石油、天然气工业鄂尔多斯盆地延安地区山西组页岩储层特征及勘探潜力

李富康; 刘帅; 孙建博; 文静; 赵卫卫; 赵谦平; 史鹏; 曹文琦; 祁攀文; 吕园

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2505639

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (18) :7641-7654 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2505639

石油、天然气工业

石油、天然气工业鄂尔多斯盆地延安地区山西组页岩储层特征及勘探潜力

李富康 ¹ ,
刘帅 ¹ ,
孙建博 ¹^,^* ,
文静 ² ,
赵卫卫 ³ ,
赵谦平 ¹ ,
史鹏 ¹ ,
曹文琦 ¹ ,
祁攀文 ¹ ,
吕园 ¹

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Shale Reservoir Characteristics and Exploration Potential of Shanxi Formation in Yan’an Area, Ordos Basin

LI Fu-kang ¹ ,
LIU Shuai ¹ ,
SUN Jian-bo ¹^,^* ,
WEN Jing ² ,
ZHAO Wei-wei ³ ,
ZHAO Qian-ping ¹ ,
SHI Peng ¹ ,
CAO Wen-qi ¹ ,
QI Pan-wen ¹ ,
LÜ Yuan ¹

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摘要

鄂尔多斯盆地山西组页岩储层黏土矿物含量高且岩相变化快、热演化程度高、储集性能较差,储层特征认识不清富集规律不明制约了山西组页岩储层有利层段优选。基于延安地区7口实钻井测井数据分析、扫描电镜、孔渗分析、含气量测试、氮气吸附测试、甲烷吸附测试与岩石力学测试等实验对延安地区山西组页岩储层特征及其勘探潜力进行评价,结果表明:山西组页岩矿物组成复杂,石英含量平均为30.3%,黏土矿物含量平均为65.8%。有机质类型以Ⅲ型为主,镜质体反射率(vitrinite reflectivity,Ro)平均为2.64%,处于过成熟阶段, 总有机碳(total organic carbon,TOC)平均为2.12%。孔隙度平均为2.94%,渗透率平均为0.017 3×10^-3 μm²。扫描电镜结果显示页岩样品发育4类微观孔隙,包括有机质孔隙、粒间孔、粒内孔、微裂缝等。微观孔隙结构以微孔、介孔为主,孔隙类型以半封闭孔为主。样品断层扫描(computed tomography,CT)扫描显示岩石内部发育“主体连通孔隙群-孤立微孔隙” 的二元结构,存在优势孔隙发育区。山西组页岩甲烷等温吸附量为0.50~2.38 m³/t,现场解析含气量为0.04~16.86 m³/t,可采系数平均为81.4%。山西组页岩具有杨氏模量高、泊松比低、抗压强度适中特点,具备形成复杂缝网的潜力。结合山西组页岩成熟的热演化程度、良好的生烃条件、吸附性能与可压性基础,构成了页岩气成藏的核心要素,加上山西组内部煤层的气源补充,具有良好的勘探潜力。山 2 段富有机质层系及高含气优势岩相区是下步勘探的潜力层段。

Abstract

The shale reservoir of Shanxi Formation in Ordos Basin has high clay mineral content, fast lithofacies change, high thermal evolution degree and poor reservoir performance. The unclear understanding of reservoir characteristics and the unclear enrichment law restrict the optimization of favorable intervals of shale reservoir in Shanxi Formation. Based on the logging data analysis, scanning electron microscopy, porosity and permeability analysis, gas content test, nitrogen adsorption test, methane adsorption test and rock mechanics test of 7 wells in Yan’an Area, the characteristics and exploration potential of shale reservoirs in Shanxi Formation in Yan’an area were evaluated. The results show that the mineral composition of shale rocks in Shanxi Formation is complex, with an average quartz content of 30.3% and an average clay mineral content of 65.8%. The type of organic matter is mainly type III, the average organic Ro(vitrinite reflectivity) is 2.64%, which is in the over-mature stage, and the average TOC (total organic carbon)is 2.12%. The average porosity is 2.94%, and the average permeability is 0.017 3×10^-3 μm². Scanning electron microscopy results show that shale samples develop four types of microscopic pores, including organic matter pores, intergranular pores, intragranular pores, and microfractures. The microscopic pore structure is dominated by micropores and mesopores and the pore type is mainly semi-closed pores. CT(computed tomography) scanning shows that the dual structure of main connected pore group-isolated micropore’ is developed in the rock, and there is a dominant pore development area. The isothermal adsorption capacity of shale methane in the Shanxi Formation is 0.50~2.38 m³/t,the on-site analytical gas content is 0.04~16.86 m³/t, and the average recovery coefficient is 81.4%. The shale of Shanxi Formation has the characteristics of high Yang’s modulus, low Poisson’s ratio and moderate compressive strength, and has the potential to form complex fracture network. Combined with the mature thermal evolution degree, good hydrocarbon generation conditions, adsorption performance and compressibility basis of Shanxi Formation shale, it constitutes the core element of shale gas accumulation. In addition, the gas source supplement of coal seam in Shanxi Formation has good exploration potential. The organic-rich strata and high gas-bearing dominant lithofacies of Shan 2 member are the potential strata for further exploration.

