蘇北盆地上白堊統(tǒng)—第三系頁巖油氣成藏層位及有利區(qū)帶

鄭開富，彭霞玲

(中國石油化工股份有限公司江蘇油田分公司地質(zhì)科學(xué)研究院，江蘇 揚(yáng)州 225012)

0 引言

頁巖油是指以頁巖為主的頁巖層系中所含的石油資源，其中包括泥頁巖孔隙和裂縫中的石油，也包括泥頁巖層系中的致密碳酸巖或碎屑巖鄰層和夾層中的石油資源。頁巖油與頁巖氣一樣，是存在于頁巖或堅硬巖盤中的液體狀原油或凝析油，但分布地區(qū)不同，其密度、黏度比頁巖氣高，基本上可用相同的技術(shù)開采(羅承先，2011)。

頁巖氣的狹義指產(chǎn)于頁巖中的天然氣，但在實際應(yīng)用中已擴(kuò)展到富有機(jī)質(zhì)的泥巖、頁巖、粉砂質(zhì)泥巖、硅質(zhì)泥巖等。正因為此，也稱之為泥巖氣。與其相關(guān)的是頁巖油，則是指在此類泥質(zhì)巖(主要是裂縫)中所含的原油(張抗等，2009)。

頁巖氣是以吸附和游離狀態(tài)同時存在于泥頁巖地層中的天然氣。全世界頁巖氣資源估計為456×1012m3，頁巖氣資源主要分布在北美、中亞、中國、拉美、中東、北非和前蘇聯(lián)，其中北美最多，為108.7×1012m3(劉洪林等，2009)。據(jù)近年來的國外頁巖氣研究統(tǒng)計，頁巖中的吸附氣量和游離氣量大約各占50%(張金川等，2008)。

蘇北盆地上白堊統(tǒng)—第三系分布廣，地層完整，泥頁巖發(fā)育良好，厚度大，有機(jī)質(zhì)豐富，演化程度高，具備頁巖油氣成藏的地質(zhì)條件，開發(fā)潛力巨大。因此，研究、勘探與開發(fā)頁巖油氣資源具有重要的現(xiàn)實意義。

1 蘇北盆地泥頁巖沉積與分布特征

蘇北盆地上白堊統(tǒng)—第三紀(jì)地層發(fā)育完整，勘探揭示，地層由上到下為第四系東臺組、第三系鹽城組、三垛組、戴南組、阜寧組和上白堊統(tǒng)泰州組。其中，高郵凹陷是地層發(fā)育最完整的凹陷，巖性以河湖相成因的砂泥巖為主，最大沉積厚度達(dá)7 000 m(張喜林等，2004)。

在上述地層中，泥頁巖主要發(fā)育在阜寧組四段(E1f4)、二段(E1f2)和泰州組二段(K2t2)，它們是蘇北盆地重要烴源巖(陳安定，2006)。

1.1 泰州組二段(K2t2)

泰州組二段沉積時期，地殼運(yùn)動相對平靜，蘇北盆地的陸屑供給不足，導(dǎo)致東臺坳陷東西沉積差異明顯，其界限大致在柳堡—秦欄一線。該線以西地區(qū)，砂巖發(fā)育，厚度最大，暗色泥巖最少，代表了湖區(qū)水下還原環(huán)境;以東地區(qū)則暗色泥頁巖發(fā)育，厚度變化不大，反映為濱淺湖—半深湖的沉積相帶。在鹽阜坳陷內(nèi)，主要是淺湖相沉積環(huán)境。因此，泥頁巖的發(fā)育地區(qū)主要在海安凹陷和部分高郵凹陷。其巖性主要為一套灰黑色泥巖為主夾薄層泥灰?guī)r、粉砂巖，富含女星介化石為其特征，頂部尚夾泥灰?guī)r或粉砂巖薄層。

