0 引 言

随着天然气在能源领域地位的日益增大，非常规天然气的开发也引起了广泛关注。煤层气作为典型的非常规天然气，在我国经历了30多年的发展，已在鄂尔多斯盆地、沁水盆地等地区初步形成了商业化开发产业。伴随着煤层气基础理论的丰富，煤系地层研究的深入，煤层气的勘探开发也逐步向煤系气的共生共探共采的方向发展[1-2]。煤系气是由整个煤系地层中的烃源岩母质在生物化学，物理化学及煤化作用过程中演化生成的各类天然气，其泛指赋存在煤系中的各种非常规天然气，如煤系泥/页岩中的页岩气、煤层中的煤层气、煤型气源天然气水合物和致密砂岩气[3-6]。目前研究表明，海相页岩气储层往往具有单层厚度大、发育层位多、分布面积广、热演化程度高、脆性矿物含量高等特点[7]。在非常规天然气开发的过程中发现，越来越多的海陆过渡相或陆相煤系地层被发现其气态烃含量高[8]，具有较高的研究价值，但煤系泥页岩中的页岩气与南方海相型的页岩气在储层特征、沉积环境、有机质类型、有机质成熟度和有机质碳含量等方面都存在较大的差异[9-11]，煤系页岩气的研究仍处于起步阶段。

霍西煤田受华北板块石炭-二叠聚煤期的控制，以山西组2号煤层和太原组9号和10号煤层为主要煤层。煤层变质程度变化范围广，含气量较低，但前期地质钻孔勘探显示，煤系泥岩厚度大，与相邻地区鄂尔多斯盆地东缘和沁水盆地煤系气沉积背景相似，具有一定勘探价值。因此，笔者基于霍西地区煤系地层泥岩样的测试结果，从岩相特征、矿物学组成、孔渗性等方面分析了该地区煤系泥岩层的储层特征，同时从烃源岩的有机质丰度、类型和成熟度3方面初步判断了霍西地区煤系泥岩层的生烃潜力。

1 地质背景

山西霍西地区处于华北板块吕梁山隆起带南部灵石汾西向斜地带，北部位于汾西-尉庄板拗南端，勘查区南部位于临汾-运城盆地，区域构造以断裂为主，规模不同的断裂有数十条之多，其共同特点是走向以北东为主，倾向多为南东，倾角一般都在 65°以上，而且绝大部分为正断层，构造分布特征如图1所示。

该地区构造复杂程度属中等类,地层产状变化较复杂，一般倾角5°～16° 。区内含煤系地层主要包括：二叠系上统下石盒子组、下统山西组、石炭系上统太原组。下石盒子组下部至奥陶顶界面赋存有4层黑色、深灰色含炭质泥岩、粉砂岩，钻孔揭露含煤岩系平均厚度为141 m。

2 储层特征

2.1 岩相特征

统计山西霍西地区内下石盒子组下部泥岩层段(表1)，厚度为27.02～59.40 m ，平均为42.24 m，其中泥岩与粉砂岩占总厚度平均为60.28%，岩性主要为灰黑色块状及薄层状泥岩或粉砂岩夹薄层砂岩，局部砂岩厚度较大。区内单层泥岩或粉砂岩厚度最大可达25.12 m。山西组泥岩段，厚度为28.97～51.88 m ，平均为38.33 m，其中泥岩与粉砂岩占总厚度平均为72.14%，岩性主要为灰黑色-黑色厚层薄层状含有机质泥岩、灰黑色块状粉砂岩，夹薄层砂岩。太原组上部泥岩层段，厚度17.30～52.32m ，平均为35.05 m，其中泥岩与粉砂岩占总厚度平均为79.34%，岩性主要为黑色厚层泥岩及粉砂岩，局部夹有薄层状砂岩透镜体。下部泥岩层段，厚度12.09～36.17 m ，平均厚24.28 m，泥岩与粉砂岩占总厚度平均为48.16%，岩性主要为灰黑色泥岩，粉砂质泥岩夹砂岩，局部见有少量灰岩，厚度稳定性较差。

注：M总厚度；Mm泥岩厚度；Ms粉砂砂厚度；最小值-最大值/平均值。

采集山西霍西地区49个泥页岩样进行了铸体薄片测定，选其中代表性样品观察结果，如图2所示。从图2铸体薄片的观察结果来看，山西霍西地区内砂岩整体为砂质结构，含有较多碎屑，分选较差，大部分泥质胶结。主要由石英和长石组成，颗粒支撑，接触式胶结。石英无色，形粒状，普遍发育大量裂纹。长石，部分蚀变呈浅褐色，它形粒状或板状。泥岩整体为泥质结构，分布较均匀，弱定向分布，以石英为主，可见少量白云母和长石，分选中等，填隙物主要为泥质，含少量不透明矿物，大部分为碳质物，分布均匀，杂基支撑，基底式胶结。石英无色，形粒状，长石蚀变呈褐色，形粒状。白云母无色，多为针状。

