Natural Gas Geoscience >

2022 , Vol. 33 >Issue 12: 1936 - 1950

DOI: https://doi.org/10.11764/j.issn.1672-1926.2022.06.008

Study on geological characteristics and enrichment law of shale gas of Carboniferous Benxi Formation in eastern Ordos Basin

  • Yingyang XI , 1 ,
  • Zhigang WEN , 1 ,
  • Weibo ZHAO 2 ,
  • Liwen ZHANG 1 ,
  • Hui ZHANG 2 ,
  • Lu SUN 1 ,
  • Chenjun WU 1 ,
  • Huanxin SONG 1
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  • 1. Hubei Key Laboratory of Petroleum Geochemistry and Environment (Yangtze University)，Wuhan 430100, China
  • 2. China Research Institute of Exploration and Development, PetroChina Changqing Oilfield Company, Xi'an 710018, China

Received date: 2022-05-06

  Revised date: 2022-06-16

  Online published: 2022-12-29

Supported by

The Scientific Research Project of Changqing Oilfield Company, PetroChina(Technology 2020-151)

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Highlights

Organic-rich shale is widely developed in Carboniferous Benxi Formation in Ordos Basin, which has a good resource exploration prospect. Based on a series of studies on the organic geochemical characteristics, pore distribution characteristics and gas-bearing properties of shale in the Benxi Formation, the geological characteristics and accumulation laws of shale gas in the Benxi Formation were revealed. Jinci Member is the favorable zone in the Benxi Formation, with the following four geological characteristics: (1) the shale is characterized by high organic matter abundance (average TOC is 3.06%) and high thermal maturity (average R O is 1.84%) , its kerogen belongs to type Ⅲ; (2) micro and nanoscale pores are mainly inorganic pores, with a little organic pores, the micropores and mesoporous pores provide the main storage space, the average pore volume is 0.024 m3/g, and the average specific surface area is 11.05 m2/g. Shale gas mainly exists as adsorbed gas, and the pressure and TOC are important factors affecting the adsorbed gas volume; (3) brittle mineral content of siliceous shale is higher than 40%, indicating that the reservoir is more compressible; (4) the ideal combination accumulation characteristics provide a good preservation condition. Carbonaceous shale and siliceous shale developed between the two sets of coal, the former has good gas-bearing property, and the latter is easy to be fractured. The rules of accumulation and enrichment are summarized: Lagoon facies controls the development of source rocks; pores control the storage; favorable combination controls the accumulation and the fracturing ability of siliceous shale controls the exploration of shale gas. The results can provide a useful reference for determining favorable shale gas areas and further exploration and development of the Benxi Formation in Ordos Basin.

Cite this article

Yingyang XI , Zhigang WEN , Weibo ZHAO , Liwen ZHANG , Hui ZHANG , Lu SUN , Chenjun WU , Huanxin SONG . Study on geological characteristics and enrichment law of shale gas of Carboniferous Benxi Formation in eastern Ordos Basin[J]. Natural Gas Geoscience, 2022 , 33(12) : 1936 -1950 . DOI: 10.11764/j.issn.1672-1926.2022.06.008

0 引言

由于页岩气巨大的资源量、广泛的含气面积和较强可持续性的产量，其逐渐成为我国最具发展潜力和前景的清洁能源之一［1-3］。我国富有机质泥页岩按沉积环境分为3种类型：海相、陆相和海陆过渡相［4-5］。经过多年的深入研究，已经对海相页岩的发育特征等有了相对成熟的认识［6-8］，大部分学者研究发现海陆过渡相页岩气其成藏条件与海相、陆相页岩气相比具有较大差别，开采过程也更为复杂，因而目前对于海陆过渡相页岩气的研究勘查工作仍处于起步阶段，还有待深入研究。但近些年随着勘探技术的不断提升，我国海陆过渡相页岩气勘探取得了较好的成果，在鄂西地区二叠系大隆组、四川盆地川东地区二叠系龙潭组均获得了重点井的水平井工业气流，现场解析含气量也具有良好的页岩气显示［9］。我国多家石油公司和自然资源部相关部门在鄂尔多斯盆地东部石炭系—二叠系同样进行了大量的地质钻探与开发工作［10-12］，其中延川地区山西组和大宁—吉县地区山西组多口直井测试产量均获得了非常有价值的工业页岩气，上述钻探成果均揭示我国海陆过渡相页岩气具有良好的勘探开发潜力。
我国西北、东北地区部分盆地和四川盆地及其周边地区是海陆过渡相页岩存在的主要地区，但总体勘探开发程度较低，整体处在早期评价阶段。鄂尔多斯盆地石炭系—二叠系发育的海陆过渡相页岩主要分布在本溪组、太原组和山西组，目前针对山西组页岩气地质特征及富集成藏条件已开展了大量相关研究［10-11，13-15］，但对本溪组页岩气地质特征及勘探开发前景却鲜有报道。现有针对本溪组的研究主要偏重砂体展布特征以及致密砂岩气资源等相关地质问题［16-18］，对富有机质泥页岩段研究较为缺乏。本溪组发育湖田段、畔沟段、晋祠段3套泥页岩，前人［19］对鄂尔多斯盆地本溪组泥页岩的有机质特征及平面展布特征进行了初步的研究，尚未对本溪组有机质、矿物、储层等页岩气成藏地质特征及富集规律开展系统研究。本文以鄂尔多斯盆地东部本溪组泥页岩为研究对象，结合有机质特征、矿物组成、储层结构表征、含气量等实验结果，查明研究区本溪组泥页岩的有机地球化学特征、孔隙特征和含气性等页岩气地质特征，探讨鄂尔多斯盆地东部页岩气富集规律，为鄂尔多斯盆地石炭系本溪组页岩气资源勘探开发和利用评价提供理论基础和参考依据。

