随着四川盆地长宁—威远、涪陵等地区下志留统龙马溪组页岩气勘探的成功^[1-2]，四川盆地建安地区侏罗系和鄂尔多斯盆地三叠系陆相页岩气引起重视并获得勘探发现^[3-4]。中国西北地区侏罗系作为常规油气的主要烃源岩，沼泽和煤系地层发育，生油岩厚度大^[5]，具备形成页岩油气的地质条件。青海油田在柴北缘数十年的勘探中相继发现了冷湖三号、冷湖四号、冷湖五号、鱼卡、马海等油气田，油气勘探前景十分广阔^[6]。然而，柴达木盆地侏罗系页岩油气的研究尚处于起步阶段，富含有机质页岩层段的空间分布、页岩气有利区的预测、泥页岩储层等参数尚需进一步调查和研究。

柴达木盆地北缘西起阿尔金山前的冷湖构造，东至德令哈凹陷大浪-土尔岗构造带的东端，北界为祁连山前深大断裂系，南界为鄂博梁南缘-陵间-黄泥滩-埃姆尼克山南缘深断裂与盆地中央坳陷带分界^[7-8]，面积逾3×104km²。该地区侏罗系发育，下侏罗统主要分布在冷湖-南八仙构造带及其以南地区，中侏罗统主要分布在潜西、赛什腾、鱼卡、红山、德令哈等地区，上侏罗统则发育在鱼卡、大柴旦、红山、德令哈等凹陷^[9]。中、下侏罗统均发育半深湖-深湖相暗色泥页岩及煤系地层，平均厚度超过200m，构成了柴北缘地区最主要的烃源岩^[10-12]。受制于盆地迁移、差异剥蚀及钻井分布的不均匀性，柴达木盆地北缘的主力勘探区位于冷湖-南八仙构造带上，且完整揭示中、下侏罗统的钻井较少，获得的页岩岩心非常少。因此，笔者通过野外地质调查，对柴达木盆地北缘侏罗系页岩的分布、地球化学、储层、含气性等特征进行初步研究，提出进一步勘查的重点和方向。

1.   泥页岩分布特征

柴北缘泥页岩主要发育于中、下侏罗统（表 1）。下侏罗统包括湖西山组、小煤沟组和大煤沟组下部，为一套陆相煤系地层，主要分布于盆地北缘地区，岩性为暗色页岩、泥岩和泥质粉砂岩夹砂岩及少量煤，富含植物化石，具有北方植物群的特点。中侏罗统包括大煤沟组中、上部，为一套陆相煤系地层，在大煤沟剖面出露最为完整，富含植物化石^[13]。

表  1  柴达木盆地北缘侏罗系划分^[13]

Table  1.  Division of Jurassic strata on the northern margin of Qaidam Basin

系统组段
侏罗系	上统	红水沟组 采石岭组
	中统	大煤沟组	第7段 第6段 第5段 第4段 第3段 第2段 第1段
	下统
		小煤沟组 湖西山组

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1.1   泥页岩平面分布

经地震资料解释和钻井验证，柴达木盆地北缘侏罗系分布较完整，从西段的冷湖—南八仙一线以北地区向东扩展至德令哈地区。其中，中侏罗统暗色泥页岩发育，累计厚度达50~300m，3个沉积中心分别位于冷湖—马海、绿草山和怀头他拉地区。总体上具有分布面积广、厚度大的特点，具备形成页岩气的物质基础（图 1）。

图  1  柴北缘中侏罗统泥页岩平面分布

Figure  1.  Distribution of the Middle Jurassic shale on the northern margin of Qaidam Basin

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1.2   泥页岩分布厚度

露头和钻井资料显示，自西往东，柴北缘祁连山前中侏罗统泥页岩分布稳定，厚度较大，介于10~226m之间，其中油页岩厚度在20~120m之间，且主要分布在大煤沟组7段和6段。其中结绿素剖面泥页岩厚20m，圆顶山剖面厚82m，路乐河剖面厚22m，鱼25井钻遇泥页岩约200m，鱼卡煤矿厚226m，尕中20井钻遇泥页岩198m，大煤沟剖面146m（图 2）。

图  2  柴北缘中侏罗统泥页岩地层对比

Figure  2.  Correlation of Middle Jurassic shale strata on the northern margin of Qaidam Basin

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2.   样品采集和测试分析

2013年，通过野外地质调查，对采自柴北缘鱼卡、大煤沟、小煤沟、开源、绿草沟、大头羊等剖面地表露头的11件中侏罗统泥页岩进行单样品多参数的实验分析（图 3；表 2）。在中国地质大学（北京）页岩气勘查与评价国土资源部重点实验室，开展了岩石薄片鉴定、岩石物性、有机碳、岩石热解、镜质体反射率、干酪根镜检、有机碳元素、C同位素、岩石族组分、X射线衍射粘土矿物、全岩分析、氩离子抛光扫描电镜、等温吸附等试验分析。

