松遼盆地梨樹斷陷陸相頁巖儲層地質(zhì)特征及地質(zhì)意義

倪冬梅

(中國石化東北油氣分公司 勘探開發(fā)研究院，長春 130026)

0 引言

頁巖油氣在地球上分布極廣，根據(jù)2013年 EIA(美國能源信息署)的估算，世界頁巖氣地質(zhì)資源量 1 013×1012m3。我國目前頁巖氣的主要勘探地區(qū)在中下?lián)P子地區(qū)、鄂爾多斯盆地、四川盆地、松遼盆地等地區(qū)[1]，其中松遼盆地以陸相頁巖氣為主，其斷陷層是沙河子組、營城組發(fā)育厚層泥頁巖，資源潛力大，其南部的梨樹、龍鳳山、伏龍泉等地區(qū)暗色泥巖分布穩(wěn)定，具有高豐度、高演化程度的特征。僅梨樹斷陷頁巖氣資源量達到4 460億 m3(2012年資源評價)，是十分重要的增儲新領(lǐng)域。國內(nèi)外對陸相頁巖油氣儲層特征的研究相對薄弱，并且國內(nèi)陸相頁巖氣勘探多集中在涪陵、元壩、新場、建南、延長探區(qū)等地。對比海相頁巖沉積類型，松遼盆地陸相頁巖沉積類型影響因素復(fù)雜，勘探難度大。從目前的研究來看，陸相頁巖具有“一新一深二低”特點，主要表現(xiàn)在時代新、埋藏深、成熟度低、脆性礦物含量低以及油氣兼產(chǎn)等[1]。近年，松遼盆地陸相頁巖氣的勘探取得了新的進展，僅梨樹斷陷營一段已有6口井測試獲得油氣，證實了其具有頁巖氣勘探的潛力，但由于受到開發(fā)工藝及資料等的諸多限制，對該區(qū)域頁巖儲層的深入研究還很少。該研究以梨樹斷陷蘇家屯地區(qū)營一段陸相頁巖為例，通過巖心觀察、構(gòu)造沉積環(huán)境分析、地球有機化學(xué)測試、X衍射及鏡下分析等手段，明確了梨樹斷陷泥頁巖空間展布特征、生烴能力及頁巖氣儲層基本特征，為該區(qū)后續(xù)建立儲層評價方法及有利目標(biāo)區(qū)優(yōu)選提供地質(zhì)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于松遼盆地東南隆起區(qū)的梨樹斷陷，梨樹斷陷為松遼盆地重要的二級構(gòu)造單元，斷陷面積1 800 km2，斷陷整體呈西斷東超、斷拗疊置式“箕”狀斷陷盆地，具有“一斷兩斜坡”結(jié)構(gòu)，即盆地西部受南北走向的桑樹臺斷裂控制形成深洼帶，南北兩側(cè)為斜坡帶，地層整體西厚東薄，自下而上發(fā)育白堊系下統(tǒng)火石嶺組(K1h)、沙河子組(K1sh)、營城組(K1yc)、登婁庫組(K1d)；上部為坳陷層沉積體系，發(fā)育有白堊系下統(tǒng)泉頭組(K1q)、青山口組(K2qn)、姚家組(K2y)、嫩江組(K2n)，上被第四系(Q)覆蓋。其中營城組早期(營一段)梨樹斷陷整體上以湖相沉積為主，泥頁巖廣泛發(fā)育時期，厚度大，有機質(zhì)豐度高，具有形成陸相頁巖氣的地質(zhì)條件，該時期斷陷主要有3個沉降中心，即桑樹臺主沉降中心和蘇家屯、雙龍2個次沉降中心，中心分布厚層暗色泥頁巖。其中蘇家屯泥頁巖埋藏淺，構(gòu)造活動弱，保存條件較好。因此該研究主要以蘇家屯地區(qū)營一段為分析對象，自下而上劃分3個評價單元，即營一Ⅰ亞段以含鈣質(zhì)泥巖段沉積為主、營一Ⅱ亞段以夾薄砂巖泥巖段沉積為主、營一Ⅲ亞段以平直泥巖段沉積為主，3個亞段電性特征明顯，其中營一Ⅰ亞段主要發(fā)育深湖-半深湖相暗色泥頁巖，在工區(qū)內(nèi)發(fā)育穩(wěn)定，TOC相對較高，是頁巖氣勘探的有利層系。

