任穎惠,閆明琦,李聞虛,羅丹婷

(1.大陸動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(西北大學(xué))，西安 710069;2.中國石油集團(tuán)測井有限公司 長慶分公司，西安 710200;3.中國石油大學(xué) 資源信息學(xué)院,北京 102249;4.中國石油集團(tuán)測井有限公司 測井應(yīng)用研究院，西安 710077)

頁巖油為貯存于泥頁巖地層內(nèi)的液態(tài)烴類物質(zhì)，儲(chǔ)集空間一般較為致密，存在異常高壓。近年來，頁巖油的研究和開發(fā)逐漸火熱起來，以美國為代表的北美關(guān)于頁巖油氣的勘探開發(fā)研究處于領(lǐng)先地位，已經(jīng)進(jìn)入成熟商業(yè)性開發(fā)階段，平均年產(chǎn)量超過1億噸。在美國成功經(jīng)驗(yàn)的帶動(dòng)下，加拿大、歐洲、澳大利亞等國家或地區(qū)也相繼進(jìn)行頁巖油的探索，目前全球頁巖油可采儲(chǔ)量已達(dá)469億噸，成為能源的重要補(bǔ)給線[1-2]。

中國頁巖油分布范圍廣，四川、鄂爾多斯、松遼等許多盆地發(fā)現(xiàn)或獲得頁巖油流，其中松遼盆地齊家-古龍凹陷的頁巖油具有代表性[3-5]，目前已在上白堊統(tǒng)青山口組泥頁巖中鉆獲工業(yè)油流井14口，有利勘探面積達(dá)5 500 km2，展現(xiàn)了良好的勘探前景。前人對齊家-古龍凹陷的頁巖油層有了初步認(rèn)識(shí)及評估，然而在頁巖烴源巖特征、孔隙-裂縫儲(chǔ)集性能、油氣富集機(jī)理研究方面仍存在不足，嚴(yán)重制約了齊家-古龍凹陷青山口組頁巖油的勘探[6-7]。

本文根據(jù)齊家-古龍凹陷青山口組泥頁巖地球化學(xué)指標(biāo)，分析源巖潛力及儲(chǔ)集性能；并結(jié)合研究區(qū)沉積背景，確定頁巖油成藏期次，尋找頁巖油勘探潛力區(qū)。

1 泥頁巖分布特征及生油能力

齊家-古龍凹陷處于松遼盆地中心拗陷的西部，屬于盆地的次級(jí)構(gòu)造單元，面積約為 5 500 km2，東面鄰近大慶長垣，西側(cè)與龍虎泡大安階地交界，主要地層包括下白堊統(tǒng)、上白堊統(tǒng)、第三系及第四系(圖1)。齊家-古龍凹陷青山口組沉積階段，湖平面上升，湖盆內(nèi)沉積了一套富含有機(jī)質(zhì)的深色泥頁巖；整體上泥頁巖厚度較大，平均為20～120 m，在古龍地區(qū)的厚度為70～120 m，齊家地區(qū)的厚度為0～120 m，古龍地區(qū)泥頁巖厚度大于齊家地區(qū)的泥頁巖厚度。

圖1 齊家-古龍凹陷沉積地層Fig.1 Stratigraphy of the Qijia-Gulong area

通過實(shí)驗(yàn)室測試泥頁巖樣品有機(jī)質(zhì)豐度、有機(jī)質(zhì)類型和成熟度指標(biāo)，系統(tǒng)判斷青山口組泥頁巖的生油能力。

1.1 有機(jī)質(zhì)豐度

齊家-古龍凹陷青山口組泥頁巖樣品的TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)(wTOC)都大于0.5%，主要集中于2%～5%(所占比例達(dá)39.5%)，其次分布于1%～2%(所占比例達(dá)30.2%)(圖2)；生烴潛量(S1+S2質(zhì)量分?jǐn)?shù))主要為2‰～20‰，平均值為8.6‰(圖3)?？梢?，青山口組泥頁巖有機(jī)質(zhì)豐度高、生烴潛力較大，全區(qū)好烴源巖所占比例達(dá)80%以上，具備了頁巖油成藏的物質(zhì)基礎(chǔ)。

