東濮凹陷北部沙三中亞段頁巖油成藏地質條件與有利區優選

張　鵬，張金川，劉　鴻，黃宇琪

(1.六盤水師范學院 礦業工程系，貴州 六盤水 553004;(2.中國地質大學(北京) 能源學院，北京 100083)

東濮凹陷北部沙三中亞段頁巖油成藏地質條件與有利區優選

張鵬1，張金川2，劉鴻1，黃宇琪1

(1.六盤水師范學院 礦業工程系，貴州 六盤水 553004;(2.中國地質大學(北京) 能源學院，北京 100083)

摘要：東濮凹陷北部頁巖油勘探處于起步階段，沙三中亞段為研究的重點層位，從泥頁巖空間展布、有機地球化學、儲層特征以及含油性等方面，研究頁巖油的富集條件，并對目標層系進行有利區優選。結果表明：研究區深湖—半深湖相頁巖厚度較大，三角洲相中砂巖夾層較多；沙三中亞段有機質類型以Ⅱ1和Ⅱ2型為主，總有機碳含量均值0.84%，鏡質體反射率0.8%～1.5%，有機質處于成熟—高成熟階段；沙三中亞段頁巖礦物組成中脆性礦物含量大于50%，孔隙類型主要有粒間孔、晶間孔、次生溶蝕孔及微裂縫，有機質孔較少；分別運用氯仿瀝青“A”法、熱解法以及含油飽和度理論計算法，得出含油率為0.242%、0.266%和0.228%；認為勘探有利區受沉積相控制，Ⅰ類有利區主要位于濮城—文留湖相沉積地區。

關鍵詞：東濮凹陷北部；沙三中亞段；頁巖油；地球化學特征；含油性；有利區

東濮凹陷北部地區沙三段泥頁巖段頻繁見到氣測異常和油氣顯示。濮深18-1井沙三上亞段泥頁巖段獲得日產油420 t高產油流，取得我國陸相頁巖油勘探突破，表明東濮凹陷具備形成泥頁巖油氣的條件和勘探潛力[1-2]。頁巖油與常規油氣在賦存狀態、富集層段、儲集特征、成藏機理、可采條件及開發技術等方面差異顯著。因此，對東濮凹陷北部地區沙三段開展泥頁巖油氣儲集性能及烴類賦存特征研究，探索陸相泥頁巖成藏機理，開展東濮凹陷北部地區沙三段頁巖油可采性研究，優選頁巖油發育目標區，可開拓東濮凹陷油氣接替新領域，為形成非常規油氣勘探理論和技術奠定重要基礎[3-4]。

1區域地質概況

東濮凹陷位于渤海灣盆地西南端，東側以蘭聊斷裂為界與魯西隆起為鄰，西側以石家集、長垣等斷裂為界與內黃隆起相接，南以封丘北斷層為界與蘭考凸起相鄰，北以馬陵斷層為界與莘縣凹陷相望，具有“兩洼一隆一陡一斜坡”的構造特征。東濮凹陷構造展布及演化規律在海通集—橋口—白廟一線南北兩側差異較大，呈北部巖鹽沉積發育而南部不發育的南北分塊沉積格局。東濮凹陷北部地區沙三段為湖相背景下的三角洲前緣沉積(圖1)，半深湖—深湖相深灰色泥巖、黑色頁巖分布于前梨園、濮城、衛城地區，文留地區為典型鹽湖環境，垂向上巖鹽和泥頁巖呈頻繁韻律互層分布。三角洲體系發育單層厚度小、砂泥頻繁互層的暗色泥頁巖，主要分布于凹陷邊緣[5]。

圖1　研究區構造分區及巖性特征

2頁巖油富集地質條件

2.1頁巖空間展布特征

沙三中亞段研究區處于湖盆擴張階段，泥頁巖厚度大，分布范圍廣，研究區中部胡狀集和前梨園附近區域最大厚度達400 m，北部小部分地區厚度小于50 m。呈中部厚度最大，向南北兩側減薄的趨勢，厚度變化受沉積相影響。

