Natural Gas Geoscience >

2024 , Vol. 35 >Issue 12: 2196 - 2214

DOI: https://doi.org/10.11764/j.issn.1672-1926.2024.06.001

Reservoir characteristics and exploration potential evaluation of Zhaoxian shale in Benxi Formation， Hengshan⁃Wupu area， Ordos Basin

  • Kangle WANG , 1, 2 ,
  • Liangliang YIN 1, 2 ,
  • Jiayao SONG 1, 2 ,
  • Qin ZHANG , 3, 4 ,
  • Wenchao PEI 1, 2 ,
  • Yanjun MENG 5 ,
  • Wanli GAO 3, 4 ,
  • Xinyu ZHANG 5 ,
  • Zhen QIU 3, 4
Expand
  • 1. National Engineering Laboratory for Exploration and Development of Low⁃Permeability Oil & Gas Fields，Xi'an 710018，China
  • 2. Research Institute of Exploration and Development，PetroChina Changqing Oilfield Company，Xi'an 710018，China
  • 3. PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration and Development，Beijing 100083，China
  • 4. National Energy Shale Gas R & D （Experiment） Centre，Langfang 065007，China
  • 5. College of Mining Engineering，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China

Received date: 2024-03-31

  Revised date: 2024-06-03

  Online published: 2024-06-21

Supported by

The PetroChina Changqing Oilfield Company Science and Technology Project(2023DJ0107)

the China National Science and Technology Major Projects(2016ZX05065)

Fold

Abstract

Significant breakthroughs have been made in the exploration of marine-continental transitional shale gas in the eastern Ordos Basin， but the related research obviously lags behind that of marine shale gas. Taking the Zhaoxian shale samples from Benxi Formation in Hengshan-Wupu area in the eastern Ordos Basin as the research object， the characteristics of the Zhaoxian shale reservoir in the area were comprehensively characterized by comprehensive experiments such as vitrinite reflectance， total organic carbon（TOC）， thin section， scanning electron microscopy （SEM）， X-ray whole rock diffraction （XRD）， pore permeability， low-temperature liquid nitrogen adsorption， methane isothermal adsorption， gas content and mechanical properties tests in this paper. The effects of pore structure parameters and TOC content on the adsorption capacity of shale were discussed， and the exploration potential of the Zhaoxian shale in the study area was finally comprehensively analyzed. The results show that： （1） Zhaoxian shale in the study area is a typical marine-continental transitional shale， with complex rock and mineral composition， high clay minerals and felsic minerals， with an average proportion of 47.4% and 36.4%， respectively； （2） The organic matter types of Zhaoxian shale are mainly Types I2 and III kerogen， with high maturity and an average organic matter content of 5.30%. The organic-rich shale accounts for a relatively high proportion and has strong gas generation capacity. （3） Micro-nano scale fractures and pores are developed in Zhaoxian shale， and micro-fractures are developed in both organic matter and inorganic minerals， with fracture widths ranging from 0.01 to 1 μm. The pore types of liquid nitrogen adsorption were mainly narrow pores， with an average pore size of 13.67 nm，an average specific surface area of 6.56 m2/g， and an average total pore volume of 0.0176 cm3/g. BET specific surface area is positively correlated with the fractal dimension of pore structure， and negatively correlated with the average pore size. （4） The pore permeability of Zhaoxian shale is low， with an average Langmuir volume of 3.14 cm3/g， an average gas content of 1.52 cm3/g， an average brittleness index of 0.526， an average Young's modulus of 40.88 GPa， and an average Poisson's ratio of 0.22. （5） The Zhaoxian shale reservoir conditions in the study area are generally comparable to Shan 2 Member in Daning–Jixian area， with superior resource conditions， good transformability， and large shale gas exploration potential.

Key words： Reservoir characteristics; Pore structure; Benxi Formation; Zhaoxian shale; Exploration potential; Hengshan–Wupu area

Cite this article

Kangle WANG , Liangliang YIN , Jiayao SONG , Qin ZHANG , Wenchao PEI , Yanjun MENG , Wanli GAO , Xinyu ZHANG , Zhen QIU . Reservoir characteristics and exploration potential evaluation of Zhaoxian shale in Benxi Formation， Hengshan⁃Wupu area， Ordos Basin[J]. Natural Gas Geoscience, 2024 , 35(12) : 2196 -2214 . DOI: 10.11764/j.issn.1672-1926.2024.06.001

