頁(yè)巖能源共生礦產(chǎn)成礦(藏)地質(zhì)條件研究①②——以松遼盆地上白堊統(tǒng)青山口組為例

劉招君 孫平昌 柳 蓉 孟慶濤 白悅悅 徐銀波

(1.吉林大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院 長(zhǎng)春 130061;2.油頁(yè)巖及共生能源礦產(chǎn)吉林省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 長(zhǎng)春 130061)

0 引言

泥頁(yè)巖中賦存豐富的油頁(yè)巖、頁(yè)巖油、頁(yè)巖氣等非常規(guī)能源，充分的開(kāi)發(fā)、利用這些資源，可以有效的彌補(bǔ)常規(guī)資源的不足。從2003年新一輪全國(guó)資源評(píng)價(jià)起，對(duì)油頁(yè)巖的勘探、開(kāi)發(fā)已持續(xù)進(jìn)行了十年，撫順、樺甸、龍口、羅子溝等地油頁(yè)巖的綠色產(chǎn)業(yè)鏈綜合利用開(kāi)發(fā)方式，取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。松遼盆地、準(zhǔn)噶爾盆地、鄂爾多斯盆地等巨大的油頁(yè)巖資源，也顯示出油頁(yè)巖開(kāi)發(fā)、利用的巨大潛力價(jià)值［1］。

頁(yè)巖油和頁(yè)巖氣的勘探、開(kāi)發(fā)在美國(guó)已取得空間的成功，極大地緩解了美國(guó)能源壓力［2～6］。我國(guó)對(duì)頁(yè)巖油、頁(yè)巖氣的研究起步較晚，2009年國(guó)土資源部油氣資源戰(zhàn)略研究中心啟動(dòng)了“我國(guó)重點(diǎn)地區(qū)頁(yè)巖氣資源潛力及有利區(qū)優(yōu)選研究”項(xiàng)目［7］，其后對(duì)頁(yè)巖油也進(jìn)行了重點(diǎn)研究。研究過(guò)程中，在多個(gè)盆地的泥巖層中發(fā)現(xiàn)頁(yè)巖油、頁(yè)巖氣顯示［8］。結(jié)合近幾年的研究成果，我國(guó)頁(yè)巖油、頁(yè)巖氣資源十分豐富，近幾年重點(diǎn)研究地區(qū)集中在我國(guó)南方地區(qū)的四川盆地和上揚(yáng)子?xùn)|部海相地層中，但是針對(duì)暗色泥巖特別發(fā)育，有機(jī)質(zhì)豐度高的陸相湖盆沉積并未進(jìn)行系統(tǒng)深入的研究，如松遼盆地、準(zhǔn)噶爾盆地、鄂爾多斯盆地和渤海灣盆地等。

同樣值得注意的，在大型盆地中，由于存在較大埋藏差異，同一層位的泥巖中有機(jī)質(zhì)經(jīng)歷的熱史—排烴史明顯不同，如在Barnet和Woodford頁(yè)巖中發(fā)現(xiàn)了頁(yè)巖油、氣，并對(duì)其進(jìn)行工業(yè)開(kāi)采［9］，在有機(jī)質(zhì)成熟度差異較大的大型盆地中還可能在盆地的不同部位存在油頁(yè)巖、頁(yè)巖油、頁(yè)巖氣等頁(yè)巖共生礦產(chǎn)，但針對(duì)這一系列頁(yè)巖能源礦產(chǎn)成礦(藏)機(jī)制研究尚未展開(kāi)。通過(guò)研究大型盆地頁(yè)巖能源共生礦產(chǎn)的成礦(藏)模式，可以系統(tǒng)的揭示整個(gè)盆地非常規(guī)頁(yè)巖共生能源分布規(guī)律，也為大型盆地頁(yè)巖能源礦產(chǎn)勘探、開(kāi)發(fā)提供理論指導(dǎo)。

