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2016年第10期(總第83期)

發布時間:2016-12-20
 

松遼盆地ZK0833巖心再利用過程及意義

王增祥1 任香愛1 劉向東1 柳蓉2 孫平昌2

(1.國土資源實物地質資料中心 河北廊坊065201

2.吉林大學地球科學學院 長春130061)

摘要:ZK0833鉆孔位于我國重要的油氣生產基地松遼盆地,全孔巖心保存完好,能夠完整地反映盆地中心青山口組和嫩江組地層氣源巖和儲集層特征,被認為是松遼盆地中心地層的“典型剖面”。本文闡述了松遼盆地ZK0833鉆孔巖心再利用過程,總結了該井在頁巖氣成藏地質條件和油頁巖成礦機制研究及資源評價體系建立等方面的價值,凸顯了實物資料保管和再利用的重要意義。

關鍵字:松遼盆地 巖心 實物地質資料 再利用

松遼盆地是我國東北地區著名的中、新生代含油氣裂谷盆地,大慶油田就坐落其中。近年來,新興能源成為國家能源調查的重點,“油頁巖開發”和“頁巖氣革命”將給我國能源戰略結構帶來重大改變。松遼盆地雖然是我國油氣開發較早的生產基地,但以往的工作多集中于對常規油氣資源的研究上,而對于油頁巖、頁巖氣等非常規能源的調查力度比較薄弱。吉林油田在松遼盆地內部青山口組地層中發現并開采了厚度約500 m左右的生物成因頁巖氣,但對于是否存在熱解成因氣及其成藏條件和機理尚待厘清,因此嚴重阻礙了該地區頁巖氣的勘探和開發。ZK0833鉆孔是位于松遼盆地東南部的一口全取心井,于2008年被國土資源實物地質資料中心(以下簡稱實物中心)收集保管。該鉆孔被認為是松遼盆地中心地層的“典型剖面”,能夠很好地反映盆地中心青山口組和嫩江組地層烴源巖和儲集層方面的特征。因此吉林大學地球科學學院研究團隊選擇了ZK0833鉆孔進行取樣測試,取得了良好成果,這對于完善我國非常規能源礦產成藏理論具有重要意義,為今后的勘探開發提供了重要的科學指導。

一、地質背景

松遼盆地是晚中生代以來發育的大型陸內裂陷含油氣盆地。該盆地近似菱形,四周為大型斷裂帶所限制。前人根據盆地結構形態、基底構造特征以及上覆蓋層的變化等特征,將松遼盆地劃分為6個一級構造單元(圖1):中央坳陷區、西南隆起區、東南隆起區、東北隆起區、西部斜坡區和北部傾沒區[1]

1、地層

松遼盆地經歷了漫長而又復雜的地質演化歷史,盆地內也因此沉積了巨厚的地層。早古生代及古生代的火山巖和變質巖主要出露于盆地周緣。中新生代地層主要分布于盆地的內部,從老到新有上侏羅統火石嶺組、下白堊統沙河子組、營城組、登婁庫組、泉頭組,上白堊統青山口組、姚家組、嫩江組、四方臺組、明水組,古近系依安組,新近系大安組、泰康組和第四系[2]。白堊紀-新生代沉積的各種湖相碎屑巖是重要的油氣儲層和烴源巖層系,其中作為研究對象的青山口組,下部為暗色泥巖、油頁巖、介形蟲層和泥灰巖沉積,上部為灰綠色泥巖夾細粉砂巖薄層,具有巖性純、可塑性好,厚度大、范圍廣、延伸穩定,欠壓實等利于生油儲油的特點[3]

 

