濟陽坳陷生物成因頁巖氣藏形成條件探析：以惠民凹陷陽信洼陷為例

左麗偉

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

頁巖氣是指主體位于暗色泥頁巖、高碳泥頁巖及其夾層狀的粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、甚至細砂巖中，以吸附和游離狀態(tài)為主要存在方式的天然氣聚集，是天然氣生成之后在源巖層內(nèi)就近聚集的結(jié)果，表現(xiàn)為典型的“原地”成藏模式，以大面積含氣、隱蔽圈閉機理、可變的蓋層巖性和較短的烴類運移距離為特征[1-5]。頁巖氣按成因類型可分為熱成因和生物成因兩類，其中，生物成因頁巖氣是指微生物作用于烴源巖中有機質(zhì)，生成的以甲烷為主烴類和非烴類氣體，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[6-7]。全球已發(fā)現(xiàn)的頁巖氣藏以熱成因為主，根據(jù) Jarviel 等(2010)對美國頁巖氣的分析研究[8-9]，美國主要的20個頁巖氣藏中，17個為熱成因氣藏，3個為生物成因氣藏。我國目前頁巖氣工作主要集中在熱成因方面，如南方海相頁巖氣區(qū)的長寧-威遠和川東北地區(qū)的元壩-涪陵都為熱成因氣藏，對生物成因頁巖氣藏的研究工作還較少，趙群等(2012)認為我國松遼、鄂爾多斯和渤海灣等陸相盆地主力烴源巖成熟度較低，熱成因頁巖氣成藏的條件有限，但具備生物成因頁巖氣的成藏潛力[10]。

生物成因頁巖氣與原生生物氣[6-7]，其意義相同，都是厭氧環(huán)境下甲烷生成菌新陳代謝的產(chǎn)物，烴類組分以甲烷為主，C1/C2+> 500, δ13C1值介于-55‰～-68‰之間。兩者氣源巖相同、成因相同，但存儲位置不同，前者于生烴的泥頁巖中自生自儲，后者則通過擴散運移至有利的砂巖或碳酸鹽巖儲層中儲集。

濟陽坳陷內(nèi)首次發(fā)現(xiàn)生物氣的地區(qū)是在惠民凹陷的陽信洼陷，該洼陷沙一段有多口井獲工業(yè)氣流，經(jīng)碳同位素等指標(biāo)綜合分析，其天然氣成分均屬于生物成因類型。多年勘探實踐證實，洼陷內(nèi)沙一段天然氣的源巖為同層段廣泛發(fā)育的厚層暗色泥頁巖，那么，該套泥頁巖是否具備形成生物成因頁巖氣藏的條件呢？筆者利用現(xiàn)有資料，對陽信洼陷沙一段泥頁巖的生烴條件、儲集條件、保存條件及含油氣性進行了系統(tǒng)分析，與國內(nèi)外已開發(fā)的頁巖氣藏的相應(yīng)指標(biāo)進行對比，探討其是否具備形成頁巖氣藏的地質(zhì)條件，為濟陽坳陷內(nèi)非常規(guī)生物成因頁巖氣的勘探研究提供借鑒。

1 研究區(qū)地質(zhì)背景

陽信洼陷是隸屬于濟陽坳陷惠民凹陷的次一級負向構(gòu)造單元，北靠無棣凸起，東鄰沾化凹陷的流鐘洼陷，南接林樊家構(gòu)造北緣，是在新生代形成的受北部陽信大斷層控制的結(jié)構(gòu)呈北斷南超特征的箕狀斷陷洼陷，有利勘探面積約1290km2(圖1)。

圖1 陽信洼陷構(gòu)造位置圖

陽信洼陷自沙一段沉積時期一直到第四紀，區(qū)域構(gòu)造活動較弱，斷層很少，僅在洼陷周邊發(fā)育少量重力滑脫斷層。沙一段沉積時期以濱淺湖相沉積為主，廣泛分布濱淺湖泥，沿北部陡坡帶有近岸水下扇分布，湖盆內(nèi)水下隆起的高部位有生物灘和生物礁發(fā)育，還有砂壩、席狀砂、泥晶白云巖等微相局部分布，向湖盆深處逐漸演變?yōu)榘肷詈喑练e。早期，沉積巖性特征為灰色、深灰色的泥巖、油泥巖與生物灰?guī)r、泥晶白云巖及粉砂巖的互層，厚度0～54m；中期，沉積巖性特征以灰色、深灰色的泥巖、油泥巖、深棕色油頁巖為主，夾生物灰?guī)r、生物白云巖以及粉砂巖薄層，厚度0～62m；晚期，沉積巖性特征為灰色、深灰色泥巖與薄層灰色砂巖的互層，厚度0～75m。

