渤海灣盆地石炭-二疊系頁巖氣資源分布特征研究

葉 欣，武曉玲，邊瑞康，姜文利

(1. 中國石油化工股份有限公司石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083；2.國土資源部油氣資源戰(zhàn)略研究中心，北京 100034)

1 概況

渤海灣盆地是發(fā)育在太古宇古元古界結(jié)晶基底之上的“克拉通盆地”，北接西伯利亞板塊，南臨揚子板塊。根據(jù)渤海灣盆地斷裂分布和活動特征、構(gòu)造樣式分析，結(jié)核殘留地層分布特征，渤海灣盆地可以劃分為太行山以東、鹽山-岐口-新港-蘭考-聊城斷裂帶以西區(qū)域(構(gòu)造區(qū))，鹽山-新港蘭考-聊城斷裂帶以東、郯廬斷裂以西區(qū)域(Ⅱ構(gòu)造區(qū))，張家口-蓬萊走滑斷裂以北區(qū)域(Ⅲ構(gòu)造區(qū))等3個構(gòu)造區(qū)(圖1)。

石炭-二疊系地層由老到新劃分為本溪組、太原組、山西組、下石盒子組、上石盒子組、石千峰組。除部分隆起區(qū)剝蝕殆盡外，石炭系和二疊系在渤海灣盆地分布廣泛，殘留厚度主要分布在1000～1500m，全區(qū)呈由西南向東北方向逐漸變厚的趨勢。

2 泥巖地層分布

本文研究區(qū)石炭-二疊系泥巖主要分布在太原組和山西組，其發(fā)育分布特征與聚煤作用的發(fā)生、發(fā)展有密切的聯(lián)系，太原組和山西組廣泛分布，殘留厚度較大，暗色有機質(zhì)泥巖發(fā)育。太原組暗色泥巖厚度具有從北向南變小的趨勢，在華北油氣區(qū)沉積厚度較大，一般大于100m，大港油氣區(qū)一般60～100m，而向南到中原油氣區(qū)一般為40～80m。山西組暗色泥巖厚度總體上相對于太原組小，厚度相對較大的地區(qū)除了華北油氣區(qū)外，中原油氣區(qū)的沉積厚度也相對較大，一般分布在50～80m之間，而大港油氣區(qū)的沉積厚度相對較小，一般10～40m。總體上以華北油氣區(qū)最厚，其次是大港油氣區(qū)和中原油氣區(qū)。暗色泥巖野外露頭分布廣泛，太原組在河北、河南等地區(qū)零星出露，規(guī)模不大，山西組較太原組范圍較廣，且厚度也較大。

圖1 渤海灣盆地構(gòu)造單元劃分簡圖注：1-盆地邊緣；2-二級構(gòu)造單元邊界；3-三級構(gòu)造單元邊界；4-凹凸編號；5-隆起；6-凸起

3 泥巖有機地化特征

3.1 有機質(zhì)類型

石炭-二疊系泥巖富含有機質(zhì)，有機顯微組分占全巖體積的60%以上；炭質(zhì)泥巖中有機顯微組分可占10%以上，暗色泥巖和雜色泥巖有機質(zhì)相對較少，一般在6%以下(表1)，有機質(zhì)類型以Ⅱ2-Ⅲ型為主(圖2)，反映該區(qū)石炭-二疊紀聚煤作用時整體環(huán)境的相似性的特征。