東臺坳陷:東臺坳陷以柳堡—菱塘橋一線為界，以西為河流相發(fā)育區(qū)，以東為湖相發(fā)育區(qū)。其中，西區(qū)(包括現(xiàn)今之菱塘橋、柳堡低凸起和金湖凹陷)主要發(fā)育河流泛濫平原沉積。東區(qū)高郵凹陷許莊地區(qū)發(fā)育沖積扇相沉積，大儀集—邵伯—竹墩發(fā)育扇三角洲相沉積，秦欄地區(qū)發(fā)育三角洲相沉積，臨澤凹陷、柘垛低凸起西部、高郵凹陷北斜坡中西部發(fā)育濱淺湖相沉積，柘垛低凸起東部、高郵凹陷北斜坡東部發(fā)育淺湖、半深湖相沉積。

鹽阜坳陷:鹽阜坳陷主要為淺湖相沉積，以暗色泥巖發(fā)育為特征;漣北凹陷北部、阜寧凹陷北部、鹽城凹陷引水溝地區(qū)發(fā)育扇三角洲相沉積。

該套泥頁巖，在蘇北盆地的中、西部較薄，東部較厚，厚度為50～150 m(圖1)。

圖1 蘇北盆地泰州組二段(K2t2)泥頁巖厚度分布圖

1.2 阜寧組二段(E1f2)

阜寧組二段沉積期，蘇北盆地湖面開闊，湖盆比較平穩(wěn)，周圍高差不大，基本保持西高東低的沉積格局。

東臺坳陷:坳陷西部的金湖凹陷H2井附近發(fā)育水下扇沉積，巖性以砂礫巖為主夾黑色泥巖。泥沛—汊澗一線以西發(fā)育三角洲前緣相帶。柳堡—沙埝—韋莊以西發(fā)育淺湖砂壩沉積，在劉莊—崔莊—韓竹園分別向南分叉至潘莊—汊澗一帶、向西南分叉至老朱莊一帶以及寶應(yīng)、唐港、塔集—閔橋地區(qū)碳酸鹽生物灘(或鮞灘)沉積。其他廣闊區(qū)域為半深湖、深湖相沉積發(fā)育區(qū)，巖性主要為灰黑色泥巖夾少量薄層泥灰?guī)r，及少許方沸石化凝灰?guī)r，代表著一種比較平靜的半深湖相還原性環(huán)境，鹽度較西部高些。

鹽阜坳陷:全區(qū)均為半深湖、深湖相沉積發(fā)育區(qū)，主要是灰黑色泥巖夾少量泥灰?guī)r、油頁巖薄層，代表著一種比較平靜的半深湖、深湖相還原性環(huán)境。

洪澤凹陷:順河次凹深凹帶為蒸發(fā)鹽湖相沉積，富含石膏及巖鹽層，代表閉塞的潟湖環(huán)境，氣候也比較干旱;其他區(qū)域為濱淺湖相沉積發(fā)育區(qū)。

阜寧組二段在縱向上可分為3個沉積時期:初期—海侵開始階段，由于地殼運(yùn)動相對平靜，陸地繼續(xù)下降;另一方面剝蝕減弱，使入湖碎屑物大大減少，致使湖體迅速擴(kuò)大到全盆地。與此同時，海水又開始影響湖盆，因此，在水較淺的中、西部沉積了一套生物灰?guī)r、鮞灰?guī)r、蟲管灰?guī)r等粗結(jié)構(gòu)碳酸鹽巖。阜寧組二段中期—海侵影響階段，海侵影響進(jìn)一步加大，湖盆水體擴(kuò)展，水面上升，水深加大，沉積了一套巖性均一的灰黑色泥巖夾泥灰?guī)r、油頁巖等，這是半深水環(huán)境產(chǎn)物。阜寧組二段晚期—海退階段，海水逐漸退出本區(qū)，在平坦地貌上繼續(xù)沉積了一套灰黑色湖相泥巖。

阜寧組二段的沉積范圍比阜寧組一段大，分布廣泛，厚度相對穩(wěn)定，多在150～350 m左右(圖2)。

圖2 蘇北盆地阜寧組二段(E1f2)泥頁巖厚度分布圖

1.3 阜寧組四段(E1f4)

