渤海灣盆地歧口凹陷陸相湖盆頁巖氣富集條件及勘探潛力

周立宏 陳長偉 韓國猛 楊 飛 石倩茹 付東立 董越崎 趙 玥 孫莉莉 梁 晨

中國石油大港油田公司

0 引言

近年來，中國致密油氣和頁巖油氣勘探開發(fā)取得了重要的進(jìn)展，其中致密油氣在鄂爾多斯、準(zhǔn)噶爾、松遼、四川、渤海灣等多個(gè)盆地實(shí)現(xiàn)了突破[1-5]；頁巖氣在四川盆地上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組[6]、鄂爾多斯盆地中生界和石炭系—二疊系[7-8]、柴達(dá)木盆地北緣侏羅系[9]等領(lǐng)域取得了重要進(jìn)展，其中四川盆地五峰組—龍馬溪組海相頁巖氣勘探開發(fā)已取得重大突破，探明了焦石壩[10]、長寧—威遠(yuǎn)[6]等千億立方米級(jí)的頁巖氣大氣田；渤海灣盆地滄東凹陷古近系孔店組二段頁巖油勘探也取得了重大突破[11]。由此引起了國內(nèi)外學(xué)者的普遍關(guān)注。

在非常規(guī)油氣勘探領(lǐng)域，陸相頁巖氣的勘探和研究相對(duì)滯后，并且多集中在中西部中生界和古生界中[12-15]。陸相富有機(jī)質(zhì)頁巖具有地層時(shí)代新、分布局限、沉積相變頻繁、有機(jī)質(zhì)類型多、有機(jī)質(zhì)熱演化程度低、黏土礦物含量高、脆性礦物含量低等特點(diǎn)[12-13]。我國東部湖盆中深層蘊(yùn)含著豐富的天然氣資源[16-18]，其中渤海灣盆地歧口凹陷古近系常規(guī)天然氣資源量規(guī)模超過3 500×108m3，致密砂巖氣資源量約為1 760×108m3，已探明天然氣儲(chǔ)量 460×108m3[19]。渤海灣盆地?zé)N源巖有機(jī)質(zhì)熱演化成熟度普遍較低，高成熟度泥頁巖分布面積相對(duì)局限且埋藏較深，具有油氣成藏機(jī)理和成藏條件特殊以及不利于后期改造等特點(diǎn)[20]，制約了陸相頁巖氣的勘探進(jìn)程。從地質(zhì)角度來分析，泥頁巖生成的天然氣僅有部分運(yùn)移至圈閉聚集形成常規(guī)氣藏，但大部分沒有排出，在原地滯留形成頁巖氣藏，預(yù)示著歧口凹陷頁巖氣具有巨大的勘探潛力。為此，筆者從巖心分析聯(lián)測數(shù)據(jù)出發(fā)，綜合利用測井、錄井和地震等資料對(duì)歧口凹陷主要烴源巖——古近系沙河街組三段（以下簡稱沙三段）泥頁巖的巖性、物性、生烴條件、含氣性和脆性等特征開展了研究，建立了該區(qū)頁巖氣的成藏模式，進(jìn)而評(píng)價(jià)了該區(qū)頁巖氣的勘探潛力，以期有助于該區(qū)陸相頁巖氣的勘探并為其他地區(qū)同類頁巖氣的勘探提供參考。

