膠萊坳陷頁巖氣資源潛力評(píng)價(jià)

孫偉清，彭文泉，高兵艷，張文，王英鵬，郝興中

(1.山東省地質(zhì)科學(xué)研究院，國(guó)土資源部金礦成礦過程與資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東省金屬礦產(chǎn)成礦地質(zhì)過程與資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250013；2.山東省第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 濟(jì)南 250109;3.山東省地質(zhì)調(diào)查院，山東 濟(jì)南 250013)

膠萊坳陷位于山東省東部，常規(guī)油氣勘查工作始于20世紀(jì)80年代[1-2]，先后多口探井鉆遇水南組時(shí)見瀝青、油跡、油斑及熒光顯示等，其中萊孔2井1小時(shí)產(chǎn)原油5kg，充分證明膠萊坳陷具有油氣生成的物質(zhì)基礎(chǔ)和形成條件。但隨著工作開展至今，未實(shí)現(xiàn)常規(guī)油氣勘查的突破[3]。近年來，頁巖氣資源勘查工作不斷升溫，針對(duì)膠萊坳陷烴源巖研究不斷深入，依據(jù)山東省開展的頁巖氣資源潛力調(diào)查評(píng)價(jià)資料，在分析研究膠萊坳陷地質(zhì)背景和沉積環(huán)境的基礎(chǔ)上，對(duì)烴源巖的有機(jī)地化條件、儲(chǔ)集物性條件等進(jìn)行深入分析探討，認(rèn)為膠萊坳陷具備頁巖氣生儲(chǔ)條件，并估算了頁巖氣資源潛力，為進(jìn)一步頁巖氣資源勘查指出了方向。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

1.1 構(gòu)造背景

膠萊坳陷分布于膠北隆起與膠南隆起之間，大致呈NE方向延伸，為東北窄而西南寬的菱形盆地[4-5]，是山東省東部一個(gè)典型的晚中生代伸展斷陷盆地，面積約12000km2。

膠萊坳陷西側(cè)受控于NNE向的郯廬斷裂帶，南側(cè)為五蓮斷裂所控制，北界除了平度斷裂以外，大部分超覆在膠北隆起之上，東側(cè)NNE走向的牟平-即墨斷裂帶將盆地分割為東西兩部分。膠萊坳陷東部為海陽凹陷，其基底屬于膠南造山帶，為一個(gè)單斜的構(gòu)造單元；西部由萊陽凹陷、大野頭凸起、高密凹陷、平度凹陷、夏格莊凹陷、李黨家-馬山凸起、諸城凹陷和柴溝地壘構(gòu)成，桃村凹陷分布于牟平-即墨斷裂帶內(nèi)(圖1)。

1—斷裂；2—構(gòu)造單元界線；3—超覆或剝蝕邊界；4—鉆孔位置及編號(hào)圖1 膠萊坳陷構(gòu)造單元區(qū)劃圖

1.2 地層發(fā)育特征

膠萊坳陷中生代地層是在太古-元古宙變質(zhì)結(jié)晶巖系之上發(fā)育的以碎屑巖類為主的沉積地層，主要有萊陽群、青山群和王氏群；中生界之上發(fā)育有新生代古近紀(jì)五圖群、新近紀(jì)臨朐群和第四系。

1.2.1 白堊紀(jì)萊陽群

萊陽群在膠萊坳陷內(nèi)廣泛分布，為一套不整合于基底之上和青山群之下的河湖相沉積，在膠萊坳陷的不同位置巖性變化較大，從山麓洪積相至河流相、湖泊相均有發(fā)育，且露頭良好，含豐富的生物群動(dòng)、植物化石。萊陽群發(fā)育厚度變化較大，萊陽凹陷最大發(fā)育厚度近3000m，諸城凹陷最大發(fā)育厚度也超過2500m。