圖2 齊家-古龍凹陷青山口組泥頁巖TOC含量分布Fig.2 TOC frequency range of Qingshankou Formation shale in Qijia-Gulong Depression

圖3 齊家-古龍凹陷青山口組泥頁巖生烴潛量分布Fig.3 Frequency range of hydrocarbon generation potential of Qingshankou Formation shale in Qijia-Gulong Depression

1.2 有機(jī)質(zhì)類型

有機(jī)質(zhì)的母質(zhì)類型反映生成烴類的組成，利用巖石最高熱解溫度(tmax)與氫指數(shù)(IH)交會(huì)圖，以判斷有機(jī)質(zhì)類型(圖4)。齊家-古龍凹陷青山口組泥頁巖有機(jī)質(zhì)以Ⅰ型(腐泥型)、Ⅱ1型占優(yōu)(混合型)，含少量的Ⅲ型(腐殖型),該母質(zhì)類型的源巖更有利于生成原油。

圖4 齊家-古龍凹陷青山口組巖石最高熱解溫度與氫指數(shù)關(guān)系圖Fig.4 The relationship between maximum pyrolysis peak temperature and hydrogen index of Qingshankou Formation rocks

1.3 有機(jī)質(zhì)成熟度

實(shí)踐證明，烴源巖進(jìn)入成熟階段，是盆地獲得較高勘探成功率的保障，因此有機(jī)質(zhì)成熟度是烴源巖評價(jià)的關(guān)鍵要素之一。鏡質(zhì)體反射率(Ro)是目前最常用的干酪根熱演化和成熟度指標(biāo)。

齊家-古龍凹陷青山口組泥頁巖的鏡質(zhì)體反射率分布特征表明(圖5)，樣品的Ro主要為0.8%～1.1%，平均為1.0%，顯示烴源巖主要處于成熟階段-高成熟階段，反映齊家-古龍凹陷青山口組泥頁巖滿足頁巖油成藏的熱成熟條件。

圖5 齊家-古龍凹陷青山口組泥頁巖鏡質(zhì)體反射率頒布圖Fig.5 Ro range of vitrinite reflectance of Qingshankou Formation shale in Qijia-Gulong Depression

通過以上分析顯示，齊家-古龍凹陷青山口組泥頁巖厚度大、有機(jī)質(zhì)豐度較高，干酪根類型以Ⅰ型和Ⅱ1型為主，處于成熟-高成熟階段，總體上具有較好的生油能力和條件，為頁巖油成藏提供了充足的油源。

2 泥頁巖儲(chǔ)集空間

齊家-古龍凹陷青山口組泥頁巖儲(chǔ)層巖石孔隙度(q)主要為10%～15%，滲透率(K)則低于0.01×10-3μm2，總體上以低孔、低滲為特征。巖石的儲(chǔ)集空間按照成因和幾何特征可以分為2類：孔隙和裂縫；孔隙類型有3種：粒內(nèi)孔、粒間孔及有機(jī)質(zhì)孔(圖6)；裂縫有2種：黏土礦物層間縫和微裂縫，整體上以粒內(nèi)溶孔和微裂縫占優(yōu)[8-9]。

2.1 孔隙類型

a.粒間孔

粒間孔主要指礦物顆粒之間的孔隙組成連通體系,主要有粒間孔、晶間孔和黏土礦物間孔等類型。由于巖石的膠結(jié)作用和后期改造，原生孔隙殘余較少，發(fā)育于脆性礦物顆粒之間，直徑為1～4 μm；次生孔隙主要是指顆粒之間溶蝕所產(chǎn)生的孔隙，分布廣泛，形狀不規(guī)則且直徑相對較大，主要為2～10 μm；晶間孔主要指黃鐵礦立方晶體之間存在的大量的微小孔隙和次生石英顆粒晶間微孔，孔徑特別微小，一般在0～1 μm，屬于納米級(jí)孔隙；黏土礦物間孔主要是顆粒間充填的黏土礦物或交代長石的自生黏土薄片或者集合體之間的微孔隙，孔隙直徑一般為1～3 μm。

