吉林省頁巖氣發(fā)育有利條件與分布

荊鐵亞，林臘梅，封 富，楊 光，張 健

(1.中國(guó)華能集團(tuán)清潔能源技術(shù)研究院有限公司，北京 102209；2.中國(guó)石油大學(xué)，山東 青島 257061；3.中國(guó)華能集團(tuán)公司規(guī)劃發(fā)展部，北京 100031；4.華能國(guó)際電力開發(fā)公司，北京 100031)

?

吉林省頁巖氣發(fā)育有利條件與分布

荊鐵亞1，林臘梅2，封 富3，楊 光4，張 健1

(1.中國(guó)華能集團(tuán)清潔能源技術(shù)研究院有限公司，北京 102209；2.中國(guó)石油大學(xué)，山東 青島 257061；3.中國(guó)華能集團(tuán)公司規(guī)劃發(fā)展部，北京 100031；4.華能國(guó)際電力開發(fā)公司，北京 100031)

從吉林省頁巖的分布和地球化學(xué)特征著手，分析頁巖氣發(fā)育的有利條件和分布特征。松遼盆地南段沙河子組和營(yíng)城組等地層發(fā)育有大套暗色頁巖，以III型干酪根為主，達(dá)到成熟—高成熟階段，TOC含量普遍大于1%。青山口組和嫩江組地層暗色頁巖厚度為50～200 m，TOC>2%，以I型干酪根為主，熱演化程度相對(duì)較低。頁巖氣勘探方向應(yīng)為斷陷期內(nèi)的有機(jī)質(zhì)豐度大但埋藏相對(duì)較淺的區(qū)域；坳陷期主要為熱成因的天然氣或原油裂解氣發(fā)育區(qū)。吉林省中東部的延吉、伊通地塹等盆地在中新生代發(fā)育了多套有機(jī)質(zhì)豐富的湖相頁巖，累計(jì)厚度大，有機(jī)質(zhì)豐度變化大(TOC為0.5%～2.5%)，熱演化程度適中(Ro為0.5%～2.0%)，以腐殖型干酪根為主。另外，在東部火山巖殘余地層區(qū)域，震旦系青溝子組、石炭系太原組以及白堊系大拉子組也有一定的頁巖氣資源潛力。

吉林??；頁巖氣；地質(zhì)條件；分布特征；資源前景

引 言

中國(guó)頁巖氣的巨大潛力已引起學(xué)術(shù)界、工業(yè)界和政府的高度關(guān)注，尤其是近期南方海相頁巖氣的重大突破。目前，吉林省油氣勘探主要集中在松遼盆地南部的白堊系地層中，外圍中小型盆地如延吉、伊通、平崗等盆地也在多處發(fā)現(xiàn)油氣顯示或工業(yè)油流，但一直沒有大的突破。2011年，新一輪頁巖氣資源評(píng)價(jià)計(jì)算吉林省頁巖氣的資源量為1.21×1012m3[1]。本文通過研究吉林省不同地區(qū)和時(shí)代的頁巖發(fā)育特征和地球化學(xué)特征等，對(duì)吉林省的頁巖氣發(fā)育地質(zhì)背景進(jìn)行研究，剖析吉林省頁巖氣發(fā)育的分布規(guī)律，為該地區(qū)頁巖氣的勘探開發(fā)提供參考。

1 吉林省頁巖發(fā)育地質(zhì)概況

吉林省地跨兩大構(gòu)造單元，大致以山城鎮(zhèn)—紅石—白金一線為界劃分為2個(gè)一級(jí)大地構(gòu)造區(qū)，南部為華北地臺(tái)區(qū)(渾江小區(qū))，北部為天山—興安嶺地槽分區(qū)[2]。天山—興安嶺區(qū)又分為白城、長(zhǎng)嶺、農(nóng)安、吉林小區(qū)和延邊小區(qū)。

