張君峰，徐興友，白靜，陳珊，劉衛(wèi)彬，李耀華

（1.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局油氣資源調(diào)查中心，北京 100029；2.陸相頁巖油全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江大慶 163002；3.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局非常規(guī)油氣重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029）

0 引言

中國(guó)頁巖氣資源潛力豐富，目前海相頁巖已經(jīng)在四川盆地上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組建成多個(gè)千億方規(guī)模的海相頁巖大氣田，并實(shí)現(xiàn)規(guī)?；虡I(yè)開發(fā)[1-6]。而廣泛存在的陸相頁巖，比如松遼盆地白堊系、渤海灣盆地古近系、鄂爾多斯盆地三疊系、準(zhǔn)噶爾盆地二疊系和四川盆地侏羅系等，雖然規(guī)模巨大，但尚未取得陸相頁巖氣資源商業(yè)性突破[7-10]。相比于海相頁巖，陸相頁巖具有沉積相變頻繁、非均質(zhì)性強(qiáng)和儲(chǔ)集層黏土礦物含量高等鮮明的陸相細(xì)粒沉積特征，除此之外，由于陸相頁巖形成時(shí)代較晚，有機(jī)質(zhì)演化程度不高，有機(jī)質(zhì)孔隙發(fā)育程度低，頁巖有效儲(chǔ)集空間有限，這些因素都導(dǎo)致陸相頁巖氣勘探開發(fā)難度大[4-5,11-14]。目前僅在四川盆地下侏羅統(tǒng)[9-10,14]和鄂爾多斯盆地南部三疊系延長(zhǎng)組[7-8]陸相頁巖獲得了工業(yè)氣流。

松遼盆地上白堊統(tǒng)青山口組的頁巖油勘探已經(jīng)獲得重要突破，實(shí)現(xiàn)了陸相頁巖油的商業(yè)開發(fā)。在松遼盆地下白堊統(tǒng)也發(fā)育多套富有機(jī)質(zhì)頁巖，已有研究揭示營(yíng)城組和沙河子組為頁巖氣有利的富集層位[15-17]。自2012年開始，中國(guó)石化東北油氣分公司在松遼盆地梨樹斷陷蘇家屯次洼針對(duì)營(yíng)城組頁巖氣資源進(jìn)行了探索，6口井測(cè)試獲得氣流，初步證實(shí)了營(yíng)城組頁巖氣資源潛力[16-17]。但是，針對(duì)于分布面積更廣、埋藏深度更大、生氣潛力更大的沙河子組頁巖目前尚未有機(jī)構(gòu)開展陸相頁巖油氣資源潛力勘查工作。也有學(xué)者認(rèn)為松遼盆地下白堊統(tǒng)火山巖充填較多，頁巖有機(jī)質(zhì)類型較差，部分地區(qū)發(fā)育煤線，以Ⅲ型和Ⅱ2型干酪根為主，頁巖氣資源潛力不大[18]。因此，松遼盆地下白堊統(tǒng)沙河子組頁巖氣資源潛力如何、頁巖氣發(fā)育地質(zhì)特征如何、有利區(qū)在哪里、是否具有勘探價(jià)值等一系列關(guān)鍵地質(zhì)問題尚不明確。

為探索松遼盆地下白堊統(tǒng)沙河子組頁巖油氣資源潛力，中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局油氣資源調(diào)查中心針對(duì)松遼盆地沙河子組頁巖開展了公益性調(diào)查，優(yōu)選梨樹斷陷沙河子組熱演化程度為1.0%～1.5%的頁巖實(shí)施了吉梨頁油 1井參數(shù)井的鉆探，力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)沙河子組頁巖油氣突破。最終，該井在沙河子組鉆獲連續(xù)厚度達(dá)51 m的富氣頁巖。經(jīng)直井壓裂改造和含油氣測(cè)試，在沙河子組頁巖中獲得日產(chǎn)7.6×104m3的高產(chǎn)頁巖氣流，并獲得少量凝析油，實(shí)現(xiàn)了松遼盆地沙河子組陸相頁巖氣調(diào)查重大突破。本文以吉梨頁油 1井的勘探成果為依托，以松遼盆地南部梨樹斷陷下白堊統(tǒng)沙河子組頁巖為重點(diǎn)研究對(duì)象，系統(tǒng)分析了沙河子組陸相頁巖氣形成的地質(zhì)條件，明確了頁巖氣的富集主控因素，旨在為松遼盆地及周緣斷陷盆地群的下白堊統(tǒng)陸相頁巖氣勘探工作提供借鑒和參考。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

松遼盆地是在海西期褶皺基底上發(fā)育形成的以中、新生界為主的斷坳復(fù)合型盆地，垂向上具有下斷上坳的雙層地質(zhì)結(jié)構(gòu)。盆地上部為全盆地統(tǒng)一的坳陷層；下部為相互分隔的斷陷群[19-22]，發(fā)育規(guī)模不等的斷陷盆地56個(gè)，較為分散，斷陷總面積超過8×104km2。受基底斷裂的影響，斷陷以北北東向展布為主（見圖1a），基本可分為西部、中部、東部3個(gè)斷陷帶，中、東部斷陷帶斷陷規(guī)模較大，連片發(fā)育；西部斷陷區(qū)斷陷發(fā)育程度低，斷陷規(guī)模小，埋藏淺。

