富縣西北部地區(qū)長(zhǎng)7頁巖特征及地質(zhì)意義

劉秀嬋，黨 磊，趙 奔，王騰飛，楊 旭

(延安大學(xué)石油工程與環(huán)境工程學(xué)院，陜西延安716000)

近年來，頁巖油、頁巖氣已在非常規(guī)油氣資源中占有重要地位。隨著頁巖氣研究的深入，頁巖氣勘探開發(fā)在國(guó)內(nèi)已步入成熟和發(fā)展階段，并在涪陵、華北板塊、華南板塊等地區(qū)發(fā)現(xiàn)巨大潛力[1-3]。鄂爾多斯盆地作為我國(guó)儲(chǔ)集油氣資源一大盆地，古生界、中生界地層中頁巖、頁巖油、頁巖氣發(fā)育[4,5]，這些資源大多集中在鄂爾多斯盆地陜北斜坡及其周邊區(qū)域，中生界三疊系延長(zhǎng)組長(zhǎng)7段為代表。

頁巖油、頁巖氣、油頁巖等地質(zhì)概念都與頁巖相關(guān)，且頁巖油、氣均賦存于頁巖中，評(píng)價(jià)該類資源潛力，需要精細(xì)刻畫頁巖地質(zhì)特征、分布情況，獲取總有機(jī)碳含量、生烴潛量、成熟度等關(guān)鍵地球化學(xué)特征，做到局部精細(xì)研究到整體研究的思路。筆者在已研究頁巖方法、特征的基礎(chǔ)上，從富縣西北地區(qū)長(zhǎng)7頁巖地質(zhì)特征出發(fā)，結(jié)合區(qū)域各類地質(zhì)資料和地質(zhì)背景，分析該區(qū)域長(zhǎng)7頁巖的地質(zhì)意義，以期為富縣區(qū)域、乃至盆地南部頁巖油、頁巖氣“甜點(diǎn)”區(qū)域勘探提供借鑒。

1 地質(zhì)背景

自2011年以來，在富縣地區(qū)延長(zhǎng)組長(zhǎng)7段頁巖勘探實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)有豐富的油氣顯示[6-9]，截止目前已對(duì)該區(qū)域長(zhǎng)7頁巖油、頁巖氣展開了研究，并取得了一定成果。富縣地區(qū)構(gòu)造上位于鄂爾多斯盆地陜北斜坡南部，構(gòu)造穩(wěn)定，長(zhǎng)7期受整個(gè)湖盆演化影響，富縣地區(qū)在該期位于湖盆沉積中心[10]，以發(fā)育湖湘泥頁巖為主，主要集中在富縣勘探區(qū)域的西北部，該泥頁巖為富縣地區(qū)頁巖油、頁巖氣的生烴、成藏提供了一定的物質(zhì)條件。

該區(qū)在三疊系延長(zhǎng)組鉆探揭露的地層主要有長(zhǎng)2、長(zhǎng)4+5、長(zhǎng)6、長(zhǎng)7、長(zhǎng)8。長(zhǎng)7地層屬于延長(zhǎng)組第三段，自下而上分為長(zhǎng)73、長(zhǎng)72、長(zhǎng)71三個(gè)亞層，巖性分布展示出中上部由一套粉、細(xì)砂巖夾泥巖、泥質(zhì)粉砂巖組成，中下部為黑色、灰黑色油頁巖、碳質(zhì)頁巖、泥質(zhì)頁巖的特征。本次研究的目標(biāo)頁巖主要沉積于長(zhǎng)73亞層中。

2 頁巖地質(zhì)特征

2.1 巖石礦物學(xué)特征

巖石學(xué)特征一定程度上影響儲(chǔ)層的物性，儲(chǔ)層內(nèi)巖石的結(jié)構(gòu)類型、填隙物特征影響儲(chǔ)層的孔隙結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致儲(chǔ)層內(nèi)部物性的差異性[11]。從巖心觀察及鏡下樣品顯示，研究區(qū)長(zhǎng)7段頁巖顏色主要為黑色、灰黑色，巖性多見頁巖夾泥巖、粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖。碎屑成分主要為石英、長(zhǎng)石、云母，巖屑主要為少量火山巖巖屑，可觀察到零星分布的云母碎片；另可見一些植物碎片、炭屑、有機(jī)質(zhì)，黃鐵礦。碎屑顆粒分選差，磨圓多為次棱角狀，接觸方式為點(diǎn)-線接觸和線接觸(圖1-a)。

