松遼盆地南部青山口組一段頁巖油富集地質(zhì)特征及資源潛力

徐興友，劉衛(wèi)彬，白 靜，陳 珊，李耀華

中國地質(zhì)調(diào)查局油氣資源調(diào)查中心，北京100083

0 引言

松遼盆地是世界上已發(fā)現(xiàn)油氣資源最為豐富的陸相沉積盆地，也是中國重要的產(chǎn)油氣盆地之一.目前，松遼盆地常規(guī)油氣勘探開發(fā)已進(jìn)入中后期，常規(guī)油氣增儲(chǔ)上產(chǎn)難度大，迫切需要開拓新的油氣接替領(lǐng)域［1］.松遼盆地白堊系發(fā)育沙河子組、青山口組、嫩江組等多套陸相頁巖，是盆地主要烴源巖層，在地質(zhì)歷史時(shí)期生成了大量的烴類，除了運(yùn)移至砂巖儲(chǔ)層聚集成藏外，還有大量的油氣殘留于頁巖中，形成了巨大的頁巖油氣資源［2-6］.

中國中生代以來廣泛發(fā)育大型淡水、咸水長期持續(xù)沉降的拗陷和斷陷湖盆，均可保存有機(jī)質(zhì)形成優(yōu)質(zhì)烴源巖.通常陸相頁巖油層以Ⅰ—Ⅱ型有機(jī)質(zhì)為主，熱演化程度上多處于液態(tài)石油生成階段，成熟區(qū)主力烴源巖層資源潛力大，且富集大量可動(dòng)資源.半深湖—深湖相是烴源巖形成的最有利相帶，沉積有機(jī)質(zhì)豐度高，可形成高豐度的頁巖有利區(qū)（段）.富有機(jī)質(zhì)頁巖中有機(jī)質(zhì)紋層廣泛存在，有機(jī)質(zhì)為無定型、不規(guī)則的微粒、凝塊或絮團(tuán)，呈紋層狀和條帶狀［5-6］.另外，陸相頁巖層系石油充注程度高、含油層系多、分布面積廣，石油資源規(guī)模大，存在多類型局部有利儲(chǔ)集層“甜點(diǎn)”.近年重點(diǎn)探區(qū)勘探研究和初步實(shí)踐證實(shí)，中國陸相頁巖層系具有烴源巖內(nèi)大規(guī)模石油聚集成藏、多層系多類型大面積分布特征［7］.

松遼盆地白堊系上統(tǒng)青山口組一段（以下簡稱“青一段”）頁巖有機(jī)質(zhì)豐度高、類型好、演化程度適中、生烴能力強(qiáng)，頁巖內(nèi)部大量滯留烴富集，是典型的陸相頁巖油潛在勘探開發(fā)層系.目前多口探井在青一段頁巖層段中見豐富頁巖油顯示，部分探井試油獲得油流.另外，根據(jù)前人研究成果，從頁巖儲(chǔ)層特征、地球化學(xué)特征等基礎(chǔ)油氣地質(zhì)條件的角度，青一段頁巖是松遼盆地頁巖油勘查最為現(xiàn)實(shí)的層系，具備規(guī)模頁巖油資源形成所需的基礎(chǔ)地質(zhì)條件［8-9］.目前，松遼盆地頁巖油氣資源勘探尚處于起步階段，缺乏針對青一段頁巖油富集特征的系統(tǒng)研究.本文以松遼盆地南部長嶺凹陷為例，系統(tǒng)分析青一段頁巖滯留烴、巖相類型、儲(chǔ)集空間及物性、頁巖礦物組成等特征，研究富集主控因素，通過多因素疊合圈定頁巖油富集區(qū)，為其他地區(qū)的深湖相頁巖勘查提供借鑒.

1 區(qū)域地質(zhì)概況

松遼盆地是中國東部大型疊合含油氣盆地，總面積達(dá)26×104km2，根據(jù)基底性質(zhì)和蓋層的區(qū)域地質(zhì)特征，整體劃分為中央拗陷區(qū)、北部傾沒區(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)等6個(gè)一級構(gòu)造單元［10-13］.本次研究對象主要是位于松遼盆地南部的主力的生烴凹陷——長嶺凹陷（圖1）.青一段泥頁巖廣泛發(fā)育，分布面積超過2×104km2，沉積厚度大，是頁巖油勘查有利領(lǐng)域.

