徐淮地区二叠系烃源岩地球化学特征及页岩气资源潜力——以宿州3-1钻井剖面为例

0　引　言

我国沉积盆地中普遍发育多类型、多层系的暗色泥页岩，蕴含的页岩气资源潜力巨大。近年来，页岩气勘探在以四川盆地为代表的南方早古生代海相页岩以及以鄂尔多斯盆地为代表的北方陆相页岩中取得了重大突破，而在华北地区广泛发育的晚古生代海陆过渡相泥页岩中尚无进展(陈更生等，2009；陈尚斌等，2010；邹才能等，2011；肖钢等，2012)。目前，在南华北盆地钻的第一口页岩气井——牟页1井，优选太原组、山西组含气层段进行压裂，获得了日产1 200多m3天然气的较稳定气流；河南开封的尉参1井，在石盒子组、山西组、太原组和本溪组钻遇累计厚达465 m的富有机质泥页岩，见69层气测显示，解析气质量浓度达4.5 m3/t，甲烷质量分数达99.09%，显示该区石炭—二叠系海陆过渡相层系页岩气具有良好的勘探前景(郭少斌等，2015；魏晓亮等，2016；邱庆伦等，2017)。

徐淮地区与牟页1井及尉参1井所处地区属于同一构造板块，沉积环境相似，但针对徐淮地区页岩气形成地质条件的研究几乎是空白,尤其是晚古生界二叠系地层发育多套优质泥页岩,沉积厚度较为稳定,分布范围广，这些泥页岩的成气条件如何，页岩气的重点勘探层系及潜力怎样，是否具备页岩气勘探开发的条件？为此,通过对宿州3-1钻孔进行系统采样，建立标准剖面，从有机质丰度、类型和成熟度等地球化学条件方面进行研究,并结合该地区二叠系地层泥页岩的分布、厚度、埋深等进行对比分析,探讨页岩气资源潜力,以指导徐淮地区进一步开展页岩气富集成藏研究工作并圈定勘探靶区。

1　区域地质背景

研究区在大地构造位置上属于华北板块的东南缘，苏鲁造山带的西侧，南距大别造山带约300 km。东缘以郯庐断裂带与扬子板块相接，西至萧县—淮北山地外缘；西北为砀山古陆核(砀山底隆)；北端至丰沛隆起且以丰沛断裂为界；南端至辟卑隆起，以固镇断裂为界。该地区基底呈断块格局,盖层则由断块、褶皱及滑脱构造联合组成(图1)。断块构造表现为由东西及近南北向2组断裂构成菱形格局,起始于基底并向上影响到盖层;褶皱构造南北迥异,蚌埠—太和一线以南,轴向近东西且向南增强,该线以北东西向褶皱仅在基底中略有,盖层褶皱主要呈南北向并向东增强;滑脱构造分布在该区南部淮南煤田的南北边缘及东侧徐州—宿州一线以东地区,分别构成淮南煤田南缘逆冲推覆构造、北缘重力滑覆构造及徐宿地区以推覆为主的复杂滑脱构造(李东平，1993；陈俊，2016)。

图1　徐淮地区构造背景及地理位置 (据陈新军等，2011修改) 1-隆起区；2-造山带；3-二级构造单元分界线；4-坳陷区；5-控盆或控凹断裂；6-区域大断裂 Fig.1　Tectonic setting and geographical location of Xuhuai area (modified from Chen et al., 2011)

据区域地质资料，二叠系仅有徐州地区丰县、贾汪一带有部分出露，自下而上分为二叠系下统山西组和下石盒子组、二叠系上统上石盒子组和石千峰组，除石千峰组外均为重要含煤层位。山西组—上石盒子组沉积环境为海陆过渡相浅水三角洲沉积体系，石千峰组为大陆环境湖泊沉积体系，总厚度大于1 200 m。其上部与中生界白垩系青山组呈不整合接触，下部与石炭系呈整合接触(许鸿基，1999；刁玉杰等，2010；尹玉静，2010；林小云等，2011)。

2　二叠系沉积特征

宿州3-1钻井位于徐淮地区南部，二叠系富有机质层位埋深较浅，不足1 500 m，沉积类型多样，生物化石丰富，海陆交互相古生界地层保存良好，是主要的煤炭和生、储油层，具有较好的油气研究前景。

