左麗偉

(中國石化股份勝利油田分公司地質(zhì)科學(xué)研究院，山東 東營257015)

頁巖氣是指主體位于暗色泥頁巖、高碳泥頁巖及其夾層狀的粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、甚至細(xì)砂巖中，以吸附和游離狀態(tài)為主要存在方式的天然氣聚集，是天然氣生成之后在源巖層內(nèi)就近聚集的結(jié)果，表現(xiàn)為典型的“原地”成藏模式，以大面積含氣、隱蔽圈閉機(jī)理、可變的蓋層巖性和較短的烴類運(yùn)移距離為特征[1-5]。頁巖氣按成因類型可分為熱成因和生物成因兩類，其中，生物成因頁巖氣是指微生物作用于烴源巖中有機(jī)質(zhì)，生成的以甲烷為主烴類和非烴類氣體，這些天然氣以吸附或游離態(tài)賦存在頁巖中，成為生物成因頁巖氣[6-7]。全球已發(fā)現(xiàn)的頁巖氣藏以熱成因?yàn)橹鳎鶕?jù) Jarviel 等(2010)對美國頁巖氣的分析研究[8-9]，美國主要的20個(gè)頁巖氣藏中，17個(gè)為熱成因氣藏，3個(gè)為生物成因氣藏。我國目前頁巖氣工作主要集中在熱成因方面，如南方海相頁巖氣區(qū)的長寧-威遠(yuǎn)和川東北地區(qū)的元壩-涪陵都為熱成因氣藏，對生物成因頁巖氣藏的研究工作還較少，趙群等(2012)認(rèn)為我國松遼、鄂爾多斯和渤海灣等陸相盆地主力烴源巖成熟度較低，熱成因頁巖氣成藏的條件有限，但具備生物成因頁巖氣的成藏潛力[10]。

生物成因頁巖氣與原生生物氣[6-7]，其意義相同，都是厭氧環(huán)境下甲烷生成菌新陳代謝的產(chǎn)物，烴類組分以甲烷為主，C1/C2+> 500, δ13C1值介于-55‰～-68‰之間。兩者氣源巖相同、成因相同，但存儲(chǔ)位置不同，前者于生烴的泥頁巖中自生自儲(chǔ)，后者則通過擴(kuò)散運(yùn)移至有利的砂巖或碳酸鹽巖儲(chǔ)層中儲(chǔ)集。

濟(jì)陽坳陷內(nèi)首次發(fā)現(xiàn)生物氣的地區(qū)是在惠民凹陷的陽信洼陷，該洼陷沙一段有多口井獲工業(yè)氣流，經(jīng)碳同位素等指標(biāo)綜合分析，其天然氣成分均屬于生物成因類型。多年勘探實(shí)踐證實(shí)，洼陷內(nèi)沙一段天然氣的源巖為同層段廣泛發(fā)育的厚層暗色泥頁巖，那么，該套泥頁巖是否具備形成生物成因頁巖氣藏的條件呢？筆者利用現(xiàn)有資料，對陽信洼陷沙一段泥頁巖的生烴條件、儲(chǔ)集條件、保存條件及含油氣性進(jìn)行了系統(tǒng)分析，與國內(nèi)外已開發(fā)的頁巖氣藏的相應(yīng)指標(biāo)進(jìn)行對比，探討其是否具備形成頁巖氣藏的地質(zhì)條件，為濟(jì)陽坳陷內(nèi)非常規(guī)生物成因頁巖氣的勘探研究提供借鑒。

1 研究區(qū)地質(zhì)背景

陽信洼陷是隸屬于濟(jì)陽坳陷惠民凹陷的次一級負(fù)向構(gòu)造單元，北靠無棣凸起，東鄰沾化凹陷的流鐘洼陷，南接林樊家構(gòu)造北緣，是在新生代形成的受北部陽信大斷層控制的結(jié)構(gòu)呈北斷南超特征的箕狀斷陷洼陷，有利勘探面積約1290km2(圖1)。