阜寧組四段沉積時期，蘇北盆地總體上為湖相沉積環(huán)境，但由于古沉積環(huán)境和構(gòu)造格局的制約，并在物源供應(yīng)的差異上，形成了不同凹陷不同的沉積特征。

東臺坳陷:源于西部物源區(qū)的三角洲繼承性發(fā)育，三角洲平原相分布于金湖凹陷西部X4井及其以西地區(qū);三角洲前緣相帶發(fā)育于金湖凹陷駱王莊—泥沛—潘莊一線以西的區(qū)域;崔莊—安樂—汊澗次凹深凹部位為淺湖相發(fā)育區(qū)。源于東北部物源區(qū)的三角洲退出該坳陷，其他大部區(qū)域為半深湖、深湖相沉積發(fā)育區(qū)。

鹽阜坳陷:源于東北部物源區(qū)的三角洲退出該坳陷，三角洲前緣相帶分布于鹽城、漣南凹陷為半深湖、深湖相沉積發(fā)育區(qū)。

洪澤凹陷:管鎮(zhèn)次凹大部發(fā)育源于西南部物源區(qū)的三角洲前緣相沉積，順河次凹深凹帶為蒸發(fā)鹽湖相沉積，順河次凹外斜坡為濱淺湖相沉積，其他區(qū)域為半深湖相沉積發(fā)育區(qū)。

阜寧組四段的沉積范圍更廣，厚度相對穩(wěn)定，一般在100～500 m(圖3)。

圖3 蘇北盆地阜寧組四段(E1f4)泥頁巖厚度分布圖

2 蘇北盆地泥頁巖油氣顯示特征

蘇北盆地E1f4、E1f2和K2t23套泥頁巖層中油氣顯示豐富，特別是E1f2和E1f4油氣顯示尤為豐富。初步統(tǒng)計全區(qū)有67口鉆井在E1f2和E1f4泥頁巖層系中見油氣顯示，其中E1f2油氣顯示45井，平面上主要分布于鹽城凹陷、高郵凹陷、金湖凹陷和海安凹陷，縱向上主要分布于山字形、四尖峰和七尖峰3個亞段。E1f4全區(qū)共有30口井見顯示，平面上主要分布于高郵凹陷和金湖凹陷;縱向上尖峰段和彈簧段均有分布。

此外，蘇北盆地頁巖油氣顯示類型多樣，既有泥巖裂縫含油也有泥頁巖中的粉砂巖(或生物碎屑灰?guī)r)薄夾層顯示，其中鹽城、海安凹陷主要以泥巖“裂縫含油”為主，高郵凹陷和金湖凹陷則二者皆有。

另外，蘇北盆地有12口探井在E1f2和E1f4泥頁巖層系進(jìn)行了測試，其中9口井試獲原油:YC1井在E1f2試獲原油36.83 m3/d;H20井在E1f4累計試獲原油11.65 t;HU2井在E1f2累計試獲原油35 t，從而證實了蘇北盆地泥頁巖油氣勘探的潛力巨大，E1f2和E1f4泥頁巖層系也是頁巖油氣勘探的重點(diǎn)層系。

3 蘇北盆地頁巖油氣的成藏條件

蘇北盆地是江蘇地區(qū)油氣勘探開發(fā)的主戰(zhàn)場，勘探程度也最高，目前全區(qū)共鉆探井1 171口，其中高郵凹陷和金湖凹陷共鉆探井1 082口。揭示上白堊統(tǒng)泰州組二段(K2t2)、下第三系阜寧組二段(E1f2)和四段(E1f4)等三套泥頁巖層發(fā)育良好，分布廣，厚度變化小。

3.1 泰州組二段(K2t2)

