沈家仙,陳孔全,王金龍,蘇蕓秀,鐘劍鳴

(長江大學(xué)非常規(guī)油氣湖北省協(xié)調(diào)創(chuàng)新中心,湖北武漢430100)

綏濱坳陷濱頁1井泥頁巖地球化學(xué)特征

沈家仙1,陳孔全1,王金龍2,蘇蕓秀2,鐘劍鳴2

(長江大學(xué)非常規(guī)油氣湖北省協(xié)調(diào)創(chuàng)新中心,湖北武漢430100)

通過對綏濱坳陷濱頁1井泥頁巖樣品的巖石熱解分析、族組分分析和色譜分析,系統(tǒng)分析了該井泥頁巖的地球化學(xué)特征。結(jié)果表明:濱頁1井發(fā)育穆棱組、城子河組及東榮組3套泥頁巖層系。泥頁巖有機質(zhì)豐度較高,各項指標綜合評價為中—好烴源巖,有機質(zhì)類型以Ⅱ2型為主,其次為Ⅱ1型與Ⅲ型。類異戊二烯型烷烴Pr/Ph比值較大,總體位于1.0～3.0之間,為弱氧化環(huán)境。穆棱組與東榮組具甾烷C29優(yōu)勢,代表陸源高等植物生源輸入,城子河組為多源輸入。鏡質(zhì)組反射率、甾烷成熟度、藿烷異構(gòu)體比值均顯示濱頁1井泥頁巖有機質(zhì)成熟度已達到成熟階段。綜合地球化學(xué)分析表明,綏濱坳陷泥頁巖具備較好的生烴潛力,具有較好的頁巖氣勘探前景。

三江盆地;綏濱坳陷;濱頁1井;地球化學(xué);生物標志化合物

隨著常規(guī)油氣勘探開發(fā)進入中后期,非常規(guī)油氣日漸成為油氣勘探開發(fā)的新領(lǐng)域,特別是頁巖氣成為近幾年的熱點。三江盆地頁巖氣勘探處于起步階段,本文以綏濱坳陷鉆探的濱頁1井為基礎(chǔ),通過濱頁1井泥頁巖發(fā)育特征、有機質(zhì)豐度及生物標志化合物特征,對頁巖地球化學(xué)特征及生氣能力進行初步評價。

1 地質(zhì)概況

三江盆地位于黑龍江省東北部,構(gòu)造上位于佳木斯隆起與那丹哈達嶺褶皺造山帶的銜接部位,面積約為33 730km2。三江盆地分為4個一級構(gòu)造單元,自西向東依次為佳木斯隆起、綏濱坳陷、富錦隆起和前進坳陷。綏濱坳陷主要由軍川斷裂控制,依據(jù)構(gòu)造形態(tài)特征可劃分為3個二級構(gòu)造單元,自西向東依次為中伏屯凸起、軍川—南大林子凹陷和四方林子斜坡。四方林子斜坡又可進一步劃分出4個三級構(gòu)造單元,自北向南依次為北崗鼻狀構(gòu)造帶、普陽斷鼻構(gòu)造帶、天青背斜構(gòu)造帶和興安斷背斜構(gòu)造帶(圖1)。綏濱坳陷面積為6440km2,蓋層厚度達3～6km,地層自下而上發(fā)育中侏羅統(tǒng)綏濱組、上侏羅統(tǒng)東榮組、下白堊統(tǒng)城子河組、穆棱組和東山組[1-2]。

2 泥頁巖發(fā)育特征

濱頁1井位于軍川—南大林子凹陷,縱向上鉆育穆棱組、城子河組及東榮組3套泥頁巖層系。穆棱組主要為灰白色細砂巖、灰黑色粉砂質(zhì)泥巖及黑色泥巖,夾煤層,泥巖累計厚度達206m。城子河組巖性主要為灰白色細砂巖、灰黑色粉砂質(zhì)泥巖、深灰色粉砂質(zhì)泥巖,泥巖累計厚度達258.8m。東榮組未鉆穿,鉆遇的巖性主要為淺灰色細砂巖、灰黑色粉砂質(zhì)泥巖,泥巖總厚度為137.8m。根據(jù)頁巖氣開采單層泥頁巖厚度大于30m[3]的標準,濱頁1井具有良好的泥頁巖發(fā)育特征。

