徐 浩， 解啟來， 陳孔全， 張 璽， 王嗣敏，劉福春， 李忠博， 楊秀輝， 徐 文

( 1. 中國科學院 廣州地球化學研究所，廣東 廣州 510640； 2. 中國科學院大學，北京 100049； 3. 華南農業(yè)大學 資源環(huán)境學院，廣東 廣州 510642； 4. 中國石化東北油氣分公司 勘探開發(fā)研究院，吉林 長春 130062； 5. 中國石油大學(北京) 地球科學學院，北京 102249 )

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彰武斷陷九佛堂組頁巖油氣潛力分析

徐 浩1,2， 解啟來3， 陳孔全4， 張 璽4， 王嗣敏5，劉福春4， 李忠博4， 楊秀輝4， 徐 文4

( 1. 中國科學院 廣州地球化學研究所，廣東 廣州 510640； 2. 中國科學院大學，北京 100049； 3. 華南農業(yè)大學 資源環(huán)境學院，廣東 廣州 510642； 4. 中國石化東北油氣分公司 勘探開發(fā)研究院，吉林 長春 130062； 5. 中國石油大學(北京) 地球科學學院，北京 102249 )

松遼盆地南部彰武斷陷九佛堂組發(fā)育大套半深湖—深湖相暗色泥頁巖夾油頁巖層.在巖心觀察、薄片鑒定和掃描電鏡分析基礎上，結合泥頁巖的分布、電性和地化特征、含油氣性、儲集和保存條件等，研究九佛堂組富有機質的暗色泥頁巖的頁巖油氣資源潛力.結果表明：九佛堂組暗色泥頁巖在測井曲線上具有“三高一低”的響應特征，縱向上厚度大，可識別上、下兩段泥頁巖層系，橫向上展布較廣；有機質豐度高，達到好的烴源巖標準，干酪根以Ⅰ型和Ⅱ1型為主，鏡質體反射率(Ro)為0.54%～1.10%；泥頁巖含油氣性較好，晶間、粒間微孔隙和微裂縫較發(fā)育；脆性礦物平均質量分數高達51.4%，易于儲層壓裂改造.九佛堂組沉積后期構造活動較弱，有利于頁巖油氣的保存.運用概率體積法估算頁巖油資源量為12 442.0×104t.

彰武斷陷； 九佛堂組； 泥頁巖； 頁巖油氣； 有機質豐度； 測井評價模型

0 引言

頁巖油是指以游離、吸附態(tài)或溶解態(tài)等多種方式賦存于富有機質且以納米級孔隙為主的有效生烴泥頁巖層系，具有勘探開發(fā)意義的連續(xù)或準連續(xù)型非氣態(tài)烴類[1-2]，為典型的自生自儲成藏[2-5].頁巖油賦存的主體是生烴泥頁巖，也包括泥頁巖層系中的致密砂巖、碳酸鹽巖等薄夾層.由于泥頁巖礦物組分、結構和構造存在特殊性，頁巖油多沿片狀層理面或與其平行的微裂縫分布[2,6].在地下高溫高壓的環(huán)境下，處于游離態(tài)的凝析油或輕質油更易在泥頁巖的納米級孔喉系統中流動，也是實現工業(yè)開采的主要類型[2,7].

我國頁巖油資源較為豐富，廣泛分布于松遼盆地白堊系、三塘湖盆地二疊系、四川盆地侏羅系、鄂爾多斯盆地三疊系、渤海灣盆地古近系等層系[6,8].沉積環(huán)境以陸相富有機質頁巖的湖侵—水體分層模式為主，有機質主要順層富集[6].目前，在鄂爾多斯、渤海灣和南襄等中新生代陸相盆地中，已不同程度地獲得頁巖油流[1,9-12]，如泌陽凹陷泌頁HF-1水平井分段壓裂后獲日產油為23.6 m3[1]，遼河坳陷曙古165井沙三段泥頁巖壓裂后原油日產能為24.0 m3[6].

在松遼盆地南部彰武斷陷實鉆的多口探井中，九佛堂組暗色泥頁巖顯示良好的氣測異常，并獲得工業(yè)油流[13].筆者根據彰武斷陷九佛堂組暗色泥頁巖分布、測錄井特征、地球化學特征、儲集和保存條件等，探討彰武斷陷頁巖油氣的資源潛力.