表1 渤海灣盆地石炭-二疊系煤系地層不同巖性顯微組分組成

圖2 渤海灣盆地石炭-二疊系煤系泥巖有機質(zhì)類型判識圖

3.2 有機碳含量及其變化

太原組煤系泥巖有機質(zhì)豐度最高，其次為山西組(圖3、表2)。太原組暗色泥巖有機碳含量在0.1%～5.3%，主要分布在2.0%～2.5%，其整體好于山西組，其生烴潛量差異性更大，變化在0.02～9.96mg/g巖石之間。太原組暗色泥巖的有機碳含量整體呈西高東低的特征，最大值位于冀中坳陷，大于5%，在東部濟陽地區(qū)普遍較小。山西組暗色泥巖有機碳含量在0.1%～4.2%，主要分布在1.5%～2.0%，其生烴潛量差異大，變化在0.02～4.12mg/g巖石，平均值不高于1.50mg/g巖石。山西組暗色泥巖的有機碳含量分布規(guī)律性較明顯，整體呈西好東差，但其數(shù)值差距較小，最大值位于冀南地區(qū)巨鹿一帶，大于3%，而東部濟陽地區(qū)相對較小，其有機碳含量大多小于2%。

圖3 濟陽坳陷石炭-二疊系暗色泥巖有機碳含量等值線圖

坳陷層位巖性有機碳/%氯仿瀝青“A”/%生烴潛量/(mg/g巖石)黃驊石盒子組泥巖0.1～2.5(0.6/8)0.0096(1)0.02～1.72(0.48/8)山西組泥巖0.1～3.5(1.3/20)0.0074～0.0640(0.0271/10)0.02～4.12(0.81/20)太原組泥巖0.1～4.5(2.0/26)0.0088～0.228(0.0665/15)0.02～9.96(1.54/22)本溪組泥巖0.1～4.2(1.3/15)0.014～0.082(0.030/6)0.02～4.35(1.20/15)東濮石盒子組泥巖0.78～5.31(1.61/39)0.001～0.0346(0.0108/23)0.03～0.66(0.06/13)山西組泥巖0.75～5.56(2.48/68)0.011～0.1727(0.0399/9)0.50～10.2(2.31/38)太原組本溪組泥巖0.77～ 5.89(2.4/164)0.0015～0.0143(0.0439/36)0.5～44.45(3.00/111)冀中二疊泥巖0.1～3.1(0.7/33)0.0119～0.1648(0.0410/9)0.02～2.57(0.25/30)石炭泥巖0.1～5.3(2.4/29)0.0087～0.2071(0.0921/12)0.13～9.62(2.81/19)濟陽臨清二疊泥巖0.1～4.2(1.5/55)0.0037～0.3468(0.0634/17)0.02～3.53(1.09/43)石炭泥巖0.1～4.3(1.8/60)0.0021～0.1356(0.0341/22)0.3～3.85(1.16/48)渤中石炭-二疊泥巖0.1～5.2(1.1/8)0.0025～0.0525(0.0179/8)0.03～1.32(0.32/8)遼河石盒子組泥巖0.2～1.10.0058～0.0084(1)0.05～0.12(3)山西組泥巖0.5～2.6(1.4/3)0.0084(1)0.18～0.52(0.33/3)太原組泥巖0.6～3.8(1.8/5)0.0133(1)0.07～0.64(0.31/5)

注：22.6～62.7(48.3/3) 最小值～最大值(平均值/樣品數(shù))。

3.3 有機質(zhì)成熟度

石炭-二疊系有機質(zhì)成熟度具有較大的差異性，其中濟陽坳陷成熟度相對較高，主要為成熟-高成熟階段，東濮、冀中和黃驊坳陷石炭-二疊系有機質(zhì)成熟度主要處于成熟階段(圖4)。從平面上看，渤海灣地區(qū)的太原組和山西組的成熟度分布趨勢一致(圖5、圖6)，大體呈現(xiàn)出“南高北低、東南最高”的空間展布背景。

