辽河西部凹陷页岩油气富集主控因素

葛明娜 ，张金川，李婉君，孙 睿

(1.中国地质调查局油气资源调查中心，北京 100029；2.中国地质大学(北京)能源学院)

辽河西部凹陷页岩油气富集主控因素

葛明娜1，张金川2，李婉君2，孙 睿2

(1.中国地质调查局油气资源调查中心，北京 100029；2.中国地质大学(北京)能源学院)

研究发现，泥页岩的有机质含量、成熟度、有机质类型、孔缝特征及厚度等内部因素是其能否富集的关键条件。以沙河街组沙三下亚段(Es33)和沙四上亚段(Es41)为例，在页岩油气影响因素研究的基础上，运用多因素综合评价、部分因素重点分析的方法，分别揭示Es33及Es41页岩油气富集的主控因素。综合认为，Es33有效厚度大，有机质丰度中等，热演化程度适中，有机质类型多样，气测异常明显、含油气性好，页岩油气共生，主要受有机质丰度影响；同Es33相比，Es41具有较高的有机质丰度，但有机质类型与热演化程度匹配较差，未能达到页岩气富集的条件，主体发育页岩油。因此，明确页岩油气富集的主控因素，是寻找页岩油气赋存有利区域的前提，对辽河坳陷页岩油气的勘探开发具有现实意义。

辽河西部凹陷；沙河街组;页岩油气；主控因素；多因素关联法；纳米孔隙

页岩油气在北美已取得突破性进展。据EIA统计，全球页岩气技术可采资源量206万亿方[1]，页岩油技术可采资源量486亿吨[2]。目前，美国规模性开发的页岩主要有8套，其中Haynesville、Marcellus、Barnett三个产层年产量超过300亿方，Bakken、Eagle Ford、Niobrara、Barnett为页岩油产量最高的四套页岩[3]。

近几年，我国已在页岩气开发实验区钻井62口，其中24口井获得工业气流[4]，尤其涪陵、长宁-威远、昭通等领域取得突破；此外，我国陆相页岩油也取得重要进展，泌阳凹陷泌页HF1井日产页岩油5～8 m3[5]，前景发展良好；济阳坳陷沙河街组泥页岩中38口井获得油气流[6]。西部凹陷是辽河坳陷最大的一个富含油气的凹陷，由北向南依次分布有牛心坨、台安、陈家、盘山、清水、鸳鸯沟六个生油洼陷[7](图1)。西部凹陷沙河街组泥页岩广泛发育，有机质丰度较高，具备页岩油气生成的物质基础，目前研究尚少。有必要对页岩油气聚集条件、分布规律等进行研究，从而分析页岩油气富集主控因素。

1 页岩油气富集影响因素

页岩油气富集受多种因素影响，内部因素主要有泥页岩厚度、有机碳含量、干酪根类型、成熟度、矿物组分、储集物性、含油气性，外部因素主要包含地层压力、温度、湿度等[8]。研究主要从泥页岩展布、有机地球化学特征、矿物组成、储集物性等内部因素进行剖析。

图1 辽河西部凹陷构造单元

1.1 泥页岩展布

辽河西部凹陷泥页岩层段普遍较厚，地层厚度上百米至千米，不是页岩油气富集的主要影响因素。主要从泥页岩埋深和泥地比两个方面进行研究。

页岩油气发育的有利埋深一般在500～4 500m。Es41在清水洼陷西侧，曙光地区埋深最大，超过3 500 m；Es33埋深2 000～4 000 m，最大区域为清水洼陷和陈家洼陷，以两洼陷为中心向外逐渐变浅。两个层段均处于页岩油气发育有效埋深范围内。

Es41沉积中心位于陈家洼陷，此期水体较浅，山区冲积扇携带大量粗碎屑物质沿短轴方向入湖，曙光、雷家地区以及牛心坨洼陷泥地比一般大于60%。Es33继承了Es41的沉积体系，沉积中心移至清水洼陷，泥岩展布面积广，鸳鸯沟、清水、陈家和牛心坨洼陷泥地比均大于80%。

泥页岩的有效厚度主要受地层厚度、埋深及泥地比影响。Es41湖盆继续下陷，水体不断加深，水域不断扩大，碎屑物质供给充足，主要发育扇三角洲相和湖泊相。有效泥页岩北厚南薄，厚度30～250 m，沉降中心主要位于曙光、雷家地区以及牛心坨洼陷(图2a)。

