任珠琳 ，李曉光 ，王龍 ，單衍勝 ，王廣源 ，唐玄 ，楊升宇

（1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）海相儲(chǔ)層演化與油氣富集機(jī)理教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）能源學(xué)院，北京 100083；3.中國(guó)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(guó)）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(shí)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(zhǎng)等特點(diǎn)［3］。我國(guó)北方地區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，沉積盆地主要為陸相、海陸過渡相，富有機(jī)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(duì)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(duì)中生界梨樹溝組的研究較為薄弱。梨樹溝組暗色富有機(jī)質(zhì)泥頁巖地層厚度大、分布穩(wěn)定，是遼河?xùn)|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(duì)中國(guó)北方陸相頁巖氣的形成條件進(jìn)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(zhǎng)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(yíng)口隆起相連，西以佟二堡斷層為界接?xùn)|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(shí)，東部凸起進(jìn)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(yùn)動(dòng)，強(qiáng)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(yíng)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(shí)期，全區(qū)普遍發(fā)育濱淺湖至深湖相的富有機(jī)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(diǎn)及有機(jī)質(zhì)豐度、有機(jī)質(zhì)類型、熱演化程度、生烴強(qiáng)度等地球化學(xué)參數(shù)是影響頁巖氣生成、成因類型的重要指標(biāo)［2，7-8］。

2.1 泥頁巖分布特點(diǎn)

中生界梨樹溝組沉積時(shí)期處于湖盆擴(kuò)張期，湖盆范圍擴(kuò)大，沉積環(huán)境以半深湖—深湖相為主，水體較深，水動(dòng)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(xì)砂巖。湖盆中心的大部分區(qū)域以暗色細(xì)粒巖系為主，富含有機(jī)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(gè)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(yíng)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(jī)地球化學(xué)特征

2.2.1 有機(jī)質(zhì)類型

梨樹溝組為湖泊相沉積，通過對(duì)中生界梨樹溝組8口井泥頁巖樣品的干酪根顯微組分進(jìn)行鑒定分析，該組泥頁巖殼質(zhì)組質(zhì)量分?jǐn)?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(jī)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(jī)質(zhì)豐度

梨樹溝組暗色泥頁巖樣品實(shí)測(cè)的有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?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?jǐn)?shù)平均為0.15%，生烴潛量為0.83 mg/g。平面上，梨樹溝組TOC達(dá)到1.5%以上的高值區(qū)主要位于凸起西側(cè)，沿營(yíng)口—佟二堡斷裂呈帶狀分布（見圖1）。

2.2.3 有機(jī)質(zhì)成熟度

有機(jī)質(zhì)熱解分析測(cè)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(shí)驗(yàn)，確定氣源巖的最大生氣強(qiáng)度高達(dá)8×108m3/km2，綜合評(píng)價(jià)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(duì)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(zhǎng)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(zhǎng)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(biāo)。石英質(zhì)量分?jǐn)?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?jǐn)?shù)的主要因素［10］；同時(shí)石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加會(huì)提高巖石脆性，在壓裂時(shí)容易誘導(dǎo)裂縫產(chǎn)生并形成裂隙。實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，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(duì)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(zhǎng)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?jǐn)?shù)62.5%～78.1%，平均為75.8%。其中，石英為32.5%，斜長(zhǎng)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?jǐn)?shù)與海相地層泥頁巖相比偏低，但是方解石和斜長(zhǎng)石的質(zhì)量分?jǐn)?shù)普遍較高；總體上梨樹溝組泥頁巖脆性礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，完全能夠滿足頁巖氣富集及實(shí)施壓裂增產(chǎn)措施的標(biāo)準(zhǔn)，有利于頁巖氣的成藏及后期開發(fā)（見圖3）。

2.4 泥頁巖儲(chǔ)集物性

對(duì)于頁巖氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)，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(yàn)認(rèn)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(duì)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(jì)

對(duì)目的層段黑色泥頁巖樣品進(jìn)行掃描電鏡觀察及物理測(cè)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(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)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(zhǎng)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(duì)界17井2 395 m處梨樹溝組的巖心進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)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(fù)到90℃地層溫度，實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到10 h時(shí)，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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)［14］,計(jì)算得到泥頁巖的吸附氣量為1.62 m3/t?，F(xiàn)場(chǎng)解吸氣量不包括巖心的殘余氣量和無法計(jì)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(cè)算，泥頁巖含氣量平均可達(dá)3.24 m3/t。

圖4 暗色泥頁巖孔隙微觀特征

2.6 富集條件

對(duì)比中國(guó)南方含氣泥頁巖地層和鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組頁巖氣地層可知，梨樹溝組在沉積環(huán)境、有機(jī)質(zhì)類型、有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)等方面具有其獨(dú)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(zhǎng)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(qiáng)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(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?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?jǐn)?shù)、孔隙度和含氣性等關(guān)鍵地化條件，與鄂爾多斯延長(zhǎng)組大致相當(dāng)。

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(jī)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(zhǎng)組長(zhǎng)7段、長(zhǎng)9段地層條件進(jìn)行對(duì)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(jī)質(zhì)豐度高，具備頁巖氣生成和儲(chǔ)集的良好物質(zhì)基礎(chǔ)。與中國(guó)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(qiáng)度均與之相當(dāng)，具備良好的生烴潛力。

表1 遼河?xùn)|部地區(qū)與其他地區(qū)泥頁巖特征對(duì)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(zhǎng)組暗色泥頁巖具有很高的相似性，泥頁巖進(jìn)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?jǐn)?shù)高，裂縫相對(duì)發(fā)育，有利于后期開發(fā)時(shí)地層壓裂措施的實(shí)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(chǔ)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并掌握研究區(qū)目的層位頁巖沉積相特點(diǎn)、構(gòu)造模式、地化指標(biāo)、儲(chǔ)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(duì)頁巖氣發(fā)育有利區(qū)進(jìn)行預(yù)測(cè)［2］。

依照我國(guó)頁巖氣選區(qū)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，針對(duì)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(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，綜合研究區(qū)泥頁巖厚度、有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)、有機(jī)質(zhì)成熟度、含氣量等指標(biāo)，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?jǐn)?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(biāo)準(zhǔn)［17］。

梨樹溝組頁巖氣富集有利區(qū)主要沿營(yíng)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?cái)嗔颜共疾⑾驏|側(cè)及南北兩側(cè)逐漸減薄；而斷裂西側(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?。ㄒ妶D1）。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(jī)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(jī)質(zhì)類型主要為Ⅱ型，有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)高，熱演化程度適中，生烴強(qiáng)度大，脆性礦物質(zhì)量分?jǐn)?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?jǐn)?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(duì)頁巖氣發(fā)育有利區(qū)進(jìn)行預(yù)測(cè)，確定富集有利區(qū)主要沿營(yíng)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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