3-1钻井取样深度为722～1 360 m，终孔层位为石炭系太原组，钻遇太原组地层厚度约5 m,自下而上完全揭露的地层有下二叠统山西组和下石盒子组、上二叠统上石盒子组，石千峰组地层缺失。岩性主要有灰色中细砂岩、黑色泥页岩、黑色炭质泥岩等。从3-1孔地层柱状图(图2)来看，山西组上部为灰黑色泥岩夹煤线，下部为灰黑至黑色泥岩、粉至细砂岩夹煤层,钻遇地层厚度约75 m,泥页岩净厚度约60 m,其中富有机质页岩约26 m。山西组上部与下石盒子组灰白色中—粗粒长石石英砂岩呈整合接触，下部与石炭系上统太原组灰黄色页岩呈整合接触。下石盒子组中上部为灰黑色泥岩与灰色中—细砂岩互层，中间夹煤线；下部为浅灰色铝土质泥岩、灰黑色泥岩夹煤层,钻遇地层厚度约260 m,泥页岩净厚度约144 m,其中富有机质页岩约16 m。下石盒子组上部与二叠系上统上石盒子组灰绿色石英砂岩呈整合接触，下部与山西组砂质泥岩和杂色泥岩呈整合接触。

上石盒子组上部主要为灰绿色、黄褐色泥岩、砂质泥岩和灰白色中细粒砂岩；中部主要为灰绿色、紫红色泥页岩与浅灰色细粒砂岩和粉砂岩互层，中间夹有薄煤层；下部主要以灰绿色、暗色泥页岩和灰绿色、灰白色中细粒砂岩为主。总厚度约930 m。上石盒子组下部与二叠系下统下石盒子组灰白色砂页呈整合接触。

下二叠统山西组煤系泥页岩主要分布在太康隆起、鹿邑凹陷、谭庄—沈丘凹陷、倪丘集凹陷、洛阳盆地和襄城凹陷(陈新军等，2011；林小云等，2011), 徐淮地区仅淮南和淮北一带有部分残留, 全区总体厚度小于80 m, 厚度中心主要集中在研究区北部(图4)。下二叠统下石盒子组煤系泥页岩主要分布在太康隆起、鹿邑凹陷、谭庄—沈丘凹陷、倪丘集凹陷、襄城凹陷、洛阳盆地和板桥凹陷, 大部分地区厚度达百米以上(陈新军等，2011；林小云等，2011)。徐淮地区淮北—宿州一带厚度亦在百米以上，但淮南地区凤深1 井和淮南市附近厚度较小(<50 m)，厚度中心位于淮北和宿州的部分地区。

图2　宿州地区3-1钻井地层柱状图 Fig.2　Stratigraphic column of the Well 3-1 in Suzhou area

从钻井岩芯取样来看(图3)，具有生烃潜力的泥页岩主要集中在二叠系山西组和下石盒子组。

老福告别刘主任回到了家，这回轮到他给母亲布置任务了：“妈，您还能找到罗家的保姆吗？”母亲痛快地答应了。

图3　3-1钻井二叠系地层取芯情况 (a) 太原组岩芯；(b) 山西组岩芯；(c) 下石盒子组岩芯；(d) 上石盒子组岩芯 Fig.3　Cores of the Permian strata in the Well 3-1 (a) cores from the Taiyuan Formation; (b) cores from the Shanxi Formation; (c) cores from the Lower Shihezi Formation; (d) cores from the Upper Shihezi Formation

图4　徐淮地区二叠系山西组页岩等厚图 (据林小云等，2011修改) Fig.4　Isopach map of the shale from the Permian Shanxi Formation, Xuhuai area (modified from Lin et al., 2011)

图5　徐淮地区二叠系下石盒子组页岩等厚图 (据林小云等，2011修改) Fig.5　Isopach map of the shale from the Permian Lower Shihezi Formation, Xuhuai area (modified from Lin et al., 2011)

3　泥页岩地球化学特征

3.1　有机质类型

国内学者根据类型指数对干酪根类型划分标准提出：类型指数Ti≥80，干酪根类型为I型；40≤Ti<40为Ⅱ1型；0≤Ti<40为Ⅱ2型；Ti<0，为Ⅲ型。根据划分标准，徐淮地区地区二叠系泥页岩干酪根主要属于Ⅲ型干酪根。