圖1 陽信洼陷構(gòu)造位置圖

陽信洼陷自沙一段沉積時(shí)期一直到第四紀(jì)，區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)較弱，斷層很少，僅在洼陷周邊發(fā)育少量重力滑脫斷層。沙一段沉積時(shí)期以濱淺湖相沉積為主，廣泛分布濱淺湖泥，沿北部陡坡帶有近岸水下扇分布，湖盆內(nèi)水下隆起的高部位有生物灘和生物礁發(fā)育，還有砂壩、席狀砂、泥晶白云巖等微相局部分布，向湖盆深處逐漸演變?yōu)榘肷詈喑练e。早期，沉積巖性特征為灰色、深灰色的泥巖、油泥巖與生物灰?guī)r、泥晶白云巖及粉砂巖的互層，厚度0～54m；中期，沉積巖性特征以灰色、深灰色的泥巖、油泥巖、深棕色油頁巖為主，夾生物灰?guī)r、生物白云巖以及粉砂巖薄層，厚度0～62m；晚期，沉積巖性特征為灰色、深灰色泥巖與薄層灰色砂巖的互層，厚度0～75m。

2 泥頁巖的生烴條件

2.1 地溫與泥頁巖的埋深

生物氣的生成、富集受諸多因素控制，首先要有適合甲烷菌生存的環(huán)境(低溫、還原環(huán)境、貧硫酸鹽、酸堿性、富有機(jī)質(zhì)等)[6，11]，而適宜的地溫條件是甲烷菌生存的基礎(chǔ)。甲烷菌生存溫度范圍一般在0～75℃，具有較大生理活性是35～65℃，若將75℃作為甲烷菌生存的下限，按平均地溫梯度3.3℃/100m計(jì)算，則生物氣生成深度下限值為1850m，而洼陷沙一段烴源巖主要埋深范圍為1400～1700m，最大埋深僅1750m，因此，沙一段泥頁巖處于生物氣窗。

另外，根據(jù)7口井的測試分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，沙一段地溫值介于54.0～63.0℃，平均56.9℃，處于甲烷菌最活躍的溫度界限內(nèi)，因此，沙一段泥頁巖正處于生物氣生烴高峰時(shí)期。

2.2 泥頁巖的有效厚度及面積

具備一定的厚度和面積是頁巖氣規(guī)模聚集的必要條件。厚度和面積足夠大的泥頁巖才能保證頁巖氣的總產(chǎn)氣量達(dá)到規(guī)模聚集；同時(shí)，沉積有效厚度及面積是保證足夠的有機(jī)質(zhì)及充足的儲(chǔ)集空間的前提條件，且頁巖的厚度越大、面積越大，頁巖的封蓋能力就越強(qiáng)，有利于氣體的保存，從而有利于頁巖氣成藏[12]。國外資料和國內(nèi)初步勘探實(shí)踐成果表明，能形成具有經(jīng)濟(jì)開發(fā)效益的頁巖氣藏的暗色泥頁巖的有效厚度應(yīng)大于30m，有效面積應(yīng)大于50km2[13-14]。陽信洼陷沙一段為濱淺湖沉積環(huán)境，灰色、灰黑色泥巖、油泥巖與油頁巖等暗色泥頁巖具有橫向分布廣泛、縱向集中分布且厚度大的特點(diǎn)，厚度一般為10～140m，占地層厚度的63%～95%，厚度中心超過150m，超過30m的面積為750km2(圖2)，能夠滿足目前經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件下對泥頁巖厚度及面積的要求。

圖2 陽信洼陷沙一段泥頁巖厚度分布圖

2.3 泥頁巖的地化指標(biāo)

地球化學(xué)參數(shù)的研究是評價(jià)泥頁巖生烴潛力和資源潛力的基礎(chǔ)，泥頁巖生烴潛力是有機(jī)質(zhì)豐度、有機(jī)質(zhì)類型、熱演化程度等因素綜合作用的結(jié)果。

2.3.1 有機(jī)質(zhì)豐度及類型

（3）依據(jù)前期設(shè)計(jì)要求，在確定爆破孔及預(yù)裂孔位置無誤后，可進(jìn)行鉆孔設(shè)備合理選擇。為保證鉆孔精度，本次工程選擇110B型潛孔鉆機(jī)作為預(yù)鉆機(jī)，其具有鉆孔基面小、精度高、操作便捷等優(yōu)點(diǎn)；而在緩沖孔、主爆破孔鉆孔設(shè)備選擇時(shí)，則主要采用CM353型鉆機(jī)。結(jié)合角度尺的應(yīng)用，可以保證緩沖孔坡度的有效控制。

有機(jī)質(zhì)豐度是生烴強(qiáng)度的主要影響因素，決定著生烴量的多少，同時(shí)，頁巖中的吸附氣主要吸附于分散狀的有機(jī)質(zhì)表面，因此產(chǎn)氣頁巖吸附氣含量與總有機(jī)碳含量( TOC)成正相關(guān)，高豐度的有機(jī)質(zhì)決定了頁巖具有高吸附氣含量。北美頁巖氣開發(fā)和研究成果表明，商業(yè)性頁巖氣藏的源巖有機(jī)碳含量一般大于 2%，最高達(dá) 10%[15]。陽信洼陷沙一段有機(jī)質(zhì)豐度較高(圖3)，TOC含量為2.49%～20%，平均為4.66%，高于北美富氣頁巖對TOC含量的最低要求，且越靠近沉積中心其含量越高，因此，具有大量產(chǎn)氣和容氣的能力。

