鄂尔多斯盆地中生界延长组长7段泥页岩成藏地质特征

鄂尔多斯盆地中生界延长组长7段泥页岩成藏地质特征

0盆地内页岩气藏条件及研究意义鄂尔多斯盆地横跨陕甘宁蒙津五省。这是中国的第二个沉积物盆地，总面积为37.14km2。盆地内延长组长7油层组广泛发育有暗色泥页岩,厚度较大,有机质丰富且成熟度高,为该盆地中生界地层的主要烃源岩层,具备形成页岩气藏的前提条件。据调查,在如此广阔的盆地内至今尚未进行过细致具体的页岩气研究工作和得到较为详实的认识成果。对该盆地中生界地层进行的页岩气成藏条件研究,将有助于为常规油气资源找到接替能源,新增天然气地质储量,促进国内非常规油气资源的勘探开发。1地质背景1.1地质条件分析鄂尔多斯盆地进入中生界延长组长7沉积期时进入湖相发育的鼎盛时期,湖盆宽阔,广泛接受沉积。岩石化学组成、微量元素丰度和相关参数的测定,都反映出长7优质烃源岩经历了湖盆快速扩张、稳定沉降和缓慢回升三个阶段。较低的总稀土含量反映了长7泥页岩中有机质的快速堆积、陆源细碎屑补给慢;较低的Sr/Ba比值和B含量反映湖盆含盐度不高;高V/(V+Ni)和U/Th比值指示了缺氧的沉积环境。湖盆的快速扩张、持续稳定的深水沉积、含盐度低且缺氧的沉积环境为长7优质油源岩大规模的发育提供了良好的地质条件。湖盆中心范围内是长7优质烃源岩发育最好的地区,见图1。1.2构造运动阶段对盆地进行的演化模拟及长7烃源岩热演化的研究显示,长7烃源岩进入生烃期之后,盆地经历了侏罗纪末的沉积(距今164~149Ma)与抬升剥蚀(距今149.5~145Ma)、下白垩统沉积(145~100Ma)、早白垩纪末开始的抬升剥蚀(100~8Ma)及第四系沉积(8Ma至今)等五个调整阶段。长7烃源层于中、晚侏罗纪在构造热事件的影响下开始生烃,到白垩纪末期达到生烃高峰,之后热演化程度变化不大。盆地西边局部地区受喜马拉雅期构造运动而再次埋深增厚,经历第三次生烃。构造运动一方面使得烃源岩埋深增加,加之构造热事件的影响而达到生烃门限;另一方面抬升剥蚀使上覆岩层有所减薄,如在盆地北部和东北部地区遭受过大量剥蚀从而影响到泥页岩层,其它地区保存较好。从总体上看,鄂尔多斯盆地经历的构造运动对页岩气藏的形成与保存提供了可能。2西藏的形成和控制2.1地层分布特征长7页岩岩心外观呈黑色、质纯且脆硬、手感较轻、水平层理发育、常见介形虫及鱼鳞化石,含动、植物化石丰富,露头风化后呈纸片状,含有星点状黄铁矿,见图2。纵向上可见到泥包砂等深水沉积构造,显现出深湖—半深湖相沉积特征明显。长7泥页岩分布范围广阔,面积超过10×104km2,厚30~120m,其分布变化趋势呈现出西深东浅、南厚北薄的特征。如:定边地区泥页岩层埋深多在2200~2600m,泥页岩层厚40~60m;永宁、下寺湾等区块埋深多在1300~1700m,厚30~60m;甘谷驿、南泥湾等区块的页岩埋深在700~1100m,厚30~40m。盆地沉积中心范围内,泥、岩层都能达到当前勘探开发的厚度下限标准(国内外现将该标准下限值定为9m)。长7下伏长8湖相泥质粉砂岩层,上覆长6三角洲相泥岩、粉砂岩、砂岩层;绝大多数区域内,长7泥页岩层都有粉砂岩或砂岩夹层,将泥页岩分为上下两层,且上层薄(5~30m)、下层厚(30~50m),见图3~4。格夹层的出现反映了湖盆的轻微震荡和古气候环境的变化。2.2有机质丰富,强化了油气资源开发和成藏有机碳的类型与丰度不仅影响着页岩的颜色、密度、抗风化能力、放射性和硫含量,还在一定程度上影响裂缝的发育程度,更重要的是控制着泥页岩的生烃量、气体赋存方式及成分。页岩气藏的有机碳丰度与含量气(包括总气体含量和吸附气含量)有很好的正相关性。