1 區(qū)域地質概況

彰武斷陷位于松遼盆地南部斷陷群的彰武—東勝斷裂帶，是以早白堊世沉積為主的陸相斷陷，區(qū)域上位于大冷斷陷以南、彰東斷陷以西、姚堡斷陷以北，整體呈北北東向展布，軸長為20 km，寬為3～5 km，面積為150 km2(見圖1).由圖1可知，結構上為東斷西超的單斷式箕狀，斷陷東北高、西南低.基底主要為太古界和早中元古界的變質砂巖、片麻巖等深變質巖系，屬于華北板塊和松嫩地塊的結合部位[14].斷陷主物源區(qū)來自于西北方向，至東南方向湖盆沉積中心粒度逐漸變細.研究區(qū)沉積地層主要為斷陷期地層，由下至上依次為義縣組(K1y)、九佛堂組(K1jf)、沙海組(K1sh)和阜新組(K1f)(見圖1).義縣期為盆地初始裂陷期，斷裂活動強烈；九佛堂—沙海—阜新期早期為盆地斷陷期，可劃分為快速沉降、穩(wěn)定沉降和抬升剝蝕3個階段；阜新末期后區(qū)域性抬升背景下地層遭受剝蝕，盆地進入坳陷期；第四系直接覆蓋在阜新組之上.缺失坳陷期地層.

2 沉積特征

研究區(qū)九佛堂組沉積時期為深斷陷湖盆，具有典型的水進退積型沉積序列，以半深湖—深湖亞相的欠補償沉積為主.九佛堂組沉積末期達到最大湖泛面，發(fā)育大套富含有機質的湖相泥頁巖層系.巖性特征主要為深灰色—黑色的泥巖、頁巖、油頁巖和粉砂質泥巖，以及灰色泥質粉砂巖與粉砂巖的薄夾層.在暗色泥頁巖中發(fā)育大量的輪藻、雙殼類、腹足類等生物碎屑，表明九佛堂組泥頁巖具有較豐富的有機質來源.

九佛堂組富有機質暗色泥頁巖沉積模式為典型的湖侵模式.相對湖平面的上升使得深水區(qū)形成大面積的缺氧環(huán)境，豐富的有機質供給及區(qū)內有利的保存、聚集和轉化條件，使有機質得以埋藏和富集，從而形成優(yōu)質的暗色泥頁巖與油頁巖.在斷陷沉積中心周圍，水體最深，沉積物供應速率慢，為欠補償沉積，是有機質賦存最為有利的密集段，剖面上有機碳質量分數w(TOC)往往最大[15]；相反，在斷陷沉積層序的邊界，有機碳質量分數往往較低.

3 生烴條件

3.1 模型建立與應用

九佛堂組富含有機質泥頁巖具有典型的“三高一低”的測井響應特征，即較高的電阻率、伽馬值和聲波時差，較低的體積密度[16]，如彰武3井1 272.5～1 436.0 m井段的泥頁巖實測表明，高阻泥頁巖層w(TOC)明顯高于低阻泥頁巖的w(TOC).w(TOC)高值區(qū)(3%～5%)多分布在電阻率高值區(qū)，巖性以黑色泥巖、頁巖和油頁巖為主；w(TOC)低值區(qū)(1%～2%)多對應電阻率低值區(qū)，巖性以灰色—深灰色泥巖和粉砂質泥巖為主.因此，結合富有機質泥頁巖的測井曲線響應特征，可以對九佛堂組泥頁巖層段進行縱向識別和橫向對比，并分析空間展布.

綜合彰武1(ZW1)、彰武2(ZW2)、彰武3(ZW3)、彰武2-1(ZW2-1)、彰武2-2(ZW2-2)、彰武3-1(ZW3-1)等鉆井的九佛堂組泥頁巖的實測w(TOC)、電性特征、氣測顯示及巖性分布，初步劃分上、下兩段具有生油氣潛力的泥頁巖層段，其各自的頂、底板均為泥巖層，內部無明顯的水層.若要厘定泥頁巖層段的評價單元，則需分析泥頁巖的地化指標是否符合相關既定標準[6,17]，即w(TOC)>0.5%，暗色泥頁巖厚度大于30 m.故需要根據實測深度點的w(TOC)，結合測井曲線推測其他無實測深度點泥頁巖的w(TOC)，即計算的w(TOC)[17].

目前，利用測井曲線計算烴源巖w(TOC)的ΔlgR法已經成熟[16,18-20].文中采用ΔlgR的改進模型，即選用聲波時差(AC)和電阻率(Rt)參數進行模擬計算.基于ΔlgR幅度差與w(TOC)的線性相關關系，結合實測烴源巖的w(TOC)，補充該地區(qū)的Δw(TOC)非生油層的w(TOC)背景值.ΔlgR法的改進模型為：w(TOC)=aΔlgR+b，其中，a為相關因數，b為Δw(TOC)，且均為常數項.

