摘  要  辽河坳陷的页岩气勘探尚处于起步阶段，上古生界页岩气资源潜力研究将为该坳陷东部凸起页岩气勘探提供科学依据和理论支撑。为此，基于泥页岩地球化学数据和生烃数值模拟结果，从泥页岩发育特点、有机质类型、总有机碳含量、热演化成熟度、生气能力以及含气性等方面对该区上古生界石炭系太原组、二叠系山西组泥页岩及其有机地球化学特征进行了系统分析。结果表明：①太原组有机碳含量平均为3.31%，镜质体反射率基本大于1.5％，主要发育腐殖型干酪根，生气能力强，含气量高，是页岩气勘探的重点层系；②山西组有机碳含量平均为2.95％，处于高成熟-过成熟热演化阶段，以腐殖型干酪根为主，生气能力较强，含气量较高(稍逊于前者)，同样也是页岩气勘探的重要层系。评价结论认为：辽河坳陷东部凸起上古生界具备页岩气发育的有利条件，页岩气资源潜力大，是页岩气勘探开发的有利区域。

关键词  辽河坳陷东部凸起  晚古生代  石炭纪  二叠纪  页岩气  资源潜力  地球化学特征  含气性  勘探区

1  地质概况

1．1研究区位置

研究区——辽河坳陷东部凸起位于辽河坳陷东部，面积为1600 km²(图1)。前人过去对该区做了大量的油气勘探研究工作，但页岩气勘探才刚刚起步。研究区主要经历了4个发展阶段：基底和陆块形成阶段、地台发育阶段、裂谷发育阶段和坳陷发育阶段，自下而上发育有太古界、元古界、下古生界的寒武系和奥陶系、上古生界的石炭系和二叠系、中生界的侏罗系和白垩系。本次研究主要层段为上古生界太原组、山西组。泥页岩地化特征、生气能力和含气性研究将为该区页岩气资源潜力评价提供依据^[1]。

1．2上古生界泥页岩发育特点

泥页岩的厚度及规模构成了页岩气生成与聚集的物质基础，是页岩气资源潜力评价的重要参数。寻找页岩气，首先要查明盆地中的暗色泥页岩在垂向上和平面上的分布，了解勘探对象发育的层位和展布特点^[2]。

研究区上古生界石炭系太原组、二叠系山西组主要为海陆过渡沼泽相，发育富有机质暗色泥页岩、碳质页岩及煤层，泥页岩连续厚度介于31.1～98.7 m，平均为58.7 m，泥页岩单层厚度平均为6.9 m，整体上呈现出东厚西薄的特点，达到了页岩气有利区评价标准，是该区的主力生烃层系，也是页岩气富集的潜在层系(图2)．

2上古生界泥页岩有机地球化学特征

一般情况下，页岩气的生成与含气页岩的地球化学特征有关，泥页岩作为页岩气的主要烃源岩，其地球化学指标和常规烃源岩相同，包括有机质丰度、有机质类型、成熟度和含气性等。泥页岩生烃潜力是有机质丰度、有机质类型、热演化程度等因素综合作用的结果。一般条件下，相同成熟度和类型的泥页岩，有机质丰度越大(TOC高)，产油气量就越多^[3]。因此，地球化学参数的研究是评价泥页岩生烃潜力和资源潜力的基础。以下分述之。

2．1有机质类型

有机质类型是评价泥页岩质量的主要指标之一，类型不同将会使得烃源岩有机质的生烃潜力和烃类产物产生差别。为此，通过干酪根镜检、元素分析、岩石热解等实验方法，对研究区泥页岩样品的干酪根类型进行了分析。

对研究区上古生界典型井20块泥页岩样品热解数据的统计分析结果表明，太原组泥页岩样品主要以腐殖型为主，腐殖型干酪根比例占实验样品总数的78％，其次依次为偏腐殖混合型和偏腐泥混合型干酪根，干酪根偏向于生气型。山西组有机质以腐殖型为主，腐殖型干酪根比例占总实验样品的73％，其次为偏腐殖混合型干酪根。显微组分统计结果显示，上古生界泥页岩样品主要含镜质组和惰质组，类型指数T基本都小于0，以腐殖型干酪根为主。但不论采取哪种方法，分析结果都是一致的(图3)。

2．2有机质丰度

页岩气的工业聚集需要丰富的气源物质基础，其有机质含量关系着吸附气的赋存量^[4]，因此要求生烃有机质丰度达到一定的标准。评价有机质丰度常用的指标有残余总有机碳含量(TOC)、氯仿沥青“A”含量、总烃含量和生烃潜量(S₁+S₂)等(表1)。

