南陽凹陷陸相頁巖油形成條件及勘探潛力分析

楊傲然，賈艷雨，譚靜娟，黃 慶，尹 安，余志遠

（1.中國石油大學（華東），山東青島266000；2.中國石化河南油田分公司石油勘探開發(fā)研究院）

1 基礎地質特征

南陽凹陷位于南襄盆地的中北部，為一南斷北超的中新生代箕狀斷陷，面積約3 600 km2，凹陷主體沿南部邊界斷裂呈北東向展布［1］。根據(jù)凹陷的沉積構造以及現(xiàn)今的構造格局，將凹陷分為三個構造帶，即南部斷超帶、中部凹陷帶和北部斜坡帶。凹陷的基底除西部為古生界海相碳酸鹽巖外，主要為元古界變質巖。沉積蓋層主要為新生界，新生界最厚約5 500 m，自下而上分為古近系玉皇頂組、大倉房組、核桃園組、廖莊組、新近系上寺組和第四系平原組。縱向上古近系構成一個完整的沉積旋回［2-4］，位于旋回中部的核桃園組（尤其是核二、核三段）是凹陷的主要生油和儲集層系，最厚達2 500 m。

2 頁巖油形成條件

2.1 泥頁巖發(fā)育情況

富含有機質的泥頁巖是頁巖油氣生成和賦存的載體，所以泥頁巖分布范圍和厚度是影響頁巖油氣形成以及是否具備商業(yè)開采價值的關鍵因素。從大倉房組沉積末期開始，南陽凹陷進入穩(wěn)定沉降的發(fā)展階段，核三段后期至核二段中期是湖盆發(fā)育的全盛時期，在凹陷主體部位沉積了一套巨厚的較深湖相以暗色泥巖為主的地層，成為南陽凹陷的主要烴源巖。泥頁巖縱向上主要分布在核桃園組核二段-核三段上部，泥頁巖單層連續(xù)厚度多大于30 m；平面上主要分布在深凹區(qū)，與凹陷沉積、沉降、生烴中心相疊合，主要為深湖、半深湖沉積，分布面積約570 km2（圖1）。

2.2 泥頁巖的有機地球化學特征

有機質豐度、有機質類型和熱演化程度是頁巖油氣富集程度的決定性因素。從整個南陽凹陷來看，較好的泥頁巖層段有機質豐度中等到高，有機質類型以Ⅱ1型和Ⅱ2型為主，熱演化程度適中，整體處于生油階段。

2.2.1有機質豐度

有機質豐度是生烴強度的主要影響因素，決定著生烴量的多少，泥頁巖中有機碳含量與頁巖油氣的生烴率具較好的正相關性［5-7］。南陽凹陷實測的TOC數(shù)據(jù)分析表明，平面上，南陽凹陷南北方向上南緣深凹陷帶有機質豐度較高，向北逐漸減小?？v向上核二段一亞段（Eh21）、核二段二亞段（Eh22）、核二段三亞段（Eh23）、核三段一亞段（Eh31）和核三段二亞段（Eh32）離散取樣泥頁巖TOC 實測值平均含量分別為0.52%、0.69%、0.84%、0.80%、0.66%，均達到了烴源巖標準。但對于頁巖油評價來說，平均TOC值相對偏低，分析原因主要是平均過程中將測試的非烴源巖段或非有效泥頁巖層段的TOC值一同進行了平均。實際上就頁巖油氣的形成而言，主要取決于局部富有機質頁巖的發(fā)育，而不是整段的平均含量。鑒于以上情況，為更好的研究富有機質頁巖的發(fā)育情況，采用TOC 實測值結合電阻率和聲波測井曲線進行建模（△LgR 方法）［8］，計算未有實測值井段的TOC值。

圖1 南陽凹陷核桃園組暗色泥頁巖厚度分布

利用△LgR 方法對南陽凹陷處于深湖-半深湖相探井進行建模，結果表明在Eh23和Eh31均存在有機碳含量較高的泥頁巖層段發(fā)育，具備頁巖油形成的有機質條件。例如紅12井的2 750～2 900 m井段，計算TOC最大值為4.2%，平均值大于1.5%，氣測異常明顯；南66井的Eh23和Eh31層段有機質豐度也較高，計算TOC 值多集中于1.5%～2.5%，同樣表現(xiàn)出氣測異常；南64井Eh22和Eh23層段計算TOC 值多集中于2.0%～5.0%，氣測異常與有機質豐度對應較好。從有機質豐度來看Eh23和Eh31是南陽凹陷頁巖油最有利的發(fā)育層段。

