鄂尔多斯盆地富县区块中生界页岩气成藏条件与勘探方向

周文 苏瑗 王付斌 陈小梅 周小勇

1.“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室·成都理工大学 2.成都理工大学能源学院3.中国石化华北分公司勘探开发研究院

鄂尔多斯盆地富县区块中生界页岩气成藏条件与勘探方向

周文1,2苏瑗2王付斌3陈小梅3周小勇3

1.“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室·成都理工大学 2.成都理工大学能源学院3.中国石化华北分公司勘探开发研究院

鄂尔多斯盆地富县区块靠近盆地中心,发育大套黑色页岩,是页岩气成藏的有利区,分析其成藏条件对于明确该区页岩气下一步勘探方向具有重要意义。为此,根据页岩气成藏类型及成藏要素,对该区页岩分布、页岩埋藏深度、有机质丰度及类型、有机质热演化程度、孔隙度和渗透率、微裂缝、等温吸附特征与含气性等成藏条件进行了分析。结论认为:该区中生界延长组“张家滩页岩”具备页岩气富集成藏的条件;页岩厚度、有机碳含量、干酪根类型、成熟度、埋深和裂缝发育程度是该区页岩气勘探选区评价的关键地质参数。结合勘探过程中钻井气测异常的分布情况,指出该区块西南部和中部为下一步应关注的2个有利勘探目标。

鄂尔多斯盆地 富县区块 页岩气 成藏条件 勘探方向 有机质含量 等温吸附特征 气测异常

鄂尔多斯盆地富有机质泥页岩发育,在上三叠统延长组长9、长7、长6+5、长4+3等层均有发育。该套泥页岩属陆相盆地中三角洲及湖岸沼泽相、浅湖、半深湖相产物[1]。已有的研究成果表明,延长组富有机质泥岩厚度大,在盆地中南部地区分布稳定[1],是页岩气成藏有利区域。

富县区块位于延长组富有机质泥岩分布区的南部,构造上属于鄂尔多斯盆地伊陕斜坡南部,面积约3 834 km2,是中国石化华北分公司鄂尔多斯南部勘探区块之一。笔者根据富县地区的地质、钻井岩心分析、测井、录井等资料开展区内页岩气成藏地质条件研究,提出勘探方向。这不仅对该区今后的页岩气勘探开发具有指导作用,也为将来全盆中生界、甚至上古生界的页岩气成藏评价具有借鉴作用。

1 页岩气藏类型及成藏要素

页岩气藏的形成是天然气在烃源岩中大规模滞留的结果,按天然气成因可分为生物成因和热成因两种主要类型,以及两种类型的混合成因型[2]。页岩气藏是“自生自储”式气藏[3-5],运移距离极短,其现今保存状态基本上可以反映烃类运移的状况,即天然气主要以游离相、吸附相和溶解相存在。在生物化学生气阶段,天然气首先吸附在有机质和岩石颗粒表面,饱和后则富余的天然气以游离相或溶解相进行运移;当达到热裂解生气阶段,由于压力升高,若页岩内部产生裂缝,则天然气以游离相为主向其中运移聚集,受周围致密页岩烃源岩层遮挡、圈闭,易形成工业性页岩气藏。

要形成页岩气藏,烃源岩总有机碳含量必须大,有机质成熟度要适中,有效烃源岩厚度足够大且分布广。总有机碳含量与产气率密切相关,实践表明其值大于2%才有工业价值。如美国主要的产生物气页岩 TOC平均为6%,产热成因气页岩 TOC平均为3%[6-7]。在热成因页岩气藏中,含气量会随有机质成熟度的逐渐增大而增加;但当有机质进入过成熟期,生气量会明显减少,如美国Fort Worth盆地Barnett页岩气藏,其Ro为1.1%～3%的范围是热成因气藏的有利分布区。

2 富县区块页岩气成藏条件及勘探方向

2.1 成藏条件

2.1.1 页岩分布

在陆相盆地中,湖沼相和三角洲相沉积产物一般是页岩气成藏的最好条件,其通常位于或接近于盆地的沉降—沉积中心处,导致页岩气的分布有利区主要集中于盆地中心处。鄂尔多斯盆地页岩气的有利发育区位于鄂尔多斯盆地中南部地区:定边—华池—富县的“L”形区域是最有利发育区,该区发育大套黑色页岩,分布面积广、沉积厚度大,埋藏深度适中,有机质含量高、成熟度适中、断裂构造不发育,富县探区靠近盆地中心方向,页岩气资源丰富。

