松遼盆地南部青山口組一段頁巖油富集地質特征及資源潛力

徐興友，劉衛彬，白 靜，陳 珊，李耀華

中國地質調查局油氣資源調查中心，北京100083

0 引言

松遼盆地是世界上已發現油氣資源最為豐富的陸相沉積盆地，也是中國重要的產油氣盆地之一.目前，松遼盆地常規油氣勘探開發已進入中后期，常規油氣增儲上產難度大，迫切需要開拓新的油氣接替領域［1］.松遼盆地白堊系發育沙河子組、青山口組、嫩江組等多套陸相頁巖，是盆地主要烴源巖層，在地質歷史時期生成了大量的烴類，除了運移至砂巖儲層聚集成藏外，還有大量的油氣殘留于頁巖中，形成了巨大的頁巖油氣資源［2-6］.

中國中生代以來廣泛發育大型淡水、咸水長期持續沉降的拗陷和斷陷湖盆，均可保存有機質形成優質烴源巖.通常陸相頁巖油層以Ⅰ—Ⅱ型有機質為主，熱演化程度上多處于液態石油生成階段，成熟區主力烴源巖層資源潛力大，且富集大量可動資源.半深湖—深湖相是烴源巖形成的最有利相帶，沉積有機質豐度高，可形成高豐度的頁巖有利區（段）.富有機質頁巖中有機質紋層廣泛存在，有機質為無定型、不規則的微粒、凝塊或絮團，呈紋層狀和條帶狀［5-6］.另外，陸相頁巖層系石油充注程度高、含油層系多、分布面積廣，石油資源規模大，存在多類型局部有利儲集層“甜點”.近年重點探區勘探研究和初步實踐證實，中國陸相頁巖層系具有烴源巖內大規模石油聚集成藏、多層系多類型大面積分布特征［7］.

松遼盆地白堊系上統青山口組一段（以下簡稱“青一段”）頁巖有機質豐度高、類型好、演化程度適中、生烴能力強，頁巖內部大量滯留烴富集，是典型的陸相頁巖油潛在勘探開發層系.目前多口探井在青一段頁巖層段中見豐富頁巖油顯示，部分探井試油獲得油流.另外，根據前人研究成果，從頁巖儲層特征、地球化學特征等基礎油氣地質條件的角度，青一段頁巖是松遼盆地頁巖油勘查最為現實的層系，具備規模頁巖油資源形成所需的基礎地質條件［8-9］.目前，松遼盆地頁巖油氣資源勘探尚處于起步階段，缺乏針對青一段頁巖油富集特征的系統研究.本文以松遼盆地南部長嶺凹陷為例，系統分析青一段頁巖滯留烴、巖相類型、儲集空間及物性、頁巖礦物組成等特征，研究富集主控因素，通過多因素疊合圈定頁巖油富集區，為其他地區的深湖相頁巖勘查提供借鑒.

1 區域地質概況

松遼盆地是中國東部大型疊合含油氣盆地，總面積達26×104km2，根據基底性質和蓋層的區域地質特征，整體劃分為中央拗陷區、北部傾沒區、西部斜坡區、東北隆起區、東南隆起區和西南隆起區等6個一級構造單元［10-13］.本次研究對象主要是位于松遼盆地南部的主力的生烴凹陷——長嶺凹陷（圖1）.青一段泥頁巖廣泛發育，分布面積超過2×104km2，沉積厚度大，是頁巖油勘查有利領域.

長嶺凹陷發育下部上侏羅統—下白堊統斷陷層系和上部上白堊統拗陷層系雙層地質結構.自下而上依次發育火石嶺組、沙河子組、營城組、登婁庫組、泉頭組、青山口組、姚家組、嫩江組，其中青山口組一段是拗陷層系主力頁巖油富集潛在層系［14-15］，也是本次研究的目的層段.

2 青一段頁巖油富集地質特征

2.1 頁巖分布特征

圖1 松遼盆地南部構造位置及地層綜合柱狀圖（據文獻［15］改編）Fig.1 Tectonic location and comprehensive stratigraphic column of southern Songliao Basin（Modified from Reference［15］）

松遼盆地上白堊統為大型淡水—微咸水湖相沉積環境.青山口組沉積早期（青一段）湖盆急劇擴張，湖盆面積擴大，主要沉積了深湖及半深湖相有機質富集的暗色泥巖；青山口組沉積晚期（青二、三段），總體表現為水退，湖盆萎縮，陸源碎屑供應充分，粗碎屑物質較發育，主要沉積三角洲前緣砂巖及濱淺湖相泥巖［15-17］.因此，在垂向分布上優質頁巖主要發育于青一段中下部，暗色泥巖厚度一般為50～100 m，平均厚度80 m，主體埋深1 500～2 500 m.在平面上，青山口組沉積時期松遼盆地南部主要發育西部和南部兩大河流體系，湖盆主要分布在盆地中部及北部，在盆地中心發育半深湖—深湖亞相，向盆地邊緣逐漸演化為前三角洲、三角洲前緣亞相.因此，青一段暗色頁巖主要分布于中央拗陷區的長嶺斷陷，沉積中心為乾安－大安一帶，最大厚度超過90 m（圖2）.

