遼河西部凹陷頁巖油氣富集主控因素

葛明娜 ，張金川，李婉君，孫 睿

(1.中國地質(zhì)調(diào)查局油氣資源調(diào)查中心，北京 100029；2.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)能源學(xué)院)

遼河西部凹陷頁巖油氣富集主控因素

葛明娜1，張金川2，李婉君2，孫 睿2

(1.中國地質(zhì)調(diào)查局油氣資源調(diào)查中心，北京 100029；2.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)能源學(xué)院)

研究發(fā)現(xiàn)，泥頁巖的有機(jī)質(zhì)含量、成熟度、有機(jī)質(zhì)類型、孔縫特征及厚度等內(nèi)部因素是其能否富集的關(guān)鍵條件。以沙河街組沙三下亞段(Es33)和沙四上亞段(Es41)為例，在頁巖油氣影響因素研究的基礎(chǔ)上，運(yùn)用多因素綜合評價(jià)、部分因素重點(diǎn)分析的方法，分別揭示Es33及Es41頁巖油氣富集的主控因素。綜合認(rèn)為，Es33有效厚度大，有機(jī)質(zhì)豐度中等，熱演化程度適中，有機(jī)質(zhì)類型多樣，氣測異常明顯、含油氣性好，頁巖油氣共生，主要受有機(jī)質(zhì)豐度影響；同Es33相比，Es41具有較高的有機(jī)質(zhì)豐度，但有機(jī)質(zhì)類型與熱演化程度匹配較差，未能達(dá)到頁巖氣富集的條件，主體發(fā)育頁巖油。因此，明確頁巖油氣富集的主控因素，是尋找頁巖油氣賦存有利區(qū)域的前提，對遼河坳陷頁巖油氣的勘探開發(fā)具有現(xiàn)實(shí)意義。

遼河西部凹陷；沙河街組;頁巖油氣；主控因素；多因素關(guān)聯(lián)法；納米孔隙

頁巖油氣在北美已取得突破性進(jìn)展。據(jù)EIA統(tǒng)計(jì)，全球頁巖氣技術(shù)可采資源量206萬億方[1]，頁巖油技術(shù)可采資源量486億噸[2]。目前，美國規(guī)模性開發(fā)的頁巖主要有8套，其中Haynesville、Marcellus、Barnett三個(gè)產(chǎn)層年產(chǎn)量超過300億方，Bakken、Eagle Ford、Niobrara、Barnett為頁巖油產(chǎn)量最高的四套頁巖[3]。

近幾年，我國已在頁巖氣開發(fā)實(shí)驗(yàn)區(qū)鉆井62口，其中24口井獲得工業(yè)氣流[4]，尤其涪陵、長寧-威遠(yuǎn)、昭通等領(lǐng)域取得突破；此外，我國陸相頁巖油也取得重要進(jìn)展，泌陽凹陷泌頁HF1井日產(chǎn)頁巖油5～8 m3[5]，前景發(fā)展良好；濟(jì)陽坳陷沙河街組泥頁巖中38口井獲得油氣流[6]。西部凹陷是遼河坳陷最大的一個(gè)富含油氣的凹陷，由北向南依次分布有牛心坨、臺安、陳家、盤山、清水、鴛鴦溝六個(gè)生油洼陷[7](圖1)。西部凹陷沙河街組泥頁巖廣泛發(fā)育，有機(jī)質(zhì)豐度較高，具備頁巖油氣生成的物質(zhì)基礎(chǔ)，目前研究尚少。有必要對頁巖油氣聚集條件、分布規(guī)律等進(jìn)行研究，從而分析頁巖油氣富集主控因素。

1 頁巖油氣富集影響因素

頁巖油氣富集受多種因素影響，內(nèi)部因素主要有泥頁巖厚度、有機(jī)碳含量、干酪根類型、成熟度、礦物組分、儲集物性、含油氣性，外部因素主要包含地層壓力、溫度、濕度等[8]。研究主要從泥頁巖展布、有機(jī)地球化學(xué)特征、礦物組成、儲集物性等內(nèi)部因素進(jìn)行剖析。