盆地在早白堊世斷陷期沉積了火石嶺組（K1h）、沙河子組（K1sh）、營(yíng)城組（K1yc）和登婁庫組（K1d），其中沙河子組為主力氣源巖（見圖1b）。沙河子組富有機(jī)質(zhì)頁巖在全區(qū)斷陷均有分布，面積平均占斷陷面積的 60%～70%，個(gè)別斷陷可占 85%以上，總面積超過4.0×104km2，沙河子組頁巖是松遼盆地最具潛力的頁巖氣層系[23-24]。

梨樹斷陷位于松遼盆地東南隆起區(qū)，從晚侏羅世到早白堊世，發(fā)育成為西斷東超、斷坳疊置式“箕”狀斷陷盆地，斷陷受桑樹臺(tái)斷裂控制，地層由西部凹陷區(qū)向東部斜坡區(qū)逐層超覆，向北部斜坡急劇收斂，厚度減薄，斷陷面積2 430 km2[25]。梨樹斷陷是松遼盆地?cái)嘞莩掷m(xù)時(shí)間最長(zhǎng)、地層發(fā)育最齊全、沉積最厚的斷陷（見圖 1c）[26-27]。梨樹斷陷沙河子組頁巖地層深度為2 500～4 000 m，相對(duì)松遼盆地其他斷陷埋藏深度較淺，施工難度相對(duì)較低，是松遼盆地沙河子組頁巖氣調(diào)查的首選區(qū)。

圖1 松遼盆地下白堊統(tǒng)斷陷分布（a）、地層發(fā)育（b）與構(gòu)造特征（c）

梨樹斷陷由中央構(gòu)造帶、東南斜坡帶，北部斜坡帶、桑樹臺(tái)洼陷、蘇家屯洼陷和雙龍洼陷等 6個(gè)構(gòu)造單元構(gòu)成（見圖 2）[17]。經(jīng)歷了斷陷期、拗陷期和反轉(zhuǎn)期等構(gòu)造演化時(shí)期，其中斷陷期又可分為初始斷陷期（K1h）、強(qiáng)烈斷陷期（K1sh—K1yc）、斷拗轉(zhuǎn)化期（K1d）3個(gè)階段。

圖2 梨樹斷陷構(gòu)造分區(qū)圖

2 頁巖氣形成條件

2.1 頁巖發(fā)育條件及分布特征

沙河子組沉積時(shí)期是梨樹斷陷發(fā)育的鼎盛期，該時(shí)期盆地快速沉降，半深湖—深湖相分布范圍廣，是盆地早白堊世的最大水進(jìn)期。自下而上發(fā)育沙河子組一段（簡(jiǎn)稱沙一段）、沙河子組二段下亞段（簡(jiǎn)稱沙二下亞段）、沙河子組二段上亞段（簡(jiǎn)稱沙二上亞段）3套沉積單元。梨樹斷陷沙河子組沉積時(shí)期總體上經(jīng)歷了由湖進(jìn)到湖退的湖盆充填演化過程。沙一段以半深湖—深湖、濱淺湖沉積為主，半深湖—深湖相主要發(fā)育在桑樹臺(tái)深洼地區(qū)，其余大部分地區(qū)為濱淺湖相沉積。沙二下亞段沉積時(shí)期湖盆水體最深，湖盆面積最大，梨樹斷陷整體以半深湖—深湖沉積為主。沙二上亞段沉積期湖盆面積收縮，水體變淺，南部物源發(fā)育，湖盆中心向北進(jìn)行遷移。吉梨頁油 1井鉆探揭示暗色泥頁巖主要發(fā)育在沙二下亞段和沙二上亞段底部，兩層的巖性具有明顯區(qū)別，沙二下亞段為灰黑色富含氣的頁巖，連續(xù)分布厚度達(dá)到51 m；沙二上亞段為灰色不含氣的泥巖，厚度為36 m（見圖3）。通過單井分析、連井地層對(duì)比及地震追蹤等方法確定了沙二下亞段含氣頁巖在梨樹斷陷大部分區(qū)域均有分布，連續(xù)分布厚度可達(dá)10～100 m，預(yù)測(cè)桑樹臺(tái)深洼區(qū)頁巖發(fā)育厚度更大，可能達(dá)200 m（見圖4）。沙二下亞段含氣頁巖頂面埋深在1 400～4 800 m，除桑樹臺(tái)深洼外其他地區(qū)多小于3 500 m。