1 地質(zhì)背景

黃驊坳陷地處我國東部，為渤海灣盆地腹地，夾持于滄縣隆起和埕寧隆起之間，以孔店凸起為界分為南、北兩個(gè)不同的次級(jí)沉降單元，南為滄東凹陷，北為歧口凹陷[21]。歧口凹陷北部以漢沽斷裂為界與燕山褶皺帶相鄰，西部以滄東斷裂為界與滄縣隆起相望，東部以羊二莊斷裂為界，其東南側(cè)為埕寧隆起和沙壘田—海中隆起[22]，平面似菱形，內(nèi)部存在1個(gè)主凹和5個(gè)次級(jí)沉降中心，分別是岐口主凹、北塘次凹、板橋次凹、中旺次凹、歧北次凹、歧南次凹，埕海斷階帶由階梯狀斷裂與歧口主凹相連，古近紀(jì)斷陷區(qū)面積達(dá)6 000 km2（圖1）。歧口凹陷古近系由老至新為始新統(tǒng)沙河街組和漸新統(tǒng)東營組，沙河街組自下而上又細(xì)分為沙三段、沙二段和沙一段。次凹/主凹內(nèi)沙三段為半深湖—深湖沉積，整體處于欠補(bǔ)償狀態(tài)，除事件性沉積的遠(yuǎn)岸水下扇和滑塌濁積體外，以泥頁巖沉積為主，該段泥頁巖作為歧口凹陷重要生烴源巖，有效烴源巖最大厚度為1 500 m，且主體已進(jìn)入大量生氣階段，具備頁巖氣發(fā)育的潛力條件。

圖1 歧口凹陷新生界構(gòu)造單元與沙三段地層簡圖

2 頁巖巖石學(xué)特征

2.1 礦物成分與巖性

細(xì)粒沉積巖主要由粒徑小于62.5 μm的黏土級(jí)和粉砂級(jí)沉積物組成[23]，礦物成分主要包括黏土礦物、長石、石英和碳酸鹽礦物。根據(jù)全巖X射線衍射礦物成分可以將陸相頁巖分為長英質(zhì)頁巖、碳酸鹽質(zhì)頁巖、黏土質(zhì)頁巖和混合質(zhì)頁巖4大類[24]。歧口凹陷B17井沙三段細(xì)粒沉積巖全巖X射線衍射分析結(jié)果顯示：井段4 152.00～4 810.00 m共167個(gè)泥頁巖巖屑樣品，長英質(zhì)礦物含量介于16.0%～65.0%（平均值為47.0%），黏土礦物含量介于10.0%～37.0%（平均值為19.0%），碳酸鹽礦物含量介于9.0%～41.0%（平均值為21.0%）；井段5 220.00～5 228.34 m共83塊泥頁巖巖心樣品，長英質(zhì)礦物含量介于42.3%～69.0%（平均值為54.0%），黏土礦物含量介于13.5%～37.1%（平均值為27.9%），碳酸鹽礦物含量介于8.8%～25.5%（平均值為14.9%）（圖2）。沙三段細(xì)粒沉積巖長英質(zhì)礦物占優(yōu)勢，黏土礦物和碳酸鹽礦物含量相對(duì)較少，利用三端元四組分命名方法，該段細(xì)粒沉積巖主要由長英質(zhì)頁巖和混合質(zhì)頁巖組成。

圖2 B17井沙三段泥頁巖礦物成分三角圖

薄片視域正交偏光下，長英質(zhì)碎屑顆粒呈亮白色，泥質(zhì)基質(zhì)呈黑褐色、灰黑色，碳酸鹽膠結(jié)物呈暗紅色。沙三段細(xì)粒巖由泥質(zhì)基質(zhì)和長英質(zhì)碎屑顆粒組成，碳酸鹽礦物主要以膠結(jié)物狀態(tài)存在碎屑巖顆粒中。根據(jù)泥質(zhì)基質(zhì)和長英質(zhì)碎屑顆粒的含對(duì)含量、分布狀態(tài)和礦物成分，可把泥頁巖分為塊狀和紋層狀2種結(jié)構(gòu)。塊狀泥頁巖以泥質(zhì)基質(zhì)為主，層理不發(fā)育，細(xì)粒長英質(zhì)顆粒呈分散狀分布于泥質(zhì)基質(zhì)中（圖3-a），指示弱陸源碎屑供給的穩(wěn)定沉積環(huán)境。紋層狀結(jié)構(gòu)（圖3-b）較為常見，長英質(zhì)紋層沉積時(shí)期物源供給能力相對(duì)較強(qiáng)與泥質(zhì)紋層沉積時(shí)期為物源供給能力較弱，二者呈穩(wěn)定互層結(jié)構(gòu)，指示牽引流沉積環(huán)境。隨著水動(dòng)力條件的增加，巖石層理結(jié)構(gòu)遭受破壞，呈現(xiàn)向上變細(xì)的粒序?qū)永恚▓D3-c）、粗碎屑混染（圖3-d）、層面彎曲變形（圖3-e）、塊狀混雜沉積（圖3-f）等現(xiàn)象。在長度為8.34 m取心段內(nèi)同時(shí)見有豐富的牽引流和重力流沉積現(xiàn)象，指示復(fù)雜沉積過程。隨著長英質(zhì)礦物成分的增加，層理結(jié)構(gòu)消失，表現(xiàn)為塊狀特征。牽引流沉積條件下，碎屑顆粒分選磨圓性較好（圖3-g），重力流沉積物碎屑顆粒分選性較差（圖3-h）。