2 泥頁巖分布特征

2.1 沉積背景

蘇家屯次洼沉降中心靠近西側(cè)的桑樹臺斷層，營一Ⅰ亞段地層沉積最厚，中心厚度160 m，向北、向東地層逐漸減薄，通過巖心觀察發(fā)現(xiàn)A，B，C，D，G等井該時期巖性主要以灰黑色泥頁巖為主；曲家屯斷層?xùn)|側(cè)K井東北方向巖性逐漸變?yōu)樯暗[巖、含礫砂巖與泥巖互層沉積；向西A-1井、向南F井、E井巖性則多發(fā)育粉砂巖，以此判斷研究區(qū)該時期處于半深湖-深湖相沉積環(huán)境(如圖1所示)，洼陷中心發(fā)育深湖相沉積，向東西斷層方向水體逐漸變淺，以淺湖、濱湖相沉積特征為主。

圖1 蘇家屯營一段Ⅰ亞段沉積相圖

2.2 泥頁巖的特征及分布

從鉆井揭示來看，蘇家屯泥頁巖在平面上分布比較穩(wěn)定、連續(xù)，厚度中心靠近桑樹臺斷層，厚度達到100 m，向四周減薄，盆地邊緣的G井、F井也都基本達到了40 m，通過巖心觀察可知蘇家屯營一Ⅰ亞段巖性以黑色泥頁巖、深灰色泥巖、灰色泥質(zhì)粉砂巖夾薄層粉砂質(zhì)泥巖為主，具有富葉肢介化石，富鈾的特征。結(jié)合解吸氣試驗及電測特征分析，紋層狀泥頁巖段含氣性較好，主要為黑色泥頁巖，縱向上這種泥頁巖表現(xiàn)為“高伽馬、高聲波、高有機碳”的特征。伽馬一般為72～189 API，平均136 API；聲波時差一般為200～318 μs/m，平均263 μs/m；依照GB/T 31483—2015頁巖氣地質(zhì)評價方法和DB 61/T 573—2013陜西省地方標(biāo)準(zhǔn)陸相頁巖氣選區(qū)規(guī)范等評價標(biāo)準(zhǔn)，核心有利區(qū)域海相頁巖氣TOC應(yīng)大于2%，陸相頁巖氣TOC大于1%，元壩大安寨組TOC為0.58%～3.64%，平均值1.2%，鄂爾多斯盆地泥頁巖TOC評價指標(biāo)大于2%，因此研究區(qū)將TOC大于2%的認(rèn)為是優(yōu)質(zhì)泥頁巖，并繪制了優(yōu)質(zhì)泥頁巖分布圖，如圖2所示。圖2中優(yōu)質(zhì)泥頁巖主要分布在洼陷內(nèi)靠近桑樹臺斷層一側(cè)，并向四周減薄，C井西側(cè)均達到了20 m以上，是頁巖氣勘探的核心區(qū)域。

圖2 蘇家屯營一段Ⅰ亞段的泥頁巖厚度圖(TOC>2%)

3 泥頁巖地球化學(xué)特征

3.1 有機質(zhì)豐度

有機質(zhì)是含氣泥頁巖的重要組成部分，其含量不僅與生烴有密切關(guān)系，為頁巖氣的生成提供物質(zhì)基礎(chǔ)，而且與氣體吸附有著密切關(guān)系，對頁巖氣的含氣量起到?jīng)Q定性作用[2]。根據(jù)蘇家屯B井、D井等的實際，取巖心371塊測試樣品分析數(shù)據(jù)，繪制TOC分布情況，如圖3所示。營一Ⅰ亞段TOC為0.95%～4.43%，平均值2.32%，TOC大于2%的占51.8%，大于1%的占81.4%。采用各井實際樣品分析所得TOC繪制其平面分布情況，如圖4所示。圖4中TOC高值位于蘇家屯西側(cè)，靠近桑樹臺斷層，向北東方向減小。參照Barnett頁巖系統(tǒng)頁巖氣藏具有商業(yè)價值的陸相頁巖氣藏TOC應(yīng)大于 1.00%[3]，進一步說明了該區(qū)泥頁巖有機質(zhì)豐富，具有較好的勘探價值。