1 地质概况

鄂尔多斯盆地是我国第二大沉积盆地，跨越5个省市区，构造相对稳定。其本身并不是一个独立的盆地，由于板块运动、加上盆地主体构造变动，形成了伊盟隆起、渭北隆起、晋西挠褶带、天环凹陷、伊陕斜坡及西缘冲断构造带共6个主要构造单元，逐渐演化形成一个多旋回克拉通盆地［19-20］。研究区处于盆地东部，位于伊陕斜坡上，位置如图1所示。早奥陶世末期，加里东运动使鄂尔多斯地区整体抬升，隆起成陆，并且长期遭受风化剥蚀。晚石炭世本溪期，鄂尔多斯地区开始缓慢沉降，海水自东向西侵入，进而沉积作用发生，沉积相在东西向具有差异［21-23］。在晚石炭世，研究区本溪组泥页岩主要形成于过渡相沉积环境（图2），沉积分布特征受到障壁岛—潮坪—潟湖相直接控制，整体结构呈东厚西薄的分布变化特征［24-25］，本溪组的泥岩厚度高值区主要位于研究区的东南部，分布于榆林—子洲—佳县一带（图1）。本溪组自上而下划分为湖田段、畔沟段和晋祠段［21］（图2）。湖田段由铁铝质岩和黑色泥岩组成，其中铁铝质岩是识别研究区本溪组底部的一个最大特征［16］；畔沟段发育有灰黑色泥岩、畔沟灰岩、砂岩及少数煤层；晋祠段底部为一大套砂岩，上部为灰黑色泥页岩、薄煤层和吴家峪灰岩，其中8#煤层与9#煤层之间发育多套页岩，顶部以稳定的8#煤层作为太原组和本溪组的界线［25］。
图1 研究区本溪组泥岩厚度

Fig.1 Thickness map of mudstone of the Benxi Formation in the study area

图2 研究区本溪组M115井综合柱状图

Fig.2 Comprehensive histogram of Well M115 of Benxi Formation in the study area

2 样品采集及实验分析

本文实验在野外重点观测招贤剖面，采集样品51件；观察描述重点井M115井、Q36井岩心剖面，采集样品80件，收集本溪组取心井资料，采集岩心样品37件，样品包括黑色页岩、黑色泥岩、灰黑色页岩、灰黑色泥岩和炭质泥岩。对典型样品进行有机地球化学、全岩X射线衍射、氮气吸附脱附及扫描电镜分析等测试分析，探讨本溪组泥页岩的基本地质特征，并结合部分现场取心样品的含气量测试分析结果，对比探讨本溪组页岩气的资源潜力。
有机碳含量采用CS-230型碳硫测定仪依据国家标准《沉积岩中总有机碳的测定》（GB/T 19145—2003）进行测定；镜质体反射率采用MPV-3光度计依据行业标准《沉积岩中镜质组反射率测定方法》（SY/T 5124—2012）进行测定；干酪根显微组分采用LABORLUX 12 POL荧光显微镜依行业标准据《透射光—荧光干酪根显微组分鉴定及类型划分方法》（SY/T 5125—1996）进行测定；页岩储层特征采用ASAP2020低温气体吸附仪对孔隙进行定量分析，通过扫描电子显微镜（SEM）对页岩样品微观孔隙特征进行定性分析观察。用Dmax×12kw粉末衍射仪器对页岩样品进行全岩X射线衍射分析（依据行业标准《沉积岩中粘土矿物总量和常见非粘土矿物X射线衍射定量分析方法》（SY/T 6210—1996））。

3 本溪组页岩气地质特征

3.1　本溪组泥页岩有机质特征

3.1.1　有机质丰度和成熟度

研究区本溪组不同层段由于岩性组合较多，泥页岩有机质丰度垂向上变化幅度较大，表现出很强的非均质性［26］。本溪组泥页岩TOC值主要分布在0.18%~8.5%之间，平均值为2.7%，其中湖田段主要发育低TOC值黏土岩或铁铝质泥岩，夹薄层炭质泥岩或煤，不发育厚层富有机质泥页岩，因此本文研究主要针对畔沟段和晋祠段2套富有机质泥页岩。畔沟段TOC值分布在0.34%~5.37%之间，平均值为2.4%；晋祠段泥页岩有机质丰度整体较高，分布在0.18%~8.5%之间，平均值为3.06%。针对不同TOC范围泥页岩样品分布情况，晋祠段有机质丰度明显高于畔沟段［图3（a）］。本溪组整体R O值分布在1.49%~2.07%之间，热演化程度较高，已经进入生气阶段［图3（b）］。研究区本溪组泥页岩有机质丰度整体较高，为富有机质泥页岩，且普遍处于成熟—高成熟阶段，达到有利于页岩气富集的阶段。
图3 本溪组泥页岩实测TOC(a)和R O(b)直方图

