任珠琳 ，李曉光 ，王龍 ，單衍勝 ，王廣源 ，唐玄 ，楊升宇

（1.中國地質(zhì)大學（北京）海相儲層演化與油氣富集機理教育部重點實驗室，北京 100083；2.中國地質(zhì)大學（北京）能源學院，北京 100083；3.中國石油遼河油田公司勘探開發(fā)研究院，遼寧 盤錦 124010；4.中海石油（中國）有限公司天津分公司渤海油田勘探開發(fā)研究院，天津 300452）

頁巖氣是指主體位于暗色泥頁巖或高碳泥頁巖中，以吸附或游離狀態(tài)為主要存在方式的天然氣聚集，同時也存在于夾層狀的粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、甚至砂巖地層中，是天然氣生成之后在源巖內(nèi)就近聚集的結(jié)果，表現(xiàn)為典型的“原地”成藏模式［1-2］，具有成因類型多、資源量大、開發(fā)周期長等特點［3］。我國北方地區(qū)地質(zhì)條件復雜，沉積盆地主要為陸相、海陸過渡相，富有機質(zhì)泥頁巖的快速沉積使其具備頁巖氣聚集的基本條件。前人對遼河盆地東部地區(qū)泥頁巖的研究主要集中在上古生界石炭-二疊系、古近系沙河街組地層［4］，而對中生界梨樹溝組的研究較為薄弱。梨樹溝組暗色富有機質(zhì)泥頁巖地層厚度大、分布穩(wěn)定，是遼河東部地區(qū)重要的生烴源巖層，具備頁巖氣聚集潛力。本文試圖對中國北方陸相頁巖氣的形成條件進行初步探索。

1 泥頁巖發(fā)育構(gòu)造沉積背景

東部凸起位于遼河盆地東側(cè)，是遼東沉降帶向斷陷內(nèi)部的過渡區(qū)域，南北長80 km，東西寬20 km，面積1 600 km2。北以蘇家屯大斷層為界接沈陽隆起，南以騰鰲斷層為界與營口隆起相連，西以佟二堡斷層為界接東部凹陷，東以劉二堡逆斷層為界接遼東沉降帶，主體包括三界泡潛山及古近系尖滅線以東的范圍，東至中、古生界露頭區(qū)［5］。地層發(fā)育以斜坡為主要特征，由中生界和古生界組成。中生代中侏羅世時，東部凸起進入陸相裂谷發(fā)展階段，形成一系列斷陷盆地，并伴隨翹傾運動，強烈抬升形成西斷東剝的斜坡。研究區(qū)中生界地層主要沿界西斷裂和營口-佟二堡斷裂呈北東向延伸，沉降中心大體位于三界泡一帶，發(fā)育侏羅系地層。白堊系梨樹溝組沉積時期，全區(qū)普遍發(fā)育濱淺湖至深湖相的富有機質(zhì)暗色泥頁巖［6］，夾火山巖相及三角洲前緣相砂體。泥頁巖分布廣、厚度大，是東部地區(qū)中生界頁巖氣研究的重要層位（見圖1）。

圖1 梨樹溝組頁巖氣富集有利區(qū)平面分布

2 頁巖氣富集條件

泥頁巖的發(fā)育情況、分布特點及有機質(zhì)豐度、有機質(zhì)類型、熱演化程度、生烴強度等地球化學參數(shù)是影響頁巖氣生成、成因類型的重要指標［2，7-8］。

2.1 泥頁巖分布特點

中生界梨樹溝組沉積時期處于湖盆擴張期，湖盆范圍擴大，沉積環(huán)境以半深湖—深湖相為主，水體較深，水動力弱，為靜水還原環(huán)境。該組地層主要發(fā)育灰黑色—深灰色泥頁巖、油頁巖、碳質(zhì)泥頁巖，夾灰色細砂巖。湖盆中心的大部分區(qū)域以暗色細粒巖系為主，富含有機質(zhì)，具有頁巖氣生成與聚集的物質(zhì)基礎(chǔ)。

梨樹溝組地層厚度變化大，平面上自東向西逐漸增厚，平均厚度為460 m，可劃分為界12—界10井區(qū)、柳參1井區(qū)及佟2井區(qū)3個厚度中心，埋藏深度較上古生界淺，一般為350～4 100 m；泥頁巖平面展布與該組地層類似，沿營口—佟二堡斷裂帶表現(xiàn)為西厚東薄，厚度30～700 m，平均170 m。