人力资源是企业内部一笔隐形的财富，如果能够充分利用，对企业的发展和经济效益的提升都会发挥出巨大的帮助。因此，企业应该有意识地为会计电算化部门引进综合性人才，让综合性人才来负责会计电子档案管理工作，在引进人才的时候不仅重视人才的会计知识能力，也要重视会计人员计算机专业知识能力，充分考虑企业自身的经营特点，定期对引进的人才进行再次培养，确保人才能够与时俱进，能够确保单一的“核算人才”朝着“智能人才”方向转变[1]。

按食品种类统计分析，对11类食品663份样品进行细菌学检验，致病菌阳性检出率最高的是乳品及乳制品，为31.71%，检出菌株为蜡样芽胞杆菌；其次为婴幼儿食品，阳性检出率为31.33%，检出菌株为蜡样芽胞杆菌；速冻米面生制品、熟制品，膨化食品，烧烤类食品，冷冻饮品均未检出致病菌。

运用显微组分鉴定干酪根类型主要是根据用胜利油田及美国埃克森美孚石油集团公司提出的各组分的占用比例与分布系数分别相乘再相加得到其类型指数来进行划分。将以上显微组分含量代入类型指数(Ti)计算公式：

Ti=[a×(+100)+b×(+50)+c×(-75)+d×(-100)]/100

此外，作品以含蓄的文体风格凸显出“冰山”的八分之七。作品中无论是景色的描写、人物动作以及人物语言都是简而概之。如“当一大股暗黑色的血沉在一英里深的海里然后又散开的时候，它就从下面水深的地方蹿上来。它游得那么快，什么也不放在眼里，一冲出蓝色的水面就涌现在太阳光下。”这段描写并没有通过比喻或形容词来渲染，但鲨鱼的迅猛、凶狠以及当时紧迫的局势却生动直观地呈现在读者脑海中，使人有身临其境之感。

(1)

式(1)中，a、b、c、d分别表示腐泥组、壳质组、镜质组、惰质组；Ti<0。

不同类型的有机质具有不同的生烃潜力，有机质类型是衡量富有机质页岩地球化学特征的重要质量指标。干酪根是有机质的主体，所以干酪根类型基本上代表了有机质的类型。镜下鉴定是划分干酪根最常用的方法之一，徐淮地区二叠系山西组和下石盒子组煤岩的显微组分以惰质组、镜质组为主,多数超过60%，最高达70%;镜质组次之, 质量分数小于30%;壳质组+腐泥组质量分数一般小于15%。

3.2　有机质丰度

有机质丰度是评价烃源岩有机质数量的一个重要指标，在很大程度上控制着油气分布的有利区域。含气页岩的有机质丰度不但决定了页岩气的生成量，而且影响到页岩气的赋存和富集，从而影响到页岩气的资源丰度(肖钢等，2012)。

通过对徐淮地区3-1钻井泥页岩样品的观察—采集—测试—分析，结果显示总体上wTOC分布在0.10%～8.38%之间，其中山西组和下石盒子组的有机碳含量较高，山西组21个样品wTOC为0.27%～4.42%，平均值为1.54%；下石盒子组30个样品的wTOC为0.17%～8.38%，平均值为0.88%；上石盒子组9个样品wTOC为0.10%～0.58%，平均值为0.30%(图6)。徐淮地区二叠系泥页岩有机质丰度山西组最高，其次为下石盒子组，最后为上石盒子组。结合钻井岩芯样(图3)也可以看出，徐淮地区下石盒子组泥页岩颜色整体偏浅，以浅灰至灰色为主，整体有机质丰度较低，有效的富有机质泥页岩层段发育在山西组和下石盒子组,距离煤层或煤线近的泥页岩样品有机碳含量较高，且有机质丰度随着埋深的增加呈现逐渐增加的趋势(图7)。从3-1孔有机地球化学图(图8)可以看出，3-1孔二叠系存在2段具有一定生烃潜力的优质烃源岩段，分别为山西组1 330.00～1 356.00 m处，厚度为26.00 m；下石盒子组1 240.85～1 257.00 m处，厚度为16.15 m。

作业布置要严格控制总量。作业量太大容易使学生丧失对作业应有的良好情绪，造成兴趣衰退，甚至产生厌学心理；作业量过少，学生浅学辄止，也难以达到巩固掌握知识的目的。

图6　二叠系泥页岩TOC分布直方图 1-山西组(样品数21)；2-下石盒子组(样品数30)；3-上石盒子组(样品数9) Fig.6　Distribution histogram of TOC content in the Permian mud shale

