油页岩的开发和利用已有近200年的历史, 其主要工业用途之一是制取页岩油。我国是世界上油页岩资源十分丰富的国家之一, 21世纪初, 随着国际油价持续走高, 油页岩作为一种重要的能源矿产资源, 逐步进入各国能源开发、利用的视野^{[1, 2, 3]}。

鄂尔多斯盆地不仅具有丰富的油气资源, 也是大型的非常规油气的“ 聚宝盆” 。盆地南部是我国油页岩资源最丰富的地区之一, 其中三叠系延长组是盆地内最具资源潜力的油页岩产出层位, 资源前景良好^{[4, 5, 6]}。但该区的油气研究程度远低于盆地中、北部。随着油气勘查工作的深入, 该区油气、页岩气资源日益受到重视。因此, 立足非常规油气新领域、常规油气南部新区, 拓展油气新层系, 综合研究鄂尔多斯盆地东南部延安— 铜川地区的三叠系油页岩及其伴生资源, 对推进该区能源矿产勘查开发具有重要意义。本文在油页岩测井解释模型探索基础上, 对主要目的层— — 三叠系延长组长7油页岩, 进行了油页岩成矿地质条件研究, 评价了油页岩资源潜力, 预测了资源量。同时根据项目实施中发现的石油、页岩气等伴生能源矿产显示, 按照多种伴生能源矿产综合评价的思路, 结合区域资料, 对石油及页岩气资源前景做了概略评价。

鄂尔多斯盆地构造形态总体表现为东翼宽缓、西翼陡窄, 为不对称大向斜的南北向矩形盆地。通常盆地边缘断裂褶皱相对发育, 而盆地内部构造简单、地层平缓, 一般倾角不足1° 。盆地内无二级构造, 三级构造以鼻状褶皱为主, 少见幅度较大的背斜构造发育。根据现今构造形态, 结合盆地演化历史, 可将鄂尔多斯盆地进一步划分为伊盟隆起、渭北隆起、西缘断褶带、晋西挠褶带、天环向斜, 以及陕北斜坡等6个一级构造单元^{[7, 8]}。工作区位于鄂尔多斯盆地南部NE— SW向展布的渭北隆起带的北部及陕北斜坡的东南部(图1)。

图1

Fig.1

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	图1 研究区构造位置Fig.1 Tectonic location of the study area

上三叠统延长组是在鄂尔多斯盆地持续拗陷和稳定沉降过程中堆积的河流-湖泊相陆源碎屑岩系, 其北部沉积物粒度粗、厚度小, 南部沉积物粒度细、厚度大, 是盆地内主要含油岩系^[9]。地矿部门根据岩性特征自下而上进一步将延长组划分出5个岩性段; 油田按岩性、电性及含油性等特征将其自上而下细分为10个油层组^{[7, 8, 9]}。研究区三叠系延长组第二段上部(长7)油页岩分布面积广、厚度较大、含油率较高^[10], 是油页岩调查首选目标层系。

在调研国内外油页岩资源勘探经验, 借鉴煤田

地质勘探、石油地质勘探的方法, 分析已有资料的基础上, 通过地质调查、异常查证(钻探)及地球物理测井, 获取油页岩资源评价所需的各种参数, 建立油页岩测井评价模型, 利用石油钻井资料进行油页岩资源潜力评价, 综合分析油页岩资源形成条件, 并预测资源量(图2)。

图2

Fig.2

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	图2 技术路线Fig.2 Technological roadmap

在充分研究前人成果的基础上, 部署在研究区的3口钻孔, 均钻遇了良好的长7油页岩层段, 并且在新区长4+5、长6油层组和长10新层系均发现良好油气显示(图3)。何3井在发现良好油页岩矿层的同时, 在鄂尔多斯盆地南部新区发现长4+5、长6传统层位良好的石油显示, 钻获油浸及以上含油岩心28.66 m; 何3-1井进一步在南部新区发现长7页岩气显示和长10新层系油层, 取得显著找矿效果。

