松遼盆地北部中淺層油頁巖分布特征及資源潛力

丁寒生

（中國石油 大慶油田勘探開發(fā)研究院，黑龍江 大慶 163712；）

國際上把含油率不小于0.25桶頁巖油/噸（相當(dāng)于含油率3.5%以上）的頁巖稱為油頁巖（全國礦產(chǎn)儲量委員會辦公室，1987）。劉招君[1]將油頁巖定義為一種高灰分的固體可燃有機(jī)礦產(chǎn)，低溫干餾可獲得頁巖油，含油率大于3.5%，一般灰分含量大于40%，有機(jī)質(zhì)含量較高，主要為腐泥型、腐殖腐泥型和腐泥腐殖型，其發(fā)熱量一般不小于4.18MJ/kg。全球油頁巖主要分布在美國、巴西、前蘇聯(lián)（主要產(chǎn)在愛沙尼亞）、中國、澳大利亞、扎伊爾、意大利、法國、以色列等國家。其中美國的儲量占世界第一，巴西第二，前蘇聯(lián)第三，中國第四[2]。我國油頁巖主要分布在吉林省、遼寧省和廣東省。隨著全球能源短缺，油頁巖作為石油替代品，越來越引起人們的重視，大力開發(fā)油頁巖，具有重要的現(xiàn)實意義。

目前國內(nèi)外對油頁巖的研究主要偏重于油頁巖的成因分類及油頁巖開發(fā)利用，對于油頁巖的成因機(jī)制、形成環(huán)境及生烴模式等的研究比較少。隨著國內(nèi)外對油氣資源的需求量日益上升，而油氣資源又屬于不可再生資源，所以迫切的需要尋找另外的油氣替代資源來緩解能源需求壓力。油頁巖儲量巨大，是重要的油氣補(bǔ)充能源資源。并且油頁巖由于其特殊的組成和結(jié)構(gòu)決定了它在綜合利用方面的潛在前途，引起了全世界的關(guān)注。

1 油頁巖分布特征

松遼盆地北部于上白堊統(tǒng)青山口組一段，嫩江組一段、二段發(fā)育三段油頁巖，并以青山口組一段質(zhì)量最好，含油率高，分布穩(wěn)定。有機(jī)質(zhì)類型為Ⅰ-Ⅱ型，屬于未成熟～生油早期階段。油頁巖分布層位也主要為青山口組一段、嫩江組一段和嫩江組二段。在齊家—古龍凹陷、三肇凹陷、黑魚泡凹陷和賓縣—王府凹陷的嫩一段均有油頁巖發(fā)育，但厚度不大。

1.1 油頁巖在地質(zhì)層位上的分布

鄭玉龍和陳春瑞認(rèn)為[3]，松遼盆地北部油頁巖主要包括白堊系青山口組一段，嫩江組一、二段。其中青一段以深湖相、半深湖相的黑色泥巖和頁巖為主，夾劣質(zhì)油頁巖，含薄層菱鐵礦條帶（透鏡體）及分散狀黃鐵礦，富含介形類等微體化石，底部10～30m黑色泥巖夾劣質(zhì)油頁巖。嫩一段為灰黑、深灰色泥巖夾灰綠色砂質(zhì)泥巖、粉砂巖，下部夾劣質(zhì)油頁巖，具菱鐵礦條帶和薄層或條帶狀膨潤土。其底部5～20m的黑色泥巖夾劣質(zhì)油頁巖在全盆地均有分布。嫩二段下部為灰黑色泥巖、頁巖夾油頁巖薄層，中部為灰色、灰黑色泥巖，上部為灰黑色泥巖夾薄層灰、灰白色砂質(zhì)泥巖、粉砂巖。底部5～15m厚的油頁巖在全盆地分布穩(wěn)定。

1.2 油頁巖在區(qū)域上的分布

松遼盆地青山口組一、二段、嫩江組一、二段主要分布在沉齊家—古龍凹陷、三肇凹陷、黑魚泡凹陷和賓縣—王府凹陷，油頁巖厚度不大，最大厚度為10.61m。據(jù)馬中振[4]，齊家—古龍凹陷、三肇凹陷、黑魚泡凹陷和賓縣—王府凹陷的嫩一段均有油頁巖發(fā)育，最大厚度為10.61m（表1）。