0 引言

海陆过渡相页岩气是我国页岩气勘探开发的重要接替领域［1］。鄂尔多斯盆地东缘鄂页1井、云页平1井、大吉51井等均在海陆过渡相页岩储层获得工业气流，展现出良好的勘探开发前景［2-4］。近年来，陆续有学者对鄂尔多斯盆地海陆过渡相页岩气成藏条件和勘探前景进行了初步研究［5-9］。然而，前人关于鄂尔多斯盆地东部上古生界海陆过渡相页岩储层的研究主要集中在下二叠统山西组，而针对石炭系本溪组的研究较少。
近几年，中国石油长庆油田公司针对鄂尔多斯盆地本溪组页岩气成藏条件及勘探潜力开展了基础评价研究［10］。研究区横山—吴堡地区位于鄂尔多斯盆地中东部，本溪组页岩气资源丰富，但勘探研究程度极低。该地区本溪组页岩自上而下分布在晋祠段（中国石油长庆油田公司称为“招贤页岩”）、畔沟段和湖田段。本溪组海陆过渡相页岩储层具有低孔低渗、非均质性强、黏土矿物含量高和孔隙结构复杂等特征，给页岩气勘探开发造成极大挑战［11-14］。张立文等［15］研究了鄂尔多斯盆地东部石炭系本溪组泥页岩地球化学特征，探讨沉积相类型对泥页岩发育的控制作用。宋焕新等［16］研究了鄂尔多斯盆地东缘柳林—子洲地区本溪组富有机质泥页岩发育影响因素与发育模式。崔晨光等［17］以山西临县招贤剖面和M115井为例，初步研究了鄂尔多斯盆地东部本溪组一段泥页岩（招贤页岩）的元素地球化学特征。席颖洋等［18］基于研究区2口探井本溪组页岩测试资料分析，认为招贤页岩为本溪组页岩气最有利层段。由此可见，前人仅依据野外露头和少量探井样品测试资料，针对研究区招贤页岩开展了初步基础评价研究，远远无法满足进一步勘探开发的需求。因此，本文研究基于鄂尔多斯盆地东部横山—吴堡地区多口钻井的岩心样品，通过岩石薄片鉴定、全岩X射线衍射分析、有机地球化学、孔渗测试、扫描电镜、低温液氮吸附、甲烷等温吸附、含气量及力学性质等测试，对研究区本溪组招贤页岩储层开展了系统性表征评价研究，并综合分析了其页岩气勘探潜力，以期为研究区本溪组海陆过渡相页岩进一步勘探开发过程中的有利区优选及开发策略提供指导依据。

1 区域地质概况

鄂尔多斯盆地位于华北克拉通的西缘，按现今构造可划分为6个一级构造单元，包括盆地的主体伊陕斜坡、盆地东缘的晋西挠褶带、西部的天环坳陷和西缘冲断带、盆地北部的伊盟隆起及盆地南部的渭北隆起。研究区横山—吴堡地区位于陕西省横山、米脂、吴堡和清涧一带，面积为19 322 km2。构造位置上位于鄂尔多斯盆地东部伊陕斜坡中东部，总体表现为向西倾的大单斜构造，地层倾角小于1°。其区域构造位置如图1（a）所示。
图1 鄂尔多斯盆地横山—吴堡地区位置及本溪组地层柱状图

（a）研究区位置；（b）绥平1井本溪组地层柱状图；（c）米115井本溪组地层柱状图

Fig.1 Location of Hengshan-Wupu area in Ordos Basin and stratigraphic column of Benxi Formation

横山—吴堡地区上古生界地层包括石炭系—二叠系本溪组、太原组、山西组、下石盒子组、上石盒子组和石千峰组。其中主要含煤地层为石炭系本溪组、二叠系太原组和山西组。太原组区域内广泛发育多层灰岩，煤层比较发育。山西组主要以陆相沉积为主，发育中细粒—粉细粒砂岩三角洲含煤地层，以及砂质泥岩和砂岩组成的曲流河沉积。本溪组为上古生界第一套含煤碎屑沉积地层，底部为风化壳的铁铝土岩（湖田段），上部是一套海陆过渡相的沉积岩（畔沟段和晋祠段），岩性为灰黑色—灰色泥岩、粉砂岩、细砂岩，中间夹有薄煤层或煤线，局部地区可见灰岩透镜体［18］。研究区典型探井本溪组地层柱状图如图1（b）、图1（c）所示。其中，本溪组晋祠段8#煤层下部的招贤页岩在研究区广泛发育（图2）。据前人研究表明，本溪组晋祠段发育高TOC页岩段，富有机质页岩纵向上连续分布，具备较好的页岩气物质基础。招贤页岩段有机质页岩具备良好的岩性组合特征，其以8#煤为顶，夹9#煤及多层富有机质泥页岩层段，有利于聚气富集［17-18］。
图2 鄂尔多斯盆地横山—吴堡地区本溪组地层连井剖面

（a）研究区本溪组地层连井剖面（东西向）；（b）研究区本溪组地层连井剖面（南北向）

Fig.2 Well profile of Benxi Formation in Hengshan-Wupu area in Ordos Basin

2 样品与实验方法

2.1　实验样品

本文研究针对性地采集了鄂尔多斯盆地横山—吴堡地区13口井（图3），80余件岩心样品。采集样品层段集中于本溪组招贤页岩段，采样井在研究区各处均有分布。页岩采集样品包括黑色炭质页岩、黑色炭质泥岩、灰黑色粉砂质泥岩、灰黑色含灰炭质泥岩、褐色菱铁矿质泥岩等。
图3 鄂尔多斯盆地横山—吴堡地区本溪组埋深及采样点

Fig.3 Buried depth of Hengshan-Wupu area in Ordos Basin and samping points of Benxi Formation

研究区米115井本溪组深度在2 087.0~2 136.2 m之间，厚约49 m，构造上位于鄂尔多斯盆地伊陕斜坡东部（图4）。米115井晋祠段发育完整，厚约24.0 m。晋祠段底部发育晋祠砂岩，晋祠砂岩之上发育砂—泥叠置地层，中间夹杂9#煤及薄层灰岩，顶部为8#煤。该井招贤页岩发育较好，厚度达10.3 m，部分页岩样品可见植物化石，部分页岩样品裂缝中充填黄铁矿晶体。吴家峪灰岩及西铭砂岩在该井处也有发育，但厚度较薄。
图4 M115地层综合柱状图

