摘  要  遼河坳陷的頁巖氣勘探尚處于起步階段，上古生界頁巖氣資源潛力研究將為該坳陷東部凸起頁巖氣勘探提供科學(xué)依據(jù)和理論支撐。為此，基于泥頁巖地球化學(xué)數(shù)據(jù)和生烴數(shù)值模擬結(jié)果，從泥頁巖發(fā)育特點(diǎn)、有機(jī)質(zhì)類型、總有機(jī)碳含量、熱演化成熟度、生氣能力以及含氣性等方面對該區(qū)上古生界石炭系太原組、二疊系山西組泥頁巖及其有機(jī)地球化學(xué)特征進(jìn)行了系統(tǒng)分析。結(jié)果表明：①太原組有機(jī)碳含量平均為3.31%，鏡質(zhì)體反射率基本大于1.5％，主要發(fā)育腐殖型干酪根，生氣能力強(qiáng)，含氣量高，是頁巖氣勘探的重點(diǎn)層系；②山西組有機(jī)碳含量平均為2.95％，處于高成熟-過成熟熱演化階段，以腐殖型干酪根為主，生氣能力較強(qiáng)，含氣量較高(稍遜于前者)，同樣也是頁巖氣勘探的重要層系。評價結(jié)論認(rèn)為：遼河坳陷東部凸起上古生界具備頁巖氣發(fā)育的有利條件，頁巖氣資源潛力大，是頁巖氣勘探開發(fā)的有利區(qū)域。

關(guān)鍵詞  遼河坳陷東部凸起  晚古生代  石炭紀(jì)  二疊紀(jì)  頁巖氣  資源潛力  地球化學(xué)特征  含氣性  勘探區(qū)

1  地質(zhì)概況

1．1研究區(qū)位置

研究區(qū)——遼河坳陷東部凸起位于遼河坳陷東部，面積為1600 km²(圖1)。前人過去對該區(qū)做了大量的油氣勘探研究工作，但頁巖氣勘探才剛剛起步。研究區(qū)主要經(jīng)歷了4個發(fā)展階段：基底和陸塊形成階段、地臺發(fā)育階段、裂谷發(fā)育階段和坳陷發(fā)育階段，自下而上發(fā)育有太古界、元古界、下古生界的寒武系和奧陶系、上古生界的石炭系和二疊系、中生界的侏羅系和白堊系。本次研究主要層段為上古生界太原組、山西組。泥頁巖地化特征、生氣能力和含氣性研究將為該區(qū)頁巖氣資源潛力評價提供依據(jù)^[1]。

1．2上古生界泥頁巖發(fā)育特點(diǎn)

泥頁巖的厚度及規(guī)模構(gòu)成了頁巖氣生成與聚集的物質(zhì)基礎(chǔ)，是頁巖氣資源潛力評價的重要參數(shù)。尋找頁巖氣，首先要查明盆地中的暗色泥頁巖在垂向上和平面上的分布，了解勘探對象發(fā)育的層位和展布特點(diǎn)^[2]。

研究區(qū)上古生界石炭系太原組、二疊系山西組主要為海陸過渡沼澤相，發(fā)育富有機(jī)質(zhì)暗色泥頁巖、碳質(zhì)頁巖及煤層，泥頁巖連續(xù)厚度介于31.1～98.7 m，平均為58.7 m，泥頁巖單層厚度平均為6.9 m，整體上呈現(xiàn)出東厚西薄的特點(diǎn)，達(dá)到了頁巖氣有利區(qū)評價標(biāo)準(zhǔn)，是該區(qū)的主力生烴層系，也是頁巖氣富集的潛在層系(圖2)．

