辽河东部地区梨树沟组页岩气富集条件及有利区优选

任珠琳 ，李晓光 ，王龙 ，单衍胜 ，王广源 ，唐玄 ，杨升宇

（1.中国地质大学（北京）海相储层演化与油气富集机理教育部重点实验室，北京 100083；2.中国地质大学（北京）能源学院，北京 100083；3.中国石油辽河油田公司勘探开发研究院，辽宁 盘锦 124010；4.中海石油（中国）有限公司天津分公司渤海油田勘探开发研究院，天津 300452）

页岩气是指主体位于暗色泥页岩或高碳泥页岩中，以吸附或游离状态为主要存在方式的天然气聚集，同时也存在于夹层状的粉砂岩、粉砂质泥岩、甚至砂岩地层中，是天然气生成之后在源岩内就近聚集的结果，表现为典型的“原地”成藏模式［1-2］，具有成因类型多、资源量大、开发周期长等特点［3］。我国北方地区地质条件复杂，沉积盆地主要为陆相、海陆过渡相，富有机质泥页岩的快速沉积使其具备页岩气聚集的基本条件。前人对辽河盆地东部地区泥页岩的研究主要集中在上古生界石炭-二叠系、古近系沙河街组地层［4］，而对中生界梨树沟组的研究较为薄弱。梨树沟组暗色富有机质泥页岩地层厚度大、分布稳定，是辽河东部地区重要的生烃源岩层，具备页岩气聚集潜力。本文试图对中国北方陆相页岩气的形成条件进行初步探索。

1 泥页岩发育构造沉积背景

东部凸起位于辽河盆地东侧，是辽东沉降带向断陷内部的过渡区域，南北长80 km，东西宽20 km，面积1 600 km2。北以苏家屯大断层为界接沈阳隆起，南以腾鳌断层为界与营口隆起相连，西以佟二堡断层为界接东部凹陷，东以刘二堡逆断层为界接辽东沉降带，主体包括三界泡潜山及古近系尖灭线以东的范围，东至中、古生界露头区［5］。地层发育以斜坡为主要特征，由中生界和古生界组成。中生代中侏罗世时，东部凸起进入陆相裂谷发展阶段，形成一系列断陷盆地，并伴随翘倾运动，强烈抬升形成西断东剥的斜坡。研究区中生界地层主要沿界西断裂和营口-佟二堡断裂呈北东向延伸，沉降中心大体位于三界泡一带，发育侏罗系地层。白垩系梨树沟组沉积时期，全区普遍发育滨浅湖至深湖相的富有机质暗色泥页岩［6］，夹火山岩相及三角洲前缘相砂体。泥页岩分布广、厚度大，是东部地区中生界页岩气研究的重要层位（见图1）。

图1 梨树沟组页岩气富集有利区平面分布

2 页岩气富集条件

泥页岩的发育情况、分布特点及有机质丰度、有机质类型、热演化程度、生烃强度等地球化学参数是影响页岩气生成、成因类型的重要指标［2，7-8］。

2.1 泥页岩分布特点

中生界梨树沟组沉积时期处于湖盆扩张期，湖盆范围扩大，沉积环境以半深湖—深湖相为主，水体较深，水动力弱，为静水还原环境。该组地层主要发育灰黑色—深灰色泥页岩、油页岩、碳质泥页岩，夹灰色细砂岩。湖盆中心的大部分区域以暗色细粒岩系为主，富含有机质，具有页岩气生成与聚集的物质基础。

梨树沟组地层厚度变化大，平面上自东向西逐渐增厚，平均厚度为460 m，可划分为界12—界10井区、柳参1井区及佟2井区3个厚度中心，埋藏深度较上古生界浅，一般为350～4 100 m；泥页岩平面展布与该组地层类似，沿营口—佟二堡断裂带表现为西厚东薄，厚度30～700 m，平均170 m。

2.2 有机地球化学特征

2.2.1 有机质类型

梨树沟组为湖泊相沉积，通过对中生界梨树沟组8口井泥页岩样品的干酪根显微组分进行鉴定分析，该组泥页岩壳质组质量分数一般大于80%，大部分在90%以上，其次为镜质组和腐泥组，不含惰质组；干酪根H/C为0.54～1.40，O/C为0.07～0.21， 其有机质类型以半深湖—深湖相发育的Ⅱ型干酪根为主（见图2），具有良好的生油气潜力。

