松遼盆地東南隆起區(qū)吉扶地3井上白堊統(tǒng)青山口組一段油頁巖品質(zhì)特征

孫偉國，劉學(xué)生，詹天宇，付濤，代登亮，姜福平，朱小峰，徐銀波

1.吉林省地質(zhì)調(diào)查院，吉林 長春 130102；2.中國地質(zhì)調(diào)查局油氣資源調(diào)查中心，北京 100083

0 引言

松遼盆地是中國最大的含油氣和產(chǎn)油氣區(qū)之一。據(jù)前人研究成果，松遼盆地東南隆起區(qū)探明了4處超大型油頁巖型礦床，含礦層分別為上白堊統(tǒng)嫩江組與上白堊統(tǒng)青山口組[1]；在全國油頁巖資源中吉林省的油頁巖礦產(chǎn)資源量占到80%以上。本文依托中國地質(zhì)調(diào)查局油氣資源中心《松遼盆地松南油頁巖地質(zhì)調(diào)查井工程》項(xiàng)目，討論研究位于吉林省松原市扶余市長春嶺附近的JFD3井的油頁巖地質(zhì)調(diào)查井，在通過對(duì)青山口組1段的取芯樣品含油率、TOC、全硫含量等測試分析結(jié)果并研究青山口組1段油頁巖特征，為了今后油頁巖的原位壓裂和熱解開采靶區(qū)的優(yōu)選提供重要依據(jù)[1-2]。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

松遼盆地橫跨我國黑龍江、吉林、遼寧三省，面積約為26萬km2；根據(jù)盆地構(gòu)造演化和基底形態(tài)與盆地結(jié)構(gòu)等特征，并劃分成6個(gè)一級(jí)構(gòu)造單元。

分別為北部傾沒區(qū)、中央坳陷區(qū)、西部斜坡區(qū)、東北隆起區(qū)、東南隆起區(qū)和西南隆起區(qū)。

在6個(gè)一級(jí)構(gòu)造單元中東南隆起區(qū)經(jīng)歷了多期的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，從晚侏羅世以來，可劃分為熱拱期、斷陷期、斷坳轉(zhuǎn)換期、坳陷期、萎縮隆褶期和弱伸展凹凸期的6個(gè)演化階段，形成明顯的下斷上坳沉積特征。JDF3井位于東南隆起區(qū)的登婁庫背斜部位(圖1)，在晚白堊世末期—古近紀(jì)經(jīng)歷構(gòu)造反轉(zhuǎn)抬升后，長期處于隆升的狀態(tài)，致使沉積層遭受到嚴(yán)重剝蝕，未接受上白堊統(tǒng)的嫩江組、四方臺(tái)組、明水組與新近系的泰康組沉積。

圖1 JFD3井構(gòu)造位置圖Fig.1 Structural location map of Well JFD3

2 油頁巖形成環(huán)境

根據(jù)前人研究的松遼盆地青山口組一段主要發(fā)育在半深湖—深湖相沉積[1]。巖心觀察認(rèn)定，JDF3井青山口組一段主要分成上下兩部分：下部為棕褐色泥頁巖與油頁巖發(fā)育；上部為灰黑色泥質(zhì)頁巖及棕黑色油頁巖互層帶，局部見有介形蟲化石與葉肢介化石發(fā)育。整體呈現(xiàn)細(xì)粒結(jié)構(gòu)和泥質(zhì)結(jié)構(gòu)。油頁巖的新鮮面主要為棕黑色、褐色、黑褐色，密度較小，含少量介形蟲與葉肢介碎屑和植物莖稈等生物化石，發(fā)育的水平層理、塊狀層理。綜合性分析研究表明青山口組一段油頁巖形成環(huán)境為半深湖或深湖相。

