南祁連盆地陽康地區(qū)尕勒得寺組泥頁巖有機(jī)地球化學(xué)及儲層特征

肖龍 楊成 趙金成 王佳 劉超 祁海瑞 邊君

摘要：基于南祁連盆地下日哈坳陷和哈拉湖坳陷剖面及井內(nèi)樣品測試分析，從有機(jī)質(zhì)類型、有機(jī)質(zhì)豐度、成熟度、孔隙類型、物性特征及孔隙結(jié)構(gòu)方面對尕勒得寺組泥頁巖有機(jī)質(zhì)地球化學(xué)特征及儲層特征進(jìn)行了評價(jià)。認(rèn)為尕勒得寺組有機(jī)質(zhì)類型較好，以Ⅱ型為主，有機(jī)質(zhì)豐度達(dá)到了中等—好烴源巖級別，成熟度達(dá)到了過成熟階段，以滯留烴裂解生氣為主，具備一定的產(chǎn)氣能力。礦物組分以黏土礦物為主，次為石英，脆性指數(shù)低，頁巖氣開發(fā)階段對儲層改造要求較大；蒙脫石在伊蒙混層中含量較低，顯示為晚成巖作用階段。尕勒得寺組孔體積較好，以微孔和中孔為主；比表面積較大，主要受納米級微孔控制，黏土礦物粒間孔及有機(jī)質(zhì)孔貢獻(xiàn)較大，總體來說尕勒得寺組具備較好的生儲條件。

關(guān)鍵詞：南祁連盆地；尕勒得寺組；有機(jī)地球化學(xué)；儲層特征

南祁連盆地廣泛發(fā)育陸相半深湖—深湖相上三疊統(tǒng)尕勒得寺組，是南祁連盆地油氣地質(zhì)條件最有利的地層[1]，近年來該地層在木參1井、木參2井及DK-9井見有高原凍土層天然氣水合物及油氣顯示[2、3、4]。但開展的研究工作多集中在木里坳陷，而缺少對陽康周邊哈拉湖坳陷和下日哈坳陷的頁巖氣相關(guān)調(diào)查研究工作，本次通過4條實(shí)測剖面、1口鉆井及分析測試等資料，從TOC、Ro、有機(jī)質(zhì)類型、礦物組成、孔隙類型、孔隙結(jié)構(gòu)、物性特征等方面探討其有機(jī)地球化學(xué)特征及儲層特征，為南祁連地區(qū)頁巖氣勘探提供基礎(chǔ)資料。

1.地質(zhì)背景

南祁連盆地位于青藏高原東北部，是指沉積在加里東褶皺基底之上的二疊—三疊系分布地區(qū)[5]，大地構(gòu)造位置處于北祁連構(gòu)造帶、宗務(wù)隆構(gòu)造及阿爾金走滑斷裂之間[6]，上三疊統(tǒng)尕勒得寺組分布面積約6100km2（圖1），地球化學(xué)指標(biāo)好[7]。木里坳陷DK-10鉆孔遇高壓可燃?xì)怏w，工業(yè)氣量可達(dá)4800m3/d，木參2井見氣測錄井異常段達(dá)79m，均見有良好的含氣顯示，諸多現(xiàn)象表明南祁連地區(qū)具備有一定的頁巖氣成藏地質(zhì)條件。

2.樣品采集與測試

本次泥頁巖樣品共采集4個(gè)地質(zhì)剖面和1口鉆井的樣品（圖1），采樣間距在1m～3m。其中，HPGD-1采集57件，HPGC-2采集22件，XPGA-1采集12品件，XPGA-2采集8件，天頁1井采集257件。樣品均送至重慶礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測中心，經(jīng)總有機(jī)碳測試儀器總碳分析儀/ZJ294，巖石熱解測試儀器油氣評價(jià)儀/OG-2000V，氯仿瀝青“A”測試儀器電子天平AE240，干酪根顯微組分測試儀器偏光顯微鏡/Leica DM4500P，碳同位素分析測試儀器FinnganMAT—252質(zhì)譜儀，元素分析測試儀器元素分析儀vario Macro，掃描電鏡/JEOL JSM-6610LV，全巖、黏土X衍射測試儀器X射線衍射儀/ZJ207 Bruker D8 advance，孔滲測試儀器為覆壓孔滲儀AP608，比表面積和微孔分析儀ASAP202，孔徑分析儀/MicroActiveASAP2460測試。