Fig.3 Measured TOC(a) and R O(b) histogram of mud shale in Benxi Formation

3.1.2　有机质类型

研究区在石炭系—二叠系主要为海陆过渡相，该相泥页岩的干酪根显微组分在镜下呈现暗黑色调，前人［27-28］证实干酪根（或孢粉）的颜色可用于判别岩石的成熟程度，未熟干酪根颜色浅，伴随外界环境的变化，如埋深、温度和压力的增大，热降解作用进行，干酪根自身发生一系列变化，颜色逐渐加深，且这一过程是不可逆的。干酪根显微组分镜下观测和实验分析结果显示（图4，表1），研究区本溪组泥页岩的干酪根在镜下呈暗色调，说明其具有较高的热演化成熟度，干酪根显微组分中镜质组最发育，其次为惰质组，表明研究区本溪组页岩以腐殖型有机质为主，腐泥组的含量较低。
图4 鄂尔多斯盆地本溪组泥页岩干酪根显微组分

(a)S107井,2 726.94 m,晋祠段,黑色泥岩;(b)Q20井,2 747.93 m,晋祠段,黑色泥岩;(c)Q21井,2 727.4 m,晋祠段,黑色泥岩;(d)野外露头样品,畔沟段,黑色页岩

Fig.4 Kerogen maceral of mud shale in Benxi Formation, Ordos Basin

表1 本溪组泥岩样品干酪根组分分析

Table 1 Analysis of kerogen components of mudstone samples from Benxi Formation

样品编号 岩性 层段 干酪根组分含量/% 次生有机组/% TI 干酪根类型
腐泥组 壳质组 镜质组 惰质组 固体沥青
M69 黑色页岩 晋祠段 0 0 73.2 11.1 15.7 -66 Ⅲ
M72 黑色页岩 晋祠段 0 0 75 10.1 14.9 -66.35 Ⅲ
M109 黑色页岩 晋祠段 1.6 0 72.6 10.4 17 -63.25 Ⅲ
S107 黑色泥岩 晋祠段 0 0 73 12.2 14.8 -66.95 Ⅲ
Q20 灰黑色泥岩 晋祠段 0 0 74.8 10.1 15.1 -66.2 Ⅲ
Q21 黑色页岩 晋祠段 0 0 75.9 10.3 13.8 -67.225 Ⅲ
Q44 黑色页岩 晋祠段 0 0 74.1 11.5 14.4 -67.075 Ⅲ
Q56 黑色页岩 晋祠段 0 0 73.55 11 15.45 -66.1625 Ⅲ
M65 碳质泥岩 晋祠段 0 0 74 11 15 -66.5 Ⅲ
M120 灰黑色页岩 晋祠段 0 0 73 10.8 16.2 -65.55 Ⅲ
M138 黑色页岩 晋祠段 0 0 73.4 10.8 15.8 -65.85 Ⅲ
S30 灰黑色页岩 畔沟段 0 0 74.7 11.9 13.4 -67.925 Ⅲ
S119 灰黑色泥岩 畔沟段 0 0 75.1 10.5 14.4 -66.825 Ⅲ
M109 黑色页岩 畔沟段 0 0 73.4 11.4 15.2 -66.45 Ⅲ
S17 黑色页岩 畔沟段 0 0 73.4 10.8 15.8 -65.85 Ⅲ
Q34 黑色泥岩 畔沟段 0 0 74.04 10.6 15.36 -66.13 Ⅲ
通过干酪根类型指数（ T I）可对本溪组有机质进行定型。
T I = [ a × ( + 100 ) + b × ( + 50 ) + c × ( - 75 ) + d × ( - 100 ) ] / 100
式中：a、b、c、d依次为干酪根中腐泥组、壳质组、镜质组和惰性组的含量。
最终结果显示，Ⅰ型干酪根的TI值大于80；Ⅱ1型干酪根的TI值处于40~80之间；Ⅱ2型干酪根的TI值处于0~40之间；Ⅲ型干酪根的TI值小于0。对本溪组16块泥页岩样品进行分类，结果均为Ⅲ型干酪根（表1），说明畔沟段、晋祠段干酪根类型均主要以Ⅲ型为主，其母质主要来源于高等陆源生物，生气能力相对较强。