湖泊體系泥頁巖厚度大，垂向分布連續，砂巖夾層較少，其中鹽湖相發育范圍內鹽巖大量發育，主要發育于沙三中亞段上部。三角洲沉積體系中前三角洲泥及水下分流間灣兩個微相泥頁巖發育，泥頁巖垂向連續性較差，單層厚度相對較小，砂巖夾層多，泥頁巖中粉砂質含量高。

2.2頁巖有機地化特征

泥頁巖作為頁巖油的主要烴源巖，其地球化學指標與常規烴源巖相同，泥頁巖的生烴潛力是各項地化參數綜合作用的結果，因此，有機地球化學參數是頁巖油資源潛力評價的基礎[6-8]。

泥頁巖有機質類型是評價的重要參數之一，不同類型有機質生烴潛力及產物均有差別。通過干酪根鏡鑒、巖石熱解等實驗及干酪根類型指數計算[6-7]，對研究區沙三中亞段泥頁巖有機質類型進行分析。結果表明，研究區沙三中亞段有機質類型以Ⅱ1和Ⅱ2型為主，有利于頁巖油的生成。有機質豐度是頁巖油工業聚集的油源物質基礎，與泥頁巖含油率有直接關系，因此有機質豐度是資源潛力評價的一項極為重要指標。有機質豐度的常見評價參數有：殘余總有機碳含量(TOC)、氯仿瀝青“A”含量、總烴含量、生烴潛量(S1+S2)等。沙三中亞段TOC值主要分布在0～0.5%和0.5%～1.0%兩個區間，均值0.84%；氯仿瀝青“A”值分布在大于0.2 mg/g的區間，均值0.18 mg/g；通過上述分析認為，沙三中亞段的生烴潛力較好。東濮凹陷北部沙三中亞段泥頁巖樣品中有機質成熟度0.8%～1.5%，均值1.07%，說明研究區有機質主體處于成熟-高成熟階段，結合有機質類型研究結果，認為大部分有機質處于生油高峰(圖2)。

圖2　東濮凹陷北部沙三中亞段頁巖地球化學特征

2.3泥頁巖儲層特征

1)巖性及礦物學特征

東濮凹陷北部沙三中亞段泥頁巖類型包括普通泥巖、灰質泥巖、云質泥巖、膏質泥巖及粉砂質泥巖等，普通泥巖發育范圍廣，多為塊狀，部分發育頁理；灰質泥巖發育于水深較大的湖盆中心處，部分發育紋層；云質泥巖多發育于濱淺湖等湖盆邊緣過渡帶；膏質泥巖常與鹽巖伴生，多見于鹽湖地區，發育紋層，但多被石膏充填；粉砂質泥巖在三角洲沉積體系中較為常見。

研究區沙三中亞段泥頁巖礦物成分主要由石英、長石、碳酸鹽巖、石膏及粘土礦物組成(圖3)，湖相泥頁巖中粘土礦物含量達45%，明顯高于三角洲相泥頁巖，石英含量則明顯偏小，約為20%，礦物組成比例與三角洲相泥頁巖有明顯區別；三角洲沉積體系中前三角洲及三角洲前緣亞相中泥頁巖礦物組成特征相似。研究區沙三中亞段泥頁巖脆性礦物含量較高，大部分達50%，有利于勘探開發過程中后期儲層改造。

