鄂爾多斯盆地三疊系延長組長7油頁巖特征與頁巖氣資源潛力研究

張 惠，孟祥振

(1.西北大學地質(zhì)學系，陜西西安710069;2.西安石油大學地球科學與工程學院，陜西西安710065;3.延長油田股份有限公司，陜西 延安717111)

據(jù)不完全統(tǒng)計，全球油頁巖蘊藏著巨大的資源量，產(chǎn)層從寒武系至第三系，主要分布在美國、扎伊爾、巴西、意大利、摩洛哥、約旦、澳大利亞、中國和加拿大等9個國家［1-2］。我國頁巖氣廣泛分布，主要分布在川南、川東、渝東南、黔北、鄂西、渤海灣、鄂爾多斯、塔里木和準噶爾等含油氣盆地，可采資源量約為26×1012m3，與美國的28.3×1012m3大致相當，具有很大的資源前景和開發(fā)潛力。鄂爾多斯盆地作為我國油頁巖資源最豐富的盆地之一，縱向上分布在石炭系、二疊系山西組、三疊系延長組等層位，其中延長組是盆地內(nèi)油頁巖的主要產(chǎn)出層位，占鄂爾多斯盆地油頁巖資源總量的90%以上。鑒于此，本文對該盆地延長組長7油頁巖特征進行細致分析，并對其頁巖氣資源量予以估算。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

鄂爾多斯盆地是位于我國中東部中、新生代的大型坳陷內(nèi)陸沉積盆地，地跨中國北部的陜西、甘肅、寧夏、山西和內(nèi)蒙古等五省區(qū)，為一個沉積穩(wěn)定，坳陷遷移，扭動明顯的多旋回克拉通疊加盆地［3］，沉積面積約25×104km2。

區(qū)域地質(zhì)研究表明［4-7］，鄂爾多斯盆地早古生代為海相沉積，晚古生代以海陸過渡相沉積為主，到了晚三疊世，受印支運動影響，鄂爾多斯盆地遭受了有史以來的重大變革，在沉積上實現(xiàn)了由海相、過渡相向陸相的根本性轉(zhuǎn)變，開始進入內(nèi)陸坳陷盆地發(fā)展階段，發(fā)育了大型內(nèi)陸湖泊，沉積了厚逾千米的上三疊統(tǒng)生、儲油巖系，延長組記錄了湖盆形成、發(fā)展和萎縮的全過程。延長組沉積時期，鄂爾多斯盆地具面積大、水域廣、深度淺、地形平坦和分割性較弱的特點(曾少華，1992)，而長7油頁巖正是之一時期形成的。

2 長7油頁巖特征

2.1 油頁巖的成因類型

油頁巖通常根據(jù)成因可分為海相和陸相。一般情況下，地質(zhì)學家把油頁巖沉積分為三大類:第一類為黑色的、極少見的淺棕色海相地臺型油頁巖，它們與碳酸鹽巖、硅質(zhì)巖和含磷酸鹽的巖系伴生。這類油頁巖層一般都很薄，厚度不超過幾米，厚達10 m的極少。第二類是黑色湖相油頁巖，形成于深湖-半深湖沉積環(huán)境中。這類油頁巖厚度可達幾百米，是季節(jié)性氣候旋回直接控制下湖盆內(nèi)部水體生物與化學環(huán)境周期變化的產(chǎn)物，為盆內(nèi)成因或湖控成因［8］。它代表了盆地發(fā)育的鼎盛期，油頁巖往往是含油氣盆地的主要烴源巖，縱向上油頁巖處于儲蓋組合之下，這種成因類型的油頁巖具有厚度大、分布范圍廣的特點［9］。第三類是與煤層伴生的油頁巖，包括海陸交替相和沼澤相沉積環(huán)境形成的油頁巖，一般分布在煤層的底部或煤層之間，多數(shù)為煤層底板，厚度相對較薄。

鄂爾多斯盆地的油頁巖可分為湖相油頁巖、海陸交替相油頁巖和沼澤相油頁巖三類。而延長組長7油頁巖則屬于大型內(nèi)陸湖盆的湖相油頁巖，代表了盆地發(fā)育的鼎盛期，是主要的烴源巖。

2.2 油頁巖平面分布特征

長7期，盆地在繼承前期的基礎(chǔ)上，基底整體強烈下沉，湖水覆蓋面積約達10×104km2，湖盆水體也明顯加深。湖岸線大幅度向外擴展，東部大致擴展至橫山-子洲-清澗-延川-趙家河一帶，西部推移至環(huán)縣西-華亭一線;南部抵達旬邑東一線;北部最遠可達烏審旗一帶。

