松辽盆地东南隆起区JFD1井上白垩统青山口组一段油页岩品质特征

2020-05-12代登亮朱小锋徐银波姜福平詹天宇

吉林地质 2020年1期

代登亮，朱小锋，徐银波，姜福平，詹天宇

1.吉林省地质调查院，吉林长春 130102；2.中国地质调查局油气资源调查中心，北京 100083

0 引言

油页岩是一种可燃性固体细粒沉积岩，又称油母页岩，一般含油率大于3.5%，发热量一般不小于4.18 MJ/kg，通过低温干馏技术可以获得油页岩油。油页岩作为一种重要的战略能源资源，在国内外经济发展中越来越重要。它不仅可以作为燃料，还可以用于建筑材料和肥料等用途。松辽盆地作为中、新生代沉积盆地，蕴含丰富的油页岩资源，也是中国最大的含油气和产油气区之一(1)吉林省地调院.吉林省抚余县长春岭油页岩矿详查报告[R].2007.。温志良等人(2016)研究表明，松辽盆地东南隆起区探明4处超大型油页岩矿床，有2个含矿层系，分别为：上白垩统嫩江组和上白垩统青山口组[1]。吉林省的油页岩资源量更是占到了全国油页岩资源的80%以上。本文以中国地质调查局油气资源中心“松辽盆地松南油页岩地质调查井工程”项目为依托，利用位于吉林省松原市扶余市长春岭附近的JFD1油页岩地质调查井，通过对青山口组一段取心样品含油率、TOC、全硫含量等测试以及测井曲线特征分析，评价研究区青山口组一段油页岩特征，为油页岩的原位压裂-热解开采靶区优选提供地质依据[2]。

1 区域地质背景

松辽盆地横跨我国黑吉辽三省，面积约为26万平方千米。依据盆地构造演化、基底形态和盆地结构等特征，将其划分为6个一级构造单元，分别为北部倾没区、中央坳陷区、西部斜坡区、东北隆起区、东南隆起区和西南隆起区。其中东南隆起区经历了多期构造运动，自晚侏罗世以来，可划分为热拱期、断陷期、断坳转换期、坳陷期、萎缩隆褶期和弱伸展凹凸期6个演化阶段，形成了明显的下断上坳沉积特征[3]。在晚白垩世末期—古近纪经历构造反转抬升之后，长期处于隆升状态，致使沉积层遭受严重剥蚀，未接受上白垩统的嫩江组、四方台组、明水组和新近系的泰康组沉积。JFD1井位于东南隆起区的〗登娄库背斜部位(图1)。

2 油页岩形成环境

前人研究认为，松辽盆地青山口组一段主要发育半深湖—深湖相沉积[4-7]。结合岩心观察认为，JFD1井青山口组一段主要分为上下两部分：下部为棕褐色泥(页)岩，发育油页岩；上部为灰黑色页岩、油页岩组成的互层带，含介形虫和叶肢介化石，整体呈现灰黑色细粒沉积结构。油页岩新鲜面主要为棕黑色、褐色、黑褐色，密度相对较小，含介形虫、叶肢介、植物茎秆等生物化石，发育水平层理和块状层理。综合分析认为，研究区青山口组一段油页岩形成环境应为半深湖—深湖相。

3 钻井及取样

3.1 JFD1井钻探情况

依据钻井岩心观察和统计，JFD1井钻遇地层自上而下层序如下：

第四系(0～12.55 m)：钻遇层厚为12.55 m，岩性为腐殖土、亚黏土、亚砂土等。

姚家组(12.55～210.05 m)：钻遇层厚为197.50 m，岩性以褐色泥岩为主，夹灰绿色粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、粉砂岩。

青山口组二段(210.05～337.85 m)：钻遇层厚为127.80 m，岩性为灰绿色粉砂质泥岩、泥质粉砂岩及粉砂岩。

青山口组一段(337.85～461.65 m)：为研究目的层位。钻遇层厚为123.80 m，岩性主要为黑褐色油页岩、灰黑色泥岩、灰绿色粉砂质泥岩及少量灰白色粉砂岩，发育水平层理，可见叶肢介、介形虫化石，另见星点状、团块状黄铁矿化。

