松遼盆地東南隆起區(qū)JFD1井上白堊統(tǒng)青山口組一段油頁巖品質(zhì)特征

代登亮，朱小鋒，徐銀波，姜福平，詹天宇

1.吉林省地質(zhì)調(diào)查院，吉林 長春 130102；2.中國地質(zhì)調(diào)查局油氣資源調(diào)查中心，北京 100083

0 引言

油頁巖是一種可燃性固體細粒沉積巖，又稱油母頁巖，一般含油率大于3.5%，發(fā)熱量一般不小于4.18 MJ/kg，通過低溫干餾技術(shù)可以獲得油頁巖油。油頁巖作為一種重要的戰(zhàn)略能源資源，在國內(nèi)外經(jīng)濟發(fā)展中越來越重要。它不僅可以作為燃料，還可以用于建筑材料和肥料等用途。松遼盆地作為中、新生代沉積盆地，蘊含豐富的油頁巖資源，也是中國最大的含油氣和產(chǎn)油氣區(qū)之一(1)吉林省地調(diào)院.吉林省撫余縣長春嶺油頁巖礦詳查報告[R].2007.。溫志良等人(2016)研究表明，松遼盆地東南隆起區(qū)探明4處超大型油頁巖礦床，有2個含礦層系，分別為：上白堊統(tǒng)嫩江組和上白堊統(tǒng)青山口組[1]。吉林省的油頁巖資源量更是占到了全國油頁巖資源的80%以上。本文以中國地質(zhì)調(diào)查局油氣資源中心“松遼盆地松南油頁巖地質(zhì)調(diào)查井工程”項目為依托，利用位于吉林省松原市扶余市長春嶺附近的JFD1油頁巖地質(zhì)調(diào)查井，通過對青山口組一段取心樣品含油率、TOC、全硫含量等測試以及測井曲線特征分析，評價研究區(qū)青山口組一段油頁巖特征，為油頁巖的原位壓裂-熱解開采靶區(qū)優(yōu)選提供地質(zhì)依據(jù)[2]。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

松遼盆地橫跨我國黑吉遼三省，面積約為26萬平方千米。依據(jù)盆地構(gòu)造演化、基底形態(tài)和盆地結(jié)構(gòu)等特征，將其劃分為6個一級構(gòu)造單元，分別為北部傾沒區(qū)、中央坳陷區(qū)、西部斜坡區(qū)、東北隆起區(qū)、東南隆起區(qū)和西南隆起區(qū)。其中東南隆起區(qū)經(jīng)歷了多期構(gòu)造運動，自晚侏羅世以來，可劃分為熱拱期、斷陷期、斷坳轉(zhuǎn)換期、坳陷期、萎縮隆褶期和弱伸展凹凸期6個演化階段，形成了明顯的下斷上坳沉積特征[3]。在晚白堊世末期—古近紀經(jīng)歷構(gòu)造反轉(zhuǎn)抬升之后，長期處于隆升狀態(tài)，致使沉積層遭受嚴重剝蝕，未接受上白堊統(tǒng)的嫩江組、四方臺組、明水組和新近系的泰康組沉積。JFD1井位于東南隆起區(qū)的〗登婁庫背斜部位(圖1)。

2 油頁巖形成環(huán)境

前人研究認為，松遼盆地青山口組一段主要發(fā)育半深湖—深湖相沉積[4-7]。結(jié)合巖心觀察認為，JFD1井青山口組一段主要分為上下兩部分：下部為棕褐色泥(頁)巖，發(fā)育油頁巖；上部為灰黑色頁巖、油頁巖組成的互層帶，含介形蟲和葉肢介化石，整體呈現(xiàn)灰黑色細粒沉積結(jié)構(gòu)。油頁巖新鮮面主要為棕黑色、褐色、黑褐色，密度相對較小，含介形蟲、葉肢介、植物莖稈等生物化石，發(fā)育水平層理和塊狀層理。綜合分析認為，研究區(qū)青山口組一段油頁巖形成環(huán)境應(yīng)為半深湖—深湖相。

3 鉆井及取樣

3.1 JFD1井鉆探情況

依據(jù)鉆井巖心觀察和統(tǒng)計，JFD1井鉆遇地層自上而下層序如下：

第四系(0～12.55 m)：鉆遇層厚為12.55 m，巖性為腐殖土、亞黏土、亞砂土等。

姚家組(12.55～210.05 m)：鉆遇層厚為197.50 m，巖性以褐色泥巖為主，夾灰綠色粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖。

青山口組二段(210.05～337.85 m)：鉆遇層厚為127.80 m，巖性為灰綠色粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖及粉砂巖。

青山口組一段(337.85～461.65 m)：為研究目的層位。鉆遇層厚為123.80 m，巖性主要為黑褐色油頁巖、灰黑色泥巖、灰綠色粉砂質(zhì)泥巖及少量灰白色粉砂巖，發(fā)育水平層理，可見葉肢介、介形蟲化石，另見星點狀、團塊狀黃鐵礦化。