從太古代到新生界，沉積地層在吉林省均有分布但不均衡[3](圖1)。太古界和中上元古界地層多在渾江小區(qū)內(nèi)分布。古生界頁巖主要分布在石炭系和二疊系地層中，展布在吉林、延邊小區(qū)和渾江小區(qū)內(nèi)。中生界以侏羅系和白堊系最為發(fā)育，全省分布范圍廣，也是頁巖發(fā)育的主要層系。新生界主要分布在松遼盆地南部和東部的山間盆地。

吉林省西部地區(qū)隸屬于松遼盆地的南段。從晚侏羅世開始沉積了巨厚的碎屑巖，斷陷期主要沉積了火石嶺組(J3h)、沙河子組(K1sh)、營(yíng)城組(K1yc)、登樓庫(kù)組(K1d)、泉頭組(K1q)地層，其中沙河子組和營(yíng)城組發(fā)育有厚層的黑色和暗色頁巖。坳陷期，沉積了青山口組(K2qn)、姚家組(K2y)和嫩江組(K2n)頁巖地層，其中青山口和嫩江期沉積了大面積分布的黑色、暗色頁巖。吉林省東部長(zhǎng)白山地區(qū)火山巖發(fā)育，大面積出露的火山巖把沉積地層分隔成大小不一的構(gòu)造單元。殘余黑色頁巖分布在震旦系青溝子組、太原組以及大拉子組。另外，吉林省還發(fā)育了60多個(gè)中小型盆地(坳陷)，規(guī)模較大的盆地有延吉盆地、伊通地塹和輝(南)—樺(甸)地塹等，在白堊系、侏羅系以及古近系地層中沉積了厚度較大的暗色頁巖。

圖1 吉林省不同時(shí)代沉積地層分布

2 松遼盆地南段頁巖氣發(fā)育地質(zhì)條件

2.1 頁巖展布特征

晚侏羅世到早白堊世時(shí)期，松遼盆地南部在區(qū)域拉張作用下形成了長(zhǎng)嶺、十屋和德惠等多個(gè)斷陷，平面上分隔性較強(qiáng)，連續(xù)性差。坳陷期階段，在湖侵背景下沉積的青山口組和嫩江組等發(fā)育有大面積展布的暗色頁巖，厚度較大，連續(xù)性較好[4]。

沙河子組地層發(fā)育在湖盆快速斷陷期，頁巖分布在深湖、半深湖相中。沙河子組中上部發(fā)育大套塊狀暗色泥巖夾薄層粉細(xì)砂巖，下部為粉砂巖和泥巖互層，不同斷陷由于構(gòu)造位置和物源的不同略有差別。長(zhǎng)嶺斷陷沙河子組暗色泥巖累計(jì)厚度為300～500 m，最大厚度達(dá)900 m，從斜坡帶到深凹區(qū)，埋深從2 200 m到5 000 m不等。十屋斷陷沙河子組地層厚度為300～2 200 m，單層厚度為15～35 m(平均為20 m)。德惠斷陷沙河子組暗色泥巖累計(jì)厚度也達(dá)300 m以上。

相對(duì)于沙河子組沉積時(shí)期，營(yíng)城期沉積范圍略有擴(kuò)大。營(yíng)城組巖性以暗色頁巖與粉砂巖或細(xì)砂巖為主，泥地比為26%～60%，暗色頁巖累計(jì)厚度可達(dá)110～600 m。長(zhǎng)嶺斷陷營(yíng)城組地層厚度為100～500 m，頁巖厚度為50～200 m。十屋斷陷營(yíng)城組泥地比較高(59%～70%)，頁巖累計(jì)厚度為60～200 m，最大可達(dá)450 m以上。德惠斷陷營(yíng)城組暗色頁巖厚度為100～350 m，平均厚度為174 m。登婁庫(kù)組沉積時(shí)期是由裂陷期向坳陷期轉(zhuǎn)變的過渡階段，沉降速率緩慢，物緣供應(yīng)充足，巖性以褐色泥巖與灰白色砂巖、砂礫巖頻繁互層為主。

