吉林省页岩气发育有利条件与分布

2015-02-17荆铁亚林腊梅

特种油气藏 2015年1期

荆铁亚，林腊梅，封富，杨光，张健

(1.中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司，北京 102209；2.中国石油大学，山东青岛 257061；3.中国华能集团公司规划发展部，北京 100031；4.华能国际电力开发公司，北京 100031)

吉林省页岩气发育有利条件与分布

荆铁亚1，林腊梅2，封富3，杨光4，张健1

从吉林省页岩的分布和地球化学特征着手，分析页岩气发育的有利条件和分布特征。松辽盆地南段沙河子组和营城组等地层发育有大套暗色页岩，以III型干酪根为主，达到成熟—高成熟阶段，TOC含量普遍大于1%。青山口组和嫩江组地层暗色页岩厚度为50～200 m，TOC>2%，以I型干酪根为主，热演化程度相对较低。页岩气勘探方向应为断陷期内的有机质丰度大但埋藏相对较浅的区域；坳陷期主要为热成因的天然气或原油裂解气发育区。吉林省中东部的延吉、伊通地堑等盆地在中新生代发育了多套有机质丰富的湖相页岩，累计厚度大，有机质丰度变化大(TOC为0.5%～2.5%)，热演化程度适中(Ro为0.5%～2.0%)，以腐殖型干酪根为主。另外，在东部火山岩残余地层区域，震旦系青沟子组、石炭系太原组以及白垩系大拉子组也有一定的页岩气资源潜力。

吉林省；页岩气；地质条件；分布特征；资源前景

引言

中国页岩气的巨大潜力已引起学术界、工业界和政府的高度关注，尤其是近期南方海相页岩气的重大突破。目前，吉林省油气勘探主要集中在松辽盆地南部的白垩系地层中，外围中小型盆地如延吉、伊通、平岗等盆地也在多处发现油气显示或工业油流，但一直没有大的突破。2011年，新一轮页岩气资源评价计算吉林省页岩气的资源量为1.21×1012m3[1]。本文通过研究吉林省不同地区和时代的页岩发育特征和地球化学特征等，对吉林省的页岩气发育地质背景进行研究，剖析吉林省页岩气发育的分布规律，为该地区页岩气的勘探开发提供参考。

1 吉林省页岩发育地质概况

吉林省地跨两大构造单元，大致以山城镇—红石—白金一线为界划分为2个一级大地构造区，南部为华北地台区(浑江小区)，北部为天山—兴安岭地槽分区[2]。天山—兴安岭区又分为白城、长岭、农安、吉林小区和延边小区。

从太古代到新生界，沉积地层在吉林省均有分布但不均衡[3](图1)。太古界和中上元古界地层多在浑江小区内分布。古生界页岩主要分布在石炭系和二叠系地层中，展布在吉林、延边小区和浑江小区内。中生界以侏罗系和白垩系最为发育，全省分布范围广，也是页岩发育的主要层系。新生界主要分布在松辽盆地南部和东部的山间盆地。

吉林省西部地区隶属于松辽盆地的南段。从晚侏罗世开始沉积了巨厚的碎屑岩，断陷期主要沉积了火石岭组(J3h)、沙河子组(K1sh)、营城组(K1yc)、登楼库组(K1d)、泉头组(K1q)地层，其中沙河子组和营城组发育有厚层的黑色和暗色页岩。坳陷期，沉积了青山口组(K2qn)、姚家组(K2y)和嫩江组(K2n)页岩地层，其中青山口和嫩江期沉积了大面积分布的黑色、暗色页岩。吉林省东部长白山地区火山岩发育，大面积出露的火山岩把沉积地层分隔成大小不一的构造单元。残余黑色页岩分布在震旦系青沟子组、太原组以及大拉子组。另外，吉林省还发育了60多个中小型盆地(坳陷)，规模较大的盆地有延吉盆地、伊通地堑和辉(南)—桦(甸)地堑等，在白垩系、侏罗系以及古近系地层中沉积了厚度较大的暗色页岩。

图1 吉林省不同时代沉积地层分布

2 松辽盆地南段页岩气发育地质条件

2.1 页岩展布特征

晚侏罗世到早白垩世时期，松辽盆地南部在区域拉张作用下形成了长岭、十屋和德惠等多个断陷，平面上分隔性较强，连续性差。坳陷期阶段，在湖侵背景下沉积的青山口组和嫩江组等发育有大面积展布的暗色页岩，厚度较大，连续性较好[4]。

沙河子组地层发育在湖盆快速断陷期，页岩分布在深湖、半深湖相中。沙河子组中上部发育大套块状暗色泥岩夹薄层粉细砂岩，下部为粉砂岩和泥岩互层，不同断陷由于构造位置和物源的不同略有差别。长岭断陷沙河子组暗色泥岩累计厚度为300～500 m，最大厚度达900 m，从斜坡带到深凹区，埋深从2 200 m到5 000 m不等。十屋断陷沙河子组地层厚度为300～2 200 m，单层厚度为15～35 m(平均为20 m)。德惠断陷沙河子组暗色泥岩累计厚度也达300 m以上。

