武威盆地兒馬湖凹陷石炭系頁巖氣資源潛力及沉積相分析

胡 峰,龍思萍，王雪梅,吳增友，高懷軍,李金芝

(1.中國石油東方地球物理勘探公司西南物探分公司，四川 成都 610213；2.中國石油東方地球物理勘探公司西南物探研究院，四川 成都 610213)

甘肅省境內(nèi)含油氣盆地眾多，具有頁巖氣勘探開發(fā)的優(yōu)勢，酒泉、民和等盆地都已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一定規(guī)模的泥頁巖油氣藏。武威盆地石炭系頁巖氣勘探是近年來勘探熱點，露頭資料揭示石炭系烴源巖分布廣、厚度較大、生烴能力強。然而武威盆地被古近系覆蓋，尤其是北部坳陷烴源巖分布不清，油氣資源前景不明[1-4]。目前重磁電非地震勘探基本查清了武威盆地基底結(jié)構(gòu)和大小規(guī)模，但盆地內(nèi)沉積地層結(jié)構(gòu)、沉積相還未查清,需要結(jié)合勘探分辨率高的地震方法,在有井約束條件下，利用地質(zhì)體的地震響應(yīng)特征(振幅、頻率、相位和時差)，通過地震相轉(zhuǎn)化為沉積相的分析方法,來查明頁巖層分布范圍及厚度變化，為頁巖氣探井部署提供可開采依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

武威盆地位于甘肅省河西走廊東部，地跨內(nèi)蒙、甘肅、寧夏部分地區(qū)。武威盆地南以祁連山，北以龍首山-北大山-巴音烏拉山為界，西抵桃葫蘆山，東至賀蘭山，總體呈近東西走向，其所處的大地構(gòu)造位置為阿拉善地塊、北祁連加里東褶皺帶及賀蘭山南北向褶皺帶三個構(gòu)造單元的交匯地帶(圖1)，它具有褶皺帶-地塊過渡的性質(zhì)，其主體位于阿拉善地塊邊緣，基底由前震旦系龍首山群中深變質(zhì)的結(jié)晶基底和下古生界淺變質(zhì)巖組成，盆地面積約27 500 km2。武威盆地現(xiàn)今總體格局主要呈現(xiàn)為“二隆三凹”的構(gòu)造格架，但隆起帶中含有次一級局部凹陷，凹陷中含有次一級局部隆起(圖2、圖3)。中部為近東西向中央隆起(包括冰草湖凹陷和土墩坳陷)，將盆地分為北部坳陷和南部坳陷，南、北部坳陷又被北東向斷層進一步劃分為次一級的小凹陷，北部為兒馬湖和巴彥都冷凹陷，其中兒馬湖凹陷石炭系沉積厚度較大、分布較廣。

圖1 武威盆地構(gòu)造位置

圖2 武威盆地構(gòu)造單元劃分

圖3 武威盆地AB線地震地質(zhì)綜合解釋剖面

據(jù)文獻[1-4]，武威盆地石炭系沉積環(huán)境以三角洲為主，其次為濱湖相、深湖相，有利于烴源巖的形成，頁巖分布廣泛，且厚度較大。因武威盆地屬于山間斷陷盆地，沉積環(huán)境不穩(wěn)定，次一級凹陷沉積相變化較大。該區(qū)石炭系總體為一套濱海近岸含煤碎屑巖沉積，發(fā)育下石炭統(tǒng)前黑山組(C1q)、臭牛溝組(C1c)和靖遠組(C1j)，上石炭統(tǒng)羊虎溝組(C2y)和太原組(C2t)，地層殘余厚度 50～3 303 m。武威盆地頁巖以灰-黑色頁巖和灰黑-黑色炭質(zhì)頁巖為主，沉積相類型分別為淺湖-半深湖相和淺海陸棚相，其中灰-黑色頁巖主要發(fā)育在下石炭統(tǒng)臭牛溝組，而灰黑-黑色炭質(zhì)頁巖發(fā)育在下石炭統(tǒng)靖遠組、上石炭統(tǒng)羊虎溝組和太原組。