2上古生界泥頁巖有機(jī)地球化學(xué)特征

一般情況下，頁巖氣的生成與含氣頁巖的地球化學(xué)特征有關(guān)，泥頁巖作為頁巖氣的主要烴源巖，其地球化學(xué)指標(biāo)和常規(guī)烴源巖相同，包括有機(jī)質(zhì)豐度、有機(jī)質(zhì)類型、成熟度和含氣性等。泥頁巖生烴潛力是有機(jī)質(zhì)豐度、有機(jī)質(zhì)類型、熱演化程度等因素綜合作用的結(jié)果。一般條件下，相同成熟度和類型的泥頁巖，有機(jī)質(zhì)豐度越大(TOC高)，產(chǎn)油氣量就越多^[3]。因此，地球化學(xué)參數(shù)的研究是評價泥頁巖生烴潛力和資源潛力的基礎(chǔ)。以下分述之。

2．1有機(jī)質(zhì)類型

有機(jī)質(zhì)類型是評價泥頁巖質(zhì)量的主要指標(biāo)之一，類型不同將會使得烴源巖有機(jī)質(zhì)的生烴潛力和烴類產(chǎn)物產(chǎn)生差別。為此，通過干酪根鏡檢、元素分析、巖石熱解等實(shí)驗(yàn)方法，對研究區(qū)泥頁巖樣品的干酪根類型進(jìn)行了分析。

對研究區(qū)上古生界典型井20塊泥頁巖樣品熱解數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析結(jié)果表明，太原組泥頁巖樣品主要以腐殖型為主，腐殖型干酪根比例占實(shí)驗(yàn)樣品總數(shù)的78％，其次依次為偏腐殖混合型和偏腐泥混合型干酪根，干酪根偏向于生氣型。山西組有機(jī)質(zhì)以腐殖型為主，腐殖型干酪根比例占總實(shí)驗(yàn)樣品的73％，其次為偏腐殖混合型干酪根。顯微組分統(tǒng)計結(jié)果顯示，上古生界泥頁巖樣品主要含鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組，類型指數(shù)T基本都小于0，以腐殖型干酪根為主。但不論采取哪種方法，分析結(jié)果都是一致的(圖3)。

2．2有機(jī)質(zhì)豐度

頁巖氣的工業(yè)聚集需要豐富的氣源物質(zhì)基礎(chǔ)，其有機(jī)質(zhì)含量關(guān)系著吸附氣的賦存量^[4]，因此要求生烴有機(jī)質(zhì)豐度達(dá)到一定的標(biāo)準(zhǔn)。評價有機(jī)質(zhì)豐度常用的指標(biāo)有殘余總有機(jī)碳含量(TOC)、氯仿瀝青“A”含量、總烴含量和生烴潛量(S₁+S₂)等(表1)。

總有機(jī)碳含量是評價有機(jī)質(zhì)豐度最直接有效的指標(biāo)。在頁巖氣藏中，地層有機(jī)碳含量相對較高：好的烴源巖要求成煤環(huán)境混合型-腐殖型干酪根暗色泥巖TOC>2.5％、湖泊相偏腐泥混合型干酪根TOC>2.0％^[5]。東部凸起上古生界為混合型-腐殖型干酪根為主的夾煤層泥頁巖層段，39塊不同深度泥頁巖樣品的TOC測試結(jié)果顯示：剖面上，太原組泥頁巖TOC較高，其值分布在0.53％～5.69％之間，平均為3.31％，山西組的TOC稍低，平均為2.95％。平面

上，太原組高值區(qū)位于樂古2井-佟3井-佟2905井區(qū)及王參l井南部，山西組高值區(qū)和太原組類似但稍向東偏移。有機(jī)質(zhì)豐度除用有機(jī)碳含量表征外，氯仿瀝青 “A”含量和生烴潛量(S₁+S₂)也是重要的評價指標(biāo)，但研究區(qū)泥頁巖的氯仿瀝青“A”含量和產(chǎn)烴潛量都較低，這與該區(qū)熱演化程度有一定的關(guān)系。因此，這兩項(xiàng)指標(biāo)只能作為參考而不適用于有機(jī)質(zhì)豐度評價。

2．3有機(jī)質(zhì)成熟度

有機(jī)質(zhì)除要滿足一定的豐度和生烴潛力外，還要達(dá)到一定的熱演化階段才能熱降解生烴，同時在不同的熱演化階段有機(jī)質(zhì)的產(chǎn)烴能力和產(chǎn)物是不同的^[6]。

