柴達(dá)木盆地北緣石炭系克魯克組頁(yè)巖氣形成條件分析

仰云峰，饒 丹，付小東，申寶劍，許 錦

(中國(guó)石化 石油勘探開發(fā)研究院 無(wú)錫石油地質(zhì)研究所，江蘇 無(wú)錫 214151;2.中國(guó)石油 杭州地質(zhì)研究院，杭州 310023)

柴達(dá)木盆地北緣石炭系克魯克組頁(yè)巖氣形成條件分析

仰云峰1，饒 丹1，付小東2，申寶劍1，許 錦1

(中國(guó)石化 石油勘探開發(fā)研究院 無(wú)錫石油地質(zhì)研究所，江蘇 無(wú)錫 214151;2.中國(guó)石油 杭州地質(zhì)研究院，杭州 310023)

以柴達(dá)木盆地北緣野外剖面地質(zhì)調(diào)查為基礎(chǔ)，結(jié)合相關(guān)鉆井、露頭資料和前人研究成果，綜合分析柴北緣上石炭統(tǒng)克魯克組富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖展布、有機(jī)地球化學(xué)、礦物組成、儲(chǔ)集空間、含氣性等方面特征。結(jié)果表明,克魯克組頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)豐度高，w(TOC)為0.28%～11.93%，平均值大于2%，Ro為0.9%～1.44%，平均為1.12%，處于有機(jī)質(zhì)熱演化的成熟階段，頁(yè)巖有效厚度為30～150 m，脆性礦物含量大于40%，微米—納米級(jí)裂縫和孔隙發(fā)育，含氣量為1.01～2.85 m3/t，平均為1.87 m3/t，尕丘凹陷、歐南凹陷和德令哈斷陷有利于頁(yè)巖氣形成與富集，是克魯克組頁(yè)巖氣勘探開發(fā)的有利區(qū)。

頁(yè)巖氣成藏；克魯克組；石炭系；柴達(dá)木盆地北緣

“頁(yè)巖氣”概念首先由美國(guó)的Curtis教授提出[1]，隨后被廣泛引入中國(guó)。它是指主體位于暗色泥頁(yè)巖或高碳泥頁(yè)巖中，以吸附或游離狀態(tài)為主要存在形式的天然氣聚集[2]。隨著北美、歐洲等地區(qū)頁(yè)巖氣勘探程度的不斷加大，對(duì)頁(yè)巖氣的儲(chǔ)集特征、成藏機(jī)理等方面的研究取得了重大進(jìn)展。與他們相比，中國(guó)沉積盆地經(jīng)歷了多旋回的構(gòu)造演化，富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖層系具有自身獨(dú)特的地質(zhì)特征，頁(yè)巖氣勘探尚處于起步階段。國(guó)土資源部油氣中心從2002年開始跟蹤國(guó)外頁(yè)巖氣發(fā)展動(dòng)態(tài)，2004年聯(lián)合中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)重點(diǎn)研究中國(guó)富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖發(fā)育情況，2009年和2011年先后啟動(dòng)了“中國(guó)重點(diǎn)地區(qū)頁(yè)巖氣資源潛力及有利區(qū)帶優(yōu)選”和“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”。

在商業(yè)性頁(yè)巖氣勘探開發(fā)方面，中國(guó)石油和中國(guó)石化已在川南、渝東鄂西、泌陽(yáng)、濟(jì)陽(yáng)和東濮、鄂爾多斯等地區(qū)開展了大量頁(yè)巖氣老井試氣和鉆探評(píng)價(jià)工作，加快了四川、泌陽(yáng)、鄂爾多斯等盆地頁(yè)巖氣勘探開發(fā)的步伐。柴達(dá)木盆地上古生界石炭系廣泛發(fā)育1套海相及海陸過渡相地層，過去一直被認(rèn)為已變質(zhì)或淺變質(zhì)，沒有勘探價(jià)值而作為基底對(duì)待。但近年來的研究表明，有相當(dāng)一部分石炭系沒有發(fā)生變質(zhì)[3]，尤其是柴北緣地區(qū)的上石炭統(tǒng)，其中的暗色泥頁(yè)巖、碳酸鹽巖具有良好的生烴條件，且分布較廣泛，是盆地內(nèi)一套潛在的烴源巖層系，具有一定的勘探價(jià)值[4-9]。