泉頭組(461.65～474.2 m)：未鉆穿，終止層厚為10.30 m，巖性為棕褐色泥巖夾灰綠色粉砂巖。

3.2 取樣分析

JFD1井青山口組一段埋深為337.85～461.65 m，本次研究在青山口組一段中共采集159件含油率分析樣品，再從其中含油率大于3.5%的油頁巖樣品中選取62件總有機碳分析樣品、9 件全硫含析樣品、2 件工業(yè)分析樣品和6 件小體重樣品。本次樣品測試工作委托國土資源部長春礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測中心完成。

4 油頁巖特征

4.1 油頁巖宏觀品質(zhì)特征

青山口組一段油頁巖巖性特征為：新鮮面主要為灰黑色、褐色、灰黑色(圖2a，c)，密度相對較小，含介形蟲(圖2f)、葉肢介、植物莖稈等生物化石，發(fā)育水平紋層理(圖2b)和塊狀層理，發(fā)育方解石細脈(圖2d，e)。

4.1.1 小體積質(zhì)量測試

小體積質(zhì)量指的是單位體積油頁巖的質(zhì)量，也稱體重，是油頁巖品質(zhì)的一個重要指標。體重的大小與油頁巖中有機質(zhì)的含量密切相關(guān)，同時也與含油率、灰分等相關(guān)[8]。

小體積質(zhì)量和含油率的線性回歸方程為y=-3.706x+12.482，兩者的相關(guān)系數(shù)為R2=0.056 3(表1，圖3)。雖然樣品數(shù)量有限，但也顯示出一定的負相關(guān)性，即樣品含油率增高，小體積質(zhì)量減??；含油率降低，小體積質(zhì)量加大。

表1 油頁巖樣品含油率和小體積質(zhì)量測試結(jié)果表

圖2 JFD1井青山口組一段油頁巖巖心特征Fig.2 Core characteristics of oil shale in 1st member of Qingshankou Formationa. JFD1井437.3～443.4 m巖心照片；b.442.99 m處油頁巖巖心斷面紋層理發(fā)育；c. JFD1井431.0～436.20 m巖心照片；d. 442.60 m處油頁巖裂隙充填的乳白色方解石細脈，呈楔狀尖滅；e.435.80 m處巖心柱表面發(fā)育的“十”字狀交叉方解石脈，未見尖滅，脈寬約為1.5 mm±；f. 436.20 m處油頁巖巖心斷面發(fā)育的介形蟲化石斑點，個體較小，長軸長約1.5 mm，短軸長約1 mm，集中發(fā)育處密度約為15個/cm3，輪廓清晰，顏色為淺灰褐色。

圖3 含油率和小體積質(zhì)量相關(guān)性圖Fig.3 Relationship between oil content and small volume mass

青山口組一段油頁巖段自然伽馬范圍值為(97.784～263.622)API，平均值141.866 API，非油頁巖段范圍值為(75.734～178.408)API，平均值為131.796 API；油頁巖段聲波時差范圍值為(379.622～463.296)s/m，平均值為 425.888 s/m，非油頁巖段范圍值為(252.554～467.448)s/m，平均值為 410.833 s/m；油頁巖段深側(cè)向電阻率范圍值為(4.171～34.566)Ω·m，平均值8.962 Ω·m，非油頁巖段為(3.414～19.838) Ω·m，平均值為6.424 Ω·m；油頁巖段淺側(cè)向電阻率(3.904～35.03)Ω·m，平均值為8.938 Ω·m，非油頁巖段范圍值為(3.159～18.594)Ω·m，平均值為5.903 Ω·m；油頁巖段補償密度范圍值為(2.01～2.449)g/cm3，平均值為2.272 g/cm3，非油頁巖段范圍值為(2.154～2.646)g/cm3，平均值為2.349 g/cm3(表 2)。

表2 青山口組一段油頁巖段和非油頁巖段測井數(shù)據(jù)對比表

4.1.2 測井曲線響應(yīng)特征

油頁巖的測井曲線響應(yīng)通常表現(xiàn)為“三高一低”的特征，即高自然伽馬、高電阻率、高聲波時差和低密度[9]。

從以上數(shù)值和曲線特征來看，青山口組一段油頁巖具備明顯的“三高一低”特點(圖4)，所以通過測井曲線來判斷油頁巖段是非常好的一個參考手段[4,10]。

圖4 JFD1 井青山口組一段綜合柱狀圖Fig.4 Comprehensive histogram of 1st member of Qingshankou Formation in Well JFD1

