再論鄂爾多斯盆地延長組長73砂層組與烴源巖相關(guān)的高伽馬砂巖

鄭慶華，劉行軍，張小龍，王洪君，廖永樂，安二亮，劉 濤，張建娜，左 琴

(1.榆林學(xué)院 化學(xué)與化工學(xué)院，陜西 榆林 719000；2.中國石油測井有限公司 長慶事業(yè)部，陜西 西安 710201；3.中國石油長慶油田公司 第五采油廠，陜西 西安 710201)

0 引 言

鄂爾多斯盆地延長組長7油層組自上而下劃分為長71、長72和長73三個砂層組[1]，其中長71、長72砂層組取心主要為粉細(xì)砂巖儲層，極少涉及油頁巖等優(yōu)質(zhì)烴源巖或粉砂巖，而長73砂層組極少取心，導(dǎo)致長7油層組(特別是長73砂層組)油頁巖等優(yōu)質(zhì)烴源巖的測井巖電關(guān)系研究薄弱。因此，長期以來常規(guī)測井系列(自然伽馬、密度、自然電位、補償中子、聲波時差、電阻率等)一般將自然伽馬值大于180 API，密度值小于2.4 g/cm3的巖性識別為油頁巖，由于該標(biāo)準(zhǔn)所識別的油頁巖厚度過小，實際的測井工作中基本都是將自然伽馬測井值大于180 API的巖性直接解釋為油頁巖，并以此來指導(dǎo)長7油層組頁巖油的勘探與開發(fā)。然而，本文在鄂爾多斯盆地預(yù)探井、評價井長73砂層組的巖心觀察(20余口井)、測井及錄井資料(3 000余口井)分析基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)自然伽馬等常規(guī)測井系列在鄂爾多斯盆地(特別是在隴東地區(qū)合水區(qū)塊)長73砂層組中長期解釋的“油頁巖等優(yōu)質(zhì)烴源巖”，實際大量為與烴源巖相關(guān)的高伽馬砂巖(詳細(xì)見下文)，屬于非烴源巖或較差的烴源巖[2-4]，并不同于前人所研究的延長組細(xì)砂巖中的高伽馬砂巖(自然伽馬測井值與泥巖非常接近的細(xì)砂巖[5-7])。

本文通過大量文獻(xiàn)的調(diào)研以及長7油層組頁巖油勘探與開發(fā)的生產(chǎn)實踐，對長73砂層組內(nèi)與烴源巖相關(guān)的高伽馬砂巖的定義、成因以及其發(fā)育特征與長7油層組頁巖油試油效果的關(guān)系進(jìn)行了探索性的研究，這對鄂爾多斯盆地延長組長7油層組，特別是長73砂層組頁巖油的大規(guī)模高效勘探與開發(fā)具有重要的理論和現(xiàn)實意義。

1 地質(zhì)概況

鄂爾多斯盆地是在華北克拉通地塊基礎(chǔ)上發(fā)育起來的中新生界含油氣沉積盆地，北以陰山為界、南至北秦嶺、西鄰六盤山和賀蘭山、向東延至呂梁山(圖1)，現(xiàn)今的構(gòu)造格局基本定型于中燕山運動，后經(jīng)喜馬拉雅運動進(jìn)一步發(fā)展而成[1]。據(jù)基底性質(zhì)、現(xiàn)今構(gòu)造形態(tài)及特征，可將鄂爾多斯盆地劃分為6個一級構(gòu)造單元，分別為盆地周緣構(gòu)造相對較為復(fù)雜的伊盟隆起、西緣逆沖帶、渭北隆起、晉西撓褶帶和盆地內(nèi)部構(gòu)造相對較為簡單的天環(huán)坳陷、伊陜斜坡(圖1)。