圖3 吉梨頁油1井沙河子組頁巖綜合柱狀圖

圖4 梨樹斷陷沙二下亞段頁巖厚度平面分布圖

2.2 頁巖有機(jī)質(zhì)發(fā)育特征與含氣性

2.2.1 有機(jī)質(zhì)含量與含氣性

沙二下亞段頁巖有機(jī)質(zhì)豐度高，有機(jī)質(zhì)類型好，有機(jī)質(zhì)熱演化程度適當(dāng)，是一套富含油氣的優(yōu)質(zhì)頁巖。TOC值為1%～6%，平均為2.5%（見圖3），且含有一定量的殘留烴，S1值最高可達(dá)2.40 mg/g，平均值為0.89 mg/g，生烴潛力（S1+S2）值可達(dá)4.79 mg/g。頁巖含氣性好，頁巖巖心入水氣泡連續(xù)逸出，現(xiàn)場(chǎng)解析總含氣量最高可達(dá)1.52 m3/t，平均值為1.21 m3/t。測(cè)井解釋總含氣量可達(dá) 2.68 m3/t。發(fā)育在頁巖段之上的泥巖有機(jī)質(zhì)含量普遍較低，TOC值不足0.5%，熱解生烴潛力（S1+S2）值小于1.0 mg/g，幾乎不含氣，巖心浸水無氣泡。

2.2.2 有機(jī)質(zhì)類型

本文統(tǒng)計(jì)了梨樹斷陷 131個(gè)沙河子組頁巖的有機(jī)質(zhì)類型，結(jié)果顯示Ⅰ型有機(jī)質(zhì)占比5.4%，Ⅱ1型有機(jī)質(zhì)含量最高占比達(dá)到 44.6%，Ⅱ2型有機(jī)質(zhì)占比 33.9%，Ⅲ型有機(jī)質(zhì)占比16.1%。吉梨頁油1井沙河子組頁巖干酪根穩(wěn)定碳同位素組成和有機(jī)顯微組分特征分析結(jié)果表明，含氣頁巖和不含氣泥巖有機(jī)質(zhì)類型具有顯著差異，頁巖具有較輕的干酪根碳同位素組成，δ13C1值為-28.4‰～-25.0‰，且鏡下分析有機(jī)質(zhì)顯微組分發(fā)現(xiàn)有機(jī)質(zhì)以低等水生藻類來源的無定型體為主，含量豐富，呈層狀，綜合判定有機(jī)質(zhì)類型主要為Ⅱ1型和Ⅰ型，含少量Ⅱ2型。而泥巖干酪根碳同位素組成較重，δ13C1大于-24‰，具有典型的Ⅲ型干酪根特征，鏡下顯微組分以高等植物來源的鏡質(zhì)體組分為主。吉梨頁油 1井所產(chǎn)天然氣組分同位素?cái)?shù)據(jù)也表明氣來源于Ⅰ、Ⅱ1型有機(jī)質(zhì)，也證實(shí)這套富油氣的頁巖以藻類等原生有機(jī)質(zhì)為主。

2.2.3 有機(jī)質(zhì)演化程度

沙河子組頁巖在整個(gè)松遼盆地埋藏相對(duì)較深，尤其是在盆地北部，如徐家圍子斷陷等，埋深超過5 000 m，有機(jī)質(zhì)演化程度相對(duì)較高。在盆地南部的梨樹斷陷由于后期的構(gòu)造抬升較大，沙河子組埋深為1 000～6 000 m，埋深跨度較大，烴源巖熱演化程度差異也較大，Ro值為0.6%～3.0%（見圖5），如在雙龍次洼沙河子組頁巖機(jī)質(zhì)演化程度最低，處于成熟階段，以生油為主，在桑樹臺(tái)深洼區(qū)，沙河子組頁巖埋藏超過5 000 m，有機(jī)質(zhì)演化程度預(yù)計(jì)超過3%，處于過成熟階段，以生干氣為主，而吉梨頁油1井所處的東南斜坡，沙河子組頁巖埋藏深度為3 000～3 240 m，Ro值為1.2%～1.5%，平均為1.3%，屬于高成熟演化階段，產(chǎn)物以濕氣和凝析氣為主。鏡下分析顯示頁巖中藻類降解形成的礦物瀝青基質(zhì)已無熒光，部分反光下呈亮白色（微粒體），說明已完成生油過程，進(jìn)入高成熟演化階段。另外，吉梨頁油1井所產(chǎn)天然氣甲烷含量為83%，乙烷含量為8.59%，干燥系數(shù)約為0.88，屬于典型濕氣，且在測(cè)試過程中還有0.23 m3凝析油產(chǎn)出，原油顏色呈淡黃至黃白色、油體清亮透明。綜上，梨樹斷陷3 000～3 500 m埋深的頁巖層段有機(jī)質(zhì)熱演化程度處于高成熟階段，以生濕氣為主，超過3 500 m埋深的頁巖有機(jī)質(zhì)演化程度處于過成熟階段，以生干氣為主。