坳陷期，湖盆的沉降中心由東南部移至中央坳陷區(qū)。青山口和嫩江期是松遼盆地2次最大水侵期，深湖相黑色泥巖、油頁巖廣泛發(fā)育且厚度較大。青山口組一段為一套水進(jìn)式沉積，巖性以深灰色頁巖、油頁巖與灰白色粉、細(xì)砂巖互層為主，底部發(fā)育油頁巖，地層厚度為30～170 m，埋深為300～2 800 m。青二段和青三段巖性砂質(zhì)含量增多，以泥巖、粉砂巖及細(xì)砂巖互層為主，累計(jì)厚度為70～580 m。嫩江組沉積是松遼盆地最大水侵期，嫩一段和嫩二段發(fā)育有大套厚層狀的深湖相黑色頁巖和油頁巖。嫩一段地層厚度為10～120 m。嫩二段地層厚度為20～200 m。嫩三段及以上地層砂質(zhì)含量較高，累計(jì)厚度為100～600 m，且埋藏較淺。青山口組和嫩江組暗色泥巖總體上沿中央坳陷帶展布，以長(zhǎng)嶺地區(qū)為中心，向東西兩側(cè)隆起區(qū)減薄，局部也有個(gè)別厚度中心。

2.2 地球化學(xué)特征

松遼盆地南部地區(qū)不同斷陷、不同層系頁巖的有機(jī)質(zhì)豐度有著較大的變化。縱向上看，沙河子組有機(jī)質(zhì)豐度高于營(yíng)城組，有著更強(qiáng)的生烴潛力，有機(jī)質(zhì)類型均以Ⅱ—Ⅲ型為主，有機(jī)質(zhì)演化階段處于成熟—高成熟階段。營(yíng)城組頁巖有機(jī)質(zhì)類型均以Ⅱ型為主，TOC為0.77%～3.16%，氯仿瀝青“A”平均為0.476%(表1)。

進(jìn)入坳陷階段后，松遼盆地所在地區(qū)的古氣候變得溫暖、潮濕，湖盆面積擴(kuò)張變大，青山口組和嫩江組頁巖有機(jī)質(zhì)保存條件好、豐度大[5](表2)。總的來看，青山口組頁巖干酪根類型以Ⅰ型為主，青一段有機(jī)質(zhì)中腐泥組組分含量高，以Ⅰ型為主，青二、三段有機(jī)質(zhì)類型以Ⅰ型和Ⅱ1為主，發(fā)育有少量Ⅱ2型和Ⅲ型；青一段頁巖有機(jī)質(zhì)豐度好于上部地層，TOC平均值為2.09%，氯仿瀝青“A”含量平均為0.23%，有機(jī)質(zhì)豐度向上部層段逐漸降低；有機(jī)質(zhì)熱演化程度處于低熟—成熟階段。Ro主體介于0.5%～1.0%，隨深度變化，以長(zhǎng)嶺凹陷熱演化程度相對(duì)較高，西斜坡、西南隆起帶與東南隆起帶相對(duì)較低。

表1 松遼盆地南部不同斷陷重點(diǎn)頁巖層段地球化學(xué)指標(biāo)

表2 松遼盆地南部青山口組和嫩江組頁巖平均有機(jī)質(zhì)豐度和類型

嫩江組依據(jù)巖性和沉積旋回劃分為5個(gè)層段，有機(jī)質(zhì)類型和豐度均是下部層段好于上部，熱成熟度相對(duì)于青山口組較低。嫩一段頁巖有機(jī)質(zhì)類型主要以Ⅰ型為主；嫩二段頁巖以Ⅰ型和Ⅱ1型為主，也有Ⅱ2型和Ⅲ型，TOC平均在2%以上。嫩三段及以上地層干酪根類型逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐云承蜑橹髑邑S度逐漸降低。嫩一段頁巖熱成熟度為0.5%～0.8%，其中在大安凹陷和長(zhǎng)嶺凹陷熱演化程度較高，隆起和斜坡區(qū)均小于0.5%，嫩三段及以上地層基本處于未熟階段。

