松遼盆地北部青山口組頁(yè)巖油形成地質(zhì)條件及勘探潛力

柳 波，呂延防，冉清昌,2，戴春雷，李 梅，王 猛

(1.東北石油大學(xué) 非常規(guī)油氣成藏與開發(fā)省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，黑龍江 大慶 163318； 2.中國(guó)石油 大慶油田有限公司 勘探開發(fā)研究院，黑龍江 大慶 163318)

頁(yè)巖氣勘探的熱潮自2005年以來席卷全球，預(yù)測(cè)全球頁(yè)巖氣資源量為456×1012m3，與全球常規(guī)天然氣、煤層氣及致密氣資源量的總和相當(dāng)，頁(yè)巖油的發(fā)現(xiàn)更是最近勘探的熱點(diǎn)[1-4]。中國(guó)石油勘探很早就在幾乎所有的陸上含油氣盆地中發(fā)現(xiàn)了泥巖裂縫油氣藏，如松遼盆地、渤海灣盆地、四川盆地、鄂爾多斯盆地、柴達(dá)木盆地等，可以預(yù)見頁(yè)巖油的勘探前景十分廣闊[5]。

松遼盆地青山口組一段(K2qn1)是眾所周知的一套生烴能力很強(qiáng)的優(yōu)質(zhì)烴源巖發(fā)育層位，其含油氣顯示也很廣泛，在多口井巖心上可見，如哈14井、古平1井、英12井、哈18井等。其中，單井青一段泥巖裂縫段，1990、1992年進(jìn)行抽汲求產(chǎn)，日產(chǎn)油分別為0.79 t及0.65 t，2011年分段壓裂，產(chǎn)量最高為油3.7 t/d；試油一個(gè)月穩(wěn)定產(chǎn)量2.4 t/d，說明青一段是非常現(xiàn)實(shí)的頁(yè)巖油勘探層系。然而，并非所有的泥頁(yè)巖中都能發(fā)現(xiàn)具有工業(yè)價(jià)值的油氣，松遼盆地青一段頁(yè)巖油形成的地質(zhì)條件如何，又有多大勘探潛力，能否為延續(xù)大慶油田原油長(zhǎng)年穩(wěn)產(chǎn)這一“奇跡”做出貢獻(xiàn)，都是十分有意義的關(guān)注點(diǎn)。基于我國(guó)頁(yè)巖油氣勘探開發(fā)現(xiàn)狀，結(jié)合國(guó)土資源部《全國(guó)頁(yè)巖氣資源潛力調(diào)查評(píng)價(jià)及有利區(qū)優(yōu)選》工作要求，本文根據(jù)頁(yè)巖油區(qū)域地質(zhì)條件調(diào)查結(jié)果，研究松遼盆地北部青一段頁(yè)巖油形成的地質(zhì)條件，并初步評(píng)價(jià)了其勘探潛力。

1 頁(yè)巖油形成的地質(zhì)背景

松遼盆地廣泛發(fā)育的兩套泥頁(yè)巖，即青山口組(K2qn)和嫩江組(K2n)。大量的研究工作表明，這兩套泥頁(yè)巖在埋深1 300～1 500 m左右進(jìn)入生油氣門限，在埋深為2 500 m左右達(dá)到排油氣高峰階段，并由于源巖層內(nèi)殘留有可觀的烴量而普遍發(fā)育有異常高壓[6-7]。

青山口組一段可細(xì)分為2個(gè)四級(jí)層序(圖1)，青一段四級(jí)層序1屬于青一段下部，是在松遼盆地大型坳陷湖盆形成演化過程中，由于盆地構(gòu)造沉降和大氣降水綜合作用，湖平面波動(dòng)上升、水體加深，湖盆底部水體循環(huán)不暢，沉積相帶由泉頭組沉積時(shí)期的濱淺湖亞相發(fā)展為深湖-半深湖亞相，加上海侵引發(fā)的湖海溝通事件和全球缺氧事件的影響，導(dǎo)致了湖盆底層水體缺氧，湖水微咸化，底棲生物大量滅絕[8]。同時(shí)，湖水表層生物的高生產(chǎn)力、陸源沉積物的匱乏和深湖-半深湖的強(qiáng)還原環(huán)境使得有機(jī)質(zhì)得到較好的保存，沉積了具有水進(jìn)凝縮意義的厚層富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖和暗色泥巖，并且有機(jī)碳含量(TOC)具有明顯的旋回性。

