鄂尔多斯盆地延长组长7湖相页岩油地质特征评价

2015-07-02 05:27张文正杨伟伟中国石油天然气股份有限公司长庆油田分公司勘探开发研究院陕西西安710021低渗透油气田勘探开发国家工程实验室陕西西安710018中国科学院广州地球化学研究所广东广州510640中国石油天然气股份有限公司长庆油田分公司陕西西安710021
地球化学 2015年5期
关键词:互层层状鄂尔多斯

张文正, 杨 华, 杨伟伟, 吴 凯, 刘 飞 (1. 中国石油天然气股份有限公司 长庆油田分公司 勘探开发研究院, 陕西 西安 710021; 2. 低渗透油气田勘探开发国家工程实验室, 陕西 西安 710018; 3. 中国科学院 广州地球化学研究所, 广东 广州 510640; 4. 中国石油天然气股份有限公司 长庆油田分公司, 陕西 西安 710021)

0 引 言

页岩油是指以游离(含凝析态)、吸附及溶解态(可溶解于天然气、干酪根和残余水等)等多种方式赋存于有效生烃泥页岩地层层系中且具有勘探开发意义的非气态烃类, 属于典型的自生自储型原地聚集油气类型[1–3]。储集层岩性主要为富有机质泥页岩及其夹有的薄层致密砂岩、碳酸盐岩等。目前页岩油已在美国、加拿大、澳大利亚等国家得到了商业性的开发[2,4–9], 在我国渤海湾、鄂尔多斯、松辽、南襄等多个中新生代陆相湖盆中, 也已不同程度地获得了工业页岩油流[10–13], 显示出良好的勘探开发前景。以往研究认为富有机质黑色页岩主要是提供油气来源的生油岩, 或为阻止油气继续运移、逸散的封盖层, 并非油气储集层, 故长期未被纳入油气勘探开发之列, 但在大量钻遇黑色富有机质页岩地层中发现了丰富的石油显示, 证明富有机质页岩中存在页岩油资源。

鄂尔多斯盆地为我国第二大沉积盆地, 中生界石油资源十分丰富。晚三叠世时期, 华北陆块与扬子陆块碰撞拼接, 受秦岭造山活动的影响, 在华北陆块西南部的鄂尔多斯地区形成了大型陆相湖盆[14–16],中生界延长组记录了整个湖盆发生、发展到消亡的全过程[14–16]。根据岩性、沉积特征, 可以将延长组自上而下划分为长1—长10等10个油层组, 其中长7期为湖泊发展的鼎盛时期, 大范围发育了一套深湖-半深湖相页岩层[14–16], 为页岩油生烃成藏奠定了物质基础。目前已有学者对鄂尔多斯盆地长 7页岩油展开初步探讨[17–18], 并利用测井资料预测了页岩油储层裂缝的展布[19], 但尚未对页岩油形成的地质条件、含油气性特征等方面展开详细研究。本工作拟利用测井、地球化学、岩石薄片、扫描电镜等资料对鄂尔多斯盆地延长组长7湖相页岩层的发育与分布特征、矿物岩石学及有机地球化学等特征进行研究, 对鄂尔多斯盆地延长组湖相页岩油的地质特征展开评价, 以期为页岩油藏富集区评价、资源潜力分析等深入研究奠定基础, 从而有效指导鄂尔多斯盆地页岩油的勘探开发。

1 长7页岩油的定义与分类

在晚三叠世长 7早期, 强烈的构造活动使得湖盆快速扩张[20], 形成了大范围的深水沉积, 发育了大规模的湖相页岩层, 同期存在的地震活动诱发了盆地内重力流沉积, 即震浊积岩[21], 其最大特点是页岩与薄夹层砂岩呈频繁互层沉积。因此, 长 7底部发育深湖-半深湖相泥页岩; 长7中上部发育致密砂岩、暗色泥岩与粉砂质泥岩(图1)。就鄂尔多斯盆地而言, 可以将页岩油定义为长 7湖相页岩层内的油气聚集, 储集层以黑色富有机质页岩为主, 同时包括不能单独作为油藏单元开发的单个或多个薄砂岩夹层, 属典型的源内油(气)藏。与其相对应, 长 7中上段致密砂岩内的油气聚集被称为致密油。从岩性组合特征来看, 长 7湖相页岩层发育“砂岩-页岩互层”(图 1a)与“厚层状页岩层”两种地层组合类型(图 1b、图 1c)。

