2021, Vol. 30
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2. 东北石油大学, 黑龙江 大庆 163318
2. Northeast Petroleum University, Daqing 163318, Heilongjiang Province, China
近年来, 美国页岩油产量迅速增加, 成功实现商业开发, 页岩油资源受到油气行业广泛关注[1-3].据2017年底美国能源信息署(EIA)和美国先进资源国际公司(Advanced Resources International, ARI)数据分析, 全球页岩油资源丰富, 技术可采储量为618.47×108 t.其中, 中国页岩油技术可采储量为44.8×108 t [4-7], 资源潜力巨大, 是中国油气资源的重要接替领域.勘探实践证明中国页岩油资源主要分布在松辽盆地的白垩系、准噶尔盆地的二叠系、鄂尔多斯盆地的三叠系、渤海湾和江汉盆地的古近系、新近系[8-14].
随着中国页岩油研究程度不断加深, 相继在松辽盆地齐家-古龙凹陷(白垩系青山口组) [15-16]、鄂尔多斯盆地陇东地区(三叠系延长组) [17-19]、渤海湾盆地沧东凹陷(古近系孔店组) [20]、准噶尔盆地吉木萨尔凹陷(二叠系芦草沟组) [21]等湖相盆地中不同程度地获得了页岩油油流, 其中部分地区已实现工业化开发.松辽盆地三肇凹陷中生界上白垩统青山口组一段(K2qn1, 简称青一段)泥页岩层厚度大、分布广泛、有机质丰度高, 同样具备优越的页岩油发育地质条件, 但由于研究区页岩油勘探和研究较晚, 主要目的层青一段泥页岩地球化学、矿物学等方面的研究还存在一定不足.本文基于三肇凹陷的松页油3井岩心测试分析数据, 重点开展2方面研究工作:1)通过泥页岩有机质丰度、沉积构造、矿物组成研究, 明确青一段泥页岩石学特征; 2)在岩石学研究的基础上, 进行岩相划分, 明确各岩相分布特征及页岩油富集的有利岩相, 以期为今后松辽盆地三肇凹陷页岩油勘探开发提供基础参考.
1 研究区概况松辽盆地位于中国东北部, 面积约26×104 km2, 是目前世界上已发现的最大的陆相含油气盆地, 是中国主要的油气产区.三肇凹陷位于松辽盆地中央凹陷区内, 西连大庆长垣, 东邻朝阳沟阶地, 北部与绥化凹陷、绥棱背斜带和安达向斜南部相邻, 是一个长期继承性发育的拗陷[22], 面积约5 500 km2 (图 1)[23-24].青山口组以温暖潮湿条件下的湖泊沉积为主, 青一段沉积时期发生大规模的水进, 为半深湖-深湖缺氧还原环境[25], 形成了以灰黑色-黑色巨厚泥岩为主, 间有灰黑色泥质粉砂岩、深灰色粉砂岩的细粒岩性组合.松页油3井是部署在三肇凹陷中部针对青一段页岩油资源的一口参数井, 完钻井深2 547 m, 自上而下揭示的地层依次为第四系, 新近系泰康组, 白垩系上统明水组、四方台组、嫩江组、姚家组、青山口组, 白垩系下统泉头组(未穿).目的层青一段顶深1 968.5 m, 底深2 061.5 m, 厚93 m, 该井针对青一段进行了全段取心.
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图 1 松辽盆地构造分区及研究区范围 Fig.1 Tectonic division of Songliao Basin with the study area 1-盆地边界(basin boundary); 2-一级构造分区界线(boundary of first-order tectonic division); 3-二级构造分区界线(boundary of second-order tectonic division); 4-研究区范围(study area); 5-井位(well location); 6-城市(city); Ⅰ-西部斜坡区(western slope); Ⅱ-北部倾没区(northern plunge); Ⅲ-中央拗陷区(central depression); Ⅲ1-黑鱼泡凹陷(Heiyupao sag); Ⅲ2-明水阶地(Mingshui terrace); Ⅲ3-龙虎泡-红岗阶地(Longhupao-Honggang terrace); Ⅲ4-齐家-古龙凹陷(Qijia-Gulong sag); Ⅲ5-大庆长垣(Daqing placanticline); Ⅲ6-三肇凹陷(Sanzhao sag); Ⅲ7-朝阳沟阶地(Chaoyanggou terrace); Ⅲ8-长岭凹陷(Changling sag); Ⅲ9-扶余隆起带(Fuyu uplift); Ⅲ10-双坨子阶地(Shuangtuozi terrace); Ⅳ-东北隆起区(northeast uplift); Ⅴ-东南隆起区(southeast uplift); Ⅵ-西南隆起区(southwest uplift) |
沉积构造、有机质丰度及矿物成分是揭示富有机质泥页岩岩石学特征多样性的主要因素, 也是从沉积成因角度划分岩相类型的重要依据[26-27].