总有机碳含量是评价有机质丰度最直接有效的指标。在页岩气藏中，地层有机碳含量相对较高：好的烃源岩要求成煤环境混合型-腐殖型干酪根暗色泥岩TOC>2.5％、湖泊相偏腐泥混合型干酪根TOC>2.0％^[5]。东部凸起上古生界为混合型-腐殖型干酪根为主的夹煤层泥页岩层段，39块不同深度泥页岩样品的TOC测试结果显示：剖面上，太原组泥页岩TOC较高，其值分布在0.53％～5.69％之间，平均为3.31％，山西组的TOC稍低，平均为2.95％。平面

上，太原组高值区位于乐古2井-佟3井-佟2905井区及王参l井南部，山西组高值区和太原组类似但稍向东偏移。有机质丰度除用有机碳含量表征外，氯仿沥青 “A”含量和生烃潜量(S₁+S₂)也是重要的评价指标，但研究区泥页岩的氯仿沥青“A”含量和产烃潜量都较低，这与该区热演化程度有一定的关系。因此，这两项指标只能作为参考而不适用于有机质丰度评价。

2．3有机质成熟度

有机质除要满足一定的丰度和生烃潜力外，还要达到一定的热演化阶段才能热降解生烃，同时在不同的热演化阶段有机质的产烃能力和产物是不同的^[6]。

天然气的生成可来源于生物作用、热成熟作用或两者的结合^[7]，因此泥页岩成熟度关系着页岩气的成因，决定着页岩气的类型。研究区上古生界泥页岩热演化程度较高，大部分泥页岩样品R₀>1.5％，处于高成熟一过成熟热演化阶段。整体上，东部凸起上古生界泥页岩主体进入页岩生气阶段。

2．4  页岩生气能力

在泥页岩生烃潜力研究的基础上，以沉积构造为背景，并结合泥页岩厚度，利用TSM盆地模拟软件对研究区各个层段的生气量和生气强度进行模拟，完成了辽河坳陷东部凸起不同层系泥页岩累计生气强度等值线图(图4)。

模拟结果显示：①太原组累积生气量为2.1195×10¹²m³，最大生气强度超过6×10⁸ m³／km²，2个高值中心分别位于佟3井附近及王参l井南部地区，现生气量为l4.0×10⁸ m³，为主要气源岩；②山西组累积生气量为2.089 4×10¹² m³，高值区稍向东偏移，最大生气强度超过4.6×10⁸ m³／km²，现今生气量为11.0×10⁸ m³，稍次于太原组，也是重要的气源岩；③总体上，模拟结果与通过数据统计分析结果是相符的，且研究区累积生气强度和生气量在平面分布上与泥页岩展布特征及地化特征是一致的。

2．5页岩含气性

页岩气是以吸附或游离状态为主要存在方式的天然气聚集，吸附气含量受有机碳含量、压力、成熟度、温度、厚度、面积等因素的控制，游离气含量主要受地层压力、孔隙度、含气饱和度、温度、厚度、面积等因素的控制^[8]。这些因素不是孤立的，一般情况下，有机质成熟度呈现出NanNY,而增加的趋势。此外，有机质成熟度还与泥页岩孔渗系统有关，高成熟度可以改善页岩孔渗性，从而影响含气量。页岩含气量测试是页岩储层评价、有利区优选的重要实验，测试方法有解吸法、等温吸附法和测井解释法等^[9]，首先从气测异常对含气性进行了定性分析，重点通过现场解析和等温吸附实验进一步对2个层位含气性进行了研究。

研究区多口井在钻录井过程中气测显示良好，气测显示主要以甲烷为主。佟2905井、乐古2、王参1井在太原组泥页岩层段气测异常明显，气测全烃值介于1.2％～24.3％，甲烷含量介于0.76％～l5.2％，佟3井气测稳定；山西组气测异常较太原组弱，气测全烃值介于1．0％～l5.4％，甲烷含量介于0.34％～6.0％；因气显层段岩性既有黑色泥页岩、碳质页岩、煤层，还有含粉砂质泥页岩，有些高异常可能与地层含有多套煤层有关。但实际上影响气测录井资料准确性的因素很多，故气测值只能作为泥页岩含气性的定性-半定量评价指标。

解吸法是一种分类测量含气量的方法，将含气量分为3个部分：解吸气量、损失气量和残余气量，是页岩含气量测试的直接方法，也是最常用的方法。等温吸附法是通过页岩样品的等温吸附实验来模拟样品的吸附过程，从而获得页岩的含气量，是一种含气量测试的间接方法^[10]。对泥页岩样品通过2种试验方法的测试分析，结果表明：太原组含气量最小为1.28 m³／t，最大为4.62 m³／t，平均为2.37 m³／t；山西组样品较少，平均为2.03 m³／t。美国产气页岩的含气量其含气量最低约为0.42 m³／t，最高达9.90 m³／t，目前商业开发远景区的最低页岩含气量标准为l.0 m³／t。从泥页岩含气量分析，研究区2个层系均具有页岩气勘探开发潜力。此外，页岩含气性还受裂缝和保存条件的影响。