根据有机质丰度特征、元素地球化学特征可以将长7湖相页岩层划分为Ⅰ类页岩与Ⅱ类页岩。Ⅰ类页岩富含有机质, 扫描电镜下常见有机质纹层与大量黄铁矿, TOC含量一般大于6%, 最高可达30%以上, 异常富集放射性铀元素(平均铀含量为50×10–6, 最高可达 140×10–6, 61 个样品), S2–含量极高(平均为 8.2%, 最高为 18.26%, 61个样品), 而稀土元素含量较低(平均含量为 148×10–6, 61个样品),反映了有机质快速堆积、陆源碎屑补给速度慢的深湖相缺氧沉积, 该类页岩在中国乃至全世界都较为少见, 为优质烃源岩, 也叫富铀页岩(hot shale)。Ⅱ类页岩(又称黑色泥岩)有机碳含量主要为 2%~6%,扫描电镜下未见有机质纹层, 黄铁矿含量也降低,铀元素含量平均为 7.2×10–6(40 个样品), S2–含量平均为 1.36% (35个样品), 稀土元素含量平均为221×10–6(40个样品), 说明其形成于陆源补给速度相对较快的湖泊环境中。基于此, 两类页岩在平面分布、厚度展布、岩石矿物学特征、储集空间类型等方面都具有一定的规律性与差异性(下文

介绍), 所以我们将“厚层状页岩层”页岩油进一步划分为以“厚层状Ⅰ类页岩”为主的页岩油(图 1b)与以“厚层状Ⅱ类页岩”为主的页岩油(图 1c)。需要指出的是,“砂岩-页岩互层”中的页岩绝大多数属于Ⅰ类页岩。

2 长7页岩油形成的地质条件

2.1 页岩层展布特征

大规模广泛分布且有一定厚度的页岩层奠定了页岩油形成的物质基础, 控制了页岩油的资源量。长7页岩段富铀、富有机质的特征使其在测井综合图上表现出高伽马(GR)、高电阻率(RT或ILD)、高声波时差(AC)、低密度(ρ)等显著特征, 与砂质、粉砂质泥岩明显不同(图1b、图1c)。由于Ⅰ类页岩与Ⅱ类页岩的有机质丰度、铀含量差别较大, 其测井响应特征差异明显, Ⅰ类页岩的测井响应幅度较大。数据统计表明, 利用伽马与密度测井可以将两类页岩区分开来, Ⅰ类页岩伽马值多大于 200 API,密度多小于2.4 g/cm3。相反, Ⅱ类页岩伽马值一般小于200 API, 密度大于2.4 g/cm3。但在对长7湖相页岩层的实际应用中, 这个数值也不是完全绝对的, 需要结合岩芯、录井以及有机碳测试数据等进行有效识别。

大量钻井统计结果表明, 长7湖相页岩层大规模发育, 厚度大于10 m的页岩分布范围可达3×104km2,但是厚度变化较大, 最厚可达130 m(图2)。不同类型的页岩油在平面上的分布具有一定的规律性。“砂岩-页岩互层”型页岩油主要分布于湖盆中部的白豹-华池以及桐川-庆阳、正宁等地区, 平面上呈条带状展布, 其厚度较大, 湖盆中部的白豹-华池地区厚度为 50~110 m; 桐川-庆阳、正宁地区页岩厚度为20~70 m(图 2)。“厚层状Ⅰ类页岩”为主的页岩油主要分布湖盆西南部, 与“砂岩-页岩互层”型页岩油相间展布, 厚度多小于50 m(图2)。“厚层状Ⅱ类页岩”为主的页岩油主要分布于湖盆东部、西北部与盆地边缘, 厚度较大, 塔尔湾以东地区页岩厚度可达130 m,大水坑-麻黄山-耿湾一带页岩厚度最厚可达 120 m,盆地边缘地区厚度变薄(图2)。总之, 长7湖相页岩层规模展布, 厚度较大, 提供了页岩油成藏的基本地质条件。