長嶺凹陷發(fā)育下部上侏羅統(tǒng)—下白堊統(tǒng)斷陷層系和上部上白堊統(tǒng)拗陷層系雙層地質(zhì)結(jié)構(gòu).自下而上依次發(fā)育火石嶺組、沙河子組、營城組、登婁庫組、泉頭組、青山口組、姚家組、嫩江組，其中青山口組一段是拗陷層系主力頁巖油富集潛在層系［14-15］，也是本次研究的目的層段.

2 青一段頁巖油富集地質(zhì)特征

2.1 頁巖分布特征

圖1 松遼盆地南部構(gòu)造位置及地層綜合柱狀圖（據(jù)文獻(xiàn)［15］改編）Fig.1 Tectonic location and comprehensive stratigraphic column of southern Songliao Basin（Modified from Reference［15］）

松遼盆地上白堊統(tǒng)為大型淡水—微咸水湖相沉積環(huán)境.青山口組沉積早期（青一段）湖盆急劇擴(kuò)張，湖盆面積擴(kuò)大，主要沉積了深湖及半深湖相有機(jī)質(zhì)富集的暗色泥巖；青山口組沉積晚期（青二、三段），總體表現(xiàn)為水退，湖盆萎縮，陸源碎屑供應(yīng)充分，粗碎屑物質(zhì)較發(fā)育，主要沉積三角洲前緣砂巖及濱淺湖相泥巖［15-17］.因此，在垂向分布上優(yōu)質(zhì)頁巖主要發(fā)育于青一段中下部，暗色泥巖厚度一般為50～100 m，平均厚度80 m，主體埋深1 500～2 500 m.在平面上，青山口組沉積時(shí)期松遼盆地南部主要發(fā)育西部和南部兩大河流體系，湖盆主要分布在盆地中部及北部，在盆地中心發(fā)育半深湖—深湖亞相，向盆地邊緣逐漸演化為前三角洲、三角洲前緣亞相.因此，青一段暗色頁巖主要分布于中央拗陷區(qū)的長嶺斷陷，沉積中心為乾安－大安一帶，最大厚度超過90 m（圖2）.

2.2 頁巖滯留烴特征

2.2.1 滯留烴含量與分布

長嶺凹陷青一段頁巖有機(jī)質(zhì)豐度高，有機(jī)碳含量（TOC）以1.5%～3.0%為主，平均達(dá)到2.0%以上；有機(jī)質(zhì)類型為I型、II1型，以生油型母質(zhì)為主；有機(jī)質(zhì)演化程度為0.8%～1.1%，處于生油高峰階段，具有滯留烴富集的物質(zhì)基礎(chǔ).青一段暗色頁巖具有較高的殘留烴量，氯仿瀝青“A”含量絕大部分大于0.2%，平均值為0.35%，最高可達(dá)2%；熱解S1值含量普遍大于1.5×10－3，最高可達(dá)4×10－3，平均為2.2×10－3.受有機(jī)質(zhì)演化程度及生排烴作用的影響，頁巖中滯留烴富集在一定的深度范圍內(nèi).通過有機(jī)地球化學(xué)綜合演化剖面（圖3）分析，青一段頁巖中滯留烴主要富集在1 800～2 500 m深度范圍內(nèi).在這一深度范圍內(nèi)，有機(jī)質(zhì)演化程度達(dá)到0.8%～1.2%，有機(jī)質(zhì)大量轉(zhuǎn)化為烴類，TOC及熱解S2值隨深度增加逐漸減小，熱解S1值達(dá)到高值，超過2×10－3.

圖2 松遼盆地南部青一段頁巖分布特征Fig.2 Distribution characteristics of K2qn1 shale in southern Songliao Basin

2.2.2 滯留烴可流動(dòng)性

在頁巖層系中，滯留烴的可流動(dòng)性對于頁巖油的評價(jià)具有至關(guān)重要的作用，可流動(dòng)的原油是頁巖油資源中具有工業(yè)價(jià)值潛力的部分.在北美頁巖油評價(jià)中，應(yīng)用油跨越指數(shù)（S1/TOC）表征頁巖油的可流動(dòng)性，在北美Eagle Ford頁巖中工業(yè)油流井S1/TOC值大于100%.松遼盆地青一段頁巖S1/TOC值主要介于50%～200%，平均超過80%，試油獲得工業(yè)油流的層段S1/TOC值超過100%，低產(chǎn)油流井S1/TOC值超過80%，顯示井S1/TOC值均小于80%［18-19］.

