松辽盆地梨树断陷陆相页岩储层地质特征及地质意义

倪冬梅

(中国石化东北油气分公司 勘探开发研究院，长春 130026)

0 引言

页岩油气在地球上分布极广，根据2013年 EIA(美国能源信息署)的估算，世界页岩气地质资源量 1 013×1012m3。我国目前页岩气的主要勘探地区在中下扬子地区、鄂尔多斯盆地、四川盆地、松辽盆地等地区[1]，其中松辽盆地以陆相页岩气为主，其断陷层是沙河子组、营城组发育厚层泥页岩，资源潜力大，其南部的梨树、龙凤山、伏龙泉等地区暗色泥岩分布稳定，具有高丰度、高演化程度的特征。仅梨树断陷页岩气资源量达到4 460亿 m3(2012年资源评价)，是十分重要的增储新领域。国内外对陆相页岩油气储层特征的研究相对薄弱，并且国内陆相页岩气勘探多集中在涪陵、元坝、新场、建南、延长探区等地。对比海相页岩沉积类型，松辽盆地陆相页岩沉积类型影响因素复杂，勘探难度大。从目前的研究来看，陆相页岩具有“一新一深二低”特点，主要表现在时代新、埋藏深、成熟度低、脆性矿物含量低以及油气兼产等[1]。近年，松辽盆地陆相页岩气的勘探取得了新的进展，仅梨树断陷营一段已有6口井测试获得油气，证实了其具有页岩气勘探的潜力，但由于受到开发工艺及资料等的诸多限制，对该区域页岩储层的深入研究还很少。该研究以梨树断陷苏家屯地区营一段陆相页岩为例，通过岩心观察、构造沉积环境分析、地球有机化学测试、X衍射及镜下分析等手段，明确了梨树断陷泥页岩空间展布特征、生烃能力及页岩气储层基本特征，为该区后续建立储层评价方法及有利目标区优选提供地质依据。

1 研究区概况

研究区位于松辽盆地东南隆起区的梨树断陷，梨树断陷为松辽盆地重要的二级构造单元，断陷面积1 800 km2，断陷整体呈西断东超、断拗叠置式“箕”状断陷盆地，具有“一断两斜坡”结构，即盆地西部受南北走向的桑树台断裂控制形成深洼带，南北两侧为斜坡带，地层整体西厚东薄，自下而上发育白垩系下统火石岭组(K1h)、沙河子组(K1sh)、营城组(K1yc)、登娄库组(K1d)；上部为坳陷层沉积体系，发育有白垩系下统泉头组(K1q)、青山口组(K2qn)、姚家组(K2y)、嫩江组(K2n)，上被第四系(Q)覆盖。其中营城组早期(营一段)梨树断陷整体上以湖相沉积为主，泥页岩广泛发育时期，厚度大，有机质丰度高，具有形成陆相页岩气的地质条件，该时期断陷主要有3个沉降中心，即桑树台主沉降中心和苏家屯、双龙2个次沉降中心，中心分布厚层暗色泥页岩。其中苏家屯泥页岩埋藏浅，构造活动弱，保存条件较好。因此该研究主要以苏家屯地区营一段为分析对象，自下而上划分3个评价单元，即营一Ⅰ亚段以含钙质泥岩段沉积为主、营一Ⅱ亚段以夹薄砂岩泥岩段沉积为主、营一Ⅲ亚段以平直泥岩段沉积为主，3个亚段电性特征明显，其中营一Ⅰ亚段主要发育深湖-半深湖相暗色泥页岩，在工区内发育稳定，TOC相对较高，是页岩气勘探的有利层系。

2 泥页岩分布特征

2.1 沉积背景

苏家屯次洼沉降中心靠近西侧的桑树台断层，营一Ⅰ亚段地层沉积最厚，中心厚度160 m，向北、向东地层逐渐减薄，通过岩心观察发现A，B，C，D，G等井该时期岩性主要以灰黑色泥页岩为主；曲家屯断层东侧K井东北方向岩性逐渐变为砂砾岩、含砾砂岩与泥岩互层沉积；向西A-1井、向南F井、E井岩性则多发育粉砂岩，以此判断研究区该时期处于半深湖-深湖相沉积环境(如图1所示)，洼陷中心发育深湖相沉积，向东西断层方向水体逐渐变浅，以浅湖、滨湖相沉积特征为主。