图2 梨树沟组泥页岩显微组分三角图与干酪根范氏图

2.2.2 有机质丰度

梨树沟组暗色泥页岩样品实测的有机碳质量分数（TOC）为1.08%～3.73%，平均2.35%。超过半数样品的TOC超过2%；氯仿沥青“A”质量分数平均为0.15%，生烃潜量为0.83 mg/g。平面上，梨树沟组TOC达到1.5%以上的高值区主要位于凸起西侧，沿营口—佟二堡断裂呈带状分布（见图1）。

2.2.3 有机质成熟度

有机质热解分析测试表明，梨树沟组泥页岩镜质体反射率（Ro）值0.65%～1.51%；热裂解峰值 Tmax介于429～455℃，平均为443℃，整体上处于低成熟—成熟的大量生气阶段，生烃潜力高。通过生排烃模拟实验，确定气源岩的最大生气强度高达8×108m3/km2，综合评价为中等—较好烃源岩。泥页岩的热演化程度主要受地层埋深的影响，梨树沟组热演化程度相对较高的地区主要分布在龙深1井—界12井一带，以及佟2井、柳2井周围，向东Ro值逐渐降低（见图1）。

2.3 脆性矿物

泥页岩主要由黏土矿物和碎屑矿物如石英、长石等组成，通常还包括铁、锰、铝的氧化物和氢氧化物以及碳酸盐、硅质矿物等少量其他矿物。受构造、沉积等因素影响，泥页岩的矿物组成往往变化很大［9］。其中，黏土矿物往往与泥页岩的含气量特别是吸附气量关系密切；石英、长石、方解石等脆性矿物不仅影响泥页岩含气量，而且是衡量泥页岩地层是否利于压裂开发的重要指标。石英质量分数高的泥页岩，其孔隙度也较大，而孔隙度是决定页岩气游离气质量分数的主要因素［10］；同时石英质量分数增加会提高岩石脆性，在压裂时容易诱导裂缝产生并形成裂隙。实际生产时，页岩气的生产速度依赖于地层裂缝的发育程度，而裂缝发育程度很大程度上取决于页岩的矿物组成，故页岩的矿物组成对页岩气的产能有显著影响［11］。构成梨树沟组暗色泥页岩的主要矿物为石英、黏土、碳酸盐岩类（方解石、白云石）、长石等，次要矿物为黄铁矿、赤铁矿。

研究区中生界梨树沟组泥页岩X衍射全岩分析数据表明，脆性矿物质量分数62.5%～78.1%，平均为75.8%。其中，石英为32.5%，斜长石为25.6%，方解石为9.7%，此外还含有少量的赤铁矿和黄铁矿。虽然石英的质量分数与海相地层泥页岩相比偏低，但是方解石和斜长石的质量分数普遍较高；总体上梨树沟组泥页岩脆性矿物质量分数较高，完全能够满足页岩气富集及实施压裂增产措施的标准，有利于页岩气的成藏及后期开发（见图3）。

2.4 泥页岩储集物性

对于页岩气储层评价，孔隙度决定着泥页岩中游离气的多少。以往页岩气开发经验认为，游离气占孔隙总体积的50%。泥页岩中的有效裂缝不仅是页岩气的主要聚集空间，也是天然气从泥岩基质向井筒中渗流的重要通道，裂缝的发育程度对页岩气的成功开发生产有着至关重要的影响［12-13］。

图3 界17井梨树沟组暗色泥页岩矿物成分统计

对目的层段黑色泥页岩样品进行扫描电镜观察及物理测试分析表明，暗色泥页岩孔隙发育，类型丰富，孔径主要集中在1～10 μm，孔隙类型主要有残余粒间孔、微孔及溶孔等，成岩自生矿物由伊利石等黏土矿物及碳酸盐矿物组成，呈孔隙充填及衬垫式产出，可见碳酸盐矿物充填于粒间及残余粒间孔中。孔渗分析测试数据统计表明，梨树沟组泥页岩孔隙度分布范围为0.40%～3.22%，平均 2.58%；渗透率为（0.12～4.26）×10-3μm2，平均 1.88×10-3μm2。 泥页岩裂缝发育，微观裂缝分布密集，缝长1～100 μm，且被碳酸盐岩全部或局部充填（见图4）。