圖3 B17井沙三段泥頁巖段顯微特征照片

2.2 巖性組合特征

B17井沙三段泥頁巖段巖性類型多樣、巖性變化快。8.34 m巖心見有泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖、粉—細(xì)砂巖、細(xì)砂巖、中—細(xì)砂巖、含礫粗砂巖8種巖石類型，細(xì)分出582個(gè)小層，平均單層厚度1.4 cm?？v向上，沙三段細(xì)粒沉積巖段由粉細(xì)砂巖、長英質(zhì)頁巖和長英質(zhì)混合頁巖組成，三者之間呈互層狀產(chǎn)出，整體為陸源碎屑沉積的長英質(zhì)礦物成分與弱水動(dòng)力條件下黏土質(zhì)礦物成分混合沉積的二元結(jié)構(gòu)。①上部3.11 m（巖心以牽引流沉積為主，見有平行層理（圖4-a）、交錯(cuò)層理以及由泥質(zhì)粉砂巖與粉砂質(zhì)泥巖組成的韻律層理（圖4-b），局部砂泥巖接觸面見有同沉積現(xiàn)象（圖4-c），總體為扇三角洲前緣席狀砂和濱淺湖湖泥沉積；②下部5.23 m巖心同沉積現(xiàn)象較為普遍，見有砂質(zhì)粒屑（圖4-d）、泥巖條帶（圖4-e）、泥巖軟沉積物變形（圖4-f）、粒序遞變層理等同沉積構(gòu)造，可識(shí)別出10期遠(yuǎn)岸水下扇外扇砂體，單一期次內(nèi)由下至上巖性依次為中砂巖、細(xì)砂巖、粉砂巖和泥巖組合，鮑馬序列特征明顯。

圖4 歧口凹陷B17井沙三段取心段巖性組合特征照片

2.3 巖石脆性特征

歧口凹陷沙三段泥頁巖石英、長石、方解石、白云石等脆性礦物含量介于56%～98%，平均值為72%。工程力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果能夠用來直觀反映頁巖脆性特征，礦物成分與工程脆性指數(shù)之間滿足下列經(jīng)驗(yàn)公式：工程脆性指數(shù)＝石英＋0.63白云石＋0.52長石＋0.25方解石＋0.2黃鐵礦＋0.18方沸石＋0.02黏土礦物[25]。沙三段泥頁巖工程脆性指數(shù)介于41.44～76.91，平均值為55.84，礦物脆性指數(shù)和工程脆性指數(shù)均大于40%[26]，壓裂易形成縫網(wǎng)和多縫過渡態(tài)。

沙三段泥頁巖黏土礦物以伊/蒙間層為主，蒙脫石主要以伊/蒙間層形式存在，為膨脹性低的脆性頁巖。B17井10塊泥頁巖樣品（井段5 220.66～5 227.70 m）伊/蒙間層含量介于47%～55%（平均值為52%），伊利石含量介于34%～45%（平均值為42%），綠泥石含量介于3%～11%（平均值為6%）；S78井5塊泥頁巖樣品（深度3 664.20～3 768.50 m）伊/蒙間層含量介于64%～78%（平均值為70%），伊利石含量介于14%～24%（平均值為17%），綠泥石含量介于3%～14%（平均值為8%），高嶺石含量介于3%～8%（平均值為5%）。S78井埋深相對(duì)較淺，成巖演化程度低，伊/蒙間層含量相對(duì)較高。

