富縣地區(qū)張家灘頁巖地化特征與油氣地質意義

林 進，孫建博，羅騰躍

（1．陜西延長石油（集團）有限責任公司，陜西 西安 716065；2．陜西延長石油（集團）有限責任公司研究院，陜西 西安 710065）

0 引 言

隨著中國經濟的持續(xù)高速發(fā)展及對油氣資源需求的不斷增大，越來越多的學者將研究的重點從常規(guī)油氣轉向非常規(guī)油氣。鄂爾多斯盆地是中國著名的含油氣盆地，油氣資源豐富，目前已是中國油氣產量最高的含油氣盆地。鄂爾多斯盆地除了常規(guī)油氣，頁巖油氣等非常規(guī)油氣資源賦存豐富。頁巖油作為重要的非常規(guī)油氣接替資源，日益受到學者們的關注。盆地長7沉積時期經歷晚三疊世最大的一次湖泛事件，形成大面積穩(wěn)定分布的暗色頁巖和泥巖，尤以張家灘頁巖最典型[1-4]，這套頁巖具有強生烴和高排烴的特點，是中生界最主要油源巖[5-6]。很多專家學者圍繞延長組泥頁巖巖相地質特征開展大量的研究工作。耳闖等從巖心描述、薄片微觀結構觀察、有機地球化學分析等方面入手，對鄂爾多斯盆地華池地區(qū)長7油層組富有機質頁巖和泥巖巖相進行了研究，建立巖相縱向發(fā)育模式[7]。付金華等從宏觀角度出發(fā)，研究鄂爾多斯盆地延長組深水巖相發(fā)育特征，將延長組深水沉積巖劃分為油頁巖巖相、暗色泥巖巖相、砂質泥巖與泥質砂巖巖相和砂巖巖相等4種巖相，并明確這4種巖相的地質特征、地球物理特征及平面分布規(guī)律，探討其石油地質意義[8]。師良等對延長組砂質紋層發(fā)育特征及油氣成藏的關系進行研究[9]。杜燕、趙謙平、吳辰泓等分別從頁巖生氣機理、孔隙結構等展開研究，分析延長組頁巖氣形成機理和賦存空間[10-12]。以鄂爾多斯盆地富縣地區(qū)延長組長7油層組下部發(fā)育的張家灘頁巖為對象，擬從巖性特征、礦物組成、物性特征、有機地球化學特征、油氣賦存特征等方面展開剖析，分析張家灘頁巖的巖相地質及有機地球化學特征，確定有利巖相類型，以期為源內頁巖油氣勘探提供借鑒。

1 區(qū)域地質特征

鄂爾多斯盆地晚三疊世延長期主要發(fā)育一套內陸坳陷湖盆碎屑巖沉積，自上而下分10期（長1-長10），其中長7期為最大湖泛期，氣候溫暖潮濕，湖區(qū)水深可達60～120 m，半深湖-深湖范圍可達6.5×104km2，普遍發(fā)育一套廣覆式富有機質頁巖及細粒砂巖沉積，富集了豐富的頁巖油資源，是盆地非常規(guī)石油勘探的主要對象[13-17]。富縣地區(qū)位于湖盆的東部沉積中心，構造平緩，張家灘頁巖最大厚度可達60 m，埋深1 300～1 500 m，這套泥頁巖層系為頁巖油的規(guī)模生烴成藏奠定了物質基礎（圖1）。

圖1 富縣地區(qū)區(qū)域沉積背景Fig.1 Regional sedimentary background in Fuxian area

2 頁巖巖相特征

頁巖油勘探的一項重要內容就是“甜點”預測，巖相是“甜點”預測的有效途徑，明確長7張家灘頁巖的巖相特征，對于揭示有利層段和水平井的軌跡設計具有很重要的意義[18]。

筆者對富縣地區(qū)長7張家灘頁巖開展精細解剖研究，綜合露頭、巖心觀察、薄片鑒定等資料，將富縣地區(qū)張家灘頁巖巖相類型劃分為黑色頁巖巖相、灰黑色泥頁巖巖相、紋層狀黑色頁巖巖相、紋層狀灰黑色泥頁巖巖相、含泥粉砂巖或泥質粉砂巖相（以下簡稱粉砂巖相）、凝灰?guī)r相等6種巖石相類型。粉砂巖相是指厚度大于30 cm的粉砂巖層；黑色頁巖相是指粉砂質層累計厚度占比小于10%的黑色頁巖；灰黑色泥頁巖巖相是指粉砂質層累計厚度占比小于10%的灰黑色頁巖；紋層狀黑色頁巖巖相是指粉砂質層累計厚度占比大于10%的黑色頁巖；紋層狀灰黑色泥頁巖巖相是指粉砂質層累厚比占大于10%的灰黑色泥頁巖。

