陸相頁巖含氣性分析及勘探遠(yuǎn)景：以松遼盆地南部青一段為例

葛明娜，任收麥，包書景，王勝建，郭天旭

(1.中國地質(zhì)調(diào)查局油氣資源調(diào)查中心，北京 100083；2.中國地質(zhì)調(diào)查局，北京 100037)

目前，我國中上揚(yáng)子海相及鄂爾多斯盆地陸相頁巖氣勘探已取得重大突破[1]，但規(guī)模性生產(chǎn)主要還在海相地層中。我國陸相頁巖氣的勘探進(jìn)展總體較慢，一是整體演化程度低，Ro一般都不高過1.3%;二是針對(duì)低演化程度的工藝技術(shù)，如延長組CO2壓裂技術(shù)的普遍適應(yīng)性還需持續(xù)攻關(guān);三是整體的成藏基礎(chǔ)研究程度較低。以松遼盆地為代表的東北大面積陸相及海陸過渡相盆地，泥頁巖廣泛發(fā)育，有機(jī)質(zhì)豐度較高，具備頁巖氣生成的物質(zhì)基礎(chǔ)[2]。松遼盆地南部地質(zhì)條件特殊，特別在有機(jī)質(zhì)豐度較高的青山口組，熱演化程度適中，前期鉆井泥頁巖段氣測(cè)異常明顯，具備頁巖氣聚集的基本地質(zhì)條件。目前國內(nèi)外CO壓裂技術(shù)[3-5]，尤其是延長石油陸相頁巖CO2混合體積氣體壓裂技術(shù)的成功應(yīng)用[6]，突破了北方陸相頁巖氣因黏土含量偏高、水資源缺乏等制約頁巖氣高效開發(fā)的瓶頸。因此，開展松南典型區(qū)帶和層段泥頁巖含氣性及有利區(qū)預(yù)測(cè)，將有助于掌握區(qū)內(nèi)頁巖氣的分布特點(diǎn)，明確有利區(qū)域，摸清資源潛力，為松南頁巖氣進(jìn)一步勘探開發(fā)提供理論支撐。

1 青一段泥頁巖地質(zhì)特征

1.1 泥頁巖展布

松遼盆地南部可分為5個(gè)一級(jí)構(gòu)造單元，其中研究區(qū)涵蓋西部斜坡區(qū)、中央坳陷區(qū)、東北隆起區(qū)、西南隆起區(qū)4個(gè)構(gòu)造單元。青山口期是松遼盆地快速沉降、水進(jìn)體系發(fā)育的主要時(shí)期[7]。而青山口組一段以灰黑、深灰色頁巖為主，夾油頁巖和灰色砂巖、粉砂巖[8-9]，沉積中心位于大安-乾安地區(qū)，南薄北厚，泥巖最大厚度達(dá)400 m以上，泥地比30%～50%，是松遼盆地南部發(fā)育的優(yōu)質(zhì)烴源巖。

1.2 泥頁巖有機(jī)地化特征

青一段泥頁巖TOC處于0.5%～5.3%，其中TOC>1%的占比73.2%；氯仿瀝青“A”含量0.11%～0.51%，>0.1%的占比82.6%，顯示出較高的生烴潛力。青一段泥頁巖干酪根以Ⅰ型和Ⅲ型為主，含少量的Ⅱ型干酪根，可油氣共生。Ro分布在0.41%～1.44%之間，主體進(jìn)入低成熟-成熟熱演化階段(表1)。

1.3 泥頁巖儲(chǔ)集物性

頁巖氣作為一種自生自儲(chǔ)的非常規(guī)油氣資源，其儲(chǔ)集空間類型、孔滲物性及裂縫發(fā)育程度對(duì)頁巖氣的富集及開發(fā)具有重要意義。

頁巖氣儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜、儲(chǔ)集類型多樣，具有儲(chǔ)集流體和提供流動(dòng)空間的雙重作用[10-11]。青一段泥頁巖孔隙度1.4%～9.5%，滲透率0.017～0.179 mD(表2)。多口井見大量高角度構(gòu)造縫，局部可見順層裂縫。

