济阳坳陷生物成因页岩气藏形成条件探析：以惠民凹陷阳信洼陷为例

左丽伟

(中国石化股份胜利油田分公司地质科学研究院，山东 东营257015)

页岩气是指主体位于暗色泥页岩、高碳泥页岩及其夹层状的粉砂岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、甚至细砂岩中，以吸附和游离状态为主要存在方式的天然气聚集，是天然气生成之后在源岩层内就近聚集的结果，表现为典型的“原地”成藏模式，以大面积含气、隐蔽圈闭机理、可变的盖层岩性和较短的烃类运移距离为特征[1-5]。页岩气按成因类型可分为热成因和生物成因两类，其中，生物成因页岩气是指微生物作用于烃源岩中有机质，生成的以甲烷为主烃类和非烃类气体，这些天然气以吸附或游离态赋存在页岩中，成为生物成因页岩气[6-7]。全球已发现的页岩气藏以热成因为主，根据 Jarviel 等(2010)对美国页岩气的分析研究[8-9]，美国主要的20个页岩气藏中，17个为热成因气藏，3个为生物成因气藏。我国目前页岩气工作主要集中在热成因方面，如南方海相页岩气区的长宁-威远和川东北地区的元坝-涪陵都为热成因气藏，对生物成因页岩气藏的研究工作还较少，赵群等(2012)认为我国松辽、鄂尔多斯和渤海湾等陆相盆地主力烃源岩成熟度较低，热成因页岩气成藏的条件有限，但具备生物成因页岩气的成藏潜力[10]。

生物成因页岩气与原生生物气[6-7]，其意义相同，都是厌氧环境下甲烷生成菌新陈代谢的产物，烃类组分以甲烷为主，C1/C2+> 500, δ13C1值介于-55‰～-68‰之间。两者气源岩相同、成因相同，但存储位置不同，前者于生烃的泥页岩中自生自储，后者则通过扩散运移至有利的砂岩或碳酸盐岩储层中储集。

济阳坳陷内首次发现生物气的地区是在惠民凹陷的阳信洼陷，该洼陷沙一段有多口井获工业气流，经碳同位素等指标综合分析，其天然气成分均属于生物成因类型。多年勘探实践证实，洼陷内沙一段天然气的源岩为同层段广泛发育的厚层暗色泥页岩，那么，该套泥页岩是否具备形成生物成因页岩气藏的条件呢？笔者利用现有资料，对阳信洼陷沙一段泥页岩的生烃条件、储集条件、保存条件及含油气性进行了系统分析，与国内外已开发的页岩气藏的相应指标进行对比，探讨其是否具备形成页岩气藏的地质条件，为济阳坳陷内非常规生物成因页岩气的勘探研究提供借鉴。

1 研究区地质背景

阳信洼陷是隶属于济阳坳陷惠民凹陷的次一级负向构造单元，北靠无棣凸起，东邻沾化凹陷的流钟洼陷，南接林樊家构造北缘，是在新生代形成的受北部阳信大断层控制的结构呈北断南超特征的箕状断陷洼陷，有利勘探面积约1290km2(图1)。

图1 阳信洼陷构造位置图

阳信洼陷自沙一段沉积时期一直到第四纪，区域构造活动较弱，断层很少，仅在洼陷周边发育少量重力滑脱断层。沙一段沉积时期以滨浅湖相沉积为主，广泛分布滨浅湖泥，沿北部陡坡带有近岸水下扇分布，湖盆内水下隆起的高部位有生物滩和生物礁发育，还有砂坝、席状砂、泥晶白云岩等微相局部分布，向湖盆深处逐渐演变为半深湖相沉积。早期，沉积岩性特征为灰色、深灰色的泥岩、油泥岩与生物灰岩、泥晶白云岩及粉砂岩的互层，厚度0～54m；中期，沉积岩性特征以灰色、深灰色的泥岩、油泥岩、深棕色油页岩为主，夹生物灰岩、生物白云岩以及粉砂岩薄层，厚度0～62m；晚期，沉积岩性特征为灰色、深灰色泥岩与薄层灰色砂岩的互层，厚度0～75m。

2 泥页岩的生烃条件

2.1 地温与泥页岩的埋深

生物气的生成、富集受诸多因素控制，首先要有适合甲烷菌生存的环境(低温、还原环境、贫硫酸盐、酸碱性、富有机质等)[6，11]，而适宜的地温条件是甲烷菌生存的基础。甲烷菌生存温度范围一般在0～75℃，具有较大生理活性是35～65℃，若将75℃作为甲烷菌生存的下限，按平均地温梯度3.3℃/100m计算，则生物气生成深度下限值为1850m，而洼陷沙一段烃源岩主要埋深范围为1400～1700m，最大埋深仅1750m，因此，沙一段泥页岩处于生物气窗。