3.有機(jī)地球化特征

（1）有機(jī)質(zhì)類型。由于南祁連地區(qū)烴源巖樣品受熱演化和風(fēng)化程度影響較大，熱解參數(shù)和可溶有機(jī)組分反映有機(jī)質(zhì)類型可信度低，因此，在分析有機(jī)質(zhì)類型時(shí)采用碳同位素為主，鏡下鑒定為輔[8-9]。

通過泥頁巖干酪根碳同位素顯示（圖2），碳同位素13C值介于-29.59‰～-24.71‰，主要屬于Ⅱ型[10]。尕勒得寺組頁巖顯微組分主要為鏡質(zhì)組和腐泥組，少量惰質(zhì)組和殼質(zhì)組（表1），有機(jī)質(zhì)類型指數(shù)在-80～61，有機(jī)質(zhì)類型主要為Ⅱ2-Ⅲ型。由于尕勒得寺組泥頁巖熱演化程度較高，鏡下顯微組分顆粒難以區(qū)分，導(dǎo)致鏡檢組分劃分有機(jī)質(zhì)類型可靠程度較低，與干酪根碳同位素有所差異。按照范氏（Van Krevelen）的H/C、O/C比值進(jìn)行干酪根分類方案級投點(diǎn)（圖3），尕勒得寺組甚至完全落在了Ⅲ型干酪根區(qū)間[11]，與碳同位素方法反應(yīng)結(jié)果有一定差異，原因應(yīng)為其熱演化程度異常高，氫和碳大量流失，使H/C含量降低，巖石熱解法對高成熟度有機(jī)質(zhì)類型劃分準(zhǔn)確性不高。

（2）有機(jī)質(zhì)豐度。通過對泥頁巖樣品有機(jī)碳含量（TOC）分析測試統(tǒng)計(jì)可知（圖4），TOC介于0.01%～17.25%，平均值為1.25%，其中中等烴源巖級別占26.80%，好的烴源巖級別占36.74%，大部分達(dá)到了中等—好烴源巖級別。通過可溶有機(jī)組分可知，氯仿瀝青“A”含量分布范圍為0.0005%～0.02225%，平均值為0.00403%，均低于烴源巖標(biāo)準(zhǔn)的下限0.015%（表2），生烴潛量（S1+S2）分布范圍為0.009mg/g～0.416mg/g，亦均小于烴源巖最低標(biāo)準(zhǔn)2mg/g。兩者均反應(yīng)為非烴源巖級別，但受熱演化程度影響較大，生烴巖中所生成的烴類大都已熱解破壞，與TOC反應(yīng)結(jié)果不符。

（3）熱演化程度。前人研究表明，Ro值大于1.6%后干酪根生氣逐漸衰竭，滯留在頁巖內(nèi)的液態(tài)烴和瀝青的裂解成為氣源的主要供給，能持續(xù)到Ro值等于4.0%[12]。研究區(qū)尕勒得寺組Ro值范圍為2.33%～3.42%，平均值為2.91%，達(dá)到了過成熟—裂解氣階段，仍具備一定的產(chǎn)氣能力。Tmax值在未成熟至過成熟階段均有分布，考慮到區(qū)內(nèi)烴源巖總熱演化程度較高，熱解生烴峰值不明顯，Tmax℃值無法較準(zhǔn)確確定，導(dǎo)致Tmax不能有效判斷熱演化程度，而Ro隨溫度升高具有不可逆性，被認(rèn)為是確定有機(jī)質(zhì)熱演化的良好指標(biāo)（圖5）。

4.儲層特征

（1）礦物組成。尕勒得寺組主要成分為石英、長石、黏土礦物及少量碳酸鹽巖礦物（表3）。其中石英含量介于27%～38.1%，長石含量介于4.18%～12.8%，碳酸鹽巖含量介于0.4%～11.9%，黏土礦物含量介于43.4%～62.6%，總體尕勒得寺組頁巖黏土礦物含量較高，主要受其湖相沉積環(huán)境所致。黏土礦物主要以伊利石和伊蒙混層為主，含大量的綠泥石礦物。伊蒙混層比在10（%S）～15（%S）之間，顯示為晚成巖作用階段，與有機(jī)質(zhì)熱演化程度為成熟相對應(yīng)[13]。