2.2.2 有機質類型

根據(jù)巖石熱解分析結果，南陽凹陷干酪根類型以Ⅱ1型和Ⅱ2型為主，氫指數(shù)（HI）為11～772 mg／gTOC，平均為271.6 mg／gTOC，大部分為100～500 mg／gTOC［9］。對南陽凹陷核桃園組不同層位的19個烴源巖中干酪根的分離和元素測定表明，南陽凹陷干酪根類型以混合型為主，大部分樣品有機質屬于Ⅱ1型和Ⅱ2型，個別樣品為Ⅰ和Ⅲ型（圖2）。從層系上看核二段略好于核三段。

2.2.3 熱演化程度

計算表明南陽凹陷烴源巖進入生油門限深度為1 970 m［9］。從鏡質體反射率平面分布來看Eh23和Eh31烴源巖熱演化程度不高（圖3），Ro值基本上小于1.1，基本處于成熟階段和生烴高峰窗，主要是以生油為主，是頁巖油形成的決定性因素。

2.3 泥頁巖儲層特征

2.3.1 脆性礦物含量

圖2 南陽凹陷干酪根類型

根據(jù)美國頁巖油氣評價的標準，認為脆性好、微裂縫發(fā)育的地層更容易壓裂，能夠實現(xiàn)頁巖油氣的有效開采。泥頁巖的物理性質主要取決于其各種礦物的相對含量，石英、長石、方解石、白云石等脆性礦物含量越高，巖石脆性越強，在人工壓裂外力作用下越易形成網(wǎng)狀結構縫，增加油氣泄流面積，有利于頁巖油氣開采；而高粘土礦物含量的頁巖塑性強，以形成平面裂縫為主，不利于頁巖的壓裂改造。北美威利斯頓盆地的Bakken頁巖是美國頁巖油的主要產(chǎn)層，其石英、長石、白云石和黃鐵礦含量分別為52%、9%、13%和9%，而粘土礦物含量只有17%［4］。

南陽凹陷核二段和核三段泥頁巖中含有石英、方解石、白云石、長石等脆性礦物。紅12井核二段7個樣品，全巖X 衍射分析結果表明，其脆性礦物含量較高，平均為55.7%（圖4），說明頁巖的脆性較好，有利于天然和人工裂縫的形成。

2.3.2 微孔隙、微裂縫發(fā)育程度

圖3 南陽凹陷烴源巖鏡質體反射率平面分布

圖4 南陽凹陷紅12井泥巖礦物組分直方圖

微孔隙和微裂縫的發(fā)育程度是評價頁巖油氣儲層的重要參數(shù)。微裂縫不僅是頁巖儲層的滲流通道，能起到改善物性的作用，而且有利于儲層的人工改造，使自然裂縫和人工裂縫交匯形成網(wǎng)狀裂縫系統(tǒng)，提高產(chǎn)量。

南陽凹陷勘探實踐表明，在核桃園組中發(fā)育泥巖裂縫性儲集層，泥巖裂縫層段主要發(fā)育于深灰色、黑灰色厚層泥頁巖中，裂縫性泥巖普遍含有較高的灰質和白云質，泥頁巖形成于深湖-半深湖環(huán)境，有機質含量高。從空間分布來看，主要分布于南部深凹陷內與構造變形及斷裂作用比較強烈的構造高點、地層陡傾帶、撓曲帶和斷裂帶［10］。泥巖裂縫層段孔隙度相對較高，利用實測泥巖孔隙度與聲波時差相關關系，計算出紅12井井深在1 9 1 4 m上 下 的 泥 巖 孔 隙 度 小 于1 0%，在1 7 4 8～2 150 m 的五塊粉-細砂巖心樣品實測的有效孔隙度也僅為4.4%～8.9%，而在2 329～2 337 m 深的泥巖裂縫帶，孔隙度卻達15.4%［10］。裂縫的存在有效的改善了頁巖儲層物性。