本文在調(diào)研柴達(dá)木盆地北緣石炭系地層發(fā)育特征的基礎(chǔ)上，結(jié)合富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖層段的有機(jī)地球化學(xué)和儲(chǔ)層物性特征等成藏地質(zhì)條件，探討了柴達(dá)木盆地北緣石炭系地層頁(yè)巖氣發(fā)育有利區(qū)分布。

1 石炭系泥頁(yè)巖分布特征

柴達(dá)木盆地石炭系地層主要出露在盆地的周邊地區(qū)，而盆地內(nèi)部則被中新生界地層覆蓋，石炭系自下而上分別為下石炭統(tǒng)埃姆尼克組(C1a)、穿山溝組(C1cs)、城墻溝組(C1cq)和懷頭他拉組(C1h)，上石炭統(tǒng)克魯克組(C2k)和扎布薩尕秀組(C2zh)。從目前鉆井情況來看，只有霍參1井、尕丘1井等極少數(shù)鉆井鉆遇了石炭系地層[8]，但野外剖面揭示盆地北緣石炭系西起綠梁山，東至牦牛山及都蘭大海灘地區(qū)廣泛存在，以石灰溝、埃姆尼克山、歐隆布魯克山和牦牛山地區(qū)出露最全。

通過對(duì)柴北緣11條地質(zhì)剖面(圖1)的踏勘發(fā)現(xiàn)，柴達(dá)木盆地北緣石炭系可能的烴源巖為暗色碳酸鹽巖和暗色泥巖。它們的發(fā)育和分布主要受沉積環(huán)境控制，厚度變化較大，尤其上石炭統(tǒng)克魯克組和扎布薩尕秀組。下石炭統(tǒng)暗色泥巖不是很發(fā)育，其中懷頭他拉組暗色泥巖分布較廣泛，沉積厚度較大，在穿山溝剖面和柴東阿勒格爾泰山剖面附近厚度超過100 m。相對(duì)而言，上石炭統(tǒng)暗色泥巖較發(fā)育，尤其以克魯克組為典型，在柴北緣地區(qū)分布廣泛，沉積厚度較大，尕丘1井、石灰溝剖面和扎布薩尕秀東剖面沉積厚度分別達(dá)到302.1，201.1，139.5 m。

2 成藏條件

2.1厚度及分布

上石炭統(tǒng)暗色泥頁(yè)巖主要發(fā)育層位為克魯克組，柴北緣地區(qū)克魯克組暗色泥巖揭示厚度見表1。其中，尕丘1井揭示的克魯克組暗色泥頁(yè)巖厚度最大，達(dá)到302.1 m。露頭殘余厚度一般為5.4～202.1 m，其中石灰溝剖面克魯克組暗色泥頁(yè)巖殘余厚度達(dá)202.1 m，柴東地區(qū)扎布薩尕秀東剖面和阿勒格爾泰山剖面克魯克組暗色泥頁(yè)巖殘余厚度分別為139.5,116 m。以上克魯克組暗色泥頁(yè)巖在平面上分布于尕丘凹陷、歐南凹陷和德令哈凹陷(圖1)。

2.2 埋藏深度

根據(jù)青海油田研究報(bào)告，上石炭統(tǒng)克魯克組暗色泥頁(yè)巖埋深在盆地內(nèi)部大多超過4 500 m，埋深小于4 500 m有利于頁(yè)巖氣勘探的區(qū)域主要分布在尕丘凹陷、歐南凹陷及柴東德令哈斷陷內(nèi)的隆起區(qū)，且克魯克組暗色泥頁(yè)巖埋深主要分布在1 500～3 000 m之間。

圖1 柴達(dá)木盆地北緣克魯克組暗色泥頁(yè)巖厚度等值線

剖面層位地層厚度/m暗色泥頁(yè)巖厚度/m煤層厚度/m累計(jì)厚度/m尕丘1井紅山石灰溝穿山溝扎布薩尕秀東阿勒格爾泰山C2kC2kC2zhC2kC1hC2kC1hC2kC2dC1dg557391035932528926301．61619．3194．341．25．4143．4133．21152400．51．21．37．80006．313302．117．220．6202．141．25．4143．4139．5116243