2.2 有機地球化學特征

2.2.1 有機質(zhì)類型

梨樹溝組為湖泊相沉積，通過對中生界梨樹溝組8口井泥頁巖樣品的干酪根顯微組分進行鑒定分析，該組泥頁巖殼質(zhì)組質(zhì)量分數(shù)一般大于80%，大部分在90%以上，其次為鏡質(zhì)組和腐泥組，不含惰質(zhì)組；干酪根H/C為0.54～1.40，O/C為0.07～0.21， 其有機質(zhì)類型以半深湖—深湖相發(fā)育的Ⅱ型干酪根為主（見圖2），具有良好的生油氣潛力。

圖2 梨樹溝組泥頁巖顯微組分三角圖與干酪根范氏圖

2.2.2 有機質(zhì)豐度

梨樹溝組暗色泥頁巖樣品實測的有機碳質(zhì)量分數(shù)（TOC）為1.08%～3.73%，平均2.35%。超過半數(shù)樣品的TOC超過2%；氯仿瀝青“A”質(zhì)量分數(shù)平均為0.15%，生烴潛量為0.83 mg/g。平面上，梨樹溝組TOC達到1.5%以上的高值區(qū)主要位于凸起西側(cè)，沿營口—佟二堡斷裂呈帶狀分布（見圖1）。

2.2.3 有機質(zhì)成熟度

有機質(zhì)熱解分析測試表明，梨樹溝組泥頁巖鏡質(zhì)體反射率（Ro）值0.65%～1.51%；熱裂解峰值 Tmax介于429～455℃，平均為443℃，整體上處于低成熟—成熟的大量生氣階段，生烴潛力高。通過生排烴模擬實驗，確定氣源巖的最大生氣強度高達8×108m3/km2，綜合評價為中等—較好烴源巖。泥頁巖的熱演化程度主要受地層埋深的影響，梨樹溝組熱演化程度相對較高的地區(qū)主要分布在龍深1井—界12井一帶，以及佟2井、柳2井周圍，向東Ro值逐漸降低（見圖1）。

2.3 脆性礦物

泥頁巖主要由黏土礦物和碎屑礦物如石英、長石等組成，通常還包括鐵、錳、鋁的氧化物和氫氧化物以及碳酸鹽、硅質(zhì)礦物等少量其他礦物。受構(gòu)造、沉積等因素影響，泥頁巖的礦物組成往往變化很大［9］。其中，黏土礦物往往與泥頁巖的含氣量特別是吸附氣量關(guān)系密切；石英、長石、方解石等脆性礦物不僅影響泥頁巖含氣量，而且是衡量泥頁巖地層是否利于壓裂開發(fā)的重要指標。石英質(zhì)量分數(shù)高的泥頁巖，其孔隙度也較大，而孔隙度是決定頁巖氣游離氣質(zhì)量分數(shù)的主要因素［10］；同時石英質(zhì)量分數(shù)增加會提高巖石脆性，在壓裂時容易誘導裂縫產(chǎn)生并形成裂隙。實際生產(chǎn)時，頁巖氣的生產(chǎn)速度依賴于地層裂縫的發(fā)育程度，而裂縫發(fā)育程度很大程度上取決于頁巖的礦物組成，故頁巖的礦物組成對頁巖氣的產(chǎn)能有顯著影響［11］。構(gòu)成梨樹溝組暗色泥頁巖的主要礦物為石英、黏土、碳酸鹽巖類（方解石、白云石）、長石等，次要礦物為黃鐵礦、赤鐵礦。

研究區(qū)中生界梨樹溝組泥頁巖X衍射全巖分析數(shù)據(jù)表明，脆性礦物質(zhì)量分數(shù)62.5%～78.1%，平均為75.8%。其中，石英為32.5%，斜長石為25.6%，方解石為9.7%，此外還含有少量的赤鐵礦和黃鐵礦。雖然石英的質(zhì)量分數(shù)與海相地層泥頁巖相比偏低，但是方解石和斜長石的質(zhì)量分數(shù)普遍較高；總體上梨樹溝組泥頁巖脆性礦物質(zhì)量分數(shù)較高，完全能夠滿足頁巖氣富集及實施壓裂增產(chǎn)措施的標準，有利于頁巖氣的成藏及后期開發(fā)（見圖3）。