Graphical abstract

关键词

页岩 / 山西组 / 储层特征 / 勘探潜力 / 鄂尔多斯盆地

Key words

shale / Shanxi Formation / reservoir characteristics / exploration potential / Ordos Basin

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李富康, 刘帅, 孙建博, 文静, 赵卫卫, 赵谦平, 史鹏, 曹文琦, 祁攀文, 吕园. 石油、天然气工业鄂尔多斯盆地延安地区山西组页岩储层特征及勘探潜力[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(18): 7641-7654 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2505639

LI Fu-kang, LIU Shuai, SUN Jian-bo, WEN Jing, ZHAO Wei-wei, ZHAO Qian-ping, SHI Peng, CAO Wen-qi, QI Pan-wen, LÜ Yuan. Shale Reservoir Characteristics and Exploration Potential of Shanxi Formation in Yan’an Area, Ordos Basin[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(18): 7641-7654 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2505639

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在全球油气需求持续增长的时代背景下,油气勘探开发理论与技术不断深化,以页岩气为典型代表的非常规油气资源,正逐渐成为全球油气勘探开发领域的研究热点与竞争高地^[1-4]。以四川盆地埋深3 500 m的海相页岩气为重点,中国2024年页岩气产量达到250×10⁸ m³^[5-6]。鄂尔多斯盆地山西组地层内广泛发育泥页岩与多套煤层,具有良好的资源禀赋^[7]。近年来,延安地区YunY-P4、YunY-P5试气单井日产气量分别获得6.3×10⁴ m³、5.8×10⁴ m³,展现出山西组页陆相页岩气良好的勘探前景^[8]。然而, 同区块YY2井、YunY2井的试气产量不高,与四川盆地海相页岩相比,山西组页岩具有“中低TOC(total organic carbon)、高黏土、多夹层、高演化”非均质性强的特点,面临“生储机理不明、富集规律不清、甜点识别与压裂改造难度大”等难题,对山西组页岩气勘探开发造成了困难与挑战^[9-12]。

页岩气属于自生自储型气藏,烃类组分通常赋存于岩石的微米-纳米孔隙中,因此页岩层系的储层特征评价直接决定了其储集性能及资源潜力^[13]。付金华等^[14]和郭少斌等^[15]通过对山西组富有机质泥页岩样品开展有机地球化学、物性特征等实验测试分析其数理统计及测井响应。白耀龙等^[8]和赵卫卫等^[16]研究了延安地区山西组岩相类型、岩石类型、沉积相展布研究及孔隙结构特征。覃小丽等^[17]、王宁等^[18]和赵帮胜等^[19]通过两口页岩气探井的泥页岩样品沉积地球化学特征与有机质保存条件研究,认为山西组沉积水体富氧,缺少有机质保存条件,不利于后期生烃,但该两口探井位于甘泉南部地区,控制范围小,不具有代表性。段逸飞等^[20]研究了延安地区山西组页岩气的源储特征及成藏过程并探讨聚集机理。前人主要开展了山西组页岩的成藏过程与沉积学内容,并未结合实际的生产要素开展系统的勘探潜力评价,关于系统性表征、可压性评价与勘探潜力方面缺乏深入研究。