圖6 齊家-古龍凹陷青山口組泥頁巖孔隙類型Fig.6 Pore types in Qingshankou Formation shale in the Qijia-Gulong Depression

b.粒內(nèi)孔

粒內(nèi)溶孔的成因與粒間溶孔相似，主要也是在酸性環(huán)境下引起的礦物成分溶解，在顆粒內(nèi)部形成的孔隙；粒內(nèi)溶孔比較小，直徑一般在100～600 nm；粒內(nèi)溶蝕微孔膠結(jié)作用明顯，以鑲嵌式膠結(jié)為主。

c.有機(jī)質(zhì)孔

有機(jī)質(zhì)孔定義為有機(jī)質(zhì)團(tuán)塊體內(nèi)或有機(jī)質(zhì)生油氣后體積減小而生成的孔隙，孔隙的形態(tài)一般有狹縫型、橢球型，以及條帶狀。有機(jī)質(zhì)孔隙的形成和發(fā)育主要受烴源巖成熟度的控制，成熟度越高、生烴量越大 ，有機(jī)質(zhì)孔隙越發(fā)育，有機(jī)質(zhì)孔隙直徑一般為80～1 000 nm。

定量統(tǒng)計(jì)11塊巖心樣品每種孔隙類型所占的比例(表1)，結(jié)果顯示齊家-古龍凹陷青山口組泥頁巖儲(chǔ)層孔隙類型主要以粒內(nèi)孔為主，占所有孔隙類型的47%～72%；粒間孔的比例主要集中在22%～41%，有機(jī)質(zhì)孔占整體的比例為7%～15%。整體孔隙結(jié)構(gòu)偏向于混合孔隙網(wǎng)絡(luò)，孔隙結(jié)構(gòu)特征與美國Gatton頁巖類似[10]。

2.2 裂縫類型

針對泥頁巖儲(chǔ)層中裂縫的成因及類型，國內(nèi)外學(xué)者均進(jìn)行過不同程度的總結(jié)，得出裂縫對于頁巖油成藏具有重要性的共識(shí)[11-13]。通過對大批量巖心裂縫的宏觀描述及其微觀裂縫的剖析，認(rèn)為齊家-古龍凹陷青山口組頁巖中主要存在層間裂縫和微裂縫。

表1 齊家-古龍凹陷青山口組泥頁巖孔隙類型統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of pore types of Qingshankou Formation shale in Qijia-Gulong Depression

層間縫是指隨著地層埋藏深度增大、地溫升高及地層水堿性增強(qiáng)，由于脫水作用致使黏土礦物流出較多層間水，在層間產(chǎn)生的微裂隙。黏土礦物轉(zhuǎn)化形式主要包括蒙脫石向伊利石、伊利石-蒙脫石混層轉(zhuǎn)化，伊利石-蒙脫石混層向伊利石轉(zhuǎn)化等。此類縫隙寬度在1 μm左右，在泥巖中大量見到(圖7-A)。