相对于沙河子组沉积时期，营城期沉积范围略有扩大。营城组岩性以暗色页岩与粉砂岩或细砂岩为主，泥地比为26%～60%，暗色页岩累计厚度可达110～600 m。长岭断陷营城组地层厚度为100～500 m，页岩厚度为50～200 m。十屋断陷营城组泥地比较高(59%～70%)，页岩累计厚度为60～200 m，最大可达450 m以上。德惠断陷营城组暗色页岩厚度为100～350 m，平均厚度为174 m。登娄库组沉积时期是由裂陷期向坳陷期转变的过渡阶段，沉降速率缓慢，物缘供应充足，岩性以褐色泥岩与灰白色砂岩、砂砾岩频繁互层为主。

坳陷期，湖盆的沉降中心由东南部移至中央坳陷区。青山口和嫩江期是松辽盆地2次最大水侵期，深湖相黑色泥岩、油页岩广泛发育且厚度较大。青山口组一段为一套水进式沉积，岩性以深灰色页岩、油页岩与灰白色粉、细砂岩互层为主，底部发育油页岩，地层厚度为30～170 m，埋深为300～2 800 m。青二段和青三段岩性砂质含量增多，以泥岩、粉砂岩及细砂岩互层为主，累计厚度为70～580 m。嫩江组沉积是松辽盆地最大水侵期，嫩一段和嫩二段发育有大套厚层状的深湖相黑色页岩和油页岩。嫩一段地层厚度为10～120 m。嫩二段地层厚度为20～200 m。嫩三段及以上地层砂质含量较高，累计厚度为100～600 m，且埋藏较浅。青山口组和嫩江组暗色泥岩总体上沿中央坳陷带展布，以长岭地区为中心，向东西两侧隆起区减薄，局部也有个别厚度中心。

2.2 地球化学特征

松辽盆地南部地区不同断陷、不同层系页岩的有机质丰度有着较大的变化。纵向上看，沙河子组有机质丰度高于营城组，有着更强的生烃潜力，有机质类型均以Ⅱ—Ⅲ型为主，有机质演化阶段处于成熟—高成熟阶段。营城组页岩有机质类型均以Ⅱ型为主，TOC为0.77%～3.16%，氯仿沥青“A”平均为0.476%(表1)。

进入坳陷阶段后，松辽盆地所在地区的古气候变得温暖、潮湿，湖盆面积扩张变大，青山口组和嫩江组页岩有机质保存条件好、丰度大[5](表2)。总的来看，青山口组页岩干酪根类型以Ⅰ型为主，青一段有机质中腐泥组组分含量高，以Ⅰ型为主，青二、三段有机质类型以Ⅰ型和Ⅱ1为主，发育有少量Ⅱ2型和Ⅲ型；青一段页岩有机质丰度好于上部地层，TOC平均值为2.09%，氯仿沥青“A”含量平均为0.23%，有机质丰度向上部层段逐渐降低；有机质热演化程度处于低熟—成熟阶段。Ro主体介于0.5%～1.0%，随深度变化，以长岭凹陷热演化程度相对较高，西斜坡、西南隆起带与东南隆起带相对较低。

表1 松辽盆地南部不同断陷重点页岩层段地球化学指标

表2 松辽盆地南部青山口组和嫩江组页岩平均有机质丰度和类型

嫩江组依据岩性和沉积旋回划分为5个层段，有机质类型和丰度均是下部层段好于上部，热成熟度相对于青山口组较低。嫩一段页岩有机质类型主要以Ⅰ型为主；嫩二段页岩以Ⅰ型和Ⅱ1型为主，也有Ⅱ2型和Ⅲ型，TOC平均在2%以上。嫩三段及以上地层干酪根类型逐渐转变为以偏腐殖型为主且丰度逐渐降低。嫩一段页岩热成熟度为0.5%～0.8%，其中在大安凹陷和长岭凹陷热演化程度较高，隆起和斜坡区均小于0.5%，嫩三段及以上地层基本处于未熟阶段。

3 东部火山岩区页岩气发育地质条件

吉林省东部火山岩区发育的残留地层中，震旦系青沟子组由碳酸盐岩及黑色页岩组成，主要分布在浑江市八道江地区；石炭系太原组在吉林省中部和延边东北部地区零星出露，厚度约为50～400 m，页岩中夹煤层。白垩系大拉子组发育有砂砾岩、粉砂岩和页岩，部分层段夹油页岩，分布在延吉和安图等地区。

除松辽盆地和火山岩区内残余地层外，吉林省中东部地区还发育了许多规模大小不一的中新生代盆地，不同构造地区页岩发育层位和有机质丰度差别较大(表3)。

表3 吉林省中东部区主要盆地页岩地球化学指标对比

延吉盆地页岩主要发育在白垩系铜佛寺组和大拉子组[6]。铜佛寺组暗色页岩累计厚度为200～300 m，有机质类型为过渡型至腐殖型，TOC平均为2.14%，氯仿沥青“A”平均为0.085%，有机质处于成熟阶段。大拉子组页岩总厚度为156～689 m，平面上分布具有西薄东厚的特点；页岩TOC平均为2.0%～3.9%；有机质类型以Ⅱ—Ⅲ为主，且大多进入生气门限。