干酪根顯微組分鑒定結(jié)果表明，沙一段泥頁巖的有機(jī)質(zhì)類型均為成烴能力最強(qiáng)的腐泥型(Ⅰ型)，類型指數(shù)在95%以上。

2.3.2 有機(jī)質(zhì)成熟度

對于熱成因氣，隨著頁巖熱演化程度的增高，含氣量將會(huì)逐漸增大，有利于其聚集成藏；而對于生物成因氣，頁巖熱演化程度越高，總有機(jī)碳含量TOC會(huì)越低，形成的生物氣會(huì)越少，越不利于其聚集成藏[16]。根據(jù)Michigan盆地Antrim頁巖氣藏和Illinois盆地New Albany頁巖氣藏的分布規(guī)律，有利于生物成因氣成藏的泥頁巖的成熟度主要分布在Ro≤0.8%的范圍內(nèi)[17]。陽信洼陷沙一段泥頁巖的Ro為0.18%～0.35%，平均為0.22%，成熟度很低(圖3)，說明因熱演化而消耗的有機(jī)碳量較少、剩余有機(jī)碳含量還很高，有利于生物氣的持續(xù)生成。

3 儲(chǔ)集條件

由于陽信洼陷前期的勘探主要針對砂巖和碳酸鹽巖等常規(guī)儲(chǔ)層，因此針對沙一段泥頁巖儲(chǔ)集條件的相關(guān)研究極少，只有個(gè)別井做過研究。筆者只能利用現(xiàn)有資料，結(jié)合研究區(qū)沙一段沉積時(shí)期巖性古地理環(huán)境及濟(jì)陽坳陷內(nèi)其它地區(qū)同層段的研究結(jié)果對沙一段泥頁巖的儲(chǔ)集條件進(jìn)行推斷。

3.1 脆性礦物含量

頁巖中砂質(zhì)和鈣質(zhì)含量較高，表明頁巖硬度較高，脆性強(qiáng)，非常有利于大型壓裂形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)縫，改善泥頁巖儲(chǔ)層物性特征，增加油氣泄流面積[18-19]。統(tǒng)計(jì)表明，北美含氣頁巖的石英含量一般為28% ～52%、碳酸鹽巖4% ～16%、總脆性礦物含量高達(dá) 30% ～ 70%，是北美頁巖氣成功商業(yè)開發(fā)的關(guān)鍵因素之一[15]。陽信洼陷沙一段只有陽21井在1531m處灰質(zhì)泥巖段取樣做過全巖礦物X衍射分析，還有陽16井做過黏土礦物含量統(tǒng)計(jì)(表1)，結(jié)果表明，沙一段泥頁巖總黏土含量為9%～45%，平均為26%。由于沙一段沉積時(shí)期洼陷內(nèi)主要為濱淺湖至半深湖相沉積，廣泛發(fā)育了由生物灰?guī)r和生物白云巖構(gòu)成的生物灘(礁)，以及砂壩和席狀砂等微相，因此推斷沙一段泥頁巖中的碳酸鹽類礦物和石英含量較高，且碳酸鹽礦物含量可能更高，這與陽21井的全巖分析結(jié)果相一致(表1)，也與濟(jì)陽坳陷內(nèi)沾化凹陷、東營凹陷等地區(qū)同層段的統(tǒng)計(jì)結(jié)果相似[20-21]，估算脆性礦物總含量范圍為 50%～80%，這與北美相當(dāng)，其中鈣質(zhì)含量較高，有利于后期的壓裂改造。

圖3 陽信洼陷陽16井烴源巖地球化學(xué)綜合剖面

表1 陽信洼陷沙一段泥頁巖全巖礦物X衍射分析數(shù)據(jù)表

3.2 儲(chǔ)集物性及微孔隙和微裂縫的發(fā)育程度

另外，據(jù)陽21井鑄體薄片和掃描電鏡觀察結(jié)果，陽信洼陷沙一段泥頁巖中可見微孔隙和微裂縫發(fā)育。微孔隙主要以晶間孔的形式存在，其主要類型有：碳酸鹽晶間微孔、黃鐵礦晶間微孔和黏土礦物晶間微孔，孔徑一般小于5.0μm(圖4)。微裂縫也非常發(fā)育，含量大約為20%，多為順層裂縫，裂縫中部分被泥質(zhì)和自生硅質(zhì)充填。微孔隙和微裂縫的存在，為頁巖氣提供了有利的儲(chǔ)集空間，同時(shí)，微裂縫連通泥頁巖孔隙，成為頁巖氣有利的滲流通道。