2 泥頁巖的生烴條件

2.1 地溫與泥頁巖的埋深

生物氣的生成、富集受諸多因素控制，首先要有適合甲烷菌生存的環(huán)境(低溫、還原環(huán)境、貧硫酸鹽、酸堿性、富有機質(zhì)等)[6，11]，而適宜的地溫條件是甲烷菌生存的基礎(chǔ)。甲烷菌生存溫度范圍一般在0～75℃，具有較大生理活性是35～65℃，若將75℃作為甲烷菌生存的下限，按平均地溫梯度3.3℃/100m計算，則生物氣生成深度下限值為1850m，而洼陷沙一段烴源巖主要埋深范圍為1400～1700m，最大埋深僅1750m，因此，沙一段泥頁巖處于生物氣窗。

另外，根據(jù)7口井的測試分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，沙一段地溫值介于54.0～63.0℃，平均56.9℃，處于甲烷菌最活躍的溫度界限內(nèi)，因此，沙一段泥頁巖正處于生物氣生烴高峰時期。

2.2 泥頁巖的有效厚度及面積

具備一定的厚度和面積是頁巖氣規(guī)模聚集的必要條件。厚度和面積足夠大的泥頁巖才能保證頁巖氣的總產(chǎn)氣量達到規(guī)模聚集；同時，沉積有效厚度及面積是保證足夠的有機質(zhì)及充足的儲集空間的前提條件，且頁巖的厚度越大、面積越大，頁巖的封蓋能力就越強，有利于氣體的保存，從而有利于頁巖氣成藏[12]。國外資料和國內(nèi)初步勘探實踐成果表明，能形成具有經(jīng)濟開發(fā)效益的頁巖氣藏的暗色泥頁巖的有效厚度應(yīng)大于30m，有效面積應(yīng)大于50km2[13-14]。陽信洼陷沙一段為濱淺湖沉積環(huán)境，灰色、灰黑色泥巖、油泥巖與油頁巖等暗色泥頁巖具有橫向分布廣泛、縱向集中分布且厚度大的特點，厚度一般為10～140m，占地層厚度的63%～95%，厚度中心超過150m，超過30m的面積為750km2(圖2)，能夠滿足目前經(jīng)濟技術(shù)條件下對泥頁巖厚度及面積的要求。

圖2 陽信洼陷沙一段泥頁巖厚度分布圖

2.3 泥頁巖的地化指標(biāo)

地球化學(xué)參數(shù)的研究是評價泥頁巖生烴潛力和資源潛力的基礎(chǔ)，泥頁巖生烴潛力是有機質(zhì)豐度、有機質(zhì)類型、熱演化程度等因素綜合作用的結(jié)果。

2.3.1 有機質(zhì)豐度及類型

（3）依據(jù)前期設(shè)計要求，在確定爆破孔及預(yù)裂孔位置無誤后，可進行鉆孔設(shè)備合理選擇。為保證鉆孔精度，本次工程選擇110B型潛孔鉆機作為預(yù)鉆機，其具有鉆孔基面小、精度高、操作便捷等優(yōu)點；而在緩沖孔、主爆破孔鉆孔設(shè)備選擇時，則主要采用CM353型鉆機。結(jié)合角度尺的應(yīng)用，可以保證緩沖孔坡度的有效控制。