2.1 沉积构造松页油3井青一段岩性主要为灰黑色荧光泥岩和灰黑色荧光泥页岩, 含少量黑灰色荧光泥岩、灰黑色荧光含介形虫泥岩、灰黑色泥页岩, 局部可见深灰色泥质粉砂岩、灰黑色含介形虫荧光泥岩、灰黑色荧光含介形虫泥页岩、绿灰色泥质粉砂岩, 偶见灰白色沉凝灰岩、灰黑色介形虫层等.发育块状构造、水平层理, 局部可见介形虫化石、黄铁矿团块、植物碎片和炭屑.
通过对岩心和薄片观察, 识别出块状构造和纹层状构造两种沉积构造类型(图 2), 总体为纹层状沉积构造, 局部见块状沉积构造, 中-下部块状沉积构造较上部更为发育.块状构造主要特征是无颜色、粒度、矿物组成的明显变化, 岩石整体表现为均质; 纹层状构造在颜色、粒度、矿物组成方面发生突变, 单层厚度小于1 mm, 并间隔反复出现.
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图 2 松页油3井青一段泥页岩岩心与薄片照片 Fig.2 Cores and thin sections of the shale from the 1st member of Qingshankou Formation in SYY-3 well a-灰黑色层状泥页岩(grayish-black laminated shale); b-灰黑色块状泥页岩(grayish-black massive shale); c-纹层状构造(laminated structure); d-块状构造(massive structure) |
总有机碳含量(TOC)测试流程依据GB/T 19145-2003 《沉积岩中总有机碳的测定》进行.采用美国力可公司C-744碳分析仪将样品在高温下燃烧氧化, 将有机碳转化为CO2, 利用热导检测器检测CO2体积, 再换算出碳的百分含量.岩石热解测试流程依据石油天然气行业标准SY/T 5117-1996 《岩石热解分析方法》进行, 采用Rock-Eval VI岩石热解仪测定.测试由东北石油大学非常规油气成藏与开发省部共建国家重点实验室完成, 共测定样品199个, 样品平均间隔0.45 m.
(2) 测试结果及分析根据中国陆相烃源岩有机质丰度评价指标标准, TOC < 0.4%或S1+S2 < 0.5×10-3为非烃源岩, TOC在0.4%~0.6%之间或S1+S2在0.5×10-3~2.0×10-3之间为差烃源岩, TOC在0.6%~1.0%之间或S1+S2在2.0×10-3~6.0×10-3之间为中等烃源岩, TOC在1.0%~2.0%之间或S1+S2在6.0×10-3~20.0×10-3之间为好烃源岩, TOC>2.0%或S1+S2>20.0×10-3为最好烃源岩[19-20].
测试结果表明, 松页油3井青一段泥页岩TOC含量为0.50%~6.82%, 平均值为3.16%, 其中多数样品TOC>1.0%, 占比97.99%, 仅有4块样品TOC < 1.0%;主要分布范围在2.0%~4.0%之间, 占比65.44%. S1+S2为2.01×10-3~49.41×10-3, 平均值为23.02×10-3, 其中多数样品S1+S2>10×10-3, 占比94.97%, 仅有10块样品S1+S2 < 10×10-3; 主要分布范围在10×10-3~30×10-3之间, 占比90.95%(图 3).总体上, 青一段泥页岩为典型的富有机质泥页岩特征, 不仅TOC含量高, 而且生烃潜量高, TOC含量与S1+S2具有很好的正相关性, 总体表现出好-最好的烃源岩的特征(图 4).
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图 3 松页油3井青一段泥页岩TOC与S1+S2频率分布图 Fig.3 Frequency distribution histograms for TOC and S1+S2 of shale from the 1st member of Qingshankou Formation in SYY-3 well |
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图 4 松页油3井青一段泥页岩有机质丰度评价 Fig.4 Evaluation of organic matter abundance of shale from the 1st member of Qingshankou Formation in SYY-3 well |
矿物组成测试流程依据SY/T 5163-2010《沉积岩中黏土矿物和常见非黏土矿物X射线衍射分析方法》, 采用德国布鲁克D8AA25 X射线衍射仪, 实验在25 ℃、30%~46% RH的环境下进行.测试由东北石油大学非常规油气成藏与开发省部共建国家重点实验室完成, 共测定样品199个, 样品平均间隔0.45 m.
