張 波

(1.中國石油大學(xué)，山東 青島 266580；2.中國石化勝利油田分公司，山東 東營 257015)

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陽信洼陷沙一段頁巖氣富集規(guī)律

張 波1，2

(1.中國石油大學(xué)，山東 青島 266580；2.中國石化勝利油田分公司，山東 東營 257015)

為探明陽信洼陷沙一段頁巖氣富集規(guī)律，確定下一步勘探方向，利用地球化學(xué)資料分析了頁巖氣成因類型和來源，通過對已鉆井進(jìn)行剖析，總結(jié)了頁巖氣富集的主要控制因素和頁巖氣富集規(guī)律。研究表明：陽信洼陷沙一段頁巖氣藏屬于生物成因的“自生自儲”天然氣藏。陽信洼陷沙一段頁巖氣資源量為400×108～500×108m3，氣源較充足；沙一中下亞段灰?guī)r及砂巖夾層較發(fā)育，并且沙一上亞段泥巖蓋層分布穩(wěn)定，構(gòu)造活動也較弱，有利于頁巖氣的富集。研究區(qū)東部披覆構(gòu)造帶和南部斜坡帶夾層發(fā)育，具有單層厚度大、物性好的特點(diǎn)，是研究區(qū)頁巖氣勘探的首選區(qū)帶。

頁巖氣；富集規(guī)律；生物成因；沙一段；陽信洼陷；濟(jì)陽坳陷

0 引 言

頁巖氣是一種非常規(guī)天然氣資源，主要以吸附和游離狀態(tài)賦存于暗色泥頁巖中，是一種連續(xù)型天然氣聚集[1-2]。20世紀(jì)90年代以來，國內(nèi)外多個盆地已經(jīng)開始了商業(yè)性頁巖氣勘探[3-10]。渤海灣盆地是中國陸相泥頁巖發(fā)育的六大主要盆地之一，主要勘探目的層是沙一段至沙三段[11]，其中濟(jì)陽坳陷古近系沙河街組普遍發(fā)育泥頁巖，具有頁巖厚度大、分布范圍廣、有機(jī)質(zhì)類型好、豐度高的特點(diǎn)，具備大量形成頁巖氣藏的物質(zhì)基礎(chǔ)[12]。濟(jì)陽坳陷頁巖氣的研究與勘探相對較晚，目前還只是處于起步階段。陽信洼陷是濟(jì)陽坳陷發(fā)現(xiàn)頁巖氣最早的地區(qū)，早在1976年完鉆的陽1井就在沙一段獲得近萬方的頁巖氣氣流，2005年上報預(yù)測天然氣含氣面積為164.5 km2，天然氣地質(zhì)儲量為146.2×108m3，具有連片含氣的特征，展示了較大的天然氣勘探潛力。從地球化學(xué)特征分析入手，在明確頁巖氣成因及來源的基礎(chǔ)上，對已發(fā)現(xiàn)氣藏進(jìn)行了深入解剖，總結(jié)了頁巖氣富集主控因素，明確了頁巖氣的富集規(guī)律和重點(diǎn)勘探方向。

1 沙一段地質(zhì)特征

陽信洼陷隸屬于濟(jì)陽坳陷惠民凹陷東北部的次一級負(fù)向構(gòu)造單元，北以陽信斷層與無棣凸起相鄰，向南超覆于林樊家構(gòu)造之上，勘探面積約為1 300 km2。研究區(qū)已完鉆探井45口，沙一段見天然氣顯示井28口，14口井解釋為氣層，5口井試氣，3口井獲得工業(yè)氣流。

1.1 構(gòu)造特征

從研究區(qū)T2構(gòu)造圖分析來看(圖1)，沙一段沉積時期斷裂活動較弱，除北部控洼斷層發(fā)育外，盆地內(nèi)斷層基本不發(fā)育。整體上呈“平底鍋”的形態(tài)，沉積中心位于中西部。在洼陷東部，由于沙三沉積時期巖漿噴發(fā)形成了一條近東西走向的火山山脈，后期沉積的地層披覆其上形成了大型披覆構(gòu)造帶——商店鼻狀構(gòu)造帶[13]。這種獨(dú)特的地質(zhì)構(gòu)造特征為研究區(qū)頁巖氣的生成與聚集成藏創(chuàng)造了有利條件。