青山口組一段沉積晚期，即對(duì)應(yīng)于青一段上部的四級(jí)層序2沉積期，盆地構(gòu)造沉降速度有所減慢，陸源沉積物不斷向湖盆注入堆積而導(dǎo)致湖平面相對(duì)下降，呈現(xiàn)湖退現(xiàn)象，盆地內(nèi)廣泛發(fā)育有河流和濱淺湖沉積，深湖面積也明顯縮小，此時(shí)不利于形成富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖，多形成泥巖較為不純的粉砂質(zhì)泥巖、灰質(zhì)泥巖、泥質(zhì)灰?guī)r等粘土含量相對(duì)較低的細(xì)粒沉積巖，反而可能為頁(yè)巖油的富集提供了有利的儲(chǔ)集條件[9]。

2 頁(yè)巖油形成的地質(zhì)條件

2.1 泥頁(yè)巖層區(qū)域展布

在松遼盆地北部中央坳陷區(qū)，尤其是長(zhǎng)垣、齊家古龍、三肇、王府凹陷，青一段頁(yè)巖層系發(fā)育典型的“泥包砂”頁(yè)巖地層組合，厚層頁(yè)巖與砂巖和粉砂巖夾層共同儲(chǔ)氣，與Fort Worth盆地Barnett頁(yè)巖地層組合相似，易形成“混合巖性型”的頁(yè)巖油。其富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖層系厚度為20～45 m，平均厚度32 m，主體埋深1 500～2 500 m，上覆地層較厚，與美國(guó)五大頁(yè)巖層系埋深相當(dāng)(800～2 600 m)，分布面積38 723.60 km2(TOC大于1.5%)。同時(shí)，處于構(gòu)造相對(duì)穩(wěn)定區(qū)，無巖漿活動(dòng)，較少發(fā)育規(guī)模性通天斷裂破碎帶，因而保存條件較好。

圖1 松遼盆地北部青山口組一段沉積層序綜合柱狀圖(以茂206井為例)Fig.1 Composite histogram of K1qn1 in the northern Songliao Basin (case from M206 well)

2.2 泥頁(yè)巖的巖石礦物學(xué)特征

青一段泥頁(yè)巖以發(fā)育鋯石、黃鐵礦、赤鐵礦、菱鐵礦和白鈦石為特征。通過齊平1井X-射線衍射-巖石礦物含量實(shí)測(cè)結(jié)果，其鈣質(zhì)含量多為5%～20%，長(zhǎng)英質(zhì)成分多為40%～70%，粘土礦物多小于40%(圖2)。其中，粉砂巖類的礦物組成：鈣質(zhì)含量一般為15%～25%，長(zhǎng)英質(zhì)成分一般為55%～70%，粘土礦物一般小于20%；泥巖類的礦物組成為：鈣質(zhì)含量一般小于10%，長(zhǎng)英質(zhì)成分一般為50%～60%，粘土礦物一般15%～50%?？傮w而言，與美國(guó)典型頁(yè)巖油氣藏區(qū)的頁(yè)巖礦物組成具有一定的相似性。

2.3 泥頁(yè)巖的生烴條件

利用源巖干酪根元素分析結(jié)果劃分有機(jī)質(zhì)類型，青一段源巖在Van Krevelen圖、熱解HI與Tmax圖均主要分布在有機(jī)質(zhì)類型Ⅰ型和Ⅱ1型區(qū)域(圖3)。TOC統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，青一段泥頁(yè)巖有機(jī)碳含量為0.73%～8.68%，平均2.13%。鏡質(zhì)體反射率(Ro)為0.7%～1.3%，靠近湖盆中心可達(dá)1.5%，總體處于大量生油階段(鏡質(zhì)體反射率Ro：0.4%～2.0%)，與Eagle Ford盆地頁(yè)巖油熱演化程度相近。