图2 辽河西部凹陷沙河街组有效泥岩厚度平面展布

Es33沉积时期，湖盆处于剧烈沉降阶段，再次发生水进，深湖-半深湖相范围扩大，沉积中心南移。随着沉积沉降中心的转移，Es33有效泥页岩厚度中心向东南部偏移，有效厚度30～300 m，主要位于清水洼陷(图2b)。

1.2 泥页岩有机地球化学特征

研究表明，泥页岩中有机质丰度、类型及热成熟度与有机质孔隙的形成、分布及大小有关[9]，并影响泥页岩的储集性能和页岩油气赋存。

1.2.1 有机质丰度

有机质丰度是形成页岩油气的物质基础，通常采用有机碳含量来表征。因研究区热演化程度较低，有机质向烃类转化率较低。因此，氯仿沥青“A”含量和生烃潜量也可作为评价有机质丰度的重要指标[10]。

Es41385块泥页岩样品有机碳含量均值2.27%，其中大于1.5%的占77.1%，大于2.0%的占36.1%；390个泥页岩样品的氯仿沥青“A”均值0.25%，大于0.12%的占66.9%，大于0.2%的占48.9%。以上两种指标均显示了Es41较高的有机质丰度，达到富有机质泥页岩的评价标准。

Es33201个泥页岩样品有机碳含量均值1.63%，其中大于1.5%的占69.1%，大于2.0%的占41.8%；207个泥页岩样品的氯仿沥青“A”均值0.16%，大于0.12%的样品占56.2%，大于0.2%的占32.2%，有机质丰度未达到富有机质泥页岩标准(表1)。

表1 Es41、Es33有机质丰度统计

注：分数线之上的数值为参数值的范围(最小值～最大值)， 之下的数值为平均值，括号内的数字为样品数。

1.2.2 有机质类型

有机质类型反映页岩油气母质来源，决定了页岩油气类型及生烃潜力。Es41泥页岩以Ⅱ1-Ⅰ型干酪根为主，Ⅲ型较少，母质类型偏腐泥型；受Es33沉积环境由湖泊-三角洲相向深湖-半深湖相过渡影响，发育混合型干酪根，有机质类型主要为Ⅱ1型(图3)。

1.2.3 热演化程度

Es41镜质体反射率 0.2%～1.8%，均值0.46%，Tmax介于415～456℃，均值436 ℃；Es33镜质体反射率0.22%～1.56%，均值为0.53%，Tmax介于326～486 ℃，均值438 ℃，镜质体反射率和Tmax一致表明Es41、Es33处于未熟-低成熟热演化阶段，数据分布相对集中。

图3 Es41、Es33有机质类型

1.3 矿物组成及储集物性

1.3.1 泥页岩矿物组成

泥页岩脆性矿物含量越高，在压裂外力作用下越易形成诱导裂缝，和早期存在的天然裂缝形成树-网状裂缝群[11]，有利于页岩油气的开采；高黏土矿物含量塑型强，易形成平面裂缝且水敏性强，不利于后期储层改造。目前美国成功开发的Marcellus、Barnett、Woodford等多套页岩产层脆性矿物含量一般大于40%,黏土矿物小于30%， Haynesville页岩黏土矿物含量大于70%，仍然是美国重要的页岩产层[12]。辽河西部凹陷沙河街组(Es)矿物组成情况见图4。

图4 辽河西部凹陷Es41、Es33矿物组成

Es4114口井42块泥页岩样品主要由石英、长石、碳酸盐岩、黏土组成，不同洼陷的泥页岩样品矿物成分差异较大，石英含量3.0%～54.6%，脆性矿物总含量大于47.5%，黏土矿物含量45.8%；Es33样品较少，仍具有一定规律，脆性矿物含量29.0%～52.5%，黏土矿物含量39.4%～64.6%，脆性较Es41差些。

