東濮凹陷北部沙三段頁巖油氣形成及分布預測

呂艷南，張金川，張 鵬，黃宇琪，鄧恩德

(中國地質(zhì)大學，北京 100083)

引 言

東濮凹陷為渤海灣盆地富油氣凹陷之一，大部分石油和天然氣都分布于凹陷北部地區(qū)[1-3]。東濮凹陷北部地區(qū)沙三泥頁巖段頻繁見到氣測異常和油氣顯示，頁巖油氣潛力巨大。中原油田對該區(qū)老井進行了大范圍的錄井資料復查，發(fā)現(xiàn)沙三段泥頁巖鉆遇油氣顯示井共74口，主要分布在濮衛(wèi)、前梨園、柳屯次洼及斜坡帶。利用實驗測試資料對東濮凹陷北部沙三段泥頁巖的形成條件進行系統(tǒng)分析，對比了湖泊環(huán)境中鹽度高低對泥頁巖有機地球化學特征的影響，推測研究區(qū)不同地區(qū)頁巖油氣分布類型和特征，以期為東濮凹陷北部沙三段的頁巖油氣勘探開發(fā)提供借鑒[4-5]。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

東濮凹陷是一個早期箕狀東斷西超、晚期雙斷式的凹陷，主要受斷裂構(gòu)造活動的影響，構(gòu)造分區(qū)大致以慶祖集—習城集—白廟為界，以北的地區(qū)稱為東濮凹陷北部(圖1)。東濮凹陷北部地區(qū)沙三段整體為湖相背景下的各類三角洲沉積。沙三期湖盆呈現(xiàn)非補償?shù)陌肷詈练e環(huán)境，在水體較深的深湖、半深湖及淺湖區(qū)形成了厚度大、有機質(zhì)豐富的暗色泥頁巖;沙三段自下而上發(fā)育3套鹽巖，每1套鹽巖由若干個巖韻律組成，韻律由鹽巖和泥巖構(gòu)成。

圖1 東濮凹陷北部沙三段沉積相

2 泥頁巖發(fā)育特征

構(gòu)造作用對盆地演化的控制體現(xiàn)在沉積環(huán)境的變化，沉積環(huán)境的變遷控制了頁巖儲層的有效厚度和分布面積。通過對研究區(qū)內(nèi)單井沉積相分析，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)內(nèi)泥頁巖發(fā)育的沉積微相主要有三角洲體系中的水下分流間灣、前三角洲和湖泊體系中的半深湖—深湖3種沉積微相。泥頁巖層系主要有深灰色頁巖、灰質(zhì)頁巖、粉砂質(zhì)頁巖、膏質(zhì)頁巖等。具有分布廣、厚度大、埋深適宜，縱、橫向巖性變化大的特點。泥頁巖埋藏深度主要分布在2 000～3 600 m，厚度變化較大，沙三下亞段泥巖厚度最厚可達600 m，沙三中亞段時期整個湖盆面積變大，胡狀集和前梨園附近泥巖厚度可達400 m，沙三上亞段時期沉積中心北移，在胡狀集北部泥巖厚度最厚可達325 m。

3 頁巖油氣的儲集條件

3.1 全巖礦物組成

東濮凹陷北部沙三段泥頁巖樣品X衍射全巖分析表明:沙三段深湖—半深湖相礦物組成以黏土礦物為主，含量在50%左右，其次為石英，含量約為20%，長石含量約為10%，這3種組分含量變化不大，而不同樣品的碳酸鹽巖礦物含量變化較大。黏土礦物以伊蒙混層為主，含量達45% ～50%，其次為伊利石，含量約為35%，高嶺石含量略高于綠泥石，為10%左右，綠泥石含量不到10%。通過對比發(fā)現(xiàn)泥頁巖礦物中脆性礦物(石英、長石和方解石)含量大于45%，在很大程度上影響著孔隙度和裂縫發(fā)育程度，進而影響頁巖氣的品質(zhì)與產(chǎn)能。

3.2 儲集物性

頁巖氣主要以游離態(tài)蘊藏在泥頁巖孔隙空間及裂隙內(nèi)或以吸附態(tài)賦存于有機質(zhì)的表面，孔隙是氣體的儲存空間，游離氣含量同時對吸附氣量也有一定的影響。頁巖油主體上以游離態(tài)和溶解態(tài)存在頁巖孔隙和頁巖氣中。

孔滲分析測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計表明，沙三段泥頁巖孔隙度平均值為3.7%，滲透率平均值為0.091 3×10-3μm2。統(tǒng)計過程中發(fā)現(xiàn)孔隙度、滲透率異常高值，推測與泥頁巖裂縫發(fā)育有關(guān)。