盆地上三疊統(tǒng)延長組沉積記錄了鄂爾多斯大型內(nèi)陸湖盆從發(fā)生、發(fā)展到消亡的完整演化歷史，自上而下可分為長1-長10共10個油層組[1]，其中長7油層組，特別是其下部的長73砂層組沉積期是延長組湖盆發(fā)育的鼎盛時期，半深湖-深湖區(qū)面積最大，油頁巖等優(yōu)質(zhì)烴源巖最發(fā)育且生烴能力最強[2]。在盆地東起安塞、西達(dá)郭塬、南至銅川、北抵鹽池的隴東地區(qū)(圖1)，長7油層組自然伽馬等常規(guī)測井系列解釋的“油頁巖”(自然伽馬測井值大于180 API)大規(guī)模發(fā)育(圖2)，同時其下部的長73砂層組地層具有相對高放射性特征，特別是合水區(qū)塊(圖2和圖3)。

盆地延長組長7油層組油頁巖等優(yōu)質(zhì)烴源巖內(nèi)濁流、砂質(zhì)碎屑流等重力流沉積[1,8-9]，凝灰質(zhì)巖(凝灰?guī)r、沉凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)沉積巖的統(tǒng)稱)沉積發(fā)育[2, 10-12]，石油資源十分豐富。目前，長慶油田主要采用水力壓裂方式對鄂爾多斯盆地隴東地區(qū)長7油層組進(jìn)行勘探與開發(fā)，使得油頁巖等優(yōu)質(zhì)烴源巖與濁流、砂質(zhì)碎屑流等重力流沉積巖以及凝灰質(zhì)巖內(nèi)的石油聚集(統(tǒng)稱為頁巖油)均能大規(guī)模動用，頁巖油勘探與開發(fā)潛力巨大[13]。

2 與烴源巖相關(guān)的高伽馬砂巖的定義

根據(jù)鄂爾多斯盆地長73砂層組內(nèi)與烴源巖相關(guān)的高伽馬砂巖在巖性組成、高放射性成因(詳細(xì)見下文)上的差異性，可將其劃分為狹義和廣義兩種類型，這對其巖性組成、高放射性成因研究具有重要的理論和實際意義。

為了區(qū)別油頁巖等優(yōu)質(zhì)烴源巖，同時也考慮到長73砂層組巖性相對較細(xì)的特征，本文將長73砂層組自然伽馬測井值大于180 API、以粉砂巖-細(xì)砂巖或塵灰級-細(xì)砂級凝灰質(zhì)巖為主的相對單一巖性，稱為狹義與烴源巖相關(guān)的高伽馬砂巖，主要屬于非烴源巖；而將自然伽馬測井值大于180 API、巖性以粉砂巖-細(xì)砂巖或塵灰級-細(xì)砂級凝灰質(zhì)巖為主的巖性組合，稱為廣義與烴源巖相關(guān)的高伽馬砂巖，生烴潛力較差[2-3](圖4)。廣義與烴源巖相關(guān)的高伽馬砂巖主要為相對少量的油頁巖等優(yōu)質(zhì)烴源巖(厚度一般小于0.10 m)與以粉砂巖-細(xì)砂巖或塵灰級-細(xì)砂級凝灰質(zhì)巖為主的相對單一巖性形成的夾互層、滑塌層、震積層、含泥礫層等巖性組合(圖4)。因常規(guī)巖心錄井描述的巖性厚度下限一般為0.10 m，通常廣義與烴源巖相關(guān)的高伽馬砂巖巖性在綜合測井圖或四性關(guān)系圖中，常被描述為以粉砂巖-細(xì)砂巖或塵灰級-細(xì)砂級凝灰質(zhì)巖為主的相對單一巖性(圖5)。

目前，鄂爾多斯盆地延長組長73砂層組與烴源巖相關(guān)的高伽馬砂巖的測井識別方法仍處于探索階段，其中自然伽馬等常規(guī)測井系列的識別效果較不理想[15]，而核磁共振、地層元素俘獲譜(ECS)、自然伽馬能譜等非常規(guī)測井系列具有較好的識別效果，卻因成本較高而未能大規(guī)模應(yīng)用。