2.2 岩石矿物学特征

北美页岩油气开采经验表明, 富含石英及碳酸盐等脆性矿物的页岩具有较好的可压性, 在外力作用下利于形成天然裂缝和诱导裂缝, 有利于页岩油开采[10,12]。岩芯观察与岩样粗磨显示, 长 7湖相页岩质硬、性脆, Ⅰ类页岩(富铀页岩)脆性较高。X射线衍射分析结果证实了这一点, 长 7湖相页岩中石英、长石、碳酸盐(方解石与白云石)、黄铁矿等脆性矿物含量较高, 占总矿物含量的 43.9%~85.3%(图3)。有机质极为富集的Ⅰ类页岩中黄铁矿含量较高,黏土矿物含量较低, 占总矿物含量的 40%以下, 平均为 30%; Ⅱ类页岩(黑色泥岩)的黏土矿物含量分布于30.9%~56.1%之间, 平均约为42.8%, 较Ⅰ类页岩脆性低(图3)。另外, “砂岩-页岩互层”中的薄砂岩夹层矿物组分以石英、长石等刚性颗粒为主, 石英矿物含量多在 55%以上, 黏土矿物含量通常低于20%, 平均为 10.5%, 脆性强。因此, 鄂尔多斯盆地长 7页岩层脆性矿物较为富集的特征, 奠定了页岩油勘探评价的基础, 有利于页岩油的储集和开采。

2.3 生烃条件

页岩层的有机质丰度与热成熟度决定了页岩层的生烃能力, 有机质丰度高、有机质类型好(倾油性母质)、热演化程度适中是页岩油形成的重要因素。2.3.1 有机质丰度

有机碳测试结果显示, 长 7段页岩层有机质十分丰富, 残余有机碳含量高—极高。统计结果表明,Ⅰ类页岩的残余有机碳含量大都在 6%以上, 最高可达30%~40%, 平均有机碳含量为13.81%; Ⅱ类页岩的残余有机碳多为2%~6%, 平均有机碳含量为3.75%。2.3.2 有机质类型

长 7湖相页岩层具有较高氢指数(主要分布于150~600 mg/g范围)与低氧指数(大都小于20 mg/g)的特征。两类页岩在热解IH与Tmax图上均分布在有机质类型Ⅰ—Ⅱ1型区域, 说明长7段湖相页岩有机质类型较好, 为倾油性母质(图4)。干酪根的镜下观察表明, 长 7湖相页岩干酪根以无定形体为主(85%~99%), 见有少量形态组分(源于刺球藻)和孢子体, 很难找到镜质体等陆源有机组分, 说明其母质主要为湖生低等生物(藻类), 利于生油。

2.3.3 有机质成熟度

有机质成熟度为页岩油成藏的决定性因素, 当镜质体反射率(Ro)值小于 1.5%时, 以生油为主。已有的镜质体反射率资料表明, 长 7段湖相页岩层分布的绝大部分地区已经成熟(Ro为 0.9%~1.2%), 处于生油高峰阶段。

图2 长7湖相页岩层厚度展布及各类页岩油分布图Fig.2 Contour showing Chang7 lacustrine shale thickness and distribution of various shale oil in Ordos Basin

2.4 储集条件

2.4.1 厚层状页岩

采用饱和液体法(无水乙醇)与核磁共振测试法对长 7页岩孔隙度的测试结果相近, 均显示页岩孔隙度较低, 主要分布于 0.8%~1.86%之间, 平均在1%左右。相应地, 其渗透率也极低, 一般为 0.026~0.6 mD, 属于超低渗储层。

氩离子抛光-场发射扫描电镜观测发现, 长7湖相页岩结构十分致密, 可见孔极少, 但在有机质、黄铁矿以及有机质与无机矿物的接触面见到了不同产状的微裂隙, 长一般几微米到几十微米, 宽为几十纳米到几百纳米(图 5), 为页岩油的主要储集空间。其中较多的微裂隙与有机质有关, 主要分布于纹层状有机质、团块状有机质中或沿着有机质与矿物接触面展布; 部分微裂隙分布于黄铁矿晶体及草莓状黄铁矿中; 还有一些微裂隙分布于石英、长石、云母等矿物中。因此, 有机质与黄铁矿十分富集的Ⅰ类页岩中微裂隙更为发育, 该类页岩样品(如L57,2348.2 m, TOC为20.68%)中的局部地区还可见到密集分布的微裂隙(图 5d), 为页岩油提供了有效的储集空间。

图3 长7湖相页岩矿物百分含量直方图Fig.3 Histograms showing mineral contents of lacustrine shale from Chang7 Member