另外，根据7口井的测试分析结果发现，沙一段地温值介于54.0～63.0℃，平均56.9℃，处于甲烷菌最活跃的温度界限内，因此，沙一段泥页岩正处于生物气生烃高峰时期。

2.2 泥页岩的有效厚度及面积

具备一定的厚度和面积是页岩气规模聚集的必要条件。厚度和面积足够大的泥页岩才能保证页岩气的总产气量达到规模聚集；同时，沉积有效厚度及面积是保证足够的有机质及充足的储集空间的前提条件，且页岩的厚度越大、面积越大，页岩的封盖能力就越强，有利于气体的保存，从而有利于页岩气成藏[12]。国外资料和国内初步勘探实践成果表明，能形成具有经济开发效益的页岩气藏的暗色泥页岩的有效厚度应大于30m，有效面积应大于50km2[13-14]。阳信洼陷沙一段为滨浅湖沉积环境，灰色、灰黑色泥岩、油泥岩与油页岩等暗色泥页岩具有横向分布广泛、纵向集中分布且厚度大的特点，厚度一般为10～140m，占地层厚度的63%～95%，厚度中心超过150m，超过30m的面积为750km2(图2)，能够满足目前经济技术条件下对泥页岩厚度及面积的要求。

图2 阳信洼陷沙一段泥页岩厚度分布图

2.3 泥页岩的地化指标

地球化学参数的研究是评价泥页岩生烃潜力和资源潜力的基础，泥页岩生烃潜力是有机质丰度、有机质类型、热演化程度等因素综合作用的结果。

2.3.1 有机质丰度及类型

（3）依据前期设计要求，在确定爆破孔及预裂孔位置无误后，可进行钻孔设备合理选择。为保证钻孔精度，本次工程选择110B型潜孔钻机作为预钻机，其具有钻孔基面小、精度高、操作便捷等优点；而在缓冲孔、主爆破孔钻孔设备选择时，则主要采用CM353型钻机。结合角度尺的应用，可以保证缓冲孔坡度的有效控制。

有机质丰度是生烃强度的主要影响因素，决定着生烃量的多少，同时，页岩中的吸附气主要吸附于分散状的有机质表面，因此产气页岩吸附气含量与总有机碳含量( TOC)成正相关，高丰度的有机质决定了页岩具有高吸附气含量。北美页岩气开发和研究成果表明，商业性页岩气藏的源岩有机碳含量一般大于 2%，最高达 10%[15]。阳信洼陷沙一段有机质丰度较高(图3)，TOC含量为2.49%～20%，平均为4.66%，高于北美富气页岩对TOC含量的最低要求，且越靠近沉积中心其含量越高，因此，具有大量产气和容气的能力。

干酪根显微组分鉴定结果表明，沙一段泥页岩的有机质类型均为成烃能力最强的腐泥型(Ⅰ型)，类型指数在95%以上。

2.3.2 有机质成熟度

对于热成因气，随着页岩热演化程度的增高，含气量将会逐渐增大，有利于其聚集成藏；而对于生物成因气，页岩热演化程度越高，总有机碳含量TOC会越低，形成的生物气会越少，越不利于其聚集成藏[16]。根据Michigan盆地Antrim页岩气藏和Illinois盆地New Albany页岩气藏的分布规律，有利于生物成因气成藏的泥页岩的成熟度主要分布在Ro≤0.8%的范围内[17]。阳信洼陷沙一段泥页岩的Ro为0.18%～0.35%，平均为0.22%，成熟度很低(图3)，说明因热演化而消耗的有机碳量较少、剩余有机碳含量还很高，有利于生物气的持续生成。

3 储集条件

由于阳信洼陷前期的勘探主要针对砂岩和碳酸盐岩等常规储层，因此针对沙一段泥页岩储集条件的相关研究极少，只有个别井做过研究。笔者只能利用现有资料，结合研究区沙一段沉积时期岩性古地理环境及济阳坳陷内其它地区同层段的研究结果对沙一段泥页岩的储集条件进行推断。