研究表明，鄂爾多斯盆地長7油頁巖的發(fā)育厚度與沉積相的展布密切相關(guān)。半深—深亞相沉積廣泛分布于黃陵-富縣-甘泉-吳旗-定邊-姬塬—環(huán)縣-西峰西一線以內(nèi)的廣大地區(qū)，呈北西-南東向不對稱分布。該區(qū)黑色泥巖厚80～120 m，油頁巖厚一般大于30 m，最厚處可達60 m以上，最厚處在盆地南部的吳旗、慶陽和正寧等地附近，普遍發(fā)育水平層理、微細波狀層理。垂向上濁積巖、深湖湘泥巖交替。動植物化石豐富，黃鐵礦結(jié)核普遍分布，是鄂爾多斯盆地主要的烴源巖發(fā)育區(qū)。西部以粗粒三角洲和濁積巖沉積為主，慶陽-合水-固城川的濁積扇連成一片，規(guī)模達到最大;東南部、西北部發(fā)育扇三角洲成因有關(guān)的濁積扇;東部局部發(fā)育與三角洲有關(guān)的濁積巖。淺湖亞相沉積呈環(huán)帶狀沿深湖區(qū)展布，具有西部狹窄，東部寬闊的特點?；疑?、灰黑色泥巖厚達60～80 m，油頁巖厚度一般小于30 m，10～20 m居多，分布在定邊、靖邊、延安、子長、富縣、銅川和彬縣一帶。具有水平或波狀層理，含植物化石碎片，也是重要的烴源巖發(fā)育區(qū);東部發(fā)育定邊三角洲、志丹—靖邊三角洲、烏審旗三角洲、安塞三角洲、延安三角洲、富縣三角洲等三角洲前緣亞相沉積，此處頁巖不太發(fā)育，厚度較小，一般多在20 m以下(圖1)。

由此可見，鄂爾多斯盆地長7油頁巖的分布受沉積環(huán)境的控制作用顯著，深湖—半深湖相形成的油頁巖具有分布廣泛、厚度大的特點，淺湖和三角洲相形成的油頁巖不僅分布范圍小，且厚度小。

圖1 鄂爾多斯盆地長7期沉積相與油頁巖厚度等值線圖

2.3 油頁巖縱向分布特征

長7油頁巖縱向上常為1～3層，單層厚度一般10～30 m，深湖區(qū)單層厚度達50 m以上。水平層理發(fā)育，具密度流碎屑沉積夾層或隔層，厚度較大的油頁巖段縱向上分布集中且穩(wěn)定(圖2)。

圖2 長7油頁巖對比剖面

2.4 油頁巖電性特征

從測井曲線上看，長7油頁巖段自然伽馬曲線值一般為91～243.5APⅠ，平均 134 APⅠ，是泥巖的 3 倍以上;深感應電阻率曲線值一般為29～196Ω·m，平均61Ω·m，是泥巖的4倍以上;4米視電阻率曲線值一般為63～540Ω·m，平均234Ω·m;聲波時差曲線值一般為 230～362μs/m，平均282μs/m;自然電位曲線值一般為 -38～-5mv，平均 -21mv。總之，油頁巖測井響應明顯，易于識別，具有高伽馬、高電阻、高時差、自然電位偏正等特征(圖2)，可以利用鄂爾多斯盆地大量的鉆孔測井資料進行油頁巖定性解釋評價。

3 長7頁巖氣資源潛力

3.1 頁巖氣資源評價方法概述

頁巖氣發(fā)育條件及富集機理的特殊性，決定了相應資源評價方法和參數(shù)取值的特殊性［10］。頁巖氣藏儲層連續(xù)分布，具有較強的非均質(zhì)性，包括多種氣體富集機制、控制產(chǎn)能的多樣性。因此，頁巖氣資源評價中既要考慮地質(zhì)因素的不確定性，也要考慮技術(shù)、經(jīng)濟上的不確定性。當頁巖物性超出下限(孔隙度小于1%)、頁巖含氣量達不到工業(yè)標準或者埋藏深度超出經(jīng)濟下線(埋深4 km)時，頁巖氣資源量與儲量計算結(jié)果宜采取適當辦法予以總量中的扣除［11］。