3 頁巖儲(chǔ)集特征

3.1 儲(chǔ)集空間類型

基質(zhì)孔隙和裂縫是歧口凹陷沙三段泥頁巖主要儲(chǔ)集空間類型，除此之外，有機(jī)質(zhì)孔亦占有一定比例。

基質(zhì)孔隙類型主要包括粒間孔、晶間孔、溶蝕孔和晶內(nèi)孔4種類型。沙三段泥頁巖整體處于中成巖階段，成巖演化程度高，壓實(shí)作用強(qiáng)，組成泥頁巖顆粒較細(xì)，粒間孔孔徑一般介于0.2～2.0 μm，掃描電鏡下顆粒之間排列較為緊密，顆粒周緣被軟沉積物包圍，粒間孔呈長條狀展布，形成粒間縫。伊利石、高嶺石和黃鐵礦等片狀或簇狀分布的礦物中多發(fā)于井內(nèi)孔，礦物在生長過程中不緊密堆積而形成晶間孔，晶內(nèi)孔和晶間孔均納米級(jí)孔為主（圖5-a）。成巖演化過程中長石、白云石和方解石等不穩(wěn)定礦物易被生烴作用產(chǎn)生的有機(jī)酸溶蝕，形成次生溶蝕孔，溶蝕孔是沙三段主要孔隙類型，占比超過50%，在掃描電鏡下可觀察到大量顆粒內(nèi)部溶蝕孔及粒間溶蝕孔（圖5-b），粒內(nèi)溶蝕孔孔徑一般介于0.01～1.00 μm，粒間溶蝕孔孔徑一般介于0.05～3.00 μm（圖5-c、圖6）。在成巖演化過程中，膠結(jié)與溶蝕作用交替發(fā)生，部分溶蝕孔內(nèi)見有自生石英礦物（圖5-d），基質(zhì)孔之間的組合關(guān)系復(fù)雜。

歧口凹陷中新生代經(jīng)歷多期構(gòu)造改造，斷裂特征復(fù)雜，發(fā)育港東斷裂、港西斷裂、濱海斷裂、歧中斷裂、歧東斷裂等主干斷裂及其兩側(cè)派生的一系列次級(jí)斷裂[24]（圖1）。在構(gòu)造活動(dòng)影響下，歧口凹陷沙三段裂縫系統(tǒng)十分發(fā)育，在掃描電鏡、熒光薄片和巖心不同尺度下裂縫普遍存在（圖5-e～g）。富長石、石英礦物層與富碳酸鹽礦物或富含黏土礦物層在垂向上互層產(chǎn)生的紋層縫是細(xì)粒沉積巖有利儲(chǔ)集空間和運(yùn)移通道。此外，沙三段泥頁巖巖心見有生烴增加導(dǎo)致的異常壓力縫，縫面呈不規(guī)則狀（圖5-h）。

圖5 歧口凹陷沙三段泥頁巖孔縫特征照片

歧口凹陷沙三段泥頁巖是該區(qū)主要生烴源巖，已普遍進(jìn)入生油階段，歧口主凹和板橋次凹已進(jìn)入大量生氣階段，有機(jī)質(zhì)在熱解生烴過程中形成孔隙亦是該區(qū)的孔隙類型之一。

3.2 儲(chǔ)集物性與孔隙結(jié)構(gòu)

歧口凹陷B17井、S78井和S28井沙三段15個(gè)泥頁巖樣品孔隙度介于1.13%～7.14%（平均值為3.99%），滲透率介于0.003～5.400 mD（平均值為1.080 mD），屬于致密、超致密儲(chǔ)層。儲(chǔ)層滲透率異常高值與裂縫的發(fā)育關(guān)系密切，裂縫能夠改善泥頁巖儲(chǔ)層滲透率，發(fā)育裂縫的樣品滲透率介于0.150～5.400 mD（平均值為1.140 mD），不發(fā)育裂縫的樣品滲透率介于0.240～0.380 mD（平均值為0.310 mD）。