圖5 梨樹斷陷沙河子組頁巖有機(jī)質(zhì)平面熱演化分布規(guī)律

2.2.4 有機(jī)質(zhì)富集條件

頁巖沉積時(shí)期的古環(huán)境控制因素主要包括古氣候、古水深、古氧化還原和古鹽度[28]。本文綜合吉梨頁油 1井縱向序列古環(huán)境指標(biāo)的變化規(guī)律來反映沙二下亞段這套富有機(jī)質(zhì)頁巖形成的古環(huán)境。研究結(jié)果表明，這套頁巖相比上覆沙二上亞段泥巖具有相對(duì)中等V/Ni值、相對(duì)高Fe/Mn值、相對(duì)高Sr/Ba值、相對(duì)高Al/Ti值和相對(duì)高黃鐵礦含量5大特征（見圖6），而這5項(xiàng)指標(biāo)恰恰是古水體深度、古氣候、古水體鹽度、古生產(chǎn)力和古氧化還原條件的關(guān)鍵指標(biāo)。由此推斷沙河子二段這套富有機(jī)質(zhì)頁巖是在半干旱古氣候環(huán)境下形成的一種封閉性沉積水體環(huán)境中沉積形成的。松遼盆地晚侏羅世—早白堊世斷陷發(fā)育期伴隨多次火山活動(dòng)，吉梨頁油 1井含氣頁巖段發(fā)現(xiàn)的多套凝灰?guī)r發(fā)育層指示沙二下亞段優(yōu)質(zhì)頁巖沉積時(shí)的多期火山活動(dòng)?；鹕交页练e促使水體富營(yíng)養(yǎng)化自生藻類勃發(fā)?；鹕交覈姵鲞^程中攜帶大量碳源（CO2、CH4）以及其他營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)（N、Si、P）和微量金屬元素（Fe、Zn、Mn、Ni、V）等，這些物質(zhì)進(jìn)入沉積水體，促進(jìn)了水體生物的繁盛和初級(jí)生產(chǎn)力的提高，為有機(jī)質(zhì)的形成創(chuàng)造了有利的物質(zhì)基礎(chǔ)[29]。吉梨頁油1井沙河子組含氣頁巖段Fe/S值和 P元素含量等指示古生產(chǎn)力的指標(biāo)明顯高于其上部凝灰?guī)r不發(fā)育的泥巖段，證實(shí)了這種認(rèn)識(shí)。黃鐵礦和有機(jī)硫元素富集指示了良好的還原環(huán)境[30]，說明湖盆中火山灰物質(zhì)的加入不僅促進(jìn)了有機(jī)質(zhì)的勃發(fā)，還為沉積盆地有機(jī)質(zhì)的富集創(chuàng)造了有利的還原環(huán)境。吉梨頁油 1井沙河子組頁巖段黃鐵礦含量顯著增加，大部分超過 1.2%，最高值可達(dá) 5%。在巖心及掃描顯微鏡下可見大量黃鐵礦聚集體呈條帶狀順層分布，黃鐵礦以球形-橢球形集合體為主。同時(shí)，頁巖段具有明顯高的硫含量，大于0.50%，最高可達(dá)1.68%，而在其上部的沙二上亞段泥巖中黃鐵礦含量明顯降低，基本小于0.5%，且硫含量很低，基本小于0.1%。在頁巖段內(nèi)黃鐵礦及硫含量的變化趨勢(shì)與TOC值的變化具有明顯的一致性，即在凝灰?guī)r夾層之上的頁巖，硫含量和黃鐵礦含量呈現(xiàn)明顯增加的趨勢(shì)。通過U/Th值及U值也證實(shí)在頁巖段沉積時(shí)期水體具有明顯的還原性[31-32]，而在上部泥巖沉積期，水體變?yōu)槠趸h(huán)境，不利于有機(jī)質(zhì)保存（見圖8）。以上分析證實(shí)，在頁巖沉積時(shí)期，水體還原性明顯增強(qiáng)，為有機(jī)質(zhì)的保存提供了有利的環(huán)境。研究認(rèn)為這種還原的水體環(huán)境受火山作用控制[33]，火山噴發(fā)出的大量SO2和H2S等含硫氣體，以氣溶膠的形式進(jìn)入到湖盆中，為細(xì)菌硫酸鹽還原作用（BSR）提供了充足的硫源，增強(qiáng)了水體的還原性，促使湖盆形成還原環(huán)境。

圖6 吉梨頁油1井沙河子組頁巖發(fā)育段古環(huán)境恢復(fù)柱狀圖

另外，咸水環(huán)境的碳酸鹽巖化作用促進(jìn)有機(jī)質(zhì)生烴。火山灰物質(zhì)的加入提高了沉積盆地水體的鹽度[34]。Sr/Ba值一般與古鹽度正相關(guān)，為湖泊水體古鹽度判別的有效參數(shù)[35]。在沙二下亞段頁巖段 Sr/Ba值超過 1（見圖 6），指示咸水沉積環(huán)境。而在其上部的沙二上亞段泥巖段Sr/Ba值迅速降低，基本都小于0.1，指示淡水沉積環(huán)境。本次研究依據(jù)大量的鏡下及能譜分析發(fā)現(xiàn)：在這種環(huán)境下，碳酸鹽礦物與有機(jī)質(zhì)之間具有特殊的共生關(guān)系，碳酸鹽晶體與伴生有機(jī)質(zhì)之間可能存在碳元素交換（見圖 7），在多孔狀有機(jī)質(zhì)中元素能譜掃描出Ca元素異常高值分布區(qū)間。這種現(xiàn)象主要受到碳酸鹽巖化作用控制，即碳酸鹽巖-有機(jī)質(zhì)共生體在堿性地層水環(huán)境下，碳酸根具有高敏感性，易誘導(dǎo)原始有機(jī)基團(tuán)的去碳效應(yīng)，同時(shí)發(fā)生明顯羥基化作用，進(jìn)而促進(jìn)含氮有機(jī)物和苯基的生成和轉(zhuǎn)化[36-37]。