泉头组(461.65～474.2 m)：未钻穿，终止层厚为10.30 m，岩性为棕褐色泥岩夹灰绿色粉砂岩。

3.2 取样分析

JFD1井青山口组一段埋深为337.85～461.65 m，本次研究在青山口组一段中共采集159件含油率分析样品，再从其中含油率大于3.5%的油页岩样品中选取62件总有机碳分析样品、9 件全硫含析样品、2 件工业分析样品和6 件小体重样品。本次样品测试工作委托国土资源部长春矿产资源监督检测中心完成。

4 油页岩特征

4.1 油页岩宏观品质特征

青山口组一段油页岩岩性特征为：新鲜面主要为灰黑色、褐色、灰黑色(图2a，c)，密度相对较小，含介形虫(图2f)、叶肢介、植物茎秆等生物化石，发育水平纹层理(图2b)和块状层理，发育方解石细脉(图2d，e)。

4.1.1 小体积质量测试

小体积质量指的是单位体积油页岩的质量，也称体重，是油页岩品质的一个重要指标。体重的大小与油页岩中有机质的含量密切相关，同时也与含油率、灰分等相关[8]。

小体积质量和含油率的线性回归方程为y=-3.706x+12.482，两者的相关系数为R2=0.056 3(表1，图3)。虽然样品数量有限，但也显示出一定的负相关性，即样品含油率增高，小体积质量减小；含油率降低，小体积质量加大。

表1 油页岩样品含油率和小体积质量测试结果表

图2 JFD1井青山口组一段油页岩岩心特征Fig.2 Core characteristics of oil shale in 1st member of Qingshankou Formationa. JFD1井437.3～443.4 m岩心照片；b.442.99 m处油页岩岩心断面纹层理发育；c. JFD1井431.0～436.20 m岩心照片；d. 442.60 m处油页岩裂隙充填的乳白色方解石细脉，呈楔状尖灭；e.435.80 m处岩心柱表面发育的“十”字状交叉方解石脉，未见尖灭，脉宽约为1.5 mm±；f. 436.20 m处油页岩岩心断面发育的介形虫化石斑点，个体较小，长轴长约1.5 mm，短轴长约1 mm，集中发育处密度约为15个/cm3，轮廓清晰，颜色为浅灰褐色。

图3 含油率和小体积质量相关性图Fig.3 Relationship between oil content and small volume mass

青山口组一段油页岩段自然伽马范围值为(97.784～263.622)API，平均值141.866 API，非油页岩段范围值为(75.734～178.408)API，平均值为131.796 API；油页岩段声波时差范围值为(379.622～463.296)s/m，平均值为 425.888 s/m，非油页岩段范围值为(252.554～467.448)s/m，平均值为 410.833 s/m；油页岩段深侧向电阻率范围值为(4.171～34.566)Ω·m，平均值8.962 Ω·m，非油页岩段为(3.414～19.838) Ω·m，平均值为6.424 Ω·m；油页岩段浅侧向电阻率(3.904～35.03)Ω·m，平均值为8.938 Ω·m，非油页岩段范围值为(3.159～18.594)Ω·m，平均值为5.903 Ω·m；油页岩段补偿密度范围值为(2.01～2.449)g/cm3，平均值为2.272 g/cm3，非油页岩段范围值为(2.154～2.646)g/cm3，平均值为2.349 g/cm3(表 2)。

表2 青山口组一段油页岩段和非油页岩段测井数据对比表

4.1.2 测井曲线响应特征

油页岩的测井曲线响应通常表现为“三高一低”的特征，即高自然伽马、高电阻率、高声波时差和低密度[9]。

从以上数值和曲线特征来看，青山口组一段油页岩具备明显的“三高一低”特点(图4)，所以通过测井曲线来判断油页岩段是非常好的一个参考手段[4,10]。

图4 JFD1 井青山口组一段综合柱状图Fig.4 Comprehensive histogram of 1st member of Qingshankou Formation in Well JFD1