富县区块上三叠统延长组7段为半深湖—深湖相沉积体系,厚度一般在100 m左右,最小约为70 m,最厚超过130 m。纵向上长7段油层组为厚层灰黑色—深灰色泥岩、碳质泥岩、油页岩等夹灰绿色中—薄层状粉—细砂岩、泥质粉砂岩,特别是厚层状的灰黑色、深灰色泥岩和油页岩连续性较好,全区可以对比;电性呈块状高伽马、高时差、高电阻等异常。

该区长7段并非全部为泥质岩,其中粉—细砂岩、泥质粉砂岩等常占多数,具多个小型泥—砂反旋回序列,真正的页岩厚度为10～50 m,东北薄,西南厚,发育在长7段底部,俗称“张家滩页岩”。长7段页岩顶面构造平缓,呈东高西低单斜构造,无大型断层裂缝,有利于页岩气成藏(图1)。长8段为湖泊、三角洲沉积体系,页岩只在工区内西南部发育,油页岩厚度可超过20 m。

2.1.2 页岩埋藏深度

长7页岩顶面埋深,总体上东南部浅,西北部深;东部埋深一般为650～800 m,西部埋深一般为780～1 200 m(图2),埋藏深度合适。上覆地层岩性以厚层泥岩和粉砂质泥岩为主,封闭条件好。

图2 富县区块长7段页岩顶面构造图

2.1.3 有机质丰度及类型

有机质含量是影响页岩气富集的一个根本性因素,不仅决定着页岩的生气量,也直接影响页岩的含气量。因为页岩中有机质含量对气体具有重要的吸附作用,大量的气体就是以吸附形式存在于干酪根表面。因此,高的 TOC就意味着高的生气量和吸附量。美国5大页岩具有丰富的有机质含量,其 TOC大多介于1.5%～20%,通常认为总有机碳含量超过0.5%的页岩是有潜力的烃源岩[2]。蒋裕强等则提出 TOC至少应为2%[8]。据该区钻井岩心的有机地化项目分析,长7段页岩有机碳含量一般为2.54%～6.16%,平均值为3.74%(17块样品);由有机质干酪根类型分析、生油岩热解分析等资料(表1、2)可以看出:长7段页岩有机质类型多为腐泥型、混合型。

表1 富县区块长7段页岩干酪根鉴定表

表2 富县区块长7段页岩热解分析成果表

2.1.4 有机质热演化程度

根据美国和加拿大的勘探开发结果,形成页岩气的页岩有机质成熟度(Ro)值为 0.4%～3.0%。如Barnett页岩的成熟度就属于中等—较高范围,Ro为1.0%～2.1%[9]。区域上对延长组有机质热演化的研究表明,早白垩世中期进入成熟门限,早白垩世末期进入大量生烃门限,古近纪进入高成熟期。富县地区曾经是埋深最大的生油中心,Ro值大于1%,有机质成熟度较高。该区中富2、中富30、葫43井主要生油岩长7段镜质体反射率分别为1.13%、1.06%、1.10%;总体上西部页岩有机质演化程度高于东部(图3)。

2.1.5 孔隙度和渗透率

图3 富县区块长7段页岩R o值等值线图

页岩是由大量的黏土矿物、有机质及细粒碎屑组成的易碎裂的沉积岩。据美国含气页岩统计,页岩岩心孔隙度小于6.5%,平均为5.2%;渗透率一般为0.001～2 mD,平均为0.040 9 mD[10],由此可知其自身的有效基质孔隙度和渗透率都很低。富县区块油页岩的孔隙分析报告显示,孔隙度高的大于2%,渗透率高的大于0.5 mD(不含裂缝样品),具备含气页岩有效孔渗条件。

2.1.6 微裂缝

页岩气藏投入开发后,初期产量来自页岩的裂缝和基质孔隙,因此天然裂缝的发育既可作为储集空间,同时也是很好的渗流通道。岩石中的矿物成分是控制裂缝发育程度的主要因素,美国页岩气主产盆地页岩SiO2含量一般超过30%。硅质含量越高,页岩脆性越大,越有利于形成裂缝。富县区块页岩中石英含量一般为18%～70%,平均为43%。区内页岩中微裂缝发育,钻井气测异常活跃,中富18、中陕32井等钻井都有很好的页岩气显示。

2.1.7 等温吸附特征与含气性分析

气体在页岩储层中主要以两种主要的方式储集:在天然裂缝及有效的大孔隙中以游离状态存在;在有机质或矿物固体颗粒表面以吸附状态存在。页岩吸附能力的大小通常与页岩的许多特征有关,如总有机碳含量、干酪根成熟度、储层温度、压力、页岩原始含水量和天然气组分等。