2.3 有機(jī)質(zhì)豐度和成熟度

有機(jī)質(zhì)豐度(TOC)不僅是頁(yè)巖生氣量的物質(zhì)基礎(chǔ)，而且影響頁(yè)巖氣藏聚集的總氣量和裂縫的發(fā)育。某種意義上講，TOC越高，頁(yè)巖內(nèi)吸附的氣量越多，對(duì)裂縫的發(fā)育就越有利。烴源巖中有機(jī)質(zhì)對(duì)甲烷分子的表面有吸附作用[10]。在相同的地球動(dòng)力學(xué)條件、巖石礦物組成和力學(xué)性能下，TOC是影響頁(yè)巖裂縫發(fā)育的一個(gè)重要因素[11]。TOC越高，頁(yè)巖越是脆性，越容易形成天然的或人為誘發(fā)的裂縫[12]。例如，北美Fort Worth盆地Barnett頁(yè)巖w(TOC)一般為1.0%～13.0%，平均為4.5%。頁(yè)巖TOC與裂縫發(fā)育的相互關(guān)系可以劃分為[13]：(1)w(TOC)<2.0%，裂縫發(fā)育較差；(2)w(TOC)=2.0%～4.5%，裂縫發(fā)育中等；(3)w(TOC)=4.5%～7.0%，裂縫發(fā)育較好；(4)w(TOC)>7.0%，裂縫發(fā)育很好。綜合柴北緣石炭系烴源巖研究成果[4-7,9]來看，柴北緣上石炭統(tǒng)克魯克組暗色泥頁(yè)巖平均w(TOC)一般都超過2.0%(表2)，其中石灰溝剖面和扎布薩尕秀東剖面分別有40%和42%的暗色泥頁(yè)巖w(TOC)>2.0%，不僅具備了大規(guī)模生氣的物質(zhì)條件，而且有利于甲烷的吸附聚集和頁(yè)巖裂縫的發(fā)育。

表2 柴達(dá)木盆地北緣克魯克組頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)豐度

干酪根鏡下鑒定和干酪根碳同位素結(jié)果顯示，克魯克組暗色泥頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)以III型為主，部分樣品為II2型。石灰溝剖面19個(gè)克魯克組暗色泥巖樣品Ro在0.90%～1.21%，平均為1.08%；扎布薩尕秀東剖面3個(gè)泥巖樣品Ro在1.02%～1.44%，平均為1.16%?？傮w來看，克魯克組暗色泥頁(yè)巖處于有機(jī)質(zhì)熱演化的成熟階段。當(dāng)II2型傾氣源巖Ro>0.7%，III型傾氣源巖Ro>0.5%時(shí)，便會(huì)開始生成天然氣[14]。所以柴北緣克魯克組暗色泥頁(yè)巖應(yīng)該處于大量生成天然氣的階段。

2.4 儲(chǔ)集條件

富含石英的暗色泥頁(yè)巖比富含方解石的灰色泥巖更容易形成裂縫[11]，長(zhǎng)石和白云石同樣能夠增加暗色頁(yè)巖的脆性，所以高含石英、長(zhǎng)石和碳酸鹽巖的頁(yè)巖脆性較強(qiáng)[13]。北美泥盆—石炭系在采頁(yè)巖氣藏的巖石礦物中含有較多的生物成因有機(jī)硅質(zhì)和石英，多半含量大于40%，部分可達(dá)75%。這些氣田含有發(fā)育良好的天然裂縫系統(tǒng)，一般得益于高含量的石英增加了頁(yè)巖的脆性。我國(guó)南方下寒武統(tǒng)筇竹寺組泥頁(yè)巖脆性礦物(石英+長(zhǎng)石+碳酸鹽巖)含量一般高于40%，黏土礦物含量小于30%，層間縫、斜交縫大量發(fā)育[15-16]。長(zhǎng)芯1井下志留統(tǒng)龍馬溪組泥頁(yè)巖脆性礦物平均含量為49%，黏土礦物平均含量為48%，頁(yè)理、裂縫十分發(fā)育，全井段普遍發(fā)育水平層間縫和高角度構(gòu)造縫[17-18]。

