陆相页岩含气性分析及勘探远景：以松辽盆地南部青一段为例

葛明娜，任收麦，包书景，王胜建，郭天旭

(1.中国地质调查局油气资源调查中心，北京 100083；2.中国地质调查局，北京 100037)

目前，我国中上扬子海相及鄂尔多斯盆地陆相页岩气勘探已取得重大突破[1]，但规模性生产主要还在海相地层中。我国陆相页岩气的勘探进展总体较慢，一是整体演化程度低，Ro一般都不高过1.3%;二是针对低演化程度的工艺技术，如延长组CO2压裂技术的普遍适应性还需持续攻关;三是整体的成藏基础研究程度较低。以松辽盆地为代表的东北大面积陆相及海陆过渡相盆地，泥页岩广泛发育，有机质丰度较高，具备页岩气生成的物质基础[2]。松辽盆地南部地质条件特殊，特别在有机质丰度较高的青山口组，热演化程度适中，前期钻井泥页岩段气测异常明显，具备页岩气聚集的基本地质条件。目前国内外CO压裂技术[3-5]，尤其是延长石油陆相页岩CO2混合体积气体压裂技术的成功应用[6]，突破了北方陆相页岩气因黏土含量偏高、水资源缺乏等制约页岩气高效开发的瓶颈。因此，开展松南典型区带和层段泥页岩含气性及有利区预测，将有助于掌握区内页岩气的分布特点，明确有利区域，摸清资源潜力，为松南页岩气进一步勘探开发提供理论支撑。

1 青一段泥页岩地质特征

1.1 泥页岩展布

松辽盆地南部可分为5个一级构造单元，其中研究区涵盖西部斜坡区、中央坳陷区、东北隆起区、西南隆起区4个构造单元。青山口期是松辽盆地快速沉降、水进体系发育的主要时期[7]。而青山口组一段以灰黑、深灰色页岩为主，夹油页岩和灰色砂岩、粉砂岩[8-9]，沉积中心位于大安-乾安地区，南薄北厚，泥岩最大厚度达400 m以上，泥地比30%～50%，是松辽盆地南部发育的优质烃源岩。

1.2 泥页岩有机地化特征

青一段泥页岩TOC处于0.5%～5.3%，其中TOC>1%的占比73.2%；氯仿沥青“A”含量0.11%～0.51%，>0.1%的占比82.6%，显示出较高的生烃潜力。青一段泥页岩干酪根以Ⅰ型和Ⅲ型为主，含少量的Ⅱ型干酪根，可油气共生。Ro分布在0.41%～1.44%之间，主体进入低成熟-成熟热演化阶段(表1)。

1.3 泥页岩储集物性

页岩气作为一种自生自储的非常规油气资源，其储集空间类型、孔渗物性及裂缝发育程度对页岩气的富集及开发具有重要意义。

页岩气储层孔隙结构复杂、储集类型多样，具有储集流体和提供流动空间的双重作用[10-11]。青一段泥页岩孔隙度1.4%～9.5%，渗透率0.017～0.179 mD(表2)。多口井见大量高角度构造缝，局部可见顺层裂缝。

微孔缝是页岩气重要的储存空间。青一段泥页岩发育粒内孔、有机孔、微裂缝等孔隙类型(图1)。受成熟度影响，有机质孔隙分为两种：原生有机质孔隙和后期生烃有机质孔隙[12]，此种孔隙类型在长岭凹陷较发育，多为μm-nm孔隙，普遍小于1.5 μm。微裂缝大多是微孔隙的延伸，长度十几微米不等，页岩气主要以游离状态赋存其中[13]。孔隙结构多为“墨水型”[14]，含有少量的“平板”狭缝型[15]。孔径分布均质性强，多集中在2.0～5.0 nm，部分小于2.0 nm(表2)。

表1 青一段泥页岩有机地化参数Table 1 Shale organic geochemical parameters in a section of Qingshankou formation

表2 青一段泥页岩储集物性和岩石力学参数Table 2 Shale reservoir physical properties and rock mechanics parameters in a section of Qingshankou formation

