三叠纪以后, 阿尔金山前地区从早期的海相沉积, 经过海退作用转变为广泛分布的陆相沉积。从早中生代印支运动冈底斯地块向欧亚大陆板块俯冲、碰撞, 研究区主要处于挤压作用阶段, 到晚中生代早— 中侏罗世, 盆地构造演化进入裂陷作用阶段。从现今的地震剖面上可以看到早侏罗世断陷主要发育在阿拉尔背斜带、七个泉背斜带等构造带内, 沉积地层厚度向山前断裂带方向逐渐增大。阿尔金走滑断裂带对下— 中侏罗统的沉积展布具有控制作用。

沉积相主要以湖泊相(滨浅湖亚相、半深湖亚相)、河流相、三角洲相及扇三角洲相为主^{[17, 18, 19]}, 物源主要来自阿尔金山前构造带的东南、西南和北部(图2)。断陷湖盆的长轴方向为NE向, 短轴方向为NW向。茫崖坳陷发育辫状河流-三角洲相沉积体系, 干柴沟— 红沟子断鼻带南部和北部发育扇三角洲相沉积, 而小梁山凹陷和七个泉背斜带发育湖泊相沉积体系(图2)。沉降中心分别位于长轴方向的黑石山、清水河、茫崖镇西北及月牙山地区。总体看来, 研究区早— 中侏罗世, 湖泊中心或近中心的半深湖沉积在黑石山、清水河、茫崖镇西北及月牙山地区, 湖盆边界位于茫崖沟— 清水河— 黑石山— 月牙山一线, 沉积区域主要位于靠近山前的广阔地区, 清水河、茫崖沟和月牙山地区是3个主要沉积中心。西南方向为主物源区, 在茫崖凹陷形成河流-三角洲相沉积体系; 北部和东南部为次物源区, 在湖盆的短轴方向形成2个扇三角洲(水下扇)沉积。

图2

Fig.2

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	图2 阿尔金山前下— 中侏罗统沉积相带展布Fig.2 Sedimentary facies distribution of Lower-Middle Jurassic on Southern Altyn Tagh

为了更加准确地判断沉积环境, 在野外直接用NITON系列XRF元素分析仪和RSI厂家的RS-125型伽马能谱仪对实测剖面进行微量元素测量, 根据微量元素迁移能力来分析沉积环境, 证实了阿尔金山前泥页岩层段主要发育于湖泊相的沉积环境, 并且划分了沉积亚相。选定研究区月牙山剖面来划分沉积相, 根据对月牙山剖面的氧化-还原条件及元素迁移能力分析, 初步划分月牙山剖面的沉积相(图3)。

图3

Fig.3

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	图3 月牙山剖面沉积相划分 元素含量中Ca、Mn、Mg、Fe、K单位为%, Sr、Zn、U单位为10-6Fig.3 Sedimentary facies classification of Yueyashan section

页岩气藏是典型的自生自储式气藏, 泥页岩的厚度一定程度上控制着页岩气藏规模大小及经济效益^{[20, 21, 22, 23]}。区内侏罗系泥页岩沿着阿尔金山断裂带连续分布, 且厚度大。通过野外多条剖面的观察和实测发现, 泥页岩总体上呈富含有机质的灰黑、黑色, 页理十分发育, 由于受到强烈的构造作用和风化作用的影响, 野外露头泥页岩大多呈现破碎的薄片状。在柴水沟、黑石山和月牙山地区侏罗系底部小煤沟组含有灰绿色的泥质粉砂岩、粉砂质泥页岩。处于沉积中心的清水河、月牙山和茫崖沟地区泥页岩单层厚度和累计厚度均较大, 累计厚度分别可达242 m、268 m和210 m(图4)。黑石山地区靠近沉积中心, 累计厚度可达82 m。由于不发育大煤沟组底部的砂砾岩, 月牙山地区单层泥页岩厚度最大, 可达90 m。总体上, 由北向南、向盆地内部, 清水河、茫崖沟和月牙山地区下— 中侏罗统泥页岩厚度最大, 到黑石山和柴水沟地区逐渐变薄。 总的来说, 三角洲相泥页岩和滨浅湖相泥页岩厚度较小, 主要分布在柴水沟和黑石山等地区, 半深湖相泥页岩沉积厚度较大, 主要分布月牙山、茫崖沟及清水河地区。