                                                                          圖1 松遼盆地中淺層構造單元分區及鉆孔位置圖

2、構造

松遼盆地構造演化前期受地幔柱物質的熱動力控制,后期受到東太平洋板塊俯沖(包括板塊的俯沖作用、弧后伸展作用及板塊聚斂速率等因素)的影響,其形成演化大致經歷了熱隆張裂、裂陷、坳陷和萎縮四個階段,因而具有復雜的構造系統。松遼盆地的斷裂系統可劃分為邊界斷裂系統和蓋層斷陷構造系統[3]。邊界斷裂系統主要包括赤峰-開源斷裂、溫都爾廟-西拉木倫河斷裂、依蘭-伊通斷裂、塔溪-雞西斷裂、四平-哈爾濱深斷裂、孫吳-大慶斷裂、嫩江斷裂等。這些斷裂在不同時期、不同方位影響了松遼盆地的發育,常常是不同地質時期構造單元的重要邊界,在不同方向上控制了松遼盆地的發育與演化。蓋層斷陷構造系統主要沿北北東向大慶-雙遼斷裂兩側和四平-哈爾濱斷裂西側以及嫩江斷裂東側分布,如林甸-李家圍子、安達-徐家圍子斷陷、梨樹、德惠斷陷和陸家堡斷陷等。其中包括一系列沉積生長斷層,這些沉積生長斷層既制約著盆地沉積的規模:在拉張期,湖盆范圍變寬,發育良好的烴源巖,同時也是油氣垂向運移與聚集的主要通道。

3、巖漿巖

松遼盆地在中生代大致經歷了三期巖漿活動:第一期巖漿活動發生在盆地裂陷階段之初的晚侏羅世早期;第二期巖漿活動發生于晚侏羅世末期;第三期巖漿活動則發生于白堊紀青山口組和泉頭組沉積期間。這三期巖漿活動中前兩者相類似,都是大陸裂谷作用的產物;第三期巖漿活動規模較小,反映了地殼再次伸展及基底再次斷陷。這三期火山活動為松遼盆地油氣成熟演化提供了熱動力來源[4]

二、ZK0833鉆孔巖心再利用過程及結果

1、非常規能源研究需求

隨著經濟的發展,我國對能源的消耗越來越大,導致能源勘查與開發的急迫性。對能源的巨大需求導致了我國能源緊缺,因此國家加強了對相關領域的投入。儲量巨大的非常規能源油頁巖、頁巖氣具有較好的前景,引起了廣泛的重視。但任何一種資源都不能盲目投入,都需要科學地、合理地按照自然規律進行開發。想要更好地勘探開發油頁巖、頁巖氣資源,就必須掌握其成礦機制、富集規律。

我國近一半的油頁巖資源都發育在裂谷盆地內的坳陷沉積階段[5],如松遼盆地內的油頁巖,但現有對油頁巖成礦機制研究程度較高的只是前陸盆地和走滑斷陷盆地內的油頁巖。由于油頁巖資源在盆地的分布具有差異性,并非所有的位置都有油頁巖的分布,因此對于油頁巖控礦因素的研究十分重要。目前我國對于裂谷盆地坳陷期油頁巖富集機制的研究仍比較薄弱,松遼盆地內油頁巖的控礦機制尚不清楚。

頁巖含氣量通常與有機質的豐度和成熟度、頁巖礦物成分、孔滲條件、含水飽和度、密度以及地層溫壓條件密切相關。我國頁巖氣資源豐富,但在頁巖氣成藏條件和機理等理論研究方面還比較薄弱。目前我國頁巖氣研究主要集中于南方海相盆地,而對松遼盆地這類典型陸相含油氣盆地中的頁巖氣的研究則剛剛開始。近年來在松遼盆地內一些能源開發過程中取得了一些頁巖氣勘探成果,因此很有必要系統研究松遼盆地的頁巖氣分布規律。

2、ZK0833鉆孔資料的重要價值

實物地質資料必須與空間位置結合才能有地質意義,國土資源實物地質資料中心就是根據上述原則進行實物資料的收集管理利用的。ZK0833鉆孔為殼牌公司于2007年所施工的一口鉆孔,被實物中心于2008年收錄。實物中心接收該巖心后對其進行了重新整理、著錄,使巖心得到了良好的保存。