Fig.4 Comprehensive stratigraphic column of Well M115

2.2　实验方法

本文研究针对鄂尔多斯盆地东部横山—吴堡地区探井的本溪组晋祠段招贤页岩，开展了样品观察、描述和测试研究。对所采样品开展了全岩及黏土矿物分析、总有机碳分析及低温氮气吸附/脱附、铸体薄片鉴定、扫描电镜分析、孔渗分析等实验测试，分析了本溪组招贤页岩储层岩性、地球化学、物性和吸附性特征，并结合现场取心样品的含气量测试数据，评价了本溪组招贤页岩的勘探潜力。
各项实验测试均在中国石油天然气股份有限公司勘探开发研究院非常规油气重点实验室开展。总有机碳含量采用Leco碳硫测定仪，测试遵照国家标准《沉积岩中总有机碳的测定》（GB/T 19145—2003）执行；X射线衍射样品制备、全岩及黏土矿物分析采用RINT-TTR3型X射线衍射仪，测试遵照行业标准《沉积岩中黏土矿物和常见非黏土矿物X射线衍射分析方法》（SY/T 5163—2010）执行；低温氮气吸附/脱附实验采用Micromeritics ASAP2420 比表面测定仪，测试遵照行业标准《岩石比表面和孔径分布测定：静态氮吸附容量法》（SY/T 6154—1995）执行；铸体薄片鉴定采用奥林巴斯偏光显微镜SY04，遵照行业标准《岩石薄片鉴定》（SY/T 5368—2000）执行；孔渗分析采用氦测孔隙度和脉冲渗透率测定方法，遵照国家标准《页岩氦气法孔隙度和脉冲衰减法渗透率的测定》（GB/T 34533—2017）执行。

3 招贤页岩储层地质特征

3.1　岩石学与矿物学特征

研究区本溪组招贤页岩为典型海陆过渡相页岩，岩矿组成复杂，多种岩性频繁叠置，横向变化较快。岩性主要为黑色炭质页岩、黑色炭质泥岩、灰黑色粉砂质泥岩、灰黑色含灰炭质泥岩、褐色菱铁矿质泥岩等，整体上普遍夹纹层状粉砂岩。
炭质页岩［图5（a），图5（b）］具水平纹层构造，富有机质粒度较细的暗层与含有机质粒度较粗的亮层呈互层状分布；砂质成分主要为石英和绿泥石碎屑；石英砂多富集呈透镜状，透镜体多顺长轴呈定向分布；黄铁矿呈细粒状或粉末状，分散分布；有机质呈线纹状顺层分布；局部发育微裂缝［图6（a），图6（b）］。
图5 本溪组晋祠段岩心照片

（a）Q36井，2 812.93 m，炭质页岩；（b）Q36井，2 815.82 m，炭质页岩；（c）Y182井，2 478.68 m，炭质泥岩；（d）M109井，2 404.45 m，粉砂质页岩；（e）SP1井，2 567.26 m，含灰炭质泥岩；（f）SP1井，2 587.56 m，菱铁矿质泥岩

Fig.5 Photos of rock of Jinci Member of Benxi Formation

图6 本溪组招贤页岩岩石薄片鉴定照片

（a）Q20井，2 747.93 m，炭质页岩；（b）M109井，2 382.92 m，炭质页岩；（c）Q36井，2 812.89 m，炭质泥岩；（d）Y182井，2 478.14 m，粉砂质页岩；（e）SP1井，2 567.26 m，含灰炭质泥岩；（f）SP1井，2 587.56 m，菱铁矿质泥岩

Fig.6 Photos of rock thin-section identification of Zhaoxian shale in Benxi Formation

炭质泥岩［图5（c）］具有黏土结构，纹层基本不发育。黏土矿物呈隐晶状，混杂炭质，色暗。长英质碎屑颗粒呈次圆状，零星分布。方解石以亮晶为主，呈团块状，零星分布。云母呈鳞片状，零星分布。岩片中发育数条裂缝，裂缝内硅质充填［图6（c）］。
粉砂质泥岩［图5（d）］具有粉砂质黏土结构，纹层构造，可见纹层发育。可见数条液化粉砂岩脉。岩片中主要为黏土矿物，其次为长英质碎屑颗粒，以及少许云母和不透明矿物等。黏土矿物呈隐晶状、鳞片状，混杂少许黑色有机质，色暗。长英质碎屑颗粒呈次圆—次棱角状。云母呈鳞片状，零星分布。液化粉砂岩脉呈弯曲状，以长英质碎屑颗粒为主，其次为黏土矿物，含少许不透明矿物等［图6（d）］。
含灰炭质泥岩［图5（e）］主要由炭质及方解石组成的生物碎屑组成，少部分泥质和砂质，微层理构造；泥质与炭质较均匀混杂，生屑主要为介形类及棘皮类、腕足类、双壳类等，定向分布；少量石英、长石等粉砂分布不均；少量方解石条纹、条带定向分布，少量斑状、条带状黄铁矿［图6（e）］。
菱铁矿质泥岩［图5（f）］主要由泥质、菱铁矿组成；泥质主要为高岭石，见自生高岭石局部聚集；菱镁矿多呈放射状、单晶鲕状，边缘常见黄铁矿分布，较大的栉壳状菱铁矿伴生自生高岭石和少量白云石；炭质多呈尘屑状，少量铁质［图6（f）］。
研究区21件页岩全岩X射线衍射实验结果表明，海陆过渡相招贤页岩矿物成分复杂，含石英、钾长石、斜长石、方解石、文石、菱铁矿、黄铁矿和黏土矿物等。页岩石英含量介于0~65.6%之间，平均为35.6%；长石（钾长石+斜长石）含量介于0~3.0%之间，平均为0.81%；碳酸盐矿物（方解石+文石）含量介于0~14.2%之间，平均为2.23%；黏土矿物含量介于13.8%~65.4%之间，平均为47.42%；铁矿石（黄铁矿+赤铁矿）含量介于0~27.0%之间，平均为7.0%。总体上，横山—吴堡地区本溪组晋祠段招贤页岩以黏土矿物为主，其次是长英质矿物（图7）。
图7 本溪组招贤页岩矿物成分特征