圖3 蘇家屯營一段Ⅰ亞段TOC直方圖

圖4 蘇家屯營一段Ⅰ亞段TOC分布圖

3.2 干酪根類型

干酪根類型也是泥巖成烴潛力的重要參數(shù)之一，不同類型的干酪根對天然氣的吸附力和擴散率均有影響[4]。根據(jù)地化分析Tmax與氫指數(shù)交匯圖判別B井營一Ⅰ亞段泥頁巖絕大多數(shù)樣品為Ⅱ型和Ⅲ型有機質(zhì)；從元素分析氫碳原子比和氧碳原子比交匯來看，營一Ⅰ亞段泥頁巖也多為Ⅱ型有機質(zhì)，如圖5所示；通過巖心觀察，在D井泥頁巖巖心上可見大量的葉肢介化石及高等植物殘片分布，干酪根鏡下觀察可以看到腐殖無定形體、鏡質(zhì)體、絲質(zhì)體等。Ⅱ型干酪根有機質(zhì)以腐殖無定形體為主，見少量鏡質(zhì)體、絲質(zhì)體；Ⅲ型干酪根有機質(zhì)以鏡質(zhì)體、絲質(zhì)體為主，無定形體含量較低，如圖6所示。以上從多方面說明了蘇家屯營一Ⅰ亞段泥頁巖干酪根類型主要是Ⅱ型和Ⅲ型。

圖5 蘇家屯次洼B井營一Ⅰ亞段有機質(zhì)類型判別圖

圖6 D井黑色含氣泥巖干酪根鏡下檢測

3.3 有機質(zhì)成熟度

Tissot等提出的干酪根成烴作用模式，Ro為0.7%～1.3%，源巖處于開始進入大量生油氣階段[4]。A，B，C，D等井烴源巖地化分析結(jié)果顯示區(qū)域內(nèi)有機質(zhì)成熟度較高，Ro為0.98%～2.30%，大部分大于1.0%，其中D井的泥頁巖Ro為1.42%～1.65%，表明這些地區(qū)泥頁巖熱演化程度較高，已進入高熟-過熟演化階段，以生成頁巖氣為主。根據(jù)這些實測的Ro數(shù)據(jù)繪制其平面分布情況，如圖7所示。平面上由于Ro的大小受到地層埋深的影響，高值區(qū)位于B井東側(cè)、C井西側(cè)，向構(gòu)造高處變小。整體來看蘇家屯地區(qū)泥頁巖有機質(zhì)生烴能力強，具有頁巖氣形成的良好基礎(chǔ)。

圖7 蘇家屯地區(qū)營一Ⅰ亞段Ro

4 儲集層特征

4.1 礦物成分

蘇家屯營一Ⅰ亞段泥頁巖礦物成分比較復(fù)雜，含有石英、長石等碎屑礦物，伊利石、綠泥石等黏土礦物以及方解石、白云石等碳酸鹽礦物。圖8所示為蘇家屯地區(qū)營一Ⅰ亞段泥頁巖礦物成分圖，B井、D井頁巖樣品的X衍射數(shù)據(jù)顯示樣品石英、長石含量為1.1%～72.2%，平均含量33.1%；碳酸鹽礦物主要為方解石和白云石，含量2.4%～94.8%，平均值17.5%；黏土礦物含量3.9%～63.8%，平均值45.1%，黏土礦物中以伊蒙混層為主，平均占黏土礦物含量的73.4%。營一Ⅰ亞段泥頁巖脆性礦物以石英、長石、碳酸鹽巖為主，研究表明當(dāng)脆性礦物含量超過黏土礦物含量時泥巖更容易產(chǎn)生裂縫[4]，從以上數(shù)據(jù)來看研究區(qū)脆性礦物含量大于50%，容易形成天然裂縫及誘導(dǎo)裂縫，為頁巖氣提供儲集空間的同時對后期儲層壓裂改造起到了積極的作用。