萊陽群3個(gè)暗色泥巖發(fā)育層段，分別為萊陽群瓦屋夼組、水南組和法家塋組[6]。

瓦屋夼組：巖性主要為灰黃、黃綠色砂巖、頁巖；底部有少量礫巖，分布較為局限。在山前店一帶發(fā)育厚度最大，厚約100m，向四周逐漸變薄，該組內(nèi)黑色泥頁巖發(fā)育最大厚度不足15m。

水南組：巖性以頁巖、泥巖、粉砂巖為主，化石豐富且分布范圍較廣，厚度一般為200～443m，最大厚度超過500m，暗色泥頁巖發(fā)育，占比較大，泥地比大于70%。是膠萊坳陷暗色泥頁巖發(fā)育厚度最大，分布范圍最廣的層組。

法家塋組：上部為含礫粗砂巖，局部夾流紋質(zhì)凝灰?guī)r，下部以灰綠—灰黑色、紫色細(xì)砂巖、粉砂巖、頁巖為主；法家塋組厚度超過400m，但僅底部發(fā)育一段灰綠—灰黑色頁巖、泥巖，夾薄層的粉砂質(zhì)泥巖，累計(jì)厚度不足15m。

1.2.2 白堊紀(jì)青山群

青山群為一套巖性復(fù)雜的火山巖和火山碎屑巖系，其中夾少量碎屑巖，下部為英安質(zhì)火山角礫巖、安山質(zhì)集塊巖和凝灰?guī)r，中部為安山巖、安山質(zhì)集塊角礫巖夾凝灰?guī)r，上部為紫灰色、灰黑色的安山巖、橄欖玄武巖以及安山玄武巖，火山巖中普遍見有氣孔及杏仁構(gòu)造。

1.2.3 白堊紀(jì)王氏群

王氏群為一套河流相紅色碎屑巖，夾濱淺湖相雜色碎屑巖及少量泥灰?guī)r。王氏群劃分為林家莊組、辛格莊組、紅土崖組、金崗口組和膠州組。林家莊組主要巖性為灰紫色、灰色礫巖和砂礫巖夾紫紅色細(xì)砂巖、粉砂巖，礫石成分主要為火山巖；辛格莊組以紫紅、灰綠色粉砂巖互層為特征，含大量泥灰?guī)r團(tuán)塊及少量灰?guī)r夾層；紅土崖組以磚紅、紫紅色調(diào)和粗—細(xì)互層為主要特征；金崗口組和膠州組分布局限，色調(diào)和粒度較雜，有時(shí)可見膏鹽及白云巖沉積。

1.3 暗色泥頁巖沉積特征

萊陽群的沉積整體體現(xiàn)出了一個(gè)湖盆發(fā)育的全過程，經(jīng)歷了洪積扇、河流相、湖泊相、河流相的完整旋回，但由于地勢(shì)高差、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)造成的垂向升降的差異，盆地內(nèi)不同的構(gòu)造位置所沉積的地層不同，就同一地質(zhì)階段而言，陡坡帶、緩坡帶和中心帶往往發(fā)育不同的沉積相，巖性特征存在很大差異。

水南組為膠萊坳陷水位最深環(huán)境下沉積地層的代表，從水南組分布及巖性變化分析，水南組沉積期在整個(gè)膠萊坳陷主要分布有兩個(gè)湖盆，其物源主要來自于盆地周緣的膠北隆起和膠南隆起帶。其中在諸城西南發(fā)育一個(gè)小型湖盆，且該時(shí)期諸城和高密地區(qū)為一個(gè)統(tǒng)一的構(gòu)造單元，在盆地中部主要接受河流相的沉積，該時(shí)期李黨家-馬上凸起出露水面，未接受沉積，并為周緣提供少量物源。在盆地北部萊陽、夏格莊以及牟平地區(qū)發(fā)育一個(gè)大型湖盆(圖2)，在該區(qū)水南組暗色泥頁巖最為發(fā)育。