Fig.7 Column diagram of main mineral composition distribution of Zhaoxian shale in Benxi Formation

3.2　有机质特征

3.2.1　有机质丰度

有机质丰度是指烃源岩中有机质的相对含量。页岩中的有机质不仅直接决定了页岩的生烃量，其较强的吸附能力直接影响页岩的吸附性能。图8显示研究区页岩的TOC含量介于0.397%~19.1%之间，均值为5.30%。在页岩气勘探中，常以TOC含量2%和4%为界，划分低、中、高有机质页岩。研究区本溪组晋祠段招贤页岩以中、高有机质页岩为主。
图8 本溪组招贤页岩TOC分布直方图

Fig.8 Column diagram of TOC distribution of Zhaoxian shale in Benxi Formation

3.2.2　有机质类型

研究区本溪组晋祠段干酪根显微组分样品鉴定及类型分析显示（图9），研究区本溪组晋祠段招贤页岩干酪根显微组分以惰性组和腐泥组为主，还含有少量镜质体。TI类型指数分布介于-87~69.3之间，显示有机质类型以Ⅱ2型和Ⅲ型为主（表1）。
图9 研究区本溪组招贤页岩有机显微组分照片

(a) M115井，2 099.48 m，透射光下见大量黑色块状惰质体（B），少量棕褐—褐黑色块状镜质体（C）和棕色分散状腐泥组分（A），透射光，干酪根类型为Ⅲ型;(b) M115井，2 099.48 m，本溪组，含炭质泥岩，蓝光激发下所有有机组分均不发荧光，反射荧光（蓝光激发），干酪根类型为Ⅲ型; (c) M115井，2 102.20 m，透射光下见大量棕色絮状散状腐泥组分（A），少量黑色块状惰质体（B），透射光，干酪根类型为Ⅱ1型;(d) M115井，2 102.20 m，粉砂质泥岩，蓝光激发下所有有机组分均不发荧光，反射荧光(蓝光激发)，干酪根类型为Ⅱ1型

Fig.9 Organic maceral photos of Zhaoxian shale of Benxi Formation in the study area

表1 本溪组招贤页岩干酪根显微组分及类型划分

Table 1 The kerogen macerals and type division of Zhaoxian shale in Benxi Formation

序号 样品编号 层位 深度/m 腐泥无定形/% 正常镜质体/% 惰性组/% 类型指数 类型
1 M115-43 晋祠段 2 097.1 5 12 83 -87 III
2 M115-44 晋祠段 2 099.48 8 20 72 -79 III
3 M115-45 晋祠段 2 102.2 70 1 29 40.25 Ⅱ1
4 M115-48 晋祠段 2 109.3 67 2 31 34.5 II2
5 M115-50 晋祠段 2 116.17 68 3 29 36.75 II2
6 SP1-36 晋祠段 2 561.58 15 3 82 69.3 III
7 SP1-40 晋祠段 2 575.18 62 6 32 25.5 II2
8 SP1-44 晋祠段 2 579.55 63 10 27 28.5 II2

3.2.3　有机质成熟度

有机质成熟度是评价富有机质页岩生气能力的关键指数之一。研究区16件样品的干酪根镜质体反射率测定结果显示，研究区招贤页岩成熟度较高，R O值介于1.60%~2.41%之间，平均值为1.95%（图10）。根据泥岩烃源岩有机质热演化成熟度评价标准，泥页岩热演化程度总体较高，基本上处于成熟—高成熟阶段，已经进入形成生气阶段，个别样品则已达到过成熟阶段。
图10 研究区招贤页岩R O均值分布

Fig.10 Mean value distributing of R O Zhaoxian shale in the study area

3.3　储层物性及孔隙特征

3.3.1　孔隙度和渗透率

页岩孔隙度和渗透率是控制页岩游离气储集空间及气体渗流能力的关键因素。由于页岩储层具有细粒结构和复杂的孔隙系统，因此其孔隙度与渗透率通常非常低。常用的页岩孔隙度测定方法主要包括氦测法、压汞法和核磁共振法，渗透率测定法主要为脉冲衰减法。
页岩氦测孔隙度结果（表2）显示，研究区本溪组招贤页岩样品的实测孔隙度介于0.07%~5.09%之间，平均为1.51%。从氦测孔隙度值来看，研究区本溪组页岩均属于低孔致密储层，孔隙度明显低于北美含气页岩的平均值7%。脉冲衰减法测得的页岩渗透率结果显示，研究区本溪组招贤页岩样品的脉冲渗透率介于（0.000 4~0.262）×10-3 μm2之间，平均为0.073 7×10-3 μm2，表明研究区本溪组页岩属于低渗致密储层。综合来看，与鄂尔多斯盆地东缘临兴地区和大宁—吉县地区上古生界山2段海陆过渡相页岩较为类似，横山—吴堡地区本溪组招贤页岩孔隙度整体较低，因此，该地区页岩气开发过程中需要依靠大规模压裂改造作业来提高渗透率。
表2 本溪组招贤页岩氦测孔隙度及脉冲渗透率测试结果

Table 2 Measured results of Helium porosity and pulse-decay permeability of Zhaoxian shale in Benxi Formation