選取資料齊全的重點預探井ZW3井作為建模井，運用ΔlgR法建立測井評價有機質非均質性模型，利用穩(wěn)健的最小二乘法分別對ΔlgR幅度差和實測w(TOC)進行數值擬合，確定模型參數a和b(見圖2).其中，九佛堂組上、下段實測w(TOC)與ΔlgR幅度差相關性均較好，相關因數分別為0.877 0和0.842 6，且a和b值分別為0.269 0、0.116 8和0.399 4、0.225 2.根據所建立模型得到的疊合系數，反演出ZW3井九佛堂組上、下段泥頁巖層連續(xù)的w(TOC)，實測w(TOC)與計算值吻合度較好(見圖3，其中，CAL為井徑，SP為自然電位，GR為自然伽馬，CNL為補償中子，DEN為密度，AC為聲波時差，LLD為深側向電阻率).

圖2 九佛堂組泥頁巖實測w(TOC)與幅度差關系Fig.2 Correlation between measured w(TOC) and magnitude differences of mudshale in Jiufotang formation

利用ZW3井九佛堂組上、下段泥頁巖層w(TOC)的測井有機質非均質性模型，選取ZW2等井進行驗證(見圖4)，并應用于其他預探井和開發(fā)井，驗證和應用效果較好.因此，在獲得各井的九佛堂組上、下段泥頁巖層w(TOC)值的連續(xù)分布后，再結合泥頁巖評價單元需滿足的條件(w(TOC)>0.5%)，即可進一步篩選出九佛堂組上、下段泥頁巖層有效評價單元的累積厚度，并外推至平面分布.

3.2 單元分布

彰武斷陷九佛堂組發(fā)育上、下段富含有機質的泥頁巖夾油頁巖層，埋藏深度小于2 km，主體分布在1.0～1.5 km之間.根據測井有機質非均質性模型和泥頁巖有效評價單元，可以厘定各井在縱向上有效泥頁巖的累積厚度，并在橫向上進行對比(見圖5).由圖5可知，九佛堂組上、下段泥頁巖評價單元的有效累積厚度較大，最大厚度可達250 m.泥巖單層連續(xù)最大厚度可達67 m，評價單元的泥巖厚度占總厚度的64.5%～99.2%；其他為少量粉砂質泥巖和粉砂巖薄夾層，且夾層粉砂巖單層厚度均小于1 m.研究區(qū)九佛堂組下段灰黑色—黑色油頁巖夾層較上段多，單層厚度一般為2～4 m，局部單層最大厚度可達10 m.

3.3 地球化學特征

3.3.1 高有機質豐度

有機碳質量分數與頁巖油氣的生烴率具有較好的正相關性，并且直接影響頁巖油氣的資源前景[6,21-22].九佛堂組實測暗色泥頁巖巖心樣品157件，w(TOC)分布于0.15%～8.63%之間，平均為2.38%；熱解S1為(0.02～16.96)×10-3，平均為0.96×10-3；生烴潛力(S1+S2)為(0.03～61.46)×10-3，平均為17.86×10-3.總體上，九佛堂組暗色泥頁巖應為好的烴源巖.由研究區(qū)九佛堂組上、下段有效泥頁巖評價單元的w(TOC)平面分布可知，斷陷沉積中心是有機質賦存的密集段，其上、下段w(TOC)分別高達4.50%和3.00%，在靠近斷陷沉積中心處的ZW3、ZW2-1、ZW2-2、ZW3-1等井中實測有機質豐度較高，向斷陷邊緣方向有機質豐度降低(見圖6).

圖3 ZW3井九佛堂組泥頁巖w(TOC)測井模型效果Fig.3 Logging model effective diagrams of TOC of mudshale in Jiufotang formation of well ZW3

圖4 ZW2井九佛堂組泥頁巖w(TOC)測井模型驗證效果

圖5 九佛堂組泥頁巖厚度(單位：m)Fig.5 Isopach maps of mudshale in Jiufotang formation

圖6 九佛堂組泥頁巖w(TOC)等值線分布Fig.6 w(TOC) isograms of mudshale in Jiufotang formation

3.3.2 母質類型

九佛堂組暗色泥頁巖的母質來源以低等浮游生物和藻類為主，并混有少量陸生高等植物.泥頁巖干酪根顯微組分以殼質組(無定形)和鏡質組為主，分別為62%～88%和7%～38%，腐泥組較少，顯示為Ⅱ型干酪根；而H/C與O/C關系顯示出干酪根為Ⅰ型和Ⅱ1型；干酪根δ13C為-25.1‰～-30.2‰，表明以Ⅰ型和Ⅱ1型為主.因此，九佛堂組泥頁巖母質類型主要為Ⅰ型和Ⅱ1型.