2.4 含油頁(yè)巖層段的物性條件

泥頁(yè)巖的孔隙度與滲透率測(cè)定儀器為RecCore-04型低磁場(chǎng)核磁共振巖樣分析儀、脈沖滲透率儀，檢測(cè)主要依據(jù)SY/T 5336—2006、SY/T 6490—2000、QB 19561—2010標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。結(jié)果表明，青一段泥頁(yè)巖測(cè)試樣品的氣測(cè)孔隙度范圍為5.24%～5.25%，脈沖法測(cè)得的滲透率值范圍為0.000 3×10-3～0.001 5×10-3μm2。巖石比表面分布在2.968～2.997 m2/g，總孔體積為0.110 43～0.143 24 mL/g，平均孔徑為6.254～9.254 nm。另?yè)?jù)大慶油田研究院測(cè)定，青一段泥頁(yè)巖(1 960～2 090 m)孔隙度為1.4%～8.7%，平均4.4%，滲透率多數(shù)小于20×10-3μm2；美國(guó)威德福實(shí)驗(yàn)室測(cè)定青一段泥巖孔隙度為3.5%～5.8%，平均4.6%，滲透率0.8×10-3～3.4×10-3μm2，平均2.1×10-3μm2。綜合以上數(shù)據(jù)，青一段泥頁(yè)巖作為頁(yè)巖油儲(chǔ)層，屬特低孔特低滲性儲(chǔ)層。

圖3 松遼盆地北部青山口組一段泥頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)類型劃分Fig.3 Organic types of K1qn1 shale in the northern Songliao Basin

圖4 松遼盆地北部青山口組一段泥頁(yè)巖儲(chǔ)層儲(chǔ)集空間發(fā)育特征Fig.4 Space distribution of K1qn1 shale reservoir in the northern Songliao Basina.微裂縫與晶間微縫;b.粒間溶蝕孔與晶間微孔

掃描電鏡下，該套暗色泥頁(yè)巖結(jié)構(gòu)較為致密，可見少量微孔隙，多在1～3 μm，少量4～7 μm。主要發(fā)育了5種類型的儲(chǔ)集空間(圖4)，即微裂縫、晶間微縫、粒間溶蝕孔、次生礦物晶間微孔及少量有機(jī)質(zhì)孔，溶蝕微孔可達(dá)微米級(jí)(如長(zhǎng)石溶蝕微孔可達(dá)10 μm)。各種類型孔隙與微裂縫伴生發(fā)育，并可能彼此連通，組成“水平+垂直的裂縫網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)”，為滯留在泥頁(yè)巖中的部分油氣提供了有效的儲(chǔ)集空間，與Pearsall頁(yè)巖顆粒內(nèi)“孔隙網(wǎng)絡(luò)”孔隙結(jié)構(gòu)類似[10-12]。

2.5 泥頁(yè)巖層系地層壓力特征

青一段泥巖單層厚度大，目前普遍欠壓實(shí)，具有超壓。青一段泥巖超壓最早形成于青二、三段沉積時(shí)期，大部分開始形成于嫩四段沉積時(shí)期，其次是嫩二段、嫩五段和嫩三段沉積時(shí)期。由等效深度法，利用聲波時(shí)差資料對(duì)其超壓值大小及分布進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，青一段泥巖超壓值最大可達(dá)到20 MPa，主要分布在古龍凹陷、三肇凹陷中心，在凹陷邊部排烴邊界減小至8 MPa以下。

3 泥頁(yè)巖層系含油氣性分析

泥頁(yè)巖層系是指富含有機(jī)質(zhì)的暗色泥巖及其所夾的薄層砂質(zhì)、灰質(zhì)細(xì)粒巖組成的一套巖石組合系統(tǒng)。頁(yè)巖氣主要以吸附態(tài)、游離態(tài)及溶解態(tài)的形式，頁(yè)巖油則主要以游離態(tài)的形式，賦存于泥頁(yè)巖或薄層砂質(zhì)、灰質(zhì)細(xì)粒巖的儲(chǔ)集空間中。