2.2 頁巖滯留烴特征

2.2.1 滯留烴含量與分布

長嶺凹陷青一段頁巖有機質豐度高，有機碳含量（TOC）以1.5%～3.0%為主，平均達到2.0%以上；有機質類型為I型、II1型，以生油型母質為主；有機質演化程度為0.8%～1.1%，處于生油高峰階段，具有滯留烴富集的物質基礎.青一段暗色頁巖具有較高的殘留烴量，氯仿瀝青“A”含量絕大部分大于0.2%，平均值為0.35%，最高可達2%；熱解S1值含量普遍大于1.5×10－3，最高可達4×10－3，平均為2.2×10－3.受有機質演化程度及生排烴作用的影響，頁巖中滯留烴富集在一定的深度范圍內.通過有機地球化學綜合演化剖面（圖3）分析，青一段頁巖中滯留烴主要富集在1 800～2 500 m深度范圍內.在這一深度范圍內，有機質演化程度達到0.8%～1.2%，有機質大量轉化為烴類，TOC及熱解S2值隨深度增加逐漸減小，熱解S1值達到高值，超過2×10－3.

圖2 松遼盆地南部青一段頁巖分布特征Fig.2 Distribution characteristics of K2qn1 shale in southern Songliao Basin

2.2.2 滯留烴可流動性

在頁巖層系中，滯留烴的可流動性對于頁巖油的評價具有至關重要的作用，可流動的原油是頁巖油資源中具有工業價值潛力的部分.在北美頁巖油評價中，應用油跨越指數（S1/TOC）表征頁巖油的可流動性，在北美Eagle Ford頁巖中工業油流井S1/TOC值大于100%.松遼盆地青一段頁巖S1/TOC值主要介于50%～200%，平均超過80%，試油獲得工業油流的層段S1/TOC值超過100%，低產油流井S1/TOC值超過80%，顯示井S1/TOC值均小于80%［18-19］.

根據青一段已采出的致密油原油物性數據統計分析結果，滯留在青一段頁巖中的烴以油為主.頁巖中原油密度（地面密度，測量溫度為20℃）為0.82～0.88 g/cm3，平均0.84 g/cm3，原油黏度（50℃）整體小于40 mPa·s，大部分小于20 mPa·s；原油含蠟量在15%～30%之間，平均超過20%，含量相對較高，屬于含蠟輕－中質原油.多口鉆井試油結果同樣表明，在青一段原油成熟度高，黏度低，流動性好，有利于形成工業油流（圖4）.

2.3 巖相特征

松遼盆地南部青山口組一段可劃分為3個頁巖層組，3個層組之間在巖性、有機質類型、含油性、儲層物性等方面具有明顯差異（圖5），表明青一段發育3類不同特征頁巖巖相體系.其中，1號層組巖性為純頁巖，不含紋層，不發育粉砂巖，顏色主要為深灰色、灰黑色和黑色，層理縫及高角度裂縫發育，有機質含量高，TOC均大于2%，有機質類型以I型為主，殘留烴含量高，熱解S1＞2×10－3，氯仿瀝青“A”＞0.4%，平均有效孔隙度高（6.4%），定義為層理型頁巖；2號層組巖性為頁巖、粉砂質泥巖，泥巖顏色主要為深灰色、灰色，內部發育砂質紋層或介形蟲紋層，有機質含量中—高，TOC 1%～3%，有機質類型以I型為主，頁巖中殘留烴含量較高，熱解S1主體大于2×10－3，部分在1×10－3～2×10－3之間，氯仿瀝青“A”＞0.4%，平均有效孔隙度為5.5%，定義為紋層型頁巖；3號層組巖性為頁巖、粉砂質泥巖，局部發育粉砂巖，泥巖顏色主要為灰色，內部發育砂質紋層或介形蟲紋層，部分泥巖段出現砂泥互層，有機質含量中—低，TOC＜2×10－3，有機質類型以II1和II2型為主，頁巖中殘留烴含量分布不均，平均有效孔隙度為5.4%，定義為互層型頁巖.綜合判斷認為，層理型和紋層型頁巖含油性、物性要優于互層型頁巖.