ZK0833鉆孔是位于松遼盆地中心相的一口全取心鉆孔。該鉆孔位于中央坳陷帶內(圖1),終孔深度881.25 m,較好地揭示了青山口組、姚家組、嫩江組和新近系大安組以及第四系等地層。如果想要全面系統地研究松遼盆地油頁巖和頁巖氣的分布、成礦機制等,其研究對象的選取就必須全面系統,要盡可能多地尋找各個構造單元沉積相帶的實物地質資料作為研究樣本。吉林大學研究團隊原來擁有的鉆孔只有NGN1、NGN2,分別位于盆地邊緣以及斜坡帶,而對于盆地中心相帶內的鉆孔資料是缺乏的。ZK0833鉆孔很好的滿足了研究團隊的需求。幾個鉆孔的結合研究使得對松遼盆地油頁巖、頁巖氣成礦機制的研究更加全面和科學。

3、測試及實驗結果

吉林大學研究團隊分別于2011年12月和2013年7月對ZK0833鉆孔實物進行了取樣測試分析。兩者的研究對象不同:前者的研究對象為油頁巖,后者的研究對象為頁巖氣。

2011年12月的取樣主要針對ZK0833鉆孔761~856 m青山口組的灰色-灰黑色-深灰色泥巖,共取樣11件。所做的測試主要有無機地球化學測試(微量元素、稀土元素、常量元素)、X衍射分析、生物標志化合物分析、有機碳同位素分析和顯微組分分析等。通過含油率測試,對油頁巖的品質進行判斷;根據 X 衍射、掃描電鏡和透射光薄片觀察,確定沉積物礦物組成及相對豐度;通過Leco、rock-eval測試沉積物中有機質豐度和生烴潛力;根據熒光-白光顯微鏡下光片特征、生物標志化合物、同位素特征,分析有機質類型及來源;通過塊狀密度和顆粒密度差異法,計算泥巖孔隙度,定量計算沉積速率和古湖泊生產力;上述參數結合無機地球化學數據及比值,恢復古湖泊水體條件和有機質保存條件等。

2011年12月的取樣主要針對ZK0833鉆孔300~870 m青白口的系列泥巖,平均每10m取一個樣品,共取樣36件。對樣品進行的測試,包括巖石熱解測試、礦物學特征研究、低溫氮吸附和高壓壓汞測試、滲透率測試以及場發射環境掃描電鏡,主要用于頁巖氣儲集物性特征和頁巖非均質儲層表征模擬。巖石熱解測試可以用來反映垂向有機質豐度和類型以及成熟度的變化,反映氣源巖的生氣能力;礦物學特征研究能夠解釋氣源巖的成巖作用階段,間接反映有機質的熱演化程度,同時反映儲層吸附氣體的能力及巖石的脆性;低溫氮吸附和高壓壓汞測試能夠檢測儲層的孔隙度和與孔隙結構相關的參數,從微孔到宏孔,從納米級到微米甚至到微裂隙程度對觸及空間和滲流通道進行定性-定量的描述;滲透率測試能夠提供頁巖的滲流能力參數,為頁巖氣的開發開采提供依據;場發射環境掃描電鏡能夠識別空隙類型,針對不同成巖階段和不同有機質豐度的頁巖展開孔隙類型的統計,開展頁巖氣儲層的詳細研究。

在取樣過程中,實物中心為取樣者盡可能地提供了便利條件,包括提供場地、取樣設備以及配備相應人員,保證了研究工作的順利開展。根據協議,吉林大學研究團隊于2013年底將測試數據反饋給了實物中心。

三、鉆孔巖心再利用的意義

1、理論研究的深化創新

吉林大學研究團隊通過對ZK0833鉆孔巖心的再利用,結合其他資料開展的研究工作,獲得了一系列成果:

(1)松遼盆地油頁巖有機質富集環境動力學規律:優質厚層油頁巖主要沉積于半深湖-深湖環境,其主要對應的沉積相-有機相-地球化學相為半深湖-深湖相—A-B(湖泊生物為主)—咸水-半咸水還原環境(青一段)和半深湖-深湖—A-B—半咸水-淡水還原環境(嫩二、三段);搭建深水區域高精度層序地層格架;油頁巖主要分布水進體系域末期、高水位體系域和水退體系域初期;油頁巖形成于超富營養型水體中。青山口組底部到頂部,深水區域超富營養型水體變為中養型水體;建立了咸水和半咸水-淡水有機質富集環境動力學模型。