圖1 遼河西部凹陷構(gòu)造單元

1.1 泥頁巖展布

遼河西部凹陷泥頁巖層段普遍較厚，地層厚度上百米至千米，不是頁巖油氣富集的主要影響因素。主要從泥頁巖埋深和泥地比兩個(gè)方面進(jìn)行研究。

頁巖油氣發(fā)育的有利埋深一般在500～4 500m。Es41在清水洼陷西側(cè)，曙光地區(qū)埋深最大，超過3 500 m；Es33埋深2 000～4 000 m，最大區(qū)域?yàn)榍逅菹莺完惣彝菹?，以兩洼陷為中心向外逐漸變淺。兩個(gè)層段均處于頁巖油氣發(fā)育有效埋深范圍內(nèi)。

Es41沉積中心位于陳家洼陷，此期水體較淺，山區(qū)沖積扇攜帶大量粗碎屑物質(zhì)沿短軸方向入湖，曙光、雷家地區(qū)以及牛心坨洼陷泥地比一般大于60%。Es33繼承了Es41的沉積體系，沉積中心移至清水洼陷，泥巖展布面積廣，鴛鴦溝、清水、陳家和牛心坨洼陷泥地比均大于80%。

泥頁巖的有效厚度主要受地層厚度、埋深及泥地比影響。Es41湖盆繼續(xù)下陷，水體不斷加深，水域不斷擴(kuò)大，碎屑物質(zhì)供給充足，主要發(fā)育扇三角洲相和湖泊相。有效泥頁巖北厚南薄，厚度30～250 m，沉降中心主要位于曙光、雷家地區(qū)以及牛心坨洼陷(圖2a)。

圖2 遼河西部凹陷沙河街組有效泥巖厚度平面展布

Es33沉積時(shí)期，湖盆處于劇烈沉降階段，再次發(fā)生水進(jìn)，深湖-半深湖相范圍擴(kuò)大，沉積中心南移。隨著沉積沉降中心的轉(zhuǎn)移，Es33有效泥頁巖厚度中心向東南部偏移，有效厚度30～300 m，主要位于清水洼陷(圖2b)。

1.2 泥頁巖有機(jī)地球化學(xué)特征

研究表明，泥頁巖中有機(jī)質(zhì)豐度、類型及熱成熟度與有機(jī)質(zhì)孔隙的形成、分布及大小有關(guān)[9]，并影響泥頁巖的儲集性能和頁巖油氣賦存。

1.2.1 有機(jī)質(zhì)豐度

有機(jī)質(zhì)豐度是形成頁巖油氣的物質(zhì)基礎(chǔ)，通常采用有機(jī)碳含量來表征。因研究區(qū)熱演化程度較低，有機(jī)質(zhì)向烴類轉(zhuǎn)化率較低。因此，氯仿瀝青“A”含量和生烴潛量也可作為評價(jià)有機(jī)質(zhì)豐度的重要指標(biāo)[10]。

Es41385塊泥頁巖樣品有機(jī)碳含量均值2.27%，其中大于1.5%的占77.1%，大于2.0%的占36.1%；390個(gè)泥頁巖樣品的氯仿瀝青“A”均值0.25%，大于0.12%的占66.9%，大于0.2%的占48.9%。以上兩種指標(biāo)均顯示了Es41較高的有機(jī)質(zhì)豐度，達(dá)到富有機(jī)質(zhì)泥頁巖的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

Es33201個(gè)泥頁巖樣品有機(jī)碳含量均值1.63%，其中大于1.5%的占69.1%，大于2.0%的占41.8%；207個(gè)泥頁巖樣品的氯仿瀝青“A”均值0.16%，大于0.12%的樣品占56.2%，大于0.2%的占32.2%，有機(jī)質(zhì)豐度未達(dá)到富有機(jī)質(zhì)泥頁巖標(biāo)準(zhǔn)(表1)。

表1 Es41、Es33有機(jī)質(zhì)豐度統(tǒng)計(jì)

注：分?jǐn)?shù)線之上的數(shù)值為參數(shù)值的范圍(最小值～最大值)， 之下的數(shù)值為平均值，括號內(nèi)的數(shù)字為樣品數(shù)。