表1 松遼盆地北部典型井嫩一段源巖分布特征（馬中振，2008）

鄭玉龍、陳春瑞根據(jù)部分老井資料統(tǒng)計了松遼盆地北部大慶礦權(quán)區(qū)不同構(gòu)造帶油頁巖的分布特征（表2），以內(nèi)嫩江組小于1 000m油頁巖分布面積總計44 777km2，青山口組小于1 000m油頁巖分布面積總計 12 994km2。

表2 松遼盆地北部油頁巖厚度統(tǒng)計表（老井）（鄭玉龍和陳春瑞，2007）

2 油頁巖理化性質(zhì)

2.1 物理特征

據(jù)鄭玉龍和陳春瑞[3]，松遼盆地油頁巖頁理經(jīng)常出現(xiàn)貝殼狀斷面，顏色以黑色、褐色及深灰色為主，巖石密度范圍2.01～2.60g/m3，平均值為2.31g/m3左右，與撫順、茂名等地的相比，松遼盆地油頁巖的巖石密度相對較大（表 3）。在油頁巖中常見葉肢介、介形類等動物化石和植物碎片，裂隙中見有黃鐵礦。

2.2 無機(jī)化學(xué)組成及特征

松遼盆地白堊系青山口組一段和嫩江組一、二段暗色油頁巖中的有機(jī)碳、還原硫（S2-）、二價鐵（Fe2+）具有明顯的高峰值。如中央坳陷區(qū)的青山口組一段，有機(jī)碳平均含量可3.33%，最高值12.06%；還原硫平均含量0.57%，最大值0.82%；二價鐵平均含量1.65%，最大值2.05%；三價鐵平均含量0.08%，最大值0.11%。，相對青山口組二、三段的泥巖，青山口組一段和嫩江組一、二段的油頁巖中具有顯著的高有機(jī)碳、還原硫、二價鐵和低的三價鐵（Fe3+）等特征（表4）。

2.3 有機(jī)化學(xué)組成及特征

2.3.1 有機(jī)質(zhì)豐度

烴源巖熱解游離烴含量較低（0.06～0.72/0.57），裂解烴含量相對較高（12.40～61.08/39.9）；有機(jī)碳含量介于1.873%～10.625%之間，平均 6.47%；氯仿瀝青“A”含量也很高（0.1120～10.7405/5.14），油頁巖含油率平均達(dá)5.96%，最高 13.25%（表 4）。綜合評價松遼盆地北部油頁巖有機(jī)質(zhì)豐度極高，是極好的烴源巖。

表3 松遼盆地油頁巖與其他地區(qū)油頁巖物理特征對比表（鄭玉龍和陳春瑞，2007）

2.3.2 有機(jī)質(zhì)類型

松遼盆地油頁巖元素分析的H/C比值介于0.98～1.44之間，O/C比值介于0.04～0.13之間（表5），在Van Krevelen圖版上主要分布于Ⅰ型、ⅡA型區(qū)域（圖1）；干酪根鏡檢結(jié)果也證實了這種情況。

2.3.3 有機(jī)質(zhì)成熟度

表4 松遼盆地油頁巖地球化學(xué)特征（百分含量）表（鄭玉龍和陳春瑞，2007）

松遼盆地北部油頁巖有機(jī)質(zhì)成熟度指標(biāo)見表5，其中Ro位于0.41～0.78之間，熱解Tmax介于429～446℃之間，產(chǎn)率指數(shù)小于0.1，所有的分析數(shù)據(jù)顯示，松遼盆地北部油頁巖的有機(jī)質(zhì)主要正處于低成熟階段。

圖1 松遼盆地北部嫩江組、青山口組油頁巖有機(jī)質(zhì)類型劃分圖

3 松遼盆地北部油頁巖的富集條件

3.1 有機(jī)質(zhì)來源

油頁巖的生成必須要有豐富的原始有機(jī)物質(zhì)，主要來源于兩部分：一部分來自于湖泊底棲生物、浮游生物、底棲藻類以及微生物的自身生產(chǎn)；另一部分來自從陸地上搬運(yùn)的陸源生物的碎屑。松遼盆地油頁巖發(fā)育的青山口組一段和嫩江組一、二段，湖生生物種群發(fā)育（圖2）。一些學(xué)者提出，受全球海平面上升的影響，當(dāng)時海水的侵入[6-11]，大面積的海水侵入會帶來很多藻類，為油頁巖的沉積提供了豐富的物質(zhì)。