图1 苏家屯营一段Ⅰ亚段沉积相图

2.2 泥页岩的特征及分布

从钻井揭示来看，苏家屯泥页岩在平面上分布比较稳定、连续，厚度中心靠近桑树台断层，厚度达到100 m，向四周减薄，盆地边缘的G井、F井也都基本达到了40 m，通过岩心观察可知苏家屯营一Ⅰ亚段岩性以黑色泥页岩、深灰色泥岩、灰色泥质粉砂岩夹薄层粉砂质泥岩为主，具有富叶肢介化石，富铀的特征。结合解吸气试验及电测特征分析，纹层状泥页岩段含气性较好，主要为黑色泥页岩，纵向上这种泥页岩表现为“高伽马、高声波、高有机碳”的特征。伽马一般为72～189 API，平均136 API；声波时差一般为200～318 μs/m，平均263 μs/m；依照GB/T 31483—2015页岩气地质评价方法和DB 61/T 573—2013陕西省地方标准陆相页岩气选区规范等评价标准，核心有利区域海相页岩气TOC应大于2%，陆相页岩气TOC大于1%，元坝大安寨组TOC为0.58%～3.64%，平均值1.2%，鄂尔多斯盆地泥页岩TOC评价指标大于2%，因此研究区将TOC大于2%的认为是优质泥页岩，并绘制了优质泥页岩分布图，如图2所示。图2中优质泥页岩主要分布在洼陷内靠近桑树台断层一侧，并向四周减薄，C井西侧均达到了20 m以上，是页岩气勘探的核心区域。

图2 苏家屯营一段Ⅰ亚段的泥页岩厚度图(TOC>2%)

3 泥页岩地球化学特征

3.1 有机质丰度

有机质是含气泥页岩的重要组成部分，其含量不仅与生烃有密切关系，为页岩气的生成提供物质基础，而且与气体吸附有着密切关系，对页岩气的含气量起到决定性作用[2]。根据苏家屯B井、D井等的实际，取岩心371块测试样品分析数据，绘制TOC分布情况，如图3所示。营一Ⅰ亚段TOC为0.95%～4.43%，平均值2.32%，TOC大于2%的占51.8%，大于1%的占81.4%。采用各井实际样品分析所得TOC绘制其平面分布情况，如图4所示。图4中TOC高值位于苏家屯西侧，靠近桑树台断层，向北东方向减小。参照Barnett页岩系统页岩气藏具有商业价值的陆相页岩气藏TOC应大于 1.00%[3]，进一步说明了该区泥页岩有机质丰富，具有较好的勘探价值。

图3 苏家屯营一段Ⅰ亚段TOC直方图

图4 苏家屯营一段Ⅰ亚段TOC分布图

3.2 干酪根类型

干酪根类型也是泥岩成烃潜力的重要参数之一，不同类型的干酪根对天然气的吸附力和扩散率均有影响[4]。根据地化分析Tmax与氢指数交汇图判别B井营一Ⅰ亚段泥页岩绝大多数样品为Ⅱ型和Ⅲ型有机质；从元素分析氢碳原子比和氧碳原子比交汇来看，营一Ⅰ亚段泥页岩也多为Ⅱ型有机质，如图5所示；通过岩心观察，在D井泥页岩岩心上可见大量的叶肢介化石及高等植物残片分布，干酪根镜下观察可以看到腐殖无定形体、镜质体、丝质体等。Ⅱ型干酪根有机质以腐殖无定形体为主，见少量镜质体、丝质体；Ⅲ型干酪根有机质以镜质体、丝质体为主，无定形体含量较低，如图6所示。以上从多方面说明了苏家屯营一Ⅰ亚段泥页岩干酪根类型主要是Ⅱ型和Ⅲ型。

图5 苏家屯次洼B井营一Ⅰ亚段有机质类型判别图

图6 D井黑色含气泥岩干酪根镜下检测

3.3 有机质成熟度

Tissot等提出的干酪根成烃作用模式，Ro为0.7%～1.3%，源岩处于开始进入大量生油气阶段[4]。A，B，C，D等井烃源岩地化分析结果显示区域内有机质成熟度较高，Ro为0.98%～2.30%，大部分大于1.0%，其中D井的泥页岩Ro为1.42%～1.65%，表明这些地区泥页岩热演化程度较高，已进入高熟-过熟演化阶段，以生成页岩气为主。根据这些实测的Ro数据绘制其平面分布情况，如图7所示。平面上由于Ro的大小受到地层埋深的影响，高值区位于B井东侧、C井西侧，向构造高处变小。整体来看苏家屯地区泥页岩有机质生烃能力强，具有页岩气形成的良好基础。