3.3.3 熱演化程度

九佛堂組暗色泥頁巖巖心樣品實測鏡質體反射率(Ro)為0.54%～1.10%，表明已過生烴門限(見圖7)，最大熱解峰溫Tmax為435～460 ℃，處于低成熟—成熟的熱演化階段，即大量生油期.

九佛堂組上、下段暗色泥頁巖評價單元的厚度較大，埋深小于2 km，平面展布較廣，有機質豐度高，以Ⅰ型和Ⅱ1型干酪根為主且成熟度適中，作為好的烴源巖為頁巖油氣藏的形成提供充足的油氣來源.

圖7 九佛堂組泥頁巖Ro等值線分布Fig.7 Ro isogram of mudshale in Jiufotang formation

4 含油氣顯示

氣測錄井特征能較好地反映儲層的含油氣性，在頁巖油氣的識別評價中，有重要的參考和借鑒價值.美國Barnett頁巖的油氣勘探經驗也強調，在對泥頁巖進行勘探時，大量的天然氣顯示是必須的[23].在研究區(qū)的多口鉆井中，九佛堂組上、下段泥頁巖層顯示明顯的氣測異常，且粉砂巖薄夾層中也有明顯的油氣顯示，橫向上連續(xù)性較好，并在部分泥頁巖巖心中見黑褐色油斑.如ZW3井九佛堂組上、下段泥頁巖氣測全烴體積分數分別達5.06%和2.79%，甲烷體積分數分別達2.28%和1.70%，其中氣測組分主要為C1～C4，少量的為H2和CO2等，反映油型氣的典型特征.整體上，向斷陷東南部的沉積中心方向，氣測異常值增大.另外，在ZW2井和ZW3井鉆遇的泥頁巖、油頁巖夾粉砂質泥巖層中獲得工業(yè)油流，氣測全烴體積分數達2.80%.因此，研究區(qū)九佛堂組上、下段泥頁巖層評價單元的氣測異常與電性特征表明，湖相泥頁巖具有較好的含油氣性.

5 儲集和賦存條件

5.1 全巖礦物分析

九佛堂組暗色泥頁巖巖心樣品X線衍射全巖礦物分析結果見圖8.由圖8可知，脆性礦物質量分數占33.2%～62.3%(平均為51.4%)，包括石英、鉀長石和鈉長石，以及少量方解石和黃鐵礦；黏土礦物質量分數占37.7%～66.8%(平均為45.5%).不同鉆井巖心的黏土礦物成分差異較大，如靠近斷陷沉積中心的ZW3井伊利石和蒙脫石質量分數居多，分別為11.5%～21.0%和7.0%～31.0%，其次為綠泥石(質量分數為9.6%～23.0%)，僅個別樣品含有高嶺石(質量分數為8.7%).

5.2 微孔隙和微裂縫

根據巖心觀察、巖石薄片和掃描電鏡分析，九佛堂組泥頁巖中發(fā)育的孔隙類型主要包括礦物粒間孔隙、晶間孔隙、層間孔隙和有機質孔隙，以及少量微裂縫(見圖9)，孔徑在幾納米至幾十微米.由圖9可知，伊蒙混層、伊利石或綠泥石等黏土礦物組成晶間孔隙(見圖9(a-e))和層間微孔隙(見圖9(b))；石英或長石等脆性礦物組成層間微孔(見圖9(f))和粒間孔隙(見圖9(c、g))；泥頁巖中無定形有機質發(fā)育，形成有機質孔隙(見圖9(d))，孔隙載體為有機質本身或有機質與礦物接觸的邊緣；在泥頁巖中，石英和長石等脆性礦物常呈紋層狀，與黏土礦物及有機質相互疊合形成水平紋層或平行層理，還可見方解石充填的縫隙(見圖9(h))；泥頁巖紋層間水平縫或微斜縫使巖心沿層理面或微裂縫斷裂呈餅狀(見圖9(i)).