具有工业价值的页岩气藏,其有机碳平均含量应大于1%,随技术进步下限值可能会降至0.3%。发育于陆相深水湖盆淡水—微咸水还原环境的长7泥页岩层,有机质丰富,以Ⅰ1-Ⅱ2型为主,偏向于腐泥—混合型,具有生油潜力大的特征。陇东地区平均有机碳含量为2.72%,氯仿沥青“A”含量在0.3302%,烃含量在2061.1×10-6;陕北地区平均有机碳含量为3.04%,氯仿沥青“A”含量在0.4158%,烃含量在2692.3×10-6。TOC平均为13.75%,残余有机碳含量一般为6%~14%,最高可达30%以上。丰富的有机质不仅为油气大量生成提供了良好的物质基础,也为页岩气的吸附富集成藏提供了大量优质的载体。长7泥页岩层的有机质与其吸附气体量之间也具有正相关性的特征,见图5。2.3储岩储质及渗透率孔隙度和渗透率是判断页岩气藏优劣的重要参数之一,较低的孔、渗值将会影响其商业产值。有研究表明,长7段优质烃源岩在大量生、排烃阶段之前就已发生过强烈的压实作用,现今泥页岩层实测孔隙度一般小于1%,多为0.5%~0.8%。页岩基质的渗透率一般小于0.1×10-3μm2,平均吼道半径不到0.005μm。统计长7段常规砂岩油藏的平均渗透率仅为0.15×10-3μm2,据此可推测泥页岩具更低的渗透率值。国外已有的页岩气勘探开发研究表明,泥页岩层内的孔隙度与渗透率之间往往也呈现出正相关的线性关系,见图6。较低的孔隙度一方面会造成渗透率降低,不利于对页岩气藏的开发,需要通过大量的人工压裂加以改善;另一面不利于为游离气提供大量的存储空间,需要有厚而广泛发育的泥页岩层或更好的吸附条件来加以补偿。2.4微量元素特征岩石薄片、岩样的光学显微镜、扫描电子显微镜(SEM)的观察和X衍射分析显示,长7优质烃源岩(油页岩)具有富有机质纹层、富莓状黄铁矿(图7)、富胶磷矿(图8,红色部分)、高二价硫、Fe(平均含量为6.66%,58个样品)、P2O5(平均含量为0.55%)和相对较低的Al2O3(平均含量为13.31%)、SiO2(平均含量为49.29%)、CaO(平均含量为1.6%)及MgO(平均含量为1.21%)的特征。微量元素表现为Mo、Cu、U呈显著正异常,V、Pb呈正异常,其他微量元素为正常和亏损,总稀土含量较低。矿物组成研究表明长7泥页岩层陆源碎屑和粘土矿物的相对含量较低,且油源岩在大量生、排烃之前蒙脱石就已大量脱水并向伊-蒙混层转化。长7泥页岩层蒙脱石等膨胀性粘土矿物含量较少对页岩气藏的形成和开发都较为有利;但硅质矿物质含量少对天然裂缝的形成和人工压裂都造成了不利影响,需要有更高的生烃增压造缝和适宜的压裂技术来弥补。2.5比色和渗透率天然裂缝对页岩气成藏其实是不利的,但微裂缝的发育则对页岩气藏至关重要。地层微裂缝的形成有利于改善页岩气藏的储积空间和提高其渗透率;人工压裂造缝就是为了有效地对页岩气藏进行开发,要针对页岩储层的特征优选压裂工艺。而裂缝的发育,则受控于沉积构造、生排烃演化、岩石矿物组成等因素。页岩气储层的渗透率低,气流阻力比传统的天然气大得多,应尽可能地利用天然裂缝的导流能力。从现场的钻井记录和岩心观察发现,在长7泥页岩层中有大量裂缝的发育,见图9。2.6孔隙和矿物有机质表面活性剂和复配一般情况下,随压力的增大,无论以何种赋存方式存在的气体,含量都呈增大趋势。但压力增大到一定程度以后,含气量增加缓慢,因为孔隙和矿物(有机质)表面是一定的,前者控制游离态气体含量,后者控制吸附态气体含量。地层过剩压力是用地层异常压力减去静水柱压力。从已有的研究发现长7段最大过剩压力为23.6MPa,最小是10.2MPa。一定高的地层压力有利于吸附气的储存。