序号 样品编号 层位 深度/m 氦测孔隙度/% 脉冲渗透率/（10-3 μm2）
平均值 1.51 0.073 7
1 SP1-33 晋祠段 2 550.45 5.09 0.070 8
2 SP1-37 晋祠段 2 565.30 0.64 0.108 3
3 SP1-H48 晋祠段 2 559.30 2.63 0.000 4
4 M115-41 晋祠段 2 093.59 0.72 0.003 3
5 M115-42 晋祠段 2 095.00 0.07 0.235 7
6 M115-43 晋祠段 2 097.10 1.64 0.007 1
7 M115-44 晋祠段 2 099.48 2.24 0.261 8
8 M109-1 晋祠段 2 382.00 0.17 0.029 0
9 Q20-1 晋祠段 2 747.93 1.11 0.019 0
10 Q20-2 晋祠段 2 760.64 0.8 0.001 9

3.3.2　储集空间特征

页岩内部的裂隙和孔隙空间是页岩气重要的储集空间。岩石薄片光学显微镜照片及氩离子抛光场发射扫描电镜照片分析结果显示，横山—吴堡地区本溪组招贤页岩中发育微纳米级裂缝和孔隙。微裂隙在页岩有机质和无机矿物中均有发育，裂缝缝宽主要集中在0.01~1 μm之间，裂隙面形态多样且大多未被裂隙充填。有机质内部收缩缝普遍发育，呈似铁索状［图11（a）］、锯齿状［图11（b）］、平行状［图11（c）］；在有机质与无机矿物的结合处，可见锯齿状微裂缝［图11（b），图11（c）］；无机矿物内部也可见明显的放射状和层状微裂缝［图11（b），图11（d）］。
图11 本溪组招贤页岩微观孔裂隙扫描电镜照片

（a）M115井，2 097.10 m，有机质收缩缝；（b）M115井，2 097.10 m，锯齿状、放射状微裂缝；（c）M115井，2 102.20 m，植物组织孔、平行状有机质微裂缝；（d）M115井，2 102.20 m，有机质内部草莓状和多边形状黄铁矿；（e）M115井，2 097.10 m，有机质气孔；（f）M115井，2 102.20 m，有机质和无机矿物破裂孔

Fig.11 Scanning electron microscope photos of microscopic pores and fissures of Zhaoxian shale in Benxi Formation

按照LOUCKS等［19］的分类方案，本溪组招贤页岩孔隙可分为有机质孔和矿物质孔，其中矿物质孔包括粒间孔、晶间孔、粒内孔和溶蚀孔等。有机质孔多为有机组分生烃热演化而形成的气孔，相对发育于富有机质泥页岩中的块状有机质［图11（e），图11（f）］。有机质内部包裹着少量草莓状和大量多边形状黄铁矿，黄铁矿颗粒间有大量溶蚀孔隙［图11（d）］。局部有机质内部可见植物组织孔［图11（c）］，有机质和无机矿物内部和边缘均存在破裂孔隙［图11（c），图11（f）］。

3.3.3　孔隙结构特征

孔隙结构特征及控制因素研究是海陆过渡相页岩气储层评价的核心内容之一，对页岩气赋存规律、解吸—扩散—渗流过程及储层改造措施都有重要影响［20］。前人研究表明，页岩孔径普遍较小，由于低温液氮法可测的孔径主要为1.7~300 nm，因此本文研究采用低温液氮吸附实验来表征其孔隙结构特征。储层孔隙的复杂程度和形貌特征均可以通过氮气吸附—脱附曲线表征［20］。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，而液氮吸附数据得到的孔隙结构分形维数则可以反映孔隙结构的复杂程度［21］。
根据国际理论化学与应用化学协会（IUPAC）的分类方案，研究区本溪组招贤页岩样品的N2吸附等温线属于Ⅱ型。典型页岩样品氮气吸附—脱附曲线特征（图12）表明，招贤页岩孔隙类型均以平行板状的狭缝型和楔形孔为主，孔隙主要由黏土矿物提供，这与扫描电镜镜下认识相同（图13）。
图12 本溪组招贤页岩典型液氮吸附脱附曲线

（a）SP1井吸附脱附曲线；（b）M115井吸附脱附曲线

Fig.12 Typical liquid nitrogen adsorption desorption curve of Zhaoxian shale in Benxi Formation

图13 本溪组招贤页岩微观孔隙镜下结构特征

（a）麒36井，2 812.00 m，黏土矿物为主，含少量煤屑；（b）麒36井，2 812.00 m，图（a）的局部放大，黏土矿物层间孔隙，据能谱判断，成分以高岭石为主；（c）麒36井，2 812.875 m，黏土矿物为主，晶形较差，含少量煤屑；（d）麒36井，2 812.875 m，图（c）的局部放大，黏土矿物层间孔隙；（e）麒36井，2 813.90 m，泥质为主，含少量石英；（f）麒36井，2 813.90 m，图（e）的局部放大，伊盟混层，黏土矿物孔隙；（g）麒36井，2 822.75 m，泥质矿物为主，多见黄铁矿；（h）麒36井，2 822.75 m，图（g）的局部放大，层状分布的黏土矿物集合体

Fig.13 Scanning electron microscope photos of microscopic pore structure of Zhaoxian shale in Benxi Formation

利用页岩低温氮吸附数据可以计算页岩的孔径分布、比表面积和孔体积，其中孔径和孔体积分布采用BJH方程计算，比表面积采用BET方程计算。15块页岩样品的液氮测试结果（表3）表明，招贤页岩平均孔隙直径介于9.58~20.39 nm之间，平均为13.67 nm，比表面积介于0.32~13.92 m2/g之间，平均为6.56 m2/g，总孔隙体积介于0.001 6~0.026 cm3/g之间，平均为0.017 6 cm3/g。依据国际理论和应用化学联合会（IUPAC）标准［22］，多孔介质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）。由此可见，招贤页岩中直径约为10~20 nm的介孔占主导，对比表面贡献大。
表3 本溪组招贤页岩低温液氮吸附测试参数