圖4 渤海灣盆地不同坳陷石炭-二疊系有機質(zhì)成熟度頻率分布圖

圖5 渤海灣盆地太原組有機質(zhì)成熟度平面分布圖

圖6 渤海灣盆地山西組有機質(zhì)成熟度平面分布圖

濟陽坳陷是渤海灣地區(qū)古生界有機質(zhì)成熟度較高的地區(qū)，以東營凹陷主體、沾化坳陷、惠民凹陷中央為高成熟度中心，呈環(huán)帶狀展布，東營凹陷以高成熟階段為主，沾化凹陷、惠民凹陷以成熟中-晚期階段為主，而西部局部地帶仍處于成熟階段。東濮坳陷石炭-二疊系有機質(zhì)成熟度具有自北往南逐漸增高的趨勢，以成熟晚期階段為主，局部僅達中成熟期階段。臨清坳陷以高-過成熟階段為主，西部和東部較大面積為成熟中-晚期。冀中坳陷具有“東高西低”的成熟度展布規(guī)律；在大城斜坡帶、武清凹陷等處存在較高成熟度中心，太原組為成熟中-晚期階段；在其余地帶，太原組僅達成熟早期，尤其坳陷北緣，是華北東部內(nèi)石炭-二疊系有機質(zhì)成熟度最低的地帶。而冀南地區(qū)的丘縣凹陷是整個盆地石炭-二疊系泥巖成熟度最高地區(qū)，太原組已達過成熟度階段。黃驊坳陷石炭-二疊系有機質(zhì)成熟度展布格局相對簡單，以歧口凹陷為較高成熟度中心，形成向四周降低的成熟帶。

4 頁巖儲層特征

4.1 巖礦特征

石炭-二疊巖性主要為深灰-灰黑色泥巖和碳質(zhì)泥巖。泥巖礦物成分主要為石英、斜長石、菱鐵礦、黃鐵礦、白云石、黏土。其中大部分地區(qū)石英含量高，達到45%以上，易產(chǎn)生裂縫，為頁巖氣提供了良好的儲集條件(圖7)。

圖7 佟2905鉆孔和佟3井太原組(左)和山西組(右)暗色泥巖礦物成分統(tǒng)計圖

泥巖黏土礦物主要為伊利石(25%～41%)，其次為高嶺石(14%～34%)、綠泥石(8%～13%)。根據(jù)碎屑巖成巖階段劃分，本區(qū)泥巖處于中成巖B期，有機質(zhì)處于高成熟階段，鏡質(zhì)體反射率大于1.3%。泥巖中有伊利石及伊利石/蒙皂石混層黏土礦物。國外研究結(jié)果表明伊利石是頁巖中微孔和中孔結(jié)構(gòu)的最大貢獻者。中孔和微孔表面隨著成熟度的增加而普遍增加。伊利石的微孔和中孔表面積與甲烷吸附量有著較好的相關(guān)性。

4.2 儲集空間

通過對山西、河南地區(qū)上古生界野外剖面頁巖氬離子拋光電鏡掃描，觀察其微孔隙發(fā)育情況。發(fā)育的主要空間類型可劃分為有機孔隙、無機孔隙和微裂縫。

有機孔主要發(fā)育有機質(zhì)溶蝕孔、有機質(zhì)收縮孔，主要為方解石半充填和未充填。無機孔較發(fā)育，主要發(fā)育基質(zhì)溶蝕孔、晶間溶蝕孔和晶內(nèi)溶蝕孔。其發(fā)育程度與礦物類型和相對含量有關(guān)，總的來看，方解石含量越高的樣品無機孔發(fā)育程度越大(圖8)。

圖8 盆地周邊地區(qū)上古生界頁巖有機孔和無機孔

微裂縫發(fā)育類型主要為巖片局部溶蝕縫，主要發(fā)育巖片內(nèi)部小型溶蝕裂縫，貫穿整個巖片的裂縫基本不發(fā)育，具有裂縫條數(shù)多，發(fā)育密度大，延伸短的特征，頁巖縫寬主要分布在10nm～1μm。主要為未充填和方解石半充填、全充填(圖9)。

