页岩气作为一种低碳、清洁的非常规天然气资源越来越受到各国的关注^[1-3]。北美的页岩气勘探开发首先取得了重大成功，实现了页岩气的大规模商业开采，成功改变了自身的能源结构。如2008年首次实现工业化气流的Eagle Ford页岩，形成于白垩纪，页岩厚度为15~120 m，气藏页岩储层平均厚度为76 m，有机碳质量分数（TOC）为3.7%~7.0%，R_o为1.0%~1.7%，干酪根类型以Ⅱ型为主；2020年，Eagle Ford页岩气产区累计产气421.1×10⁸ m^3[4]。加拿大西加盆地Muskwa页岩形成于泥盆纪，TOC值为3%~6%，R_o为1.73%，干酪根类型以Ⅱ₁和Ⅱ₂为主，具有巨大的勘探前景。2015年加拿大页岩气产量约350×10⁸ m³，位居当时世界页岩气产量第二位^[5]。在此国际背景下，我国加大了对页岩气的勘探力度，并在其形成、甜点评价、开采技术等方面取得了长足的进步^[6-8]。海相页岩气首先迎来了突破，在四川盆地实现了商业开采，威远—长宁地区奥陶系五峰组—志留系龙马溪组页岩气埋深分布范围极广，浅层埋藏深度小于500 m，深层埋藏深度大于4 500 m，TOC值为0.5%~5.6%，R_o为2.4%~3.0%，干酪根类型以Ⅰ型和Ⅱ₁型为主。2020年页岩气年产量突破100×10⁸ m³，涪陵、昭通、泸州及大足等地区相继取得了重大突破，极大地缓解了我国的能源压力^[9-10]。同时，成藏条件异于海相页岩气的海陆过渡相、陆相页岩气也进入了专家学者的视线^[11]。鄂尔多斯盆地中生界三叠系延长组、古生界二叠系山西组作为我国陆相页岩气勘探潜力较大的层系，逐渐受到重视。以往对山西组页岩储层特征、保存条件以及富集模式等方面展开过大量研究。赵晨帆等^[12]认为山西组沉积早期主要为曲流河—三角洲沉积体系；赵帮胜等^[13]对山西组页岩储层的研究表明山西组页岩厚度大于50 m，局部地区达到100 m，有机质类型以页岩脆性指数较低，主要发育黏土矿物粒间孔和晶间孔；孙建博等^[14]研究表明TOC值平均大于1.0%，认为山西组页岩气具备砂泥复合成藏的特征；王玥等^[15]认为山西组页岩气的富集受控于岩性和岩相；杜燕等^[16]根据相态和规模的差异，将成藏模式分为吸附成藏模式与吸附+有利复合成藏模式；王克等^[17]则根据成藏关键要素，将山西组页岩气的富集类型划分为薄砂层型页岩气富集型（储控型）与纯泥页岩型页岩气富集型（源控型）2类。

随着研究的不断深入，发现陆相页岩气相较于海相页岩气存在成藏条件复杂、储层非均质性强等问题，致使延安地区的页岩气勘探工作受到制约^[18]。综合运用地球化学、X-衍射、SEM扫描电镜、钻井、录井、测井资料以及含气性等分析，深入探讨鄂尔多斯盆地延安地区二叠系山西组陆相页岩气的源储特征及聚集机理，以期为该区陆相页岩气资源的勘探开发提供地质依据。