3 鉆井及取樣

3.1 JFD3井鉆探情況

依據(jù)鉆井巖心的觀察統(tǒng)計(jì)，JDF3井鉆遇的地層應(yīng)是自上而下分別如下：

第四系腐殖土及沖積層(0～35.49 m)：地層厚度為35.49 m，巖性上部為松散的腐殖土層，灰黑色，夾泥礫，泥礫大小不均勻，硬度較差，不成巖。

嫩江組(35.49～218.70 m)：地層厚度183.21 m。為灰黑色泥巖，局部為灰黑色粉砂質(zhì)泥巖、灰綠色泥質(zhì)粉砂巖。

姚家組(218.70～579.92 m)：地層厚度361.22 m。為紫紅色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖為主，另見灰綠色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖，局部呈條帶狀或互層狀。

青山口組(579.92～811.48 m)：地層厚度231.58 m。為灰黑色油頁巖、灰黑色泥巖夾少量灰綠色粉砂質(zhì)泥巖、灰白色粉砂巖。該組頁理發(fā)育，見有介形蟲、葉肢介化石；局部砂巖中見有少量油跡。為含油頁巖地層，其中泥巖累計(jì)厚度193.68 m，占青山口組厚度的83%；油頁巖累計(jì)厚度37.90 m，占青山口組厚度的16%，分別為青山口二段和青山口一段：

(1)青山口組二段(579.92～654.35 m)：為灰黑色劣質(zhì)油頁巖、灰綠色泥巖和青灰色泥巖互層。層厚74.73 m?；揖G色泥巖和青灰色泥巖互層：灰黑色-青灰色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，主要成分為泥質(zhì)，含量在90%以上。微含粉砂，砂質(zhì)分布均勻，性較軟，其中夾有灰白色砂巖?；液谏淤|(zhì)油頁巖：灰黑色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，主要成分為泥質(zhì)，含量多在90%左右，其次為油母質(zhì)、瀝青質(zhì)、碳質(zhì)。巖石層理發(fā)育，質(zhì)輕、性脆，指甲刻劃具明顯油脂溝痕，層面平坦、光滑、細(xì)膩，有油膩感，用火燒會(huì)發(fā)出輕微爆裂的聲音，并伴有輕微瀝青味散出。巖石中見有介形蟲及葉肢介化石碎片，化石呈黃褐色，直徑多為2～3mm。

(2)青山口組一段(654.35～811.48 m)：為灰黑色泥巖、灰綠色粉砂質(zhì)泥巖、油頁巖段，層厚157.13 m。灰黑色泥巖：灰黑色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，主要成分為泥質(zhì)，含量在90%以上。微含粉砂，砂質(zhì)分布均勻，較軟，其中夾有灰白色砂巖。油頁巖：灰黑色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，主要成分為泥質(zhì)，含量多在90%左右，其次為油母質(zhì)、瀝青質(zhì)、碳質(zhì)。巖石層理發(fā)育，質(zhì)輕、性脆，指甲刻劃具明顯油脂溝痕，層面平坦、光滑、細(xì)膩，有油膩感，用火燒會(huì)發(fā)出輕微爆裂的聲音，并伴有輕微瀝青味散出。巖石中見有介形蟲及葉肢介化石碎片，化石呈黃褐色，直徑多為2～3 mm。

泉頭組(811.48～828.35 m)：厚度為16.87 m，見有泉頭組頂部的灰白色砂巖、紫紅色泥質(zhì)粉砂巖、灰綠色泥巖未穿透泉頭組。

3.2 取樣分析

吉扶地3井中共采集樣品169件，其中青山口組150件。油頁巖樣品中選取46件總有機(jī)碳分析樣品與2件全硫含析樣品、34件工業(yè)分析樣品和3件小體重樣品。本次的樣品測試工作是委托國土資源部長春礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測中心完成。

4 油頁巖的特征

4.1 油頁巖宏觀品質(zhì)特征

青山口組一段油頁巖巖性特征為：新鮮面主要為灰黑色與褐色(圖2)，密度相對(duì)較小，含介形蟲化石(圖3)方解石條帶局部團(tuán)塊，在JFD3井青山口組少量分布不均勻見圖4，青山口組砂球、砂枕構(gòu)造，青山口組泥巖撕裂構(gòu)造見圖5。