（2）孔隙類型。據(jù)掃描電鏡結(jié)果顯示，泥頁巖孔隙類型主要受泥頁巖礦物組分及其含量、有機(jī)質(zhì)含量、成巖作用等因素控制（圖6）。

①粒間孔。根據(jù)掃描鏡顯示，受黏土礦物組分含量較多影響，脆性礦物之間的粒間孔發(fā)育較少，主要發(fā)育為黏土礦物晶間孔，多為鱗片狀伊利石定向排列晶間孔隙，其次發(fā)育黏土礦物與脆性礦物之間孔隙和脆性礦物之間孔隙?？讖酱笮∫?um～5um居多。

②有機(jī)質(zhì)孔。有機(jī)質(zhì)孔是頁巖中非常發(fā)育的一類孔隙，其發(fā)育結(jié)構(gòu)特征對頁巖氣賦存富集有著至關(guān)重要的影響，擁有較多的有機(jī)質(zhì)孔隙，形態(tài)多樣，主要為聚集有機(jī)質(zhì)發(fā)育形成的蜂窩狀、狹縫狀、橢圓形、圓形等形態(tài)，這類孔隙主要為有機(jī)質(zhì)生烴過程，其本身骨架結(jié)構(gòu)形成，主要與有機(jī)質(zhì)成熟度相關(guān)，有機(jī)質(zhì)孔隙隨成熟增高發(fā)育，區(qū)內(nèi)熱演化程度較高，這也是這類有機(jī)質(zhì)發(fā)育原因之一[14]?？讖蕉嘟橛?0nm～1000nm，平均孔徑100nm。這類孔隙孔為納米級孔隙，均質(zhì)性強(qiáng)，對頁巖氣吸附儲集是主要貢獻(xiàn)。

③粒內(nèi)溶蝕孔。通過鏡下觀察黑色頁巖中粒內(nèi)溶孔較為發(fā)育，尤其是在長石和白云石等易溶礦物表面，這類孔隙對頁巖氣儲集的貢獻(xiàn)不大，但由于粒內(nèi)孔主要存在與石英、長石和碳酸鹽巖等脆性礦物中，在后期開發(fā)壓裂過程中易形成誘導(dǎo)裂縫，使得孔隙互相交織溝通，提高此類孔隙的滲流能力。該類孔隙的可改造能力強(qiáng)，為后期頁巖滲流重要通道。

（3）孔滲特征。天頁1井尕勒得寺組泥頁巖樣品測試顯示，孔隙度范圍0.23%～1.71%，滲透率范圍0.0000347～0.133110-3um3，屬于特低孔特低滲儲層。按礦物組成對孔隙度影響統(tǒng)計(jì)（圖7），孔隙度與石英及黏土礦物含量均呈明顯正相關(guān)性特征，可能與脆性礦物粒間孔及黏土礦物粒間孔有關(guān)[15]。

（4）孔隙結(jié)構(gòu)。氮?dú)馕椒y試的孔徑范圍在1nm～300nm，能對微孔—中孔的發(fā)育情況進(jìn)行詳細(xì)的描述[16]。通過頁巖的孔體積分布曲線顯示（圖8），泥頁巖的孔徑小于10nm時(shí)，累計(jì)孔體積曲線較平緩，孔徑大于10nm時(shí)，孔體積累計(jì)曲線明顯變陡，說明頁巖中孔和大孔對孔體積貢獻(xiàn)最大。

尕勒得寺組泥頁巖比表面積為2.11cm2/g～20.74cm2/g，平均值為7.35m2/g，通過比表面積分布曲線圖可以看出（圖8），在泥頁巖孔徑小于10nm，累計(jì)比表面積曲線明顯變陡，而大于10nm時(shí)，累計(jì)曲線明顯變緩，說明泥頁巖中小于10nm的微孔和中孔對比表面積貢獻(xiàn)最大。通過比表面積與TOC及黏土礦物含量關(guān)系圖可以看出（圖9），比表面積與有機(jī)碳及黏土礦物含量呈明顯的正相關(guān)關(guān)系，說明了有機(jī)質(zhì)孔及黏土礦物粒間孔對比表面積貢獻(xiàn)最大。