圖7 沙二下亞段頁巖碳酸鹽礦物和有機(jī)質(zhì)的碳元素交換

2.3 頁巖儲(chǔ)集條件

2.3.1 巖性特征

沙二下亞段含氣頁巖具有富鈣質(zhì)礦物的特征，頁巖中碳酸鹽礦物含量最高可達(dá) 48%，平均值為 15%，長(zhǎng)石、石英等碎屑礦物含量為 20%～50%，平均含量為34%，黏土礦物含量為24%～60%，平均含量為49%。頁巖段發(fā)育多套凝灰?guī)r夾層，在吉梨頁油 1井厚度為51 m的頁巖段可識(shí)別出多個(gè)凝灰質(zhì)發(fā)育段（見圖3），凝灰?guī)r為灰黃色，具有細(xì)粒凝灰結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，光學(xué)顯微鏡下觀察顆粒粒徑極細(xì)，為火山玻璃質(zhì)，可見長(zhǎng)石晶屑被鈣質(zhì)交代，以及少量的石英晶屑（見圖8）。含氣頁巖段頁理發(fā)育，在微觀鏡下具有顯著紋層狀構(gòu)造。沙二上亞段不含氣泥巖呈厚層塊狀，頁理不發(fā)育，堅(jiān)硬致密，鏡下觀察主要為泥質(zhì)，泥質(zhì)鱗片結(jié)構(gòu)，均勻分布，幾乎不含碳酸鹽礦物（平均含量小于 1%），黏土礦物含量高，超過50%，不含凝灰?guī)r夾層。

圖8 吉梨頁油1井沙二下亞段3 143 m井深凝灰?guī)r手標(biāo)本及光學(xué)顯微照片

2.3.2 物性特征

依據(jù)吉梨頁油 1井沙河子組巖心實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)、核磁共振測(cè)井等數(shù)據(jù)，系統(tǒng)分析了頁巖的孔滲特征。結(jié)果表明，沙二下亞段頁巖段儲(chǔ)集層物性整體較好，孔隙度主體為2%～8%，平均值為6.37%，最高可達(dá)10.8%，滲透率主要分布在（0.001～0.010）×10-3μm2（見圖9）。與頁巖相比，沙二上亞段泥巖儲(chǔ)集物性明顯變差，核磁共振測(cè)井分析結(jié)果顯示，黏土質(zhì)泥巖的有效孔隙度基本小于1%，核磁共振測(cè)井滲透率小于0.001×10-3μm2。

圖9 吉梨頁油1井沙二下亞段頁巖實(shí)測(cè)孔隙度和滲透率交會(huì)圖

沙二下亞段頁巖具相對(duì)較好的孔滲條件，主要原因是頁巖中無機(jī)孔、有機(jī)質(zhì)孔及頁理縫等儲(chǔ)集空間發(fā)育。無機(jī)孔主要存在黏土礦物晶間孔和碳酸鹽礦物溶蝕孔兩類。黏土礦物晶間孔以微孔、中孔為主，孔隙形態(tài)多以綠泥石晶間花瓣?duì)羁缀鸵晾чg針狀孔為主，普遍小于100 nm，數(shù)量最多，是主要的基質(zhì)孔隙（見圖 10a）；碳酸鹽礦物溶蝕孔以圓狀為主，孔徑普遍在100 nm左右，以中孔為主（見圖10b）。有機(jī)質(zhì)孔主要發(fā)育在無機(jī)礦物粒間填充的有機(jī)質(zhì)中，孔徑普遍在350 nm左右，最大可達(dá)1 μm（見圖10c），孔隙連通性較好，這類有機(jī)質(zhì)無固定形態(tài)，屬于無定形體，為液態(tài)烴運(yùn)移-充注-裂解-固化后的產(chǎn)物，即油后瀝青，其內(nèi)部普遍發(fā)育大量殘留氣孔。頁巖段還發(fā)育大量頁理縫，寬度一般為0.01～0.15 mm（見圖10d），也是頁巖氣主要的儲(chǔ)集空間，可分為有機(jī)質(zhì)生烴收縮縫和黏土礦物層間收縮縫兩種類型。有機(jī)孔、無機(jī)孔和頁理縫共同組成了頁巖氣的有效儲(chǔ)集空間。