圖2 青山口組油頁巖介形蟲Fig.2 Oil shale ostracod accumulation in Qingshankou Formation

圖3 青山口組條帶狀方解石Fig.3 Calcite strip of Qingshankou Formation oil shale

圖4 青山口組砂球、砂枕構(gòu)造Fig.4 Sand ball and sand pillow structure of Qingshankou Formation

圖5 青山口組泥巖撕裂構(gòu)造Fig.5 Mudstone tear structure of Qingshankou Formation

4.2 測井曲線響應(yīng)特征

油頁巖的測井曲線響應(yīng)通常表現(xiàn)為“三高一低”的特征，即高自然伽馬、高電阻率、高聲波時(shí)差和低密度[3]。

青山口組一段油頁巖段自然伽馬平均值≥145

API，非油頁巖段平均值為125 API，油頁巖段聲波時(shí)差平均值≥400 s/m，非油頁巖段平均值為350 s/m；油頁巖段深雙側(cè)向電阻率平均值≥7.5 Ω·m，非油頁巖段平均值為5 Ω·m；油頁巖段補(bǔ)償密度平均值≤2.30 g/cm3，非油頁巖段平均值為2.45 g/cm3(表1)。

從以上數(shù)值與曲線特征來看，青山口組一段油頁巖具備 “三高一低”特點(diǎn)(654.35～811.48 m)，所以通過測井曲線與數(shù)據(jù)來判明油頁巖段是非常好的一個(gè)參考手段[3]。

表1 青山口組1段油頁巖和非油頁巖測井?dāng)?shù)據(jù)對(duì)比表

4.3 油頁巖工業(yè)品質(zhì)分析

青山口組共取150件，青山口組油頁巖含油率大于3.5%的樣品共計(jì)34件，含油率最高為15.9%，平均含油率為5.37%，其中低品質(zhì)油頁巖22件，中品質(zhì)油頁巖9件，高品質(zhì)油頁巖3件。

圖6 JFD3井青山口組一段綜合柱狀圖Fig.6 Comprehensive histogram of 1st mumber of Qingshankou Formation in Well JFD3

表2 吉扶地3井見礦情況簡表

5 總有機(jī)碳

油頁巖中含有大量的有機(jī)質(zhì)，是形成烴類的物質(zhì)基礎(chǔ)，總有機(jī)碳的含量多少直接影響著含油率的高低[4-5]。本次工作在嫩江組、青山口組中采取了46件樣品，經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析(見圖7)，總有機(jī)碳與含油率之間呈正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.977 2，含油率隨著有機(jī)碳的含量增高而變大。

圖7 吉扶地3井有機(jī)碳與含油率的相關(guān)性Fig.7 Correlation between organic carbon and oil content of Well JFD3

嫩江組油頁巖總有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14%～20.8%，平均值為7.38%；青山口組油頁巖總有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.5%～20.8%，平均值為8.11%。全部樣品中含油率小于3.5%的樣品(即頂?shù)装搴蛫A層)總有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.14%～5.63%，平均值為4.89%；含油率大于3.5%且小于5%的樣品總有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.57%～7.52%，平均值為6.35%；含油率大于5%的樣品總有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.53%～20.8%，平均值為11.94%。

綜上所述，調(diào)查區(qū)的油頁巖均屬于最好的優(yōu)質(zhì)的生油巖，青山口組油頁巖也優(yōu)于嫩江組油頁巖，與含油率分析結(jié)果相吻合。

6 結(jié)論

(1)研究區(qū)JFD3井青山口組一段共發(fā)育2層油頁巖，累計(jì)厚度為10.30 m，為高灰分、低揮發(fā)分；特低硫、低硫品質(zhì)油頁巖，其含油率與小體積質(zhì)量、灰分、揮發(fā)分顯示一定的負(fù)相關(guān)性，并與總有機(jī)碳含量TOC呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)性，可以作為評(píng)價(jià)油頁巖品質(zhì)的替代指標(biāo)。

(2)JFD3井的油頁巖段與非油頁巖段，具有明顯的高自然伽馬、高電阻率、高聲波時(shí)差和低密度的特點(diǎn)，可以作為間接識(shí)別本研究區(qū)油頁巖層的參考手段。