通化盆地的暗色页岩发育在侏罗系亨通山组和下桦皮甸子组等地层中。亨通山组泥岩厚度大于200 m，且上部泥岩与油页岩互层；下桦皮甸子组泥岩厚度约为150 m。但2套页岩的有机质丰度略低，TOC含量多集中在0.4%～0.6%，有机质位于成熟—高成熟演化阶段，以倾于生气的Ⅲ型干酪根为主。

辉—桦地堑页岩分布在下桦皮甸子组和古近系的梅河组。下桦甸子组页岩段厚度为520～735 m，岩性以深灰、灰黑色薄层泥岩和粉砂岩互层为主。梅河组页岩地层中夹杂煤层，有机质丰度较高，TOC平均可达3.5%，干酪根类型以Ⅱ型为主。

伊通地堑的页岩主要分布在双阳组、奢岭组和永吉组底部，双阳组暗色页岩厚度一般为400～600 m，且有机质丰度较高。双阳组与永吉组的TOC平均值在1.2%以上，其中以双阳组一段最高，达到1.93%。

4 吉林省页岩气富集条件及有利分布

4.1 有利勘探方向

吉林省西部地区在地质演化过程中，形成了多套富有机质页岩地层，地球化学指标与北美成功开采的页岩地层相类似(表4)[7-8]。松辽盆地南段的页岩气发育表现为多层位富集的特点，沙河子组、营城组和青山口组均具有良好的页岩气发育地质条件。

表4 松辽盆地南部与美国产气页岩主要指标对比

沙河子组和营城组页岩平面上展布范围相对较广，厚度较大；TOC含量普遍大于1%，有机质达到成熟—高成熟阶段，类型以偏生气的Ⅱ2—Ⅲ为主，生气潜力较大，具有较好的页岩气发育条件，是页岩气发育的有利层段。由于断陷期沉积的地层埋深相对较大，为了节约勘探开发成本，前期的勘探方向应倾向于埋藏相对较浅的区域。

青山口组和嫩江组2套厚层页岩展布面积大，厚度为50～200 m。青一段和嫩一、二段页岩有机质丰度高，以腐泥型干酪根为主，热演化程度随着埋深不同在0.5%～1.5%之间变化，具有较好的页岩气发育地质条件。其中，青山口组页岩的热演化程度高于嫩江组，页岩气的聚集条件也相对较优。由于干酪根以偏向生油的I型为主，热解成因气应发育在热成熟度较大的区域；生物成因气的形成往往需要细菌的参与，地表水沿着断裂带进入浅地层，使地层水盐度降低，生物细菌得以繁殖生存，故生物成因的页岩气在断裂带附近也有发育富集的可能性。因此，坳陷期，热成因的页岩气应发育在页岩地层埋深相对较大的区域(大于1 500 m)；生物成因型的页岩气勘探应聚焦于通过断裂有地表水进入的浅层区域。

吉林省中东部地区发育在中小型盆地(断陷)的中生界和古近系陆相页岩累计厚度大，有机质类型以偏生气的腐殖型为主，处于成熟—高成熟演化阶段。延吉盆地的铜佛寺组和大拉子组、辉—桦地堑的梅河组以及伊通地堑的双阳组也具有较好的页岩气发育地质条件，是该地区页岩气勘探的有利方向。

火山岩区的残留页岩地层如青沟子组和太原组，有机质丰度高(TOC>4%)，热演化成熟高(Ro>1.5%)，干酪根类型以偏生气的Ⅲ型为主。沉积后经构造运动抬升到地表或浅部位，但由于页岩地层较强的吸附性，还保留着部分地质历史时期生成的天然气，也是页岩气勘探值得考虑的方向之一。

4.2 有利分布区

吉林省页岩发育层系多，分布面积广，全省均有展布，但不同地区的页岩气发育目标层段和有利程度差别较大(图2)。吉林省最具潜力的页岩气发育区分布在松辽盆地南段的沙河子组和营城组的断陷层系中。

图2 吉林省页岩气发育有利区预测

松辽盆地南部沙河子组和营城组页岩气发育在长岭断陷、十屋断陷和德惠断陷等大型断陷区内有机质丰度大的区域，青山口组和嫩江组页岩气的富集区分布应关注中央坳陷区等有机质丰度较高、埋深相对大的地区。残余地层中的青沟子组页岩气聚集有利区主要分布在白山市八道江区附近和浑江小区内，吉林省太原组页岩气发育在伊通地堑东侧和延吉盆地东北部残余沉积发育区。该类页岩气的勘探方向应为展布面积有一定规模、厚度大于30 m的富含有机质黑色页岩发育区。在吉林省中东部发育的中小型盆地也具有一定的页岩气发育潜力，较有利的地区为延吉盆地、辉—桦地堑和伊通地堑等。这些中小型盆地常规油气一直没有大的突破，或许非常规页岩气是其油气勘探的突破口。