目前，頁巖氣資源評價方法評價方法主要有資源豐度類比法、成因法、統(tǒng)計法、容積法、綜合分析法等［10-11］。本次長7頁巖氣資源量估算采用資源豐度類比法，該方法是勘探開發(fā)程度較低地區(qū)常用的方法，也是一種簡單快速的評價方法。簡要過程是:首先確定評價區(qū)頁巖系統(tǒng)展布面積、有效頁巖厚度;其次根據(jù)評價區(qū)頁巖吸附氣含量、頁巖地化特征、儲層特征等關(guān)鍵因素，結(jié)合頁巖沉積、構(gòu)造演化等地質(zhì)條件，已知含氣頁巖對比，按地質(zhì)條件相似程度，估算評價區(qū)資源豐度或單儲系數(shù);最終按如下方式估算評價區(qū)頁巖氣資源量:

式中:Q為評價區(qū)頁巖氣資源量，108m3;S為評價區(qū)效頁巖面積，km2;h為有效頁巖厚度，m;k為頁巖氣資源豐度，108m3/km2;a為頁巖氣單儲系數(shù)，108m3/(km2·m)。其中有效頁巖面積有嚴格的限定，指有效厚度大于15 m、有機碳含量大于2%、熱演化程度處于生氣窗以內(nèi)、埋藏深度位于氧化帶(300 m)以下頁巖的展布面積。

3.2 長7頁巖氣資源量估算

3.2.1 長7油頁巖厚度

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)、鉆井資料等對長7油頁巖的厚度、埋深的統(tǒng)計及分布規(guī)律研究，鄂爾多斯盆地延長組長7有效頁巖面積約58 867 km2，有效厚度15～50 m，最厚處在盆地南部的吳旗、慶陽和正寧等地附近。為便于頁巖氣資源估算后的進一步經(jīng)濟評價，對不同埋深下的有效頁巖面積做了統(tǒng)計，埋深大于2 000 m的有效頁巖面積為28 053.5 km2，埋深2 000～1 000 m的有效頁巖面積24 671.2 km2;埋深小于1 000 m的有效頁巖面積6 142.5 km2(圖3)。

圖3 鄂爾多斯盆地長7油頁巖厚度、埋深等值線及有效頁巖厚度分布圖

3.2.2 長7頁延氣資源豐度

區(qū)域測試資料表明，長7油頁巖的殘余有機碳含量主要分布于6%～14%之間，最高可達30%～40%，說明長7油頁巖是有機質(zhì)高度富集的優(yōu)質(zhì)烴源巖;長7段優(yōu)質(zhì)烴源巖分布的絕大部分地區(qū)均已達到了成熟—高成熟早期 (Ro:0.9%～1.1%)的生油高峰階段，反映有機質(zhì)的熱演化程度較高［12］。

將長7油頁巖特征與美國五大頁巖氣含氣盆地及四川盆地對比(表1)，確定出鄂爾多斯盆地延長組長7頁巖氣資源豐度為 0.76×108～1.50×108m3/km2。

3.2.3 長7頁巖氣資源量

依據(jù)資源豐度 0.76×108～1.50×108m3/km2、有效頁巖面積58 867 km2，根據(jù)資源豐度類比法估算出鄂爾多斯盆地延長組長頁巖氣資源量為:

Q=Sk=58 867 km2×(0.76～1.50)×108m3/km2=(4.47～8.83)×1012m3

3.3 長7頁巖氣試氣初探

通過對區(qū)內(nèi)三口長7油頁巖綜合錄井及試氣資料統(tǒng)計分析，錄井顯示含氣特征明顯(圖4)，試氣結(jié)果火苗高度最大可達5～6 m，最小也在0.5 m左右，具有一定的產(chǎn)氣能力。

4 結(jié)語

鄂爾多斯盆地三疊系延長組長7油頁巖主要是湖相環(huán)境形成的，分布受沉積環(huán)境的控制作用顯著，深湖—半深湖相形成的油頁巖品質(zhì)較好。該沉積環(huán)境下形成的長7油頁巖具有分布范圍廣、厚度大的特點，且通過生產(chǎn)證實含氣特征明顯且具有一定的產(chǎn)氣能力，說明其頁巖氣資源潛力巨大，而且盆地構(gòu)造簡單，開采地質(zhì)條件優(yōu)越，具有廣闊的開發(fā)利用前景。鄂爾多斯盆地頁巖氣的開采將有利于解決我國油氣等常規(guī)能源供需矛盾突出的問題。

表1 鄂爾多斯盆地延長組長7頁巖氣資源豐度表

圖4 鄂爾多斯盆地頁巖氣井長7油頁巖特征圖

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