图4

Fig.4

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	图4 阿尔金山前下— 中侏罗统泥页岩厚度分布Fig.4 Thickness distribution of Lower-Middle Jurassic shale on Southern Altyn Tagh

通过对阿尔金山前5个野外剖面开展地质调查, 选取20个湖相泥岩样品进行干酪根显微组分分析。下— 中侏罗统的显微组分主要以腐泥组、镜质组为主, 惰性组较少, 壳质组不发育(图5)。腐泥组含量比例最大, 平均含量达60.7%(43.0%~77.7%); 镜质组含量也较高, 平均含量达33.1%(22.3%~44.3%); 惰性体含量较低, 平均含量为7.0%(0%~12.7%); 壳质组不发育。此外, 从研究区下— 中侏罗统湖相泥页岩中选取61个样品进行岩石热解分析, 编制I_H-T_max图解(图6)。氢指数(I_H)聚集在120 mg/g以下, 热解峰温(T_max)分布在500~600 ℃之间, 泥页岩有机质类型以Ⅱ ₁型、Ⅱ ₂型干酪根为主, 少数为Ⅲ 型干酪根, 不发育Ⅰ 型干酪根, 可作为良好的页岩气源岩。滨浅湖相泥页岩主要是Ⅱ ₁型、Ⅱ ₂型干酪根, 半深湖相泥页岩中Ⅱ ₁型、Ⅱ ₂型、Ⅲ 型干酪根都存在, 均为页岩气形成提供了良好的生烃条件。

图5

Fig.5

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	图5 干酪根显微组分三角图Fig.5 Kerogen maceral triangular diagram

图6

Fig.6

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	图6 下— 中侏罗统泥页岩IH-Tmax划分类型Fig.6 IH-Tmax partition type of Lower-Middle Jurassic shale

在阿尔金山前地区3个野外露头剖面中选取49个泥页岩样品进行有机碳(Total Organic Carbon, TOC)含量测试, 下— 中侏罗统泥页岩TOC含量为0.55%~10%, 平均为2.28%, 其中92%的样品含量> 1%(表1)。研究区下— 中侏罗统泥页岩有机质丰度与美国5大页岩气盆地TOC含量(0.5%~4%)相当, 为较好的页岩气源岩。平面上, 月牙山地区泥页岩TOC含量最高, 绝大多数样品> 2%, 最高可达10%, 平均为2.96%。黑石山地区次之, 平均为1.60%, 柴水沟地区最少, 但平均含量也达到了1.49%。总体上, 研究区泥页岩TOC含量高, 达到了中等— 好烃源岩的级别。其中, 三角洲相泥页岩主要分布在黑石山及柴水沟地区, TOC含量平均为0.75%; 滨浅湖相泥页岩各个剖面均有存在, TOC含量平均为1.70%; 半深湖相泥页岩主要在月牙山地区, TOC含量平均为2.51%, 含量最高。此外, TOC含量越高, 生烃过程中越易形成微裂缝、微孔隙, 这是由于干酪根热解转化成烃类流体而形成有机孔隙, 有利于页岩气的富集与储存^{[24, 25, 26]}。

表1

Tab.1

表1(Tab.1)