图7 苏家屯地区营一Ⅰ亚段Ro

4 储集层特征

4.1 矿物成分

苏家屯营一Ⅰ亚段泥页岩矿物成分比较复杂，含有石英、长石等碎屑矿物，伊利石、绿泥石等黏土矿物以及方解石、白云石等碳酸盐矿物。图8所示为苏家屯地区营一Ⅰ亚段泥页岩矿物成分图，B井、D井页岩样品的X衍射数据显示样品石英、长石含量为1.1%～72.2%，平均含量33.1%；碳酸盐矿物主要为方解石和白云石，含量2.4%～94.8%，平均值17.5%；黏土矿物含量3.9%～63.8%，平均值45.1%，黏土矿物中以伊蒙混层为主，平均占黏土矿物含量的73.4%。营一Ⅰ亚段泥页岩脆性矿物以石英、长石、碳酸盐岩为主，研究表明当脆性矿物含量超过黏土矿物含量时泥岩更容易产生裂缝[4]，从以上数据来看研究区脆性矿物含量大于50%，容易形成天然裂缝及诱导裂缝，为页岩气提供储集空间的同时对后期储层压裂改造起到了积极的作用。

图8 苏家屯地区营一Ⅰ亚段泥页岩矿物成分图

4.2 孔隙类型

当前页岩气储层一般为纳米级孔隙，目前国际上普遍采用孔径三分法来划分页岩孔隙，即小于2 nm为微孔，2～50 nm为介孔(中孔)，大于50 nm为宏孔[5]。图9所示为D井储层孔隙特征，其孔隙分布见表1，可以看出D井孔径分布主要以介孔-微孔为主，总孔容为0.002 5～0.035 0 ml/g，且页岩比表面积分布大于10 m2/g，具有较强的吸附能力。研究区营一Ⅰ亚段优质泥页岩孔隙类型有有机质孔、无机质孔，有机质孔孔径一般为10～50 nm，少数大于50 nm；有机质多依附于黏土矿物、碳酸盐、黄铁矿矿物而存在，有机质孔包括有机质间及有机质内发育的孔隙。有机质孔与其成熟生烃相关，主要是由于生成液体或气体聚集生成气泡而成[5]。无机孔隙以页理缝、黏土矿物层间孔、晶间孔为主，镜下观察一般大于50 nm，这说明了该区泥页岩主要以有机质孔为主。页理以及纹层之间页理缝广泛发育，页理缝内微孔隙发育；黏土矿物层间孔呈长轴型“缝”状顺层分布在黏土矿物中，多发育于伊蒙混层中，具有一定的连通性；粒间孔主要来自黏土矿物、石英、方解石、白云石矿物颗粒接触所形成的孔隙；晶间孔主要形成于草莓状黄铁矿内部晶格内形成的孔隙。

图9 研究区页岩气储层孔隙特征图

表1 D井孔隙分布表

4.3 物性特征

国内外大量实钻资料表明，页岩气储层具有低孔、特低渗的特征[1-2]。

苏家屯地区营一Ⅰ亚段页岩样品151个，其中测得孔隙度样品138个，渗透率样品58个，物性数据表明页岩气主要储层孔隙度一般为2.04%～7.66%，平均值为5.01%，孔隙度大于4%占比78%，大于5%的占比46%；渗透率在0.000 1～1.120 0 mD，平均0.089 mD，渗透率大于0.01 mD的占比75%，大于0.05 mD的占比24%。说明该研究区页岩气储层具有一定的储集性能，研究区页岩气储层物性参数分布情况如图10所示。

图10 研究区页岩气储层物性参数直方图

4.4 含气性及赋存特征

页岩气含量采用现场解析实验测得，苏家屯营一Ⅰ亚段总含气量0.39～5.50 m3/t，平均2.17 m3/t(B井、D井实测数据)。与国内外典型页岩含气量相比，含气量较国外典型页岩，除大于San Juan盆地的Lewis和Illinois盆地的New Albany页岩含气量外，低于国外其他盆地页岩含气量；但是相对于国内各盆地，除了苏北盆地外，较元坝、彭水区块、泌阳凹陷和湘鄂西地区均高，对比情况见表2。