2.4 泥頁巖儲集物性

對于頁巖氣儲層評價，孔隙度決定著泥頁巖中游離氣的多少。以往頁巖氣開發(fā)經(jīng)驗認為，游離氣占孔隙總體積的50%。泥頁巖中的有效裂縫不僅是頁巖氣的主要聚集空間，也是天然氣從泥巖基質(zhì)向井筒中滲流的重要通道，裂縫的發(fā)育程度對頁巖氣的成功開發(fā)生產(chǎn)有著至關(guān)重要的影響［12-13］。

圖3 界17井梨樹溝組暗色泥頁巖礦物成分統(tǒng)計

對目的層段黑色泥頁巖樣品進行掃描電鏡觀察及物理測試分析表明，暗色泥頁巖孔隙發(fā)育，類型豐富，孔徑主要集中在1～10 μm，孔隙類型主要有殘余粒間孔、微孔及溶孔等，成巖自生礦物由伊利石等黏土礦物及碳酸鹽礦物組成，呈孔隙充填及襯墊式產(chǎn)出，可見碳酸鹽礦物充填于粒間及殘余粒間孔中?？诐B分析測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計表明，梨樹溝組泥頁巖孔隙度分布范圍為0.40%～3.22%，平均 2.58%；滲透率為（0.12～4.26）×10-3μm2，平均 1.88×10-3μm2。 泥頁巖裂縫發(fā)育，微觀裂縫分布密集，縫長1～100 μm，且被碳酸鹽巖全部或局部充填（見圖4）。

2.5 含氣性分析

對界17井2 395 m處梨樹溝組的巖心進行現(xiàn)場解析，巖心為深灰色泥頁巖和灰白色凝灰?guī)r互層，熒光顯示定義為油斑，泥頁巖中黃鐵礦發(fā)育，且含有大量高角度構(gòu)造裂縫，巖心投入水中不斷有氣泡析出。選取3.8 kg巖心，恢復到90℃地層溫度，實驗進行到10 h時，析出氣量幾乎不再變化，最大解吸氣量為224 mL，利用煤層氣國家標準［14］,計算得到泥頁巖的吸附氣量為1.62 m3/t?，F(xiàn)場解吸氣量不包括巖心的殘余氣量和無法計量的損失氣量［15］，按研究區(qū)吸附氣量和游離氣量各占50%測算，泥頁巖含氣量平均可達3.24 m3/t。

圖4 暗色泥頁巖孔隙微觀特征

2.6 富集條件

對比中國南方含氣泥頁巖地層和鄂爾多斯盆地延長組頁巖氣地層可知，梨樹溝組在沉積環(huán)境、有機質(zhì)類型、有機碳質(zhì)量分數(shù)等方面具有其獨特的性質(zhì)。南方含氣泥頁巖層系主要為古生界海相沉積，干酪根類型以Ⅰ型為主；梨樹溝組泥頁巖與鄂爾多斯延長組泥頁巖類似，同為陸相湖盆沉積，干酪根類型以Ⅱ型為主，生氣強度大。整體上看，遼河盆地東部地區(qū)下白堊統(tǒng)梨樹溝組暗色泥頁巖厚度、分布范圍、有機碳質(zhì)量分數(shù)、熱成熟度等地化參數(shù)，以及埋藏深度、脆性礦物質(zhì)量分數(shù)、孔隙度和含氣性等關(guān)鍵地化條件，與鄂爾多斯延長組大致相當。

東部地區(qū)下白堊統(tǒng)梨樹溝組地層厚度大，最大厚度為1 200 m，全區(qū)厚度平均為460 m，且泥頁巖十分發(fā)育，富有機質(zhì)暗色泥頁巖厚度大。TOC最大為3.53%，平均為2.35%，絕大部分地區(qū)超過了0.50%。與已成功產(chǎn)出陸相頁巖氣的鄂爾多斯三疊系延長組長7段、長9段地層條件進行對比（見表1），遼河盆地東部地區(qū)梨樹溝組泥頁巖厚度大，分布面積廣，有機質(zhì)豐度高，具備頁巖氣生成和儲集的良好物質(zhì)基礎(chǔ)。與中國南方海相泥頁巖地層相比，梨樹溝組泥頁巖含氣量和生烴強度均與之相當，具備良好的生烴潛力。