3 有機質(zhì)豐度

有機質(zhì)豐度是評價頁巖生氣潛力的重要指標[4]。濱頁1井全井段泥頁巖總有機碳含量(TOC)均值為1.96％,大部分樣品位于1％～2％之間。其中穆棱組泥頁巖TOC均值為1.56％,在1％～2％之間的占79.55％;城子河組泥頁巖TOC均值為1.51％,在1％～2％之間的占60％;東榮組泥頁巖TOC均值為1.99％,在1％～2％之間的占60％。

濱頁1井泥頁巖氯仿瀝青“A”含量整體偏低,其中穆棱組最大值為3174.11×10-6,最小值為139.59×10-6,均值為567.3×10-6;城子河最大值為1047.95×10-6,最小值為157.55×10-6,均值為436.52×10-6;東榮組最大值為919.54×10-6,最小值為104.38×10-6,均值為295.35×10-6。

總烴HC含量也比較低,分布范圍在(39.85～1496.54)×10-6之間,均值為188.38×10-6,大部分樣品值小于200×10-6。

烴源巖的生烴潛量S1+S2指巖石中的殘留烴與熱解烴之和,是評價烴源巖的重要指標。濱頁1井泥頁巖S1+S2主要位于0.5～2.0mg/g之間,均值為1.61 mg/g。

綜合以上4個有機質(zhì)豐度指標,濱頁1井泥頁巖有機質(zhì)豐度較高(表1),有較好的生氣基礎(chǔ)。

表1 濱頁1井泥頁巖有機質(zhì)豐度表Table1 Organic matter abundance of shale in the well Binye1

續(xù)表

4 有機質(zhì)類型

有機質(zhì)類型是評價烴源巖特征的重要參數(shù),控制著生成烴類的數(shù)量、類型及形態(tài),不同來源有機質(zhì)形成的干酪根,其性質(zhì)和生油氣潛能差異較大。從干酪根元素分析(圖2)及巖石熱解分析(圖3)可知,濱頁1井泥頁巖干酪根有機質(zhì)類型主要為Ⅱ型。顯微鑒定結(jié)果表明,濱頁1井泥頁巖有機質(zhì)以腐泥組、殼質(zhì)組和鏡質(zhì)組為主,腐泥組+殼質(zhì)組占42％～84.7％,鏡質(zhì)組占15.3％～57.3％,惰質(zhì)組含量低,僅占0.3％～0.7％,有機質(zhì)類型較好。

5 生物標志化合物

生物標志化合物對判斷烴源巖有機質(zhì)來源、成熟度、沉積環(huán)境等具有重要意義,母源輸入和沉積環(huán)境參數(shù)指標有Pr/Ph、Pr/nC17、Ph/nC18, C27、C28、C29甾烷的相對分布,重排甾烷/規(guī)則甾烷等;成熟度參數(shù)有甾烷異構(gòu)體比值及藿烷異構(gòu)體比值等。

5.1 發(fā)育特征

5.1.1 正構(gòu)烷烴

穆棱組(K1m)正構(gòu)烷烴呈前高后低單峰型或微弱雙峰型(圖4a),主峰碳數(shù)為21或17、18,碳優(yōu)勢指數(shù)為1.2～1.59,奇偶優(yōu)勢指數(shù)為1.03～1.32,輕重比(nC21+nC22)/(nC28+nC29)為2.66～4.36。

城子河組(K1ch)正構(gòu)烷烴呈前高后低單峰型(圖4b),主峰碳數(shù)為17或18,少數(shù)樣品主峰碳數(shù)為15,奇偶優(yōu)勢不明顯,碳優(yōu)勢指數(shù)(CPI)與奇偶優(yōu)勢(OEP)值接近1.0,輕重比為2.68～4.51。