3.3 儲集空間類型

圖2 東濮凹陷北部沙三段泥頁巖孔隙型儲集空間

東濮凹陷沙三段儲集空間主要有無機孔和有機孔兩大類(圖2)。無機孔是主要孔隙類型，可分為黏土粒間微孔、晶間溶蝕孔和晶內(nèi)溶蝕孔，孔形狀不規(guī)則，孔徑大小主要分布在50～1 000 nm。溶蝕孔主要發(fā)育在有機質(zhì)富集區(qū)周圍，且連通性好，充填程度低，大大地提高了泥頁巖的物性;有機孔主要發(fā)育收縮孔和溶蝕孔，有機質(zhì)收縮孔發(fā)育較為集中，孔隙大小分布不均，徑寬主要分布在50～1 000 nm范圍，孔隙形狀呈條帶狀、網(wǎng)狀，連通相對較好。充填狀態(tài)主要為全充填和部分半充填，充填物質(zhì)主要為方解石、黃鐵礦和部分碎屑。有機質(zhì)溶蝕孔也發(fā)育在有機質(zhì)內(nèi)，其孔隙形狀基本相同、孔隙大小分布也較均勻，與周圍無機質(zhì)溶蝕孔隙發(fā)育特征比較相似，充填狀態(tài)主要為未充填和方解石半充填。

4 泥頁巖有機地化特征

泥頁巖有機地化(有機質(zhì)豐度、類型、成熟度)特征是制約其生烴及油氣賦存能力的最關(guān)鍵因素，是頁巖油氣地球化學評價的重要指標。根據(jù)前人研究，湖泊環(huán)境的富有機質(zhì)泥頁巖是頁巖油氣勘探開發(fā)的重點目標。根據(jù)湖泊環(huán)境古水體鹽度的高低，可將泥頁巖沉積環(huán)境分為含鹽區(qū)和低鹽區(qū)，且鹽度的高低對泥頁巖有機地球化學特征有重要的影響作用。

4.1 有機質(zhì)豐度

沉積環(huán)境整體控制了有機質(zhì)豐度和保存。從東濮凹陷北部濮6-33井泥頁巖氯根含量與有機碳含量對應關(guān)系 (圖3)可以看出，Cl-變化趨勢與有機碳含量 (TOC)的變化呈較好的正相關(guān)性:隨Cl-含量升高，有機碳含量也隨之升高，說明有機質(zhì)豐度受古鹽度的影響，古鹽度越高，有機質(zhì)豐度越高。且鹽湖環(huán)境下泥頁巖有機質(zhì)具有較高的生烴潛力。因為高鹽度水體一般具有分層現(xiàn)象，底部的鹵水層是一個閉塞強還原環(huán)境，生物死亡后立即被保存起來，這是有機質(zhì)豐度高的一個主要原因。

4.2 有機質(zhì)類型

咸水湖相形成的烴源巖Pr/Ph小于0.8，具明顯的植烷優(yōu)勢，OEP趨于1，有機質(zhì)主要來源于浮游生物和藻類的脂肪酸，形成低碳數(shù)正烷烴，碳數(shù)分布范圍低于C20，∑nC21-/∑nC22+多大于1，來源于高等植物蠟質(zhì)則形成高碳數(shù)正烷烴，從含鹽湖區(qū)泥頁巖飽和烴氣相色譜分析發(fā)現(xiàn)，含鹽區(qū)泥頁巖主峰碳多低于C21，∑nC21-/∑nC22+多大于1;碳數(shù)分布為C23—C26，碳數(shù)分布以前峰型為主，說明含鹽區(qū)有機質(zhì)來源為水生生物，有機質(zhì)類型較好。因此在半深湖—深湖相有機質(zhì)含量高，有機質(zhì)類型以Ⅰ—Ⅱ2為主，保存條件好，是富有機質(zhì)泥頁巖發(fā)育的有利沉積環(huán)境;三角洲體系泥頁巖有機質(zhì)豐度較湖泊體系低，有機質(zhì)類型以Ⅱ2—Ⅲ為主[6-7]。

圖3 濮6-33井地化分析

4.3 有機質(zhì)成熟度

對東濮凹陷北部沙三段泥頁巖樣品實驗結(jié)果進行統(tǒng)計分析表明，在低鹽區(qū)內(nèi)，Ro為0.5%時，對應埋藏深度約為2 500 m，泥頁巖進入生油窗;Ro為1.2%時，埋深約為3 950 m，達到生油高峰;Ro大于2.0%時，對應埋深大于4 750 m，進入過成熟階段;在含鹽區(qū)內(nèi)，Ro為0.5%時，對應埋藏深度約為2 750 m;Ro為1.2%時，埋深達到4 150 m;Ro為2.0%時，埋深達到4 950 m。可以看出含鹽區(qū)內(nèi)有機質(zhì)較低鹽區(qū)更晚進入生油窗，即相同埋深條件下含鹽區(qū)內(nèi)有機質(zhì)成熟度較低[8-10](圖4)。