微孔縫是頁巖氣重要的儲(chǔ)存空間。青一段泥頁巖發(fā)育粒內(nèi)孔、有機(jī)孔、微裂縫等孔隙類型(圖1)。受成熟度影響，有機(jī)質(zhì)孔隙分為兩種：原生有機(jī)質(zhì)孔隙和后期生烴有機(jī)質(zhì)孔隙[12]，此種孔隙類型在長嶺凹陷較發(fā)育，多為μm-nm孔隙，普遍小于1.5 μm。微裂縫大多是微孔隙的延伸，長度十幾微米不等，頁巖氣主要以游離狀態(tài)賦存其中[13]。孔隙結(jié)構(gòu)多為“墨水型”[14]，含有少量的“平板”狹縫型[15]?？讖椒植季|(zhì)性強(qiáng)，多集中在2.0～5.0 nm，部分小于2.0 nm(表2)。

表1 青一段泥頁巖有機(jī)地化參數(shù)Table 1 Shale organic geochemical parameters in a section of Qingshankou formation

表2 青一段泥頁巖儲(chǔ)集物性和巖石力學(xué)參數(shù)Table 2 Shale reservoir physical properties and rock mechanics parameters in a section of Qingshankou formation

注：“-”代表無相關(guān)數(shù)據(jù)。

圖1 松南青山口組一段泥頁巖微孔縫Fig.1 Shale micropores in a section of Qingshankou formation

1.4 巖石學(xué)特征

受構(gòu)造、沉積等多因素的影響，泥頁巖礦物組成與含量變化較大[16]。由頁巖氣的賦存狀態(tài)可知，氣態(tài)烴可以吸附態(tài)賦存于黏土礦物表面，含氣量在一定程度上受黏土礦物的影響，而石英、長石、方解石等脆性礦物對(duì)頁巖氣后期開發(fā)有重要意義。

青一段泥頁巖脆性礦物含量30.7%～55.5%，以石英和斜長石為主；黏土礦物含量32.4%～59.4%，以伊蒙混層和伊利石為主，含有少量的綠泥石和高嶺石(表2)。相比于北美典型頁巖，我國陸相泥頁巖具有脆性礦物和碳酸鹽類礦物偏低，黏土礦物含量偏高的特點(diǎn)。

楊氏模量和泊松比是表征頁巖可壓性的主要巖石力學(xué)參數(shù)，楊氏模量反映頁巖經(jīng)過壓裂的裂縫保持性能，泊松比反映頁巖壓力作用下的破裂能力，楊氏模量越高、泊松比越低，泥頁巖可壓性越強(qiáng)[17-18]。青一段泥頁巖的楊氏模量14.3～26.5 GPa，泊松比0.17～0.26。因此，青一段泥頁巖脆性一般，對(duì)后期儲(chǔ)層改造不利[19]。

2 青一段泥頁巖含氣性特征

為及時(shí)、準(zhǔn)確地獲得泥頁巖含氣量，選取2口在鉆井(J1井、J2井)進(jìn)行隨鉆跟蹤、含氣量解析和部分等溫吸附實(shí)驗(yàn)，為確定該區(qū)頁巖含氣性等重要參數(shù)，精確評(píng)價(jià)頁巖氣資源奠定了基礎(chǔ)。

2.1 現(xiàn)場(chǎng)解析

選取的2口井(J1井、J2井)巖芯樣品分別位于松遼盆地南部東南隆起帶王府凹陷和中央坳陷的長嶺凹陷，巖性以灰黑色泥頁巖為主。解析實(shí)驗(yàn)采用二階解析法[20]，將溫度設(shè)置兩個(gè)階段：一是地層溫度(50 ℃)下的解吸氣量;二是(90 ℃)下的解吸氣量(解析儀器采用排水集氣法，研究區(qū)此溫度下殘余氣量可忽略，總解吸氣量為兩者之和。其中，J1井選取20塊樣品，總含氣量為0.26～0.73 m3/t；J2井選取6塊泥頁巖樣品，總含氣量為0.40～1.31 m3/t，損失氣擬合相關(guān)系數(shù)大于0.99。