東榮組(J3dr)正構(gòu)烷烴前高后低單峰型(圖4c),主峰碳數(shù)為18,次主峰碳數(shù)為30或31。OEP不明顯,CPI與OEP值接近1.0,輕重比為1.78～5.26。

5.1.2 類異戊二烯型烷烴

濱頁1井所有樣品均檢測出豐富的姥鮫烷(Pr)與植烷(Ph),Pr/Ph比值變化大,最低為0.92,最高為11.22,總體位于1.0～3.0之間,說明濱頁1井泥頁巖沉積環(huán)境變化比較大,以弱氧化環(huán)境為主。

5.1.3 甾、萜類化合物

穆棱組中未檢測出明顯的三環(huán)萜烷,城子河組及東榮組上部檢測出較豐富的三環(huán)萜烷。五環(huán)三萜藿烷系列在穆棱組、城子河組和東榮組均有較高的豐度(圖5)。C29αβ-30-降藿烷含量僅次于C30藿烷,Ts、Tm含量較低,非藿烷類檢測出少量代表高等植物輸入的奧利烷,見微量伽馬蠟烷,伽馬蠟烷指數(shù)低(0.014～0.13)。

甾烷類化合物在濱頁1井中有完整分布,規(guī)則甾烷C27、C28、C29豐度大,穆棱組及東榮組呈反“L”形,城子河組呈“V”形(圖6)。C27/ C29的值為0.19～1.21,重排甾烷C27/規(guī)則甾烷C27的值為0.16～0.56。

5.2 有機質(zhì)來源

正構(gòu)烷烴廣泛分布于細菌、藻類及高等植物的生物體內(nèi)。低等水生生物富含類脂化合物,正構(gòu)烷烴中低碳數(shù)成分占優(yōu)勢;高等植物富含蠟,高碳數(shù)成分占優(yōu)勢。高等植物來源的正構(gòu)烷烴常以C27、C29、C31為主峰,具明顯的奇偶優(yōu)勢。C22之前的低碳數(shù)正構(gòu)烷烴一般來自于水生生物和微生物,且在生物體的原生質(zhì)中呈強烈的奇碳優(yōu)勢。穆棱組泥頁巖正構(gòu)烷烴為微弱雙峰型(圖4a),指示其有機質(zhì)來源具雙重輸入的特征;城子河組(圖4b)與東榮組(圖4c)正構(gòu)烷烴主要呈前高后低的單峰型,多以C17、C21為主峰碳數(shù)。說明該井泥頁巖生物來源主要是藻類和浮游生物,有機質(zhì)屬于腐泥型。

三環(huán)萜烷前身物主要是細菌和藻類細胞膜,濱頁1井穆棱組中未檢測出明顯的三環(huán)萜烷,城子河組及東榮組檢測出豐富的三環(huán)萜烷,表明穆棱組與城子河組物源輸入有較大差別。五環(huán)三萜烷類化合物包括藿烷系列和非藿烷系列,藿烷廣泛分布于藍藻類和細菌中,某些高等植物如蕨類中也有發(fā)現(xiàn)。藿烷類以外的三萜類化合物主要來源于高等植物,例如奧利烷或蒲公英烷及羽扇烷結(jié)構(gòu)的各種三萜類化合物。五環(huán)三萜藿烷系列在穆棱組、城子河組和東榮組中均有較高的豐度。C29αβ-30-降藿烷含量僅次于C30藿烷,Ts、Tm含量較低,非藿烷類檢測出少量代表高等植物輸入的奧利烷及微量伽馬蠟烷。表明濱頁1井泥頁巖有機質(zhì)生物為多源輸入。