張家灘頁巖段巖相劃分結果表明主要巖相以黑色頁巖相為主，內部發(fā)育5層累計厚度5 m的紋層狀黑色頁巖巖相，灰黑色泥頁巖巖相累計厚度18 m，內部發(fā)育7層9.75 m厚度的紋層狀灰黑色泥頁巖巖相的混合層，粉砂巖相發(fā)育2層，厚度1.25 m（圖2）。

圖2 張家灘頁巖測井巖石相、地化參數(shù)和物性參數(shù)綜合圖Fig.2 Comprehensive map of logging lithofacies，geochemical parameters and physical parameters of Zhangjiatan shale

2.1 地質特征

2.1.1 黑色頁巖巖相

頁巖的構造類型主要為層理構造、塊狀層理以及一些準同生構造，以層理構造為主，少見粉砂巖紋層發(fā)育，偶見毫米級、微米級粉砂巖紋層或碳酸鹽紋層。層理多為水平層理，部分頁巖層理不發(fā)育，呈塊狀結構。層理面常見介形蟲和黃鐵礦發(fā)育，可見少量植物碎屑。含粉砂質紋層單層厚度小于1 cm，累計厚度占比小于10%。

2.1.2 灰黑色泥頁巖巖相

與黑色頁巖相比，灰色頁巖的顏色相對較淺，主要呈現(xiàn)灰黑色、灰色，多發(fā)育在頁巖段的頂、底部，部分發(fā)育在黑色頁巖中。露頭剖面和鉆井巖心中常見灰黑色頁巖與黑色頁巖的突變界面?；槠枯^多，可以見到葉片等植物化石。灰黑色頁巖的層理類型更加多樣，除發(fā)育塊狀均勻層理外，還可見變形層理，小型波狀層理等，甚至在一些地區(qū)還可見遞變層理?；槠枯^多，可以見到葉片等植物化石。含粉砂質紋層單層厚度小于1 cm，累計厚度占比小于10%。

2.1.3 紋層狀黑色頁巖巖相

主要發(fā)育在頁巖段的中部及中上部，砂質紋層的含量明顯變多，單層厚度普遍小于1 cm，累計厚度占比大于10%，最顯著的特點是粉砂巖紋層發(fā)育，水平層理或波狀-透鏡狀層理非常發(fā)育，化石碎片含量較多，可以見到葉片等植物化石。粉砂巖紋層厚度多小于1 mm，局部可達厘米級甚至分米級。

2.1.4 紋層狀灰黑色泥頁巖巖相

灰黑色頁巖中也發(fā)育較多的粉砂巖紋層，與黑色頁巖相比，灰黑色頁巖中的粉砂質紋層更為發(fā)育，灰黑色頁巖中的粉砂質紋層與灰黑色頁巖層之間的分界面有時較為模糊，但灰黑色頁巖層明顯具有較高的石英長石含量、相對低的黏土礦物含量，黏土礦物沿層理發(fā)育，黏土紋層呈現(xiàn)為暗色條帶，長石和石英顆粒小，含量稍低，有機質豐度高。

2.1.5 粉砂巖巖相

細砂巖和粉砂巖的顏色以灰色、灰白色、灰黃色為主，主要以紋層或夾層形式存在于延長組頁巖層系中，位于延長組長7油層組的底部和中部和頂部。細砂巖和粉砂巖主要發(fā)育有平行層理和波狀層理。粉砂質紋層的形狀主要有平直狀、波狀-透鏡狀，平直狀紋層常常由單層或一組近似水平層理的紋層組成，橫向上延伸較遠，內部結構較簡單，頂?shù)捉缑嫫街?，底部界面一般截然，頂部常常向頁巖漸變過渡。波狀-透鏡狀粉砂質紋層在一般情況下都成組或束出現(xiàn)，總體沿頁理方向展布，在橫向上連續(xù)性相對較差，具有一定的變化性，甚至發(fā)生尖滅或與其他紋層合并。粉砂巖相主要是濁積巖、滑塌沉積等。

2.2 巖石礦物學特征

2.2.1 黑色頁巖巖相

黑色頁巖XRD分析結果顯示黏土礦物含量最高，平均為52.42%，石英含量介于6%～40%，平均為24.5%；長石含量變化在6%～30.5%，平均值14.1%，方解石和白云石含量之和變化在0%～9%，平均值2%；菱鐵礦含量介于0%～15%，平均值3.29%；黃鐵礦含量介于0%～13%，平均值3.78%。