3.2 有機(jī)質(zhì)保存

油頁巖形成于湖盆發(fā)育的鼎盛時期的最大深水期，即湖擴(kuò)展體系域的欠補(bǔ)償階段，在陸相層序地層學(xué)研究中又將其稱為“密集段”，即沉積速率低、粒度細(xì)，一般對應(yīng)最大欠補(bǔ)償沉積段，湖盆可容空間最大時期，也就是最大湖域面積和最大湖水深度期，即湖擴(kuò)展體系域[12]。松遼盆地早白堊世登婁庫時期以來，盆地進(jìn)入整體坳陷階段，青山口組早期和嫩江組早期，盆地構(gòu)造沉陷速率大于沉積物供應(yīng)速率,湖泊面積擴(kuò)大，水深增加（青山口組一段沉積時期湖泊最大面積達(dá)87 000km2，嫩江組一、二段沉積時期，湖泊面積超過200 000 km2），出現(xiàn)沉積物匱乏現(xiàn)象而形成饑餓盆地。油頁巖形成時期，氣候溫暖潮濕，降雨量豐富，油頁巖主要沉積于深湖—半深湖相沉積環(huán)境，水體較穩(wěn)定。

3.3 缺氧事件

圖2 松遼盆地晚中生代地質(zhì)事件與生物演化的關(guān)系（黃清華等，1997）

許多研究者對幾個克拉通上的白堊系進(jìn)行了海平面變化研究，現(xiàn)已證實白堊紀(jì)至少有三次海侵具全球等時性，其中對Cenomanian期和Campanian期海侵研究較多，被確認(rèn)為影響很大，造成全球性缺氧事件。Cenomanian期和Campanian期（青山口組一段和嫩江組一、二段沉積時期）。松遼盆地整體下降，湖泊面積迅速擴(kuò)大，形成大面積深水環(huán)境，湖泊與海岸線距離不斷縮小，最后于海水短暫溝通，形成了半咸水的湖泊環(huán)境。湖泊急劇擴(kuò)張，湖水加深，造成了盆地內(nèi)大面積的去碎屑供應(yīng)嚴(yán)重不足，在還原環(huán)境下，分別沉積了兩套巨厚的黑色頁巖層。

表5 松遼盆地北部鉆井油頁巖地化指標(biāo)統(tǒng)計表（鄭玉龍和陳春瑞，2007）

關(guān)于湖相油頁巖的成因模式，在其經(jīng)典研究區(qū)美國綠河盆地，先后提出分層湖模式、干鹽湖模式、生物化學(xué)分層湖模式和外因分層湖模式。我國部分學(xué)者[8、13]將油頁巖視為陸相地層的密集段。劉立和王東坡將油頁巖分為淺湖和深湖兩大類，認(rèn)為松遼盆地青山口組、嫩江組一、二段油頁巖的形成與分層湖有關(guān)。部分學(xué)者[14]已經(jīng)將松遼盆地的油頁巖的形成與海水侵入聯(lián)系起來，但尚未提出有力的證據(jù)和做出進(jìn)一步的深入分析。