1.2 地層特征

沙一段沉積時期，陽信洼陷氣候溫暖潮濕，湖盆水體穩(wěn)定，整體發(fā)育濱淺湖—半深湖沉積，地層厚度為0～170 m。根據(jù)巖性、電性特征的差異，將沙一段分為3個亞段。其中沙一段上亞段巖性以灰色、深灰色泥巖，砂質(zhì)泥巖，灰質(zhì)泥巖及褐灰色油泥巖為主，夾薄層泥質(zhì)灰?guī)r、粉砂巖和泥質(zhì)粉砂巖，自然電位平直，電阻率測井值低，曲線形態(tài)為鋸齒狀；沙一段中亞段以深灰色的泥巖、灰質(zhì)泥巖、褐灰色油頁巖、油泥巖互層為主，夾淺灰色泥質(zhì)灰?guī)r、生物灰?guī)r、生物白云巖薄層，自然電位整體平直，偶見低幅指狀異常，電阻率測井值較高，灰?guī)r發(fā)育段呈高幅尖峰狀；沙一段下亞段為灰色、深灰色的泥巖、灰質(zhì)泥巖為主，夾淺灰色粉砂巖、灰質(zhì)粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖和白云巖薄層，自然電位平直，偶見低幅指狀異常，電阻率測井值略高于沙一上亞段，曲線形態(tài)為鋸齒狀。

圖1 陽信洼陷T2構(gòu)造

2 頁巖氣成因及來源

2.1 頁巖氣成因

通過對頁巖氣天然氣地球化學(xué)特征的分析，陽信洼陷沙一段天然氣相對密度一般為0.560 0～0.596 2，平均為0.571 1，甲烷含量為95.00%～98.49%，平均為97.30%；重?zé)N(C2+)含量平均為0.14%左右；非烴(CO2+N2)含量平均為1.88%；甲烷系數(shù)為0.998 2～0.999 2，平均為0.998 6，干燥系數(shù)為543.1～1 214.5，平均為804.7，是典型的干氣。天然氣甲烷碳同位素δ13C1為-60.88‰～-56.46‰，平均為-59.31‰，具有與國內(nèi)外典型生物氣田δ13C1(小于-55.00‰)相似的特征[14]，由此可以判定陽信洼陷沙一段天然氣屬于生物成因氣。

2.2 頁巖氣來源

陽信洼陷沙河街組存在沙一段、沙三段2套烴源巖，兩者熱演化程度較低，Ro值均小于0.5%，用δ13C1—Ro關(guān)系判斷天然氣來源較為困難。因此，利用源巖吸附氣碳同位素對比的方法確定頁巖氣來源。分別對研究區(qū)陽24井沙一段和陽25井沙三段源巖段的巖屑罐裝樣品進(jìn)行了脫氣碳同位素地球化學(xué)分析。從分析結(jié)果來看(表1)，陽24井烴源巖吸附氣甲烷碳同位素值范圍為-61.6‰～-51.91‰，平均為-55.30‰；陽25井烴源巖吸附氣甲烷碳同位素值范圍為-51.04‰～-47.94‰，平均為-49.7‰?？梢娚骋欢翁烊粴饧淄樘纪凰嘏c沙一段源巖吸附氣甲烷碳同位素更為接近，沙一段頁巖氣藏為自源氣藏。

表1 陽信洼陷烴源巖罐裝樣脫氣碳同位素

綜上分析，陽信洼陷沙一段天然氣藏屬于生物成因的“自生自儲”的天然氣藏，且具有連片含氣的特征，是典型的頁巖氣藏。

3 頁巖氣富集主控因素

3.1 充足的氣源為頁巖氣富集提供了基礎(chǔ)