2.2.2 灰黑色泥頁巖巖相

灰黑色頁巖XRD分析結果顯示黏土礦物含量介于28.2%～60%，平均為49%，石英含量介于18%～41%，平均值為26.99%；長石含量介于4%～38.2%，平均值15.7%，碳方解石和白云石含量之和介于0%～11%，平均為2.91%；菱鐵礦含量介于0%～14%，平均值2.72%；黃鐵礦含量平均值2.45%。

2.2.3 紋層狀黑色頁巖巖相

發(fā)育紋層黑色頁巖的XRD分析結果表明黏土礦物含量低于黑色頁巖，平均為44.22%，石英含量介于18%～43%，平均為29.46%，高于黑色頁巖的石英含量；長石含量變化在6%～30.3%，平均值約17.83%，高于黑色頁巖和灰黑色頁巖的石英含量；方解石和白云石含量之和變化在0%～14%，平均值3.07%；菱鐵礦含量介于0%～9%，平均值1.48%；黃鐵礦含量介于0%～21%，平均值3.69%。

2.2.4 紋層狀灰黑色泥頁巖巖相

發(fā)育紋層灰黑色頁巖的XRD分析結果顯示石英含量介于21%～40%，平均含量28.46%，長石含量介于8%～34.4%，平均為17.71%，方解石和白云石含量之和介于0%～16%，平均值約5.22%，黃鐵礦含量介于0%～6%，平均值1.59%；菱鐵礦含量介于0%～11%，平均值3.28%；黏土礦物含量介于29%～56%，平均為43.21%。

2.2.5 粉砂巖巖相

細砂巖和粉砂巖層的黏土礦物含量最低，介于22%～44.8%，平均為34.88%；石英、長石含量最高，平均為31.89%和22.43%，石英和長石之和平均54.32%，方解石和白云石含量之和分布在1.2%～36.9%，平均值為7.2%，黃鐵礦含量較低，平均值僅為1.08%。

2.3 孔隙度及孔隙結構特征

頁巖中孔隙結構對頁巖油能否在地層條件下流動具有重要的控制作用[19-21]。采用氦氣膨脹法、N2，CO2低壓吸附及高壓壓汞等測試分析手段，分析了頁巖層系的孔隙結構及孔隙度特征。選取YY22，YY28，F(xiàn)Y1等井樣品合計32塊，為了便于直觀研究，將黑色頁巖相和灰黑色頁巖相等粉砂質紋層不發(fā)育的樣品合并為純泥頁巖，發(fā)育粉砂質紋層的黑色頁巖相和灰黑色頁巖相-合并為紋層狀頁巖，第3部分為粉砂巖。再將這些樣品經二氯甲烷抽提處理后，優(yōu)選部分樣品測試了孔隙結構及孔隙度特征。

2.3.1 孔隙度

經過氯仿充分抽提處理后，張家灘頁巖的孔隙度明顯變大，洗油前孔隙度平均為2.51%，洗油后平均為3.28%（圖3）。研究表明頁巖孔隙含有一定數(shù)量的烴類組分。不同巖性、巖性組合、同一巖性之間的孔隙度（洗油后）變化范圍大，非均質性強（圖4）。泥頁巖洗油前平均孔隙度約1.78%，洗油后平均孔隙度2.32%；含紋層頁巖洗油前平均孔隙度約1.89%，洗油后平均孔隙度約3.21%；粉砂巖紋層洗油前平均孔隙度約3.6%，洗油后平均孔隙度約3.93%。

圖3 富縣地區(qū)張家灘頁巖含烴孔隙度特征Fig.3 Hydrocarbon bearing porosity characteristics of Zhangjiatan shale in Fuxian area

2.3.2 孔隙結構

利用核磁共振等孔隙結構表征方法分析不同巖相的孔隙結構特征，表明粉砂巖紋層和夾層的中大孔比較發(fā)育（圖5，圖6），核磁T2譜的特征以多峰和左偏型為主，平均微孔孔體積僅占總孔體積的3.8%，中孔和大孔分別占49%和55.2%。粉砂巖紋層中中孔和大孔發(fā)育一方面和無機粒間孔、溶蝕孔發(fā)育有關，另一方面和有機孔發(fā)育的固體瀝青有關。紋層不發(fā)育的黑色頁巖和灰黑色頁巖的核磁T2譜以多峰型、右偏單峰型為主，微孔相對較發(fā)育，其孔體積分別占總孔體積的28.9%,14.3%；中孔孔體積分別占總孔體積的46.0%，56.3%；大孔相對較少。