3 東部火山巖區(qū)頁巖氣發(fā)育地質(zhì)條件

吉林省東部火山巖區(qū)發(fā)育的殘留地層中，震旦系青溝子組由碳酸鹽巖及黑色頁巖組成，主要分布在渾江市八道江地區(qū)；石炭系太原組在吉林省中部和延邊東北部地區(qū)零星出露，厚度約為50～400 m，頁巖中夾煤層。白堊系大拉子組發(fā)育有砂礫巖、粉砂巖和頁巖，部分層段夾油頁巖，分布在延吉和安圖等地區(qū)。

除松遼盆地和火山巖區(qū)內(nèi)殘余地層外，吉林省中東部地區(qū)還發(fā)育了許多規(guī)模大小不一的中新生代盆地，不同構(gòu)造地區(qū)頁巖發(fā)育層位和有機(jī)質(zhì)豐度差別較大(表3)。

表3 吉林省中東部區(qū)主要盆地頁巖地球化學(xué)指標(biāo)對(duì)比

延吉盆地頁巖主要發(fā)育在白堊系銅佛寺組和大拉子組[6]。銅佛寺組暗色頁巖累計(jì)厚度為200～300 m，有機(jī)質(zhì)類型為過渡型至腐殖型，TOC平均為2.14%，氯仿瀝青“A”平均為0.085%，有機(jī)質(zhì)處于成熟階段。大拉子組頁巖總厚度為156～689 m，平面上分布具有西薄東厚的特點(diǎn)；頁巖TOC平均為2.0%～3.9%；有機(jī)質(zhì)類型以Ⅱ—Ⅲ為主，且大多進(jìn)入生氣門限。

通化盆地的暗色頁巖發(fā)育在侏羅系亨通山組和下樺皮甸子組等地層中。亨通山組泥巖厚度大于200 m，且上部泥巖與油頁巖互層；下樺皮甸子組泥巖厚度約為150 m。但2套頁巖的有機(jī)質(zhì)豐度略低，TOC含量多集中在0.4%～0.6%，有機(jī)質(zhì)位于成熟—高成熟演化階段，以傾于生氣的Ⅲ型干酪根為主。

輝—樺地塹頁巖分布在下樺皮甸子組和古近系的梅河組。下樺甸子組頁巖段厚度為520～735 m，巖性以深灰、灰黑色薄層泥巖和粉砂巖互層為主。梅河組頁巖地層中夾雜煤層，有機(jī)質(zhì)豐度較高，TOC平均可達(dá)3.5%，干酪根類型以Ⅱ型為主。

伊通地塹的頁巖主要分布在雙陽組、奢嶺組和永吉組底部，雙陽組暗色頁巖厚度一般為400～600 m，且有機(jī)質(zhì)豐度較高。雙陽組與永吉組的TOC平均值在1.2%以上，其中以雙陽組一段最高，達(dá)到1.93%。

4 吉林省頁巖氣富集條件及有利分布

4.1 有利勘探方向

吉林省西部地區(qū)在地質(zhì)演化過程中，形成了多套富有機(jī)質(zhì)頁巖地層，地球化學(xué)指標(biāo)與北美成功開采的頁巖地層相類似(表4)[7-8]。松遼盆地南段的頁巖氣發(fā)育表現(xiàn)為多層位富集的特點(diǎn)，沙河子組、營(yíng)城組和青山口組均具有良好的頁巖氣發(fā)育地質(zhì)條件。

表4 松遼盆地南部與美國(guó)產(chǎn)氣頁巖主要指標(biāo)對(duì)比

沙河子組和營(yíng)城組頁巖平面上展布范圍相對(duì)較廣，厚度較大；TOC含量普遍大于1%，有機(jī)質(zhì)達(dá)到成熟—高成熟階段，類型以偏生氣的Ⅱ2—Ⅲ為主，生氣潛力較大，具有較好的頁巖氣發(fā)育條件，是頁巖氣發(fā)育的有利層段。由于斷陷期沉積的地層埋深相對(duì)較大，為了節(jié)約勘探開發(fā)成本，前期的勘探方向應(yīng)傾向于埋藏相對(duì)較淺的區(qū)域。

