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  地质通报  2017, Vol. 36 Issue (4): 575-581  
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孙守亮, 李永飞, 郜晓勇, 周铁锁, 张涛, 王森厚. 辽西金羊盆地下侏罗统北票组页岩气地球化学特征及其成因[J]. 地质通报, 2017, 36(4): 575-581.
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SUN Shouliang, LI Yongfei, GAO Xiaoyong, ZHOU Tiesuo, ZHANG Tao, WANG Senhou. An analysis of the genesis and geochemical characteristics of shale gas in Lower Jurassic Beipiao Formation in Jinyang Basin[J]. Geological Bulletin of China, 2017, 36(4): 575-581.
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基金项目

中国地质调查局项目《松辽外围南部盆地群油气基础地质调查》(编号:DD20160167)和《辽宁金羊盆地油气基础地质调查》(编号:12120115001301)

作者简介

孙守亮 (1982-), 男, 硕士, 工程师, 从事沉积学与石油地质研究。E-mail:ssl_email@126.com

文章历史

收稿日期: 2016-10-18
修订日期: 2017-02-24
辽西金羊盆地下侏罗统北票组页岩气地球化学特征及其成因
孙守亮1, 李永飞1, 郜晓勇1, 周铁锁2, 张涛1, 王森厚3    
1. 中国地质调查局沈阳地质调查中心, 辽宁 沈阳 110034;
2. 中国石油辽河油田分公司, 辽宁 盘锦 124010;
3. 长江大学, 湖北 武汉 430100
摘要: 金岭寺-羊山盆地(金羊盆地)是中国北方侏罗系发育最完备的地区之一,盆地内充填的下侏罗统北票组为一套湖相泥岩,具有良好的油气潜力。在金羊盆地章吉营子凹陷西缘布置实施的4口地质调查井中,有3口井见油气显示。通过对SZK2及SZK3钻井岩心进行现场解析,北票组泥页岩在浅层测试到可观的页岩气含量,且随着深度的变化,总含气量及甲烷含量有所增加。另外,其总含气量与有机碳含量呈良好的正相关关系,是影响页岩含气量的关键因素。对比金羊盆地北票组泥页岩吸附气C同位素特征,其气体成因主要存在生物成因气和煤型气2种类型,表明下侏罗统北票组页岩气具有混合多成因的特征。通过X衍射分析综合评价,金羊盆地下侏罗统北票组泥页岩压裂条件好、天然气吸附能力强,具备一定的页岩气勘探前景,是有利的页岩气勘探开发新层系。
关键词: 成因分析    地球化学特征    页岩气    北票组    辽西金羊盆地    
An analysis of the genesis and geochemical characteristics of shale gas in Lower Jurassic Beipiao Formation in Jinyang Basin
SUN Shouliang1, LI Yongfei1, GAO Xiaoyong1, ZHOU Tiesuo2, ZHANG Tao1, WANG Senhou3     
1. Shenyang Center of Geological Survey, CGS, Shenyang 110034, Liaoning, China;
2. Liaohe Oilfield Company, PetroChina, Panjin 124010, Liaoning, China;
3. Yangtze University, Wuhan 430100, Hubei, China
Abstract: The Jinlingsi-Yangshan Basin (Jinyang Basin) is one of the basins with the most completely Jurassic strata in northern China. The Lower Jurassic Beipiao Formation in the basin is composed of a set of lacustrine mudstones, and has beneficial potential of oil and gas. There are four wells in the west of the Zhangjiyingzi depression of Jinyang Basin, of which oil and gas shows were found in three wells. Field desorption of drill core from the SZK2 and SZK3 wells shows that the shale gas content collected from the shallower strata of mud shale of Beipiao Formation is considerable with the increasing depth, the total gas content and methane content increase. In addition, the total gas content and organic carbon content show a good positive correlation, which is a key factor affecting the gas content of the shale. A comparison with characteristics of adsorbed gas carbon isotope of the shale shows that the gas mainly came from biogenic gas and coal gas, and the shale gas has the characteristics of hybrid origin. The X diffraction analysis of mud shale from Beipiao Formation indicates that the favorable conditions of fracturing and strong gas adsorption capacity result in the good prospect of shale gas exploration. Beipiao Formation is favorable for shale gas exploration.
Key words: genetic analysis    geochemical characteristics    shale gas    Beipiao Formation    Jinyang Basin    