1—深湖相；2—淺濱湖相；3—河流相；4—洪積相；5—斷裂；6—鉆孔位置及編號(hào)圖2 膠萊坳陷水南組時(shí)期沉積相圖

2 暗色泥頁巖生烴條件

2.1 有機(jī)質(zhì)豐度

有機(jī)質(zhì)豐度通常利用有機(jī)碳含量(TOC)、生烴潛量(S1+S2)和氯仿瀝青“A”等參數(shù)進(jìn)行表征，有機(jī)質(zhì)豐度也是評(píng)價(jià)泥頁巖生油、生氣能力的重要指標(biāo)。白堊系萊陽群具有典型的陸湖相沉積特征，因此利用黃第藩的陸相烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[7]對(duì)膠萊坳陷烴源巖進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2.1.1 有機(jī)碳含量(TOC)

依據(jù)勝利油田萊孔1井、萊孔2井、姜淺3井和山東省地質(zhì)調(diào)查院施工的ZK1～ZK10等13口淺鉆獲取的47件水南組暗色泥頁巖樣品有機(jī)碳含量測(cè)試數(shù)據(jù)(表1)。從表1可以看出，膠萊坳陷水南組暗色泥頁巖有機(jī)碳含量(TOC)介于0.17%～2.92%之間，平均為1.04%，其中萊陽凹陷有機(jī)碳含量較高，平均值為1.38%，好烴源巖(有機(jī)碳含量大于1%)占該凹陷樣品總數(shù)70%，大于2%的占22%(圖3)。桃村凹陷有機(jī)碳含量平均值為0.98%，以較好烴源巖為主，較好烴源巖占該凹陷樣品總數(shù)的46%，好烴源巖占該凹陷樣品總數(shù)的23%；夏格莊凹陷有機(jī)碳含量較低，平均值為0.40%，樣品中64%為非烴源巖，說明膠萊坳陷不同次級(jí)凹陷內(nèi)泥頁巖沉積環(huán)境差距較大，有機(jī)碳沉積極不均勻。

2.1.2 生烴潛量(S1+S2)

巖石熱解實(shí)驗(yàn)是使用Rock Eval熱解儀在不同特定溫度下加熱，分析各階段從巖石中釋放的烴含量的過程，獲取的S1為殘留烴，相當(dāng)于巖石中已由有機(jī)質(zhì)生成但尚未排出的殘留烴(或稱之為游離烴)；所得的S2為裂解烴，是巖石中能夠生烴但尚未生烴的有機(jī)質(zhì)所能夠生成的烴量。S1+S2即為巖石的生烴潛量，為烴源巖評(píng)價(jià)有機(jī)質(zhì)豐度的指標(biāo)之一[8-9]。

表1 膠萊坳陷水南組有機(jī)碳含量

據(jù)萊參1井、萊孔2井及野外露頭樣品資料分析，萊陽凹陷生烴潛量為0.01～23.03mg/g，較好和好烴源巖占樣品數(shù)的53%；夏格莊凹陷生烴潛量為0.27～2.04mg/g，非烴源巖占71%；諸城凹陷生烴潛量為0～0.41mg/g，全部為非烴源巖(圖4)。從生烴潛量來看萊陽凹陷生烴潛量較高，為較好、好烴源巖，夏格莊凹陷和諸城凹陷生烴潛量低，以非烴源巖為主。

1—萊陽凹陷；2—桃村凹陷；3—夏格莊凹陷圖3 水南組暗色泥頁巖有機(jī)碳含量分布圖

1—萊陽凹陷；2—夏格莊凹陷；3—諸城凹陷圖4 水南組暗色泥頁巖生烴潛量分布圖

2.1.3 氯仿瀝青“A”

