陽信洼陷沙一段生物泥頁巖氣成藏條件分析

甘志紅

（中國石化勝利油田分公司地質(zhì)科學(xué)研究院，山東 東營(yíng) 257015）

0 引言

頁巖氣為非常規(guī)天然氣的重要類型之一，資源量巨大，并在北美等地區(qū)成功開發(fā)，是當(dāng)今世界的研究熱點(diǎn)［1-2］。頁巖氣分為生物成因氣、熱成因氣及兩者結(jié)合成因氣，為典型的“自生自儲(chǔ)”型氣藏［3］。

濟(jì)陽坳陷在陽信洼陷沙一段首次發(fā)現(xiàn)生物氣，多口井獲得工業(yè)氣流。研究認(rèn)為，沙一段生物灰?guī)r及粉砂巖儲(chǔ)層中的生物氣來自沙一段烴源巖，表明陽信洼陷廣泛分布的品質(zhì)良好的沙一段烴源巖內(nèi)可能蘊(yùn)含豐富的生物成因頁巖氣。

筆者通過分析陽信洼陷沙一段烴源巖微觀地化特征、平面分布特征、沉積環(huán)境等，研究了陽信洼陷沙一段生物泥頁巖氣的成藏地質(zhì)條件，提出了陽信洼陷具備形成中小型生物泥頁巖氣的成藏條件。

1 地質(zhì)概況

陽信洼陷位于濟(jì)陽坳陷惠民凹陷東北部，北接無棣凸起，東鄰流鐘洼陷，南接林樊家構(gòu)造，為典型的北斷南超型箕狀結(jié)構(gòu)，面積約為1 290 km2。該區(qū)已完鉆探井46口，其中14口井在沙一段共解釋氣層42層78.4 m，并有3口井試氣獲得工業(yè)氣流。

沙一段生物灰?guī)r、生物白云巖和砂巖是生物氣藏的重要儲(chǔ)集層。氣藏埋藏較淺，一般為1 309～1 520 m。天然氣組分中，甲烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)為95.00%～98.49%，平均97.30%，重?zé)N和非烴少，質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般小于1.30%，天然氣相對(duì)密度為0.560 0～0.596 2，表明天然氣為干氣。陽15、陽16、陽101井3個(gè)氣樣的甲烷碳同位素分析表明，δ13C1值分布于-56.46‰～-60.88‰，平均-59.31‰，說明沙一段的天然氣屬于生物成因氣。陽24井沙一段1260～1302m烴源巖吸附氣的δ13C1值分布于-50.20‰～-61.60‰，與上述3口井天然氣甲烷碳同位素比較接近，說明沙一段的烴類氣主要來源于沙一段烴源巖。

研究發(fā)現(xiàn)，沙一段與含氣儲(chǔ)層互層或在其上部的泥頁巖段氣測(cè)顯著異常，泥頁巖集中分布，厚度較大，如陽101井，全烴異常值為1.00%～13.90%（基值為0.40%），甲烷異常值為 1.50%～11.75%（基值為0.40%），氣測(cè)異常段厚度為132 m；因此，陽信洼陷沙一段泥頁巖是潛在的生物泥頁巖氣的勘探對(duì)象。

2 沙一段泥頁巖特征

生物頁巖氣是指生物成因的泥頁巖氣，具體是指微生物作用于烴源巖中的有機(jī)質(zhì)，生成的以甲烷為主的烴類和非烴類氣體。這些天然氣以吸附或游離態(tài)賦存在頁巖中，成為生物成因頁巖氣［4］。沙一段泥頁巖是生物頁巖氣的資源基礎(chǔ)，該區(qū)泥頁巖具備生成生物泥頁巖氣的有利條件。

2.1 適宜的地溫條件

在生物泥頁巖氣的形成過程中，產(chǎn)甲烷菌等微生物起到重要作用。甲烷菌生存的基礎(chǔ)條件是地溫適宜，溫度范圍一般在0～75℃，且在35～65℃具有較大的生理活性。通過陽信洼陷7口井的測(cè)試分析，沙一段地層由于埋深淺，小于1 800 m，地溫介于54.0～63.0℃，平均為56.9℃，處于生物氣的生烴高峰時(shí)期，具有晚期大量生成生物氣的環(huán)境，也有利于生物氣及生物頁巖氣的成藏與保存。