图4 长7湖相页岩有机质类型划分图Fig.4 Diagram showing classification of organic matter types of lacustrine shale from Chang7 Member

2.4.2 薄砂岩夹层

“砂岩-页岩互层”中的薄砂岩夹层十分发育, 厚度较薄, 但层数较多, 分布具有一定的规律性, 集中分布于湖盆中部的白豹-华池以及桐川-庆阳、正宁等地区(图2)。从B253—B247联井剖面图可以看出,这些薄砂岩夹层与富有机质页岩频繁互层, “砂岩-页岩互层”在横向上连续展布(图6)。

从孔隙度、渗透率统计结果来看, 薄砂岩夹层储层物性总体较差, 其中52%的样品孔隙度小于6%,平均孔隙度约为 5.6%(324个样品), 少数样品的孔隙度为13%左右; 70%的储层渗透率小于0.1 mD, 平均渗透率约为0.16 mD(313个样品), 属于超低渗储层(图 7)。虽然该类储层致密, 物性较差, 但相对于长7厚层状页岩而言(孔隙度在1%左右), 孔渗性相对较好。铸体薄片镜下观察可见长石溶孔、岩屑溶孔、微裂隙等多种储集空间类型(图 8), 因此, 这些薄致密砂岩夹层可以成为页岩油非常重要的储层类型。

2.5 埋深适宜

长7页岩油层底的埋深主要分布在1200~2600 m之间, 较为适中。与北美地区页岩油埋藏深度(小于2000 m)具有一定的可比性[22]。适宜的埋深确保了有机质处于适当的成熟条件(生油窗), 有利于页岩油的成藏。

图5 长7页岩储集空间类型Fig.5 Various types of reservoir space in Chang7 shale

3 长7页岩含油气性分析

3.1 厚层状页岩

厚层状页岩中的页岩油实质上是滞留烃, 其含量取决于自身的生油能力与储集性能, 常常用氯仿沥青“A”与热解S1来表征。分析测试资料统计表明,长 7厚层状页岩具有较好的含油性: 生烃能力较强的Ⅰ类页岩含油性也较好, 平均沥青“A”含量为0.8392%(89个样品), 平均热解S1为4.11 mg/g (226个样品); Ⅱ类页岩的平均沥青“A”含量为 0.6171%(63个样品), 平均热解S1为2.19 mg/g (135个样品),含油性好。

钻井过程中长 7页岩普遍显示高气测异常, 现场浸水试验可见断续状气泡冒出, 显示出良好的含气性。为进一步证实其含气性, 在两类页岩中各选取两块样品进行密闭岩芯解吸气试验(表1), 结果显示对整块岩芯一次解吸后Ⅰ类页岩平均含气量为1.5 m3/t, Ⅱ类页岩平均含气量为1.2 m3/t, 若粉碎后进行二次解吸, 还有一定的含气量。较高的含气量除了页岩气的自身潜力外, 还可以增加页岩层系的气油比, 提高原油的流动性与可采性。

表1 长7页岩密闭岩芯解吸气试验结果Table 1 Analytical results of desorbed gas from closed core samples form Chang7 shale

图7 长7薄砂岩夹层孔隙度、渗透率直方图Fig.7 Histogram of porosity and permeability of Chang7 thin sand interlayers

图8 长7薄砂岩夹层铸体薄片特征Fig.8 Characteristics of cast thin sections of thin sand interlayers in Chang7 Member

3.2 薄砂岩夹层

由于薄砂岩夹层分布于富有机质页岩层内, 油源条件优越, 页岩中所生成的石油只需经过极短距离的运移即可进入砂岩夹层聚集, 加之自身混有一定数量的沉积有机质, 具有一定的生烃能力(氯仿抽提后, 平均 TOC为 1.2%), 使得极致密的砂岩也具有良好的含油性。Z233井长7富有机质页岩层内砂岩薄片在单偏光(图 9, 左图)下孔隙不发育, 但在紫外光下(图 9, 右图)具有较强的荧光显示, 表明薄砂岩夹层具有良好的含油性。

图9 长7富有机质页岩层中薄砂岩夹层薄片照片(左)与荧光照片对比(右)Fig.9 Contrast between the thin cast photo (left) and fluorescence photo (right) of sand interlayers in Chang7 organic-rich shale Z233井, 长7, 1725.87 m, 砂岩