對(duì)膠萊坳陷72件氯仿瀝青“A”樣品數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，萊陽凹陷60件氯仿瀝青“A”值介于0.0018%～0.204%之間，平均為0.034%；桃村凹陷4件氯仿瀝青“A”值介于0.0106%～0.0128%，平均為0.0115%；夏格莊凹陷5件氯仿瀝青“A”值介于0.0011%～0.0132%之間，平均為0.0058%；諸城凹陷諸參1井3件氯仿瀝青“A”平均值為0.0015%。從氯仿瀝青“A”來看，夏格莊凹陷、桃村凹陷以及諸城凹陷均為較差烴源巖或非烴源巖。萊陽凹陷共計(jì)60件測(cè)試數(shù)據(jù)，其中50%處于非烴源巖范圍，27%的測(cè)試樣品處于較差烴源巖，較好烴源巖樣品占13%，好烴源巖僅占10%(圖5)，從氯仿瀝青“A”角度評(píng)價(jià)水南組烴源巖，整體顯示為較差烴源巖。

1—萊陽凹陷；2—夏格莊凹陷；3—諸城凹陷；4—桃村凹陷圖5 水南組暗色泥頁巖氯仿瀝青“A”柱狀圖

2.2 有機(jī)質(zhì)類型

干酪根的類型確定了有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化生油氣的能力，Ⅰ型干酪根生油氣能力最強(qiáng)、Ⅱ型干酪根生油氣能力次之，Ⅲ型干酪根最差[10-11]。利用71個(gè)干酪根類型測(cè)試數(shù)據(jù)分析，膠萊坳陷水南組泥頁巖有機(jī)質(zhì)干酪根Ⅰ型占14%，Ⅱ型占48%(Ⅱ1型占31%、Ⅱ2型占17%)，Ⅲ型占38%(圖6)。Ⅰ型、Ⅱ型干酪根主要集中于水南組中上部，Ⅲ型主要集中于水南組下部。說明膠萊坳陷水南組頁巖有機(jī)質(zhì)類型主要為Ⅱ型，Ⅲ型次之，具有一定的油氣生成能力[12]。且在縱向上有一定分布規(guī)律，中上部以Ⅰ型、Ⅱ型為主，下部以Ⅲ型為主。

1—Ⅰ型干酪根；2—Ⅱ1型干酪根；3—Ⅱ2型干酪根；4—Ⅲ型干酪根圖6 水南組暗色泥頁巖干酪根類型統(tǒng)計(jì)圖

2.3 成熟度(鏡質(zhì)體反射率Ro)

有機(jī)質(zhì)成熟度往往反映了沉積盆地中烴源巖經(jīng)歷的最高溫度，也是烴源巖生氣、生油能力判別的重要指標(biāo)[13-15]。相同烴源巖因有機(jī)質(zhì)成熟度不同，其生油、生氣量具有明顯的差別[16]。

膠萊坳陷不同構(gòu)造部位水南組經(jīng)歷了不同的沉積演化史，埋藏深度不同，熱演化程度不同。利用勝利油田萊孔2井、萊參1、萊淺2、萊孔1井、姜淺3井以及山東省地質(zhì)調(diào)查院ZK1～ZK10等部分淺井分析測(cè)試數(shù)據(jù)。膠萊坳陷水南組暗色泥頁巖成熟度介于0.54%～2.04%，其中介于0.5%～0.7%占24.4%，0.7%～1.3%占60%，大于1.3%占15.6%，總體處于成熟階段(圖7)。

膠萊坳陷各次級(jí)構(gòu)造單元內(nèi)水南組泥頁巖鏡質(zhì)組反射率值亦存在差異：萊陽凹陷水南組泥頁巖鏡質(zhì)體反射率介于0.63%～1.46%，平均0.99%；夏格莊凹陷水南組泥頁巖介于0.66%～1.01%，平均0.82%；諸城凹陷水南組泥頁巖介于1.08%～1.44%，平均1.28%；桃村凹陷水南組泥頁巖介于0.92%～1.21%，平均1.11%。