氮?dú)馕綔y量的有效孔徑介于2～250 nm，適用于介孔和宏孔測量。根據(jù)國際純粹化學(xué)與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)（IUPAC）孔隙結(jié)構(gòu)分類標(biāo)準(zhǔn)[27]，歧口凹陷B17井沙三段泥頁巖樣品（井深5 227.45 m）的氮?dú)獾葴匚角€屬于Ⅳ型（圖6-a）：相對(duì)壓力（即氮?dú)獬渥毫?飽和蒸汽壓力）小于0.42時(shí)，具有一定吸附量（對(duì)應(yīng)單分子層和多分子層吸附）；相對(duì)壓力介于0.42～0.96時(shí)，吸附和脫吸附曲線間出現(xiàn)明顯滯后環(huán)（對(duì)應(yīng)介孔的毛細(xì)管凝聚）；當(dāng)相對(duì)壓力接近于1.00時(shí)，吸附曲線仍未達(dá)到平直段（對(duì)應(yīng)宏孔充填），說明該頁巖樣品由微孔（小于2 nm）、介孔（介于2～50 nm）和宏孔（大于50 nm）構(gòu)成，并以介孔和微孔為主（圖6-b）。B17井和S78井15個(gè)泥頁巖樣品的BET比表面積介于2.386～29.400 m2/g（平均值為17.190 m2/g），孔隙總體積介于0.014 44～0.036 49mL/g（平均值為0.025 37mL/g），平均孔隙直徑介于4.27～24.20 nm。說明該區(qū)頁巖孔隙比表面積大、儲(chǔ)集物性好，有利于頁巖氣的吸附和保存。

二氧化碳吸附測量的有效孔徑介于0.3～2.0 nm，適用于微孔測量。歧口凹陷B17井沙三段泥頁巖樣品（井深5 227.45 m）二氧化碳吸附曲線均呈Ⅰ型（圖6-c），最大吸附量為1.572 mL/g，反映出巖石普遍發(fā)育一定量的微孔，產(chǎn)生了微孔填充現(xiàn)象。隨著相對(duì)壓力增大，二氧化碳分子發(fā)生單分子層吸附，吸附量緩慢增加直至飽和，飽和吸附值即為微孔填充體積。B17井和S78井15個(gè)二氧化碳等溫吸附試驗(yàn)DFT模擬結(jié)果顯示，泥頁巖樣品孔隙直徑介于0.3～2.0 nm的孔隙體積分布于0.003～0.007 mL/g（平均值為0.005 mL/g），DFT比表面積介于8.886 ～ 23.172 m2/g（平均值為 15.157 m2/g）（圖 6-d）。

圖6 B17井沙三段井深5 227.45 m泥頁巖氮?dú)?、二氧化碳等溫吸附曲線圖

氮?dú)夂投趸嫉葴匚皆囼?yàn)結(jié)果顯示，微孔約占總孔隙的16.5%，但其對(duì)比表面積的貢獻(xiàn)可達(dá)46.8%，微孔對(duì)頁巖氣吸附十分有利。

4 生氣特征

歧口凹陷古近系發(fā)育沙三段、沙二段、沙一段和東營組多套生烴層，有效烴源巖總厚度介于1 500～3 300 m[19]。沙三段有效烴源巖最大厚度可達(dá)1 500 m，厚值區(qū)主要分布在歧北次凹至H24井一帶（最大厚度為1 500 m）、板橋次凹（最大厚度為800 m）及北塘次凹（最大厚度為1 000 m），有效烴源巖厚度整體大于800 m。