4.2 油页岩工业品质分析

经过62件油页岩样品分析，含油率范围为3.5%～11.0%，平均值为5.04%。根据含油率高低分为低、中、高三个等级，分别对应：3.5%<低<5%、5%≤中<10%、高≥10%[11]，本次样品各等级油页岩所占比例分别为74.2%、24.2%以及1.6%(图5)。在JFD1井青山口组一段中，共发育4个油页岩层段，按深度从浅到深编号依次为①、②、③和④(表3)。各层油页岩概况如下：①层油页岩平均含油率为4.5%，厚度1.0 m，为低含油率段；②层油页岩按照含油率等级划分为中—低两段，中段平均含油率为5.6%，最高含油率5.9%，厚度3.43 m，低段平均含油率为3.8%，最高含油率5.0%，厚度5.6 m；③层油页岩平均含油率5.3%，最高含油率11.0%，为中含油率段；④段油页岩平均含油率4.9%，最高含油率6.2%，为中含油率段。总体来看，JFD1 井青山口组一段油页岩含油率达到了中等水平，为含油率较高的层位，累计厚度20 m。

图5 油页岩含油率频率分布直方图Fig.5 Frequency of distribution histogram about oil content of oil shale

4.2.1 油页岩含油率与灰分、挥发分的相关性

除含油率测试分析以外，JFD1井油页岩样品仅做了2件灰分和挥发分测定、9 件全硫含量测定。

表3 JFD1 井油页岩见矿简表

通过前人研究可以发现，含油率越高，灰分越低；含油率越低，灰分越高，即两者呈负相关性[11]。灰分为单位质量油页岩在(800±10)℃条件下完全燃烧后剩余的残渣的质量，而可燃物质大部分都属有机质，有机质含量高，燃烧充分，剩余未燃烧部分就少，灰分含量值就低。而有机质的含量也代表着含油率的高低。挥发分的含量值通常作为评定油页岩品质的重要参考，与含油率呈正相关性。灰分和含油率也可以作为油页岩评价的替代指标[12]。

从表4可以看出，含油率较高时，灰分值较低，挥发分值较高，基本符合负相关性特征。

表4 JFD1 井油页岩样品工业品质测试结果表

Table 4 Test results of industrial quality of oil shale samples in Well JFD1

样编号含油率(%)w(灰分d)/10-2w(挥发分d)/10-2JFDH1735.5082.7016.39JFDH11368.5081.1117.47

4.2.2 油页岩的全硫含量

全硫含量(SQg)是指油页岩中各种硫分(无机硫和有机硫)的总和。无机硫是指油页岩中无机矿物中所含的硫，主要为硫化物和硫酸盐等；有机硫是油页岩中有机质内所含的硫[12]。两种硫在油页岩燃烧或者低温干馏过程中会产生SO2等环境污染物。因此，全硫含量的测定对于油页岩的开发利用至关重要。刘招君等人(2009 年)参照煤的含硫量分级，将油页岩全硫含量(SQg)分为五级：特低硫油页岩SQg≤1.0%，低硫油页岩1.0%

整体来看，JFD1井油页岩大部分属于低硫油页岩(表5)，少部分属于特低硫油页岩，在油页岩开发过程中能有效地降低环境污染。

表5 JFD1 井青山口组一段油页岩全硫含量和含油率对应表

Table 5 Correspondence table of total sulfur content and oil content of oil shale of 1st member of Qingshankou Formation in Well JFD1

送样编号w(S)/10-2含油率%JFDH1361.124.5JFDH1731.155.5JFDH1831.064.9JFDH11210.855.7JFDH11331.506.8JFDH11360.938.5JFDH11401.147.8JFDH11520.924.2JFDH11801.934平均值1.185.8