因此,聚焦于延安地区山西组现场钻井岩心样品,现通过X矿物衍射、有机地化实验、高压压汞、扫描电镜、岩石力学实验、含气量测定等测试,对延安地区山西组页岩开展了岩石学特征、物性及孔隙结构,含气性及可压性等研究,并分析其勘探潜力,以期为研究区山西组页岩储层靶体优选提供参考,满足生产需求。

1 地质背景

鄂尔多斯盆地位于中国西北部,华北地台西部,盆地面积约25×10⁴ km²,整体呈南北走向展布,是典型多旋回叠合的克拉通陆相沉积盆地^[21-22]。延安地区位于鄂尔多斯盆地东南部,处于伊陕斜坡构造单元,鄂尔多斯盆地区域构造位置如图1(a)所示^[23-24]。伊陕斜坡形成于早白垩世,并占据盆地中部大部分区域,是盆地内主要的沉积成藏区域,在不同湖盆稳定沉降扩张期沉积了多套厚度较大的湖相富有机质页岩,具有页岩气富集成藏的良好基本地质条件和巨大潜力^[25-26]。

鄂尔多斯盆地二叠系山西组以亚热带温湿气候条件下发育海陆过渡-曲流河三角洲沉积体系,以曲流河三角洲前缘沉积为主,大范围处于水下环境中,几乎不发育三角洲平原亚相^[27]。山西组主要以陆相沉积为主,厚度整体较为稳定,一般为90~130 m,地层内广泛发育黑色页岩、碳质泥岩、浅灰、灰白色砂岩、灰黑色泥页岩、煤层,具备良好的岩性组合特征,该段页岩是页岩气的主要赋存层段,如图1(b)所示^[28]。

2 样品与实验方法

2.1 实验样品

所研究样品采集于鄂尔多斯盆地延安地区YunY3、YunY4、YunY5、Q56、C88、YY2、C96多口探井[图1(a)]。采集样品层段集中于山西组页岩层段,采样井主要分布于延安地区东部。采集样品包括黑色页岩、灰黑色泥页岩、碳质泥岩、灰色粉砂质泥页岩、煤块等。

2.2 实验方法

针对延安地区探井山西组页岩采集样品开展了样品观察、描述、测试分析。对所采样品开展了XRD-全岩矿物及黏土矿物分析、有机碳含量分析、等温吸附、高压压汞、扫描电镜、孔渗分析、现场解吸等测试,分析山西组页岩其储层岩石矿物学、地球化学、物性及吸附性特征,联合现场含气量解析测试与可压性特征,评价延安地区山西组页岩的勘探潜力。

各项实验测试在四川省科源工程技术测试中心开展。XRD-全岩矿物及黏土矿物分析采用X衍射仪(荷兰帕纳科,X’Pert Powder),测试遵循行业标准《沉积岩中黏土矿物和常见非黏土矿物X衍射分析方法》(SY/T 5163—2018)执行;镜质体反射率测定采用蔡司偏光显微镜、显微分光光度计,测试遵照行业标准《沉积岩中镜质体反射率测定方法》(SY/T 5124—2012)执行; 孔渗检测采用PHI-220型自动孔隙度测定仪,遵循国家标准《岩心分析方法》(GB/T 29172—2012)执行。纳米CT实验采用phoenix nanotom m纳米CT扫描仪,在110 kV电压,100 μA电流,分辨率1 μm,投影数量1 300个的测试条件下通过锥束X射线穿透样品,得到大量X射线衰减图像重构出的三维立体模型。等温吸附测试采用Rubotherm磁悬浮天平等温吸附仪,测试遵循国家标准《页岩甲烷等温吸附测定重量法》(NB/T 10117—2018)执行;现场解吸含气量(解吸气、损失气、残余气)采用页岩气含量全自动PVT定容现场解吸仪,测试遵循行业标准《页岩含气量测定方法》(SY/T 6940—2020); 岩石力学实验采用TAW-1000 深水孔隙压力伺服实验系统, 20 MPa围压条件下开展三轴应力实验。