沙三段泥頁巖有機(jī)質(zhì)豐度介于1.0%～2.0%。腐泥型有機(jī)質(zhì)占9%，偏腐泥混合型有機(jī)質(zhì)占27%，偏腐殖混合型占49%，腐殖型有機(jī)質(zhì)占15%，以混合型有機(jī)質(zhì)為主。根據(jù)熱演化程度，沙三段自上而下劃分對(duì)應(yīng)生物氣、低熟油、大量生油、凝氣油氣和大量生氣等5個(gè)階段：①生物氣階段埋深一般淺于2 000 m；②低熟油主要由未—低熟階段暗色泥巖和油頁巖產(chǎn)生，埋深介于1 900～3 100 m，成熟度Ro＜0.6%；③大量生油階段對(duì)應(yīng)烴源巖成熟演化階段，埋深介于3 100～4 400 m，Ro介于0.6%～1.1%；④凝析油氣階段對(duì)應(yīng)成熟演化階段，埋深介于4 400～4 850 m，Ro介于1.1%～1.3%；⑤大量生氣階段對(duì)應(yīng)高成熟階段，埋深一般大于4 850 m，Ro＞1.3%。陡坡帶—低斜坡區(qū)沙三段埋深一般大于4 000 m，泥頁巖主體進(jìn)入大量生氣階段，為頁巖氣成藏提供了氣源基礎(chǔ)。

5 頁巖氣特征

5.1 頁巖氣組分特征

歧口凹陷沙三段天然氣烴類氣體組成主要包括 CH4、C2H6、C3H8、C4H10、C5H12等 烷 烴 氣，其中CH4含量介于55.0%～97.7%，平均值為74.6%；C2H6含量介于5.8%～23.8%，平均值為12.2%；C3H8、C4H10、C5H12平均值分別為4.4%、2.3%、0.8%；非烴氣體主要為二氧化碳（平均值為4.2%）和氮?dú)猓ㄆ骄禐?.9%）。甲烷指數(shù)（C1/C1+）介于0.56～0.94（平均值為0.79），以濕氣為主，僅S1井在井段5 045.74～5 055.72 m泥頁巖天然氣甲烷指數(shù)為1.00，屬于干氣。隨著埋深的增加，呈現(xiàn)出原油密度降低、天然氣甲烷指數(shù)增加、天然氣相對(duì)密度降低的趨勢。

沙三段常規(guī)油氣源主要來自于臨近泥頁巖，而頁巖油氣為烴源巖排烴后的產(chǎn)物，常規(guī)油氣與頁巖油氣具有相似的流體性質(zhì)，可以用常規(guī)儲(chǔ)層內(nèi)油氣組縱向變化規(guī)律來反映泥頁巖段流體特征。F38井井段3 100～4 400 m泥頁巖中天然氣主要以溶解狀態(tài)存在，以頁巖油勘探為主，頁巖氣以伴生氣狀態(tài)存在；井段4 400～4 850 m泥頁巖中流體為凝析油狀態(tài)，以濕氣為主；井深大于4 850 m時(shí)，頁巖氣甲烷指數(shù)接近于1，甲烷含量占絕對(duì)優(yōu)勢，以干氣為主。

5.2 溫度與壓力特征

實(shí)測地層溫度資料顯示，歧口凹陷沙三段埋深3 247.75～5 050.73 m的地層溫度介于126.0～187.8℃，溫度與深度之間線性關(guān)系較好；縱向上地溫梯度變化較小，隨埋藏深度的增加；地溫梯度介于3.2～3.5℃/100 m（平均值為3.3 ℃/100 m），屬于正常地溫梯度。

地層壓力與埋深亦具有良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，沙三段埋深3 247.75～5 050.73 m的地層壓力介于33.99～84.35 MPa；地層壓力呈環(huán)帶狀分布，呈現(xiàn)凹陷中心高、外圍低的環(huán)狀分布特征，凹陷中部地層壓力一般超過40 MPa，最高可達(dá)84.35 MPa。地層壓力系數(shù)介于1.06～1.65，除南部地區(qū)較低外，凹陷內(nèi)大部分地區(qū)均處于超壓系統(tǒng)內(nèi)，且向凹陷中心方向，地層壓力系數(shù)具有逐漸增大的趨勢。其中S1井沙三段地層壓力系數(shù)最大值為1.65。