2.5 含气性分析

对界17井2 395 m处梨树沟组的岩心进行现场解析，岩心为深灰色泥页岩和灰白色凝灰岩互层，荧光显示定义为油斑，泥页岩中黄铁矿发育，且含有大量高角度构造裂缝，岩心投入水中不断有气泡析出。选取3.8 kg岩心，恢复到90℃地层温度，实验进行到10 h时，析出气量几乎不再变化，最大解吸气量为224 mL，利用煤层气国家标准［14］,计算得到泥页岩的吸附气量为1.62 m3/t。现场解吸气量不包括岩心的残余气量和无法计量的损失气量［15］，按研究区吸附气量和游离气量各占50%测算，泥页岩含气量平均可达3.24 m3/t。

图4 暗色泥页岩孔隙微观特征

2.6 富集条件

对比中国南方含气泥页岩地层和鄂尔多斯盆地延长组页岩气地层可知，梨树沟组在沉积环境、有机质类型、有机碳质量分数等方面具有其独特的性质。南方含气泥页岩层系主要为古生界海相沉积，干酪根类型以Ⅰ型为主；梨树沟组泥页岩与鄂尔多斯延长组泥页岩类似，同为陆相湖盆沉积，干酪根类型以Ⅱ型为主，生气强度大。整体上看，辽河盆地东部地区下白垩统梨树沟组暗色泥页岩厚度、分布范围、有机碳质量分数、热成熟度等地化参数，以及埋藏深度、脆性矿物质量分数、孔隙度和含气性等关键地化条件，与鄂尔多斯延长组大致相当。

东部地区下白垩统梨树沟组地层厚度大，最大厚度为1 200 m，全区厚度平均为460 m，且泥页岩十分发育，富有机质暗色泥页岩厚度大。TOC最大为3.53%，平均为2.35%，绝大部分地区超过了0.50%。与已成功产出陆相页岩气的鄂尔多斯三叠系延长组长7段、长9段地层条件进行对比（见表1），辽河盆地东部地区梨树沟组泥页岩厚度大，分布面积广，有机质丰度高，具备页岩气生成和储集的良好物质基础。与中国南方海相泥页岩地层相比，梨树沟组泥页岩含气量和生烃强度均与之相当，具备良好的生烃潜力。

表1 辽河东部地区与其他地区泥页岩特征对比

泥页岩成熟度适中，Ro最小为0.65%，最大为1.51%，平均为1.02%，与鄂尔多斯延长组暗色泥页岩具有很高的相似性，泥页岩进入低成熟—成熟的大量生气阶段，具备页岩气富集的基本条件。另外，梨树沟组泥页岩的平均埋深较浅，孔隙度0.40%～3.22%，脆性矿物质量分数高，裂缝相对发育，有利于后期开发时地层压裂措施的实施。综合以上分析可知，梨树沟组暗色泥页岩地层利于页岩气形成和储集，可以作为页岩气勘探和开发的有利层位。

3 页岩气富集有利区优选

在整合大量实验数据并掌握研究区目的层位页岩沉积相特点、构造模式、地化指标、储集特征及含气量等信息的基础上，采用综合信息叠合法对页岩气发育有利区进行预测［2］。

依照我国页岩气选区标准的规定，针对陆相页岩气，主要将泥页岩有效厚度不小于10 m、TOC平均不小于1.5%、Ro不小于0.5%、含气量不小于0.5 m3/t的泥页岩区块作为有利区考虑。在此标准基础上，综合研究区泥页岩厚度、有机碳质量分数、有机质成熟度、含气量等指标，结合孔隙度、渗透率、裂缝发育情况及脆性矿物质量分数等物性参数［9,16］，选取单层厚度大于5 m，且连续厚度不小于30 m，TOC大于1.5%，Ro大于0.5%的泥页岩作为研究区内有利区筛选的标准［17］。