根據(jù)青一段已采出的致密油原油物性數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，滯留在青一段頁巖中的烴以油為主.頁巖中原油密度（地面密度，測量溫度為20℃）為0.82～0.88 g/cm3，平均0.84 g/cm3，原油黏度（50℃）整體小于40 mPa·s，大部分小于20 mPa·s；原油含蠟量在15%～30%之間，平均超過20%，含量相對較高，屬于含蠟輕－中質(zhì)原油.多口鉆井試油結(jié)果同樣表明，在青一段原油成熟度高，黏度低，流動(dòng)性好，有利于形成工業(yè)油流（圖4）.

2.3 巖相特征

松遼盆地南部青山口組一段可劃分為3個(gè)頁巖層組，3個(gè)層組之間在巖性、有機(jī)質(zhì)類型、含油性、儲(chǔ)層物性等方面具有明顯差異（圖5），表明青一段發(fā)育3類不同特征頁巖巖相體系.其中，1號(hào)層組巖性為純頁巖，不含紋層，不發(fā)育粉砂巖，顏色主要為深灰色、灰黑色和黑色，層理縫及高角度裂縫發(fā)育，有機(jī)質(zhì)含量高，TOC均大于2%，有機(jī)質(zhì)類型以I型為主，殘留烴含量高，熱解S1＞2×10－3，氯仿瀝青“A”＞0.4%，平均有效孔隙度高（6.4%），定義為層理型頁巖；2號(hào)層組巖性為頁巖、粉砂質(zhì)泥巖，泥巖顏色主要為深灰色、灰色，內(nèi)部發(fā)育砂質(zhì)紋層或介形蟲紋層，有機(jī)質(zhì)含量中—高，TOC 1%～3%，有機(jī)質(zhì)類型以I型為主，頁巖中殘留烴含量較高，熱解S1主體大于2×10－3，部分在1×10－3～2×10－3之間，氯仿瀝青“A”＞0.4%，平均有效孔隙度為5.5%，定義為紋層型頁巖；3號(hào)層組巖性為頁巖、粉砂質(zhì)泥巖，局部發(fā)育粉砂巖，泥巖顏色主要為灰色，內(nèi)部發(fā)育砂質(zhì)紋層或介形蟲紋層，部分泥巖段出現(xiàn)砂泥互層，有機(jī)質(zhì)含量中—低，TOC＜2×10－3，有機(jī)質(zhì)類型以II1和II2型為主，頁巖中殘留烴含量分布不均，平均有效孔隙度為5.4%，定義為互層型頁巖.綜合判斷認(rèn)為，層理型和紋層型頁巖含油性、物性要優(yōu)于互層型頁巖.

2.4 儲(chǔ)集空間特征

圖3 青一段頁巖有機(jī)地球化學(xué)綜合演化剖面Fig.3 Comprehensive evolution profile of organic geochemistry of K2qn1 shale

圖4 青一段頁巖中原油性質(zhì)與單井產(chǎn)量關(guān)系Fig.4 Relation between crude oil properties and single well production in K2qn1 shale

從微觀特征上來看，青一段頁巖主要發(fā)育粒間孔隙和微裂縫多種類型儲(chǔ)集空間，但是，不同的巖相中發(fā)育的孔隙類型有所差異.通過掃描電鏡圖像和QEMSCAN可以有效獲得不同巖相中不同孔隙類型的相對含量，輔助分步抽提實(shí)驗(yàn)可以獲得不同巖相孔徑形態(tài)及大小分布［20-22］.對青一段3種巖相類型的頁巖樣品進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，在層理型頁巖中，伊利石晶間孔占主體，約占58.8%，其次為石英、長石所圍成的粒間孔，約占33.04%，黃鐵礦晶間孔約占5.1%，幾乎不發(fā)育粒內(nèi)溶孔和白云石晶間孔（圖6a），孔徑類型以介孔為主，孔徑分布區(qū)間集中在10～50 nm（圖6b）；紋層型頁巖和互層型頁巖具有較高的長英質(zhì)礦物粒間孔含量，分別為36%和45%，明顯高于層理發(fā)育型頁巖中的粒間孔含量，該類型粒間孔主要發(fā)育在砂質(zhì)紋層中，在泥質(zhì)紋層中仍以伊利石晶間孔為主.紋層型頁巖孔徑類型以介孔－宏孔為主，孔徑分布區(qū)間集中在20～60 nm；互層型頁巖孔徑類型以介孔－宏孔為主，孔徑分布區(qū)間集中在3～30 nm.綜合來看，層理型頁巖孔隙類型以黏土礦物晶間孔為主，紋層型和互層型頁巖孔隙類型兼具黏土礦物晶間孔和長英質(zhì)粒間孔，平均孔隙直徑大小排序?yàn)椋杭y層型頁巖＞層理型頁巖＞互層型頁巖.

