鄂爾多斯盆地富縣區塊中生界頁巖氣成藏條件與勘探方向

周文 蘇瑗 王付斌 陳小梅 周小勇

1.“油氣藏地質及開發工程”國家重點實驗室·成都理工大學 2.成都理工大學能源學院3.中國石化華北分公司勘探開發研究院

鄂爾多斯盆地富縣區塊中生界頁巖氣成藏條件與勘探方向

周文1,2蘇瑗2王付斌3陳小梅3周小勇3

1.“油氣藏地質及開發工程”國家重點實驗室·成都理工大學 2.成都理工大學能源學院3.中國石化華北分公司勘探開發研究院

鄂爾多斯盆地富縣區塊靠近盆地中心,發育大套黑色頁巖,是頁巖氣成藏的有利區,分析其成藏條件對于明確該區頁巖氣下一步勘探方向具有重要意義。為此,根據頁巖氣成藏類型及成藏要素,對該區頁巖分布、頁巖埋藏深度、有機質豐度及類型、有機質熱演化程度、孔隙度和滲透率、微裂縫、等溫吸附特征與含氣性等成藏條件進行了分析。結論認為:該區中生界延長組“張家灘頁巖”具備頁巖氣富集成藏的條件;頁巖厚度、有機碳含量、干酪根類型、成熟度、埋深和裂縫發育程度是該區頁巖氣勘探選區評價的關鍵地質參數。結合勘探過程中鉆井氣測異常的分布情況,指出該區塊西南部和中部為下一步應關注的2個有利勘探目標。

鄂爾多斯盆地 富縣區塊 頁巖氣 成藏條件 勘探方向 有機質含量 等溫吸附特征 氣測異常

鄂爾多斯盆地富有機質泥頁巖發育,在上三疊統延長組長9、長7、長6+5、長4+3等層均有發育。該套泥頁巖屬陸相盆地中三角洲及湖岸沼澤相、淺湖、半深湖相產物[1]。已有的研究成果表明,延長組富有機質泥巖厚度大,在盆地中南部地區分布穩定[1],是頁巖氣成藏有利區域。

富縣區塊位于延長組富有機質泥巖分布區的南部,構造上屬于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡南部,面積約3 834 km2,是中國石化華北分公司鄂爾多斯南部勘探區塊之一。筆者根據富縣地區的地質、鉆井巖心分析、測井、錄井等資料開展區內頁巖氣成藏地質條件研究,提出勘探方向。這不僅對該區今后的頁巖氣勘探開發具有指導作用,也為將來全盆中生界、甚至上古生界的頁巖氣成藏評價具有借鑒作用。

1 頁巖氣藏類型及成藏要素

頁巖氣藏的形成是天然氣在烴源巖中大規模滯留的結果,按天然氣成因可分為生物成因和熱成因兩種主要類型,以及兩種類型的混合成因型[2]。頁巖氣藏是“自生自儲”式氣藏[3-5],運移距離極短,其現今保存狀態基本上可以反映烴類運移的狀況,即天然氣主要以游離相、吸附相和溶解相存在。在生物化學生氣階段,天然氣首先吸附在有機質和巖石顆粒表面,飽和后則富余的天然氣以游離相或溶解相進行運移;當達到熱裂解生氣階段,由于壓力升高,若頁巖內部產生裂縫,則天然氣以游離相為主向其中運移聚集,受周圍致密頁巖烴源巖層遮擋、圈閉,易形成工業性頁巖氣藏。

要形成頁巖氣藏,烴源巖總有機碳含量必須大,有機質成熟度要適中,有效烴源巖厚度足夠大且分布廣。總有機碳含量與產氣率密切相關,實踐表明其值大于2%才有工業價值。如美國主要的產生物氣頁巖 TOC平均為6%,產熱成因氣頁巖 TOC平均為3%[6-7]。在熱成因頁巖氣藏中,含氣量會隨有機質成熟度的逐漸增大而增加;但當有機質進入過成熟期,生氣量會明顯減少,如美國Fort Worth盆地Barnett頁巖氣藏,其Ro為1.1%～3%的范圍是熱成因氣藏的有利分布區。

