山西省域石炭二叠纪煤系泥页岩气储层评价指标体系

(1.中国矿业大学煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室，江苏徐州 221116; 2.山西省煤炭地质勘查研究院，山西太原 030031)

摘要:针对煤系泥页岩气地质资源量估算偏大的问题，选择山西省域石炭二叠纪煤系泥页岩气储层，通过页岩气日均产气量衰减率和经济下限产气量分析，提出了独立储层和组合储层的概念;基于492件实测泥页岩样品，评价了煤系泥页岩干酪根类型和TOC含量;通过泥页岩单位TOC含量吸附量和实测泥页岩含气量评价了泥页岩有机质成熟度和含气量的关系;基于与海相页岩气剖面资源量等量原则评价了煤系泥页岩厚度;基于煤层Ro、含气饱和度与埋深的正相关趋势，将煤系泥页岩埋深划分为<1 000,1 000～1 500和>1 500 m三种类别;基于128件实测泥页岩样品，将煤系泥页岩脆性矿物含量划分为<30%,30%～40%和>40%三个类别。基于煤系泥页岩有机质成熟度、总有机碳含量、含气量、埋深、厚度及脆性矿物含量6个参数，将山西省域石炭二叠纪海陆交互相煤系泥页岩储层划分为组合有利储层、组合较有利储层和组合不利储层。

傅雪海，张苗，张庆辉，等.山西省域石炭二叠纪煤系泥页岩气储层评价指标体系[J].煤炭学报,2018,43(6):1654-1660.

FU Xuehai,ZHANG Miao,ZHANG Qinghui,et al.Evaluation index system for the Permo-Carboniferous mud shale reservoirs of coal measures in Shanxi Province[J].Journal of China Coal Society,2018,43(6):1654-1660.

基金项目:山西省煤基重点科技攻关资助项目(MQ2014-02);国家自然科学基金资助项目(41772158)

作者简介:傅雪海(1965—)，男，湖南衡阳人，博士，教授，博士生导师。E-mail:fuxuehai@cumt.edu.cn

Evaluation index system for the Permo-Carboniferous mud shale reservoirs of coal measures in Shanxi Province

(1.Key Laboratory of Coalbed Methane Resources and Reservoir Formation Process,Ministry of Education,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221116,China; 2.Shanxi Coal Geological Exploration Research Institute,Taiyuan 030031,China)

Abstract:Aiming to solve the issues of over estimation in geological resources of mud shale gas,the conceptions of independent reservoir and combined reservoir were put forward according to the analysis of the economic limit of gas production and the average daily gas production attenuation rate of shale gas in the Permo-Carboniferous mud shale reservoirs of coal-bearing strata in Shanxi Province.The Kerogen type and the total organic carbon content(TOC) of coal-bearing mud shale reservoirs were investigated through 492 mud shale samples.And according to the TOC-normalized methane adsorption capacity and measured gas content,the relation of organic matter maturity and gas content of mud shales were evaluated.The thickness of coal-bearing mud shale was evaluated based on the principle of profile resources equivalent compared with marine shale.A classification of buried depth of coal-bearing mud shale was put forward according to the positive correlations between buried depth withROand gas saturation.It was divided into three types such as <1 000 m,1 000～1 500 m and >1 500 m.Total 128 measured mud shale samples were investigated in their mineral content.And based on the investigation,the brittle mineral content of coal bearing mud shale were divided into three levels of <30%,30%～40% and >40%.Finally,six parameters such as the organic matter maturity(Ro),total carbon content(TOC),buried depth,mud shales thickness,gas content and brittle mineral content were used to classify the marine-terrigenous facies coal-bearing mud shale reservoirs into the favorable,relatively favorable and unfavorable assemblage reservoir.

页岩与泥岩的区别在于页岩有明显平整的层理，相邻两层组成颗粒大小有明显差异;泥岩层理不明显，质地较均匀。煤系主要为泥岩，局部存在页岩层理。因此，煤系页岩气笼统称为泥页岩气。

随北美页岩气的快速发展，我国煤系泥页岩气也被当作页岩气进行了资源评价，尤其是估算的泥页岩气资源量远大于煤层气资源量，如某单位估算两淮煤田二叠纪煤系页岩气地质资源量为3.69×1012m3，而新一轮煤层气资源评价徐淮地区煤层气资源量仅为5 785×108m3;一些学者估算沁水盆地石炭二叠系暗色泥页岩气潜在资源总量达6.15×1012m3[1]。山西煤田地质局通过将煤田地质勘探阶段实测煤层含气量(MTT 77—84标准测试)校正为煤层气井含气量(GB/T 19559—2008标准测试)，重新估算沁水盆地煤层气资源总量为5.39×1012m3(新一轮煤层气资源评价为3.95×1012m3)[2]。造成煤系泥页岩气资源量偏大的主要原因:一是大多基于海相页岩气的评价标准，二是评价参数和评价指标体系存在不同认识。基于此，笔者就华北石炭二叠纪海陆交互相煤系泥页岩气的评价体系提出一点想法，以期为煤系泥页岩气资源评价提供指导。