3.3　有机质成熟度

泥页岩中石英、长石、方解石等脆性矿物含量越高，在后期开采压裂中越能形成树状或网状结构的天然裂缝和渗导裂缝，越有利于页岩气开采。

根据样品测试结果，3-1孔二叠系泥页岩镜质体反射率(Ro)为1.64%～2.32%。其中山西组泥岩Ro为2.08%～2.32%，平均值为2.18%；下石盒子组泥岩Ro为1.64%～1.90%，平均值为1.78%。与淮南地区相比(郑凯歌，2014)，泥页岩的成熟度整体普遍偏高，主要是由于火成岩侵入造成的测试结果偏差(表1)。从整体上看，山西组和下石盒子组处在成熟至高成熟阶段，有利于页岩气扩散和渗流。通过对热演化程度的分析，二叠系有利于页岩气藏的主要层位为山西组和下石盒子组。

表1　山西组和下石盒子组Ro统计结果 Table 1　Statistics of Ro in the shale of the Shanxi and the Lower Shihezi formations

层位位置孔号Ro/%最小值最大值平均值山西组宿州淮南3⁃12．082．462．25水21．321．321．3210⁃20．880．910．8912⁃20．920．940．93下石盒子组宿州淮南3⁃11．641．901．78水21．121．181．1610⁃20．810．820．8112⁃20．961．081．02

4　泥页岩储集特征

4.1　储层空间类型

本文利用古特曼(1976)所给出的中尺度二维定常问题的数学模型,对非对称地形给出了大气运动解析解;并对不同地形高(深)度以及不同的Froude数对大气运动的影响做了讨论。主要结论有:

根据扫描电镜分析结果，徐淮地区二叠系山西组和下石盒子组的暗色泥页岩主要储集空间类型为裂缝(图9)，主要分布在泥页岩层面交界处。裂缝不仅为页岩气聚集成藏提供空间，更主要的是提高了储层的渗透性，改善储层中天然气的可采性，有效提高了页岩气的产量，其成因与页岩中的脆性矿物含量及后期构造运动改造有密切关系。

徐淮地区黑色泥页岩除了广泛发育裂缝之外，有机质孔隙和晶间微孔隙也十分发育，孔隙的大小为2～10 μm，对储层的贡献仅次于裂缝，这些孔隙有着连通有机质孔隙和矿物质的作用，使生成的页岩气通过连通路线运移到各个孔隙赋存，对研究区有重要意义。

4.2　泥页岩脆性矿物含量

成熟度是描述有机质向油气转化的热演化反应程度。泥页岩中有机质的热演程度决定了生排烃史，也控制了油气的成藏过程，对油气的形成有着重要的作用。在油气勘探中，镜质体反射率作为评价烃源岩成熟度的最佳方法被广泛采用。

区内泥页岩主要组成矿物为石英，长石较少，以斜长石为主，石英+长石质量分数为15%～45%，平均值为30%；黏土矿物质量分数45%～65%，平均值为52%。黏土矿物主要为伊利石，部分样品含绿泥石和少量次生蒙脱石，见少量黄铁矿。石英、长石等脆性矿物是控制储层裂隙系统发育的重要因素，研究区泥页岩中脆性矿物含量不高，不利于后续开发过程中压裂工作的顺利实施。

图7　宿州3-1钻井山西组(a)和下石盒子组(b)TOC随深度变化图 Fig.7　TOC content variation with depth in the Shanxi Formation (a) and the Lower Shihezi Formation (b) of the Well 3-1, Suzhou area

图8　宿州地区3-1孔地球化学柱状图 Fig.8　Geochemical column of the Well 3-1, Suzhou area

图9　研究区孔隙特征 (a) 有机质孔；(b) 黄铁矿晶间孔；(c) 层间裂缝；(d) 石英矿物间缝隙 Fig.9　Pore characteristics in the study area (a) organic matter core； (b) the intergranular pore of pyrite； (c) fissure among the strata； (d) fissure among quartz mineral

5　页岩气资源潜力

根据3-1钻孔揭示的情况,结合徐州贾汪区、九里区、沛县、王楼等主要矿区钻井资料,下石盒子组—山西组的顶界埋深为1 000～1 300 m，推测研究区内二叠系主体泥页岩埋深为1 000～1 500 m。迄今为止,具有商业价值的页岩气藏的页岩厚度和埋深尚没有明确的界限,但它们直接影响开发效益,如北美产气页岩厚度最小为6 m(Fayetteville),最大为304 m(Marcellus),核心区有效岩页岩厚度均大于30 m。对于页岩气藏来说，含气孔隙度、吸附含气量、有机质成熟度、净厚度、有机碳含量是5个相互补充的条件，当其他4个条件优越时，页岩厚度可以适当降低，随着页岩气开发技术的进步，具有经济价值的页岩气藏的有效厚度可能降低到10 m 。