2 富縣區塊頁巖氣成藏條件及勘探方向

2.1 成藏條件

2.1.1 頁巖分布

在陸相盆地中,湖沼相和三角洲相沉積產物一般是頁巖氣成藏的最好條件,其通常位于或接近于盆地的沉降—沉積中心處,導致頁巖氣的分布有利區主要集中于盆地中心處。鄂爾多斯盆地頁巖氣的有利發育區位于鄂爾多斯盆地中南部地區:定邊—華池—富縣的“L”形區域是最有利發育區,該區發育大套黑色頁巖,分布面積廣、沉積厚度大,埋藏深度適中,有機質含量高、成熟度適中、斷裂構造不發育,富縣探區靠近盆地中心方向,頁巖氣資源豐富。

富縣區塊上三疊統延長組7段為半深湖—深湖相沉積體系,厚度一般在100 m左右,最小約為70 m,最厚超過130 m。縱向上長7段油層組為厚層灰黑色—深灰色泥巖、碳質泥巖、油頁巖等夾灰綠色中—薄層狀粉—細砂巖、泥質粉砂巖,特別是厚層狀的灰黑色、深灰色泥巖和油頁巖連續性較好,全區可以對比;電性呈塊狀高伽馬、高時差、高電阻等異常。

該區長7段并非全部為泥質巖,其中粉—細砂巖、泥質粉砂巖等常占多數,具多個小型泥—砂反旋回序列,真正的頁巖厚度為10～50 m,東北薄,西南厚,發育在長7段底部,俗稱“張家灘頁巖”。長7段頁巖頂面構造平緩,呈東高西低單斜構造,無大型斷層裂縫,有利于頁巖氣成藏(圖1)。長8段為湖泊、三角洲沉積體系,頁巖只在工區內西南部發育,油頁巖厚度可超過20 m。

2.1.2 頁巖埋藏深度

長7頁巖頂面埋深,總體上東南部淺,西北部深;東部埋深一般為650～800 m,西部埋深一般為780～1 200 m(圖2),埋藏深度合適。上覆地層巖性以厚層泥巖和粉砂質泥巖為主,封閉條件好。

圖2 富縣區塊長7段頁巖頂面構造圖

2.1.3 有機質豐度及類型

有機質含量是影響頁巖氣富集的一個根本性因素,不僅決定著頁巖的生氣量,也直接影響頁巖的含氣量。因為頁巖中有機質含量對氣體具有重要的吸附作用,大量的氣體就是以吸附形式存在于干酪根表面。因此,高的 TOC就意味著高的生氣量和吸附量。美國5大頁巖具有豐富的有機質含量,其 TOC大多介于1.5%～20%,通常認為總有機碳含量超過0.5%的頁巖是有潛力的烴源巖[2]。蔣裕強等則提出 TOC至少應為2%[8]。據該區鉆井巖心的有機地化項目分析,長7段頁巖有機碳含量一般為2.54%～6.16%,平均值為3.74%(17塊樣品);由有機質干酪根類型分析、生油巖熱解分析等資料(表1、2)可以看出:長7段頁巖有機質類型多為腐泥型、混合型。

表1 富縣區塊長7段頁巖干酪根鑒定表

表2 富縣區塊長7段頁巖熱解分析成果表

2.1.4 有機質熱演化程度

根據美國和加拿大的勘探開發結果,形成頁巖氣的頁巖有機質成熟度(Ro)值為 0.4%～3.0%。如Barnett頁巖的成熟度就屬于中等—較高范圍,Ro為1.0%～2.1%[9]。區域上對延長組有機質熱演化的研究表明,早白堊世中期進入成熟門限,早白堊世末期進入大量生烴門限,古近紀進入高成熟期。富縣地區曾經是埋深最大的生油中心,Ro值大于1%,有機質成熟度較高。該區中富2、中富30、葫43井主要生油巖長7段鏡質體反射率分別為1.13%、1.06%、1.10%;總體上西部頁巖有機質演化程度高于東部(圖3)。

2.1.5 孔隙度和滲透率

圖3 富縣區塊長7段頁巖R o值等值線圖

頁巖是由大量的黏土礦物、有機質及細粒碎屑組成的易碎裂的沉積巖。據美國含氣頁巖統計,頁巖巖心孔隙度小于6.5%,平均為5.2%;滲透率一般為0.001～2 mD,平均為0.040 9 mD[10],由此可知其自身的有效基質孔隙度和滲透率都很低。富縣區塊油頁巖的孔隙分析報告顯示,孔隙度高的大于2%,滲透率高的大于0.5 mD(不含裂縫樣品),具備含氣頁巖有效孔滲條件。