3.1 泥頁(yè)巖層系含油性

事實(shí)上，處于“生油窗”范圍內(nèi)的泥質(zhì)烴源巖普遍含油(氯仿瀝青“A”含量，S1)，其含油性主要取決于其自身的生油能力以及生油時(shí)期的儲(chǔ)油能力，只有二者在時(shí)空上相耦合，才具備頁(yè)巖油勘探開發(fā)的潛力。S1測(cè)定的是C14—C18烴類，與原油成份相比，缺少高碳數(shù)的烴類、瀝青質(zhì)及非烴含量；氯仿瀝青“A”的成分包括C6—C38烴類、膠質(zhì)及瀝青質(zhì)，與原油成分相似，參數(shù)意義與含油率接近。通過本區(qū)各層系泥頁(yè)巖樣品的實(shí)測(cè)氯仿瀝青“A”含量統(tǒng)計(jì)結(jié)果，青一段(K2qn1)平均值為0.350 2%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于嫩二段(K2n2)的0.055 65%、嫩一段(K2n1)0.067 6%及沙河子組(K1sh)0.036 6%，含油性最好(圖5)。

3.2 泥頁(yè)巖層系含氣性

青一段在鉆探過程中經(jīng)常出現(xiàn)氣浸現(xiàn)象，在錄井過程中則表現(xiàn)為明顯的氣測(cè)異常特征，說明這套泥頁(yè)巖層系具有較好的含氣性。為進(jìn)一步證實(shí)其含氣性，選取TOC大于2%，S1大于0.5%的暗色泥巖樣品分別進(jìn)行了含氣飽和度和等溫吸附測(cè)定。其中，含氣飽和度的測(cè)定使用RecCore-04型低磁場(chǎng)核磁共振巖樣分析儀，等溫吸附的測(cè)定使用FY-KT 1000型等溫吸附儀，并依據(jù)QB 19560—2010測(cè)定方法。結(jié)果表明，青山口組暗色泥巖的含氣飽和度為13.26%～25.80%，吸附氣含量隨著測(cè)試壓力增大和TOC值的增高而增加(圖6,圖7)。如，英29井青一段暗色泥巖的吸附氣含量，當(dāng)壓力由0.40 MPa逐漸增加到10.20 MPa時(shí)，吸附氣含量則由0.28 m3/t增加到2.08 m3/t。含氣量的增加，可以提高頁(yè)巖層系的氣油比，增加原油在頁(yè)巖中的流動(dòng)性及可采性。

圖5 松遼盆地北部各泥頁(yè)巖層系氯仿瀝青“A”含量統(tǒng)計(jì)Fig.5 Chloroform asphalt “A” box plot of each shale sequence in the northern Songliao Basin(sample No.387)

4 頁(yè)巖油氣勘探潛力

由于非常規(guī)儲(chǔ)層天然氣的聚集機(jī)理和過程復(fù)雜，相關(guān)計(jì)算參數(shù)難以準(zhǔn)確把握[13-14]，故在全國(guó)頁(yè)巖油資源評(píng)價(jià)方法選擇中，推薦使用概率體積法或以概率體積法為主，依據(jù)概率體積法基本原理，頁(yè)巖油資源量為泥頁(yè)巖質(zhì)量與單位質(zhì)量泥頁(yè)巖所含原油(含油量)之概率乘積[15]。根據(jù)頁(yè)巖油形成的地質(zhì)條件分析，選取富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖分布面積、厚度、有機(jī)碳含量、氯仿瀝青“A”含量、有機(jī)質(zhì)成熟度、埋深以及含油性等，作為松遼盆地北部青一段頁(yè)巖油有利區(qū)優(yōu)選參數(shù)。關(guān)鍵參數(shù)的選取主要包括以下幾個(gè)方面：