研究區(qū)填隙物礦物主要成分由三部分組成(見圖1-b掃描電鏡圖)。同時(shí)XRD測(cè)試結(jié)果表明，一為粘土礦物，占填隙物總含量的50%以上，類型以綠泥石、伊/蒙混層多見；二為石英和長(zhǎng)石，平均含量分別約為28%和20%；第三部分填隙物為碳酸鹽巖膠結(jié)物，總含量小于5%，以方解石和白云石為主。

a.薄片下頁巖成分特征 b.掃描電鏡下頁巖成分特征

圖1富縣西北部長(zhǎng)7頁巖礦物成份鏡下特征

2.2 電性響應(yīng)特征

富縣西北地區(qū)長(zhǎng)7段頁巖電性特征明顯-高聲波時(shí)差、高自然伽馬、低自然電位、高電阻率和低密度。自然伽瑪值為78～380 API，平均為170 API；深感應(yīng)電阻率值34～890 Ω·m，平均為96 Ω·m；聲波時(shí)差值一般為240～390 μs/m，平均為310 μs/m。上述電性特征結(jié)合巖心、巖性分析能較好的識(shí)別出頁巖或泥質(zhì)頁巖。

2.3 頁巖發(fā)育規(guī)模

2.3.1 平面分布特征

在對(duì)研究區(qū)140余口井地層劃分與對(duì)比的基礎(chǔ)上，通過測(cè)井資料、錄井資料，應(yīng)用沉積旋回及考慮厚度等因素后，確定了研究區(qū)長(zhǎng)7層位，識(shí)別并劃分出頁巖，計(jì)算出頁巖厚度，繪制了頁巖厚度平面圖。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，研究區(qū)長(zhǎng)7地層中頁巖厚度為12.5～102 m，變化范圍較大，平均厚度49.07 m。頁巖在長(zhǎng)7段三個(gè)亞層中均可見，但在長(zhǎng)73地層中累積厚度最大。平面圖展示，主要厚度變化范圍在60～90 m之間，具有西北向東南方向變薄特征。較厚區(qū)域分布在西北角八卦寺區(qū)域和研究區(qū)中部偏南；兩個(gè)區(qū)域呈北西-南東向展布，厚度>80 m。相對(duì)低值區(qū)位于西南角、北東部井區(qū)和東南部，一般<50 m(圖2)。

圖2 富縣西北部地區(qū)長(zhǎng)7頁巖厚度分布圖

2.3.2 縱向分布及產(chǎn)狀

前人研究已表明，三疊系延長(zhǎng)組長(zhǎng)9段與長(zhǎng)7段頁巖在本區(qū)發(fā)育，并為油氣藏主力烴源巖[12]。研究區(qū)不同地區(qū)頁巖縱向上的發(fā)育特征也存在差異，主要表現(xiàn)為：1)井與井之間頁巖厚度縱向發(fā)育存在差異。即有些井頁巖在長(zhǎng)7三個(gè)亞層中均有發(fā)育，且厚度相當(dāng)，有些井頁巖僅在長(zhǎng)73亞層中可見；但整體看，底部長(zhǎng)73頁巖發(fā)育穩(wěn)定，厚度較大，頂部長(zhǎng)71頁巖最不穩(wěn)定。2)頁巖厚度區(qū)域上有差異。研究區(qū)中、西部厚度中心一帶，除長(zhǎng)73發(fā)育厚層頁巖外，長(zhǎng)71和長(zhǎng)72也有大段頁巖發(fā)育，頁巖厚度大，頁巖中砂質(zhì)和粉砂質(zhì)夾層較少。研究區(qū)東部?jī)H長(zhǎng)73發(fā)育頁巖，頁巖厚度薄、頁巖中發(fā)育較多粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖夾層(圖3)，該特征與平面展布特征相吻合。

2.4 空間類型及特征

2.4.1 孔隙類型、特征

場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡結(jié)合氬離子拋光技術(shù)觀察發(fā)現(xiàn)，富縣西北部地區(qū)長(zhǎng)7頁巖中主要發(fā)育四類孔隙：粒間孔、晶間孔、溶蝕孔隙、有機(jī)質(zhì)孔(表1，圖4)。