3.3 薄碳酸鹽巖和薄砂巖夾層的可利用性

陽信洼陷沙一段沉積時(shí)期，可作為常規(guī)儲(chǔ)層進(jìn)行勘探研究的近岸水下扇砂體主要沿北部陡坡帶周緣短距離分布；生物灘、生物礁等厚層碳酸鹽巖儲(chǔ)層主要分布于水下高地的上部。在湖盆較深處則多以小于1.5m的席狀砂、灰?guī)r、白云巖、泥晶白云巖等薄層零星分布，這些砂巖和碳酸鹽巖薄層夾于大套厚層的優(yōu)質(zhì)生烴泥頁巖之中(圖5)，非常有利于其生成的生物頁巖氣的就近匯聚存儲(chǔ)，但是由于這些薄層單層規(guī)模太小，很難作為有效的常規(guī)天然氣儲(chǔ)層投入開發(fā)利用。如果將這些薄儲(chǔ)層作為泥頁巖儲(chǔ)層的組成部分綜合考慮，其具優(yōu)勢的儲(chǔ)集物性使之具有很好的勘探潛力。

圖4 陽21井微孔隙特征

圖5 陽信洼陷沙一段巖性和氣測顯示特征

4 保存條件

陽信洼陷自沙一段沉積時(shí)期一直到第四紀(jì)，區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)較弱，洼陷內(nèi)部二級及三級斷層不發(fā)育, 減少了生物成因頁巖氣縱向上的散失，有利于生物成因頁巖氣的大量保存。但是在北部陽信大斷裂附近，由于地表水較為豐富，水質(zhì)較淡，甲烷菌異?；钴S，促使有機(jī)質(zhì)早期分解，不利于有機(jī)質(zhì)保存和生物成因頁巖氣的形成，因此生物成因頁巖氣的主要富集區(qū)帶應(yīng)在遠(yuǎn)離斷裂的有利泥頁巖發(fā)育區(qū)。

5 含氣性地層判別

觀察洼陷內(nèi)已鉆井的氣測曲線特征發(fā)現(xiàn)，沙一段泥頁巖段普遍存在氣測異常的特征(圖5)，越靠近湖盆沉積中心，氣測異?，F(xiàn)象越明顯，如陽37井，氣測顯示全烴含量為4%～20% (基值為1%)，氣測顯示異常段厚度為107m；統(tǒng)計(jì)沙一段氣測異常的厚度范圍為40～120m，面積達(dá)670km2，充分證明陽信洼陷沙一段具備生物成因頁巖氣藏的勘探潛力。

6 有利勘探方向

通過上述綜合分析認(rèn)為，陽信洼陷沙一段泥頁巖具備形成生物成因頁巖氣藏的有利條件。為保障頁巖氣的勘探能夠取得較好的成果，首次勘探目標(biāo)應(yīng)選取泥頁巖較發(fā)育(厚度大于50m)、氣測異常值明顯(大于基值5倍)、夾有灰?guī)r或砂巖薄層、遠(yuǎn)離斷層、構(gòu)造較平緩的區(qū)帶，部署水平探井。

7 結(jié)論

陽信洼陷沙一段泥頁巖埋深較淺，分布廣、厚度大且集中分布，有機(jī)質(zhì)類型好、豐度高，處于生物氣生烴高峰時(shí)期，具備形成生物成因頁巖氣的有利條件。泥頁巖儲(chǔ)層中脆性礦物含量較高，利于后期的開采。泥頁巖中微孔隙和微裂縫較發(fā)育，且含有薄砂巖和碳酸鹽巖夾層，有利于生物成因頁巖氣的存儲(chǔ)。沙一段泥頁巖段普遍存在氣測異常的特征，充分證明其具備生物成因頁巖氣藏的勘探潛力。

濟(jì)陽坳陷沙一段泥巖普遍具有有機(jī)碳較高、厚度大的特征。陽信洼陷生物成因頁巖氣的勘探一旦獲得突破，將帶動(dòng)濟(jì)陽坳陷其他地區(qū)的生物成因頁巖氣的勘探。

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