圖6 英29井青一段暗色泥頁(yè)巖等溫吸附曲線Fig.6 Isothermal adsorption curve of dark shale of K1qn1 from Ying29 well

圖7 松遼盆地青一段吸附氣含量與有機(jī)碳含量關(guān)系Fig.7 Relationship between adsorbed gas content and organic carbon content of K1qn1 in the northern Songliao Basin

1) 合理確定頁(yè)巖油評(píng)價(jià)層段：要有充分證據(jù)證明擬計(jì)算的層段為含油泥頁(yè)巖段。在含油氣盆地中，頁(yè)巖層段見油氣顯示或氣測(cè)錄井在該段發(fā)現(xiàn)氣測(cè)異常；在缺少探井資料的地區(qū)，要有油苗、油跡或其他油氣異常證據(jù)；在缺乏直接證據(jù)情況下，要有足以表明頁(yè)巖油存在的條件和理由。

2) 有效厚度：有利區(qū)評(píng)價(jià)目的層的泥地比大于60%，泥頁(yè)巖連續(xù)厚度大于30 m，最小單層泥頁(yè)巖厚度大于6 m，其它巖性?shī)A層厚度小于3 m。頁(yè)巖油有利區(qū)優(yōu)選時(shí)應(yīng)采用有效(處于主要生油階段且有可能形成頁(yè)巖油的)厚度進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3) 有機(jī)碳含量(TOC)和鏡質(zhì)體反射率(Ro)：頁(yè)巖油有利區(qū)評(píng)價(jià)單元內(nèi)需要有TOC大于2.0%，且具有一定規(guī)模分布的富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖，成熟度0.5%

4) 埋藏深度：主體埋深不超過5 000 m。

5) 保存條件：保存條件良好，不受地層水淋濾影響等。

6) 含油率：低于0.1%的區(qū)域，不作為頁(yè)巖油有利區(qū)。含油率以重量百分比進(jìn)行表示，其概率賦值可參照離散型參數(shù)概率統(tǒng)計(jì)分析法進(jìn)行。目前的主要方法有地球化學(xué)法、類比法、統(tǒng)計(jì)法、含油飽和度法、測(cè)井解釋法、生產(chǎn)數(shù)據(jù)反演法等。本次主要使用的是地球化學(xué)法，即通過測(cè)定巖心樣品中氯仿瀝青“A”含量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，編制概率分布直方圖，確定其概率賦值區(qū)間。

結(jié)果表明，松遼盆地北部青一段頁(yè)巖油地質(zhì)資源為105.60×108t，按照類比法估算可采系數(shù)為10%的情況下，可采資源量為10.56×108t(表1)。計(jì)算數(shù)據(jù)充分說明大慶探區(qū)頁(yè)巖油資源潛力豐富，是未來重要的勘探方向之一。

5 結(jié)論

1) 松遼盆地青一段為厚層-巨厚暗色泥巖與薄層砂質(zhì)巖石互層，形成典型的“泥包砂”生儲(chǔ)蓋組合特征，氣測(cè)異常豐富，有機(jī)碳含量0.73%～8.68%，平均2.13%，熱演化程度在0.7%～1.3%之間，是頁(yè)巖油氣形成的最有利層位。

表1 松遼盆地北部青一段頁(yè)巖油資源潛力(可采系數(shù)為0.10)Table 1 Resource potential of K1qn1 shale oil in the northern Songliao Basin

2) 青一段富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖均屬特低孔特低滲性儲(chǔ)層，經(jīng)頁(yè)巖儲(chǔ)集層的微觀特征研究，識(shí)別出“微孔+微縫”組合是青一段頁(yè)巖儲(chǔ)層的主要儲(chǔ)集空間類型。

3) 通過富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖面積和厚度的正態(tài)分布概率統(tǒng)計(jì)、含氣量的等溫吸附實(shí)驗(yàn)等關(guān)鍵參數(shù)的合理賦值，計(jì)算出松遼盆地北部青一段頁(yè)巖油地質(zhì)資源為105.60×108t，可采資源量為10.56×108t，資源量可觀，是未來重要的勘探方向之一。

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