圖3 富縣西北部地區(qū)L57井～X32井頁巖連井剖面圖

a.剛性顆粒碎屑間粒間孔發(fā)育(L101，1469.3 m)；b.粘土礦物晶間孔(L101，1468.45 m)；c.化石腔體孔(LP36，1193.38 m)；d.長(zhǎng)石顆粒邊緣被溶蝕，形成粒間溶蝕孔(LP36，1187.59 m)；e.粘土礦物被溶蝕，形成溶蝕孔(L101，1465.0 m)；f.有機(jī)孔呈窩狀發(fā)育(LP36，1187.59 m)

圖4富縣西北部地區(qū)長(zhǎng)7頁巖孔隙類型

粒間孔的孔徑變化范圍大，從十幾納米到幾十微米不等，一般說來，較大的碎屑顆粒堆積形成的粒間孔孔徑大，但后期易被填隙物充填后發(fā)育晶間孔，孔隙連通性較差。溶蝕孔以粒間溶孔多見，如長(zhǎng)石顆粒邊緣或有些粘土礦物易被溶蝕，導(dǎo)致原始顆粒形態(tài)被破壞，產(chǎn)生溶蝕孔，孔徑可達(dá)微米級(jí)。有機(jī)質(zhì)孔在研究區(qū)較多見，粒徑集中在幾納米到幾百納米之間，常成群發(fā)育，一些有機(jī)質(zhì)孔相互連接，形成復(fù)雜的孔隙網(wǎng)絡(luò)。雖然孔隙尺寸分布不穩(wěn)定，但總體來看，頁巖的孔隙以孔徑小于0.5 μm的孔隙為主，占總孔隙數(shù)量的75%以上，其次為0.5～1 μm，少量孔隙的孔徑大于1 μm。

2.4.2 裂縫類型、特征

對(duì)頁巖巖心中發(fā)育的裂縫進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)頁巖巖心中主要發(fā)育三種類型的裂縫，一類是和層理、頁理低角度相交的裂縫，一類是平行頁理的層間縫或頁理縫，第三類是以高角度與層理或頁理相交的垂直縫，以第三類裂縫和第二類裂縫最為發(fā)育。頁巖中的裂縫部分被方解石膠結(jié)。

利用熒光薄片進(jìn)行了觀察和分析，發(fā)現(xiàn)具有熒光顯示的裂縫在研究區(qū)頁巖中十分發(fā)育。依據(jù)熒光類型，認(rèn)為裂縫中充填的瀝青主要有三種類型：一類是碳質(zhì)瀝青或膠質(zhì)瀝青，熒光顯示褐色或黑色，或無熒光(圖5-a)，第二類是發(fā)黃色、黃橙色等熒光的油質(zhì)瀝青(圖5-b)，另一類是發(fā)藍(lán)白色熒光的油質(zhì)瀝青，被瀝青充填的裂縫孔徑范圍比礦物膠結(jié)縫要小的多，顯微鏡下觀測(cè)一般在1～6 μm。

此外，頁巖中還有一類裂縫也比較重要，即在干酪根或?yàn)r青中發(fā)育的微裂縫(圖5-c)，這些裂縫可能是在后期瀝青生烴或因成巖作用收縮而形成的裂縫，也是頁巖油氣重要的儲(chǔ)集空間。

a.長(zhǎng)7頁巖儲(chǔ)層中的微裂隙中充填碳質(zhì)瀝青(LP36，1188 m)；b.裂縫中的油發(fā)黃色熒光(L101，1469.5 m)；c.長(zhǎng)7頁巖儲(chǔ)層中瀝青或干酪根中發(fā)育的微裂縫(LP36，1188.67 m)

圖5富縣西北部地區(qū)長(zhǎng)7頁巖裂隙特征

2.5 頁巖有機(jī)地球化學(xué)特征

頁巖的有機(jī)地球化學(xué)特征一般包括頁巖中有機(jī)質(zhì)類型、有機(jī)質(zhì)豐度和有機(jī)質(zhì)成熟度。頁巖有機(jī)地球化學(xué)特征研究對(duì)區(qū)域烴源巖評(píng)價(jià)、沉積環(huán)境分析、生烴潛力及估算生油量等研究都有十分重要的意義[13，14]。