1 地质背景

山西省域石炭二叠纪含煤地层包括本溪组、太原组、山西组、下石盒子组。本溪组为一套海相沉积，形成于潟湖、潮道环境，一般厚度10～40 m;太原组为一套海陆交互相沉积，为陆表海碳酸盐岩台地沉积和堡岛沉积的复合沉积体系，一般厚度70～110 m;山西组发育于陆表海沉积背景之上，以三角洲河口砂坝、支流间湾、三角洲平原相沉积为主，一般厚度30～80 m;下石盒子组为三角洲平原环境沉积，一般厚度80～100 m。本溪组总体厚度较薄，下石盒子组泥页岩有机碳含量低，本次主要评价太原组和山西组泥页岩。

山西省域现今煤系分布主要由向斜所控制，东部为沁水复向斜(沁水煤田)、西部为鄂尔多斯复向斜东翼—河东单斜(河东煤田)、中北部为大同向斜(大同煤田)、中部为宁武—静乐向斜(宁武煤田)和西山古交复向斜(西山煤田)、汾西复向斜(霍西煤田，图1)。

2 经济产量估算与储层类型划分

山西省域煤系泥页岩气测显示埋深一般大于800 m[3]，产气量下限参照页岩气储量规范:埋深浅于1 000 m，单井气产量下限为1 000 m3/d;埋深1 000～2 000 m为2 000 m3/d[4]。按井场建设期2 a，生产期13 a，每年按330 d计算，埋深浅于1 000 m泥页岩气单独开采总产气量要达到429万m3才有经济效益，埋深1 000～2 000 m 要达到1 287万m3才有经济效益。

据美国Barnett页岩气某井生产数据，页岩气日均产气量逐年减少[5]，第2年衰减率为57.51%[第n+1年的衰减率=(第n年的产量-第n+1年的产量)/第n年的产量，n≥1],第3年衰减率为31.40%，直至第13年衰减率为1.92%(图2，表1)。按上述衰减率计算埋深浅于1 000 m煤系泥页岩气第1年的初始产量8 800 m3/d(表1)才能达到经济产气下限;埋深1 000～2 000 m第1年的初始产量13 200 m3/d(表1)才能达到经济产气下限。因此，将煤系中泥页岩气第1年的初始产量达到上述要求，即单独开采能够取得经济效益的储层称之为独立储层，达不到上述要求，与煤系中煤层气、致密砂岩气等组合开采才能取得经济效益的泥页岩气储层称为组合储层。山西省域煤系泥页岩气勘探开发(最大埋深1 500 m)实践表明，泥页岩气达不到经济产气下限，埋深1 500 m以浅不存在泥页岩气独立储层。而在海陆交互相沉积环境中，泥页岩层通常与煤层和致密砂岩储层垂向相邻[6]，许多学者提出了含煤地层“三气”共采的思路[3]。

3 评价参数

页岩气主要评价参数包括有机质类型、有机质丰度、有机质成熟度及页岩层埋深、连续厚度、含气量及脆性矿物含量等[7]。山西省域山西组、太原组128样次泥页岩实测值中H/C原子比均小于0.5，氢指数(HI)除4个样品外均小于100 mg/gTOC(图3)，类型指数(TI)小于0，属于Ⅲ型干酪根。因此，参照页岩气评价参数，本次选择有机质成熟度、总有机碳含量、埋深、厚度、含气量及脆性矿物含量6个参数作为煤系泥页岩气评价指标。

图1 山西省域煤田及太原组下部泥页岩成熟度、TOC含量与埋深分布
Fig.1 Distribution map of Ro,TOC content and depth of mud shales from the lower Taiyuan Formation and coalfield in Shanxi Province

表1 煤系泥页岩气最小经济初始产量估算
Table 1 Estimation of initial economic limit yield of mud shale reservoirs of coal measure

续表

图2 美国Barnett页岩日均产气量随时间的衰减规律
(据文献[5])
Fig.2 Attenuation rate of daily gas production of Barnett shale with time(according to Reference[5])

图3 山西省域煤系烃源岩HI与Tmax关系
Fig.3 Relationship between HI and Tmaxof source rock in Shanxi Province

3.1 总有机碳含量

因炭质泥岩的影响，煤系泥页岩TOC含量变化很大，492样次实测值介于0.19%～46.36%，大部分位于1.0%～2.0%内，占41.27%，其次分布在2.0%～4.0%和<1.0%区间内，分别占27.30%和21.59%，>4.0%的占9.84%(图4)。