表2 苏家屯营一段实测含气量与国内外含气量对比数据表

通过岩心描述及浸水实验分析发现苏家屯营一Ⅰ亚段泥页岩中纹层状泥页具有较高的含气量。同时比较区域内纵向岩相分布与总有机碳含量TOC的关系，可以得出纹层状泥页岩也具有较高的有机质含量(如图11所示)，是页岩气的主要赋存体。岩心及镜下观察纹层状泥页岩可见钙质纹层状泥页岩、泥质纹层状泥页岩、砂质纹层状泥页岩呈互层状分布，其中钙质纹层主要矿物为方解石，纹层较薄1～5 mm。

图11 TOC与纵向岩相关系图

泥岩中的页岩气包括游离气和吸附气，游离气存在于泥岩的基质孔隙、泥岩裂缝；吸附气则赋存于黏土颗粒和有机质表面[4]。等温吸附曲线显示页岩的最大吸附气含量与压力的关系，是衡量页岩吸附甲烷能力的重要参数[6-9]。研究区优质泥页岩样品埋深3 100～3 300 m，因此该测试在120 ℃下完成。从测试结果来看，D井在地层原位高温下具有较高的吸附量0.85～2.06 m3/t，平均1.45 m3/t。游离气含量1.40～3.17 m3/t，平均2.43 m3/t，且游离气占比62.9%，吸附气占比37.1%，即泥页岩在地层原始状态下以游离气为主。地质条件下，烃源岩生成的烃类先满足自身的吸附、溶解等残留需要后，才能以游离方式存在[10-15]。页岩气首先吸附于有机质、植物碎屑中及黏土矿物颗粒表面，随着演化程度的增大，以游离态依次聚集在黏土矿物层间孔、生烃压力缝、页理缝、粒间孔、粒内孔等孔隙空间(如图12所示)。

图12 纹层状泥页岩页岩气赋存模式图

5 地质意义

该研究重点对页岩气井进行了采样分析，包括有机碳含量、岩石热解、镜质体反射率、矿物组成、扫描电镜、孔隙度等测试分析，弥补了以往资料不全的缺陷，获得了系统的营一Ⅰ亚段页岩气评价所需要的各项指标，为后续建立梨树断陷乃至松辽盆地南部页岩气评价方法及标准提供了依据。

通过对研究区泥页岩的沉积背景、展布形态、地化特征、矿物组成、孔隙类型以及物性的分析，明确了区域内泥页岩储层主要形成于半深湖-深湖的沉积环境，受沉积环境及西部控边断层的影响其空间展布形态主要表现为以西侧为厚度中心，向四周逐渐减薄，TOC大部分大于2%，Ro基本大于1%，随着埋深的增加可达到2.3%，具有较强的生烃能力。石英、长石、碳酸盐矿物作为泥页岩储层中的脆性矿物，含量达到50%以上，使储层具有良好的可压性。另外泥页岩有机质孔、页理缝、矿物粒间、粒内等孔隙的发育为页岩气的储集提供了有利空间。

通过对泥页岩储层岩心观察、微观研究以及实验测试分析，明确了松辽盆地南部纹层状泥页岩为页岩气的主要赋存体以及其页岩气的赋存模式。

通过大量实验数据的对比研究，认为松辽盆地梨树断陷具有良好的页岩气富集条件，其泥页岩具有厚度大、分布广、有机碳含量高、含气性好的特点，同时具有一定的可压性，可通过地质以及工程“甜点”层的优选及有利区的刻画，实现该区陆相页岩气的有效开发利用。

6 结论

1)梨树断陷苏家屯地区营一Ⅰ亚段泥页岩形成于滨湖、浅湖、半深湖等不同的沉积环境，沉积相带在一定程度上控制了富有机质泥页岩的空间展布，是富有机质泥页岩形成的前提条件。

2)地球化学特征表明，研究区泥页岩TOC为0.95%～4.43%，平均值2.32%；Ro为0.98%～2.30%，大部分大于1.0%，生烃母质为Ⅱ型和Ⅲ型干酪根混合特征的有机质，具有较好的生烃能力。

3)泥页岩矿物成分中脆性矿物以石英、长石、碳酸盐岩为主；黏土矿物以伊蒙混层为主。脆性矿物含量平均大于50%，有利于后期压裂开发。

4)泥页岩储层的储集空间主要是页理缝、黏土矿物层间孔、有机质孔、无机矿物粒内孔以及粒间孔，孔隙大小以介孔-微孔为主，孔隙度一般分布在2.04%～7.66%，平均值为5.01%；渗透率在0.000 1～1.120 0 mD，平均0.089 mD，具备良好页岩气储集性能。

5)研究区页岩气主要以吸附态、游离态赋存在纹层状的泥页岩中，纹层状泥页岩是页岩气的主要赋存体。