与辽河坳陷东部凹陷相比，东部凸起上古生界有机碳含量、热演化程度均较高，有机质类型以腐殖型、混合型型为主；东部凹陷天然气类型多样，页岩气、致密砂岩气和常规气在不同层段均有发育，而东部凸起则以页岩气为主^[11]。

3页岩气资源潜力评价

3．1  资源潜力评价

基于对研究区目的层系泥页岩发育特点、地化特征及含气性的系统研究，采用多因素叠加法并辅以综合地质评价、地质类比等多种方法对该区页岩气资源潜力进行了综合评价。

太原组在各个指标分布最均且相对较高，以腐殖型干酪根为主，泥页岩厚度、有机质丰度、成熟度均达到页岩气生气条件，生气潜力最大，含气量最高，综合评价为最好层段；山西组各个参数分布较均匀，稍次于太原组，综合评价为重要潜力层段(图5)。

3．2与美国页岩资源潜力的对比

美国是目前页岩气开发较成功的国家之一，因此，与美国典型层系页岩的地质特点、含气量作比较，将有助于研究区页岩气资源潜力的评价工作。

将研究区2套泥页岩层与美国主要产气页岩层各项参数对比，结果发现：辽河坳陷东部凸起上古生界泥页岩地化参数较好(表2)，进一步表明该区上古生界泥页岩具备页岩气存在的条件，具有很好的开发潜力，可作为页岩气下一步要寻找的目标。

4  结论

1)辽河坳陷东部凸起上古生界为海陆过渡相沉积，主体为半深湖-深湖亚相，发育富有机质暗色泥页岩、碳质页岩及煤层，单层和连续厚度大，符合页岩气赋存的基本地质条件。

2)辽河坳陷东部凸起上古生界发育以腐殖型为主的混合型干酪根，有机质丰度高，平均有机碳含量3.13％，主体为高成熟-过成熟热演化阶段，是页岩气发育的重点层系。

3)辽河坳陷东部凸起上古生界泥页岩累积生气强度大、生气能力高、含气量大，具备页岩气资源潜力，是下一步非常规天然气开发的重点层系和地区。

参考文献

[1] 张金川，金之钧，袁明生．页岩气成藏机理和分布[J]．天然气工业，2004，24(7)：15-18．

[2] ROSS D J K，BUSTIN R M．Characterizing the shale gas resource potential of Devonian-Mississippian strata in the Western Canada sedimentary basin：application of an integrated formation evaluation[J]．AAPG Bulletin，2008，92(1)：87-125．

[3] 蒲泊伶，包书景，王毅，等．页岩气成藏条件分析——以美国页岩气盆地为例[J]．石油地质与工程，2008，22(3)：33-39．

[4] 蒋裕强，董大忠，漆麟，等．页岩气储层的基本特征及其评价[J]．天然气工业，2010，30(10)：7-12．

[5] 魏建设，卢进才，魏仙样，等．河西走廊地区石炭系烃源岩的特征[J]．地质通报，2010，29(2-3)：367-373．

[6] 陈丽华，许怀先，万玉金．生储盖层评价[M]．北京：石油工业出版社，1999．

[7] ZHAO HANK，GIVENS N B，CURTIS B．Thermal maturity of the Barnett Shale determined from well-log analysis [J]．AAPG Bulletin，2007，91(4)：535-549．

[8] 徐波，李敬含，李晓革，等．辽河油田东部凹陷页岩气成藏条件及含气性评价[J]．石油学报，2011，32(5)：453-456．

[9] 徐波，郑兆慧，唐玄，等．页岩气和根缘气成藏特征及成藏机理对比研究[J]．石油天然气学报：江汉石油学院学报，2009，31(1)：26-28．

[10] 唐颖，张金川，刘珠江，等．解吸法测量页岩含气量及方法的改进[J]．天然气工业，2011，31(10)：108-112．

[11] 张林哗，李政，李钜源，等．东营凹陷古近系泥页岩中存在可供开采的油气资源[J]．天然气地球科学，2012，23(1)：1-13．

本文作者：葛明娜  张金川  毛俊莉   单衍胜  唐玄

作者单位：中国地质大学(北京)·海相储层演化与油气富集机理教育部重点实验室   中国石油辽河油田公司勘探开发研究院