Table 3 Low-temperature nitrogen adsorption test parameters of Zhaoxian shale in Benxi Formation

序号 样品编号 层位 深度/m BET比表面/（m2/g） BJH总孔体积/（mL/g） 平均孔直径/nm 分形维数（D）
平均 6.56 0.017 5 13.66 2.609
1 M115-43 晋祠段 2 097.01 3.81 0.016 6 18.42 2.554
2 M115-44 晋祠段 2 099.48 0.32 0.001 6 20.39 2.497
3 M115-45 晋祠段 2 102.20 4.44 0.015 9 14.48 2.566
4 M115-47 晋祠段 2 107.17 3.34 0.015 2 16.48 2.505
5 M115-49 晋祠段 2 112.86 5.05 0.017 2 13.79 2.591
6 M115-50 晋祠段 2 116.17 3.94 0.015 9 15.74 2.549
7 M115-51 晋祠段 2 119.01 8.81 0.024 3 12.48 2.628
8 M115-55 晋祠段 2 130.42 6.11 0.016 8 11.34 2.629
9 M115-56 晋祠段 2 133.26 3.56 0.015 5 16.20 2.529
10 SP1-35 晋祠段 2 559.30 9.69 0.022 7 11.17 2.661
11 SP1-37 晋祠段 2 565.30 6.08 0.016 1 11.72 2.651
12 SP1-40 晋祠段 2 575.50 13.73 0.022 1 11.49 2.741
13 SP1-41 晋祠段 2 579.80 5.70 0.015 5 11.96 2.647
14 SP1-44 晋祠段 2 589.59 13.92 0.026 3 9.58 2.708
15 SP1-45 晋祠段 2 600.55 9.83 0.020 9 9.69 2.681

3.3.4　储层发育控制因素

目前，国内外学者通常采用分形维数来定量表征页岩孔隙形态结构的非均质性［23-26］。通过页岩低温氮吸附数据计算页岩微小孔隙分形维数的方法，主要有分形BET模型（Brunauer-Emmett-Teller Model）、分形FHH模型（Frenkel-Halsey-Hill Model）、分形Langmuir模型和热力学模型等，其中分形FHH模型是应用较多的计算模型。分形维数通常介于2~3之间，当分形维数数值接近2时，表明固体表面为绝对光滑和均质；而当分形维数数值接近3时，反映孔隙结构复杂，孔表面极度不规则，非均质性强。运用FHH模型，分形维数计算方法如公式（1）和（2）所示［27］。15块页岩样品的液氮测试分形维数计算结果如表2所示。
LnV = KLn[Ln(P 0/P)]+C
D= K+3
式中：V为不同相对压力（P/P 0）下吸附气体体积，cm3/g；P 0为气体饱和蒸气压，MPa；K为直线斜率，无量纲；C为常数，无量纲；D为分形维数，无量纲。
研究区招贤页岩液氮BET比表面积与孔隙结构分形维数呈明显的正相关关系（图14），而与平均孔径呈明显负相关关系（图15）。招贤页岩比表面积越大，平均孔径越小，其孔隙内表面越粗糙、孔隙结构越复杂。研究区招贤页岩孔体积与比表面积也具有很好的正相关关系，页岩比表面积越大，孔体积也越大（图16）。招贤页岩较高的比表面积和孔隙体积与页岩中微纳米孔隙广泛发育的有机质和黏土矿物有关。较大的比表面积为页岩吸附天然气提供了场所，较高的孔隙体积有利于页岩游离气储集。
图14 本溪组招贤页岩低温液氮吸附比表面积与分形维数（D）关系

Fig.14 The relation figure between low-temperature nitrogen specific surface area and fractal dimension of Zhaoxian shale in Benxi Formation

图15 本溪组招贤页岩低温液氮吸附平均孔径与分形维数（D）关系

Fig.15 The relation figure between low-temperature nitrogen average pore size and fractal dimension of Zhaoxian shale in Benxi Formation

图16 本溪组招贤页岩低温液氮吸附比表面积与总孔体积关系

Fig.16 The relation figure between low-temperature nitrogen specific surface area and total pore volume of Zhaoxian shale in Benxi Formation

有机碳含量与矿物组分是影响页岩孔隙发育的重要控制因素。对液氮吸附法得到的BET比表面积、BJH孔容、孔径与页岩不同组分进行相关性分析（图17）。其中，黏土矿物含量与BET、BJH呈弱正相关，这是由于黏土矿物中大量发育伊/蒙混层和高岭石，两者均为孔隙发育程度较高的成分。页岩中脆性矿物含量与页岩BET比表面积和BJH孔容呈显著负相关，与孔径相关性较差。
图17 本溪组招贤页岩储层发育控制因素分析

Fig.17 The analysis of controlling factors of reservoir development of Zhaoxian shale in Benxi Formation

研究区页岩样品中石英大量发育，石英中孔隙发育程度较弱。页岩中石英含量增高，其黏土矿物成分下降，孔隙发育能力随之下降，因此脆性矿物和石英均与页岩孔隙发育呈负相关。有机碳含量与页岩BET比表面积及BJH孔容呈弱正相关。说明有机质孔在介孔少量发育，对页岩孔隙发育贡献较小。