通過解析氣量分析，實(shí)測(cè)解吸氣量整體與總含氣量趨勢(shì)一致，J1井的11～13號(hào)樣品實(shí)際回歸損失氣量占總含氣量的50%左右;J2井的21號(hào)樣品損失氣量含量稍高，與損失時(shí)間較長有關(guān)，殘余氣含量基本可忽略(圖2)。長嶺凹陷總含氣量較王府凹陷高，多數(shù)超出最低陸相頁巖氣工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 等溫吸附

J1井、J2井青一段6塊泥頁巖樣品吸附量為1.71～3.61 m3/t，均值2.97 m3/t。在2 MPa的壓力下，吸附氣量超出1.0 m3/t，當(dāng)壓力達(dá)到6 MPa時(shí)，吸附氣量超出2.0 m3/t，顯示出較強(qiáng)的吸附能力，與TOC線性正相關(guān)，相關(guān)性較好(圖3)。

圖2 青一段泥頁巖解析氣量Fig.2 Shale desorption in a section of Qingshankou formation(注：樣品編號(hào)中J1為1～20,J2為21～26)

圖3 J1井和J2井吸附量與TOC關(guān)系Fig.3 Relationship between adsorption capacity and TOC of J1 well and J2 well

2.3 測(cè)井解釋

頁巖氣測(cè)井曲線呈現(xiàn)“三高兩低”的特征[21]。青一段為富有機(jī)質(zhì)泥頁巖層段，具備高伽馬、高聲波、高電阻、低密度等特點(diǎn)，部分單井具有較好的全烴顯示。以木262井為例，青一段GR介于90～140 gAPI之間，平均值為112 gAPI，深側(cè)向電阻率介于3～16 Ω·m，密度介于2.18～2.45 g/cm3，聲波介于306～450 μs/m之間，青一段的全烴值明顯高于青二段和青三段(圖4)。

頁巖含氣量包括游離氣、吸附氣和溶解氣等。由于地層中溶解氣含量較少，目前主要關(guān)注吸附氣和游離氣，總含氣量為兩者之和，本次研究借用測(cè)井技術(shù)通過疊加手段獲取了地層的總含氣量[22]。為與現(xiàn)場(chǎng)解析相比較，選取紅崗階地和長嶺凹陷20口鉆井進(jìn)行評(píng)價(jià)，含氣量介于0.41～1.50 m3/t，均值0.81 m3/t，與長嶺凹陷J2井現(xiàn)場(chǎng)解析數(shù)據(jù)相似度較高，但都低于等溫吸附實(shí)驗(yàn)得出的含氣量。

針對(duì)等溫吸附所得的含氣量大于解析和測(cè)井解釋的含氣量，原因主要考慮以下兩點(diǎn)：一是等溫吸附法測(cè)定的是泥頁巖最大程度吸附氣體的能力，主要受泥頁巖有機(jī)質(zhì)豐度、黏土礦物含量和比表面積的影響，樣品研碎過程中由于比表面積增大，可能導(dǎo)致測(cè)定的吸附量大于實(shí)際吸附氣量；二是對(duì)于北方陸相泥頁巖儲(chǔ)層成熟度較低、黏土礦物含量高，受有機(jī)質(zhì)豐度、成熟度、礦物成分等因素影響，頁巖微孔隙欠發(fā)育且連通性差。理論上，氣體更多以吸附態(tài)賦存，不利于氣體解吸，特別是在頁巖儲(chǔ)集空間未被飽和或含氣量較低時(shí)，出現(xiàn)等溫吸附實(shí)驗(yàn)得出的吸附氣量遠(yuǎn)大于解析氣量和測(cè)井解釋氣量。因此，對(duì)北方陸相泥頁巖，在獲取含氣量時(shí)，優(yōu)選解析法，盡量不采用等溫吸附法。

圖4 木262井青山口組有利頁巖測(cè)井響應(yīng)特征Fig.4 Logging response characteristics of favorable shale section of Qingshankou formation in Mu262 well