1.3.2 泥页岩储集空间

页岩油气储层孔隙结构复杂、储集空间类型多样，主要以游离态存在于微孔隙、裂缝中，以吸附态赋存于有机质、干酪根和黏土矿物表面[13]。

Milner 等曾针对北美泥盆系 Marcellus 页岩、侏罗系 Haynesville 页岩、密西西比系 Barnett 页岩及泥盆系 Horn River 页岩中的微观孔隙进行系统观察，发现上述 4 套泥页岩中主要发育有机质孔、基质晶间孔和粒间孔3种孔隙类型[14]。对辽河西部凹陷Es泥页岩进行了大量观察，除发现基质晶间孔和粒间孔隙外，还发现溶蚀孔隙、粒内孔隙，有机质孔隙较少，孔径主要集中在0.1～10 μm。

此外，泥页岩中还发育大量的构造缝和微米-纳米级微裂缝。Es41和Es33泥页岩样品构造缝与岩层呈3°度左右夹角，多为方解石充填。另外，沙河街组泥页岩发育微裂缝，缝宽分布在100～1 000 μm。

2 页岩油气富集主控因素及分析

2.1 页岩油气富集主控因素

研究区地层厚度普遍较大，因地层埋深、矿物组成等因素与页岩油气后期开发关系较为密切，对页岩油气富集不作为主控因素。根据页岩油气聚集机理，认为泥页岩有效厚度、有机地球化学特征、储集物性是页岩油气富集的主控因素，且只有各因素之间有效匹配，才能达到页岩油气富集[16]。

结合Es41和Es33地质特点，总结出研究区页岩油气富集主控因素评价标准，划分出页岩油气富集有利区域。辽河西部凹陷整体成熟度较低，部分泥页岩样品成熟度小于0.5%，考虑到曙古165、雷84等井泥页岩成熟度在0.4%～0.5%时，已有较好的油气发现，故将目的层系的镜质体反射率下限降至0.4%(表2)。

表2 页岩油气富集有利区优选标准

通过页岩油气富集主控因素分析，Es41有效厚度均大于30 m，主要发育Ⅱ1-Ⅰ型干酪根，有机质丰度达到富有机质泥页岩标准，脆性矿物含量大于40%，孔缝较发育，但泥页岩分布面积小、成熟度低。Es33面积大，有效厚度均大于30 m，以Ⅱ1型干酪根为主，有机质丰度较低，脆性矿物含量均值大于37%，发育多种孔缝空间，储集物性较好。

2.2 页岩油气富集有利区及主控因素分析

根据表2页岩油气富集有利区域优选标准，采用多因素关联法，划分出页岩油气富集有利区域。Es41以页岩油为主，富集区域较小，主要分布在陈家洼陷，欢喜岭地区和牛心坨洼陷分布面积较小，页岩气不发育；Es33页岩油气均发育，富集有利区域面积较大，页岩油有利区主要分布在清水洼陷地区及盘山洼陷东部，页岩气有利区主要分布在清水洼陷。

因此，通过影响因素分析，Es41页岩油气富集主控因素为泥页岩成熟度，因与干酪根类型匹配较差，尚未达到页岩气发育的热演化条件，导致Es41的页岩油富集区域较小；而Es33其它因素满足页岩油气富集条件，且分布面积较广，有机碳含量未达到富有机质泥页岩标准，导致Es33富集有利区分布面积大、核心区分布范围较小。

3 结论

(1)辽河西部凹陷沙河街组富有机质泥页岩较发育，泥地比含量高，有效厚度大，有机质丰度较高，干酪根类型偏腐泥型，热演化程度低，脆性矿物含量较高，孔缝类型多样，满足页岩油气发育的基本地质条件。

(2)页岩油气的富集受诸多因素影响，关键需要各种因素的有效匹配。Es41主要受热演化程度的影响，与腐泥型干酪根类型匹配较差，未能满足页岩气富集条件，主体发育页岩油；Es33分布面积大，页岩油气均发育，由于受有机质丰度影响，约束了富集区域面积。

(3)Es41页岩油主要分布在陈家洼陷，欢喜岭地区和牛心坨洼陷分布面积较小，Es33页岩油气富集有利区域面积较大，主要分布在清水洼陷及盘山洼陷。因此，综合分析，陈家洼陷和清水洼陷是页岩油气的勘探有利区。

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编辑：吴官生

1673-8217(2015)05-0046-05

2015-05-18

葛明娜，硕士，1988年生，2010年毕业于河南理工大学地球物理信息与技术学院，现从事页岩油气聚集条件和成藏研究。

国家自然科学基金项目(41102088)。

TE122.2

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