引言

鄂尔多斯盆地是我国重要的含油气盆地，盆地本部面积达到20余万平方千米^[1-3]。前人对鄂尔多斯盆地本部上古生界的泥页岩特征做了很多研究，认为上古生界的泥页岩具有形成页岩气的有利条件^{[2, 4-5]}，但是盆地东缘黄河以东晋西挠褶带钻井资料很少，目前该地区的泥页岩研究资料很少，本文挑选了晋西挠褶带南部黄河以东台头镇内的台头剖面进行了大量分析化验对其泥页岩特征进行分析,以了解晋西挠褶带地区页岩的特征。同时，应用台头剖面已有的分析测试数据提出了鄂尔多斯盆地游离气和吸附气的求解方法。

1 台头剖面泥页岩特征 1.1 剖面特征

沉积环境不仅控制着泥页岩的厚度、分布面积等特征,沉积相还严重影响沉积岩石类型以及岩石的矿物组成,而岩石类型以及矿物组成差异又决定着储层物性发育的特点,进而影响页岩气的成藏^[6-8]。

综合前人研究资料^[9-12]和野外露头（图 1b）观察实测资料认为台头镇剖面本溪组沉积环境为浅海陆棚相，太原组为滨浅海相，到了山西组则过渡为滨浅湖相。不同的沉积环境使不同时期发育的岩相也不同，野外观察及剖面实测显示台头剖面本溪组以黑色泥岩、灰色粉砂岩和深灰色灰岩为主，夹薄煤层，泥岩厚度为9.4米；太原组以深灰色碎屑灰岩、黑色泥岩和煤层为主，泥岩厚度在25米左右；山西组以浅灰色石英砂岩、黑色泥岩为主，夹煤层，泥岩厚度达26.1米。从泥页岩的发育特征来看，山西组和太原组的泥页岩较发育。

1.2 有机地化特征

页岩的含气量与页岩中有机质含量密切相关，国外学者对页岩样品所做的吸附实验结果也表明，页岩中有机碳含量（I_TOC）越高，其含气量也越高，有机碳与含气量具有较好的正相关^[13-14]，因此有机碳含量是评价页岩储层含气性的主要指标。

台头剖面上古生界泥页岩中的有机碳含量太原组最高，本溪组、太原组和山西组泥岩有机碳分别为0.07~5.53%、0.06~7.45%、0.03~6.48%（图 2），平均值分别为1.41%、1.71%、0.71%。

泥岩显微组分没有检测到腐泥组，壳质组平均含量为36.3%，其中以腐殖无定形体为主，镜质组和惰质组分别为38.6%、32.4%，类型指数为-46.8，为Ⅲ型干酪根的典型特征（表 1），是良好的生气母岩。

台头剖面的成熟度在1.3%~1.7%之间，R_o均大于1.1%，处在液态烃产率随R_o增大缓慢下降，而气态烃产率随R_o增大迅速增大^[2]的阶段，有利于页岩气的生成。

1.3 矿物组成特征

页岩中的黏土矿物会影响页岩的脆性，因此黏土含量越低，页岩储层就越好，大部分学者认为黏土矿物的含量应低于40.0%^{[2, 15-16]}，而盆地东缘南部台头剖面上古生界泥岩中黏土矿物含量平均在42.0%~79.0%(表 1)。虽然黏土矿物含量高，但黏土中非膨胀性黏土矿物含量高，本溪组、太原组和山西组黏土矿物中的非膨胀性黏土矿物(包括高岭石、绿泥石和伊利石)含量分别为70.5%、89.9%、65.1%，且不含膨胀性黏土矿物蒙皂石(表 2)。

1.4 物性特征

台头剖面上古生界泥岩孔隙度较低，本溪组、太原组和山西组泥岩孔隙度分别在1.06%~ 3.37%、1.95%~2.30%、1.51%~3.91%，渗透率均小于0.01 mD(表 3)。台头剖面上古生界泥页岩物性特征相近，平均孔隙度为2.45%，但从核磁共振提供的裂缝/微裂缝百分数可以看出，山西组泥页岩中的裂缝更发育，裂缝发育程度比较均匀，裂缝/微裂缝百分数普遍在1.11%~2.37%；太原组裂缝/微裂缝百分数在1.11%~1.49%，裂缝发育均匀；本溪组不同泥页岩中裂缝/微裂缝发育程度差距较大(表 3)。