2)儲集空間類型及孔滲特征

頁巖油儲層孔隙結構復雜、儲集空間類型多樣，具有儲集流體和提供流動空間的雙重作用。通過對泥頁巖巖芯樣品的普通掃描電鏡及氬離子拋光照片觀察(圖4)，根據泥頁巖儲集空間成因、結構及物性特征將樣品儲集空間進行分類(表1)。對孔隙大小的表征采用基于場發射掃描電鏡觀察的微觀孔隙二分法[8-10]：1 mm～1 μm為微米級孔隙，小于1 μm為納米級孔隙。泥頁巖為低孔低滲儲層，研究區泥頁巖樣品平均孔隙度3.7%，平均滲透率0.091 3×10～3μm2，統計發現孔隙度、滲透率為異常高值，推測與泥頁巖樣品中發育微裂縫有關。

2.4泥頁巖含油性特征

頁巖含油量指每噸頁巖中含頁巖油折算到標準溫度和壓力條件下(101.325 kPa，25 ℃)的百分含量，既包括原始條件下的液態原油，還包括溶解在天然氣中的凝析油，而含油率是表征頁巖含油性最直觀最關鍵的參數。由于泥頁巖含油率較難獲得，以往研究中常用氯仿瀝青“A”含量近似代替含油率[11-13]。雖然這種替代方法具有一定合理性，但泥頁巖含油率還受到其他因素影響，直接替代的方法誤差較大。因此，本研究嘗試多種方法獲取泥頁巖含油率，盡可能減小誤差[14-15]。

(a)濮148井，粒間孔發育；(b)衛63井，黃鐵礦晶間孔發育；(c)胡83井，粘土礦物晶間孔及礦物顆粒表面溶蝕孔發育；(d)文古4井，石鹽晶體核心被溶蝕呈骨骸狀，次生溶蝕微孔隙發育；(e)文260井，有機質孔；(f)文88～1井，微裂縫及粒間孔發育；(g)衛79～13井，裂縫發育，裂縫中生長針狀方解石晶體，部分被充填；(h)文260井，裂縫發育，被硬石膏晶體完全充填

圖4東濮凹陷北部沙三段泥頁巖典型儲集空間類型

Fig.4Typical types of shale reservoir space in Es3 formation, northern Dongpu depression

本次研究中巖芯樣品存放時間較長，不適于進行含油率實測，故采用地化計算法中的氯仿瀝青“A”法和熱解法進行含油率計算(表1)。

同時采用含油飽和度公式計算法，對含油率進行理論計算，得出東濮凹陷北部沙三中亞段含油率均值為0.227 6%，與地化計算法結果相差不大。

表1　地球化學計算法含油率計算結果表

含油率=M油/M巖石=ρ油/ρ巖石×Φ×So

其中：M油—巖石中油的質量，g；M巖石—巖石總質量，g；ρ油—原油密度，g/cm3；ρ巖石—巖石密度，g/cm3；Φ—孔隙度，%；So—含油飽和度，%。

雖然富有機質泥頁巖層系中可能廣泛含烴，但只有地層中含油率達到一定水平并相對富集時才具有工業開發價值。美國油頁巖工業開發含油率下限為0.18%，采用3種方法對東濮凹陷北部沙三中亞段泥頁巖含油率進行計算，平均值為0.245%，超過該標準具有勘探開發價值及潛力。

3頁巖油勘探目標區優選

通過對東濮凹陷北部沙三中亞段頁巖油所選評價參數綜合疊加，劃分出Ⅰ類、Ⅱ類及Ⅲ類勘探目標有利區(圖5)。Ⅰ類有利區，主要位于濮城—文留地區，以深湖—半深湖相及鹽湖相沉積為主，泥頁巖厚度大，有機質豐度較大，含油率較高，且有機質成熟度和埋深適中，有利于頁巖油勘探及后期開發；Ⅱ類有利區，以Ⅰ類有利區為標準向周緣地區延伸，南北為前梨園—文明寨一線，東西為柳屯—濮城以東，慶祖集附近也有小范圍地區滿足Ⅱ類有利區標準，沉積相類型仍以湖相沉積為主，也有部分前三角洲相發育區域，與Ⅰ類有利區相比，Ⅱ類有利區范圍泥頁巖埋深略大，成熟度偏低；Ⅲ類有利區基本為湖相沉積分布范圍，與Ⅱ類有利區相比，主要增加了習城集、橋口附近區域。