泰州組二段以深灰色、灰黑色泥巖為主，總厚度50～150 m，但屬于腐泥型干酪根性質(zhì)的僅為底部25～40 m厚度的淺湖—半深湖相灰質(zhì)泥巖。上部40～110 m淺湖相暗色泥巖，雖然有機(jī)碳大于0.5%，但生烴潛力、瀝青“A”、烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)等均低于生油層標(biāo)準(zhǔn)。僅海安凹陷K2t2泥灰?guī)r段有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.86% ～5.2%，平均達(dá)2.42%，生烴潛力較大(表1)。

表1 蘇北盆地上白堊統(tǒng)—古新統(tǒng)烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度對比

分析化驗結(jié)果表明，K2t2富有機(jī)質(zhì)段主要分布在高郵凹陷東部及海安凹陷，剖面上位于K2t2底部泥灰?guī)r段，厚度約15～40 m。根據(jù)六尖峰段的發(fā)育程度，可以確定K2t2頁巖油成藏的最有利區(qū)。通過構(gòu)造演化分析，K2t2泥頁巖段現(xiàn)今埋深多大于3 000 m，特別是海安地區(qū)，因此，K2t2泥頁巖段已達(dá)到成熟生排烴階段。

3.2 阜寧組二段(E1f2)

阜寧組二段以半深湖—深湖相灰黑色泥巖為主，夾薄層泥灰?guī)r、生物灰?guī)r。泥巖的有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般大于1.0%，平均1.44%，總烴一般大于500 ×10－6，生烴潛力w(S1)+w(S2)介于6～20 mg/g之間，有機(jī)質(zhì)非常豐富。

阜寧組二段富有機(jī)質(zhì)泥頁巖、泥灰?guī)r段在蘇北盆地全區(qū)均有分布，僅在隆起及低凸起上部分剝蝕，厚度一般100～300 m(表2)。樣品測試表明，E1f2泥質(zhì)巖的有機(jī)碳具有深凹帶較高、斜坡上較低，東部較高、西部較低的特征。認(rèn)為斜坡上較低與生烴層生油后有機(jī)碳的成烴損耗有關(guān)，而東部較高與生烴層排烴不暢致使烴類滯留在烴源巖內(nèi)有直接關(guān)系。

表2 蘇北盆地晚白堊—第三系烴源巖在東西及南北方向變化特征

根據(jù)蘇北盆地T33反射層構(gòu)造圖，E1f2生烴層在高郵、金湖、海安及鹽城深凹部位埋深多大于2 400 m，在斜坡及低凸起埋深在1 200～2 400 m左右。因此，盆地中深凹帶內(nèi)E1f2的有機(jī)質(zhì)均達(dá)到成熟生排烴階段。

3.3 阜寧組四段(E1f4)

阜寧組四段以大套暗色泥巖為主，夾薄層泥灰?guī)r及油頁巖?？v向上，可分為上、下2段，即上部泥灰?guī)r段(也稱“尖峰段”)和下部“彈簧段”。E1f4上部泥灰?guī)r段的各項生烴指標(biāo)相對較高，有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于1.0%，瀝青“A”質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.05%，特別是成熟度較高的高郵凹陷，總烴均質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于500×10－6，屬于好生烴層。下部彈簧段各項生烴指標(biāo)相對較低，有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于1.0%，屬于差生烴層。

在對建筑結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的處理過程中，存在著多種各類型的處理方法，不同的建筑物對于處理的方法有著不同的要求，在實際的處理過程中，如果將同一種方法應(yīng)用在不同的建筑物地基結(jié)構(gòu)處理中，就會為地面沉降埋下隱患，一旦建筑物在使用過程中出現(xiàn)意外，就會導(dǎo)致地面沉降加劇。

阜寧組四段烴源巖主要分布在金湖、高郵及溱潼凹陷，其中高郵深凹帶的厚度最大，達(dá)500 m以上，隆起上及蘇北盆地東部海安、鹽城等地區(qū)多遭到剝蝕，僅在深凹帶局部殘存，厚度一般小于250 m。