規(guī)則甾烷C27、C28與C29的相對分布情況也可以反映有機質(zhì)的物源輸入,一般認為C27和C28甾烷指示低等水生生物的來源,C29甾烷常與陸源有機質(zhì)的輸入有關(guān),指示陸源高等植物來源[5]。濱頁1井穆棱組與東榮組規(guī)則甾烷呈反“L”形, C29甾烷具明顯優(yōu)勢,指示其主要為陸源高等植物輸入。城子河組規(guī)則甾烷呈“V”字形,C27與C29均勢,指示有機質(zhì)來源既有低等水生生物又有陸源高等植物。

5.3 沉積環(huán)境分析

姥鮫烷是氧化環(huán)境產(chǎn)物,植烷是還原環(huán)境產(chǎn)物,因而Pr/Ph值可指示古氧化還原環(huán)境,其值越高氧化程度越高[6],濱頁1井多數(shù)樣品Pr/Ph比值大于1,部分樣品在3左右,表明濱頁1井古沉積環(huán)境為氧化環(huán)境[7]。

Pr/nC17與Ph/nC18關(guān)系的投影也可反映沉積環(huán)境的氧化還原條件。穆棱組Pr/nC17值為0.71～1.52,Ph/nC18值為0.14～0.53,城子河組Pr/nC17值為0.32～0.53,Ph/nC18值為0.13～0.54,東榮組Pr/nC17值為0.22～1.02,Ph/nC18值為0.09～0.48。穆棱組、城子河組及東榮組沉積環(huán)境主要為弱氧化或介于弱氧化及弱還原中間的混合沉積環(huán)境(圖7)。

5.4 有機質(zhì)成熟度

鏡質(zhì)組反射率(Ro)是判斷有機質(zhì)成熟的權(quán)威性指標[8],本次研究依據(jù)Ro、正構(gòu)烷烴OEP參數(shù)、甾烷成熟度參數(shù)、藿烷異構(gòu)體比值等探討濱頁1井泥頁巖有機質(zhì)成熟度,采用參數(shù)有甾烷C2920S/(20R+20S)異構(gòu)體比值、C29ββ/(αα+ββ)異構(gòu)體比值、藿烷C3122S/22R+22S異構(gòu)體比值及18α(H)-三降藿烷/17α(H)-三降藿烷(Ts/ Tm)等。

Ro是干酪根受熱演化程度的反映,決定其形成油氣的類型[9]。濱頁1井12塊樣品的Ro為0.73％～0.94％,均值為0.84％,根據(jù)陸相烴源巖成熟階段劃分標準,濱頁1井泥頁巖已達成熟階段。

一般認為,OEP值為1.0～1.2的為成熟有機質(zhì),1.2～1.4的為低熟有機質(zhì),大于1.4的為不成熟有機質(zhì),該值越大成熟度越低,越接近1.0有機質(zhì)成熟度越高,濱頁1井OEP指數(shù)分布范圍為0.91～1.31,均值為1.04,表明泥頁巖有機質(zhì)均已成熟(圖8)。

隨著成熟度的增加,甾烷的C295α(H),14α (H),17α(H)-20R發(fā)生異構(gòu)化,使得C295α (H)、14α(H)、17α(H)-20R甾烷逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)镃295α(H)、14α(H)、17α(H)-20S甾烷和C295α(H)、14α(H)、17α(H)-20R甾烷的混合物。同樣隨著成熟度的增加,C295α(H)、14β(H)、17β(H)甾烷的20R和20S異構(gòu)體相對于C295α(H)、14α(H)、17α(H)甾烷有更高的豐度。濱頁1井泥頁巖C29甾烷R/S+R比值為0.45～0.64,均值為0.57,C29甾烷αββ/αββ+ ααα比值為0.11～0.6,均值為0.3(表2),表明濱頁1井泥頁巖有機質(zhì)均已達到成熟階段。

表2 濱頁1井泥頁巖有機質(zhì)成熟度參數(shù)表Table2 Organic matter maturity parameters of shale from the well Binye1