图 3

Fig.3

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	图 3 何3井长4+5含油岩心(477.15~478.44 m)Fig.3 Oil bearing cores from the Chang 4+5 Member of the He 3 Well (477.15-478.44 m)

(1)总结了研究区油页岩成矿模式, 明确了油页岩特征。鄂尔多斯盆地三叠系延长组油页岩形成于大型克拉通盆地的拗陷期, 长7、长8和长9均不同程度地发育有油页岩, 其中以长7下部的油页岩分布最广(在整个研究区均有分布), 厚度较大(一般厚度15 m左右, 最厚可达35 m), 品质较好(平均含油率5.2%)。油页岩矿主要为中品级、中灰分、高硫油页岩, 密度平均为2.14 g/cm³。通过对沉积相和有机质富集机理的研究, 修正了前人关于油页岩有利沉积相带的认识, 提出油页岩形成的最有利相带为浅湖— 半深湖相湖湾环境。

(2)总结了延长组油页岩形成的4大主控因素和坳陷湖盆浅湖油页岩成矿模式(图4)。4大主控因素分别是古构造与古地貌(控制湖盆的发育及有利沉积相带的展布)、古气候(主要影响有机质生产力、有机质类型及有机质保存条件)、沉积环境(控制有机质丰度、有机质保存、油页岩单层厚度)以及后期构造演化(主要通过地层埋深来控制油页岩的剥蚀与热演化程度, 进而影响油页岩的保存与品质)。前3个条件控制有机质输入与沉积, 第4个条件控制有机质保存与演化。

图4

Fig.4

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	图4 浅湖— 半深湖湖湾油页岩成矿模式Fig.4 Accumulation model of oil shale from bays in shallow and semi-deep lakes

(3)建立了油页岩测井解释模型, 为利用油田测井资料解释油页岩奠定了基础。油页岩含油率是指油页岩中页岩油(焦油)所占的质量分数, 是界定油页岩矿产资源的一项重要指标, 也是油页岩评价过程中最重要的参数^[11]。目前, 油页岩评价过程中含油率等主要参数都是采用实验室测试岩心的方法来获得。虽然该方法获得的数据较为准确, 但受成本等原因的影响, 不可能对每口井都做大量的取心和分析化验, 而且油页岩含油率纵向非均质性强, 分析数据的代表性不佳。测井资料具有数量多、分辨率高、连续性好等特点, 利用测井资料进行油页岩评价可以在降低成本的基础上, 获得更多且连续性好的数据, 弥补常规方法的不足, 提高资源量估算的准确性。

此次研究首先根据油页岩探井大量岩心的有机碳、含油率分析数据, 运用Δ log R法建立了油页岩有机碳、含油率与测井曲线之间的关系, 得出了含油率计算公式^[12](图5)。

图5

Fig.5

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	图5 Δ log R与含油率关系Fig.5 Relationship between Δ log R and oil content

通过与实测值的对比, 计算值的绝对误差为0.94%, 相对误差为20%, 为利用盆地中已有各类测井资料进行油页岩识别和资源评价建立了有效途径。

鄂尔多斯盆地埋藏较浅的三叠系延长组长7油页岩资源主要分布在陕北南部及渭北地区的铜川— 富县地区, 该区靠近盆地中生代沉积与沉降中心, 长7油页岩出露点多、埋藏浅、厚度较大、含油率较高, 为品质良好的油页岩, 具有巨大的油页岩勘查前景^{[4, 5, 6]}。由于该区积累了大量油气测井资料(图6), 利用该含油率地区性测井解释模型, 快速有效地进行了油页岩资源量评价, 预测工作区长7油页岩工业品级以上的矿体面积达1.08× 10⁴ km², 其中500 m以浅的油页岩远景资源量1 346.46× 10⁸ t, 折算干馏页岩油远景资源量63.70× 10⁸ t, 说明区内资源潜力巨大, 具有大型— 特大型油页岩矿床远景。