3.2　本溪组泥页岩孔隙发育特征

相比于砂岩储层，泥页岩储层的孔隙度一般较小。研究区本溪组泥页岩孔隙度整体较低，样品实测孔隙度处于0.70%~1.77%之间，平均值为1.29%，其中畔沟段孔隙度处于0.70%~1.65%之间，平均值为1.24%；晋祠段孔隙度高于畔沟段，其值介于1.08%~1.74%之间，平均值为1.50%，反映储层较为致密。
氩离子抛光扫描电镜结果表明研究区本溪组泥页岩孔隙主要发育无机孔、有机质孔、微裂缝3类，其中有机质孔发育较少，仅在局部有机质表面可见有机质孔发育，无机孔主要发育脆性矿物边缘孔隙和黏土矿物粒间孔隙。
畔沟段泥岩较为致密，孔径较小，无机孔以黏土矿物层间缝和粒间孔为主，有机质孔并不发育。黏土矿物中发育缝网状或弯曲线状的孔隙，宽度较小，通常为纳米级别，而长度较大，一般为微米级［图5（a）］。研究区内的黄铁矿呈分散状或草莓状集合体存在，晶体与晶体之间存在形状不规则的晶间孔，其孔径大多为纳米级［图5（b）］。
图5 本溪组泥页岩孔隙类型及有机质形态

(a)S17井,2 111.18 m,畔沟段,黏土矿物层间缝和微裂缝;(b)M109井,2 402.47 m,畔沟段,黄铁矿晶间孔;(c)S107井,2 726.94 m,晋祠段,脆性矿物边缘孔隙;(d)M138井,2 823.07 m,晋祠段,溶蚀孔;(e)M138井,2 823.07 m,晋祠段,有机质孔;(f)野外露头样品,晋祠段,有机质孔;(g)Q20井,2 747.93 m,晋祠段,有机质收缩缝;(h)M109井,2 382 m,晋祠段,有机质;(i)Q20井,2 747.93 m,晋祠段,有机质

Fig.5 Pore types and organic matter forms of mud shale in Benxi Formation

晋祠段泥岩有机质收缩缝广泛发育，同时在部分干酪根表面可见有机质孔，无机矿物粒间孔发育情况也相对较好，主要为脆性矿物边缘孔隙和溶蚀孔隙。脆性矿物边缘缝大多在脆性矿物和黏土矿物间发育，因为脆性矿物硬度较高，相对来说不容易破裂，在与其他的黏土矿物接触时会形成不整合接触，两者接触边缘易形成此类孔隙［图5（c）］，脆性矿物边缘缝通常表现为三角形或不规则的多边形；一部分的长石和碳酸盐矿物，生烃过程中形成的有机酸会对其进行溶蚀，进而形成形态不规则的溶蚀孔［图5（d）］［29］；晋祠段泥页岩有机质孔仅在部分有机质表面发育［图5（e）， 图5（f）］，具有明显的非均质性，孔径大小也具有较大差别，数纳米到数百纳米均有分布，形状多样；除此之外，在有机质和矿物的胶结处可看到存在有机质收缩缝［图5（g）］，通常为缝状或不规则状，孔径大小不一。
在研究区本溪组泥页岩中少见有机质孔普遍发育的有机质，绝大多数有机质内部的有机质孔发育程度较低，且即使发育有机质孔，也只是零乱分散于有机质中，分析有机质孔发育差异可能与有机质类型有关。本溪组有机质类型以Ⅲ型（腐殖型）为主，扫描电镜下观察到本溪组泥页岩中存在的有机质大都为条形、碎片状和个体较大的碎屑有机质，有机质边缘相对平直锐利，为典型的腐殖组分形貌特征［图5（h），图5（i）］，这些腐殖碎屑中有机质孔发育很差。相反有机质孔较为发育的有机质则与上述特征不同，有机质边缘圆滑、个体相较小，呈现出类脂组分的外貌特征［图5（f）］。就外貌特征来看，类脂组分有机质更易发育有机质孔，腐殖组分发育有机质孔的能力较差。前人［30-31］认为这与显微组分自身不同的化学结构性质有关，腐殖组分相比于类脂组分来说，其在热演化过程中由于自身结构难以被改变，因此很难大规模发育有机质孔。
吸附脱附曲线回滞环的形状常用来表征页岩孔隙形态结构，典型样品氮气吸附—脱附曲线特征表明，本溪组不同层段的氮气吸附—脱附曲线形态相似，畔沟段和晋祠段孔隙类型均以墨水瓶状孔隙和狭缝型孔隙为主，但不同层段泥页岩样品的吸附脱附曲线略有不同，晋祠段发育大量平行板状孔隙和墨水瓶状孔隙［图6（a）］，而畔沟段孔隙以狭缝型孔隙为主［图6（b）］，孔径较小。其中，晋祠段的最大吸附量明显高于畔沟段。
图6 本溪组泥页岩氮气吸附曲线