3 山西组页岩储层地质特征

3.1 矿物组分特征

共选取YunY3、YunY4、YunY5、Q56、C88共计5口探井、完成全岩矿物衍射试验55件、XRD-黏土矿物衍射试验65件。实验结果表明,延安地区山西组页岩矿物成分复杂,含黏土矿物、石英石、斜长石、方解石、白云石、菱铁矿、黄铁矿等,但整体来看平均矿物组成相似[图2(a)],均以黏土矿物为主,其次为石英。其中,黏土矿物含量介于48%~84%,平均为65.80%;石英石含量介于13%~46%,平均为30.29%;其他矿物包括长石(钾长石+斜长石)、碳酸盐矿物(白云石+方解石)、铁矿石(菱铁矿+黄铁矿)含量较低,分别平均为1.87%、1.75%、0.55%;黏土矿物组成相似[图2(b)],主要以伊利石和高岭石为主,含量平均为33.42%与40.73%,其次为少量绿泥石与伊蒙混层,伊蒙混层中主要以伊利石层为主,平均可占到93.11%,标志着成岩演化进入晚成岩阶段。页岩的矿物组成对页岩气成藏及开发有紧密的影响,在北美及四川的优势页岩海相沉积环境,脆性矿物含量高,有利于形成天然裂缝与后期压裂造缝,并且石英等脆性矿物的颗粒支持能提供良好的孔渗条件,为油气的运移与储集提供通道与空间^[29-30]。研究区所在陆相沉积环境下,矿物组分中黏土矿物含量高,脆性矿物含量较少,对开发工艺提出了更高的挑战与要求^[31-32]。

3.2 有机地球化学特征

3.2.1 有机质丰度

页岩中有机质不仅是形成烃类组分的物质基础,还是烃类气体的吸附储集空间,同时,有机质发育的有机质孔隙对储集空间亦有贡献^[33-35]。通过对研究区Q56、YunY3、YunY4、YunY5及C96井5口探井共计63块样品进行TOC的测定分析(图3)显示:研究区山西组泥页岩的TOC介于0.09%~10.8%,平均为2.12%,远高于中国页岩气地质评价方法湖湘页岩气标准(TOC≥1.0%),有良好的页岩气生烃潜力基础,其中山2段平均为2.77%(N=41),高于山1段的0.89%(N=22),属于富有机质优质页岩层系。

3.2.2 有机质类型

对延安地区C96井山西组共计19块样品进行干酪根显微组分鉴别(图4),结果显示:样品干酪根显微组分主要以富氢组分的壳质组与镜质组为主,并含有镜质组,未见主要来源于藻类的腐泥组。TI类型分布于-48~-22,显示有机质类型划分为Ⅲ型,在埋藏一定深度的情况下,易于生气,有利于页岩气聚集成藏。

3.2.3 有机质成熟度

作为油气生成的物质基础,有机质需要达到一定的热演化程度,才能热解生烃,并赋存于页岩层系中^[36-37]。同时,根据有机质热演化不可逆的特性,且镜质组反射率(R_o)具有相对稳定与广泛的性质。选取研究区的5口探井共计35块样品,进行镜质体反射率的测定,测试结果的变化范围为2.20%~3.24%,平均为2.64%,个别样品大于3.0%,判断出本套页岩层系有机质演化程度进入过成熟,即深部高温生气阶段,干酪根裂解生成大量干气。山西组页岩的镜质体反射率R_o与样品的埋藏深度呈现较好的相关性趋势(图5)。

3.3 储层物性及孔隙特征

3.3.1 孔渗特征

页岩气通常以游离态、吸附态赋存于页岩层系中的孔隙中,因此,页岩物性特征不仅控制着页岩气的运移成藏,还决定了页岩储层未来开发阶段的产能与采收率^[38-39]。相对于砂岩储层与碳酸盐岩储层,页岩由于其大量发育nm~μm级别孔隙与细粒沉积的特点,物性特征呈现特低孔特低渗的特征^[35,40]。采用氦气膨胀、压力脉冲法分别测定了C88井9块样品的孔隙度与渗透率。页岩氦气测定孔隙度结果显示(表1):研究区山西组页岩样品孔隙度介于为2.07%~4.86%,平均为2.94%。压力脉冲法测得的渗透率介于0.003 1×10^-3~0.050 9×10^-3μm²,平均为0.017 3×10^-3 μm²。实测孔隙度均值高于中国页岩气地质评价方法湖相页岩气标准(孔隙度>2%),实测渗透率极低属于特低渗储层。综合地质条件来看,山西组页岩孔隙度较高,提供了良好的储集空间。但山西组地层埋藏较深,为2 100~3 000 m,成岩演化过程中,颗粒间压实作用强烈,导致孔喉变窄且黏土矿物发育造成孔喉堵塞,渗透率变低。因此,在该地区的页岩气开发生产中,必须依靠大规模压裂改造以提升以打通油气运移通道。