2.2 矿物学特征

样品矿物成分测试依据《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)。测试泥岩矿物组成主要为黏土矿物和石英，其中黏土矿物的平均含量为57.1%，石英的平均含量为35.9%，还含少量菱铁矿、赤铁矿、白云石和斜长石等矿物。黏土矿物主要为伊/蒙混层矿物和高岭石，其中伊/蒙混层矿物含量平均为46.6%，高岭石平均含量为49.0%，所测样品中伊利石与绿泥石含量变化较大，分别为4%～20%、8%～57% 。研究表明，石英等脆性矿物的存在有利于开发过程中的压裂改造促进裂缝的形成，但山西霍西地区脆性矿物较少，不利于压裂；同时，方解石和白云石等碳酸盐矿物的少量存在，易于形成溶蚀孔隙，在后期扫描电镜下的观察结果也验证了该类孔隙的存在。

从矿物学角度分析，黏土矿物吸附有机质及烃类的能力大小为：蒙皂石>伊利石>绿泥石>高岭石[12]，根据山西霍西地区相应的黏土矿物总含量以及各组分含量，可以判断煤系泥岩有能力吸附充足的有机质，为页岩气的生成提供一定的物质基础。

2.3 孔渗性

储层孔隙是气体主要的储存场所，对煤层而言，煤层的孔隙性与煤层气的吸附性能、扩散、以及渗透能力密切相关，对有关煤层的研究起着非常重要的作用。煤层孔隙特征包括孔隙类型结构、孔隙大小、数量及孔隙度等，它是衡量煤层气储存和运移性能的主要参数之一。霍西地区28个煤系泥岩心分析样品的统计结果显示，下石盒子组泥岩孔隙度为2.08%～2.55%，平均2.35%；山西组泥岩样品孔隙度为0.34%～2.61%，平均1.36%；太原组泥岩样品孔隙度为0.19%～2.47%，平均1.10%。

渗透率是储层的重要参数，其大小是气体资源可采性的关键因素。据表3试验结果可以看出，下石盒子组泥岩渗透率为0.002 33×10-6 μm2；山西组泥岩样品渗透率为(0.3781 5～50.55)×10-6 μm2，平均28.5×10-3 μm2；太原组泥岩样品渗透率为(0.000 3～2.49)×10-6 μm2，平均为0.26×10-6 μm2。参照SY/T 6285—2011《油气储层评价方法》的分类标准，可以得出山西霍西地区煤系泥岩储层属于超低孔超低渗的储集层。

岩石的孔隙度和渗透率一般取决于岩石的孔喉结构特征与裂隙发育特征。据泥岩孔隙成因、结构特征及物化特性，可以总结出以下孔隙类型，共包括3大类，即无机孔、有机孔和微裂缝。微裂缝可为非常规气提供聚集空间，增加游离态天然气的含量并提供运移通道，开启的或相互连通的多套天然裂缝能增加页岩气的产量。此外，微裂缝发育并与较大型的断裂沟通时，不利于气体保存，地层水可能也会通过裂隙进入储层。

在对山西霍西地区扫描电镜实验图片通过大量的观察与分析表明，山西霍西地区内泥岩样品中孔隙大部分为次生孔隙，未见单一发育的原生孔隙。原生孔隙受到后期的改造例如溶蚀作用的发生、次生矿物的胶结作用发育了相对较多的溶蚀孔，以铸膜孔为主(图4a、图4b、图4c、图4d)；其次由于构造作用所产生的构造应力对沉积成岩后的储层的改造，储层发育较多的层间裂隙(图4e、图4f)。

一般认为，孔隙度与渗透率相关性一定程度上反映评价储层物性参数的好坏，从而可以推断储层空间与气体渗透通道的匹配性[13]。进一步根据山西霍西地区泥岩样品孔隙度、渗透率的测试结果，作出山西霍西地区孔渗性的关系图(图5)，可以看出，孔隙度与渗透率相关性较差，没有明显的线性相关关系，孔渗关系变化趋势相对较为分散，可能是储层中存在裂缝、微裂缝较多的缘故。