3.4 松遼盆地油頁巖資源潛力

2003年全國新一輪油氣資源評價對松遼盆地北部（黑龍江部分）青山口組一段、嫩江組一段和嫩江組二段三個油頁巖段進(jìn)行了預(yù)測，估算采用體積法。根據(jù)2005年完成的評價結(jié)果，預(yù)測松遼盆地北部油頁巖資源為11 145 288×104t，油頁巖技術(shù)可采資源量為3 622 219×104t；頁巖油資源量為523 511×104t，頁巖油技術(shù)可采資源量為170 141×104t，頁巖油可回收資源量為127 606×104t（表6）。其中青山口組一段油頁巖潛在資源量為5 666 804×104t，潛在技術(shù)可采資源量為1 841 711×104t；頁巖油潛在資源量為273 707×104t，潛在技術(shù)可采資源量為88 955×104t，潛在可回收資源量為66 716×104t。嫩一段油頁巖潛在資源量為2 308 610×104t，潛在技術(shù)可采資源量為750 298×104t；頁巖油潛在資源量為95 115×104t，潛在技術(shù)可采資源量為30 912×104t，潛在可回收資源量為23 184×104t。嫩二段油頁巖潛在資源量3 169 874×104t，潛在技術(shù)可采資源量為1 030 209×104t；頁巖油潛在資源為154 690×104t，潛在技術(shù)可采資源為50 274×104t，潛在可回收資源為37 706×104t。

表6 松遼盆地北部油頁巖含礦區(qū)油頁巖/頁巖油資源評價結(jié)果（李世榮等，2003）

鄭玉龍和陳春瑞[3]根據(jù)最新鉆井取樣分析，在松遼盆地老井復(fù)查基礎(chǔ)上，重新圈定了埋深<1 000m 的油頁巖分布范圍、厚度及埋深。用體積法計算確定松遼盆地北部油頁巖預(yù)測資源量油頁巖礦石預(yù)測資源量：6 000×108t，頁巖油預(yù)測資源量297.3×108t。其中青山口組頁巖油資源量104.8×108t，嫩江組頁巖油資源量192.5×108t；埋深小于300m的頁巖油資源量為21.7×108t，300～500m為74.7×108t，500～1 000m為200.9×108t；另外中央凹陷區(qū)頁巖油資源量為82.2×108t，東南隆起區(qū)為60.5×108t，東北隆起區(qū)為136.8×108t，北部傾沒區(qū)為4.4×108t，西部斜坡區(qū)為13.4×108t（圖3）。

松遼盆地北部油頁巖分布廣、資源潛力大，是現(xiàn)實的后備資源油頁巖，潛力大，松遼盆地北部油頁巖礦石資源量達(dá) 6 000×108t，折算成頁巖油約 300×108t（大慶油田有限責(zé)任公司勘探開發(fā)研究院2007年勘探會報告）。（2）綜合考慮埋深、厚度、含油率等因素，確定松遼盆地北部的東南隆起區(qū)、東北隆起區(qū)南部及中央凹陷區(qū)等地區(qū)為油頁巖有利的勘探區(qū)塊，其中東南隆起區(qū)、東北隆起區(qū)油頁巖厚度較大，埋深適宜，資源量大，是露天開采有利區(qū)塊；中央凹陷區(qū)油頁巖厚度，分布面積大，但埋藏較深，適合原位開采。

圖3 松遼盆地北部頁巖油資源分布圖

4 問題與建議

目前在松遼盆地油頁巖的分布特征、形成環(huán)境及資源潛力等方面開展了初步的研究工作，取得初步的認(rèn)識。由于這方面的研究還剛剛起步，在油頁巖地質(zhì)評價方面還存在許多有待解決的問題。由于松遼盆地白堊系油頁巖埋藏深度較大，主要采用原位開采，目前對研究區(qū)油頁巖開采的地質(zhì)條件及制約因素，尤其是確定研究區(qū)是否具備原位開采的油頁巖資源，其沉積環(huán)境、分布層位、深度及區(qū)域范圍如何等均不清楚，還需要開展系統(tǒng)的研究工作。此外，影響油頁巖原位干餾效率的邊界條件（地下地質(zhì)環(huán)境）十分復(fù)雜，其中關(guān)鍵的地質(zhì)、地球化學(xué)因素主要包括油頁巖礦體的幾何形態(tài)、結(jié)構(gòu)、巖性及其組合特征、油頁巖中的有機(jī)質(zhì)構(gòu)成、演化程度及含油率、油頁巖層的溫度、壓力、含水率等。油頁巖中有機(jī)質(zhì)在地下轉(zhuǎn)化成頁巖油后在地層中滲流特征，以及制約頁巖油滲流作用的地質(zhì)因素（如頁巖油的含量和成分、油頁巖的巖性以及其與上下地層的組合關(guān)系、地層溫度壓力等），這些問題都需要進(jìn)一步的研究。

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