(a)晋祠段氮气吸附脱附曲线;(b)畔沟段氮气吸附脱附曲线

Fig.6 Nitrogen adsorption curves of mud shales in the Benxi Formation

由氮气吸附实验结果可知，晋祠段、畔沟段泥页岩平均孔体积分别为0.024 m3/g、0.006 m3/g，比表面积分别为11.05 m2/g、2.73 m2/g，晋祠段的结果均高于畔沟段。国际理论和应用化学联合会（IUPAC）依据孔隙直径大小将孔隙分为微孔（<2 nm）、介孔（2~50 nm）和宏孔（>50 nm）。通过不同孔径孔体积和比表面积分布图可以看出，研究区本溪组不同页岩样品间的孔体积分布特征具有较大差异，总体以介孔提供绝大部分孔体积为主，宏孔次之，微孔提供最少的孔体积［图7（a）］；对于比表面积而言［图7（b）］，介孔提供的比表面积仍最多，但微孔提供比表面积的能力明显强于宏孔，宏孔对比表面积的贡献较小，因此研究区本溪组泥页岩主体孔隙为介孔，其发育情况最好。整体来看，晋祠段不同孔径的孔隙在孔体积和比表面积的贡献上均好于畔沟段。综上所述表明晋祠段富有机质泥页岩较畔沟段孔隙更为发育，具有更好的储集性能，这与上述扫描电镜的定性观察结果较为一致。
图7 泥页岩样品不同孔径孔体积(a)、孔比表面积(b)分布特征

Fig.7 Distribution characteristics of pore volume(a) and pore specific surface areas(b) of the shale samples with different pore sizes

3.3　本溪组泥页岩脆性特征

泥页岩中的脆性矿物分布特征是页岩气勘探评价的重要参数之一。全岩X射线衍射结果显示，晋祠段和畔沟段其矿物组成具有较大差别（图8），畔沟段矿物主要成分为黏土矿物，其含量分布在47%~97.3%之间，平均值可达74%；石英、长石、黄铁矿等作为脆性矿物，含量平均为24%，脆性矿物含量少，说明可压裂性较弱。晋祠段富有机质页岩脆性矿物含量在11.5%~67.1%之间，平均值为45%；黏土矿物含量处于32.3%~88.5%之间，平均值为53%。晋祠段自身脆性矿物含量组成也具有差异，紧邻8#煤层的页岩TOC含量较高，平均值大于6%，为炭质页岩，石英等脆性矿物含量相对较低，对应的脆性矿物指数也较低；而晋祠段中下段页岩TOC值低于炭质页岩，脆性矿物含量相对较高，分布在49.53%~56.2%之间，平均值可达52.7%，说明脆性指数也相对较高，为富有机质硅质页岩（图2）。综上所述表明晋祠段富有机质硅质页岩脆性矿物含量较高，储层的可改造性较大，为页岩气压裂开采有利层段。
图8 泥页岩矿物含量三角图

Fig.8 Triangulation of mineral content in mud shale

4 本溪组页岩气富集规律及有利勘探层系

4.1　本溪组晋祠段和畔沟段泥页岩地质特征对比

本溪组晋祠段和畔沟段泥页岩有机质特征、孔隙特征及矿物特征研究表明，2段泥页岩有机质类型相似，均为Ⅲ型干酪根母质，其他页岩气地质特征方面，晋祠段要明显好于畔沟段。首先，晋祠段的有机质丰度（TOC值平均为3.06%）高于畔沟段（TOC值平均为2.4%），与已经实现页岩气开发的鄂尔多斯盆地东缘海陆过渡相山2段页岩（TOC值平均为5.9%）、川东南海相龙马溪组页岩（TOC值平均为3.2%）以及美国典型海相Barnett页岩（TOC值平均为4.5%）有机质丰度相当；其次，页岩中产生的大量微孔隙和裂缝可作为页岩气的储存空间，扫描电镜及氮气吸附结果表明畔沟段泥岩较致密，孔径较小，发育无机矿物层间缝和晶间孔，而晋祠段孔隙发育较好，发育多种孔隙，包括无机孔和有机质孔，其中无机孔以脆性矿物边缘孔隙为主，晋祠段孔隙度大于畔沟段。微孔与介孔为2段泥页岩孔隙比表面积的主要提供者，页岩气主要以吸附状态存在于<10 nm的页岩孔隙之中，晋祠段泥页岩的孔体积和比表面积均大于畔沟段，因此在储集能力方面晋祠段同样好于畔沟段。在脆性矿物组成方面，晋祠段的脆性矿物含量高于畔沟段，指示了较好的可压裂性，有利于页岩气的压裂开采。
此外，含气量是评价页岩含气性的最重要指标［32］，根据重点井现场取心样品的解吸气测定结果，畔沟段泥页岩实测含气量较低，分布在0.16~0.68 m3/t之间，平均值为0.39 m3/t，相较于畔沟段，晋祠段含多套煤层，煤层含气量高达7.61~10.45 m3/t，由于紧邻煤层，晋祠段泥页岩含气量也相对较高（图2），分布在0.13~2.48 m3/t之间，平均值为1.25 m3/t。如图9所示，TOC值和总含气量有较好的线性正相关关系，决定系数达0.608 5，表明泥页岩的有机碳含量是影响泥页岩总含气量的因素之一。等温吸附曲线图（图10）显示，研究区本溪组泥页岩样品具有较好的吸附性能，在相同温度下，泥页岩中的吸附气量随着压力的增大而增大，晋祠段泥页岩吸附量最大为2.51 m3/t，其值高于畔沟段，说明晋祠段页岩吸附能力比畔沟段强，总体上看晋祠段泥页岩含气性明显好于畔沟段。同时对TOC值和最大吸附量进行相关性分析，发现样品的TOC值越大，其吸附气量越大，二者呈很好的线性正相关关系（图11），相关系数高达0.998 8，表明压力和TOC是影响研究区本溪组泥页岩吸附气含量的重要因素，高有机质丰度主要是通过影响吸附气的含量来主导总含气量。
图9 研究区本溪组泥页岩含气量与TOC相关关系