3 烃源岩生烃潜力评价

3.1 有机质丰度

烃源岩的有机质丰度是指单位质量的烃源岩中有机质的含量，它是评价烃源岩生烃能力的重要参数之一。评价有机质丰度的主要指标是有机碳含量(TOC)，氯仿沥青“A”，总烃浓度和生烃潜量(S1+S2)等。本次研究主要通过有机碳含量和生烃潜量(S1+S2)反映烃源岩中有机质的多少。从表4可看出，山西霍西地区TOC为0.47%～16.04%，平均为3.42%，其中下石盒子组TOC为0.83%～1.78%，平均为1.31%；山西组TOC为1.15%～2.52%，平均为1.93%；太原组TOC为0.47%～16.04%，变化范围大，平均为3.94%。S1为吸附烃量，S2为热解烃量，IH为氢指数。S1+S2表征生烃潜能，总体分布在0.15～7.25 mg/g ，平均为1.35 mg/g，其中下石盒子组S1+S2为0.20～0.92 mg/g，平均为0.56%；山西组S1+S2为0.41～1.92mg/g，平均为0.99%；太原组S1+S2为0.15～7.25 mg/g，平均为1.51%。

进一步分析TOC含量与(S1+S2)的关系(图6)发现，生烃潜力随着TOC含量的增加呈增长趋势。这可能是由于随着TOC含量的增加，泥页岩产烃和排烃能力增加，导致更易摆脱岩石基质对有机质的滞留力，从而导致高有机碳泥页岩中的S1+S2增加。而图7中IH-Tmax的对应关系显示，随着热成熟度的演化，IH出现峰值后降低，从文献[12]中可以看出，当Tmax大于480 ℃后，成熟度过高，生烃潜力最差。

3.2 有机质类型

沉积有机质的类型对于生烃源岩的生烃潜力极为重要。不同类型的有机质对页岩气富集具有重要的控制作用。干酷根类型的确定是根据干酪根各显微组分质量分数计算所得到的类型指数TI来确定[13-15]。干酪根类型分为4类：TI≥80为Ⅰ型干酪根(腐泥型) 、40≤TI<80为Ⅱ1型干酪根(腐泥腐植型) 、TI<40为Ⅱ2型干酪根(腐植腐泥型) 和TI<0为Ⅲ型干酪根(腐植型)。一般情况下，Ⅰ型干酪根的生烃潜力最强，常生成液态烃。Ⅱ1型和Ⅱ2型干酪根生烃潜力次之，而Ⅲ型干酪根(腐植型) 主要生成气态烃。从表5中可以看出山西霍西地区泥页岩样品的干酪根类型全部为Ⅲ型干酪根，说明其镜质组和惰质组含量较高，超过50%，生气态烃潜力良好。

3.3 有机质成熟度

有机质成熟度表示沉积有机质生烃转化的热演化程度。有机质的成熟演化是烃类生成的至关重要的因素，当有机质达到一定的热演化程度时才能开始大量生烃；当有机质热演化程度为过成熟时，岩石中有机质将大大丧失产油能力。本次研究采用Ro和热解烃峰温Tmax等2个参数来分析有机质的成熟度。对山西霍西地区泥页岩样品Ro和热解烃峰温Tmax统计分析，结果如图8和表4所示：山西霍西地区煤系泥页岩有机质热演化程度即镜质组反射率Ro为1.46%～2.05%，平均为1.87%，大多数样品Ro>1.5%，处于中高成熟阶段；对应的Tmax值位于439～467.83 ℃ ，平均为459 ℃，与Ro保持一致。

3.4 生烃潜力初步评价

山西霍西地区内煤系泥岩储层与相邻地区鄂尔多斯盆地东缘和沁水盆地煤系气沉积背景相似，储层特征总体上孔隙度低，渗透性差，优势黏土矿物含量高有利于烃类气体的吸附，为煤系气提供了良好的保存条件，具有良好的勘探价值。而煤系泥页岩的生烃潜力主要取决于泥页岩的厚度、展布面积及有机地球化学特征，其中，有机质类型、有机质丰度、有机质成熟度是决定生烃潜力的重要参数。对煤系烃源岩的生烃潜力进行准确的评价是非常规天然气资源勘探与开发过程中的关键步骤。前人在此方面已经做过大量的研究工作[16-19]，建立了以有机质类型、有机质丰度和有机质成熟度等有机地球化学参数为依据的评价体系。为了进一步确定山西霍西地区煤系页岩气资源最有利的勘探区，本次研究基于前述的储层特征和不同层位有机质特征差异性分析，选取TOC含量、S1+S2、IH三个参数作为评价指标，同时由于山西霍西地区位于华北地区且邻近沁水盆地中高热演化阶段煤储层(Ro均大于1.5%)，因此选择华北地区煤系烃源岩有机质丰度评价标准[20]和董泽亮的中-高演化煤系烃源岩生气潜力评价标准[21]作为评价标准，对山西霍西地区不同层位(下石河子组、山西组、太原组)的生烃潜力进行了定性评价，结果见表6。