根據(jù)樣品分析、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、前人研究得知，研究區(qū)長(zhǎng)7段頁巖有機(jī)碳介于0.86%～7.83%，平均值為5.12%，多數(shù)樣品大于5%；氯仿瀝青“A”百分含量變化范圍在0.41%～0.76%之間，均值為0.49%；生烴潛量(S1+S2)主要變化在3.98～21.7，均值12.75，均達(dá)到好烴源巖標(biāo)準(zhǔn)。

研究區(qū)的頁巖有機(jī)質(zhì)的鏡質(zhì)體反射率RO為0.7%～1.2%之間，平均0.91%，表明頁巖演化程度已進(jìn)入成熟階段。長(zhǎng)7頁巖飽和烴含量分布在30.24%～78.04%之間，非烴+瀝青質(zhì)含量分布在5.49～48.86 mg/g之間，飽/芳比分布在0.88～7.58之間。根據(jù)有機(jī)質(zhì)類型標(biāo)準(zhǔn)(表2)，研究區(qū)長(zhǎng)7有機(jī)質(zhì)類型為典型的Ⅰ型(腐泥型)、Ⅱ1(腐殖-腐泥型)，還有部分Ⅱ2(腐泥-腐殖型)。

表2 陸相烴源巖有機(jī)質(zhì)類型的熱解參數(shù)劃分標(biāo)準(zhǔn)(據(jù)SY/T5735—1995)

3 頁巖地質(zhì)意義及探討

3.1 充足的物質(zhì)基礎(chǔ)

研究區(qū)長(zhǎng)7湖相泥頁巖分布厚度較大，尤以長(zhǎng)73頁巖厚度穩(wěn)定，并且已有多位研究者認(rèn)為富縣地區(qū)三疊系延長(zhǎng)組油藏物源大多來自長(zhǎng)7有效烴源巖[15-18]，是研究區(qū)最好的烴源巖。烴源巖中有機(jī)質(zhì)是生成油氣的物質(zhì)基礎(chǔ)，有機(jī)質(zhì)豐度三個(gè)參數(shù)值-TOC、S1+S2、氯仿瀝青“A”，結(jié)合陸相湖泊泥質(zhì)烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[19，20]，研究區(qū)長(zhǎng)7油頁巖的有機(jī)質(zhì)豐度級(jí)別為很好的烴源巖；有機(jī)質(zhì)成熟度處于成熟階段，正處于生油期，有利于頁巖油的形成；有機(jī)質(zhì)類型以I型、II1型為主，為有利生烴類型；除此以外，研究區(qū)內(nèi)含量較高的有機(jī)質(zhì)、粘土礦物能使泥頁巖的烴吸附能力增強(qiáng)[21]，加上穩(wěn)定的構(gòu)造條件和湖水下缺氧環(huán)境，易形成生烴-保烴的良好環(huán)境。

3.2 有利儲(chǔ)集條件

研究區(qū)長(zhǎng)7頁巖礦物成分中含有一定量的脆性礦物做支撐；且存在不同尺度粒內(nèi)孔隙、溶蝕孔、有機(jī)質(zhì)孔，數(shù)量較多，為液態(tài)烴的賦存、吸附提供了一定空間。分析測(cè)試結(jié)果表明，研究區(qū)長(zhǎng)7頁巖平均孔隙度為1.73%。上述條件為烴類物質(zhì)成藏、賦存環(huán)境提供了良好的保障，具備較好的儲(chǔ)集層條件。上覆于長(zhǎng)7段烴源巖層之上的長(zhǎng)6段、長(zhǎng)4+5段、長(zhǎng)2段等儲(chǔ)層均可直接獲得下伏烴源巖層中的油氣而聚集成藏，形成下生上儲(chǔ)式組合。也已有研究者認(rèn)為長(zhǎng)71與長(zhǎng)73在長(zhǎng)7段地層中形成良好的源儲(chǔ)一體模式[22]。

a.孔隙中賦存發(fā)藍(lán)色熒光和黃色熒光液態(tài)烴，礦物粒內(nèi)孔賦存液態(tài)烴(LP36，1188.67 m)；b.長(zhǎng)7頁巖儲(chǔ)層中瀝青或干酪根中發(fā)育的微裂縫(LP36，1192.38 m)；c.孔隙中充填油脂光澤滴狀液態(tài)烴(左：SEM照片，右：EDS能譜分析LP36，1187.59 m)