實測結果表明，泥頁巖巖心孔隙度為0.24%～4.37%，平均為3.46%；滲透率為(0.045～0.247)×10-3μm2，平均為0.091×10-3μm2.九佛堂組暗色泥頁巖發(fā)育的微孔隙和微裂縫為頁巖油氣提供儲集和滲流通道.

不同類型的黏土礦物對于液態(tài)石油分子的吸附強度不同.伊利石或伊蒙混層質量分數的增加，使樣品的比孔容增大，從而使吸附態(tài)油氣含量增加[24-25].九佛堂組泥頁巖中較高的伊利石和蒙脫石等黏土礦物質量分數及較高的有機質質量分數，有利于生成的液態(tài)石油吸附于其表面.另外，紋層狀的頁巖或泥巖也為油氣的儲集提供大量空間[26].泥頁巖中脆性礦物的質量分數對于基質孔隙和微裂縫的發(fā)育程度及壓裂改造方式至關重要[21-27].九佛堂組較高的脆性礦物質量分數使該地區(qū)泥頁巖具有一定的可壓性和形成網狀縫的條件.

圖8 九佛堂組暗色泥頁巖礦物質量分數Fig.8 Mineral percentage compositions of dark mudshale in Jiufotang formation

6 油氣保存條件

泥頁巖作為烴源巖既是儲層又是蓋層，相對于常規(guī)油氣藏，它對蓋層的要求較寬松，熱成因型頁巖油氣藏主要依靠微裂縫運聚，而大斷層和宏觀裂縫起破壞作用，因此強烈的構造活動不利于頁巖油氣藏的保存[27].彰武斷陷九佛堂組沉積時期為斷陷快速沉降期，水體加深；沙海期斷陷整體處于穩(wěn)定沉降階段，斷裂活動逐漸減弱；阜新期為斷陷抬升剝蝕階段，斷裂活動較弱，沉積速度大于沉降速度，整個斷陷表現為充填式沉積，隨后整個盆地下沉，在斷陷基礎上疊覆沉陷.總體上，九佛堂組泥頁巖在埋藏及熱演化過程中，構造破壞及深大斷裂作用相對較弱，對宏觀裂縫的貢獻較小，有利于頁巖油氣的保存.

7 資源量估算與勘探潛力

頁巖油資源量是根據一定的地質依據計算當前具有潛在利用價值的頁巖油數量.與頁巖氣相似，頁巖油資源計算參數難以準確把握，故仍需使用概率體積法.含油率作為體積法計算頁巖油資源量的核心參數，可通過地球化學法中的氯仿瀝青“A”法獲取[6,28].計算結果表明，彰武斷陷九佛堂組頁巖油潛在資源量為12 442.0×104t，結合斷陷烴源巖分布及其地化等特征，初步預測九佛堂組頁巖油有利勘探區(qū)主要集中在斷陷沉積中心周圍.

8 結論

(1)彰武斷陷九佛堂組發(fā)育半深湖—深湖相暗色泥頁巖層，具有典型的“三高一低”的測井曲線響應特征，在縱向上可識別、對比.

(2)九佛堂組泥頁巖測井有機質非均質性模型的建立與應用，促使九佛堂組劃分出上、下段有效泥頁巖評價單元，橫向上分布廣.

(3)九佛堂組暗色泥頁巖母質類型以Ⅰ和Ⅱ1型為主，有機質豐度高，處于低熟—成熟的熱演化階段，生油能力較強，具有形成頁巖油氣的良好物質基礎；泥頁巖氣測顯示明顯，脆性礦物平均質量分數高達51.4%，具有一定的可壓性；有機質和黏土礦物表面及微孔隙和微裂縫的發(fā)育，為頁巖油氣的儲集與賦存提供有利的空間；九佛堂組沉積后期斷裂改造活動較弱，有利于頁巖油氣的保存.

(4)運用概率體積法初步計算九佛堂組頁巖油潛在資源量為12 442.0×104t，有利勘探區(qū)主要集中在斷陷沉積中心周圍.

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2015-03-16；編輯：關開澄

中國石化股份公司項目(YYYQ-ZP-12)；國土資源部油氣資源戰(zhàn)略研究中心項目(2009QYXQ15-07-09)；中國地質調查局項目(1212011220752)

徐 浩(1990-)，男，博士研究生，主要從事油氣地球化學方面的研究.

解啟來，E-mail: xieql@scau.edu.cn

TE122.1;P618.13

A

2095-4107(2015)03-0094-10

DOI 10.3969/j.issn.2095-4107.2015.03.012