5.3 沙三段超壓成因

歧口凹陷壓力體系可以劃分為靜水壓力帶、上超壓帶和下超壓帶3個(gè)壓力系統(tǒng)。靜水壓力帶底界深度約為2 000 m，主要為新近系明化鎮(zhèn)組和館陶組；上超壓帶埋深介于1 900～2 600 m，主要為館陶組下部和東營組上部，超壓幅度不高，地層壓力系數(shù)相對(duì)較低；下超壓帶分布深度范圍較寬，超壓值高，地層壓力系數(shù)高，主要為沙一段，局部地區(qū)可延伸到沙二段和沙三段，其中以沙一段超壓值最大[28]。

隨著超壓成因研究方法的廣泛應(yīng)用，不均衡壓實(shí)成因的超壓已被完全或部分否定，生烴作用作為超壓成因的重要性和普遍性正得到愈來愈多證實(shí)[29]。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，歧口凹陷下超壓帶存在欠壓實(shí)和流體膨脹2種超壓成因機(jī)制，沙一段超壓以欠壓實(shí)成因?yàn)橹鳎橙纬瑝阂粤黧w膨脹成因?yàn)橹?。以F38井為例，該井沙一段下超壓帶泥頁巖骨架密度具有微增趨勢，但整體變化幅度較小，聲波時(shí)差具有明顯正異常，對(duì)應(yīng)巖性密度明顯降低，孔隙內(nèi)流體性質(zhì)以水為主，反映沙一段泥頁巖在成巖過程中，壓實(shí)作用受到抑制，超壓成因以欠壓實(shí)為主，流體膨脹增壓作用不明顯。而沙三段泥頁巖巖性密度具有穩(wěn)定增大趨勢，反映正常壓實(shí)進(jìn)程，聲波時(shí)差異常段與電阻率正異常、自然電位正異常和氣測值具有很好對(duì)應(yīng)關(guān)系，該井4 500 m以深隨著氣測異常幅度值的降低，地層壓力系數(shù)降低至靜水壓力附近，說明沙三段超壓與泥頁巖生烴產(chǎn)生的流體膨脹作用密切相關(guān)。

5.4 含氣性定性評(píng)價(jià)

歧口凹陷沙三段4 400 m以深地層壓力介于33.99～84.35 MPa，地層壓力系數(shù)介于1.10～1.65，超壓值介于3.56～31.11 MPa（平均值為16.03 MPa），地層溫度介于135.0～187.7 ℃（平均值為160.35 ℃），流體在地層中主要以氣態(tài)形式存在。溫度變化范圍變化幅度在102之內(nèi)，壓力的變化幅度為106，相對(duì)于壓力變化，溫度對(duì)物質(zhì)的量的影響可以忽略，根據(jù)理想狀態(tài)方程：

式中n表示氣體摩爾體積，mol；V表示泥頁巖孔隙體積，m3；p表示壓力，Pa；R表示氣體常數(shù)，取值8.31 J/mol·k；T表示地層絕對(duì)溫度，K。

將泥頁巖孔隙體積V視為1 m3、溫度T取中值434.50 K代入式（1）可計(jì)算得到頁巖氣體積。當(dāng)超壓值增加1 MPa（即106Pa）時(shí)，單位體積內(nèi)頁巖氣物質(zhì)的量增加277 mol，天然氣體積約為6.2 m3（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)）。以S1井井段4 818.76～5 052.69 m（垂深）常規(guī)砂巖儲(chǔ)層為例，試油段中部地層壓力為80.35 MPa，靜水壓力為49.51 MPa，地層壓力系數(shù)為1.64，超壓值為30.84 MPa，測井解釋孔隙度介于5.60%～14.56%（平均值為10.70%），單位巖石儲(chǔ)層體積（1 m3）內(nèi)的天然氣含量約為19.1 m3（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)），該井段試油后獲得天然氣日產(chǎn)量為5.5×104m3，異常壓力值與天然氣產(chǎn)量具有正相關(guān)關(guān)系。對(duì)于泥頁巖儲(chǔ)層來說，除游離烴外，吸附烴亦占有一定比例，且吸附烴量隨著壓力的增加呈增高趨勢，可以利用沙三段異常壓力分布范圍來預(yù)測頁巖氣甜點(diǎn)。