微裂縫包括2類，一類是生烴過程中產(chǎn)生的裂縫。隨著源巖中生烴量增加，流體壓力增高至大過封隔層的破解壓力，造成泥頁巖內(nèi)部產(chǎn)生許多的微裂縫，一系列微裂縫最終成為頁巖油排出的通道。在有機(jī)質(zhì)、黃鐵礦以及有機(jī)質(zhì)與無機(jī)礦物的接觸面見到不同產(chǎn)狀的微裂隙，該類巖相容易產(chǎn)生順層微裂縫，長一般幾微米到幾十微米，寬為幾十納米到幾百納米，可以作為頁巖油的重要儲(chǔ)集空間。另一類是構(gòu)造運(yùn)動(dòng)伴生的微裂縫，研究區(qū)沉積時(shí)期經(jīng)歷了2次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生了較多的裂縫，成為油氣重要的運(yùn)移和儲(chǔ)存場所(圖7-B)。齊家-古龍凹陷勘探井顯示，單井日產(chǎn)油和裂縫密度之間具有緊密關(guān)系，高產(chǎn)井的裂縫相對都較發(fā)育,如G708井油層自然產(chǎn)能19.6 t/d，顯示裂縫的發(fā)育對于泥頁巖成藏的重要意義。

圖7 齊家-古龍凹陷青山口組泥頁巖裂縫類型Fig.7 Fracture types in Qingshankou Formation shale in Qijia-Gulong DepressionY52井,深度2 210.5 m，掃描電鏡照片

3 油氣富集規(guī)律

3.1 頁巖油成藏期次

有機(jī)包裹體的類型、特征及均一溫度反映油氣的成藏期次[14]。Y51井儲(chǔ)層有機(jī)包裹體可以劃分為3類，第一類有機(jī)包裹體多為純液態(tài)烴包裹體，主要發(fā)育于石英次生加大邊和膠結(jié)物中，呈圓形狀，一般發(fā)黃褐色或土黃色熒光，對應(yīng)的均一溫度為50～70℃，反映有機(jī)質(zhì)成熟度相對較低；第二類有機(jī)包裹體常見為烴與鹽水混合溶液，少數(shù)為純液態(tài)烴包裹體，發(fā)育于石英或長石的次生溶蝕孔隙及裂縫內(nèi)，呈蜂窩狀、長方條狀等，發(fā)淡黃色或黃綠色熒光，均一溫度為80～100℃；第三類有機(jī)包裹體大多分布在膠結(jié)物的裂縫內(nèi)，體積小，主要為2～5 μm，呈長方條狀，沿著裂縫周邊發(fā)育，基本以純烴包裹體為主，少部分為鹽水溶液，有機(jī)質(zhì)呈綠色或藍(lán)綠色熒光，均一溫度為110～130℃，反映本次成藏期油氣的成熟度相對較高，且與構(gòu)造活動(dòng)關(guān)系密切(圖8)。

圖8 Y51井均一溫度分布圖Fig.8 Distribution of average temperature in Well Y51

綜合齊家-古龍凹陷地層構(gòu)造演化史、埋藏史與熱演化史，認(rèn)為齊家-古龍凹陷青山口組泥頁巖儲(chǔ)層存在3期成藏[15]。第一期成藏產(chǎn)生于嫩江組沉積末期，該期以構(gòu)造擠壓作用為主，齊家—古龍凹陷青山口組泥頁巖進(jìn)入生油門限，儲(chǔ)層發(fā)育大量原生孔隙和次生溶蝕，原油主要以吸附態(tài)或互溶態(tài)吸附于生烴有機(jī)質(zhì)附近，發(fā)生了短暫的源內(nèi)運(yùn)聚，為第一次成藏提供了條件；第二期成藏產(chǎn)生于白堊紀(jì)末期，盆地遭遇南東東向擠壓力，在齊家-古龍凹陷內(nèi)部發(fā)育北北東向斷層，并在周圍產(chǎn)生背斜及鼻狀構(gòu)造，青山口組源巖進(jìn)入生油高峰，導(dǎo)致泥頁巖內(nèi)發(fā)育大量的次生孔隙和微裂縫，這些成為頁巖油氣釋放的排烴通道，有利于油氣的運(yùn)移聚集和大規(guī)模成藏；第三期成藏產(chǎn)生于第三紀(jì)末，構(gòu)造運(yùn)動(dòng)使凹陷內(nèi)的構(gòu)造帶定形，構(gòu)造裂縫大量生成，源巖進(jìn)入高成熟階段，構(gòu)造裂縫成為主要的頁巖油儲(chǔ)存空間和二次滲流通道，為第三次成藏創(chuàng)造了有利條件。