页岩气是指主体位于暗色泥页岩或高炭泥页岩中,以吸附或游离状态为主要存在方式的天然气聚集[1-7]。然而,北美及中国大量的页岩气勘探开发主要针对海相页岩,陆相页岩气鲜有报道[8-11]

金岭寺-羊山盆地简称金羊盆地,为辽西4个NE向展布的早中生代陆相盆地之一,盆地西侧以南天门断裂为界与北票盆地相接,东侧以元古宇与古生界构造层构成的松岭隆起为界,与阜新-义县盆地相接[12]。金羊盆地走向上长近200km, 宽约39km, 面积7430km2,是中国北方侏罗系发育最完备的地区之一[2]图 1)。前人研究表明,该盆地的充填序列中,下侏罗统北票组为一套湖相泥岩,具有良好的油气潜力。

图 1 金羊盆地及邻区地质简图 Fig.1 Geological sketch map of Jinyang Basin and adjacent areas K2s—孙家湾组;K1j—九佛堂组;J3t—土城子组;J2t—髫髻山组;J2h—海房沟组;J1b—北票组

2014年,沈阳地质调查中心在金羊盆地章吉营子凹陷西缘布置实施了4口地质调查井(SZK1~ 4),对其中的SZK2与SZK3井北票组暗色泥页岩开展了现场气体解析工作(图 1),结果显示,含甲烷气体,其中SZK2井341m处解析的气量中,40ml气体可燃烧20多秒,预示了该区良好的页岩气勘探前景[13]

本文通过解析气气体成分、泥页岩全岩和粘土矿物X衍射对北票组页岩气进行了勘探前景预测,通过脱附气组分同位素分析对其成因进行了探讨,为研究区及类似区块的页岩气勘探提供参考。

1 盆地概况

金羊盆地西起南天门断裂,东止大柳河沟-新台门中凸起东缘,其南北分别止于区域性断裂。然而,根据以往资料及地震解释成果,金羊盆地西缘的南天门断裂带是在侏罗系沉积后才逐渐形成的,北票组沉积晚期,金羊、朝阳、北票等盆地为一个统一的大盆地[14-16],沉积中心位于金羊盆地。

在地层与构造区划上,金羊盆地属华北地层区燕山分区辽西小区。其发展演化过程中,受燕山Ⅱ期构造沉积旋回的控制[17],在接受下侏罗统兴隆沟组火山岩喷发后,经历了一次较大规模的湖侵,沿纵向在沉积旋回的中部和中上部沉积了河湖相暗色泥岩和煤层,成为盆地第一套烃源岩层系,即下侏罗统北票组烃源岩。

2 北票组岩性特征及生烃潜力

SZK2与SZK3井位于金羊盆地西缘的东坤头营子乡(图 1),均为全井段取心。其揭露北票组380m,岩性以泥岩、粉砂岩、砂岩为主,其中暗色泥岩累计厚度为299.7m、最大单层厚度达85m。

通过钻井岩心观察及测井曲线分析可知,北票组主要为一套湖泊相碎屑沉积[18]。上段以深水湖泊相为主,富含暗色泥岩和煤线,以粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、粉砂岩为主,夹钙质泥岩,厚度在500m左右,发育4个煤组,局部可开采。下段为冲积相、湖沼相和浅水湖泊相,主要为黄灰色、黄褐色粉砂岩、粗砂岩夹灰黑色泥岩及煤,厚度为250~300m。

有机地球化学研究表明,北票组烃源岩有机质丰度高,有机质类型主要为Ⅱ2型,其次为Ⅲ型;镜质体反射率在1.42%~2.41%之间,热解峰温Tmax结果集中在445~485℃之间,处于高成熟-过成熟阶段及生油生气高峰阶段[19-21]。另外,在SZK2、SZK3井岩心多处见油迹-油斑级别油气显示,与陆相页岩中油气共存的特点相符[22]