Fig.9 Correlation between shale gas content and TOC of the Benxi Formation in the study area

图10 研究区本溪组泥页岩样品等温吸附曲线

Fig.10 Isotherm adsorption curve of mud shale samples of the Benxi Formation in the study area

图11 研究区本溪组泥页岩吸附气量与TOC相关关系

Fig.11 Correlation between adsorbed shale gas content and TOC of mud shale in the Benxi Formation in the study area

综合以上本溪组晋祠段和畔沟段泥页岩各项页岩气地质特征对比，明确晋祠段富有机质泥页岩是本溪组勘探的最有利层段。

4.2　本溪组晋祠段页岩气富集规律

4.2.1　潟湖相沉积环境控烃

鄂尔多斯地区早在中奥陶世隆升以来就经历了长期的风化剥蚀，上石炭统本溪组沉积时开始缓慢下沉并重新接受沉积，进入海陆过渡相发展阶段，形成障壁岛—潟湖—潮坪沉积［33-34］。研究区在晋祠段沉积时的面貌跟前期相比并无太大区别，但潟湖相沉积范围相较于前期有所扩大，为本溪组最主要的沉积相类型［23，35-36］，此时期的晋祠段广泛发育潟湖相页岩，这些页岩在稳定低能的环境中沉积下来，较多的有机质在经历了热演化后保留下来，形成有机质丰度较高（一般大于2%）的烃源岩。前人［28］认为烃源岩的有效排烃厚度约为28 m，页岩层段厚度必须超过有效排烃厚度，一般要求页岩层段厚度应大于30 m。研究区本溪组晋祠段潟湖相页岩累积厚度主要分布于5~20 m之间，平均为15 m，厚层页岩（10~20 m）呈条带状分布，分布特征与本溪组泥页岩整体的分布特征相似（图1），由于此段页岩处于2套煤层之间，厚度较大，连续性较好，2套煤层作为顶底板，煤层和页岩地层之间存在的压差起到良好的物性封闭或烃浓度封闭作用，保存条件较好，排烃效率受到抑制，生烃期气体大量滞留于气源岩中。
由于水平井钻井技术和水力压裂、分段压裂等技术的成功应用，美国地质调查局提出，富含有机质（TOC>2%）页岩厚度一般选择15 m为厚度下限［37］。李玉喜等［38］也认为富含有机质的页岩厚度下限为15 m。晋祠段页岩TOC值平均为3.06%，且厚度已达富有机质页岩气层有效厚度下限，具有开采价值。
此外，晋祠段潟湖相页岩顶部的8#煤层在研究区内稳定发育，并具有很好的连续性，为研究区主要气源之一。此段页岩与其他层位页岩相比，具有更优越的气源条件，除了自身具备一定的生烃潜力之外，由于临近煤层，煤层的生烃能力极强，煤层生成的烃类气体在一定的地质条件下有可能运移至薄互层的泥页岩中储集起来，这段页岩气层接受来自煤层气的补给，TOC值和含气量明显高于其他层段，为研究区本溪组页岩气研究的目标层位。

4.2.2　页岩孔隙发育控储

氩离子抛光扫描电镜分析结果表明，研究区晋祠段页岩孔隙类型以无机矿物孔隙为主，有机质孔发育程度相对较低，与鄂尔多斯盆地东缘山2段页岩的孔隙类型及发育特征类似。在扫描电镜观察的基础上，进一步分析氮气吸附实验结果，通过回滞环形态来判断2段页岩样品的主要孔隙类型，发现两者均以狭缝型孔隙和墨水瓶状孔隙为主，在相对压力达到1时，吸附量均较高。对比2段氮气吸附法测得的孔体积和比表面积（表2），晋祠段页岩样品的孔体积平均为0.024 cm3/g，比表面积平均为11.05 m2/g，山2段页岩样品孔体积平均为0.031 7 cm3/g，比表面积平均为31.181 1 m2/g，虽与山2段海相页岩层系孔隙体积相比偏低，但总体上仍具有较好的储集能力。且2段孔隙均以介孔为主，说明晋祠段页岩与具有良好页岩气资源潜力的鄂尔多斯盆地山2段页岩的孔隙微观结构具有一定的相似性。综合对比表明晋祠段具有较好的微观储集空间，吸附聚气能力较强，具有相对较好的储集能力。
表2 不同组泥页岩储层特征