2.1.6 微裂縫

頁巖氣藏投入開發后,初期產量來自頁巖的裂縫和基質孔隙,因此天然裂縫的發育既可作為儲集空間,同時也是很好的滲流通道。巖石中的礦物成分是控制裂縫發育程度的主要因素,美國頁巖氣主產盆地頁巖SiO2含量一般超過30%。硅質含量越高,頁巖脆性越大,越有利于形成裂縫。富縣區塊頁巖中石英含量一般為18%～70%,平均為43%。區內頁巖中微裂縫發育,鉆井氣測異常活躍,中富18、中陜32井等鉆井都有很好的頁巖氣顯示。

2.1.7 等溫吸附特征與含氣性分析

氣體在頁巖儲層中主要以兩種主要的方式儲集:在天然裂縫及有效的大孔隙中以游離狀態存在;在有機質或礦物固體顆粒表面以吸附狀態存在。頁巖吸附能力的大小通常與頁巖的許多特征有關,如總有機碳含量、干酪根成熟度、儲層溫度、壓力、頁巖原始含水量和天然氣組分等。

為了解該區頁巖的吸附能力,在鉆井巖心中采集4個樣品進行等溫吸附試驗,試驗條件為:試驗溫度為35℃(大約相當于1 000 m埋深的地溫),采用純甲烷在平衡濕度條件進行,試驗結果為:蘭氏體積為0.98～3.96 cm3/g,平均為1.75 cm3/g;蘭氏壓力為5.19～19.23 M Pa,平均為11.89 M Pa(圖4)。此結果說明該區頁巖具有一定的天然氣吸附能力,但能力大小有差別,其影響因素尚待進一步探索。

圖4 富縣地區長7段頁巖等溫吸附曲線圖

頁巖含氣量是指每噸巖石中所含天然氣折算到標準溫度和壓力條件下(1個標準大氣壓,25℃)的天然氣總量。頁巖中的天然氣賦存相態具有多樣性變化特點,主體上包括了游離態(大量存在于頁巖孔隙和裂縫中)、吸附態(大量存在于黏土礦物顆粒、有機質顆粒、干酪根顆粒及孔隙表面上)及溶解態(少量存在于干酪根、瀝青質、殘留水以及液態原油中),包含了天然氣存在的幾乎所有可能相態。其中,吸附相態存在的天然氣可占天然氣賦存總量的20%(Barnett Shale)～85% (Lew is Shale)[6]。目前該區還沒有通過鉆井取心進行頁巖含氣量測試的資料,因此尚無法確切知道該區頁巖含氣量數據。但是,可以通過頁巖的等溫吸附特征和頁巖賦存的地質條件對頁巖含氣量進行估算。

該區頁巖埋深一般為1 000 m左右,按靜水壓力計算,地層壓力為10 M Pa,投影到圖4的頁巖等溫吸附曲線上,其吸附氣量為0.34～1.35 m3/t,平均為0.75 m3/t。若吸附相態存在的天然氣能夠占到天然氣賦存總量的50%,則頁巖的含氣量可達1.5 m3/t。頁巖氣資源強度可達1.08×108m3/km2(頁巖平均厚度為30 m)。因此,該區頁巖具有良好天然氣資源基礎。

2.1.8 探井氣測異常顯示

對富縣區塊探井的氣測資料進行了統計分析,由于氣測全烴受鉆井液密度、黏度、鉆時等因素的影響較大,在系統分析氣測值與泥漿密度、黏度、鉆時關系后認為:在同等條件下,泥漿密度越小,氣測值越大;泥漿黏度越小,氣測值越大;鉆時越小,氣測值越大。

綜合考慮上述影響因素,繪制的長7段頁巖氣測全烴異常高值區圖顯示(圖5)東部、中部、西部均有氣測異常分布區:東部為中富54井區和牛東4井區;中部為中富18井區;西部為中陜32井區,中富54、中富18、中陜32井長7段頁巖隨鉆全烴值高達70%。

實際錄井資料表明,在長7段泥巖段氣測異常活躍,在氣測全烴異常高值分布區,泥巖厚度大、有機質豐度高、勘探潛力較好。

2.2 頁巖氣勘探方向

頁巖氣藏是“自生自儲”型氣藏[5-6,10-11],成藏要求頁巖厚度足夠大且分布廣、適當的埋深、總有機碳含量必須大、有機質成熟度要適中、較好的儲集孔滲條件、微裂縫發育[2,5-6,9]。