图4 山西省域煤系(主要为太原组、山西组)泥页岩中有机
碳含量分布频率
Fig.4 TOC content distribution frequency of mud shale reservoirs in coal measure,Shanxi Province(The samples are main from the Taiyuan and Shanxi Formations)

本次依据《页岩气地质评价方法GB/T 31483—2015》将煤系页岩气TOC含量下限定为1.0%[8];参照《页岩气资源/储量计算与评价技术规范DZ/T 0254—2014》[4]，将总有机碳含量分为<1.0%,1.0%～2.0%和>2.0% 三种类别(表2)。

表2 煤系泥页岩气储层评价指标体系
Table 2 Evaluation system of mud shale reservoirs in coal measure

山西省域煤系泥页岩有机碳含量>2.0%主要分布在沁水煤田北部、南部、河东煤田中南部、霍西煤田(图1)。

3.2 有机质成熟度

《页岩气地质评价方法GB/T 31483—2015》规定III型干酪根Ro>0.9%[8]，《页岩气资源/储量计算与评价技术规范DZ/T 0254—2014》规定Ro>0.7%[4]。山西省域石炭二叠纪煤系除大同煤田、宁武煤田和河东煤田保德区块存在小范围低成熟度泥页岩外，大部分Ro>0.7%，沁水盆地北部和最南部Ro>3.7%(图1)。

为了研究有机质成熟度对吸附气量的影响，本次进行了朗格缪尔体积对TOC含量的归一化处理，即取单位TOC含量的甲烷吸附量以消除有机碳含量的影响。结果表明有机质成熟度介于1.7%～3.0%Ro时，单位TOC含量甲烷吸附量较高(图5)。鉴于吸附实验数据的局限性，结合沉积有机质演化的阶跃性，选取单位TOC含量甲烷吸附量较高附近的第2次跃变点1.3%Ro和第4次跃变点3.7%Ro，将有机质成熟度分为1.3%～3.7%,0.5%～1.3%,<0.5%或>3.7%三个类别(表2)。

图5 泥页岩单位TOC含量饱和吸附量与Ro关系
(部分数据来源于文献[9-10])
Fig.5 Relationship between Roand the TOC content-normalized methane adsorption capacity of mud shales
(Part of the data come from References[9-10])

山西省域沁水煤田西部、中部Ro介于1.3%～3.7%，北部和南部大于3.7%(图1);河东煤田柳林以北Ro小于1.3%，柳林以南Ro介于1.3%～3.7%;西山煤田Ro介于1.3%～3.7%;宁武煤田北部及中南部东西两侧Ro小于1.3%，中南部宁武—静乐一线Ro介于1.3%～3.7%;霍西煤田、大同煤田Ro<1.3%。

3.3 含气量

山西省域197样次实测泥页岩(最大孔深达1 500 m)气含量介于0～5.87 m3/t(空气干燥基，下同)，平均0.57 m3/t;68样次等温吸附实验得出饱和吸附量介于0.01～6.15 m3/t，平均1.03 m3/t。随泥页岩有机质成熟度增高，泥页岩含气量/饱和吸附量呈先减后增的趋势(图6)，最大含气量/饱和吸附量位于1.7%～2.7%Ro处。

图6 含气量/吸附量与成熟度之间的关系(含气
量实测值为0的数据未标出)
Fig.6 Relationship between Rowith gas content/adsorption capacity(Data with measured gas content of 0 are not marked)

《页岩气地质评价方法GB/T 31483—2015》将页岩气含量下限定为1 m3/t，本次将煤系泥页岩含气量>2 m3/t确定为组合有利储层，含气量1～2 m3/t确定为组合较有利储层，含气量<1 m3/t确定为组合不利储层(表2)。

3.4 埋深

山西省域煤田勘探深度大多在800 m左右，各大煤田(赋煤向斜和河东煤田单斜)煤系泥页岩埋藏深度除盆缘外大多超过800 m，沁水煤田泥页岩埋深大多处于1 000～2 500 m(图1)，河东煤田北部临县以北、中部隰县—石楼以西、南部大宁以西地区超过2 000 m。

因煤系泥页岩在埋深500～1 500 m内均存在实测含气量为0的情况。因此，据煤层镜质体反射率、含气饱和度与埋深的正相关趋势(图7,8)，山西省域沁水和河东两大主体煤田煤系埋深>1 000 m，有机质成熟度Ro>1.3%;埋深>1 500 m，煤层含气饱和度大于75%。因此，将煤系泥页岩埋深划分为<1 000,1 000～1 500和>1 500 m三种类别(表2)。