(2)松遼盆地頁巖氣的分布規律:松遼盆地埋藏深度整體呈現由盆地邊緣向盆地中心逐漸增大,因此,松遼盆地頁巖能源成礦(藏)規律可能為東南隆起區和中央凹陷隆起地區為油頁巖成礦和生物型頁巖氣有利成藏帶;中央凹陷的大部分地區可能為頁巖油、熱解型頁巖氣有利成藏帶;中央凹陷埋藏最深部位為發育熱裂解型頁巖氣有利成藏帶。這些頁巖能源共生礦產呈環狀分布于盆地中。

2、油頁巖地質資源評價體系的建立和發展

ZK0833鉆孔的再利用,獲得了有效的測試數據,很好地幫助學者對松遼盆地油頁巖分布的控制因素的研究。古構造條件、古氣候條件、古沉積環境是控制油頁巖有機質富集演化的內在控制因素,為一級主導因素;水體鹽度、氧化還原條件、陸源碎屑物質輸入、有機質類型、有機質成熟度、有機碳含量等受一級主導因素影響,為二級表征因素[6]。將上述9個因素確定為9個類比參數,分別賦予不同的數值,確定好標尺,就可以對松遼盆地不同地區的油頁巖資源進行計算評價,進而建立松遼盆地油頁巖地質資源的評價體系。ZK0833鉆孔的再利用,為松遼盆地油頁巖地質資源的評價提供了類比參數,是松遼盆地油頁巖地質資源的評價體系的數據基礎之一。

3、以實物資料為依托,聯合高校、企業搭建產學研用平臺

吉林大學地球科學學院油頁巖團隊通過在實物中心取樣測試,培養了博士研究生1名,碩士研究生1名,為社會輸送了關于油頁巖、頁巖氣研究的相關人才。依據測試結果,撰寫博碩論文各1篇,并發表了SCI論文2篇、核心論文1篇,被社會廣泛引用,起到了良好的成果傳播作用,同時該團隊將研究成果與松遼盆地原位開采的相關單位進行交流,在一定程度上指導了油頁巖的原位開采實驗。通過多單位關于該井科研成果協同利用,搭建了良好的產學研用平臺。

四、結論

松遼盆地作為我國重要的油氣生產基地,在我國能源結構中占有重要的地位。ZK0833鉆孔巖心的再利用,為松遼盆地頁巖氣成藏地質條件和油頁巖成礦機制的建立提供了重要幫助,促進了油頁巖地質能源評價體系的發展。同時,正是由于國土資源實物中心對ZK0833鉆孔巖心數年來的精心保管,才使得學者研究團隊能夠有效地利用該鉆孔,搭建良好的產學研用平臺,為國家和企業節省了寶貴的資金和時間。這凸顯了實物資料保管利用的重要意義和價值,顯示了實物地質資料再利用的重要意義。建議國家進一步加強對有重要價值的油氣實物地質資料保管利用的支持力度,以期最大化地利用這些資料。建議實物中心加強對實物地質資料轉化為成果的途徑和方法的研究,減少和消除其中的障礙。同時也希望企業與專業人員重視實物地質資料的保管與開發利用工作。

參考文獻

[1]劉招君, 孫平昌, 柳蓉, 等. 頁巖能源共生礦產成礦(藏)地質條件研究——以松遼盆地上白堊統青山口組為例[J]. 沉積學報,2014, 32 (3): 593~600.

[2]高瑞祺, 張瑩, 崔同翠. 松遼盆地白堊紀石油地層[M]. 北京: 石油工業出版社. 1994. 1~333.

[3]舒良樹, 慕玉福, 王伯長, 等. 松遼盆地含油氣地層及其構造特征[J]. 地層學雜志, 2003, 27 (4): 340~347.

[4]胡望水, 呂炳全, 張文軍, 等. 松遼盆地構造演化及成盆動力學探討[J]. 地質科學, 2005, 40 (1): 16~31.

[5]孫平昌. 松遼盆地東南部上白堊統含油頁巖系有機質富集環境動力學[D]. 2013. 吉林大學博士論文.

[6]賈建亮, 劉招君, 柳蓉, 等. 油頁巖地質類比資源評價體系的建立[J]. 地質學報, 2014, 88 (7): 1321~1333.

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