3.3.2 储集空间特征

页岩气通常以吸附态赋存于页岩层系的有机质孔、无机矿物孔及微裂缝等多种储集空间中。不同的孔隙类型对页岩油气的赋存状态产生不同地质意义、同时对压裂施工及气藏开发有着决定性的影响^[41-43]。延安地区山西组页岩微观孔隙类型丰富,通过扫描电镜观察,并借鉴参考Loucks等^[44]页岩微孔隙储集空间分类方案,将研究区页岩孔隙类型划分为有机质孔隙、无机矿物孔、微裂缝。无机孔又划分为粒间孔、粒内孔、黄铁矿晶间孔与黏土矿物层间孔。

有机质孔隙是有机质热解生烃并排烃后形成的孔隙,研究区山西组页岩R_o平均值为2.64%,处于过成熟阶段,因此有机质孔隙大量发育,孔径分布在1.5 nm~4.1 μm,孔隙形态多样,具有不规则状、椭圆状、长条状等多种形态[图6(a)~图6(c)],在扫描电镜下常呈孤立态,但在三维下孔隙间是相互连通的。

粒间孔是压实作用过程中矿物颗粒间相互支成所形成的孔隙,通常在浅埋藏阶段的储层中较为发育,在研究区山西组泥页岩中,埋深较深且上覆压力增大,加之成岩、压实、胶结作用下被不断破坏与压缩。山西组页岩粒间孔主要为黏土矿物层间孔[图6(d)]、片间孔以及黄铁矿晶间孔[图6(e)],孔径分布在50~5 000 nm,孔隙形态为三角形、多边形、狭缝型。同时,长石与石英等矿物的周边胶结作用亦会影响粒间孔的发育。粒内孔是由后期成岩改造发生溶蚀作用发育在矿物颗粒内部的孔隙。当页岩达到一定埋深与温度,有机质大量热解生烃释放有机酸,对储层中石英、长石等易溶于有机酸的无机矿物产生溶蚀作用,形成粒内孔[图6(r)],山西组页岩粒内孔孔径分布5~2 000 μm,孔隙形态呈近圆状、三角形及不规则多边形。在山西组页岩成岩作用过程中,稳定性差的黏土矿物在向伊蒙混层的转化过程中也形成了大量黏土矿物晶间孔、层间孔。

山西组页岩微裂缝是在微构造作用下产生的纳米及微米级裂缝,主要以黏土矿物片间缝、构造微裂缝为主,如图6(g)~图6(i)所示。微裂缝对于页岩储层的物性特征起关键作用,不仅能为油气赋存提供场所,还是主要的运移通道,对页岩气的渗滤起到积极影响。页岩储层中的有机质排烃也会产生裂缝以及不同岩性下微裂缝的发育程度也不同。

3.3.3 孔隙结构特征

对YY2井的S-1(2 528 m)与S-2(2 586 m)以及YunY3井S-3(2 512.5 m)样品进行了采用高压压汞测试;结果显示样品曲线形态接近,进汞饱和度平均为86.43%,残留汞饱和度平均为41.82%,在毛管压力从0 MPa上升到1 MPa的过程中,汞饱和度依然为0 MPa,压力大于1 MPa后,进贡曲线迅速爬升,汞进入了瞬时封闭转为开放的孔隙(图7),说明研究区山西组泥页岩几乎不发育宏孔,微孔与介孔较为发育。退汞后压力降低,孔隙闭合,大量汞残留于孔隙无法排出,显示孔隙连通性较差。

针对研究区山西组页岩,还进行了40样次低压液氮吸附试验。绝大部分样品吸附脱附曲线形态与Y108-3样品曲线[图8(a)]形态相似,根据国际理论化学与应用化学协会(International Union of Pure and Applied Chemistry,IUPAC)的分类方案,研究区山西组页岩氮气吸附等温线属于Ⅱ型,吸附质分压(P)与吸附质饱和蒸气压(P_o)的比值:相对压力(P/P_o)从0上升到0.9,吸附曲线上升缓慢,相对压力从0.9上升至1时,吸附曲线迅速爬升,呈现了氮气由单分子层向多分子层吸附过渡,并最终发生毛细凝聚现象。吸附曲线与解吸曲线近乎重叠,没有明显吸附回线与拐点,显示微观孔隙系统主要发育半封闭孔,并存在连续的孔隙系统。所有样品中,仅有Y336-6样品出现明显拐点[图8(b)],显示内部存在细颈瓶状孔。