1.2.2 有機(jī)質(zhì)類型

有機(jī)質(zhì)類型反映頁巖油氣母質(zhì)來源，決定了頁巖油氣類型及生烴潛力。Es41泥頁巖以Ⅱ1-Ⅰ型干酪根為主，Ⅲ型較少，母質(zhì)類型偏腐泥型；受Es33沉積環(huán)境由湖泊-三角洲相向深湖-半深湖相過渡影響，發(fā)育混合型干酪根，有機(jī)質(zhì)類型主要為Ⅱ1型(圖3)。

1.2.3 熱演化程度

Es41鏡質(zhì)體反射率 0.2%～1.8%，均值0.46%，Tmax介于415～456℃，均值436 ℃；Es33鏡質(zhì)體反射率0.22%～1.56%，均值為0.53%，Tmax介于326～486 ℃，均值438 ℃，鏡質(zhì)體反射率和Tmax一致表明Es41、Es33處于未熟-低成熟熱演化階段，數(shù)據(jù)分布相對集中。

圖3 Es41、Es33有機(jī)質(zhì)類型

1.3 礦物組成及儲集物性

1.3.1 泥頁巖礦物組成

泥頁巖脆性礦物含量越高，在壓裂外力作用下越易形成誘導(dǎo)裂縫，和早期存在的天然裂縫形成樹-網(wǎng)狀裂縫群[11]，有利于頁巖油氣的開采；高黏土礦物含量塑型強(qiáng)，易形成平面裂縫且水敏性強(qiáng)，不利于后期儲層改造。目前美國成功開發(fā)的Marcellus、Barnett、Woodford等多套頁巖產(chǎn)層脆性礦物含量一般大于40%,黏土礦物小于30%， Haynesville頁巖黏土礦物含量大于70%，仍然是美國重要的頁巖產(chǎn)層[12]。遼河西部凹陷沙河街組(Es)礦物組成情況見圖4。

圖4 遼河西部凹陷Es41、Es33礦物組成

Es4114口井42塊泥頁巖樣品主要由石英、長石、碳酸鹽巖、黏土組成，不同洼陷的泥頁巖樣品礦物成分差異較大，石英含量3.0%～54.6%，脆性礦物總含量大于47.5%，黏土礦物含量45.8%；Es33樣品較少，仍具有一定規(guī)律，脆性礦物含量29.0%～52.5%，黏土礦物含量39.4%～64.6%，脆性較Es41差些。

1.3.2 泥頁巖儲集空間

頁巖油氣儲層孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜、儲集空間類型多樣，主要以游離態(tài)存在于微孔隙、裂縫中，以吸附態(tài)賦存于有機(jī)質(zhì)、干酪根和黏土礦物表面[13]。

Milner 等曾針對北美泥盆系 Marcellus 頁巖、侏羅系 Haynesville 頁巖、密西西比系 Barnett 頁巖及泥盆系 Horn River 頁巖中的微觀孔隙進(jìn)行系統(tǒng)觀察，發(fā)現(xiàn)上述 4 套泥頁巖中主要發(fā)育有機(jī)質(zhì)孔、基質(zhì)晶間孔和粒間孔3種孔隙類型[14]。對遼河西部凹陷Es泥頁巖進(jìn)行了大量觀察，除發(fā)現(xiàn)基質(zhì)晶間孔和粒間孔隙外，還發(fā)現(xiàn)溶蝕孔隙、粒內(nèi)孔隙，有機(jī)質(zhì)孔隙較少，孔徑主要集中在0.1～10 μm。

此外，泥頁巖中還發(fā)育大量的構(gòu)造縫和微米-納米級微裂縫。Es41和Es33泥頁巖樣品構(gòu)造縫與巖層呈3°度左右夾角，多為方解石充填。另外，沙河街組泥頁巖發(fā)育微裂縫，縫寬分布在100～1 000 μm。

2 頁巖油氣富集主控因素及分析

2.1 頁巖油氣富集主控因素

研究區(qū)地層厚度普遍較大，因地層埋深、礦物組成等因素與頁巖油氣后期開發(fā)關(guān)系較為密切，對頁巖油氣富集不作為主控因素。根據(jù)頁巖油氣聚集機(jī)理，認(rèn)為泥頁巖有效厚度、有機(jī)地球化學(xué)特征、儲集物性是頁巖油氣富集的主控因素，且只有各因素之間有效匹配，才能達(dá)到頁巖油氣富集[16]。