鄂尔多斯盆地位于华北地台西部，是我国第二大沉积盆地，构造相对稳定。盆地自早古生代奥陶纪初具盆地雏形，在板块运动及盆地主体构造变动作用下形成了伊盟隆起、天环坳陷、伊陕斜坡、西缘冲断带、渭北隆起和晋西挠褶带6个二级构造单元构成的内部稳定、边缘活跃的多旋回克拉通盆地^[19]。鄂尔多斯盆地于中奥陶世末期在加里东运动影响下开始抬升，多套地层遭到剥蚀，中晚石炭世盆地开始沉降，本溪组—太原组沉积期为陆表海沉积，主要为陆源碎屑岩和浅水碳酸盐岩沉积。山西组形成时期，盆地性质由陆表海盆演变为近海湖盆，海水从盆地退出，形成了一套以暗色泥岩、页岩和砂岩为主的海陆过渡相含煤碎屑岩沉积。延安地区位于伊陕斜坡东南部（图 1），处于大型坳陷盆地中心，属于典型的丘陵沟壑地貌，区域内部构造简单，构造形态为东高西低的西倾单斜，地层倾角整体小于1°，局部发育鼻状构造^[20]。延安地区二叠系山西组主要发育湖泊相及浅水三角洲相沉积体系，以水体较浅、沉积地形平缓、水动力相对较弱为背景，沉积物总体以细粒、泥质为主，沉积了多套深灰色泥页岩、炭质泥页岩夹细砂岩、粉砂岩的岩性组合。其中山1段岩性主要为深灰色泥页岩、细砂岩及少量煤层，山2段岩性主要为深灰色泥页岩、炭质泥岩、泥质粉砂岩、灰黑色炭质泥岩及煤层。

图 1

Fig. 1

下载原图 图 1 鄂尔多斯盆地延安地区构造位置（a）和二叠系山西组岩性地层综合柱状图（b） Fig. 1 Structural location (a) and stratigraphic column (b) of Permian Shanxi Formation in Yan'an area, Ordos Basin

有机质丰度作为评价泥页岩生气能力的基础指标，通常以总有机碳（TOC）、总烃（HC）、氯仿沥青“A”含量作为参考指标，但由于山西组煤系烃源岩的成熟度较高，超过了临界点（R_o>1.3%），致使后两者失去原有的评价意义^[21]，因此对高成熟度的山西组泥页岩主要采用TOC作为评价参数。钻井取心实验分析结果显示，延安地区山西组山1段96块泥页岩样品TOC值为0.1%~11.5%，平均为1.5%；山2段111块泥页岩TOC值为0.2%~12.8%，平均为2.6%，山2段TOC相对高于山1段。镜质体反射率R_o作为温度以及有效加热时间的函数，具有不可逆的特性，通常可用来确定煤化作用的阶段^[22]。统计研究区山西组97块烃源岩实测R_o数据显示，山西组整体R_o值为2.0%~3.5%，在一段深度区间内与深度呈正相关关系，山1段R_o值与山2段相比较低，热演化程度均处于高—过成熟阶段。

有机显微组分作为有机相的实体，它的组合可以客观地反映有机质类型^[23]。研究区山西组共计35个泥页岩样品的干酪根显微组分鉴定实验结果显示（图 2），山西组泥页岩干酪根显微组分包括腐殖无定形体、正常镜质体、惰质组和丝质体，未发现腐泥组分。干酪根类型指数（TI）计算结果显示其类型均为Ⅲ型（表 1），说明山西组泥页岩有机质类型以Ⅲ型为主，生气能力和页岩气吸附能力均相对较强。

图 2

Fig. 2

下载原图 图 2 鄂尔多斯盆地延安地区二叠系山西组干酪根显微组分镜下特征 （a）丝质体，Y2156井，3 542.53 m，山2段；（b）可见正常镜质体和丝质体，Y2156井，3 552.25 m，山2段；（c）正常镜质体、丝质体、腐殖无定形体杂乱分布，C96井，2 647.90 m，山1段；（d）腐殖无定形体，C96井，2 647.70 m，山1段。 Fig. 2 Microscopic characteristics of kerogen macerals of Permian Shanxi Formation in Yan'an area, Ordos Basin

表 1(Table 1)

表 1 鄂尔多斯盆地延安地区二叠系山西组干酪根显微组分统计 Table 1 Statistics of kerogen macerals of Permian Shanxi Formation in Yan'an area, Ordos Basin 样品编号 层段 岩性 w（干酪根组分）/% TI 干酪根类型 腐泥组 壳质组 镜质组 惰质组 S-1 山1 黑色泥岩 0 30 52 18 -42.0 Ⅲ S-2 山1 黑色炭质泥岩 0 43 45 12 -24.3 Ⅲ S-3 山1 深灰色泥岩 0 37 46 17 -33.0 Ⅲ S-4 山1 粉砂质泥岩 0 34 50 16 -36.5 Ⅲ S-5 山1 泥质粉砂岩 0 36 52 12 -33.0 Ⅲ S-6 山1 灰黑色泥岩 0 32 58 10 -37.5 Ⅲ S-7 山2 黑色炭质泥岩 0 44 42 14 -23.5 Ⅲ S-8 山2 灰黑色泥岩 0 48 40 12 -18.0 Ⅲ S-9 山2 灰黑色粉砂质泥岩 0 43 47 10 -23.8 Ⅲ S-10 山2 煤 0 46 40 14 -21.0 Ⅲ S-11 山2 黑色泥岩 0 36 50 14 -33.5 Ⅲ S-12 山2 黑色炭质泥岩 0 35 48 17 -35.5 Ⅲ