为了解该区页岩的吸附能力,在钻井岩心中采集4个样品进行等温吸附试验,试验条件为:试验温度为35℃(大约相当于1 000 m埋深的地温),采用纯甲烷在平衡湿度条件进行,试验结果为:兰氏体积为0.98～3.96 cm3/g,平均为1.75 cm3/g;兰氏压力为5.19～19.23 M Pa,平均为11.89 M Pa(图4)。此结果说明该区页岩具有一定的天然气吸附能力,但能力大小有差别,其影响因素尚待进一步探索。

图4 富县地区长7段页岩等温吸附曲线图

页岩含气量是指每吨岩石中所含天然气折算到标准温度和压力条件下(1个标准大气压,25℃)的天然气总量。页岩中的天然气赋存相态具有多样性变化特点,主体上包括了游离态(大量存在于页岩孔隙和裂缝中)、吸附态(大量存在于黏土矿物颗粒、有机质颗粒、干酪根颗粒及孔隙表面上)及溶解态(少量存在于干酪根、沥青质、残留水以及液态原油中),包含了天然气存在的几乎所有可能相态。其中,吸附相态存在的天然气可占天然气赋存总量的20%(Barnett Shale)～85% (Lew is Shale)[6]。目前该区还没有通过钻井取心进行页岩含气量测试的资料,因此尚无法确切知道该区页岩含气量数据。但是,可以通过页岩的等温吸附特征和页岩赋存的地质条件对页岩含气量进行估算。

该区页岩埋深一般为1 000 m左右,按静水压力计算,地层压力为10 M Pa,投影到图4的页岩等温吸附曲线上,其吸附气量为0.34～1.35 m3/t,平均为0.75 m3/t。若吸附相态存在的天然气能够占到天然气赋存总量的50%,则页岩的含气量可达1.5 m3/t。页岩气资源强度可达1.08×108m3/km2(页岩平均厚度为30 m)。因此,该区页岩具有良好天然气资源基础。

2.1.8 探井气测异常显示

对富县区块探井的气测资料进行了统计分析,由于气测全烃受钻井液密度、黏度、钻时等因素的影响较大,在系统分析气测值与泥浆密度、黏度、钻时关系后认为:在同等条件下,泥浆密度越小,气测值越大;泥浆黏度越小,气测值越大;钻时越小,气测值越大。

综合考虑上述影响因素,绘制的长7段页岩气测全烃异常高值区图显示(图5)东部、中部、西部均有气测异常分布区:东部为中富54井区和牛东4井区;中部为中富18井区;西部为中陕32井区,中富54、中富18、中陕32井长7段页岩随钻全烃值高达70%。

实际录井资料表明,在长7段泥岩段气测异常活跃,在气测全烃异常高值分布区,泥岩厚度大、有机质丰度高、勘探潜力较好。

2.2 页岩气勘探方向

页岩气藏是“自生自储”型气藏[5-6,10-11],成藏要求页岩厚度足够大且分布广、适当的埋深、总有机碳含量必须大、有机质成熟度要适中、较好的储集孔渗条件、微裂缝发育[2,5-6,9]。

根据富县地区长7段泥岩地质特征,综合分析后认为,该区具有良好的页岩气成藏地质条件,主要泥岩发育层段具有泥岩厚度大、分布稳定、有机碳含量、成熟度和埋深适中的特征。参考国外页岩气评价关键参数[2,5-6],根据富县地区已有的资料,分析后认为该区应关注的页岩气勘探方向如下:

2.2.1 区块西南部中富25—中富28井区

该区长7段页岩厚度最为发育,厚度可达50 m;埋藏深度为 800～1 200 m,有机碳含量高,Ro> 1.1%。区内大部分钻井均有较好的气测异常显示。因此,该井区是页岩气勘探的最有利方向。

图5 富县地区长7段页岩气测全烃异常高值区图

2.2.2 区块中部中富19—中富29井井区

该区长7段页岩厚度也较发育,最大厚度可超过30 m;埋藏深度为1 000 m左右,有机碳含量高,Ro值介于1.0%～1.1%。区块北部部分井均有较高的气测异常,因此,该井区也是探索页岩气藏的有利方向之一。

3 结论

鄂尔多斯盆地南部上三叠统延长组是中国陆相页岩发育地区之一,富县区块整个靠近鄂尔多斯盆地中心区,全区发育大套黑色页岩。通过研究后认为,该区具有页岩气的成藏地质条件:页岩分布面积广,厚度大,埋藏深度适中,有机质含量高,成熟度适中,断裂构造不发育。实际钻井资料表明,该区大部分完钻井在泥页岩发育的长7段,气测显示高异常。综合分析认为该区具有较好的页岩气勘探潜力,目前的勘探有利地区为:区块西南部中富25—中富28井区、中部中富19—中富29井井区。

[1]徐士林,包书景.鄂尔多斯盆地三叠系延长组页岩气形成条件及有利发育区预测[J].天然气地球科学,2009,20(3): 460-465.