圖9 盆地周邊地區(qū)上古生界頁巖微裂縫

4.3 物性特征

石炭-二疊系次生孔隙發(fā)育，以溶蝕孔隙為主，溶蝕孔隙是泥巖儲層中重要的儲集空間，包括顆粒的溶解和膠結(jié)物的溶解，顆粒溶解孔隙又表現(xiàn)為港灣狀部分顆粒溶解孔隙、粒內(nèi)溶解孔隙、鑄?？紫兜?，膠結(jié)物的溶解主要表現(xiàn)為碳酸鹽巖膠結(jié)物的溶解，從而形成粒間孔隙等，溶蝕孔隙大小不等。野外地表露頭和巖芯上觀察到的宏觀張性裂縫一般傾角、寬度和長度變化較大，破裂面不平整，多數(shù)被方解石完全充填或部分充填。薄片中和掃描電鏡下也見到微觀張裂縫，裂縫與層面交角不等，近垂直于層面的張裂縫，常切穿順層縫，起到連通順層裂縫的作用；剪性縫較張裂縫少，其產(chǎn)狀變化也較大，有近垂直層面的菱形共軛剪節(jié)理，也有高角度的剪切裂縫，較平直，破裂面光滑，局部有充填物。薄片中和掃描電鏡下剪裂縫很少見，多與層面成低角度斜交，平直，一般未被充填。

太原組和山西組泥巖發(fā)育水平層理、頁理，因此層間頁理縫較發(fā)育，頁巖的頁理面上多含砂質(zhì)，這種裂縫在巖芯和薄片下都可見到。層間頁理縫張開度一般較小，多數(shù)被完全充填，與高角度張性縫連通。

在野外露頭、巖芯觀察時都發(fā)現(xiàn)了成巖收縮裂縫的存在，成巖收縮縫在泥巖層和水平層理泥灰?guī)r的泥質(zhì)夾層的掃描電鏡下常見，連通性較好，開度變化較大，部分被充填。一般沉積在硅質(zhì)含量較高的頁巖，在成巖過程中由于化學變化而發(fā)生收縮作用，從而形成廣泛分布的成巖收縮微裂縫(圖10)。在掃描電鏡下也發(fā)現(xiàn)有較多微細裂縫的存在，裂縫呈樹枝狀和網(wǎng)狀，少量裂縫被方解石部分或全部充填，多數(shù)為天然開啟裂縫。這些裂縫的存在，擴大了目的層系泥巖的儲集空間，改善儲層的孔滲性，有利于頁巖氣運移。

圖10 佟2905井太原組泥巖構(gòu)造縫和層間縫(a)構(gòu)造縫被方解石充填、(b)層間縫、(c)構(gòu)造縫及層間縫溝通呈網(wǎng)狀

研究區(qū)近20個泥巖樣品進行了壓汞實驗，綜合分析表明泥巖儲層具有排驅(qū)壓力高，細歪度，孔喉直徑小等特點，表明儲集空間以微孔隙為主，相對均質(zhì)，分選好。這種類型的泥巖往往吸附氣含量高，吸游比高。

泥巖以黏土和泥質(zhì)為主要成分，粒徑通常為5～63μm，微孔隙微縫隙大小基本在5～50μm之間，孔隙度極小，有效孔隙度一般只有1%～5%，滲透率一般為1×10-4～1×10-6md之間，較之致密砂巖儲層(1×10-2～1×10-3md)低2～3個數(shù)量級，常規(guī)意義上不具備儲集性能。但由于頁巖氣主要以吸附和游離狀態(tài)存在于有機質(zhì)表面及微孔隙中，因而頁巖中的微孔隙、微縫隙仍是有效儲集空間。

孔滲分析測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計表明，太原組泥巖孔隙度分布范圍為2.3%～4.7%，平均為3.1%，山西組孔隙度范圍為2.6%～5.2%，平均為3.3%。