(2) 测试结果及分析测试结果表明松页油3井青一段泥页岩以长英质矿物为主(含量3.7%~73.4%, 平均值为49.36%), 其次为黏土矿物(含量2.5%~49.60%, 平均值为33.62%), 碳酸盐矿物含量较低(含量0~93.53%, 平均值为13.13%), 黄铁矿含量最低(含量0~18.58%, 平均值为3.89%).长英质矿物中石英含量最高, 平均值为30.43%;斜长石含量次之, 平均值为18.46%;钾长石含量最低, 平均值为0.47%.碳酸盐矿物中铁白云石含量最高, 平均值为8.34%;方解石含量次之, 平均值为3.85%;菱铁矿含量最低, 平均值为0.93%.黏土矿物组成依次为伊利石(含量32%~87%, 平均值为66.99%)、伊蒙混层(含量10%~55%, 平均值为21.56%)、绿泥石(含量2%~30%, 平均值为11.44%)、绿蒙混层(含量0.01%, 1块样品).纵向上, 松页油3井青一段泥页岩矿物组成变化相对较小, 总体以长英质矿物为主, 其次为黏土矿物, 碳酸盐矿物含量较低.局部夹层碳酸盐矿物含量较高, 甚至大于50%, 如1990.54 m、1998.22 m、2012.43 m、2038.32 m、2055.71 m等取样点.
3 泥页岩岩相划分 3.1 划分标准深湖-半深湖相沉积的泥页岩看似单一, 都为暗色颗粒, 实际上不同岩性之间存在着较大的差异.国内外学者对泥页岩岩相的划分有着多种方法, 对比综合国内外研究学者的划分方法, 本文采用"有机碳丰度(TOC)-岩石沉积构造-矿物组成"三分法的岩相分类方案.
(1) 有机碳的划分界限松辽盆地青一段泥页岩TOC与氢指数(HI)在不同区间的相关关系研究结果[28]表明, TOC值小于1%时, HI极低; TOC值为1%~2%时, HI与TOC值呈正相关关系; TOC值大于2%后, HI趋于稳定, 不再随着TOC值的增大而升高.因此, 针对陆相富有机质泥页岩, 将TOC值小于1%界定为低有机质含量, TOC值为1%~2%界定为中等有机质含量, TOC值大于2%界定为高有机质含量, 能够较好地划分泥页岩在有机质含量方面的优劣.
(2) 岩石沉积构造划分以往研究经验表明, 松辽盆地青一段泥页岩黏土、碳酸盐矿物含量与其发育的构造类型呈现一定的相关性.黏土矿物或碳酸盐矿物含量过高时, 泥页岩更易形成块状构造.随着黏土矿物含量降低, 泥页岩依次呈现纹层构造和层状构造.这表明泥页岩的矿物组成和沉积构造之间存在内在成因联系, 因此在泥页岩岩相划分方案中, 泥页岩的沉积构造也是划分标准之一.
(3) 岩石矿物组成划分对于岩石成分的划分, 国内外学者提出了多种方案.综合对比多位学者的分类方案, 本研究决定采用Allix等[29]提出的分类方法, 依据有机泥页岩中黏土矿物-碳酸盐矿物-长英质矿物含量, 将泥页岩划分为5类: Ⅰ)钙质泥页岩, Ⅱ)纯泥页岩, Ⅲ)长英质泥灰岩, Ⅳ)黏土质泥页岩, Ⅴ)长英质泥页岩.此种分类方法更能反映出有机泥页岩相之间的内在联系.
3.2 岩相划分基于上述划分标准, 对松页油3井青一段泥页岩进行岩相划分.根据TOC含量可分为3类:低有机质(TOC < 1%)、中有机质(1% < TOC < 2%)、高有机质(TOC>2%).其中低有机质泥页岩所占比例为2.01%, 中有机质泥页岩所占比例为11.56%, 高有机质泥页岩所占比例为86.43%.根据岩心观察及镜下薄片观测, 将之划分为块状沉积构造和纹层状沉积构造2类.其中块状沉积构造所占比例为18.09%, 纹层状沉积构造所占比例为81.91%.根据矿物组成, 松页油3井青一段泥页岩主要归于泥页岩类型划分中的4类(图 5):Ⅰ)钙质泥页岩、Ⅲ)长英质泥灰岩、Ⅳ)黏土质泥页岩、Ⅴ)长英质泥页岩.其中长英质泥页岩所占的比例最高, 为88.44%, 其他3类泥页岩所占比例很低, 尤其是黏土质泥页岩几乎可以忽略不计(不参与进一步岩相划分).