有機質(zhì)豐度是生烴強度的主要影響因素，決定著生烴量的多少，同時，頁巖中的吸附氣主要吸附于分散狀的有機質(zhì)表面，因此產(chǎn)氣頁巖吸附氣含量與總有機碳含量( TOC)成正相關(guān)，高豐度的有機質(zhì)決定了頁巖具有高吸附氣含量。北美頁巖氣開發(fā)和研究成果表明，商業(yè)性頁巖氣藏的源巖有機碳含量一般大于 2%，最高達 10%[15]。陽信洼陷沙一段有機質(zhì)豐度較高(圖3)，TOC含量為2.49%～20%，平均為4.66%，高于北美富氣頁巖對TOC含量的最低要求，且越靠近沉積中心其含量越高，因此，具有大量產(chǎn)氣和容氣的能力。

干酪根顯微組分鑒定結(jié)果表明，沙一段泥頁巖的有機質(zhì)類型均為成烴能力最強的腐泥型(Ⅰ型)，類型指數(shù)在95%以上。

2.3.2 有機質(zhì)成熟度

對于熱成因氣，隨著頁巖熱演化程度的增高，含氣量將會逐漸增大，有利于其聚集成藏；而對于生物成因氣，頁巖熱演化程度越高，總有機碳含量TOC會越低，形成的生物氣會越少，越不利于其聚集成藏[16]。根據(jù)Michigan盆地Antrim頁巖氣藏和Illinois盆地New Albany頁巖氣藏的分布規(guī)律，有利于生物成因氣成藏的泥頁巖的成熟度主要分布在Ro≤0.8%的范圍內(nèi)[17]。陽信洼陷沙一段泥頁巖的Ro為0.18%～0.35%，平均為0.22%，成熟度很低(圖3)，說明因熱演化而消耗的有機碳量較少、剩余有機碳含量還很高，有利于生物氣的持續(xù)生成。

3 儲集條件

由于陽信洼陷前期的勘探主要針對砂巖和碳酸鹽巖等常規(guī)儲層，因此針對沙一段泥頁巖儲集條件的相關(guān)研究極少，只有個別井做過研究。筆者只能利用現(xiàn)有資料，結(jié)合研究區(qū)沙一段沉積時期巖性古地理環(huán)境及濟陽坳陷內(nèi)其它地區(qū)同層段的研究結(jié)果對沙一段泥頁巖的儲集條件進行推斷。

3.1 脆性礦物含量

頁巖中砂質(zhì)和鈣質(zhì)含量較高，表明頁巖硬度較高，脆性強，非常有利于大型壓裂形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)縫，改善泥頁巖儲層物性特征，增加油氣泄流面積[18-19]。統(tǒng)計表明，北美含氣頁巖的石英含量一般為28% ～52%、碳酸鹽巖4% ～16%、總脆性礦物含量高達 30% ～ 70%，是北美頁巖氣成功商業(yè)開發(fā)的關(guān)鍵因素之一[15]。陽信洼陷沙一段只有陽21井在1531m處灰質(zhì)泥巖段取樣做過全巖礦物X衍射分析，還有陽16井做過黏土礦物含量統(tǒng)計(表1)，結(jié)果表明，沙一段泥頁巖總黏土含量為9%～45%，平均為26%。由于沙一段沉積時期洼陷內(nèi)主要為濱淺湖至半深湖相沉積，廣泛發(fā)育了由生物灰?guī)r和生物白云巖構(gòu)成的生物灘(礁)，以及砂壩和席狀砂等微相，因此推斷沙一段泥頁巖中的碳酸鹽類礦物和石英含量較高，且碳酸鹽礦物含量可能更高，這與陽21井的全巖分析結(jié)果相一致(表1)，也與濟陽坳陷內(nèi)沾化凹陷、東營凹陷等地區(qū)同層段的統(tǒng)計結(jié)果相似[20-21]，估算脆性礦物總含量范圍為 50%～80%，這與北美相當(dāng)，其中鈣質(zhì)含量較高，有利于后期的壓裂改造。

圖3 陽信洼陷陽16井烴源巖地球化學(xué)綜合剖面

表1 陽信洼陷沙一段泥頁巖全巖礦物X衍射分析數(shù)據(jù)表

3.2 儲集物性及微孔隙和微裂縫的發(fā)育程度

另外，據(jù)陽21井鑄體薄片和掃描電鏡觀察結(jié)果，陽信洼陷沙一段泥頁巖中可見微孔隙和微裂縫發(fā)育。微孔隙主要以晶間孔的形式存在，其主要類型有：碳酸鹽晶間微孔、黃鐵礦晶間微孔和黏土礦物晶間微孔，孔徑一般小于5.0μm(圖4)。微裂縫也非常發(fā)育，含量大約為20%，多為順層裂縫，裂縫中部分被泥質(zhì)和自生硅質(zhì)充填。微孔隙和微裂縫的存在，為頁巖氣提供了有利的儲集空間，同時，微裂縫連通泥頁巖孔隙，成為頁巖氣有利的滲流通道。

