湖相細粒沉積及其頁巖氣意義——以下寺灣柳洛峪區(qū)塊長7油頁巖為例

趙習(xí)森，郭 峰，石立華，黨海龍

(1.陜西延長石油 (集團)有限責(zé)任公司研究院，陜西西安 710075;2.西安石油大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，陜西西安 710065)

細粒沉積的概念最早由 Krumbein在巖石粒度分析中提出［1］，目前已被普遍接受和廣泛應(yīng)用。細粒沉積主要由黏土礦物和粉砂等陸源碎屑顆粒組成，也包含少量盆地內(nèi)生碳酸鹽、生物硅質(zhì)、磷酸鹽等顆粒［2］，全球各類沉積巖中約70%為細粒沉積巖［3］。

隨著致密油氣及頁巖油氣勘探開發(fā)持續(xù)深入，細粒沉積物的研究變得尤其迫切和重要。2014年世界十大石油科技進展之一就是細粒沉積巖形成機理研究有效指導(dǎo)油氣勘探。細粒沉積物指粒徑小于62μm的黏土級和粉砂級顆粒，成分主要包括黏土礦物、粉砂、碳酸鹽和有機質(zhì)等。黏土級顆粒粒徑小于4μm，粉砂級顆粒粒徑為4～62μm，細粒沉積物沉積形成的巖石稱為細粒沉積巖［1－8］。湖相深水頁巖是一種非常重要的細粒沉積巖，是含油氣盆地最重要的烴源巖，同時也是頁巖油、氣的儲集巖。

近年來，美國、加拿大等國對“非常規(guī)”頁巖氣的研究力度很大，使其成為國際石油勘探界的亮點和熱點，受其影響，中國也開展了大量頁巖氣的研究，尤其是陸相頁巖氣勘探的研究［9－12］，目前已陸續(xù)在海相、陸相、過渡相沉積的富有機質(zhì)頁巖儲層中發(fā)現(xiàn)頁巖氣。

鄂爾多斯盆地中生界生油巖層系主要為三疊系延長組，屬于大型內(nèi)陸湖盆沉積的湖相頁巖。延長組頁巖是典型的陸相頁巖儲層，該套頁巖在鄂爾多斯盆地南部多處見到氣顯示，其中下寺灣地區(qū)獲得了工業(yè)氣流。2011年4月，延長石油集團位于甘泉縣下寺灣地區(qū)的Lp177井壓裂試氣并成功點火，成為我國陸相頁巖氣第一口產(chǎn)氣井;2011年5月30日X57井壓裂后成功產(chǎn)氣。證實該套頁巖具有頁巖油氣勘探開發(fā)前景。

1 地質(zhì)背景

下寺灣位于陜西省延安市南部甘泉縣境內(nèi)，構(gòu)造上位于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡南部，整體構(gòu)造為西傾單斜，局部發(fā)育小型鼻狀隆起。柳洛峪區(qū)塊位于下寺灣西南部 (圖1)。

圖1 下寺灣柳洛峪區(qū)塊地理位置及井位分布圖Fig.1 Geolocation and well location of Liuluoyu Block in Xiasiwan Area

為詳細刻畫本區(qū)地層和沉積特征，探討頁巖氣成藏條件，收集并分析了大量前人的研究報告和公開出版數(shù)據(jù)。詳細觀察、描述了11口井的巖心，結(jié)合測井資料分析，劃分地層;在小層框架內(nèi)分析沉積相標(biāo)志，總結(jié)沉積微相類型，闡明微相分布特征。選取代表樣品做鏡下鑒定、微量元素等分析，通過樣品測試數(shù)據(jù)整理分析，探討頁巖氣成藏條件及前景。

2 沉積特征

鄂爾多斯盆地下寺灣柳洛峪區(qū)塊長7油層組主要發(fā)育黑色—深黑色泥巖、油頁巖，深灰色粉細砂巖，總體上呈現(xiàn)大段泥巖夾薄層粉砂巖—砂巖的細粒沉積巖組合;泥巖中植物化石明顯少于鄰區(qū)的濱淺湖相;測井曲線多處表現(xiàn)為指狀近直線型。長7油層組底部發(fā)育“張家灘頁巖”，測井曲線表現(xiàn)為高自然伽馬及井徑擴張，為深湖—半湖相沉積 (圖2)。

圖2 下寺灣柳洛峪區(qū)塊長7地層沉積綜合柱狀圖(Lp176井)Fig.2 Composite sedimentary column of Chang7 strata of Liuluoyu Block in Xiasiwan Area(Well Lp176)