4結論

東濮凹陷北部沙三中亞段泥頁巖厚度較大，湖泊沉積體系中泥頁巖夾層少，三角洲沉積體系中粉砂巖夾層發育，有機質類型以Ⅱ1和Ⅱ2型為主，總有機碳含量均值0.84%，氯仿瀝青“A”均值0.18%，鏡質體反射率0.8%～1.5%，有機質處于成熟—高成熟階段，大部分處于生油高峰。

沙三中亞段泥頁巖礦物組合受沉積相影響，脆性礦物含量大于50%，有利于勘探開發過程中后期儲層改造，儲集空間類型主要有粒間孔、晶間孔、次生溶蝕孔及微裂縫。

綜合多種頁巖含油率測試及計算方法優缺點，結合本次研究特點，選擇氯仿瀝青“A”、熱解及含油飽和度3種方法計算含油率，平均值為0.245%。

通過參數疊合，劃分出研究區沙三中亞段勘探目標有利區：Ⅰ類有利區位于濮城—文留地區，以深湖—半深湖相及鹽湖相沉積為主；Ⅱ類有利區以Ⅰ類有利區為標準向周緣地區延伸，南北為前梨園—文明寨一線，東西為柳屯—濮城以東，慶祖集附近也有小范圍滿足Ⅱ類有利區選區標準；Ⅲ類有利區增加了習城集、橋口附近區域。

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(責任編輯：高麗華)

Geological Conditions for Accumulation and Favorable Area Selection of Shale Oil in Mid-submember of Es3 Formation, Northern Dongpu Depression

ZHANG Peng1, ZHANG Jinchuan2, LIU Hong1, HUANG Yuqi1

(1. Department of Mining Engineering, Liupanshui Normal University, Liupanshui, Guizhou 553004, China;2. School of Energy Resources, China University of Geosciences, Beijing 100083, China)

Abstract:The exploration of the shale oil in the northern part of Dongpu depression is in the early stage and the mid-submember of Es3 formation is the focused research horizon. The paper studied the shale oil enrichment conditions from the aspects of the spatial distribution, organic geochemistry, reservoir characteristics and oiliness of shale. The results show that the shale in deep and semi-deep lacustrine facies of the mid-submember of Es3 in the northern part of Dongpu depression is of great thickness, but there are a lot of sandstone interlays in the shale of the delta facies.WithⅡ1 and Ⅱ2 as the main organic matter types, 0.84% of the average TOC and 0.8%～1.5% of vitrinite reflectance, the organic matter in the mid-submember of Es3 in the northern part of Dongpu depression has reached the stage of maturation-high maturation. Over 50% of the shale mineral in the mid-submember of Es3 is brittle mineral and with intergranular pores, intercrystal pores, secondary dissolution pores, and microfracture as its main types of reservoir pores, few organic pores are found there. The respective oil content of shale is 0.242%, 0.266% and 0.228%,calculated with the chloroform bitumen “A” method, pyrolysis method, and oil saturation method. The favorable target areas for shale oil exploration are controlled by sedimentary facies and the type I favorable areas are mostly located in Pucheng-Wenliu lacustrine deposit area.

Key words:northern Dongpu depression; mid-submember of Es3;shale oil;organic geochemistry characteristics;oiliness; favorable areas

收稿日期：2015-09-21

基金項目：貴州省煤炭綠色開采及礦區生態環境保護科技創新人才團隊項目(黔科通(2013)93號)

作者簡介：張鵬(1986—)，男，山東濟南人，副教授，博士，主要從事頁巖油氣的研究工作. E-mail:zhangpeng8611@126.com

中圖分類號：TE122

文獻標志碼：A

文章編號：1672-3767(2016)03-0001-07