對(duì)扎布薩尕秀東剖面和石灰溝剖面上石炭統(tǒng)克魯克組暗色頁(yè)巖樣品測(cè)試發(fā)現(xiàn)(圖2)，石英含量為21.6%～64.1%，平均為43.1%；長(zhǎng)石含量為0.0%～6.5%，平均為2.4%；碳酸鹽巖礦物含量為0.0%～13.6%，平均為2.5%；黏土礦物含量為31.3%～75.7%，平均為51.0%。從礦物組成看，石英、長(zhǎng)石和碳酸鹽巖3種脆性礦物含量合計(jì)平均為48.0%，說明巖石脆性較好，與北美典型頁(yè)巖和我國(guó)南方頁(yè)巖具有很好的可比性。

圖2 柴達(dá)木盆地北緣克魯克組頁(yè)巖礦物組成特征

圖3 柴達(dá)木盆地北緣克魯克組頁(yè)巖掃描電鏡照片

頁(yè)巖氣儲(chǔ)層為低孔低滲儲(chǔ)層，目前對(duì)柴北緣上石炭統(tǒng)克魯克組頁(yè)巖儲(chǔ)層的孔滲特征研究資料很少，本次工作也僅對(duì)少數(shù)樣品進(jìn)行了孔滲測(cè)試?？唆斂私M泥頁(yè)巖露頭樣品孔隙度為3.68%～17.72%，平均為9.77%；滲透率為(0.000 2～0.025 5)×10-3μm2，平均為0.012 9×10-3μm2，與北美商業(yè)性開發(fā)的頁(yè)巖氣藏相比，孔隙度相當(dāng)，滲透率更低。

頁(yè)巖內(nèi)納米級(jí)孔隙體系對(duì)提高頁(yè)巖儲(chǔ)集能力和甲烷向裂縫網(wǎng)絡(luò)的滲透具有重要的控制作用。納米級(jí)孔隙分為3類：宏孔(>50 nm)、中孔(2～50 nm)和微孔(<2 nm)[19]。大量天然氣以吸附狀況存在于中孔和微孔內(nèi)，上述孔隙分類對(duì)非常規(guī)天然氣藏非常重要[20-21]。通過柴北緣克魯克組頁(yè)巖掃描電鏡觀察，發(fā)現(xiàn)頁(yè)巖基質(zhì)和有機(jī)質(zhì)中存在大量微米—納米級(jí)裂縫和孔隙，幾十、幾百納米至數(shù)個(gè)微米不等。孔隙類型以有機(jī)質(zhì)內(nèi)部納米孔隙和礦物層片間納米縫為主(圖3)，主要以宏孔為主，包括一部分中孔。

CO2氣體吸附法可以用來測(cè)量頁(yè)巖微孔體積[22]，微孔體積越大，比表面積越大，吸附能力越強(qiáng)[23]；隨著熱演化程度加劇，干酪根內(nèi)部微孔會(huì)增加[24]，將會(huì)極大地提升頁(yè)巖的吸附能力和儲(chǔ)集空間。克魯克組頁(yè)巖微孔主要集中在2～20 nm，2～10 nm微孔發(fā)育(圖4)，比表面積為4.22～16.54 cm2/g，平均為8.48 cm2/g，說明具有很好的吸附能力和儲(chǔ)集空間，有利于頁(yè)巖氣的富集與儲(chǔ)存。

圖4 柴達(dá)木盆地北緣克魯克組頁(yè)巖微孔孔徑分布

頁(yè)巖的吸附能力直接決定吸附氣量的大小。在70 ℃下，對(duì)克魯克組頁(yè)巖進(jìn)行了等溫吸附實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，石灰溝剖面和扎布薩尕秀東剖面克魯克組頁(yè)巖吸附氣含量為1.01～2.85 m3/t，平均為1.87 m3/t，具有較強(qiáng)的吸附能力。

3 頁(yè)巖氣有利區(qū)