根據(jù)巖心描述、鏡下鑒定、測井曲線及相關(guān)測試資料的綜合分析認(rèn)為，下寺灣柳洛峪長7油層組主要為三角洲前緣亞相、深湖—半深湖沉積。其中三角洲前緣亞相主要由水下分流河道、水下分流間灣構(gòu)成。湖泊相沉積主要包括深湖—半深湖泥巖和濁積砂體沉積 (圖2、圖3)。

圖3 柳洛峪區(qū)塊長7油層組典型沉積構(gòu)造圖(Lp179井)Fig.3 Typical sedimentary structure of Chang7 reservoir in Liuluoyu Block(Well Lp179)

2.1 三角洲前緣亞相

2.1.1 水下分流河道微相

水下分流河道微相主要發(fā)育灰綠色、深灰色粉—細砂巖，砂層薄，層數(shù)多，粉砂質(zhì)泥巖厚度較大，為多個正韻律層的疊加。砂巖底部具沖刷面，其上含有泥礫。底部砂巖一般不顯層理，呈塊狀，向上出現(xiàn)平行層理、小型砂紋交錯層理、波狀層理等 (圖3b、c)。水下分流河道主體自然電位曲線表現(xiàn)為箱狀、鐘狀。自然伽馬曲線幅值較低，齒化較少 (圖2)。

2.1.2 河口沙壩微相

河口沙壩微相巖性組合主要為淺灰色細砂巖、粉砂巖，整體呈上粗下細反粒序沉積，發(fā)育砂紋交錯層理 (圖3c)，厚度變化較大，層理面可見植物碎屑化石。自然電位、自然伽馬曲線呈漏斗狀，呈反旋回特征。

2.1.3 水下分流間灣微相

沉積巖性主要為灰—深灰色粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖及泥巖 (圖4a)。具水平層理及波狀層理，見蟲孔發(fā)育。層面富集云母、炭屑。自然電位曲線和自然伽馬曲線呈低幅微齒狀。

2.2 深湖—半深湖相沉積

柳洛峪長7油層組廣泛發(fā)育深湖相暗色泥巖、油頁巖 (圖4b、c)，夾濁積砂巖。黑色、灰黑色泥頁巖中可見炭屑，偶夾薄層砂質(zhì)條帶。長7儲層砂巖含有較多泥質(zhì)雜基，碎屑分選性差，局部見黑色泥質(zhì)角礫，結(jié)構(gòu)成熟度比較低，反應(yīng)近源、較強水動力條件。

圖4 柳洛峪區(qū)塊長7泥頁巖特征圖(Lp175井)Fig 4 Shale characters of Chang7 reservoir in of Liuluoyu Block(Well Lp175)

2.3 沉積微相展布

在單井沉積微相 (圖2)及連井沉積微相對比(圖5)的基礎(chǔ)上，結(jié)合測井微相分析成果及砂地比分布特征，編制了本區(qū)長7沉積微相分布圖(圖6)。

圖5 柳洛峪區(qū)塊長7沉積微相對比圖Fig.5 Comparison of Chang7 sedimentary microfacies in Liuluoyu Block

圖6 下寺灣柳洛峪區(qū)塊長7油層組砂地比及沉積微相展布圖Fig.6 The ratio of total sandstone thickness to formation thickness and the sedimentary microfacies distribution of Chang7 reservoir in Liuluoyu Block of Xiasiwan Area

從沉積微相對比剖面來看，長71油層組主要發(fā)育水下分流河道和河口砂壩砂體，砂體連通性較好;長72油層組很好地繼承了長71油層組的特點，但砂體規(guī)模小，連通性較差;長73油層組主要發(fā)育深湖—半深湖相沉積，局部發(fā)育濁積砂體，連通性較差。

3 頁巖氣成藏條件分析

3.1 烴源巖分析

下寺灣長7油層組烴源巖比較發(fā)育，一般為50～80m，其中柳洛峪區(qū)最厚。長7油層組頁巖母質(zhì)類型以腐殖—腐泥型為主，顯微組分以腐泥無定型組為主，其次為惰質(zhì)組和鏡質(zhì)組，有機碳含量為 1.76%～6.28%，氯仿瀝青“A”含量為0.25%～0.67%，總烴含量為 (1847～5218)×10－6，長7油層組烴源巖大部分地區(qū)處于成熟階段，Ro分布于 0.7%～1.5%，局部地區(qū)為高成熟［13－14］。測井上表現(xiàn)為“三高一低”特征，即高電阻、高自然伽馬、高聲波時差、低自然電位(圖7)。

圖7 Lp180井長7烴源巖測井響應(yīng)特征圖［13］Fig 7 Logging responses of Chang7 source rocks in Well Lp180