2.5 礦物組成特征

圖5 長嶺凹陷青一段巖相及層組劃分圖Fig.5 Lithofacies and stratigraphic division of K2qn1 in Changling Sag

圖6 青一段頁巖各類巖相孔隙特征Fig.6 Pore characteristics for various lithofacies of K2qn1 shale

青一段頁巖礦物主要由石英、鉀長石、斜長石、方解石、黏土礦物及黃鐵礦組成.本研究對長嶺凹陷青一段頁巖巖心礦物組成進(jìn)行了分析，結(jié)果表明青一段頁巖脆性礦物含量為33%～70%，均值52%，以石英和斜長石為主；黏土礦物含量23%～68%，均值46%，以伊利石和伊/蒙混層為主（圖7）；碳酸鹽礦物、黃鐵礦等含量較少.其中，層理型頁巖以黏土礦物為主，平均含量為53.7%；紋層型頁巖中主要成分石英、長石和黏土礦物呈現(xiàn)混積分布，分別為26.6%、16.3%和32.4%，局部發(fā)育介形蟲紋層，引起碳酸鹽含量局部較高；互層型頁巖黏土礦物含量較低，平均值為21.5%，長英質(zhì)含量較高，平均64.6%，局部砂質(zhì)層內(nèi)出現(xiàn)少量鈣質(zhì)膠結(jié)，引起方解石含量增加.整體來看，青一段頁巖脆性礦物含量高，可壓裂性較好，其中紋層型和互層型頁巖可壓裂性要優(yōu)于層理型頁巖.

綜合對青一段頁巖油富集地質(zhì)條件的分析表明，層理型和紋層型兼具較好的含油性、物性、儲(chǔ)集空間類型和可壓裂性，是長嶺凹陷最重要的頁巖油富集目標(biāo)層系，可以作為有利區(qū)優(yōu)選和井位部署的重要依據(jù).

3 頁巖油資源潛力

3.1 有利區(qū)優(yōu)選

圖7 青一段頁巖全巖礦物含量及黏土礦物含量分布圖Fig.7 Distribution of whole rock mineral and clay mineral contents in K2qn1 shale

有利區(qū)的優(yōu)選決定頁巖油的勘探方向.有利區(qū)是指在富有機(jī)質(zhì)頁巖發(fā)育的基礎(chǔ)上，頁巖層系中滯留烴富集，通過鉆探能夠或可能獲得頁巖油流的區(qū)域［23-25］.主要的評價(jià)指標(biāo)是在潛力區(qū)評價(jià)的基礎(chǔ)上，提高頁巖的厚度、有機(jī)質(zhì)豐度、成熟度等參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)，且增加含油性參數(shù)（熱解S1或氯仿瀝青“A”）的約束.依據(jù)松遼盆地南部青山口組一段頁巖油發(fā)育地質(zhì)條件，綜合分析國內(nèi)已有陸相頁巖油有利區(qū)評價(jià)指標(biāo)，建立了基于頁巖厚度（大于50 m）、TOC（大于1.5%）、Ro（大于0.7%）、S1（大于1.0×10－3）、S1/TOC（大于100%）等多參數(shù)的有利區(qū)優(yōu)選評級標(biāo)準(zhǔn).

按照上述多因素評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對長嶺凹陷進(jìn)行頁巖油富集要素疊合評價(jià)，圈定出乾安和大安兩個(gè)頁巖油富集區(qū)，有利區(qū)面積2 880 km2（圖8）.其中，乾安有利區(qū)主要分布在長嶺凹陷乾安次洼，有利區(qū)面積為1 300 km2，發(fā)育三角洲外前緣深湖—半深湖相帶頁巖，青一段主要發(fā)育層理型、紋層型兩類有利頁巖層系；大安－塔虎城有利區(qū)主要分布在長嶺凹陷大安－塔虎城次洼、紅崗階地東北部及扶新隆起帶西緣，有利區(qū)面積為1 580 km2，主要發(fā)育深湖—半深湖相帶頁巖，青一段以層理型頁巖為主，紋層型頁巖欠發(fā)育.因此，優(yōu)選發(fā)育兩類有利巖相的乾安有利區(qū)部署吉頁油1HF井實(shí)施鉆探驗(yàn)證，該井壓后放噴求產(chǎn)獲得16.4 m3/d的高產(chǎn)頁巖油流，證實(shí)了頁巖油富集有利區(qū)優(yōu)選的正確性.