圖4 不同類型巖石洗油前后孔隙度對比Fig.4 Porosity comparison of different types of rocks before and after oil washing

圖5 不同類型巖石的孔隙結構的核磁共振T2譜特征Fig.5 NMR T2 spectrum characteristics of pore structure of different types of rocks

圖6 不同巖相的微孔、中孔和大孔體積占比對比Fig.6 Volume ratio of micropore，mesopore and macropore in different lithofacies

2.4 有機地球化學特征

2.4.1 總有機碳含量

在5種巖石類型中黑色頁巖具有最高的TOC分布，分布范圍在2.7%～20.3%，平均值為6.03%；發(fā)育紋層黑色頁巖的TOC次之，分布范圍在2.0%～13.2%，平均值為5.26%；灰黑色頁巖的TOC分布范圍在1.26%～7.81%，平均值為4.08%；發(fā)育紋層灰黑色頁巖的TOC值分布范圍在0.45%～6.49%，平均值為3.12%；粉砂巖層的TOC最低，分布范圍在0.40%～10%，平均值為2.24%（圖7）。

2.4.2 可溶烴（S1）和熱解烴（S2）含量在5種巖石類型中黑色頁巖的S1和S2含量相對最高，平均值分別為4.74 mg/g和12.08 mg/g；灰黑色頁巖的S1和S2平均值分別為3.28 mg/g和7.60 mg/g；發(fā)育紋層黑色頁巖的S1和S2平均值分別為4.56 mg/g和9.98 mg/g；發(fā)育紋層灰黑色頁巖的S1和S2平均值分別為2.80 mg/g和6.0 mg/g；粉砂巖層的S1和S2最低，分布范圍分別在0.31～6.22 mg/g和0.39～11.98 mg/g，平均值分別為1.88 mg/g和2.67 mg/g（圖8，圖9）。

圖7 不同巖相的有機碳含量分布Fig.7 Proportion of organic carbon content in different lithofacies

2.4.3 氯仿瀝青“A”含量

利用實測的延長組頁巖的氯仿瀝青“A”數(shù)據(jù)，結合收集的氯仿瀝青‘A’數(shù)據(jù)分析了延長組不同巖石相的氯仿瀝青“A”含量。富縣地區(qū)長7油層組頁巖層系不同類型巖石的氯仿瀝青“A”的分布特征不同，黑色頁巖的氯仿瀝青“A”含量變化范圍為0.37%～2.13%，平均值分別為0.88%；灰黑色頁巖的氯仿瀝青“A”分布范圍在0.30%～1.22%，平均值為0.80%；發(fā)育紋層黑色頁巖具的氯仿瀝青“A”值分布范圍在0.23%～1.32%，平均值分別為0.65%；發(fā)育紋層灰黑色頁巖具有相對較高的氯仿瀝青“A”分布，其值分布范圍分別在0.39%～1.55%，平均值分別為0.63%；粉砂巖層的氯仿瀝青“A”最低，分布范圍在0.15%～0.84%，平均值為0.32%（圖10）。

2.4.4 含油飽和度指數(shù)

張家灘頁巖內不同類型巖石的相對含油量（含油飽和度指數(shù)，S1×100/TOC）的分布特征不同。黑色頁巖的相對含油量（S1×100/TOC）分布范圍在36.2～213.8 mg/g TOC，平均值分別為84.7 mg/g TOC；灰黑色頁巖的相對含油量分布次之，分布范圍在16.40×166.5 mg/g TOC，平均值為82.1mg/g TOC；發(fā)育紋層黑色頁巖的相對含油量分布范圍在28.24～280.90 mg/g TOC，平均值為97.4 mg/g TOC；含紋層灰黑色頁巖具有最低的相對含油量分布，其值分布范圍分別在36.54～175.69 mg/g TOC，平均值分別為89.7 mg/g TOC；粉砂巖層的相對含油量相對較高，分布范圍在34.16×276.02 mg/g TOC，平均值為131 mg/g TOC（圖11）。

3 油氣地質意義

3.1 頁巖含油氣性

富縣地區(qū)張家灘頁巖段蘊藏著豐富的頁巖油資源，不同巖相的巖石的礦物組分、含油性、孔隙度、地球化學特征等表現(xiàn)出不同特征，精細劃分頁巖巖相，對于頁巖含油性預測具有重要意義。