2.2 面積較大，具有咸化、快速沉積的特征

陽信洼陷沙一段泥頁巖厚度20～140 m，分布面積1 200 km2，同時(shí)還具有快速沉積的特征，沉積速率達(dá)0.60 mm/a。其快速沉積的背景不僅提供了較厚的氣源巖，而且使沙一段沉積有機(jī)質(zhì)在快速堆積中避免受到淺表氧化細(xì)菌的降解作用，從而為生物泥頁巖氣的生成創(chuàng)造了有利條件。

陽信洼陷沙一段快速沉積的背景，還有利于形成有機(jī)質(zhì)進(jìn)行生物化學(xué)作用的地球化學(xué)環(huán)境。首先，快速沉積形成了沙一段水體相對(duì)較深的半深湖或淺湖環(huán)境，水中游離氧較貧乏，使早期沉積物快速堆積，得到迅速埋藏和保存，同時(shí)減少了上覆水體中不斷補(bǔ)給的溶解的硫酸鹽，為微生物群落的生成和繁殖創(chuàng)造有利環(huán)境。其次，快速堆積促進(jìn)了有機(jī)質(zhì)不斷進(jìn)入生物氣的主生氣帶，由于上覆沉積物的重力作用和靜水柱壓力作用，已經(jīng)生成的甲烷不容易散失，從而得以保存。

陽信洼陷沙一段沉積時(shí)期，湖盆總體為咸化環(huán)境。咸化環(huán)境的水體抑制了有機(jī)質(zhì)的生物降解,使其得以大量保存。沙一段7塊樣品的微量元素統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果顯示，F(xiàn)e/Mn 比值為 0.10～0.54，均小于 1.0，Sr/Ba 比值為1.15～2.29，表明沙一段為咸化湖相環(huán)境。另外，沙一段泥巖的色-質(zhì)譜特征表明，陽14井沙一段1 444.58 m處泥巖伽馬蠟烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)24.83%，伽馬蠟烷/C30-藿烷為1.87；陽16井沙一段1 275.38 m泥巖伽馬蠟烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.72%,伽馬蠟烷/C30-藿烷為1.01，也反映陽信洼陷沙一段為咸化沉積環(huán)境。這種咸化環(huán)境可有效抑制甲烷菌對(duì)沉積有機(jī)質(zhì)的分解作用，減緩有機(jī)質(zhì)向生物氣的轉(zhuǎn)化，是沙一段生物氣能夠大量生成并富集的重要原因。

陽信洼陷沙一段泥頁巖厚度大，滿洼分布，并已獲得了工業(yè)氣流，沙一段泥頁巖中未排出的生物泥頁巖氣具有較大的勘探潛力。

2.3 泥頁巖地化指標(biāo)

陽信洼陷沙一段為濱淺湖沉積環(huán)境，灰色、灰黑色泥巖、油泥巖與油頁巖累計(jì)厚度為20～140 m，烴源巖的地化指標(biāo)較好（見圖1）。泥頁巖有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.04%～20.00%，平均3.95%，氯仿瀝青“A”質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.0800%～0.5000%，平均 0.130 6%，S1最大可達(dá) 20 mg/g，為好烴源巖。泥頁巖演化程度低，Ro平均0.35%。干酪根類型為Ⅰ型。

2.4 泥頁巖段集中分布

陽信洼陷沙一段泥頁巖段具有泥巖分布集中、電阻率高的特征（見圖2）。沙一段泥巖電阻率相對(duì)于上覆東營(yíng)組、下伏沙二段，均表現(xiàn)為高阻特征，高阻異常段頁巖主要分布于沙一段中、下部。沙一段是一個(gè)水體由上升到下降的旋回，其中、下部對(duì)應(yīng)著低位域及湖侵域，是該段水體相對(duì)較大、湖盆發(fā)育的時(shí)期。穩(wěn)定、快速沉積的湖相泥頁巖，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均3.95%，豐富的有機(jī)質(zhì)導(dǎo)致泥巖電阻率較高。據(jù)統(tǒng)計(jì)，沙一段中、下部電阻率一般為3～17 Ω·m，平均5 Ω·m。