根据低温液氮吸附实验数据采用BJH方法获得山西组页岩的比表面积与孔体积。测试结果显示:BJH总孔体积介于3.6×10^-3~10.0×10^-3 cm³/g,平均为7.1×10^-3 cm³/g;比表面积介于1.177~2.641 m²/g,平均为1.876 m²/g;氮气吸附量介于2.1748~6.521 1 cm³/g,平均为4.561 3 cm³/g;平均孔隙直径介于14.62~23.9 nm,平均为19.32 nm。综合高压压汞与低温液氮吸附实验可以得出:研究区山西组页岩孔隙中主要以微孔(<2 nm)和介孔(2~50 nm)占主导,对孔体积与比表面积的贡献大,孔类型主要为半封闭的不透气孔。

纳米 CT 能实现纳米级分辨率成像,清晰呈现页岩中纳米级孔隙形态、大小、分布及连通性。因此,对研究区山西组页岩样品进行了纳米CT实验,通过扫描到的吼道与孔隙形成的球棍网络模型图[图9(a)]可见大量红色孔隙节点通过喉道连接线形成复杂渗流网络,部分长喉道连接形成多级分支,形成油气运移的主要通道,而小尺寸喉道则填充于孔隙密集区,构成局部分支网络,影响流体在微孔隙群内的运移,但局部存在无连接的红色节点,为孤立孔隙。通过孔隙提取模型图[图9(b)]可见:红色区域为主要孔隙发育区,呈现连续块状分布,占据模型主体空间,为页岩中的有机质孔隙或粒间孔隙密集带,局部可见不规则的 “手指状” 或 “树枝状” 延伸,可能为裂缝-孔隙系统的过渡带;蓝色区域以零散点状或小团状分布于红色主体孔隙周边及模型边缘,可能代表孤立的微孔隙或矿物内孔隙。整体孔隙分布具有 “主体连通孔隙群-孤立微孔隙” 的二元结构,存在优势孔隙发育区,与有机质富集或无机矿物孔隙发育有关。红色主体孔隙的延伸连续性更强,而垂直方向上孔隙分布密度降低,显示孔隙发育存在一定的方向性,与页岩层理或矿物定向排列相关,进而影响流体渗流的各向异性。从渗流模型图[图9(d)]显示:流线在进入模型初期,红色和绿色流线分布于中上部,路径较分散且存在分支,说明沿垂直方向(立方体轴向)受到强横向渗流阻力较大,整体渗流具有显著的各向异性,但中下部流线集中,大孔隙控制主渗流方向,与前期孔隙喉道模型中 “主干喉道沿特定方向发育” 的特征一致。岩石内部发育的连续优势渗流通道是决定储层产能的关键,其发育程度与前期孔隙网络模型中的大喉道主干网络直接相关。结果显示:研究区山西组页岩虽然吼道间的连通性较好,但储层本身的强非均质性与特低渗的特性,影响流体的运移效率,还需定向压裂沟通优势渗流带。

3.4 吸附性及含气性特征

3.4.1 吸附性特征

页岩气中的大量烃类气体通常以吸附态赋存于页岩储层微观孔裂隙表面上,与煤型气具有相似的单分子层吸附机理。因此,等温吸附特征是页岩气勘探与评价其资源可采性的必要参数^[45-46]。采用Langmuir模型通过等温吸附法用来计算研究区页岩在不同压力条件下的最大吸附气量。对研究区C88井山西组共计7块页岩样品在0~27 MPa压力、80 ℃实验温度下,采用CH₄进行了等温吸附实验。结果显示:随着压力增大,样品的甲烷吸附量整体呈上升趋势(图10),符合甲烷吸附的一般规律。研究区山西组页岩具有良好的CH₄吸附能力,吸附量介于为0.50~2.38 m³/t,平均为1.59 m³/t;兰氏体积介于0.76~2.83 m³/t,平均为2.04 m³/t;兰氏压力介于5.01~13.58 MPa,平均为8.29 MPa。不同样品吸附性能悬殊,受页岩孔隙结构、有机质等影响, C88-1样品与C88-6的兰氏体积,兰氏压力差异明显,显示储层强非均质性,勘探开发需识别优质储层段。C88-1所在储层吸附量高、兰氏体积高,兰氏压力低,页岩储层甲烷存储容量大、低压吸附易启动,开发时在较低压力就能解吸产气,是页岩气勘探开发优先靶区。