青山口組和嫩江組2套厚層頁巖展布面積大，厚度為50～200 m。青一段和嫩一、二段頁巖有機(jī)質(zhì)豐度高，以腐泥型干酪根為主，熱演化程度隨著埋深不同在0.5%～1.5%之間變化，具有較好的頁巖氣發(fā)育地質(zhì)條件。其中，青山口組頁巖的熱演化程度高于嫩江組，頁巖氣的聚集條件也相對(duì)較優(yōu)。由于干酪根以偏向生油的I型為主，熱解成因氣應(yīng)發(fā)育在熱成熟度較大的區(qū)域；生物成因氣的形成往往需要細(xì)菌的參與，地表水沿著斷裂帶進(jìn)入淺地層，使地層水鹽度降低，生物細(xì)菌得以繁殖生存，故生物成因的頁巖氣在斷裂帶附近也有發(fā)育富集的可能性。因此，坳陷期，熱成因的頁巖氣應(yīng)發(fā)育在頁巖地層埋深相對(duì)較大的區(qū)域(大于1 500 m)；生物成因型的頁巖氣勘探應(yīng)聚焦于通過斷裂有地表水進(jìn)入的淺層區(qū)域。

吉林省中東部地區(qū)發(fā)育在中小型盆地(斷陷)的中生界和古近系陸相頁巖累計(jì)厚度大，有機(jī)質(zhì)類型以偏生氣的腐殖型為主，處于成熟—高成熟演化階段。延吉盆地的銅佛寺組和大拉子組、輝—樺地塹的梅河組以及伊通地塹的雙陽組也具有較好的頁巖氣發(fā)育地質(zhì)條件，是該地區(qū)頁巖氣勘探的有利方向。

火山巖區(qū)的殘留頁巖地層如青溝子組和太原組，有機(jī)質(zhì)豐度高(TOC>4%)，熱演化成熟高(Ro>1.5%)，干酪根類型以偏生氣的Ⅲ型為主。沉積后經(jīng)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)抬升到地表或淺部位，但由于頁巖地層較強(qiáng)的吸附性，還保留著部分地質(zhì)歷史時(shí)期生成的天然氣，也是頁巖氣勘探值得考慮的方向之一。

4.2 有利分布區(qū)

吉林省頁巖發(fā)育層系多，分布面積廣，全省均有展布，但不同地區(qū)的頁巖氣發(fā)育目標(biāo)層段和有利程度差別較大(圖2)。吉林省最具潛力的頁巖氣發(fā)育區(qū)分布在松遼盆地南段的沙河子組和營(yíng)城組的斷陷層系中。

圖2 吉林省頁巖氣發(fā)育有利區(qū)預(yù)測(cè)

松遼盆地南部沙河子組和營(yíng)城組頁巖氣發(fā)育在長(zhǎng)嶺斷陷、十屋斷陷和德惠斷陷等大型斷陷區(qū)內(nèi)有機(jī)質(zhì)豐度大的區(qū)域，青山口組和嫩江組頁巖氣的富集區(qū)分布應(yīng)關(guān)注中央坳陷區(qū)等有機(jī)質(zhì)豐度較高、埋深相對(duì)大的地區(qū)。殘余地層中的青溝子組頁巖氣聚集有利區(qū)主要分布在白山市八道江區(qū)附近和渾江小區(qū)內(nèi)，吉林省太原組頁巖氣發(fā)育在伊通地塹東側(cè)和延吉盆地東北部殘余沉積發(fā)育區(qū)。該類頁巖氣的勘探方向應(yīng)為展布面積有一定規(guī)模、厚度大于30 m的富含有機(jī)質(zhì)黑色頁巖發(fā)育區(qū)。在吉林省中東部發(fā)育的中小型盆地也具有一定的頁巖氣發(fā)育潛力，較有利的地區(qū)為延吉盆地、輝—樺地塹和伊通地塹等。這些中小型盆地常規(guī)油氣一直沒有大的突破，或許非常規(guī)頁巖氣是其油氣勘探的突破口。