3 页岩气地球化学特征 3.1 页岩含气量

页岩含气量是指每吨页岩中所含天然气在标准状态(0℃,101.325kPa)下的体积,是计算页岩原地气量的关键参数。页岩气含气性实验包括直接法和间接法:直接法主要为现场解析;间接法包括等温吸附实验、测井分析等[23]。本文主要采用直接法。东北煤田地质局沈阳测试研究中心对SZK2井与SZK3井中的暗色泥页岩进行了现场气体解析,脱附气组分同位素分析在长江大学地球化学实验室完成。

解析法是测量页岩含气量最直接的方法,它能够在模拟地层实际环境的条件下反映页岩的含气性特征(图 2-A)。解析法中页岩含气量由解析气含量、损失气含量及残余气含量三部分组成,解吸气量是指页岩岩心装入解吸罐后在大气压力下自然解吸出的气体含量;损失气量是指从钻头钻遇岩层到岩心从井口取出装入解吸罐之前释放出的气体体积;残余气量是指样品在解吸罐中解吸终止后仍留在岩心中的气体体积。Bertard实验结果表明,气体释放的速率与解吸最初20%的时间的平方根呈线性关系[24],据此在解吸过程中记录解吸气量、时间、温度和大气压力,之后通过线性回归拟合方法计算损失气量(图 2-B)。残余气量需要将密封罐内岩样研碎至60目,然后放入和储层温度相同的恒温装置自然解吸,直到每个样品一周内平均每天解吸量不大于10cm3时,解吸结束。

图 2 北票组页岩解析气拟合曲线(SZK2-5) Fig.2 The desorption curve of Baipiao shale (SZK2-5)

SZK2井和SZK3井的现场气体解析(表 1)结果表明,SZK2井中200~350m井段总含气量为0.51~0.74m3/t,平均为0.62m3/t,甲烷含量为0.15~ 0.34m3/t;其中341m解析的气量中,40ml气体可燃烧20多秒。SZK3井解析结果显示,220~360m井段总含气量为0.09~0.45m3/t,平均为0.20m3/t,甲烷含量为0.006~0.024m3/t。

表 1 金羊盆地SZK2、SZK3井北票组暗色泥页岩现场解析含气量 Table 1 The resolution of the shale gas content of Beipiao Formation from well SZK2 and SZK3 in Jinyang Basin

表 1数据可知,随着深度的变化,含气量及甲烷含量有所增加。美国的页岩气层深度在800~ 2600m能测试到页岩气,但金羊盆地北票组泥页岩在200~350m就能测试到页岩气,更能指示其深部勘探的意义。另外,通过样品有机碳含量与总含气量的相关关系图(图 3)可以看出,两者呈良好的正相关关系,相关系数为0.9146。

图 3 金羊盆地北票组泥页岩有机碳含量与总含气量的关系 Fig.3 The relationship between TOC and total gas content from Beipiao Formation in Jinyang Basin
3.2 页岩气气体组成

页岩解析气成分以烷烃类气体为主,主要有C1、C2、C3;非烃气体含量较低,主要为N2、CO2等。对SZK2井不同时段解析出的气体样品进行了页岩气成分分析(表 2)。结果表明,金羊盆地北票组页岩解析气烷烃占气体总体积的25.4% ~ 89.71%,平均为46.7%;非烃类气体所占比例较高,平均值为53.29%。根据页岩气解析原理[25],推测可能是解析装置密封性不好或解析装置内残留空气清除不彻底,有空气混入,导致气体中烷烃和甲烷相对含量下降。另外,从样品SZK2-5不同时段解析出的气体成分(图 4)可以看出,随着时间的推移,解析出的N2有所增加,而CH4及CO2则存在减少的趋势。

表 2 SZK2井经历不同时段解析出的气体成分(部分样品) Table 2 The gas composition of well SZK2 (partial samples) in different periods
图 4 SZK2井北票组暗色泥页岩现场解析气体成分(SZK2-5) Fig.4 The gas composition detected by field analysis method in well SZK2 (SZK2-5)