[2]蒲泊伶,包书景,王毅,等.页岩气成藏条件分析——以美国页岩气盆地为例[J].石油地质与工程,2008,22(3):33-36.

[3]王世谦,陈更生,董大忠,等.四川盆地下古生界页岩气藏形成条件与勘探前景[J].天然气工业,2009,29(5):51-58.

[4]刘成林,李景明,李剑.中国天然气资源研究[J].西南石油学院学报,2004,26(1):9-12.

[5]张金川,汪宗余,聂海宽,等.页岩气及其勘探研究意义[J].现代地质,2008,22(4):640-646.

[6]CURTIS J B.Fractured shale-gas systems[J].AAPG, 2002,86(11):1921-1938.

[7]郭宏,李凌,杨震,等.有效开发中国页岩气[J].天然气工业,2010,30(12):110-113.

[8]蒋裕强,董大忠,漆麟,等.页岩气储层的基本特征及其评价[J].天然气工业,2010,30(10):7-12.

[9]陈更生,董大忠,王世谦,等.页岩气藏形成机理与富集规律初探[J].天然气工业,2009,29(5):17-21.

[10]张金川,徐波,聂海宽,等.中国页岩气资源勘探潜力[J].天然气工业,2008,28(6):136-140.

[11]王社教,王兰生,黄金亮,等.上扬子区志留系页岩气成藏条件[J].天然气工业,2009,29(5):45-50.

Shale gas pooling conditionsand exploration targets in the Mesozoic of Fuxian Block,Ordos Basin

Zhou Wen1,2,Su Yuan2,Wang Fubin3,Chen Xiaomei3,Zhou Xiaoyong3
(1.State Key L aboratory of Oil&Gas Reservoir Geology and Exp loitation∥Chengdu University of Technology,Chengdu,Sichuan 610059,China;2.Chengdu University of Technology,Chengdu,Sichuan 610059,China;3.Exp loration and Development Research Institute,Sinopec H uabei B ranch,Zhengzhou, Henan 450006,China)

NATUR.GAS IND.VOLUM E 31,ISSUE 2,pp.29-33,2/25/2011.(ISSN 1000-0976;In Chinese)

Fuxian Block is close to the center of the O rdos Basin,w here two setsof thick black shale are developed and favo rable conditions exist fo r shale gas accumulation.It isof great significance to analyze its shale gas accumulation conditions and recognize future exp lo ration targets.Acco rding to the types of shale gas reservoirs and gas pooling elements,this paper analyzes various conditions fo r shale gas accumulation,such as shale distribution,burial dep th,o rganic matter abundance and o rganic matter types,thermal e-volution of organic matter,porosity and permeability,microfractures,adsorp tion isotherm,aswell as gas content.The Zhangjiatan shale of the Mesozoic Yanchang Fo rmation in the study area has the conditions for shale gas accumulation.The shale thickness, TOC,kerogen type,maturity,burial dep th and f racture are themajo r geologic parameters fo r evaluation and identification of exploration targets.In combination w ith mud logging anomaly,the southern and central parts are recognized to be two favorable exp loration targets in this block.

Ordos Basin,Fuxian Block,shale gas,accumulation condition,exp lo ration target,TOC,adsorp tion isotherm,mud logging anomaly

周文,1962年生,教授,博士生导师;从事特殊油气藏开发地质研究工作。地址:(610059)四川省成都市成华区二仙桥东三路1号成都理工大学能源学院。电话:(028)84078352。E-mail:zhouw62@cdut.edu.cn

周文等.鄂尔多斯盆地富县区块中生界页岩气成藏条件与勘探方向.天然气工业,2011,31(2):29-33.

10.3787/j.issn.1000-0976.2011.02.007

2010-10-20 编辑 罗冬梅)

DO I:10.3787/j.issn.1000-0976.2011.02.007

Zhou Wen,p rofessor,born in 1962,ismainly engaged in research of special oil/gas reservoirs and their development geology.

Add:No.1,Dongsan Rd.,Erxianqiao,Chenghua District,Chengdu,Sichuan 610059,P.R.China

Tel:+86-28-8407 8352 E-mail:zhouw62@cdut.edu.cn