下载CSV 表 1 鄂尔多斯盆地延安地区二叠系山西组干酪根显微组分统计 Table 1 Statistics of kerogen macerals of Permian Shanxi Formation in Yan'an area, Ordos Basin

延安地区山西组共计62个泥页岩岩石样品的X射线衍射实验结果（图 3、图 4）表明，山西组泥页岩矿物组成以黏土矿物和石英为主，黏土矿物质量分数为20.0%~87.4%，平均为56.7%；石英质量分数为10.0%~66.0%，平均为37.0%。整体而言，脆性矿物含量较少，平均质量分数为43.0%。山西组泥页岩较高的黏土矿物含量为页岩气吸附提供了场所，有利于页岩气的吸附聚集，而脆性矿物与北美Barnett页岩相比明显处于较低水平，不利于后续的压裂开采。

图 3

Fig. 3

下载原图 图 3 鄂尔多斯盆地延安地区二叠系山西组泥页岩矿物组分三角图 Fig. 3 Triangular diagram showing shale mineral composition of Permian Shanxi Formation in Yan'an area, Ordos Basin

图 4

Fig. 4

下载原图 图 4 鄂尔多斯盆地延安地区二叠系山西组泥页岩全岩矿物组分 Fig. 4 Whole rock mineral composition of shale of Permian Shanxi Formation in Yan'an area, Ordos Basin

泥页岩孔隙发育情况可直接影响储层品质的好坏，是判断页岩层系储集能力的重要指标之一^[24]。根据氩离子扫描电镜镜下观察分析，研究区山西组页岩孔隙主要发育无机矿物孔、有机质孔隙、微裂缝等3类。其中，无机矿物孔主要发育矿物粒间孔、粒内孔。粒间孔是由于脆性矿物和黏土矿物之间存在力学差异或在机械压实过程中受相互作用力而产生的孔隙^[25]，主要发育在黏土矿物颗粒之间（图 5a，5b），部分发育于脆性颗粒之间以及脆性颗粒与黏土矿物颗粒之间，孔隙呈近圆状或多角状，孔径多为几十纳米；粒内孔则包括在有机质生烃过程中易溶矿物遭受溶蚀形成的溶蚀孔（图 5c）及黏土矿物与金红石、菱铁矿发育的晶间孔（图 5d），孔隙呈长轴缝状和不规则多边形。在干酪根类型及热演化阶段等多种因素的共同影响下，研究区有机质孔较为发育，孔隙呈三角形、近圆形、不规则长条状（图 5e，5f）。泥页岩微裂缝既可以作为天然气的运移通道，同时也在页岩气储集方面具有重要作用^[26]。研究区黏土矿物层间缝（图 5g，5h）、矿物粒缘缝（图 5i）相对发育，缝宽30~400 nm，其中黏土矿物集合体中的孔缝最为发育。

图 5

Fig. 5

下载原图 图 5 鄂尔多斯盆地延安地区二叠系山西组泥页岩孔隙空间类型 （a）菱铁矿胶结粒间孔，YY2井，2 523.00 m，山1段；（b）高岭石及伊利石胶结粒间孔，YY2井，2 541.00 m，山2段；（c）石英碎屑颗粒发育大孔径溶蚀孔，YunY3井，2 505.10 m，山2段；（d）金红石集合体发育晶间孔，YY509井，3 194.90 m，山1段；（e）有机质发育少量孔隙，YunY3井，2 499.00 m，山1段；（f）有机质发育少量孔缝，YY2井，2 548.00 m，山2段；（g）高岭石层间缝及少量溶蚀孔，YY501井，3 436.90 m，山1段；（h）伊利石集合体发育层间缝，Y2156井，3 565.10 m，山2段；（i）发育有机质粒缘缝，YY501井，3 440.10 m，山1段。 Fig. 5 Pore space types of Permian Shanxi Formation in Yan'an area, Ordos Basin