注：“-”代表无相关数据。

图1 松南青山口组一段泥页岩微孔缝Fig.1 Shale micropores in a section of Qingshankou formation

1.4 岩石学特征

受构造、沉积等多因素的影响，泥页岩矿物组成与含量变化较大[16]。由页岩气的赋存状态可知，气态烃可以吸附态赋存于黏土矿物表面，含气量在一定程度上受黏土矿物的影响，而石英、长石、方解石等脆性矿物对页岩气后期开发有重要意义。

青一段泥页岩脆性矿物含量30.7%～55.5%，以石英和斜长石为主；黏土矿物含量32.4%～59.4%，以伊蒙混层和伊利石为主，含有少量的绿泥石和高岭石(表2)。相比于北美典型页岩，我国陆相泥页岩具有脆性矿物和碳酸盐类矿物偏低，黏土矿物含量偏高的特点。

杨氏模量和泊松比是表征页岩可压性的主要岩石力学参数，杨氏模量反映页岩经过压裂的裂缝保持性能，泊松比反映页岩压力作用下的破裂能力，杨氏模量越高、泊松比越低，泥页岩可压性越强[17-18]。青一段泥页岩的杨氏模量14.3～26.5 GPa，泊松比0.17～0.26。因此，青一段泥页岩脆性一般，对后期储层改造不利[19]。

2 青一段泥页岩含气性特征

为及时、准确地获得泥页岩含气量，选取2口在钻井(J1井、J2井)进行随钻跟踪、含气量解析和部分等温吸附实验，为确定该区页岩含气性等重要参数，精确评价页岩气资源奠定了基础。

2.1 现场解析

选取的2口井(J1井、J2井)岩芯样品分别位于松辽盆地南部东南隆起带王府凹陷和中央坳陷的长岭凹陷，岩性以灰黑色泥页岩为主。解析实验采用二阶解析法[20]，将温度设置两个阶段：一是地层温度(50 ℃)下的解吸气量;二是(90 ℃)下的解吸气量(解析仪器采用排水集气法，研究区此温度下残余气量可忽略，总解吸气量为两者之和。其中，J1井选取20块样品，总含气量为0.26～0.73 m3/t；J2井选取6块泥页岩样品，总含气量为0.40～1.31 m3/t，损失气拟合相关系数大于0.99。

通过解析气量分析，实测解吸气量整体与总含气量趋势一致，J1井的11～13号样品实际回归损失气量占总含气量的50%左右;J2井的21号样品损失气量含量稍高，与损失时间较长有关，残余气含量基本可忽略(图2)。长岭凹陷总含气量较王府凹陷高，多数超出最低陆相页岩气工业标准。

2.2 等温吸附

J1井、J2井青一段6块泥页岩样品吸附量为1.71～3.61 m3/t，均值2.97 m3/t。在2 MPa的压力下，吸附气量超出1.0 m3/t，当压力达到6 MPa时，吸附气量超出2.0 m3/t，显示出较强的吸附能力，与TOC线性正相关，相关性较好(图3)。

图2 青一段泥页岩解析气量Fig.2 Shale desorption in a section of Qingshankou formation(注：样品编号中J1为1～20,J2为21～26)

图3 J1井和J2井吸附量与TOC关系Fig.3 Relationship between adsorption capacity and TOC of J1 well and J2 well

2.3 测井解释

页岩气测井曲线呈现“三高两低”的特征[21]。青一段为富有机质泥页岩层段，具备高伽马、高声波、高电阻、低密度等特点，部分单井具有较好的全烃显示。以木262井为例，青一段GR介于90～140 gAPI之间，平均值为112 gAPI，深侧向电阻率介于3～16 Ω·m，密度介于2.18～2.45 g/cm3，声波介于306～450 μs/m之间，青一段的全烃值明显高于青二段和青三段(图4)。

页岩含气量包括游离气、吸附气和溶解气等。由于地层中溶解气含量较少，目前主要关注吸附气和游离气，总含气量为两者之和，本次研究借用测井技术通过叠加手段获取了地层的总含气量[22]。为与现场解析相比较，选取红岗阶地和长岭凹陷20口钻井进行评价，含气量介于0.41～1.50 m3/t，均值0.81 m3/t，与长岭凹陷J2井现场解析数据相似度较高，但都低于等温吸附实验得出的含气量。