2.4 儲集空間特征

圖3 青一段頁巖有機地球化學綜合演化剖面Fig.3 Comprehensive evolution profile of organic geochemistry of K2qn1 shale

圖4 青一段頁巖中原油性質與單井產量關系Fig.4 Relation between crude oil properties and single well production in K2qn1 shale

從微觀特征上來看，青一段頁巖主要發育粒間孔隙和微裂縫多種類型儲集空間，但是，不同的巖相中發育的孔隙類型有所差異.通過掃描電鏡圖像和QEMSCAN可以有效獲得不同巖相中不同孔隙類型的相對含量，輔助分步抽提實驗可以獲得不同巖相孔徑形態及大小分布［20-22］.對青一段3種巖相類型的頁巖樣品進行了研究，結果表明，在層理型頁巖中，伊利石晶間孔占主體，約占58.8%，其次為石英、長石所圍成的粒間孔，約占33.04%，黃鐵礦晶間孔約占5.1%，幾乎不發育粒內溶孔和白云石晶間孔（圖6a），孔徑類型以介孔為主，孔徑分布區間集中在10～50 nm（圖6b）；紋層型頁巖和互層型頁巖具有較高的長英質礦物粒間孔含量，分別為36%和45%，明顯高于層理發育型頁巖中的粒間孔含量，該類型粒間孔主要發育在砂質紋層中，在泥質紋層中仍以伊利石晶間孔為主.紋層型頁巖孔徑類型以介孔－宏孔為主，孔徑分布區間集中在20～60 nm；互層型頁巖孔徑類型以介孔－宏孔為主，孔徑分布區間集中在3～30 nm.綜合來看，層理型頁巖孔隙類型以黏土礦物晶間孔為主，紋層型和互層型頁巖孔隙類型兼具黏土礦物晶間孔和長英質粒間孔，平均孔隙直徑大小排序為：紋層型頁巖＞層理型頁巖＞互層型頁巖.

2.5 礦物組成特征

圖5 長嶺凹陷青一段巖相及層組劃分圖Fig.5 Lithofacies and stratigraphic division of K2qn1 in Changling Sag

圖6 青一段頁巖各類巖相孔隙特征Fig.6 Pore characteristics for various lithofacies of K2qn1 shale

青一段頁巖礦物主要由石英、鉀長石、斜長石、方解石、黏土礦物及黃鐵礦組成.本研究對長嶺凹陷青一段頁巖巖心礦物組成進行了分析，結果表明青一段頁巖脆性礦物含量為33%～70%，均值52%，以石英和斜長石為主；黏土礦物含量23%～68%，均值46%，以伊利石和伊/蒙混層為主（圖7）；碳酸鹽礦物、黃鐵礦等含量較少.其中，層理型頁巖以黏土礦物為主，平均含量為53.7%；紋層型頁巖中主要成分石英、長石和黏土礦物呈現混積分布，分別為26.6%、16.3%和32.4%，局部發育介形蟲紋層，引起碳酸鹽含量局部較高；互層型頁巖黏土礦物含量較低，平均值為21.5%，長英質含量較高，平均64.6%，局部砂質層內出現少量鈣質膠結，引起方解石含量增加.整體來看，青一段頁巖脆性礦物含量高，可壓裂性較好，其中紋層型和互層型頁巖可壓裂性要優于層理型頁巖.

綜合對青一段頁巖油富集地質條件的分析表明，層理型和紋層型兼具較好的含油性、物性、儲集空間類型和可壓裂性，是長嶺凹陷最重要的頁巖油富集目標層系，可以作為有利區優選和井位部署的重要依據.

3 頁巖油資源潛力

3.1 有利區優選

圖7 青一段頁巖全巖礦物含量及黏土礦物含量分布圖Fig.7 Distribution of whole rock mineral and clay mineral contents in K2qn1 shale

有利區的優選決定頁巖油的勘探方向.有利區是指在富有機質頁巖發育的基礎上，頁巖層系中滯留烴富集，通過鉆探能夠或可能獲得頁巖油流的區域［23-25］.主要的評價指標是在潛力區評價的基礎上，提高頁巖的厚度、有機質豐度、成熟度等參數的標準，且增加含油性參數（熱解S1或氯仿瀝青“A”）的約束.依據松遼盆地南部青山口組一段頁巖油發育地質條件，綜合分析國內已有陸相頁巖油有利區評價指標，建立了基于頁巖厚度（大于50 m）、TOC（大于1.5%）、Ro（大于0.7%）、S1（大于1.0×10－3）、S1/TOC（大于100%）等多參數的有利區優選評級標準.