3 與烴源巖相關(guān)的高伽馬砂巖成因

鄂爾多斯盆地延長組長73砂層組可能受深部熱水活動的影響[16-18]，在放射性最強的隴東地區(qū)合水區(qū)塊發(fā)育大量狹義或廣義與烴源巖相關(guān)的高伽馬砂巖[2-3](圖3)，在自然伽馬能譜測井特征上或地球化學(xué)特征上具有高鈾(U)或高釷(Th)的特征(圖4)，兩者可能具有相同的熱水成因[2-3,19]。

長73砂層組廣義與烴源巖相關(guān)的高伽馬砂巖的成因主要與油頁巖等優(yōu)質(zhì)烴源巖圍巖的高放射性有關(guān)。目前，多數(shù)人認(rèn)為長73砂層組油頁巖等優(yōu)質(zhì)烴源巖的高放射性主要由U元素的富集引起，而U元素主要為鄰近凝灰?guī)r中鈾元素的活化遷移所致[10, 14]。秦艷等[19]發(fā)現(xiàn)長73砂層組油頁巖等優(yōu)質(zhì)烴源巖中50 %以上U元素分布于膠磷礦中，而張本浩等[16]指出了其U元素主要以類質(zhì)同象賦存于膠磷礦或以吸附態(tài)賦存于有機質(zhì)和草莓狀黃鐵礦中，并在膠磷礦中發(fā)現(xiàn)了可能為深部熱水作用成因的獨立鈾礦物(鈾石、含鈦鈾礦)。因此，長73砂層組油頁巖等優(yōu)質(zhì)烴源巖的高放射性可能與深部熱水作用有關(guān)。

長73砂層組狹義與烴源巖相關(guān)的高伽馬砂巖和延長組長6、長4+5、長3、長2等油層組砂巖中的高伽馬砂巖具有相似性(圖6)，主要表現(xiàn)為自然伽馬能譜測井特征或地球化學(xué)特征具有Th、U、K元素含量相對高，富Th元素的特征，少量也出現(xiàn)富U元素現(xiàn)象，粒間孔隙及填隙物晶間微孔中均發(fā)育富Th元素的他形獨居石(圖6(a)、(b)、 (c))、金紅石(圖6(b)、 (c))或鍶重晶石(圖6(d))等，可能為深部熱水沉積[2,6-7]。

由于鄂爾多斯盆地長73砂層組與烴源巖相關(guān)的高伽馬砂巖中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的獨立鈾礦物(鈾石、含鈦鈾礦)、獨居石、金紅石等單礦物粒徑基本小于10 μm，因此未能進(jìn)行Pb、Sr、Nd、Hf等同位素微區(qū)定年和示蹤的研究，所以關(guān)于其高放射性成因尚需進(jìn)一步探討。

4 與烴源巖相關(guān)的高伽馬砂巖研究意義

自2012年，長慶油田先后在隴東地區(qū)的西233井區(qū)、莊183井區(qū)、寧89井區(qū)實施的長7油層組頁巖油試采效果良好(圖3)[2, 3, 13]，從而拉開了鄂爾多斯盆地長7油層組頁巖油大規(guī)?？碧脚c開發(fā)的序幕。

2012年至2016年間，長慶油田選取位于鄂爾多斯盆地長73砂層組放射性相對高值區(qū)的18口井進(jìn)行了頁巖油試驗(如城96井、莊62井、寧70井等)(圖3)，主要采用水力壓裂方式在長73砂層組中自然伽馬等常規(guī)測井系列解釋的“油頁巖”段內(nèi)(自然伽馬測井值大于180 API，測井解釋泥質(zhì)含量為100%)或附近進(jìn)行射孔試油，然而僅8口井獲工業(yè)油流(試油日產(chǎn)油量大于4.0 t)，效果較不理想，這較大程度地制約著延長組長7油層組頁巖油的高效勘探與開發(fā)進(jìn)程。