5 頁巖氣有利區(qū)優(yōu)選

5.1 有利區(qū)優(yōu)選參數(shù)、方法

頁巖氣有利區(qū):主要依據(jù)頁巖分布、評價參數(shù)、頁巖氣顯示以及少量含氣性參數(shù)優(yōu)選出來、經(jīng)過進一步鉆探能夠或可能獲得頁巖氣工業(yè)氣流的區(qū)域。

在前期油氣勘探工作中，已在鉆井、氣測、錄井及測試工作中發(fā)現(xiàn)泥巖含烴異常，并基本掌握了異常層系的發(fā)育規(guī)模、有機地化特征、巖石學特征及少量含油氣性特征，經(jīng)過進一步評價工作可確定含油氣層段的區(qū)域是頁巖氣發(fā)育的有利區(qū)。有利區(qū)優(yōu)選是在地震、鉆井以及實驗測試等資料基礎上，通過分析泥巖沉積特點、構(gòu)造格架、泥巖地化指標及儲集特征等參數(shù)，依據(jù)泥巖及含氣泥巖發(fā)育規(guī)律而在遠景區(qū)內(nèi)進一步優(yōu)選出的有利區(qū)域。

有利區(qū)優(yōu)選主要評價參數(shù)集中于泥巖有機質(zhì)成熟度(Ro)、泥巖總有機質(zhì)豐度、厚度、脆性礦物含量、物性、埋深和構(gòu)造穩(wěn)定性。有利區(qū)優(yōu)選標準如表3所示。

5.2 有利區(qū)優(yōu)選結(jié)果

在有利區(qū)優(yōu)選參數(shù)的基礎上，結(jié)合華北及東北區(qū)主要盆地泥巖面積、厚度、有機質(zhì)豐度、有機質(zhì)成熟度、含氣量等數(shù)據(jù)，利用選區(qū)標準，采取單因素疊合法，對渤海灣盆地頁巖氣的有利區(qū)進行了優(yōu)選。其中，本文重點優(yōu)選濟陽坳陷有利區(qū)，石炭-二疊系有利區(qū)總面積1675km2，主要分布在車鎮(zhèn)凹陷西部、惠民凹陷南部、東營凹陷南部等地區(qū)。其中車鎮(zhèn)凹陷有利區(qū)主要分布在車古31井以西、大古8井以東、墾古51井以南等地區(qū)；惠民凹陷主要集中在凹陷南部以及白古1井以東地區(qū)；東營凹陷有利區(qū)主要分布在通11井北部至凹陷中心的區(qū)域(圖11)。

6 結(jié)論

1)初步明確了研究區(qū)頁巖油氣地質(zhì)特征，認為渤海灣盆地石炭-二疊系太原組、山西組海陸過渡相碳質(zhì)泥巖是頁巖氣發(fā)育的有利層系，石炭-二疊系整體上以聚集頁巖氣為主，具備形成頁巖氣藏的物質(zhì)基礎、儲集條件和資源潛力。

2)初步分析了頁巖氣富集的控制因素和分布特征，石炭-二疊系有機碳含量相對較高，有利于頁巖氣形成，太原組好于山西組；整體演化程度比較高，太原組高于山西組，均處于有利生氣范圍之內(nèi)；有機質(zhì)類型以Ⅱ2-Ⅲ型為主，有利于生氣。

表3 頁巖氣選區(qū)參考標準

圖11 濟陽坳陷上古生界頁巖氣有利區(qū)預測圖

3)重點優(yōu)選了濟陽坳陷有利區(qū)，石炭-二疊系有利區(qū)總面積1675km2，主要分布在車鎮(zhèn)凹陷西部、惠民凹陷南部、東營凹陷南部等地區(qū)。其中車鎮(zhèn)凹陷有利區(qū)主要分布在車古31井以西、大古8井以東、墾古51井以南等地區(qū)；惠民凹陷主要集中在凹陷南部以及白古1井以東地區(qū)；東營凹陷主要分布在通11井北部至凹陷中心的區(qū)域。

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