本次选取有机质丰度相对的北票组暗色泥页岩进行泥页岩脱附气实验。从吸附气组分看,不同烃源岩吸附气组分有所差异,但是以甲烷和乙烷含量为主(表 3)。天然气中甲烷含量大于等于95%的叫干气,乙烷及其他重烃气含量超过5%的叫湿气,依此推断本次研究所测样品均为湿气。

表 3 金羊盆地北票组泥页岩吸附气组分相对含量 Table 3 The adsorption of the relative content of shale gas components from Beipiao Formation in Jinyang Basin
4 有机烷烃气C同位素特征

有机烷烃气C同位素的研究较无机烷烃气C同位素深入,取得的成果也比较丰富,这也使得此方法在研究天然气成因上得到广泛的应用[26]。有机烷烃C同位素中,甲烷的C同位素研究和应用取得的效果最好,因为甲烷比烷烃气中任一其他气体的δ13C值变化的数域都大,中国烷烃气δ13C值数域变化见表 4

表 4 中国烷烃气δ13C值数域变化 Table 4 The alkane δ13C range in China

戴金星[26]认为,生物气δ13C1值偏轻,为-90‰~-50‰,重的可达约-45‰;煤型气δ13C1值偏重,为-40‰~-15‰(图 5)。对比金羊盆地北票组烃源岩吸附气C同位素特征(表 5),可以判断SZK1-171.7、SZK1-86页岩气应属于煤型气,SZK1-272.1、SZK2-74页岩气为生物气成因。

图 5 中国天然气中烷烃气δ13C值展布特征 Fig.5 The distribution characteristics of alkane A values of the gas in China
表 5 金羊盆地北票组泥页岩烃源岩吸附气C同位素组成数据 Table 5 The adsorption of the shale gas carbon isotope composition from Beipiao Formation in Jinyang Basin

另外,从天然气C同位素成因判识图(图 6)看,5件样品中有2件为典型的生物气成因,2件为典型的煤型气特征,另外1件落在陆源有机气区域。这与上述通过甲烷C同位素特征判断的结果一致。

图 6 金羊盆地北票组泥页岩吸附气成因判别 Fig.6 The shale adsorption gas genesis identification for Beipiao Formation in Jinyang Basin
5 勘探前景

对研究区15件泥页岩全岩和粘土矿物的X衍射分析表明,粘土矿物总量为35.8%~64.6%,平均为54.1%(图 7);其次为石英,总量在19.9%~34.6%之间,平均为25.8%;而碳酸盐矿物含量低,主要为白云石或方解石,多小于10%。粘土矿物中I/S(伊利石/蒙脱石间层矿物)为20%~35%,平均为30.7%,处于中成岩阶段的晚期。

图 7 金羊盆地北票组泥页岩矿物组成柱状图 Fig.7 The histogram of shale mineral composition of Beipiao Formation in Jinyang Basin

总体上,研究区下侏罗统北票组泥页岩中的粘土矿物含量高,具有很强的吸附能力。另外,高含量的硅质矿物和粘土矿物说明,泥页岩容易在外力作用下形成天然裂缝和诱导裂缝,具备很好的压裂条件。综合评价认为,下侏罗统北票组泥页岩压裂条件好、天然气吸附能力强,具备一定的页岩气勘探前景。

6 结论

通过对钻井岩心进行现场解析,北票组泥页岩在浅层测试到可观的页岩气含量,且随着深度的变化,总含气量及甲烷含量有所增加。另外,其总含气量与有机碳含量呈良好的正相关关系,是影响页岩含气量的关键因素。

对比金羊盆地北票组泥页岩吸附气C同位素特征,其气体成因主要存在生物成因气和煤型气2种类型,还有一种为过渡类型的陆源有机气,表明下侏罗统北票组页岩气具有混合多成因的特征。

通过全岩和粘土矿物X衍射分析,综合评价金羊盆地下侏罗统北票组泥页岩压裂条件好、天然气吸附能力强,具备一定的页岩气勘探前景,是有利的页岩气勘探开发新层系。

致谢: 实验测试得到东北煤田地质局沈阳测试研究中心韩宇高级工程师的热心帮助,在此致以诚挚的谢意。

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