圖4 東濮凹陷北部沙三段低鹽區(qū)和含鹽區(qū)Ro對比

5 泥頁巖的含油氣性

5.1 含氣量

對濮深20井4 434.35、4 436.36 m頁巖樣品進行了現(xiàn)場解吸工作，并進行了室內(nèi)數(shù)據(jù)處理，采用了直線法與多項式法，分別求取含氣量，計算解吸氣量約為1.64 m3/t。

5.2 含油率

綜合運用氯仿瀝青“A”輕烴恢復法和“S1”重烴恢復法進行了總含油率的計算。其中沙三下亞段用氯仿瀝青“A”法測得含油率的均值為0.2302%，“S1”重烴恢復法測得的含油率的均值為0.2621%;沙三中亞段用氯仿瀝青“A”法測得含油率的均值為0.2419%，“S1”重烴恢復法測得的含油率的均值為0.2656%;沙三上亞段用氯仿瀝青“A”法測得含油率的均值為0.2302%，“S1”重烴恢復法測得的含油率的均值為0.2778%;整個沙三段用氯仿瀝青“A”法測得含油率的均值為0.2350%，“S1”重烴恢復法測得的含油率的均值為0.2685%。

綜合考慮TOC、Ro、有機質(zhì)類型、孔隙度對泥頁巖含油率的影響，結(jié)合東濮凹陷地質(zhì)條件和生烴過程，通過多元回歸的方法對研究區(qū)含油率計算得出東濮凹陷北部泥頁巖含油率為0.2822%。

6 頁巖油氣分布預測

推測研究區(qū)不同地區(qū)頁巖油氣分布的類型和特征，對東濮凹陷北部沙三段的頁巖油氣的勘探開發(fā)具有重要的借鑒意義。頁巖油氣形成的物質(zhì)基礎取決于泥頁巖中有機質(zhì)的含量和質(zhì)量，而油氣生成的類型取決于有機質(zhì)成熟度的大小[11]。因此，可以從泥頁巖的發(fā)育特征及有機質(zhì)成熟度和有機質(zhì)性質(zhì)角度，根據(jù)各沉積微相下泥頁巖有機質(zhì)地球化學特征以及不同干酪根類型生油氣特征(圖5)，分析不同沉積環(huán)境下單井泥頁巖生烴特征，在文明寨—橋口垂向剖面上預測出泥頁巖油氣分布類型和特征。

圖5 不同有機質(zhì)類型生油氣特征(據(jù)黃第藩，1996，有修改)

其中在東濮凹陷北部衛(wèi)城湖相含鹽區(qū)泥頁巖有機質(zhì)類型以Ⅰ型為主，有機質(zhì)成熟度 Ro為0.5% ～0.8%，以富集頁巖油為主;在橋口—習城集一帶三角洲體系泥頁巖雖然有機碳含量較低，但也具有一定的生油氣能力，其有機質(zhì)類型以Ⅱ型和Ⅲ型為主，有機質(zhì)成熟度Ro為0.8% ～2.0%，以頁巖油氣共存和頁巖氣為主(圖6)。

7 結(jié)論

(1)東濮凹陷沙三段泥頁巖分布廣、厚度大、埋深適宜、有機質(zhì)豐度高，泥頁巖儲集空間以有機質(zhì)孔和無機質(zhì)孔為主，裂縫發(fā)育造成儲集物性高值點;脆性礦物含量大于45%，現(xiàn)場解吸氣量為1.64 m3/t，擬合泥頁巖含油率為0.2822%，具有很好的生油氣潛力。

圖6 文明寨—橋口垂向剖面頁油氣分布預測

(2)湖泊環(huán)境中鹽度高低對泥頁巖地球化學特征有重要的影響。鹽湖條件下有機質(zhì)含量較低鹽區(qū)高，有機質(zhì)類型以I型干酪根為主，較低鹽區(qū)有機質(zhì)類型好。有機質(zhì)的來源和保存是鹽湖環(huán)境有機質(zhì)富集的主要因素，且在相同埋深條件下含鹽區(qū)內(nèi)有機質(zhì)成熟度較低。

(3)綜合沉積環(huán)境對泥頁巖有機地化特征的影響及不同干酪根類型生油氣特征，對東濮凹陷北部泥頁巖進行生烴預測，北部衛(wèi)城含鹽泥頁巖主要以頁巖油為主，橋口—習城集一帶以頁巖油氣共存和頁巖氣為主。

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