結(jié)合Es41和Es33地質(zhì)特點(diǎn)，總結(jié)出研究區(qū)頁巖油氣富集主控因素評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，劃分出頁巖油氣富集有利區(qū)域。遼河西部凹陷整體成熟度較低，部分泥頁巖樣品成熟度小于0.5%，考慮到曙古165、雷84等井泥頁巖成熟度在0.4%～0.5%時(shí)，已有較好的油氣發(fā)現(xiàn)，故將目的層系的鏡質(zhì)體反射率下限降至0.4%(表2)。

表2 頁巖油氣富集有利區(qū)優(yōu)選標(biāo)準(zhǔn)

通過頁巖油氣富集主控因素分析，Es41有效厚度均大于30 m，主要發(fā)育Ⅱ1-Ⅰ型干酪根，有機(jī)質(zhì)豐度達(dá)到富有機(jī)質(zhì)泥頁巖標(biāo)準(zhǔn)，脆性礦物含量大于40%，孔縫較發(fā)育，但泥頁巖分布面積小、成熟度低。Es33面積大，有效厚度均大于30 m，以Ⅱ1型干酪根為主，有機(jī)質(zhì)豐度較低，脆性礦物含量均值大于37%，發(fā)育多種孔縫空間，儲集物性較好。

2.2 頁巖油氣富集有利區(qū)及主控因素分析

根據(jù)表2頁巖油氣富集有利區(qū)域優(yōu)選標(biāo)準(zhǔn)，采用多因素關(guān)聯(lián)法，劃分出頁巖油氣富集有利區(qū)域。Es41以頁巖油為主，富集區(qū)域較小，主要分布在陳家洼陷，歡喜嶺地區(qū)和牛心坨洼陷分布面積較小，頁巖氣不發(fā)育；Es33頁巖油氣均發(fā)育，富集有利區(qū)域面積較大，頁巖油有利區(qū)主要分布在清水洼陷地區(qū)及盤山洼陷東部，頁巖氣有利區(qū)主要分布在清水洼陷。

因此，通過影響因素分析，Es41頁巖油氣富集主控因素為泥頁巖成熟度，因與干酪根類型匹配較差，尚未達(dá)到頁巖氣發(fā)育的熱演化條件，導(dǎo)致Es41的頁巖油富集區(qū)域較?。欢鳨s33其它因素滿足頁巖油氣富集條件，且分布面積較廣，有機(jī)碳含量未達(dá)到富有機(jī)質(zhì)泥頁巖標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致Es33富集有利區(qū)分布面積大、核心區(qū)分布范圍較小。

3 結(jié)論

(1)遼河西部凹陷沙河街組富有機(jī)質(zhì)泥頁巖較發(fā)育，泥地比含量高，有效厚度大，有機(jī)質(zhì)豐度較高，干酪根類型偏腐泥型，熱演化程度低，脆性礦物含量較高，孔縫類型多樣，滿足頁巖油氣發(fā)育的基本地質(zhì)條件。

(2)頁巖油氣的富集受諸多因素影響，關(guān)鍵需要各種因素的有效匹配。Es41主要受熱演化程度的影響，與腐泥型干酪根類型匹配較差，未能滿足頁巖氣富集條件，主體發(fā)育頁巖油；Es33分布面積大，頁巖油氣均發(fā)育，由于受有機(jī)質(zhì)豐度影響，約束了富集區(qū)域面積。

(3)Es41頁巖油主要分布在陳家洼陷，歡喜嶺地區(qū)和牛心坨洼陷分布面積較小，Es33頁巖油氣富集有利區(qū)域面積較大，主要分布在清水洼陷及盤山洼陷。因此，綜合分析，陳家洼陷和清水洼陷是頁巖油氣的勘探有利區(qū)。

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編輯：吳官生

1673-8217(2015)05-0046-05

2015-05-18

葛明娜，碩士，1988年生，2010年畢業(yè)于河南理工大學(xué)地球物理信息與技術(shù)學(xué)院，現(xiàn)從事頁巖油氣聚集條件和成藏研究。

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41102088)。

TE122.2

A