3地化指标3.1古地温特征及对比根据任战利(1996年)对鄂尔多斯盆地热演化史的研究,从古生代到中生代早期地温梯度都较低(2.2~3.0℃·100m-1),中生代晚期地温梯度升高到3.3~4.5℃·100m-1,新生代以来逐渐降低到2.8℃·100m-1。对最大古地温的计算得到侏罗统延安组的最大埋藏温度一般在60~94℃之间,三叠系延长组的最大埋藏温度在90~155℃之间,石炭、二叠系在152~230℃之间,奥陶系一般大于200℃。盆地各阶段的古地热场演化总体以庆阳隆起为中心(高地热场)向四周逐渐减少,具有较明显的继承性特点。但在庆阳—甘泉一带地区存在着热异常突变。古生代和中生代早期地温梯度低,气源岩热演化程度低,有利于有机质的保存;中生代晚期较高的地温梯度使有机质成熟度达到生烃要求;盆地现今相对较低的地层温度则有利于页岩气藏吸附气量的保存。3.2盆地内生热演化有机质的成熟度直接控制着生烃模式和生烃量的大小。经陈瑞银等(2007年)对盆地进行的热演化模拟得出延长组长7泥页岩层在侏罗系延安组沉积后,热演化程度最高地区的Ro值不到0.5%,侏罗系末期由于热事件加热效应,鄂托克前旗至铜川一带进入生烃阶段,Ro达到0.5%~0.7%,全盆地在白垩系末期进入生烃门限,热演化程度高的地区的Ro值达到0.1%;周江羽(1998年)也得出中生代地层的Ro大部分在0.5%~1.1%之间,盆地各地区的平均热演化速率大致相同,约为0.0032R°·Ma-1;张文正等(2006年)研究发现长7段优质油源岩在盆地大部分地区均已达到成熟—高成熟早期演化阶段,Ro值为0.9%~1.15%。白垩系末之后由于盆地的抬升剥蚀,Ro值降低,生烃停止。本文将采用任战利(2006年)所绘制的Ro平面分布图作为分析依据,见图10。3.3低温阶段c张文正等(2006年)通过热模拟实验认为长7优质油源岩在成熟演化阶段(温度低于320℃,Ro值为0.55%~1.30%)以产油为主,进入高演化阶段(温度高于340℃),液态烃大量裂解成气态烃;产烃率高,液态烃产出高峰在280~320℃(Ro为0.71%~1.30%),液态烃产率达357~417kg/t,模拟温度为600℃时气态烃产率可达777m3/t;低温阶段生成的气态烃富含C2+组分,C2+/C值大于1,与油田伴生气富含C2+组分的特征一致;CO2的产出量相对较低,反映干酪根结构中贫含氧基团,与其强还原的沉积环境相吻合,见表1。参考长7段优质油源岩热模拟实验结果及结合实际地质条件分析认为,有机质通过生物化学、热催化及部分地区热裂解作用生成气态烃类。考虑到长7段Ro值在生物气范围的时间短(晚侏罗系末至早白垩系早期)及Ro能大于1.3%的区域范围相对较小,所以大部分气体可能还是以石油伴生气的方式形成,且生气量大。4页岩气藏有利勘探区域预测通过上述对鄂尔多斯盆地中生界延长组长7泥页岩层的沉积构造背景、各项成藏地质影响因素及各项页岩气成藏地化指标的分析,在各项因素叠合的基础上,可初步预测鄂尔多斯盆地中生界延长组页岩气藏有利的勘探开发区域,见图11(据喻建2010年,修改)。5岩相古地理特征a)鄂尔多斯盆地经历的构造运动一方面影响着有机质的成熟度,使其能达到生烃门限;另一方面盆地南部地区经历的后期抬升剥蚀相对较小,有利于页岩气藏的保存;盆地中生界延长组长7泥页岩层发育于适宜的湖相深水还原环境。b)长7泥页岩多为暗色、黑色,质纯且脆,含动植物化石丰富,水平层理发育;在沉积中心范围内页岩厚度较大,展布范围较广,呈现出“西深东浅、南厚北薄”的分布特征;有机质丰富,以Ⅰ1-Ⅱ2型为主,偏向于腐泥—混合型,生烃潜力巨大;页岩气藏孔隙度和渗透率都比较低,实测孔隙度多为0.5%~0.8%,渗透率将小于0.15×10-3μm2;岩石矿物组成含膨胀性粘土矿物蒙脱石