3.4　吸附性与含气性特征

3.4.1　吸附性特征

页岩气是典型的自生自储式非常规天然气，主要以吸附气和游离气赋存于页岩纳米级孔隙中，页岩等温吸附特征对吸附气含量的评估至关重要。研究区11件不同TOC含量页岩甲烷等温吸附实验表明：根据国际理论化学与应用化学协会（IUPAC）的分类方案，招贤页岩甲烷等温吸附曲线表现出I型等温线特征。随着压力增加，页岩吸附量逐渐增大；当压力增加到一定程度，吸附量趋于稳定，吸附量随压力的变化符合Langmuir规律。
研究区招贤页岩甲烷等温吸附兰氏体积介于1.04~7.33 cm3/g之间，平均为3.14 cm3/g；兰氏压力介于1.67~4.34 MPa之间，平均为2.95 MPa。招贤页岩兰氏体积与TOC含量呈正相关关系（图18），说明有机质是页岩吸附的主控因素。页岩兰氏压力与TOC呈负相关关系（图19），TOC含量越高，兰氏压力越小，有机质含量高的页岩甲烷亲和力更强，低压下吸附越容易。
图18 招贤页岩兰氏体积与TOC含量关系

Fig.18 The relation figure between Langmuir volume and TOC content of Zhaoxian shale

图19 招贤页岩兰氏压力与TOC含量关系

Fig.19 The relation figure between Langmuir pressure and TOC content of Zhaoxian shale

3.4.2　含气性特征

页岩含气量是页岩气勘探开发的重要参数，可为页岩气储层评价、储量计算和甜点区优选等研究提供依据［6-7，14］。研究区晋祠段含气量整体数值较海相页岩偏低，绳索取心现场测试总含气量分布在0.82~4.34 m3/t之间，均值为1.52 m3/t。其中，解吸气量分布在0.69~3.47 m3/t之间，均值为1.28 m3/t。北美Barnett页岩、Haynesville页岩、Marcellus页岩总含气量分别为8.50~9.91 m3/t、2.83~9.34 m3/t及1.7~2.83 m3/t［4］，研究区招贤页岩含气量略低于北美含气页岩。
图20 现场含气量测试直方图

Fig.20 In situ gas content test histogram

3.5　可改造性特征

页岩可改造性评价对页岩储层压裂效果评估、压裂层段优选、提升压裂改造效果具有重要的指导意义［28］。页岩可改造性特征通常用脆性指数来表征，页岩脆性指数的计算主要通过矿物含量和岩石力学参数2种方法［29-30］。基于矿物含量计算脆性指数的公式为：脆性指数=（矿物总含量—黏土矿物含量）/矿物总含量。根据23块招贤页岩岩心样品全岩X射线衍射实验结果（图3）计算可知，横山—吴堡地区本溪组招贤页岩脆性指数介于0.346~0.862之间，平均值为0.526。研究区5块招贤页岩岩心样品的岩石力学测试结果显示，招贤页岩杨氏模量介于36.26~48.27 GPa之间，平均值为40.88 GPa；泊松比介于0.2~0.28之间，平均值为0.22。类比国内其他页岩气区块页岩层段力学特征［4，15，31］，横山—吴堡地区本溪组招贤页岩的岩石力学参数明显高于鄂尔多斯盆地东缘临兴地区山2段、大宁—吉县地区山2段和四川盆地五峰组—龙马溪组页岩，说明研究区招贤页岩具有高杨氏模量、低泊松比的特点，可改造性良好。

4 招贤页岩气勘探潜力分析

近年来，鄂尔多斯盆地中东部海陆过渡相页岩气勘探开发已取得可喜的突破，尤其是针对大宁—吉县区块和临兴区块山2段页岩储层的研究已较为成熟［9， 11-13， 31-34］。然而，针对本溪组页岩的研究尚处于个别典型单井或露头剖面的初步评价阶段［15-18］。为给下一步勘探部署提供更为可靠的参考依据，本文研究基于前文大量实验测试数据分析，参考国家页岩气评价标准（GB/T 31482—2015、GB/T35110—2017），综合考虑页岩埋深及厚度、孔渗参数、烃源岩特征、储集空间及吸附能力、页岩含气量等评价页岩潜力的关键参数，结合前人研究成果，对横山—吴堡地区本溪组晋祠段招贤页岩的页岩气勘探潜力开展了综合分析评估。
横山—吴堡地区本溪组晋祠段为典型的海陆过渡相沉积环境，招贤页岩主要形成于潟湖和浅海陆棚环境。招贤页岩沉积期整体属于炎热潮湿气候，属于咸水—半咸水环境，水体整体处于缺氧—贫氧环境，有利于有机质的保存和富有机质泥页岩的发育［16］。在页岩生烃潜力评价中，TOC含量是主要的影响因素之一，招贤页岩TOC含量较高、产烃潜力较大、热演化程度较高，生气能力较强。研究区招贤页岩广泛发育、分布稳定，厚度介于5~25 m之间。埋深介于1 500~3 500 m之间，为页岩气开发的重点区域。招贤页岩储层发育微纳米级孔缝以及有机和无机孔，微孔和介孔为页岩气提供了主要的赋存空间，甲烷吸附能力较强。招贤页岩顶部发育本溪组8#煤，而中下部局部发育本溪组9#煤，可以为页岩储层提供良好的气源补充，且煤层对页岩储集层起到良好的物性封闭或烃浓度封闭等作用，招贤页岩含气量较高。研究区招贤页岩普遍发育粉砂岩薄夹层，脆性矿物含量较高，具有高杨氏模量、低泊松比的特点，具有良好的可改造性。
综合沉积环境、埋深构造条件、烃源岩特征、储集条件、含气性特征和可改造性特征等因素，将横山—吴堡地区本溪组招贤页岩储层的各项参数与国内多个成功开发的区块进行对比（表4）。鄂尔多斯盆地中东部横山—吴堡地区本溪组招贤页岩综合地质条件略逊色于四川盆地五峰组—龙马溪组海相页岩，但与鄂尔多斯盆地东缘大宁—吉县地区山2段页岩基本相当。因此，横山—吴堡地区本溪组招贤页岩是比较理想的海陆过渡相页岩储层，具有较大的勘探潜力。建议下一步应在横山—吴堡地区部署更多勘探井对招贤页岩气资源潜力进行详细核实，优选最有利分层，并开展页岩气压裂与生产试验；同时可以考虑对招贤页岩与深部8#、9#煤及晋祠砂岩开展分压合采、联合开发先导性试验。
表4 不同地区页岩储层参数对比