图7 镜质组反射率与煤层埋深的关系
Fig.7 Relationship between Roand coal reservoirs depth

图8 含气饱和度与煤层埋深的关系
Fig.8 Relationship between gas saturation and coal reservoirs depth

3.5 厚度

据《页岩气地质评价方法GB/T 31483—2015》国家标准，页岩是指粒径小于0.062 5 mm的颗粒碎屑、黏土、有机质等组成，具页理、易碎的细粒沉积岩。煤系泥页岩气储层显然包括泥岩、炭质泥岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、粉砂岩。

哈里伯顿公司认为商业开发远景区的页岩有效含气量最低为2.8 m3/t[11]，四川盆地龙马溪组页岩含气量大多介于0.29～5.01 m3/t，筇竹寺组介于0.85～3.51 m3/t，平均约为2.82 m3/t[12]。山西省域煤系高成熟区实测饱和吸附量介于0.09～2.98 m3/t，平均1.01 m3/t，实测含气量介于0～2.41 m3/t，平均0.85 m3/t;过成熟区实测饱和吸附量介于0.10～6.15 m3/t，平均1.45 m3/t，实测含气量介于0～4.404 m3/t，平均1.48 m3/t。采用剖面资源等量原则，确定海陆交互相煤系泥页岩选区厚度标准，即与海相页岩含气量和厚度的乘积相等。要达到《页岩气地质评价方法GB/T 31483—2015》规定的海相页岩厚度>30～50 m，《页岩气资源/储量计算与评价技术规范DZ/T 0254—2014》规定页岩含气量下限为1 m3/t时，页岩厚度>50 m;含气量下限为2 m3/t时，页岩厚度30～50 m相同的资源量规模。山西省域煤系高成熟度泥页岩气储层需达到132 m(海相页岩厚度取40 m，平均含气量取2.82 m3/t)，过成熟度泥页岩气储层需达到76 m。

山西省域太原组泥页岩气储层平均总厚度约41 m，底部、顶部分别为晋祠砂岩(K1)和北岔沟砂岩(K7)，其间还发育厚度超过3 m的15煤、K2,K3,K4三层石灰岩(图1)，单层连续最大厚度为31.77 m;山西组泥页岩气储层平均总厚度约为32 m，底部、顶部分别为北岔沟砂岩(K7)和骆驼脖子砂岩(K8)，其间还发育厚度超过3 m的3煤及多层细砂岩，单层连续最大厚度为20.78 m。考虑泥页岩作为组合储层，本次将泥页岩含气量>2 m3/t的组合有利储层厚度定为>40 m、含气量1～2 m3/t的组合较有利储层厚度确定为20～40 m、含气量<1 m3/t的组合不利储层厚度确定为<20 m。且细粒及其以上砂岩、煤层、碳酸盐等单层夹层厚度<3.0 m，与《页岩气地质评价方法GB/T 31483—2015》规定的过渡相-湖沼相煤系页岩气及湖相页岩气夹层厚度<3.0 m一致。

3.6 脆性矿物含量

128件泥页岩实测成果表明脆性矿物含量介于14.4%～72.7%，平均为39.0%，主要分布在30%～40%(图9)。其中小于30%的占16.41%;介于30%～40%的占42.19%;介于40%～50%的占27.34%;脆性矿物含量大于50%的占14.06%。

图9 煤系泥页岩脆性矿物含量频率分布
Fig.9 Distribution frequency of brittle mineral of mud shale reservoirs from coal measure

《页岩气资源/储量计算与评价技术规范DZ/T 0254—2014》将泥页岩中脆性矿物含量下限定为30%，本次依据山西省域石炭二叠纪煤系泥页岩脆性矿物含量分布情况，将其分为<30%,30%～40%,>40%三种类别(表2)。

根据上述评价指标体系(表2)，山西省域泥页岩组合有利储层主要分布在沁水煤田中南部安泽—中部沁县至北部寿阳一带，河东煤田中南部石楼—大宁和中北部临县—兴县一带，霍西煤田南部浮山县至洪洞县一带。

4 结论

(1)煤系埋深浅于1 500 m，单独开采煤系中泥页岩气没有经济效益，煤系中泥页岩气不能作为独立储层，与煤系中煤层气、致密砂岩气等可构成组合储层。

(2)山西省域石炭二叠纪煤系泥页岩有机质为III型干酪根，TOC含量大多位于1%～2%，Ro大多处于1.3%～3.7%，太原组、山西组泥页岩气储层平均厚度71 m，勘探深度1 500 m以浅实测泥页岩含气量大多介于0～2 m3/t，脆性矿物含量介于30%～50%。

(3)基于煤系泥页岩有机质成熟度、总有机碳含量、含气量、埋深、厚度及脆性矿物含量6个参数将山西省域海陆交互相煤系泥页岩储层划分为组合有利储层、组合较有利储层和组合不利储层。

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