圖8 不同巖相的S1含量分布Fig.8 S1 content distribution of different lithofacies

圖9 不同巖相的S2含量分布Fig.9 S2 content distribution of different lithofacies

圖10 不同類型巖石的氯仿瀝青“A”參數(shù)分布Fig.10 Parameter distribution of chloroform asphalt “A” in different types of rocks

圖11 不同類型巖相的S1×100/TOC（OSI）參數(shù)分布Fig.11 S1×100/TOC（OSI）parameter distribution of different types of rocks

頁巖中有利的巖相是頁巖油賦存的甜點區(qū)。對于泥頁巖而言，國內外學者一般利用油飽和指數(shù)OSI（S1×100/TOC）來表征泥頁巖中游離油量的多少，作為頁巖油富集的標準[23]。泥頁巖內部砂質紋層發(fā)育程度、有機質豐度、熱演化程度等控制頁巖油儲層孔隙度及含油性大小的關鍵地質因素，也是頁巖油井能否獲得高產的重要因素。微觀尺度下，頁巖油以碎屑顆粒表面包膜形式和全孔充填2種產狀賦存于儲層中，可動油多數(shù)分布孔徑大于20 nm的孔隙中，是該區(qū)有效孔隙孔徑的下限，砂質紋層中的可動油比例相對較高。無機孔—微裂縫—有機質—有機孔和粉砂巖紋層構成的網(wǎng)絡體系是頁巖油氣源內運移的重要通道體系和滯留空間。黑色頁巖、含粉砂質紋層黑色頁巖、灰黑色頁巖、粉砂質紋層灰黑色頁巖、粉砂巖等5種巖相中，粉砂巖的OSI平均為131 mg/g，含粉砂質紋層黑色頁巖的OSI平均值為97.4 mg/g，均具有較好的可動性（圖12）。研究認為頁巖油賦存的最有利巖相為粉砂巖相，次為含粉砂質紋層黑色頁巖。

圖12 泥頁巖中不同巖相可動性指數(shù)Fig.12 Mobility indexes of different lithofacies in shale

3.2 頁巖油勘探開發(fā)的指示意義

前人研究表明張家灘頁巖生烴能力較強，排烴效率高，為烴源巖層系內部頁巖油近源運移成藏和甜點規(guī)模發(fā)育提供了有利條件，勘探潛力巨大[23-24]。對張家灘頁巖地化特征和儲集性能的分析表明，頁巖層系具備良好的源儲配置，頁巖層系的巖相類型對頁巖油氣聚集至關重要。對于張家灘頁巖中夾持發(fā)育的細砂巖、粉砂巖而言，源-儲一體的先天優(yōu)勢使這些內部粉-細砂巖夾層的原始含油飽和度平均達到50%，是當前下最有利的勘探目標，應重點研究此類巖相的分布規(guī)律，這對于陸相頁巖油富集層優(yōu)選，確定水平井鉆探靶窗，獲得高產至關重要（圖13）。對于張家灘頁巖內部滯留烴而言，盡管可動烴資源量十分可觀，但目前對這部分資源還沒有實現(xiàn)有效動用。由于烴源巖內部烴類的賦存方式與粉-細砂巖夾層中的烴類存在明顯差異，為了實現(xiàn)張家灘頁巖中-高成熟區(qū)紋層狀和層狀基質型頁巖油資源的有效開采，需要著手解決富有機質、高黏土礦物含量帶來的特殊工程工藝技術問題。目前已有專家學者提出采用地下原位加熱轉化技術是有望實現(xiàn)有效開發(fā)利用的關鍵技術，也是未來發(fā)展的方向[25]。

圖13 張家灘頁巖中砂巖發(fā)育特征Fig.13 Sandstone development in “Zhangjiatan” shale

4 結 論

1）提出富縣地區(qū)張家灘頁巖巖相為黑色頁巖巖相、灰黑色泥頁巖巖相、紋層狀黑色頁巖巖相、紋層狀灰黑色泥頁巖巖相、粉砂巖相、凝灰?guī)r相等6種巖石相類型。

2）研究不同巖相的巖石礦物組分、孔隙度、有機地球化學特征等，認為粉砂巖相和紋層狀黑色頁巖的可動性指數(shù)明顯高于其他巖相。

3）提出頁巖油賦存的最有利巖相為粉砂巖相，次為含粉砂質紋層黑色頁巖巖相。

4）研究張家灘頁巖地球化學特征對于預測頁巖含油性，指導頁巖油勘探開發(fā)具有較大的意義。