圖8 蘇家屯地區(qū)營一Ⅰ亞段泥頁巖礦物成分圖

4.2 孔隙類型

當(dāng)前頁巖氣儲層一般為納米級孔隙，目前國際上普遍采用孔徑三分法來劃分頁巖孔隙，即小于2 nm為微孔，2～50 nm為介孔(中孔)，大于50 nm為宏孔[5]。圖9所示為D井儲層孔隙特征，其孔隙分布見表1，可以看出D井孔徑分布主要以介孔-微孔為主，總孔容為0.002 5～0.035 0 ml/g，且頁巖比表面積分布大于10 m2/g，具有較強的吸附能力。研究區(qū)營一Ⅰ亞段優(yōu)質(zhì)泥頁巖孔隙類型有有機質(zhì)孔、無機質(zhì)孔，有機質(zhì)孔孔徑一般為10～50 nm，少數(shù)大于50 nm；有機質(zhì)多依附于黏土礦物、碳酸鹽、黃鐵礦礦物而存在，有機質(zhì)孔包括有機質(zhì)間及有機質(zhì)內(nèi)發(fā)育的孔隙。有機質(zhì)孔與其成熟生烴相關(guān)，主要是由于生成液體或氣體聚集生成氣泡而成[5]。無機孔隙以頁理縫、黏土礦物層間孔、晶間孔為主，鏡下觀察一般大于50 nm，這說明了該區(qū)泥頁巖主要以有機質(zhì)孔為主。頁理以及紋層之間頁理縫廣泛發(fā)育，頁理縫內(nèi)微孔隙發(fā)育；黏土礦物層間孔呈長軸型“縫”狀順層分布在黏土礦物中，多發(fā)育于伊蒙混層中，具有一定的連通性；粒間孔主要來自黏土礦物、石英、方解石、白云石礦物顆粒接觸所形成的孔隙；晶間孔主要形成于草莓狀黃鐵礦內(nèi)部晶格內(nèi)形成的孔隙。

圖9 研究區(qū)頁巖氣儲層孔隙特征圖

表1 D井孔隙分布表

4.3 物性特征

國內(nèi)外大量實鉆資料表明，頁巖氣儲層具有低孔、特低滲的特征[1-2]。

蘇家屯地區(qū)營一Ⅰ亞段頁巖樣品151個，其中測得孔隙度樣品138個，滲透率樣品58個，物性數(shù)據(jù)表明頁巖氣主要儲層孔隙度一般為2.04%～7.66%，平均值為5.01%，孔隙度大于4%占比78%，大于5%的占比46%；滲透率在0.000 1～1.120 0 mD，平均0.089 mD，滲透率大于0.01 mD的占比75%，大于0.05 mD的占比24%。說明該研究區(qū)頁巖氣儲層具有一定的儲集性能，研究區(qū)頁巖氣儲層物性參數(shù)分布情況如圖10所示。

圖10 研究區(qū)頁巖氣儲層物性參數(shù)直方圖

4.4 含氣性及賦存特征

頁巖氣含量采用現(xiàn)場解析實驗測得，蘇家屯營一Ⅰ亞段總含氣量0.39～5.50 m3/t，平均2.17 m3/t(B井、D井實測數(shù)據(jù))。與國內(nèi)外典型頁巖含氣量相比，含氣量較國外典型頁巖，除大于San Juan盆地的Lewis和Illinois盆地的New Albany頁巖含氣量外，低于國外其他盆地頁巖含氣量；但是相對于國內(nèi)各盆地，除了蘇北盆地外，較元壩、彭水區(qū)塊、泌陽凹陷和湘鄂西地區(qū)均高，對比情況見表2。

表2 蘇家屯營一段實測含氣量與國內(nèi)外含氣量對比數(shù)據(jù)表

通過巖心描述及浸水實驗分析發(fā)現(xiàn)蘇家屯營一Ⅰ亞段泥頁巖中紋層狀泥頁具有較高的含氣量。同時比較區(qū)域內(nèi)縱向巖相分布與總有機碳含量TOC的關(guān)系，可以得出紋層狀泥頁巖也具有較高的有機質(zhì)含量(如圖11所示)，是頁巖氣的主要賦存體。巖心及鏡下觀察紋層狀泥頁巖可見鈣質(zhì)紋層狀泥頁巖、泥質(zhì)紋層狀泥頁巖、砂質(zhì)紋層狀泥頁巖呈互層狀分布，其中鈣質(zhì)紋層主要礦物為方解石，紋層較薄1～5 mm。