圖7 水南組暗色泥頁巖鏡質(zhì)組反射率餅圖

膠萊坳陷東北部的桃村凹陷鏡質(zhì)組反射率局部高于萊陽凹陷，推測(cè)可能受凹陷內(nèi)后期巖漿侵入的影響，使得有機(jī)質(zhì)成熟度增高；諸城凹陷水南組鏡質(zhì)體反射率整體較高，與該凹陷水南組埋深較大有關(guān)，主要是有機(jī)質(zhì)成熟度隨埋深增大總體呈現(xiàn)升高趨勢(shì)[17]。

3 暗色泥頁巖儲(chǔ)集物性特征

3.1 泥頁巖孔隙度

膠萊坳陷水南組暗色泥頁巖18個(gè)樣壓汞實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果顯示，膠萊坳陷暗色泥頁巖孔隙度一般為4.0%～8.0%，孔隙度的變化和總孔容的變化基本一致(圖8)。膠萊坳陷內(nèi)萊陽凹陷孔隙度值明顯低于夏格莊凹陷、諸城凹陷，諸城凹陷暗色泥頁巖孔隙度較高，均在5%以上；夏格莊凹陷、諸城凹陷個(gè)別樣品靠近地表，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)值偏高。

1—孔隙度；2—比表面積圖8 水南組暗色泥頁巖孔容與孔隙度測(cè)試成果圖

3.2 礦物成分特征

全巖X衍射實(shí)驗(yàn)測(cè)試是獲得巖石礦物成分的主要手段之一，利用山東省地質(zhì)調(diào)查院淺井獲取的水南組頁巖礦物成分測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析研究。膠萊坳陷水南組泥頁巖的主要礦物為粘土礦物、石英、斜長(zhǎng)石、方解石和白云石，菱鐵礦、黃鐵礦和普通輝石僅在少數(shù)幾個(gè)或個(gè)別樣品中出現(xiàn)。其中石英含量最高，主要介于9.4%～41.3%之間，平均含量為26.2%；其次，白云石含量介于0～59.6%之間，平均含量為24.0%；另外，斜長(zhǎng)石平均含量為15.5%，鉀長(zhǎng)石平均含量為6.3%，方解石平均含量為4.3%，菱鐵礦平均含量為0.2%，黃鐵礦平均含量為1.0%，普通輝石平均含量為0.8%。脆性礦物含量遠(yuǎn)大于30%[18]，有利于泥頁巖的人工造縫[19-22]。

膠萊坳陷水南組泥頁巖粘土礦物含量較低，主要介于5.9%～49.7%之間(表2)，平均為21.7%。粘土礦物主要由伊蒙混層、伊利石、高嶺石、綠泥石及綠蒙混層構(gòu)成。萊陽凹陷和桃村凹陷粘土礦物含量較低，平均值小于20%，夏格莊凹陷和諸城凹陷粘土礦物含量相對(duì)較高，平均值大于30%，且伊蒙混層含量高于萊陽凹陷和桃村凹陷。

表2 膠萊坳陷水南組暗色泥頁巖礦物成分統(tǒng)計(jì)

3.3 巖石密度

據(jù)膠萊坳陷16件水南組泥頁巖密度分析結(jié)果顯示，萊陽凹陷5件和夏格莊凹陷3件水南組泥頁巖密度平均值均為2.61g/cm3，桃村凹陷6件水南組泥頁巖密度平均為2.70g/cm3，諸城凹陷2件水南組泥頁巖密度平均值為2.36g/cm3，各凹陷水南組泥頁巖密度值差異明顯，推測(cè)與地層抬升及上覆地層沉積、剝蝕程度有關(guān)[23]。