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图 5 松页油3井青一段泥页岩矿物组成分类图 Fig.5 Classification of rock types by mineral compositions for the shale of the 1st member of Qingshankou Formation in SYY-3 well Ⅰ-钙质泥页岩(calcareous shale); Ⅱ-纯泥页岩(pure shale); Ⅲ-长英质泥灰岩(felsic marl); Ⅳ-黏土质泥页岩(clayey shale); Ⅴ-长英质泥页岩(felsic shale) |
综合TOC含量、沉积构造及矿物组成特征, 将松页油3井青一段泥页岩岩相划分为9类: 1)低有机质块状钙质泥页岩岩相, 2)中有机质块状钙质泥页岩岩相, 3)中有机质块状长英质泥灰岩岩相, 4)中有机质块状长英质泥页岩岩相, 5)中有机质纹层状长英质泥页岩岩相, 6)高有机质块状钙质泥页岩岩相, 7)高有机质块状长英质泥页岩岩相, 8)高有机质纹层状长英质泥灰岩岩相, 9)高有机质纹层状长英质泥页岩岩相.各泥页岩岩相具体特征见表 1.
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表 1 松页油3井青一段典型泥页岩岩相特征表 Table 1 Lithofacies characteristics of typical shale from the 1st member of Qingshankou Formation in SYY-3 well |
在上述9类泥页岩岩相中, 低有机质块状钙质泥页岩岩相、中有机质块状钙质泥页岩岩相、中有机质块状长英质泥灰岩岩相、中有机质块状长英质泥页岩岩相、高有机质块状钙质泥页岩岩相及高有机质纹层状长英质泥灰岩岩相发育比例很小; 中有机质纹层状长英质泥页岩岩相与高有机质块状长英质页泥岩发育比例相当, 占比10%左右; 高有机质纹层状长英质泥页岩岩相是发育比例最高的岩相类型, 占比68.18%(图 7).纹层状泥页岩较块状泥页岩TOC含量高, 长英质泥页岩较钙质泥页岩TOC含量高, 纹层状长英质泥页岩岩相是页岩油富集的有利岩相.
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图 6 松页油3井青一段各类泥页岩岩相发育比例图 Fig.6 Proportion chart of various shale lithofacies developed in the 1st member of Qingshankou Formation in SYY-3 well 1-低有机质块状钙质泥页岩岩相(massive calcareous shale with low TOC); 2-中有机质块状钙质泥页岩岩相(massive calcareous shale with moderate TOC); 3-中有机质块状长英质泥灰岩岩相(massive felsic marl with moderate TOC); 4-中有机质块状长英质泥页岩岩相(massive felsic shale with moderate TOC); 5-中有机质纹层状长英质泥页岩岩相(laminated felsic shale with moderate TOC); 6-高有机质块状钙质泥页岩岩相(massive calcareous shale with high TOC); 7-高有机质块状长英质泥页岩岩相(massive felsic shale with high TOC); 8-高有机质纹层状长英质泥灰岩岩相(laminated felsic marl with high TOC); 9-高有机质纹层状长英质泥页岩岩相(laminated felsic shale with high TOC) |
三肇凹陷青山口组一段泥页岩发育块状构造和纹层状构造两种沉积构造类型. TOC含量高, 平均值为3.16%, 生烃潜量高. S1+S2平均值为23.02×103, 总体为好-最好的烃源岩.矿物组成以长英质矿物为主, 黏土矿物次之, 碳酸盐矿物、黄铁矿含量较低.黏土矿物组成主要为伊利石, 其次为伊蒙混层、绿泥石等.
将青一段泥页岩划分出9类岩相: 1)低有机质块状钙质泥页岩岩相, 2)中有机质块状钙质泥页岩岩相, 3)中有机质块状长英质泥灰岩岩相, 4)中有机质块状长英质泥页岩岩相, 5)中有机质纹层状长英质泥页岩岩相, 6)高有机质块状钙质泥页岩岩相, 7)高有机质块状长英质泥页岩岩相, 8)高有机质纹层状长英质泥灰岩岩相, 9)高有机质纹层状长英质泥页岩岩相.其中高有机质纹层状长英质泥页岩岩相最为发育, 且有机质含量高, 生烃潜力高, 是三肇凹陷页岩油勘探的最有利的岩相类型.
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