圖6富縣西北部地區(qū)長(zhǎng)7頁巖孔隙中賦存的液態(tài)烴

在熒光鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)液態(tài)烴賦存在各類孔隙中和礦物顆粒表面，均以游離態(tài)形式存在(圖6)。偏光顯微鏡、熒光顯微鏡、掃描電鏡，結(jié)合能譜分析技術(shù)顯示，研究區(qū)長(zhǎng)7頁巖中賦存液態(tài)烴，且有較好的含油氣性。

3.3 較好的保存條件

研究區(qū)長(zhǎng)7頁巖中僅發(fā)育微裂縫，無斷層，對(duì)該區(qū)儲(chǔ)層破壞小。長(zhǎng)7段烴源巖中的油氣，垂向向下運(yùn)移至長(zhǎng)81段儲(chǔ)集巖中聚集成藏，而長(zhǎng)7段的細(xì)粒層(如泥巖、粉砂質(zhì)泥巖)則作為其區(qū)域性蓋層，將油氣較好的保存下來，形成上源下儲(chǔ)式組合。富縣地區(qū)長(zhǎng)7頁巖壓力處于較高的過剩壓力[22]，說明具有較好的封隔性能，對(duì)烴類的保存有利。

上述情況已在實(shí)際鉆采過程中有所顯示。目前為止，富縣地區(qū)鉆井結(jié)果顯示頁巖油、頁巖氣資源多集中于長(zhǎng)7、長(zhǎng)8地層中。其中頁巖油顯示較好的油井有188井、FY4井、FY5井、YY28井；產(chǎn)量較高頁巖氣井YX1井、HT1井、YY34井、H43井等井均位于富縣西北部地區(qū)(圖2)，含油層位多集中于長(zhǎng)71、長(zhǎng)72，含氣層在長(zhǎng)73層位中多見。

綜上，頁巖對(duì)頁巖油、頁巖氣資源的生成、儲(chǔ)集、保存有重大貢獻(xiàn)意義，整體來講，頁巖油氣資源富集多受到頁巖厚度大、孔隙發(fā)育(含有機(jī)質(zhì)孔)、有機(jī)質(zhì)豐度高、有機(jī)質(zhì)成熟度處于成熟階段、有機(jī)質(zhì)類型為I型、II1型等特征影響。具體數(shù)值或突出貢獻(xiàn)因素有待更深入對(duì)比研究。

4 結(jié)論

富縣西北部地區(qū)長(zhǎng)7頁巖為黑色、灰黑色，巖性多見頁巖夾泥巖、粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖；礦物成分復(fù)雜多樣；頁巖測(cè)井電性特征明顯、易識(shí)別；研究區(qū)長(zhǎng)7地層中頁巖厚度為12.5 m～102 m，變化范圍較大，平均厚度49.07 m；長(zhǎng)7三個(gè)亞層中頁巖縱向上存在差異，長(zhǎng)71、長(zhǎng)72亞層發(fā)育不穩(wěn)定，長(zhǎng)73全區(qū)均可見；長(zhǎng)7頁巖中發(fā)育有粒間孔、晶間孔、溶蝕孔隙、有機(jī)質(zhì)孔。

研究區(qū)長(zhǎng)7泥頁巖有機(jī)地球化學(xué)特征表現(xiàn)為：有機(jī)質(zhì)豐度高-TOC含量較高(平均5.12%)，氯仿瀝青“A”百分含量平均0.49%，生烴潛量(S1+S2)大；R0值平均為0.91%，有機(jī)質(zhì)類型為I型、II1型；有機(jī)質(zhì)成熟度處于成熟階段。

長(zhǎng)7頁巖有機(jī)質(zhì)豐度好、成熟度高、I型、II1型有機(jī)質(zhì)類型均有利于生烴，為鄰近長(zhǎng)2、長(zhǎng)4+5、長(zhǎng)6、長(zhǎng)8油藏提供充足的物質(zhì)基礎(chǔ)；成巖過程中形成的粒間孔、溶蝕孔及有機(jī)質(zhì)孔為烴類賦存、吸附提供儲(chǔ)集空間；長(zhǎng)7頁巖中致密層的存在為烴類的富集提供了有效的遮擋、保存條件。