4.2 油頁巖工業(yè)品質(zhì)分析

經(jīng)過62件油頁巖樣品分析，含油率范圍為3.5%～11.0%，平均值為5.04%。根據(jù)含油率高低分為低、中、高三個等級，分別對應(yīng)：3.5%<低<5%、5%≤中<10%、高≥10%[11]，本次樣品各等級油頁巖所占比例分別為74.2%、24.2%以及1.6%(圖5)。在JFD1井青山口組一段中，共發(fā)育4個油頁巖層段，按深度從淺到深編號依次為①、②、③和④(表3)。各層油頁巖概況如下：①層油頁巖平均含油率為4.5%，厚度1.0 m，為低含油率段；②層油頁巖按照含油率等級劃分為中—低兩段，中段平均含油率為5.6%，最高含油率5.9%，厚度3.43 m，低段平均含油率為3.8%，最高含油率5.0%，厚度5.6 m；③層油頁巖平均含油率5.3%，最高含油率11.0%，為中含油率段；④段油頁巖平均含油率4.9%，最高含油率6.2%，為中含油率段。總體來看，JFD1 井青山口組一段油頁巖含油率達到了中等水平，為含油率較高的層位，累計厚度20 m。

圖5 油頁巖含油率頻率分布直方圖Fig.5 Frequency of distribution histogram about oil content of oil shale

4.2.1 油頁巖含油率與灰分、揮發(fā)分的相關(guān)性

除含油率測試分析以外，JFD1井油頁巖樣品僅做了2件灰分和揮發(fā)分測定、9 件全硫含量測定。

表3 JFD1 井油頁巖見礦簡表

通過前人研究可以發(fā)現(xiàn)，含油率越高，灰分越低；含油率越低，灰分越高，即兩者呈負相關(guān)性[11]?；曳譃閱挝毁|(zhì)量油頁巖在(800±10)℃條件下完全燃燒后剩余的殘渣的質(zhì)量，而可燃物質(zhì)大部分都屬有機質(zhì)，有機質(zhì)含量高，燃燒充分，剩余未燃燒部分就少，灰分含量值就低。而有機質(zhì)的含量也代表著含油率的高低。揮發(fā)分的含量值通常作為評定油頁巖品質(zhì)的重要參考，與含油率呈正相關(guān)性。灰分和含油率也可以作為油頁巖評價的替代指標[12]。

從表4可以看出，含油率較高時，灰分值較低，揮發(fā)分值較高，基本符合負相關(guān)性特征。

表4 JFD1 井油頁巖樣品工業(yè)品質(zhì)測試結(jié)果表

Table 4 Test results of industrial quality of oil shale samples in Well JFD1

樣編號含油率(%)w(灰分d)/10-2w(揮發(fā)分d)/10-2JFDH1735.5082.7016.39JFDH11368.5081.1117.47

4.2.2 油頁巖的全硫含量

全硫含量(SQg)是指油頁巖中各種硫分(無機硫和有機硫)的總和。無機硫是指油頁巖中無機礦物中所含的硫，主要為硫化物和硫酸鹽等；有機硫是油頁巖中有機質(zhì)內(nèi)所含的硫[12]。兩種硫在油頁巖燃燒或者低溫干餾過程中會產(chǎn)生SO2等環(huán)境污染物。因此，全硫含量的測定對于油頁巖的開發(fā)利用至關(guān)重要。劉招君等人(2009 年)參照煤的含硫量分級，將油頁巖全硫含量(SQg)分為五級：特低硫油頁巖SQg≤1.0%，低硫油頁巖1.0%

整體來看，JFD1井油頁巖大部分屬于低硫油頁巖(表5)，少部分屬于特低硫油頁巖，在油頁巖開發(fā)過程中能有效地降低環(huán)境污染。

表5 JFD1 井青山口組一段油頁巖全硫含量和含油率對應(yīng)表

Table 5 Correspondence table of total sulfur content and oil content of oil shale of 1st member of Qingshankou Formation in Well JFD1

送樣編號w(S)/10-2含油率%JFDH1361.124.5JFDH1731.155.5JFDH1831.064.9JFDH11210.855.7JFDH11331.506.8JFDH11360.938.5JFDH11401.147.8JFDH11520.924.2JFDH11801.934平均值1.185.8

5 有機碳地球化學(xué)分析

62 件油頁巖樣品有機碳(TOC)質(zhì)量分數(shù)為 4.18%～14.60%，平均6.37%。樣品有機碳和含油率間建立的線性回歸方程為y= 0.736 1x- 0.062 2，兩者的相關(guān)系數(shù)R2=0.935 8?？傆袡C碳含量和含油率呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)性(圖 6)。

圖6 JFD1井青山口一段油頁巖含油率與 TOC 相關(guān)性圖Fig.6 Relationship between oil content and TOC of oil shale of 1st member of Qingshankou Formation in Well JFD1

6 結(jié)論

(1)研究區(qū)青山口組一段共發(fā)育 4 層油頁巖，累計厚度為 20 m，為高灰分、低揮發(fā)分、特低硫-低硫品質(zhì)油頁巖，其含油率與小體積質(zhì)量、灰分、揮發(fā)分顯示一定的負相關(guān)性，與總有機碳含量 TOC 呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)性，可以作為評價油頁巖品質(zhì)的替代指標。

(2)油頁巖段較非油頁巖段具有明顯的高自然伽馬、高電阻率、高聲波時差和低密度的特點，可以作為間接識別本研究區(qū)油頁巖的參考手段。