1 松遼盆地頁(yè)巖能源共生礦產(chǎn)成礦(藏)條件

松遼盆地青山口組和嫩江組沉積厚層的暗色泥巖［10］，巨大的盆地規(guī)模和不同的構(gòu)造沉積、埋藏階段經(jīng)歷，導(dǎo)致同一層位的沉積巖經(jīng)歷了明顯不同的熱演化—排烴史。在松遼盆地東南隆起區(qū)已發(fā)現(xiàn)多個(gè)大型優(yōu)質(zhì)油頁(yè)巖礦床，在古龍凹陷已發(fā)現(xiàn)下白堊統(tǒng)青山口組和嫩江組頁(yè)巖油聚集，最早在大安構(gòu)造大4井青山口組泥巖段獲日產(chǎn)油2.66 t，另有50余口井見(jiàn)油氣顯示，4口井產(chǎn)少量油氣(古501井、英15井、英 3井、大111井)，5口井獲工業(yè)油氣流(英12井、英18井、英16井、古1井、大4井)。盆地南部新北油田泥巖裂縫性油藏幾口井已開(kāi)采10余年，累計(jì)產(chǎn)油超過(guò)3×104t［7，8］，因此，松遼盆地青山口組具備頁(yè)巖共生能源礦產(chǎn)油頁(yè)巖、頁(yè)巖油、頁(yè)巖氣成礦(藏)的地質(zhì)條件。

1.1 區(qū)域地質(zhì)條件

松遼盆地在青山口組—嫩江組時(shí)期為典型的大型湖盆，沉積范圍分布廣泛。根據(jù)松遼盆地中生代構(gòu)造演化，結(jié)合基底性質(zhì)和蓋層的區(qū)域地質(zhì)特征，松遼盆地進(jìn)一步劃分為七個(gè)一級(jí)構(gòu)造單元，即北部?jī)A沒(méi)區(qū)、東北隆起區(qū)、東南隆起區(qū)、開(kāi)魯坳陷區(qū)、中央凹陷期、西部斜坡帶和西南隆起區(qū)(圖1)?？刂扑蛇|盆地演化發(fā)展的主要?jiǎng)恿?lái)自地殼深部地幔物質(zhì)的熱動(dòng)力、泛太平洋板塊向歐亞洲板塊俯沖和厄霍次克海的關(guān)閉共同影響［11，12］，松遼盆地經(jīng)歷早期同裂谷沉降、中期裂谷后熱沉降和晚期裂谷后萎縮階段。

松遼盆地主要發(fā)育上侏羅統(tǒng)、白堊系和古近系。上侏羅統(tǒng)沉積白城組，下白堊系由底到頂分別為火石嶺組、沙河子組、營(yíng)城組、登婁庫(kù)組、泉頭組，上白堊統(tǒng)分別為青山口組、姚家組、嫩江組、四方臺(tái)組和明水組。古近系發(fā)育不全，可見(jiàn)依安組、大安組和泰康組［11］，其中青山口組和嫩江組在盆地分布范圍最廣，下部均為暗色泥巖、油頁(yè)巖、介形蟲(chóng)層和泥灰?guī)r沉積，上部一般為灰綠色泥巖夾細(xì)粉砂巖薄層(圖2)。

1.2 源巖條件

(1)泥巖厚度和有機(jī)質(zhì)豐度

國(guó)內(nèi)外學(xué)者一般把頁(yè)巖氣源巖總有機(jī)碳(TOC)下限標(biāo)定為0.4%～0.6%［13］，松遼盆地青山口組發(fā)育厚層的暗色泥巖，尤其青一段和青二段下部，暗色泥巖有機(jī)質(zhì)含量普遍較高，均大于頁(yè)巖氣源巖有機(jī)碳的下限值，通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析，青山口組暗色泥巖厚度介于150～250 m之間，盆地中心中央凹陷一帶TOC大于2.0%的暗色泥巖厚度基本占整個(gè)青山口組地層的45%左右，連續(xù)沉積厚度可達(dá)100 m，如果埋藏深度過(guò)大，由于大量的排烴，在中央凹陷較深部位泥巖中的有機(jī)質(zhì)豐度相對(duì)偏小(如松科1井)(圖2);盆地邊緣厚層富有機(jī)質(zhì)泥巖累計(jì)厚度較小，基本在40米左右。特別指出，在青山口組底部發(fā)育累計(jì)近10米左右的極富有機(jī)質(zhì)泥巖(TOC＞5%)，為油頁(yè)巖沉積(圖2)。

圖1 松遼盆地區(qū)域地質(zhì)圖及Ro(%)平面分布圖(Ro%數(shù)值據(jù)大慶內(nèi)部資料)Fig.1 The geological map of Songliao Basin and the distribution of Ro(from internal data of Daqing oilfield)

(2)殘留烴量評(píng)價(jià)

游離烴(S1)是頁(yè)巖油和頁(yè)巖氣存在的直接證據(jù)［14］，熱解烴(S2)和游離烴(S1)主要反映了殘留烴含量，可以有效的揭示泥巖中有機(jī)質(zhì)豐度和殘留油(頁(yè)巖油)的相對(duì)富集程度。