上白堊統(tǒng)—古新統(tǒng)3套生烴層的有機(jī)質(zhì)豐度對比表明，雖然高郵、金湖凹陷E1f2烴源巖的生烴條件最為有利，但烴源巖中有機(jī)質(zhì)豐度低于鹽城、海安凹陷。這與鹽城、海安凹陷E1f2生烴后輸導(dǎo)條件差有關(guān)，E1f2生成的烴類排烴后未能及時運(yùn)移到儲層中，滯留在烴源巖內(nèi)部，因而最有利于形成頁巖油。

4 蘇北盆地頁巖油氣有利區(qū)帶預(yù)測

4.1 有利區(qū)帶評價標(biāo)準(zhǔn)

頁巖油氣的評價標(biāo)準(zhǔn)主要參照中石化頁巖油(氣)資源評價及選區(qū)研究技術(shù)方案(表3)和非常規(guī)天然氣的分布模式——頁巖氣主要分布在盆地/凹陷深凹帶(劉成林等，2009)。

表3 中石化頁巖油氣有利區(qū)優(yōu)選參數(shù)

4.2 有利區(qū)帶預(yù)測

依據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)和頁巖油氣顯示特征，對泥頁巖層系相對比較落實、勘探程度相對較高的蘇北盆地E1f4、E1f2和K2t23套泥頁巖層系進(jìn)行預(yù)測，指出蘇北盆地的鹽城凹陷、金湖凹陷、高郵凹陷和海安凹陷的深凹帶是頁巖氣勘探的有利區(qū)帶(圖4)。

4.2.1 鹽城凹陷 鹽城凹陷屬于勘探頁巖油氣的有利區(qū)帶?？碧侥康膶影‥1f4、E1f2和K2t2。其中E1f2為頁巖油勘探重點(diǎn)層位。

鹽城凹陷E1f2暗色泥巖厚可達(dá)200 m以上，XZ1最厚達(dá) 305 m，TOC在 2.0%左右，Ro大于0.6%，其中，YC1井等深凹帶附近Ro大于0.7%，有機(jī)質(zhì)類型以Ⅱ1型為主，Ⅱ2次之。石英、長石、碳酸鹽巖等脆性礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均51.3%，黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均36.0%。因此，評價鹽城凹陷尤其南洋次凹是蘇北盆地頁巖油氣勘探最有利地區(qū)。預(yù)測勘探目標(biāo)區(qū)面積553 km2，主要包括南洋次凹、中央斷隆帶及新洋次凹南部區(qū)域。

鹽城凹陷E1f4暗色泥巖厚度100～200 m，深凹帶厚度200 m以上，其上部殘余有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.23%～2.06%，平均1.65%，其上部Ro為0.42%，因此預(yù)測其有利區(qū)面積為365 km2，主體位于南洋次凹內(nèi)。

圖4 蘇北盆地泥頁巖油氣勘探的有利區(qū)帶分布圖

鹽城凹陷 K2t2底部“六尖峰”段泥巖厚度在2～5 m左右，TOC均值在1.5%左右，Ro在0.8% ～1.0%之間。有機(jī)質(zhì)類型以Ⅲ型為主。預(yù)測目標(biāo)區(qū)面積132 km2，主要位于鹽城1井附近區(qū)域。

高郵凹陷E1f4暗色泥巖厚度多大于200 m，靠近東南部凹陷深凹帶厚度可達(dá)500 m以上，其上部殘余有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)最小0.53%，最大2.54%，平均1.27%，上部Ro多大于0.5%，真武地區(qū)達(dá)1.0%以上。預(yù)測勘探有利區(qū)面積1 194 km2，主體覆蓋了高郵凹陷的深凹帶。

高郵凹陷E1f2暗色泥巖厚度普遍大于150 m，向深凹帶增 厚至350 m以上，深凹帶 TOC小于1.5%，其他地區(qū)1.5% ～2.0%，從凹陷北西邊緣向東南深凹帶Ro由0.5%增 大至0.8%以上。預(yù)測勘探有利區(qū)面積2 969 km2，基本覆蓋了整個高郵凹陷。