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在上述研究的基础上,从页岩气形成的基本条件和控制因素出发,即综合考虑古生界地层页岩埋藏深度、富有机质泥页岩厚度、有机质类型、有机质丰度及成熟度等因素(吴浩等，2013；顾忠安等，2014),认为目前研究区二叠系较有利于页岩气勘探的目的层位为二叠系山西组和下石盒子组，且山西组比下石盒子组更有利于页岩气的勘探开发。这2 套地层暗色泥页岩的特点是:① 有机质丰富,煤层或煤线附近的泥岩普遍wTOC≥2%(下石盒子组相对偏低，wTOC普遍为1%～2%),个别泥页岩wTOC>10%,具有形成页岩气的良好物质基础；② 山西组—下石盒子组有机质处于成熟至高成熟阶段,泥页岩类型为Ⅲ型干酪根，富含偏腐殖有机质, 有利于天然气的生成；③ 山西组—下石盒子组地层稳定，分布面积广,基本覆盖了徐淮大部分地区,厚度通常>30 m,部分为上百米的优质泥页岩；④ 埋深适中,大多数埋深为1 000～1 500 m,这些都是徐淮地区二叠系页岩气勘探开发的有利条件，关键是要厘定这2 套地层富有机质泥页岩的厚度和分布范围,进而选定原地气量富集靶区实施钻探。

徐淮地区二叠系页岩气资源潜力比较大，但还有一些制约页岩气富集及开发效率的关键因素尚不清楚。研究区在区域上属于南华北盆地，该地区海陆交互相泥页岩中黏土矿物质量分数较高，均值可达50%～57%，脆性矿物含量较少，这对于后期泥页岩气的开发是不利因素。此外，该地区为海陆交互相泥页岩地层，岩相变化快，单层厚度薄，平均厚度一般<15 m，常与煤和致密砂岩互层，单独开发该套薄层煤系页岩气在成本和技术上将面临很大的挑战，进行页岩气、致密气、煤层气等多目的层联合开发是有效的新途径。但要区别对待，单层泥页岩有效厚度>10 m(砂或煤夹层<2m)，累积厚度>30 m时，可以单独进行页岩气开发; 单层泥页岩有效厚度<10 m(砂或煤夹层>2 m)，如果砂或煤不含水或含水较少的情况下，可以进行页岩气、致密气、煤层气“三气”联合开发，反之则没有开发意义。由于徐淮地区未进行系统的页岩气勘探开发工作，没有相关的实验性生产或测试数据,在此仅对其二叠系页岩气资源潜力进行初步探讨，且由于资料有限，故二叠系页岩气资源潜力有待于进一步深究。

6　结　论

(1) 徐淮地区二叠系有效的富有机质泥页岩层段发育在山西组和下石盒子组，与南华北盆地其他地区相比，地层稳定，分布范围应该比较广。

(2) 二叠系有形成页岩气的良好物质基础，有效的富有机质泥页岩层段发育在煤层或煤线附近，山西组泥页岩TOC较高，一般wTOC≥2%，为好的烃源岩；下石盒子组相对偏低，wTOC普遍在1%～2%之间，为一般烃源岩；镜质体反射率适中，有机质处于成熟至高成熟阶段，主要为Ⅲ型干酪根；孔隙和裂隙发育，脆性矿物含量不高，不利于后期压裂。

从财政资金投向上，对龙头企业、合作社以及种植大户等新型经营主体进行土地、附属设施用地、资金的倾斜，强化合作社的带动作用；鼓励龙头企业对贫困户的农产品、初加工制品进行大力收购，引导企业规模化发展，提供更多就业岗位；对企业吸纳贫困户数量、脱贫质量进行奖励，特别是对于农民合作社、产业化龙头企业、家庭农场等进行“产+销”补贴。

(3) 徐淮地区二叠系具有较大的页岩气资源潜力，但目前尚未开展相关实验性生产或测试，且资料有限，故二叠系页岩气资源潜力有待进一步深究。

参考文献

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