3.4.2 含气性特征

现场解析含气量由解析气、损失气及残余气三部分组成,有效反映在地层实际环境的含气性特征,对储层评价及后期储量计算提供依据^[47-48]。对研究区山西组页岩C88、YY2、C96三口探井共计82块样品在地层温度下进行现场解析、粉碎解析后样品并通过USBM法回归分别求得解析气、残余气、损失气的含量。结果显示(表2和图11):山西组页岩样品含气量介于0.04~16.86 m³/t,平均值为0.96 m³/t,接近中国页岩气地质评价方法湖相页岩气标准(含气量>1 m³/t)。大部分样品的含气量小于1 m³/t,但结合岩性发现,通常在碳质泥岩、砂质夹层及煤线附近均可获得良好的含气量,如C96井的2 659.9 m处样品含气量良好,可达10.1 m³/t,岩性为黑色碳质泥岩夹煤线。引入了引入可采系数(L)对研究区山西组页岩气进行可采性评价^[48],即

(1)

$\mathit{L}=\frac{\mathit{a}+\mathit{b}}{\mathit{a}+\mathit{b}+\mathit{c}}$

式(1)中:L为可采系数,无量纲;a为损失气量,m³/t;b为解吸气量,m³/t;c为残余气量,m³/t。

计算得出研究区山西组页岩可采性良好,可采系数变化范围为21.1%~98.3%,平均值为80.2%,大部分样品可采系数大于70%,有利于页岩气的生产采出。总体来看,受制于低孔低渗的物性条件,研究区山西组页岩的含气量一般,但在优势岩相下可取得良好的含气量。

3.5 可压性评价

页岩储层的可压性表征能否被有效压裂的难易程度。研究区山西组储层属于低孔超低渗储层,必须经过压裂改造形成更多有效的渗流通道,提高采收率,从而实现经济开发^[49-50]。因此,页岩储层的可压性评价也是筛选有利勘探层段的重要指标。脆性指数是可压性评价的本质参数,通过全岩矿物含量计算脆性指数公式:脆性指数=(矿物总含量-黏土矿物含量)/矿物总含量。根据前文全岩矿物实验结果计算得出:研究区山西组的脆性指数介于0.16~0.52,平均值为0.342,整体处于中等脆性水平,具备一定的可压性基础。研究区山西组页岩YunY3、YunY4井共9块样品的岩石力学测试分析显示,山西组页岩杨氏模量介于25.08~40.41 GPa,平均值为35.57 GPa;泊松比介于0.121~0.262,平均值为0.215;抗压强度介于95.90~280.07 MPa,平均值为211.44 MPa;力学实验数据显示:研究区山西组页岩杨氏模量较高,岩石刚性较强,在外力作用下易产生脆性破裂,有利于形成复杂缝网。泊松比较低,岩石受外力作用下横向形变小,有助于裂缝扩展。抗压强度适中,对压裂所需的破裂压力正常,整体看,研究区山西组页岩可压性良好,具备形成复杂缝网的潜力以提高产能。