上述研究成果可以看出，山西霍西地区总体泥页岩样品有机质类型属于明显的III型干酪根，高成熟度阶段有利于气体生成；有机碳含量较高，TOC大于1.5%的样品约占 68%；有机质成熟度Ro以1.8%～2.0%为主，占91%。表明有机质已进入凝析油、湿气阶段。个别样品Ro大于2.0%，达到高成熟-过成熟阶段，即进入干气生成阶段。总体上，山西霍西地区煤系泥岩具有较好的生烃潜力。进一步结合表5的分层位初步评价结果发现，霍西地区太原组煤系泥岩TOC含量高达3.94%，其生烃潜力要显著高于山西组和下石盒子组，可以优先作为有利勘探区。

4 结 论

1)山西霍西地区内含有一定厚度的煤系泥岩层，矿物组成以黏土矿物为主，孔隙度较低，渗透性差，为煤系气体的保存提供了良好的条件。

2)山西霍西地区总体泥页岩样品有机质类型属于明显的Ⅲ型干酪根，高成熟度阶段有利于气体生成；有机碳含量较高，TOC大于1.5%的样品约占 68%；有机质成熟度Ro以1.8%～2.0%为主，占91%。

3)根据分层初步评价结果，霍西地区太原组煤系泥岩TOC含量高达3.94%，其生烃潜力要显著高于山西组和下石盒子组，可以优先作为有利勘探区。

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Reservoir characteristics and hydrocarbon generation potential evaluation of coal measures mudstone in Huoxi Area of Shanxi Province

ZHOU Haobo1,REN Guojie1,YANG Yanqing2,ZHANG Xiaodong2,3,ZHANG Shuo2

(1.No.217 Geology Team, Shanxi Provincial Geological Prospecting Bureau, Linfen 041000,China;2. School of Energy Science and Engineering, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000,China；3.Collaborative Innovation Center of Coalbed Methane and Shale Gas for Central Plains Economic Region, Henan Province，Jiaozuo 454000, China)

Abstract:In order to further study the development potential of unconventional natural gas in coal-bearing formations, this paper took coal measures mudstone in Huoxi Area of Shanxi Province as the main research objects, then the reservoir characteristics of coal measure mudstone in Huoxi were analyzed from the aspects of lithofacies characteristics, mineralogical composition and pore permeability based on the test results of mineral composition and porosity. The reservoir characteristics of coal-bearing mudstone formations in the Huoxi Area were analyzed. At the same time, the hydrocarbon generation potential of the coal-bearing mudstone formations in the Huoxi Area was preliminarily evaluated from three aspects of source rock organic matter abundance, type, and maturity. The results show that the mineral composition in the study area is mainly clay minerals, and there are large thickness, low porosity and poor permeability, which provides good conditions for the preservation of coal measure gas. At the same time, the type of organic matter in Huoxi Area is mainly Type III kerogen with strong pyrolysis hydrocarbon generation ability, and 68% of the samples with organic carbon content greater than 1.5%, and the maturity of organic matter Ro is mainly 1.8% to 2.0%.In addition, the TOC content of coal measures mudstone of Taiyuan Formation is as high as 3.94%, which is the main reason why its hydrocarbon generating potential is higher than the coal measures mudstone of Shanxi Formation and Lower Shihezi Formation. Thus it can be preferentially viewed as a favorable exploration area.

Key words:coal measures mudstone; reservoir characteristics; hydrocarbon generation potential evaluation；coalbed methane

中图分类号：P618.11

文献标志码：A

文章编号：0253-2336(2020)05-0164-09

周豪博，任国杰，杨燕青，等.山西霍西地区煤系泥岩储层特征及生烃潜力评价[J].煤炭科学技术,2020,48(5)：164-172.doi:10.13199/j.cnki.cst.2020.05.023

ZHOU Haobo,REN Guojie,YANG Yanqing,et al.Reservoir characteristics and hydrocarbon generation potential evaluation of coal measures mudstone in Huoxi Area of Shanxi Province[J].Coal Science and Technology，2020，48(5)：164-172.doi:10.13199/j.cnki.cst.2020.05.023

收稿日期：2019-11-11；

责任编辑：曾康生

基金项目：国家自然科学基金资助项目(41372162)；河南省高校科技创新团队支持计划资助项目(14IRTSTHN002)

作者简介：周豪博(1991—)，男，山西临汾人，工程师。E-mail:438755667@qq.com