6 頁巖氣成藏模式與有利勘探區(qū)帶

6.1 成藏模式

受西部滄縣隆起、北部燕山褶皺帶和埕寧隆起物源控制，歧口凹陷古近系湖盆邊緣物源供給充足，扇三角洲、辮狀河三角洲、近岸水下扇等多種類型砂體縱向疊置連片，扇體較為發(fā)育。歧口主凹區(qū)、板橋次凹低斜坡、歧北次凹低斜坡及長蘆地區(qū)為深湖—半深湖沉積環(huán)境，以泥頁巖沉積為主，夾有遠(yuǎn)岸水下扇和濁積透鏡體砂體（圖7）。

圖7 歧口凹陷板橋次凹沙三段頁巖氣成藏模式圖

中—低斜坡區(qū)沙三段埋深一般大于3 500 m，常規(guī)砂巖儲(chǔ)層致密化，泥頁巖處于大量生氣、凝析油氣階段，生成的油氣短距離二次運(yùn)聚成藏，形成致密氣藏。中—低斜坡區(qū)泥頁巖厚度大、分布廣泛，泥頁巖儲(chǔ)層孔、縫發(fā)育，石英、長石等脆性礦物含量高，黏土礦物中伊利石和伊蒙混層占絕對(duì)優(yōu)勢，具備頁巖氣成藏的生烴、儲(chǔ)集、含氣性、可壓性等優(yōu)越條件，頁巖氣在中—低斜坡區(qū)呈連續(xù)性廣泛分布。

6.2 有利勘探區(qū)帶預(yù)測

歧口凹陷頁巖氣甜點(diǎn)主要受有效烴源巖厚度、埋深（成熟度）和超壓分布等因素控制，有利勘探區(qū)具備以下3個(gè)特征：①湖盆中部半深湖—深湖區(qū)泥地比和有機(jī)質(zhì)豐度均較高，有效烴源巖累計(jì)厚度大于400 m，生烴物質(zhì)基礎(chǔ)豐富；②埋深介于3 100～4 400 m，天然氣以溶解氣形式存在；埋深介于4 400～4 850 m，以濕氣為主；埋深大于4 850 m，以干氣為主；③地層壓力系數(shù)與沙三段生烴和保存條件有關(guān)，甜點(diǎn)區(qū)壓力系數(shù)一般大于1.2。

板橋次凹低斜坡、歧北次凹中低斜坡和歧口主凹是該區(qū)頁巖氣勘探的有利目標(biāo)區(qū)，有利區(qū)勘探面積約1 476 km2（圖 8），預(yù)測頁巖氣資源量超過 1×1012m3，具有較大的勘探潛力。

圖8 歧口凹陷沙三段頁巖氣甜點(diǎn)評(píng)價(jià)圖

7 結(jié)論

1）歧口凹陷沙三段泥頁巖累計(jì)厚度大、分布面積廣，有機(jī)質(zhì)豐度較高，凹陷內(nèi)中—低斜坡區(qū)已進(jìn)入大量生氣階段，具備形成規(guī)模頁巖氣的生烴條件。

2）沙三段泥頁巖長英質(zhì)礦物含量占優(yōu)勢，基質(zhì)孔、層理縫和裂縫較發(fā)育，具有一定的儲(chǔ)集空間，同時(shí)脆性礦物含量高，黏土礦物中伊利石、伊/蒙含量占94%，低膨脹性脆性頁巖易于壓裂改造。

3）持續(xù)生烴過程產(chǎn)生的流體膨脹是沙三段超壓的主要成因，地層壓力系數(shù)大于1.2的泥頁巖段隨鉆氣測異常明顯，具備頁巖氣成藏條件。

4）歧口凹陷沙三段頁巖氣有利勘探區(qū)有效烴源巖累計(jì)厚度大于400 m，埋深介于3 100～4 400 m，天然氣以溶解氣形式存在；埋深介于4 400～4 850 m，以濕氣為主；埋深大于4 850 m，以干氣為主。

5）歧口凹陷中—低斜坡區(qū)是頁巖氣勘探的有利目標(biāo)，有利區(qū)勘探面積約1 476 km2，預(yù)測頁巖氣資源量超過1×1012m3，具有較大勘探潛力。