4 頁巖氣資源潛力分析

4.1 暗色泥頁巖含氣性分析

利用膠萊坳陷8個(gè)水南組泥頁巖樣品進(jìn)行等溫吸附試驗(yàn)，校正后萊陽凹陷水南組頁巖吸附氣含量在0.93～1.33m3/t；夏格莊凹陷水南組頁巖吸附氣含量在0.55～0.77m3/t；諸城凹陷水南組頁巖吸附氣含量在0.62～0.87m3/t；桃村凹陷水南組頁巖吸附氣含量在0.78～1.10m3/t。在埋深100～4500m范圍內(nèi)，各凹陷頁巖吸附氣含量具有先增大后減小的趨勢(shì)，在埋深1000m左右，吸附氣含量最大，說明頁巖吸附氣含量在地層淺部受壓力正效應(yīng)影響較大，隨著埋深增大，溫度負(fù)效應(yīng)的影響逐漸超過壓力正效應(yīng)，使得吸附氣含量緩慢降低。

4.2 遠(yuǎn)景區(qū)分布

綜合膠萊坳陷萊陽群沉積環(huán)境、水南組有機(jī)碳含量、生烴潛量、氯仿瀝青“A”、干酪根類型、鏡質(zhì)體反射率、泥頁巖發(fā)育厚度、埋藏深度等，優(yōu)選水南組4個(gè)遠(yuǎn)景區(qū)，分別為萊陽凹陷、夏格莊凹陷、諸城凹陷和桃村凹陷，總面積177km2。

4.3 頁巖氣資源潛力

膠萊坳陷頁巖氣主要富集于萊陽群水南組暗色泥頁巖中，依據(jù)相關(guān)估算方法和評(píng)價(jià)參數(shù)[24]，估算膠萊坳陷頁巖氣總的潛在原地資源量為537.8×108m3。其中萊陽凹陷埋深300～3000m頁巖氣潛在原地資源量為180.2×108m3；夏格莊凹陷埋深300～2000m頁巖氣潛在原地資源量為116.7×108m3；諸城凹陷埋深300～4000m頁巖氣潛在原地資源量為75.2×108m3；桃村凹陷埋深300～2000m頁巖氣潛在原地資源量為165.7×108m3(圖9)。膠萊坳陷頁巖氣資源具有一定潛力和勘查開發(fā)前景。

1—面積；2—資源量圖9 膠萊坳陷遠(yuǎn)景區(qū)面積及資源量柱狀圖

5 結(jié)論

(1)膠萊坳陷是山東省中生界發(fā)育最好的沉積坳陷，萊陽群水南組暗色泥頁巖最為發(fā)育，泥地比大于70%，具有明顯的陸湖相特征，具備頁巖氣形成的環(huán)境基礎(chǔ)。

(2)通過分析萊陽群水南組暗色泥頁巖有機(jī)地化、儲(chǔ)集物性等數(shù)據(jù)，認(rèn)為萊陽群水南組暗色泥頁巖具有頁巖氣形成的物質(zhì)基礎(chǔ)，較好的生烴能力，有機(jī)質(zhì)已進(jìn)入生烴階段，部分進(jìn)入大量生氣階段，水南組暗色泥頁巖有利于頁巖氣的賦存和后期壓裂改造。

(3)膠萊坳陷水南組干酪根以Ⅱ型為主，鏡質(zhì)體反射率一般在0.7%～1.3%，萊陽凹陷有機(jī)質(zhì)豐度相對(duì)最好(TOC平均值為1.38%)，以好烴源巖為主，依次為桃村凹陷(TOC平均值為0.98%)、夏格莊凹陷(TOC平均值為0.40%)，諸城凹陷有機(jī)質(zhì)豐度相對(duì)最差；認(rèn)為萊陽凹陷頁巖氣生儲(chǔ)前景最好，其次為桃村凹陷、夏格莊凹陷和諸城凹陷。

(4)估算了膠萊坳陷頁巖氣總的潛在原地資源量為537.8×108m3。主要分布于萊陽凹陷、夏格莊凹陷、桃村凹陷和諸城凹陷，其中萊陽凹陷勘查開發(fā)潛力最大。