Table 2 Characteristics of mud shale reservoirs in different formations

储层参数 鄂尔多斯盆地东部本溪组晋祠段 鄂尔多斯盆地东缘山2段［39］ 川东南地区龙马溪组［40］ Fort Worth盆地Barnett页岩［41-42］
沉积环境 海陆过渡相 海陆过渡相 海相 海相
有机质含量/% 0.18 ~ 8.5     3.1 ( 40 ) 1.4 ~ 8.88 5.9 ( 21 ) 0.55 ~ 5.89     3.2 ( 8 ) 0.47 ~ 13 4.5
有机质成熟度/% 1.61 ~ 2.08     1.84 ( 17 ) 2.02 ~ 2.36     2.22 ( 10 ) 2 ~ 3     2.5 ( 8 ) 2.25 ~ 2.37 2.25
有机质类型 以Ⅲ型为主 以Ⅱ型和Ⅲ型为主 以Ⅰ型和Ⅱ1型为主 以Ⅱ型为主
孔隙度/% 0.2 ~ 3.3     1.5 ( 8 ) 1.2 ~ 2.7     1.95 ( 6 ) 0.15 ~ 7.98     3.75 ( 8 ) 5 ~6
渗透率/（10-3 μm2） 0.004 ~ 0.143     0.08 ( 8 ) 0.003 ~ 0.298     0.15 ( 6 ) 0.001 ~ 9.749     14.72 ( 8 ) <0.01
孔体积/（m3/g） 0.001 ~ 0.016 0.024 ( 13 ) 0.010 ~ 0.626     0.032 ( 10 ) 0.002 ~ 0.011     0.016 ( 8 ) /
孔比表面积/（m2/g） 0.34 ~ 11.83 11.05 ( 13 ) 4.61 ~ 63.57     31.18 ( 10 ) 0.01 ~ 30.59     20.95 ( 8 ) /
脆性矿物含量% 11.5 ~ 67.1     45 ( 31 ) 23.9 ~ 99.8     61.6 ( 21 ) 50.9 ~ 80.3     62.6 ( 8 ) 6.9 ~ 75     51 ( 20 )
黏土矿物含量/% 32.3 ~ 88.5     53 ( 31 ) 0.7 ~ 73.2     35.4 ( 21 ) 16.6 ~ 49.1     32.6 ( 8 ) 1.9 ~ 36.3     17.3 ( 20 )

注： 0.18 ~ 8.5     3.1 ( 40 )= 最小 值 — 最大 值    平均 值 ( 样品 数 )

4.2.3　成藏有利组合控富

前人研究发现石炭系本溪组畔沟段和晋祠段发育2套相对较大的砂体［18，25］。近年来的勘探成果表明，这2套致密砂岩具有丰富的油气资源，现已获得了商业开发［43-45］，其气源主要来自于上覆地层中的几套煤层，泥页岩和含泥的生物灰岩起到了补充作用［43］。
随着近年来勘探技术的不断提高，其油气勘探结果证明盆地内本溪组泥页岩具有较好的生储页岩气潜力［19］。晋祠段整体连续发育富有机质泥页岩，累计厚度约为15 m，并与多套炭质泥岩和煤层互层发育，有机质丰度和含气量均较高。其中晋祠段页岩气甜点段以8#、9#煤层为顶、底，顶部的8#煤层，有机质含量高、生烃能力强、厚度大、分布范围广，是石炭系主要气源供给之一［46-47］，因此除了甜点段本身气源贡献之外，自身具有更好的气源优势。晋祠段8#、9#煤层之间发育炭质页岩、硅质页岩及砂岩，炭质页岩TOC含量较高，紧邻8#煤层，因此有机质丰度高于硅质页岩。前人［48-49］研究发现，TOC含量与吸附气量和总含气量呈正相关，因此炭质页岩的含气性也相对较高。硅质页岩含有较多的脆性矿物，有助于储集层的压裂。虽发育有砂岩，但其为透镜状砂体，厚度较薄，只能储存少量的气体。由于煤层和页岩地层之间存在压差，致使煤层对储集层起到良好的物性封闭或烃浓度封闭作用，从而达到保存气体的目的［50-51］。煤岩层系和页岩层系中本就存在一些由于构造变动或压力变化而产生的天然裂缝，彼此之间并不相互连通，一部分以游离状态存在的煤层气和页岩气则赋存于这些裂缝之中。在进行压裂时，硅质页岩段将更容易破裂，进而产生大小不一的裂缝，不同层位间孔隙和裂缝由于外力作用也可能会连通，此时作为气源的上方8#煤层和炭质页岩以及下方9#煤层所生成的气则沿着上述裂缝通道发生垂向运移，为邻近储层提供气源，进而通过这些裂缝充注入水平井内，为压裂开采、气源供给提供了有利条件（图2，图12）。
图12 晋祠段甜点段页岩气气源供给示意