5 結(jié) 論

(1) 頁巖地層在吉林全省均有分布但不均衡，西部地區(qū)松遼盆地南段斷陷期沉積的沙河子組和營(yíng)城組頁巖厚度大，有機(jī)質(zhì)豐度高，演化程度高，以偏向生氣的腐殖型干酪根為主。坳陷期的青山口組和嫩江組頁巖展布面積大，有機(jī)質(zhì)豐度高(TOC>2%)，干酪根類型以I型為主，熱演化程度基本處于低熟—成熟階段。

(2) 吉林省中東部火山巖區(qū)殘留地層中發(fā)育有青溝子組、太原組和大拉子組黑色頁巖。頁巖有機(jī)質(zhì)豐度高，干酪根類型以腐殖型為主，后期構(gòu)造作用強(qiáng)烈，埋深淺。中東部地區(qū)的中小型盆地中發(fā)育有厚層的湖相頁巖，埋深適中，熱演化程度處于低熟—高熟階段，豐度受沉積相的影響變化大。

(3) 通過地質(zhì)條件分析，吉林省西部地區(qū)(松遼盆地南段)斷陷期發(fā)育的沙河子組、營(yíng)城組和坳陷期發(fā)育的青山口組及嫩江組是頁巖氣發(fā)育的最有利層位和地區(qū)。東部火山巖區(qū)發(fā)育的中小型盆地在中新生代地層中具備頁巖氣發(fā)育的良好地質(zhì)條件。渾江小區(qū)大面積展布的太原組、震旦系頁巖地層也不失為頁巖氣獲得突破的一個(gè)方向。

致謝：此文得到了中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)張金川教授等的指導(dǎo)和幫助，在此特別感謝。

[1] 張大偉，李玉喜，張金川，等.全國(guó)頁巖氣資源潛力調(diào)查評(píng)價(jià)[M].北京：地質(zhì)出版社，2012：5-18.

[2] 張明坤，等.中國(guó)石油地質(zhì)志卷二.大慶、吉林油田(下冊(cè))[M].北京：石油工業(yè)出版社，1993：6-7.

[3] 徐公愉，唐守賢，等.吉林省區(qū)域地質(zhì)志[M].北京：地質(zhì)出版社，1998：1-4.

[4] 趙佳楠，陳永進(jìn)，姜文斌.松遼盆地南部白堊系青山口組頁巖氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)及生儲(chǔ)有利區(qū)預(yù)測(cè)[J].東北石油大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，37(2)：26-36.

[5] 李玉喜，聶海寬，龍鵬宇.我國(guó)富含有機(jī)質(zhì)泥頁巖發(fā)育特點(diǎn)與頁巖氣戰(zhàn)略選區(qū)[J].天然氣工業(yè)，2009，29(12)：115-118.

[6] 許巖，劉立，等.延吉盆地含油氣系統(tǒng)與勘探前景[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)：地球科學(xué)版，2004，34(2)：227-241.

[7] 徐建永，武愛俊.頁巖氣發(fā)展現(xiàn)狀及勘探前景[J].特種油氣藏，2010，17(5)：1-7.

[8] Curtis J B.Fractured shale-gas systems[J].AAPG Bulletin，2002，86(11)：1921-1938.

編輯 林樹龍

20140904；改回日期：20141128

中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查工作項(xiàng)目“油氣礦業(yè)權(quán)區(qū)塊優(yōu)選調(diào)查評(píng)價(jià)”子項(xiàng)目“重點(diǎn)區(qū)域頁巖氣有利區(qū)塊優(yōu)選評(píng)價(jià)”(1211302108018-2)

荊鐵亞(1987-)，男，工程師，2009年畢業(yè)于中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)資源勘查工程(能源)專業(yè)，2014年畢業(yè)于該校礦產(chǎn)普查與勘探專業(yè)，獲博士學(xué)位，現(xiàn)從事非常規(guī)天然氣地質(zhì)和油氣成藏機(jī)理的研究工作。

10.3969/j.issn.1006-6535.2015.01.007

TE122

A

1006-6535(2015)01-0031-05