4 长7页岩油勘探有利区评价

综合页岩层展布特征、岩石矿物学特征、生烃条件、储集空间类型及含油气性, 认为长7“砂岩-页岩互层”分布区为鄂尔多斯盆地延长组页岩油勘探开发的有利目标区, 其中的薄砂岩夹层具有层数多、厚度薄、物性好、脆性强、含油性好的特征, 易于形成页岩油流, 同时这些“砂岩-页岩互层”在平面上连续展布, 有利于页岩油的勘探开发。该类页岩油与落基山脉地区的 Niobrara页岩油十分相似, 属于夹层富集型页岩油, Fort Hays泥灰岩和 Smoky Hill白垩为页岩油的主要产出层段, 孔隙度为4%~13%, 渗透率为0.1~3.0 mD[2]。目前已有数口探井经压裂改造后在“砂岩-页岩互层”中获得了工业油流(高达13 t/d), 展现了良好的勘探开发前景。所获得石油的油质较轻, 密度约为0.8 g/cm3, 沥青“A”族组分中饱和烃含量高达80%以上、沥青质含量极低, 原油性质好, 流动性好, 有利于页岩油的开发。

处于生油窗内的“厚层状页岩层”含油普遍, 但由于页岩十分致密, 使得该类页岩油的勘探开发相对困难, 只有含油率较高时才具有工业开发价值。目前国内外已经形成工业产能的实例相对较少, 以福特沃斯盆地Barnett页岩为典型代表, 页岩厚度为60~90 m, 埋藏深度为1980~2600 m, 有机碳含量为4%~8%, 有机质热演化程度(Ro)分布于 0.6%~1.4%,干酪根类型为Ⅰ、Ⅱ型, 页岩油的储集空间以亚微米级-微米级孔裂隙为主[2]。鄂尔多斯盆地长7“厚层状页岩”的热演化程度、埋藏深度与 Barnett页岩基本相当, “Ⅰ类页岩”的有机碳含量更高, “Ⅱ类页岩”的有机碳含量稍低, 考虑到“Ⅰ类页岩”的含油气性较好、脆性更强且微米级裂缝更为发育, 初步评价认为“厚层状Ⅰ类页岩”分布区为次于“砂岩-页岩互层”的另一页岩油勘探有利区, 但“厚层状Ⅱ类页岩”的厚度较大, 其页岩油的总体资源量也不容小觑。不过今后还需对页岩油气组成性质、赋存状态、可流动性等方面对鄂尔多斯盆地长7页岩油展开详细研究, 对页岩油的资源潜力展开精细评价, 以有效指导页岩油的勘探开发。

5 结 论

(1) 鄂尔多斯盆地延长组长 7湖相页岩层分布范围广、厚度较大, 刚性矿物组分含量较高、脆性较强, 有机质丰度高—很高、有机质类型好、有机质成熟—高成熟早期, 致密页岩中可见微米级裂隙同时湖盆中部等地区发育物性相对较好的薄砂岩夹层, 具备了页岩油形成的有利地质条件。

(2) 鄂尔多斯盆地页岩油为长 7湖相页岩层内的油气聚集, 储集层以黑色富有机质页岩为主, 同时包括不能单独作为油藏单元开发的单个或多个薄砂岩夹层, 属典型的源内油(气)藏。根据岩性组合、地球化学特征可以将长 7页岩油划分为“砂岩-页岩互层”、“厚层状Ⅰ类页岩”与“厚层状Ⅱ类页岩”等三种类型。

(3) 综合各项地质条件及含油气性分析, 认为长7 “砂岩-页岩互层”分布区为鄂尔多斯盆地延长组最为有利的页岩油勘探目标区, 其中的薄砂岩夹层层数多、厚度薄、物性好、脆性强、含油性好, 易于形成页岩油流; “厚层状Ⅰ类页岩” 生烃条件更好、脆性更强、微米级裂缝更为发育、含油气性较好, 为第二类有利勘探目标区。

文中相关测试数据在长庆油田分公司勘探开发研究院分析试验中心(低渗透油气田勘探开发国家工程实验室)完成; 参加实验与分析测试的人员还有解丽琴、昝川莉、孔庆芬、罗丽荣等高级工程师, 在此衷心感谢!

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