在研究區(qū)，S1隨著TOC含量的增加表現(xiàn)出3階段特征(圖3)，當(dāng) TOC較高(TOC＞8.0%)時(shí)，S1為穩(wěn)定的高值;當(dāng)TOC較低(TOC＜2.0%)時(shí)，S1保持穩(wěn)定的低值;當(dāng)TOC為2.0%～8.0%時(shí)，S1呈現(xiàn)明顯的上升趨勢(shì)。通過(guò)S1和TOC關(guān)系趨勢(shì)圖可以得知:穩(wěn)定高值表明當(dāng)有機(jī)質(zhì)豐度達(dá)到一定的臨界值(這里為8.0%)，所生成的油氣量總體上已經(jīng)滿足頁(yè)巖各種形式的殘留需要，豐度更高的頁(yè)巖含油氣量已經(jīng)達(dá)到飽和，多余的油氣被排出。顯然，這類頁(yè)巖的含油氣量最為豐富，也是頁(yè)巖油、頁(yè)巖氣重點(diǎn)勘探的層位;穩(wěn)定低值段，由于有機(jī)質(zhì)豐度比較低，生成的油氣量還難以滿足頁(yè)巖自身殘留需要，含油氣量稍低介于兩者期間的上升段，表明其含油氣量居中，是值得關(guān)注的層位。在有機(jī)質(zhì)未熟—低熟區(qū)域，當(dāng) TOC含量大于5.0%時(shí)，此層位也是油頁(yè)巖礦層，隨著TOC含量的增加，油頁(yè)巖的品質(zhì)也逐漸變好。

圖2 青山口組富含有機(jī)質(zhì)泥巖橫向及垂向分布圖 (其中松科1井資料來(lái)自［15～17］)Fig.2 The transverse and vertical distribution of organic rich mudstone in the Qingshankou Formation(The datas of SK1 borehole are from references［15～17］)

(3)干酪根類型和成熟度

H/C-O/C圖解顯示青山口組下部暗色富有機(jī)質(zhì)泥巖中干酪根類型主要為I～I(xiàn)I1型(圖3)，根據(jù)光片顯微熒光特征，有機(jī)質(zhì)主要來(lái)源于層狀藻(圖4)，偏向生油型，因此易于形成頁(yè)巖油，同是還存在油型天然氣的儲(chǔ)集。在青山口組上部有機(jī)質(zhì)類型變?yōu)镮I2～I(xiàn)II型(圖4)，雖然干酪根偏向生氣，但是由于有機(jī)質(zhì)豐度較低，難以成藏。

圖3 青山口組泥巖S1與TOC關(guān)系圖解Fig.3 The relationship between S1and TOC of mudstone in the Qingshankou Formation

圖4 青山口組泥巖有機(jī)質(zhì)類型及來(lái)源(H/C-O/C圖據(jù)［18］)Fig.4 The type and source of organic matter in the Qingshankou Formation(diagram H/C-O/C is from reference［18］)

在成熟度較低，有機(jī)質(zhì)豐度較高的層段，往往為油頁(yè)巖成礦和生物型頁(yè)巖氣成藏層段，大規(guī)模的頁(yè)巖氣、頁(yè)巖油成藏則需要有機(jī)質(zhì)具有相對(duì)較高的成熟度，根據(jù)Tmax(圖2)、Ro平面分布圖(圖1)、垂向散點(diǎn)圖及(S1+S2)/TOC散點(diǎn)隨著深度變化圖解(圖6)，顯示在松遼盆地東南隆起區(qū)和西部斜坡帶，青山口組富有機(jī)質(zhì)泥巖埋深基本小于1 000 m，處于未熟—低熟階段，但是在東南隆起區(qū)NGN2井青山口組底部砂巖中發(fā)現(xiàn)油砂，且生物標(biāo)志化合物特征顯示，其油源主要來(lái)自于青山口組［19］，說(shuō)明東南隆起區(qū)泥巖已初步排烴，也存在形成頁(yè)巖油、頁(yè)巖氣藏的可能性;中央凹陷區(qū)域隨著埋深增大，Ro值也相應(yīng)增加，有機(jī)質(zhì)達(dá)到成熟，部分區(qū)域甚至處于過(guò)熟階段。