5.結(jié)論

（1）尕勒得寺組有機(jī)質(zhì)類型較好，以Ⅱ1、Ⅱ2為主，有機(jī)質(zhì)豐度達(dá)到了中等—好烴源巖級別，成熟度達(dá)到了過成熟階段，以滯留烴裂解生氣為主，具備一定的產(chǎn)氣能力。（2）尕勒得寺組礦物組分以黏土礦物為主，次為石英，脆性指數(shù)低，約0.4，頁巖氣開發(fā)階段對儲層改造要求較大；蒙脫石在伊蒙混層中含量較低，顯示為晚成巖作用階段。（3）尕勒得寺組孔體積較好，主要以微孔和中孔為主；比表面積較大，主要受納米級微孔控制，黏土礦物粒間孔及有機(jī)質(zhì)孔貢獻(xiàn)較大。

參考文獻(xiàn)：

[1]符俊輝，周立發(fā).南祁連盆地石炭—侏羅紀(jì)地層區(qū)劃及石油地質(zhì)特征.西北地質(zhì)科學(xué)， 1998， 19（2）：47-54.

[2]王平康，祝有海，盧振權(quán)等.祁連山凍土區(qū)天然氣水合物現(xiàn)場識別方法.礦床地質(zhì)， 2013， 32（5）， 1045-1056.

[3]盧振權(quán)，祝有海等.青海祁連山凍土區(qū)天然氣水合物的氣源條件及其指示意義.礦床地質(zhì)， 2013， 32（5）， 1035-1044.

[4]盧振權(quán)，祝有海等.祁連山凍土區(qū)含天然氣水合物層段的油氣顯示現(xiàn)象.現(xiàn)代地質(zhì)，，2013， 27（1）， 231-238.

[5]譚富榮，周立發(fā).南祁連盆地二疊系沉積特征及其充填模式[J].河北工程大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2010， 27（03）：62-65+76.

[6]董云鵬，張國偉，孫圣思等.中國大陸“十字構(gòu)造”形成演化及其大陸動(dòng)力學(xué)意義[J].地質(zhì)力學(xué)學(xué)報(bào)， 2019， 25（05）：769-797.

[7]陳建洲，賀領(lǐng)兄，劉立波，安生婷，沈娟.青海祁連地區(qū)三疊紀(jì)泥頁巖地球化學(xué)特征及儲集條件[J].地質(zhì)通報(bào)， 2016， 35（Z1）：273-281.

[8]黃第藩，李晉超，張大江.干酪根的類型及其分類參數(shù)的有效性、局限性和相關(guān)性[J].沉積學(xué)報(bào)， 1984（03）：18-33+135-136.

[9]王鐵冠，鐘寧寧，熊波，李賢慶，黃第藩.源巖生烴潛力的有機(jī)巖石學(xué)評價(jià)方法[J].石油學(xué)報(bào)， 1994（04）：9-16.

[10]丁文龍，李超，蘇愛國，何忠華.西藏羌塘盆地中生界海相烴源巖綜合地球化學(xué)剖面研究及有利生烴區(qū)預(yù)測[J].巖石學(xué)報(bào)， 2011， 27（03）：878-896.

[11]盧雙舫，龐雄奇，李泰明，陳章明.干酪根類型數(shù)值化的探討[J].天然氣工業(yè)， 1986（03）：17-23+4.

[12]姜振學(xué)，宋巖，唐相路等人.中國南方海相頁巖氣差異富集的控制因素[J].石油勘探與開發(fā)， 2020， 47（03）：617-628.

[13]朱筱敏.沉積巖石學(xué).石油工業(yè)出版社.（第四版）.130-131.

[14]程鵬，肖賢明.很高成熟度有機(jī)質(zhì)頁巖的含氣性問題[J].煤炭學(xué)報(bào)， 2013， 38（5）：737-741.

[15]Jarvie D.Shale resource systems for oil and gas：part1-shale gas resource systems[C].//Breyer J A.Shale reservoirs-giant resources for the 21st century.AAPG Memoir，1997：69-87.

[16]俞雨溪，王宗秀，張凱遜，程明.流體注入法定量表征頁巖孔隙結(jié)構(gòu)測試方法研究進(jìn)展[J].地質(zhì)力學(xué)學(xué)報(bào)， 2020， 26（02）：201-210.