圖10 吉梨頁油1井沙二下亞段頁巖微觀孔隙及頁理微縫發(fā)育特征

基于 CO2、N2吸附實(shí)驗(yàn)以及高壓壓汞實(shí)驗(yàn)，獲得沙河子組頁巖儲(chǔ)集層全孔徑分布圖。根據(jù)高壓壓汞曲線（見圖11a），100 nm以上的宏孔，以微裂縫為主，微裂縫寬峰值為5～10 μm。對(duì)于100 nm以內(nèi)的中微孔孔隙，利用二氧化碳和氮?dú)馕絹肀碚骺左w積孔徑分布曲線（見圖11b），孔徑峰值所在位置主要分布在10～50 nm，主要由有機(jī)質(zhì)孔和碳酸鹽礦物溶蝕孔提供。對(duì)于10 nm以下的微孔，其孔徑分布無明顯峰值，通常這類微孔絕大部分是由黏土礦物孔提供。

圖11 沙二下亞段富氣頁巖儲(chǔ)集層全孔徑分布特征

2.3.3 有利儲(chǔ)集條件成因分析

頁巖地層在埋藏過程中經(jīng)歷了無機(jī)和有機(jī)成巖作用的共同改造，無機(jī)成巖作用主要為壓實(shí)作用、膠結(jié)作用、溶蝕作用和交代作用，有機(jī)成巖作用為有機(jī)質(zhì)的生烴演化，二者相互影響[38]。沙河子組頁巖優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)集空間的形成受成巖作用和生烴演化協(xié)同控制。

基于沙河子組頁巖孔隙發(fā)育特征及成因，結(jié)合成巖演化序列和有機(jī)質(zhì)生烴演化史綜合分析，建立了沙二下亞段頁巖優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)集層在生烴、成巖協(xié)同作用控制下的演化模式（見圖12），共可劃分為壓實(shí)減孔、咸化膠結(jié)、有機(jī)酸溶蝕、生烴增壓、構(gòu)造抬升泄壓成縫 4個(gè)階段。

圖12 斷陷湖盆頁巖儲(chǔ)集層成巖-成烴時(shí)空耦合演化模式

第1階段：壓實(shí)減孔階段，地層快速沉降，有機(jī)質(zhì)大量沉淀保存，為后期生烴聚集奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)，同時(shí)，受壓實(shí)作用影響，原生孔隙迅速減少。

第2階段：咸化膠結(jié)階段，此時(shí)盆地處于穩(wěn)定沉降拗陷期，水體呈現(xiàn)微咸水環(huán)境，地層水性質(zhì)為堿性，沉積過程中會(huì)發(fā)生離子分異交換，頁巖中的鈣離子、鎂離子等沿著微裂縫向臨近砂質(zhì)紋層中遷移，發(fā)生局部碳酸鹽膠結(jié)沉淀，形成富鈣質(zhì)、硅質(zhì)紋層。

第3階段：有機(jī)酸溶蝕及生烴增壓階段，在該階段頁巖埋深增加、地溫升至90～140 ℃，有機(jī)質(zhì)達(dá)到成熟階段，開始生烴，此時(shí)有機(jī)酸開始生成并充注儲(chǔ)集層，早期碳酸鹽礦物會(huì)發(fā)生溶蝕，形成了大量溶蝕孔。隨著演化程度增加，有機(jī)質(zhì)大量轉(zhuǎn)化，從而產(chǎn)生大量生烴收縮裂縫[39]，同時(shí)烴類大量生成，形成異常高壓，從而誘導(dǎo)產(chǎn)生大量順層超壓裂縫[40]。在該價(jià)段進(jìn)入中成巖階段，蒙脫石等黏土礦物向伊利石等轉(zhuǎn)化脫水，沿著層理面形成大量收縮縫。在最大壓力梯度和最小破裂路徑的聯(lián)合約束下彼此匯聚、交叉、連接，最終形成一個(gè)順層分布、彼此連通的裂縫網(wǎng)絡(luò)。

第4階段：構(gòu)造抬升泄壓成縫階段，因板塊俯沖作用，松遼盆地經(jīng)歷了大規(guī)模的隆升剝蝕運(yùn)動(dòng)，地層遭受抬升剝蝕，由于上覆地層壓力降低，頁巖層系超壓逐步釋放，同時(shí)頁理縫沿著礦物紋層界面進(jìn)一步開啟，頁理縫大量發(fā)育。