图  3  柴达木盆地北缘地形地貌及采样位置

a—大头羊剖面；b—小煤沟剖面

Figure  3.  Topography and sampling sites on the northern margin of Qaidam Basin

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表  2  样品位置和岩性

Table  2.  Location and lithology of samples

采样编号	采样地区	岩性
YK-01	鱼卡本部	泥岩
YK-02	大煤沟排石场出口	含炭细粉砂质泥岩
YK-03	大煤沟排石场出口	泥岩
YK-04	小煤沟煤矿	泥岩
YK-05	小煤沟煤矿	煤岩
YK-06	小煤沟煤矿	炭质泥岩
YK-07	开源煤矿	含炭粉砂质泥岩
YK-08	绿草沟煤矿	泥岩
YK-09	绿草沟煤矿	泥岩
YK-10	绿草沟煤矿	泥岩
YK-11	大头羊煤矿	泥晶灰岩

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3.   测试结果分析

3.1   地球化学特征

3.1.1   有机质丰度

氯仿沥青“A”、生烃潜力（S₁+S₂）和总有机碳含量（TOC）是有机质丰度评价的关键参数。其中，总有机碳含量因与页岩含气量具有正相关性而尤为重要^[14-15]。研究区中侏罗统暗色页岩TOC普遍较高，5个采样点的TOC分布在2.16%~12.9%之间，平均为5.46%。其中尤以小煤沟煤矿中侏罗统炭质泥岩含量最高，平均达10%左右。鱼卡本部、绿草沟煤矿、开源煤矿、大煤沟采石场等露头采样点TOC也远高于2%的有效页岩下限值。值得注意的是，研究区氯仿沥青“A”、生烃潜力和总有机碳含量3种主要有机质丰度参数一致性非常好，均呈明显正相关性（图 4）。其中氯仿沥青“A”值为0.02%~0.15%，平均值为0.08%；生烃潜力为2.03~46.86mg/g，平均值为14.67mg/g。

图  4  柴达木盆地北缘侏罗系有机质丰度参数关系

Figure  4.  Organic matter abundance parameters in Jurassic on the northern margin of Qaidam Basin

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3.1.2   有机质类型

干酪根镜检结果表明，北缘侏罗系泥页岩样品干酪根的主要特点为腐泥组无定形体含量较高，平均含量达50%，基本不含壳质组分。研究区样品的干酪根类型分型指数介于-27.50~52.75之间，基本为Ⅱ₁型或Ⅱ₂型，反映了以陆相湖盆为主的有机质来源。现有研究成果也表明，腐泥型有机质在生烃过程中更易产生微孔隙，具有较好的页岩气吸附能力，可作为良好的页岩气储层。

3.1.3   有机质成熟度

柴北缘鱼卡、大煤沟、小煤沟、开源、绿草沟、大头羊等煤矿附近地表露头11件泥页岩样品的热解峰温结果表明，研究区中侏罗统泥页岩热解峰温介于425~440℃之间，成熟度较低。但考虑到该层系有机质类型以Ⅱ₁型和Ⅱ₂型为主，热解峰温判定成熟度可能存在误差。镜质体反射率（R_o）的分析结果表明，研究区成熟度分布较为稳定，R_o为0.33%~0.5%，平均值为0.45%，有机质基本处于未成熟阶段，与中国南方地区海相页岩油气高演化的特征截然不同。

3.2   储集物性及含气性特征

3.2.1   储集空间

泥页岩的储集空间主要有裂缝和孔隙两大类，具体包括构造裂缝、层间页理缝、泥质中的微裂缝和孔隙、有机质孔隙、粘土矿物粒间孔、岩石骨架晶间孔等。研究区泥页岩主要发育矿物质残留粒间孔，形态和矿物颗粒形态有关，多以长条形和不规则形为主，宽度一般为几十至几百纳米，长度一般为数微米（图 5-a）。其次发育微裂缝，主要为粒内裂缝，一般宽几十至几百纳米，长度一般为几十微米，个别宽约1μm（图 5-b）。有机质孔隙的形态多为圆形和椭圆形，直径一般为数十至数百纳米，个别为1~21μm（图 5-c），亦有发育在草莓状黄铁矿颗粒内的有机质孔隙（图 5-d）。柴北缘侏罗系泥页岩发育的矿物质残留粒间孔、微裂缝及有机质孔为页岩气富集提供了良好的储集空间。

图  5  柴北缘中侏罗统泥页岩扫描电镜照片

a—大煤沟剖面，炭质含细粉砂质泥岩；b—鱼卡剖面，灰黑色泥页岩；c、d—小煤沟剖面，灰黑色页岩

Figure  5.  Scanning electron microscope photograph of the Middle Jurassic shale on the northern margin of Qaidam Basin

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3.2.2   物性特征

页岩是由大量的粘土矿物、有机质及细粒碎屑组成的易碎裂的沉积岩。据美国含气页岩统计，页岩岩心孔隙度小于6.5%，平均值为5.2%；渗透率一般为0.001~2mD，平均值为0.0409mD^[16]。由此可知，其自身的有效基质孔隙度和渗透率都很低。柴北缘侏罗系泥页岩孔隙分析报告显示，孔隙度介于4.6%~14.6%之间，平均值为10.4%，渗透率介于0.003~0.087mD之间，平均值为0.019mD，总体具备含气页岩的有效孔渗条件。