对研究区山西组40个泥页岩样品进行了低温N₂吸附实验，典型泥页岩样品的吸附脱附曲线如 图 6所示，其吸附等温线的形态均属Ⅱ型。曲线前半段吸附量随压力上升缓慢，呈向上凸的特点，此阶段N₂分子由单分子层向多分子层吸附过渡，当相对压力达到0.8~0.9时，曲线开始急剧上升，表明样品中较大的孔中发生了毛细凝聚现象，这种反“S”型吸附等温线说明样品孔隙是从微孔到大孔较连续的完整孔系统^[27]。在相对压力逐渐降低的脱附过程中，凝聚的液氮出现解析蒸发现象，此时吸附和脱附过程中的相对压力不同，使吸附曲线和脱附曲线相互分离，形成回滞环，根据吸附脱附曲线回滞环的形状可以在一定程度上分析出微观孔隙的形态结构^[28]。样品S-2，S-3，S-5的吸附脱附曲线均分离的不明显或完全重叠，即回滞环不显著，反映了一段封闭的圆筒孔、平行板状孔或劈尖状孔；样品S-7，S-8，S-9，S-11均为H₂型回滞环（根据IUPAC分类），脱附曲线在相对压力约0.5处存在拐点，反映了墨水瓶状孔的存在或存在多样孔型分布；样品S-1，S-4，S-6均为H₃型回滞环，以吸附脱附曲线在空化点重合为特点，脱附曲线无明显拐点，反映了半封闭孔和四周开放的平行板状孔的发育；样品S-10，S-12的吸附曲线和脱附曲线在整个过程中均无重叠，反映孔隙形态为四周开放孔。总体而言，研究区山西组泥页岩中主要为半封闭孔及一些墨水瓶孔，山1段泥页岩发育半封闭孔和四周开放的平行板状孔，山2段泥页岩则以四周开放孔和墨水瓶孔为主。

图 6

Fig. 6

下载原图 图 6 鄂尔多斯盆地延安地区二叠系山西组泥页岩吸附脱附曲线 Fig. 6 Adsorption desorption curves of Permian Shanxi Formation in Yan'an area, Ordos Basin

衡量页岩气是否具有经济开采价值，离不开页岩气含量这一关键指标^[29]。含气量实测数据显示，研究区山西组泥页岩含气质量体积为0.16~6.14 m³/t，平均为1.28 m³/t，其中山1段48块泥页岩样品含气质量体积为0.16~3.68 m³/t，平均为0.69 m³/t，而山2段68块泥页岩样品含气质量体积为0.20~6.14 m³/t，平均为1.38 m³/t，且泥页岩含气质量体积大于1 m³/t的样品为40%，远超山1段（图 7）。

图 7

Fig. 7

下载原图 图 7 鄂尔多斯盆地延安地区二叠系山西组泥页岩样品含气量统计 Fig. 7 Gas content of shale samples of Permian Shanxi Formation in Yan'an area, Ordos Basin

气测录井可直接显示泥页岩中的含气状况，虽然会受空气混入、泥浆密度以及钻时等因素的影响，但仍能直观地反映不同深度段含气性的差异^[30]。研究区山西组作为陆相页岩层系相比海相页岩具有更加复杂的岩性组合类型，在纵向上泥页岩与煤层、致密砂层频繁互层。根据不同的岩性组合，可将研究区山西组页岩气的源储配置关系分为厚层泥页岩夹薄砂层、泥页岩与粉砂岩和细砂岩互层、泥页岩与煤层混层3种类型。如图 8和图 9所示，厚层泥页岩夹薄砂层主要分布在山1段，泥页岩单层厚度为8~10 m，页岩气在源储压差的作用下通过初次运移以游离气的形式储存在薄砂层中，富有机质泥页岩中主要为吸附气，薄砂层相对具有更高的气测值（图 8a）；泥页岩与粉砂岩和细砂岩互层主要分布在山2段上部，泥页岩单层厚度为2~6 m，页岩气通过初次运移和二次运移储存在砂层中，具有良好的生排烃条件，富有机质泥页岩提供页岩气来源，砂层作为储层储集页岩气，砂层段具有较高的气测值（图 8b）；泥页岩与煤层混层主要分布在山2段下部，纵向上以连续分布的厚层泥页岩夹薄煤层为特点，自生自储，以吸附气为主，因此吸附能力较强的煤层具有较高的气测值（图 8c）。