表1 阿尔金山前下— 中侏罗统暗色泥页岩有机碳含量综合统计 Tab.1 Comprehensive statistical table of organic carbon content of Lower-Middle Jurassic shale on Southern Altyn Tagh 剖面 层位 岩性 TOC含量 烃指数 Tmax 范围/% 平均值/ % 样品 数 范围/ (mg· g-1) 平均值/ (mg· g-1) 样品 数 范围/℃ 平均值/ ℃ 样品 数 柴水沟剖面 J1-2 碳质、粉砂质泥岩, 泥质粉砂岩 0.55~2.36 1.49 15 0.25~67.60 10.20 19 385~576 529 11 黑石山剖面 J1-2 泥质粉砂岩, 粉砂质、铁质页岩 0.77~2.04 1.60 7 4.10~68.18 20.95 11 436~581 528 11 月牙山剖面 J1-2 铁质、粉砂质页岩, 泥质粉砂岩 1.27~10.0 2.96 24 0.36~57.55 8.19 28 524~600 564 28

表1 阿尔金山前下— 中侏罗统暗色泥页岩有机碳含量综合统计 Tab.1 Comprehensive statistical table of organic carbon content of Lower-Middle Jurassic shale on Southern Altyn Tagh

阿尔金山前下— 中侏罗统暗色泥页岩现今热演化特征主要通过干酪根和全岩镜质体反射率值(R_o)来分析。泥页岩的有机质热演化程度在总体上比较集中。样品的R_o为1.0%~1.6%, 平均为1.269%, 有机质R_o均大于1.0%(图7), 烃源岩正处于成熟— 高成熟阶段, 有利于页岩气的生成。三角洲相、滨浅湖相和半深湖相3种沉积类型的泥页岩有机质成熟度均大于1.0%, 已达到生烃条件。

图7

Fig.7

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	图7 阿尔金山前下— 中侏罗统泥页岩Ro分布Fig.7 Ro distribution of Lower-Middle Jurassic shale on Southern Altyn Tagh

阿尔金山前侏罗系泥页岩的矿物成分多样, 除含伊利石、高岭石、绿泥石等黏土矿物以外, 还含有石英、方解石、长石、黄铁矿、菱铁矿、石盐和石膏等脆性矿物, 其成分的变化不仅影响了页岩对气体的吸附能力, 而且在很大程度上影响着页岩的孔隙度和裂缝发育程度。经矿物X-射线衍射分析, 阿尔金山前侏罗系泥页岩黏土矿物平均含量为43.85 %(18.70 %~65.30 %), 硅质矿物等(石英+长石+黄铁矿)平均含量为51.09 %(30.90 %~68.00 %), 碳酸盐矿物(方解石+石膏+石盐+菱铁矿)平均含量为5.06%(0.00 %~33.10%)(图8)。脆性矿物的含量大于51%, 有利于后期的水力压裂改造形成裂缝, 增加游离气含量, 有助于页岩气的开采。

图8

Fig.8

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	图8 下— 中侏罗统泥页岩储层矿物成分条形图和三角图Fig.8 Mineralogic composition bar chart and triangular chart of Lower-Middle Jurassic shale

黏土矿物能够增加泥页岩储集层中吸附气的含量。区内泥页岩的黏土矿物中以伊利石、高岭石和绿泥石为主, 其次为伊蒙混层, 少部分为绿蒙混层, 其矿物组分变化较大。伊利石在黏土矿物中相对平均含量为50.40%(10%~79%), 伊蒙混层相对平均含量为9.26%(3%~39%), 高岭石相对平均含量为20.06%(9%~52%), 绿泥石相对平均含量为23.15%(6%~41%), 绿蒙混层为12%。总体来说, 阿尔金山前下— 中侏罗统暗色泥页岩脆性矿物含量较高, 与黏土矿物含量相差不多, 有利于该区页岩气富集成藏与压裂开采。其中, 三角洲相泥页岩与滨浅湖相泥页岩的脆性矿物含量较高, 普遍在65%以上, 半深湖相泥页岩脆性矿物与黏土矿物含量相近, 均是有利的页岩气成藏矿物组合。