Fig.12 Schematic diagram of shale gas source supply in dessert part of the Jinci Member

对比鄂尔多斯盆地东缘山2段甜点段来看，距离最近的5#、6#煤层厚度较薄，分布不及8#、9#煤层稳定，且煤层含气量也整体低于8#+9#煤层［52-53］，岩性组合总体上为砂岩与页岩—煤组合互层发育，这导致山西组页岩或煤生成的天然气会近距离、优先有效地排出到相邻的砂岩中，因此对页岩气甜点段的气源贡献有限。山2 3甜点段上覆厚10~20 m的低TOC值泥页岩，其连续性好，厚度大，作为顶板能够有效地阻挡页岩气散失，下伏发育的致密砂岩则同样具有良好的封堵作用。综合对比表明2段均发育有良好的封盖层，可有效地防止气体逸散。对研究区其他井进行研究分析，发现晋祠段这一独特的岩性组合并不是偶然形成，而是普遍存在于研究区内（图13），则说明这套岩性组合是晋祠段不同于其他层段的优势部分。在这套岩性组合中，煤层含气量大于页岩层含气量，但页岩厚度大于煤层厚度，因此页岩气与煤层气在资源量方面可相互补充，为二者共探共采提供物质基础［54］。同时，煤层与晋祠段页岩存在烃浓度差，为甜点段提供了理想的顶底板，保存条件优越，晋祠段页岩厚度较大，连续性较好，又可作为上覆煤层的底板，为煤层气的保存提供了有利条件，总的资源量较为可观。若能利用同一口井同时进行煤层气和页岩气开采，那么与单一气体开采相比，单井在产气量和开采寿命上应该均会有所提高，也将产生更为可靠的经济效益［55］。
图13 山2 3亚段与晋祠段甜点段岩性组合对比

(a)山2 3亚段岩性组合(据武瑾等[15]修改);(b)M115井晋祠段岩性组合;(c)Q44井晋祠段岩性组合;(d)S360井晋祠段岩性组合

Fig.13 Comparison of lithologic assemblage between the Shan2 3 Sub-member and the Jinci Member

4.2.4　硅质页岩可压裂性控产

通过与鄂尔多斯盆地东缘海陆过渡相山西组、南方海相龙马溪组以及美国典型海相Barnett页岩储层物性特征进行对比（表2），结果显示海陆过渡相的山西组和本溪组页岩的孔隙度均低于海相页岩的孔隙度，其中本溪组的渗透率相对较低，表明本溪组泥页岩储层更为致密，因此采用合理的压裂方式，增加储层的连通性是本溪组页岩气开采的关键。压裂过程中，由于地层自身和外力作用的共同影响，可能形成复杂网状裂缝［56］，对于储层气体的渗流起到很大作用，也就造成了更高的页岩气产能。因此要达到较为理想的压裂效果，提高产能，需对储层的脆性矿物进行研究。石英、碳酸盐矿物等脆性矿物含量越高，可压性越大，在后期压裂开采过程中更容易形成裂缝，有利于页岩气开采。晋祠段的脆性矿物含量处于11.5%~67.1%之间（平均值为45%），对比鄂尔多斯盆地东缘山2段（脆性矿物含量平均值为61.6%）、川东南地区龙马溪组产气层段（脆性矿物含量一般大于62.6%）以及美国Fort Worth盆地Barnett页岩（脆性矿物含量平均值为51%）（图8，表2），结果显示晋祠段页岩与这些地区不同组段页岩的脆性矿物含量较为接近，表明晋祠段具有较好的脆性特征，储层可改造性大，有利于储集层压裂成缝，为气体渗流、运移提供更多通道。

5 结论

（1）研究区本溪组泥页岩TOC值平均为2.7%，R O值平均为1.8%，有机质丰度和热演化程度均较高；有机质类型以Ⅲ型为主；晋祠段具有与大套煤层相邻的炭质页岩，因此TOC值（平均值为3.06%）高于畔沟段（平均值为2.4%）。
（2）研究区本溪组泥页岩发育微纳米级孔隙，孔隙类型以无机孔为主，部分有机质可见有机质孔，结合氮气吸附实验结果来看，晋祠段吸附量高于畔沟段，储集空间主要由微孔和介孔提供，总体上晋祠段孔隙发育优于畔沟段。
（3）研究区本溪组矿物成分主要为石英、黏土矿物以及少量的碳酸盐矿物和黄铁矿等，整体脆性矿物含量较高，晋祠段相比于畔沟段含有更多的脆性矿物，有利于后期储集层的压裂改造。
（4）鄂尔多斯盆地东部本溪组晋祠段潟湖相富有机质泥页岩累积厚度较大，分布范围广，有机质孔发育、储集性能较好，含气性也相对较高，同时具有独特的岩性组合，是本溪组独特的页岩气富集机制，富含脆性矿物，有利于生聚气和后期压裂开采，因此晋祠段是本溪组页岩气勘探的最有利层段。

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