3.2 資源潛力評價(jià)

目前，針對陸相頁巖油氣資源潛力尚未形成一個(gè)較為明確和有針對性的評價(jià)體系，常規(guī)油氣資源評價(jià)方法中成因法、資源豐度類比法、EUR類比法、容積法、油氣資源空間預(yù)測法等，因需要的地質(zhì)參數(shù)較多，不適用于勘探程度較低、缺少試采數(shù)據(jù)的頁巖油資源評價(jià).考慮到數(shù)據(jù)豐富程度，本次評價(jià)主要采用體積法中的熱解S1法對松遼盆地南部長嶺凹陷的頁巖油資源進(jìn)行估算.該方法具有方法成熟、分析精度高、經(jīng)濟(jì)快捷、樣品用量少、獲取比較方便等優(yōu)點(diǎn).

熱解S1法是應(yīng)用熱解S1參數(shù)作為頁巖油含量的衡量指標(biāo).S1為游離態(tài)，是巖石在熱解升溫過程中300℃以前熱蒸發(fā)出來的，為源巖中已經(jīng)生成但尚未排出的烴類產(chǎn)物，正是頁巖油評價(jià)和勘探的對象.計(jì)算公式如下：

圖8 松遼盆地南部青一段頁巖油有利區(qū)分布圖Fig.8 Distribution map of favorable areas for shale oil in K2qn1 in southern Songliao Basin

式中，V—頁巖體積，m3；ρ—頁巖密度，g/cm3；S1—?dú)埩魺N含量，10－3；k輕烴—S1的輕烴補(bǔ)償校正系數(shù)；k重?zé)N—S1的重?zé)N補(bǔ)償校正系數(shù).

在參數(shù)選取過程中，ρ、k輕烴、k重?zé)N均屬于經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，根據(jù)長嶺地區(qū)概率統(tǒng)計(jì)得出固定賦值，其中乾安地區(qū)頁巖巖石密度為2.45 g/cm3，大安地區(qū)頁巖巖石密度為2.4 g/cm3；通過吉頁油1HF井青一段巖心分溫階熱解實(shí)驗(yàn)與常規(guī)熱解對比確定重?zé)N校正系數(shù)（k重?zé)N）為2.1，根據(jù)取心后立即實(shí)測熱解S1值與放置2個(gè)月后實(shí)測熱解S1數(shù)據(jù)對比確定輕烴校正系數(shù)（k輕烴）為0.79；對于V、S1參數(shù)的確定采用歸一化網(wǎng)格法進(jìn)行，對上文有利區(qū)的優(yōu)選評價(jià)過程中形成的頁巖等厚圖、S1等值線圖按照10 km×10 km的密度進(jìn)行網(wǎng)格化處理，計(jì)算每一單元格中的資源豐度.最終，按照熱解S1方法初步估算乾安有利區(qū)頁巖油資源量約15×108t，大安－塔虎城有利區(qū)約20×108t，長嶺凹陷青一段頁巖油資源量約為35×108t，具有十分可觀的頁巖油勘探開發(fā)前景.

4 結(jié)論

（1）松遼盆地南部長嶺凹陷青一段半深湖—深湖相頁巖發(fā)育，頁巖油遠(yuǎn)景區(qū)面積可達(dá)2×104km2，青一段頁巖沉積厚度50～100 m，平均厚度80 m，滯留烴含量高，有利深度段在1 800～2 500 m，且原油性質(zhì)為輕質(zhì)—中質(zhì)，流動(dòng)性好，具備頁巖油富集有利地質(zhì)條件.

（2）青一段頁巖可劃分為層理型、紋層型、互層型3種巖相類型，其中層理型和紋層型兼具較好的含油性、物性、儲(chǔ)集空間類型和可壓裂性，是主要的頁巖油富集層系.

（3）依據(jù)形成的頁巖油富集地質(zhì)認(rèn)識(shí)，按照富集主控因素多因素疊合法評價(jià)出乾安和大安兩個(gè)頁巖油富集區(qū)，有利區(qū)面積2 880 km2.其中，乾安富集區(qū)發(fā)育層理型、紋層型兩類有利頁巖層系，在該區(qū)部署吉頁油1HF井實(shí)施鉆探驗(yàn)證，壓后測試獲得16.4 m3/d的高產(chǎn)頁巖油流，對中國深湖相頁巖油勘探開發(fā)具有借鑒意義.

（4）采用熱解S1方法初步估算長嶺凹陷青一段頁巖油資源量為35×108t，其中乾安有利區(qū)頁巖油資源量15×108t，大安－塔虎城有利區(qū)20×108t，證實(shí)松遼盆地南部青一段具有十分可觀的頁巖油勘探開發(fā)前景.