页岩气储层储集空间以微观孔隙与构造变形产生的构造裂缝、微裂缝为主^{[27, 28, 29]}。在北美地区, 利用扫描电镜观察可得, 主要产气泥页岩中存在大量纳米— 微米级有机质孔隙、无机孔隙、裂隙和裂缝等储集空间。阿尔金山前侏罗系泥页岩与美国主要产气泥页岩的储层特征类似。依据野外地质调查、扫描电镜分析, 5个野外剖面采集的泥页岩样品储集特征相似, 将泥页岩储层空间类型划分为微观孔隙和裂缝2种储层空间类型。

3.2.1 微观孔隙

阿尔金山前泥页岩中发育有微观孔隙, 为游离态及吸附态页岩气的储存创造了有利条件。根据扫描电镜观察, 各野外剖面中侏罗系泥页岩均发育多种微观孔隙: 溶蚀微孔隙、晶间孔隙和铸模微孔隙。孔隙直径大小不一, 在0.2~35 μ m之间。矿物溶蚀微孔隙的直径可达35 μ m(图9(a)); 干酪根等有机质热降解及黏土矿物脱水形成的孔隙空间, 孔隙直径大于1 μ m, 局部被立方体石盐晶体、方解石、黄铁矿等矿物所充填(图9(b), (c), (d)); 部分方解石、石英见解理发育, 发育晶间孔隙(图9(e)); 局部矿物颗粒还发现有铸模微孔隙(图9(f))。综上所述, 阿尔金山前下— 中侏罗统泥页岩层段发育大量微米级和纳米级孔隙, 为良好的泥页岩储层。

图9

Fig.9

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	图9 阿尔金山前下— 中侏罗统泥页岩微孔隙扫描电镜(SEM)特征 样品所属地层及采样位置分别为: (a)大煤沟组, 月牙山; (b)大煤沟组, 柴水沟; (c)小煤沟组, 黑石山; (d)小煤沟组, 月牙山; (e)大煤沟组, 月牙山; (f)大煤沟组, 月牙山Fig.9 Micropores SEM of Lower-Middle Jurassic shale on Southern Altyn Tagh

3.2.2 裂缝

裂缝可为页岩气的形成和开发提供储集空间和运移通道^{[30, 31, 32, 33]}。页岩气的生产与裂缝密切相关, 天然裂缝能够增加页岩气储层的产量。阿尔金山前野外样品的扫描电镜分析显示, 该区侏罗系泥页岩中裂缝发育特征相似, 主要是缝宽为微米级的微裂缝。微裂缝依据发育特征均可分为层间微裂缝、顺层微裂缝和层理间微裂缝(图10(a), (b), (c))。此外, 构造应力的作用还造就了共轭裂缝、破碎带裂缝和片状黏土矿物层间微缝等构造裂缝(图10(d), (e), (f))的形成。微裂缝缝宽大小不一, 主要处于0.2~25 μ m之间。总的来说, 泥页岩储层中微裂缝类型多样、分布范围广, 极大提高其储集性能, 也为后期的压裂改造提供了有利条件。

图10

Fig.10

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	图10 阿尔金山前下— 中侏罗统泥页岩微裂缝扫描电镜(SEM)特征 样品所属地层及采样位置分别为: (a)小煤沟组, 黑石山; (b)大煤沟组, 月牙山; (c)大煤沟组, 月牙山; (d)小煤沟组, 黑石山; (e)大煤沟组, 月牙山; (f)小煤沟组, 柴水沟Fig.10 Microfractures SEM of Lower-Middle Jurassic shale on Southern Altyn Tagh

三角洲相泥页岩与滨浅湖相泥页岩中裂缝较为发育, 微孔隙较少。半深湖相泥页岩中微裂缝与微孔隙均有发育, 且溶蚀微孔隙孔径较大, 为页岩气提供了良好的储集空间, 有助于页岩气的勘探开发。