3.1 脆性矿物含量

页岩中砂质和钙质含量较高，表明页岩硬度较高，脆性强，非常有利于大型压裂形成网状结构缝，改善泥页岩储层物性特征，增加油气泄流面积[18-19]。统计表明，北美含气页岩的石英含量一般为28% ～52%、碳酸盐岩4% ～16%、总脆性矿物含量高达 30% ～ 70%，是北美页岩气成功商业开发的关键因素之一[15]。阳信洼陷沙一段只有阳21井在1531m处灰质泥岩段取样做过全岩矿物X衍射分析，还有阳16井做过黏土矿物含量统计(表1)，结果表明，沙一段泥页岩总黏土含量为9%～45%，平均为26%。由于沙一段沉积时期洼陷内主要为滨浅湖至半深湖相沉积，广泛发育了由生物灰岩和生物白云岩构成的生物滩(礁)，以及砂坝和席状砂等微相，因此推断沙一段泥页岩中的碳酸盐类矿物和石英含量较高，且碳酸盐矿物含量可能更高，这与阳21井的全岩分析结果相一致(表1)，也与济阳坳陷内沾化凹陷、东营凹陷等地区同层段的统计结果相似[20-21]，估算脆性矿物总含量范围为 50%～80%，这与北美相当，其中钙质含量较高，有利于后期的压裂改造。

图3 阳信洼陷阳16井烃源岩地球化学综合剖面

表1 阳信洼陷沙一段泥页岩全岩矿物X衍射分析数据表

3.2 储集物性及微孔隙和微裂缝的发育程度

另外，据阳21井铸体薄片和扫描电镜观察结果，阳信洼陷沙一段泥页岩中可见微孔隙和微裂缝发育。微孔隙主要以晶间孔的形式存在，其主要类型有：碳酸盐晶间微孔、黄铁矿晶间微孔和黏土矿物晶间微孔，孔径一般小于5.0μm(图4)。微裂缝也非常发育，含量大约为20%，多为顺层裂缝，裂缝中部分被泥质和自生硅质充填。微孔隙和微裂缝的存在，为页岩气提供了有利的储集空间，同时，微裂缝连通泥页岩孔隙，成为页岩气有利的渗流通道。

3.3 薄碳酸盐岩和薄砂岩夹层的可利用性

阳信洼陷沙一段沉积时期，可作为常规储层进行勘探研究的近岸水下扇砂体主要沿北部陡坡带周缘短距离分布；生物滩、生物礁等厚层碳酸盐岩储层主要分布于水下高地的上部。在湖盆较深处则多以小于1.5m的席状砂、灰岩、白云岩、泥晶白云岩等薄层零星分布，这些砂岩和碳酸盐岩薄层夹于大套厚层的优质生烃泥页岩之中(图5)，非常有利于其生成的生物页岩气的就近汇聚存储，但是由于这些薄层单层规模太小，很难作为有效的常规天然气储层投入开发利用。如果将这些薄储层作为泥页岩储层的组成部分综合考虑，其具优势的储集物性使之具有很好的勘探潜力。

图4 阳21井微孔隙特征

图5 阳信洼陷沙一段岩性和气测显示特征

4 保存条件

阳信洼陷自沙一段沉积时期一直到第四纪，区域构造活动较弱，洼陷内部二级及三级断层不发育, 减少了生物成因页岩气纵向上的散失，有利于生物成因页岩气的大量保存。但是在北部阳信大断裂附近，由于地表水较为丰富，水质较淡，甲烷菌异常活跃，促使有机质早期分解，不利于有机质保存和生物成因页岩气的形成，因此生物成因页岩气的主要富集区带应在远离断裂的有利泥页岩发育区。

5 含气性地层判别

观察洼陷内已钻井的气测曲线特征发现，沙一段泥页岩段普遍存在气测异常的特征(图5)，越靠近湖盆沉积中心，气测异常现象越明显，如阳37井，气测显示全烃含量为4%～20% (基值为1%)，气测显示异常段厚度为107m；统计沙一段气测异常的厚度范围为40～120m，面积达670km2，充分证明阳信洼陷沙一段具备生物成因页岩气藏的勘探潜力。

6 有利勘探方向

通过上述综合分析认为，阳信洼陷沙一段泥页岩具备形成生物成因页岩气藏的有利条件。为保障页岩气的勘探能够取得较好的成果，首次勘探目标应选取泥页岩较发育(厚度大于50m)、气测异常值明显(大于基值5倍)、夹有灰岩或砂岩薄层、远离断层、构造较平缓的区带，部署水平探井。

7 结论

阳信洼陷沙一段泥页岩埋深较浅，分布广、厚度大且集中分布，有机质类型好、丰度高，处于生物气生烃高峰时期，具备形成生物成因页岩气的有利条件。泥页岩储层中脆性矿物含量较高，利于后期的开采。泥页岩中微孔隙和微裂缝较发育，且含有薄砂岩和碳酸盐岩夹层，有利于生物成因页岩气的存储。沙一段泥页岩段普遍存在气测异常的特征，充分证明其具备生物成因页岩气藏的勘探潜力。

济阳坳陷沙一段泥岩普遍具有有机碳较高、厚度大的特征。阳信洼陷生物成因页岩气的勘探一旦获得突破，将带动济阳坳陷其他地区的生物成因页岩气的勘探。

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