针对等温吸附所得的含气量大于解析和测井解释的含气量，原因主要考虑以下两点：一是等温吸附法测定的是泥页岩最大程度吸附气体的能力，主要受泥页岩有机质丰度、黏土矿物含量和比表面积的影响，样品研碎过程中由于比表面积增大，可能导致测定的吸附量大于实际吸附气量；二是对于北方陆相泥页岩储层成熟度较低、黏土矿物含量高，受有机质丰度、成熟度、矿物成分等因素影响，页岩微孔隙欠发育且连通性差。理论上，气体更多以吸附态赋存，不利于气体解吸，特别是在页岩储集空间未被饱和或含气量较低时，出现等温吸附实验得出的吸附气量远大于解析气量和测井解释气量。因此，对北方陆相泥页岩，在获取含气量时，优选解析法，尽量不采用等温吸附法。

图4 木262井青山口组有利页岩测井响应特征Fig.4 Logging response characteristics of favorable shale section of Qingshankou formation in Mu262 well

图5 Trace1912测线青山口组纵波速度(Vp)反演剖面Fig.5 Trace 1912 line longitudinal wave velocity (Vp) inversion profile of Qingshankou formation

图6 青山口组一段含气泥页岩厚度分布图Fig.6 Thickness distribution of gas-bearing shale in a section of Qingshankou formation

图7 松辽盆地南部青山口组一段页岩气有利区分布预测图Fig.7 Favorable area distribution prediction of shale gas in a section of Qingshankou formation,southern Songliao Basin

3 含气泥页岩预测

运用岩石物理分析手段，得出含气泥页岩界定的纵波速度槛值范围[23]，通过纵波速度反演来预测青山口组含气泥页岩的分布。青一段统计了350口井，存在明显速度异常的有201口(以图4为例)，图5是过乾215井青山口纵波速度反演剖面。从纵波速度(Vp)反演剖面分析，青山口组泥页岩含气性整体较好，其中青一段含气性泥页岩最为发育，预测结果与钻井烃类异常显示相似，这也同时说明叠后纵波速度反演能够较好地展示研究区目的层段泥页岩的含气性特征。青一段含气泥页岩分布预测图见图6。由图6可见，青一段含气泥页岩厚度高值区主要分布在长岭凹陷乾安-塔虎城一带和红岗阶地的大安地区，最大含气性泥页岩厚度约50 m。

4 有利区预测及资源

青一段整体具有高有机质丰度、低演化程度和偏生油型干酪根的特点，结合松辽盆地南部页岩气陆相有利选区评价方法，认为松辽盆地南部青一段发育页岩气，页岩气地质资源量为3 353.33×108m3，游离气资源量为2 239.91×108m3。在5个二级构造单元中，扶新隆起资源量最大，其次依次为长岭凹陷、红岗阶地、王府凹陷和华字井阶地。有利区主要分布在红岗阶地的红岗-大安构造和长岭凹陷北部(图7)。

5 结 论

1) 松辽盆地南部青一段泥页岩主要为半深湖相沉积，累计厚度大，厚度中心位于中央坳陷的长岭凹陷、扶新隆起、红岗阶地南部，有机质类型以腐泥型为主，平均TOC>2%，Ro介于0.4%～1.5%，处于低熟-成熟演化阶段。

2) 青一段泥页岩含有多种微孔缝，为页岩气赋存提供储集空间。此泥页岩相对于我国南方和北美页岩储层，黏土矿物含量偏高，脆性一般，对后期储层改造不利，可考虑二氧化碳等其他压裂手段。

3) 青一段页岩气测异常明显，解析含气量0.26～1.31 m3/t，高值区集中在中央坳陷的长岭凹陷、红岗阶地和扶新隆起，长岭凹陷含气量高于王府凹陷。泥页岩吸附能力强，测井解释含气量0.41～1.50 m3/t，与解析结果相一致。

4) 岩石物理预测的含气泥页岩层段与气测异常井相似，厚度高值区分布在长岭凹陷和红岗阶地，页岩气资源丰富，长岭凹陷中北部和红岗阶地的红岗-大安构造带是页岩气勘探的有利区域。