3.2 油氣富集規(guī)律及潛力區(qū)

齊家-古龍凹陷勘探實(shí)踐表明，頁巖油運(yùn)聚過程常表現(xiàn)為頁巖油富集區(qū)相對于貧油區(qū)壓力會(huì)相對低，分析認(rèn)為泥頁巖生油過程中流體壓力超過封隔層的破裂壓力時(shí)，致使泥頁巖內(nèi)產(chǎn)生大量的微裂縫，該微裂縫體系可作為頁巖油氣滲流通道進(jìn)行油氣初次運(yùn)移，當(dāng)油氣大量排放之后，壓力降低，微裂縫重新關(guān)閉；另外，泥頁巖中含油氣量由洼陷中心向凹陷斜坡部位增高的趨勢，表明頁巖油具有從高壓區(qū)向相對低壓區(qū)運(yùn)聚的趨勢，頁巖油的這種富集規(guī)律與研究區(qū)已發(fā)現(xiàn)頁巖油井主要分布在洼陷斜坡部位的勘探實(shí)踐吻合，這可能與油氣的初始運(yùn)聚動(dòng)力生烴產(chǎn)生的異常壓力有關(guān)。

綜合泥頁巖生油性質(zhì)、物性特征及構(gòu)造發(fā)育部位，認(rèn)為J53井區(qū)與Y7井區(qū)為有利勘探區(qū)(圖9)。這2個(gè)區(qū)域位于大套的烴源巖附近，本身具備豐富的儲(chǔ)存空間。其中，J53井區(qū)處于北面相對高構(gòu)造部位，頁巖較發(fā)育，發(fā)育有機(jī)質(zhì)孔及粒內(nèi)溶孔，并伴隨有微裂縫，頁巖油類型應(yīng)以基質(zhì)孔隙型為主；Y7井區(qū)位于齊家-古龍凹陷西南部，靠近Ⅱ級(jí)構(gòu)造邊部，斷層相對發(fā)育，有2條近東西向展布的構(gòu)造脊，地應(yīng)力集中，構(gòu)造裂縫較為密集，該區(qū)域應(yīng)以尋找裂縫型頁巖油為主。從目前已鉆井的采油效果來看，J53井平均油產(chǎn)量為2 t/d，Y7井平均油產(chǎn)量為3.8 t/d，佐證了2個(gè)潛力區(qū)的判斷。

4 結(jié) 論

a.齊家-古龍凹陷青山口組泥頁巖厚度大、有機(jī)質(zhì)豐度較高，干酪根以Ⅰ型和Ⅱ1型為主，并處于成熟-高成熟階段，總體上具有較好的生油能力和條件，為頁巖油成藏提供了充足的油源。

b.齊家-古龍凹陷青山口組泥頁巖儲(chǔ)層孔隙度主要為10%～15%，儲(chǔ)集空間可以分為孔隙和裂縫兩類，孔隙類型包括粒內(nèi)孔、粒間孔和有機(jī)質(zhì)孔，裂縫包括黏土礦物層間縫和微裂縫，整體上以粒內(nèi)溶孔和微裂縫為主，成為油氣重要的運(yùn)移和儲(chǔ)存場所。

c.齊家-古龍凹陷儲(chǔ)層具有3期成藏，依次為嫩江組沉積末期、白堊紀(jì)末期和第三紀(jì)末，這與源巖熱演化、儲(chǔ)層發(fā)育及構(gòu)造運(yùn)動(dòng)相匹配；泥頁巖儲(chǔ)層中含油氣量由洼陷中心向凹陷斜坡部位有逐漸增大的趨勢，認(rèn)為J53井區(qū)與Y7井區(qū)為有利勘探區(qū)，以尋找基質(zhì)孔隙型和裂縫型頁巖油藏為主。