2 武威盆地頁巖氣形成條件

2.1 有機碳含量

有機碳含量(TOC)是頁巖氣聚集最重要的控制因素之一，不僅控制著頁巖的物理化學(xué)性質(zhì)，包括顏色、密度、抗風(fēng)化能力、放射性、硫含量，并在一定程度上控制著頁巖的彈性和裂縫的發(fā)育程度，更重要的是控制著頁巖的含氣量[5-7]。

根據(jù)武威盆地14條地面地質(zhì)剖面149塊巖石樣品的有機質(zhì)豐度測定結(jié)果，統(tǒng)計分析后得出：研究區(qū)石炭系靖遠組的頁巖中有機碳含量為0.87%～7.98%，樣品平均值為4.43%；羊虎溝組的頁巖中有機碳含量為0.33%～9.74%，樣品平均值為3.13%；太原組的頁巖中有機碳含量為1.39%～20.36%，樣品平均值為7.97%；而下石炭統(tǒng)前黑山組、臭牛溝組的有機碳含量則較低(圖4)。平面上，高有機碳含量區(qū)主要集中于下河沿、黑山、小井子、福祿村一帶，有機碳含量為3.71%～9.08%，均值為5.48%。

2.2 成熟度

武威盆地石炭系總體演化成度較高，下統(tǒng)臭牛溝組頁巖鏡質(zhì)體反射率(RO)均值2.39%，靖遠組頁巖RO均值為1.57%，上統(tǒng)羊虎溝組頁巖RO均值2.11%，太原組頁巖RO均值1.56%，整體上，研究區(qū)以高成熟和過成熟為主，根據(jù)美國經(jīng)驗在成熟度較高區(qū)域依然有頁巖氣產(chǎn)出，高成熟度下頁巖氣亦能發(fā)育聚集[7]。

圖4 武威盆地石炭系含黑色頁巖各組TOC值及RO值分布

2.3 有機質(zhì)類型

根據(jù)走廊區(qū)石炭系干酪根顯微組分的總體觀察結(jié)果，顯微組分中的腐泥和殼質(zhì)組少見，鏡質(zhì)組、惰質(zhì)組在部分樣品中常見。從主要顯微組分的相對含量對比來看，鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組在泥頁巖中普遍分布，其中惰質(zhì)組平均含量高達88.5%，是有機質(zhì)顯微組分的主要成分。根據(jù)各顯微組分計算類型指數(shù)：TI=(100A+50B-75C-100D)/100，A、B、C、D分別代表腐泥組、殼質(zhì)組、鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組百分含量[2，4]，計算了干酪根類型指數(shù)，繪制了類型指數(shù)分布圖(圖5)，明確了石炭系烴源巖為Ⅲ型腐植型干酪根。

圖5 武威盆地石炭系有機質(zhì)類型指數(shù)分布

3 含氣效果實例分析

BC3井石炭系主要巖性為砂礫巖、含礫砂巖、細砂巖、粉砂巖、灰色泥巖、碳質(zhì)泥巖及煤層不等厚互層[8]，全井段見熒光條帶顯示29 m/9層，生烴能力弱(圖6)。WD1井石炭系鉆遇太原組、羊虎溝組及靖遠組等3套烴源巖，暗色泥巖總厚度為140.9 m，其中太原組達到69.9 m。太原組暗色泥頁巖有機碳含量為0.38%～12.5%，平均6.7%。結(jié)合氯仿“A”值和生烴潛量等地化指標(biāo)，認為太原組為優(yōu)質(zhì)烴源巖，羊虎溝組和靖遠組為中等烴源巖。表明兒馬湖凹陷石炭系具有頁巖氣形成條件。