2.4 頁巖氣保存條件

2.4.1 頂?shù)装灏l(fā)育條件

斷陷湖盆在形成演化過程中，原始沉積層序格架下潛在可容空間變化、沉積物供應(yīng)、沉積速率等因素控制了湖泊的范圍、水體的深淺、巖性的組合以及沉積物展布，進(jìn)而在縱向上控制著頁巖氣的生成和保存。一般而言，盆地均衡補(bǔ)償時(shí)期最有利于形成優(yōu)質(zhì)烴源巖，盆地過補(bǔ)償時(shí)期有利于形成良好的蓋層，兩者空間上的相互匹配，有利于頁巖氣的保存。根據(jù)沙河子組巖性組合、測(cè)井元素地球化學(xué)等資料，對(duì)梨樹斷陷沙河子組層序地層進(jìn)行了劃分。結(jié)果表明：沙一段低位域沉積時(shí)期，湖盆水位逐漸上漲，沉積物供給率最高，在斷陷盆地主控?cái)嗔押突椎呐璧仔螒B(tài)控制下，形成一套近盆地沉積中心的泥巖層作為底板。而頁巖沉積于沙二下亞段湖侵體系域發(fā)育時(shí)期，此時(shí)沉積物供給率和可容空間增長(zhǎng)速率處于均衡狀態(tài)，湖盆處于均衡補(bǔ)償階段，為優(yōu)質(zhì)烴源巖發(fā)育的最有利時(shí)期，同時(shí)湖盆面積達(dá)到最大，在整個(gè)斷陷湖盆范圍沉積了厚度大、分布連續(xù)的優(yōu)質(zhì)頁巖。沙二上亞段高位體系域發(fā)育時(shí)期，水體開始退去，沉積物供給率較高，供給率大于可容空間增長(zhǎng)率，湖盆處于過補(bǔ)償階段。此時(shí)為湖盆面積開始萎縮，有機(jī)質(zhì)繁盛程度降低，生烴能力減小，又因沉積物仍然以黏土礦物等細(xì)粒沉積物為主，受后期壓實(shí)作用影響，儲(chǔ)集層的儲(chǔ)集空間減小，孔隙度和滲透率極差，孔喉較細(xì)，具有較大的排替壓力，形成良好的蓋層，形成了天然的頂板，封蓋于沙二下亞段優(yōu)質(zhì)頁巖之上，有利于頁巖生成的天然氣在原位保存。

2.4.2 構(gòu)造保存條件

梨樹斷陷這套由沙一段湖盆低位體系域泥巖、沙二下亞段的湖侵體系域富有機(jī)質(zhì)頁巖和沙二上亞段高位體系域泥巖所形成的底板+富有機(jī)質(zhì)頁巖+頂板的地層格架在區(qū)域性廣泛存在。由此，沙二下亞段這套富有機(jī)質(zhì)頁巖的保存條件核心問題就是在斷陷后期的生烴演化過程，構(gòu)造的斷拗轉(zhuǎn)換及后期抬升過程，先存斷裂是否強(qiáng)烈活動(dòng)破壞已有的頂?shù)装宸飧魲l件。

梨樹斷陷沙河子組發(fā)育一系列近北北東向的正斷層，斷層平面延伸長(zhǎng)度一般為 4～7 km，斷距一般為15～25 m，縱向延伸距離較短，斷層多消失在營(yíng)城組內(nèi)部。依據(jù)斷裂活動(dòng)演化機(jī)制以及變形性質(zhì)，結(jié)合梨樹斷陷構(gòu)造演化分析，厘定該類斷裂為早期走滑伸展斷裂，主要生長(zhǎng)活動(dòng)在斷陷期，該類斷裂形成于火石嶺組沉積期，在沙河子組沉積期活動(dòng)強(qiáng)烈，至營(yíng)城組沉積期末構(gòu)造運(yùn)動(dòng)在區(qū)域性的左旋走滑背景下，地層局部抬升接受剝蝕，斷裂活動(dòng)明顯減弱。在登婁庫組沉積時(shí)期地層沉降開始擺脫斷裂的控制，斷陷期的斷裂活動(dòng)進(jìn)一步減弱；進(jìn)入拗陷期之后，梨樹斷陷進(jìn)入廣盆式沉積，這個(gè)時(shí)期斷裂活動(dòng)基本停止，地震反射顯示以超覆和平行接觸為主[41-42]。

根據(jù)沙河子組頁巖生烴演化史及流體包裹體測(cè)溫確定沙河子頁巖主要的生排烴期在登婁庫組沉積末期和泉頭組沉積時(shí)期。因此，斷層的活動(dòng)期是在頁巖氣主生排烴期之前，且頁巖氣聚集后斷裂不活動(dòng)，為頁巖氣原位富集提供了穩(wěn)定的構(gòu)造條件。

綜上，原始沉積的沙一段低位體系域泥巖和沙二上亞段的高位體系域泥巖，以及穩(wěn)定的斷裂條件，構(gòu)成了梨樹斷陷沙二下亞段這套富有機(jī)質(zhì)頁巖生烴富集的有利保存和封隔空間。