页岩中天然气的赋存状态多样，形式上主要是游离气和吸附气并存，这些气体主要存储在泥页岩中的孔隙和裂缝中。台头剖面泥页岩样品中普遍发育有机质内孔隙、黏土矿物微孔隙，有机质孔径普遍10 100 nm，个别的孔径可达几百纳米；黏土矿物微孔隙稍大，一般在1~10 $\mu $m，个别孔径十几微米，但是都不超过20 $\mu $m。台头剖面微裂缝不发育，多发育解理缝，因此泥页岩的页理更为发育(图 3)。

从台头剖面泥页岩的特征来看，上古生界太原组的泥页岩最有利于页岩气的形成，泥岩厚度在25 m左右，有机质丰度较高，$R_{\rm{o}}$在1.5%左右，处于产气态烃阶段，泥页岩中非膨胀性黏土含量达89.9%，裂缝/微裂缝发育程度较均匀，在2.12%左右，且页岩的页理非常发育。

2 含气量的求取方法

页岩中的气体主要包括游离气和吸附气，由于本次所用样品都是台头剖面样品，样品没有埋深、地层温度和压力等信息，为了将台头剖面的分析化验相关数据应用到钻井上，本文利用等温吸附手段来模拟样品在不同温压下的吸附能力，以此来建立应用有机碳含量和深度来求取吸附气量的方法，同时，核磁共振提供了有效孔隙度的相关信息，有效孔隙是页岩中游离气的聚集场所，应用有效孔隙度计算游离气量使其值更为准确。

2.1 吸附气含量模型的建立

Langmuir公式

${{Q}_{吸}}={{V}_{\text{L}}}p/\left( {{p}_{\text{L}}}+p \right)$

(1)

式中：$Q_{吸}$—吸附气含量，m³/t；$V_{\rm{L}}$—Langmuir体积，m³；p—地层压力，MPa； $p_{\rm{L}}$—Langmuir压力，MPa。

将同一样品在不同温度(60，70，80，90℃)下做等温吸附实验，利用式(1)可计算出该样品在不同温度条件下任意压力所对应的吸附气含量^[17]。

由于野外剖面样品没有埋深信息，本文根据鄂尔多斯盆地的温度梯度(平均2.5℃/(100 m))和压力梯度(0.69 MPa/(100 m))，可将深度和压力反算出来，最终得到不同温度对应的吸附气含量(表 4)。

压力与深度的关系为

$p = (H - 0.0352)/144.93$

(2)

温度与深度的关系为

$T = (H - 1172.9)/45.447$

(3)

式中：H—深度，m。

将每个样品的4个温度下的深度-吸附气量拟合成一条直线，可见吸附气量随着深度的增加逐渐减小，同时，同样的深度下吸附气量随着有机碳含量的增加而增加(其中，TT-22、TT-29、TT-20的有机碳值分别为5.53%、0.16%、0.33%)(图 4)，因此可以拟合出吸附气量与$I_{\rm{TOC}}$、深度之间的关系式

$Q_{吸} = 0.460196 I_{\rm{TOC}} - 0.00114H + 1.15\times{10^{ - 7}}H^2 + 3.177876$

(4)

公式推导过程中应用到了鄂尔多斯盆地的温度梯度和压力梯度，说明该公式只适合用在温压梯度一致的地方，为了验证该公式的正确性，选择鄂尔多斯盆地内台头镇剖面西北部130 km处的榆88井的相关数据进行验证。根据地层温度数据(表 5)，鄂尔多斯盆地埋深在2 500 m时，地层温度为80℃，榆88井所取样品主要来自2 500 m左右，因此，榆88井用80℃的等温吸附数据。通过计算，实验所获得的吸附气量与公式计算的吸附气量两者的拟合程度非常高(图 5)，由于等温吸附实验所获得的吸附气量是岩样在该温度下的最大吸附气量，所以实验所得吸附气量偏高，公式计算的吸附气量更贴近实际情况，且公式只用到$I_{\rm{TOC}}$和埋深两个参数，大大减少了计算吸附气量的工作量。