3.2 巖礦特征

長7油層組頁巖類型豐富，有紋層狀頁巖、紋層狀粉砂質(zhì)頁巖、灰黑色頁巖、灰黑色粉砂質(zhì)頁巖、褐黃色頁巖等，以紋層狀頁巖、紋層狀粉砂質(zhì)頁巖等為主 (圖4)。長7油層組頁巖黏土礦物以伊利石、綠泥石和伊/蒙混層為主，脆性礦物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為51%。黏土礦物為49%(圖8)。巖性組合有石英+長石+伊利石+綠泥石、石英+伊利石+綠泥石兩類。

3.3 儲集條件

圖8 長7油層組頁巖儲層礦物組成圖［14］Fig.8 Mineral composition of Chang7 shale reservoir

長7油層組頁巖主要的孔隙空間類型是粒間微孔，約占總孔隙的30%;其次是粒內(nèi)微孔，約占17%;再次是黏土礦物晶間溶孔，約占15%。長7油層組頁巖普遍發(fā)育有機質(zhì)內(nèi)氣孔，也是長7油層組頁巖的主要孔隙類型，約占11%(圖9)。長7油層組頁巖孔隙度范圍為0.1%～13.14%，平均為4.69%?；|(zhì)滲透率為0.003～1.49mD，平均為0.157mD，總體表現(xiàn)為低孔、低滲的特征［13－14］。

圖9 長7油層組頁巖孔隙類型圖［14］Fig.9 Pore types of Chang7 shale reservoir

4 結(jié)論與討論

4.1 下寺灣地區(qū)頁巖氣前景

下寺灣柳洛峪區(qū)塊長7油層組主要為三角洲前緣—深湖—半深湖細粒沉積體系，局部夾濁積砂體。巖性組合以紋層狀頁巖、紋層狀粉砂質(zhì)頁巖、泥質(zhì)粉砂巖為主，頁巖儲層的主要孔隙類型為粒間微孔、晶間溶孔和有機質(zhì)內(nèi)氣孔?？紫抖确秶鸀?.1%～13.14%，平均為4.69%?；|(zhì)滲透率范圍為0.003～1.49mD，平均為0.157mD，頁巖儲層總體上為低孔、低滲的特征。頁巖有機質(zhì)類型以Ⅰ型為主，其次為Ⅱ型。TOC為0.51%～22.6%，平均值為3.29%。Ro為0.7%～1.2%，處于成熟—高成熟演化階段?？傮w評價下寺灣柳洛峪區(qū)塊長7油層組具備良好的頁巖氣勘探開發(fā)前景。

4.2 細粒沉積研究展望及存在問題

細粒沉積巖看似“簡單”而往往不被重視，同時受微觀、超微觀實驗條件限制，細粒沉積巖成巖作用成為沉積學(xué)研究相對薄弱的領(lǐng)域。隨著頁巖油氣勘探開發(fā)的不斷深入，細粒沉積巖研究愈來愈受到重視［7－8］。

對于細粒沉積巖的研究應(yīng)針對巖石學(xué)、沉積學(xué)研究的薄弱環(huán)節(jié)、存在問題，探索新的研究方法和先進的實驗手段，重視交叉學(xué)科的研究，特別是微體古生物學(xué)、地球化學(xué)與傳統(tǒng)沉積學(xué)研究的結(jié)合。主要應(yīng)從以下幾個方面展開攻關(guān):①巖石礦物研究，通過詳細的巖心 (野外露頭剖面)觀察與描述，綜合顯微鏡下鑒定、掃描電鏡、微體古生物測試分析等實驗，詳細刻畫不同巖石類型特征，建立科學(xué)規(guī)范的巖石學(xué)命名及分類方案。②沉積微相分析，傳統(tǒng)的沉積相分析已不能滿足細粒沉積學(xué)的研究，需要建立規(guī)范的細粒沉積劃分體系，涉及細粒沉積體系的沉積相、沉積亞相、微相劃分與內(nèi)涵定義;③沉積動力學(xué)分析，海相細粒沉積體系的動力學(xué)模式已經(jīng)有很多認(rèn)識［1－5］，但陸相細粒沉積體系的動力學(xué)模式與海相不同，需要結(jié)合水槽模擬實驗、實驗觀察分析等，進一步明確陸相細粒沉積中各組分的物源沉積過程等。④細粒沉積與油氣勘探，隨著頁巖油氣的勘探開發(fā)，細粒沉積的研究越發(fā)重要。探索其沉積特征、成巖序列等對頁巖油氣勘探具有重要的意義。

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