图6

Fig.6

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	图6 铜川地区延长组长73期沉积相Fig.6 Sedimentary facies of 73 Member of Yanchang Formation in Tongchuan area

铜川— 延安地区油页岩矿体平均含油率5.2%, 属中品级; 油页岩灰分含量平均75.4%, 属于中灰分油页岩; 油页岩发热量高, 平均1 664 cal/g; 油页岩产气率较高, 平均为4.0%, 有利于综合利用和减少干馏过程中的加热成本; 油页岩样品水分含量平均1.69%, 属于低湿度油页岩, 加工和燃烧过程中不需要预先干燥, 可降低预处理成本; 油页岩全硫含量平均6.5%, 属高硫油页岩, 油页岩利用时存在较大的环境污染问题。

(4)发现了长10含油新层系。何3-1井在长10段钻遇含油显示段16 m(图7、图8)。对长10¹油藏特征及油源对比的分析认为, 长10¹油藏为弱构造-岩性油藏, 长10¹原油与延长组上组合原油的有机地球化学特征有明显的差异^[13]。对延长组下组合的初步分析认为, 延长组下组合蕴涵着较丰富的油气资源, 其中长10¹的物性最好, 其次是长9, 再次是长8。长10¹的渗透性甚至好于长4+5和长6, 为长10¹油藏的形成奠定了良好的储集条件^[14]。

图7

Fig.7

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	图7 何3-1井长10油层综合图Fig.7 Oil layer from the Chang 10 Member of the He 3-1 Well

图8

Fig.8

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	图8 何3-1井869.27~869.54 m含油岩心照片Fig.8 Pictures of the oil-bearing cores from the He 3-1 Well (869.27-869.54 m)

(5)研究区长4+5和长6有较好的油气资源潜力。钻探过程中在长4+5和长6油层组中发现了多套油层, 长4+5— 长6储层非均质性较强, 总体属低孔特低渗储层。在调查区南部新优选了2个油气有利区, 分别为宜君— 铜川有利区和旬邑有利区。长4+5有利区分布面积为1 822 km², 旬邑有利区位于三角洲前缘水下分流河道和浊积岩砂体带, 鼻状隆起高点, 断裂较发育, 宜君— 铜川有利区内何3井和何3-1井已见油浸砂岩。长6有利区分布面积为1 990 km², 旬邑有利区较大, 宜君— 铜川有利区内何3井和何3-1井已见油浸砂岩, 2个有利区主体位于浊积扇之上^[14]。

(6)长7油页岩段具有形成页岩气的基本条件。何3-1井施钻过程中, 在长7油页岩段发现较好的气测异常, 异常值是背景值的3~4倍。采集的7件样品瓦斯含量为0.25~0.40 m³/t, 平均0.35 m³/t, 含气性较好。通过与国内外已开展页岩气商业开采区的页岩特征及页岩气富集区选区参数对比, 区内油页岩TOC含量极高, 可弥补厚度和低演化程度导致的生气量不足。结合区域页岩气勘查进展, 认为该区具有一定的页岩气前景^[14]。

本文通过地质调查与油页岩钻探、地球物理测井及样品分析测试, 充分收集和利用工作区石油钻探资料, 开展了油页岩测井解释、成矿条件和分布规律研究, 以及油页岩资源潜力评价, 初步建立了研究区油页岩测井识别方法和含油率计算模板; 总结了研究区油页岩特征和成矿模式; 初步探索了工作区油页岩电法探测方法; 预测了工作区长7油页岩资源量, 评价认为该区具有大型— 特大型规模油页岩矿产地资源前景。同时根据项目实施中发现的石油、页岩气等伴生能源矿产显示, 按照多种伴生能源矿产综合评价的思路, 结合区域资料, 对石油及页岩气资源前景进行了概略评价。该项目对鄂尔多斯盆地东南部新区、新层系、新领域油气资源勘探发挥了引导作用, 也为相关企业进一步开展多种能源矿产综合勘查利用提供了依据。

(责任编辑: 刘永权)