C31藿烷也是反映有機質(zhì)成熟度的重要指標[10],隨著成熟度達到生油門限,該比值從0增大到0.6左右。濱頁1井C3122S/22S+22R的比值為0.57～0.6,均值為0.59,接近于0.6,表明濱頁1井泥頁巖有機質(zhì)已成熟,成熟作用導(dǎo)致的異構(gòu)化已達到平衡。

Ts/Tm、Ts/(Ts+Tm)是目前廣泛應(yīng)用的生物標志化合物成熟度參數(shù)之一,隨成熟度增加,不穩(wěn)定的Tm向穩(wěn)定的Ts轉(zhuǎn)化,Ts/Tm、Ts/(Ts+ Tm)增大。濱頁1井泥頁巖樣品的Ts/(Ts+Tm)值并無此趨勢,各樣品的值差異較大。這是因為C27三降藿烷參數(shù)演化的控制因素有許多種[11], Ts/(Ts+Tm)值對沉積環(huán)境與礦物組成變化敏感,因此該參數(shù)的應(yīng)用具有一定的局限性。

6 結(jié) 論

(1)濱頁1井泥頁巖有機質(zhì)豐度較高,各項指標綜合評價為中到好烴源巖,有機質(zhì)類型以Ⅱ2型為主,其次為Ⅱ1型與Ⅲ型。

(2)濱頁1井穆棱組正構(gòu)烷烴呈前高后低單峰型或微弱雙峰型,城子河組與東榮組呈前高后低單峰型,奇偶優(yōu)勢不明顯。萜類化合物主要為五環(huán)三萜烷,其中莫烷、三環(huán)萜烷、甾類化合物含量較高。

(3)有機質(zhì)成熟度指標Ro、甾烷成熟度、藿烷異構(gòu)體比值均顯示濱頁1井泥頁巖有機質(zhì)成熟度已達到成熟階段。

(4)甾烷C27、C28和C29相對分布指示濱頁1井生源輸入有雙重性,既有低等生物生源又有高等植物輸入。其中穆棱組及東榮組下段以高等植物輸入為主,城子河組及東榮組上段為低等生物與高等植物雙重輸入。

(5)綜合分析濱頁1井泥頁巖有機質(zhì)豐度、有機質(zhì)類型及成熟度,認為濱頁1井泥頁巖具有良好的生氣能力,綏溪坳陷為頁巖氣勘探遠景區(qū)。

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Geochemical Characteristics of Shale in the Well Binye1 of Suibin Depression

Shen Jiaxian1,Chen Kongquan1,Wang Jinlong2,Su Yunxiu2,Zhong Jianmeng2
(Hubei Cooperative Innovation Center of Unconventional Oil and Gas,Yangtze University,Wuhan,Hubei 430100,China)

Through analysis of shale sample that taken from the well Binye1 by pyrolysis,family composition and chromatographic methods,the geochemical characteristics of shale in the well has been analyzed systematically.Results showed that the wellBinye1 developed the shales in three sets of formation called Mulin formation、Chengzihe formation、Dongrong formation,with high abundance of organic matter.It belongs to middle to good source rock by comprehensive evaluation of various indexes,the type of organic matter is mainlyⅡ2,followed byⅡ1andⅢ.The ratio of Pr/Ph is larger in Isoprenoids,genearlly ranged from 1.0 to 3.0,which is considered as a weak oxidation environment.Rich sterane C29are found in Mulin and Dongrong formations,representing the terrigenous higher plant source input,but the Chengzihe formation should be multiple source input.The vitrinite reflectance Ro,sterane maturity,isomer ratio of hopane all showed that the well Binye1 had reached the mature stage.The comprehensive geochemical analysis indicated that the Suibin depression had a good hydrocarbon generation potential,with good prospects for shale gas exploration.

Sanjiang Basin;Suibin depression;Well Binye 1;Geochemistry;Biomarkers

TE122

:A

中國地質(zhì)調(diào)查局油氣資源調(diào)查中心項目(12120115001601-01)。

沈家仙(1987年生),男,碩士,主要從事石油地質(zhì)、非常規(guī)油氣研究。郵箱:shenjiaxian007@163.com。