Table 4 Comparison of shale reservoir parameters in different regions

储层参数

鄂尔多斯盆地横山—

吴堡地区本溪组招贤页岩

鄂尔多斯盆地大宁—

吉县地区山2段

四川盆地长宁地区五峰组—

龙马溪组

四川盆地焦石坝地区五峰组—

龙马溪组
沉积环境 海陆过渡相 海陆过渡相 海相 海相
构造背景 平缓斜坡 平缓斜坡 平缓向斜—斜坡 向斜内的箱状背斜
埋深/m 1 700~3 400 1 200~2 600 2 300~3 200 2 400~3 500
主力页岩厚度/m 5~25 20~40 33~46 38~44
有机质类型 Ⅱ2、Ⅲ Ⅱ2、Ⅲ Ⅰ、Ⅱ1 Ⅰ、Ⅱ1
有机质含量（TOC）/% （0.397~19.1）/5.3 （1.4~8.88）/5.9 （1.9~7.3）/4 （1.5~6.1）/3.5
有机质成熟度/% （1.60~2.41）/1.95 （2.02~2.36）/2.22 （2.3~2.8）/2.5 （2.2~3.1）/2.6
孔隙度/% （0.07~5.09）/1.51 （1.2~2.7）/1.95 （3.4~8.2）/5.4 （5.0~7.8）/6.2
渗透率/（10-3 μm2） （0.000 4~0.262）/0.073 7 （0.003~0.298）/0.15 （0.000 22~0.001 9）/0.000 29 （0.02~0.3）/0.15
含气量/（m3/t） （0.82~4.34 ）/1.52 （1.38~5.66）/2.63 （1.7~6.5）/4.1 （4.0~7.7）/6.1
吸附能力/（m3/t） （1.04~7.33）/3.14 — （1.07~3.97）/2.3 （0.9~3.91）/2.32
脆性矿物含量/% （34.6~86.2）/52.6 （23.9~99.8）/61.6 （33.9~71.72）/54.24 （50.9~80.3）/62.4
杨氏模量/MPa （3.6~4.8）×104 （2~4.4）×104 （1.3~4.1）×104 （2.5~4.9）×104
泊松比 0.2~0.28 0.20~0.27 0.1~0.25 0.19~0.24

注：大宁—吉县地区山2段数据参考文献[16]和文献[34]，四川盆地长宁地区和焦石坝地区五峰组—龙马溪组数据参考文献[4]；(34.6~86.2)/52.6为（最大值—最小值）/平均值

5 结论

（1）鄂尔多斯盆地横山—吴堡地区本溪组招贤页岩为典型海陆过渡相页岩，岩性主要为黑色炭质页岩、黑色炭质泥岩、灰黑色粉砂质泥岩、灰黑色含灰炭质泥岩、褐色菱铁矿质泥岩等，多呈富有机质夹薄层粉砂岩条带组合。招贤页岩石英含量平均为35.6%，长石含量平均为0.81%；碳酸盐矿物含量平均为2.23%，黏土矿物含量平均为47.4%；铁矿石含量平均为7.0%。总体上，招贤页岩以黏土矿物为主，其次为长英质矿物。
--引用第三方内容--

（2）招贤页岩干酪根显微组分以惰性组和腐泥组为主，还含有少量镜质体；干酪根类型以偏腐殖混合型（Ⅱ2型）为主，其次为腐殖型（Ⅲ型）。实测总有机碳含量（TOC）平均为5.30%；干酪根镜质体反射率R O值平均为1.95%。有机质丰度和成熟度较高，生气能力强。

（3）招贤页岩氦测孔隙度平均为1.51%，脉冲渗透率平均为0.073 7×10-3 μm2，具有低孔低渗特征。招贤页岩发育微纳米级裂缝和孔隙，微裂隙在页岩有机质和无机矿物中均有发育，缝宽主要集中在0.01~1 μm之间。招贤页岩液氮吸附孔隙类型以狭缝型孔隙为主，平均孔隙直径均值为13.67 nm，比表面积均值为6.56 m2/g，总孔隙体积均值为0.017 6 cm3/g。液氮BET比表面积与孔隙结构分形维数呈正相关关系，而与平均孔径呈负相关关系。

（4）招贤页岩甲烷等温吸附兰氏体积平均为3.14 cm3/g，兰氏压力平均为2.95 MPa，兰氏体积与TOC呈正相关，兰氏压力与TOC呈负相关，有机质是页岩吸附的主控因素。招贤页岩总含气量平均为1.52 cm3/g，脆性指数平均为0.526，杨氏模量平均为40.88 GPa，泊松比平均为0.22。招贤页岩具有脆性矿物含量较高、杨氏模量高、泊松比低的特点，有利于压裂改造。

（5）综合沉积环境、埋深构造条件、烃源岩特征、储集条件、含气性特征和可改造性特征等因素，横山—吴堡地区本溪组招贤页岩综合地质条件略逊色于四川盆地长宁地区和焦石坝地区五峰组—龙马溪组页岩，但与鄂尔多斯盆地东缘大宁—吉县地区山2段基本相当，具有较大的勘探潜力。今后可以考虑对招贤页岩与深部8#、9#煤及晋祠砂岩开展分压合采、联合开发先导性试验。

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