天然氣的生成可來源于生物作用、熱成熟作用或兩者的結(jié)合^[7]，因此泥頁巖成熟度關(guān)系著頁巖氣的成因，決定著頁巖氣的類型。研究區(qū)上古生界泥頁巖熱演化程度較高，大部分泥頁巖樣品R₀>1.5％，處于高成熟一過成熟熱演化階段。整體上，東部凸起上古生界泥頁巖主體進(jìn)入頁巖生氣階段。

2．4  頁巖生氣能力

在泥頁巖生烴潛力研究的基礎(chǔ)上，以沉積構(gòu)造為背景，并結(jié)合泥頁巖厚度，利用TSM盆地模擬軟件對研究區(qū)各個層段的生氣量和生氣強(qiáng)度進(jìn)行模擬，完成了遼河坳陷東部凸起不同層系泥頁巖累計生氣強(qiáng)度等值線圖(圖4)。

模擬結(jié)果顯示：①太原組累積生氣量為2.1195×10¹²m³，最大生氣強(qiáng)度超過6×10⁸ m³／km²，2個高值中心分別位于佟3井附近及王參l井南部地區(qū)，現(xiàn)生氣量為l4.0×10⁸ m³，為主要?dú)庠磶r；②山西組累積生氣量為2.089 4×10¹² m³，高值區(qū)稍向東偏移，最大生氣強(qiáng)度超過4.6×10⁸ m³／km²，現(xiàn)今生氣量為11.0×10⁸ m³，稍次于太原組，也是重要的氣源巖；③總體上，模擬結(jié)果與通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析結(jié)果是相符的，且研究區(qū)累積生氣強(qiáng)度和生氣量在平面分布上與泥頁巖展布特征及地化特征是一致的。

2．5頁巖含氣性

頁巖氣是以吸附或游離狀態(tài)為主要存在方式的天然氣聚集，吸附氣含量受有機(jī)碳含量、壓力、成熟度、溫度、厚度、面積等因素的控制，游離氣含量主要受地層壓力、孔隙度、含氣飽和度、溫度、厚度、面積等因素的控制^[8]。這些因素不是孤立的，一般情況下，有機(jī)質(zhì)成熟度呈現(xiàn)出NanNY,而增加的趨勢。此外，有機(jī)質(zhì)成熟度還與泥頁巖孔滲系統(tǒng)有關(guān)，高成熟度可以改善頁巖孔滲性，從而影響含氣量。頁巖含氣量測試是頁巖儲層評價、有利區(qū)優(yōu)選的重要實(shí)驗(yàn)，測試方法有解吸法、等溫吸附法和測井解釋法等^[9]，首先從氣測異常對含氣性進(jìn)行了定性分析，重點(diǎn)通過現(xiàn)場解析和等溫吸附實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步對2個層位含氣性進(jìn)行了研究。

研究區(qū)多口井在鉆錄井過程中氣測顯示良好，氣測顯示主要以甲烷為主。佟2905井、樂古2、王參1井在太原組泥頁巖層段氣測異常明顯，氣測全烴值介于1.2％～24.3％，甲烷含量介于0.76％～l5.2％，佟3井氣測穩(wěn)定；山西組氣測異常較太原組弱，氣測全烴值介于1．0％～l5.4％，甲烷含量介于0.34％～6.0％；因氣顯層段巖性既有黑色泥頁巖、碳質(zhì)頁巖、煤層，還有含粉砂質(zhì)泥頁巖，有些高異?？赡芘c地層含有多套煤層有關(guān)。但實(shí)際上影響氣測錄井資料準(zhǔn)確性的因素很多，故氣測值只能作為泥頁巖含氣性的定性-半定量評價指標(biāo)。