按照上述多因素評價標準，對長嶺凹陷進行頁巖油富集要素疊合評價，圈定出乾安和大安兩個頁巖油富集區，有利區面積2 880 km2（圖8）.其中，乾安有利區主要分布在長嶺凹陷乾安次洼，有利區面積為1 300 km2，發育三角洲外前緣深湖—半深湖相帶頁巖，青一段主要發育層理型、紋層型兩類有利頁巖層系；大安－塔虎城有利區主要分布在長嶺凹陷大安－塔虎城次洼、紅崗階地東北部及扶新隆起帶西緣，有利區面積為1 580 km2，主要發育深湖—半深湖相帶頁巖，青一段以層理型頁巖為主，紋層型頁巖欠發育.因此，優選發育兩類有利巖相的乾安有利區部署吉頁油1HF井實施鉆探驗證，該井壓后放噴求產獲得16.4 m3/d的高產頁巖油流，證實了頁巖油富集有利區優選的正確性.

3.2 資源潛力評價

目前，針對陸相頁巖油氣資源潛力尚未形成一個較為明確和有針對性的評價體系，常規油氣資源評價方法中成因法、資源豐度類比法、EUR類比法、容積法、油氣資源空間預測法等，因需要的地質參數較多，不適用于勘探程度較低、缺少試采數據的頁巖油資源評價.考慮到數據豐富程度，本次評價主要采用體積法中的熱解S1法對松遼盆地南部長嶺凹陷的頁巖油資源進行估算.該方法具有方法成熟、分析精度高、經濟快捷、樣品用量少、獲取比較方便等優點.

熱解S1法是應用熱解S1參數作為頁巖油含量的衡量指標.S1為游離態，是巖石在熱解升溫過程中300℃以前熱蒸發出來的，為源巖中已經生成但尚未排出的烴類產物，正是頁巖油評價和勘探的對象.計算公式如下：

圖8 松遼盆地南部青一段頁巖油有利區分布圖Fig.8 Distribution map of favorable areas for shale oil in K2qn1 in southern Songliao Basin

式中，V—頁巖體積，m3；ρ—頁巖密度，g/cm3；S1—殘留烴含量，10－3；k輕烴—S1的輕烴補償校正系數；k重烴—S1的重烴補償校正系數.

在參數選取過程中，ρ、k輕烴、k重烴均屬于經驗參數，根據長嶺地區概率統計得出固定賦值，其中乾安地區頁巖巖石密度為2.45 g/cm3，大安地區頁巖巖石密度為2.4 g/cm3；通過吉頁油1HF井青一段巖心分溫階熱解實驗與常規熱解對比確定重烴校正系數（k重烴）為2.1，根據取心后立即實測熱解S1值與放置2個月后實測熱解S1數據對比確定輕烴校正系數（k輕烴）為0.79；對于V、S1參數的確定采用歸一化網格法進行，對上文有利區的優選評價過程中形成的頁巖等厚圖、S1等值線圖按照10 km×10 km的密度進行網格化處理，計算每一單元格中的資源豐度.最終，按照熱解S1方法初步估算乾安有利區頁巖油資源量約15×108t，大安－塔虎城有利區約20×108t，長嶺凹陷青一段頁巖油資源量約為35×108t，具有十分可觀的頁巖油勘探開發前景.

4 結論

（1）松遼盆地南部長嶺凹陷青一段半深湖—深湖相頁巖發育，頁巖油遠景區面積可達2×104km2，青一段頁巖沉積厚度50～100 m，平均厚度80 m，滯留烴含量高，有利深度段在1 800～2 500 m，且原油性質為輕質—中質，流動性好，具備頁巖油富集有利地質條件.

（2）青一段頁巖可劃分為層理型、紋層型、互層型3種巖相類型，其中層理型和紋層型兼具較好的含油性、物性、儲集空間類型和可壓裂性，是主要的頁巖油富集層系.

（3）依據形成的頁巖油富集地質認識，按照富集主控因素多因素疊合法評價出乾安和大安兩個頁巖油富集區，有利區面積2 880 km2.其中，乾安富集區發育層理型、紋層型兩類有利頁巖層系，在該區部署吉頁油1HF井實施鉆探驗證，壓后測試獲得16.4 m3/d的高產頁巖油流，對中國深湖相頁巖油勘探開發具有借鑒意義.

（4）采用熱解S1方法初步估算長嶺凹陷青一段頁巖油資源量為35×108t，其中乾安有利區頁巖油資源量15×108t，大安－塔虎城有利區20×108t，證實松遼盆地南部青一段具有十分可觀的頁巖油勘探開發前景.