(4)泥巖礦物巖石組成

根據(jù)系統(tǒng)的X衍射分析，泥巖中陸源碎屑礦物主要為石英，含有少量的正長(zhǎng)石和斜長(zhǎng)石，其含量多數(shù)介于40%～55%之間;碳酸鹽礦物主要為方解石和白云石，含量也占有一定比例，在5%～30%之間;黏土礦物主要為伊利石、蒙脫石和伊蒙混層，含量介于35%～55%，說(shuō)明本區(qū)泥巖具有良好的脆性特征。

1.3 儲(chǔ)層特征

油頁(yè)巖為固體沉積礦產(chǎn)，不需要進(jìn)行儲(chǔ)層研究。頁(yè)巖油、頁(yè)巖氣具有自生自儲(chǔ)的特征，主要為吸附態(tài)和游離態(tài)，富集在黏土顆粒、有機(jī)質(zhì)表面，泥巖內(nèi)部應(yīng)力集中面，巖性變化接觸面或脆性薄弱面產(chǎn)生的裂縫中以及砂泥巖互層中細(xì)粒砂巖中［20，21］。儲(chǔ)層屬性特征影響頁(yè)巖油、頁(yè)巖氣成藏。本次重點(diǎn)對(duì)泥頁(yè)巖孔隙類型、孔隙特征進(jìn)行初步分析。

(1)泥巖孔隙度

在常規(guī)儲(chǔ)層中，孔隙度是描述儲(chǔ)層特性的一個(gè)重要方面，頁(yè)巖儲(chǔ)層也是如此。一般泥巖孔隙度為0.5%～6.0%。Chalmers(2008)研究發(fā)現(xiàn)在富有機(jī)質(zhì)泥巖中，孔隙度往往與有機(jī)質(zhì)含量呈現(xiàn)正相關(guān)性［22］，且泥巖的孔隙度一般較大。通過(guò)對(duì)本區(qū)富有機(jī)質(zhì)泥巖、油頁(yè)巖等進(jìn)行孔隙度測(cè)試，其介于4.1%～14.0%之間，且通過(guò)泥巖TOC與孔隙度之間的關(guān)系，往往有機(jī)質(zhì)豐度較高的層段對(duì)應(yīng)的孔隙度也較高，如TOC為12.6%的油頁(yè)巖其孔隙度高達(dá)14.0%，這說(shuō)明越是富集有機(jī)質(zhì)的泥巖本身就是很好的儲(chǔ)層。

(2)儲(chǔ)集空間

通過(guò)掃描電鏡、顯微鏡系統(tǒng)觀察，初步發(fā)現(xiàn)青山口組泥巖中發(fā)育多種孔隙類型。如通過(guò)掃描電鏡可見(jiàn)顆粒粒間微孔、粒內(nèi)微孔、黏土層間微孔、黃鐵礦晶間空以及黏土質(zhì)條帶和鈣質(zhì)條帶層界面孔隙等;顯微鏡下富含有機(jī)質(zhì)條帶和碎屑巖條帶層面孔隙、介形蟲(chóng)和碎屑顆粒粒間孔、介形蟲(chóng)內(nèi)部溶蝕孔等;通過(guò)巖芯觀察可見(jiàn)，巖石脆性條件較強(qiáng)或排烴形成的裂縫條帶、泥巖層面、節(jié)理帶以及斷層帶等均為頁(yè)巖油、頁(yè)巖氣的良好儲(chǔ)層，此外泥巖中的砂質(zhì)條帶、生物擾動(dòng)形成的砂質(zhì)充填蟲(chóng)孔等也具有一定的儲(chǔ)集空間(圖5)。

2 頁(yè)巖能源共生礦產(chǎn)預(yù)測(cè)成礦(藏)模式

根據(jù)松遼盆地構(gòu)造—沉降史，在東南隆起區(qū)，青山口組埋藏較淺，泥巖中有機(jī)質(zhì)成熟度較低，同時(shí)湖泊具有極高的湖泊生產(chǎn)力，導(dǎo)致大量的有機(jī)質(zhì)富集于湖底。在海侵背景下，水體鹽度較高，含氧界面較高，湖底保存條件極佳［19，23，24］，因此，沉積了厚度較大的油頁(yè)巖。東南隆起區(qū)較小的埋藏深度，地溫較低，適合甲烷菌等微生物生存，在消耗有機(jī)質(zhì)的過(guò)程中，形成大量的甲烷等氣體，較弱的成巖壓實(shí)作用和極為豐富的生物骨架為頁(yè)巖氣成藏提供足夠的空間，因此在富有機(jī)質(zhì)層段原地保存富集，可能存在生物型頁(yè)巖氣藏。而且本區(qū)域可能在油頁(yè)巖成礦層中同樣存在頁(yè)巖氣藏，如吉林油田在松南長(zhǎng)嶺拗陷油頁(yè)巖層中發(fā)現(xiàn)生物型頁(yè)巖氣藏①吉林油田內(nèi)部專家交流。