根據富縣地區長7段泥巖地質特征,綜合分析后認為,該區具有良好的頁巖氣成藏地質條件,主要泥巖發育層段具有泥巖厚度大、分布穩定、有機碳含量、成熟度和埋深適中的特征。參考國外頁巖氣評價關鍵參數[2,5-6],根據富縣地區已有的資料,分析后認為該區應關注的頁巖氣勘探方向如下:

2.2.1 區塊西南部中富25—中富28井區

該區長7段頁巖厚度最為發育,厚度可達50 m;埋藏深度為 800～1 200 m,有機碳含量高,Ro> 1.1%。區內大部分鉆井均有較好的氣測異常顯示。因此,該井區是頁巖氣勘探的最有利方向。

圖5 富縣地區長7段頁巖氣測全烴異常高值區圖

2.2.2 區塊中部中富19—中富29井井區

該區長7段頁巖厚度也較發育,最大厚度可超過30 m;埋藏深度為1 000 m左右,有機碳含量高,Ro值介于1.0%～1.1%。區塊北部部分井均有較高的氣測異常,因此,該井區也是探索頁巖氣藏的有利方向之一。

3 結論

鄂爾多斯盆地南部上三疊統延長組是中國陸相頁巖發育地區之一,富縣區塊整個靠近鄂爾多斯盆地中心區,全區發育大套黑色頁巖。通過研究后認為,該區具有頁巖氣的成藏地質條件:頁巖分布面積廣,厚度大,埋藏深度適中,有機質含量高,成熟度適中,斷裂構造不發育。實際鉆井資料表明,該區大部分完鉆井在泥頁巖發育的長7段,氣測顯示高異常。綜合分析認為該區具有較好的頁巖氣勘探潛力,目前的勘探有利地區為:區塊西南部中富25—中富28井區、中部中富19—中富29井井區。

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Shale gas pooling conditionsand exploration targets in the Mesozoic of Fuxian Block,Ordos Basin

Zhou Wen1,2,Su Yuan2,Wang Fubin3,Chen Xiaomei3,Zhou Xiaoyong3
(1.State Key L aboratory of Oil&Gas Reservoir Geology and Exp loitation∥Chengdu University of Technology,Chengdu,Sichuan 610059,China;2.Chengdu University of Technology,Chengdu,Sichuan 610059,China;3.Exp loration and Development Research Institute,Sinopec H uabei B ranch,Zhengzhou, Henan 450006,China)

NATUR.GAS IND.VOLUM E 31,ISSUE 2,pp.29-33,2/25/2011.(ISSN 1000-0976;In Chinese)

Fuxian Block is close to the center of the O rdos Basin,w here two setsof thick black shale are developed and favo rable conditions exist fo r shale gas accumulation.It isof great significance to analyze its shale gas accumulation conditions and recognize future exp lo ration targets.Acco rding to the types of shale gas reservoirs and gas pooling elements,this paper analyzes various conditions fo r shale gas accumulation,such as shale distribution,burial dep th,o rganic matter abundance and o rganic matter types,thermal e-volution of organic matter,porosity and permeability,microfractures,adsorp tion isotherm,aswell as gas content.The Zhangjiatan shale of the Mesozoic Yanchang Fo rmation in the study area has the conditions for shale gas accumulation.The shale thickness, TOC,kerogen type,maturity,burial dep th and f racture are themajo r geologic parameters fo r evaluation and identification of exploration targets.In combination w ith mud logging anomaly,the southern and central parts are recognized to be two favorable exp loration targets in this block.

Ordos Basin,Fuxian Block,shale gas,accumulation condition,exp lo ration target,TOC,adsorp tion isotherm,mud logging anomaly

周文,1962年生,教授,博士生導師;從事特殊油氣藏開發地質研究工作。地址:(610059)四川省成都市成華區二仙橋東三路1號成都理工大學能源學院。電話:(028)84078352。E-mail:zhouw62@cdut.edu.cn

周文等.鄂爾多斯盆地富縣區塊中生界頁巖氣成藏條件與勘探方向.天然氣工業,2011,31(2):29-33.

10.3787/j.issn.1000-0976.2011.02.007

2010-10-20 編輯 羅冬梅)

DO I:10.3787/j.issn.1000-0976.2011.02.007

Zhou Wen,p rofessor,born in 1962,ismainly engaged in research of special oil/gas reservoirs and their development geology.

Add:No.1,Dongsan Rd.,Erxianqiao,Chenghua District,Chengdu,Sichuan 610059,P.R.China

Tel:+86-28-8407 8352 E-mail:zhouw62@cdut.edu.cn