筆者通過大量的生產(chǎn)實踐(2009—2018)，首次發(fā)現(xiàn)造成上述問題的主要原因可能是對長73砂層組與烴源巖相關(guān)的高伽馬砂巖的認(rèn)識和重視程度不夠所致。以鄂爾多斯盆地長73砂層組放射性最強的隴東地區(qū)合水區(qū)塊為例(圖3)，長73砂層組中自然伽馬等常規(guī)測井系列解釋的“油頁巖”段內(nèi)(自然伽馬測井值大于180 API，測井解釋泥質(zhì)含量為100%)或附近射孔試油的產(chǎn)量和與烴源巖相關(guān)的高伽馬砂巖一般具有以下關(guān)系：(1)若長73砂層組與烴源巖相關(guān)的高伽馬砂巖不發(fā)育，射孔段主要為油頁巖等優(yōu)質(zhì)烴源巖，因缺乏相對高滲的與烴源巖相關(guān)的高伽馬砂巖儲層條件，試油常抽干或產(chǎn)液量很低，如寧70井試油日產(chǎn)油花，日產(chǎn)水0.4 m3(圖3和圖7(a))；(2)若與烴源巖相關(guān)的高伽馬砂巖發(fā)育，而油頁巖等優(yōu)質(zhì)烴源巖不發(fā)育，因缺乏有效的生油巖使得成藏條件較差，試油常僅出水，如莊62井試油日產(chǎn)油花，日產(chǎn)水 4.4 m3(圖3和圖7(b))；(3)若與烴源巖相關(guān)的高伽馬砂巖和油頁巖等優(yōu)質(zhì)烴源巖均較發(fā)育，因具有相對高滲的與烴源巖相關(guān)的高伽馬砂巖儲層條件和有效的成藏條件較差，試油常獲得工業(yè)油流，如城96井試油日產(chǎn)油11.0 t，日產(chǎn)水 5.0 m3(圖3和圖7(c))。

同時，隴東地區(qū)合水區(qū)塊莊183水平井長7油層組試驗區(qū)的試油和試采效果明顯好于寧89水平井長7油層組試驗區(qū)，其根本原因也可能與后者長73砂層組與烴源巖相關(guān)的高伽馬砂巖大規(guī)模發(fā)育有關(guān)。同時，由于隴東地區(qū)合水區(qū)塊相對盆地其他區(qū)塊長73砂層組內(nèi)與烴源巖相關(guān)的高伽馬砂巖大規(guī)模發(fā)育，也造成了該區(qū)塊長81砂層組勘探與開發(fā)效果相對較差[2-3]。

目前，鄂爾多斯盆地上三疊統(tǒng)延長組長7油層組，特別是長73砂層組與烴源巖相關(guān)的高伽馬砂巖的認(rèn)識和重視程度較低，導(dǎo)致其長7油層組頁巖油的儲層條件或生油巖等成藏條件不清，勘探與開發(fā)效果較不理想。基于筆者前期提出的長7油層組，特別是長73砂層組大規(guī)模發(fā)育與烴源巖相關(guān)的高伽馬砂巖認(rèn)識，本文對其定義、成因以及與長7油層組頁巖油勘探與開發(fā)效果的關(guān)系等進(jìn)行了較系統(tǒng)的探索性研究，研究成果對于鄂爾多斯盆地上三疊統(tǒng)延長組長7油層組頁巖油勘探與開發(fā)的理論和技術(shù)突破，具有重要的開拓性和創(chuàng)新性。

5 結(jié) 論

(1)鄂爾多斯盆地上三疊統(tǒng)延長組長73砂層組與烴源巖相關(guān)的高伽馬砂巖可劃分為狹義和廣義兩種類型，其高放射性成因可能與深部熱水作用有關(guān)。

(2)首次發(fā)現(xiàn)與烴源巖相關(guān)的高伽馬砂巖發(fā)育特征與鄂爾多斯盆地上三疊統(tǒng)延長組長7油層組頁巖油試油效果關(guān)系密切，通常與烴源巖相關(guān)的高伽馬砂巖和油頁巖適當(dāng)發(fā)育，長7油層組試油效果較好，這對長7油層組頁巖油的大規(guī)模高效勘探與開發(fā)具有重要的理論和現(xiàn)實意義。