3.2.3   脆性矿物含量

显微镜下泥页岩薄片中的炭质、有机质呈微层状、条纹状分布，形成微层理构造，少量炭质呈碎屑状零星分布，部分见胶磷矿条带状分布。X-衍射矿物分析表明，矿物构成中粘土矿物总量为44%~64%，以伊利石、高岭石和伊/蒙混层为主，其中高岭石含量为27%~82%，伊利石含量为7%~22%，伊/蒙间层含量为11%~52%（图 6）。全岩中石英、长石、方解石等脆性矿物平均质量分数为28%~54%，平均值为37.5%。与美国及中国南方海相页岩相比，研究区脆性矿物含量总体偏低，进一步的勘查开发需优选脆性矿物含量较高的页岩气甜点区。

图  6  柴北缘中侏罗统泥页岩矿物组成

Figure  6.  Mineral composition and percentage of the Middle Jurassic shale on the northern margin of Qaidam Basin

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3.2.4   含气性特征

气体在页岩储层中主要以2种方式储集：在天然裂缝及有效的大孔隙中以游离态存在，在有机质或矿物固体颗粒表面以吸附态存在。页岩吸附能力的大小通常与页岩的许多特征有关，如总有机碳含量、干酪根成熟度、储层温度、压力、页岩原始含水量、天然气组分等^[17]。为了解该区页岩的吸附能力, 对9个样品进行了等温吸附试验，试验温度为30℃，油浴锅温度控制精度为0.1℃，压力测量精度为0.69KPa。试验结果表明，研究区泥页岩吸附气含量2.34~9.54m³/t，平均为4.85m³/t，说明该区泥页岩具有一定的天然气吸附能力（图 7）。

图  7  柴北缘侏罗系泥页岩等温吸附曲线

Figure  7.  Isothermal adsorption curve of the Jurassic shale on the northern margin of Qaidam Basin

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4.   讨论

4.1   热演化程度对有机质孔隙和页岩油气形成的影响

一般认为，页岩有机质孔是页岩在埋藏成岩与有机质演化过程中形成的孔隙，属于次生孔隙。干酪根在成熟阶段生烃过程中，固体干酪根尤其是其中的腐泥组、镜质组转化为液态烃类流体或气体聚积，产生气泡，有机质体积缩小，气体体积膨胀，导致有机质孔产生^[18-19]。因此，有机质孔隙主要受热演化程度的控制，与有机质的烃转化率呈正相关关系。柴北缘页岩有机质中含有较为丰富的腐泥质组分，但较低的热演化程度客观上制约了有机质孔隙的产生，影响了页岩气的储集空间。同时，由于热演化程度不高，柴北缘部分地区还处于生油窗内，随着埋深的增加，会出现油气伴生的可能^[20-21]。

4.2   总有机碳含量和页岩吸附能力的关系

柴北缘侏罗系页岩有机质孔隙发育程度不高，但得益于较高的总有机碳含量，其吸附能力仍然较强，TOC越高泥页岩的含气量也越高（图 8）。当TOC值较低时，TOC值2.75%对应的吸附能力为2.34m³/t，而当TOC值升高到12.9%时，其吸附能力为9.54m³/t。由此说明，在有机质类型以Ⅱ₁和Ⅱ₂型为主的前提下，总有机碳含量与吸附能力间呈明显的正相关关系，而非R_o＜0.6时，TOC含量与孔隙发育关系为负相关或无^[22]。

图  8  中侏罗统泥页岩总有机碳含量与吸附气量关系

Figure  8.  Isothermal adsorption versus TOC of Middle Jurassic shale on the northern margin of Qaidam Basin

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4.3   含气量与地层压力的关系

四川盆地焦石坝页岩气田的形成与富集高产模式表明，R_o＞2.0，TOC＞2%的优质页岩层系，产层具有超压特点（压力系数为1.55），页岩才能具有较高的产量^[23]，贵州正安向斜安页1井钻探也获得较高的地层压力和天然气产量。相对于南方龙马溪组海相页岩，柴北缘侏罗系泥页岩与鄂尔多斯盆地三叠系泥页岩一致^[24]，均具有低孔、低渗、低成熟度、粘土矿物含量高、有机质孔隙欠发育、含气量与龙马溪组页岩相当等特点，常规油气勘探表明地层为常压或低压（压力系数为0.9~1.0）。因此，地层压力是决定页岩气产量高低的关键因素。

5.   结论及建议

（1）柴北缘中侏罗统泥页岩干酪根虽具有较高含量的腐泥质，但较低的热演化程度影响了生烃过程中有机质孔隙的产生，具备页岩油气伴生的可能，建议勘探开发中应予以兼顾。

（2）柴北缘中侏罗统泥页岩总有机碳含量与吸附能力呈明显的正相关关系，这也是页岩含气量高的主要原因，建议进一步的勘查工作中明确优质页岩层段。

（3）柴北缘中侏罗统具备形成陆相页岩气的条件，进一步的勘查开发需优选地层压力系数高、保存条件较好、脆性矿物含量高的页岩气甜点区。