3 勘探突破

為了查明不同級(jí)別陸相頁巖氣資源規(guī)模及其分布，結(jié)合松遼盆地沙河子組頁巖實(shí)際地質(zhì)特征，采用多因素疊加綜合地質(zhì)評(píng)價(jià)開展了頁巖氣有利區(qū)優(yōu)選及資源量評(píng)價(jià)。在潛在優(yōu)質(zhì)頁巖分布的基礎(chǔ)上，根據(jù)熱演化程度、埋藏深度和含氣量的不同，明確了梨樹斷陷沙二下亞段頁巖氣不同級(jí)別有利區(qū)分布（見圖13）。Ⅰ類有利區(qū)面積為291 km2，分布在北部斜坡帶—中央構(gòu)造帶—南部斜坡帶；Ⅱ類有利區(qū)面積為233 km2，分布在桑樹臺(tái)次洼和南部斜坡帶，Ⅲ類有利區(qū)面積為105 km2，分布在桑樹臺(tái)次洼，埋藏深度超過4 500 m，埋藏較深，勘探開發(fā)工程難度較大。Ⅰ類頁巖氣發(fā)育區(qū)位于秦家屯地區(qū)，是梨樹斷陷頁巖氣勘探的首選領(lǐng)域。由此在東南斜坡帶Ⅰ類頁巖氣發(fā)育區(qū)優(yōu)選了有利目標(biāo)，實(shí)施了吉梨頁油1井的鉆探。吉梨頁油1井于2019年10月9日開鉆，12月23日完鉆，完鉆井深3 254.66 m，完鉆層位為沙一段，在沙二下亞段鉆遇51 m厚含氣頁巖。經(jīng)直井壓裂測(cè)試，15 mm油嘴獲得天然氣穩(wěn)定日產(chǎn)7.6×104m3，實(shí)現(xiàn)了松遼盆地沙河子組陸相頁巖氣勘探重大突破，證實(shí)松遼盆地沙河子組具有可觀的陸相頁巖氣資源潛力，也證實(shí)陸相頁巖氣具有實(shí)現(xiàn)有效動(dòng)用的技術(shù)可行性。

圖13 梨樹斷陷沙二下亞段頁巖氣有利區(qū)分布圖

松遼盆地南部陸相頁巖氣調(diào)查突破有望開辟松遼盆地深部油氣勘探的新領(lǐng)域。研究證實(shí)這套優(yōu)質(zhì)頁巖在松遼盆地?cái)嘞輩^(qū)廣泛分布，在斷陷沉積中心，預(yù)測(cè)優(yōu)質(zhì)頁巖發(fā)育厚度更大。根據(jù)吉梨頁油 1井的鉆探認(rèn)識(shí)，確定梨樹斷陷沙河子組頁巖氣富集有利區(qū)面積為1 270 km2，頁巖含氣厚度在50～150 m，頁巖含氣量為1.5～2.5 m3/t，估算頁巖氣地質(zhì)資源潛力為5 558×108m3。綜合類比，在松遼盆地長(zhǎng)嶺、古龍、林甸、徐家圍子、德惠、梨樹、雙城西等7個(gè)斷陷近14 000 km2有利區(qū)面積內(nèi)可能蘊(yùn)含著更多潛在的優(yōu)質(zhì)陸相頁巖氣資源。

4 結(jié)論

下白堊統(tǒng)沙河子組富有機(jī)質(zhì)頁巖發(fā)育段是松遼盆地陸相頁巖氣勘探最有利的層段。該套頁巖有機(jī)質(zhì)含量較高，有機(jī)質(zhì)類型以Ⅱ1型為主，有機(jī)質(zhì)熱演化程度處于成熟到過成熟階段?；鹕交页练e和咸化湖盆水體環(huán)境控制了該套富有機(jī)質(zhì)且富含氣的優(yōu)質(zhì)頁巖的形成，提高了頁巖的生氣能力。

頁巖儲(chǔ)集層類型以碳酸鹽礦物溶蝕孔、黏土礦物晶間孔、有機(jī)質(zhì)孔和頁理微裂縫為主。有效儲(chǔ)集層的孔徑峰值主要分布在10～50 nm，主要由有機(jī)質(zhì)孔和碳酸鹽礦物溶蝕孔提供。對(duì)于50 nm以上的宏孔儲(chǔ)集層空間主要由頁理微裂縫提供，對(duì)于10 nm以下的微孔儲(chǔ)存空間主要由黏土礦物孔提供。

原始沉積的沙一段低位域泥巖和沙二上亞段的高位域泥巖，以及在斷陷期衰減過程中形成的封閉性斷裂，構(gòu)成了梨樹斷陷沙二下亞段這套富有機(jī)質(zhì)頁巖生烴富集的有利保存和封隔空間。

松遼盆地南部陸相頁巖氣戰(zhàn)略調(diào)查實(shí)現(xiàn)重大突破，證實(shí)了松遼盆地下白堊統(tǒng)存在巨大的陸相頁巖氣資源潛力，具有廣闊的勘探開發(fā)前景。通過適當(dāng)?shù)募夹g(shù)手段可以實(shí)現(xiàn)有效動(dòng)用，未來具有增產(chǎn)可行性。松遼盆地南部陸相頁巖氣戰(zhàn)略調(diào)查突破及理論技術(shù)創(chuàng)新對(duì)中國(guó)其他盆地陸相頁巖氣勘探具有重要的借鑒意義，將有助于推動(dòng)中國(guó)陸相頁巖氣勘探進(jìn)程。

致謝：本文在研究撰寫過程中受到了中國(guó)石化東北油氣分公司的大力支持，東北油氣分公司的秦都、李瑞磊、劉小紅、李海濱等領(lǐng)導(dǎo)專家為本文提供了大量的指導(dǎo)與幫助，在此一并深致謝忱！

符號(hào)注釋：

GR——自然伽馬，API；Rt——電阻率，Ω·m；S1——游離烴含量，mg/g；S2——裂解烴含量，mg/g。