高郵凹陷 K2t2底部“六尖峰”段泥巖厚度在30 m左右，TOC均值大多小于 1.5%，Ro大于0.6%，在靠近邊界斷層的深凹部位能達(dá)到1.2%左右。有機(jī)質(zhì)類型以Ⅱ型為主。因此預(yù)測有利區(qū)面積1 767 km2，主要位于高郵凹陷深凹帶東部。

4.2.3 金湖凹陷 金湖凹陷屬于勘探頁巖油氣的有利區(qū)帶，勘探目的層包括E1f4和E1f2，均為頁巖油氣勘探目的層。

金湖凹陷E1f2暗色泥巖厚度50～100 m，大部區(qū)域厚100 m左右，深凹帶TOC小于1.5%，深凹帶東西兩側(cè)其他地區(qū)1.5% ～2.0%，Ro在0.5% ～0.8%之間，深凹帶0.8%以上，預(yù)測勘探有利區(qū)面積2 909 km2，基本覆蓋了整個凹陷。

金湖凹陷E1f4暗色泥巖厚度100～300 m，在金湖、桐城深凹帶厚達(dá)300 m以上，其上部殘余有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)最小0.91%，最大2.23%，平均1.63%，靠近深凹帶E1f4上部Ro多大于0.6%。預(yù)測其勘探有利區(qū)面積2 664 km2，基本覆蓋了整個金湖凹陷。4.2.4 海安凹陷 海安凹陷屬于勘探頁巖油氣的有利區(qū)帶，勘探目的層包括 E1f4、E1f2和 K2t2，其中K2t2為頁巖油勘探目的層，其他為頁巖油勘探目的層。

海安凹陷 K2t2底部“六尖峰”段泥巖厚度在35 m左右，由中部向外圍逐漸減薄。在凹陷中部，TOC大于1.0%，其中在A10、A6、A22及B1井、TX9井附近地區(qū)較高，TOC大于2.0%;Ro大于0.6%，其中在凹陷中部富安次凹及新街次凹內(nèi)Ro在0.8%～1.0%左右。有機(jī)質(zhì)類型以Ⅱ型為主。因此預(yù)測目標(biāo)區(qū)面積317 km2，主要位于海安凹陷富安次凹及李堡地區(qū)的B1井附近區(qū)域;有利區(qū)面積903 km2，主要位于海安凹陷中部區(qū)域。

海安凹陷 E1f4上部 TOC最小0.92%，最大2.04%，平均1.21%，其上部Ro多大于0.6%?？碧筋A(yù)測有利區(qū)面積437 km2，主體覆蓋了海安凹陷除曲塘次凹以外的深凹帶區(qū)域。

海安凹陷E1f2海北、新街次凹厚達(dá)250 m以上，凹陷內(nèi)TOC自西部向東由1.5%增 大至2.0%以上，深凹帶Ro大于0.6%，預(yù)測勘探有利區(qū)面積921 km2，大體位于海安凹陷深凹帶。

5 結(jié)論

頁巖油氣的勘探、開發(fā)在我國才剛剛起步，作為能源家族中的新成員——頁巖油氣的勘查研究就顯得更加重要。

蘇北盆地在常規(guī)油氣勘探中已經(jīng)取得重要進(jìn)展，而且油氣勘探程度很高，在晚白堊—第三系的油氣勘探中，揭示泰州組二段、阜寧組二段和阜寧組四段泥頁巖發(fā)育，分布廣，厚度為100～250 m，有機(jī)質(zhì)豐富，有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般大于1.0%，演化程度高，并在蘇北盆地鹽城凹陷的E1f2頁巖中見到良好的油顯示，證實蘇北盆地上白堊統(tǒng)—第三系的泥頁巖具備了油氣形成條件。因此，通過對蘇北盆地上白堊統(tǒng)—第三系的基本石油地質(zhì)條件分析，指出蘇北盆地金湖凹陷、高郵凹陷、海安凹陷和鹽城凹陷的深凹帶是勘探、開發(fā)頁巖油氣的有利區(qū)帶。

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