2.2 游离气量的求取方法

游离气计算公式为

${{Q}_{游}}={{\phi }_{有效}}{{S}_{g}}/\rho Z$

式中：$Q_{游}$—游离气含量，cm³/g；$\phi _{有效}$— 有效孔隙度，无因次；$S_{\rm{g}}$—含气饱和度，无因次； $\rho$—岩石密度，g/cm³； Z—气体体积压缩因子，无因次。

岩石密度可通过实验检测获得，气体体积压缩因子可根据天然气双参数压缩因子图版获得。页岩中的游离气量受泥页岩有效孔隙度和含气饱和度控制^[19]，研究资料显示，页岩孔隙度达到2.5%时，含气饱和度在50%~60%^[20]，因此，有效孔隙度的取值直接影响游离气量的求取。

目前测量岩石总孔隙度的方法很多也比较精确，但存在一个共同的局限性，即很难测得岩石的有效孔隙度。研究发现，低场核磁共振$T_2$谱分析技术可获得有效孔隙的百分数，因此，将常规方法与低场核磁共振方法结合可获得有效孔隙度^[21]。

同一块样品在离心前、后分别测定$T_2$谱。离心前，在岩石饱含水的情况下，可获得一条弛豫幅度随弛豫时间变化的$T_2$谱；将这些不同时间点上的弛豫幅度归一化处理后进行累加，可获得一条累计的$T_2$谱。离心后的$T_2$谱做与离心前相同的处理，又可获得弛豫幅度、累计弛豫幅度随弛豫时间变化的$T_2$谱。离心后$T_2$谱的最高幅度值标定为残余水孔隙度所占总孔隙度的百分比,离心前后$T_2$谱的最高幅度值之差即为有效孔隙度所占总孔隙度的百分比(图 6)。

根据以上方法，在已知台头剖面的泥岩孔隙度在1.06%~3.91%、平均2.52%的情况下，结合核磁共振求得的每个样品的有效孔隙所占的比值，相乘就可以求得页岩的有效孔隙度，计算获得的有效孔隙度在0.25%~1.33%，平均0.72%，占总孔隙度的0.16%~0.46%(表 6)，泥页岩中的平均有效孔隙度仅占总孔隙度的29%；弛豫时间阀值是有效孔隙度与残余孔隙度的分界点，在孔隙度一定的情况下，阀值越小，有效孔隙度越大，孔隙间的连通性越好。

由于所做的核磁共振实验数量有限，因此，文中应用有效孔隙度的平均比例来获得有效孔隙度，可将游离气计算公式变为

${{Q}_{游}}=a\phi {{S}_{g}}/\rho Z$

式中：a—研究区内泥页岩中有效孔隙度所占的比例，无因次；$\phi $—孔隙度，无因次。

根据游离气求解公式计算台头剖面样品游离气含量，由于样品都来自地表，气体体积压缩因子取1；含气饱和度取60%；页岩密度取平均值2.7 g/cm³。台头剖面的游离气含量在0.1~0.3 m³/t (表 6)。

3 结论

(1) 台头剖面上古生界以太原组的泥页岩最有利于页岩气的形成，泥岩厚度在25 m左右，有机质丰度较高，$R_{\rm{o}}$在1.5%左右，处于产气态烃阶段，泥页岩中非膨胀性黏土含量达89.9%，裂缝/微裂缝发育程度较均匀。

(2) 提出了在温压梯度一样的情况下应用有机碳含量与深度求取吸附气量的简便方法，并将该方法应用于同盆地的榆88井数据进行验证，所求的吸附气含量更接近实际情况。

(3) 核磁共振提供了一种较为准确的有效孔隙度计算方法，弥补了常规手段不法获得有效孔隙度的不足，并应用有效孔隙度所占的比例对游离气量求解公式进行了改进。