward. It will provide the basis for correctly evaluating shale gas resource potential.

Non-marine basins; shale gas; shale; gas content; Weibei sag

2017-01-11；

2017-02-19；編輯：曹麗麗 基金項(xiàng)目：山東省國(guó)土資源廳，山東省頁(yè)巖氣成礦條件研究和資源潛力預(yù)測(cè)(魯勘字[2013]1號(hào))；山東省國(guó)土資源廳，昌濰坳陷頁(yè)巖氣資源潛力調(diào)查評(píng)價(jià)(魯勘字[2013]2號(hào))

彭文泉(1979—)，男，山東齊河人，高級(jí)工程師，主要從事水工環(huán)地質(zhì)及頁(yè)巖氣勘查工作；E-mail：heshang7474@sina.com

彭文泉，廉永彪.陸相沉積盆地泥頁(yè)巖含氣量影響因素探討——以濰北凹陷為例[J].山東國(guó)土資源，2017,33(7)：25-30.PENG Wenquan, LIAN Yongbiao. Study on Influential Factors of Shale Gas Content in Non-marine Sedimentary Basins——Setting Weibei Sag as an Example[J].Shandong Land and Resources, 2017,33(7)：25-30.

P618.13

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