鉆井揭示高阻段頁巖厚度10.0～96.8 m（見圖3）。這些高阻段泥頁巖為生物泥頁巖氣的生成提供了物質(zhì)基礎(chǔ)［5］。

圖1 陽信洼陷陽16井烴源巖地球化學(xué)綜合剖面

圖2 陽信洼陷陽6井—陽17井沙一段東西向地層對(duì)比

圖3 陽信洼陷沙一段頁巖厚度

3 生物泥頁巖氣成藏分析

3.1 泥頁巖儲(chǔ)集性能

生物泥頁巖氣的儲(chǔ)集空間主要為原生孔隙及少量次生孔隙［6］。沙一段泥頁巖埋藏淺，為 1 200～1 800 m，處于成巖作用早期，泥巖中的原生孔隙得以保留，測(cè)井解釋孔隙度一般為 2%～7%，滲透率（0.1～0.5）×10-3μm2，具備一定的儲(chǔ)集能力。

巖心觀察發(fā)現(xiàn)，沙一段穩(wěn)定沉積的湖相泥頁巖頁理發(fā)育，這些頁理也可以構(gòu)成生物頁巖氣的有利儲(chǔ)集空間。

3.2 生物泥頁巖氣保存條件

沙一段沉積時(shí)期，洼陷邊部陽信斷層斷裂活動(dòng)較弱，洼陷內(nèi)部二級(jí)及三級(jí)斷層不發(fā)育, 同時(shí)沙一段泥巖內(nèi)部裂縫也不發(fā)育，減少了生物泥頁巖氣的散失。東營(yíng)組沉積時(shí)期，洼陷遭到整體抬升，發(fā)育河流相沉積；東營(yíng)組沉積以后，洼陷整體進(jìn)入坳陷期。區(qū)域構(gòu)造背景形成陽信洼陷沙一段、東營(yíng)組及新近系斷層不發(fā)育、形態(tài)類似“平底鍋”的構(gòu)造特征，減少了生物頁巖氣縱向上的散失，有利于生物頁巖氣的大量保存。另外，大斷裂附近地表水較為豐富，水質(zhì)較淡，甲烷菌異常活躍，促使有機(jī)質(zhì)早期分解，不利于有機(jī)質(zhì)保存和生物頁巖氣的形成。因此，生物頁巖氣的主要富集區(qū)帶為遠(yuǎn)離斷裂的泥巖有利發(fā)育區(qū)。

3.3 生物泥頁巖氣成藏模式

生物泥頁巖氣藏主要位于烴源巖中的暗色泥頁巖或高碳泥頁巖中，是生物氣在烴源巖內(nèi)就近聚集的結(jié)果，成藏特征為典型的原地成藏模式［7］。

陽信洼陷自沙一段烴源巖沉積時(shí)期一直到第四紀(jì)，區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)較弱。以湖相水生生物母質(zhì)為主，濱淺湖相穩(wěn)定快速沉積的沙一段優(yōu)質(zhì)烴源巖得到很好保存。隨著埋深加大，古地溫在35～65℃，烴源巖進(jìn)入生物氣生成高峰階段。沙一段烴源巖生成的生物頁巖氣，在烴源巖內(nèi)就近聚集，形成“自生自儲(chǔ)”的原地成藏模式［8-17］。

烴源巖中吸附的天然氣導(dǎo)致沙一段氣測(cè)異常明顯。鉆井統(tǒng)計(jì)氣測(cè)全烴異常最大值可達(dá)20%，均值為8%。沙一段氣測(cè)異常段厚度15～120 m，厚度中心在陽101鼻狀構(gòu)造帶、洼陷帶陽23及陽29井一帶。沙一段氣測(cè)異常值與圍巖基值的倍數(shù)為2～25，最大倍數(shù)在陽16井一帶。氣測(cè)異常較大值區(qū)帶預(yù)測(cè)是生物泥頁巖氣的有利發(fā)育區(qū)。

4 結(jié)束語

陽信洼陷沙一段泥頁巖具備形成生物頁巖氣的有利條件。沙一段泥頁巖為優(yōu)質(zhì)烴源巖，處于生物氣生成的高峰時(shí)期。沙一段地層具有快速沉積、咸化湖盆的特征，為烴源巖的保存及生物泥頁巖氣的生成提供了有利沉積背景。烴源巖生成的生物泥頁巖氣在烴源巖內(nèi)就近聚集，表現(xiàn)為典型的原地成藏模式。沙一段沉積時(shí)期，洼陷內(nèi)部二級(jí)、三級(jí)斷層不發(fā)育，減少了生物泥頁巖氣的散失。洼陷中部氣測(cè)異常較大值區(qū)帶，預(yù)測(cè)是生物泥頁巖氣的有利發(fā)育區(qū)。

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