圖11 TOC與縱向巖相關(guān)系圖

泥巖中的頁巖氣包括游離氣和吸附氣，游離氣存在于泥巖的基質(zhì)孔隙、泥巖裂縫；吸附氣則賦存于黏土顆粒和有機質(zhì)表面[4]。等溫吸附曲線顯示頁巖的最大吸附氣含量與壓力的關(guān)系，是衡量頁巖吸附甲烷能力的重要參數(shù)[6-9]。研究區(qū)優(yōu)質(zhì)泥頁巖樣品埋深3 100～3 300 m，因此該測試在120 ℃下完成。從測試結(jié)果來看，D井在地層原位高溫下具有較高的吸附量0.85～2.06 m3/t，平均1.45 m3/t。游離氣含量1.40～3.17 m3/t，平均2.43 m3/t，且游離氣占比62.9%，吸附氣占比37.1%，即泥頁巖在地層原始狀態(tài)下以游離氣為主。地質(zhì)條件下，烴源巖生成的烴類先滿足自身的吸附、溶解等殘留需要后，才能以游離方式存在[10-15]。頁巖氣首先吸附于有機質(zhì)、植物碎屑中及黏土礦物顆粒表面，隨著演化程度的增大，以游離態(tài)依次聚集在黏土礦物層間孔、生烴壓力縫、頁理縫、粒間孔、粒內(nèi)孔等孔隙空間(如圖12所示)。

圖12 紋層狀泥頁巖頁巖氣賦存模式圖

5 地質(zhì)意義

該研究重點對頁巖氣井進行了采樣分析，包括有機碳含量、巖石熱解、鏡質(zhì)體反射率、礦物組成、掃描電鏡、孔隙度等測試分析，彌補了以往資料不全的缺陷，獲得了系統(tǒng)的營一Ⅰ亞段頁巖氣評價所需要的各項指標(biāo)，為后續(xù)建立梨樹斷陷乃至松遼盆地南部頁巖氣評價方法及標(biāo)準(zhǔn)提供了依據(jù)。

通過對研究區(qū)泥頁巖的沉積背景、展布形態(tài)、地化特征、礦物組成、孔隙類型以及物性的分析，明確了區(qū)域內(nèi)泥頁巖儲層主要形成于半深湖-深湖的沉積環(huán)境，受沉積環(huán)境及西部控邊斷層的影響其空間展布形態(tài)主要表現(xiàn)為以西側(cè)為厚度中心，向四周逐漸減薄，TOC大部分大于2%，Ro基本大于1%，隨著埋深的增加可達到2.3%，具有較強的生烴能力。石英、長石、碳酸鹽礦物作為泥頁巖儲層中的脆性礦物，含量達到50%以上，使儲層具有良好的可壓性。另外泥頁巖有機質(zhì)孔、頁理縫、礦物粒間、粒內(nèi)等孔隙的發(fā)育為頁巖氣的儲集提供了有利空間。

通過對泥頁巖儲層巖心觀察、微觀研究以及實驗測試分析，明確了松遼盆地南部紋層狀泥頁巖為頁巖氣的主要賦存體以及其頁巖氣的賦存模式。

通過大量實驗數(shù)據(jù)的對比研究，認(rèn)為松遼盆地梨樹斷陷具有良好的頁巖氣富集條件，其泥頁巖具有厚度大、分布廣、有機碳含量高、含氣性好的特點，同時具有一定的可壓性，可通過地質(zhì)以及工程“甜點”層的優(yōu)選及有利區(qū)的刻畫，實現(xiàn)該區(qū)陸相頁巖氣的有效開發(fā)利用。

6 結(jié)論

1)梨樹斷陷蘇家屯地區(qū)營一Ⅰ亞段泥頁巖形成于濱湖、淺湖、半深湖等不同的沉積環(huán)境，沉積相帶在一定程度上控制了富有機質(zhì)泥頁巖的空間展布，是富有機質(zhì)泥頁巖形成的前提條件。

2)地球化學(xué)特征表明，研究區(qū)泥頁巖TOC為0.95%～4.43%，平均值2.32%；Ro為0.98%～2.30%，大部分大于1.0%，生烴母質(zhì)為Ⅱ型和Ⅲ型干酪根混合特征的有機質(zhì)，具有較好的生烴能力。

3)泥頁巖礦物成分中脆性礦物以石英、長石、碳酸鹽巖為主；黏土礦物以伊蒙混層為主。脆性礦物含量平均大于50%，有利于后期壓裂開發(fā)。

4)泥頁巖儲層的儲集空間主要是頁理縫、黏土礦物層間孔、有機質(zhì)孔、無機礦物粒內(nèi)孔以及粒間孔，孔隙大小以介孔-微孔為主，孔隙度一般分布在2.04%～7.66%，平均值為5.01%；滲透率在0.000 1～1.120 0 mD，平均0.089 mD，具備良好頁巖氣儲集性能。

5)研究區(qū)頁巖氣主要以吸附態(tài)、游離態(tài)賦存在紋層狀的泥頁巖中，紋層狀泥頁巖是頁巖氣的主要賦存體。