梨树沟组页岩气富集有利区主要沿营口—佟二堡断裂呈带状分布，断裂东侧分别以佟2井—佟3井、柳1井—柳2井为中心区域，大体沿断裂展布并向东侧及南北两侧逐渐减薄；而断裂西侧页岩气富集有利区主要集中在研究区南北两端并以龙1井—龙深1井、界10井—界12井为中心区域，向中部逐渐减薄（见图1）。整体上有利区泥页岩含气量均大于1 m3/t。

4 结论

1）辽河盆地东部地区中生界下白垩统梨树沟组地层主体发育半深湖—深湖相暗色富有机质泥页岩，地质及地化条件较为优越，可以作为中生界页岩气的主力开发层系。

2）梨树沟组泥页岩厚度大、分布广、地层稳定性好，有机质类型主要为Ⅱ型，有机碳质量分数高，热演化程度适中，生烃强度大，脆性矿物质量分数高，孔隙类型以残余粒间孔、微孔及溶孔为主，碳酸盐岩质量分数高，裂缝发育，页岩气富集潜力巨大。

3）采用综合信息叠合法对页岩气发育有利区进行预测，确定富集有利区主要沿营口—佟二堡断裂呈带状分布，并以佟2井—佟3井、柳1井—柳2井、龙1井—龙深1井、界10井—界12井为中心的区域，是东部地区中生界页岩气勘探和开发的核心有利区。

［1］张金川，金之钧，袁明生.页岩气成藏机理和分布［J］.天然气工业，2004，24（7）：15-18.

［2］Curtis J B.Fractured shale-gas system［J］.AAPG Bulletin，2002，86（11）：1921-1938.

［3］张金川，汪宗余，聂海宽，等.页岩气及其勘探研究意义［J］.现代地质，2008，22（4）：640-646.

［4］葛明娜，张金川，李晓光，等.辽河东部凸起上古生界页岩含气性分析［J］.断块油气田，2012，19（6）：722-726.

［5］陈昭年.辽河盆地东部凸起古生界埋藏类型与油气［J］.石油与天然气地质，1997，18（2）：140-144.

［6］李建忠，董大忠，陈更生，等.中国页岩气资源前景与战略地位［J］.天然气工业，2009，29（5）：11-16.

［7］Hill D G，Nelson C R.Gas productive fractured shales：An overview and update［J］.Gas TIPs，2000，6（2）：4-13.

［8］Bowker K A.Barnett shale gas production，Fort Worth Basin：Issues and discussion［J］.AAPG Bulletin，2007，91（4）：523-533.

［9］Montgomery S L，Jarvie D M，Bowker K A，et al.Mississippian Barnett shale，Fort Worth Basin，north-central Texas：Gas-shale play with multi-trillion cubic foot potential［J］.AAPG Bulletin，2005，89 （2）：155-175.

［10］Manger K C，Curtis J B.Geologic influences on location and production of antrim shale gas［J］.Devonian Gas Shales Technology Review（GRI），1991，7（2）：5-16.

［11］李智锋，李志平，王杨，等.页岩气储层渗透性测试方法对比分析［J］.断块油气田，2011，18（6）：761-764.

［12］Julia F W G，Robert M R，Jon H.Natural fractures in the Barnett shale and their importance for hydraulic fracture treatments［J］.AAPG Bulletin，2007，91（4）：603-622.

［13］Hill D G，Lombardi T E.Fractured gas shale potential in New York［M］.Colorado：Arvada，2002：1-16.

［14］陈元千，郝明强，李飞.油气资源量评估方法的对比与评论［J］.断块油气田，2013，20（4）：447-453.

［15］梁超，姜在兴，郭岭，等.黔北地区下寒武统黑色页岩沉积特征及页岩气意义［J］.断块油气田，2012，19（1）：22-26.

［16］Jarvie D M，Hill R J，Ruble T E，et al.Unconventional shale gas systems：The Mississippian Barnett shale of north central Texas as one model for thermogenic shale gas assessment［J］.AAPG Bulletin，2007，91（4）：475-499.

［17］张琴，王红岩，拜文华，等.南方海相志留系页岩有机质类型恢复研究［J］.断块油气田，2013，20（2）：154-156.