圖5 研究區(qū)青山口組暗色泥巖中頁(yè)巖油/氣儲(chǔ)集空間類型a.黃鐵礦晶間孔和伊利石層內(nèi)孔，NGN2井，192.1 m，×12 000;b.伊利石層面微裂縫，NGN2井，192.1 m，×40 000;c.伊利石層層間孔隙，NGN2井，192.1 m，×60 000;d.碎屑顆粒和介形蟲(chóng)粒間孔隙，NGN2井，198.1 m，正交偏光;e.介形蟲(chóng)粒內(nèi)溶蝕孔，NGN2，189.1 m，正交偏光;f.泥巖中砂質(zhì)條帶;g.泥巖裂縫北方解石充填。Fig.5 Reservoir spaces of shale oil and shale gas in dark mudstone in Qingshankou Formation，Songliao Basin

中央凹陷區(qū)埋藏深度大于1 000 m，有機(jī)質(zhì)基本處于大量排烴階段，生成大量的油氣，充填于泥頁(yè)巖孔隙中，同時(shí)由于泥巖大量排烴，造成地層超壓及排烴造孔和有機(jī)質(zhì)本身較為發(fā)育孔隙，可使泥巖儲(chǔ)集頁(yè)巖氣、頁(yè)巖油能力增加，因此基本在埋深1 000～2 000 m之間的富有機(jī)質(zhì)層形成頁(yè)巖油、頁(yè)巖氣藏，如在中央凹陷區(qū)古龍凹陷發(fā)現(xiàn)泥巖中的頁(yè)巖油、頁(yè)巖氣［7，8］。

當(dāng)?shù)貙勇裆畲笥? 000 m，Ro超過(guò)1.0%，有機(jī)質(zhì)基本處于熱裂解階段，也是重要的濕氣、凝析氣形成階段，因此在中央凹陷最大埋深處，泥巖中頁(yè)巖油成藏能力降低，但是本階段由于大量的氣體來(lái)源，可形成頁(yè)巖氣藏。

圖6 泥頁(yè)巖能源共生礦產(chǎn)分布規(guī)律預(yù)測(cè)圖Fig.6 The predicted distribution of shale coexistent energy minerals

松遼盆地埋藏深度整體呈現(xiàn)由盆地邊緣向盆地中心逐漸增大，因此，松遼盆地頁(yè)巖能源成礦(藏)規(guī)律可能為東南隆起區(qū)和中央凹陷隆起地區(qū)為油頁(yè)巖成礦和生物型頁(yè)巖氣有利成藏帶;中央凹陷的大部分地區(qū)可能為頁(yè)巖油、熱解型頁(yè)巖氣有利成藏帶;中央凹陷埋藏最深部位為發(fā)育熱裂解型頁(yè)巖氣有利成藏帶。這些頁(yè)巖能源共生礦產(chǎn)呈環(huán)狀分布于盆地中(圖6)。

3 結(jié)論

(1)松遼盆地上白堊統(tǒng)青山口組形成于大型的陸相拗陷盆地時(shí)期，沉積有巨厚的暗色富有機(jī)質(zhì)泥巖，其中TOC＞2%的泥巖厚度可達(dá)100 m，有機(jī)質(zhì)主要為I～I(xiàn)I1型，Ro介于0.5%～1.7%之間，泥巖具有較高的孔隙度，鑒于該盆地規(guī)模巨大，埋藏深度差異明顯，具備形成油頁(yè)巖、頁(yè)巖油、頁(yè)巖氣等非常規(guī)頁(yè)巖能源共生礦產(chǎn)成礦(藏)的地質(zhì)條件。

(2)松遼盆地東南隆起區(qū)和中央凹陷隆起地區(qū)為油頁(yè)巖成礦和生物型頁(yè)巖氣成藏有利區(qū)帶;中央凹陷大部分地區(qū)可能為頁(yè)巖油、熱解型頁(yè)巖氣成藏有利區(qū)帶;中央凹陷埋藏最深部位可能發(fā)育熱裂解型頁(yè)巖氣成藏帶，這些頁(yè)巖共生能源礦產(chǎn)可能整體呈環(huán)狀分布在盆地中。

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