較快的沉積速率和較強(qiáng)的還原環(huán)境是黑色頁巖形成的重要條件[15]。陽信洼陷沙一段沉積速率可達(dá)0.6 mm/a[16]，屬于較快速沉積環(huán)境，該沉積時期在陽信洼陷形成分布范圍廣、水體相對較深的半深湖環(huán)境，有利于早期沉積物得到迅速的埋藏和保存。巖心地球化學(xué)分析結(jié)果表明，陽信洼陷沙一段氣源巖有機(jī)質(zhì)類型為Ⅰ型，腐泥組含量可達(dá)91.7%～97.7%；有機(jī)碳含量一般為1.20%～3.50%，最高可達(dá)11.80%，平均含量為4.26%；氯仿瀝青“A”含量平均為0.209 7%；Ro值為0.27%～0.35%[17]，綜合評價為優(yōu)質(zhì)的氣源巖。

還原環(huán)境和中性水介質(zhì)條件有利于生物成因氣的生成[18]。陽信洼陷沙一段微量元素(表2)分析可以看出，泥巖微量元素鐵錳比小于1.0，鍶鋇比大于1.0，表明沙一段屬于咸化沉積環(huán)境。泥巖抽提物氣相色譜分析中姥植比為0.43～0.77，表現(xiàn)為植烷優(yōu)勢，而且沙一段源巖中富含黃鐵礦，其含量最高可達(dá)4.50%，這些證據(jù)均表明沙一段為還原沉積環(huán)境。沙一段地層水pH值為6.0～7.0，為中性水介質(zhì)條件[19]。以上分析表明，沙一段為咸水還原沉積環(huán)境和中性水介質(zhì)條件，這為沙一段頁巖氣大量生成提供了重要保障。

表2 陽信洼陷沙一段巖樣微量元素分析數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

生物氣最有利的生成溫度為30～65 ℃[20]，實(shí)鉆井測溫數(shù)據(jù)表明沙一段地溫大多介于54～63 ℃，正處于生物氣生烴有利溫度區(qū)間。對陽信洼陷沙一段烴源巖進(jìn)行了生氣模擬實(shí)驗(yàn)，從沙一段生烴強(qiáng)度圖中可以看出(圖2)，主生氣帶內(nèi)，生烴強(qiáng)度可以達(dá)到100×108m3/km3以上。研究表明，有機(jī)質(zhì)母質(zhì)類型越好總生氣量就越大[21]，陽信洼陷沙一段氣源巖有機(jī)質(zhì)類型為I型，氣源巖厚度一般為10～120 m，分布面積近1 200 km2，結(jié)合生烴強(qiáng)度初步測算頁巖氣資源量為400×108～500×108m3，資源潛力較大，為頁巖氣的富集提供了充足的保障。

3.2 夾層的發(fā)育程度決定了頁巖地層的儲集能力

在頁巖氣藏中，天然氣不僅賦存于暗色泥頁巖中，也存在于夾層狀的粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖甚至砂巖地層中[22]。陽信洼陷沙一段普遍發(fā)育薄層砂巖及灰?guī)r夾層，且以灰?guī)r夾層最為發(fā)育?；?guī)r夾層主要發(fā)育在濱淺湖區(qū)、水下高地上及周圍[23-24]，研究區(qū)灰?guī)r單層厚度一般為1.0～4.0 m，含有介形蟲、螺等大量生物碎片，原生孔隙和次生孔隙比較發(fā)育，孔隙度一般為4.6%～20.3%，滲透率為2.0×10-3～19.2×10-3μm2。砂巖夾層單層厚度一般為0.5～1.0 m，泥質(zhì)膠結(jié)，較疏松，孔隙度為8.8%～24.6%，滲透率為4.4×10-3～130.0×10-3μm2。這些夾層是天然氣的良好儲集體，其存在大大提高了頁巖地層的儲集能力，更有利于頁巖氣藏富集高產(chǎn)。

3.3 穩(wěn)定分布的泥巖和較弱的構(gòu)造活動提供了良好的保存條件

研究區(qū)沙一段暗色泥巖縱向厚度大，尤其是沙一上亞段連續(xù)沉積泥巖厚度可達(dá)50 m，而且在平面上分布廣泛且穩(wěn)定，為頁巖氣的富集提供了良好的蓋層條件。同時研究區(qū)從沙一段沉積時期之后構(gòu)造活動減弱，僅北部控洼斷層有所活動，避免了頁巖氣因構(gòu)造破壞而造成大量散失。