图 8

Fig. 8

下载原图 图 8 鄂尔多斯盆地延安地区二叠系山西组页岩气藏剖面 Fig. 8 Shale gas reservoir profile of Permian Shanxi Formation in Yan'an area, Ordos Basin

图 9

Fig. 9

下载原图 图 9 鄂尔多斯盆地延安地区二叠系山西组气测柱状图 Fig. 9 Gas logging column of Permian Shanxi Formation in Yan'an area, Ordos Basin

页岩气以吸附态、游离态及溶解态赋存于页岩气藏中，其中以吸附态、游离态为主，溶解态主要赋存于干酪根、沥青质、残留水与液态烃等溶液中，但含量较少，此处不过多赘述。页岩气藏中的吸附气主要是通过物理吸附和化学吸附在有机质与黏土矿物颗粒表面^[31]，其中物理吸附是通过分子间作用力产生的吸附，是页岩气藏的主要吸附类型；化学吸附则是吸附剂与吸附质之间产生了化学作用，其中不仅存在分子间作用力，还有化学键力，因此具有更大的吸附力，解吸这种类型的吸附气也就需要更高的温度和更低的压力。研究区山西组沉积的厚层泥页岩中富含有机质及黏土矿物，为吸附气提供了大量的附着空间，有利于吸附气聚集。山西组不仅发育厚层泥页岩及煤层，还发育泥质粉砂岩、细砂岩等砂质夹层，这些砂质夹层为游离气提供了更大的储存空间，增大了山西组泥页岩游离气的赋存比例。

研究区山西组页岩气主要以吸附态和游离态赋存于页岩及砂质夹层中，其赋存形式在页岩气的成藏过程中，随着其源储特征及储集条件的变化而不断转变，达到一种动态平衡的状态。

通过埋藏史和热史模拟以及山西组页岩层系的地质特征，可将其生烃演化运移过程分为3个阶段（图 10、图 11）：①早侏罗世，山西组埋深为2 950~ 3 050 m，R_o为0.6%，进入生烃门限，产生少量气态烃及液态烃，此时气态烃以吸附态赋存于有机组分表面及有机质微孔中。②中—晚侏罗世，山西组埋深为3 200~3 600 m，R_o为0.8%~1.4%，有机质开始大量生成气态烃，此时有机质生烃形成的微孔隙与有机酸溶蚀孔改善了泥页岩及砂质夹层的储集能力，大量生成的烃类在生烃增压的作用下，满足了自身吸附后，开始逐渐向邻近的砂质夹层运移，泥页岩内部压力增大至一个临界点后，泥页岩中产生微裂缝与泥页岩内部孔隙构成烃类的运移通道，气态烃加速排出，泥页岩内部压力降低；裂缝闭合，开始新一轮生烃增压，重复上述过程。在这一阶段，气态烃主要以吸附态与游离态富集在泥页岩与砂质夹层中。③早白垩世，山西组埋深为4 400~ 4 500 m，R_o为2.0%，泥页岩达到高—过成熟阶段，是最后一个生排烃时期。经过3个时期的生排烃演化形成了相当规模的页岩气藏，后期鄂尔多斯盆地的大规模地层抬升使地层压力和温度降低，生烃终止，奠定了现今格局。

图 10

Fig. 10

下载原图 图 10 鄂尔多斯盆地延安地区YY2井二叠系山西组埋藏热史 Fig. 10 Buried thermal history of Permian Shanxi Formation of well YY2 in Yan'an area, Ordos Basin

图 11

Fig. 11

下载原图 图 11 鄂尔多斯盆地延安地区二叠系山西组页岩气赋存相态示意图 Fig. 11 Shale gas occurrence phase of Permian Shanxi Formation in Yan'an area, Ordos Basin