表1 遼河東部地區(qū)與其他地區(qū)泥頁巖特征對比

泥頁巖成熟度適中，Ro最小為0.65%，最大為1.51%，平均為1.02%，與鄂爾多斯延長組暗色泥頁巖具有很高的相似性，泥頁巖進入低成熟—成熟的大量生氣階段，具備頁巖氣富集的基本條件。另外，梨樹溝組泥頁巖的平均埋深較淺，孔隙度0.40%～3.22%，脆性礦物質(zhì)量分數(shù)高，裂縫相對發(fā)育，有利于后期開發(fā)時地層壓裂措施的實施。綜合以上分析可知，梨樹溝組暗色泥頁巖地層利于頁巖氣形成和儲集，可以作為頁巖氣勘探和開發(fā)的有利層位。

3 頁巖氣富集有利區(qū)優(yōu)選

在整合大量實驗數(shù)據(jù)并掌握研究區(qū)目的層位頁巖沉積相特點、構(gòu)造模式、地化指標、儲集特征及含氣量等信息的基礎(chǔ)上，采用綜合信息疊合法對頁巖氣發(fā)育有利區(qū)進行預測［2］。

依照我國頁巖氣選區(qū)標準的規(guī)定，針對陸相頁巖氣，主要將泥頁巖有效厚度不小于10 m、TOC平均不小于1.5%、Ro不小于0.5%、含氣量不小于0.5 m3/t的泥頁巖區(qū)塊作為有利區(qū)考慮。在此標準基礎(chǔ)上，綜合研究區(qū)泥頁巖厚度、有機碳質(zhì)量分數(shù)、有機質(zhì)成熟度、含氣量等指標，結(jié)合孔隙度、滲透率、裂縫發(fā)育情況及脆性礦物質(zhì)量分數(shù)等物性參數(shù)［9,16］，選取單層厚度大于5 m，且連續(xù)厚度不小于30 m，TOC大于1.5%，Ro大于0.5%的泥頁巖作為研究區(qū)內(nèi)有利區(qū)篩選的標準［17］。

梨樹溝組頁巖氣富集有利區(qū)主要沿營口—佟二堡斷裂呈帶狀分布，斷裂東側(cè)分別以佟2井—佟3井、柳1井—柳2井為中心區(qū)域，大體沿斷裂展布并向東側(cè)及南北兩側(cè)逐漸減?。欢鴶嗔盐鱾?cè)頁巖氣富集有利區(qū)主要集中在研究區(qū)南北兩端并以龍1井—龍深1井、界10井—界12井為中心區(qū)域，向中部逐漸減薄（見圖1）。整體上有利區(qū)泥頁巖含氣量均大于1 m3/t。

4 結(jié)論

1）遼河盆地東部地區(qū)中生界下白堊統(tǒng)梨樹溝組地層主體發(fā)育半深湖—深湖相暗色富有機質(zhì)泥頁巖，地質(zhì)及地化條件較為優(yōu)越，可以作為中生界頁巖氣的主力開發(fā)層系。

2）梨樹溝組泥頁巖厚度大、分布廣、地層穩(wěn)定性好，有機質(zhì)類型主要為Ⅱ型，有機碳質(zhì)量分數(shù)高，熱演化程度適中，生烴強度大，脆性礦物質(zhì)量分數(shù)高，孔隙類型以殘余粒間孔、微孔及溶孔為主，碳酸鹽巖質(zhì)量分數(shù)高，裂縫發(fā)育，頁巖氣富集潛力巨大。

3）采用綜合信息疊合法對頁巖氣發(fā)育有利區(qū)進行預測，確定富集有利區(qū)主要沿營口—佟二堡斷裂呈帶狀分布，并以佟2井—佟3井、柳1井—柳2井、龍1井—龍深1井、界10井—界12井為中心的區(qū)域，是東部地區(qū)中生界頁巖氣勘探和開發(fā)的核心有利區(qū)。

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