圖2 陽信洼陷沙一段生烴強(qiáng)度

4 頁巖氣富集規(guī)律

在對頁巖氣富集主要控制因素分析的基礎(chǔ)上，對陽信洼陷沙一段已鉆遇頁巖氣藏進(jìn)行了剖析，明確了天然氣富集規(guī)律。

縱向上，沙一中、下亞段氣藏富集。從東西向氣藏剖面分析(圖3)，沙一中、下亞段砂巖、灰?guī)r夾層較發(fā)育，前已述及砂巖、灰?guī)r夾層雖薄，但物性極好，大大提高了泥頁巖的儲集性能，因此，夾層累計(jì)厚度及氣藏厚度越大，產(chǎn)能越高。研究區(qū)東部陽16井區(qū)夾層厚度大于中部陽101井區(qū)，產(chǎn)能提高了1倍；沙一上亞段巖性以泥巖為主，零星發(fā)育薄層砂質(zhì)條帶，氣藏不發(fā)育，主要起到封蓋沙一中、下亞段氣藏的作用?？梢娞烊粴獾母患潭热Q于砂巖和灰?guī)r夾層的發(fā)育程度。

圖3 陽信洼陷沙一段東西向氣藏剖面

平面上，靠近生氣中心氣藏更富集。從圖1中的已鉆井分析，在東部披覆構(gòu)造帶，陽16井區(qū)與陽17井區(qū)相比更靠近洼陷主體，陽16井區(qū)8口探井中有6口井解釋氣層，1口井試氣獲高產(chǎn)工業(yè)氣流，而陽17井區(qū)2口探井均未解釋氣層。

通過頁巖氣富集規(guī)律的分析，砂巖與灰?guī)r夾層發(fā)育區(qū)是下一步的重點(diǎn)勘探區(qū)。通過已完鉆井的分析，研究區(qū)南部斜坡帶及東部披覆構(gòu)造帶是夾層發(fā)育的有利區(qū)帶，而且緊鄰?fù)菹輲В琼搸r氣勘探的有利區(qū)帶。近期鉆井也證實(shí)了這一點(diǎn)：南部緩坡帶傾末端陽101井區(qū)3口開發(fā)井均鉆遇厚度較大的灰?guī)r夾層，并解釋氣層14層26.8 m。東部披覆構(gòu)造帶陽251井鉆遇生物灰?guī)r3層8.5 m，泥質(zhì)白云巖1層4.8 m，解釋氣層10.6 m。

5 結(jié) 論

(1) 陽信洼陷沙一段天然氣藏屬于生物成因的“自生自儲”的天然氣藏，且具有連片含氣的特征，是典型的頁巖氣藏。

(2) 頁巖氣富集主要受控于3個因素：充足的氣源為頁巖氣富集提供了基礎(chǔ)；夾層的發(fā)育程度決定了頁巖地層的儲集能力，其存在更有利于頁巖氣藏富集高產(chǎn)；穩(wěn)定分布的泥巖和較弱的構(gòu)造活動減少了頁巖氣的散失量，為頁巖氣的富集提供了十分有利的保存條件。

(3) 陽信洼陷頁巖氣藏主要分布在沙一段中下部，其富集程度主要受控于夾層的發(fā)育程度。南部斜坡帶及東部披覆構(gòu)造帶夾層較發(fā)育，具有單層厚度較大、物性好的特點(diǎn)，并且鄰近生氣中心，是研究區(qū)頁巖氣勘探的首選區(qū)帶。

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編輯 張 雁

20151106；改回日期：20151229

國家科技重大專項(xiàng)“深層油氣、非常規(guī)天然氣成藏規(guī)律與有利勘探區(qū)評價技術(shù)”(2011ZX05008-004)

張波(1972-)，男，高級工程師，1996年畢業(yè)于石油大學(xué)(華東)物探專業(yè)，現(xiàn)為中國石油大學(xué)(華東)地質(zhì)專業(yè)在讀博士研究生，主要從事油氣地質(zhì)研究工作。

10.3969/j.issn.1006-6535.2016.02.003

TE121.1

A

1006-6535(2016)02-0009-05