解吸法是一種分類測量含氣量的方法，將含氣量分為3個部分：解吸氣量、損失氣量和殘余氣量，是頁巖含氣量測試的直接方法，也是最常用的方法。等溫吸附法是通過頁巖樣品的等溫吸附實(shí)驗(yàn)來模擬樣品的吸附過程，從而獲得頁巖的含氣量，是一種含氣量測試的間接方法^[10]。對泥頁巖樣品通過2種試驗(yàn)方法的測試分析，結(jié)果表明：太原組含氣量最小為1.28 m³／t，最大為4.62 m³／t，平均為2.37 m³／t；山西組樣品較少，平均為2.03 m³／t。美國產(chǎn)氣頁巖的含氣量其含氣量最低約為0.42 m³／t，最高達(dá)9.90 m³／t，目前商業(yè)開發(fā)遠(yuǎn)景區(qū)的最低頁巖含氣量標(biāo)準(zhǔn)為l.0 m³／t。從泥頁巖含氣量分析，研究區(qū)2個層系均具有頁巖氣勘探開發(fā)潛力。此外，頁巖含氣性還受裂縫和保存條件的影響。

與遼河坳陷東部凹陷相比，東部凸起上古生界有機(jī)碳含量、熱演化程度均較高，有機(jī)質(zhì)類型以腐殖型、混合型型為主；東部凹陷天然氣類型多樣，頁巖氣、致密砂巖氣和常規(guī)氣在不同層段均有發(fā)育，而東部凸起則以頁巖氣為主^[11]。

3頁巖氣資源潛力評價

3．1  資源潛力評價

基于對研究區(qū)目的層系泥頁巖發(fā)育特點(diǎn)、地化特征及含氣性的系統(tǒng)研究，采用多因素疊加法并輔以綜合地質(zhì)評價、地質(zhì)類比等多種方法對該區(qū)頁巖氣資源潛力進(jìn)行了綜合評價。

太原組在各個指標(biāo)分布最均且相對較高，以腐殖型干酪根為主，泥頁巖厚度、有機(jī)質(zhì)豐度、成熟度均達(dá)到頁巖氣生氣條件，生氣潛力最大，含氣量最高，綜合評價為最好層段；山西組各個參數(shù)分布較均勻，稍次于太原組，綜合評價為重要潛力層段(圖5)。

3．2與美國頁巖資源潛力的對比

美國是目前頁巖氣開發(fā)較成功的國家之一，因此，與美國典型層系頁巖的地質(zhì)特點(diǎn)、含氣量作比較，將有助于研究區(qū)頁巖氣資源潛力的評價工作。

將研究區(qū)2套泥頁巖層與美國主要產(chǎn)氣頁巖層各項(xiàng)參數(shù)對比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：遼河坳陷東部凸起上古生界泥頁巖地化參數(shù)較好(表2)，進(jìn)一步表明該區(qū)上古生界泥頁巖具備頁巖氣存在的條件，具有很好的開發(fā)潛力，可作為頁巖氣下一步要尋找的目標(biāo)。

4  結(jié)論

1)遼河坳陷東部凸起上古生界為海陸過渡相沉積，主體為半深湖-深湖亞相，發(fā)育富有機(jī)質(zhì)暗色泥頁巖、碳質(zhì)頁巖及煤層，單層和連續(xù)厚度大，符合頁巖氣賦存的基本地質(zhì)條件。

2)遼河坳陷東部凸起上古生界發(fā)育以腐殖型為主的混合型干酪根，有機(jī)質(zhì)豐度高，平均有機(jī)碳含量3.13％，主體為高成熟-過成熟熱演化階段，是頁巖氣發(fā)育的重點(diǎn)層系。

3)遼河坳陷東部凸起上古生界泥頁巖累積生氣強(qiáng)度大、生氣能力高、含氣量大，具備頁巖氣資源潛力，是下一步非常規(guī)天然氣開發(fā)的重點(diǎn)層系和地區(qū)。

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本文作者：葛明娜  張金川  毛俊莉   單衍勝  唐玄

作者單位：中國地質(zhì)大學(xué)(北京)·海相儲層演化與油氣富集機(jī)理教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室   中國石油遼河油田公司勘探開發(fā)研究院