3.3 薄碳酸鹽巖和薄砂巖夾層的可利用性

陽信洼陷沙一段沉積時期，可作為常規(guī)儲層進行勘探研究的近岸水下扇砂體主要沿北部陡坡帶周緣短距離分布；生物灘、生物礁等厚層碳酸鹽巖儲層主要分布于水下高地的上部。在湖盆較深處則多以小于1.5m的席狀砂、灰?guī)r、白云巖、泥晶白云巖等薄層零星分布，這些砂巖和碳酸鹽巖薄層夾于大套厚層的優(yōu)質(zhì)生烴泥頁巖之中(圖5)，非常有利于其生成的生物頁巖氣的就近匯聚存儲，但是由于這些薄層單層規(guī)模太小，很難作為有效的常規(guī)天然氣儲層投入開發(fā)利用。如果將這些薄儲層作為泥頁巖儲層的組成部分綜合考慮，其具優(yōu)勢的儲集物性使之具有很好的勘探潛力。

圖4 陽21井微孔隙特征

圖5 陽信洼陷沙一段巖性和氣測顯示特征

4 保存條件

陽信洼陷自沙一段沉積時期一直到第四紀，區(qū)域構(gòu)造活動較弱，洼陷內(nèi)部二級及三級斷層不發(fā)育, 減少了生物成因頁巖氣縱向上的散失，有利于生物成因頁巖氣的大量保存。但是在北部陽信大斷裂附近，由于地表水較為豐富，水質(zhì)較淡，甲烷菌異?；钴S，促使有機質(zhì)早期分解，不利于有機質(zhì)保存和生物成因頁巖氣的形成，因此生物成因頁巖氣的主要富集區(qū)帶應(yīng)在遠離斷裂的有利泥頁巖發(fā)育區(qū)。

5 含氣性地層判別

觀察洼陷內(nèi)已鉆井的氣測曲線特征發(fā)現(xiàn)，沙一段泥頁巖段普遍存在氣測異常的特征(圖5)，越靠近湖盆沉積中心，氣測異?，F(xiàn)象越明顯，如陽37井，氣測顯示全烴含量為4%～20% (基值為1%)，氣測顯示異常段厚度為107m；統(tǒng)計沙一段氣測異常的厚度范圍為40～120m，面積達670km2，充分證明陽信洼陷沙一段具備生物成因頁巖氣藏的勘探潛力。

6 有利勘探方向

通過上述綜合分析認為，陽信洼陷沙一段泥頁巖具備形成生物成因頁巖氣藏的有利條件。為保障頁巖氣的勘探能夠取得較好的成果，首次勘探目標(biāo)應(yīng)選取泥頁巖較發(fā)育(厚度大于50m)、氣測異常值明顯(大于基值5倍)、夾有灰?guī)r或砂巖薄層、遠離斷層、構(gòu)造較平緩的區(qū)帶，部署水平探井。

7 結(jié)論

陽信洼陷沙一段泥頁巖埋深較淺，分布廣、厚度大且集中分布，有機質(zhì)類型好、豐度高，處于生物氣生烴高峰時期，具備形成生物成因頁巖氣的有利條件。泥頁巖儲層中脆性礦物含量較高，利于后期的開采。泥頁巖中微孔隙和微裂縫較發(fā)育，且含有薄砂巖和碳酸鹽巖夾層，有利于生物成因頁巖氣的存儲。沙一段泥頁巖段普遍存在氣測異常的特征，充分證明其具備生物成因頁巖氣藏的勘探潛力。

濟陽坳陷沙一段泥巖普遍具有有機碳較高、厚度大的特征。陽信洼陷生物成因頁巖氣的勘探一旦獲得突破，將帶動濟陽坳陷其他地區(qū)的生物成因頁巖氣的勘探。

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