研究区山西组泥页岩累计厚度为40~85 m，TOC平均值为2.0%，且普遍达到了生烃门限，具备大量生气的热演化条件，直接控制着页岩气的含量，且较高的TOC含量也为吸附气的储存提供了场所，TOC与最大吸附气量呈正相关关系（图 12），TOC高值处可容纳更多的吸附气。延安地区山西组泥页岩高黏土矿物含量也为吸附气的附着提供了空间，拥有较高黏土矿物含量的样品具有更高的吸附气量（图 13）。山西组页岩层系存在丰富的砂质夹层，夹层中的孔隙为游离态页岩气提供了储集空间，也可作为天然气的运移通道，且厚层页岩中的砂岩夹层能够提高储层的脆性条件，为后期的压裂改造提供了条件。研究区山西组主要发育湖泊相及三角洲相沉积体系，水体较浅，水动力相对较弱，给页岩层系提供了稳定沉降的外部环境，控制着泥岩、炭质泥岩、薄煤层与薄层砂岩的互层组合，决定了优质岩性组合的展布。储集物性则对页岩气的赋存相态具有控制作用，同时也决定了页岩气藏是否具有工业开采的价值^[32-33]。山西组页岩层系具有良好的封盖作用，为页岩气的聚集成藏提供了坚实的保障，大面积连续分布且稳定沉积的厚层泥页岩为页岩气提供了充足的有机质，超过了研究区的有效排烃厚度界限（8~12 m）。山西组埋深为2 500~3 500 m，埋深条件较好且具有稳定的区域盖层，区域封盖能力极强，生烃增压形成的异常压力以及稳定的构造条件，同样为页岩气成藏提供了保障，具有物性封闭与压力封闭双重作用，页岩气在多种因素综合影响下聚集形成了现今的页岩气藏。

图 12

Fig. 12

下载原图 图 12 鄂尔多斯盆地延安地区二叠系山西组泥页岩吸附气量与TOC关系 Fig. 12 Relationship between adsorbed gas content of shale and TOC of Permian Shanxi Formation in Yan'an area, Ordos Basin

图 13

Fig. 13

下载原图 图 13 鄂尔多斯盆地延安地区二叠系山西组泥页岩吸附气量与黏土矿物含量关系 Fig. 13 Relationship between adsorbed gas content of shale and clay mineral content of Permian Shanxi Formation in Yan'an area, Ordos Basin

（1）鄂尔多斯盆地延安地区二叠系山西组厚层泥页岩有机碳（TOC）含量较高，平均质量分数为2.12%，干酪根类型主要为Ⅲ型，R_o为2.0%~3.7%，处于高—过成熟阶段，为优质烃源岩。

（2）研究区山西组泥页岩矿物组成整体上具有富黏土特征（黏土矿物平均质量分数为56.7%），有利于吸附气的赋存；主要发育无机矿物孔、有机孔和微裂缝3种储集空间，孔隙以半封闭孔、开放孔和墨水瓶状孔为主。研究区山西组含气性受不同岩性组合的影响具有较大的区别，山2段相较于山1段具有较高的含气量（平均含气质量体积可达1.38 m³/t）。

（3）研究区山西组页岩气的源储配置关系分为厚层泥页岩夹薄砂层、泥页岩与粉砂岩和细砂岩互层、泥页岩与煤层混层3种类型。

（4）研究区山西组页岩气主要以吸附态、游离态赋存，在成藏过程处于动态平衡的状态，随着地层条件的变化而不断转化，根据其时期以及源储特征的变化将聚集过程分为3个阶段：早侏罗世，有机质开始生成气态烃，页岩气初步吸附聚集；中—晚侏罗世，气态烃大量生成膨胀造隙，气态烃排出，裂缝关闭，循环运移聚集；早白垩世，有机质达到高—过成熟阶段，进入最后一个生排烃时期，直至地层抬升，生烃终止。

（5）研究区山西组泥页岩丰富的有机质提供了成藏基础；高TOC，高黏土矿物含量为吸附气的储存提供了场所；丰富的砂质夹层为游离气的储存提供了条件，同时提高了页岩储层的脆性条件；湖泊相—三角洲体系控制着岩性组合的空间展布；山西组泥页岩层具有物性封闭和压力封闭双重作用。