根據(jù)頁(yè)巖氣有利區(qū)優(yōu)選方法[25]，結(jié)合前文對(duì)柴北緣克魯克組頁(yè)巖氣形成條件的詳細(xì)分析，認(rèn)為柴北緣克魯克組頁(yè)巖氣有利區(qū)主要分布于尕丘凹陷、歐南凹陷和德令哈斷陷(圖5)，有利區(qū)總面積2 580 km2，屬海陸過渡相沉積，發(fā)育暗色泥巖、頁(yè)巖，夾生屑灰?guī)r和薄層砂巖，埋深不超過4 500 m。區(qū)域內(nèi)有機(jī)質(zhì)類型以II2-III為主，w(TOC)普遍大于1.5%，Ro>1.0%，處于有機(jī)質(zhì)熱演化成熟階段。上述地區(qū)克魯克組具有較好的頁(yè)巖氣勘探開發(fā)前景。

圖5 柴達(dá)木盆地北緣克魯克組頁(yè)巖氣有利區(qū)分布

4 結(jié)論

(1)柴北緣上石炭統(tǒng)克魯克組頁(yè)巖分布廣泛，厚度較大，埋藏深度主要分布在1 500～3 000 m之間， TOC含量高，一般都大于2.0%，熱演化程度Ro>1.0%，處于有機(jī)質(zhì)熱演化成熟階段，具備形成頁(yè)巖氣藏的物質(zhì)條件。

(2)克魯克組頁(yè)巖TOC含量高，脆性礦物含量高，有利于裂縫發(fā)育；微米—納米級(jí)裂縫和孔隙發(fā)育，極大地提升了頁(yè)巖的吸附能力和儲(chǔ)集空間。等溫吸附實(shí)驗(yàn)表明，克魯克組頁(yè)巖具有較強(qiáng)的吸附能力。

(3)根據(jù)頁(yè)巖氣有利區(qū)優(yōu)選方法，結(jié)合柴北緣克魯克組頁(yè)巖氣形成條件的詳細(xì)分析，尕丘凹陷、歐南凹陷和德令哈斷陷一帶克魯克組具有較好的頁(yè)巖氣勘探開發(fā)前景。

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(編輯 黃 娟)

Generation conditions of shale gas in Carboniferous Keluke Formation, northern Qaidam Basin

Yang Yunfeng1, Rao Dan1, Fu Xiaodong2, Shen Baojian1, Xu Jin1

(1.WuxiResearchInstituteofPetroleumGeology,SINOPEC,Wuxi,Jiangsu214151,China; 2.PetroChinaHangzhouResearchInstituteofGeology,Hangzhou，Zhejiang310023,China)

Based on outcrop geological survey in the northern Qaidam Basin and integrated with other data of drillings, outcrops and previous research results, the Carboniferous Keluke Formation shale gas accumulation conditions and core area selection were investigated by delineating regional distribution of gas shale, organic geochemical features, mineral compositions, pore system and gas content in gas shale. Shale in the Keluke Formation is rich in organic matter. The TOC value ranges from 0.28% to 11.93%, and is over 2% in average. The thermal maturity value (Ro) ranges from 0.9% to 1.44%, and is 1.12% in average, indicating for the mature stage of organic matter thermal evolution. The available thickness of shale in the Keluke Formation is 30-150 m. The content of brittle minerals is greater than 40%. Pore systems of micro and nano scales are well-developed. Gas content ranges from 1.01 to 2.85 m3/t, and is 1.87 m3/t in average. The Gaqiu Sag, Ounan Sag and Delingha Fault Depression are favorable for the generation and accumulation of shale gas, hence are the targets for shale gas exploration in the Keluke Formation.

shale gas reservoir; Keluke Formation; Carboniferous; northern Qaidam Basin

1001-6112(2014)06-0692-06

10.11781/sysydz201406692

2013-09-30；

2014-09-12。

仰云峰(1982—)，男，工程師，從事油氣地質(zhì)研究和烴源巖評(píng)價(jià)。E-mail:yangyf.syky@sinopec.com。

國(guó)土資源部項(xiàng)目“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”的子項(xiàng)目(XB2011-04)資助。

TE121.2

A