石炭系太原組鉆獲含氣層，是武威盆地北部首次油氣調(diào)查的新發(fā)現(xiàn)，證實該區(qū)良好的油氣勘探前景。這2口探井相距4.8 km(圖2),石炭系太原組巖性和含油氣情況卻差異較大,顯然這與兩口井所處兒馬湖凹陷沉積相的位置有關(guān)。

圖6 WD1井、BC3井太原組綜合柱狀圖

4 兒馬湖凹陷沉積模式及頁巖氣有利勘探區(qū)域

與常規(guī)油氣資源相比，頁巖氣具有自生自儲自封、無氣水界面、低孔低滲等特征。頁巖氣勘探開發(fā)不僅要求頁巖生烴能力強，還需要厚度穩(wěn)定、埋藏深度適中的頁巖層，以便于水平鉆井，零星的、厚度變化大的頁巖層,不利于水平鉆井[9-12]。目前,鑒于兒馬湖凹陷頁巖氣地震勘探程度低(測網(wǎng)密度1 km×2 km～5 km×10 km),鉆井資料少，依據(jù)少量鉆、測井地質(zhì)資料,用地震相轉(zhuǎn)化為沉積相分析方法,調(diào)查頁巖層分布是可行的。

地震資料解釋地震相可定義為：對沉積環(huán)境(海相或陸相)所形成的地震反射特征進行識別。也就是說，不同沉積體系的各級界面、巖性及幾何特征，在地震剖面上有綜合的表現(xiàn)形式，及時差、振幅、相位及頻率有所不同，并進行歸納分類，即為地震相解釋[13]。沉積相研究傳統(tǒng)上是通過研究巖心和露頭確定的。然而，廣大的無巖心或無露頭的地區(qū)，利用地震剖面的運動學(xué)和動力學(xué)反射特征來識別沉積相，預(yù)測有利于油氣成藏沉積相帶，在國內(nèi)外已取得了良好得效果。

4.1 地震相和沉積相分析

從圖7可以看出，BC3井處于兒馬湖凹陷邊緣斜坡，地震相位為亞平行或雜亂相，表明沉積環(huán)境不穩(wěn)定，以礫巖、砂巖沉積為主,泥頁巖沉積為次；DW1井位于兒馬湖凹陷沉積中心，地震反射呈平行相，表明為深水沉積環(huán)境比較穩(wěn)定，有利于泥頁巖沉積，其厚度相對穩(wěn)定。

圖7 兒馬湖凹陷地震相反射特征分析

4.2 兒馬湖凹陷石炭系太原組理想沉積模式

根據(jù)圖7地震反射特征所對應(yīng)的沉積環(huán)境，把地震相模式轉(zhuǎn)換為沉積相模式，如圖8所示：

圖8 兒馬湖凹陷地震相模式和沉積相模式

在WD1和BC3井這2口單井沉積相的約束下，從而建立兒馬湖凹陷石炭系太原組理想沉積相平面圖(圖9)。石炭系太原組可分4種沉積相或類型，呈不規(guī)則三角形環(huán)狀分布，從凹陷邊緣到凹陷中心分別是沖積扇相、濱湖亞相、淺湖亞相及深湖亞相。深湖相面積約8.5 km2，泥頁巖主要分布于深湖相，泥頁巖累計厚度變化范圍20～70 m，是頁巖氣有利勘探區(qū)域。

圖9 兒馬湖凹陷石炭系太原組理想沉積相

5 結(jié)論

(1)武威盆地兒馬湖凹陷中心石炭系太原組泥頁巖厚度較大，有機碳含量高，有機質(zhì)類型以Ⅲ型為主，成熟度高，具有一定頁巖氣資源潛力。

(2)目前兒馬湖凹陷油氣勘探程度低，需要加大地震勘探力度，提高地震資料信噪比和分辨率，進行地震相-沉積相精細解釋，查清凹陷中心優(yōu)質(zhì)泥頁巖厚度及其分布范圍，埋藏深度，時機成熟后，部署頁巖氣水平探井，可望獲得頁巖氣勘探新發(fā)現(xiàn)。