圖5 Trace1912測(cè)線青山口組縱波速度(Vp)反演剖面Fig.5 Trace 1912 line longitudinal wave velocity (Vp) inversion profile of Qingshankou formation

圖6 青山口組一段含氣泥頁巖厚度分布圖Fig.6 Thickness distribution of gas-bearing shale in a section of Qingshankou formation

圖7 松遼盆地南部青山口組一段頁巖氣有利區(qū)分布預(yù)測(cè)圖Fig.7 Favorable area distribution prediction of shale gas in a section of Qingshankou formation,southern Songliao Basin

3 含氣泥頁巖預(yù)測(cè)

運(yùn)用巖石物理分析手段，得出含氣泥頁巖界定的縱波速度檻值范圍[23]，通過縱波速度反演來預(yù)測(cè)青山口組含氣泥頁巖的分布。青一段統(tǒng)計(jì)了350口井，存在明顯速度異常的有201口(以圖4為例)，圖5是過乾215井青山口縱波速度反演剖面。從縱波速度(Vp)反演剖面分析，青山口組泥頁巖含氣性整體較好，其中青一段含氣性泥頁巖最為發(fā)育，預(yù)測(cè)結(jié)果與鉆井烴類異常顯示相似，這也同時(shí)說明疊后縱波速度反演能夠較好地展示研究區(qū)目的層段泥頁巖的含氣性特征。青一段含氣泥頁巖分布預(yù)測(cè)圖見圖6。由圖6可見，青一段含氣泥頁巖厚度高值區(qū)主要分布在長嶺凹陷乾安-塔虎城一帶和紅崗階地的大安地區(qū)，最大含氣性泥頁巖厚度約50 m。

4 有利區(qū)預(yù)測(cè)及資源

青一段整體具有高有機(jī)質(zhì)豐度、低演化程度和偏生油型干酪根的特點(diǎn)，結(jié)合松遼盆地南部頁巖氣陸相有利選區(qū)評(píng)價(jià)方法，認(rèn)為松遼盆地南部青一段發(fā)育頁巖氣，頁巖氣地質(zhì)資源量為3 353.33×108m3，游離氣資源量為2 239.91×108m3。在5個(gè)二級(jí)構(gòu)造單元中，扶新隆起資源量最大，其次依次為長嶺凹陷、紅崗階地、王府凹陷和華字井階地。有利區(qū)主要分布在紅崗階地的紅崗-大安構(gòu)造和長嶺凹陷北部(圖7)。

5 結(jié) 論

1) 松遼盆地南部青一段泥頁巖主要為半深湖相沉積，累計(jì)厚度大，厚度中心位于中央坳陷的長嶺凹陷、扶新隆起、紅崗階地南部，有機(jī)質(zhì)類型以腐泥型為主，平均TOC>2%，Ro介于0.4%～1.5%，處于低熟-成熟演化階段。

2) 青一段泥頁巖含有多種微孔縫，為頁巖氣賦存提供儲(chǔ)集空間。此泥頁巖相對(duì)于我國南方和北美頁巖儲(chǔ)層，黏土礦物含量偏高，脆性一般，對(duì)后期儲(chǔ)層改造不利，可考慮二氧化碳等其他壓裂手段。

3) 青一段頁巖氣測(cè)異常明顯，解析含氣量0.26～1.31 m3/t，高值區(qū)集中在中央坳陷的長嶺凹陷、紅崗階地和扶新隆起，長嶺凹陷含氣量高于王府凹陷。泥頁巖吸附能力強(qiáng)，測(cè)井解釋含氣量0.41～1.50 m3/t，與解析結(jié)果相一致。

4) 巖石物理預(yù)測(cè)的含氣泥頁巖層段與氣測(cè)異常井相似，厚度高值區(qū)分布在長嶺凹陷和紅崗階地，頁巖氣資源豐富，長嶺凹陷中北部和紅崗階地的紅崗-大安構(gòu)造帶是頁巖氣勘探的有利區(qū)域。