2.4 頁巖油的保存條件

泥頁巖對于頁巖油氣本身既是生油層、儲層又是蓋層，因此對蓋層的要求比較寬松。但構造演化和大斷裂對頁巖油氣的保存影響巨大。頁巖油氣藏主要靠微裂縫運聚就地成藏，斷層和宏觀裂縫起破壞作用，因此強烈的構造活動不利于頁巖油氣的保存［11］。研究表明，南陽凹陷核三段和核二段埋藏深度一般在2 000～3 000 m 左右，與美國頁巖油氣規(guī)模開采深度一般在3 000 m 相當。南陽凹陷僅經(jīng)歷廖莊末期構造抬升運動，而且烴源巖的主要生烴高峰期在抬升運動之后，構造運動對頁巖油氣破壞作用相對較弱，加之凹陷泥頁巖主要發(fā)育地區(qū)為深凹區(qū)，斷層不發(fā)育，有利于頁巖油的保存。

3 頁巖油勘探潛力

3.1 泥頁巖段油氣顯示情況

南陽凹陷的北馬莊、魏崗、張店和黑龍廟等地區(qū)，在核桃園組的泥巖裂縫中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了油氣顯示及工業(yè)油氣流。如北馬莊地區(qū)紅10井的Eh22深灰色泥巖巖心上，沿裂縫面見有油浸斑塊。紅12 井Eh23的泥巖裂縫則充滿了原油，該井鉆井過程中槽面有油花、氣泡顯示，在2 329.4～2 340.0 m 深灰色泥巖井段，氣測異常明顯，氣測全烴0.035%～4.40%，測試日產(chǎn)油2.58 t。通過對南陽凹陷深凹區(qū)的老井泥頁巖顯示情況與試油情況進行系統(tǒng)復查，共復查了紅12、紅14、紅15、南27、東10等20余口井，復查結果表明深凹區(qū)紅12、紅14 等10 口井在核桃園組泥頁巖鉆井過程中氣測異常明顯，且油氣顯示的井主要集中在中部深凹區(qū)的牛三門次凹和東莊次凹地區(qū)。主要層段為核二段和核三段上部，表明南陽凹陷具有形成頁巖油的前景。

3.2 頁巖油資源初步估算

針對南陽凹陷頁巖油發(fā)育地質特征，根據(jù)頁巖油資源評價方法對比，采用縱向上劃分有效頁巖層段，用氯仿瀝青“A”法計算南陽凹陷有效層段頁巖油資源量。根據(jù)有效泥頁巖層段劃分方法，將南陽凹陷核桃園組Eh22～Eh32自上而下劃分為4個有效層段。計算過程中，各參數(shù)取值要求按著國土部油氣中心有關頁巖油資源評價方法要求執(zhí)行，其中頁巖油計算單元面積取值采用有機碳含量關聯(lián)法求得；厚度采用相對面積占有法賦值求得；頁巖密度取各有效層段的實測頁巖密度，沒有實測值的取測井解釋密度的均值；氯仿瀝青“A”值取各個有效層段測試結果的平均值。最終計算南陽凹陷頁巖油資源量大約為9 000×104t。（圖5）。。

圖5 南陽凹陷頁巖油資源量分布

4 結論

（1）南陽凹陷核桃園組泥頁巖發(fā)育，分布范圍達5 70km2，單層厚度多大于30 m；埋藏深度2000～3 000 m 左右；有機質類型以混合型為主、富有機質泥頁巖發(fā)育層段有機質豐度高，熱演化程度主要處于生油階段；泥頁巖脆性礦物含量高，微孔隙微裂縫發(fā)育。泥頁巖發(fā)育區(qū)斷層不發(fā)育，保存條件好，具備頁巖油形成的有利條件。

（2）利用含油飽和度法初步估算南陽凹陷頁巖油資源量2.85×108t。南陽凹陷核桃園組頁巖油有一定資源潛力和勘探前景。

（3）南陽凹陷多井在泥頁巖層段見油氣顯示，試油證實有頁巖油層發(fā)育。深凹區(qū)紅12井區(qū)核二段下部最具勘探潛力，可作為南陽凹陷頁巖油勘探的首選。

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