4 山西组页岩气勘探潜力分析

综合考虑页岩的埋深及厚度、有机地球化学特征、物性特征、储集空间类型、含气性与吸附能力等页岩储层评价的关键参数,结合工程评价的岩石力学参数,开展综合评估延安地区山西组页岩气的勘探潜力。延安地区山西组为典型的陆相淡水环境,发育大型的浅水三角洲体系,主要以还原环境为主,有利于有机质保存。研究区山西组页岩广泛发育且厚度稳定,山1段累计厚度为30~75 m,山2段累计厚度为40~65 m。山西组页岩整体TOC含量较高,有机质成熟度高,热演化程度高,生气潜力较强。储层内受益于大量发育有机孔、无机孔、微裂缝,储集性能良好。以微孔与介孔为主提供了主要的储集空间,半封闭孔占比高,连通性较差。山西组内部发育的多套煤层可以为页岩储层提供良好的气源补充,同时也可以起到良好的封闭作用。含气量一般,但在优势岩性如碳质泥页岩、砂质夹层可取得良好的含气量。研究区山西组页岩杨氏模量高、泊松比低,抗压强度适中,具有良好的可压性。对比北美成熟的页岩气开发层系(表3),延安地区山西组页岩虽然在含气量与TOC上存在劣势,存在黏土矿物占比高、渗透率极低等非均质性强的挑战,但山西组页岩其成熟的热演化程度、良好的生烃条件与吸附性能,结合可压性基础,构成了页岩气成藏的核心要素,仍是较为理想的页岩储层,具备较好的页岩气勘探潜力,尤其是山 2 段富有机质层系及高含气优势岩相区,是未来勘探的重点靶区。建议下一步对延安地区部署更多探井对该地区页岩气资源潜力进行翔实探查,优选出有利分层结合精准压裂沟通优势渗流带建立试验区。同时,建议在山西组内部的5^#煤与致密砂岩气开展分压合采、联合开发先导性试验。

5 结论

(1)鄂尔多斯盆地延安地区山西组页岩为典型的陆相页岩,岩性主要为黑色碳质页岩、黑色页岩、灰黑色泥页岩、碳质泥岩。山西组页岩矿物组分复杂,石英含量平均为30.3%,黏土矿物含量平均为65.8%,长石、碳酸盐矿物、铁矿石含量较低。总体上,延安地区山西组页岩以黏土矿物为主,其次为石英。研究区山西组页岩有机质类型主要为Ⅲ型,有机质成熟度(R_o)平均为2.64%,处于过成熟阶段,有机质丰度(TOC)平均为2.12%,生气能力强。

(2)研究区山西组页岩孔隙度良好,平均为2.94%,但渗透率极低,平均为0.017 3×10^-3 μm²。储层发育纳米级孔缝储集空间,主要为有机质孔隙、粒间孔、粒内孔、黏土矿物层间孔与微裂缝等。微观孔隙结构以微孔、介孔为主,孔体积平均为7.1×10^-3 cm³/g,比表面积平均为1.876 m²/g,孔隙类型以半封闭孔为主。纳米CT显示研究区山西组页岩发育“主体连通孔隙群-孤立微孔隙” 的二元结构,存在优势孔隙发育区。喉道连通性好,可见大尺寸喉道多连接聚集型孔隙,为流体运移形成渗流通道。

(3)研究区山西组页岩甲烷等温吸附量为0.50~2.38 m³/t,兰氏体积平均为2.04 m³/t,兰氏压力平均为8.29 MPa。山西组页岩现场解析含气量为0.04~16.86 m³/t,平均为0.96 m³/t,可采系数平均为81.4%。脆性指数为0.16~0.52,杨氏模量平均为35.57 GPa;泊松比平均为0.215,抗压强度为95.90~280.07 MPa;研究区山西组页岩具有杨氏模量高、泊松比低、抗压强度适中,具备形成复杂缝网的潜力。

(4)综合考虑有机地球化学特征、物性特征、储集空间特征、含气性与吸附性特征、可压性特征等因素,延安地区山西组页岩气的勘探潜力。对比北美成熟的页岩气开发层系,延安地区山西组页岩虽然在含气量与TOC上存在劣势,存在黏土矿物占比高、非均质性强、渗透率极低等挑战,但山西组页岩其成熟的热演化程度、良好的生烃条件与吸附性能,结合可压性基础,构成了页岩气成藏的核心要素,仍是较为理想的页岩储层,具备较好的页岩气勘探潜力,尤其是山 2 段富有机质层系及高含气优势岩相区,是未来勘探的重点靶区。

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基金资助

国家科技重大专项(2017ZX05039)

陕西延长石油(集团)有限责任公司项目(YCSY2025QNJJ-B-15)

陕西延长石油(集团)有限责任公司项目(ycsy2024jcyj-B-36)

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Received	Published	Revised
2025-07-31	2026-06-28	2025-12-16
Online Date
2026-07-29

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